第二章 机理建模.ppt

1 第二章过程建模和检测控制仪表 本章主要内容1 过程机理分析建模2 过程试验建模3 过程变量检测及变送4 成分分析仪表5 过程参数采集6 过程控制仪表 2 第二章过程建模和检测控制仪表 2 1过程建模为了很好的控制一个过程 需要知道当控制量变化时 被控量如何变化 向哪个方向改变 并最终改变多少 被控量的变化需要经历多长时间 变化规律等 这些均依赖于过程的数学模型 因此 一个过程控制系统的优劣 主要取决于对生产过程的了解和建立过程的数学模型 过程数学模型是过程控制系统设计分析和应用的重要资料 研究过程建模对于实现生产过程自动化具有十分重要的意义 3 2 1过程建模 2 1 1基本概念1 概述 1 被控过程 被控制的生产工艺设备 加热炉 贮罐 2 数学模型 被控过程在各输入量 控制量 扰动量 作用下 其相应输出量 被控量 变化函数关系的数学表达式 非参数模型 曲线表示的 如阶跃响应曲线等 参数模型 用数学方程式或函数表示的 4 2 1 1基本概念 3 常用的数学模型 连续 微分方程 传递函数 状态方程离散 差分方程 离散化传函 离散化状态方程2 建模的目的 1 设计过程控制系统和整定调节器参数在过程控制系统的分析 设计和整定时 是以被控过程的数学模型为依据的 它是极其重要的基础资料 例如前馈控制系统就是根据被控过程的数学模型进行设计的 所以建立过程的数学模型是实现前馈控制的前提 5 2 1 1基本概念 2 指导设计生产工艺设备通过对生产工艺设备数学模型的分析和仿真 可以确定有关因素对整个被控过程动态特性的影响 例如锅炉受热面的布置 管径大小 介质参数的选择等对整个锅炉出口汽温 汽压等动态特性的影响 从而提出对生产设备的结构设计的合理要求和建议 6 2 1 1基本概念 3 进行仿真试验研究在实现生产过程自动化中 往往需要对一些复杂庞大的设备进行某些试验研究 例如某单元机组及其控制系统能承受多大的冲击电负荷 当冲击电负荷过大时会造成什么后果 对于这种破坏性的试验往往不允许在实际设备上进行 而只要根据过程的数学模型 通过计算机进行仿真试验研究 就不需要建立小型的物理模型 从而可以节省时间和经费 7 2 1 1基本概念 4 培训运行操作人员在现代生产过程自动化中 对于一些复杂的生产操作过程 例如大型电站机组的运行 都应该事先对操作人员进行实际操作培训 随着计算机仿真技术的发展 先建立这些复杂生产过程的数学模型 不需要建小型物理模型 而后通过仿真使之成为活的模型 在这样的模型上 教练员可以安全 方便 多快好省地对运行操作人员进行培训 8 2 1 1基本概念 3 对数学模型的要求 1 准确可靠 依据实际 提出适当要求 经济可行 2 用于控制的模型 不要求非常准确 模型误差可视为干扰 闭环情况 3 突出主要因素 忽略次要因素 复杂 近似 线性化 9 2 1 1基本概念 4 多输入单输出系统 单回路控制系统框图 多个输入量 u t f1 t fn t 单个输出量 y t 过程通道 被控过程输入量与输出量之间的信号联系控制通道 控制作用与被控量之间的信号联系扰动通道 扰动作用与被控量之间的信号联系 10 5 建模方法 1 机理分析方法建模 数学分析法建模或理论建模 机理建模是根据过程的内部机理 运动规律 运用一些已知的定律 原理 如生物学定律 化学动力学原理 物料平衡方程 能量平衡方程 传热传质原理等 建立过程的数学模型 机理分析法建模的最大特点是当生产设备还处于设计阶段就能建立其数学模型 机理分析法建模主要是基于分析过程的结构及其内部的物理化学过程 因此要求建模者应有相应学科的知识 2 1 1基本概念 11 2 1 1基本概念 2 试验法建模试验法一般只用于建立输入输出模型 它是根据工业过程的输入 输出的实测数据进行数学处理后得到的模型 主要特点 从外部特征上测试和描述它的动态过程 因此 不需要深入掌握内部机理 黑匣子 过程处于激励状态 阶跃响应曲线法 矩形脉冲响应曲线法 12 6 自衡过程与非自衡过程 1 自衡过程 自衡过程 有自平衡能力 能达到新的平衡 液位被控过程及其阶跃响应 自衡 2 1 1基本概念 13 2 非自衡过程 液位被控过程及其阶跃响应 非自衡 非自衡过程 无自平衡能力 不能达到新的平衡 2 1 1基本概念 14 2 1 2机理分析方法建模 2 1 2机理分析方法建模 单位时间内进入对象的物料 或能量 单位时间内从被控对象流出的物料 或能量 单位时间内进入对象的物料 或能量 的增量 单位时间内从被控对象流出的物料 或能量 等于被控对象内物质 或能量 存储量的变化率 静态物料 或能量 平衡关系 动态物料 或能量 平衡关系 15 2 1 2机理分析方法建模 1 自衡过程建模 1 单容过程 一个容器 具有自衡能力的过程 液位被控过程及其阶跃响应 流入量为q1 流出量为q2 液位h的变化反映了q1与q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程 q1作为被控过程的输入量 h认为其输出量 被控过程的数学模型就是h与q1之间的数学表达式 16 2 1 2机理分析方法建模 根据动态物料平衡关系有 增量形式为 q2与h成比例关系 R2 阀2的阻力 液阻 拉氏变换 Q1 s Q2 s CsH s Q1 s Q2 s Cs H s Q2 s H s R2 分别为偏离某一平衡状态q10 q20 h0的增量 A 水箱截面积 或 17 2 1 2机理分析方法建模 Q1 s Q2 s Cs H s Q2 s H s R2 传递函数 式中T0 液位过程的时间常数 T0 R2C K0 液位过程的放大系数 K0 R2 C 液位过程的容量系数 或称过程容量 单容液位过程的阶跃响应曲线 单容过程框图 18 2 1 2机理分析方法建模 2 多容过程的数学模型 以双容为例 两只水箱串联工作的双容过程 Q1 s Q2 s C1sH1 s Q2 s H1 s R2Q2 s Q3 s C2sH2 s Q3 s H2 s R3 q1 输入q2 输出 19 2 1 2机理分析方法建模 Q1 s Q2 s C1sH1 s Q2 s H1 s R2Q2 s Q3 s C2sH2 s Q3 s H2 s R3 双容过程框图 双容过程的数学模型为 式中 T1 第一只水箱的时间常数 T1 R2C1T2 第二只水箱的时间常数 T2 R3C2K0 过程的放大系数 K0 R3C1 C2 分别为两只水箱的容量系数 20 2 1 2机理分析方法建模 双容过程响应曲线 流量ql有一阶跃变化时 被控量h2的响应曲线 特点 q1变h1变 但h2经过一时间后变化速度才达到最大 存在滞后 容量滞后 原因 主要是两个容积之间存在着阻力R1和R2作图求 c T0 21 2 1 2机理分析方法建模 多容过程传函 如果 则上式可表示为 多容过程 n 5 的阶跃响应曲线 22 2 1 2机理分析方法建模 3 滞后过程生产过程中常见现象 微分方程和传递函数为 式中T0 过程的时间常数 T0 R2C K0 过程的放大系数 K0 R2 0 过程的纯滞后时间 纯滞后液位过程 23 2 1 2机理分析方法建模 对于纯滞后的多容过程 其传递函数为 纯滞后液位过程响应曲线 24 2 1 2机理分析方法建模 2 非自衡过程建模 1 非自衡单容过程的数学模型 q2与液位h无关 单容过程及其响应曲线 过程的微分方程为 过程的传递函数为 式中Ta 积分时间常数 Ta C 25 2 1 2机理分析方法建模 2 非自衡多容过程的数学模型 无自衡多容过程的数学模型为 式中Ta 双容过程积分时间常数 Ta C2T 第一只水箱的时间常数 双容过程及其响应曲线 26 2 1 2机理分析方法建模 同理 无自衡多容过程的数学模型为 3 滞后过程 无自衡单容过程具有纯滞后时 则其传递函数为 无自衡多容过程具有纯滞后时 则其数学模型为 27 2 1 2机理分析方法建模 例题 液位过程的输入量为ql 流出量为q2 q3 液位h为被控参数 C为容量系数 并设R1 R2 R3为线性液阻 要求 1 画出液位过程的框图 2 试求液位过程的传递函数 W0 s H s Q1 s 28 2 1 2机理分析方法建模 根据动态物料平衡关系有 增量形式为 q2与h成比例关系 R2 阀2的阻力 液阻 分别为偏离某一平衡状态q10 q20 q30 h0的增量 A 水箱截面积 或 解 q3与h成比例关系 R3 阀3的阻力 液阻 或 29 2 1 2机理分析方法建模 拉氏变换 Q1 s Q2 s Q3 s CsH s Q1 s Q2 s Q3 s Cs H s Q2 s H s R2Q3 s H s R3 框图 30 2 1 2机理分析方法建模 传递函数 1 R 1 R2 1 R3 31 2 1 3试验法建模 过程辨识 机理分析法虽然具有较大的普遍性 但是 由于很多工业过程其内部机理较复杂 对某些物理 化学过程目前尚不完全清楚 所以对这些较复杂过程的建模较为困难 实际工业过程多半有非线性因素 在进行数学推导时常常作了一些近似与假设 虽然这些近似和假设具有一定的实际依据 但并不能完全反映实际情况 甚至会带来估计不到的影响 因此 即使用机理分析法得到过程的数学模型 仍然希望采用实验方法加以验证 尤其当实际过程较复杂求不出其数学模型时 更需要通过实验方法即辨识方法来求得 32 2 1 3试验法建模 1 试验法建模 根据过程对象输入 输出的实测数据 进行数学处理 过程辨识 参数估计 后得到的模型 从外特性上测试和描述它的动态性质 不需要深入掌握内在机理 动态特性只有当它处于变动状态时才会表现出来 被激励的状态 不加专门信号 利用过程在正常操作时所记录的信号 进行统计分析来求得过程的数学模型 一般来说这种方法只能定性地反映过程的数学模型 其精度较差 33 2 1 3试验法建模 加专门信号的 在试验过程中改变所研究的过程输入量 对其输出量进行数据处理就可求得过程的数学模型 专门信号 时间域信号 如阶跃信号 脉冲信号等 频率域信号 如正弦波 梯形波等 2 阶跃响应曲线的试验测定法输入信号变化前 过程对象为稳定状态 调节阀的开度做5 15 的变化 输入正反两个方向的阶跃信号 测取响应曲线 重复数次 34 2 1 3试验法建模 3 矩形脉冲响应曲线的试验测定法为了能够施加比较大的扰动幅值而又不至于严重干扰正常生产 可以用矩形脉冲输入代替阶跃输入 即 大幅度阶跃施加一小段时间后立即将它切除 这样得到的矩形脉冲响应当然不同于正规的阶跃响应过程 但两者之间有密切关系 可以从中求出所需的阶跃响应 35 2 1 3试验法建模 矩形脉冲信号x t 可以看作两个幅值相等方向相反的阶跃信号x1 t 和x2 t 的叠加 即 其矩形脉冲响应曲线阶跃响应曲线y1 t 和y1 t 加而成 即 矩形脉冲响应曲线 36 2 1 3试验法建模 由矩形脉冲实测曲线求取所对应的阶跃响应曲线 y1 t 要求的 y t 已知的 矩形脉冲响应曲线 分段作图法求y1 t 37 2 1 3试验法建模 4 由阶跃响应曲线确定 辨识 对象的特性参数 应用控制理论来分析 设计 整定或改进一个过程控制系统 只有过程的阶跃响应曲线是不够的 还必须由阶跃响应曲线确定其传递函数 1 根据试验曲线形状 确定模型结构A 有自衡能力对象的传递函数 无滞后过程 一阶惯性 二阶惯性 38 2 1 3试验法建模 有滞后过程 一阶 响应曲线在开始阶段斜率大 而后逐渐减少 即响应曲线单调递减 是一阶环节的固有属性 二阶 响应曲线在开始阶段斜率小 然后逐渐增大而后又逐渐减少 即曲线变化呈现 慢 快 慢 一阶惯性加滞后 二阶惯性加滞后 39 2 1 3试验法建模 B 无自衡能力对象的传递函数 无滞后过程 有滞后过程 C 需确定参数 放大系数K0 时间常数T T0 T1 T2 Ta 以及滞后时间 含 c与 0 40 2 1 3试验法建模 2 确定一阶环节的特性参数 阶跃响应曲线 方法1 A静态放大系数K B时间常数T0 T0 OB 作图法 41 2 1 3试验法建模 方法2 A静态放大系数K0 B时间常数T0 阶跃响应曲线标准化 在阶跃信号作用下 阶跃响应曲线 计算法 42 2 1 3试验法建模 在标准化曲线上选两个点 阶跃响应曲线 若T1与T2较接近时 43 2 1 3试验法建模 3 确定一阶加滞后环节的特性参数 该曲线的形状为S形 可以用一阶惯性加滞后环节来近似 A静态放大系数K B时间常数T0 T0 BC C滞后时间 OB 阶跃响应曲线 44 2 1 3试验法建模 4 确定二阶或n阶惯性环节的特性参数 阶跃响应曲线 待求参数 K0 T1 T2 求法 45 2 1 3试验法建模 T1 T2计算公式 已知t1 t2 一阶环节近似 二阶环节近似 46 2 1 3试验法建模 高阶环节近似 多容过程的n与t1 t2的关系 47 2 1 3试验法建模 5 确定无自衡过程的特性参数 无自衡过程阶跃响应曲线 OA 48 2 2过程变量检测及变送 2 2过程变量检测及变送2 2 1概述 控制仪表 检测仪表 过程控制系统 49 2 2 1概述 1 过程变量 或称过程参数 检测 主要是指连续生产过程中的温度 压力 流量 液位和成分等参数的测量 2 一次仪表 在进行过程变量检测时 一般由一测量体与被测介质相接触 测量体将被测参数成比例地转换为另一便于计量的物理量 然后再用仪表加以显示 在工程上 通常把前一过程叫做一次测量 所用的仪表叫作一次仪表 后面的计量显示仪表叫做二次仪表 50 2 2 1概述 3 测量误差测量误差是指测量结果与被测变量的真值 实际值 之差 测量误差反映了测量结果的可靠程度 1 绝对误差 相对误差绝对误差是指仪表指示值与被测变量的真值之差 相对误差是指绝对误差与被测变量的真值之比的百分数 常见有如下三种表示方式 51 2 2 1概述 A 实际相对误差 绝对误差与被测量的真值 实际值 之比的百分数B 标称相对误差 绝对误差与仪表指示值之比的百分数 C 引用相对误差 绝对误差与仪表的量程之比的百分数 52 2 2 1概述 2 系统误差 随机误差和疏忽误差A系统误差是指测量仪表本身或其它原因 如零点未调整好等 引起的有规律的误差 B随机误差是指在测量中所出现的没有一定规律的误差 C疏忽误差是指观察人员误读或不正确使用仪器与测量方法等人为因素所起的误差 53 2 2 1概述 3 基本误差 附加误差和允许误差A基本误差 基本误差是指仪表在规定的正常工作条件下所具有的误差 B附加误差 附加误差是指仪表超出规定的正常工作条件时所增加的误差 如仪表超过规定的工作温度时所引起的附加误差 C允许误差 允许误差是指在国家规定标准条件下使用时 仪表的示值或性能不允许超过某个误差范围 这是一个许可的误差界限 54 2 2 1概述 4 自动化仪表的性能指标 1 精度等级任何自动化仪表均有一定误差 使用仪表时首先必须知道仪表的精确程度 以便估计测量结果与真实值的差距 例如一台仪表的测温范围为50 550 绝对误差的最大值为6 则这台仪表的相对误差为 仪表精度 绝对误差的最大值 仪表量程 100 55 2 2 1概述 2 灵敏度与灵敏限灵敏度 仪表指针的线位移或角位移与引起此位移的参数变化量之比 灵敏限 灵敏限是指仪表能感受并发生动作的输入量的最小值 灵敏度 56 2 2 1概述 3 变差在外界条件不变的情况下 用同一仪表对同一个量进行正 反行程 逐渐由小到大或由大到小 测量时 所得两示值之差 变差 x1正行程测量的示值 x2反行程测量的示值 仪表量程 57 2 2 1概述 5 自动化仪表的选用过程自动化 正确的控制方案 正确合理地选用自动化仪表 仪表类型选用 控制型仪表 对过程影响较大 需随时进行监控的变量报警型仪表 可能影响生产或安全的变量 记录型仪表 经常了解其变化趋势的变量 指示型仪表 需要经常监视的变量 58 2 2 1概述 自动化仪表的精度等级选用 根据工艺要求 产品质量指标 变量的重要程度等要求来合理选用 仪表精度高 误差小 使用维护要高 价格贵 一般应该在满足上述要求的前提下 同时考虑经济性原则来合理选取 构成控制回路的各种仪表的精度要相配 记录仪表的精度不应低于1 0级 指示仪表精度不应低于1 5级 59 2 2 2温度检测及变送 2 2 2温度检测及变送1 概述温度是工业生产过程中最常见 最基本的参数之一 任何化学反应和物理变化都与温度有关 它约占生产过程中全部过程参数的50 左右 所以 温度的检测与控制是过程控制工程的重要任务之一 测量温度的方法很多 从测量体与被测介质接触与否来分 有接触式测温和非接触式测温两类 60 2 2 2温度检测及变送 接触式测温通过测量体与被测介质的接触来测量物体温度的 主要特点是 方法简单 可靠 测量精度高 问题 滞后现象 高温度的测量受限 非接触式测温通过接收被测介质发出的辐射热来判断温度主要特点是 测温上限原则上不受限制 测温速度较快 可以对运动体进行测量 但是它受到物体的辐射率 距离 烟尘和水汽等因素影响 测温误差较大 61 2 2 2温度检测及变送 测温仪表分类及其常用温度计 62 2 2 2温度检测及变送 2 热电偶温度计热电偶温度计在工业生产过程中使用极为广泛 它具有测温精度高 在小范围内热电动势与温度基本呈单值 线性关系 稳定性和复现性较好 测温范围宽 响应时间较快等特点 1 测温原理 热电偶的测温原理是以热电效应为基础的 63 2 2 2温度检测及变送 将两种不同材料的导体A B组成一个闭合回路 只要其连接点1 2温度不同 在回路中就产生热电动势 这种现象称为热电效应 这两种不同导体的组合元件就称为热电偶 热电偶回路产生的热电动势主要是由接触电动势组成的 平衡时 在A B两个导体间的电位差称为接触电动势 其值决定于两种导体的材料种类和接触点的温度 64 2 2 2温度检测及变送 当两种不同材料导体A B接触时 由于导体两边的自由电子密度不同 在交界面上便产生电子的互相扩散 若导体A中自由电子密度大于导体B中自由电子密度 在开始接触的瞬间 导体A向导体B扩散的电子数将比导体B向导体A扩散的电子数多 因而使导体A失去较多的电子而带正电荷 导体B带负电荷 致使在导体A B接触处产生电场 以阻碍电子在导体B中的进一步积累 最后达到平衡 平衡时 在A B两个导体间的电位差称为接触电动势 其值决定于两种导体的材料种类和接触点的温度 接触电动势产生机理 65 当接触点1 2的温度不同时 便产生两个不同的接触电动势 回路中的总电动势为 焊接的一端称为热端 工作端 与导线连接的一端称为冷端 自由端 热端与被测介质接触 冷端置于设备之外 在使用热电偶测温时 冷端温度应该使之相等 2 2 2温度检测及变送 热电偶测温示意图 1 热电偶2 测量仪器3 连接导线 66 67 2 2 2温度检测及变送 常用热电偶的结构形式 热电偶典型结构 1 接线盒2 接线柱3 接线座4 保护管5 绝缘瓷管6 热电偶 68 2 2 2温度检测及变送 3 热电阻温度计热电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度而变化的性质来测量温度的 最大特点是性能稳定 测量精度高 测温范围宽 1 铂电阻 2 铜电阻 3 半导体热敏电阻 具有灵敏度高 热响应时间短 结构简单 使用方便等特点 适用于快速测温 200 0 范围内 0 850 范围内 Rt R0 1 At Bt2 C t 100 t2 Rt R0 1 At Bt2 Rt R0 1 t 50 150 范围内 69 2 2 2温度检测及变送 4 温度送变器 DDZ 型 变送器 将被测的各种参数 温度 压力等 变换成统一标准信号 DC4 20mA或DC1 5V 的仪表 组成 输入回路 冷端温度补偿回路和非线性反馈回路 放大单元等部分组成 温度变送器结构组成框图 热电动势 调零调量程 反馈电路 70 2 2 2温度检测及变送 工作原理 71 2 2 3压力 流量 液位检测 2 2 3压力 流量 液位检测1 压力检测在现代工业生产过程中 压力的检测与控制是保证工艺要求 生产设备和人身安全并使生产过程正常运行的必要条件 同时 其它一些过程参数诸如温度 流量 液位等往往可以通过压力来间接测量 所以压力检测在生产过程自动化中具有特殊的地位 是极为重要的 72 2 2 3压力 流量 液位检测 按其转换原理不同 可分为以下四类 1 弹性式压力表 根据弹性元件受力变形的原理 将被测压力转换成位移来测量的 例如弹簧管式压力表 膜片 或膜盒式 压力表 波纹管式压力表等 2 液柱式压力表 根据流体静力学原理 把被测压力转换成液柱高度来测量的 如单管压力计 U型管压力计及斜管压力计等 73 74 75 76 2 2 3压力 流量 液位检测 3 电气式压力表 将被测压力转换成电势 电容 电阻等电量的变化来间接测量压力 适用于测量压力变化快 脉动压力 高真空和超高压场合 有应变片式压力计 霍耳片式压力计 热电式真空计等 4 活塞式压力表 根据液压机传递压力的原理 将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的重量进行测量 通常作为标准仪器对弹性压力表进行校验与刻度 77 78 79 2 2 3压力 流量 液位检测 2 流量检测在现代工业生产过程自动化中 流量是重要的过程参数之一 在大多数工业生产中 常用测量和控制流量来确定物料的配比与耗量 实现生产过程自动化和最优控制 流量测量的方法及其常用仪表很多 按其工作原理可分为三类 1 容积式流量计 以单位时间内所排出流体的固定容积的数目来计算流体总量的 80 81 2 2 3压力 流量 液位检测 它包括椭圆齿轮流量计 括板式流量计 腰轮流量计 旋转活塞式流量计等 容积式流量计的特点是测量精度较高 2 速度式流量计 应用流体力学测量流体在管道内的流速来计算流量的 这类仪表包括差压流量计 转子流量计 涡轮流量计 电磁流量计 靶式流量计 超声波流量计等 在工业生产过程中差压流量计和转子流量计应用最广 82 83 电磁式流量计 84 2 2 3压力 流量 液位检测 3 质量流量计 质量流量计有两种 一是通过直接检测与质量流量成比例的参数来实现质量流量测量的直接型质量流量计 二是通过体积流量计与密度计的组合来实现质量流量测量的间接型质量流量计 85 86 87 2 2 3压力 流量 液位检测 3 液位检测液位是指蜜封容器或开口容器中液面的高低 1 静压式液位计 静压式液位计是利用容器里的液位高度产生的静压力随其液位变化而变化的原理进行工作的 因为对于不可压缩的液体 液位高度与液位的静压力成正比 所以测出液体的静压力 即可知液位高度 2 电容式液位计 是利用测量电容量的变化来测量液位高低的 88 2 2 4成分分析仪表 2 2 4成分分析仪表在工业生产过程中 要确定各种物质的成分及其性质 就必须对有关参数进行分析 例如化学成分 化学性质 浓度 粘度等 用来测量物质成分与含量及其某些物理特性的仪表统称为分析仪表 能自动监视与测量工业生产过程中物料成分或性质的分析仪表叫流程分析仪表 或称工业自动分析仪器 89 2 2 4成分分析仪表 随着现代工业生产过程的反应速度愈来愈快 依靠人工取样化验分析已不能满足生产需要 如果能通过流程分析仪表及时得到各种物质的成分及其性质 根据分析信号进行质量控制 就可以取得最佳的控制质量 例如 加热炉的燃烧过程 若能根据分析烟道气的含氧量来控制空气供给量 则可获得最佳的热效率 从而可节省能源消耗 90 2 2 4成分分析仪表 红外线气体分析仪1 基本原理红外线是一种不可见光 它是一种电磁波 其波长为0 76 1000 m 红外线气体分析仪主要利用1 25 m之间的一段红外光谱 各种气体的分子本身都具有特定的振动和转动频率 只有当红外线光谱的频率和气体分子本身的特定频率相同时 这种气体分子才能吸收红外光谱辐射能 并部分地转化为热能 从而利用测温元件来测量红外辐射能的大小 这就是利用红外线进行气体成分分析的原理 91 2 2 4成分分析仪表 红外线通过物质前 后能量的变化 即被吸收的程度 与待分析组分的浓度有关 它们之间的定量关系遵循Bell定律 即 式中I 透射光强度 辐射强度 I0 入射光强度 辐射强度 k0 待测组分的吸收系数 c 待测组分的浓度 L 光通过待测组分的长度 92 93 94 95 2 2 4成分分析仪表 2 红外线气体分析仪的工作原理 原理图 1 光源2 反射镜3 分析室4 参比室5 切光片6 同步电机 7 8 干扰滤光室9 检测接收室10 电容接收室11 放大器12 记录仪表 96 2 2 4成分分析仪表 待测组分气体 N2气体 干扰气体 待测组分气体 待测组分红外线光谱能量大 待测组分红外线光谱能量小 左右吸收能量不同 产生压力差 动片位移 电容量变 放大 记录 97 2 2 5过程参数的采集 2 2 5过程参数的采集1 概述工业过程中 除了需要控制的参数外 还有许多重要的参数需要受到关注 这些参数中有些对工业过程的正常运行有重要作用 只是因为为了简化控制系统 或是由于实现上的困难而没有被选为被控参数 有些参数虽然与生产工艺没有直接关系 但与过程的安全运行或环境保护有重大关系 这些参数必须在生产过程中不断受到监视 其中的某些还要被记录和打印保存 作为分析生产过程或事故的依据 98 2 2 5过程参数的采集 与被控参数相比 这类参数的数量往往要大得多 因此在过程控制系统中 获取这类参数值也是一个重要的任务 它们和被控参数一起 构成了工业过程的全部参数 通常把获取过程参数称作数据采集 而把集中完成多点采集 处理 显示和记录的装置称为数据采集装置或系统 99 2 数据采集装置的组成 各个测点上的参数值经测量和变送 成为标准的电信号 再由多路开关切换 逐点送到A D变换器 变换后的数字信号被送交CPU处理 并将处理结果以指定形式输出 数据采集装置的组成 2 2 5过程参数的采集 100 2 2 5过程参数的采集 A 信号的变送与采样过程参数多数是非电量 即使是电量也有强电弱电 直流交流之分 很不统一 测量变送器的任务就是对各种参数 温度 压力 流量等 进行测量并转换成为标准的电压和电流信号 变送后的多路信号经多路模拟开关轮流切换到A D变换电路 模拟开关在这里起分时采样的作用 它将过程数据逐路分时送入CPU处理 101 2 2 5过程参数的采集 1 导通电阻和开断电阻 要求导通电阻小 100 以下 开断电阻大 109 以上 2 通道数 即可接通的信号路数 标称值是4 8或16路 3 最大输入电压 开关能开断的最大信号电压 标称值为 5V 10V 或 15V 4 切换速度 指转换输入通道所需的最小时间 它取决于开关的通断状态变换所需的时间 多数的过程参数变化较慢 因此一般的开关都能满足切换速度的要求 CC4051和CC4052是常用的集成多路模拟开关芯片 模拟多路开关的主要技术指标 102 2 2 5过程参数的采集 B A D转换A D转换器将各通道送来的模拟电压信号成比例地转换为二进制数字信号 送给CPU处理 1 逐步逼近式A D转换 由比较器 D A转换器 寄存器和控制逻辑构成 它的工作原理是将通道来的电压信号Ux与片内D A转换产生的电压信号U0相比较 这种比较逐位进行 从最高位到最低位 先将寄存器最高位置1 其余低位为0 将这个数的D A输出U0与Ux比较 若Ux U0 则控制逻辑保持最高位为1 103 2 2 5过程参数的采集 若Ux U0则将最高位变为0 然后将第二位置1 重复上述过程又可得到第二位的值 依此类推直到最低位的值被确定 比较结束后 寄存器内将有一个与Ux相对应的二进制数 逐位比较A D转换原理 104 2 2 5过程参数的采集 2 双积分式A D转换双积分转换过程分为两个阶段 第一次是固定积分时间上下限 对输人信号进行积分 第二次是加反向固定参考电压 对时间进行积分 直到第二次积分的值与第一次积分的值相互抵消为止 双积分A D转换的优点是转换精度高 抗干扰性强以及有较高的灵敏度 这是因为两次积分用的是同一组器件 只要在转换期间内R C和Ts不发生变化 就可保证精度 同时由于采用了积分 对叠加在信号上的交流干扰有较强的抑制能力 105 2 2 5过程参数的采集 双积分A D转换原理 106 2 2 5过程参数的采集 C 数据的处理和输出经过A D转换后的通道参数以数字形式送入计算机 由计算机处理后输出 计算机对数据的处理包括预处理和输出处理两种 预处理有滤波 开方和非线性校正等 在参数设有专用变送器的条件下 其输出为标准形式的电信号 如4 20mA直流电流 故只需要加以滤波来提高参数的准确性和可靠性 如果没有专用变送器 系统直接采集传感元件的变化 则需要进行开方 对流量 或非线性补偿 对温度 运算 以保证采集数据的正确 107 2 2 5过程参数的采集 3 数据采集系统的设计问题表征数据采集系统性能的基本参数有数据通道数 精度与分辨率和采集速度 数据通道数决定系统的规模 精度与多路开关 A D转换以及显示都有关 应该合理分配各环节的精度指标 其中精度越高 需要转换器的位数越多 成本就越高 分辨率则与显示位数有关 通常根据精度来选择 采样速度与过程参数变化率及通道总数有关 参数变化快则采样速度就要高 通道数多 采样速度也要高 108 2 3过程控制仪表 过程控制仪表包括调节器 含可编程调节器 执行器 操作器等各种新型控制仪表及装置 2 3 1 概述分类 1 按照能源分类 气动仪表 电动仪表2 按结构形式 基地式仪表 基地式调节器 单元组合式仪表 组装式仪表 集散控制装置3 按信号类型 模拟式仪表 数字式仪表 109 2 3 1概述 单元组合仪表 气动单元组合仪表 QDZ型 电动单元组合仪表 DDZ型 DDZ 1电子管为基本放大单位QQZ 2晶体管为基本放大单位DDZ 3线性集成电路 110 2 3 2调节器 2 3 2调节器 DDZ 型调节器 DDZ 型调节器是 型电动单元组合仪表中的一个重要单元 它接受变送器或转换器的DCl 5V或DC4 20mA测量信号为输入信号 与DCl 5V或DC4 20mA给定信号进行比较 并对其偏差进行PID运算 输出DC4 20mA标准统一信号 111 2 3 2调节器 DDZ 型调节器的框图 输入电路 PD电路 PI电路 手动操作电路 显示电路 输出电路 硬手动 调节器的输出电流与手动输入电压信号之间为比例关系 使调节器输出能很快达到所需的数值 软手动 调节器的输出电流与手动输入电压信号之间为积分关系 使调节器输出能缓慢达到所需的数值 原理框图 组成 112 2 3 2调节器 将输入信号 变送器送来的 与给定信号进行比较 并对偏差进行PID运算 输出4 20mA标准信号 送给执行器进行自动控制 作用 113 2 3 2调节器 1 输入电路作用 获得输入信号Ui与给定信号Us之差成比例的偏差信号 偏差差动电平移动电路 Ui测量电压 Us给定电压 114 2 3 2调节器 输入电路等效电路a 115 2 3 2调节器 输入电路等效电路b 116 2 3 2调节器 因为故结论 输入电路的输出U01是Us与Ui之差的二倍 采用电压转移 将两个以零伏为基准的输入信号转换为以UB 10V为基准的输出信号U01 117 2 3 2调节器 2 比例微分 PD 电路 比例微分电路 RPD微分电阻 阻值为RpD CD微分电容RPp比例电阻 阻值为Rpp 输入电路的输出 PD电路是对U01 进行比例微分运算 118 由PI和PD两个运算电路串联而成 由于输入电路中已采取电平移动措施 故这里各信号电压都是以VB 10V为基准起算的 2 3 2调节器 119 PD电路分析PD电路以A2为核心组成 微分作用可选择用与不用 开关S8打向 断 时 构成P电路 开关S8打向 通 时 构成PD电路 2 3 2调节器 120 PD传递函数 得 2 3 2调节器 121 式中 微分时间常数 又因 得 实际微分因子 2 3 2调节器 122 阶跃响应 当U01为阶跃信号时 U02的阶跃响应为 可见 此电路的微分是实际的微分 2 3 2调节器 123 当S8置于 断 时 微分被切除 A2只作比例运算 有 这时微分电容被开关S8接在9 1K分压电阻两端 使CD右端始终跟随电压U01 n 当开关S8切换到 通 时 保证无扰动切换 2 3 2调节器 124 2 3 2调节器 无源PD电路 比例电路 可求得U02 s 125 2 3 2调节器 特点 有导前作用 可用于对象容量滞后较大时 控制通道时间常数 但对纯滞后无效 能减少残差 微分作用太强 易导致调节阀开度饱和 因此 PD调节中以P调节为主D调节为辅 抗干扰能力差 只能用于被控量变化非常平稳的过程 126 2 3 2调节器 3 比例积分电路 PI 作用 对U02信号进行PI运算 输出以10V为基准的信号 比例积分电路原理图 RPi 积分电阻S1S2 联动开关CI 积分电容S3 积分换档开关 PD电路的输出 U02 m 127 PI传递函数IC负输入端节点电流方程 S3置于 10档 2 3 2调节器 128 传函为 设 Ti mRICI 积分时间常数 S3打向 10档时 m 10S3打向 1档时 m 1 2 3 2调节器 129 阶跃响应 当U02为阶跃信号时 U03的阶跃响应为 2 3 2调节器 130 2 3 2调节器 另种分析 射极跟随器包括在A3中 KCL K为A3的电压增益 F 131 2 3 2调节器 由于 式中 积分时间 积分增益 则 132 2 3 2调节器 4 DDZ 型调节器传递函数 调节器传递函数框图 输入电路 比例微分 比例积分 U01 U02 U03 133 2 3 2调节器 设 式中 相互干扰系数 比例增益 微分时间 积分时间 微分增益 积分增益 134 2 3 2调节器 5 输出电路 具有电平移动的电压 电流转换器UB 10V为基准的1 5VDC 4 20mADC Rf 250 U03 1 5V I0 4 20mA 135 2 3 2调节器 公式推导 Rf 250 U03 1 5V I0 4 20mA 136 2 3 2调节器 6 手动操作电路 硬手动 软手动 手动操作电路 137 2 3 2调节器 硬手动操作 就是调节器的输出电流与手动输入电压信号成比例关系 硬手动电路 CM影响不计RF RH U03 UH 手动调节电压 138 2 3 2调节器 软手动操作 就是调节器的输出电流与手动输入电压信号成积分关系 软手动电路 当按下S4 1或S4 4时 UR0 相对于UB而言 U03则积分下降 S4 1 S4 4四个开关可分别进行快 慢两种积分上升或下降的手动操作 S4 1 S4 3为快速 S4 2 S4 4为慢速 139 2 3 2调节器 保持电路 当S4 1 S4 4都处在断开位置时 为保持电路 下端浮空 UF UT 0V 相对于UB而言 CM上的电压无放电回路而长时间保持不变 即U03 UCM 调节器输出能长时间保持不变 140 2 3 2调节器 7 指示电路输入信号指示电路与给定信号指示电路完全一样 调节器使用双针电表 全量程地指示测量值与给定值 偏差的大小由两个指针间的距离来反映 在两针重合时 偏差为零 它将以零伏为基准的DC1 5V输入信号转换为以UB为基准的DC1 5mA电流信号 是一个具有电平移动的差动输入式比例运算放大器 141 2 3 2调节器 输入电压 UF U0 2 U0 UB 2 U0 Ui UT Ui 2 UB 2 UF UT If 0 I0 U0 R0 F T 标定 142 一 DDZ 型调节器 此调节器接受变送器或转换器的DC1 5V或DC4 20mA测量信号为输入信号 与DC1 5V或DC4 20mA给定信号进行比较 对其偏差进行PID运算 输出DC4 20mA标准统一信号 调节器工作框图如下 143 全刻度指示调节器线路原理图 144 调节器工作原理 比例微分电路 输入电路 其偏差电路的输出为 145 比例积分电路 型调节器传递函数 调节器工作原理 146 指示电路 调节器工作原理 输出电路 147 调节器工作原理 手动操作电路 148 二 运算单元 运算单元是构成复杂过程控制系统时的不可缺少的重要单元 可完成加 减 乘 除 平方 开方及其复合运算 149 三 可编程调节器 一 概述可编程调节器是一种新型的数字式控制仪表 兼容性好 面板与模拟调节器相似 由模拟显示和数字显示功能 运算功能丰富 45种子程序和30个运算单元供用户选用 进行组态 运算和控制 除PID控制外 还能实现前馈控制 选择性控制 采用控制 时延控制及自适应控制 安全可靠 采用大规模集成电路 仪表自身具有自诊断功能 双重化结构设计 仪表安全可靠 通用性强 使用维护方便 标准信号 POL编程语言 系统设计方便 根据系统控制流程图进行系统组态 POL语言进行软件设计 150 二 KMM可编程调节器的体系结构 1硬件系统它由CPU RAM ROM I O接口 正面板 侧面板及接线端子等组成 151 KMM调节器的人机接口装置 152 2软件系统 KMM调节器的软件分为系统程序和应用程序 系统程序 基本程序 输入处理程序 运算式程序 输出处理程序与自诊断程序 应用程序 它又称为控制数据 是用户根据实际需要自己编制的程序 用来调用系统程序中的某些子程序 并按要求将它们连接起来 即组态 以实现调节器的运算和控制等功能 153 三 KMM可编程调节器的主要功能 可编程调节器的主要功能可归纳为 输入处理功能 运算处理功能 输出处理功能 自动平衡功能 自诊断功能和通信功能 每项功能需根据实际需要 进行组态填写数据表 即编写用户程序 154 1 KMM调节器的输入处理功能 KMM调节器有五个模拟量输入信号 每个信号设计了五个标准处理模块 根据需要 自行设定 折线处理 对非线性输入信号 进行线性化处理 温度补偿 当测量气体或蒸汽流量时 为了提高测量精度 对其进行温度补偿 自动修正被测气体或蒸汽流量的流量值 压力补偿 与温度补偿相同 开平方 当采用节流装置 如孔板 测量流量时 需要进行开方处理 数字滤波 为了消除输入信号中的高频干扰 155 2 运算处理功能 运算功能是KMM可编程调节器的核心 运算处理功能是依靠45种运算式 30个运算单元和118种内部信号巧妙组合联接来实现的 运算式 是将各种控制规律和运算功能预先存储在系统ROM中的可调用的子程序 在设计应用程序时 应根据系统组态所使用的运算式 求出系统所有运算单元的全部运算处理时间的系数之和 选取运算周期 填入基本数据表中 调节器有两个PID运算模块 都具有常规PID和微分先行PID算法 156 PID模块内部功能构成 157 3输出处理功能 输出处理功能用来完成控制信号的转换工作 即把经过运算处理的数字信号变换成连续的DC1 5V或4 20mA的模拟信号 有三个模拟量输出端 AO1有DC1 5V和DC4 20mA两种输出 AO2 AO3均为1 5V输出 DO1 DO3为数字输出端 在编程时 根据实际需要来确定输出通道 并在控制数据中设定 158 4 控制类型与无扰动切换功能 四种控制类型 0型控制 一个PID局部型 1型控制 一个PID串级型 2型控制 两个PID局部型 3型控制 两个PID串级型 无扰动切换功能 自动平衡功能 KMM调节器可以实现手动M 自动A 串级C之间的无平衡无扰动切换 159 5自诊断功能 KMM可编程调节器在每一个采样周期都要对自身的功能进行故障检查 若发现有异常现象 调节器便自动切换到连锁手动状态或准备状态 同时在数据设定其显示窗口用不同的代码显示出故障的位置与故障的内容 若有通信接口 也可在操作站CRT上显示 自诊断如发现轻故障 则在窗口上显示代码和内容 自诊断如发现重故障 说明调节器的硬件系统或软件系统产生故障 则在窗口上显示代码和内容 同时调节器将自动切换到准备状态 需要对调节器进行停电检修 160 6通信功能 通信功能是指调节器与上位机进行信息交换的能力 通信功能是由调节器你的通信接口来完成的 在进行通信前 需在控制数据中设定通信的类型和运行方式 161 四 KMM可编程调节器的软件设计 调节器软件的设计通常根据工艺对检测与控制的要求先设计系统的控制方案 并画出系统控制的流程图 然后确定KMM调节器的功能要求 根据控制流程图设计并绘制系统组态图 再填写控制数据表 最后用编程器作为用户PROM 待检查无误后将其转入KMM调节器运行 根据实际需要用数据设定其更改有关参数 162 1系统组态图的设计 主要是用户根据不同的市场应对检测与控制的要求 或根据过程控制系统流程图的功能要求 选用KMM调节器45种运算式中的最多30个运算式进行组和软连接 以实现所设计的过程控制系统与逻辑安全保护等控制功能 163 2编写用户程序 用表格式语言编写程序 即填写七张表格基本数据表 见表2 28 输入处理数据表 见表2 29 PID运算数据表 见表2 30 折线数据表 见表2 31 可变参数表 见表2 32 输出处理数据表 见表3 33 运算模块数据表 见表3 34 164 五 KMM调节器应用举例 右图为一流量控制系统流程图和系统组态图 AIR1接受流量变送器的输出信号 经开放运算后送至PID1模块H2端作为信号输入 其另一端为给定LSP PID1输出再经手动操作单元MAN后有AO1输出 同时 AO1反馈值PID1的P1端 以实现无扰动切换 165 2 3 4执行器 调节阀 2 3 4执行器 调节阀 1 概述执行器 调节阀 由执行机构和调节机构 阀 两部分组成 它是过程控制工程中的一个重要组成环节 在一个过程控制系统中 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 来改变阀芯与阀座间的流通截面积以控制流入或流出被控过程的流体介质的流量 从而实现对过程参数的控制 166 2 3 4执行器 调节阀 在生产现场 执行器直接控制工艺介质 若选型或使用不当 往往会给生产过程的自动控制带来困难 因此 执行器的选择和使用问题非常重要 167 2 3 4执行器 调节阀 输入20 1000kPa气动信号特点 结构简单 动作可靠 性能稳定 维修方便 价格便宜 适用于防火防爆场合等特点 输入4 20mA特点 动作迅速 其信号便于远传 并便于与计算机配合使用 但是它不适用于易燃易爆等生产场合 推力最大 气动执行器 电动执行器 液动执行器 分类 168 2 3 4执行器 调节阀 执行机构 是调节阀的推动装置 按照输入信号的大小产生相应的推力 使阀杆产生相应的位移 从而带动阀体和阀芯动作 调节机构 是调节阀的调节部件 它直接与介质接触 阀芯的动作改变调节阀的节流面积 以达到调节介质流动的目的 执行器 调节阀 控制阀 执行机构 阀体组件 调节机构 169 2 3 4执行器 调节阀 2 电动执行器 由伺服放大器和执行机构两部分组成 电动执行器框图 Ii 调节器的输出 放大器的输入If 位置反馈 170 2 3 4执行器 调节阀 例 Ii If 0电机正转调节阀开度 增大Ii If 0电机反转调节阀开度 减小Ii If 0电机停转调节阀开度固定故 执行器 比例环节 电动阀门 电装 电机驱动器 变频器 171 2 3 4执行器 调节阀 3 气动执行器组成 气动执行机构 调节机构 气动薄膜式执行机构 结