工业自动化仪表及过程控制(1)
自动化仪表及过程控制
第一章绪论本章提要1.过程控制系统的基本概念2.过程控制的发展概况3.过程控制系统的组成4.过程控制的特点及分类5.衡量过程控制系统的质量指标授课内容第一节过程控制的发展概况1.基本概念过程控制系统-----指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及PH值(氢离子浓度)等这样一些过程变量时的系统。
(P3) 过程控制-----指工业部门生产过程的自动化。
(P3)2.过程控制的重要性z进入90年代以来自动化技术发展很快，是重要的高科技技术。
过程控制是自动化技术的重要组成部分。
在现代工业生产过程自动化电过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。
3.过程控制的发展概况z19世纪40年代前后(手工阶段)：手工操作状态，凭经验人工控制生产过程，劳动生产率很低。
z19世纪50年代前后(仪表化与局部自动化阶段)：过程控制发展的第一个阶段，一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。
主要特点：检测和控制仪表-----采用基地式仪表和部分单元组合仪表(多数是气动仪表)；过程控制系统结构------单输入、单输出系统；被控参数------温度、压力、流量和液位参数；控制目的------保持这些参数的稳定，消除或者减少对生产过程的主要扰动；理论-----频率法和根轨迹法的经典控制理论，解决单输入单输出的定值控制系统的分析和综合问题。
z19世纪60年代(综合自动化阶段)：过程控制发展的第二个阶段，工厂企业实现车间或大型装置的集中控制。
主要特点：检测和控制仪表-----采用单元组合仪表(气动、电动)和组装仪表，计算机控制系统的应用，实现直接数字控制(DDC)和设定值控制(SPC)；过程控制系统结构------多变量系统，各种复杂控制系统，如串级、比值、均匀控制、前馈、选择性控制系统；控制目的------提高控制质量或实现特殊要求；理论-----除经典控制理论，现代控制理论开始应用。
过程控制及自动化仪表总结
练习题
一台具有比例积分控制规律的DDZ-III型控制器， 其比例度δ为200%时，稳态输出为5mA。在某瞬 间，输入突然变化了0.5 mA，经过30s后，输出由 5mA变为6mA，试问该控制器的积分时间TI为多 少？
比例积分控制器，列写出PI控制算式。KP =1， TI=2分钟，当输入是幅值为A的阶跃信号时，2分 钟后输出的变化量是多少？
练习题
什么是仪表的测量范围及上、下限和量程？彼此 有什么关系？
练习题
什么是仪表的测量范围及上、下限和量程？彼此 有什么关系？ 用于测量的仪表都有测量范围，测量范围的最 大值和最小值分别称为测量上限和测量下限， 量程是测量上限值和测量下限值的差，用于表 示测量范围的大小。 已知上、下限可以确定量程，但只给出量程则 无法确定仪表的上、下限以及测量范围。
4、简单控制系统
n 了解简单控制系统的结构、组成及作用 n 掌握简单控制系统中被控变量、操纵变量选择的一般 原则 n 了解各种基本控制规律的特点及应用场合 n 掌握控制器正、反作用确定的方法 n 掌握控制器参数工程整定的方法
主要内容
★分析给定的系统 ★制定控制方案 被控对象、被控变量、操纵变量、执行器、控制器 ★画出控制系统的方框图 ★选择执行器的气开、气关 ★选择控制器的控制规律
差压式液位计的工作原理是什么？当测量密闭 有压容器的液位时，差压计的负压室为什么一定 要与气相相连接？
练习题
差压计三阀组的安装示意图如图所示， 它包括两个切断阀和一个平衡阀。 安装三阀组的主 要目的是为了在开 停表时，防止差压计单向受到很大的 静压力，使仪表产生附加误差，甚至 损坏。为此，必须正确地使用三阀组。 具体步骤是：
★选择控制器的正作用、反作用
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
37
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。
工业自动化仪表与自动化控制技术
工业自动化仪表与自动化控制技术张 慧（上海电气船研环保技术有限公司，上海 200136）进入到21世纪以后，世界各地的信息化科学技术都获得了迅速发展，已经成为衡量各个国家经济水平重要标准，信息化科学技术的应用使得我国各个产业都发生了翻天覆地的变化，对于工业生产而言，自动化仪表以及自动化控制技术所带来的变革性变化最为突出，将帮助工业生产逐渐进入到全智能化时代。
1.工业自动化仪表介绍1.1 基本情况介绍 对于我国工业设备自动化控制系统建设而言，必须依靠自动化仪表才能够得以实现。
自动化仪表是实现自动化控制的核心功能，需要依靠众多自动化、现代化、科技化的软件和硬件共同构成。
通过建设自动化仪表能够对设备各项基本参数进行实时的监测，使工业设备整体运行情况都能够得到实时的监督管理，是我国工业生产过程中最为重要的现代化信息技术工具。
在大多数情况下，工业生产中的自动化仪表需要具备以下几方面的功能：对设备工艺参数进行实时监测，记录数据内容，完成适当控制功能，而且也能够以远程方式对数据信息进行传递、收集和处理，能够帮助工作人员随时了解不同设备现行的运行状况，全面保障机械设备生产效益。
行业内工业自动化仪表随着科学技术发展形成了不同功能类型，能够针对不同用工需要来完成数据展现，但是总体而言，工业自动化仪表功能上可以分为检测型、数据显示型、功能调节型。
检测型主要是帮助工作人员可以对工业生产过程中各项设备运行参数变化进行展示，这些参数一般包括压力值、电流、温度值等；数据显示型主要是将检测仪表中的各类数据进行参数对比性的展示，能够方便操作人员及时查阅各类数据信息，并且提高故障发现效率；功能调节型主要是指通过预先设定的方式对各项功能进行程序上的控制，通过对仪表进行设置，能够以自动化方式对机械设备生产效率进行调节，帮助企业实现最大化生产效益[1-2]。
1.2 仪表种类分析 工业自动化仪表种类各式各样，名目也各有不同，根据不同功能所进行的种类划分也随着工业生产愈发精细化而变得更加多样化，如果按照参数功能进行分析可以将工业自动化仪表分为温度仪表、位置仪表、压力仪表等；如果按照基本功能来进行分析，可以将工业自动化仪表分为执行仪表、调整仪表、显示仪表等。
过程控制与自动化仪表知识点
1.过程控制系统由被控过程和自动化仪表两部分组成。
2.自动化仪表按能源形式分为：液动、气动和电动。
按信号类型分为：模拟式和数字式。
3.模拟仪表的信号可分为气动仪表的模拟信号与电动仪表的模拟信号。
4.气动仪表的输入/输出模拟信号统一使用0.02~0.1MPa 的模拟气压信号。
5.按照国际电工委员会规定，过程控制系统的模拟直流电流信号为4~20mA DC ，负载电阻为250Ω；模拟直流电压信号为1~5V DC 。
DDZ-Ⅲ型电动单元组合仪表就是这种信号标准。
6.气动仪表与电动仪表的能量供给分别来自于气源和电源。
1.过程参数检测仪表通常由传感器和变送器组成。
2.引用误差计算公式：%100x x minmax ⨯-∆=γ（其中△为最大绝对误差，等于实测值x 减真值a x 的最大差值，即a1x x -=∆，min max x x 与为测量表的上下限值）3.精确度及其等级：最大引用误差去掉“±”与“%”。
例：±5%的精度等级为0.5。
4.热电阻在500℃以下的中、低温度适合作测温元件（理解公式()()[]00t t 1t -+=αR R ，其中R(t)为被测温度t 时的电阻值；R 0为参考温度t 0时的电阻值，通常t 0=0℃，α为正温度系数）；金属热电阻适用于-200℃~500℃；热敏电阻为-50~300℃。
5.热电阻接线有二线制、三线制、四线制三种接法，其中三线制可利用电桥平衡原理消去导线电阻。
6.热敏电阻由于互换性较差，非线性严重，且测温范围在-50~300℃左右，所以通常较多用于家电和汽车的温度检测和控制。
7.由于热电偶具有测温精度高、在小范围内线性度与稳定性好、测温范围宽、响应时间快等优点，因此在工业生产过程中应用广泛。
当温度高于2000℃时热电偶不能长期工作，需采用非接触式测温方法。
8.当被测为运动物体时，采用非接触式测温方法。
体积流量表示瞬时流量与累积流量：瞬时：A A A υυ==⎰d q v 累积：⎰=t 0v v dt q Q 质量流量表示瞬时流量与累积流量：瞬时：v m q q ρ= 累积：v m Q Q ρ=（ρ为流量密度）标准状态下的体积流量：n v n m vn /q /q q ρρρ==（n ρ为标准状态下气体密度）9.典型流量检测仪表有容积式流量计、速度式流量计、直接式质量流量计。
《自动化仪表及过程控制》课程教学大纲
《自动化仪表及过程控制》课程教学大纲英文名称：Automatic Instruments and Process Control 课程编号：适用专业：自动化学时： 54 学分： 3课程类别：专业方向课课程性质：限选课一、课程的性质和目的《自动化仪表及过程控制》是自动化专业的重要专业课。
本课程在系统简明地阐述常用过程量测控仪表和计算机控制系统基本原理和基本知识的基础上，同时介绍自动调节系统设计和整定的基础知识，通过本课程的学习，使学生掌握生产过程控制的基础知识和基本应用技术。
二、课程教学内容概述主要内容：1、自动化仪表的概念及其发展；2、DDZ仪表及其控制系统；3、自动化仪表的基本性能指标。
第一章检测仪表基本内容和要求：1、了解温度测量的概念和工业上常用的测量方法；2、掌握热电偶的测温原理及其应用；3、掌握热电阻的测温原理及其应用；4、理解温度变送器的基本结构；5、了解工业生产中压力参数的概念和常用压力测量原理；6、理解压力式、力平衡式、位移式和固态测压元件及其变送器的工作原理；7、理解节流式、容积式流量测量的基本原理及其应用。
8、理解涡轮、电磁、漩涡等流量测量方法的应用；9、理解浮力式、静压式、电容式、超声式等常用液位测量原理；10、了解成分分析仪表的基本概念。
教学重点：1、常用温度仪表、压力仪表、液位仪表、流量仪表和成分仪表的工作原理及其应用。
2、分度表，分度号，热电偶的冷端延伸和冷端补偿，热电阻的三线制；3、差动电容压力变送器工作原理；4、差压流量计的流量公式；5、差压变送器的零点迁移原理。
第二章调节器基本内容和要求：1、重点掌握PID调节规律的原理及其应用；2、理解PID模拟电路的结构原理；了解二位式和连续调节仪表应用的基础知识；3、理解数字PID算法基本表达式及其原理；4、简单了解工业现场常用模拟和数字调节器的基本结构及其应用。
PID调节规律的原理及其应用；第三章集散控制系统和现场总线控制系统基本内容和要求：1、了解单回路可编程调节器的概念2、了解DCS系统的基本概念；3、理解DCS系统的结构特点及其组成；4、理解DCS控制站和操作站的功能；5、了解FCS系统的基本概念；第四章执行器和防爆栅基本要求1、熟炼掌握气动调节阀的基本结构、原理及其应用等基本概念；2、熟悉调节器流量特性的定义及其应用；3、理解和掌握气动执行器气开/气关的形式及其选择原则；4、了解电动执行器及电气转换器的基本原理；5、简单了解工业控制系统防爆的基本概念。
《过程控制与自动化仪表》习题答案
第1章（P15）1、基本练习题（1）简述过程控制的特点。
Q：1）系统由被控过程与系列化生产的自动化仪表组成；2）被控过程复杂多样，通用控制系统难以设计；3）控制方案丰富多彩，控制要求越来越高；4）控制过程大多属于慢变过程与参量控制；5）定值控制是过程控制的主要形式。
（2）什么是过程控制系统？试用框图表示其一般组成。
Q：1）过程控制是生产过程自动化的简称。
它泛指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，是自动化技术的重要组成部分。
过程控制通常是对生产过程中的温度、压力、流量、液位、成分和物性等工艺参数进行控制，使其保持为定值或按一定规律变化，以确保产品质量和生产安全，并使生产过程按最优化目标自动进行。
2）组成框图：（3）)单元组合式仪表的统一信号是如何规定的？Q：各个单元模块之间用统一的标准信号进行联络。
1）模拟仪表的信号：气动0.02~0.1MPa、电动Ⅲ型：4~20mADC或1~5V DC。
2）数字式仪表的信号：无统一标准。
（4）试将图1-2加热炉控制系统流程图用框图表示。
Q：是串级控制系统。
方块图：（5）过程控制系统的单项性能指标有哪些？各自是如何定义的？Q：1）最大偏差、超调量、衰减比、余差、调节时间、峰值时间、振荡周期和频率。
2）略（8）通常过程控制系统可分为哪几种类型？试举例说明。
Q：1）按结构不同，分为反馈控制系统、前馈控制系统、前馈-反馈复合控制系统；按设定值不同，分为定值控制系统、随动控制系统、顺序控制系统。
2）略（10）只要是防爆仪表就可以用于有爆炸危险的场所吗？为什么？Q：1）不是这样。
2）比如对安全火花型防爆仪表，还有安全等级方面的考虑等。
（11）构成安全火花型防爆系统的仪表都是安全火花型的吗？为什么？Q：1）是。
2）这是构成安全火花型防爆系统的一个条件。
2、综合练习题（1）简述图1-11所示系统的工作原理，画出控制系统的框图并写明每一框图的输入/输出变量名称和所用仪表的名称。
《自动化仪表和过程掌控》练习题与参考的答案
《自动化仪表与过程控制》练习题及参考答案、填空题1、过程控制系统一般由控制器执行器被控过程和测量变送等环节组成。
2、仪表的精度等级又称准确度级，通常用引用误差 作为判断仪表精度等级的尺度。
3、过程控制系统动态质量指标主要有衰减比n、超调量C和过渡过程时间t s ；静态质量指标有稳态误差eSS 。
4、真值是指被测变量本身所具有的真实值，在计算误差时，一般用或相对真值约定真值来代替。
5、根据使用的能源不同，调节阀可分为气动调节阀动调节阀三大电动调节阀和—液类。
&过程数学模型的求取方法一般有机理建模试验建模和混合建模。
7、积分作用的优点是可消除稳态误差（余差），但引入积分作用会使系统稳定性下降。
8、在工业生产中常见的比值控制系统可分为和变比值控制三种。
并联在被控过程上，使其对过程中的纯滞后进行补偿。
10、随着控制通道的增益K 。
的增加，控制作用增强，克服干扰的能力最系统的余差减小，最大偏差减小。
口、从理论上讲，干扰通道存在纯滞后，不影响系统的控制质量。
12、建立过程对象模型的方法有机理建模和系统辨识与参数估计 13、控制系统对检测变送环节的基本要求是准确、讯速和可靠。
14、控制阀的选择包括结构材质的选择、□径的选择、流量特性的选择吊正反作用的选择。
15、防积分饱和的措施有对控制器的输出限幅、限制控制器积分部分的输出和积分切除法。
16、如果对象扰动通道增益K f 增加，扰动作用增强，系统的余差增大，最大偏差增大。
17、在离心泵的控制方案中，机械效率最差的是通过旁路控制。
二、名词解释题】、衰减比答：衰减比n定义为:n=——B2衰减比是衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标。
为保证系统足够的稳定程度，一般取衰减比为4:110:1。
2、自衡过程答：当扰动发生后，无须外加任何控制作用，过程能够自发地趋于新的平衡状态的性质称为自衡性。
称该类被控过程为自衡过程。
单闭环比值控制值控制双闭环比 9、Smith预估补偿原理是预先估计出被控过程的数学模型，然后将预估器3、分布式控制系统答：分布式控制系统DCS，又称为集散控制系统，一种操作显示集中、控制功能分散、采用分级分层体系结构、局部网络通信的计算机综合控制系统。
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(1)
Industrial Automation Instrumentations and Process Control
1章检测仪表（1）
●热工化工过程检测：
●温度、压力、物位、流量、成分等●机械过程检测：
●位置、转速、力、转矩、加速度等
温度测量(Temperature Measuring)
●测量温度的主要方法：
从感受温度的途径来分：
●接触式测温—测温元件与被测物接触感知物体
温度
●非接触式测温—通过接收被测物体发出的辐射
热来判断温度的。
温度测量
第1章检测仪表（4）
温度测量
非接触式测温例：
ST系列红外测温仪
激光,望远镜
精度:±1%或±1摄氏度
测温范围:-30~3000摄氏度
主要应用:电力,石化,冶金
及各种远距离场合的温度测量
1章检测仪表（5）
温度测量
双金属温度计
两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一
起制成
温度测量
WS系列双金属温度计
•本温度计具有耐振动体积下等特点可适合于各种特殊场合的温度测量。
•双金属温度计是中低温现场检测仪表，也可以直接用于测量气体或液体的温度。
温度测量 WL系列工业玻璃温度计•例：
•感温液：水银、蓝液或红液
•测温范围: -60℃～500℃
•分格值(℃): 0.2、0.5、1、2.5
•上体直径: 9～20 mm
•上体长度: 150、220 mm
•下体长度: 40～300 mm
•下体直径: 6～10 mm
•保护类型: 无保护或具有金属保护管
温度测量
WT系列压力式温度计
•用于生产过程中较远距离的非腐蚀性液体或气体温度的测量。
1章检测仪表（9）
温度测量•
热电偶
(TC: Thermocouples)()()()00,t e t e t t E AB AB -
=
温度测量
•热电偶测温原理；
热电效应(Seebeck Effect)
Thomas Johann Seebeck
1770-1831
In 1821 Thomas Seebeck found that an
electric current would flow continuously in
a closed circuit made up of two dissimilar
metals if junctions of the metal were
maintained at two different temperatures.
温度测量•热电偶: WR系列
•分度号，分度表•第三导体定律
•补偿导线
•冷端补偿
1章检测仪表（12）
温度测量
•热电偶分度号：K、E、J、T、S、B
1章检测仪表（13）
温度测量
•热电偶分度表
温度测量
温度测量
•热电阻(RTD: Resistance Thermal Detectors)•WZC
•WZP
)1(2
0BT AT R R T ++=
温度测量•热电阻
•分度号（Pt100、Cu50、Cu100）
•分度表
•三线制
温度测量•热电阻的三线制连接
1章检测仪表（18）3
210)2(R I R R I V t -'+=
1章检测仪表（19）32102
13210:
:)()(R I R I V then I I if R R I R R I V t t -=='+-'+=
第1章检测仪表（20）
温度测量
•热敏电阻(Thermistors)•负温度系数热敏电阻
使用温度一般为：-50~+300度
)11(00T T B T T e
R R -=
温度测量
•热敏电阻特点：
•灵敏度高、热惯性小、响应速度快。
•结构简单、体积小、阻值大。
•非线性关系严重。
•互换性差、测温范围窄。
温度测量•常用热敏电阻
•PTC：正温度系数热敏电阻•CTR：临界温度热敏电阻
•NTC：负温度系数热敏电阻
温度测量
•温度变送器
被测温度
热电偶放大电路
输入电路反馈电路T ℃E +－输出电流V f V i I 0T
℃
E
i
T ℃I 0
第1章检测仪表（22）
温度测量
•DDZ-III型温度变送器输入回路
•冷端补偿、零点迁移
Et：热电偶输出电势
R4：调零电阻
Rcu：铜电阻
1章检测仪表（23）
温度测量
•DDZ-III型温度变送器放大回路•具有电流负反馈的直流放大器
•DDZ-III型温度变送器反馈回路•V/I变换
•非线性补偿
•调量程
1章检测仪表（24）
1章检测仪表（25）
温度测量
•温度变送器
•WB系列（WBR、WBZ）
第1章检测仪表（26）
温度测量
•一体化温度变送器
•检测、显示、变送、线性化等
1章检测仪表（27）
显示仪表
•模拟式显示仪表：
•动圈式显示仪表；自动
平衡式显示仪表等
显示仪表•数字式显示仪表：
•单路显示器；多路显示器
记录仪•工业记录仪；无纸记录仪
温度测量
练习：在用热电偶测温时,常需要采用补偿导线。
补偿导线的作用是（）。
a.为了接入其它测量仪表
b.为了延伸冷端，使冷端远离热端
c.与第三种导线的作用相同
d.为了补偿回路的热电势
答：
温度测量
练习：在用热电偶测温时,常采用补偿导线。
补偿导线的作用是（）。
a.为了接入其它测量仪表
b.为了延伸冷端，使冷端远离热端
c.与第三种导线的作用相同
d.为了补偿回路的热电势
答：b
温度测量
练习：热电阻温度计是根据（）来测量温度的。
a.物体受热时体积膨胀的性质
b.金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性
c.半导体的电阻值随温度变化而变化的特性
d.热电效应
答：
温度测量
练习：热电阻温度计是根据（）来测量温度的。
a.物体受热时体积膨胀的性质
b.金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性
c.半导体的电阻值随温度变化而变化的特性
d.热电效应
答：b
温度测量作业：p53:
1-1,1-2。