06-自控仪表(数字、测量基础).ppt

第5节数字控制系统,概述,在数字控制系统中，信号的传递与处理都采用数字方式进行。,1.5数字控制系统概述,应用数字控制系统进行过程控制的最大特点，就是可以采用计算机作为控制系统的核心，利用计算机极强的数字运算能力，对数字输入信号灵活地进行各种复杂的运算与处理。,在计算机控制系统中，控制系统可以根据预设条件对受控对象的运行状态进行判断，然后有选择地按照事先编制的控制程序运行，使控制系统能够很容易地实现控制和多种控制规律地转换。正是数字控制的这种特点，大大增强了自动控制系统的控制能力，提高了控制系统的灵活性与实用性。,1.5数字控制系统概述,数字控制系统的另一个特点，就是可以采用数字处理程序（软件）代替以往的硬件，以此完成数据的处理工作。例如，在模拟仪表组成的控制系统中，对数据进行运算需要用到加法器或开方器，而在数字控制系统中，只需要编制相应的软件就能够完成相应的工作。,1.5数字控制系统概述,由于编制或修改程序比起添加或更换硬件具有更大的灵活性，所以，数字控制系统的控制规律比较容易改变，这是模拟系统无法比拟的。,1.5数字控制系统概述,1.5.1数字控制系统组成,数字控制系统一般可由过程参数传感器、变送器、模数（AD）转换器、控制器、数模（DA）转换器、执行器、调控设备等组成。,1.5数字控制系统1.5.1数字控制系统的组成,1.5.2数字控制系统数据处理的特点,一、数据采集,在数字控制系统中，受控参数数据信息的采集并不象模拟控制系统那样是连续进行的，而是每隔一定的时间间隔进行采集的。这种采集受控参数信息的工作，在数字控制系统中又称为数据采样。两次数据采样间的时间间隔称为采样周期；单位时间内采样的次数称为采样频率。,1.5数字控制系统1.5.2数字控制系统数据处理的特点,采样周期/频率与硬件关系:,采样周期越短、采样频率越快，对数字控制系统硬件的要求就越高，控制器处理的数据量也越大，对系统的控制响应速度有利；反之，采样周期越长、采样频率越慢，对数字控制系统硬件的要求就越低，控制器处理的数据量就相应较小，由此可能影响系统的控制响应速度。,1.5数字控制系统1.5.2数字控制系统数据处理的特点,二、传感器:,在数字控制系统中，传感器的选用与模拟控制系统基本相同，根据受控参数的特性选用相应的传感器。通常情况下，模拟控制系统中采用的传感器，也同样能用在数字控制系统中。传感器送出的信号，一般情况下仍为连续的反映受控参数变化的信号。该信号只有经过变送器与模数转换器后，才能进入控制器进行运算处理。,1.5数字控制系统1.5.2数字控制系统数据处理的特点,三、数字滤波:,在数字控制系统中，数据的运算与处理的一个突出特点就是数字滤波技术。对于数据信号中的干扰（包括周期性和脉冲性干扰）可采用数字滤波的方法减弱或消除其对控制系统的影响。,1.5数字控制系统1.5.2数字控制系统数据处理的特点,数字滤波的特点:,采用计算程序对数据信号进行平滑处理，尽可能地保留数据信号中的有效成分，去除其包含的杂波干扰。,1.5数字控制系统1.5.2数字控制系统数据处理的特点,优点:,不增加硬件设备，只需附加数字滤波程序；稳定性高，不存在因滤波电路硬件性能而造成滤波效果不佳的问题；无阻抗匹配问题；可供多个通道共用；使用灵活，可按需选择不同的滤波程序。,1.5数字控制系统1.5.2数字控制系统数据处理的特点,四、数据处理:,数字控制系统中，控制器可根据需要下达数据读入指令，有选择地控制采集信号进入数据处理器，进而对其进行分类、筛选及其有效性检查。一方面控制进入数处理器的信息，使数字处理系统始终处于最有效地工作状态，同时也对读入信息其进行必要的检验，判断系统数据输入部分是否有故障现象，一旦发现问题，可及时发出警报。,1.5数字控制系统1.5.2数字控制系统数据处理的特点,数据处理与线性化:,数字控制系统中对数据的处理还可解决采样信号的线性化问题。例如，在模拟仪表中，孔板差压流量计需要用到开方器才能将流量与差压的非线性关系转换为线性关系；而在数字控制系统中则可采用调用已存储的关系列表的方法，给出流量与差压的线性关系。,1.5数字控制系统1.5.2数字控制系统数据处理的特点,数据处理及数据转换:,数字控制系统运用数据处理的方法，可方便地进行各种必需的转换。例如，将m3h转换为ls；还可由一种参数值推算出和该种参数有相关关系的另一种参数的值，如采用间接测量流量的大小来推算管道水头损失的大小。,1.5数字控制系统1.5.2数字控制系统数据处理的特点,数据处理与PID控制:,数字控制系统不仅可以方便地实现PID控制算法，还可在此基础上对算法进行进一步地改进。对于标准的PID控制算法，目前增量型控制算式有比较广泛地应用，它的特点是比例、积分和微分作用相互独立，便于操作人员理解和检查各参数对控制效果的影响。,1.5数字控制系统1.5.2数字控制系统数据处理的特点,第6节分布式计算机控制系统,概述,分布式控制系统（DistributedControlSystem，简称DCS，又称集散控制系统）是70年代中期发展起来的结合计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术等先进技术为一体的新型控制系统。这种系统以其大规模的数据采集、数据处理及其强大的数据通信功能，为现代过程控制提供了强有力的支持。,1.6分布式计算机控制系统概述,分布式计算机控制系统已成为过程自动控制的首选控制系统方式，被许多大型装置先后采用。例如扬子石化公司烯烃厂的TDC3000系统，燕山石化公司化工一厂的CENTUM系统，齐鲁石化公司胜利炼油厂的SPECTRUM系统等。在给水排水工程系统中，分布式计算机控制系统已被越来越多的工程所采用。,1.6分布式计算机控制系统概述,1.6.1分布式计算机控制系统的组成,分布式计算机控制系统主要由控制站、数据传输通道和操作站三个基本部分组成。,1.6分布式计算机控制系统1.6.1分布式计算机系统的组成,1.6.2分布式计算机控制系统的特点,控制分散、信息集中。受控过程的自动控制系统采用全分散的结构，而受控过程的状态信息和历史数据则可全部集中进行显示并存储于系统的数据库，利用数据传输通道进行通信或送将数据送到有关的设备。这种结构使系统的管理集中、危险分散，过程更易管理并提高了系统的可靠性。,1.6分布式计算机控制系统1.6.2分布式计算机系统的特点,高度的灵活性和可扩展性。在分布式计算机控制系统中，根据系统结构和系统功能的需要，相应有许多不同功能和类型的板卡。例如：模数、数模转换板卡，存储器板卡，中央处理器（CPU）板卡，CRT板卡等等。选择不同数量、不同类型和不同功能的板卡，即可组成不同规模和不同要求的系统硬件环境。,1.6分布式计算机控制系统1.6.2分布式计算机系统的特点,模块化结构的应用软件：,根据系统规模和功能，选用相应模块化结构的应用软件。使用者只需借助于系统组态软件，方便地将所选硬件和软件模块连接在一起，即可组成计算机自动控制系统。如要进行系统功能的扩展，可增加一些板卡，再重新进行组态，则可组成新的功能更强大的系统。这种软、硬件模块化的结构，大大提高了系统的灵活性和可扩展性。,1.6分布式计算机控制系统1.6.2分布式计算机系统的特点,较强的数据通信能力:,分布式计算机控制系统的另一显著特征，就是它的数据通信方式。数据通信通道是系统运行的神经枢纽。系统设备间利用数据通信通道进行数据交换，还可经数据通道的接口与局部网络相连，使得系统的状态信息和历史数据等系统资源能够被方便地共享。,1.6分布式计算机控制系统1.6.2分布式计算机系统的特点,在分布式计算机控制系统中，可通过数据表格，流程画面，趋势显示，报警显示等形式显示系统的状态数据与历史纪录等信息。通过这些信息，操作员可及时了解整个受控过程的状态，并通过功能键或操作器直接改变操作量，干预受控过程，改变受控过程的状态或进行事故处理。,1.6分布式计算机控制系统1.6.2分布式计算机系统的特点,友好而丰富的人机界面：,在分布式计算机控制系统中，由于采用了自诊断技术、冗余技术、板卡（或模块）热插拔技术、网络技术等系统硬件组成技术，以及软件的决策判断、事故处理等先进的硬件控制与软件管理方法，使得系统的可靠性大大提高。据有关报告，分布式计算机控制系统的可保证平均故障间隔时间（MTBF）为100年。,1.6分布式计算机控制系统1.6.2分布式计算机系统的特点,极高的可靠性：,第2章过程参数检测仪表,第1节测量基本知识,2.1.1测量的概念与测量系统,一、测量的概念,2.1测量基本知识2.1.1测量的概念与测量系统,二、测量系统的组成,2.1测量基本知识2.1.1测量的概念与测量系统,2.1.2测量误差,一、测量误差的概念,绝对误差：,相对误差：,2.1测量基本知识2.1.2测量误差,二、测量误差的分类,系统误差（系统客观因素引起）,随机误差（测量偶然因素引起）,粗大误差（测量人为因素引起）,2.1测量基本知识2.1.2测量误差,三、测量精度,(a)精密度高(b)正确度高(c)准确度高(d)准确度低,2.1测量基本知识2.1.2测量误差,四、测量误差的计算,算术平均值：,真值：,2.1测量基本知识2.1.2测量误差,随机误差的分布：,2.1测量基本知识2.1.2测量误差,标准误差：,标准误差以表示，可由下式定义：,2.1测量基本知识2.1.2测量误差,由于实际的测量次数都是有限的，真值通常也是未知的，当重复测量的次数n足够多时，可用算术平均值代替。这时，标准误差的实用计算式为：,2.1测量基本知识2.1.2测量误差,标准误差的含义是：对同一量值重复多次的实测系列中，任一测量值xi与其真值X0之差的绝对值不超过X0的可能性是68.3%：,2.1测量基本知识2.1.2测量误差,利用误差理论可证明，|xiX0|3的可能性是99.73%（虚斜线部分）。3就定义为极限误差，其含意是：在上述的实际测量中，任何一个测量值xi的最大误差超过3几乎是不可能的（可能性只有0.27%）：,2.1测量基本知识2.1.2测量的概念与测量系统,2.1.3测量仪表的基本技术性能,一、仪表的测量范围：,仪表的测量范围就是仪表的测量上、下限之间的范围。仪表测量上限与下限的代数差，称为仪表的量程。,2.1测量基本知识2.1.3测量仪表的基本技术性能,二、仪表的测量精度：,仪表的精度表示了仪表的准确程度，它能估计测量结果与真值的差距，即估计测量值的误差大小。仪表的精度与测量精度既有联系、又不相同。仪表的精度高，则在正常使用条件下，其测量精度也高。,2.1测量基本知识2.1.3测量仪表的基本技术性能,相对误差较好地反映了某一次测量的准确程度。但对于具有一定测量范围的仪表，用相对误差来表示在整个测量范围内仪表的准确程度是不方便的。,2.1测量基本知识2.1.3测量仪表的基本技术性能,三、仪表的基本误差：,因为在仪表的测量范围内，可以有不同的测量值，根据相对误差的概念可知，绝对误差相同时，测量值愈大，其相对误差就愈小。仪表的准确程度一般用仪表的基本误差来表示。,2.1测量基本知识2.1.3测量仪表的基本技术性能,仪表的基本误差j是在仪表测量范围中，最大绝对误差的绝对值|max|与该仪表的测量范围Lm的比值，用百分数表示，即,2.1测量基本知识2.1.3测量仪表的基本技术性能,仪表出厂时，根据设计与制造标准的不同，要求仪表的基本误差都不得超过某一规定值，此规定值即为仪表的允许误差。允许误差去掉百分号的数值称为仪表的精度等级。目前我国仪表采用的精度级序列为：0.005、0.01、0.02、0.04、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0、5.0。,2.1测量基本知识2.1.3测量仪表的基本技术性能,序列数愈大，仪表的精度等级愈低、精度愈低。仪表的精度等级，常以在反映仪表精度等级的数字外加一圆圈或三角号的形式标于仪表表头上。必须注意以下几点：,2.1测量基本知识2.1.3测量仪表的基本技术性能,（1）用户不能按自己检定的基本误差随意给仪表升级使用，但在某种情况下可降级使用。（2）仪表的精度等级是该仪表基本误差的允许值（即允许误差）的标志，并不代表该仪表在实际测量中出现的误差。,2.1测量基本知识2.1.3测量仪表的基本技术性能,（3）同一精度等级和同一测量范围的仪表，在测量中仪表可能产生的最大绝对误差与被测量的大小无关。例如，使用精度为1.0级、测量范围是50150的温度仪表测温度时，无论所测的温度是80还是100，其可能产生的最大绝对误差均为,2.1测量基本知识2.1.3测量仪表的基本技术性能,（4）精度等级相同，但测量范围不同的仪表，测量范围大者，在测量中可能产生的最大绝对误差值也大。因此，选用仪表时，在满足被测量数值范围的前提下，应尽可能选择测量范围小的仪表，尽量使测量值在满刻度的三分之二左右。,2.1测量基本知识2.1.3测量仪表的基本技术性能,在稳定情况下，仪表输出的变化量（如指针的直线位移或角位移等）与引起该变化的输入量（被测量）的变化量的比值称为仪表的灵敏度，以S表示，即,四、仪表的灵敏度：,2.1测量基本知识2.1.3测量仪表的基本技术性能,仪表的灵敏限是指能引起仪表输出量变化（如指针发生动作）的被测量的最小变化量，故又称为仪表的分辨率。仪表的灵敏限一般不大于仪表测量中最大误差绝对值的一半。,五、仪表的灵