控制仪表及装置教案

青岛科技大学教师授课教案课程名称控制仪表及装置课程性质专业课（必修）授课教师单宝明教师职称讲师授课对象自动化031-5授课时数40学时（34+6）教学日期2006年2月所用教材《控制仪表及装置》吴勤勤化学工业出版社2002年第二版授课方式课堂教学控制仪表及装置教案20062青岛科技大学授课教案应该覆盖如下内容：本单元或章节的教学目的与要求授课主要内容重点、难点及对学生的要求（掌握、熟悉、了解、自学）主要外语词汇辅助教学情况（多媒体课件、板书、绘图、标本、示数等）复习思考题参考教材（资料）第一章概述-1-第1章概论学习目的和要求：掌握控制仪表的基本特点和分类，信号制和传输方法，仪表的分析方法。重点、难点：信号制和信号传输，仪表电路分析方法外语词汇：processcontrol（过程控制）,processindustries(过程工业)controllinginstrument,directdigitalcontrol(DDC,直接数字控制)，supervisorysystem(监控系统)，distributedcontrolsystem(DCS，集散控制系统或分布式控制系统)，fieldbus(现场总线)，CIMS—computerintegratedmanufacturingsystems(计算机集成制造系统)，CIPS--computerintegratedprocesssystems参考资料：周泽魁主编《控制仪表与计算机控制装置》化学工业出版社2002何离庆主编《过程控制系统与装置》重庆大学出版社2003张永德《过程控制装置》，北京化学工业出版社，2000李新光等编著《过程检测技术》机械工业出版社，2004侯志林《过程控制与自动化仪表》，机械工业出版社，2002年1月授课内容：过程控制系统概述过程控制仪表与装置总体概述自动控制系统和过程控制仪表过程控制仪表与装置的分类及特点信号制仪表防爆的基本知识仪表的分析方法1.1过程控制系统概述1.1.1过程控制系统及其特点过程控制的定义?过程控制的参数?过程控制的特点?1.1.2过程控制系统发展概况生产过程自动化的发展大体划分为几个阶段。控制仪表及装置教案2006-2-1.仪表自动化阶段20世纪40年代前后？基地式仪表，分散局部自动控制20世纪50年代至60年代？单元组合仪表，集中监控与集中操纵控制理论：以传递函数作为模型描述方法，以根轨迹、频率法作为基本的分析和综合方法。控制方法：基本PID控制与串级、前馈控制等。控制仪表：基地式仪表→单元组合仪表。控制对象：简单的温度压力流量液位等的定值控制对象、单输入、单输出的定制控制系统。图1.1单元组合仪表构成的控制系统Fig.1.1controlsystemwithunitconstructioninstrument2.计算机控制阶段20世纪70年代至80年代？控制理论：以状态空间分析方法为基础，其核心包括：以最小二乘法为基础的系统辨识方法，以极大值原理和动态规划为主的最优控制理论，和以卡尔曼滤波器为代表的估计技术；预测控制；自适应控制。控制方法：经典的控制方法；最优控制方法在航空航天领域取得了成功，但尚未能很好地应用于过程工业；以模型预测控制为代表的适合于工业过程的先进控制（AdavancedProcessControl,APC）方法形成，商品化APC软件产品出现。控制设备：单元组合仪表→计算机集中控制方式（如DDC，SPC等）→DCS系统(PLC系统)控制对象：复杂控制系统；受约束的MIMO（多输入多输出）系统，控制目标考虑操作条件的最优化。有的又把该阶段分为两个阶段?第一章概述-3-图1.2计算机控制系统Fig.1.2ComputerControlSystem图1.3DCS控制系统Fig.1.3DCSControlSystem3.综合自动化阶段从20世纪90年代开始，进入综合自动化阶段。推出了现场总线控制技术。何谓现场总线？智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通讯网络。（国际电工委员会IEC和现场总线基金会FF定义）。何谓综合自动化系统？综合自动化系统就是包括生产计划和调度、操作优化、基层控制和先进控制等内容的递阶控制系统，也称管理控制一体化的系统。这类系统是靠计算机及其网络来实现的，因此也成为计算机集成过程系统（CIPS-computerintegratedprocesssystem）。控制理论：采用第三代控制理论，即智能控制理论。智能控制将人工智能、控制理论和运筹学三大学科相结合，采用模糊技术、神经网络和专家系统等技术，比较好的解决了对象建模的困难和干扰众多与控制要求提高的矛盾，在许多难以控制的场合下，发挥了卓越的作用。与此同时，现代控制理论中的诸如非线性控制、分布参数系统、随机过程以及容错控制也在理论上和实践中得到了发展。控制方法：结合最优化技术、计算机网络与数据信息处理技术的现代集成制造系统（CIMS）控制仪表及装置教案2006-4-的形成与应用。控制设备：商品化现场总线控制系统（FieldbusComputerSystems,FCS）逐步替代DCS系统；计算机集成过程系统（CIPS）控制对象：企业整体化为目标，以计算机及网络为主要技术工具，以生产过程的管理和控制自动化为主要内容，将过去局部自动化“孤岛”模式集成为一个整体的系统。1.1.3过程控制系统组成分类1.锅炉控制系统和加热炉控制系统(a)564321手动脑想眼看检测检测检测(b)执行器控制器变送器12365图1.4锅炉水位控制原理图1.5加热炉控制原理第一章概述-5-图1.6控制系统方框图2.过程控制系统的组成(1)被控对象(2)传感器和变送器(3)控制器(4)执行器图1.7不同的控制系统组成图3.过程控制系统的分类按被控变量来分：按处理的信号来分：按是否采用计算机来分：按控制系统系统所完成的功能来分：按控制的动作规律来分：按控制系统组成回路来分：按设定值变化的形式不同，可将过程控制系统分为三类：控制仪表及装置教案2006-6-(1)定值控制系统设定值是由工艺要求给出的不变常数。通常要求被控变量尽量与设定值保持一致。(2)随动控制系统设定值随时间不断发生变化。（自动跟踪系统）通常要求被控变量尽可能地与设定值一起变化。加热炉的空燃比控制；啤酒稀释配比系统。(3)程序（顺序）控制系统可以理解为随动控制设定值是一个已知时间函数即生产技术指标按一定时间程序变化啤酒厂发酵罐温度控制系统；工业窑炉温度控制系统。1.1.4过程控制系统性能指标1.控制系统的静态和动态静态(稳态)：被控变量不随时间变化的平衡状态（变化率为0，不是静止）。动态：被控变量随时间变化的不平衡状态。2.控制系统的过渡过程(a)非周期衰减过程(b)周期衰减过程(c)等幅震荡过程(d)发散震荡过程(e)单调发散过程图1.8控制系统过渡过程曲线3.控制系统的控制指标通常要评价和讨论一个控制系统性能优劣，其标准有二大类：以系统受到阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出。主要包括：最大偏差（超调量）、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期（振荡频率）……以误差性能指标的形式给出，一般指偏差对某个函数的积分。主要包括：平方误差积分指标、时间乘平方误差积分指标、绝对误差积分指标、时间乘绝对误差积分指标。当这些值达到最小值的系统是某种意义下的最优系统。第一章概述-7-1.2过程控制仪表与装置总体概述1.2.1过程控制仪表与装置的分类及特点按能源形式分类按信号类型分类按结构形式分类1.按能源形式分类可分为电动，气动，液动和机械式等。工业上普遍使用电动和气动控制仪表表1-1电动控制仪表和气动控制仪表的比较电控控制仪表气动控制仪表能源电源220VAC或24VDC气源(140kPa)传输信号电信号气压信号构成电子元器件(电阻、电容、运放、集成电路等)起动元件(起租、气容、气动放大器等)接线导线、印刷电路板导管、管路板气动仪表结构简单，性能稳定、可靠性高、价格便宜，本质上安全防爆。电控仪表能源获取方便，信号传输和处理容易，便于实现集中显示和操作，安全火化防爆。2.按信号类型分类分为模拟式和数字式两大类。模拟式控制仪表由模拟元器件构成，其传输信号为连续变化的模拟量，如电流、电压、气压信号等。数字式控制仪表以微处理器，单片机芯片为核心。其传输信号为断续变化的数字量，由于可以进行各种数字运算和逻辑判断，能解决模拟式控制仪表难以解决的问题。3.按结构形式分类分为单元组合式控制仪表、基地式控制仪表、集散型计算机控制系统、现场控制系统。(1)单元组合式控制仪表各个仪表之间用统一的标准信号进行联系，将各种独立仪表进行不同的组合，可以构成适用于各种不同场合的自动检测或控制系统。这类仪表有电动单元组合仪表（DDZ）和气动单元组合仪表（QDZ）两大类。电动单元组合式仪表发展阶段:控制仪表及装置教案2006-8-DDZ-型仪表：60年代，放大元件为电子管、磁放大器。DDZ-型仪表：70年代，采用晶体管放大元件。DDZ-型仪表120：80年代，采用集成电路。DDZ-S型仪表及其它：90年代，采用微处理器的数字调节器。单元组合仪表可分为变送单元，执行单元，调节单元，转换单元，运算单元，显示单元，给定单元和辅助单元等八类。见图1.1。变送单元：它能将各种被测参数，如温度，压力，流量，液位等变换成相应的标准统一信号（4-20mA，0-10mA或20-100kPa）传送到接收仪表，以供指示、记录或控制。品种：？？？转换单元:将电压，频率等电信号转换为标准统一信号，或者进行标准统一信号之间的转换。转换单元的品种有：直流毫伏转换器、频率转换器、电-气转换器、气-电转换器等。调节单元:它将测量信号与给定信号进行比较，按偏差控制执行器的动作，使测量值与给定值相等。调节单元的品种有：比例积分微分调节器、比例积分调节器、微分调节器以及具有特种功的调节器等。运算单元:它将几个标准统一信号进行加、减、乘、除、开方、平方等运算，适用于多种参数综合控制、配比控制、流量信号的温度压力水补偿计算等。运算单元的品种有：加减器、乘除器和开方器等。显示单元:它对各种被测参数进行指示、记录、报警和积算，供操作人员监视控制系统工况之用。显示单元的品种有：指示仪、指示记录仪、报警器、比例积算器和开方积算器等。给定单元:输出标准统一信号，作为被控变量的给定值送到调节单元，实现定值控制。其输出信号可以供给其它仪表作为参考基准值。给定单元的品种有：恒流给定器、定值器、比值给定器和时间程序给定器等。执行单元:它按照调节器输出的控制信号或手动操作信号，操作执行元件，改变控制变量的大小。执行单元的品种有：角行程电动执行器、直行程电动执行器和气动薄膜调节阀等。辅助单元:辅助单元是为了满足自动控制系统某些要求而增设的仪表。如：操作器、阻尼器、限幅器、安全栅等。(2)基地式控制仪表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。通常以指示、记录仪表为主体，附加控制、测量、给定等部件，其控制信号输出一般为开关量，也可以是标准统一信号。(3)集散控制系统(DCS)DCS系统是一种以微型计算机为核心的计算机控制装置。其基本特点是分散控制、集中管理。DCS系统通常由控制站（下位机）、操作站（上位机）和过程通讯网络三部分组成。(4)现场总线控制系统(FCS系统)FCS系统是基于现场总线技术的一种新型计算机控制装置。其特点是现场控制和双向数字通讯，即将传统上集中于控制室的控制功能分散到现场设备中，实现现场控制，而现场设备与控制室内的仪表或装置之间为双向数字通讯。第一章概述-9-FCS系统具有全数字化、全分散式、可互操作、开放式以及现场设备状态可控等优点。FCS系统中还可能出现以以太网技术和以无线通信技术为基础的计算机控制系统。1.2.2信号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。目的：达到通用性和相互兼容性的要求，以便不同系列或不同厂家生产的仪表能够共同使用在同一控制系统中，实现系统的功能。信号标准1.气动仪表的