过程控制系统及其应用PPT

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1、过程控制系统及其应用过程控制系统及其应用目录目录 第一章过程控制的基本概念第一章过程控制的基本概念第一节第一节 过程控制的发展概况过程控制的发展概况第二节第二节 过程控制系统的组成过程控制系统的组成 一、被控对象 二、 传感器和变送器 三、 控制器 四、 执行器 五、 控制阀第三节第三节 过程控制的分类过程控制的分类 一、各种分类方法 二、设定值分类第四节第四节 生产对过控制的要求和指标生产对过控制的要求和指标 一、生产对过程控制的要求 二、过程控制系统的品质指标第二章第二章 过程检测仪表过程检测仪表第一节自动化仪表基本品质指标一、仪表测量过程的测量误差及表示 二、检测仪表的基本技术性能指标第

2、二节 温度检测仪表 一、概述 二、热电偶温度计 三、热电阻温度计 四、光辐射测温方法第三节第三节 压力压力(差压差压)检测仪表检测仪表 一、概述 二、弹性式压力测量元件 三、压力（压差）变送器第四节第四节 流量检测仪表流量检测仪表 一、 差压式流量计 二、电磁流量计 三、涡街流量计 四、超声波流量计 五、质量流量计第五节第五节 物位检测仪表物位检测仪表 一、物位仪表种类 二、静压式液位变送器 三、超声波液位计习题第三章第三章 过程通道信号处理及调节仪表过程通道信号处理及调节仪表第一节第一节 温度变送器温度变送器 一、概述 二、放大单元工作原理 三、热电偶温度变送器量程单元 四、变送器的信号调试

3、方法 五、DBW型温度变送器的型号表示 六、DCW型温度变送器第二节第二节 DDZ-型全刻度指示调节器型全刻度指示调节器 一、概述 二、基型调节器的工作原理 三、可编程序数字调节器第四章第四章 执行器执行器第一节第一节 电动执行器电动执行器 一、概述 二、电动执行单元组成及工作原理第二节第二节 气动执行机构气动执行机构 一、控制阀概述 二、控制阀的选择 三、阀门定位器第五章第五章 过程控制对象的动态特性过程控制对象的动态特性第一节第一节 有自平衡对象的动态特性有自平衡对象的动态特性 一、单容对象的动态特性 二、多容对象的动态特性 三、具有纯滞后对象的动态特性 第二节第二节 无自平衡能力对象的动

4、态特性无自平衡能力对象的动态特性 一、单容对象的动态特性 二、双容对象的动态特性第三节第三节 时域法辨识对象的动态特性时域法辨识对象的动态特性 一、阶跃响应曲线的测定 二、由阶跃响应曲线求对象的传递函数第六章第六章 单回路控制系统单回路控制系统第一节第一节 系统组成和设计概述系统组成和设计概述 一、单回路控制系统的组成 二、单回路控制系统的设计概述第二节第二节 控制量和操纵量的选择控制量和操纵量的选择 一、被控量的选择 二、操纵量的选择 三、过程静态特性分析 四、过程动态特性分析第三节第三节 比例、积分、微分控制及控制器的选型比例、积分、微分控制及控制器的选型 一、比例、积分、微分控制 二、控

5、制器的选型 三、控制器的正反作用选择第四节第四节 控制器的参数整定控制器的参数整定 一、过渡过程参数整定法 二、经验法 三、稳定边界法 四、衰减曲线法 五、响应曲线法 六、衰减频率特性法第七章第七章 复杂控制系统复杂控制系统第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 一、串级控制系统的概念 二、串级控制系统的工作特性及特点 三、串级控制系统的应用范围 四、串级控制系统的设计 五、串级控制系统的投运与整定第二节第二节 前馈及复合控制前馈及复合控制 一、前馈及复合控制的基本概念 二、前馈控制系统的几种典型结构形式 三、前馈控制规律的实施 四、前馈控制系统的参数整定 五、前馈控制系统的选用原则第三节第三

6、节 大时延控制原则大时延控制原则 一、概述 二、常规控制方案 三、采样控制方案 四、Smith预估补偿方案第四节第四节 比值控制系统比值控制系统 一、基本概念 二、常见的比值控制方案 三、比值控制系统设计中的几个问题 四、比值控制系统的参数整定第八章第八章 计算机过程控制系统计算机过程控制系统第一节第一节 计算机控制技术概述计算机控制技术概述 一、概述 二、过程计算机控制系统的组成 三、过程计算机控制系统的分类 第二节第二节 过程输入输出通道基本原理过程输入输出通道基本原理 一、AI（Analog Input）通道 二、AI（Analog onput）通道 三、DI（Digital Input

7、）、DO（Digital Output）通道第三节第三节 过程计算机常规控制技术过程计算机常规控制技术第四节第四节 闭环控制系统的仿真算法闭环控制系统的仿真算法 一、A/D单元的离散描述 二、D/A保持器的传递函数 三、离散闭环控制系统数字仿真编程的递推求解法 四、采样周期T的确定需注意的问题第五节第五节 工业控制组态软件工业控制组态软件 一、概述 二、组态软件的系统结构与功能第六节第六节 集散控制系统（集散控制系统（DCS） 一、集散控制系统在工业中的应用 二、集散控制系统的结构与功能 三、集散控制系统发展第七节第七节 现场总线技术现场总线技术 一、现场总线技术及其产生的背景 二、现场总线的

8、工作原理 三、现场总线的技术特点 四、几种典型的现场总线第九章第九章 过程自动化控制系统的应用实例过程自动化控制系统的应用实例第一节第一节 恒压供水控制系统恒压供水控制系统 一、概述 二、恒水压控制装置 三、其他方案第二节第二节 楼宇设备管理和监控系统楼宇设备管理和监控系统 一、概述 二、系统的组成及工作原理 三、系统软件 四、系统的特点第三节 变风量空调系统 一、变风量空调系统概述 二、变风量空调系统的自动控制 参考文献第一章第一章 过程控制的基本概念过程控制的基本概念第一节 过程控制的发展概况第二节 过程控制系统的组成第三节 过程控制的分类第四节 生产对过程控制的要求和指标第一节第一节 过

9、程控制的发展概况过程控制的发展概况 自20世纪50年代以来，由于计算机技术的发展，带来了自动化发展的惊人成就。自动化的发展首先从工业生产领域开始，而工业自动化的发展又与工业生产过程本身的发展有着密切的联系。随着生产从简单到复杂，从局部到全局，从低级到智能的发展，工业生产自动化也经历了一个不断发展的过程。 第一阶段第一阶段 第二阶段第二阶段 第三阶段第三阶段 第一阶段，以经典控制理论为基本方法，即用传递函数进行数学描述，对系统进行分析的基本方法为根轨道法和频率法。在这个阶段，对系统的一般处理方法是将一个复杂过程分解为若干个简单的过程，然而采用单输入、单输出的控制系统。在这个阶段的控制目标主要是保

10、持整个生产的正常平稳和安全，自动化水平处于比较低级的阶段，实现控制的手段主要是单个传感器、控制器和执行器。 第二阶段，由于生产过程向着大型化、连续性方向发展，原有简单控制的模式已不能满足要求。现代控制理论，为新的控制技术提供了理论基础。以状态空间为分析基础，包括以最小二乘法为基础的系统辨识，以极大值原理和动态规划为基础的优化控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最优估计三个部分。因此使分析系统的方法从外部现象深入到揭示系统的内在规律，从局部控制发展到了全局最优控制。而自动控制的工具也产生了直接数字控制（Direct Digital Control ,DDC）和监督计算机控(Supervisory Co

11、mputer Control ,SCC)。第三个阶段最大成就就是大规模集成电路和微处理器的产生，这大大加速了工业计算机的商品化和计算机技术的普及和发展。为了满足工业计算机可靠性和灵活性的需要，作为一种全新的工业控制工具，集散控制系统产生了（Distributed Control Systems, DCS）。它是集计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术于一体的计算机系统。而另一方面，控制理论和其它学科相互渗透，从而形成了以大系统理论和智能控制理论为代表的所谓第三代控制理论。 20世纪80年代以后计算机技术产生了突飞猛进的发展，并以计算机为工具产生了信息技术和网络技术。它在自动化技术领域产生

12、极大的影响和推动作用，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了以网络集成化系统为基础的企业信息控制管理系统。而自动化的实现工具也由DCS系统发展到了现场总线控制系统（Fieldbus Control System FCS）。第二节第二节 过程控制系统的组成过程控制系统的组成 过程控制通常用于各工业部门生产过程的自动化，过程控制系统是指自动控制系统的被控量是温度、流量、压力、液位等这样一些过程变量时的系统。 下面以供热锅炉液位控制系统为例，介绍过程控制系统的组成。 锅炉是整个供热系统中最重要的设备。锅炉在工作时必须将水位保持在一定的高度，水位过低，锅炉有可能烧干而酿成事故，如果水位过高，产生的蒸汽

13、含水量太高，不成为过热蒸汽，造成供热管道积水。因此必须根据锅炉蒸汽负荷的大小调整锅炉的给水量，使水位始终维持在允许的范围内。 锅炉水位控制：人工方法锅炉水位控制：人工方法 锅炉水位控制：自动控制锅炉水位控制：自动控制 锅炉水位控制的人工方法是靠人眼观察玻璃液位计，根据水位的变化，凭经验而去改变供水阀门的开度，使水位保持在规定的位置上(见图1-1 a)。 锅炉水位控制的自动控制，则用仪表作为控制工具来代替人眼和手，使水位保持在规定范围内（见图1-1b）。水位的变化首先由液位变送器测量得到，并转换成规定的信号输入到控制器中，控制器将输入的信号和水位的设定的标准值信号相比较，当二者的偏差超出规定的范

14、围时，它将经运算后发出控制命令，通过执行器改变阀门的开度以增减给水量，从而达到锅炉水位的平衡。这样就实现了水位的自动控制。 从以上例子中可以看出，要实现水位控制需要以下装置：1）测量水位变化的传感器或变送器。2）能将水位测量值和水位设定值进行比较并进 行控制运算的控制器。3）设定水位的定值器（可能包括在控制器内）。4）执行控制命令的执行器。5）调节给水量的调节阀。 这些装置和被控对象锅炉本身组成了一个过程控制系统，见图1-2所示。 扰动扰动d设定值设定值r 偏差值偏差值e u a q 控制量控制量y 控制器控制器执行器执行器控制阀控制阀被控对象被控对象检测元件，变送器检测元件，变送器图1-2

15、过程控制系统原理方框图+-过程控制系统中应该包括以下几个部分：一、被控对象被控对象 二、传感器和变送器、传感器和变送器 三、控制器三、控制器四四、执行器执行器 五、调节阀五、调节阀 一、被控对象被控对象 被控对象是指生产过程被控制的工艺设备或装置。例如上述例子中的锅炉。当被控对象中所需控制的参数仅有一个（例如锅炉的水位控制），则工艺设备与被控对象的特性是一致的。当工艺设备的被控参数二个以上（例如锅炉水位控制实际上决定于给水量，蒸汽流量和压力等参数），则往往会使其特性相互制约，这时应有一套可能是互相关联的控制系统，这样的工艺设备作为被控对象，应对其中不同的过程作不同的分析。二、传感器和变送器、传

16、感器和变送器 按生产工艺要求，被控对象的有关控制参数应通过自动检测以获得可靠的信息。信息的获得依靠传感器或变送器来完成。被控的工艺参数一般为非电量物理量，通过传感器将其变成相对应的电信号。而变送器还会将此信号转换为标准信号。目前的标准电信号主要有二种，一种为型的标准电信号，即0-10mA 直流电流信号，另一种为型的电信号，是4-20mA的直流电流信号或1-5V的直流电压信号。也可转换成1.961049.8104 Pa的标准气压信号。传感器或变送器的输出也就是被控量的测定值z。三、控制器三、控制器 扰动扰动：使被控量发生变化的任何作用称为扰动。内扰内扰：在控制通道内，在控制阀未动情况下，由于通道

17、内质量或能量等因素变化造成的扰动称为内扰。外扰外扰：而其他来自外部的影响统称为外扰。 扰动一经产生，控制器发出控制命令对系统实行控制。工艺要求规定的被控量的参数值称为设定值r。在系统中，传感器或变送器的测量值z反馈到输入端和设定值r比较，从而得到了一个偏差值e，当 r时称为负偏差，T0），则在该回路中就会产生电流。这表明了该回路中存在电动势，这个物理现象称为热电效应或塞贝克效应，相应的电动势称为塞贝克电势，简称为热电势。热电势用符号EAB（T，T0）表示。 组成热电偶的两种不同的导体或半导体称为热电极，放置在被测温度为T的介质中的接点叫做测量端（或工作端、热端）；另一个接点通常置于某个恒定的温

18、度T0（如0），叫做参比端（或自由端、冷端）。 在热电偶回路中，产生的热电势由两部分组成，一部分叫温差电势，一部分叫接触电势。（1）温差电动势 温差电势是同一导体两端因其温度不同而产生的一种热电势。在一根均质金属导体A上存在温度梯度时，处于高温端的电子能量比低温端的电子能量大，所以，从高温端向低温端扩散的电子数比从低温端向高温端扩散的电子数要多得多，当扩散达到相对动态平衡时，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因得到电子而带负电，在高、低温两端之间便形成一个从高温端指向低温端的静电场EF(TT0)，见图23（a）所示。在导体两端产生的电位差称为温差电势。用符号EA（T，T0）表示导体A在其两端

19、温度分别为T和T0时的温差电势。其电势的方向为在导体内部（可视为电源）由低电位端指向高电位端，在符号中括号内的温度T和T0的顺序表明了这种电势方向，即温度T端为+极，温度T0端为极，若改变这一顺序，也要相应改变电势的正负号，即 根据物理学上的推导，温差电势可用下列公式表示： （21）式中 e 电子电荷量； K 波尔兹曼常数； NA（T） 导体A的电子密度，为温度函数。上式（21）表明温差电势的大小只与导体的种类及导体两端温度T和T0有关，与导体的长度和截面大小无关。（2）接触电势 接触电势产生的原因是,金属中都存在自由电子,不同金属中的自由电子密度是不同的，当两种不同金属A和B连接在一起时，两

20、种金属的接触处就会发生电子的扩散。电子的扩散速率与自由电子的密度和金属所处的温度有关。设金属A、B的自由电子密度分别为NA、NB，并且NANB。当A、B金属接触后，由金属A扩散到金属B的电子数要比金属B扩散到金属A的电子数多。这时，金属A因失去电子而带正电，金属B因得到电子而带负电。于是在金属导体A、B之间就产生了电位差，即在其接触处形成一个由A到B的静电场EF，见图23（b）所示。这个静电场将阻止电子扩散的继续进行。当电子的扩散能力与静电场的阻力相平衡时，A、B金属之间所形成的电位差称为接触电势，用符号EAB（T）表示在温度为T时的接触电势，其脚注AB的顺序代表接触电势的方向为由低电位端（B

21、端）指向高电位端（A端），如果改变脚注顺序，接触电势的正负符号也应改变，即 。 根据物理学上电子理论的推导，接触电势可用下式表示 （22） 式中 Eab（T）为导体A、B的接点在温度为T时形成的接触电势； e 电子电荷量； K 波尔兹曼常数； NA（T）、NB（T） 导体A、B在温度为T时的电子密度，为温度函数； 可以看出，接触电势与两金属接触处的温度有关。 综上所述，当两种不同的均质导体A和B首尾相接组成闭合回路，当两接点温度TT0时，闭合回路就会产生环流电流I，闭合回路的总热电势，用符号EAB（T，T0）表示，称作塞贝克电势，见图24所示。设A、B导体的电子密度有NANB,则在回路内将会产

22、生两个接触电势 和两个温差电势 ， 各电势方向见图所示。由于接触电势远远大于温差电势，且 ，回路总热电势方向将与热端接触电势方向相同,即为回路顺时针方向,也是回路的电流方向。热电偶回路的总热电势为 （23）将 写作 ， 写作 则回路总热电势可写作 （24）2、热电偶的应用（1）热电偶分度表 式（24）表明，热电偶回路的热电势大小取决于热电偶两个热电极材料和两端接点温度。因此当热电极材料一定时，热电偶的总热电势就仅是两个接点温度T和T0的函数差，如果能保持热电偶的冷端温度T0恒定，其热电势就只与热电偶测量端的温度T成单值关系。通常热电偶的热电势与温度的关系，都是规定热电偶冷端温度为0时，根据不同

23、热电偶材质种类，按每增加1为一对应点列成表格，为简化表格这里按每增加10为一对应点列成表格，这些表格就称为热电偶的分度表。而不同材料种类的热电偶通常以分度号加以区别。 分度号为E、K型热电偶的分度表(IEC标准分度表)见表23和表24：表表2-3 镍铬镍铬铜镍铜镍(康铜康铜)热电偶分度表（热电偶分度表（分度号：分度号：E） (参比端温度为参比端温度为0)表表2-4 镍铬镍铬镍硅镍硅(镍铬镍铬镍铝镍铝)热电偶分度表（热电偶分度表（分度号：分度号：K） (参比端温度为参比端温度为0) 从分度表中可以看出，当热电偶冷端、热端温度同时为0时，热电偶回路总电势为0mV；当热端不为零时，热电偶回路总电势为

24、 式中eAB（t）即为分度表中对应温度的热电势（mV）。 （2）、热电偶基本定律 在使用热电偶测量温度时，还必须应用热电偶基本定律。 1）均质导体定律 凡是由一种均质导体(或半导体)组成的闭合回路，不论导体(或半导体)的截面和长度如何以及沿长度方向上各处的温度分布如何，都不会产生热电势。 该定律说明了任何热电偶都必须用两种性质不同的热电极构成；热电偶所产生的热电势仅与热电极材料的性质和热电偶两个接点的温度有关。 2）热电温度定律 热电偶AB在接点温度为T1、T3时的热电势EAB(T1、T3)等于热电偶AB在接点温度为T1、T2的热电势的(T1、T2)的热电势EAB(T1、T2)和T2、T3时的

25、热电势EAB(T2，T3)的代数和。见图25所示，即 (25) 中间温度定律为热电偶分度表的应用奠定了理论基础。根据这一定律，对于冷端温度不等于0时的热电势，均可按式(25)计算求得，这样，就可以对热电偶冷端温度进行修正。3）中间导体定律 在热电偶回路中接入第三、第四种均质材料的导体后，只要中间接入的导体两端具有相同的温度，就不会影响热电偶的热电势。用中间导体C接入热电偶AB回路的形式，见图26所示。 假定热电偶的NCNANB，TT0，根据接触电势和温差电势的概念，那么各个电势的方向见图26中所示。由于导体C两端温度相同，则无温差电势存在，则热电偶回路的总热电势为(26) 而CA与CB的接触电

26、势为：(27) 将上式代入式(26)，可得 式(27)与式(23)完全相同，与ECA（T0）和与ECB（T0）无关，可见当中间导体两端温度相同时，对热电偶回路的热电势没有影响。 热电偶的这种性质使我们可以方便地在热电偶中接入补偿导线和所需的测量仪表来测量温度。但是如果图26中导体B、C和C、A接点处温度不同时，回路中总电势会发生变化。所以在使用热电偶测温时，冷端温度应该使之相等。3、热电偶的冷端补偿 一般热电偶很短(几百mm几千mm)，热电偶冷端温度会随环境温度不断变化，为了使热电偶冷端温度保持恒定，可以把热电偶做得很长，使冷端远离工作端，并连同测量仪表一起放到恒温或温度波动较小的仪表控制室。

27、这种方法很不经济，因为从现场到仪表室一般较远，这将要耗费许多贵重的热电极材料。所以，一般是使用一种所谓补偿导线与热电偶冷端相连接，见图27所示，这种补偿导线是两根不同金属丝，它和连接的热电偶具有相同的热电性能，而所选用的材料是廉价金属，用它们来做热电偶的延伸线，这样就可将热电偶的冷端延伸到温度较恒定的仪表室内。这类补偿导线为补偿型补偿导线。另一类非贵金属热电偶，为了接线方便，也用补偿导线，这一类补偿导线称为延伸型补偿导线。常用热电偶补偿导线见表25。使用补偿导线时要注意型号和极性，尤其是补偿导线与热电偶连接的两个接点温度应相等，以免造成误差。 热电偶的热电势大小不仅与热端温度有关，而且还与冷端

28、温度有关，只有冷端温度恒定，热电势才是热端温度的单值函数，才能正确反映热端温度的数值，在实际应用时，热电偶冷端暴露在大气之中，受环境温度波动的影响较大，因此，热电偶冷端温度是变化的，为了消除冷端温度变化对测量精度的影响，可采用冷端温度补偿。表表2-5 热电偶的补偿导线特性热电偶的补偿导线特性 注：(1) X为延伸型补偿导线，其芯线材料与配用热电偶相同； (2) C为补偿型补偿导线，其芯线材料与配用热电偶不同。（1）冷端温度冰浴法 在实验室精密测量中，一般要求热电偶冷端温度保持为0。通常是采用冰点器。冰点器用清洁的水制成冰屑和水相混合盛于冰点器的保温瓶内，并使其达到热平衡而保持恒定的0。将热电偶

29、冷端放在插入冰点器的试管底部，并与少量的清洁水银相触，水银上面应充以少许蒸馏水或变压器油，最好再用石蜡封结，以防止水银蒸汽逸出。这样，所测得的热电势即为热电偶分度表中的温度相对应。但是，此方法在工程环境中极为不便。（2）计算修正法 由上所述，利用补偿导线使热电偶冷端延伸到了温度相对恒定的地方，但只要冷端温度不为0，则必须对指示值进行修正。 根据热电偶的中间温度定律，可知在这种情况下产生的热电势关系式为 (28) 即为热电势的修正值，根据测得的 值便可从相应的热电偶分度表中查得 。此时，只要测出热电偶实际产生的热电势 再加上这个热电势修正值 ，就可得到冷端温度为0的热电势 ，然后再从相应的热电偶

30、分度表中查得被测温度T值。 例1 利用镍铬镍硅热电偶测温，工作时冷端温度t0=30，测得的热电势E(T，T0)=40.096mV，试求被测介质的实际温度。 解：由表24中查出E（30，0）=1.203mV，则 E（T，0）=E（T，30）+E（30，0）=40.066+1.203=41.269 mV 由镍铬镍硅热电偶(K分度)分度表可查得与其对应的实际温度为1000。（3）补偿电桥法 见图28所示，冷端温度补偿电桥是一个不平衡电桥，锰铜电阻器的电阻R1=R2=R3=1，RCu为铜材料制成的补偿电阻器；R为限流电阻器；E(=4V)是桥路的直流电源；电桥(桥臂电阻R1、R2、R3、RCu)与热电偶

31、冷端感受相同的环境温度，通过选择RCu的阻值可使电桥的0时处于平衡状态，即RCu0=1，此时桥路输出Uac=0， 当冷端为0时热电偶回路总热电势为： 当冷端温度升高后热电偶回路总热电势为： 当热电偶热端温度不变，热电偶的总热电势却随冷端温度增大而减小，而当冷端温度升高时，RCu随着增大，Uac也增大。若Uac的增加量等于总热电势的减少量时，则UAB=EAB（T，T0）+Uac的值不变，即可实现UAB的大小不随冷端温度而变化。通常也可将电桥设计在T0=20时处于平衡状态，道理是一样。 采用冷端温度补偿器的补偿法比其他冷端补偿方法方便，其补偿精度也能满足工程测量的要求，它是目前工业上广泛采用的热电

32、偶冷端温度处理方法。4、主要热电偶的特性表26介绍了几种主要热电偶的特性。表表2-6 主要热电偶特性主要热电偶特性三、热电阻温度计 热电阻温度计是以金属导体制成的热电阻作为感温元件的温度计。使用时将其置于被测介质中，由于其电阻值随温度而变化，便可通过测量电阻值的变化反映出被测温度的数值。它属于冷端温度补偿，在200650C中低温测区域中的应用非常广泛。 1、常用热电阻性能 (1)、铂电阻 铂电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，在氧化性介质中，甚至在高温下其物理、化学性质都非常稳定。但是铂电阻在还原性气氛中，特别是在高温下很容易被还原性气体污染，使铂丝变脆，并改变电阻与温度间的关系。因此，在

33、这种情况下，必须用保护管把电阻体与有害的气体隔离开。 在0850范围内，铂的电阻值与温度的关系可用下式表示： 式中 铂在温度为T时的电阻值，； 铂在温度为0时的电阻值，； T 被测温度，； A常数，A=3.908021031； B常数，B=5.8021072。 铂电阻体是用很细的铂丝绕在云母、石英或陶瓷支架上制成的。 按我国统一设计标准，工业用铂电阻的R0值为100.00，其分度号为Pt100。 注：Pt10型热电阻分度表可将Pt100型分度表中电阻值的小数点左移一位而得。表表2-7 铂热电阻分度表分度号：铂热电阻分度表分度号：Pt100 R0=100.00(2)、铜电阻 工业上除了铂电阻应用

34、很广外，铜电阻使用也较普遍。因为铜电阻的电阻与温度的关系几乎是线性的，而且材料容易提纯，价格便宜，所以在一些测量准确度要求不很高且温度较低的场合多使用铜电阻。 铜电阻与温度的关系在50+150范围内是非线性的，可有下式表示为 式中 铜热电阻为T时的电阻值，； 铜热电阻为0时的电阻值，； 被测温度，； A常数，A=4.288991031； B常数，B=2.1331072。 C常数，C=1.2331093。 当然，在较小的温度范围(如0100)内，也可只取前两项，近似地将电阻与温度的关系看成线性的。 我国工业上使用的铜热电阻的分度号为Cu100(R0=100)和Cu50(R0=50)，其分度表分别

35、见表28和29。表表2-9铜热电阻分度表分度号：铜热电阻分度表分度号：Cu100 R0=100 表表2-8铜热电阻分度表分度号：铜热电阻分度表分度号：Cu50 R0=50 2、热电阻的温度测量电路 (1)工作原理 用热电阻作为感温元件测量温度时，被测介质温度的变化转化为电阻的变化，因而对温度的测量也就转化为对电阻的测量。测量热电阻值可使用不平衡电桥作成测温仪表，或使用数字式温度显示仪。这种不平衡电桥见图29所示。 电桥三个桥臂R1、R2、R3都是固定电阻，第四个桥臂为热电阻R。A、C两端接以电源E，用可变电阻RP调节电压使VAC为确定值，且在测量过程中恒定不变。B、D两端接入电流表A，其内阻为

36、RG。通过电流表的电流IG可用以下求得：利用克希荷夫电流定律有：利用克希荷夫电压定律有：由以上六个独立方程解得： 假如被测温度0时为电桥初始状态，且此时电桥处于平衡状态电流表指零，此时 当被测温度升高时，由于热电阻 电阻值的增大，就破坏了电桥的平衡，从而在B、D两端产生不平衡电压，电流表A中即有电流IG通过。被测温度愈高，电桥的不平衡程度愈大。这时电流表的示值也越大。 在上述的电桥中，电阻R1、R2、R3和RG以及电压 维持不变。由上式可知，IG是 的单值函数，因此，电流表A可按温度进行刻度。又由于IG与VAC成正比，所以，在测量过程中应严格维持VAC不变，否则会带来测量误差。（2）热电阻的三

37、线制连接 在实际测温中，电桥与热电阻一般用铜导线连接，铜导线的电阻值随温度而变化，如连接导线较短，可忽略导线阻值的变化，则采用上述二线制连接。如连接导线较长，由于导线电阻的变化量较大，而给测量带来较大的误差时，工业上常采用三线制连接以减少这种影响。三线制连接法见图210所示。将电阻RL分别接入两个相邻的桥臂中，当环境温度变化时，所引起的电阻变化相互补偿而不影响电桥的平衡状态。电桥平衡时有： 当桥臂电桥R1=R3时，即可消除了导线阻值随环境温度变化对测量的影响。 三线制连接对于不平衡电桥，只有在仪表刻度的始点电桥处于平衡状态时才使附加温度误差得到全补偿。但在仪表的其它刻度点，由于电桥处于不平衡状

38、态，连接导线的附加温度误差依然存在。不过由于采用了三线制连接，在仪表规定的使用条件下使用时，其最大附加误差可以控制在仪表允许的精度等级范围内。 至于接电源的第三根导线的电阻变化，它主要影响A、C两端点间的电压，此时可以通过可变电阻RP进行调节。 四、光辐射测温方法四、光辐射测温方法 1、概述 最近20多年来，非接触测温已成为一门迅速发展的工程技术，由于它实现了仪表和被测物体的不直接接触，具有不破坏原有温场的特点，所以被广泛应用于生产、科研、军事、医学等各领域。 非接触测温主要是利用光辐射来测量物体温度。任何物体受热后都将有一部分的热能转变为辐射能，温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。辐射能

39、以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、X光、紫外光、可见光、红外光一直到电磁波。而在温度测量中主要是可见光和红外光，因为此类能量被接收后，多转变为热能，使物体的温度升高，所以一般就称为热辐射。 红外温度计是一种非接触式测温仪表，在检测过程中，仪表的检测传感器与被测对象不接触，因此可以用来对热容量小的对象、热接触困难或不希望扰乱温度分布的对象以及运动体等进行非接触测量，尤其是用来实现快速测温和测量物体表面温度的分布。2、辐射测温的基本原理： 物体受热，激励了原子中带电粒子，使一部分热能以电磁波的形式向空间传播，它不需任何物质作媒介(即在真空条件下也能传播)，将热能传递给对方，这种能量的传

40、播方式称为热辐射 (简称辐射)，传播的能量叫辐射能。物体的辐射能量的大小与波长、温度有关。 经过大量实验和理论研究，绝对黑体的单色辐射强度 与波长 和温度T的关系已由普朗克所确定，称作普朗克定律，即式中 波长 (m)； e自然对数的底； 普朗克第一辐射常数； 普朗克第二辐射常数； 绝对黑体的辐射强度。 按照普朗克定律绘制的在中温和低温下的辐射光谱曲线见图211所示，由图可见2000K以下的曲线最高点所对应的波长已不是可见光而是红外线。 从曲线可以看出，当温度上升时，单色辐射强度也随之增长，增长的程度视波长不同而不同。同时当温度上升时，单色辐射强度 的峰值，向波长较短的方向偏移。单色辐射强度峰值

41、处的波长 和温度之间的关系由维恩位移定律所表述，即如果物体的辐射光谱是连续的，而且它的曲线 和同温度下的绝对黑体的相应曲线相似，即在所有波长下 为定数时，就称该物体为“灰体”。图图2-11 黑体辐射强度与波长及温度之间的黑体辐射强度与波长及温度之间的光谱光谱关系关系 把灰体辐射的能量和同一温度下绝对黑体辐射的能量相比较，就得到物体的另一个特征参数，叫做“相对辐射能力”或物体的“黑度” ， 。 是一个小于1的定数。灰体的单色辐射强度 与波长 和温度T的关系为对于一定的灰体， 为一常数，且 。 由普朗克定律或维恩公式可知，物体在某一波长下的单色辐射强度与温度有单值关系，而且单色辐射强度的增长速度比

42、温度的增长速度快得多。根据这一原理可制成红外线单色辐射温度计，称为红外温度计。红外温度计主要由光学系统、红外探测器和电子测量线路等组成。 红外探测器是接收被测物体红外辐射并能转换成电信号的器件。热敏型的红外探测器使用热敏电阻，它在接收红外辐射后，温度升高，从而引起电阻值的变化。其热敏电阻接成桥路形式并输出信号，当探测器接收辐射后，阻值发生变化，桥路失去平衡，由此产生的交流电信号经放大、相敏检波、放大调节及输出转换后，由表头指示出温度值。 3 红外辐射测温仪应用举例 现在Raytek公司型号为MR1SASF红外辐射测量仪为例进行介绍。该红外辐射测温变送仪外观图（213）所示 （1）红外辐射测温仪

43、工作模式 该红外辐射测温仪具有单色模式和双色模式两种工作方式。 1C（1Coor mode）单色测温模式用于在探测器和被测物体之间没有明显的故障物（无论是液体还是气体）。当被测特殊完全充满测量区域时，可以获得最佳的效果。 2C（2 Coor mode ）双色模式主要由于以下情况； 1）被测物体只是部分可见，例如被其他物体遮挡，或者是透过一个孔才可以看到被测物体。 2）被测物体的体积小于测量范围，且周围环境的温度比被测物体低。 3）探测器和被测物体之间有强烈烟尘、遮挡干扰。 4）目标物体的发射率很低或者是容易变化。 该红外辐射测温变送仪外观图（2-13）所示（2）主要技术参数 1）测温范围:60

44、01400C。 2）最小测量范围：600mm。 3）测量距离与测量点范围S的关系如图214所示，测量的距离与测量点范围比D:S=44:1。 4）安装距离：安装探测器时，要求探测器与物体之间的安装距离大于等于600mm，根据D:S关系，即可得出实际的S值，以此S值为依据来判断被测量物是否填充测量点范围。 5）安装角度：探测器的中心轴线最好与被测物表面保持垂直，以达到最佳效果。不能满足时，按照以下原则处理： 1C模式时：探测器中心轴线偏离物体表面垂直线 030角有效，不允许大于30角，否则测量将不正确。 2C模式时：探测器中心轴线偏离物体表面垂直045角有效，不允许大于45角，否则测量将不正确。

45、（3）测量仪操作面板说明 测温仪操作面板说明如图215所示。测温仪操作面板2-15 测温仪操作面板MODE键为参数调整/显示切换键，当处于参数调整状态时，由递增（）、递减（）键调节参数值。 S/E（Slope/Emissivity）值设定。在2C模式下设置（Slope）是指两种光谱的范围下物体发射率差， 1C模式下设置此参数（Emissivity）是被测物体的发射率。 PKH(Peak Hold）为峰值保持模式，在该模式下，课在设定的时间内（设定时间范围0300s）测得最大的温度值，即在该时间内出现最大的温度之后，测温仪维持在最大温度值显示的变送输出，一直持续到设定的时间范围内出现最大的温度值

46、后，温度仪维持在最大温度值显示与变送输出，一直持续到设定的时间长度Tp结束。 AVG：平均模式。在该模式下，被测温度显示值与变送输出电流值与设定时间内（设定时间范围0300s）的平均值。其控制面板操作流程如216所示。（4）温度变送输出 红外辐射测温变送仪变送输出电流与温度呈线性关系，6001400C时对应输出电流420mA，当所测物体的温度小于600C时，变送输出电流为2.5mA，当所测物体的温度大于1400C时，变送输出的电流为2mA。红外辐射测温变送仪面板操作流程2-16第三节 压力(差压)检测仪表一、概述一、概述 压力或压差是工业与建筑环境设备的过程控制中，反映工况质量状态的重要参数。

47、 压力是指以垂直方向作用于一定面积A上的力f 。工程技术中的“压力”意味着物理中的压强，以p表示，即 压力的国际单位为“帕斯卡”，简称“帕”，符号以Pa表示。即1N（牛顿）力垂直而均匀地作用于1m2面积上的压力。但工程界长期使用许多不同的压力计量单位。如“工程大气压”（at）为1kgf/cm2；“标准大气压”（atm），指在纬度450，温度为00C时的平均大气压力。另有“毫米汞柱”(mmHg)，指标准重力加速度980.665cm/s2,00C时1mm银柱底面上的压力。类似地，“毫米水柱”（mmH20）是在标准重加速度和40C时，1mm高水柱底面上的压力。另外压力单位还有用气象学中 “巴”（ba

48、r）为压力单位。为应用方便，特列表210以利转换查阅。 表表2-10压力单位转换对照表压力单位转换对照表表中：行序压力单位=表内数据列序压力单位 压力的测量常遇到如下三种情况见图217所示：（1）测量某一点压力与大气压力之差，当这点压力高于大气压力时，此差值称为表压，这种压力的读数为零时，该点压力即为大气压力；当该点压力低于大气压时，此差值称为负压或真空度；（2）测定某一点的绝对压力；（3）测量两点间的压力差，这种测量仪表称为差压计。 由于工业上需要测量的压力范围很宽，测量条件和精度要求也各不相同，因此测压仪表的种类极多。有的只适于作就地指示，如弹簧管压力表、各种就地数字压力显示仪等，有的适于

49、测量信号远距离传送。 二、弹性式压力测量元件二、弹性式压力测量元件 弹性式压力测量利用弹性元件受压产生变形来测量压力，构造简单，价格便宜，测压范围宽，被测压力低至几帕，高达数百兆帕都可使用，测量精度也比较高，故在目前就地测压仪表中广泛使用。工业上最常用的弹性测压元件有弹簧管、波纹管及膜片三类。 1 、弹簧管 弹簧管也叫波登管。它是一种弯成圆弧形的空心管子，管子的横截面是椭圆形的。当从固定的一端通入被测压力时，由于椭圆形截面在压力的作用下趋向圆形，使弧形弯管产生挺直的变形，其自由端产生向外的位移。此位移虽然是一个曲线运动，但在位移量不大时，可近似认为是直线运动，且位移大小与压力成正比。 (1)单

50、圈弹簧管压力表 单圈弹簧管压力表常用于测量工业过程中的液体、气体及蒸汽的压力或真空度。弹簧管的材料因被测介质的性质、被测压力的高低而不同。 单圈弹簧管压力表的结构见图213所示。它主要由弹簧管、齿轮传动机构、指针、刻度盘及外壳等几部分组成。弹簧管是一端封闭、横截面具有特定形状、弯成规定外形的金属或非金属管。它的截面多呈扁圆形或椭圆形，椭圆的长轴与垂直于盘面的弹簧管中心轴相平行。弹簧管一端固定且用于通入被测压力，封闭的另一端B为弹簧管的自由端，输出位移。当被测压力P通入固定端后，由于椭圆形（或扁圆形）截面在压力作用下将趋于圆形，自由端（B）端产生向外伸张的变形及位移。只要测出自由端B点的位移量大

51、小，就能得知被测压力的大小。图2-18 弹簧管压力表1弹簧管 2-拉杆 3-扇形齿轮 4中心齿轮5-指针 6-刻度盘 7-游丝 8-调整螺钉 9-接头 （2）电接点信号压力表 在工业生产中，常需要把压力控制在一定范围内,以保证生产正常进行。这就需采用带有报警或控制触点的压力表。将普通弹簧压力表增加一些附加装置，即成为此类压力表，如电接点信号压力表。 压力表上有动触点指针，另有两根可调节的静触点指针，当压力超过上限值时(数值由上限静触点指针给出)，动触点和上限静触点接触。若压力低到下限时(数值由下限静触点指针给出)，动触和下限静触点接触。静点的位置可根据生产需要灵活调节。因此，电接点信号压力表能

52、在压力达到给定上下限范围时，及时发出报警信号，还可通过中间继电器实现压力的自动控制。 2、波纹管 波纹管是将金属薄管折皱成手风琴风箱形状而成的，在引入被测压力P时，其自由端产生伸缩变形。它比弹簧管优越的是能得到较大的直线位移，缺点是压力一位移特性的线性度不如弹簧管好。 3、膜片 膜片一般用金属薄片制成，有时也用橡皮膜。在自动化仪表中广泛使用由膜片组成的膜盒元件来测量差压。如215图中的测量部分，金属膜片位于膜盒的两个测量室内，当被测压P1、P2分别从两侧引入时，膜片根据差压的正负大小，向左或向右移动，膜片通过硬芯连接到机械输出杆上，输出机械位移或力 三、压力（差压）变送器图三、压力（差压）变送

53、器图2-14压力（差压力（差压）变送器外观图压）变送器外观图 压力（差压）变送器外观结构见图219所示。 变送器将各种物理量转换成统一的标准信号，如气动单元组合仪表（简称为QDZ仪表）标准信号为20100kPa;而电动单元组合仪表（简称为DDZ仪表）中，DDZ型仪表标准信号为010mA（DC）；DDZ型仪表标准信号为420mA（DC）。在生产过程中，压力（差压）变送器用来测量各种液体、气体以及蒸汽的压力（差压），并把它转换成统一标准信号输出，与其他单元仪表配套进行自动控制、显示、记录和报警。差压变送器不仅可用于测量流体的压力、差压及液位等参数，而且与节流装置配合还可测量流量。 压力、差压变送器

54、按工作原理的不同，又可分为力平衡式变送器和微位移平衡式变送器。图2-19压力（差压）变送器外观图 （1）力平衡式电动压力（差压）变送器的结构 DDZ型力平衡式电动变送器的结构见图220所示。仪表由两大部份组成，上半部为转换部份，下半部为测量部份。转换部份包括主杠杆、矢量机构、付杠杆、反馈机构、差动变压器、调零装置及放大器。测量部份包括测量室、测量元件、测量杠杆等。 测量机构：它由高压室(P1)、低压室(P2)、膜盒、轴封膜片等部分组成。其作用是把被测差压转换成作用于主杠杆上的力。 杠杆系统：它是差压变送器中的机械传动和力矩平衡部分，包括主、副杠杆、调零和零点迁移机构、平衡锤、静压调整及矢量机构

55、等。它的作用是把测量机构对主杠杆的输入力所产生的力矩转换成检测片的微小位移。 位移检测放大器：它包括差动变送器、低频振荡器、整流滤波及功率放大器等部分。其作用将副杠杆上检测片的微小位移转换成直流信号输出。 电磁反馈机构：它由反馈线圈、永久磁钢等组成。其作用是将变送器输出电流转换成相应的电磁反馈力，作用于副杠杆上，产生反馈力矩，和测量部分的输入力矩相平衡。图2-20 力平衡式电动差压变送器的结构示意图1-低压室 2-高压室 3-测量元件(膜盒、膜片) 4-轴封膜片 5-主杠杆6-过载保护片 7-静压调整螺钉 8-矢量机构 9-零点迁移弹簧 10-平衡锤11-量程调整螺钉 12-检测片(衔铁) 1

56、3-差动变压器 14-副杠杆 15-放大器16-反馈动圈 17-永久磁钢 18-电源 19-负载电阻 20-调零弹簧（2）力平衡式电动压力（差压）变送器工作原理 变送器是根据力平衡原理工作的，这种结构是一个具有深度负反馈的有差系统。其信号转换、传递关系见图216的方框图所示： 被测的压力/差压信号(P=p1p2)经膜盒转换为集中输入力Fi，作用在主杠杆5的下端，并以轴封膜片为支点传至主杠杆之上端力为F1，该力作用在矢量机构8上，矢量机构将力F1分解为F2和F3，F2通过具有十字支点M的副杠杆14传到反馈动圈16为F4。输入到反馈动圈的力F4使反馈动圈产生位移，其方向是使动圈远离永久磁钢17，此

57、位移又经过副杠杆传到检测片12，使检测片产生位移x，其方向是使检测片靠近检测差动变压器，致使放大器输出电流增加。此电流流经动圈，它在永久磁钢回路的气隙中与磁场作用产生电磁力Ff，方向是使动圈靠近永久磁钢，它与输入到反馈动圈的力F4方向相反，成为负反馈力。当Ff趋近于F4时，系统达到一个新的力平衡状态，此时放大器输出电流IO称为变送器的输出电流420mA(DC)，它与被测差压P成正比。 (3)力平衡式电动压力（差压）变送器的电路原理 仪表电气部份的任务是检测微小的位移量并转换成一个统一的420mA(DC)电流信号输出，从而完成仪表的变送任务。它在结构上由位移检测放大器、接线板、指示表、反馈动圈等

58、部份组成。 见图222所示，位移检测放大器，在结构上包括检测变压器和放大器两部分，在电路上由振荡级、整流滤波级、功率放大级和电源负载四部份组成 差动位移检测变压器振荡器整 流滤 波功 率放 大电 源负 载图2-22 位移检测放大器电路框图IO1）、振荡级:它是一个变压器耦合式低频振荡器。振荡频率决定于检测变压器一次线圈的电感L和电容C，其频率值约为4KHZ。上下两个变压器B1、B2组成差动变压器，其一次线圈“同向”串联，二次线圈“反向”串联、作为一个整体组成差动检测变压器。振荡器电路见图218所示。下变压器B2磁芯气隙为固定值=0.76mm，即其磁路磁阻为固定值。检测片与上变压器距离的大小直接

59、影响B1的磁路磁阻。 当检测片位移 时，因差动变压器上、下两部分磁路的磁阻相等，变压比(副边与原边电压之比)相同，故上、下两部分的感应电势大小相等，但相位相反，所以 差动变压器无输出。见图219a。 当检测片位移 时，因差动变压器上半部的磁路磁阻减少，互感M增加，因而感应电势 将比 大， 随着S的减小而增加。由图219b可见，此时 的相位与 相同。 当检测片位移 时，因差动变压器上半部磁路磁阻加大，互感M下降，感应电势 ，且 随着S的增加而增加，由图219c可见，此时 的相位与 相反。 由此可见,上下差动检测变压器的一次绕组与C2电容并联作为振荡管V的集电极负载，而副边绕组接在基极回路中，当检

60、测片距离上变压器S1，则可在Rf7和Rf8电阻上并联一个电阻，见图中的Rf9，此时，负反馈减小，输出Va增加。如果要求后一段直线的斜率小于前一段时，见图中的32，则可在负载电阻Ra上并联一个电阻，见图中的Rf19，此时输出Va减小。并联上去电阻的大小，决定于对新线段斜率的要求，而基准电压的数值和稳压管的击穿电压，则决定了什么时候由一段直线过渡到另一段直线，即决定折线的拐点。 非线性运算电路逐段工作过程：1）第一段直线，即VtVf2，这段直线要求斜率是1。 在此段直线范围内，要求VcVD+Vs1，VcVD+Vs2，VfVD+Vs3，此时，DWf1、DWf2、DWf3均未导通。2）第二段直线，即V

61、f21。 在此段直线范围内，要求VD+Vs1VcVD+Vs2，VfVD+Vs3，此时DWf1处于导通状态，而DWf2、DWf3均未导通，在这种情况下，由于DWf1导通时的动态电阻和基冷电压Vs1的内阻极小，因而此相当于一个电阻Rf9并联在电阻Rf7和Rf8上。3）第三段直线，即Vf3VfVf4，这段直线的斜率要求为3，且3(VD+Vs1)，Vf(VD+Vs3)、Vc(VD+Vs2)，即此时DWf1和DWf3处于导通状态，而DWf2则未导通，在这种情况下，由于DWf3导通时的动态电阻和基准电压Vs3的内阻极小，因而此时相当于一个电阻Rf19产联在等效负载电阻Ra上。 4）第四段直线，即VfVf4

62、，此段直线的斜率要求为4，43。 在此段直线范围内，Df1、Df2和Df3都导通，结果是在Rf9上再并联一个新电阻Rf12。 从上面几种情况的分析可以看出：a、改变和稳压管相串联的电阻阻值就可以改变折线相应直线段的斜率。如果折线中后一段直线的斜率大于前一段，稳压管和相应的电阻应并联在图3-10的电阻Rf7和Rf8上。如果后一段直线的斜率小于前一段，则应并联在负载电阻Ra上。b、改变仪表量程，就可能改变折线的拐点。 通过前面的分析，已经知道非线性运算电路的结构和有关元件的参数，是由热电偶的非线性所决定，而测温范围不同时的热电偶特性都不相同。因此在调整仪表的零点或量程时，必须同时改变非线性运算电路

63、的结构和改变非线性运算电路中有关元件的参数，这样才能保证仪表的精度。四、变送器的信号调试方法四、变送器的信号调试方法图3-11 热电偶温度毫伏变送器调试接线图 按照图3-11接线，将B、点短接片去掉串入直流电流表，接通电源，首先根据仪表的型号规格按表格列出该台仪表的检查点的测量温度，见表3-1。查阅该型号热电偶的温度热电势分度表，列出各检查点温度所对应的输入电势。然后改变输入端电阻箱的值，用电位差计测量各检查点电势。分别加入零点及满量程信号后，反复调节调零电位器使仪表输出为1.000V20mV(或4mA0.08mA)或5.000V20mV(或20mA0.08mA)。当仪表零点及量程调整好后开始

64、测量各检查点的值，实测值与理论值相比差值对于0.5%级表应20mV(或0.08mA)，对于1%级仪表，应40mV(或0.16mA)。满足此项要求仪表即为合格。仪表检查调试时，将B短接，表示接入无补偿电阻。仪表检查调试完毕后，应将B上的短接片拆除。短接B，此时铜补偿电阻接入，温度变送器可以投入运行。若变送器只需电压信号输出,则应将B、点短接片接上,在B号端子即可输出电压信号。表表3-1 检查点测量温度表检查点测量温度表 t(被测温度) t1(测量零点) t1+(t2t1)10% t1+(t2t1)30% T1+(t2t1)50% t1+(t2t1)70% T1+(t2t1)90% t2(最高测量

65、温度) 对 应输入电势 Et1= mVEt1= mVEt2= mVEt3= mVEt5= mVEt6= mVEt7= mV电流输出理论值 4mA5.6mA8.8mA12mA15.2mA18.4mA20mA电压输出理论值 1.000V1.400V2.200V 3.000V 3.800V 4.600V 5.000V 五、五、DBWDBW型温度变送器型号表示型温度变送器型号表示DBWDBW：表示电动单元温度变送器(架装型)第1位数：1、线性分度、2、毫伏分度第2位数：1、热电偶温度变送器、2、热电阻温度变送器第3位数：对热电偶温度变送器分度号 1：E，2：K，3：S，4：B，5：R，6：J，7：T

66、对热电阻温度变送器 1：Cu50，2：Cu100，3：Pt100第4位数：设计序号第5符号：ib：表示本质安全防爆 第1位数 第2位数 第3位数 第4位数 第5符号六、六、DCWDCW型温度变送器型温度变送器1、概述 DCW型温度变送器属于DCM系列模拟式仪表中的一种，它是一种全新系列的温度变送器,具有小型化、插装式、重量轻、外形精巧美观、安装方式灵活、方便等特点。在电路上采用高性能的模块化设计，大量使用表面贴装(SMT)工艺，使整机结构紧凑，精度高、温漂小。它运用电磁隔离技术，将仪表的输入、输出和供电电源三者之间相互隔离，以提高其可靠性；同时，仪表在安装配电状态下，可带电进行表体插拔与更换，

67、极大地提高了系统的可维护性。 本仪表将来自工业控制现场的热电偶的热电势信号、热电阻的阻值变化或者其它传感器测量的毫伏信号转换为与其测量参数或被测物理量成线性关系的420mA（DC）和15V（DC）III型标准信号输出，以供记录仪、数据采集器、模拟调节器、数字调节器或分散型控制系统使用，从而组成各种各样的工业自动化控制或监测系统。 2、仪表工作原理简述 仪表的工作原理框图见图3-12所示。从中可以看出，本仪表主要由两大部分电路构成，它们分别归属于由上下两块印制线路板。其中下板包括DC/DC电源变换电路和信号隔离变送电路，对所有规格的仪表均通用；而上板则是输入小信号的前置放大电路。 对热电偶变送器

68、和直流毫伏变送器而言，它们通用相同的前置放大电路；而热电阻变送器则使用另一种前置放大电路。（1）、框图说明：1) 在热电偶输入时，前置放大电路中才引入冷端温度补偿电阻(Cu50)；2) 对需要进行线性化处理的仪表，才加有线性化电路，否则输入的小信号经前置放大后将直接作为前级输出而送到信号隔离变送电路；3) 仅对防爆型变送器，才在输入小信号进入前置放大电路之前加有熔断器保护式二极管安全栅，对一般型(非防爆型)变送器而言，无此安全栅。 （2）、工作原理说明：1) 对热电偶变送器和直流毫伏变送器：通过前置放大电路，将来自热电偶或热电偶温差或者其它特殊传感器的微小mV信号统一变送为02V的大信号，再将

69、此信号经线性化电路处理后转换成0.21V的前级(上板)输出信号送至信号隔离变送电路(下板)，最后由信号隔离变送电路将其转换成与之隔离的420mA和/或15V的标准信号输出。2) 对热电阻变送器：通过前置放大电路的测试电流，将来自热电阻或热电阻温差信号的电阻阻值变化检测出来，变换成一定幅度的mV信号，再将此信号经放大和线性化电路处理后转换成0.21V的前级(上板)输出信号送至信号隔离变送电路(下板)，最后由信号隔离变送电路将其转换与之隔离的420mA和/或15V的标准信号输出。3) DC/DC电源变换电路的作用是同时向前置放大电路和信号隔离变送电路提供所需的与仪表供电电源相隔离的工作电源。第二节

70、 DDZ-型全刻度指示调节器一、概述一、概述 全刻度指示调节器是DDZ-系列电动单元组合仪表中调节单元类的一个基型品种，它接收变送器或转换器的测量信号作为输入信号并以全刻度值进行指示，将输入信号与给定信号进行比较，对其偏差进行比例、微分、积分运算之后输出420mA（DC）信号，通过执行机构控制压力、温度、流量、液位等工业参数，使其达到预期的效果。全刻度指标调节器见图3-13。图3-13 全刻度指标调节器 全刻度指示调节器在线路与结构设计时，可以附加各种特殊功能单元，例如输入报警、偏差报警、输出限幅以及同时具有两种附加功能的调节器。为了满足复杂调节系统的要求，在基型调节器的基础上，可以方便地构成

71、特种调节器。例如前馈调节器、多通道阀位跟踪调节器、DDC调节器等。 图3-13 全刻度指标调节器 由于采用了高输入阻抗、高增益的运算放大器，所以型调节器具有较高的闭环调节精度。同时调节器设有软手动和硬手动两种操作方式。自动与手动之间的切换为非平衡无扰动切换。二、二、 基型调节器的工作原理基型调节器的工作原理 基型调节器的构成框图见图3-14所示。 从图中可以看出，基型调节器由控制单元和指示单元两大部分组成。控制单元包括输入电路、PD电路、PI电路、输出电路以及软手操和硬手操电路等。指示单元包括测量信号指示电路和给定信号指示电路。 测量信号和内给定信号都是15V的直流电压信号，通过各自的指示电路

72、，由双针指示表来显示。外给定信号为420mA的直流电流信号，通过250的精密电阻转换成15V的直流电压信号。内外给定由开关K6来选择，外给定时仪表面板上的外给定指示灯亮。 调节器有“自动”、“软手操”、“硬手操”、“保持”四种工作状态。当调节器处于自动状态时，输入信号和给定信号在输入电路内进行比较后产生偏差信号，然后对该偏差信号进行PID运算得到相应的电压信号，最后通过输出电路转换成420mA的直流输出电流信号。1、输入电路 输入电路的主要作用一是获得输入信号Vi和给定信号Vs之差的偏差信号；二是对偏差信号实现电平移动。为了消除输入信号与给定信号导线电阻的压降而造成的运算误差，型调节器的输入电

73、路采用偏差差动电平移动电路，其电路图见图3-15所示。由图可见，以地电位为基准的测量信号Vi和给定信号Vs，通过输入电阻R分别加到运算放大器的两个输入端，其输出是以VB=10V为基准的电压信号V01，它一方面作为下一级比例微分电路的输入，另一方面则取出V01/2通过反馈电阻R反馈至IC1的反相输入端。它的输入输出关系推导如下。 设IC1为理想运算放大器，其输入阻抗无穷大，T点与F点同电位，即VT=VF，由运算放大器的基本特性可得得： 得： ，由于 ， 经整理有： 由以上各式可见： (1) 输入电路的输出电压是偏差电压的两倍。 电平移动。 (2) 输入电路将两个以零伏为基准的输入电压，转换成为基

74、准的偏差电压输出，从而实现了以电平2、比例微分电路图3-16为比例微分运算电路原理图。 比例微分电路简称PD电路，它接受以10V电平为基准的由输入电路送来的V01电压信号，通过比例微分运算后输出V02电压信号，送给比例积分电路。图中，CD为微分电容，RD为微分电阻，RP为比例电阻，调整RD和RP可以改变调节器的微分时间和比例度。 比例微分运算电路的形式很多，为了获得较宽的比例度，用较小的RD和CD获得较长的微分时间，并且保证比例度与微分时间的调整互不影响，故在基型调节器中采用了无源比例微分网络与比例运算放大器两部分串联组成的电路形式，电路左边的RC环节对输入信号进行比例微分运算，电路右边的比例

75、运算放大器起比例放大的作用，见图3-17所示。由于该电路采用同相端输入，并假定IC2为理想运算放大器，这样在分析同相端电压VT与输入信号V01的运算关系时，可以不考虑比例运算放大器的影响，单独分析无源比例微分电路，其中1/n为9.1K与1K电阻的分压比。 当输入信号V01为一阶跃作用时，在t=0+，即加入阶跃信号瞬间，由于电容CD上的电压VCD不能突变，输入信号V01全部加到IC2同相端T点，因此T点电压VT一开始就有一跃变，其数值为VT(0+)=V01，接着随电容CD充电过程的进行，CD两端电压VCD从零伏起按指数规律不断上升，VT按指数规律不断下降。当充电时间足够长时，输入电压V01在9.

76、1K上的电压全部都充电到CD内时，充电过程结束，此时 ，并保持该值不变。 比例微分电路的输出信号V02与同相端T点的电压VT为简单的比例放大关系，其比例系数为a，当输入信号V01以阶跃作用加入后，V02的变化曲线形状与VT相同，其数值应为 电路各点电压都以电平VB为基准。考虑到分压器上下两段电阻都比电阻RD小得多，故计算时分压器可以只考虑其分压比，而不计其输出阻抗。这样 式中，是电容的充电电流：将Id（S）表达式代入上式化简得放大器的运算关系为考虑到 ，则设：KD=n (微分增益) TD=nRDCD =KDRDCD(微分时间)，则 所以比例微分电路的传递函数为根据求得比例微分电路的传递函数，当

77、输入V01为阶跃作用时，利用拉氏反变换，可求得上式是当输入V01为阶跃作用时，V02随时间变化的数学表达式。当t=0+时当 时 当 时 可得 根据这个关系式可用实验法求取微分时间TD。PD阶跃响应输出见图318所示。 调节器的比例微分运算电路有两种工作状态： 当开关K置“通”位置时，为上述讨论的比例微分环节。 当开关K置“断”位置时，微分作用切除， ，即 ，所以只具有比例作 用。这时电容通过电阻 接至 电平上，电容 被充电到 ，因而起到了电压跟踪的作用，其目的是为了保证从“断”切换到“通”的瞬时，即接通微分作用时，输出保持不变，对工艺过程不产生扰动。本环节的比例系数a是通过调整电位器RP来实现

78、的，设置Rpo的目的是为了限制a的最大值。因电路参数Rp=10K Rpo=39，所以a的变化范围是1250。 比例微分电路主要参数 微分增益 KD=10 微分时间 TD=(0.0410)分 比例增益 3、比例积分电路调节器的比例积分运算电路见图3-19所示。 比例积分电路接受以10V为基准的、由比例微分电路送来的电压信号V02，经过比例积分运算后输出以10V为基准的15V电压信号送至输出电路。电路是由运算放大器IC3、电阻RI、电容CM、CI等组成的有源比例积分运算电路，K3为积分档切换开关，K1和K2为联动开关，K1和K2完成自动、软手动、硬手动切换。电路除了实现比例积分运算外，手操信号也从

79、本级输入。IC3输出端接电阻和二极管，然后通过射极跟随器输出V03。 因射极跟随器的输出信号和IC3的输出信号相位相同，幅值几乎相等。为了便于分析，可把射极跟随包括在IC3中，这样简化成图3-20所示的电路。 本电路由比例运算和积分运算两部分电路组成。 假设K1处于“自动”位置，当K3切换在“1”档时，此时m=1，可把图3-19简化成见图3-20(a)，由图可知CI与CM组成比例运算电路，即 RI与CM组成积分运算电路，即当 为常数时 当K3切换在“10”档时，图3-19简化成见图3-20(b)所示。同理可得：设，则有式中TI是积分时间，在TI“1”档时， m=1，TI=RICI。 在TI“1

80、0”档时，m=10，TI=10RICI。 下面推导比例积分电路的传递函数。假设IC3的开环增益 为有限值A3，从图3-20(b)所示的电路可得因IC3的开环增益为有限值A3，则有，代入上式经整理后得 一般运算放大器开环放大倍数，所以 ，可略去 不计，则有再设 ，把上式化成一般形式 根据求得的比例积分电路的传递函数，当输入信号为阶跃作用时，利用拉氏反变换可得到的时间函数表达式 由式此可知。为比例积分电路阶跃响应曲线三点值。 因此，可以作出实际的比例积分电路在V02为阶跃作用时输出 的阶跃响应特性，见图3-21所示。同时也可以根据响应曲线 三点值用实验法来测定积分时间TI因此，可以作出实际的比例积

81、分电路在V02为阶跃作用时输出 的阶跃响应特性，见图3-21所示。同时也可以根据响应曲线三 点值用实验法来测定积分时间TI。4、输出电路 图3-22所示为调节器的输出电路。其输入信号是经过PID运算后，以电平为基准的15V.DC的电压信号V03。输出是流经一端接地的负载电阻RL上420mA(.DC)电流。因此，它实际上是一个具有电平移动的电压电流转换器。 为使调节器的输出电流不随负载电阻大小变化，输出电路应具有良好的恒流特性，为此，电路使用集成运算放大器，并以强烈的电流负反馈保证这一点。为了提高调节器的负载能力，在放大器IC4的后面，用晶体管VT1、VT2组成复合管带动负载，这不仅可以减轻放大

82、器的发热、提高放大倍数，增进恒流性能，可以提高电流转换的精度。5、手动操作电路及无平衡、无扰动切换 调节器的手动操作分软手动和硬手动两种操作。所谓软手动操作指的是调节器的输出电流与手动输入电压成积分关系(又称速度式)；所谓硬手动操作指的是调节器的输出电流与手动输入电压成比例关系。在型调节器中，自动与软手动之间的相互切换、硬手动到软手动或自动的切换具有无平衡无扰动特性。 型调节器的手动操作电路是在比例积分电路中附加手动操作电路来实现的，见图3-23所示。图中K1，K2为联动的自动、软手动、硬手动切换开关，K41、K42、K43、K44为软手动操作板键，WH为硬手动操作电位器。（1）、软手动操作

83、将开关K1、K2置“软手动”位置，这时IC3的反相输入端与自动输入信号断开，而通过RM接至+VR或VR，组成一个积分电路；同时K2将CI与RI的公共端接到电平VB，使V02存贮在CI中。板动软手动板键K4即可实现软手动操作。图3-24为软手动操作原理图。图3-23中的射极跟随器包括在图3-24的IC3中。 软手动输入信号为+VR和VR，由K4来切换。当K4扳向VR时，输出电压V03按积分式上升；当K4扳向+VR时，输出电压V03按积分式下降。输出电压V03的上升或下降速度取决于RM与CM的数值，其变化规律为式中为K4接通VR的时间。由此可求得软手动输出电压从15V满量程变化所需的时间为在图3-

84、23中，设RM1=30K，RM2=470K，VR=0.2V，CM=10F，K4扳向四个不同位置时，可进行快慢两种速度上升或下降的软手动操作。快速软手动操作：将K41或K43板向VR时，RM=RM1=30K，输出 信号V03作满量程变化时，即从1V升至5V或从5降至1V所需的时间 慢速软手动操作：将K42或K44扳向VR时，RM=RM1+RM2=500K，输出电压V03作满量程变化时所需时间 软手动操作板键K4有五个位置，即在升、降四个位置之间还有一个“断”位置，只要松开板键K4即处于“断”位置，这时上述电路变成保持电路，输出V03保持在松开K4前一瞬间的数值上。 当调节器的输出需要保持某一数值

85、不变时，或遇紧急情况需要迅速改变调节器的输出时，可切换至硬手动操作。（2）、硬手动操作 将K1，K2置“硬手动”位置，这时IC3的反相输入端通过电阻RH接至电位器WH的滑动触头，把RF并联在CM上。同时K2将CI与RI的公共端接到电平VB上，使V02存贮在CI中。 图3-25为硬手动操作时的原理图。因为硬手动输入信号为VH，RF(30K)与CM(10F)并联后，可忽略CM的影响。由于RH=RF，所以硬手动操作电路实际上是一个比例增益为1的比例电路，即（3）、无平衡、无扰动(冲击)切换及保持特性 所谓无平衡切换，是指在自动、手动切换时，无需事先调平衡，可以随时切换至所需位置 (自动或软手动切向硬

86、手动例外)。所谓无扰动切换是指在切换时调节器的输出不发生变化，对生产过程无扰动。所谓保持特性是指当IC3反相输入端悬空时，V03能长时间地保持不变，则调节器的输出能长时间保持不变。 为了便于分析，设IC3为理想运算放大器。 自动软手动双向切换 自动软手动切换时，当K4尚未扳至VR时，IC3的反相输入端悬空，这时(对VB而言)。由于CM上的电荷无放电回路，所以电容CM上的电压即为输出电压，输出V03能保持不变。所以在自动切向软手动时，对调节器的输出无影响。当需要软手动时，将K4扳至所需的位置，可使V03线性上升或下降。 软手动自动切换，当调节器处于软手动时，从图3-24可见，电容CI两端电压恒等

87、于信号电压V02，当由软手动切至自动时，因VF是零伏，电容CI与F点相连的一端也是零伏，故在接通瞬间，电容没有充放电现象，所以输出V03亦不变。但当切至自动后，调节器的输出按输入信号的变化而变化是正常的调节作用。 上述两种切换称为双向无平衡无扰动切换。 同理，硬手动软手动、硬手动自动的切换，也是无平衡无扰动切换。 但是，从自动硬手动、软手动硬手动切换时，要做到无扰动切换，必须事先平衡。需要预先将硬手动操作杆对准自动或软手动输出值，这样才能得到无扰动切换。6、整机的PID传递函数 前面分析了基型调节器的输入电路、PD运算电路和PI运算电路，这三个环节决定了调节器的传递函数。调节器的输入电压信号为

88、15V，通过PID运算后，输出电压信号亦为15V。 上述三个环节的传递函数分别表示如下： 输入电路的传递函数 比例微分(PD)电路的传递函数 比例积分(PI)电路的传递函数 因输入电路、比例微分运算电路和比例积分运算电路是串联形式，所以调节器的传递函数方框图见图3-27所示。图3-26 调节器的传递函数方框图于是调节器的传递函数设 ,并考虑到上式中的分母中 可略去则得：式中 ，为干扰系数 ，为比例增益 ，为微分时间，为积分时间 ，为微分增益 ，为积分增益 若 和 都比较大，可暂不考虑分母中的这两项。这样调节器的传递函数可近似为这就是典型的PID调节器的传递函数。这里干扰系数为大于1的常数，它反

89、映了用、串联运算获得PID调节规律时在整定参数上相互干扰的情况。 三、可编程序数字调节器三、可编程序数字调节器 可编程序调节器是一种新型的数字式控制仪表。它的主要产品有：YS-80系列的SLPC调节器、DK系列的KMM调节器、FC系列的PMK调节器和系列的87MA-E调节器等。由于上述产品均控制一个回路，所以习惯上称之为单回路数字调节器。一）单回路调节器的特点一）单回路调节器的特点单回路调节器只有一个输出信号,只能对一个被控量.进行调节,但并不是它仅有一个PID模块,为了满足串级控制的需要,每个调节器都有两个PID模块在进行串级控制时，只需要一个单回路调节器就可以了此外，这种调节器有丰富的运算

90、功能由于单回路调节器功能多，除了被控量以外，还可以接多种信号，除了模拟信号外，还可接受各种开关量信号，以完成逻辑控制或程序控制。被控量的输出信号只有1个，但它还有模拟量远程传送，开关量输出、报警，状态信号远程传送等多个电压输出通道。能和模拟仪表兼容，其电源、信号规格、正面板布置，操作方法以及表盘开孔尺寸等都和常规模拟调节器一致。单回路调节器内部虽然有CPU, ROM, RAM等集成元件，但其编程比一般计算机容易掌握，编程方法简单，如一般采用POL(表格)语言，有利于推广使用。单回路调节器不仅能独立工作，还能与上位机组成系统，带有数字通信功能，必要时上位机也可对某个单回路调节器施加干预，通信是串

91、行双向的，内容既有控制符，也有数据。在调节器内的软件有多种故障自诊断功能，工作中遇到不正常现象会发出故障信号。二）单回路可编程调节器的基本电路二）单回路可编程调节器的基本电路 以下以西安仪表厂引进日本横河公司的SPLC型调节器为例，介绍其基本电路，电路框图见图327。1. SPLC的主要集成器件 图3-29中CPU采用8085AHC型集成电路，内部时钟频率为10MHz。ROM为两片27256型EPROM，容量32KB，用于存放管理程序和各种运算子程序模块。图图3-27 电路框图电路框图 用户程序由一片2716型EPROM存放，RAM则由两片PD4464C，共8KB。D/A转换器用PC648D高

92、速12位数模转换器，它和CPU配合，实现反馈编码，以实现12位逐位逼近模数转换。2、输入、输出通道 SPLC调节器共有5个模拟量输入通道，是负端共用的不隔离输入。模拟量输出有3路，其中两路为15V，一路为4-20mA。内部还有供给指示表头的两路模拟输出，一路为设定值SP，另一路为测定值PV。 调节器的开关量输入和输出各有3个通道，还有一个故障输出电接点，它受CPU控制。但CPU也有可能发生故障，因此它另有一个控制源，即“看门狗”WDT。 在5路模拟量输入中有一路X1在经过RC滤波后分为两路，一路进入CPU为正常工作信号。而另一路在CPU故障时，可以直接连到表头得PV指示端子。这个端子有一个切换

93、开关，正常工作时，表头接受由CPU和D/A转换来的信号。 如CPU故障诊断或WDT发出故障信号FAIL，表头就直接接受X1信号。同时一旦出现FAIL信号，模拟输出Y1立刻被切换成保持状态，维持原有的输出，等待运行人员软手动。3、SPLC调节器的工作周期 SPLC调节器的工作周期是200ms，内部定时器每10ms向CPU发出一次中断申请，并开始定周期运行，CPU累计中断的次数，每20次便开始下一个周期。每周期开始，首先判断是否处于编程状态；若是，则转入编程处理程序；否则，进入自诊断状态，依次检查，无故障后，开始读取开关量存储器里的数据，也就是读取当时调节器所处的工作状态(自动、手动或是串级)，检

94、查输出电路是否断开，停电保护，备用电池的电压等。 在第一个10ms内进行完上述检查后，在第二个和第三个连续两个10ms内各进行一次对模拟输入通道的A/D转换工作并读取结果。 3 3 单回路可编程调节器的存储器单回路可编程调节器的存储器 SPLC与编程有关的存储器很多，主要可分为2类，一类是基本存储器，另一类是功能扩展存储器。（1） 基本存储器 按照分配给它们的功能各自有专用代号，代号的前一个文字表明其功能，后一个文字N代表有同样功能的个数。1）模拟输入存储器XN (N=15) 这5个存储器X1X5对应5个模拟输入通道的信号，这些信号的原值是直流15V，经转换成标准内部数据0.0001.000之

95、后，存入存储器内。2）数字量输入存储器DIN(N=13) 这3个存储器对应3个开关量输入通道。3） 存储器PN(N=116) P1P16是二进制十六位存储器，供使用者存入调节运算参数(如一阶滞后时间，纯滞后时间，前馈增益等)用。4）模拟量输出存储器YN(N=16) 这6个存储器中的三个Y1Y3对应3个模拟输出信号，每次运算结束便将结果存入其中，其形式也是内部标准数据0.0001.000，再经过转换，即为直流15V或420mA。Y4Y6是与上位机通信时用的。5）数字量输出存储器D0N(N=18) D01D03与三个开关量输出对应，D04D08供调节器内部使用。6）常数存储器KN(N=116) 由

96、编程器的键盘输入的各种常数存入EPROM中。7）暂存存储器TN(N=14) 在RAM中有4个存储器，用于存放运算中间值。8）运算存储器SN(N=15) SPLC的所有运算全部是以S存储器为中心完成的。2. 功能扩展存储器 除了进行运算以外，调节器的供求还要进一步扩展才能满足实际需要。如进行工作方式的无扰动切换，报警输出，补偿，组成复杂调节系统等。SPLC调节器是通过A存储器及FL存储器实现扩展的。A存储器用于高级运算，它有16个存储器分别对应16种功能。FL存储器有15个，分别对应15种功能。习题习题: :1、DDZ-型温度变送器由哪几部分组成，各部分的作用是什么？2、试说明型温度变送器是如何

97、进行零点迁移的。3、试说明型温度变送器是如何使被测温度与输出信号之间呈线性关系的。4、试说明型温度变送器的信号调试方法。5、试述DDZIII型基型全刻度指示仪表调节器的组成各开关的工作作用。6、型调节器的输入电路为什么采用差动输入和电平移动方式？7、在调节器的比例微分电路中，如何保证开关K从“断”位置的比例作用切至“通” 位置的比例微分作用时输出信号保持不变。8、试说明DDZIII型基型全刻度指示仪表调节器硬手操与软手操的含义。什么叫无平衡、无扰动切换？ 9、基型调节器如何实现“自动”“软手动”，“软手动”（或硬手动）“自动”无平衡、无扰动切换的。10、调节器的“保持”特性是什么意思？影响“保

98、持”特性的因素有那些？11、推导基型调节器的传递函数，调节器的干扰系数F表示什么含义。12、调节器的比例、积分、微分调节规律各有什么特点？当调节器输入的偏差信号为阶跃变化量时，试画出PI、PD、PID三种调节规律的输出曲线。第四章第四章 执行器执行器 执行器由执行机构和调节机构(控制阀)两部分组成。在过程控制系统中，它接受调节器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位移，来改变控制阀的流通截面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。 根据使用动力源的不同，执行器可分为三大类：以压缩空气为动力源的气动执行器(即气动控制阀)；以电为动力源的电动执行器(即电动控制阀)；

99、以高压液体为动力源的液动执行器(即液动控制阀)。在过程控制中，气动执行器应用最多，其次是电动执行器。气动执行器的输入为20100KPa气压信号；电动执行器的输入信号为420mA （DC）(DDZIII型)。 上述三种执行器除执行机构不同外，所用的调节机构(控制阀)都相同。所以以下介绍的气动控制阀的特性及其选用方法均适用于其他类型。第一节 电动执行器一、概述一、概述 电动执行单元接受来自调节单元、Q型固定式操作器或计算机控制输出的直流电流信号,并将其转换成相应的角位移或直行程位移,操纵调节机构,以实现自动调节。 电动执行单元还可以通过电动操作器实现调节系统的自动与手动操作的相互切换。当操作器的切

100、换开关切向“手动”位置时，由正、反操作按钮直接控制电动执行单元的伺服交流电机电源，以实现执行器输出轴的正转和反转，即可进行手动操作。 执行器有角行程和直行程两种，这两种都是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，两者电气原理完全相同，只是减速器装置不一样。 角行程电动执行器由伺服放大器和执行器两大部分组成，见图4-1所示。它把420mA的直流电流信号线性地转换成输出轴090的机械转角去驱动调节机构。图4-1 电动执行器方框图 伺服放大器将输入信号Ii和位置反馈信号If相比较，得到偏差信号，此偏差信号经功率放大后，驱使二相伺服电动机转动，再经减速器减速，带动输出轴改变转角，输出轴不同转角位置经位置发

101、送器转换成相应的反馈电流，反馈到伺服放大器的输入端。当反馈信号和输入信号相等时，两相伺服电动机停止转动，输出轴就稳定在与输入信号相对应的位置上。输出轴转角和输入信号Ii的关系为：式中 K比例系数； Ii输入电流； 输出轴转角。 由式可知，输出轴转角和输入信号成正比，所以电动执行机构可看成为比例环节，其输入和输出关系见图4-2所示。 电动执行器外观图如图43所示，其中图43a为电子式伺服大器，图43b为D型电动操作器，图43c为电动执行机构。伺服放大镜其与电动操作器放置于控制室内，电动执行机构安装固定在管道阀门处，其输出轴的转动部分用机械连杆与安装在管道上的阀体相连接来调节阀芯的来回运动。伺服放

102、大器接受420mA控制指令信号和执行机构的阀芯位置反馈信号，输出AC 220V驱动执行机构伺服电动机正转、反转或停止，实现连续调节阀位的开度。D型电动操作器具有反馈信号大小。电动操作器面板上有“手动”与“自动”开关，当扳到“自动”状态的位置，阀位处于闭环自动控制状态，此种状态位置时，阀位位置可通过手动的方式调节操作器面板上的上、下键来进行。电动操作器“自动”与“手动”阀位控制状态具有双向无扰动切换功能。图4-3 电动执行器外观图二、电动执行单元组成及工作原理二、电动执行单元组成及工作原理1、电动执行单元的组成 电动执行单元由伺服放大器和执行器两大部分组成。伺服放大器主要由前置放大器、触发器和可

103、控硅交流开关等构成，执行器由两相伺服电机、减速器、阀体和位置发送器组成，电动执行单元电器方框图见图44所示。伺服放大器的作用是将信号综合、比较和放大，以控制伺服电动机的正、反运转。图4-4 电动执行单元电器方框图2前置放大器与触发器 为满足复杂的调节系统的要求，伺服放大器有三个输入信号通道和一个位置反馈通道。因此，它可以同时输入三个信号和一个位置反馈信号。对于简单调节系统，只用其中一个输入通道和位置反馈通道。 前置放大器接受位置输入信号和位置反馈信号并进行比较，比较后的信号通过磁隔离后进行放大，向触发器输入电压信号。的电压极性能反映输入电流与反馈电流之差的极性，同时电压信号的极性决定触发电路的

104、工作状态。 触发电路见图4-5所示。触发器的作用是把前置磁放大器的直流输出电压变成脉冲输出，使控制电路中的可控硅导通，以接通伺服电机的电源。为了使伺服电机能实现正、反运转，这里设置了两组触发器。当前置磁放大器的直流输出电压为某种极性时，其中的一组触发器工作，与之相应的伺服电机控制电路中的可控硅导通，电机按某一方向旋转；反之，当前置磁放大器的直流输出电压改变极性时，将使另外一组触发器工作，于是，与该组触发器相应的可控硅导通，电机朝相反的方向旋转。 图4-5 触发电路 触发器用单结晶体管组成的振荡器，由上、下对称的两部分组成。图中R17、C5、VT3、脉冲变压器T1组成上部张驰振荡器，该振荡周期由

105、下式决定： 式中 单结晶体管的分压比前置磁放大器输出的电压信号加在A、B两端，触发器的输出脉冲由上变压器T1、和下变压器T2的二次绕组送至可控硅。 当磁放大器的输出为零时，由于偏流电阻R15、R16的作用，使VT1、VT2均处于饱和导通状态，电容C5、C6被其短路，单结晶体管VT3、VT4截止，因此无脉冲输出。 当前置放大器来的电压信号为A端负，B端正时，VT2仍处于饱和导通状态，而VT1由导通转为截止，电流从电源正极经R17向C5充电，当C5两端电压上升到单结晶体管的峰点电压时，VT3导通，于是C5向脉冲变压器T1的一次绕组线圈放电，待C5两端电压降低到谷点电压时VT3截止，电容C5又开始被

106、充电。 上述过程反复进行，在变压器T1的二次绕组便可输出连续的脉冲信号。反之，若前置放大器输出信号为A端正，B端负时，T2变压器二次绕组便可输出连续的脉冲信号。 为保证触发脉冲能使可控硅导通，对触发脉冲的频率有一定要求。频率太高，脉冲宽度过窄，难以保证可控硅在这样短暂的时间内导通；频率太低，即脉冲控制角增大，会使电源电压过零时，可控硅开启时刻延后，即可控硅关断时间加长，降低了电机的转速。触发脉冲的频率由式(4-1)中的R17C5乘积决定。3晶闸管交流开关与两相伺服电机执行器 两相伺服电机是由一个用冲槽硅钢片叠成的定子和鼠笼转子组成。定子上均匀分布着两个相隔90电角度的定子绕组(匝数和线径相同)

107、，由于分相电容CD的作用，这两个绕组中的电流相位总是相差90，其合成向量产生定子旋转磁场，定子旋转磁场在转子内产生感应电流并构成转子磁场，两个磁场相互作用，从而使转子旋转。转子旋转的方向取决于分相电容CD串接在哪一个定子绕组中。图4-6 可控硅交流开关与两相伺服电机执行器 晶闸管交流开关用来接通伺服电机的交流电源，它由一只晶闸管及四个二极管组成。由两组完全相同的开关电路，分别控制电机的正、反转。其具体电路见图4-6。 触发器的两只脉冲输出变压器T1、T2的二次绕组绕组分别接到两只可控硅VT1和VT2的控制极和阴极之间。晶闸管连接在二极管桥式整流器的直流端，其阳极和阴极之间承受的是全波整流电压。

108、 当T1有正脉冲输出时，可控硅SCR1被触发导通。电源电压在正半周时(极性见图左+、右所示)，此时电流的流向为 相反，电源电压在负半周时极性见图(+)、()所示；电流的流向为由此可见，只要有正脉冲输入使SCR1导通时，不论电源电压极性如何，二相伺服电机定子绕组W2中的电流都经过电容CD，因此其相位都比绕组W1中的电流超前90，驱使电极按一定的方向旋转。同理，当晶闸管SCR2导通时，W1中的电流相位比W2中电流超前90，故驱使电机向相反方向旋转。图中，VD13，R21；VD14、R22为防止反向脉冲电压加到晶闸管的控制极，保护晶闸管。C7、R23和C8、R24是过压保护元件。因为可控硅管的负载是

109、电感线圈，它在电路开闭瞬间，会产生过电压，并联电容以后因电容两端电压不能突变，故起一定缓冲作用。但在电容放电时，会产生相当大的放电电流，所以必须再串联电阻R23、R24以限制放电电流和放电时间，达到保护可控硅的目的。FU、L1、L2均为过流保护元件。 执行器由伺服电机，减速器和位置发送器三部分组成。它接受晶闸管交流开关或电动操作器的信号，使两相伺服电机按正、反方向运转。通过减速器减速后，变成输出力矩去带动阀门。与此同时，位置发送器又根据阀门的位置，发出相应数值的直流电流信号反馈到前置磁放大器的输入端，与来自调节器的输出电流相平衡。第二节第二节 气动执行机构气动执行机构一、控制阀概述一、控制阀概

110、述图4-7所示，气动执行机构由膜片、推杆和平衡弹簧等部分组成，是执行器的推动装置，推动调节机构动作。它接受气动调节器或电-气阀门定位器输出的气压信号，经膜片转换成推力，克服弹簧力后，使推杆产生位移，同时可带动阀芯动作。图4-7 气动执行器1、上盖； 2、膜片；3、平衡弹簧；4阀杆；5阀体；6阀座；7阀芯 气动执行机构有正作用和反作用两种形式。当输入气压信号增加时推杆向下移动的叫正作用式执行机构；当输入气压信号增加时推杆向上移动的叫反作用式执行机构。在工业生产中口径较大的控制阀通常采用正作用的执行机构。 气动执行机构有薄膜式和活塞式等。在工程上气动薄膜式应用最广。当调节器或电气阀门定位器输出的气

111、压信号p输入薄膜室后，信号压力在有效面积为A的薄膜上产生推力，使推杆部件移动并压缩弹簧，直至弹簧的反作用力与信号压力在薄膜上产生的推力平衡为止。气动薄膜执行机构在不计膜片的弹性刚度及摩擦力的情况下，气动薄膜执行机构在平衡状态时信号压力与阀杆位移的力平衡关系可得式中：p通入气压室的信号压力； A膜片的有效面积； K弹簧的弹性系数； L执行机构推杆位移。 可见，执行机构推杆位移L和输入气压信号成比例。信号压力越大，推力越大，推杆的位移即弹簧压缩量也就越大。推杆的位移范围就是执行机构的行程。推杆从零走到全行程，阀门就从全开（或全关）到全关（或全开）。 控制阀直接与介质接触，其结构、材料和性能将直接影

112、响过程控制系统的安全性、可靠性和系统的控制质量。根据流体力学的观点，控制阀是一个局部阻力可变的节流元件。通过改变阀芯的行程而改变控制阀的阻力系数，以达到控制流量的目的。 根据不同的使用要求，控制阀有直通双座控制阀、直通单座控制阀、蝶阀、三通阀、高压阀、角形阀、隔膜阀等多种结构形式，见图4-7。这些阀可与气动执行机构配合构成气动执行器，也可与电动执行机构配合构成电动执行器。 图4-7 控制阀结构示意图另外，气动控制阀还需配备一定的辅助装置。常用的有阀门定位器和手轮机构。阀门定位器利用反馈原理来改善控制阀的性能，使控制阀能按控制器的控制信号实现准确的定位。手轮机构在控制系统因停电、停气、控制器无输

113、出或执行机构损坏而失灵时，可手动用来直接操作阀的开闭，以保证生产的正常进行。二、控制阀的选择二、控制阀的选择控制阀是组成过程控制系统的一个重要环节，其特性的好坏对控制质量的影响很大。在生产过程中，被控介质的特性千差万别，流体的流动状态也各不相同。控制阀的选择，主要是流量特性、流通能力以及气开、气关形式和结构的选择。选择时要根据流体性质、工艺条件和控制要求，参考各种控制阀的特点，选择合适的结构形式。具体应注意以下几个问题。1 控制阀结构与特性的选择 控制阀的结构形式主要根据工艺条件进行选择，如考虑介质的物理和化学性质，以及温度压力等条件。控制阀的结构形式确定后，还需要确定其流量特性。控制阀流量特

114、性的选择一般分两步进行。首先按照过程控制系统的要求，确定工作流量特性；再根据流量特性曲线的畸变程度以及工艺要求和工艺配管情况，确定理想流量特性。2 控制阀作用方式的选择 有压力信号时阀关，无压力信号时阀开为气关式执行器；反之，则为气开式。同时由于执行机构有正、反两种作用方式，控制阀也有正装和反装两种方式，所以组合后气动执行器的气开、气关有四种方式，如表4-1及图4-9所示。气开、气关的选择主要是考虑在不同生产工艺条件下安全生产的要求。考虑的原则是：信号压力中断时，应保证设备和工作人员的安全。如阀门处于打开位置时危害性小，则选择气关式；反之，选择气开式。例如，锅炉供水控制阀一般采用气关式，可保证

115、事故状态下控制阀处于全开位置，使锅炉不致因缺水而烧干；而加热炉的燃料气或燃料油应采用气开式控制阀，当信号中断时应切断进炉燃料，以免炉温过高而造成事故。图4-9 执行器组合方式表表4-1 4-1 执行器组合方式表执行器组合方式表序号 执行机构 阀体气动控制阀 A正正(正)气关 B正正(反)气开C反正(反)气开D反反(正)气关 3 控制阀口径的选择 控制阀口径的选择是一个十分重要的环节，因为它的选择直接影响控制效果。口径选择得过小，会使流经控制阀的介质达不到所需要的最大流量，使控制效果变差，或者使阀的流量特性产生畸变；口径选择得过大，会使控制阀经常处于小开度工作状态，控制性能变差，同时也造成浪费。

116、 流量系数 是选择控制阀口径的主要依据。 是表示控制阀流通能力的一个变量。它指的是温度为0-40的水，在105Pa压降下，一小时内流过控制阀的立方米数。一个控制阀的流量系数在不同的开度是不同的，当阀的开度从全关到全开时，其流量系数逐渐增大。控制阀铭牌框上提供的 值是阀全开时的流量系数，即是该阀的最大流量系数。 对于不可压缩的流体，且阀前后压差不太大时，其流量系数 的计算公式为式中 液体密度； 阀的入口取压点测得的绝对压力； 阀的出口取压点测得的绝对压力； 液体的体积流量 因此，控制阀口径的选择实质上就是根据特定的工艺条件(即给定的介质流量、阀前后的压差以及介质的物性变量等)进行的计算，然后根据

117、控制阀生产厂家的产品目录，选择相应的控制阀口径，在满足工艺要求的基础上，留有一定的余量。 另外，的计算与介质的特性、流动的状态等因素有关，具体计算时请参考有关计算手册或应用相应的计算软件。 三、阀门定位器三、阀门定位器 阀门定位器是气动执行器的主要附件，在气动执行器的安装部位（见图4-7），其内部构造见图4-10。在气动执行器中，由于各种影响因素的存在，会使执行机构与输入信号之间的定位关系发生变化，使执行机构产生回环特性，因此为了提高控制阀的控制精度，都加装阀门定位器与气动执行器配套使用,组成机械式闭环回路，利用负反馈原理来改善控制阀的定位精度和提高灵敏度，从而使控制阀能按调节器的控制信号实现

118、准确定位。 图4-10阀门定位器内部结构图 阀门定位器有气动和电动两种，电动式阀门定位器将电动调节器或手动操作器输出的4-20mA（DC）信号转换成20-100KPa气压信号去操作气动执行器。它同时具有电-气转换器和阀门定位器的作用。电-气阀门定位器是按力矩平衡原理工作的。 阀门定位器主要功能是： 1 改善阀的静态特性，实现准确定位。使用阀门定位器可以有效地克服阀杆的摩擦和消除控制阀不平衡能力的影响，保证阀门位置按控制器输出信号正确定位。 2 改善控制阀的动态特性及流量特性，利用阀门定位器，可以有效地克服气压信号的传递滞后，改变原来控制阀的滞后特性，使之成为比例特性。3 实现分程控制，当用一个

119、控制器的输出信号分段分别控制两只气动执行器工作时，可用两个阀门定位器，使它们分别在信号的某一区段完成全行程动作，从而实现分程控制。习题习题: :1、执行器有哪几种？各有何特点？它们在过程控制系统中起什么作用？2、试述电动执行机构的组成及其工作原理？3、在电动执行器的可控硅触发电路中，说明输入电压信号VAB与上、下两组单结管触发电路的关系，试证明上组张弛震荡器的振荡周期为。4、电动执行器的可控硅交流开关是如何控制两相司服电机正反转的。5、什么叫气开式调节阀和气关式调节阀？选用的原则是什么？试述阀门定位器的作用与功能。第五章第五章 过程控制对象的动态特性过程控制对象的动态特性 过程控制系统是根据被

120、控制对象的特性和控制要求，选配合适的过程检测与控制仪表所组成。在过程控制系统的设计中，主要的依据是被控对象的特性。所以必须了解被控对象的静态和动态特性及控制要求才能实施控制方案的制 定、仪表的选型以及系统参数的整定。 在过程控制中，被控对象是指正在运行中的各种生产设备，例如换热器、蒸汽锅炉等等。而被调参数通常是指温度、压力、液位、流量等。 当某种形式的扰动作用于被控对象，引起对象的输出发生相应的变化。这种变化在时域或频域上用微分方程或传递函数进行描述，称为被控对象的数学模型，用来反映对象的特性，特别是动态特性。 实际的被控对象的动态特性或多或少都具有非线性的特点，这将使得对象的数学模型及分析处

121、理变得复杂。为了分析和处理的方便，在研究对象的特性时，在一定的条件下对模型进行简化，而简化的模型亦能正确地表征对象的特征。例如当输出与输入变量在预定工作点附近的变化范围很小，就可以进行线性化，见图5-1，将工作点的切线代替原曲线。以工作点处的增量作变量，则可得近似方程上式常 称为线性化增量方程。图5-1线性化示意图 常见的被控对象见图5-2所示，其中有一个输出量y，而有多个外作用量, 。通常选一个容易被控制而又直接影响对象动态特性的外作用量作为控制作用，即控制器输出量x，常称其为过程的“内部扰动”或“基本扰动”。 而其余的外作用信号均可看作扰动作用，统称为“外部扰动”。而被控量y与输入控制作用

122、x的信号联系称为“控制通道”，被控量y与扰动d的信号联系称为“干扰通道”。我们所关心的是控制效果，也就是内部扰动下的动态特性，这对选择控制方案和整定调节参数都同样是重要的。以锅炉水位控制系统为例，给水流量和蒸汽流量变化都会引起水位的变化。给水流量变化可以用控制阀控制，表现为控制作用，即为内部扰动。蒸汽流量变化则由“用户”要求所决定，系统本身无法控制，表现为干扰作用，即外部干扰。而给水流量变化引起锅炉水位变化的对象特性即控制通道特性，蒸汽流量变化引起的锅炉水位变化的对象特性即干扰通道特性 图5-2具有多个外作用和单个输出对象的信号通道示意图 当被控对象的被控量多于一个，且输入量也多于一个，为,

123、,及x1,x2 xn时，则称为多输入多输出对象，见图5-3所示。图5-3多输入多输出对象及其信号通道示意图 若一个输入量只对一个被控量起控制作用时，则各个控制通道互相独立，这时可对各个控制通道单独分析动态特性。当一个输入量同时影响两个或两个以上的被控量，即被控量之间有一定关联时，则必须要求各控制器能协调地工作或采用解耦控制来解除被控量相互间的影响。 本章讨论的被控对象仅限于线性对象或线性化的对象，并且只有一个控制通道的被控对象的动态特性。第一节有自平衡对象的动态特性 当对象受到干扰作用，平衡状态被破坏后，不需要外加任何控制作用，能依靠对象自身达到新的平衡状态的能力称为自平衡能力。这是一种自然形

124、成的负反馈。过程控制对象有无自平衡能力，决定于对象本身的结构，并与生产过程的特性有关。例见图5-4所示水箱液位对象，其液体流入量为 ，改变控制阀的开度x可以改变 的大小。液位流出量为 ，它可根据需要通过负载阀来改变。液位h代表水箱中贮存液位的数量，它的变化反映了液体流入量 与流出量 不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。当水的流入量与流出量相等时，水位保持不变。当控制阀突然开大，水的流入量阶跃增多，水位开始上升，随着水位的升高，水箱内液体的静压力增大，则水的流出量也随之增多，最终会使流出量再次等于流入量，水位就在新的平衡下稳定下来。一、单容对象的动态特性一、单容对象的动态特性 所谓单容对象是指只有

125、一个储蓄容量的对象。单容水箱见图5-4所示，不断有水通过控制阀流入水箱，同时不断有水从水箱由负载阀流出。假如水箱高度无限大,根据物料平衡关系，在任何时刻液体流出量 变化时，就会引起水箱中蓄水或泄水的过程，即（5-1）式中A水箱横截面积； V水箱液体体积。 图5-4 单容对象 式（5-1）说明，一段时间内，液体流出量与流入量不相等，当水箱面积一定时，将引起水位的变化。 将式（5-1）改写为（5-2）这时水位维持在一个定值。 当扰动发生后，各个量都将偏离平衡时的稳态值，可以以增量形式表示这种偏离程度，即（5-4） 由式（5-2）、（5-3）与式（5-4），得 （5-5）（5-5） 这是增量形式的方

126、程，表示单容水箱在某一静态工作点附近的物料平衡关系。 设流入量的变化与控制阀的开度变化有关，即（5-6） 式中kx是决定于阀门的比例系数，可假设为常数。 该流出量Qo是随液位h的变化而变化的，h越高，出口静压越大，流出量Qo也越大。流出量与液位关系可表示为（5-7） 可见流出量与液位h成非线性关系。若只考虑水位在其工作点ho附近不大的范围内变化，则可进行线性化处理，将式（5-7）泰勒级数展开后取一次项，得增量方程为 （5-8） 式中k是与负载阀开度有关的系数，在固定不变的开度下，k可视为常数。这样流出量变化与液位变化呈线性关系。令 ，则式（5-8）可写为（5-9）或（5-10） 称为流阻，是使

127、产生单位流出量变化时，所需的液位变化量。将式（5-6）、（5-8）、（5-10）代入式（5-5），可得写成一般形式或 （5-11） 式中C液容，C=A；T对象的时间常数，；K对象的放大系数，。 式（5-11）表明单容对象是一阶对象。将式（5-11）经拉氏变换后，可得对象的传递函数为:（5-12） 在过程控制中，分析各种对象动态特性最常用的方式是阶跃信号输入时的响应。可以用突然加大控制阀的开度，施加阶跃扰动。解式（5-11）可得单容对象的阶跃响应为（5-13） 其曲线见图5-5所示，单容对象的阶跃响应是指数曲线，与放大系数K和时间常数T有关。图5-5单容对象的阶跃响应曲线（一）放大系数K 对象输

128、出量达到新稳态值时，输出量的变化值与输入量的变化值之比，称为对象的放大系数。以上例水箱液位对象为例，解式（5-13）可得 所谓，即是水位经过很长时间后，不再变化。如果把水箱看作一个环节，阀门这好比输入量变化值经水箱这个环节后放大了K倍而成为输出量的变化值。因此对象放大系数可表示为而达到新的稳态开度X作为输入量，它的输出量即水位变化量（5-14） 由于放大系数K是不随时间变化的，只与被控量的变化起点与终点有关，故放大系数是对象的静态特性参数。应当指出，对象的输入与输出不一定是同一个物理量，其量纲也不尽相同。若输入与输出均以变化值的百分数表示，则K为一个无因次的比值，这样的表示方法对分析问题比较简

129、单。（二）时间常数T时间常数是指被控量保持起始速度不变而达到稳态值所经历的时间。可以从图5-5中的响应曲线的起始点作切线，与新稳态值线相交，其交点与起始点之间的时间间隔即为时间常数T。 当 时，响应曲线 ，利用此关系，也可测量时间常数T，即被控量 从开始变化到稳态值63.2%所需的时间即为时间常数T。 从式（5-13）可知，时间常数T反映了对象在扰动作用后，被控量变化的快慢程度。T越大，表征被调参数完成其变化过程所需的时间越长，表明对象的惯性越大。故时间常数是对象的动态特性参数。 时间常数 是由流阻和容量决定的动态参数，具有时间量纲。（三）流阻 和容量C对特性的影响 在推导微分方程中，已经得到

130、放大系数K和时间常数T与流阻 和容量C之间的关系。重写如下： （5-15） 从式（5-15）中可以看出，流阻 不但影响T，还影响K。而容量C仅影响T，而不影响K。图5-6流阻对动态特性的影响图5-7容量C对动态特性的影响 流阻对动态特性的影响见图5-6所示。 设原来的响应过程为曲线，它是当负载阀处于某一个开度下，水箱表现出的动态特性。如果用水量（即负荷）变大，因而负载阀处于比原来更大的开度，这时液位的响应过程是图5-6中的曲线。这是因为负载阀开度大了， 它的阻力减小了，那么根据式(5-9)关系，水位只需改变一点儿就能引起输出量 较大变化， 最后变化量就要小一些。也就是说，当 比较小时， 只需较

131、小一些变化，就可以使 有较大变化而达到与输入量 流入量相等的数值，从而使水位最后稳定下来。从式（5-15）可见， 减小后，放大系数K跟着减小，在图5-6 中。另外从式（5-13）可得： 可见，水位起始速度与阻力Ro大小无关。因此，当Ro比较小时，尽管水位起始变化速度还和原来一样，但因水位最终变化量减小了，所以响应过程时间也变短了，其时间常数由T1减小到T2，见图5-6。一般说来，希望对象的阻力小些，则时间常数较小，响应较快，容易获得较好的控制效果。但有时也不希望阻力太小，以免响应过程过于灵敏，反而造成系统不稳定。 容量C表示被控对象储存物质或能量的能力大小，又称为容量系数。在液位对象中，其物理

132、意义是产生单位液位变化时，所需对象储存液体的变化量，即 （5-16） 从式（5-15）可以看出，改变容量系数C可以影响时间常数T。图5-7表示了容量C对动态特性的影响。如果原来水位响应过程为曲线1，其时间常数为，随着容量系变成，见图5-7中曲线2也变大，水位变化速度变小，响应 从上面讨论中可知，改变设备结构（即容量系数）可以改变对象的动态特性；负荷变化（即流阻变化）也会改变对象的动态特性，或者说，在不同负荷下对象的动态特性是不同的。后一点在设计和整定控制系统中应特别注意。数增大，那么它的惯性过程时间变长，其时间常数由所示。二、多容对象的动态特性二、多容对象的动态特性 由多个容积和阻力构成的被控

133、对象称为多容对象。多容对象的动态特性以两个串连的单容对象构成的双容对象比较典型。现以图5-8所示的双容对象进行讨论。与单容对象的分析方法相同，根据物料平衡关系可以得出下列方程： 式中各变量前加符号表示增量。消去上式中间变量后可得： 式中 第一容积的流阻； 第二容积的的流阻； 第一容积的时间常数， ； 第二容积的时间常数， ； K对象的放大系数， ； 、两个容积的断面积，也就是两个水箱的容量系数、。图5-8双容过程及其响应曲线a) 双容对象 b) 响应曲线 双容对象写成传递函数为或 (5-17) 从图5-8中可见，当控制阀突然加大开度，即流量加一阶跃变化时，流体先经过前置水箱1再进入水箱2。由于

134、多了一个容积，水位表现出来的响应特性就不同于单容水箱。响应过程在时间上落后一步，响应曲线呈现S形，见图5-8 b）所示。 多容过程的特点是受到扰动后，被控量的变化速度开始变化比较缓慢，而要经过一段延迟时间以后响应速度才能达到最大，这段滞后时间主要是对象容量增加和容积之间存在阻力所造成的。所以称为“容量滞后”或“容量延迟”。通常用表示。 容量滞后可以通过作图法求得。通过的S型响应曲相交于C，与时的投影为B，则AB近似表示过程的等效时间常数。线的拐点D作切线，与稳态值 交于A。用0A近似表示容量滞后时间间轴相。而C点在时间轴 对于内部扰动作用下，双容对象的阶跃响应曲线中容积滞后的存在，对调节过程影

135、响很大，它意味着控制过程的不及时。所以 也是表征控制对象特征的一个重要参数。因此对于双容对象，需要用 ，和K三个参数来表征它的性）串联构成。即 能。有时可将响应曲线近似的看作是由一个等效纯滞后环节及一个等效单容对象（等效时间常数为 容量滞后是多容对象的主要特征。构成的对象串联容积愈多，容量滞后愈大。图5-9所示为15个储存容积串联对象的阶跃响应曲线。它们仍然成S形，都可以用 ， 和K三个参数来表征。 多容对象的传递函数一般表示为（5-18） 由于多容对象的分析计算相当复杂，为了简便计算,一般采用等容环节的串联来近似n阶多容对象，即设，这时是传递函数可写为（5-19） 图5-9多容对象阶跃响应曲

136、线三、具有纯滞后对象的动态特性三、具有纯滞后对象的动态特性 在被控对象中，所谓滞后是指被控参数开始变化的时间落后于扰动。单容对象的时间常数具有类似滞后性质，一般称为“惯性滞后”；对于多容对象，还有附加的“容量滞后”；另外还有当物质或能量沿着一条特定的路径传输时，就会出现滞后，称为“纯滞后”或“传输滞后”，用 表示。纯滞后是由路径长度 和运动速度 两个因素所构成，即 在被控对象中，所谓滞后是指被控参数开始变化的时间落后于扰动。单容对象的时间常数具有类似滞后性质，一般称为“惯性滞后”；对于多容对象，还有附加的“容量滞后”；另外还有当物质或能量沿着一条特定的路径传输时，就会出现滞后，称为“纯滞后”或

137、“传输滞后”，用 表示。纯滞后是由路径长度 和运动速度 两个因素所构成，即纯滞后的量纲是时间。 图5-10 a)是一个具有纯滞后的单容水箱液位控制。被控对象本身是一个单容水箱，它的阶跃响应曲线见图5-10 b)中的虚线1所示。由于控制阀安装在距离水箱较远的地方，则当控制阀开度变化而产生扰动后，水要经过较长的通道才流入水箱，即需要经过一段传输时间才会使流量Q2也跟着变化并开始对水位发生影响。因此水位的实际阶跃响应过程见图5-10 b)中实线2。它等于曲线1向右平移一个距离0。图5-10纯滞后单容对象及响应曲线a) 纯滞后单容对象 b) 响应曲线 具有纯滞后单容对象的微分方程为其传递函数为 （5-

138、20） 若是多容对象既有纯滞后又有容积滞后，在近似处理来表示，即。这样的对象其动态特性仍然用，TC和中，通常把这两种滞后加在一起，统称为“滞后”或“延迟”，用K三个参数来表征。 有纯滞后的双容对象的传递函数可表示为（5-21） 多容对象的传递函数一般表示为（5-22） n阶等容对象的传递函数为（5-23） 对象的纯滞后特性给自动控制带来极为不利的影响，例如测量或传输造成的纯滞后都将引起控制的不及时，降低控制质量，故在实现过程控制的工作中总是尽量把它消除或减到最小。第二节 无自平衡能力对象的动态特性一、单容对象的动态特性一、单容对象的动态特性 当对象受到干扰作用后，平衡状态被破坏，不能依靠它自身

139、能力达到平衡状态的性质，称为无自平衡能力。以单容水箱为例，将上节单容水箱的出口阀换成定量泵，见图5-11a)。由于定量泵流出量 与水箱的液位无关。当进水控制阀的开度变化 ，引起液位变化 ，而流出量不变 ，所以水箱内的液位或者逐渐上升直至液体溢出，或者逐渐下降直至液体抽干，其阶跃响应曲线见图5-11b）所示。因此，无自平衡过程在没有自动控制的情况下，不允许长时间无人照管。图5-11无自平衡能力单容过程及其阶跃响应曲线 下面来分析无自平衡能力的单容对象动态特性。对于图5-11，其微分方程由物料平衡关系可写为或 若写成可见这是一个积分过程。写成传递函数为 （5-24） 式中过程积分时间常数。 当对象

140、具有纯滞后时，其传递函数为（5-25）二、双容对象的动态特性 图5-12 a)中有上下二个容器，如果下面容器的流出阀为定量泵，则下容器流出量的变化量 ，就成为无自平衡能力的双容对象。当控制阀发生扰动 ，上容器流入量 产生阶跃变化时，上容器流出量 也产生变化，而下容器液位变化量为 ，其开始变化的起始变化速度较低，经过一段时间后达到最大变化速度，这是多容对象的特性所决定的。响应曲线见图5-12 b)。图5-12无自平衡能力双容过程及其阶跃响应曲线a) 无自平衡能力双容过程 b) 阶跃响应曲线 根据物料平衡关系，可写出双容对象的动态特性方程为消去中间变量可得或 式中 时间常数，积分时间常数，其传递函

141、数为（5-26） 若对象含有纯滞后，则传递函数为（5-27） 同理对于无自平衡能力的n阶等容对象的传递函数为（5-28） 以及当对象含有纯滞后时，传递函数为 （5-29） 了解对象的特性和生产过程的特点是十分重要的，要使设计和投运的控制系统达到预期效果，就必须研究对象特性。根据不同对象的特征，选择合适的控制系统和合适的控制规律并正确地整定控制器的参数。这就是分析和了解对象动态特性的目的。第三节 时域法辨识对象的动态特性 前面已经介绍过，只有掌握好被控对象的特性，才能够正确地设计一个控制系统，正确选择控制器的控制规律和参数，使控制器动作与被控对象特性配合，从而获得良好的控制质量。 由于工业生产过

142、程都不是简单的控制对象，根据被控对象的机理直接推导出对象的动态特性是困难的，有些甚至是不可能的。因此可以采用试验的方法来测出对象的动态特性。常用的测试方法有1）响应曲线法，它主要用阶跃试验或脉冲试验，根据响应曲线，用几何方法确定对象的动态参数。2）频率法，用频率域方法来描述对象的动态特性,目前已研究出多种求对象频率特性的方法。3）统计法，用伪随机信号测试，采用相关技术，应用统计方法测试出对象的动态特性。 由于用响应曲线法测取对象动态特性不需要专门的信号装置，方法简单，现场容易实现和控制，所以在单输入单输出系统的分析中，一直应用这种方法。本节将介绍在阶跃扰动或矩形脉冲扰动作用下对象的动态特性，据

143、此分析过程控制对象的特点，并介绍试验的方法及根据特性响应曲线确定动态参数和传递函数的方法。一、阶跃响应曲线的测定一、阶跃响应曲线的测定（一）阶跃扰动法 当对象处于稳态时，对输入量施加一个阶跃扰动，并保持不变，测定其输出量随时间而变化的曲线称为阶跃响应曲线，见图5-13所示，这种方法前面已经作了介绍。 测取阶跃响应的原理很简单，但实际测量时应注意以下事项： (1) 合理地选择阶跃扰动信号的幅度。阶跃扰动的幅度过大会影响正常生产，甚至危及生产安全，这是不允许的。若阶跃信号过小则可能受干扰信号的影响，不能保证测试结果的真实可靠性。所以，在一般情况下，取允许最大值的5%20%之间。在可能的情况下，以不

144、影响生产为准，取大的扰动量为好。 (2) 测试前确保被控对象处于选定的某一稳定工作状态。一次试验要进行到被控过程达到或接近稳定状态。 (3) 实验时可以在相同的测试条件下重复多次，至少获 得两次基本相同的响应曲线。实验中应设法排除发生偶然性的干扰。 (4) 考虑到实际对象的非线性，实验时施加的扰动要分别从正方向和反方向变化，分别测出正方向和反方向变化的响应曲线，以求真实掌握对象的动态特性。 (5) 要特别注意记录下响应曲线的起始部分，以很好地获得对象的动态特性参数。 （二）矩形脉冲法 如果在生产中不允许长时间的阶跃扰动试验，可以采用矩形脉冲输入代替阶跃扰动输入。即施加一个较大幅值的阶跃扰动，待

145、被控量将要到生产允许的最大偏差值时，立即清除扰动，使被控量回到起始值。这种方法的优点充许扰动幅值大些，可达到20%30%，施加扰动的时间短，被控量的变化不会超过生产的允许值。故此方法应用也较多。图5-13 阶跃响应曲线 图5-14 矩形脉冲分解成两个阶跃作用 由于阶跃响应曲线的参数估计较方便，所以需要将矩形脉冲响应曲线转换成两个阶跃响应曲线再处理。 将矩形脉冲 分解成两个阶跃信号，见图5-14与的幅值相等，但方向相反，且开始作用的，即时间不同，相差因此 假设被控过程是线性的，阶跃信号和的响应分和，根据迭加原理，则矩形脉冲响应就是两个别为阶跃响应之和，即 或写成根据上式就可以用分段递推作图法得到

146、阶跃响应 。 (1) 实测矩形脉冲输入和被控对象输出响应曲线见图5-15具体方法如下：(2) 将所测绘的响应曲线按时间间隔t进行等分。(3) 第一个区间。即阶跃响应曲线与脉冲响应曲线一致。(4) 第二个区间 即将第一区间的阶跃响应曲线迭加到第二区间的脉冲响应曲线上，即得第二区间的阶跃响应曲线。 (5) 以此类推，将前一区间的阶跃响应曲线迭加到本区间的脉冲响应曲线上，即得本区间的阶跃响应曲线。 脉冲宽度的选择视输出量的幅值而定，并需考虑对象的惯性和滞后时间的大小。一般的方法是在正式测定前，取不同宽度的脉冲试扰动几次，观察被控量的变化，选其中最适合的一次继续进行测定。 图5-15中，b)表示有自平

147、衡能力的对象，衰减不会完全衰减。得很快。而图5-15中c)表示无自平衡能力的对象,图5-15 矩形脉冲响应曲线求阶跃响应曲线 二、由阶跃响应曲线求对象的传递函数二、由阶跃响应曲线求对象的传递函数 用测试法建立被控对象的数学模型，首要的问题就是选定模型的结构。工业生产中的大多数对象特性可以近似地以一阶、二阶以及一阶加纯滞后，二阶加纯滞后特性之一来描述，即：（5-30） （5-31） （5-32） （5-33） 对少数无自平衡对象的特性，可用下面的传递函数来近似描述，即：（5-34） （5-35） 用实验方法可测的对象的响应曲线，可以与以上归纳的几种标准函数的响应曲线进行比较，即可确定对象属于哪一

148、类传递函数，并从响应曲线求出传递函数的各个参数，如放大系数K、时间常数T以及纯滞后时间 。 工程上由阶跃响应曲线求对象传递函数的常用方法有切线近似法、图解法及两点法等。（一）切线近似法 切线近似法的特点是简单，但精度有较大随意性，而实践证明它可以成功地应用于PID控制器的参数整定,所以至今仍然得到广泛的应用。1、无滞后一阶对象的传递函数 此对象的传递函数为 其阶跃响应为非周期过程见图5-16。只需确定放大系数K和时间常数T即可确定传递函数。1、 静态放大系数K：由阶跃响应曲线上可定出 ，则 （5-36） 2、 时间常数T：在响应曲线的起点作切线与y()相交点 在 时间轴上的投影，即为时间常数T

149、。图5-16 无滞后一阶对象响应曲线 图5-17 有纯滞后对象的一阶近似 2、具有纯滞后一阶对象的传递函数 此对象的传递函数为其阶跃响应曲线见图5-17。在 时，曲线斜率为零。随着的增加，其斜率逐渐增大，当过拐点后，斜率又慢慢变小，该曲线呈S型，可近似认为带纯滞后的一阶非周期过程。若对象有容量滞后也可以当成纯滞后处理。用切线法确定参数的方法如下：对象静态放大系数K的求法与无滞后一阶对象的求法相同。时间常数T和纯滞后的确定：在阶跃响应曲线的拐点处D作一切线。在时间轴上的交点B，则OB为纯滞后时间。与稳态值 线的交点为A，A在时间轴上的投影为C，则BC为时间常数T。3、具有自平衡能力二阶对象的传递

150、函数对象的传递函数为假定放大系数 ，其单位阶跃响应曲线见图5-18所示。图5-18具有自平衡能力二阶对象的响应曲线 过拐点A作切线，与 水平线相交为D，与纵坐标相交于E。过拐点作垂直线，与 线相交为C，作水平线与纵坐标相交于B。则可得CD值与BE值。可以证明有下面的结论成立：（1） ；（2）BE是 的函数。设 ，则BE与m的相互关系如表5-1所示。 表5-1BE与m的相互关系mBE000.050.13470.100.18090.150.2393mBE0.200.26930.250.29130.300.30020.350.3236mBE0.400.33190.450.34100.500.3466

151、0.550.3523mBE0.600.35630.650.35890.700.36200.750.3641mBE0.800.36560.850.36650.900.36711.000.3679 这样求取 、 的方法如下：（1）过阶跃响应曲线上的拐点作切线；（2）分别定出A、B、C、D和E点，并求得CD和BE值；（3）从表5-1中的BE值，可得相应的m值；（5）由 解出 与 值。4、具有纯滞后环节的二阶对象的传递函数其对象的传递函数为（5-37） 在阶跃扰动x的作用下，对应的阶跃响应曲线见图5-19所示。在起始阶段有一小段水平线OB，它代表纯滞后 ，在B点以后是一段S型曲线，它是双容对象的响应特

152、性曲线。 从曲线上拐点P作切线， 可确定时间常 数T和容量滞后 。当 时，被控参数的变化量为 。当 时，被控参数变化量为 。如果上式中的 、 均已给定，则T、 和 、 等大小也就定了。因此只要知道了比值 、 和T的大小，也可以知道 和 的值，进而也可确定 值。图5-20具体地表明了这些比值之间的关系。 根据有自平衡对象的阶跃响应特性曲线换算为带纯滞后二阶环节传递函数的步骤如下：1.在阶跃响应特性曲线上确定出、T和值；。计算时应注意将K值无，并根据查图5-20定出、的值，查图方法见图5-20虚线所示；2.根据稳态值计算出K值：3.计算比值因次化；图5-19 具有纯滞后的二阶对象响应曲线 图5-2

153、0二阶对象响应曲线上若干特征值间关系根据T值计算出 、 和c值；计算纯滞后： 。从图5-20中可以看到，比值 最大值以0.034为限，此时 ， 。因此在计算中可能会出现这样的情况，即从响应曲线上定出来的值 ，这时就只能取： （5-38） 这样当然会带来明显的误差，除非用三阶环节近似，而这样一来，计算将要复杂多了。5、n阶等容惯性对象的传递函数n阶等容惯性对象传递函数的形式为 对应的阶跃响应曲线见图5-21a)所示，通过曲线拐点B作切线，分别交于稳态值y（）线为A，交于横轴为C，交于竖轴为D。在竖轴上的截距为b。从响应曲线上可得对象的响应时间TA、拐点坐标TB、对象的等效时间常数TC和滞后时间。

154、当系统阶次n和时间常数T确定时，曲线形状已定，即TA、TB、TC、和b都已确定，并有b/ y（）=f（n）、TA=fA (n，T)、TB= fB (n，T)、TC =fC (n，T)和= f (n，T)等关系成立。将这些关系列表见表5-2。 图5-21切线法求等容对象特性a) 阶跃响应曲线 b)计算图表 表5-2、b/ y（）TA /T、TB/T、TC /T、/T与n的关系由此可得求n阶等容惯性对象传递函数的一般步骤为：由阶跃响应曲线，确定y（）、TA、TB、TC 、和b等值，见图5-21 a)；由稳态值计算出K值： 。x为阶跃扰动值。由表5-2和图5-21 b)确定n和T值。对象的阶数n也可

155、用近似公式计算（5-39）n123456789101426b/y()00.1040.2180.3190.4100.4930.5700.6420.7100.7731.0001.50TA/T134.55.897.228.519.7710.95TB/T -1234567891324TC/T 12.7123.6924.4805.1205.7006.2506.7107.1607.5809.10012.33/T 00.2820.8051.4302.1002.8103.5604.3105.0805.8609.12018.50当n为16阶时，可用更简单的公式计算（5-40）对象的时间常数T可计算为（5-41）

156、此方法简便，近似计算结果也能满足生产上的需要。6、无自平衡对象的传递函数1）积分对象其传递函数为阶跃响应曲线见图5-22所示，是一条等速变化的直线。响应时间就是直线的斜率，因此 按下式计算 （5-42） 式中x为阶跃扰动幅值。 为响应曲线与横轴夹角。上式表明当响应y=x时，所需的时间即为响应时间 。 图5-22 积分对象阶跃响应曲线 2）带有纯滞后的单容对象其传递函数为阶跃响应曲线见图5-23所示。响应曲线的开始变化速度缓慢，然后以等速上升。沿响应曲线等速上升部分作切线，交横轴于A点，则OA就是滞后时间 。而响应时间 也按式（5-42）计算。 图5-23 有纯滞后的单容对象近似法 3）有纯滞后

157、的双容对象 其传递函数为 对象的阶跃响应曲线见图5-24所示。经过一段滞后时间 以后，才开始响应。同样沿响应曲线的等速上升部分作切线交时间轴于A点，可以得到纯滞后时间 及时间常数T，响应时间 也按式（5-42）计算。 图5-24有纯滞后的双容对象的响应曲线4）多容对象 其传递函数为 （5-43） 对象的单位阶跃响应曲线见图5-25所示。其响应方程为（5-44） 当t时，切线与被控量y(t)重合，切线方程为 （5-45） 当 =0时，切线与时间坐标相交点位 ，代入上式得 即则时间常数T为 （5-47） 当t=0时，切线与纵轴交点为b，代入式（5-45）得（5-48）将式（5-46）代入（5-48

158、）式可得（5-49）则响应时间T为 当 时，代入式（5-44）得 （5-51） 式（5-51）与式（5-49）的比值为 （5-52）这是n的单值函数，由上式算出表5-3或绘成图5-26。（5-50） 图5-25多容对象近似法图5-26 y(ta)/ob与n关系表5-3 y(ta)/ob与n关系n1234560.3680.2710.2240.1950.1750.161这样从响应曲线确定多容对象传递函数的步骤为：1.作切线，分别确定， ，和；2.由式（5-50）求得响应时间 ； 3.由表5-3或图5-26确定阶数n； 4.由式（5-47）求得时间常数T； 5.将以上参数代入式（5-43）得对象传递

159、函数。 当计算的n不是整数时，取最相近的整数值。若求出的n6，即0.161时，可 将对象作为有纯滞后的单容过程进行处理。若算出的n3，还可简化为具有纯滞后的双容对象进行处理。对象的阶数n也可按下式计算 （5-53） （二）计算法 由于切线近似法中，响应曲线中的拐点位置不易选准，切线方向亦有较大的随意性，因此结论比较粗糙。为了避免在响应曲线上作切线的困难，可以选用计算法。1、无纯滞后的一阶对象的传递函数无纯滞后的一阶对象传递函数对象的放大系数K同前方法求得为 而阶跃响应为 （5-54）由式（5-54）可知：当t=T/2时的响应值为 y(T/2)=0.393y（）；当t=T/1.44时的y(T/1

160、.44)=0.5y（）；当t=T时的y(T)=0.632y（）；而t=2T时的y(2T)=0.865y（）。见图5-27所示。因此可以在阶跃响应曲线上找到 的点，就可确定时间常数T，其他的特殊点可作校验用。图5-27 无纯滞后的一阶对象响应曲线2、具有纯滞后一阶对象的传递函数对象传递函数重写为式中放大系数K用前方法求得： 。被控量y(t)以相对值y0(t)=y(t)/y()表示，则阶跃作用下的解为其响应曲线见图5-28所示。选择两个不同时间t1和t2，得两个联立方程联立求解得 （5-55） 一般可在响应曲线上选择y0(t1)=0.393，y0(t2)=0.632，代入上式，则可得 （5-56）

161、对计算出的T和 还应进行校验。在相对值曲线y0(t)上另取一对时间的响应值，例如y0(t3)=0.33，y0(t4)=0.7，则由（5-55）式可得 （5-57） 若分别由（5-55）式和（5-57）式计算的两组T与相差太大，则应选用二阶带滞后环节来近似。如果两组值都很接近，则可取平均值，即 （5-58）图5-28 有纯滞后对象的一阶近似 3、无纯滞后二阶对象的两点法 无纯滞后二阶对象的传递函数为 阶跃响应曲线见图5-29所示，在响应曲线上选择0.4和0.8 两个点，然后用近似公式计算 （5-59） 上式适用于0.32 0.46时，表明过程是高于二阶的，但仍可用二阶环节来近似。 (a)无纯滞后

162、二阶对象 (b)有纯滞后二阶对象图 5-29 二点法求对象传递函数若二阶对象具有纯滞后，传递函数为 其滞后时间T，可根据阶跃响应曲线（）开始出现变化的时刻来确定，见图529b。在时间轴上截去纯滞后部分，以时刻T作为时间起点0，设纵坐标为y（t），这时y（t）曲线与图529a的无纯滞后二阶对象相同，然后利用上述方法计算T1和T2，二求K得方法不变。4、n阶对象的两点法 对象传递函数为 在阶跃响应曲线上取两点，方法同前面讨论的一样。则近似公式计算系统阶次 （5-62） n与t1/t2的关系计算成表5-4，以便使用。注意n取最接近的整数值。 时间常数 (5-63) 增益系数 两点法方法简便，使用方便

163、，不用完全画出对象的阶跃响应曲线，而只要测得选定时刻相对应的被控量数值，即可求出对象近似传递函数。一般讲两点法精度要高于切线近似法。对于工程整定，两点法的精度范围是足够的。表5-4n与t1/t2的关系n1234567t1/t2 0.317 0.460 0.534 0.584 0.618 0.640 0.666n891011121314t1/t2 0.684 0.699 0.712 0.724 0.734 0.748 0.7511、一阶自平衡对象的传递函数 设一阶自平衡对象的传递函数为（三）图解法 在阶跃扰动x作用下，其响应为（5-64） 式中 ，同前述方法一样，由此可确定放大系数K值。时间响应

164、曲线见图5-30。 图5-30 一阶对象的响应曲线 图5-31 半对数坐标时间常数图解 将式（5-64）写为两边取自然对数 （5-65） 这是直线方程。以 为纵坐标，以时间t做横坐标，直线见图5-31。直线与纵坐标交于A点，直线斜率为-1/T，由图可知令t=T，则 取反对数得 所以直线上0.368A所对应的时间，即为时间常数T。 通常利用半对数坐标纸作曲线，但其对数坐标是以常用对数值刻度的，所以必须将自然对数换算为常用对数，则式（5-65）直线方程改为则式（5-65）直线方程改为或 （5-66） 式(5-66)同样是直线方程，直线见图5-32，它交纵坐标于A点，交横坐标于C，斜率为-1/2.3

165、03T。这样由图得即 （5-67） 图5-32 半常用对数坐标时间常数图解 由于半对数纸的对数坐标上标的都是未取对数时的真值，所以只须将实测 的数值或从阶跃响应曲线上获得的数据（见图5-30），按坐标轴标度直接点上去，再用上述方法求出一阶对象的传递函数。 若在半对数坐标纸上，所绘的多数点远离直线分布，而且是无规则的，这说明测试精度不够，应采取措施提高测试精度后，重新测试。若在t较大时各点接近于直线，而t较小时各点偏离直线，则可能是二阶或二阶以上的对象特性。2、二阶自平衡对象的传递函数 二阶自平衡对象的传递函数为其中 ，则阶跃响应为 （5-68）其响应曲线见图5-33图5-33 二阶对象的响应曲

166、线 对象的放大系数K仍可按以前的方法计算。而时间常数现在采用图解法。在响应曲线上仔细量出的数值，并用描点法绘制（一般当时），则当t项相对于项可忽略不计，这样，在半对数坐标纸上。若大到一定程度后，式（5-68）可简化为 或 两边取对数得（5-69） 或 （5-70） 由此可见，当t相当大时，二阶过程特性与一阶过程特性相同。因此可用求一阶过程特性方法来求时间常数T1。 方法一：当半对数纸的纵坐标为自然对数时，见图5-34，沿曲线1的直线段延长，交于t=0的纵坐标为A，得直线段2。直线段2的斜率为 ，由直线段2量出0.368A所对应的时间t就是T1。 方法二：当采用半对数纸的纵坐标为常用对数时，见图

167、5-35，沿曲线1得直线段延长于纵坐标为A，交横坐标于C，为直线段2，直线段2的斜率为-1/2.303，则（5-71）图5-34 半自然对数坐标时间常数图解计算 图5-35 半常用对数坐标时间常数图解计算 当t不大时，或式（5-68）中 项不能忽略时，即或写成两边取对数 (5-72）或 （5-73）式中即图5-34和图5-35中的曲线2，就是曲线1。用曲线2的真值减去 同一时间下曲线1的真值，就得到线段3。由式（5-72）和式（5-73）表明，线段3是一条直线。 这条直线段的斜率在自然对数的半对数坐标中为 ，直线与纵坐标交于B。同理，与0.368B相对应的时间，即为时间常数 。 当在常用对数的

168、半对数坐标中，直线段3的斜率为-1/2.303 ，与横坐标交于E，同样，时间常数 (5-74) 若求得的线段3不是直线而是曲线，则说明对象是高于二阶的。可用同样的方法继续求曲线4，直到最后一条线段是直线为止。从理论上讲，图解法可以求n阶对象的传递函数，但对象阶次越高，图解越困难，误差也越大。当多容对象的时间常数、相差很小时，图解难以得到近似直线，故需用其他方法求对象传递函数。例 有一对象在阶跃扰动x=2.18mA作用下，其响应值如下所示，求该对象的传递函数。t(s) 0123456y(t)(mv)3.903.903.954.104.304.504.80t(s)78910111213y(t)(m

169、v)5.005.205.355.505.655.755.85t(s)14151820y(t)(mv)5.90 6.00 6.05 6.106.10解：首先计算在不同时刻t的值，整理如下：t(s)0123456y()-y(t)(mv)2.202.202.152.001.801.601.30t(s)78910111213y()-y(t)(mv)1.100.900.750.600.450.350.25t(s)14151820 y()-y(t)(mv)0.200.100.050 以lg 为纵坐标，时间t为横坐标，在半对数坐标纸上绘制曲线，见图5-36中曲线1所示。图5-36 时间常数计算图 由图可知，

170、在t较小处，各点连线不是直线，表明对象是高于一阶的。 将曲线1沿较大时间的直线段作延长线，交纵坐标于A1点。由该半对数曲线可得 =7， =0.15，t1=15.5s故时间常数 为 再将直线2真值减去曲线1真值，在同一半对数坐标纸上作图，得直线3，此时 =4.8， =0.15，t2=7.5s，故时间常数T2为对象的放大系数K为故该对象传递函数为第五章思考题与习题第五章思考题与习题什么是对象的动态特性？为什么要研究对象的动态特性？通常描述对象动态特性的方法有哪些？被控对象的放大系数K和时间常数T，同哪些因素有关？K和T的大小对动态特性有何影响？什么是对象的控制通道和干扰通道？它们的特性对控制系统的质量有什么影响？什么是对象的自平衡能力和无自平衡能力？什么是单容对象和多容对象？某水箱见图5-37所示，其中A为水箱的截面积，和均为线性液阻， 为流入 量，和为流出量，H为水箱液位。要求：）写出以H为输出量， 为输入量的对象动态方程。）写出对象的传递函数W（s），并指出其增益和时间常数的数值。图5-37题图 在对象辨识中，测取阶跃响应曲线时必须注意哪些问题？怎样由矩形脉冲响应曲线换算出阶跃响应曲线？