控制仪表第1章

第1章自动化仪表与系统概述1. 基本要求（1）要求熟练掌握自动化仪表系统的基本概念、控制仪表与自动化系统的关系；熟练掌握自动化仪表的信号制、仪表的供电和线制；熟练掌握本质安全防爆系统构成和本安仪表的概念。

（2）要求了解和掌握自动化仪表的发展史和发展趋势，以及自动化仪表的各种分类。

自动化仪表的安全防爆知识，对基本的防爆原理有一定的了解。

2. 重点、难点重点：自动化仪表系统的基本概念、控制仪表与自动化系统的关系；控制回路的构成、过程特性；安全栅和本质安全防爆系统的概念；自动化仪表的信号制、供电和线制。

难点：控制回路的构成、过程特性；自动化仪表的安全防爆原理3. 教学方法与手段：以板书教学为主，集中课堂注意力，调动课堂气氛，适当在课堂上提出问题，学生回答的过程可以加深理解。

4. 课时：5学时1.1 自动控制系统与自动化仪表自动化仪表与系统：（工业）仪表，（工业）自动化。

自动化系统：石油、化工、冶金、炼焦、造纸、以及热力发电等工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制。

一、自动控制系统与自动化仪表自动化仪表与被控对象的组合，包含了各种控制原则和设计思想。

人工控制→自动控制：测显→自动图1-1 锅炉汽包水位控制系统图1-2 简单控制系统方框图变送器（检测变送仪表）：把检测到的工艺参数转换成标准的测量信号（被调参数）；调节器（调节仪表）：把测量信号和给定信号进行比较，其偏差信号经过运算（PID）后转换成输出信号；执行器（执行仪表）：将调节器输出信号转换成直线位移或者角位移，控制阀门的开度。

对象：需要控制有关参数的生产设备或装置。

（储罐，一段管道，水塔，热交换器，蒸馏塔，伺服电机）工艺参数：温度，压力，流量，物位，成分等。

应用范围：工业生产：自动车床、加热炉、发酵罐。

宇航方面：同步卫星与地面接收站直接对应，偏差影响收看效果（随动控制系统）卫星的发射与回收（神州3号卫星，哥伦比亚号航天飞机）自动关机、点火系统军事方面：火炮自动点火、巡航导弹等二、自动控制系统与自动化仪表发展自动化仪表作为自动化技术的应用，其发展历史可以追溯到古代，但是自动化仪表的工业应用只能从二十世纪20年代开始。

（1）20世纪40年代：手工操作状态，只有少量的检测仪表用于生产过程，操作人员主要根据观测到的反映生产过程的关键参数，用人工来改变操作条件，凭经验去控制生产过程。

基地式仪表：实现就地单体安装的局部自动化。

将测量、显示、控制等各部分集中组装在一个表壳里，从而形成一个整体，并且可就地安装的的一类仪表。

主要是用来维持温度、压力、流量、液位等参数一定，以保证产品的产量和质量的稳定，到了二十世纪50年代前后，过程控制开始得到发展。

（2）20世纪40年代末～50年代：多为单输入、单输出简单控制系统。

一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。

仪表基地式仪表和部分单元组合式仪表（气动Ⅰ型和电动Ⅰ型），以气动仪表为主；过程控制系统的结构绝大多数是单输入一单输出系统；被控参数主要是温度、压力、流量和液位四种工艺参数；控制的目的主要是保持这些工艺参数的稳定、确保生产安全；控制理论：是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论；部分生产过程实现了仪表化和局部自动化。

（3）20世纪60年代：工业生产过程出现了一个车间乃至一个工厂的综合自动化。

过程控制系统：串级、比值、均匀、前馈和选择性等多种复杂控制系统。

60年代后期，出现了专门用于过程控制的小型计算机，直接数字控制系统和监督计算机控制系统开始应用于过程控制领域。

仪表：单元组合仪表（气动Ⅱ型和电动Ⅱ型）：以统一的标准信号，将对参数的测量、变送、显示及控制等各种能够独立工作的单元仪表（简称单元，例如变送单元、显示单元、控制单元等）相互联系而组合起来的一种仪表。

综合控制装置：组件组装式控制仪表，是一种功能分离、结构组件化的成套仪表(或装置)。

控制理论：现代控制理论，出现了以状态空间方法为基础，以极小值原理和动态规划等最优控制。

（4）20世纪70～80年代：微电子技术的发展，大规模集成电路制造成功且集成度越来越高（80年代初一片硅片可集成十几万个晶体管，于是32位微处理器问世），微型计算机的出现及应用都促使控制系统发展。

过程控制系统：最优控制、非线性分布式参数控制、解耦控制、模糊控制自动化仪表：仪表：单元组合仪表：气动Ⅲ型和电动Ⅲ型，以微处理器为主要构成单元的智能控制装置。

集散控制系统（DCS）：集散控制系统实现了控制分散、危险分散，操作监测和管理集中。

可编程逻辑控制器(PLC) 、工业PC机、和数字控制器等，已成为控制装置的主流。

控制理论：形成了大系统理论和智能控制理论。

模糊控制、专家系统控制、模式识别技术（5）20世纪90年代至今：信息技术飞速发展过程控制系统：管控一体化现场，综合自动化是当今生产过程控制的发展方向。

自动化仪表：总线控制系统的出现，引起过程控制系统体系结构和功能结构上的重大变革。

现场仪表的数字化和智能化，形成了真正意义上的全数字过程控制系统。

各种智能仪表、变送器、无纸纪录仪、人工智能、神经网络控制。

发展趋势：自动化仪表发展基于现场总线技术的主控系统装置及智能化仪表、特种和专用自动化仪表，正全面扩大服务领域，推进仪表系统的数字化、智能化、网络化，完成自动化仪表从模拟技术向数字技术的转变。

可以预计，过程控制将在我国社会主义现代化建设过程中得到更快的发展。

二、自动控制系统的分类1. 控制系统中自动化仪表所用的动力和传递信号的介质：气动、电动、液动、机械式等控制系统；2. 被控对象：流体输送、设备传热设备、精馏塔和化学反应器控制系统等；3. 被控变量：温度、压力、液位、流量和成分等控制系统；4. 调节器的控制规律：比例控制、比例积分控制、比例积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制等；5. 系统功能与结构：单回路简单控制系统、串级、比值、选择性、分程、前馈和均匀等常规复杂控制系统以及解耦、预测、推断和自适应等控制系统和程序控制系统等；6. 给定值：定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。

定值控制系统：定值控制系统是一类给定值保持不变或很少调整的控制系统。

这类系统的给定值一经确定后就保持不变直至外界再次调整它。

如：化工、医药、冶金、轻工等生产过程中有大量的温度、压力、液位和流量要求恒定，需要采用定值控制系统。

随动控制系统：控制系统的给定值不断随机地发生变化，或者跟随该系统之外的某个变量而变化，则称该系统为随动控制系统。

由于系统中一般都存在负反馈作用，系统的被控变量就随着给定值变化而变化。

在雷达系统、火炮系统等中通常采用随动控制系统，化工医药生产中串级控制系统的副回路、比值控制系统中的副流量回路也是随动控制系统。

程序控制系统：如果给定值按事先设定好的程序变化，就是程序控制系统。

由于采用计算机的温度控制系统，实现程序控制特别方便，因此，随着计算机应用的日益普及，程序控制的应用也日益增多。

如温度控制系统中，生物反应和金属处理加热炉采用程序控制的很多。

二、自动控制系统的品质指标1. 静态：被控变量不随时间变化的状态。

----平衡态静态是工作系统的静态，而非生产的静态。

2. 动态：被控变量随时间变化的状态。

---不平衡态动态分析是根据控制系统受到干扰后的状态变化特性进行分析的，克服干扰影响，使得系统重新回到平衡状态。

从干扰发生开始，经过控制系统又重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统各个环节和信号都处于变化状态。

3. 过渡过程：在干扰的作用下，系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。

干扰信号：阶跃信号-突然，危险性大，形式简单，易产生a 发散振荡过程：被控对象在给定值上下发散振荡，不稳定；b 等幅震荡过程：被控变量在给定值上进行上下等幅波动，不稳定；c 振荡衰减过程：被控量在给定值上下波动，并逐渐衰减，最后稳定到某一值上；d 衰减过程：被控量在给定值某一侧缓慢衰减，最后稳定在某一值，稳定，速度缓慢，被控量长时间偏离给定值，不利于快速性，一般使用于被控量不能波动的情况。

图1-3 过渡过程曲线控制系统：在设定值发生变化或系统受到扰动作用时，被控量应该平稳、快速、准确地趋近或回复到设定值-------稳定性、快速性和准确性，即稳、快、准的要求。

稳定性：保证系统正常工作的先决条件。

一个稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小或趋于零。

若控制不当，使误差逐渐变大，就形成了不稳定的控制系统，不稳定的控制系统是不能正常工作的。

快速性：对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能，也就是要求快速性。

准确性：当过渡过程结束后，被控量达到的稳态值（即平衡状态）应与期望值的一致情况。

稳态误差：由于系统结构、外作用形式以及摩擦、间隙等非线性因素的影响，被控量的稳态值与期望值之间会有误差存在。

稳态误差是衡量控制系统控制精度的重要标志，在技术指标中一般都有具体要求。

对定值控制系统是研究扰动作用引起被控量变化的全过程；对随动系统是研究被控量如何克服扰动影响并跟随输入量的变化过程。

过程控制系统的性能指标又有时域和频域之分。

现以时域为例说明其性能指标的确定方法。

系统的时域性能指标，通常以阶跃作用下的过渡过程为准。

3. 时域指标设系统最初处于平衡状态，且被控变量等于给定值。

此时，施加一个单位阶跃干扰，系统地被控变量开始衰减振荡过渡过程。

如图1-2所示。

图1-4 阶跃变化时的过渡过程曲线图(1) 衰减比和衰减率 衰减比是衡量一个振荡过程的衰减程度的指标，它等于两个相邻的同向波峰值之比，即衰减比：31y y n 衡量衰减程度的另一种指标是衰减率，它是指每经过一个周期以后，波动幅度衰减的百分数，即衰减率：131y y y -=ψ 衰减比与衰减率两者有简单的对应关系，例如衰减比n 为4：1就相当于衰减率75.0=ψ。

为了保证控制系统有一定的稳定裕度，在过程控制中一般要求衰减比为4：1到10：1，这相当于衰减率为75％到90％。

这样，大约经过两个周期以后就趋于稳态，看不出振荡了。

（2）最大动态偏差和超凋量 最大动态偏差是指设定值阶跃响应中，过渡过程开始后第—个波峰超过其新稳态值的幅度，如图1-2中的1y 。

最大动态偏差占被控量稳态变化幅度的百分数称为超调量，即：%100)(1⨯∞=y y σ 对于二阶振荡过程，超调量与衰减比有严格的对应关系，即：%1001⨯=n σ式中，n 为衰减比。

对于扰动作用下的过渡过程(见图I —6b)，由于)(∞y 为零或是很小的数值，用σ作为超调情况的指标就不合适了，此时用)(1max ∞+=y y e 作为一项指标。

（3）残余偏差 残余偏差是指过渡过程结束后，被控量新的稳态值)(∞y 与设定值r 之间的差值，它是控制系统稳态准确性的衡量指标。