第一讲 自动控制系统与测量的基本概念

1、1 电气测试技术 主讲：主讲： 刘志成刘志成 自动化系自动化系 2 电气测试技术 什么是自动化？什么是自动化？ 仪表与自动化的关系？仪表与自动化的关系？ 测量仪表在自动化中的地位？测量仪表在自动化中的地位？ 测量的基本知识测量的基本知识 3 自动化的概念 n工业自动化的概念：工业自动化的概念： 工业自动化是化工、炼油、食品、工业自动化是化工、炼油、食品、 轻工、电力等流程工业生产过程自动轻工、电力等流程工业生产过程自动 化的简称。在生产设备上，配上一些化的简称。在生产设备上，配上一些 自动化装置（仪表），代替操作人员自动化装置（仪表），代替操作人员 的部分直接劳动，使生产在不同程度的部分直接劳

2、动，使生产在不同程度 上自动地进行，并达到预定的目标，上自动地进行，并达到预定的目标， 这种用自动化装置来管理生产过程的这种用自动化装置来管理生产过程的 办法，称为生产过程自动化。办法，称为生产过程自动化。 4 自动化的概念 n 随着现代科学技术的蓬勃发展，随着现代科学技术的蓬勃发展， 炼油、化工、冶金、电力、生物、炼油、化工、冶金、电力、生物、 制药等工业过程的生产规模越来越制药等工业过程的生产规模越来越 大型化、复杂化，各种类型的自动大型化、复杂化，各种类型的自动 控制技术已经成了现代工业生产实控制技术已经成了现代工业生产实 现安全、高效、优质、低耗的基本现安全、高效、优质、低耗的基本 条

3、件和重要保证条件和重要保证 5 自动化的概念 进进 料料 口口 执执 行行 器器 变变 送送 器器 6 自动化的概念 进进 料料 口口 执执 行行 器器 变变 送送 器器 进进 料料 口口 执执 行行 器器 变变 送送 器器 7 自动化的概念 系统：由相互联系的系统：由相互联系的 具有特定功能的具有特定功能的 若若 干部分干部分(环节环节)组成的组成的 完成一定任务的完成一定任务的整体整体。 强调强调整体性和协调性整体性和协调性 8 自动控制系统的基本组成自动控制系统的基本组成 1 、自动控制系统的基本组成自动控制系统的基本组成 (1)、被控对象：生产中要求控制的生产设备 （或过程）； (2)

4、、测量元件或变送器：对被控参数进行测量 的仪表； (3)、控制器：把被控参数的测量值与给定值相 减得出偏差，并按某种运算规律算出结果，同 时将此结果送给调节阀； (4)、调节阀：根据调节器送来的信号的大小， 自动改变阀的开启度，调节介质的流量，实现 控制的目的。 9 自动控制系统的基本组成及方块图自动控制系统的基本组成及方块图 2、自动控制系统的有关名词术语自动控制系统的有关名词术语 （1 1）被控对象（受控对象）；）被控对象（受控对象）； （2 2）被控变量（受控变量）：控制对象内要求以一定的）被控变量（受控变量）：控制对象内要求以一定的 精度保持恒定或随某一参数（给定值）的变化而变化的精度

5、保持恒定或随某一参数（给定值）的变化而变化的 变量；变量； （3 3）给定值：要求被控参数所保持或遵循的数值）给定值：要求被控参数所保持或遵循的数值 （4 4）偏差：给定值与测量值的差值）偏差：给定值与测量值的差值 （5 5）干扰：影响被控变量，使其偏离给定值的因素）干扰：影响被控变量，使其偏离给定值的因素 （6 6）操纵变量：影响被控变量，克服干扰使被控变量回）操纵变量：影响被控变量，克服干扰使被控变量回 到给定值的（调节阀的输出）；到给定值的（调节阀的输出）； （7 7）控制作用：控制器的输出）控制作用：控制器的输出 10 自动控制系统的工作过程自动控制系统的工作过程 3、自动控制系统的工

6、作过程自动控制系统的工作过程 以换热器系统为例 凝液 蒸 汽 TC 11 自动控制系统的质量自动控制系统的质量 4 4、影响控制系统控制质量的主要因素、影响控制系统控制质量的主要因素 被控对象是核心 测量仪表是基础 控制器是灵魂 调节阀（执行器）是关键 12 常见的测控参数：常见的测控参数：T、P、L、F、A（五大参数） 5.测控仪表的分类：测控仪表的分类：变送器（传感器）、执行器、控制器三大类 * * T P P L F A 温度 ：温度变送器（热电偶、热电阻、集成温度传感器） 压力 ：压力变送器 差压：差压变送器 变送器 液位 ：差压变送器 流量 ：流量变送器（电磁流量计、涡街流量计、涡轮

7、流量计） 成份 ：成份分析仪（在线、离线） 0 1 0 0 % /O nO ff 电 动 调 节 阀 能 源 （ 动 力 ） 气 动 调 节 阀 执 行 器 连 续： 调 节 阀 工 作 方 式 通 断： 开 关 阀 控制器：常规调节器、智能调节器、计算机系统 13 被测 变量 检测环节 参数测量的基本过程 被测对象 传送放大 环节 显示环节 测量是以确定被测量的量值为目的测量是以确定被测量的量值为目的 的的 一组操作；一组操作； 量值一般是由一个数量值一般是由一个数乘乘计量单位所表示的特定量的大小；计量单位所表示的特定量的大小； 真值是指被测量的真实值。真值是指被测量的真实值。 14 被测

8、变量 检测环节 参数测量的基本过程 被测对象 传送放大 环节 显示环节 15 送往显示仪表，指送往显示仪表，指 示或记录工艺变量，或同时送往控制器对被控变量进行示或记录工艺变量，或同时送往控制器对被控变量进行 控制。控制。 16 检测检测实施正确控制的第一步实施正确控制的第一步 变送变送将检测元件输出的各种信号、微将检测元件输出的各种信号、微 弱信号转化成弱信号转化成统一统一(标准标准)的电气信号的电气信号。 显示或记录显示或记录 静态：静态：正确正确 y(t) 正确反映正确反映 c(t)的值的值 可靠可靠长期工作长期工作 动态：动态：迅速迅速y(t)迅速反映迅速反映c(t)的变化的变化 过程

9、控制对检测仪表要求过程控制对检测仪表要求： 17 测量的基本概念测量的基本概念 一、测量过程的实质与测量误差一、测量过程的实质与测量误差 （以温度，电阻测量为例说明）以温度，电阻测量为例说明） 1、测量过程实质上是被测参数信号能量形、测量过程实质上是被测参数信号能量形 式的一次或多次不断变化或传送，并将被式的一次或多次不断变化或传送，并将被 测参数与相应的测量单位进行比较的过程，测参数与相应的测量单位进行比较的过程， 而测量仪表就是实现变换、比较的工具。而测量仪表就是实现变换、比较的工具。 18 测量的基本概念测量的基本概念 2、 测量误差测量误差: 是被测量的真值与测量值的差值。是被测量的真

10、值与测量值的差值。 有测量就有误差。有测量就有误差。 （1）误差产生的原因；）误差产生的原因； （2）误差的特点及分类；）误差的特点及分类； （3）误差的表示方法：绝对误差和相对误差）误差的表示方法：绝对误差和相对误差 （4）误差的计算方法：真值的求取（算术平均值）误差的计算方法：真值的求取（算术平均值 或标准表的读数）或标准表的读数） 19 测量的基本概念测量的基本概念 （1）误差产生的原因：）误差产生的原因： a 测量仪表的基本特性误差是由测量仪表的测量仪表的基本特性误差是由测量仪表的 设计和生产原因造成的，它反映了设计方设计和生产原因造成的，它反映了设计方 面的方法误差和结构工作原理有关

11、的误差。面的方法误差和结构工作原理有关的误差。 在生产方面有零部件加工误差、装配误差在生产方面有零部件加工误差、装配误差 和测量方法误差等。也就是说，基本特性和测量方法误差等。也就是说，基本特性 误差是由于传感器本身质量不高的因素造误差是由于传感器本身质量不高的因素造 成的，只有排除或减小各项误差因素，才成的，只有排除或减小各项误差因素，才 能提高其精确程度。能提高其精确程度。 20 测量的基本概念测量的基本概念 （1）误差产生的原因：）误差产生的原因： b 一般把来源于测量仪表的外部，可能改变一般把来源于测量仪表的外部，可能改变 检测仪表的基本工作特性的误差叫做影响检测仪表的基本工作特性的误

12、差叫做影响 误差或附加误差。误差或附加误差。 21 测量的基本概念测量的基本概念 （1）误差产生的原因：）误差产生的原因： 由上面看出：由上面看出：测量误差主要由测量误差主要由 基本特性误差和影响误差两种形基本特性误差和影响误差两种形 式反映出来，从误差的特性来看，式反映出来，从误差的特性来看， 前者综合了检测仪表结构组合性前者综合了检测仪表结构组合性 能，后者则体现检测仪表的适应能，后者则体现检测仪表的适应 性能。性能。 22 测量的基本概念测量的基本概念 （2）误差的特点及分类：）误差的特点及分类： 在测量过程中，存在诸多因素在测量过程中，存在诸多因素 都会导致测量误差。误差的成因都会导致

13、测量误差。误差的成因 不同，以致误差的性质和表现出不同，以致误差的性质和表现出 的特征也不同，据此可将测量误的特征也不同，据此可将测量误 差分为系统误差和随机误差。差分为系统误差和随机误差。 23 测量的重复性和复现性测量的重复性和复现性 补充概念补充概念 测量的四要素：测量程序；测量的四要素：测量程序； 环境条件；环境条件； 设备仪器；设备仪器； 操作人员操作人员 重复性重复性：在相同的测量条件下，对同一被测量：在相同的测量条件下，对同一被测量 进行连续多次的测量所得结果之间的一致性。进行连续多次的测量所得结果之间的一致性。 复现性：复现性：改变测量条件，同一被测量的测量结改变测量条件，同一

14、被测量的测量结 果之间的一致性果之间的一致性 24 测量的基本概念测量的基本概念 系统误差：在重复性条件下，对同一被测量进行系统误差：在重复性条件下，对同一被测量进行 无限次测量所得结果的平均值与被测量的真值之无限次测量所得结果的平均值与被测量的真值之 差。系统误差的共同特点是确定的变化规律，成差。系统误差的共同特点是确定的变化规律，成 因不同，变化规律也不同。按其变化规律系统误因不同，变化规律也不同。按其变化规律系统误 差可分为定值系统误差、线性变化的系统误差、差可分为定值系统误差、线性变化的系统误差、 周期变化的系统误差和复杂规律变化的系统误差。周期变化的系统误差和复杂规律变化的系统误差。

15、 对于成因已知的系统误差，可以通过工艺途径、对于成因已知的系统误差，可以通过工艺途径、 防护隔离等措施使之得到改善和消除；对于变化防护隔离等措施使之得到改善和消除；对于变化 规律已知的，还可以通过修正补偿使之改善和消规律已知的，还可以通过修正补偿使之改善和消 除。但是系统误差及其产生原因和变化规律不能除。但是系统误差及其产生原因和变化规律不能 完全获知，很难做到完全消除。完全获知，很难做到完全消除。 25 测量的基本概念测量的基本概念 随机误差：随机误差：随机误差是指测量结果与在重随机误差是指测量结果与在重 复条件下，对同一被测量进行无限多次测复条件下，对同一被测量进行无限多次测 量所得结果的

16、平均值之差。随机误差的最量所得结果的平均值之差。随机误差的最 主要特征是随机性。与其它随机变量一样，主要特征是随机性。与其它随机变量一样， 测量结果的随机误差分析是以概率论为基测量结果的随机误差分析是以概率论为基 础的，在大量重复试验和测量时，就其个础的，在大量重复试验和测量时，就其个 别来说具有偶然性，但就其总体来说，则别来说具有偶然性，但就其总体来说，则 具有必然性即符合统计规律。如有具有必然性即符合统计规律。如有正态分正态分 布布、均匀分布、二项分布、均匀分布、二项分布 等等 26 测量的基本概念测量的基本概念 随机误差的随机误差的正态分布正态分布： 27 测量的基本概念测量的基本概念

17、随机误差的随机误差的正态分布正态分布： 28 测量的基本概念测量的基本概念 （3）误差的表示方法：）误差的表示方法： 绝对误差（测量结果与真值之差）绝对误差（测量结果与真值之差） 相对误差（相对于真值或量程）相对误差（相对于真值或量程） 29 测量的基本概念测量的基本概念 （4）误差的计算方法：）误差的计算方法： 关键在于真值的求取（算术平均值或关键在于真值的求取（算术平均值或 标准表的读数）标准表的读数） 30 测量的基本概念测量的基本概念 随机误差的随机误差的正态分布正态分布： 31 测量的基本概念测量的基本概念 二、仪表的性能指标二、仪表的性能指标 1、精度；、精度；2、变差；、变差；3

18、、灵敏度、灵敏度 与灵敏限（模拟仪表）；与灵敏限（模拟仪表）；4、分辨、分辨 力（数字仪表）；力（数字仪表）；5、线性度；、线性度；6 重复性；重复性；7、反应时间（动态误、反应时间（动态误 差）。差）。 32 测量的基本概念测量的基本概念 1、精度：绝对误差能够在一定程度、精度：绝对误差能够在一定程度 上反应仪表的精度；相对误差能上反应仪表的精度；相对误差能 够更有效地反应仪表的精度。这够更有效地反应仪表的精度。这 是由于是由于。 因此，工业上常将绝对误差折合成仪因此，工业上常将绝对误差折合成仪 表测量范围的百分数，称为相对百分表测量范围的百分数，称为相对百分 误差。实践中，就是根据该相对百

19、分误差。实践中，就是根据该相对百分 误差确定仪表的精度等级误差确定仪表的精度等级。 33 精度等级（精度）精度等级（精度） 表示仪表测量结果的可靠程度。表示仪表测量结果的可靠程度。 仪表的仪表的精度等级精度等级是根据仪表的相对误差来定义的。是根据仪表的相对误差来定义的。 具体做法：具体做法：相对误差相对误差去掉去掉“”号及号及“%”后，后，系系 列化圆整后列化圆整后的数值。的数值。仪表精度等级数值越小，说仪表精度等级数值越小，说 明仪表测量准确度越高。明仪表测量准确度越高。 34 仪表的精度等级以一定的符号形式表仪表的精度等级以一定的符号形式表 示在仪表标尺板上，如示在仪表标尺板上，如1.01

20、.0外加一个圆圈外加一个圆圈 或三角形。精度等级或三角形。精度等级1.01.0，说明该仪表，说明该仪表允允 许误差许误差为为1.0%1.0%。 目前我国生产的仪表的精度等级有：目前我国生产的仪表的精度等级有： 0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0, 1.5,2.5,4.01.5,2.5,4.0等。等。 显然显然仪表精度等级数值越小，说明仪表测仪表精度等级数值越小，说明仪表测 量准确度越高。量准确度越高。 1.0 1.0 允许误差？允许误差？ 35 36 例例1 1 某台测温仪表的量程是某台

21、测温仪表的量程是600600-11001100， 其最大绝对误差为其最大绝对误差为4 ，试确定该仪表的精，试确定该仪表的精 度等级。度等级。 max 4 100%0.8% 1100600 由于国家规定的精度等级中没有由于国家规定的精度等级中没有0.80.8级级 仪表，而该仪表的最大引用误差超过了仪表，而该仪表的最大引用误差超过了 0.50.5级仪表的允许误差，所以这台仪表的级仪表的允许误差，所以这台仪表的 精度等级应定为精度等级应定为1.01.0级。级。 解解 仪表的最大相对误差为仪表的最大相对误差为 37 例例2 2 某台测温仪表的量程是某台测温仪表的量程是600600- 11001100，

22、工艺要求工艺要求该仪表指示值的误差不该仪表指示值的误差不 得超过得超过4 ，应选，应选精度等级为多少的仪精度等级为多少的仪 表才能满足工艺要求。表才能满足工艺要求。 max 4 100%0.8% 1100600 解解 根据工艺要求，仪表的最大允许误差根据工艺要求，仪表的最大允许误差 为为 38 0.8%介于允许误差介于允许误差0.5%与与 1.0%之间，如果选择允许误差为之间，如果选择允许误差为 1.0%,则其精度等级应为则其精度等级应为1.0级。量程级。量程 为为6001100，精确度为，精确度为1.0级的仪表，级的仪表， 可能产生的最大绝对误差为可能产生的最大绝对误差为5，超过，超过 了工

23、艺的要求。所以只能选择一台允许了工艺的要求。所以只能选择一台允许 误差为误差为0.5%，即精确度等级为，即精确度等级为0.5级的级的 仪表，才能满足工艺要求。仪表，才能满足工艺要求。 39 5 *100%1.25% 4000 40 0.5 *100%1.25% 400 41 42 43 仪表精度与量程有关，量程是仪表精度与量程有关，量程是 根据所要测量的工艺变量来确定的。根据所要测量的工艺变量来确定的。 在仪表精度等级一定的前提下适当在仪表精度等级一定的前提下适当 缩小量程，可以减小测量误差，提缩小量程，可以减小测量误差，提 高测量准确性。高测量准确性。 44 测量的基本概念测量的基本概念 2

24、、变差：、变差：对于某一输入量，测量仪表对于某一输入量，测量仪表 在正行程时的输出量明显地、有规律在正行程时的输出量明显地、有规律 地不同于其在反行程时在同一输入量地不同于其在反行程时在同一输入量 下的输出量，被测量值正行程和反行下的输出量，被测量值正行程和反行 程所得到的两条特性曲线之间的最大程所得到的两条特性曲线之间的最大 偏差。造成变差的原因有多种，如磁偏差。造成变差的原因有多种，如磁 性材料的磁滞、弹性材料的内摩擦、性材料的磁滞、弹性材料的内摩擦、 运动部件的干摩擦及间隙等。运动部件的干摩擦及间隙等。 45 测量的基本概念测量的基本概念 46 测量的基本概念测量的基本概念 变差可用测量

25、仪表正行程和反行程特性之间变差可用测量仪表正行程和反行程特性之间 之间的最大差值，以满量程输出的百分比之间的最大差值，以满量程输出的百分比 来表示：来表示： max 100% FS y H y 47 测量的基本概念测量的基本概念 3、灵敏度与灵敏限（模拟仪表中常、灵敏度与灵敏限（模拟仪表中常 用）：用）：灵敏度是指测量仪表在静态工作灵敏度是指测量仪表在静态工作 条件下，输出量的变化与引起该变化量的条件下，输出量的变化与引起该变化量的 输入变化量之比，其表达式为：输入变化量之比，其表达式为： y k x 48 测量的基本概念测量的基本概念 3、灵敏度与灵敏限：、灵敏度与灵敏限： 由于种种原因，会

26、引起灵敏度变化，由于种种原因，会引起灵敏度变化， 从而产生灵敏度误差：从而产生灵敏度误差： 灵敏限是指能引起指示值发生变化被灵敏限是指能引起指示值发生变化被 测参数的最小变化量测参数的最小变化量 100% S k k 49 4、分辨力（数字仪表中常用）：、分辨力（数字仪表中常用）： 分辨力是指测量仪表能检测到的最小分辨力是指测量仪表能检测到的最小 的输入增量。测量仪表的输入输出关系的输入增量。测量仪表的输入输出关系 不可能做到绝对连续。有些测量仪表，不可能做到绝对连续。有些测量仪表， （有时）输入量开始变化，但输出量并（有时）输入量开始变化，但输出量并 不随之发生变化，而是输入量变化到一不随之

27、发生变化，而是输入量变化到一 定程度时输出才突然产生一小的阶跃变定程度时输出才突然产生一小的阶跃变 化，表征了测量仪表的分辨力。化，表征了测量仪表的分辨力。 50 4、分辨力（数字仪表中常用）：、分辨力（数字仪表中常用）： 分辨力它可以用输入量表示，也可以分辨力它可以用输入量表示，也可以 用输出量表示，是一个可反映测量仪用输出量表示，是一个可反映测量仪 表是否能精密测量的性能指标。造成表是否能精密测量的性能指标。造成 测量仪表具有有限分辩力的因素很多，测量仪表具有有限分辩力的因素很多， 如机械运动部件的干摩擦和卡死等，如机械运动部件的干摩擦和卡死等， 还有数字系统的运算维数有限，线绕还有数字系

28、统的运算维数有限，线绕 电位器的有限匝数等。电位器的有限匝数等。 测量仪表输入零点附近的分辨力称为阈值。测量仪表输入零点附近的分辨力称为阈值。 51 分辨率分辨率（仪表灵敏限）：仪表输出能分辨（仪表灵敏限）：仪表输出能分辨 和响应的最小输入变化量。和响应的最小输入变化量。 分辨率是灵敏度的一种反映。对于数字式分辨率是灵敏度的一种反映。对于数字式 仪表而言，分辨率就是数字显示器最末位仪表而言，分辨率就是数字显示器最末位 数字间隔代表被测量的变化与量程的比值。数字间隔代表被测量的变化与量程的比值。 52 测量的基本概念测量的基本概念 5、线性度、线性度:传感器的输入与输出关系或多传感器的输入与输出

29、关系或多 或少地存在非线性问题。为了标定和数据或少地存在非线性问题。为了标定和数据 处理的方便，通常希望将非线性特性线性处理的方便，通常希望将非线性特性线性 化，在非线性不太严重时，总是采用直线化，在非线性不太严重时，总是采用直线 拟合的办法线性化。这样理想特性是线性拟合的办法线性化。这样理想特性是线性 的，但实际特性却存在非线性。的，但实际特性却存在非线性。 53 测量的基本概念测量的基本概念 54 测量的基本概念测量的基本概念 在采用直线拟合线性化时，传感器实际输在采用直线拟合线性化时，传感器实际输 入输出平均特性曲线与其拟合直线（参考入输出平均特性曲线与其拟合直线（参考 直线直线,或称理论直线）之间的最大偏差，称或称理论直线）之间的最大偏差，称 为非线性误差，一般用相对误差来表示：为非线性误差，一般用相对误差来表示： max 100% L FS L y 55 测量的基本概念测量的基本概念 6、重复性：、重复性：重复性是指测量仪表在输重复性是指测量仪表在输 入按同一