自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與儀表控制系統(tǒng)-儀表系統(tǒng)及其理論分析.ppt

第三篇儀表系統(tǒng)分析 儀表系統(tǒng)理論分析儀表發(fā)展概況常用儀表分類及特性儀表輸入輸出靜態(tài)特性分析儀表系統(tǒng)建模 時(shí)域 頻域和離散模型儀表系統(tǒng)的時(shí)域分析儀表系統(tǒng)的頻域分析儀表系統(tǒng)的各個(gè)單元 原理 結(jié)構(gòu) 分類及特性變送單元顯示單元調(diào)節(jié)控制單元執(zhí)行單元 儀表發(fā)展概況常用儀表分類及特性常用儀表分類電動(dòng)單元組合儀表及DDZ 和DDZ 型儀表比較儀表輸入輸出靜態(tài)特性分析輸入輸出特性分析儀表特性線性化處理分析儀表系統(tǒng)建模 時(shí)域 頻域和離散模型儀表系統(tǒng)的時(shí)域分析時(shí)域分析指標(biāo)階躍擾動(dòng)動(dòng)態(tài)特性分析等速擾動(dòng)動(dòng)態(tài)特性分析儀表系統(tǒng)的頻域分析正弦擾動(dòng)動(dòng)態(tài)特性分析頻率響應(yīng)Bode圖分析頻帶分析 10 儀表系統(tǒng)及其理論分析 自動(dòng)化儀表可以代替人對(duì)控制過(guò)程進(jìn)行測(cè)量 監(jiān)視 控制和保護(hù) 包括檢測(cè)儀表和控制儀表 檢測(cè)儀表將被控變量轉(zhuǎn)換成測(cè)量信號(hào)后 需要送到控制儀表 以便控制生產(chǎn)過(guò)程的正常運(yùn)行 使被控變量達(dá)到預(yù)期的要求 控制儀表包括自動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛使用的調(diào)節(jié)器 變送器 執(zhí)行器及顯示器 單元 等 10 1儀表發(fā)展概況 基地式 產(chǎn)生于20世紀(jì)40年代初 自動(dòng)化程度不高 將測(cè)量 記錄和調(diào)節(jié)功能組合在一起 主要用在分散的控制現(xiàn)場(chǎng) 應(yīng)用于石油 化工 電力和機(jī)械等領(lǐng)域 單元組合式 隨大型工業(yè)的出現(xiàn) 生產(chǎn)向綜合自動(dòng)化和集中控制的方向發(fā)展 使儀表以功能劃分 形成相對(duì)獨(dú)立的能完成一定職能的標(biāo)準(zhǔn)單元 各單元之間以規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相互聯(lián)系 可根據(jù)實(shí)際需要 選擇不同的單元 構(gòu)成不同的自動(dòng)控制系統(tǒng) 特點(diǎn)是使用靈活 通用性強(qiáng) 適用于中小企業(yè)的自動(dòng)化系統(tǒng) 電動(dòng)單元組合儀表的發(fā)展分為三個(gè)階段 DDZ 型 60年代中期出現(xiàn) 以電子管和磁放大器為主要放大元件 DDZ 型 70年代初期出現(xiàn) 以晶體管為主要放大元件 DDZ 型 80年代初期出現(xiàn) 以晶體管為主要放大元件 具有安全火花防爆性能 數(shù)字式自動(dòng)化儀表 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展而在80年代中期出現(xiàn)的 其核心為單板機(jī)或單片機(jī) 相應(yīng)的有數(shù)字式調(diào)節(jié)器和顯示儀表 智能儀表及可編程邏輯控制器等 為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展做基礎(chǔ) 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) 90年代初發(fā)展起來(lái)的 是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 通信技術(shù) 控制技術(shù)和現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)的最新發(fā)展成果 將現(xiàn)場(chǎng)的智能儀表連成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)并向上一層監(jiān)控級(jí) 管理級(jí)傳遞信息 相應(yīng)的產(chǎn)生傳感器 變送器和儀表的網(wǎng)絡(luò)化 一 分類按使用性質(zhì)劃分標(biāo)準(zhǔn)表 專用于校準(zhǔn) 不直接用于生產(chǎn) 需定期檢驗(yàn)合格實(shí)驗(yàn)室表 使用條件較好 無(wú)防塵 防水要求工業(yè)用表 為數(shù)眾多 工作環(huán)境惡劣 分為現(xiàn)場(chǎng)安裝和控制室安裝按測(cè)量方式劃分直讀式 可直接讀出被測(cè)量值 包括讀出經(jīng)過(guò)一定傳遞后的被測(cè)量的值 如浮子重錘式液位計(jì)和水銀溫度計(jì)比較式 通過(guò)未知量與已知量相比較而得出被測(cè)量的值 電位差計(jì)測(cè)量電動(dòng)勢(shì) 天平測(cè)質(zhì)量 按原理性連接方式劃分串聯(lián) 開(kāi)環(huán) 各功能模塊首尾相連反饋 閉環(huán) 某功能模塊輸出又回到自身的輸入端或其前的某模塊的輸入端 從而構(gòu)成正反饋或負(fù)反饋?zhàn)饔冒葱盘?hào)傳輸方式劃分電動(dòng) 以電量為傳輸信號(hào) 信號(hào)的變換 放大容易 可遠(yuǎn)傳 但防爆性能差 氣動(dòng) 使用壓縮空氣來(lái)傳遞信號(hào) 反映慢 10 2 常用儀表的分類及特性 按組成方式劃分基地式 通用性差 是為特定被測(cè)量在特定范圍內(nèi)使用而設(shè)計(jì) 可直接讀數(shù)單元組合式 通用性強(qiáng) 只完成單一功能 因其輸出信號(hào)標(biāo)準(zhǔn) 可靈活構(gòu)建系統(tǒng)組件組裝式 利用集成電路和電子元件形成各種不同的插件 可選擇多個(gè)插件以構(gòu)成需要的儀表 常用在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中 按安裝和使用方式劃分現(xiàn)場(chǎng)安裝 具有良好的防護(hù)結(jié)構(gòu) 能提供防爆 防腐和抗振能力盤后架安裝 不需要顯示和操作盤裝 具備操作和顯示功能 這三個(gè)均為工業(yè)用表臺(tái)式 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境攜帶式 野外工作環(huán)境 按放爆能力劃分普通型 沒(méi)有采取任何防爆措施隔爆型 采取了某種措施以防止燃燒和爆炸事故 如安全柵安全火花型 試圖從根本上杜絕爆炸事故 如采用低壓直流小電流供電 并控制儲(chǔ)能元件 使正常工作或故障狀態(tài)下產(chǎn)生的火花及達(dá)到的溫度均不足以引燃周圍的爆炸性的混合物 防爆性能最好 按運(yùn)算處理方式劃分模擬式 核心運(yùn)算采用模擬信號(hào)數(shù)字式 運(yùn)算和處理過(guò)程都是以數(shù)字信號(hào)為基礎(chǔ) 二 電動(dòng)單元組合儀表及DDZ 型和DDZ 型儀表比較 1 電動(dòng)單元組合儀表 D 電動(dòng) D 單元 Z 組合 發(fā)展階段 電子管 晶體管 線性集成電路 特點(diǎn) 只完成單一功能 輸出信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化 可根據(jù)需要靈活構(gòu)建系統(tǒng) 差壓變送器溫度變送器 指示儀表記錄儀表 恒流給定器和分流器 PID調(diào)節(jié)器 位式調(diào)節(jié)器和可編程邏輯控制器 角行程及直行程電動(dòng)執(zhí)行器 計(jì)算單元 加減器 乘除器及開(kāi)方器等轉(zhuǎn)換單元 頻率轉(zhuǎn)換器 氣 電轉(zhuǎn)換器等輔助單元 操作器 阻尼器 表10 1DDZ 型和DDZ 型儀表比較 一 輸入輸出特性分析儀表輸入輸出特性是衡量?jī)x表性能的重要指標(biāo)定義 常用儀表輸出相對(duì)于輸入的變化曲線來(lái)表示 即以儀表的輸入為橫坐標(biāo) 輸出為縱坐標(biāo)而得到的特性曲線 組成 上升曲線和下降曲線 理想情況 兩條曲線重合且為一條直線 說(shuō)明儀表具有線性特性實(shí)際情況 非線性 原因有二 其一是儀表具有的元件老化 滯環(huán) 死區(qū)或其他效應(yīng) 可通過(guò)對(duì)儀表的適當(dāng)調(diào)整及補(bǔ)償而使特性近似線性 其二是某些被測(cè)量與輸出值之間的關(guān)系為非線性 是固有的 只能通過(guò)特殊方法來(lái)改變 目的 通過(guò)分析儀表的輸入輸出特性曲線 可以知道儀表特性是線性的還是非線性的 同時(shí)也可以知道任何輸入點(diǎn)不同方向上的儀表放大倍數(shù) 靈敏度 量程 輸入輸出范圍 滯環(huán)和死區(qū)等指標(biāo) 10 3 儀表輸入輸出靜態(tài)特性分析 根據(jù)儀表的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)特性有不同的方法 二 儀表特性線性化處理分析 1 串聯(lián)式儀表 可以通過(guò)多串聯(lián)一個(gè)非線性環(huán)節(jié) 并且適當(dāng)選擇該環(huán)節(jié)的非線性 使其能夠補(bǔ)償前面各環(huán)節(jié)造成的非線性特性 從而使儀表呈現(xiàn)線性關(guān)系 兩個(gè)非線性環(huán)節(jié)的串聯(lián)可采用4象限的坐標(biāo)來(lái)確定補(bǔ)償環(huán)節(jié) 3個(gè)及以上的情況可將一個(gè)坐標(biāo)系的輸出信號(hào)映射到另一個(gè)坐標(biāo)系 并作為新坐標(biāo)系的輸入信號(hào)繼續(xù)進(jìn)行線性化處理 2 反饋式儀表 由于y有限 如果環(huán)節(jié)1的穩(wěn)態(tài)放大倍數(shù)K1足夠大 可以認(rèn)為偏差 十分微小 并可以忽略 此時(shí)輸入值u近似于反饋信號(hào)f 所以儀表的靈敏度或穩(wěn)態(tài)放大倍數(shù)K可以表示為 說(shuō)明前向通道有足夠的穩(wěn)態(tài)放大倍數(shù)時(shí) 輸入輸出特性僅取決于反饋環(huán)節(jié) K與K2是互逆關(guān)系 當(dāng)儀表具有開(kāi)方特性時(shí)可在其反饋回路中設(shè)計(jì)帶乘方特性的環(huán)節(jié)而補(bǔ)償 建立儀表系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是進(jìn)行特性分析的基礎(chǔ) 可分為時(shí)域模型 頻域模型和離散模型 一 時(shí)域模型以時(shí)間t為參變量描述儀表輸入輸出的關(guān)系的一個(gè)函數(shù) 一般采用微分方程 單輸入 單輸出系統(tǒng)的微分方程 1 具有0階特性 比例環(huán)節(jié) 的儀表 其微分方程可表示為 10 4 儀表系統(tǒng)建模 化簡(jiǎn)為 2 具有1階特性 慣性環(huán)節(jié) 的儀表 其微分方程可表示為 并可以簡(jiǎn)化成實(shí)際的積分環(huán)節(jié) 和實(shí)際的微分環(huán)節(jié) 3 具有2階特性即振蕩環(huán)節(jié)的儀表 其微分方程可表示為 并可以簡(jiǎn)化成振蕩環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)型式 式中 是阻尼系數(shù) 0是固有角頻率 K是系統(tǒng)增益 時(shí)域模型是描述儀表特性的基本形式 也是其他模型形式的基礎(chǔ) 可直接用于儀表特性的時(shí)域分析 可以方便的獲得各種擾動(dòng)的響應(yīng)結(jié)果 以復(fù)變量s為參變量描述儀表輸入輸出的關(guān)系的一個(gè)函數(shù) 對(duì)時(shí)域模型的微分方程進(jìn)行拉氏變換 即可得儀表的頻域模型 常用傳遞函數(shù)表示 儀表的傳遞函數(shù)為 二 頻域模型 1 具有0階特性即比例環(huán)節(jié)的儀表 其傳遞函數(shù)可表示為 2 具有1階特性即慣性環(huán)節(jié)的儀表 其傳遞函數(shù)可表示為 并可以化簡(jiǎn)為實(shí)際積分環(huán)節(jié)和實(shí)際微分環(huán)節(jié) 3 具有2階特性即振蕩環(huán)節(jié)的儀表 其傳遞函數(shù)可表示為 并可化簡(jiǎn)成振蕩環(huán)節(jié)的表示式 是從頻率響應(yīng)角度來(lái)描述系統(tǒng)的輸入輸出特性 可以從頻域來(lái)分析和了解儀表 方便地獲取和分析儀表的頻率響應(yīng)的范圍 帶寬及特性隨頻率變化的程度等 是數(shù)字式儀表的產(chǎn)物 是對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行等間隔 步長(zhǎng) 采樣所獲得的輸入輸出特性函數(shù) 還可以看作是對(duì)連續(xù)系統(tǒng)的時(shí)域或頻域模型離散化而得到 常用采用差分方程來(lái)描述儀表的輸入輸出關(guān)系 三 離散模型 而離散化相當(dāng)于在微分方程兩端令t KT 故與原微分方程相對(duì)應(yīng)的離散模型為 1 具有0階特性即比例環(huán)節(jié)的儀表 其差分方程可表示為 2 具有1階特性即慣性環(huán)節(jié)的儀表 其差分方程可表示為 并可化簡(jiǎn)為實(shí)際積分環(huán)節(jié) 和實(shí)際微分環(huán)節(jié) 2 具有2階特性即振蕩環(huán)節(jié)的儀表 其差分方程可表示為 并可簡(jiǎn)化成振蕩環(huán)節(jié)的表達(dá)式 式中 在時(shí)域模型的基礎(chǔ)上 通過(guò)分析在不同輸入情況下輸出響應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程 可知儀表的一些時(shí)域特性 動(dòng)態(tài)特性 對(duì)輸入的響應(yīng)快慢 準(zhǔn)確程度和抗干擾能力等 10 5 儀表系統(tǒng)時(shí)域分析 一 時(shí)域分析指標(biāo)分析方法 對(duì)儀表施加某種擾動(dòng) 分析其響應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程 考慮具有2階特性即振蕩環(huán)節(jié)的儀表 其微分方程為 e0為靜態(tài)偏差 并定義誤差帶為理想輸出值y0的 3 5 為分析儀表響應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程 特引入Vi i 1 2 n n 1 n 2 表示響應(yīng)過(guò)程中每次超調(diào)量的絕對(duì)值 于是可定義代表過(guò)渡過(guò)程的衰減程度的衰減率 為 顯然 擾動(dòng)發(fā)生后經(jīng)過(guò)若干次衰減 儀表輸出y從此全部進(jìn)入誤差帶 儀表為此所花費(fèi)的時(shí)間就稱為過(guò)渡 過(guò)程 時(shí)間 記為t0 由此可見(jiàn) 衰減率 代表了儀表響應(yīng)的穩(wěn)定性 衰減率越大穩(wěn)定性越好 儀表響應(yīng)的準(zhǔn)確性由靜態(tài)誤差e0表示 儀表響應(yīng)的快速性由過(guò)渡時(shí)間t0決定 定性了解儀表系統(tǒng)的三大性能指標(biāo)受參數(shù)變化的影響 對(duì)于一個(gè)具有2階振蕩環(huán)節(jié)的儀表 當(dāng)系統(tǒng)增益和自振蕩角頻率相同 K 1 0 0 2 阻尼比分別為0 3 1和2時(shí)對(duì)階躍擾動(dòng)響應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程曲線不同 如圖 二 階躍擾動(dòng)動(dòng)態(tài)特性分析 1 欠阻尼 0 1 輸出呈現(xiàn)逐漸衰減的周期性振蕩過(guò)渡過(guò)程 并最終保持在一個(gè)穩(wěn)態(tài)值上 合適 振蕩次數(shù)會(huì)減少 2 過(guò)阻尼 1 輸出為非周期的衰減過(guò)程 越大響應(yīng)越慢 不希望且盡量避免的情況 3 臨界阻尼 1 響應(yīng)沒(méi)有振蕩 而且在相對(duì)最短時(shí)間內(nèi)即能使儀表輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài) 這是儀表在使用中所追求和努力的方向 但實(shí)際很難保持在這個(gè)條件 三 等速擾動(dòng)動(dòng)態(tài)特性分析通過(guò)對(duì)儀表等速擾動(dòng)響應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程分析 可以了解儀表系統(tǒng)的跟蹤能力 對(duì)輸入信號(hào)變化的響應(yīng)速度 以及儀表內(nèi)部滯后環(huán)節(jié)的特性等 對(duì)于2階振蕩環(huán)節(jié)的儀表 求等速擾動(dòng)的穩(wěn)態(tài)誤差 選擇穩(wěn)態(tài)誤差相同時(shí)的3種擾動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行比較阻尼比分別為0 35 1和2 具有二階特性的儀表 其等速擾動(dòng)時(shí)的過(guò)渡過(guò)程始終相對(duì)于輸入信號(hào)有一個(gè)誤差 該誤差是由穩(wěn)態(tài)誤差和瞬態(tài)誤差組成 穩(wěn)態(tài)誤差是衡量?jī)x表跟蹤能力的重要標(biāo)志 基于頻域模型進(jìn)行分析 可以分析儀表的穩(wěn)定性和確定其工作頻率范圍一 正弦擾動(dòng)動(dòng)態(tài)特性分析正弦擾動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是指儀表輸入為正弦信號(hào)時(shí) 其輸出響應(yīng)輸入而發(fā)生變化的過(guò)渡過(guò)程 10 6 儀表系統(tǒng)頻域分析 給儀表輸入允許的正弦信號(hào)時(shí)無(wú)失真 當(dāng)輸入與輸出之間沒(méi)有任何誤差時(shí) 輸出與輸入成比例關(guān)系 而當(dāng)輸出與輸入之間存在誤差時(shí) 則該誤差包括幅值和相位兩方面的誤差 以2階特性儀表為例 假設(shè)輸入為u t U sin t 則輸出可表示為 幅值誤差和相位誤差都與頻率有關(guān) 因此采用頻率分析更方便 U和Y分別是輸入輸出的幅值 是輸入角頻率 相位角 是輸出相對(duì)于輸入的相位差 在儀表的傳遞函數(shù)式中用j 代替s 于是傳遞函數(shù)變?yōu)?整理得 于是可得傳遞函數(shù)的幅值為 相位為 所以輸出響應(yīng)的幅值與相位為 二階特性的儀表的響應(yīng)過(guò)程與頻率有關(guān) 還取決于阻尼比和自振蕩角頻率 二者的選擇是儀表設(shè)計(jì)中的主要任務(wù) 二 頻率響應(yīng)Bode圖分析Bode圖采用半對(duì)數(shù)坐標(biāo) 橫坐標(biāo)為頻率 縱坐標(biāo)為幅值的對(duì)數(shù)20lg W j 或相位 所以Bode圖由幅值曲線和相位曲線組成 以2階振蕩環(huán)節(jié)儀表為例 其傳遞函數(shù)為 圖10 11給出了儀表增益K 1 阻尼系數(shù) 2和固有頻率 0 2時(shí)的Bode圖 此儀表的轉(zhuǎn)折頻率為 0 54和