工业自动化仪表及过程控制(调节器)
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。
自动化仪表与过程控制
参考书
3
自动检测技术与装置. 张宏建等. 化学工业出版社. 2004.7
4
自动化仪表与过程控制. 施仁等. 电子工业出版社. 2009.2
5
自动检测技术及仪表控制系统. 张毅等. 化学工业出版社. 2005.3
6
过程控制及仪表. 邵裕森. 上海交大出版社
7
参考书
点名作业20%
1
Hale Waihona Puke 试验成绩10%2期末考试70%
3
考核方式
过程控制的特点
第一章 过程控制与自动化仪表概述
系统由被控过程和检测控制仪表组成 过程控制采用各种检测仪表、控制仪表和计算机等自动化工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。检测仪表把工艺参数转换为电信号或气信号，反映生产过程状况；控制仪表接受检测信号对过程进行控制。 被控过程的多样性 生产规模不同、工艺要求各异、产品品种多样导致过程的结构性、动态特性多样。通常被控过程属于多变量、大惯性、大时延特征，还有非线性与时变特性。（锅炉、热交换器、精馏塔） 控制方案的多样性 被控对象复杂导致控制方案多样性。单/多变量控制系统、常规仪表控制/计算机集散控制系统、提高控制品质的和实现特定要求的控制系统。单回路、串级、前馈、比值、均匀、分程、选择性、大时延、多变量系统，还有先进过程控制系统(自适应、预测、补偿、智能、非线性控制等)。
02
过程控制
自动化仪表----- 用于生产过程自动化的仪器或设备，是实现工业企业自动化的必要手段和技术工具。
特点----- 兼容性、统一标准
自动化仪表
连续生产过程主要有以下几种形式：
．传热过程 通过冷热物流之间的热量传递，达到控制介质温度、改变介质相态或回收热量的目的。典型设备：换热器
工业自动化仪表及过程控制(0)
Industrial Automation Instrumentations and Process Control1）•课程的主要内容：•工业自动化仪表：•实现生产过程自动化的电子电气设备•过程控制：•实现生产自动化的理论和技术2）•过程控制系统(process control systems)以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。
这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。
表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。
一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式。
过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。
3） 过程控制系统的组成4）例1：热交换器温度控制5）例2：热交换器自动调节系统6） 典型过程控制系统框图7）•自动调节系统组成：•调节对象(object)或称过程(process)•控制设备•传感器/变送器(sensor/transmitter)•调节器(controller)•执行器(actuator)8）●课程性质：限选课●考核方式：考试课●学时：569）主要参考书●历玉鸣.《化工仪表自动化》.第三版. 化学工业出版社●吴九辅.《仪表控制系统》.石油工业出版社●刘巨良.《过程控制仪表》.化学工业出版社●侯志林.《过程控制及自动化仪表》.机械工业出版社●天津大学化工学院主编.注册化工工程师执业资格考试基础考试(下)复习教程与模拟试题. 天津大学出版社.10） 自动化仪表的发展•发展的三个阶段•基地式仪表•单元组合式仪表•计算机控制系统11）基地式仪表：简单、实用12） 单元组合仪表（1）：电动单元组合仪表：DDZ13） 单元组合仪表（2）：电动单元组合仪表控制室14） 单元组合仪表（3）：电动单元组合仪表控制现场15） 单元组合仪表（4）：气动单元组合仪表：QDZ16） 计算机控制系统（1）DSC：集散控制系统17） 计算机控制系统（2）PLC：可编程控制器18）计算机控制系统（3）FCS ：现场总线控制系统局域网NT 服务器Internet监控工作站其它工作站现场总线接口差压变送器调节阀差压变送器差压变送器温度变送器企业管理层（数据网络）过程监控层（数据网络）现场控制层（控制网络）现场总线网段19）•计算机控制系统（4）•计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing Systems，CIMS)和计算机集成过程系统(CIPS)•管理信息分系统•设计自动化分系统•制造自动化分系统•质量保证分系统•计算机网络分系统•数据库分系统20）•课程重点：•自动化仪表：•基本工作原理及其应用•课程举例典型仪表：•检测仪表：常用温度、压力、流量和液位检测仪表•模拟仪表：DDZIII型•数字仪表：YS-80系列•DCS：CENTUNM系统•FCS：Fieldbus Foundation21）•课程重点：•过程控制技术：•单回路调节系统的结构、工作原理及应用。
[第4讲]-自动化仪表及过程控制-第四章-过程控制仪表
![[第4讲]-自动化仪表及过程控制-第四章-过程控制仪表](https://img.taocdn.com/s3/m/908249a56529647d272852bc.png)
第四章过程控制仪表⏹本章提要1.过程控制仪表概述2.DDZ-Ⅲ型调节器3.执行器4.可编程控制器⏹授课内容第一节概述✧过程控制仪表---是实现工业生产过程自动化的重要工具，它被广泛地应用于石油、化工等各工业部门。
在自动控制系统中，过程检测仪表将被控变量转换成电信号或气压信号后，除了送至显示仪表进行指示和记录外，还需送到控制仪表进行自动控制，从而实现生产过程的自动化，使被控变量达到预期的要求。
过程控制仪表包括调节器（也叫控制器）、执行器、操作器，以及可编程调节器等各种新型控制仪表及装置。
过程控制仪表的分类：●按能源形式分类：液动控制仪表、气动控制仪表和电动控制仪表。
●按结构形式分类：基地式控制仪表、单元组合式控制仪表、组件组装式控制仪表、集散控制装置等。
[基地式控制仪表]以指示、记录仪表为主体，附加某些控制机构而组成。
基地式控制仪表特点：—般结构比较简单、价格便宜．它不仅能对某些工艺变量进行指示或记录，而已还具有控制功能，因此它比较适用于单变量的就地控制系统。
目前常使用的XCT系列动圈式控制仪表和TA系列简易式调节器即属此类仪表。
[单元组合式控制仪表]将整套仪表划分成能独立实现一定功能的若干单元，各单元之间采用统一信号进行联系。
使用时可根据控制系统的需要，对各单元进行选择和组合，从而构成多种多样的、复杂程度各异的自动检测和控制系统。
特点：使用灵活，通用性强，同时，使用、维护更作也很方便。
它适用于各种企业的自动控制。
广泛使用的单元组合式控制仪表有电动单元组合仪表(DDZ型)和气动单元组合仪表(QD2型)。
[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)。
它以模拟器件为主，兼用模拟技术和数字技术。
整套仪表(或装置)在结构上由控制柜和操作台组成，控制柜内安装的是具有各种功能的组件板，采用高密度安装，结构紧凑。
这种控制仪表(或装置)特别适用于要求组成各种复杂控制和集中显示操作的大、中型企业的自动控制系统。
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。
教学重点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
第一章绪论1、过程控制概述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、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。
在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术可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。
过程控制通常是对生产过程中的压力、液位、流量、温度、PH值、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尽行。
2、过程控制的特点（1）系统由被控过程和检测控制仪表组成；（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。
3、过程控制的要求与任务要求：（1）安全性：针对易燃易爆特点设计；参数越线报警、链锁保护；故障诊断，容错控制。
（2）稳定性：抑制外界干扰，保证正常运行。
（3）经济性：降低成本提高效率。
掌握工艺流程和被控对象静态、动态特性，运用控制理论和一定的技术手段（计算机、自动化仪表）设及合理系统。
任务：指在了解、掌握工艺流程和被控过程的静态与动态特性的基础上，应用控制理论分析和设计符合上述三项要求的过程控制系统，并采用适宜的技术手段（如自动化仪表和计算机）加以实现。
4、过程控制的功能测量变送与执行功能；操作安全与环境保护功能；常规控制与高级控制功能；实时优化功能；决策管理与计划调度功能。
5、过程控制系统的组成被控参数（亦称系统输出）y(t)：被控过程内要求保持稳定的工艺参数；控制参数（亦称操作变量控制介质）q(t)：使被控参数保持期望值的物料量或能量；干扰量f(t)：作用于被控过程并引起被控参数变化的各种因数；设定值r(t)：与被控参数相对应的设定值；反馈值z(t)：被控参数经测量变送后的实际测量值；偏差e(t)：设定值与反馈值之差；控制作用u(t)：控制器的输出值。
工业自动化仪表及过程控制(数字调节器)
工业自动化仪表及过程控制(5-2)Industrial AutomationInstrumentations and Process Control数字控制算法数字调节器：数字式控制仪表。
数字调节的优点：•运算、控制功能丰富；•具有数字通信功能；•可靠性好，使用维护方便数字调节器主要输入输出量输出值：VM(MV: Manipulated Variable)设定值：VS(SV: Setpoint variable)测量值：VP(PV:Process Variable)e=VS -VP若：x(t)=e,y (t)=VMy (t)=f(x(t))数字系统的离散信号x0,x1,x2….,x ny0,y1,y2….,y n也记做：x(0),x(1),x(2),…,x(n)y(0),y(1),y(2),…,y(n)数字PID 算法(Digital PID Algorithm)⎰dtt e )(∑∆T k e )(dt t de )(Tn e n e ∆--)1()(基本PID 离散表达式)1(101∑=-∆-+∆+=ni n n d i i n n T x x T T x T x P y 位置式PID 算法位置式数字PID算法的原理增量式数字PID 算法)}2()({12111----+-∆+-+∆=-=∆n n n d n n n i n n n x x x TT x x x T T P y y y •节省内存空间和运算时间•减少累计误差•误差动作影响小增量式PID 算法原理)1(1)1(110211101∑∑-=----=-∆-+∆+=∆-+∆+=n i n n d i i n n n i n n d i in n T x x T T x T x P y T x x T T x T x P y )}2()({12111----+-∆+-+∆=-=∆n n n d n n n i n n n x x x TT x x x T T P y y y算法框图开始输入r(n),y(n)计算e(n)计算p(n)e(n)=e(n-1)位置式PID算法框图返回PID程序获得方法三种常用PID程序编程语言性能对照功能开发时间通用性价格针对性调试汇编语言一般长差低强难高级语言强中中中强中组态软件很强短好高一般易不完全微分的PID 算法由于理想的微分动作对高频干扰过于敏感，不能使用，为抑制干扰的影响，数字调节器仿效模拟调节器，将理想的微分改为不完全微分，也称为有限制的微分)111(1)(dd d i K sT s T s T P s G +++=不完全微分的PID算法易引起振荡和超调冲击小，系统稳定不完全微分PID 结构框图)111(1)(dd d i K sT s T s T P s G +++=采样周期(Sample Time)Ts的选择•采样定理•系统动态指标•对象动态特性•干扰信号的频谱•控制回路数•计算精度常见被调量的经验采样周期数字PID 控制的改进算法充分应用计算机控制软件算法实现方便的优点，在基本PID的基础上，对其算法进行各种改进，使其达到更好的控制效果。
过程控制与自动化仪表
过程控制与自动化仪表1. 引言过程控制与自动化仪表是现代工业生产中不可缺少的一部分，它们在监测、控制和优化工业过程中起着重要的作用。
过程控制与自动化仪表技术的应用可以提高工业生产的效率、质量和安全性，减少人力资源的消耗，实现工业自动化。
本文将介绍过程控制与自动化仪表的基本概念、发展历程以及在工业生产中的应用。
同时还会讨论一些常见的过程控制与自动化仪表的类型和工作原理，以及它们在不同行业中的具体应用案例。
2. 过程控制与自动化仪表基本概念过程控制与自动化仪表是指一系列用于监测、控制和调节工业过程的设备和系统。
它们可以通过测量和分析过程变量，控制工艺参数并实现自动化控制。
通过使用合适的传感器、执行器和控制算法，可以实现对工业过程的精密控制和优化。
过程控制与自动化仪表主要由以下几个组成部分构成：•传感器：用于测量各种物理量，如温度、压力、流量等；•控制器：根据传感器测量值和设定值进行逻辑运算，生成控制信号；•执行器：接收控制信号，并执行相应的动作，如开关、阀门等；•监控系统：用于监视和记录工业过程中的各种参数和状态；•人机界面：提供工业过程的可视化显示和人机交互界面。
3. 过程控制与自动化仪表的发展历程过程控制与自动化仪表的发展可以追溯到工业革命时期。
在工业革命之前，工业生产主要依靠人工操作，效率低下且易出错。
随着机械设备和工业化的发展，工业生产越来越复杂，对自动化控制的需求也越来越迫切。
20世纪初，工程师们开始研究和开发过程控制与自动化仪表技术。
最早的控制系统是基于机械和电气设备的。
随着电子技术的发展，电子仪表逐渐取代了机械仪表，实现了对工业过程更加精确的控制。
到了20世纪中叶，随着计算机技术的进一步发展，数字化控制系统开始应用于工业生产。
数字化控制系统通过采集和处理大量数据，实现了对工业过程的智能化控制，并提高了系统的可靠性和稳定性。
近年来，随着互联网和物联网技术的快速发展，过程控制与自动化仪表也越来越趋向于网络化和智能化。
工业自动化仪表与过程控制
工业自动化仪表与过程控制您的位置：考核练习 >> 习题浏览选择题1一、单项选择题1、由于节流装置造成流束局部收缩，在流束截面积最小处的静压力（）（分数：1分）A. 最高B. 最低C. 为平均压力D. 无关正确答案：B 2、定值调节系统是一个（）调节系统（分数：1分）A. 开环B. 闭环C. 随动D. 比值正确答案：B 3、在热电阻的测量电路里，有热电阻和测量仪表，在对于接线的二线制、三线制、四线制的说法里，不正确的是( )。
（分数：1分）A. 在二线制里，导线不宜过长B. 二线制电路连接仪表与三线制无误差区别C. 在三线制里测量精度比二线制高D. 在高精度测量的场合，采用四线制方式正确答案：B 4、若设计Smith补偿控制，则Smith补偿器模型的取决于（分数：1分）A. 扰动通道的传递函数B. 被控过程的数学模型C. 控制器的模型D. A和B正确答案：D5、下面说法正确的是( )。
（分数：1分）A. 定值控制系统是按扰动量的大小进行调节的B. 采用前馈－反馈调节的优点是利用前馈调节的及时性和反馈调节的静态准确性C. 定值控制系统是开环调节，前馈调节是闭环调节D. 前馈调节是按测量与给定的偏差大小进行调节的正确答案：B 6、.用一台量程为0~1Mpa、精度为1.5级的压力表来测量锅炉的蒸汽压力，工艺要求其测量误差不超过0.011 Mpa，此仪表精度显然不符合要求，应该选为精度为( )的另一台仪表。
（分数：1分）A. 2.0B. 1.5C. 1.0D. 2.5正确答案：C 7、根据对象特性来选择控制规律时，对于控制通道滞后小，负荷变化不大，工艺参数不允许有余差的系统，应当选用( )控制。
（分数：1分）A. 比例B. 比例积分C. 比例微分D. 微分正确答案：B 8、常见的被控参数包括流量、（）、压力、温度等。
（分数：1分）A. 液位B. 转速C. 偏差D. 锅炉正确答案：A 9、在控制流程图里，T作为被检测量时，一般表示（）（分数：1分）A. 液位B. 温度C. 压力D. 流量正确答案：B正确答案：C14、下面说法不正确的是（）（分数：1分）A. 压力的检测与控制是保证工艺要求、生产设备和人身安全并使生产过程正常运行的必要条件B. 温度、流量、液位等往往可以通过压力来间接测量C. 工程上的压力就是物理学中的压强D. 弹性式压力表在工业上已经不常用了正确答案：D 15、过程控制仪表按信号类型不同可以分为（）两种。
工业自动化仪表(工业生产用仪表)
“针对客户的需求，大家都在打不同的大大小小的包，但实际上这只是中国市场现阶段的特点。”图尔克中 国运营总监李泓说，“在德国和美国市场，图尔克能够以专业的元件供应商身份活得很好。”
种类
工业仪表虽然种类繁多，但都基于平衡原理，包括力平衡、力矩平衡和电平衡等。仪表的感受部分—传感器 将被测参数(如温度、压力、流量等)，经变送器转换成容易放大的测量量(如电压量、电流量和机械量等)，再经 过放大。放大后的量值，一部分传入显示部件，一部分经反馈部件与测量量进行比较，以达到平衡的目的。
与此同时，相关技术的发展为自动化产业的升级提供了技术保证。业内巨头们则早已依靠其技术和产业优势， 推出了各具特色的平台理念。西门子自动化与驱动集团推出的全集成自动化（TIA）理念，是近年来西门子A&D在 自动化领域的一个核心理念和主要特色。在TIA为核心的解决方案中，西门子目前所提供的8万多种产品涵盖了整 个过程自动化领域、制造自动化领域，输配电、智能楼宇领域，TIA集高度的集成统一性和前所未有的开放性于 一身，标准化的网络体系结构，统一的编程组态环境和高度一致的数据集成，成功地实现了整个自动化系统在生 产过程的水平和垂直方向上的集成。
到了30年代末和40年代初，出现了气动仪表，并使用了统一的压力信号，遂有了带远程发送器的仪器。它能 在远距离外的二次仪表上重现读数，从而能集中在中心控制室进行检测、记录和控制。50年代又出现电动式的动 圈式毫伏计、电子电位差计电气机械式调节器和整套的电子管调节仪表。
80年代出现的组装式电子综合控制装置，将仪表和生产自动控制系统有机地结合在了一起。工业仪表的发展 促进工业生产的自动化，已成为工业生产中不可缺少的自动化工具。
过程控制系统—均匀控制系统(工业仪表自动化)
课程导入
阀2
阀1 图1 前后精馏塔的供求关系
均匀控制原理
1.两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化的。 2.前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内波动。
均匀控制原理
图2 前一设备的液位和后一设备的进料量之关系 1—液位变化曲线；2—流量变化曲线
简单均匀控制系统
目的
为了协调液位与排出流量之间的关 系，允许它们都在各自许可的范围内 作缓慢的变化。 满足均匀控制要求的方法
通过控制器的参数整定来实现。
图3 简单均匀控制
串级均匀控制系统
可在简单均匀控制方案基础上 增加一个流量副回路，即构成串 级均匀控制。
图4 串级均匀控制
串级均匀控制系统
特点
由于增加了副回路，可以及时克服由于塔内或排出端压力改 变所引起的流量变化。
串级均匀控制系统协调两个变量间的关系是通过控制器参数 整定来实现的。
在串级均匀控制系统中，参数整定的目的不是使变量尽快地 回到给定值，而是要求变量在允许的范围内作缓慢的变化。
串级均匀控制系统
参数整定的方法
由小到大地进行调整。 串级均匀控制系统的主、副控制器一般都采用纯比例作用的。 只在要求较高时，为了防止偏差过大而超过允许范围，才引入 适当的积分作用。
小结
均匀控 制系统
均匀控制系统。 简单均匀控制系统。 复杂均匀控制系统。
思考
什么是均匀控制系统？
过程控制仪表
热点偶温度计的外观
23
工业电气自动化——过程控制
一个实际问题：A、B加了导线后，两接点处温度不 同，产生电势。应使冷端的温度不变。实际的热电偶 很短。为使得冷端温度保持恒定，把热电偶做的很长？ 采用方法：补偿导线和热电偶冷端连接
补偿导线
工业电气自动化——过程控制
24
工业上常用的热电偶的类型
1 y (Cx Z 0 ) F
F↑，量程↑ F↓，量程↓
变送器量程调整前后的输入输出特性
工业电气自动化——过程控制
16
（2）零点调整和零点迁移
零点调整和零点迁移的目的——使变送器输出信号的 下限值ymin与测量范围的下限值xmin相对应。 xmin＝0 零点调整 y y xmin≠0 零点迁移
一、热电偶的测温原理 热电效应：热电偶产生的热电势E随被测温度θ的变化 而变化——热电势作为温度测量的信息
什么是热电效应？ 公式证明，温度越高→自由电子的活动越活跃→从 金属A迁移到金属B的电子越多→电势越高。 金属A、B确定后，接触点的电势只和温度有关—— 热电势。
eAB ＋ －
A B
p表压力=p绝对压力-p大气压力 真空压：指大气压力与低于大气压力的绝对压力之 差。
p真空压= p大气压力- p绝对压力
工业电气自动化——过程控制
31
表压 绝 对 压 力 大气压力线 负压 真空压 绝对压力 绝对压力零线
p表压力=p绝对压力-p大气压力 p真空压=p大气压力- p绝对压力
工业电气自动化——过程控制
P0(KPa) 100
20
0
1 (100)
xmax
3 (300)
工业自动化仪表及自动化控制技术
工业自动化仪表及自动化控制技术摘要：作为世界上最大的制造国家之一，中国的工业自动化发展已经取得了长足的进步。
目前，我国的工业自动化已经应用于各个领域，包括机械制造、电子信息、化工、冶金、航空航天等。
在工业自动化中，涉及到许多仪器设备，也是多种多样，例如：位移传感器、温度传感器、PLC控制器、DCS控制器、PC控制器、电机、电磁阀、气缸、压力计、流量计、以太网、CAN总线、Modbus等。
这些仪器设备都是工业自动化中不可或缺的部分，它们的发展与应用推动了我国工业自动化行业的蓬勃发展。
鉴于上述，本文将针对工业自动化仪表的原理、应用进行深入分析探究，进而有效控制自动化技术，促进我国工业自动化持续发展。
关键词：工业生产；自动化仪表；自动化控制技术；对策措施引言工业自动化大幅提高了生产效率，降低了成本，同时也减少人为操作的误差，提高产品的质量和一致性；工业自动化促进了企业从传统制造向智能制造的转型，加速了工业化进程，从而促进了产业转型升级；业自动化通过优化生产过程，精确控制物料的消耗和能源的使用，从而达到有效节能和环境的保护；工业自动化不仅提升了企业的竞争力，同时也增强了国家的核心技术和产业竞争力，推动我国在世界经济中的地位。
综上所述，工业自动化对于我国的发展十分重要，它不仅是现代工业化的必然趋势，也是我国实现高质量发展的关键所在。
1 工业自动化仪表概述1.1 工业仪表的历史工业仪表是用于测量、监控、调节和控制工业过程和设备的设备和系统。
它们已经成为现代工业生产中不可或缺的一部分。
以下是工业仪表的历史与发展。
19世纪初，随着蒸汽机和化学反应器的发明，工业生产进入了现代化阶段。
此时，工业仪表还处于萌芽状态，主要运用机械式仪表，机械式仪表是指气体、液体涡轮流量计，涡街流量计，电磁流量计等流量计量仪表以及压力开关、差压开关、压力变送器，差压变送器，液位开关，液位计，温湿度记录仪等工业仪器。
按照不同的功能可分为：温度仪表、压力仪表、流量仪表、分析仪表、物位仪表、称重仪表、转速仪表、仪表元件、调节仪表、执行机构、显示记录、阀门类、控制系统几大门类，这些仪表都是通过机械运动来显示物理参数的。
工业自动化仪表及过程控制(DCS与FCS)
工业自动化仪表及过程控制(6) Industrial Automation Instrumentations and Process Control第3章 DCS与FCS工业计算机控制系统数字调节运算CRT集中监视操作常见的计算机控制系统：DCS, DDCFCS, PLCSCADA工业计算机控制系统原理人工手动控制工业计算机控制系统原理计算机直接控制系统DDC：Computer Direct Control SystemDCS ：Distributed Control System 管理计算机监控计算机操作站操作站工程师站控制站控制站采集站PLC 生产过程数据通道…… ……集散控制系统特点集中管理，控制分散。
这种既集中又分散的控制方式使它具有以下主要优点：算法先进、精度高、响应速度快；监控操作方便；系统安全可靠、维护方便。
•结构上是一种分层次的控制装置；•基本控制器完成现场各子系统的现场直接控制任务；•监控计算机则通过协调各基本控制器的工作，完成监控操作；达到过程的动态优化；•管理或调度计算机则完成制定生产计划、产品管理、财务管理、人员管理以及工艺流程管理等一系列来自组织层的任务。
PLC组成的DCS系统DCS系统结构的三个主要部分•分散的过程控制装置•集中的操作管理装置•数字通信网络主要DCS生产商HoneywellElsag BailayABBYokogawaFoxboro-EckardtFisher-RosemountYamatake HoneywellSiemensCegelec/AEG Automation System(ATT)WestinghouseCENTUM系统•Yokogawa的DCS产品；•主要组成部分：现场控制站、现场监视站、操作站及高速通信总线；（图3-1）控制站(FCS)•基本控制站：代替模拟调节器工作，可以有多个控制回路。
采用功能模块组件组装式的总线结构。
除了进行基本的PID控制，还可进行位式控制、串级控制、选择性控制及顺序控制等•数据采集站：过程中的非控制变量专门设置的数据采集系统。
工业自动化仪表与自动化控制技术的问题及应用
工业自动化仪表与自动化控制技术的问题及应用
工业自动化仪表是工业生产过程中用于测量、控制和调节的设备，主要用于监测和控制工艺参数，以实现生产过程的自动化。
工业自动化控制技术是利用各种控制手段和方法对工业生产过程进行自动化控制的技术。
它包括传感器、执行器、控制器和通信网络等组成的系统，可以实现对生产过程的实时监测和精确控制。
1. 测量误差：工业自动化仪表在测量过程中可能存在误差，导致测量结果与实际情况存在偏差。
这主要是由于仪表本身的精度、环境因素和测量方法等因素引起的。
3. 故障检测：工业自动化仪表和控制系统可能存在故障，导致测量和控制功能无法正常运行。
这需要通过故障检测技术对系统进行监测和诊断，及时发现和修复故障。
4. 通信问题：工业自动化仪表和控制系统通常需要进行数据的传输和交换，这涉及到通信协议、通信接口和通信速率等问题。
如果通信出现故障或不稳定，将影响系统的正常运行。
1. 生产过程监测：工业自动化仪表可以对生产过程中的温度、压力、流量、液位等参数进行实时监测，确保生产过程的稳定和安全。
2. 过程控制：工业自动化控制技术可以对生产过程中的各种参数进行控制，使生产过程达到预定的目标值，并对控制过程进行优化，提高生产效率和质量。
4. 数据分析与优化：工业自动化仪表和控制系统可以收集和存储大量的生产数据，通过数据分析和处理，找出生产过程中存在的问题，并进行优化和改进。
工业自动化仪表与自动化控制技术在工业生产中起到了关键的作用，通过对生产过程的监测和控制，可以提高生产效率和质量，降低成本和能源消耗，实现工业生产的智能化和自动化。
《工业自动化仪表与过程控制》实验指导书
《工业自动化仪表与过程控制》实验指导书授课学时：8课时授课班级：芙蓉自动化0901、0902授课学期：2012年上学期授课教师：敖章洪工业自动化仪表与过程控制实验项目一览表实验参考书：GK-1型操作说明书.实验指导书实验一实验装置的基本操作与仪表调试实验学时：2学时实验类型：验证实验要求：必做一、实验目的1）、了解本实验装置的结构与组成。
2）、掌握液位、压力传感器的使用方法。
3）、掌握实验装置的基本操作与变送器仪表的调整方法。
二、实验设备1) TKGK-1型过程控制实验装置：交流变频器GK-07-2直流调速器GK-06PID调节器GK-042)万用表三、实验装置的结构框图图1-1、液位、压力、流量控制系统的结构框图四、实验内容1、设备组装与检查：1）、将GK-07-2、GK-06、GK-04挂件由左至右依次挂于实验屏上。
并将挂件的三芯蓝插头插于相应的插座中。
2）、检查挂件的电源开关是否关闭。
3）、用万用表检查挂件的电源保险丝是否完好。
2、系统接线1）、直流部分：将一台GK04的PID调节器的自动/手动切换开关拨到“手动”位置，并将其“输出”接GK06的控制电压“输入”；GK06的“电枢电压”和“励磁电压”输出端分别接GK01的直流他励电动机的“电枢电压”和“励磁电压”输入端。
2）、交流部分：将另一台GK04的PID调节器的自动/手动切换开关拨到“手动”位置，并将其“输出”端接GK-07-2变频器的“2”与“5”接线端；将GK-07-2变频器的输出“A、B、C”接GK-01上三相异步电机的“A、B、C”输入端；将三相异步电机接成三角形，即“A”接“Z”、“B”接“X”、“C”接“Y”；GK-07-2 的“SD”接“STR”使电机正转打水，（若此时电机为反转则“SD”接“STF”）。
3、启动实验装置：1）、将实验装置电源插头接到~220V市电电源。
2）、打开电源空气开关与电源总钥匙开关。
3）、按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源，交流电压表指示220V。
过程控制系统—比值控制系统(工业仪表自动化)
小结
比值控 制系统
比值控制系统的定义。 开环比值控制系统。 单闭环比值控制系统。 双闭环比值控制系统。
ห้องสมุดไป่ตู้
思考
什么是比值控制系统？
比值控制系统
比值控制系统
实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统， 称为比值控制系统。通常为流量比值控制系统。
几个概念
主物料、主动量（Q1 、主流量） 从物料、从动量（Q2 、副流量）
副流量Q2与主流量Q1的比值关系为 K Q2 Q1
比值控制系统
开环比值控制系统
图1 开环比值控制
图2 开环比值控制方块图
比值控制系统
图3 单闭环比值控制
图4 单闭环比值控制系统方块图
比值控制系统
它能实现副流量随主流量的变化而变化，还可以克服副流量本 身干扰对比值的影响。
结构简单，实施方便，尤其适用于主物料在工艺上不允许进 行控制的场合。
虽然能保持两物料量比值一定，但由于主流量是不受控制的， 当主流量变化时，总的物料量就会跟着变化。
比值控制系统
双闭环比值控制系统 它是在单闭环比值控制的基础上，增加了主流量控制回路而构成的。
图5 双闭环比值控制
图6 双闭环比值控制系统方块图
比值控制系统
实现了比较精确的流量比值，也确保了两物料总量基本不变。 提降负荷比较方便，只要缓慢地改变主流量控制器的给定值，就可以
提降主流量，同时副流量也就自动跟踪提降，并保持两者比值不变。 结构较复杂，使用的仪表较多，投资较大，系统调整较麻烦。 主要适用于主流量干扰频繁、工艺上不允许负荷有较大波动或工艺上
比值控制系统
结构简单，只需一台纯比例控制器，其比例度可以根据比值 要求来设定。
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1
5v - 10
6
2
7
11
3
电源 +
8
24v DC - 12
4
+ 变送器I
-
+ 输出1-
- 5v
+ 输出4-
- 20mA
输出420mA
-
+
TN
31
DDZ-Ⅲ输入电路
（1）将测量信号 与给定信号 相减，得到 并放大偏差信号。2(Vi-Vs) （2）实现电平移动。（＋10V） （3）确定输出正反作用
TN
32
DDZ-III调节运算电路
TN
33
DDZ-III调节运算电路
TN
34
DDZ-Ⅲ输出电路
平移，功放，V/I
TN
35
DDZ-Ⅲ手动操作电路
软/硬手动两种操作方式， PI电路上附加手操电路来实现对输出值的手 动控制
TN
36
DDZ-Ⅲ指示电路
电流表头：Vi,Vs,Io
TN
37
DDZ-Ⅲ调节器的切换特性
工业自动化仪表及过程控制(5)
Industrial Automation Instrumentations and Process Control
第2章 调节器 Controller
TN
2
位式调节系统
TN
3
动圈式显示调节仪表
TN
4
连续模拟调节器
PID调节器
（Proportional Integral Derivative Controllers ）
8
PID调节器的比例帶
比例帶(proportional band 比例度)定义为：
P＝（输入相对变化量/输出相对变化量） ×100％
P
xm a x
e
xm in
/
ymax
p
ym in
100%
The proportional band is the input band over which
the controller provides a proportional output.
TN
9
比例帶
对单元组合仪表，输 入输出量程相同，则 有：
PB＝1/Kc
TN
10
比例帶原理示意图
TN
11
有源运算典型电路
u0
Rf R
ui
u0
1 RC
ui dt
u0
Rf CD
dui dt
TN
12
比例运算电路
Rf
R
+ Vi
-
Vo
V0
Rf R
Vi
TN
13
积分运算电路
C
Vi R + -
Vo
V0
vo
RC( dvi dt
dvo dt
)
vo
RC dvo dt
RC
dvi dt
vo
RC
dvi dt
TN
17
实际PI运算典型电路 Ti=RICI
Ki＝ACM/CI 积分增益
1 1
CI
Ti s
CM 1 1电路
Td=nRDCD
n=Kd:微分增益 一般取5－10
可以用来调 节Kc
Kc
(1
1 Ti S
)
G(S) Kc (1 Td S)
G(s)
Kc
(1
1 Ti S
Td
S)
TN
6
典型PID调节器功能框图
SP
给定值
误差
e
运算
PV
过程值
TN
比列 运算
积分 运算
微分 运算
MV 输出值
Σ
7
PID调节器的调节参数
▪ Kc: 比例系数； ▪ Ti：积分时间； ▪ Td：微分时间；
TN
A 40%
B 25%
C 20%
D 80%
答：C
题解：根据比例度的定义，代入相关数据，可得
e xmax xmin
850 800
pm ax
p
pm in
100%
1200
200
16 12 20 4
100%
20%
TN
47
答：b
TN
43
第2章 调节器
练习：某流量自动控制系统，用纯比例控制器进行
控制。图示为采用不同比例度时系统的过渡过程 （其中曲线b、c为比较满意的控制结果）。试判 断四条过渡过程曲线中哪一条对应的比例度最大？ A 曲线a B 曲线b C 曲线c D 曲线d
TN
44
第2章 调节器
练习：某流量自动控制系统，用纯比例控制器进行
1 RC
Vi dt
TN
14
有源运算典型电路
Rf
Vi RD CD
+
Vo
-
V0
Rf CD
dVi dt
TN
15
无源运算典型电路
V0
R2 R1 R2
Vi
kcVi
1
1
V0 RC Vidt Ti Vi
V0
RC dVi dt
Td
dVi dt
TN
16
实际微分运算式
v0
RC
dvc dt
vc vi vo
出由12mA变化到16mA。则该控制器的比例度δ是( )。
A 40% C 20%
B 25% D 80%
TN
46
第2章 调节器
练习：某台DDZ-Ⅲ型温度比例控制器, 测温范围为
200~1200℃。当温度给定值由800℃变化到850℃时, 其输
出由12mA变化到16mA。则该控制器的比例度δ是( )。
a 1 Td s n 1 Td s
kd
TN
无源比例微分电路
有源比例电路
19
实际PID运算电路框图
G(s)
Vo (s) Vi (s)
1 P*
(1
1 Td *s
Td *s)
P* P / F , Td * Td / F , Ti* FTi
TN
20
I/D调节器的理想和实际响应
TN
21
实际PID调节器
▪ 实际PID调节器的积分和微分作用都具有饱 和特性，其传递函数为：
1
G(s)
Kc
1 1
Ti S 1
Td S Td
S
KiTi S K d
TN
22
实际PID调节器的阶跃响应
微分作用的效果主要出 现在阶跃信号输入的瞬 间，积分作用的效果随 时间而增加的.
TN
23
理想PID调节器的频率特性
TN
24
TN
38
DDZ-Ⅲ调节器的平衡操作
TN
39
PID调节器的调节过程
TN
40
PID调节器的调节过程
TN
41
第2章 调节器
练习：通过整定调节后，下列哪些调节 系统可能会消除稳态误差？
A P调节系统， B PI调节系统 C PD调节系统， D PID调节系统
答：BD
TN
42
第2章 调节器
练习：下列曲线中哪一个是PI调节器的 阶跃响应？
used to automatically adjust some variable to hold the process variable at the set-point.
偏差运算：e=x-y
调节运算：p=f(e)
TN
5
理想调节规律
P PI PD PID
G(s)
Y(s) X(s)
Kc
G(S
)
控制。图示为采用不同比例度时系统的过渡过程 （其中曲线b、c为比较满意的控制结果）。试判 断四条过渡过程曲线中哪一条对应的比例度最大？ A 曲线a B 曲线b C 曲线c D 曲线d
答：D
TN
45
第2章 调节器
练习：某台DDZ-Ⅲ型温度比例控制器, 测温范围为
200~1200℃。当温度给定值由800℃变化到850℃时, 其输
实际PID调节器的频率特性
TN
25
模拟电动仪表
DDZ-Ⅲ型调节
器
TN
26
模拟电动仪表
盘面
背面
TN
27
模拟电动仪表
TN
28
气动调节器(Pneumatic Controller)
TN
29
DDZ－III Controller
TN
30
DDZ-Ⅲ型调节器的接线图
5
3
1
+
变送器II 6
4
2
-
+
5
输出1- 9