1、课程的重要性课程的重要性： 控制系统在石油、化工、制药、冶金、造纸控制系统在石油、化工、制药、冶金、造纸等工业领域的应用非常普遍。生产过程中，对工等工业领域的应用非常普遍。生产过程中，对工艺变量，有着一定的控制要求。如：艺变量，有着一定的控制要求。如： 1）精馏塔的塔顶或塔釜温度，在操作压力不）精馏塔的塔顶或塔釜温度，在操作压力不变的情况下必须保持一定，才能得到合格的产品。变的情况下必须保持一定，才能得到合格的产品。 2）化学反应器的反应温度必须保持平稳，才）化学反应器的反应温度必须保持平稳，才能使效率达到指标。能使效率达到指标。 因此，工艺技术人员必须充分了解所用的控因此，工艺技术人员必须充
2、分了解所用的控制系统，以及控制系统的特性。这样才能设计出制系统，以及控制系统的特性。这样才能设计出合理、高效的生产工艺。合理、高效的生产工艺。使用常规仪表的中央控制室使用常规仪表的中央控制室DCSDCS控制系统控制系统1 1 自动控制系统概述自动控制系统概述本章的主要内容：本章的主要内容：1.1 1.1 自动化及仪表发展概述自动化及仪表发展概述1.2 1.2 自动控制系统自动控制系统1.3 1.3 控制系统过渡过程及品质指标控制系统过渡过程及品质指标1.1 1.1 自动化及仪表发展概述自动化及仪表发展概述1.1.1 1.1.1 控制理论的发控制理论的发展展1 1）经典控制理论）经典控制理论:2
3、020世纪世纪40405050年代年代Nyquist(1932)频域分析方法频域分析方法Bode图图(1945 )分析方法分析方法根轨迹根轨迹(1948)分析方法分析方法 特点：特点：主要从主要从输出输出与与输入量输入量的关系来分析与研究问题。的关系来分析与研究问题。 适用范围：适用范围：线性定常的单输入、单输出控制系统。线性定常的单输入、单输出控制系统。它是以传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控它是以传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控制系统进行分析与设计。制系统进行分析与设计。PID控制规律是经典控制理论控制规律是经典控制理论最辉煌的成果。最辉煌的成果。2 2）现代控制理论）现代控
4、制理论:2020世纪世纪6060年代得到迅猛发年代得到迅猛发展。展。 其主要内容为：其主要内容为： 线性系统理论，最优控制理论，最佳估计理论，线性系统理论，最优控制理论，最佳估计理论，系统辨识。系统辨识。 特点：特点： 从从输入输入- -状态状态- -输出输出的关系，全面地分的关系，全面地分析与研究系统。析与研究系统。 适用范围：不限于线性定常系统，也适用于线适用范围：不限于线性定常系统，也适用于线性时变，非线性及离散系统，多输入、多输出系性时变，非线性及离散系统，多输入、多输出系统。统。3 3）大系统理论）大系统理论:2020世纪世纪7070年代开始年代开始将现代控制理论与系统理论相结合形成
5、大系统将现代控制理论与系统理论相结合形成大系统理论理论 核心思想：核心思想： 系统的分解与协调系统的分解与协调 适用范围：适用范围： 高维线性系统高维线性系统1.1.2 1.1.2 控制仪表的发展控制仪表的发展1 1）基地式：）基地式：2020世纪世纪5050年代，适用于单回路年代，适用于单回路2 2）单元组合式（按功能）：）单元组合式（按功能）： DDZ, QDZ DDZ, QDZ 2020世纪世纪6060年代，单元之间用年代，单元之间用标准统一标准统一信号联系信号联系3 3）计算机：）计算机： DDC, DCS DDC, DCS （2020世纪世纪7070年代）年代）自动化仪表的发展经历了
6、如下过程：自动化仪表的发展经历了如下过程：模拟仪表模拟仪表-数字仪表数字仪表-智能仪表。智能仪表。1.1.3 1.1.3 当前自动控制系统发展的主要特点当前自动控制系统发展的主要特点生产装置实施先进控制成为发展主流生产装置实施先进控制成为发展主流过程优化受到普遍关注过程优化受到普遍关注DCSDCS正在走向国际统一标准的开放式系统正在走向国际统一标准的开放式系统综合自动化系统（综合自动化系统（CIPSCIPS）是发展方向是发展方向1.2 1.2 自动控制系统自动控制系统 1.2.11.2.1自动控制系统自动控制系统 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水图图1-1 锅炉汽包示意图锅炉汽包示意图手动
7、控制的步骤：手动控制的步骤：(1)观察液位数值；观察液位数值；(2)把观察到的实际数值把观察到的实际数值与设定值加以比较，根与设定值加以比较，根据偏差的大小及变化情据偏差的大小及变化情况做出判断，并发布命况做出判断，并发布命令。令。(3)根据命令操作给水阀，根据命令操作给水阀，使液位回到设定值。使液位回到设定值。 LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统锅炉汽包自动控制系统 T 被加热原料 TT TC 燃料油 出口温度 加热炉的温度自动控制系加热炉的温度自动控制系统统 LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统
8、示意图术语术语被控过程（被控被控过程（被控对象对象）：自动控自动控制系统中，针对制系统中，针对需要控制的工艺需要控制的工艺参数的生产过程参数的生产过程（设备或机器特（设备或机器特性）。性）。被控变量：被控变量：被控被控过程内需要控制过程内需要控制的工艺参数。的工艺参数。被控过程：被控过程：汽包汽包被控变量：被控变量：汽包液位汽包液位操纵变量：操纵变量：受控受控制器操纵的用以制器操纵的用以克服干扰的影响，克服干扰的影响，使被控变量保持使被控变量保持设定值的物料量设定值的物料量或能量。或能量。扰动：扰动：除操纵变除操纵变量外，作用于被量外，作用于被控过程并引起被控过程并引起被控变量变化的因控变量变
9、化的因素。素。操纵变量：操纵变量：水的流量水的流量扰动：扰动：水压力、蒸汽压力等水压力、蒸汽压力等 LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图设定值：设定值：工艺参工艺参数所要求保持的数所要求保持的数值。数值。偏差：偏差：被控变量被控变量设定值与实际值设定值与实际值之差。之差。负反馈：负反馈：将被控将被控变量送回输入端变量送回输入端并与输入变量相并与输入变量相减。减。 LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图 T 被加热原料 TT TC 燃料油 出口温度 加热炉的温度控制系
10、统加热炉的温度控制系统被控过程被控过程：加热炉加热炉被控变量：被控变量：物料出口温度物料出口温度操纵变量：操纵变量：燃料油流量燃料油流量扰动：扰动：被加热原料油温度、燃料油热值等被加热原料油温度、燃料油热值等1.2.21.2.2闭环控制与开环控制闭环控制与开环控制 闭环控制：闭环控制： 在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设定值进行比较，根据偏差控制被控变量，这样，整个定值进行比较，根据偏差控制被控变量，这样，整个系统构成了一个闭环。系统构成了一个闭环。闭环控制的特点（优点）闭环控制的特点（优点）：按偏差进行控制，使偏：按偏差进行控制，使偏差减小或
11、消除，达到被控变量与设定值一致的目的。差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的。 闭环控制的缺点闭环控制的缺点：控制不够及时；如果系统内部各：控制不够及时；如果系统内部各环节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚至会使系统环节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚至会使系统失去控制。失去控制。开环控制：开环控制： 开环控制的特点（优点）：开环控制的特点（优点）：不需要对被控变量进不需要对被控变量进行测量，只根据输入信号进行控制，行测量，只根据输入信号进行控制，控制及时。控制及时。开环控制的缺点：开环控制的缺点：由于不测量被控变量，也不与由于不测量被控变量，也不与设定值相比较，所以系统受到扰动作用后，被
12、控变设定值相比较，所以系统受到扰动作用后，被控变量偏离设定值，并无法消除偏差，这是开环控制的量偏离设定值，并无法消除偏差，这是开环控制的缺点缺点。 开环的液位控制系统开环的液位控制系统 （按扰动控制，又称前馈控制）（按扰动控制，又称前馈控制）开环控制举例开环控制举例1Ff FT LT FdC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包开环控制锅炉汽包开环控制1.2.31.2.3自动控制系统的组成及方框图自动控制系统的组成及方框图 （第二次课）（第二次课） 在研究自动控制系统时，为了更清楚的
13、表示控制在研究自动控制系统时，为了更清楚的表示控制系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系，一般系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系，一般都采用方框图。每个方框表示组成系统的一个都采用方框图。每个方框表示组成系统的一个环节环节，两个方框之间用带箭头的线段表示两个方框之间用带箭头的线段表示信号信号联系；进入方联系；进入方框的信号为框的信号为环节输入，环节输入，离开方框的为离开方框的为环节输出。环节输出。控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值闭环控制系统组成闭环控制系统组成检测元件和变送器检测元
14、件和变送器的作用是把被控变量的作用是把被控变量c(t)c(t)转化为测转化为测量值量值y(t)y(t)。比较机构比较机构的作用是比较设定值的作用是比较设定值r(t)r(t)与测量值与测量值y(t)y(t)并输并输出其差值。出其差值。控制装置控制装置的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况，的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况，按某种预定的控制规律给出控制作用按某种预定的控制规律给出控制作用u(t)u(t)。比较机构比较机构和控制装置通常组合在一起，称为控制器。和控制装置通常组合在一起，称为控制器。执行器执行器的作用是接受控制器送来的的作用是接受控制器送来的u(t)u(t)，相应地去改相应地去改
15、变操纵变量变操纵变量q(t)q(t)。 系统中控制器以外的各部分组合在一起，即系统中控制器以外的各部分组合在一起，即过程、执过程、执行器、检测元件与变送器行器、检测元件与变送器的组合称为的组合称为广义对象广义对象。 控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值闭环闭环控制控制系统系统组成组成在分析控制系统的工作过程时，有几个很重要的概念：在分析控制系统的工作过程时，有几个很重要的概念：（1 1）信息：）信息：图中的图中的r(t)r(t)、y(t)y(t)、f(t)f(t)等尽管是实际等尽管是实际的物理
16、量，但它们是作为信息来转换和作用的。图中的物理量，但它们是作为信息来转换和作用的。图中的每一部分称为一个环节，作用于它的信息称为该环的每一部分称为一个环节，作用于它的信息称为该环节的输入信号，它送出的信息称为输出信号。前一环节的输入信号，它送出的信息称为输出信号。前一环节的输出就是后一环节的输入信号。每一环节的输出节的输出就是后一环节的输入信号。每一环节的输出信号与输入信号之间的关系仅仅取决于该环节的特性。信号与输入信号之间的关系仅仅取决于该环节的特性。从整个系统来看，输入信号：设定值和扰动从整个系统来看，输入信号：设定值和扰动 输出信号：被控变量、测量值输出信号：被控变量、测量值（2 2）闭
17、环：）闭环：按信息的流向来说按信息的流向来说（3 3）动态：）动态：物理量是时间的函数、是不断变化的。物理量是时间的函数、是不断变化的。扰动作用使被控变量偏离设定值，控制作用又使它回扰动作用使被控变量偏离设定值，控制作用又使它回到设定值。到设定值。 控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值闭环闭环控制控制系统系统组成组成1.2.4 1.2.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类按设定值的不同情况，将自动控制系统分为三类按设定值的不同情况，将自动控制系统分为三类: : 定值控制系统、随动控制系统、
18、程序控制系统定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。定值控制系统定值控制系统 设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。称为定值控制系统。 随动控制系统随动控制系统 设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系统的输出（被控变量）随之而变化。统的输出（被控变量）随之而变化。 程序控制系统程序控制系统 设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根据需要按一定时间程序变化即根据需要按一定时间程序变化 1.31.3自动控制系统的过渡过程及品质指标自动控
19、制系统的过渡过程及品质指标1.3.11.3.1静态与动态静态与动态控制系统的输入有设定作用和扰动作用。控制系统的输入有设定作用和扰动作用。静态（稳态、定态、平衡状态）静态（稳态、定态、平衡状态）：当输入恒定不变时，：当输入恒定不变时，整个系统若能建立平衡，系统中各个环节将暂不动作，整个系统若能建立平衡，系统中各个环节将暂不动作，它们的输出都处于相对静止状态。此时输入与输出之它们的输出都处于相对静止状态。此时输入与输出之间的关系称为系统的静态特性。间的关系称为系统的静态特性。动态：动态：由于输入的变化，输出随时间变化，其间的关由于输入的变化，输出随时间变化，其间的关系称为系统的动态特性。从输入开
20、始，经过控制直到系称为系统的动态特性。从输入开始，经过控制直到再建立静态，在这段时间中，整个系统的各个环节和再建立静态，在这段时间中，整个系统的各个环节和变量都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。变量都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。1.3.21.3.2自动控制系统的过渡过程自动控制系统的过渡过程 当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量（即输出）随时间不断变化，它随时间而变化的过（即输出）随时间不断变化，它随时间而变化的过程称为系统的过渡过程。程称为系统的过渡过程。也就是系统从一个平衡状也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。态过渡
21、到另一个平衡状态的过程。 对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳定系统）要分析其统都是稳定系统）要分析其稳定性、准确性和快速稳定性、准确性和快速性性，常以阶跃作用为输入时的被控变量的过渡过程，常以阶跃作用为输入时的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型，实际上也经常遇到，为例，因为阶跃作用很典型，实际上也经常遇到，且这类输入变化对系统的影响是最严重的。且这类输入变化对系统的影响是最严重的。 定值控制系统过渡过程的几种形式定值控制系统过渡过程的几种形式( (阶跃扰动阶跃扰动) ) c(t) (e)单调衰减 (c)等幅振荡 (b)单调发散 (d
22、)衰减振荡 (a)发散振荡 c(t) c(t) c(t) c(t) t t t t t 发散振荡发散振荡单调发散单调发散等幅振荡等幅振荡衰减振荡衰减振荡单调衰减单调衰减单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程）单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程）稳定性、准确性和快速性稳定性、准确性和快速性1.3.3 1.3.3 自动控制系统的品质指标自动控制系统的品质指标综合控制指标综合控制指标最大动态偏差或超调量是描述最大动态偏差或超调量是描述被控变量偏离设定值被控变量偏离设定值最最大程度的物理量，是衡量过渡过程大程度的物理量，是衡量过渡过程稳定性稳定性的一个动态的一个动态指标。指标。 对于定值控制系统，过渡过程
23、的最大动态偏差是对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是指被控变量第一个波的指被控变量第一个波的峰值与设定值峰值与设定值之差。在上图中，之差。在上图中，最大偏差就是第一个波的峰值。为最大偏差就是第一个波的峰值。为A A （1 1）最大动态偏差（）最大动态偏差（e emaxmax）或超调量（或超调量（ ）CtyBBA0稳态特性稳态特性最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。若偏差越大，偏离的时间越长，对稳定度。若偏差越大，偏离的时间越长，对稳定正常生产越不利。正常生产越不利。要求小。要求小。特别是对于一些特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合
24、物有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最都会对最大偏差的允许值有所限制。大偏差的允许值有所限制。同时考虑到干扰会不断出现，当第一个同时考虑到干扰会不断出现，当第一个干扰还未清除时，第二个干扰可能又出现了，干扰还未清除时，第二个干扰可能又出现了，偏差有可能是叠加的，所以要限制最大偏差偏差有可能是叠加的，所以要限制最大偏差的允许值。因此，的允许值。因此，在决定最大偏差的允许值在决定最大偏差的允许值时，要根据工艺情况慎重选择。时，要根据工艺情况慎重选择。在设定作用下的控制系统（随动控制系统）中，在设定作用下的控制系统（随动控制系统）
25、中，通常采用通常采用超调量超调量这个指标来表示被控变量偏离这个指标来表示被控变量偏离设定值的程度，一般超调量以百分数给出。设定值的程度，一般超调量以百分数给出。A超调量定义超调量定义：第第一个波的峰值与一个波的峰值与最终稳态值之差最终稳态值之差（即（即B=A-C）与）与稳态值稳态值C之比。之比。100%BCytBBC0衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标。衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标。定义：第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。定义：第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。 （2 2）衰减比）衰减比n nBnB衰减比衰减比n nCtyBBA0稳态特性稳态特性BnB衰减比衰减比n
26、n n1:n1:衰减振荡衰减振荡。n n越大，则控制系统的稳定越大，则控制系统的稳定度也越高，当度也越高，当n n趋于无穷大时，控制系统的趋于无穷大时，控制系统的过渡过程接近于非振荡过程。过渡过程接近于非振荡过程。 n=1:n=1:等幅振荡等幅振荡。 n1:n(0.50.6)时，需用特殊控制规律。时，需用特殊控制规律。/0.3T（2）时滞对扰动通道的影响时滞对扰动通道的影响 一般地一般地，在不同变量的过程中，液位和压力过在不同变量的过程中，液位和压力过程的程的较小，流量过程的较小，流量过程的和和T都较小，温度过程的都较小，温度过程的c较大，成分过程的较大，成分过程的o和和c都较大。都较大。 对
27、对o无要求无要求。 希望希望c大大。2.4 过程特性的实验测定方法过程特性的实验测定方法 过程特性参数可以由过程的数学模型通过求过程特性参数可以由过程的数学模型通过求解得到，但是在生产过程中，很多过程的数学模解得到，但是在生产过程中，很多过程的数学模型是很难得到的。型是很难得到的。 工程上一般用实验方法来测定过程特性参数。工程上一般用实验方法来测定过程特性参数。最简便的方法就是直接在原设备或机器中施加一最简便的方法就是直接在原设备或机器中施加一定的扰动，通过该过程的输出变量进行测量和记定的扰动，通过该过程的输出变量进行测量和记录，然后通过分析整理得到过程特性参数。录，然后通过分析整理得到过程特
28、性参数。 阶跃扰动法（反应曲线法）阶跃扰动法（反应曲线法） 当过程处于稳定状态时，在过程的输入端施当过程处于稳定状态时，在过程的输入端施加一个幅度已知的阶跃扰动，测量和记录过程加一个幅度已知的阶跃扰动，测量和记录过程输出变量的数值，画出输出变量随时间变化的输出变量的数值，画出输出变量随时间变化的反应曲线，根据响应曲线求得过程特性参数。反应曲线，根据响应曲线求得过程特性参数。 q q(t) O t A T O c(t) t B 放大系数放大系数 K=B/A 时间常数时间常数 T时滞时滞 一阶系统一阶系统 T c(t) c(0) t 纯滞后+容量滞后 1 2 3 q q(t) O t A 放大系数
29、放大系数K: K=c(t)-c(0)/A 时间常数时间常数T: T=2、3之间的距离之间的距离纯滞后纯滞后 : =1、2之间的距离之间的距离二阶系统二阶系统 阶跃扰动法直观、简便易行、所以得到阶跃扰动法直观、简便易行、所以得到了广泛的应用。但是许多过程较复杂、扰动了广泛的应用。但是许多过程较复杂、扰动因素较多，会影响测试精度；另外，由于工因素较多，会影响测试精度；另外，由于工艺条件的限制，阶跃扰动幅度不能太大，所艺条件的限制，阶跃扰动幅度不能太大，所以在实施扰动法时应该在系统相对稳定的情以在实施扰动法时应该在系统相对稳定的情况下进行。况下进行。 本章主要内容：本章主要内容：3.1 概述概述3.
30、2 温度检测温度检测3.3 流量检测流量检测3.4 压力检测压力检测3.5 物位检测物位检测3.6 变送器变送器3.1 3.1 概概 述述3.1.0 检测变送的重要性检测变送的重要性3.1.1 测量误差测量误差3.1.2 仪表性能指标仪表性能指标 在过程自动化中要通过检测元件获取在过程自动化中要通过检测元件获取生产工艺变量，最常见的变量是生产工艺变量，最常见的变量是温度、温度、压力、流量、物位（四大参数）压力、流量、物位（四大参数）。 检测元件又称为敏感元件、传感器，检测元件又称为敏感元件、传感器，它直接响应工艺变量，并转化成一个与它直接响应工艺变量，并转化成一个与之成对应关系的输出信号。这些
31、输出信之成对应关系的输出信号。这些输出信号包括号包括位移、电压、电流、电阻、频率、位移、电压、电流、电阻、频率、气压气压等。等。 3.1.0 3.1.0 检测变送的重要性检测变送的重要性 由于检测元件的输出信号种类繁多，且由于检测元件的输出信号种类繁多，且信号较弱不易察觉，一般都需要将其经过变信号较弱不易察觉，一般都需要将其经过变送器处理。送器处理。 由变送器将检测元件的输出信号转换成由变送器将检测元件的输出信号转换成标准的电、气信号（标准的电、气信号（4 42020mA mA 直流电流信直流电流信号号 ,20 ,20100100KPaKPa气压信号）送往显示仪表，气压信号）送往显示仪表，指示
32、或记录工艺变量，或同时送往控制器对指示或记录工艺变量，或同时送往控制器对被控变量进行控制。被控变量进行控制。 一般将检测元件、变送器及显示装置统一般将检测元件、变送器及显示装置统称为检测仪表。称为检测仪表。检测检测实施正确控制的第一步实施正确控制的第一步变送变送将检测元件输出的各种信号、微弱信号转将检测元件输出的各种信号、微弱信号转化成化成统一统一(标准标准)的电、气信号的电、气信号。 静态：静态：正确正确y(t)正确反映正确反映c(t)的值的值 可靠可靠长期工作长期工作动态：动态：迅速迅速y(t)要迅速反映要迅速反映c(t)的变化的变化过程控制对检测仪表要求过程控制对检测仪表要求：3.1.1
33、 测量误差测量误差(1) 绝对误差：仪表的绝对误差：仪表的指示值指示值与与被测量的真实值被测量的真实值之之间的差值。间的差值。(2) 相对误差相对误差（仪表（仪表引用误差引用误差）测量误差测量误差：检测仪表获得的测量值与实际被测变量：检测仪表获得的测量值与实际被测变量真实值之间的差距。真实值之间的差距。XXX测量真值理论上：理论上：实际上：实际上：XXX测量标准maxmin100%,XYYYY绝对误差与仪表的量程之比。绝对误差与仪表的量程之比。(3) 允许误差（相对误差的最大值）允许误差（相对误差的最大值）maxmaxmaxmin100%,XYYYY3.1.2 仪表性能指标仪表性能指标(1)精
34、确度（精度）精确度（精度） 表示仪表测量结果的可靠程度。表示仪表测量结果的可靠程度。 仪表的仪表的精度等级精度等级是按国家统一规定的允许误是按国家统一规定的允许误差大小来划分成若干等级的。差大小来划分成若干等级的。 仪表精度等级数值越小，说明仪表测量准确仪表精度等级数值越小，说明仪表测量准确度越高。度越高。 精度等级：精度等级：允许误差去掉允许误差去掉“”号及号及“%”后，按国家规定的后，按国家规定的系列圆整后系列圆整后的数值。的数值。 仪表的精度等级以一定的符号形式表仪表的精度等级以一定的符号形式表示在仪表标尺板上，如示在仪表标尺板上，如1.01.0外加一个圆圈外加一个圆圈或三角形。精度等级
35、或三角形。精度等级1.01.0，说明该仪表允，说明该仪表允许误差为许误差为1.0%1.0%。国家规定的仪表精度系列等级有：国家规定的仪表精度系列等级有：0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.01.5,2.5,4.0级。级。1.01.0 例例1 1 某台测温仪表的量程是某台测温仪表的量程是600600-11001100，其最，其最大绝对误差为大绝对误差为4 ，试确定该仪表的精度等级。，试确定该仪表的精度等级。max4100%0.8%1100600 由于国家规定的精度等级中
36、没有由于国家规定的精度等级中没有0.80.8级仪表，级仪表，而该仪表的最大引用误差超过了而该仪表的最大引用误差超过了0.50.5级仪表的允许级仪表的允许误差，所以这台仪表的精度等级应定为误差，所以这台仪表的精度等级应定为1.01.0级。级。解解 仪表的最大允许误差为仪表的最大允许误差为国家规定的仪表精度系列等级有：国家规定的仪表精度系列等级有：0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.01.5,2.5,4.0级。级。 例例2 2 某台测温仪表的量程是某台测温仪表的量程是60
37、0600-11001100，工艺工艺要求要求该仪表指示值的误差不得超过该仪表指示值的误差不得超过4 ，应选，应选精度精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求。等级为多少的仪表才能满足工艺要求。max4100%0.8%11006000.8%介于允许误差介于允许误差0.5%与与1.0%之间，如果选之间，如果选择允许误差为择允许误差为1.0%,则其精度等级应为则其精度等级应为1.0级。量程级。量程为为6001100，精确度为，精确度为1.0级的仪表，可能产生的级的仪表，可能产生的最大绝对误差为最大绝对误差为5，超过了工艺的要求。所以只，超过了工艺的要求。所以只能选择一台允许误差为能选择一台允许误差为0.
38、5%，即精度等级为，即精度等级为0.5级级的仪表，才能满足工艺要求。的仪表，才能满足工艺要求。解解 根据工艺要求，仪表的最大允许误差为根据工艺要求，仪表的最大允许误差为结论：结论： 校表：计算得到的最大允许误差值向上园整确定仪校表：计算得到的最大允许误差值向上园整确定仪表的精度等级。表的精度等级。 选表：计算得到的最大允许误差值向下靠近选定仪选表：计算得到的最大允许误差值向下靠近选定仪表的精度等级。表的精度等级。 仪表精度与量程有关，量程是根据所要测量的工艺仪表精度与量程有关，量程是根据所要测量的工艺变量确定的。在仪表精度等级一定的前提下适当缩小量变量确定的。在仪表精度等级一定的前提下适当缩小
39、量程，可以减小测量误差，提高测量准确性。程，可以减小测量误差，提高测量准确性。仪表量程的上限仪表量程的上限Ymax ：一般确定为被测变量正常值的：一般确定为被测变量正常值的4/33/2倍，波动较大时可以达到倍，波动较大时可以达到3/22倍；倍；仪表量程的下限仪表量程的下限Ymin ：一般确定为被测变量正常值向：一般确定为被测变量正常值向下的下的1/3处。处。 (2) (2) 变差变差 在外界条件不变的情况下，使用同一台仪表在外界条件不变的情况下，使用同一台仪表对某一变量进行对某一变量进行正、反行程测量正、反行程测量时对应于同一测量时对应于同一测量值所得的仪表读数之间的差异。值所得的仪表读数之间
40、的差异。 注意：仪表的变差不能超出仪表的允许误差。注意：仪表的变差不能超出仪表的允许误差。(3) (3) 线性度线性度 衡量仪表实际特衡量仪表实际特性偏离线性程度的指性偏离线性程度的指标。标。 线性度差，则降低了线性度差，则降低了仪表精度。仪表精度。t 实际曲线 理论直线 仪表示值 被测变量 图图3.1 线性度线性度(4) (4) 灵敏度和分辨率灵敏度和分辨率灵敏度：灵敏度：仪表的输出变化量与引起此变化的输入变仪表的输出变化量与引起此变化的输入变化量的比值。化量的比值。 即：即： 灵敏度灵敏度= =Y/X 它体现了单位输入所引起的输出变化量。灵敏它体现了单位输入所引起的输出变化量。灵敏度反映了
41、仪表对被测变量变化的灵敏程度。度反映了仪表对被测变量变化的灵敏程度。分辨率分辨率：仪表输出能分辨和响应的最小输入变化量。：仪表输出能分辨和响应的最小输入变化量。 即：即： 分辨率分辨率= =X /Y 它体现了引起单位输出所需要的输入变化量。它体现了引起单位输出所需要的输入变化量。分辨率也是仪表灵敏程度的一种体现。分辨率也是仪表灵敏程度的一种体现。(5) (5) 动态误差动态误差 由于仪表动作的惯性延迟和测量传递滞后，当由于仪表动作的惯性延迟和测量传递滞后，当被测量突然变化后要经过一段时间才能准确显示出被测量突然变化后要经过一段时间才能准确显示出来，这样造成的误差。来，这样造成的误差。注：注：在
42、工业生产中被测量变化较快，所以不能忽略在工业生产中被测量变化较快，所以不能忽略动态误差。动态误差。 第1013周化工自动化及仪表实验安排 要求大家尽快发邮件到要求大家尽快发邮件到 邮件主题中写：学号邮件主题中写：学号-姓名姓名-所选实验时间窗口所选实验时间窗口。 每个窗口最多容纳每个窗口最多容纳32人，先报先占，占满为止，请大家发邮件人，先报先占，占满为止，请大家发邮件前先到前先到邮箱（用户名：邮箱（用户名：autoinstru,autoinstru,密码：密码：ecustjiecustji）查查看当前各窗口空余名额，据此进行选报。看当前各窗口空余名额，据此进行选报。 可选时间窗口如下：可选时
43、间窗口如下： 星期一：7-8节 星期二：7-8节 星期三：7-8节 星期四：5-6节；7-8节 星期五：5-6节；7-8节 实验指导教师： 刘济 联系电话： 64253396 3.2 3.2 温度检测温度检测3.2.1 3.2.1 温度检测方法温度检测方法3.2.2 3.2.2 热电偶热电偶3.2.3 3.2.3 热电阻热电阻3.2.4 3.2.4 热电偶、热电阻的选用热电偶、热电阻的选用3.2.1 3.2.1 温度检测方法温度检测方法按测温元件是否与被测对象接触分为：按测温元件是否与被测对象接触分为： 接触式接触式非接触式非接触式接触式：接触式：测温元件与被测对象接触，依靠传热和测温元件与被
44、测对象接触，依靠传热和对流进行热交换。对流进行热交换。优点：优点：结构简单、可靠，测温精度较高。结构简单、可靠，测温精度较高。缺点：缺点：由于测温元件与被测对象必须经过充分的由于测温元件与被测对象必须经过充分的热交换且达到平衡后才能测量，这样热交换且达到平衡后才能测量，这样容易破坏被容易破坏被测对象的温度场，测对象的温度场，同时带来测温过程的延迟现象，同时带来测温过程的延迟现象，不适于测量热容量小的对象、超高温的对象、处不适于测量热容量小的对象、超高温的对象、处于运动中的对象。于运动中的对象。不适于直接对不适于直接对腐蚀性腐蚀性介质测量。介质测量。非接触式：非接触式：测温元件不与被测对象接触，
45、而是通过测温元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或测温元件接收被测对象的部热辐射进行热交换，或测温元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度。分热辐射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度。优点：优点：从原理上讲测量范围从超低温到超高温，不从原理上讲测量范围从超低温到超高温，不破坏被测对象温度场。非接触式测温响应快，对被破坏被测对象温度场。非接触式测温响应快，对被测对象干扰小，可用于测量运动的被测对象和有强测对象干扰小，可用于测量运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。电磁干扰、强腐蚀的场合。缺点：缺点：容易受到外界因素的干扰，测量误差较大，容易受到外界因素
46、的干扰，测量误差较大，且结构复杂，价格比较昂贵。且结构复杂，价格比较昂贵。 3.2.2 3.2.2 热电偶热电偶(1)(1) 测温原理测温原理热电效应热电效应 EAB(0) EAB() A B 图图3.2 热电偶的热电效应热电偶的热电效应（参比端、冷端、固定端）（参比端、冷端、固定端）（工作端、热端、自由端）（工作端、热端、自由端）00( ,)( )()ABABABEEE 0( ,)( )( )ABEfC 将两种不同材料的导体或半导体将两种不同材料的导体或半导体A和和B连在一起组成连在一起组成一个闭合回路，而且两个接点的温度一个闭合回路，而且两个接点的温度o o,则回路则回路内将有电流产生，电
47、流大小正比于接点温度内将有电流产生，电流大小正比于接点温度和和o o的的函数之差，而其极性则取决于函数之差，而其极性则取决于A和和B的材料。的材料。根据根据热电偶的热电偶的“中间导体定律中间导体定律”可知：热电偶回路中接入第三可知：热电偶回路中接入第三种导体后，只要该导体两端温种导体后，只要该导体两端温度相同，热电偶回路中所产生度相同，热电偶回路中所产生的总热电势与没有接入第三种的总热电势与没有接入第三种导体时热电偶所产生的总热电导体时热电偶所产生的总热电势相同；同理，如果回路中接势相同；同理，如果回路中接入更多种导体时，只要同一导入更多种导体时，只要同一导体两端温度相同，也不影响热体两端温度
48、相同，也不影响热电偶所产生的热电势值。因此电偶所产生的热电势值。因此热电偶回路可以接入各种显示热电偶回路可以接入各种显示仪表、变送器、连接导线等。仪表、变送器、连接导线等。热电偶的热电偶的“中间导体定律中间导体定律”分度表：分度表：当当0 0= =00时，时， 与温度与温度对对应的数值表。（应的数值表。（非线性非线性）分度号：分度号：与分度表所对应的热电偶的代号。与分度表所对应的热电偶的代号。0( ,)ABE 常用工业热电偶比较常用工业热电偶比较 热电偶名分度号 特 点 铂铑30-铂铑6 热电势小，精度高，价格高 镍铬-镍硅 铂铑10-铂 镍铬-康铜 热电势小，精度高，线性差， 价格高 热电势
49、大，线性好，价格低 热电势大，线性差，价格低 B S K E 性能 下 降 常用热电偶类型：常用热电偶类型：普通型热电偶：普通型热电偶： 热电极、绝缘管、接线盒等热电极、绝缘管、接线盒等铠装热电偶铠装热电偶多点式热电偶多点式热电偶防爆型热电偶防爆型热电偶铠装热电偶铠装热电偶的特点的特点 热响应时间少，减小动态误差；热响应时间少，减小动态误差；可弯曲安装使用；可弯曲安装使用；测量范围大；测量范围大；机械强度高，耐压性能好；机械强度高，耐压性能好；扁接插式铠装热电偶扁接插式铠装热电偶补偿导线式铠装热电偶补偿导线式铠装热电偶防喷式铠装热电偶防喷式铠装热电偶防水式铠装热电偶防水式铠装热电偶手柄式铠装热
50、电偶手柄式铠装热电偶圆接插式铠装热电偶圆接插式铠装热电偶图3.3多点热电偶多点热电偶 适用于生产现场存在温度梯度不显著，须同时测量适用于生产现场存在温度梯度不显著，须同时测量多个位置或位置的多处测量。广泛应用于大化肥合成塔、多个位置或位置的多处测量。广泛应用于大化肥合成塔、存储罐等装置中。存储罐等装置中。图图3.4 多点热电偶多点热电偶 防爆型热电偶防爆型热电偶 防爆热电偶是利用防爆热电偶是利用间隙隔爆间隙隔爆原理，设计具有原理，设计具有足够强度的接线盒等部件，将所有会产生火花，足够强度的接线盒等部件，将所有会产生火花，电弧和危险温度的零部件都密封在接线盒腔内，电弧和危险温度的零部件都密封在接
