过程控制仪表
过程控制与自动化仪表课程设计
过程控制与自动化仪表课程设计前言过程控制与自动化仪表课程是工程领域中非常重要的基础课程之一，它涉及到工程研发、生产运营以及企业管理等多个方面。
本文将介绍一种基于实践的课程设计方法，旨在让学生深入掌握过程控制与自动化仪表的基础知识。
设计目标•确定学生对过程控制与自动化仪表的基本概念和技术掌握程度。
•培养学生的设计和实验能力，让他们能够运用所学知识分别设计并完成过程控制实验和自动化仪表实验。
•提高学生的团队合作和沟通能力，通过设计项目的过程，激发学生的创新潜力。
设计内容过程控制实验设计实验一：温度控制系统设计在该实验中，学生需要设计一个基于PID控制算法的温度控制系统。
通过调整控制器的参数，让温度快速稳定在设定值附近，并且能够在温度变化时快速响应和自适应调整。
实验二：流量控制系统设计在该实验中，学生需要设计一个基于比例控制算法的流量控制系统。
通过调整控制器的参数，让流量在设定值附近稳定，并且能够在流量变化时快速响应和自适应调整。
自动化仪表实验设计实验三：温度传感器的实现在该实验中，学生需要实现一个基于热电偶的温度传感器。
通过校准测试，让学生了解测量误差来源和校准方法。
实验四：流量计的实现在该实验中，学生需要实现一个流量计，通过实验测试让学生了解其特性和测量误差来源。
设计方法阶段一：学习基础概念和技术在本阶段，学生需要学习过程控制和自动化仪表的基础概念和技术，包括控制系统、PID控制器、量程、精度等方面的知识。
阶段二：组建设计小组在本阶段，每个小组需要选择一个相对复杂的课程设计内容，进行深入的研究和讨论，拟定初步设计方案。
阶段三：设计与实现在本阶段，学生需要分成小组，负责具体的实验设计与实现。
在设计的过程中，需要充分考虑过程控制和自动化仪表的基本原理和设计要求。
在实现的过程中，需要用到软件工具和实验平台。
阶段四：实验测试与评价在本阶段，学生需要对实验设计进行测试，并记录数据处理结果。
测试过程中需要考虑实验中的各种随机与不确定因素。
过程控制与仪表(共15张PPT)
（3）显示仪表选择
• 显示仪表智能流量显示仪，具有稳压 补偿、瞬时流量显示和累积流量积算功能。
第6页，共15页。
涡街流量计的多数设定
• （1）仪表系统的设定，合肥仪表总厂需设 定的仪表
• 系数K可用下式表示： • K= 1000/K0 • 式中：K0为涡街发生体在出厂时标定
的仪表常数，L/脉冲；k的单位为脉冲数 /m3。 • （2）压力补偿压力变送器的量程设定。 • （3）压力、流量报警上限设定。
第3页，共15页。
涡街流量计的应用
• 涡用流量计的选择
•
（1）涡街流量变送器的选择
•
我公司在饱和蒸汽测量中采用明通仪表有限公
司生产的VA型压电式涡街流量变送器，由于涡街流
量计量程范围宽，因此，在实际应用中，一般主要
考虑测量饱和蒸汽的流量不得低于涡街流量计的下
限，也就是说必须满足流体流速不得低于5m/s。根
第8页，共15页。
4、涡街流量计使用注意事项
• 尽量减少管道内汽锤对 涡街发生体的冲击。振 动较大而又无法消除时， 不宜采用涡街流量计
第9页，共15页。
※原理
• 在流体中设置三角柱型旋涡发生体，则从旋涡发生体两侧交替地产生有规 ◆高温–25℃～则15的0℃旋-2涡5℃，～2这50℃种旋涡称为卡门旋涡，如右图所示，旋涡列在旋涡发生体下游 在（流2）体压中力安补放非偿一压对个力非称变流送地线器型排的旋量涡列程发设。生定体。，使流体在发生体两侧交替地分离，释放出两串规则地交错排列的旋涡，且在一定范围内旋涡分离 频（ P◆◆f=高法nS率1，r）兰温U与P仪1–连-流•/2-d表 分接5=量℃系 别S式成r～表统 为U口正1/的 标m径体5比0d设 准选℃的设（通定 状择流-1旋2，态1径）量50合 下℃0涡计为,1肥 和～。5的仪 工D205,2表 况发，00℃总 下0生即厂 的频需 绝可设 对率得定 压为的 力到f仪 ，，以表Pa被；下测关介系质式平：均流速为 ，旋涡发生体迎流面宽度为d， （设温1旋度）涡 补仪涡的偿•表街发一系流生体统量频型的变率涡设送为街f定器=流f，， 的S量被r合选U计测肥择1还介仪/带d质表=有平总S温均厂r度U流需传/速m设感为定d器的，（，仪旋可1表涡）以发直生接体测迎量流出面饱宽和度蒸为汽d的，温表度体并通计径算为出D，压即力可，得从到而以显下示关饱系和式蒸：汽的质量流量。 K（除1）与仪旋•表涡系发统生的体设、式定管中，道合的肥几U仪何1表尺-总寸-旋厂有需关涡设外发定，的还生仪与体表斯特两劳侧哈尔平数均有关流。速，m/s； 式◆（涡脉中1街）冲： 流涡占K量•街空0计为流比的涡量约多街变5数0发送%设生S器,传定体r的输-在-选距斯出择离厂特为时1劳标00定m哈的尔仪表数常；数，L/脉冲； 斯 根特据劳用哈 汽• 尔 量数 的为 大无 小量 选m纲 用-参不-旋数 同， 口涡它 径与 的发旋 涡生涡 街发 流体生 量体 变两形 送侧状 器及 ，弓雷 而形诺 不数 能面有 以关 现积， 有与图 的工2管所艺示道管为道圆横口柱径截状来旋面选涡择面发变生送积体器的之口斯径比特。劳哈尔数与管道雷诺数的关系图。 为 由公温温于司度压饱 管 补 补和道偿偿• 蒸饱一一汽和体体管蒸型型路汽涡带长压街有管，力流温道压在量度内力计、0. 波还压体动带力积较有传流大温感，度器量必传，q须感用v采器于用，气压可体力以流补直量偿接测，测量考量可虑出直到饱接压和测力蒸量、汽出温的气度温体及度介密并质度计的的算温对出度应压和关力压系，力， 从 ，测而从量显而中示显只饱示采和气用蒸体压汽的力的标补质况偿量体即流积可量流，。量由。于明通 由寸7设M上等旋P式 有 涡a范可关的•围见。发，，生压频V力S率F变输为q送出fv，器的=被的π脉测量D冲介程2频质选U率平择/信4均1号=M流π不P速aD受即为2流可，m体。旋d物涡f性/4发和S生组r体分(迎2变)流化面的宽影度响为，d即，仪表表体系通数径在为一D，定即雷可诺得数到范以围下内关仅系与式旋：涡发生体及管道的形状尺 但由是图作 可为见• 流，量在计Re在D物=K2料×=1平f0/4q衡～v及7=×能[1π源06D计范量2围m中内需d，检/S4r测可S质视r]量为-1流常量(数3，，)这这时是流仪量表计正的常输工出作信范号围应。同时监测体积流量和流体密度，流体物性和组分对流 量计量还• 是有直接影式响的中 K--流量计的仪表系数，脉冲数/m3（P/m3）。
《过程控制及仪表》课件
2
电气指标和计量单位
电流、电压、电阻、电功率等
பைடு நூலகம்
计量单位的转换
3
仪表信号传输和处理
传感器和信号转换器
信号放大和滤波
控制系统与仪表的应用
工业自动化中的应用
航空航天中的应用
生命科学中的应用
总结
概念、原理和应用
本课件对过程控制和仪表的概念、原理和应用进行了介绍。
为学习和工作提供指导
学生可以通过本课件了解控制系统和仪表相关知识，为今后的学习和工作提供指导。
《过程控制及仪表》PPT课件
# 过程控制及仪表PPT课件 ## 简介 - 本课件主要介绍过程控制和仪表的相关知识。 - 旨在帮助学生了解控制系统和仪表的基本原理以及使用方法。
控制系统
控制系统概述
定义和分类 组成和特点
控制系统建模
系统模型 状态空间模型 传递函数模型
仪表
1
仪表概述
定义和分类
组成和特点
过程控制与自动化仪表PPT
图1-9 过渡过程品质指标示意图
假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的 变化曲线如上图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程
过程控制与自动化仪表
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五种重要品质指标之一
1. 最大动态偏差或超调量
最大动态偏差是指在过渡过程中，被控变量偏 离稳态值的幅度。在衰减振荡过程中，最大偏差 就是第一个波的峰值。特别是对于一些有约束条 件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触 媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有 所限制。
发散震荡过程
X
过程控制与自动化仪表
34
预备知识
○、数学模型的基本概念 一、控制系统的运动微分方程 二、非线性数学模型的线性化
微分方程 传递函数 脉冲响应函数
三、拉氏变换和拉氏反变换 四、传递函数
五、系统方框图和信号流图
六、控制系统传递函数推导举例
11/19/2019 过程控制与自动化仪表
自动化仪表 与
过程控制
1
概念
自动化：机器设备、系统或过程（生产、管理过程）在没
有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动检测、 信息处理、分析判断、操纵控制，实现预期的目标的过程。
电力
过程控制 石油
煤炭
自动化钢铁运动控制Fra bibliotek冶金 化工
过程控制与自动化仪表
2
过程控制
过程控制----泛指石油、化工、电力、冶金、核能
态，这种状态就是静态。
过程控制与自动化仪表
29
动态——被控变量随时间变化的不平衡状态 。
从干扰作用破坏静态平衡，经过控制，直到系统 重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环 节和信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。
过程控制系统与仪表考试整理
过程控制系统与仪表第一章1 过程控制系统主要任务：对生产过程中的有关参数（温度压力流量物位等）进行控制使其保持恒定或按一定规律变化在保证产品质量和生产安全的前提下使连续生产过程自动进行下去2 特点：1）控制对象复杂控制要求多样2）检测方案丰富3）控制多属于慢过程控制4）定值控制是过程控制的一种主要形式5）过程控制系统由规范化的过程检测仪表组成过程控制分类方法1按设定值的形式不同划分1）定值控制系统2）随动控制系统3）过程控制系统2按系统地结构特点分1）反馈控制系统2）前馈控制系统3）前馈反馈复合控制系统稳态：对于定值控制当控制系统输入不变时整个系统若能达到一种平衡状态系统各个组成环节暂时不动作它们的输入输出信号都处于相对静止状态就是稳态动态：从外部扰动出现平衡状态遭到破坏自动控制装置开始动作到整个系统又建立新的稳态调节过程结束的这一段时间整个系统的各个环节的状态和参数都处于变化的过程之中叫动态控制系统的过度过程：系统从原来的平衡状态经过动态过程达到新的平衡状态的动态历程稳定过渡过程：不稳定过渡过程系统的控制作用能否使被控参数回到原来的设定值用阶跃输入分析过渡过程外部扰动阶跃变化时被控参数响应曲线与设定阶跃变化时的特征是相同的通常采用设定值阶跃变化时被控参数响应的典型曲线来定义控制系统的单项性能指标主要有衰减比超调量与最大动态偏差静差调节时间震荡频率等第二章计算题会选择仪表精度思考与练习题2-3 某压力表的测量范围为0～10MPa ，精度等级为1.0级。
试问此压力表允许的最大绝对误差是多少？若用标准压力计来校验该压力表，在校验点为5MPa 时，标准压力计上读数为5.08MPa ，试问被校压力表在这一点上是否符合1级精度，为什么？解答：1）基本误差δ=100%⨯最大绝对误差?max ＝0.01×10＝0.1MPa2）校验点为5 MPa 时的基本误差：%8.0%10010508.5=⨯-=δ 0.8％<1％ ，所以符合1.0级表。
过程控制仪表 教学大纲
过程控制仪表一、课程说明课程编号：090011Z10课程名称：过程控制仪表/Instruments for Process Control课程类别：专业课学时/学分：32/2 (其中实验学时：4)先修课程：电路理论、模拟电子技术、数字电子技术、自动控制理论等适用专业：测控技术与仪器,电气工程及自动化教材、教学参考书：1.潘永湘、杨延西、赵跃编著.过程控制与自动化仪表.北京：机械工业出版社.2007年；2.林德杰主编.过程控制仪表及控制系统.北京：机械工业出版社.2009年；3.王再英,刘淮霞,陈毅静编著.过程控制系统与仪表.北京：机械工业出版社.2006年；4.潘永湘、杨延西、赵跃编著.过程控制与自动化仪表.北京：机械工业出版社.2007年二、课程设置的目的意义本课程是为测控技术与仪器等电气信息类本科专业的专业选修课程。
通过了解过程控制仪表的发展概况和分类方法，重点掌握包括变送器、调节器和执行器在内的模拟及数字式的调节仪表和装置，培养学生具有使用过程控制仪表和装置构成过程控制系统的能力，为学生后续课程和毕业设计以及今后的工作打下良好的基础。
三、课程的基本要求知识：了解过程控制仪表、系统的概念、组成、分类和发展概况；掌握变送器、执行器、单元控制器的基本工作原理和典型电路分析；掌握差压变送器、温度变送器的工作原理及智能变送器原理与使用方法；掌握防爆安全常识与防爆安全栅原理；掌握P、PI、PD、PID调节器的调节原理及特性；掌握基型PID调节器的工作原理及特性；掌握数字调节器设计方法与参数整定；掌握气动执行器和电动执行器的工作原理及使用方法。
能力：将过程控制仪表与装置及相关先修课程知识综合应用于一般工程问题，正确表达符合需求的工艺过程中参量测量问题及其转化测量问题的能力；依据功能与性能要求和应用环境提出可满足需求的系统解决方案，在学习、讨论和解决工业生产应用实际问题的过程中，积累经验知识并培养创新意识，提高发现、分析、解决问题的能力。
过程控制系统与仪表 王再英 第3章 控制仪表-2010
y = K pe
3.1 基本控制规律及特点
3.1.2 比例控制（P） 比例控制（ ）
杠杆（控制器） 杠杆（控制器） 浮球：测量元件 浮球：
活塞阀
图3-3 简单的自力式 比例控制系统示意图
29
3.1 基本控制规律及特点
原来系统处于平衡， 原来系统处于平衡，进 水量与出水量相等， 水量与出水量相等，此时进 水阀有一开度。 水阀有一开度。 t=0时 t=0时，出水量阶跃增 加，引起液位下降，浮球下 引起液位下降， 移带动进水阀开大。 移带动进水阀开大。 当进水量增加到与出水 量相等时，系统重新平衡， 量相等时，系统重新平衡， 液位也不再变化。 液位也不再变化。
y = K pe
（3-3） ）
K p为放大倍数（比例增益），它的大小决定了比例控制作用 为放大倍数（比例增益）， ），它的大小决定了比例控制作用 的强弱。 K p越大，比例控制作用越强。 的强弱。 越大，比例控制作用越强。
24
3.1 基本控制规律及特点
3.1.2 比例控制（P） 比例控制（ ）
y = K pe
（3-3） ）
比例度： 比例度：就是指控制器输入偏差的相对变化值与相应的输出的 相对变化值之比，用百分数表示： 相对变化值之比，用百分数表示：
e P= x −x min max
ymax
y − ymin
× 100%
（3-4） ）
式中： 为输入偏差 为相应的输出变化量 为输入偏差； 为相应的输出变化量； 式中：e为输入偏差；y为相应的输出变化量； (xmax − xmin )为测量输入的最大变化量，即控制器的输入量程； 为测量输入的最大变化量，即控制器的输入量程； ( y max − y min )为输出的最大变化量，即控制器的输出量程。 为输出的最大变化量，即控制器的输出量程。
过程控制仪表.详解
过程控制 3、按结构形式分类
单元组合式仪表 基地式仪表 集散型计算机控制系统
现场总线控制系统
过程控制
单元组合式仪表： 根据控制系统各组成环节的不同功能和使用要求，将仪表做 成能实现一定功能的独立仪表（称为单元），各个仪表之间 用统一的标准信号进行联系。 将各种单元进行不同组合，可以构成多种多样、适用于各种不 同场合需要的自动检测或控制系统。 有电动单元组合仪表（DDZ）和气动单元组合仪表（QDZ）两 大类。都经历了I型、II型(010mA) 、III型(420mA, 15v)的 三个发展阶段。
最简单的电动执行器称为电磁阀
其它连续动作的电动执行器都使用电动机作动力元件，将
调节阀的信号转变为阀的开度 + 伺服电动机 伺服放大器 －
减速器
位置发生器
电动执行机构的构成框图
三、调节阀的气开和气关
1、执行机构与调节机构的组合
过程控制
气开阀：在有信号压力输入时阀打开、无信号压力时阀全关 气关阀：在有信号压力时阀关闭，无信号压力时阀全开 从控制系统角度出发，气开阀为正作用，气关阀为反作用
4、数学运算
过程控制
当检测信号与被控变量之间有一定的函数关系时，需要进行数 学运算获得实际的被控变量数值。
5、信号报警
如果检测变送信号超出工艺过程的运行范围，就要进行信号 报警和连锁处理。
6、数字变换
例如快速傅里叶变换、小波变换； 在计算机控制系统中，模数转换和数模转换时经常使用的。
3.3 执行器
过程控制
温度变送器 压力变送器 将各种被测参数变换成相 应的标准统一信号传送到 接收仪表或装置，以供显 示、记录或控制
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减小Tm的措施：
检测点位置的合理选择； 选用小惯性检测元件； 缩短气动管线长度，减小管径； 正确使用微分单元； 选用继动器或放大器等。
过程控制
准确：检测元件和变送器能正确反映被控或被测变量，误差小；
迅速：及时反映被控或被测变量的变化；
可靠：能在环境工况下长期稳定运行。
3、选用时的基本考虑
首先考虑元件能否适应工业生产过程中的高低温、高压、腐蚀 性、粉尘和爆炸性环境，能否长期稳定运行；
仪表精度和量程的选择 选用仪表的精度要合适：应符合工业检测要求 仪表测量误差：仪表本身误差、环境工况引入的误差、动态误差 量程选择：量程的改变会引起最大读数误差变化和增益变化。
单
流量变送器
元
组
液位变送器
应的标准统一信号传送到 接收仪表或装置，以供显 示、记录或控制
合
仪 表
直流毫伏转换器
转换单元
频率转换器 电－气转换器
气－电转换器
将电压、频率等电信 号转换成标准统一信 号，或者进行标准统 一信号之间的转换， 以使不同信号在同一 控制系统中使用
过程控制
过程控制
输出统一标准信号，作为被控变量的给定值
过程控制
第三章 过程控制仪表
3.1 总体概述
过程控制
一、过程控制仪表的分类及特点
1、按能源形式分类
可分为电动、气动、液动和机械式等几种。工业上普遍使用 电动控制仪表和气动控制仪表。
电动仪表
气动仪表
能源
电源(220VAC，24VDC) 气源（140kPa）
传输信号 电信号(电流、电压或数字) 气压信号
考虑仪表和变送器的线性特性
4、动态特性
Gm(s)Tm Ksm 1ems
过程控制
对Km的考虑：
➢ Km小，增大控制器的增益，有利于克服扰动对影响；
➢ Km的线性度与整个闭环控制系统输入输出的线性度有关； ➢ 选择合适的测量范围可改变检测变送环节Km
对Tm的考虑： ➢ 作为广义对象的组成，应考虑与Tp和Tv的匹配，及增大最 大时间常数与次大时间常数之间的比值；
构成
电子元器件
气动元件
接线
导线、印刷电路板
导管、管路板
2、按信号类型分类
过程控制
模拟式
由模拟元件构成
传输信号通常为连续变化的模拟量，如电流信 号，电压信号，气压信号等
线路较简单，操作方便，使用灵活，价格较低
数字式
以微处理器、单片机等大规模集成电路芯片为核心
传输信号通常为断续变化的数字量，如脉冲信号
▪ 实现操作站与控制站的连接
过程通信网络
▪ 提供与企业管理网络的连接
过程控制
现场总线控制系统（FCS系统） 现场控制和双向数字通信 将传统上集中于控制室为双向数字通信。
二、信号制
过程控制
信号制即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型和 数值。
▪ 由DCS系统的基本控制器（包括控
控制站（下位机）
制卡、信号输入输出卡、电源等）构 成
▪ 或由可编程序控制器PLC（包括
CPU、I/O、电源等模块）或带有微处 理器的数字式控制仪表构成
▪ 过程信息的集中显示、操作和管理
操作站（上位机） ▪ 由工业控制计算机、监视器、打印
机、鼠标、键盘、通信网卡等组成
将各种单元进行不同组合，可以构成多种多样、适用于各种不 同场合需要的自动检测或控制系统。
有电动单元组合仪表（DDZ）和气动单元组合仪表（QDZ）两 大类。都经历了I型、II型(010mA) 、III型(420mA, 15v)的 三个发展阶段。
温度变送器
过程控制
压力变送器 将各种被测参数变换成相
变送单元 差压变送器
➢ 相对于Tp ，Tm是较小的。但有例外：
• 成分检测变送环节的时间常数和时滞会很大；
过程控制
• 气动仪表的时间常数较电动仪表要大；
• 采用保护套温度计检测温度要比直接与被测介质接触检测温
度有更大的时间常数。
➢ 应考虑时间常数随过程运行而变化的影响： • 保护套结垢，造成时间常数增大； • 保护套磨损，造成时间常数减小。
可以进行各种数字运算和逻辑判断，其功能完善， 性能优越，能解决模拟式仪表难以解决的问题
3、按结构形式分类
➢ 单元组合式仪表 ➢ 基地式仪表 ➢ 集散型计算机控制系统 ➢ 现场总线控制系统
过程控制
过程控制
单元组合式仪表：
根据控制系统各组成环节的不同功能和使用要求，将仪表做 成能实现一定功能的独立仪表（称为单元），各个仪表之间 用统一的标准信号进行联系。
气动仪表的信号标准：20kPa 100kPa 电动仪表的信号标准 ：420maADC DDZII型电动仪表的信号标准 ： 010maADC
3.2 检测变送环节
一、检测变送环节的性能
过程控制
1、检测元件和变送器的作用
将工业生产过程的参数(流量、压力、温度、物位、成分等)经检 测、变送单元转换为标准的电或气信号。
变送器输出的是被控变量的测量值，它被送到显示和控制装置， 用于显示和控制。
过程变量
位移、压力
检测元件
差压、电量等
标准信号 变送器
检测变送环节工作原理
模拟仪表：标准信号通常采用420mA、010mA、15v电流或 电压信号，20100kPa 气压信号；
现场总线仪表：标准信号是数字信号
2、对检测变送单元的基本要求
给定单元 送到控制单元，实现定值控制。
给定单元的输出也可以供给其他仪表作为参
单
考基准值。
元
角行程电动执行器
组 合
执行单元 直线行程电动执行器
仪
气动薄膜调节阀
按控制器输出的 控制信号和手动 操作信号，改变 控制变量
表 操作器：手动操作及手动/自动的切换作用
阻尼器：压力或流量等信号的平滑、阻尼 辅助单元
通常以指示、记录仪表为主体，附加控制、测量、给定等部件 而构成；
其控制信号输出一般为开关量，也可以是标准统一信号； 一个基地式仪表具有多种功能，与执行器联用或与变速器联用， 便可构成一个简单的控制系统； 性能价格比高，适用于单参数的控制系统。
过程控制
集散控制系统（DCS系统）：分散控制、集中管理
▪ 数据采集、处理及控制
限幅器：限制信号的上、下限值
安全栅：将危险场所与非危险场所隔开，起 安全防爆作用
工艺介质 阀门
被控对象
过程控制
被调变量
执行单元 自动 手动
操作单元
检测元件
变送单元 测量值 调节单元
给定值
给定单元
显示单元
用电动单元组合仪表组成的控制系统
过程控制
基地式控制仪表 相当于把单元组合仪表的几个单元组合在一起，构成一个仪表。