控制仪表及装置教案2006
的形成与应用。
控制设备：商品化现场总线控制系统（Fieldbus Computer Systems, FCS）逐步替代DCS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。 系统；计算机集成过程系统（CIPS）
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
1234检测检测56检测眼看脑想手动312变送器控制器56执行器(a)(b) 图 1.4 锅炉水位控制原理
图 1.5 加热炉控制原理
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第一章 概述
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：
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(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。
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第一章 概述
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
能源 传输信号 构成 电控控制仪表 电源220VAC或24VDC 电信号 电子元器件(电阻、电容、运放、集成电路等) 接线 导线、印刷电路板 气动控制仪表 气源(140kPa) 气压信号 起动元件(起租、气容、气动放大器等) 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:
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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。
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