1、仪表知识培训仪表知识培训自动操纵系统差不多概念自动操纵系统的组成自动化装置的三个部分为：（1）、测量元件与变送器 其功能为被控参数的状况转化为一种特定的、统一的输出信号（2）、自动操纵器 其功能为接收变送器送来的信号，与设定值比较得出偏差，按某种运算规律算出结果，将此结果用特定信号发送出去；（3）执行器 通常指操纵阀，按照操纵器送来的信号值来改变阀门的开度，达到调剂的作用。第二节 自动操纵系统方块图方块图中的每一个地点都代表一个具体的装置。方块与方块之间的连接线，只是代表之间的信号联系，并不代表物料联系。箭头代表信号作用的方向。关于任何一个简单的自动操纵系统，它的各个组成部分在信号传递关系上都
2、形成一个闭合的环路，在自动操纵系统中采纳负反馈，因此自动操纵系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。第三节 自动操纵系统的分类自动操纵系统最常用的分类方法为按照工艺过程需要操纵的被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类，分为定值操纵系统、随动操纵系统和程序操纵系统。定值操纵系统这类系统的特点是给定值为恒定值。如果要求操纵系统的工艺参数保持在一个生产指标上不变，即被控变量的给定值不变，其采纳的确实是定值操纵系统。随动操纵系统这类系统的特点是给定值持续变化，且这种变化不是事先预定好的，随动操纵系统的目的确实是使所操纵系统的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。例如在某些生产过程中，要求甲流体的流
3、量与乙流体的流量保持一定的比例，则当乙流体的流量变化时，甲流体的流量也能快速地随之变化，故该操纵系统就属于随动操纵系统。程序操纵系统这类系统的给定值也是变化的，但该变化按一定的时刻程序变化。自动操纵系统的过渡过程和品质指标操纵系统的过渡过程系统由一个平稳状态过渡到另一个平稳状态的过程，称为系统的过渡过程。 系统在过渡过程中，被控变量是随时刻变化的，其变化规律第一取决于系统的干扰形式，在分析和设计操纵系统，常选择阶跃干扰，其表现形式如图： 0 如果这种类型的干扰能被克服，则其他较为缓和的干扰也一定能克服。一样讲来，自动操纵在阶跃干扰下的过渡过程有一下几种差不多形式：非周期衰减过程被控变量在给定值
4、的某一侧缓慢变化，最后稳固在某一数值上，如图a所示。衰减振荡过程被控变量上下波动，但幅度逐步减少，最后稳固在某一数值上，如图b所示。等幅振荡过程被控变量在给定值邻近来回波动，且波动幅度保持不变，如图c所示。发散振荡过程被控变量来回波动，且波动幅度逐步变大，即偏离给定越来跃远，如图d所示。在以上四种过程中，d过程为发散的，称为不稳固的过渡过程，被控变量在操纵过程中逐步远离给定值，导致被控变量超出工艺承诺范畴，是生产所不承诺的，应幸免；过程a和b差不多上衰减的，称为稳固过程。但关于a过程来讲，由于过渡过程变化较慢，不能专门快达到平稳状态，因此一样不采纳，而b过程能够较快地使系统达到稳固状态，因此在
5、操纵过程中一样都期望达到b过程。c过程一样也被认为是不稳固过程，只有在对操纵质量要求不高的场合，该操纵过程能够被采纳。操纵系统的品质指标最大偏差或超调量最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。即如图A表示。最大偏差表示系统瞬时偏离给定值的最大程度。若偏离越大，偏离时刻越长，即表明系统离开规定的工艺参数指标越远，这对正常生产是不利的。在决定最大偏差的承诺值时，要按照工艺情形慎重选择。有时也可用超调量来表征被控变量偏离给定值的程度，即图B表示。超调量是第一个峰值A与新稳固值C之差，即B=A-C。如果新稳固值等于给定值，那么A=B。衰减比衰减比是表示衰减程度的指标。它是前后相邻两个峰
6、值的比。在图中衰减比为B:B，适应上用n：1表示，关于正常的操作过程，n取值在410。余差当过渡过程终了时，被控变量达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差。在图中用C表示对余差大小的要求，应结合具体系统作具体分析，不能一概而论。有余差的操纵过程称为有差调剂，相应的系统为有差系统。反之为无差调剂和无差系统。过渡时刻从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平稳时止，过渡过程所经历的时刻在过渡时刻。一样规定过渡时刻确实是从干扰作用开始到被控变量进入新的稳态值5的范畴内且不在越出为止所经历的时刻。过渡时刻越短，表明过渡过程进行得比较迅速，系统操纵质量越高。振荡周期或频率过渡过程相邻波峰（波谷）
7、之间的间隔时刻叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同的情形下，周期与过渡时刻成正比，一样振荡周期越短越好。阻碍操纵系统过渡过程品质的要紧因素一个自动操纵系统能够大致分成两部分：工艺过程部分和自动化装置部分。工艺过程部分指的是与被控变量有关的工艺参数和设备结构、材质等因素，即被控对象。自动化装置部分指的是为实现自动操纵所必须的自动化外表设备，通常包括测量与变送装置、操纵器和执行器等三部分。关于一个自动操纵系统，过渡过程的好坏，专门大程度取决于对象的性质。自动化装置应按对象性质加以选择和调整，专门好的配合。自动化装置的选择和调整不当，也会直截了当阻碍到操纵质量。检测外表与传感器概述
8、测量过程与测量误差测量过程的实质确实是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程，而测量外表确实是实现这种比较的工具，各种测量外表不论采纳那一种远离，它们差不多上要将被测参数通过一次或多次的信号能量的转换，最后获得一种便于测量的信号能量形式，并由指针位移或数字形式显示出来。在测量过程中，由于测量工具或测量者的因素，使得测量结果不够准确，由外表读的被测值与真值之间存在一定的差距，这一差距确实是测量误差。测量误差分为绝对误差和相对误差。绝对误差指外表指示值xi和被测量的真值xt之间的差值，即xixt所谓真值是指被测物理量的真实数值，一样无法得到，实际中绝对误差一样是用被校表（精确度较低）和标准表（
9、精确度较高）同时对同一被测量进行测量所得到的两个读数之差，即xx0测量误差还可用相对误差y来表示，其等于某一点的绝对误差与标准表在这一点的指示值x0，即外表的性能指标精确度 由于外表的的测量误差不仅与测量点有关，而且与外表的量程有关，因此工业上常将绝对误差折合成外表测量范畴的百分数表示，称为相对百分误差，即外表绝对误差的最大值按照外表的使用要求，规定一个在正常情形下的承诺的最大误差，那个承诺的最大误差叫承诺误差，即一台外表的承诺误差是指在规定的正常情形下承诺的相对百分误差的最大值，即外表的越大，表示它的精度越低，反之则外表的精度越高。将外表的承诺相对百分误差去掉“”号及“”号，便能够用来确定外
10、表的精度等级。变差 变差是指在外界条件不变的情形下，用同一外表对被测量的外表全部测量范畴内进行正反行程测量时，被测量值正行程和反行程所得到曲线之间的最大偏差，如图所示：造成变差的缘故专门多，如传动机构存在的间隙等。变差用在同一被测参数值下，正反行程间外表指示值的最大绝对差值与外表量程之比的百分数表示，即灵敏度与灵敏限 外表指针的线位移或角位移，与引起那个位移的被测参数变化量x之比值称为外表的灵敏度S，即外表的灵敏限是指能引起外表指针发生动作的被测参数的最小变化量，通常外表灵敏限的数值应不大于外表承诺绝对误差的一半。辨论力关于数字外表，辨论力是指数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测参数变化量，
11、不同量程的辨论力是不同的，相应于最低量程的辨论力称为该表的最高辨论力，也叫灵敏度。线形度线形度是表征线形刻度外表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。如图，线形度通常用实际测得的输入输出特性曲线与理论直线之间的最大偏差与测量外表的量程之比的百分数表示，即反应时刻反应时刻确实是用来衡量外表能否尽快反应出参数变化的品质指标。反应时刻长，讲明外表需要较长时刻才能给出准确的指示值，因此，外表反应时刻的长短，表明了外表动态特性的好坏。工业外表的分类按使用的能源分为电动外表、气动外表；按信息分获得、传递、反映和处理的作用不同，分为检测外表、显示外表、集中操纵外表、操纵外表、执行器；按外表的组
12、成分为基地式外表、单元组合外表。压力检测外表压力的单位压力是指平均垂直作用在单位面积上的力，即国际单位制中压力单位为帕斯卡，符号为Pa，1Pa1N/m2,实际计量中常用兆帕（MPa），其换算关系为1 MPa1106 Pa生产中常用的一些单位间的换算：1 MPa10公斤压力10巴10个物理大气压100米水柱1106 Pa表压、绝对压力、负压或真空度之间的关系如图可知： 测压外表的类型测量压力或真空度的外表专门多，按照其转换原理的不同，大致分为：1、液柱式压力计：按照流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量，形式有U型管、单管和斜管压力计。2、弹性式压力计：将被测压力转换成弹性元件的位移进
13、行测量，如弹簧管、波浪管及膜式压力计等。3、电气式压力计：通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（电压、电流）等的变化来进行测量的外表，如各种压力传感器和压力变速器。4、活塞式压力计它是按照水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平稳砝码的质量来进行测量的，其测量精度高，但结构复杂，一样用作标准型压力测量仪器。三、压力计的选用及安装1.压力计的选用类型选用：需满足工艺生产的要求，如是否需要远传、自动记录或报警；被测介质的物理化学性能（诸如腐蚀性、温度、粘度、脏污、易燃易爆）是否对测量外表提出专门要求；现场环境条件等。一般压力表弹簧管多为铜合金，高压的也有采纳碳钢的，但氨用压力计一样
14、为为碳钢材质（氨气对铜腐蚀性极强），氧气压力计禁油，防止爆炸，需用四氯化碳多次洗涤。外表测量范畴选用：依据化工自控技术规定：被测压力的最小值不能低于外表量程的1/3，测量稳固压力时，最大工作压力不应超过测量上限值的2/3，测量脉动压力时，不能超过上限值的1/2，测量高压压力时，所测压力不应超过测量上限值的3/5。外表精度级的选择应合适。2.压力计的安装测压点的选择：所选择的测压点应能反映被测压力的真实大小，应注意一下几点：A、要选在被测介质直线流淌的管段部分，不要选择在管路拐弯、分叉、死角或其他易形成漩涡的地点B、测量流淌介质的压力时，应使取压点与流淌方向垂直，取压管内端面与生产设备连接处的内
15、壁应保持平齐，不应有凸出物或毛刺。C、取压点应选择在合适位置：一样气体在管道上侧，液体在管道下侧。 导压管铺设：A、粗细要合适，一样内径为610mm，长度不得超过50m。B、导压管水平安装时应保证一定的倾斜度，以利于积存液体或气体的排出。C、易冻易凝介质应注意添加伴热D、取压口到压力计之间应装有切断阀，以利于设备检修。压力计的安装：A、压力计应安装在易观看和检修的地点。B、安装地点应力求幸免振动和高温的阻碍。C、测量蒸汽压力时，应加装凝液管，以防止高温蒸汽直截了当与测压元件接触，关于有腐蚀性介质的压力测量，应加装有中性介质的隔离罐。D、连接处应选择合适的垫片作为密封材料。E、当被测压力较小时，
16、而压力计与取压口不再同一高度，对由高度引起的测量误差应予以修正F、为安全起见，测量高压的压力计除选用有通气孔的外，安装时表壳应向墙壁或无人通过处。第三节 流量检测及外表一、概述一样所讲的流量大小是指单位时刻内流过管道某一截面的流体质量或体积的大小，即瞬时流量，而在某一段时刻内流过管道的流体流量的总和，称为总量。流量可用质量流量（M）表示，也可用体积流量（Q）表示，其关系为：介质密度测量流体流量的外表一样叫流量计；测量流体总量的外表称为计量表。常用的流量单位有吨/小时（t/h）、千克/小时（kg/h）、立方米/小时（m3/h）等。二、流量计的分类测量流量的方法有专门多，其车来那个原料和所应用的外
17、表结构形式各不相同，大致分为：1、速度式流量计：以测量流体在管道内的流速作为测量依据来运算流量的外表，如差压式流量计、电磁流量计、转子流量计、涡轮番量计和堰式流量计等；2、容积式流量计：以测量单位时刻内所排出的流体的固定容积的数目作为被测量依据来运算流量的外表，如椭圆齿轮番量计、活塞式流量计等；3、质量流量计：以测量流体流过的质量为依据的流量计，分为直截了当式和间接式，如量热式、角动量式、陀螺式和科里奥利力式等直截了当流量计以及通过运算求得质量的间接式质量流量计等。第四节 物位检测及外表一、概述在容器中液体介质的高低叫液位，容器中固体或颗粒状物质的堆积高度叫料位。测量液位的的外表叫液位计，测量
18、料位的外表叫料位计，测量两种密度不同液体介质的分界面的外表叫界为计，以上外表统称物位外表。二、物位检测外表的分类1、直读式物位外表：这类外表中要紧有玻璃管液位计、玻璃板液位计等；2、差压式物位外表：这类外表又分为压力式物位外表和差压式物位外表，利用液柱或物料堆积对某定点产生压力的原理而工作。3、浮力式物位外表：利用浮子高度随液位变化而改变或液体对浸沉于液体中的浮子（或沉筒）的浮力随液位高度而变化的原理工作。它又可分为浮子带钢丝绳或钢带的、浮球带杠杆的和沉筒式的几种；4、电磁式物位外表：使物位的变化转换为一些电量的变化，通过测出这些电量的变化来测知物位。它能够分为电阻式、电容式和电感式物位外表等
19、，还有利用压磁效应工作的物位外表；5、核辐射式物位外表：利用核辐射透过物料时，其强度随物质层的厚度而变化的原理而工作，目前应用较多的是射线；6、声波式物位外表：由于物位的变化引起声阻抗的变化，声波的遮断和声波反射距离的不同，测出这些变化就能够测知物位，分为遮断式、反射式、阻抗式；7、光学式物位外表：利用物位对光波的遮断和反射原理工作，它利用的光源能够有一般白炽灯或激光等。第五节 温度检测及外表一、概述温度是表征物体冷热程度的物理量。在化工生产中，温度的测量与操纵有着重要的作用，任何一种化工生产过程都相伴着物质的物理和化学性质的改变，必定有能量的交换和转化，过程中温度的变化和操纵对过程的正常进行
20、和安全运行有着重要的作用。二、温度检测方法温度不能直截了当测量，只能通过冷热不同的物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性来加以测量，常用的方法有利用热辐射原理的非接触测温方法和利用物体冷热交换的接触式测温方法。按照工作原理，测温外表可分为膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计和辐射高温温度计。三、测温外表简介1、膨胀式温度计膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的。玻璃管温度计属于液体膨胀式温度计，其测量范畴在50600，结构简单，测量准确，但易碎，不能记录远传；双金属温度计属于固体膨胀式温度计，测量范畴在80600，结构紧凑，牢固，但精度
21、较低。2、压力式温度计压力式温度计是利用封闭系统中的液体、气体或低沸点的液体的饱和蒸汽受热后体积膨胀或压力变化来测量温度的。其结构简单，耐震，但精度低，滞后大。要紧由温包、毛细管、弹簧管组成。3、热电偶温度计热电偶温度计是工业上最常用的一种测温外表，它是由两种不同材料的导体焊接而成，按照两种不同的金属的自由电子密度不同，在两种金属的焊接面产生接触电势差，且这种电势差随温度的变化而变化的原理进行测温的，并引入补偿导线来降低由于冷端温度变化而引起的测量误差。常用的材料有铂、铑、镍、铬、硅及考铜等材料。其测量范畴广，便于远传，但需冷端温度补偿，在低温段测量的精度较低。4、热电阻温度计热电阻温度计是利
22、用金属导体的电阻值随温度的变化而变化的特性来测量温度的，其常用的材料有铂和铜。其测量精度高，便于远传，但不适合测量高温。四、测温元件的安装1、测温元件应与流体充分接触，以减少测量误差，应保证测温元件至少与被测介质正交；2、测温元件的感温点应处于管道中的流速最大处；3、测温元件应有足够的插入深度，以减少误差；4、若工艺管道直径过小，安装测温元件处应接装扩大管；5、热电阻、热电偶的接线盒应面盖向上，以幸免雨水进入阻碍测量；6、为了防止热量散失，测温元件应插在有保温层的管道或设备处；7、测温元件安装在负压管道中时，必须保证其密封性，以防外界冷空气进入，使读数降低。第五章 自动操纵外表的差不多操纵规律
23、第一节 概述所谓操纵规律是指操纵器的输出信号与输入信号之间的关系。操纵器的输入信号是经比较机构后的偏差信号e，它是给定值信号x变送器送来的测量信号z之差，即exz适应上采纳测量值减去给定值作为偏差。操纵器的信号确实是操纵器送往执行器的信号p，因此，所谓操纵从操纵规律确实是指p与e之间的函数关系，即在研究操纵器的操纵规律时，经常是假定操纵器的输入信号e是一个阶跃信号，然后研究操纵器的输出信号p随时刻的变化规律。操纵器的差不多操纵规律有位式操纵（以双位操纵比较常用）、比例操纵（p）、积分操纵（I）、微分操纵（D）以及它们的组合形式。不同的操纵规律适应不同的要求，必须按照过渡过程品质指标要求，结合具
24、体对象特性，才能作出正确的选择。第二节 操纵规律一、双位操纵双位操纵的动作规律是当测量值大于给定值时，操纵器的输出位最大（最小），当测量值小于给定值时，操纵器的输出位最小（最大），即操纵器只有两个输出值，相应的操纵机构只有开和关两个极限为止，因此又称开关操纵。理想的双位操纵其输出与输入偏差e之间的关系为： e0(或e0) e0(或e0)理想的双位操纵特性如下图所示： 由此可见，随着被控对象的变化，操纵器将频繁动作，操纵器中的运动部件因频繁动作容易损坏，因此实际的双位操纵系统中引入了中间区的概念，偏差在中间区内时，操纵机构不动作，当偏差值大于某一数值后，操纵器的输出变为最大，操纵机构处于全关或全
25、开状态；当偏差值小于某一数值后，操纵器的输出变为最小，操纵机构处于全开或全关状态，实际的双位操纵过程曲线如下图所示： 除了双位操纵外，实际生产中还有三位或更多位的操纵器，其工作原理和双位操纵差不多一样。二、比例操纵在双位操纵系统中，被控变量会产生连续的等幅振荡过程，为了幸免这种情形，应该使操纵阀的开度（即操纵器的输出值）与被控变量的偏差成比例，按照偏差的大小，操纵阀能够处于不同的位置，如图所示的也为操纵系统，当液位高于给定值时操纵阀就关小，液位越高，阀关的越小；若液位低于给定值，操纵阀就开大，液位越低，阀开的越大。图中，若杠杆在液位改变前的位置用实线表示，改变后的位置用虚线表示，则有即 由此可
26、见，在该操纵系统中，阀门开度的改变量与被控变量的偏差值成比例，这确实是比例操纵规律。令放大倍数，它决定了比例操纵作用的强弱，其值越大，比例作用越强。但在适应上，使用比例度来表示比例操纵作用的强弱。比例度是指操纵器输入的变化相对值与相应的输出变化的相对值之比的百分数，用式子表示为：关于一个具体的比例作用操纵器，值是一定的，因此比例度与放大倍数成反比。但比例操纵的缺点是存在余差，余差是指系统新的稳态值与原稳态值之间的差值，为了减小余差，就要减小比例度，但这会使系统稳固性变差，比例度对操纵过程的阻碍如下图所示：比例度对过渡过程的阻碍由图可见，比例度越大，过渡过程越平稳，但余差也大，如曲线6；当比例度
27、减小时，在同样的偏差下，操纵器输出较大，操纵阀开度改变较大，被控变量变化也比较灵敏，开始有些振荡，余差不大，如曲线4、5；比例度再减小，操纵阀开度改变较大，被控变量过分变化，结果就会显现猛烈的振荡，如曲线3；当比例度连续减小到某数值时，系统会显现等幅振荡，如曲线2；当比例度再减小，系统会显现发散振荡，这时专门危险的。工艺生产中通常要求比较平稳但余差又不太大的操纵过程，如曲线4。一样来讲，若对象的滞后较小、时刻常数较大以及放大倍数较小时，操纵器的比例度能够选的小些，以提升系统灵敏度，反之，比例度就要选大些，以保证稳固。三、积分操纵当对操纵质量有更高要求时，就需要在比例操纵的基础上，在加上能排除余
28、差的积分操纵作用。当输入偏差是常数A时，积分操纵有一下变换：即输出为一直线，如下图：当有偏差存在时，输出信号将随时刻增长（或减小）。当偏差为零时，输出才停止变化而稳固在某一值上，因而能够达到无余差。积分操纵输出信号变化速度与偏差e及K1成正比，其操纵作用是随着时刻积存才逐步增强的，因此操纵动作缓慢，会显现操纵不及时，当对象惯性较大时，被控变量会显现大的超调量，过渡时刻也将延长，因此长把积分操纵和比例操纵组合起来，如此操纵既及时又能排除余差，其规律如下：其中TI为积分时刻， 积分时刻TI越短，积分速度KI越大，积分作用越长，反之，积分时刻越长，积分作用越弱，若积分时刻为无穷大，则就没有积分作用，
29、称为纯比例操纵器了。相同比例度下，积分时刻对过渡过程的阻碍如下图所示：TI过大，积分作用不明显，余差排除专门慢（曲线3），TI过小，易于排除余差，但系统振荡家具，曲线2适宜，曲线1振荡过大。当对象滞后专门大时，可能操纵时刻较长、最大偏差也较大；负荷变化过于剧烈时，由于积分动作缓慢，使操纵作用不及时，现在可增加微分作用。四、微分操纵关于惯性较大的对象，常常期望能按照被控变量变化的快慢来操纵。这确实是按偏差变化速度进行操纵，也即微分操纵。其规律如下：式中为微分时刻，为偏差信号变化速度。此式表示理想微分操纵器特性，若在t=t0时输入一个阶跃信号，则在t=t0时操纵器输出将为无穷大，其余时刻输出为零，
30、这种操纵器用在系统中，即使偏差专门小，只要显现变化趋势，赶忙就进行操纵，故有超前操纵之称，但它的输出不能反应偏差的大小，因此不能单独使用这种操纵器，常与比例或比例积分组合成比例微分或三作用操纵器。比例微分操纵规律为：（图513）微分作用按偏差的变化速度进行操纵，其作用比比例作用快，因而对惯性大的对象作用比例微分能够改善操纵质量，减小最大偏差，节约操纵时刻。微分作用力图阻止被控变量的变化，有抑制振荡的成效，但如果加的过大，由于操纵作用过强，反而会引起被控变量大幅度的振荡（图514）。比例积分微分操纵规律为：当有阶跃信号输入时，输出为比例、积分和微分三部分输出之和，如图515所示，这种操纵器既能快
31、速进行操纵，又能排除余差，具有较好的操纵性能。第六章 执行器第一节 概述执行器是自动操纵系统中的一个重要组成部分。它的作用是同意操纵器送来的操纵信号，改变被控介质的流量，从而将被控变量坚持在所要求的数值上或一定的范畴内。执行器按其能源形式可分为气动、电动、液动三大类。气动执行器用压缩空气作为能源，其特点是结构简单、动作可靠、平稳、输出推力较大、修理方便、防火防爆、价格低廉，因此广泛的应用于化工、炼油等生产过程中。它能够方便地与气动外表配套使用。即使是采纳电动外表或运算机操纵时，只要通过电气转换器或电气阀门定位器将电信号转换成0.020.1Mpa的标准气压信号，仍旧可用气动执行器。电动执行器的能源取用方便，信号传递迅速，但由于它结构复杂，防爆性能差，故使用较少。液动执行在化工、炼油等生产过程中差不多上不使用。下面就以气动执行器为主进行介绍。第二节 气动执行器气动执行器由执行机构和操纵机构（阀）两
