1、第第10章章 仪表系统及其理论分仪表系统及其理论分析析自动检测技术及仪表控制系统自动检测技术及仪表控制系统 第二版第二版化学工业出版社化学工业出版社自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社Contents10.1 仪表发展概况10.2.常用仪表分类及特性10.3 仪表输入输出静态特性分析10.4 仪表系统建模10.5 仪表系统时域分析10.7 混合仪表系统浅析10.6 仪表系统频域分析自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.1 仪表发展概况仪表发展概况v 20世纪4050年代初，“基地式”仪表、“单元组合式”仪表；v 20世纪60年代开始，电动单元组合仪表在我国得到了很大
2、的发展；v 20世纪80年代中期，由于计算机技术的发展，尤其是其在小型仪器仪表中的应用，是数字式自动化仪表出现的根本动力。在此期间先后上市的各种计算机公司的单板机和单片机，成为了数字式仪表的核心器件，并在此基础上开发出了各种数字式调节器和显示仪表、智能仪表以及可编程逻辑控制器等；v 20世纪90年代初开始出现了适用于各种控制环境的现场总线标准和产品。自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.2 常用仪表分类及特性常用仪表分类及特性（1）常用仪表分类v按使用性质划分：标准表、实验室表和工业用表v按测量方式划分：直接式仪表和比较式仪表v按连接原理划分：串联式仪表、反馈式仪表自动检测技术
3、及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.2 常用仪表分类及特性常用仪表分类及特性（1）常用仪表分类v按信号传输方式分：电动仪表、气动仪表v按组成方式分：基地式仪表、单元组合式仪表、的风光好地方大组合组装式仪表v按安装使用方法划分：现场安装仪表、盘后加装 的 仪表、盘装仪表、台式仪好 表、携带式仪表自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.2 常用仪表分类及特性常用仪表分类及特性（1）常用仪表分类v按防爆能力分：普通型仪表、隔爆型仪表v按运算处理方式分：模拟式仪表、数字式仪表 自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.2 常用仪表分类及特性常用仪表分类及特性（2）电动单
4、元组合仪表及DDZ-型和DDZ-型仪表对比vDDZ是电动（D）单元（D）组合（Z）仪表的拼音缩写，其发展过程主要经历了电子管、晶体管和线性集成电路三个阶段，对应的系列仪表分别称为DDZ-型、DDZ-型和DDZ-型。v电动单元组合仪表是针对应用时的通用性而产生的，往往只能完成单一的功能。自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.2 常用仪表分类及特性常用仪表分类及特性（2）电动单元组合仪表及DDZ-型和DDZ-型仪表对比v 常规被控对象采用电动单元组合式仪表所形成的简单控制系统结构如下：自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.2 常用仪表分类及特性常用仪表分类及特性（2
5、）电动单元组合仪表及DDZ-型和DDZ-型仪表对比v 常规电动单元组合系列仪表主要组成部分：变送单元差压变速器、温度变速器等；调节单元位式调节器、PID调节器、PLC等；执行单元角行程及直行程电动执行器等；显示单元指示仪表、记录仪表等；计算单元加减器、乘除器、开方器等；给定单元恒流给定器、分流器等；转换单元频率转换器、气-电转换器等；辅助单元操作器、阻尼器等。自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.2 常用仪表分类及特性常用仪表分类及特性（2）电动单元组合仪表及DDZ-型和DDZ-型 仪表对比 DDZ-型型DDZ-型型主要组成元件主要组成元件晶体管晶体管线性集成电路线性集成电路供
6、电电源供电电源AC 220VDC 24V信号制信号制DC 010mADC420mA、DC15V负载负载01.5k或或03k250750防爆能力防爆能力隔爆隔爆安全火花防爆安全火花防爆自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.3 仪表输入输出静态特性分析仪表输入输出静态特性分析（1）输入输出特性分析v仪表输入输出特性是衡量其性能的重要指标，它常用仪表输出相对于输入的变化曲线来表示。即以仪表的输入为横坐标、以仪表的输出为纵坐标所获得的特性曲线。v为全面检定仪表的输入输出特性，一般需分别测量其上升曲线和下降曲线。v常希望仪表设计成其输入输出特性曲线是一条直线，实际上任何仪表总会有滞环、死
7、区或其他效应，它表明仪表具有线性特性。自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.3 仪表输入输出静态特性分析仪表输入输出静态特性分析（2）仪表特性线性化处理分析v仪表特性的线性化过程主要有两种方式，由仪表的原理性连接方式即串联式连接和反馈式连接方式所决定，即根据仪表的开环或闭环特性采用不同的线性化方法。v考虑由两个环节串联组成的仪表：自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.3 仪表输入输出静态特性分析仪表输入输出静态特性分析（2）仪表特性线性化处理分析v两个非线性环节的 特性如下图中的曲 线、。v串联一个非线性环 节进行补偿，可 得到线性输出自动检测技术及仪表控制系统
8、 第二版化学工业出版社10.3 仪表输入输出静态特性分析仪表输入输出静态特性分析（2）仪表特性线性化处理分析v 考虑两个环节组 成的反馈式仪表：v 根据各信号间的传递关系可得仪表在稳态时的一组关系式：12ufyKfK y自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.3 仪表输入输出静态特性分析仪表输入输出静态特性分析（2）仪表特性线性化处理分析v如果 足够大，可以认为 十分微小并可忽略。所以，仪表的稳态放大倍数可以表示为：可以根据上述倒数关系及进行线性化处理。1K21yyKufK自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.4 仪表系统建模仪表系统建模（1）时域模型v仪表的时域
9、模型是以时间t为参变量全面描述仪表输入输出关系的一个函数。v以无滞后的单输入单输出仪表系统为例，其广义时域模型如下：1110111101()()()()()()()()nnnnnnmmmmmmd y tdy tdy taaaa y tdtdtdtd u tdu tdu tbbbb u tdtdtdt自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.4 仪表系统建模仪表系统建模（1）时域模型v具有0阶特性即比例环节的仪表，微分方程为：v具有1阶特性即惯性环节的仪表，微分方程：积分 微分0000()()()()()ba y tb u ty tu tku ta1010()()()()dy tdu
10、 taa y tbb u tdtdt()()()idy ty tk u tdt()()()ddy tdu ty tkdtdt自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.4 仪表系统建模仪表系统建模（1）时域模型v具有2阶特性即振荡环节的仪表，微分方程为：化简为：2221021022()()()()()()d y tdy td u tdu taaa y tbbb u tdtdtdtdt2220002()()2()()d y tdy ty tKu tdtdt自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.4 仪表系统建模仪表系统建模（2）频域模型v 在时域模型的基础上进行拉氏变换，
11、即可得到仪表的频域模型。v 以无滞后的单输入单输出仪表系统为例，其广义频域模型如下：11101110()()()()nnnnmmmma sasa sa Y sb sbsbsb U s自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.4 仪表系统建模仪表系统建模（2）频域模型v具有0阶特性即比例环节的仪表，传递函数为：v具有1阶特性即惯性环节的仪表，微分方程：积分 微分()()()Y sW skU s1010()()()b sbY sW sU sa sa0()()()1kY sW sU ss1()()()1k sY sW sU ss自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.4 仪
12、表系统建模仪表系统建模（2）频域模型v具有2阶特性即振荡环节的仪表，微分方程为：化简为：22102210()()()b sbsbY sW sU sa sa sa202200()()()2KY sW sU sss自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.4 仪表系统建模仪表系统建模（3）离散模型v离散模型是控制系统引入数字式仪表后的产物。对连续信号进行定步长采样所获得的输入输出特性的函数表示，也可以看成是对连续的时域或频域模型进行离散化处理所得。v以无滞后的单输入单输出仪表系统为例，其广义离散模型如下：110110()(1)(1)()(1)(1)nnnna y kn Tay knTa
13、 y kTa y kTb u km Tbu kmTbu kTb u kT自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.4 仪表系统建模仪表系统建模（3）离散模型v具有0阶特性即比例环节的仪表，差分方程为：v具有1阶特性即惯性环节的仪表，差分方程：积分 微分00by kTu kTa1010(1)(1)a y kTa y kTbu kTb y kT/(1)(1)TTy kTey kTkeu kT/(1)(1)TTky kTey kTeu kT自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.4 仪表系统建模仪表系统建模（3）离散模型v具有2阶特性即振荡环节的仪表，差分方程为：21021
14、0(2)(1)(2)(1)a y kTa y kTa y kTb u kT bu kTb y kT自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.5 仪表系统时域分析仪表系统时域分析（1）时域分析指标v仪表系统的时域分析师基于其时域模型进行的。v对仪表施以某种扰动，分析其响应的过渡过程，考虑具有2阶特性即振荡环节的仪表：2220002()()2()()d y tdy ty tKu tdtdt自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.5 仪表系统时域分析仪表系统时域分析（1）时域分析指标v仪表阶跃响应过渡过程自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.5 仪表系统时域
15、分析仪表系统时域分析（1）时域分析指标v仪表脉冲响应过程自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.5 仪表系统时域分析仪表系统时域分析（1）时域分析指标v引入 表示响应过程中每次超调量的绝对值，可以定义衰减率：v扰动发生若干次后，仪表输出y从此全部进入误差带，仪表为此所花费的时间称为过渡过程时间。1,2,1,)iVin n（2nnnVVV自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.5 仪表系统时域分析仪表系统时域分析（2）阶跃扰动动态特性分析v仍考虑具有2阶特性即振荡环节的仪表：阻尼系数 ：自振荡角频率 ：系统增益2220002()()2()()d y tdy ty tK
16、u tdtdt0K自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.5 仪表系统时域分析仪表系统时域分析（2）阶跃扰动动态特性分析v仪表在阶跃扰动下，可能的3种输出：欠阻尼：过阻尼：临界阻尼：0111自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.5 仪表系统时域分析仪表系统时域分析（3）等速扰动动态特性分析v考察仪表跟踪能力、响应速度、内部滞环特性；v以2阶振荡特性仪表为例：欠阻尼：临界阻尼：过阻尼：00.35,0.701,202,4自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.5 仪表系统时域分析仪表系统时域分析（3）等速扰动动态特性分析v 由此可见，具有阶特性的仪表，其
17、等速扰动的过渡过程相对于输入信号始终存在一个误差，也称为仪表响应的滞后。该误差由稳态误差和瞬态误差两部分组成。v 稳态误差是扰动引起的过渡过程趋于稳定以后，仪表输出与输入之间存在的恒定差值。v 瞬态误差则是在扰动引起的过渡过程中存在的随时间发生变化的误差，它会随着过渡过程的趋于稳定而逐渐消失。v 当扰动刚开始时，两种误差均存在；而经过一段时间以后，即在过渡过程趋于稳定后，就只有稳态误差存在了。v 稳态误差是衡量仪表跟踪能力的重要标志自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.6 仪表系统频域分析仪表系统频域分析（1）正弦扰动动态特性分析v正弦扰动特性响应是衡量仪表动态特性的常用方法之
18、一。v正弦扰动的动态响应是指仪表输入为正弦信号时，其输出响应随输入而发生变化的过渡过程。由于输入为正弦信号，在仪表正常工作范围内输出没有失真，因而也应是正弦信号。自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.6 仪表系统频域分析仪表系统频域分析（1）正弦扰动动态特性分析v当输入与输 出之间存在 误差时，必 然包含幅值 和相位两方 面误差自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.6 仪表系统频域分析仪表系统频域分析（1）正弦扰动动态特性分析v二阶振荡特性仪表的正弦响应：22222200110022200|()|(1)42()2()tantan1()KYU W jUW j 自动
19、检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.6 仪表系统频域分析仪表系统频域分析（2）频率响应Bode图分析vBode图是进行控制系统频域分析的常用且最简便的工具。vBode图是使用半对数坐标纸，以对数坐标为横坐标表示频率，以线性坐标为纵坐标表示幅值 和相位 ，由此而得到的描述频域特性的曲线，它由幅值曲线和相位曲线组成。20lg|()|W j自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.6 仪表系统频域分析仪表系统频域分析（2）频率响应Bode图分析v以2阶振荡环节为例：v给定：202200()()()2KY sW sU sss01,2,2K自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学
20、工业出版社10.6 仪表系统频域分析仪表系统频域分析（2）频率响应Bode图分析自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.6 仪表系统频域分析仪表系统频域分析（3）频带分析v确定仪表的正常工作频率范围；自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.7 混合仪表系统浅析混合仪表系统浅析v 混合仪表系统，是指由多个仪表组合而成的仪表系统，主要完成对多个输入信号的组合测量，或按一定函数关系对这些输入信号进行处理，并将结果显示出来，或将结果作为输出信号输出。v 混合仪表系统可由传统的单一仪表组合而成。v 随着计算机和微电子技术的发展，现在也可将多个完成单一仪表功能的模块集成在一台仪
21、表中，而其性能仍等效于多个仪表的组合效果。v 目前，混合仪表系统的应用也就不够广泛，还在探索和尝试中自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.7 混合仪表系统浅析混合仪表系统浅析（1）混合仪表系统建模v混合仪表系统需要对多个输入信号进行一定的组合和函数处理，并获得多个输出信号的特点，其基本结构如图：v输入信号和输出信号间存在函数关系：Y=F(U)自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.7 混合仪表系统浅析混合仪表系统浅析（2）时域分析v 对于多输入多输出的系统，阶跃扰动是常规且较为有效的时域性能分析方法。具体步骤主要包括：每次对一个输入通道施以允许幅值范围内的阶跃扰
22、动，其他输入通道设定为零输入，并记录所有输出通道响应的过渡过程曲线；：重复步骤，依次完成对所有输入通道的测试；：分析所有输出通道相对于各输入通道的阶跃响应特 性；：确定耦合程度较大的输入输出通道，分析确定这些输入输出通道间的阶跃扰动响应参数，这些参数即为本系统主要的时域性能指标。自动检测技术及仪表控制系统 第二版化学工业出版社10.7 混合仪表系统浅析混合仪表系统浅析（3）频域分析v 可采用正弦扰动的方法分析一般混合仪表系统的过渡过程。具体实施步骤如下：每次对一个输入通道施以允许幅值范围内的正弦扰动，其他输入通道设定为零输入，并记录所有输出通道响应的过渡过程曲线；重复步骤，依次完成对所有输入通道的测试；分析所有输出通道相对于各输入通道的正弦响应特性曲线，主要包括过渡过程曲线的幅值和相对于正弦扰动的相位差；确定耦合程度较大的输入输出通道，分析确定这些输入输出通道间的正弦扰动响应参数，这些参数即为本系统主要的频域性能指标。
