自动检测技术及仪表控制系统课件(第一章).ppt

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过程检测技术及仪表,测控技术与仪器系,课程安排,总学时：

48学时讲授-40学时实验-8学时成绩评定：

平时-15%实验-15%考试-70%联系方式:

艾学忠电话：

63083113、13843227008E-mail:

13843227008办公室：

3-312,第一篇基础知识引论,2误差分析基础及测量不确定度,2.1检测精度2.2误差分析的基本概念2.3误差原因分析2.4误差分类2.5误差的统计处理2.6误差传递法则2.7误差估计2.8粗大误差检验2.9测量不确定度2.10最小二乘法及其应用,1.1检测仪表控制系统1.2基本概念1.3检测仪表技术发展趋势,1绪论,3检测技术及方法分析,3.1检测方法及其基本概念3.2检测系统模型与结构分析3.3提高检测精度的方法3.4多元化检测技术,1绪论,1.1检测仪表控制系统1.2基本概念1.3检测仪表技术发展趋势,内容综合为：

一、（过程）自动化概述二、自动化仪表及装置概述三、检测仪表技术发展趋势,1绪论,一、（过程）自动化概述,1绪论,一、（过程）自动化概述,所谓（过程）自动化是在工艺设备上配备一些自动化装置，用它们来代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上按照规定的要求自动地进行，即：

用自动化装置来管理设备（生产过程），使之正常运行。

所谓（过程）自动化是使工艺参数保持在需要的值或状态，或者使生产过程按照一定的程序或步骤运行，保证生产过程运行在最佳状态。

1绪论,一、（过程）自动化概述,自动化与生产工艺的关系,了解生产对象的基本特性及其对控制的影响；根据工艺要求选择合理的自控方案；综合考虑工艺与自控双方面的因素，掌握准确的工艺条件和数据；了解基本测控参数的测量原理、要求，便于确定合适的测控参数、选择合适的测控点等。

典型的工业生产过程生产工艺生产设备自动控制自控与工艺的关系：

自控为工艺服务,自控专业人员必须深入了解和熟悉生产工艺和设备工艺专业人员也必须掌握自动控制的本质,1绪论,一、（过程）自动化概述,任何一个工业控制系统都必然要应用一定的检测技术和相应的仪表单元，,检测单元完成对各种过程参数的测量，并实现必要的数据处理；,仪表单元则是实现各种控制作用的手段和条件，它将检测得到的数据进行运算处理，并通过相应的单元实现对被控变量的调节。

检测技术和仪表两部分是紧密相关和相辅相成的，它们是控制系统的重要基础。

检测技术的作用与意义,检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步,1绪论,检测技术是产品检验和质量控制的重要手段,检测技术在大型设备安全经济运行监测中得到广泛应用,检测技术是自动化系统中不可缺少的组成部分,生产过程：

“物流”,自动化：

信息获取、信息转换、信息处理、信息传送、信息执行,一、（过程）自动化概述,检测技术的作用与意义,检测手段水平决定科学研究的深度和广度理论研究成果离不开必要的检测手段,1绪论,一、（过程）自动化概述,检测技术的作用与意义,检测技术在工业生产中的应用十分广泛,1绪论,一、（过程）自动化概述,检测技术的作用与意义,检测技术在工业生产中的应用十分广泛,1绪论,一、（过程）自动化概述,检测技术的作用与意义,检测技术在工业生产中的应用十分广泛,1绪论,检测技术在工业生产中的应用十分广泛,在线检测：

零件尺寸、产品缺陷、装配定位.,一、（过程）自动化概述,检测技术的作用与意义,1绪论,检测技术在汽车中的应用日新月异,一、（过程）自动化概述,检测技术的作用与意义,1绪论,检测技术在日常生活中的应用与日俱增,家用电器：

数码相机、数码摄像机：

自动对焦-红外测距传感器,数字体温计：

接触-热敏电阻，非接触-红外传感器,自动感应灯：

亮度检测-光敏电阻,空调、冰箱、电饭煲：

温度检测-热敏电阻,电话、麦克风：

话音转换-驻极电容传感器,遥控接收：

红外检测-光敏二极管、光敏三极管,办公商务：

可视对讲、可视电话：

图像获取-面阵CCD,扫描仪：

文档扫描-线阵CCD（电荷耦合器件）,红外传输数据：

红外检测-光敏二极管、光敏三极管,医疗卫生：

电子血压计：

血压检测-压力传感器,血糖测试仪、胆固醇检测仪-离子传感器,一、（过程）自动化概述,检测技术的作用与意义,1绪论,综上所述自动检测技术与我们的生产、生活密切相关。

在工业生产各个领域内在科学研究领域内在现代人们的日常生活中,一、（过程）自动化概述,检测技术的作用与意义,它是自动化领域的重要组成部分，尤其在自动控制中，如果对控制参数不能有效准确的检测，控制就成为无源之水，无本之木。

1绪论,自动测控系统的组成,一、（过程）自动化概述,例：

液位的控制,1绪论,一、（过程）自动化概述,人与机器的机能对应关系,自动测控系统的组成,1绪论,一、（过程）自动化概述,液位自动控制示意图,带控制点流程图,自动测控系统的组成,自控系统组成,自动控制系统方框图,1绪论,一、（过程）自动化概述,自控系统组成,自控系统组成,自动测控系统的组成,1绪论,一、（过程）自动化概述,自动测控系统的组成,典型的工业过程自动控制系统组成,1绪论,一、（过程）自动化概述,自动测控系统的组成,定义：

以控制理论为主要理论基础，以传感器技术、自动化仪表等为主的技术应用领域，完成对生产过程的自动采集、自动控制功能，即过程控制系统.过程控制主要针对温度、压力、流量、液位（物位）、成分等参数的控制。

它覆盖石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、核能等领域。

过程控制的任务与目标,1绪论,一、（过程）自动化概述,1）安全性：

整个生产过程中，人身安全和设备安全是最重要和最基本的要求。

2）稳定性：

系统具有抑制外部干扰，保持生产过程长期稳定运行。

3）经济性：

低成本高效益。

应用理论知识，系统分析和综合，采用先进的技术手段，实现生产过程控制。

过程控制的基本要求：

过程控制的目的：

保持过程中的有关参数为一定值或按一定规律变化。

主要特点：

1、被控对象的多样性2、对象特性的难辨性白色系统、黑色系统、灰色系统3、普遍存在滞后4、对象特性往往具有非线性如间歇式加温、齿轮运动等。

过程控制的特点,5.控制方案的多样性有单回路、串级、前馈-反馈、比值、均匀、分程、选择性、时滞、数字和计算机过程控制系统等。

6.控制过程属慢过程、多半属参量控制7.定值控制是主要控制形式,1-1典型单回路控制系统,1、控制原理,以液体储槽的水位控制为例进行说明。

液位变送器,液位控制器,执行器,过程控制的组成及术语,一、系统组成,LC,2、系统方块图,单回路系统方框图,主要组成部分,

（1）被控对象：

生产过程中被控制的工艺设备或装置。

（2）检测变送单元：

检测量转换为国际统一标准的电信号。

检测单元：

完成对所有被控变量的直接测量；变送单元：

完成对被测变量信号的转换和传输；（3）控制器：

实时地对被控系统施加控制作用。

调节单元：

完成调节控制规律的运算（4）执行器：

将控制信号进行放大以驱动控制阀。

（5）控制阀：

控制进料量或出料量。

有气开式和气关式之别。

执行单元：

控制系统实施控制策略的执行机构,1、被控对象（简称对象或过程）2、被控变量：

按照生产过程要求，某些变量应该维持在稳定的变化范围内，如果对其施加控制作用，就称其为被控变量。

如温度、压力、流量、液位、成分等。

二、常用术语,凡是影响被控量的各种作用均叫做干扰或扰动。

分内干扰和外干扰。

（内干扰如原料成分变化等。

）4、控制变量：

即调节介质。

如储水槽液位控制系统的给水量。

5、测量值：

被控变量经检测变送后即是测量值。

3、干扰:

6、给定值：

即被控变量的设定值。

7、偏差值：

准确地说，应是被控量的给定值与实际值之差。

但能够直接得到的信号是被控量的测量值，故通常把给定值与测量值之差称作为偏差。

8、调节器输出：

根据偏差值、经一定算法得到的输出值。

调节器输出亦称控制作用。

过程控制系统的分类,一、一般分类,1、按工艺参数分类：

有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、成分控制系统、物位控制系统等。

2、按系统的任务分类：

有比例控制、均匀控制、前馈控制等。

3、按自动化装置的不同分类：

有常规控制系统、计算机控制系统。

这是工业生产过程中应用最多的一种过程控制系统。

在运行时，系统被控量的给定值是不变的。

有时根据生产工艺要求，被控量的给定值保持在规定的小范围附近波动。

家用电器中应用定值控制系统的也很多，如电脑控制的洗衣机、电饭煲等。

4、按控制器的动作分类：

1、定值控制系统,P,PI,PID,位式,、,二、按设定值形式分类,2、随动控制系统,是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。

它的主要作用是克服一切扰动，使被控量随时跟踪给定值的变化。

3、程序控制系统,其给定值按预定的时间程序来变化。

如机械工业中的退火炉的温度控制系统，其给定值是按升温、保温、逐次降温等程序变化的。

三.按系统的结构特点来分反馈控制系统前馈控制系统复合控制系统（前馈-反馈控制系统）,反馈控制系统（闭环控制系统）,根据系统被控量与给定值的偏差进行工作，偏差值是控制的依据，最后达到减小或消除偏差的目的反馈信号可能有多个，从而可以构成多回路控制系统（如串级控制系统）。

前馈控制系统,也称为开环控制系统。

根据扰动量的大小进行工作扰动是控制的依据在实际生产中不能单独采用。

复合控制系统（前馈-反馈控制系统）,1绪论,基地式仪表,只具备简单测控功能，其信号一般仅在本仪表内起作用，各测控点间的信号难以相互沟通，操作人员只能通过巡视生产现场来了解生产状况。

随着生产规模的扩大和工艺要求的提高，操作人员需要掌握多点的运行参数和信息，需要按多点的运行信息实行操作控制。

出现了气动、电动系列的单元组合式仪表，出现了集中控制室。

生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，送往集中控制室，在控制盘上连接。

操作人员可以坐在控制室纵观生产流程各处状况。

二、自动化仪表及装置概述,仪表的简要发展过程,1绪论,仪表的简要发展过程,DDZ-型：

电源220VAC信号010mADCDDZ-型：

电源24VDC信号420mA、15VDC,仪表中含有微处理器，功能强，具备数字信号传输和模拟信号传输两种功能。

QDZ力平衡型力矩平衡型气源（140kPa）信号（20100kPa）（已基本淘汰）,二、自动化仪表及装置概述,1绪论,仪表的简要发展过程,二、自动化仪表及装置概述,1绪论,自动化装置的简要发展过程,二、自动化仪表及装置概述,1绪论,自动化装置的简要发展过程,直接数字控制系统（DDC）构成原理图,二、自动化仪表及装置概述,1绪论,自动化装置的简要发展过程,直接数字控制系统（DDC）构成原理图,二、自动化仪表及装置概述,1绪论,自动化装置的简要发展过程,分散型控制系统（集散控制系统）（DCS）基本结构图,直接数字控制系统（DDC）构成原理图,二、自动化仪表及装置概述,1绪论,自动化装置的简要发展过程,分散型控制系统（集散控制系统）（DCS）基本结构图,二、自动化仪表及装置概述,1绪论,自动化装置的简要发展过程,典型的中小型DCSCENTUM-XL系统构成（横河电机公司产品）,二、自动化仪表及装置概述,1绪论,自动化装置的简要发展过程,典型的中型DCSCENTUM-CS系统构成（横河电机公司产品）,二、自动化仪表及装置概述,1绪论,自动化装置的简要发展过程,典型的DCSTDC3000系统构成（Honeywell公司产品）,二、自动化仪表及装置概述,1绪论,二、自动化仪表及装置概述,自动化装置的简要发展过程,典型的DCSHS2000系统构成（和利时公司产品）,1绪论,自动化装置的简要发展过程,典型的DCSJX-300XP系统构成（中控公司产品）,二、自动化仪表及装置概述,1绪论,组合式PLC组成示意图,自动化装置的简要发展过程,二、自动化仪表及装置概述,1绪论,自动化装置的简要发展过程,西门子S7系列PLC的网络结构,过程测量与控制级,过程监控级,工厂与过程管理级,公司管理级,金字塔由4级组成,二、自动化仪表及装置概述,1绪论,三菱Q系列PLC应用举例,自动化装置的简要发展过程,二、自动化仪表及装置概述,自动化装置的简要发展过程,1绪论,380V工频电源,水泵,远传压力表,接触器组,控制系统举例,PLC,水位计,自耦变压器,变频器,二、自动化仪表及装置概述,1绪论,自动化装置的简要发展过程,二、自动化仪表及装置概述,1绪论,自动化装置的简要发展过程,现场总线控制系统（FCS）硬件配置示意图,二、自动化仪表及装置概述,1绪论,自动化装置的简要发展过程,综合生产控制系统CENTUM-VP系统构成（横河电机公司产品）,CENTUMVP是横河电机CENTUM系列继CENTUMCS1000/CENTUMCS3000之后的第8代产品,二、自动化仪表及装置概述,1绪论,自动化装置的简要发展过程,通用的过程控制系统SIMATICPCS7（西门子公司产品）,二、自动化仪表及装置概述,1绪论,自动化装置的简要发展过程,在1996年11月，以三菱电机为主导的多家公司以“多厂家设备、环境、高性能、省配线”理念开发、公布和开放了现场总线CC-Link，并第一次正式向市场推出了CC-Link这一全新的多厂商、高性能、省配线的现场网络。

二、自动化仪表及装置概述,三菱电机的节能支援系统,1绪论,自动化装置的简要发展过程,电站现场总线控制系统FCS165,二、自动化仪表及装置概述,1绪论,三、检测仪表技术发展趋势,智能化虚拟化网络化微型化软测量技术,1绪论,三、检测仪表技术发展趋势,智能化网络化虚拟化,1绪论,三、检测仪表技术发展趋势,1绪论仪表的基本概念,测量范围、上下限、量程零点迁移、量程迁移灵敏度和分辨率误差测量精度等级滞环、死区和回差重复性和再现性可靠性,测量范围、上下限每个用于测量的仪表都有测量范围，它是该仪表按规定的精度进行测量的被测变量的范围。

测量范围的最小值和最大值分别称为测量下限和测量上限，简称下限和上限。

测量范围、上下限及量程,量程范围仪表能够测量的最大输入量与最小输入量之间的范围称作仪表的量程范围，简称量程。

在数值上等于仪表上限值与下限值的代数差之绝对值。

问：

某温度计测量的最低温度为-20，最高温度为100，它的量程是多少？

120,给出仪表的测量范围可以知道上、下限及量程；只知道仪表的量程，不能确定出上下限及测量范围。

仪表测量范围的常用表示方法,零点和量程仪表测量范围的常用表示方法是：

给出仪表的零点（即测量下限值）及仪表的量程。

由前面的分析可知，只要仪表的零点和量程确定了，其测量范围也就确定了。

零点迁移、量程迁移,零点迁移和量程迁移在实际使用中，由于测量要求或测量条件的变化，需要改变仪表的零点或量程，为此可以对仪表进行零点和量程的调整。

通常将零点的变化称为零点迁移，而量程的变化则称为量程迁移。

零点迁移的形式：

正迁移和负迁移量程迁移的形式：

缩小量程和扩大量程,2零点迁移和量程迁移,输入（被测量）,输出,0,100%,100%,零点迁移,量程迁移,-25%,由于某些影响量引起的输出量程的变化。

75%,70%,71.4%,140%,25%,如何利用零点迁移和量程迁移,时间t,0,输出（V）,5,10,15,3灵敏度,在稳定情况下，仪表输出变化量Y与引起此变化的输入量的变化量U之比值，定义为仪表的灵敏度。

用S表示，即式中，S仪表灵敏度Y、U分别为输出与输入变化量量程迁移改变灵敏度；零点迁移不改变灵敏度串联仪表系统，灵敏度具有可传递性。

（乘积）,问：

某测量范围是0100MPa的压力表，其满量程时指针转角为270度，它的灵敏度是多少？

2.7度/MPa,分辨率（灵敏限）它表明仪表响应输入量微小变化的能力指标，即不能引起输出发生变化的最大输入变化幅度与量程范围之比的百分数。

仪表能响应和分辨的最小输入量。

通常仪表的灵敏度高，分辨率也高。

4.误差,测量误差的概念测定值与被测量真值之差称为测量的绝对误差，或简称测量误差。

=xX0式中，测量误差；x测定值（例如仪表指示值）；X0被测量的真值。

真值一般无法得到，所以用实际值X代替X0。

对于绝对误差，应注意下面几个特点：

绝对误差是有单位的量，其单位与测定值和实际值相同。

绝对误差是有符号的量，其符号表示出测定值与实际值的大小关系。

测定值与被测量实际值之间的偏离程度和方向通过绝对误差来体现。

示值的绝对误差与约定值之比值称为相对误差，其为无量纲数，以百分数表示。

一般约定值m有如下几种取法：

m取测量仪表的指示值x时，称为标称相对误差；m取测量的实际值X时，称为实际相对误差；m取仪表的满刻度值（量程）时，称为引用相对误差。

对于相同的被测量，用绝对误差评定其测量精度的高低。

但对于不同的被测量，则应采用相对误差来评定。

最大引用误差：

整个量程范围内的最大绝对误差与量程的比值。

最大引用误差与仪表的具体示值无关，可以更好地说明仪表测量的准确程度。

它是仪表基本误差的主要形式，是仪表的主要性能指标之一。

允许误差,仪表出厂时要规定引用误差的允许值，称为允许误差。

如将允许误差记为Q，最大引用误差记为Qmax，那么Q和Qmax在大小上应该满足什么关系?

QmaxQ,基本误差和附加误差,任何测量都是与环境条件相关的，这些条件包括环境温度、相对湿度、电源电压和安装方式等多方面的因素。

仪表严格按照规定的环境条件（即参比工作条件）工作时，此时获得的误差称为基本误差；如果在非参比工作条件进行测量，还会产生额外的误差称为附加误差。

误差=基本误差+附加误差,5精确度,指根据测量仪表准确度大小所划分的等级或级别。

允许误差去掉百分号的数值就是准确度等级，工程上称为精度等级。

精度等级0.5级：

基本误差不超过量程的0.5%,精度等级的确定过程：

6.滞环、死区、回差,滞环：

仪表内部某些元件具有储能效应，其作用使得仪表检验所得的实际上升曲线和实际下降曲线出现不重合的情况，导致仪表的特性曲线形成环状。

6.滞环、死区、回差,死区：

由于传动机构的摩擦和间隙等，产生死区效应。

使得在仪表输入在一定范围内不引起输出变化，这段区域称为死区，也叫不灵敏区。

6.滞环、死区、回差,回差：

在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对被测量进行反复测量（正行程和反行程）时，上升曲线和下降曲线之间最大的差值，称为回差（也称为变差、来回变差）。

正行程：

测量系统的输入量从量程下限增至量程的上限的测量过程。

反行程：

测量系统的输入量从量程上限减少至量程的下限的测量过程。

重复性：

在同一工作条件下，同方向连续多次对同一输入值进行测量所得到的多个输出值之间相互一致的程度。

7.重复性和再现性（随机性）（稳定性）,再现性：

仪表实际上升曲线和实际下降曲线之间离散程度的表示，常取两种曲线之间离散程度最大点的值来表示。

可靠度表征仪表可靠性的尺度有多种，最基本的是可靠度。

它是衡量仪表能够正常工作并发挥其功能的程度。

简单地来说，如果有100台同样的仪表，工作1000小时后约有99台仍能正常工作，则可以说这批仪表工作1000小时后的可靠度是99。

8.可靠性,MTBF和MTTR平均无故障工作时间MTBF（MeanTimeBetweenFailure）：

仪表在相邻两次故障间隔内有效工作时的平均时间。

平均无故障时间越长，仪表的可靠性就越高。

平均故障修复时间MTTR（MeanTimetoRepair）：

仪表出现故障到恢复工作时的平均时间。

有效度即在要求平均无故障工作时间尽可能长的同时，又要求平均故障修复时间尽可能短，综合评价仪表的可靠性，引出综合性指标有效度，其定义如下：

有效度=,平均无故障工作时间+平均故障修复时间,平均无故障工作时间,习题：

1.某测温仪表的准确度等级为1.0级，绝对误差为1，测量下限为负值（下限的绝对值为测量范围的10），试确定该表的测量上限值、下限值和量程。

（90，10，100）,2.用测量范围为50+150kPa的压力表测量140kPa压力时，仪表示值为+142kPa，求该示值的绝对误差、实际相对误差和引用相对误差。

（+2kPa，+1.43%，+1.0%）,3.某1.5级测量范围为0100kPa的压力表，在50kPa、80kPa、100kPa三点校验时，其示值绝对误差分别为0.8kPa、+1.2kPa、+1.0kPa，试问该表是否合格？

因为1.21.5%，所以该表合格。

仪器基本误差小于允许误差，仪器合格；反之则不合格。

4.现有2.5级、2.0级、1.5级三块测温仪表，对应的测量范围分别为100+500、50550、01000，现要测量500的温度，其测量值的相对误差不超过2.5%，问选用哪块表最合适？

解：

（500+100）2.5%=15，15500100%=3%；（550+50）2.0%=12，12500100%=2.4%；（10000）1.5%=15，15500100%=3%；所以准确度2.0级量程范围50550的测温仪表最合适。

1绪论,课程学习目标,1绪论,课程学习目标,