化工自动化及仪表 于不可测扰动及对象,各功能部件内部参数的变化对被控变量造成的影响,系统自身无 法控制。因此控制精度仍然受到原理上的限制。 §15.过程控制系统的性能指标及要求 过程控制系统的过渡过程 静态--被控变量不随时间而变化的平衡状态 在这种状态下,系统的输入(设定值和扰动量)及输出(被控变量)都保 持不变,系统内各组成环节都不改变其原来的状态,其输入、输出信号的变化 率为零。而此时生产仍在进行,物料和能量仍然有进有出。因此静态反映的是 相对平衡状态。 动态-被控变量随时间而变化的不平衡状态 当一个原来处于相对平衡状态的系统受到扰动作用的影响后,其平衡状态 受到破坏,被控变量偏离设定值,此时控制器会改变原来的状态,产生相应的 控制作用,改变操纵变量去克服扰动的影响,力图恢复平衡状态。 过渡过程在设定值发生变化或系统受到扰动作用后,系统将从原来的平衡状态经 历一个过程进入另一个新的平衡状态 一般来说,一个控制系统的好坏在静态时是难以判别的,只有在动态过程中才能充 分反映出来。系统在其进行过程中,会不断受到扰动的频繁作用,系统自身通过控制装 置不断地施加控制作用去克服扰动的影响,使被控变量保持在工艺生产所规定的技术指 标上。因此,我们对系统研究的重点应放在控制系统的动态过程 过渡过程的几种形式 在阶跃信号作用下,被控变量随时间的变化有以下几种形式。如图1.15所示。图中, Y表示被控变量 1.发散振荡过程 如图1.15中曲线①所示,它表明系统受到扰动作用后,被控变量上下波动,且幅度 越来越大,即被控变量偏离设定值越来越远,以致超越工艺允许的范围。 2.非振荡衰减过程 如图1.15中曲线②所示。它表明被控变量受到扰动作用后,产生单调变化,经过 段时间最终能稳定下来。 3.等幅振荡过程 如图1.15中曲线③所示。它表明系统受到扰动作用后,被控变量做上下振幅稳定 的振荡,即被控变量在设定值的某一范围内来回波动 4衰减振荡过程 如图1.15中曲线④所示,它表明系统受到扰动作用后,被控变量上下波动,且波动 幅度逐渐减小,经过一段时间最终能稳定下来
化工自动化及仪表 11 于不可测扰动及对象，各功能部件内部参数的变化对被控变量造成的影响，系统自身无 法控制。因此控制精度仍然受到原理上的限制。 §1.5. 过程控制系统的性能指标及要求 一、 过程控制系统的过渡过程 静态-----被控变量不随时间而变化的平衡状态 在这种状态下，系统的输入（设定值和扰动量）及输出（被控变量）都保 持不变，系统内各组成环节都不改变其原来的状态，其输入、输出信号的变化 率为零。而此时生产仍在进行，物料和能量仍然有进有出。因此静态反映的是 相对平衡状态。 动态-----被控变量随时间而变化的不平衡状态 当一个原来处于相对平衡状态的系统受到扰动作用的影响后，其平衡状态 受到破坏，被控变量偏离设定值，此时控制器会改变原来的状态，产生相应的 控制作用，改变操纵变量去克服扰动的影响，力图恢复平衡状态。 过渡过程-----在设定值发生变化或系统受到扰动作用后，系统将从原来的平衡状态经 历一个过程进入另一个新的平衡状态。 一般来说，一个控制系统的好坏在静态时是难以判别的，只有在动态过程中才能充 分反映出来。系统在其进行过程中，会不断受到扰动的频繁作用，系统自身通过控制装 置不断地施加控制作用去克服扰动的影响，使被控变量保持在工艺生产所规定的技术指 标上。因此，我们对系统研究的重点应放在控制系统的动态过程。 过渡过程的几种形式 在阶跃信号作用下，被控变量随时间的变化有以下几种形式。如图 1.15 所示。图中， Y 表示被控变量。 1.发散振荡过程 如图 1.15 中曲线①所示，它表明系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且幅度 越来越大，即被控变量偏离设定值越来越远，以致超越工艺允许的范围。 2. 非振荡衰减过程 如图 1.15 中曲线②所示。它表明被控变量受到扰动作用后，产生单调变化，经过一 段时间最终能稳定下来。 3.等幅振荡过程 如图 1.15 中曲线③所示。 它表明系统受到扰动作用后，被控变量做上下振幅稳定 的振荡，即被控变量在设定值的某一范围内来回波动。 4.衰减振荡过程 如图 1.15 中曲线④所示，它表明系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且波动 的幅度逐渐减小，经过一段时间最终能稳定下来
化工自动化及仪表 5.非振荡发散过程 如图1.15中曲线⑤所示。它表明系统受到扰动作用后,被控变量单调变化偏离设定 值越来越远,以致超出工艺设计的范围。 图115过渡过程的基本形式 上面五种过程形式中,非振荡衰减过程和衰减振荡过程是稳定过程,能基本满足控 制要求 常见的典型信号 控制系统在其运行的过程中,不断受到各种扰动的影响,这些扰动不仅形式各异 对被控变量的影响也各不相同。为了便于对系统进行分析、研究,通常选择几种具有确 定性的典型信号来代替系统运行过程中受到的大量的无规则随机信号。有:阶跃信号 斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等。其中阶跃信号对被控变量的影响最大 且阶跃扰动最为常见。 r(()A (1.1) r(t) 当A=1时称为单位阶跃信号。 过程控制系统的质量指标 质量指标: 在比较不同控制方案时,应首先规定评价控制系统的优劣程度的性能指标,一般情 况下,主要采用以阶跃响应曲线形式表示的质量指标 控制系统最理想的过渡过程应具有什么形状,没有绝对的标准,主要依据工艺要求 而定,除少数情况不希望过渡过程有振荡外,大多数情况则希望过渡过程是略带振荡的
化工自动化及仪表 12 5. 非振荡发散过程 如图 1.15 中曲线⑤所示。它表明系统受到扰动作用后，被控变量单调变化偏离设定 值越来越远，以致超出工艺设计的范围。 图 1.15 过渡过程的基本形式 上面五种过程形式中，非振荡衰减过程和衰减振荡过程是稳定过程，能基本满足控 制要求。 常见的典型信号 控制系统在其运行的过程中，不断受到各种扰动的影响，这些扰动不仅形式各异， 对被控变量的影响也各不相同。为了便于对系统进行分析、研究，通常选择几种具有确 定性的典型信号来代替系统运行过程中受到的大量的无规则随机信号。有：阶跃信号、 斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等。其中阶跃信号对被控变量的影响最大， 且阶跃扰动最为常见。 （1.1） 当 A=1 时称为单位阶跃信号。 二、 过程控制系统的质量指标 质量指标： 在比较不同控制方案时，应首先规定评价控制系统的优劣程度的性能指标，一般情 况下，主要采用以阶跃响应曲线形式表示的质量指标。 控制系统最理想的过渡过程应具有什么形状，没有绝对的标准，主要依据工艺要求 而定，除少数情况不希望过渡过程有振荡外，大多数情况则希望过渡过程是略带振荡的 y t t y t t y t t y t t y t t ① ② ③ ④ ⑤ r(t）= A 0 t≥0 t<0
化工自动化及仪表 衰减过程。 在阶跃信号作用下常以下面几个特征参数作为质量指标 (1)衰减比 这是表示衰减过程响应曲线衰减程度的指标。数值上等于同方向两个相邻波峰值之 B 显然当n=1为等幅振荡:n<l为发散振荡;n>l为衰减振荡。为保持系统有足够的稳 定程度,工程上常取衰减比为4:1~10:1。 2)峰值时间t 峰值时间是指过渡过程曲线达到第一个峰值所需要的时间。T愈小表明控制系统反 应愈灵敏。这是反映系统快速性的一个动态指标 (3)过渡时间t 过渡时间是指控制系统受到扰动作用后,被控变量从过渡状态恢复到新的平衡状态 所经历的最短时间 (4)最大偏差A 对于一个稳定的定值控制系统来说,最大偏差是指被控变量第一个波峰值与设定值 的差 最大偏差(或超调量)表示了被控变量偏离设定值的程度。A(或σ)愈大,表示偏离 生产规定的状态愈远,特别是对一些有危险限制的情况,如化学反应器的化合物爆炸极 限等,应特别慎重,以确保生产安全进行 新稳态值 (5)余差C 余差是指过渡过程终了时新稳态值与设定值之差。它是反映控制系统控制精度的静 态指标,一般希望它为零或不超过工艺设计的范围
化工自动化及仪表 13 衰减过程。 在阶跃信号作用下常以下面几个特征参数作为质量指标。 ⑴衰减比 这是表示衰减过程响应曲线衰减程度的指标。数值上等于同方向两个相邻波峰值之 比，即： B' B n = 显然当 n=1 为等幅振荡；n<1 为发散振荡；n>1 为衰减振荡。为保持系统有足够的稳 定程度，工程上常取衰减比为 4:1～10:1。 ⑵ 峰值时间 tp 峰值时间是指过渡过程曲线达到第一个峰值所需要的时间。Tp 愈小表明控制系统反 应愈灵敏。这是反映系统快速性的一个动态指标。 (3) 过渡时间 ts 过渡时间是指控制系统受到扰动作用后，被控变量从过渡状态恢复到新的平衡状态 所经历的最短时间。 ⑷最大偏差 A 对于一个稳定的定值控制系统来说，最大偏差是指被控变量第一个波峰值与设定值 的差。 最大偏差（或超调量）表示了被控变量偏离设定值的程度。A(或σ)愈大，表示偏离 生产规定的状态愈远，特别是对一些有危险限制的情况，如化学反应器的化合物爆炸极 限等，应特别慎重，以确保生产安全进行。 ⑸余差 C 余差是指过渡过程终了时新稳态值与设定值之差。它是反映控制系统控制精度的静 态指标，一般希望它为零或不超过工艺设计的范围
化工自动化及仪表 第二章过程参数的检测与仪表 教学要求:掌握检测仪表的基本性能指标(精度等级、变差、灵敏度等 掌握压力的检测方法(液柱测压法、弹性变形法、电测压法) 学会正确选用压力计 掌握应用静压原理测量液位和差压变送器测量液位时的零点迁移 差压式流量计测量原理,常用节流元件,转子流量计结构、测量原理 掌握容积式流量计(腰轮流量计)结构、工作原理、使用场合 掌握应用热电效应测温原理 掌握补偿导线的选用 掌握冷端温度补偿的四种方法:了解热电偶结构,分类 重点:弹性变形法、电测压法 压力计选用 应用差压变送器测量液位的零点迁移问题 补偿导线的选用和冷端温度补偿 难点:确定精度等级,压电式测量原理 应用差压变送器测量液位的零点迁移问题 第三导体定理 电桥补偿法 §2.1概述 、检测过程及误差 1.检测过程 检测过程的实质在于被测参数都要经过能量形式的一次或多次转换,最后得到便于 测量的信号形式,然后与相应的测量单位进行比较,由指针位移或数字形式显示出来 检测误差 误差-测量值和真实值之间的差值 误差产生的原因:选用的仪表精确度有限,实验手段不够完善、环境中存在各种干 扰因素,以及检测技术水平的限制等原因, 根据误差的性质及产生的原因,误差分为三类 (1)系统误差 在同一测量条件下,对同一被测参数进行多次重复测量时,误差的大 小和符号保持不变或按一定规律变化 特点:有一定规律的,一般可通过实验或分析的方法找出其规律和影响因素, 引入相应的校正补偿措施,便可以消除或大大减小 误差产生的原因:系统误差主要是由于检测仪表本身的不完善、检测中使用仪
化工自动化及仪表 14 第二章 过程参数的检测与仪表 教学要求：掌握检测仪表的基本性能指标（精度等级、变差、灵敏度等） 掌握压力的检测方法 （液柱测压法、弹性变形法、电测压法） 学会正确选用压力计 掌握应用静压原理测量液位和差压变送器测量液位时的零点迁移 差压式流量计测量原理，常用节流元件，转子流量计结构、测量原理 掌握容积式流量计（腰轮流量计）结构、工作原理、使用场合 掌握应用热电效应测温原理 掌握补偿导线的选用 掌握冷端温度补偿的四种方法；了解热电偶结构，分类 重 点：弹性变形法、电测压法 压力计选用 应用差压变送器测量液位的零点迁移问题 补偿导线的选用和冷端温度补偿 难 点：确定精度等级，压电式测量原理 应用差压变送器测量液位的零点迁移问题 第三导体定理 电桥补偿法 §2.1 概述 一、检测过程及误差 1． 检测过程 检测过程的实质在于被测参数都要经过能量形式的一次或多次转换，最后得到便于 测量的信号形式，然后与相应的测量单位进行比较，由指针位移或数字形式显示出来。 检测误差 误差-------测量值和真实值之间的差值 误差产生的原因：选用的仪表精确度有限，实验手段不够完善、环境中存在各种干 扰因素，以及检测技术水平的限制等原因， 根据误差的性质及产生的原因，误差分为三类。 （1）系统误差 ------------在同一测量条件下，对同一被测参数进行多次重复测量时，误差的大 小和符号保持不变或按一定规律变化 特点：有一定规律的，一般可通过实验或分析的方法找出其规律和影响因素， 引入相应的校正补偿措施，便可以消除或大大减小。 误差产生的原因：系统误差主要是由于检测仪表本身的不完善、检测中使用仪
化工自动化及仪表 表的方法不正确以及测量者固有的不良习惯等引起的 (2)疏忽误差 明显地歪曲测量结果的误差,又称粗差, 特点:无任何规律可循。 误差产生的原因:引起的原因主要是由于操作者的粗心(如读错、算错数据等)、 不正确操作、实验条件的突变或实验状况尚未达到预想的要求 而匆忙测试等原因所造成的。 (3)随机误差 在相同条件下多次重复测量同一量时,误差的大小、符号均为无规律 变化,又称偶然误差 特点:变化难以预测,无法修正 误差产生的原因:随机误差主要是由于测量过程中某种尚未认识的或无法控制的 各种随机因素(如空气扰动、噪声扰动、电磁场等)所引起的综合结 随机误差在多次测量的总体上服从一定统计规律,可利用概率论和数理统计的方 法来估计其影响 检测仪表的基本技术性能指标 1.精度 检测仪表的精度反映测量值接近真实值的准确程度,一般用一系列误差来衡量。 (1)绝对误差 绝对误差指仪表指示值与被测参数真值之间的差值,即 △x=x-x 实际上通常采用多次测量结果的算术平均值或用精度较高的标准表的指示值作为约 定真值。则绝对误差可用下式表示 (2)引用误差 把绝对误差折合成标尺范围的百分数表示,即 标尺上限值一标尺下原段￥100%~s100 (3)精度等级 按仪表工业规定,去掉最大引用误差的“±”号和“%”号,称为仪表的精度等级, 目前已系列化。只能从下列数系中选取最接近的合适数值作为精度等级,即0.05,0.02, 0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,25,40等。 例1有两台测温仪表,它们的测温范围分别为0~100℃和100~300℃,校验表时得 到它们的最大绝对误差均为2℃,试确定这两台仪表的精度等级。 解这两台仪表的最大引用误差分别为
化工自动化及仪表 15 表的方法不正确以及测量者固有的不良习惯等引起的。 （2）疏忽误差 ------------明显地歪曲测量结果的误差，又称粗差， 特点：无任何规律可循。 误差产生的原因：引起的原因主要是由于操作者的粗心（如读错、算错数据等）、 不正确操作、实验条件的突变或实验状况尚未达到预想的要求 而匆忙测试等原因所造成的。 （3）随机误差 ----------在相同条件下多次重复测量同一量时，误差的大小、符号均为无规律 变化，又称偶然误差。 特点：变化难以预测，无法修正 误差产生的原因：随机误差主要是由于测量过程中某种尚未认识的或无法控制的 各种随机因素（如空气扰动、噪声扰动、电磁场等）所引起的综合结 果。 随机误差在多次测量的总体上服从一定统计规律，可利用概率论和数理统计的方 法来估计其影响。 二、检测仪表的基本技术性能指标 1．精度 检测仪表的精度反映测量值接近真实值的准确程度，一般用一系列误差来衡量。 （1）绝对误差 绝对误差指仪表指示值与被测参数真值之间的差值，即 x = x − xt 实际上通常采用多次测量结果的算术平均值或用精度较高的标准表的指示值作为约 定真值。则绝对误差可用下式表示： x = x − x0 （2）引用误差 把绝对误差折合成标尺范围的百分数表示，即 0 100% 100% = − − = x x x 标尺上限值 标尺下限值 （3）精度等级 按仪表工业规定，去掉最大引用误差的“±”号和“%”号，称为仪表的精度等级， 目前已系列化。只能从下列数系中选取最接近的合适数值作为精度等级，即 0.005，0.02， 0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0 等。 例 1 有两台测温仪表，它们的测温范围分别为 0~100℃和 100~300℃，校验表时得 到它们的最大绝对误差均为 2℃，试确定这两台仪表的精度等级。 解 这两台仪表的最大引用误差分别为