化工仪表及自动化
目的和意义
? 在化工等连续性生产设备上，配备一些自动化装置，代替
操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进
行，称为 化工自动化 。
? 实现化工自动化的目的是,
1,加快生产速度，降低生产成本,提高产品数量和质量 。
2,降低劳动强度，改善劳动成本。
3,确保生产安全
? 学习本课程的意义在于：扩大知识面，适应生产现代化需
要；扩大就业途径。
高岭土在不同温度下煅烧时，其化学
反应式如下,
][][23])[(3
])[(2][32
][32])[2(2
2][2][)(
2232
1 4 0 0
232
2232
1 1 0 0
232
2232
925
232
2232
700~550
4522
方石英莫来石似莫来石
似莫来石硅尖晶石
硅尖晶石偏高岭石
偏高岭石高岭石
S i OS i OOAlS i OOAl
S i OS i OOAlS i OOAl
S i OS i OOAlS i OOAl
OHS i OOAlOHOSiAl
C
C
C
C
???? ???
???? ???
???? ???
????? ??
?
?
?
?
化工自动化的发展历程
? 1950?s~1960 ?s
基地式气动单元仪表，基地式电动单元
仪表，膜片式仪表。 为化工单元操作的
发展提供了技术支撑。
? 1970 ?s~1980 ?s
单元组合 Ⅱ 型仪表,QDZⅡ, DDZ Ⅱ
? 1990 ?s~
单元组合 Ⅲ 型仪表,QDZⅢ, DDZ Ⅲ
本课程主要内容
? 基本概念
? 控制系统
? 控制对象
? 仪器仪表
? 测量
? 显示
? 调节
? 执行
? 调节系统（简单系统、复杂系统）
? 计算机控制系统（系统构成、接口与转换）
主要参考书目
1,化工仪表及自动化 （第三版）
厉玉鸣 主编，化学工业出版社
2,化工仪表及自动化习题集
厉玉鸣 主编，化学工业出版社
3,化工过程控制工程（第二版）
王骥程 祝和云 主编，化学工业出版社
4,化工过程控制基础
化学工业出版社
第一章 自动调节系统基本概念
第一节 化工自动化的主要内容
第二节 自动调节系统的组成
第三节 自动调节系统的表示方法
第四节 自动调节系统的分类
第五节 自动调节的过度过程和系统品质指
标 ☆
第一节 化工自动化的主要内容
? 自动检测
? 自动保护与报警
? 自动操纵与启停
? 自动调节
第二节 自动调节系统的组成
要求
观察
思考
调节
变换
显示
记录
调节
给定值
执行
机构
检测
仪表
记录仪
显示器
调节器
四部分：测量仪表、显示记录仪表、调节器、执行机构
+
给定值
x
测量值
- z
变送器
e
p
调节
作用
调节器
q
被调参数
y
干扰作用
f
调节对象控制器
控制器
输出
第三节 自动调节系统的表示方法
? 方块图表示方式
? 流程图表示方式 进料 出料
TC
TT
凝液
蒸汽
控制流程图符号意义
序号 安装位置 图形符号 备注 序号 安装位置 图形符号 备注
1 就地安装仪表 4 集中仪表盘后 安装仪表
嵌在管道中
2 集中仪表盘面 安装仪表
5 就地仪表盘后 安装仪表
3 就地仪表盘面 安装仪表
控制流程图字母意义
字
母
第一位字母 后继字母 字
母
第一位字母 后继字母
被测变量 修饰词 功能 被测变量 修饰词 功能
A 分析 报警 P 压力
C 电导率 控制 Q 数量 积分 累积
D 密度 差 R 放射性 记录
E 电压 S 速度 安全 开关
F 流量 比 T 温度 传送
I 电流 指示 V 粘度 阀
K 时间 W 力
L 物位 Y
M 水分 Z 位置 执行机构
第四节 自动调节系统的分类
? 按被调参数分类,
流量调节、温度调节、压力调节、物位调节等；
? 按调节规律分类,
比例调节、比例微分调节、比例积分调节、比例微分积分调
节
? 按被调参数的变化规律分类,
定值调节系统：给定值为常数；
随动调节系统：给定值为变数，要求跟随变化；
程序控制调节系统：按预定时间顺序控制参数。
? 按信号种类分类,
气动调节系统，电动调节系统
第五节 自动调节的过度过程和
系统品质指标
1,控制系统的过渡过程
? 控制系统的过渡过程,
– 在扰动或给定值变化的情况下，被控量偏离给定值
和在控制调节作用下，接近给定值或跟随给定值变
化的过程。
? 控制系统的动态特性
– 被控参数向给定值变化过程的特性。
? 控制系统的静态特性
– 经过调节作用后，被控参数处于稳定范围时的特性。
第五节 自动调节的过度过程和
系统品质指标
1,控制系统的过渡过程
? 控制系统的过渡过程,
– 在扰动或给定值变化的情况下，被控量偏离给定值
和在控制调节作用下，接近给定值或跟随给定值变
化的过程。
? 控制系统的动态特性
– 被控参数向给定值变化过程的特性。
? 控制系统的静态特性
– 经过调节作用后，被控参数处于稳定范围时的特性。
第五节 自动调节的过度过程和
系统品质指标
? 飞升曲线,
– 在单位阶跃输入（因扰动或设定值变化，使
被控参数和设定值之间出现阶跃性变化）下，
过度参数的变化曲线。
输
入
量
时间 t
0 t
0
飞升曲线的四种形式
3,等幅振荡过程
1,非周期衰减过程
0
t 0
y
y
0
t 0
0
4,发散振荡过程
t t 0 t
2,衰减振荡过程
y
t
y
0
t 0 t
控制系统的品质指标
1,最大偏差 A；
2,衰减比 (A-C)/(B-C)； 4:1~10:1
3,余差 C；
4,过渡时间 t；
5,振荡周期 T。
y
t
A
B
C
T
误差范围
本章作业
? P15
1,8,9,11, 21
第二章 调节对象的特性
§ 2.1 化工对象的特点及其描述方法
? 调节效果取决于调节对象（内因）和调
节系统（外因）两个方面。
?外因只有通过内因起作用, 内因是最终
效果的决定因素 。
? 设计调节系统的前提是,正确掌握工艺
系统调节作用（输入）与调节结果（输
出）之间的关系 ——对象的特性 。
对象特性的分类与研究方法
? 所谓研究对象的特性，就是用数学的方法来描述
出对象输入量与输出量之间的关系 ——数学建模 。
– 对象的数学模型,对象特性的数学描述；
? 对象的数学模型可以分为静态数学模型和动态数
学模型。
– 静态数学模型 描述的是对象在稳定时（静态）的输入
与输出关系；
– 动态数学模型 描述的是在输入量改变以后输出量跟随
变化的规律；
– 动态数学模型是更精确的模型，静态数学模型是动态
数学模型在对象达到平衡时的特例 。
系统的动态特性
? 对象受到干扰作用或调节作用后，被调参数跟随
变化规律。
? 研究系统动态特性的核心是：寻找系统输入与输
出之间的（函数）规律。
– 系统输入量：干扰作用、调节作用
– 系统输出量：系统的主要被调参数、副作用
? 数学模型的表示方法,
– 非参量模型,用曲线、图表表示的系统输入与输出量之
间的关系；
– 参量模型,用数学方程式表示的系统输入与输出量之间
的关系。
对象动态特性的研究方法
? 理论分析
根据系统工艺实际过程的数质量关系，分
析计算输入量与输出量之间的关系。
? 实验研究
有些系统的输入与输出之间的关系是比较
难以通过计算来获得的。需要在实际系统或实
验系统中，通过一组输入来考察输出的跟随变
化规律 ——反映输入与输出关系的经验曲线和
经验函数关系 。
§ 2.2 对象理论数学模型的建立
? 一阶对象,
系统输入、输出关系（动态特性）可以用
一阶微分方程来表示的控制对象。
? 积分对象
系统动态特性可以用一阶积分方程来表示
的控制对象。
? 二阶对象,
系统动态特性可以用二阶微分方程来表示
的控制对象。
示例一：一阶对象
由体积守恒可得,
(Q1-Q2)dt=Adh
其中,Q2?h/Rs
RS——局部阻力项
由此可得,
RS Q1=h+A Rs (dh/dt)
或,
K Q1 =h+T(dh/dt)
h
Q1
Q2
示例二：积分对象
由体积守恒可得,
(Q1-Q2)dt=Adh
其中,Q2=C
C——常数
由此可得,
Q1= Q2 +A (dh/dt)
或,
h=(1/A)? (Q1-C) dt
h
Q1
Q2
示例三：二阶对象
由体积守恒可得,
(Q1-Q12)dt=A1dh1
(Q12-Q2)dt=A2dh2
由此可得,
R2 Q1=h2+(A1 R2 +A2 R2 )(dh2/dt)
+ A1 R2 A2 R2(d2h2/dt2)
或,
KQ1=h2+(T1 +T2)(dh2/dt)
+ T1 T2(d2h2/dt2)
h1
Q1
Q12
Q2 h2
§ 2.3 描述对象特性的参数
? 放大倍数 K
– 在系统稳定条件下,输入量与输出量之间的
对应关系 ——系统的静态特性 。
如,h=KQ+C 或 ?h=K ?Q
? K值越大，系统灵敏度越高 。
在实际工艺系统中，通常采用比较 K值的方
法来选择主要控制参数。当然，由于工艺条件
和生产成本的制约，实际上并不一定都选择 K
值最大的因素作为主控参数。
§ 2.3 描述对象特性的参数
? 时间常数 T
– 在一定的输入作用下，被调参数完成其变化所需时
间的参数。
– 当对象受到阶跃输入作用后，被调参数如果保持初
始速度变化，达到新的稳定值所须的时间 。
由于调节量越大，被调参数的变化越大。
随着调节作用的进行，相对调节量变小，被调
参数的变化减小。所以，在阶跃输入后，被调
参数的实际变化速度是越来越小的。因此，被
调参数变化到新的稳定值 (与新输入量相对应的
输出量 )所需的时间实际上应该是无限长。
§ 2.3 描述对象特性的参数
? 滞后时间 ?
– 在输入参数变化后，有的输出参数不能立即
发生变化，而需要等待一段时间才开始产生
明显变化，这个时间间隔称为滞后时间。
? 滞后时间按其产生原因可以分为,
– 传递滞后,滞后期内无变化 ——新参数的作
用结果还没有传递到输出点；
– 容积滞后,滞后期内逐步产生微弱变化 ——
新参数的作用结果受到容积量的缓冲。
示例四,
一阶对象的放大倍数和时间常数
(Q1-Q2)dt=Adh 其中 Q2?h/Rs
对于任意 Q1输入，最终总能形成一
定的 h，使得,
Q1 = Q2?h/Rs
? 一个 Q1对应一个确定的 h。
参数 Rs实际上决定了稳定液位
高度与给料量之间的对应关系 —
—比例系数 或 放大倍数 。
当某一瞬间 Q1从 a增加 /减少到
b时,h需要经过一段时间才能从
对应的 h1增加 /减少到 h2。 时间常
数 T即用于描述此过程的快慢。
h
Q1
Q2
示例五,
二阶对象传递滞后与容积滞后
当 Q1发生变化后，需要 经
过时间 t1，其新流量才能进入
被控系统 ——传递滞后 。
Q1变化后的流量进入被控
系统后，首先使 h1逐步发生变
化； 经过时间 t2后,h1有了较
大变化，才引起 Q12发生明显
变化，并进而导致 h2开始发生
显著变化 ——容积滞后 。
h1
Q1
Q12
Q2 h2
§ 2.4 对象特性的实验研究
? ―科学”和“技术”具有不同的范畴
– 许多复杂的过程不能通过理论分析得出显性表达式；
– 理论推导通常忽略一些影响因素，而这些因素对实
际结果具有相当的影响；
– 通过实验获得经验方程有时比理论推算更方便。
? 对象特性研究的目的在于获得以下参数,
– 输入与输出的对应关系 ——对象的静态特性；
– 调节作用的时间常数与滞后时间 ——对象的动态特
性。
对象特性的实验研究方法
? 多点拟合法
– 在调节量的全部变化范围内，按一定规律依次取值实验，分
别记录被调参数变化规律，并进而分析各种静态特性和动态
特性参数。
优点,结果比较准确。 缺点,时间长，代价大。
? 阶跃反应曲线法
– 通过调节量的一个阶跃变化寻找对象的动态特性。
优点,简单易行。 缺点,精度低。
? 周期脉冲法
– 通过调节量的周期变化（矩形波或正弦变化），获取对象的
动、静态特性。
优点,能反应条件波动时的结果。 缺点,不能用于大滞后系统。
对象特性实验注意事项
1,实验应在其它条件相对相对稳定时进行；
2,条件变化与结果记录应同时进行，以便分析滞后
时间；
3,实验结果的记录应持续到输出量达到稳定态为止；
4,尽可能增加实验点数，必要时可进行重复实验，
以提高精度；
5,对实验数据中的奇异点，要认真分析，尽量排除。
6,注意实验中的异常变化，必要时做好预防措施，
以策安全。
本章作业
? P33
9,14
第三章 测量元件与变换器
§ 3.1 概述
一、参数的测量
? 参数检测,将被测参数经过一次或多次能量的
交换，获得一种 便于显示和传递 的 信号 的过程。
? 根据信号的不同，参数检测仪表可以分为 气动
检测仪表 和 电动检测仪表 两类。
? 非电量的电测法,
– 将非电量工艺参数，如压力、温度、流量、物位等，
转换为电流、电压等电路参数（信号）的检测方法。
二、检测仪表的性能
1,准确度与误差
? 准确度,测量值与被测量真值的接近程度；
? 绝对误差,测量值与被测量真值之差；
? 相对误差,绝对误差与被测量真值之比；
– 实际相对误差：绝对误差与被测量真值之比；
– 示值相对误差：绝对误差与仪表指示值之比；
– 引用相对误差：绝对误差与仪表满刻度值之
比。
? 允许误差：最大引用相对误差。
二、检测仪表的性能
2.指示变差与精密度
? 指示变差,同一仪表对相同的被测参数进行正,
反行程测量时，其显示值的差异。
? 精密度 （简称 精度 ）：仪表检测微小参数变化
的能力。
? 仪表精度等级：用允许误差的绝对值表示,
常用仪表等级有,0.005,0.02,0.05,0.1,0.2，
0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0,5.0等,
精确度, 仪表精密而准确的程度。
二、检测仪表的性能
3,灵敏度、灵敏限与分辨率
? 灵敏度,仪表的指示位移变化量与被测
参数变化量之比。
? 灵敏限,能引起仪表指针发生位移变化
的被测参数 的最小变化量。
? 分辨率,测试仪表数字显示器的最末位
数字间隔所代表的被测参数变化量。
二、检测仪表的性能
4,线性度与反应时间
? 线性度,测量仪表在
全量程范围内实际校
准值与理论对应值的
吻合程度。
? 反应时间,显示值变
化相对于实际值变化
的滞后时间。
被测变量
仪
表
显
示
值
三、检测系统的构成
被
测
参
数
敏
感
元
件
信
号
变
换
信
号
传
输
信
号
测
量
显示
记录
控制
+
-
A/D PLC
§ 3.2 压力的测量与变送
一、压力的表示与单位
压力的表示,
? 绝对压力
– 单位面积所受到的力
? 相对压力（表压）
– 绝对压力与大气压之差
? 真空度
– 大气压与绝对压力之差
绝
对
压
力
绝对
压力
真空度
表压 标准大气压
压力（压强）的单位
? 压强（俗称压力）：单位面积所受到的
垂直作用力。
? 工程上的“压力”与力学中的“压力”
不表示同一个概念。
帕 Pa N/m2 毫米汞柱 mm
兆帕 MPa 106N/m2 水柱 m
工程大气压 10mH2O 巴 dyn/cm2
物理大气压 20oC 海平面 psi lb/in2
二、压力计的分类与工作原理
工业压力计通常按敏感元件的类型进行分类,
? 液柱式压力计
? 活塞式压力计
? 弹性式压力计
? 电气式压力计
1,液柱式压力计
测量原理,P=h? 所以 h=P/ ?
单管压力计 U型管 压力计 斜管压力计
2,活塞式压力计
? 测量原理,
P=G/S
所以 G=P?S
? 精确度高
? 常用作标准仪表，
检验其它压力计
3、弹性式压力计与常用压力表
? 工作原理：采用弹性元件将压强大小转
换为位移量，再通过机械传动和放大，
推动指针偏移。
? 根据敏感元件形式的不同可以分为以下 3
类,
– 弹簧管式压力计
– 薄膜式压力计
– 波纹管式压力计
4、电气式压力计与信号转换
? 电气式压力计，实际上是将弹性元件、
液柱式压力计所产生的 微小位移 或活塞
式压力计所产生的 力 转换为 电信号 输出
的一类压力计。
? 电气式压力计通常两部分组成,
?一次仪表 （压力探头）：将压力转换为微弱
电参数；
?二次仪表,将微弱电参数转换为标准电信号。
电气式压力计一次探头
? 常用电参数有,电阻, 电感, 电容, 电
压 等。
? 常见压力变换器（压力探头）有,
?应变式压力变换器 ；
?压电电阻式压力变换器 ；
?电感式压力变换器 ；
?电容式压力变换器 ；
?霍尔片式压力变换器 。
电阻应变式压力计一次探头
? 电线的电阻为,R=?L/S
? 当电线受到拉（应）力作用时,L变大，
S变小,R变大。
? 当粘一组串联平行细导线（电阻应变片）
的金属（弹性元件）因压力变化而发生
微小变形（应变）时，细导线的电阻随
之发生变化。从而，将压力参数转化为
电阻参数。
压力
变化
弹性
变形
电阻
变化
电感式压力计一次探头
? 磁路的磁阻与铁芯的间隙相关。所以，
当衔铁或铁芯的位置发生变化时，其电
感也随之发生变化。从而，可以将位移
量转化为电感量。
电容式压力计一次探头
? 电容器的电容量：
C=?S/d
? 当 S或 d发生变化时，
电容量发生变化。
霍尔式压力计一次探头
? 霍尔半导体在垂直电流和磁场的作用下，
会产生侧向电压,UH=RHBI
N S
电气压力计前置放大器
? 传感元件的参量变化通常是非常微弱的，不能
进行远距离传送，需要进行初步放大。
? 电阻和电容传感器一般采用电桥放大，以电压
方式输出；
? 电感式传感器一般采用振荡电路放大，以频率
方式输出；
? 电压传感器一般采用直流放大器，以电压或电
流方式输出。
电气压力计前置放大器
供桥
电压
输出
电压
输出
频率
输出
电压输入
电压
电气压力计二次仪表
? 作用：将传感器信号转换为标准通讯信
号。
? DDZ Ⅲ 型仪表标准通讯信号为：
4~20mA。
? 智能型压力传感器在二次仪表中另外附
加一些功能，如：模 /数转换与数据通讯，
工程单位转换，信号（变化）阻尼，故
障诊断等。
三、压力计的选型
? 选型内容,
– 类型选择
? 功能：显示、报警、记录、传送（数字、模拟）；
? 介质条件：温度、腐蚀性、粘度、脏污程度等；
如：氨气表防腐，氧气表禁油。
? 环境条件：温度、震动、电磁场等。
– 量程与盘面大小；
? 工作压力不小于 1/3量程，不大于 2/3（ 1/2）量程。
? 盘面大小应方便安装和观察。
– 精度等级：根据工艺需要确定。
常见压力传感器外形
工业压力变送器 数字压力变送器 通用压力变送器 隔离压力变送器 高温压力变送器 隔离压差变送器
隔离液位变送器 微压变送器 电容压力变送器 隔膜压力变送器 绝压变送器 双膜压差变送器
微型探针压力计 暖风空调压力计 湿式压力变送器 本安压力变送器 OEM血压计 OEM压力芯片
三、压力计的安装
? 安装事项,
– 取压位置：由工艺条件确定；
? 尽量避免涡流影响；
? 避免流速影响；
? 避免导压管产生压差。
– 隔离,
? 温度隔离：采用铜管散热；
? 腐蚀性隔离：采用隔离箱（凝液管）；
? 脏污隔离：采用空气包。
§ 3.3 流量的测量与变送
按测量途径分类,
? 速度式流量计
– 通过测量过流速度，用过流面积换算成流量。
? 容积式流量计
– 采用固定溶剂空间逐次衡量过流容积。
? 质量流量计
– 计量 可压缩流体 的质量通过量。
一、速度式流量计
? 根据测速方法可以分为以下几类,
– 压差流量计
– 转子流量计
– 电磁流量计
– 超声波流量计
– 涡轮流量计
– 堰式流量计
1,压差流量计
? 由流体力学知识可知，流体通过孔板节
流装置后，会产生一定的压降。根据流
速和压降的关系可以推导出下列方程,
? 通过测量孔板前
后压差即可计算
出流速和流量。
pFQ ?? ?? 2
p1 p2
2,转子流量计
? 垂直流道中的金属转子在
压差力和重力的共同作用
下平衡。
– 压差与流速有关；
– 流速取决于转子的位置。
? 由转子高度可直接读取通
过的流量；
? 测量转子位置可进一步获
得相应的电气信号。 ? ?
A
gV
hQ
f
ft
?
??
?
?
?
2
3,电磁流量计
? 当流道两侧有磁场
作用时，导电流体
在流动过程中切割
磁力线，产生感应
电动势,
Ex=BDv?10-12
所以有,
Q=K Ex
EX1 EX2
3,电磁流量计
电磁流量计由两部分组成,
? 电磁流量变换器
– 由带激磁线圈的绝缘测量管产生电势信号。
? 二次仪表
– 作用：提供激磁电源，将变换器输出的微弱
电势信号进行放大，并输出相应的电流信号。
– 组成：前置放大、主放大、相敏检波、功率
放大、霍尔反馈（克服电源波动）、电源等。
4,超声波流量计
? 多普勒效应,当一束波射向移动的物质并产生
散射时，其散射波的频率会产生变化（频移），
且频率变化量与物质的运动速度成正比。
? 超声波流量计的特点,
– 非接触式测量；
– 流体中需要有散射粒子,微泡或颗粒 。
粒入散 vfff d ???
??
?
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2s inc o s
2 ??
?
?
?
二、容积式流量计
? 容积式流量计主要包括两类,
– 齿轮式流量计
? 一对紧密啮合的齿轮与壳体之间形成固定的间隙空间，齿
轮每旋转一周，有固定流体通过间隙输送通过。流体通过
量与齿轮转数成正比。
– 活塞式流量计
? 利用活塞的每一次往复运动输送定量的流体。
? 计量泵：用外力推动容积式流量计即可定量输
送流体
? 容积式流量计的最大特点是对被测流体的粘度
不敏感，常用于测量重油等 粘稠流体 。
三、质量流量计
? 间接式质量流量计
– 分别测量体积流量和密度再用乘法计算出质
量流量。
? 直接式质量流量计
– 利用科氏力的作用使弯曲的弹性管道两侧产
生震动相位差
?质量流量计结构比较复杂，只用于压力
变化较大的 可压缩流体 。
§ 3.4 物位的测量与变送
? 物位,
– 液位：容器中液体表面的高低；
– 料位：容器中固体的堆积高度；
– 界面：两相物质的交界面。
物位计的分类
? 直读式物位计
? 浮力式物位计
? 压差式物位计
? 电磁式物位计
? 核辐射式物位计
? 超声波物位计
? 光电式物位计
一、直读式物位计
? 用带有刻度的透明物质（如玻璃、有机
玻璃）作为容器壁的一部分或连通管，
可以直接显示容器内液位的高低。
二、浮力式物位计
? 利用浮子高度随液面或液体界面变化而
变化的原理工作。
三、压差式物位计
? 利用物料内静压力与物料深度或堆积高
度成正比的关系进行测量。
液体密闭容器 液体敞开容器 固体称重仓
四、电容式物位计
? 圆柱形电容器的电容量的表达式为,
? 电极间充入高度为 H的介质前后电容量的变化
值为,
由此可见，电容量的变化量与充料高度成正比。
测量电容量变化即可知料位的变化。
d
D
LC
ln
2 ???
? ? ? ?
HKH
d
D
d
D
L
d
D
DL
d
D
H
C ??
?
??
?
??
ln
2
ln
2
ln
2
ln
2 000 ?????????
四、电容式物位计
电容式液位计 电容（绳）式料位计
主要用于测量不导电流体
五、电极式物位计
? 利用物料的
导电性能测
量高低液位。
? 也可以用于
导电性较弱
的液体和潮
湿固体。
六、核辐射式物位计
? 放射线通过介质
时，其强度衰减
与物质的吸收系
数和介质层厚度
有关,
? 目前，工业上使
用的放射线物位
计有连续式和间
断式两种。
HeII ???
0
七、超声波物位计
? 利用声波在空气中传播速度
不变的原理，通过检测声波
发射和反射全过程的时间间
隔可以计算出物料界面到探
头的距离，从而得到物位的
高低。
? 注意事项,
– 确保反射波能回到探头；
– 防止物料对声波的吸收（如表
面泡沫漂浮）。
§ 3.4 温度的测量与变送
? 温度是化工过程中最普遍而重要的操作
参数 。
– 所有的过程都是在一定的温度条件下进行的；
– 温度决定一些反应能否进行和反应方向；
– 温度决定一些反应的进程程度；
– 温度显示反应的能量变化。
? 温度不能直接测量 。温度的测量都是通
过温度传递到敏感元件后，其 物理性质
随温度变化而进行 的。
常用温度计的种类及适用温度
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
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?
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???
??
?
?
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?
??
??
?
?
?
??
??
C
C
C
C
C
CC
C
C
C
C
C
C
C
C
2 0 0 0~200:
3 5 0 0~0:
1 7 0 0~900:
3 2 0 0~700:
2 0 0 0~400:
150~50:600~200:
600~50:
1 0 0 0~50:
1 6 0 0~0:
250~0:
600~20:
600~30:
600~80:
600~50:
热电式
光电式
红外线
比色
光辐射
热辐射
辐射式
非接触式
、铜热电阻：铂
考铜镍铬
镍硅镍铬
铂铂铑
热电偶
蒸汽
气体
液体
压力式
双金属
玻璃液体
膨胀式
接触式
温度计
一、膨胀式温度计
? 玻璃液体温度计
– 利用液体受热膨胀并
沿玻璃毛细管延伸而
直接显示温度
? 双金属温度计
– 不同金属受热膨胀不
同，双金属片在受热
情况下发生弯曲而显
示温度
t = t0
t ? t0
二、压力式温度计
? 利用液体的蒸发或气体的
膨胀而引起的压力变化进
行测量。
– 温包,传热、容纳膨胀
介质；
– 毛细管,传递压力；
– 弹簧管,显示压力（温
度）。
三、辐射式温度计
? 通过特定波长 光波的强度 或 热辐射强度 来确
定光源温度。
1,辐射式温度计：测定热辐射强度；
2,光学温度计：采用光学分频法，测定不同频
率光波的强度比值；
3,比色法：直接通过可见光颜色的对比，确定
光源温度。
? 辐射式温度计，通常用于测量高温条件，特
别是光学温度计和比色温度计需要利用物体
在高温下发射的可见光进行检测。
四、热电偶温度计
1.热电偶工作原理
– 不同金属具有不同的电子密度；
– 两种金属接触面因为电子的扩散作用而产生
电场 —热电现象；
– 电子在扩散作用和电场力作用下最终达到平
衡；
– 电子的扩散与温度相关，温度越高，扩散作
用越强。
+
+
-
-
扩散作用
电场作用
金属 A 金属 B
2,热电偶的材质与选择
? 热电偶的材质要求,
– 单位温度变化的热电势大，且尽量接近线性
关系；
– 热电性质稳定；
– 化学稳定性好：高温下抗氧化，抗腐蚀；
– 具有较好的延展性，易于加工；
– 复现性好，便于批量生产和互换。
? 不同材质的热电偶有不同的特性，应根
据实际需要选择
– 测量范围、放大系数（以分度值表示）、测
量精度、抗腐蚀能力、价格等。
3,热电偶的结构
? 热电极
– 工作部分
? 绝缘子
– 防止电极与电极、套
管短路
? 保护套管
– 保护
? 接线盒
4,热电偶回路
? 不同金属连接在一起
都构成热电偶作用；
? 热电偶回路电动势为
各接点热电势的总和；
? 对于有外接导线的热
电偶回路，其总电动
势为热端与冷端热电
动势之差。
A B
C
C
? ?
? ?
? ? ? ?0
000
00
)()(0
)()(
teteE
tetete
teteteE
ABABt
CABCAB
CABCABt
??
???
???
?热电偶测量的关键是如
何保证冷端的温度
5,热电偶的补偿
? 热电偶的导线补偿
– 用廉价材料将冷端
延伸到温度相对稳
定的控制室内；
? 冷端温度补偿
– 将冷端浸泡在恒温
的冰水中；
– 采用电路差减法消
除冷端热电势。
+ -
补偿导线
测量电路 热电
偶
?补偿导线应与热电偶的电
极材料配合使用；
?补偿导线的材质不同，接
线时应特别注意不能接错。
五、热电阻温度计
? 测量原理
– 利用金属电阻随温度变化的规律进行测量；
? 测量金属在不同温度下电阻值的变化。
? 工业热电阻温度计主要有两种材质,
– 铂电阻,0~650oC, Pt10,Pt100
– 铜电阻,-50~+150oC, Cu50,Cu100
? 结构：普通型，铠装型，薄膜型
六、电动温度计的二次仪表
? 功能,
– 对信号进行放大和转换；
– 信号的线性化。
? 组成部分,
– 输入电桥；
– 放大器；
– 反馈电路；
– 电源电路。
热电偶或热电阻
输入电桥 放大电路
反馈电路
电源电路
被测温度
七、测温元件的安装注意事项
1,确保测温元件与被测材料有充分的接触；
2,保持接线盒清洁干燥；
3,防止热量散失；
4,使用规定的补偿导线，并确保正确接线；
5,一次仪表与二次仪表间的信号线尽量不
要有接头；
6,信号线尽量单独穿管敷设。
本章习题
? P92
1,3,4,9,21,41,48,60
第四章 显示仪表
§ 4.1 概述
? 用于参数的指示、记录、累积的仪表
? 显示仪表的分类,
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
图象显示
机械显示
记录仪
自动电子电位计
动圈式显示仪表
电动显示
气动显示仪表
模拟量显示
仪数字量显示：数字显示
显示仪表
DDZ
§ 4.2 动圈式显示仪表
? 动圈式显示仪表的实质就是指针式电流 /
电压表。其 核心部件是一个磁电式 毫安
计 。
? 动圈式显示仪表 通过一定的内置电路 可
以直接用来作为热电偶、热电阻，以及
电流或电压的显示。
? 部分显示表还附带有模拟量输出，以实
现简单的控制功能。
一、动圈显示基本原理
? 磁场中，一个用弹性张丝悬挂
的线圈，当线圈有电流通过时，
线圈在电磁力的作用下发生偏
转；在电磁力矩与张丝的弹性
力矩平衡时，线圈达到最大偏
转角并稳定下来。
? 指针与线圈相连，指示电流大
小。
? 部分动圈仪表采用螺旋弹簧
（游丝）代替张丝作为弹性体 。
N S
?
?
?
?
c o s
c o s
n B S
K
I
MM
KM
n B I SM
?
?
?
?
弹电磁
弹
电磁
动圈的内部结构 ——温补与调整
? 温度补偿
– 采用热敏电阻抵消线圈热效
应。
? 调零
– 调整张丝或游丝的固定点。
? 校准
– 调整内部电阻。
? 阻尼
– 采用并联电阻短路感应电动
势。
RT R1
R2
R3
R4
+
-
二、动圈式显示计
—热电偶温度显示、电压与电流显示
? 校准后的动圈就是一个包含内
阻 r的电流表（毫安计）。
? 毫安计串联一个可调小电阻，
使回路总电阻一定时，即可用
于测量小电压 ——热电偶的输
出 。
? 毫安计串联一个大电阻，使回
路其它电阻忽略不计时，即可
用于测量大电压 ——普通电压
表。
? 毫安计并联一个小电阻，使毫
安计内阻 r忽略不计时，即可用
于测量大电流 ——普通电流表。
总调导补热 RErRRRREI /)/( ??????
串串外 RUrRRUI /)/( ????
)]/([0 rRRII ??
三、电桥与电阻测定
——热电阻温度计的显示
? 电桥的输出电压可以表示为,
? 对于等臂电桥，并忽略高阶小项
后可以表示为,
? 电桥具有“邻减对加”的特性。
R1
R2
R3
R4
? ?? ?? ?? ?
0
44332211
44332211
))(( URRRRRRRR
RRRRRRRRU
??????????
?????????
0
4321
4 UR
RRRRU ????????
三、电桥与电阻测定
——热电阻温度计的显示
? 对于热电阻温度变换器，考虑到导线电
阻随温度的变化，其输出电压可以表示
为,
? ? ? ?
T
LTLTT
LT
LTT
R
R
U
U
R
RRR
U
R
R
RR
RRR
??
???????
?
??
??
???
?????
44
00
0
0
0
0
4
3
2
1
四、动圈式显示仪表测温注意事项
? 型号意义
– XCZ：显示、磁电、指示
– XCT：显示、磁电、控制
? 注意配套使用
? 适当调整外接电阻
? 运输时，短路保护
§ 4.3 自动电子电位差计
? 当电路中有两个电位相反的电
源时，总电势为两个电源电势
之差。如果两个电源的电动势
相等，则回路电流为零。
? 电桥输出为零的条件为,
? 从电流表并联出信号并放大驱
动可逆电机即可实现自动平衡。
R
R R
R
E L
kUU
R
RUE ?????
24
2 0
0
热电偶 ——自动电位差计测温
系统构造
热
电
偶
测
量
电
桥
放
大
器
可
逆
电
机
指示机构
记录机构
同步电机
稳压电源
热电阻 ——自动电位差计测温系统
RT
R R
R
热
电
阻
测
量
电
桥
放
大
器
可
逆
电
机
指示机构
记录机构
同步电机
稳压电源
两个系统比较
项目 热电偶系统 热电阻系统
输入信号 电动势 电阻
电桥输出 E 0
冷端温度补偿 有 无
接线方式 双补偿线，桥中 三线，桥臂
电源 直流 直流或交流
§ 4.4 DDZⅢ 光柱显示报警器
? 信号：直流
– 电压,1~5V
– 电流：
4~20mA
? 电源,
– 直流,24V
– 交流,220V
上限
下限
上限设定
下限设定
DDZ光柱显示报警器
工作原理
比较
比较
电源
输入信号
显示部分 报警部分
上限设定
下限设定
§ 4.5 A/D转换与数字显示仪
? 模拟量信号,以连续变化的物理量的大小模拟实
际参数的大小。
? 数字量信号,以脉冲数表达的实际参数的大小。
?数字显示仪的主要功能：将模拟量信号转换
为数字量信号，并用数字符号显示出来。
?数字显示仪有单独的标准化（ DDZ Ⅲ 系列）
仪表。有些测试仪表的二次仪表也附带内置
的数字显示仪。
一、数字式显示仪表的分类
数
字
显
示
仪
表
电
压
型
频
率
型
单点式
多点式
单点式
多点式
显示仪
显示报警仪
显示输出仪
显示记录仪
显示报警输出记录仪
二、数字式显示仪表结构原理
检
测
变
送
模拟信号
A/D转换
数字信号
电
子
计
数
器
寄
存
器
电
子
译
码
器
显
示
器
1,A/D转换
? 功能,
– 将电压信号转换为数字脉冲信号；
– 输入与输出电位隔离。
? 构成,
– 低精度时直接用集成芯片转换；
? 单芯片精度取决于输出位数。
– 高精度时分段采用集成芯片转换。
– 对以电流方式输入的信号，先转换成电压信号。
2,电子计数器
? 功能,
– 将 A/D转换输出或测试仪表的数字输出按 10
进制进行分段；
? 构造与工作原理,
– 一般由多个双稳态触发器串联组成；
– 通过依次触发，实现进位。
3,寄存器
? 功能,
– 暂时储存电子计数器输出结果；
– 隔断计数器非信号输出；
– 根据后续请求定时输出数字信号。
? 结构,
– 一般直接采用 RAM芯片构成。
4,译码器
? 功能,
– 将数字信号翻译为十个数字状态；
– 将每个数字翻译为对应管脚信号。
? 构造,
– 通常由与显示器配套的专用芯片实现。
5,显示器
? 功能,
– 显示数字
? 分类
– 辉光数码管
– 发光二极管
– 液晶显示器
2 3 1 231231
温度,560oC
压力,3.1MPa
§ 4.6 无笔无纸记录仪
? 无纸、无笔显示记录仪实际上是一台 简化的计算机
系统 。
? 主要配置,
– CPU：工业专用微处理器；
– 主板：专用。包括,ROM,RAM，时钟电路
– 接口电路,
? 键盘控制器：接面板 膜式键盘 ；
? 显示控制器：接 液晶显示器 ；
? 打印控制器：接微型打印机；
? 通讯控制器：外接计算机（ PC）；
? A/D转换器：接测试仪表（模拟量）。
无笔无纸记录仪
主要功能
? 显示
– 柱状图显示、数字显示、实时变化趋势曲线
– 设定极限、报警；
– 时间、单位
? 简易编程 ——组态
– 具有格式化的简易编程功能
? 历史记录
? 通讯
本章作业
? P128~129
1,13,14,
第五章 自动控制仪表
§ 5.1 概述
一、控制系统按被调参数的变化规律分类,
? 定值调节系统：给定值为常数；
? 随动调节系统：给定值为变数，要求跟随变化；
? 程序控制调节系统：按预定时间顺序控制参数。
二、控制目的的实现,
? 通过人为设定或计算机程序直接给出一定的输
出 ——简单；
? 将设定值与实测值进行比较，以其差值大小控
制调节器动作，直至差值达到允许的误差范围。
第五章 自动控制仪表
§ 5.1 概述
三、控制仪表的分类,
? 基地式控制仪表
– 检测、控制、显示组合在一起的一类仪表。
? 单元组合式控制仪表
– 在系统规定的统一的通讯方式下，按要求给出
相应的控制信号。
? 计算机控制系统
– 以计算机为中心控制单元,以测试仪表、执行
机构等单元为外围设备的系统。
§ 5.2 基本控制规律
? 控制规律：控制系统输入与输出之间的
关系。
? 按控制目标分类,
– 限位控制：在输出超出设定的上下限时控制
器改变输出状态；
– 连续控制：根据测量值与设定值的差异（差
值）连续调整输出（控制参数）。
一、限位控制
? 控制规律
– AB断开，低位，开启阀门；
– AC导通，高位，关闭阀门。
控
? ?
? ???
??
导通
导通
ACp
ABpp
m i n
m a x
? 控制结果,
?将液位限制在 BC之间。 A
B
C
限位控制的过渡曲线
p
t
y
t
yH
yL
限位控制器电路举例
24V DC 0
A
B
C
控
A
B
C
AB断开 ——阀门开启 ； AC接通 ——阀门关闭
C
B
电磁阀
二、连续控制 ——PID控制
? 根据 输入量与设定值差异 的大小 连续 调整
输出量的大小。
? 分类,
– P控制 ——比例控制
– PI控制 ——比例积分控制
– PD控制 ——比例微分控制
– PID控制 ——比例微分积分控制
1,P调节
? 输出量与被控量的差值成正比。
P= KP ·e
? 放大倍数 KP：输出量与被控量的差值的
比例系数。
? 比例度 ?：控制器输入变化相对值与相应
的输出变化相对值之比的百分数。
?放大倍数 KP与比例度 ?成反比
KP（ ? ）值的影响
? KP值过大（ ?值过小）
– 系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产
生大幅振荡。
? KP值过小（ ?值过大）
– 系统反应过于迟钝，调节时间长，余差大。
? KP值（ ?值）适中
– 经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，
有一定的余差。
2,PI调节
? 加入积分调节的目的：缩短大偏差的调
节时间，消除余差。
? 积分调节方法：输出量与输入偏差对时
间的积分成正比。
? 对于较大的偏差，容易导致调节时间过
长，调节量过大而出现超调。因而通常
与比例调节共同使用。
???
?
???
? ?? ? e d t
T
eKp p
1
1
积分时间 Ti的影响
? Ti值过小
– 系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产
生大幅振荡。
? Ti值过大
– 积分作用不明显，调节时间长，余差大。
? Ti值适中
– 经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，
无余差。
3,PD调节
? 加入微分调节的目的：防止出现超调现
象。
? 积分调节方法：输出量与输入偏差对时
间的微分成正比。 ——根据被控参数变
化的快慢进行调节，属超前控制。
? 对于固定的偏差，没有输出。因而不能
消除余差，通常与比例调节共同使用。
?
?
??
?
? ??
dt
deTeKp
dp
微分时间 TD的影响
? TD值过大
– 系统反应过于灵敏，调节时间长，余差大，有
时甚至会出现大幅振荡。
? TD值过小
– 积分作用不明显，超调量大。
? TD值适中
– 经过少数几个明显减幅振荡后，逐渐趋于稳定。
特别是对有较大滞后的系统作用尤为明显 。
4,PID调节
? 同时采用比例、积分、微分调节方法。
? 通过适当调整比例常数、积分时间、微分时间等
三个参数的大小，确定各种调节作用的强弱。
? 采用比例积分微分（ PID）调节，既能快速进行控
制，又能消除余差，对反应较慢的系统也能进行
有效的控制，因而具有较好的控制性能。
? PID控制方法是目前参数连续控制系统中普遍采用
的控制方法。
几种调节方法的比较
? P调节
? PI调节
? PD调节
? PID调节
?pKm ?
? ??? dtKKm Ip ??
dt
dTKKm
Dpp
?? ??
)1( ? ??????? dtdTdtTKmmmm D
I
PDIP
???
I 调节
P 调节
PI 调节
PID 调节
PD 调节
X
X 0
§ 5.2 模拟量 PID控制器
一、基本构成
? 比较环节
– 将测量值与设定值进行比较（电流、电压、气压相减），
产生偏差信号。
? 放大器
– 将偏差信号、反馈信号、载波信号叠加后进行放大。
? 反馈环节
– 将输出信号通过一定的运算关系反馈到放大器的输入端，
以实现比例、积分、微分等控制规律。
给定信号 比较环节
测量信号
偏差 放大器 输出信号
反馈环节 -
二,DDZ—Ⅲ 电动控制器
1,仪表的特点
? 采用国际电工委员会（ IEC）推荐的统一标准
信号,
– 4~20mA DC 或 1~5V DC，信号电流与电压的转换
电阻为 250?。
? 高度集成化，可靠性高，维修量少。
? 全系统统一采用 24V DC电源供电，单元仪表
无须单独设置电源。
? 功能齐全，结构合理。
? 具有 本安 （本质安全）性能。
二,DDZ—Ⅲ 电动控制器
2,基本功能
? 控制功能
– 自动控制：针对偏差，按 PID规律自动调整输出。
– 手动控制：由人工直接设定输出值 ——遥控执行器。
? 软手动：输出随时间按一定的速度增加或减小。
? 硬手动：瞬间直接改变输出值。
? 显示功能
– 输入显示、设定值显示、手动给定显示、输出显示、
（输出）限位报警。
? 调整功能
– 给定输入调整,
– 控制参数整定,
无干扰切换
? 在不同的控制方式相互切换过程中，输
出参数和系统状态不发生突变。
? 无干扰切换的实现,
– 在切换前，调节手动输出参数或设定值，使
输出值与自动输出值保持一致。
二,DDZ—Ⅲ 电动控制器
3,结构原理
输入
电路
PD
电路
PI
电路
输出
电路
软
手
动
电
路
硬
手
动
电
路
显示
电路
内给定
电路
给定显示
外给定值
测量信号 输出信号
二,DDZ—Ⅲ 电动控制器
4,外形结构
? 仪表整体为长
方体，伸入控
制箱（盘）内
部
? PID参数设定
位于仪表内部，
拉开整个仪表，
可用螺丝刀调
整变阻器。
炉温控制
§ 5.3 数字量控制器
? 通过 A/D,D/A转换，可以实现模拟量与
数字量之间的相互转化。
? 数字量控制器的基本结构原理为,
A/D
AIO
DIO
I/O
模拟量信号
模拟量信号
CPU
计算
电路
D/A
AIO
DIO
I/O
模拟量信号
模拟量信号
数字量控制器的分类
? 单回路数字控制器
– 为适应 DDZ系列单元模式（功能、外形）而设计的
简易计算机控制系统。
? PLC控制器
– 具有大量 I/O接口的专用计算机系统，通常使用专门
的编程语言。
? 商用计算机
– 基于高性能商用 CPU的计算机系统，可使用多种高
级语言，具有普通家用计算机的全部功能。
本章作业
? P153
? 1,2,17,18,19
第六章 执行器
? 执行器得作用：将控制器的输出转化为对被操
作对象的实际操作（动作）。
? 根据动作能源的不同，执行器可以分为以下三
类,
–气动执行器：以气压为动力，推动机构动作。
–电动执行器：以电动机作为动力源，推动机构动作。
–液动执行器：以液压站提供的流体（液压油）高压
为动力源，推动机构动作。
§ 6.1 气动执行器
? 执行机构
– 执行器的推动装置。
? 薄膜执行机构：气压推动薄膜并带动连杆运动。
? 活塞执行机构：气压推动活塞并带动连杆运动。
? 控制机构
– 直接作用于对象，并使对象的运动发生改变
的装置。
气
气
一、气动执行机构
? 输入信号
– 空气压力,0.02~0.1MPa
? 输出,
– 按连杆最大位移 ——行程确定规格,
? 10,16,25,40,60,100mm
? 气动弹簧执行机构
– 在薄膜或活塞上增加弹簧，使其行程与气压成正
比 ——常用于连续变化量的调节。
– 无薄膜气动执行机构，常用于开关方式调节。
二、控制机构
1,作用与分类
?作用：直接作用于对象，并使对象的运
动（如流量）发生变化。
?由于被控对象千差万别，控制机构的形
式也各不相同，如调节阀、调压变压器、
变速器、振动给料机等等。
?化工系统中最常用的控制机构为各种形
式的控制阀。
2,各种形式的控制阀
?插板阀、浆液阀
?单座、双座控制阀
?隔膜控制阀
?蝶阀
?球阀
?旋转阀
?套筒阀
3,控制阀的理论流量特性
? 被控介质流过阀门的相对流量与阀门相
对开度（相对位移）间的关系。
Q/Qmax=f（ l/L）
– 直线特性,Q/Qmax=K （ l/L） +C
– 对数特性,Q/Qmax=R （ l/L-1）
– 抛物线特性,
– 快开特性,
? ? 2
m a x
111 ?????? ??? LlRRQ Q
4,控制阀的实际流量特性
?控制阀在调节过程中，同时将引起管道
工况点的变化，进而使阀门两端压差发
生变化。
?阀门两端压差的变化又反过来影响通过
阀门流体的流量。
?因此，除非是简单的两端恒压（如水池
放水阀），阀门的实际流量特性通常是
十分复杂的。
例 水泵出口阀门的调节特性
Q 0
H
s=1
s=0.9 s=0.5 s=0.2
5,控制阀的选择
? 结构与特性选择
– 结构选择：依据工艺条件（温度、压力等）和介质
的物理、化学性质（腐蚀性、黏度等）进行选择。
– 流量特性选择：依据工艺需要并结合整个管路系统
的工况点（管路流量特性）选择。
? 气开式与气关式的选择
– 依据气源断开的安全性结合执行机构形式选择。
? 阀门口径的选择
– 依据实际流量调节范围选择。
三、气动执行机构的安装与维修保养
? 位置选择应注意方便安装维修；
? 环境温度,+60oC~-40oC
? 尽量直立安装在水平管道上，其它安装方式应
加设支撑架；
? 控制阀前后一般应安装手动截止阀，以便维修；
? 安装前应进行清洗；
? 定期维护检修。注意观察密封与磨损情况。
四、电 —气转换
? 在电控系统中，使用气动执行机构必须
进行电 —气转换。
– 将控制器输出的直流电信号转换为气压信号；
– 将执行器的位置信号（气压）转换为电信号，
反馈给控制器，以便控制器能准确的进行控
制。
§ 6.2 电动执行器
? 以电动机为核心动力源，将控制器输出
的直流电信号直接转换成相应的角位移
或直线行程的机构。
? 电动执行机构的分类,
– 角行程电动执行机构：使输出轴产生 0~90o
角位移；
– 直线行程电动执行机构,
– 多转式电动执行机构
电动执行器的结构原理
伺服
放大器
伺服
电动机 减速机
位置
发送器
输入信号
操作器
输出轴 离合
器
手轮
电动执行器的选择
? 电动执行器与气动执行器的差异主要执
行机构，其控制机构基本相同。
? 电动执行器的选择,
– 根据控制机构选择执行机构；
– 根据扭矩选择角行程执行器；
– 根据轴位移选择直线行程执行器；
– 根据阀门型号选择多转式执行器。
§ 6.3 电 —液执行器
? 以直流电信号为控制信号，以液压为动
力的执行器。
? 主要用途：与大功率、大位移控制机构
配套，用于大型设备的控制。
如：大型高压阀门的控制。
? 通常，防爆性能较差，不能用于易燃、
易爆及高温场所。
电 —液执行器的结构原理
液压系统
电控系统
输
入
信
号
反
馈
信
号
位置
发送器
输出轴
本章作业
? P165~166
1,4,17,18
第七章 简单控制系统
? 本章主要介绍以下主要内容,
– 简单控制系统的概念及其构成；
– 被控变量与操纵变量的选择；
– 控制方法及仪表的选择；
– 系统参数的整定。
§ 7.1 简单控制系统的定义与组成
? 定义,
– 由 一个测量仪表（ 测量元件、变送器）,一
个控制器 和 一个执行机构 所组成的控制 一个
对象参数 的（单闭环）控制系统。
? 简单控制系统又称单环控制系统。
? 简单控制系统是构成复杂控制系统的基
本单元。
§ 7.3 被控变量的选择
? 工艺过程的 重要参数 ；
? 在工艺系统中易受干扰变化,需要经常调节的参数 ；
? 尽可能选用 直接指标 作为被控参数，必要时可用与
直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。
? 被控变量应 方便检测,并有足够的灵敏度；
? 适当考虑系统测控代价；
? 被控变量应是 独立可控 的。
§ 7.3 操纵变量的选择
? 操纵变量,
?在自动控制系统中，用于调节被控变量的参
数，称为操纵变量。
? 操纵变量的 选择原则,
?操纵变量必须是工艺上允许调节的变量；
?操纵变量应具有较高的调节灵敏度,
? 较大的 放大倍数 K0；
? 较短的 滞后时间 ?。
?符合工艺的合理性和生产的经济性。
§ 7.4 系统的滞后
? 检测系统特性的影响主要表现为时间滞后
的作用。
? 造成系统滞后的主要原因有,
– 被测对象滞后,测量点不能及时反映参数的变
化。存在容积滞后和 /或传递滞后。
– 检测元件滞后,因热容、热阻等惯性因素的影
响，导致检测仪表的输出不能及时反映参数的
变化。
– 信号传递滞后,主要是气动信号传递较慢导致
系统反映滞后。
§ 7.5 控制方案与控制规律
? 控制系统按信号来源（系统结构）分类
– 反馈控制
– 前馈控制
– 复合控制 工艺过程
测量 调节 执行
输入 输出
测量 调节
执行
控制规律与环节的正反作用
? 常用控制一般都采用 PID控制，通过适当调节
比例常数、积分时间和微分时间常数可以实现
多种控制规律。
? 实际控制系统的每个环节都有正反作用规律,
– 测量环节,间接指标可能与直接指标反向对应；
– 控制环节,可以用被测参数减去设定值，也可以用
设定值减去被测参数；
– 执行环节,控制信号的加大可以导致执行结果的加
大（如气开阀）或减少（如气关阀） 。
§ 7.5 控制器参数的工程整定
? 控制器参数的工程就是选择适宜的比例
度 Kp（放大倍数 ?）、积分时间 Ti和微分
时间 TD。
? 控制器的整定可以采用两种方法,
– 理论计算法：通过理论计算，寻找控制关系；
– 工程整定法：通过实际试验或经验规律选择
控制参数。
1,临界比例度法
? 具体方法,
1,在纯比例控制（ Ti =0,TD =?）条件下通过
试验获得临界比例度 ?K；
2,再根据经验公式计算实际参数值 ?,Ti, TD 。
? 使用条件,
– 临界比例法广泛应用于放大倍数较小，即 控
制器输出范围较小 的系统；
– 使用临界比例法必须是 工艺系统允许 短时间
震荡的情形。
2,衰减曲线法
? 具体方法,
1,在纯比例控制（ Ti =0,TD =?）条件下通
过试验选择适宜的比例度 ?s使系统呈现 4：
1的衰减比；
2,再根据所得的比例度和衰减周期通过经验
公式计算实际参数值 ?,Ti, TD 。
? 使用条件,
– 干扰作用不太频繁；
– 干扰作用的规律性较强。
3,经验凑试法
? 具体方法,
1.根据一般经验选择适宜的控制参数 ?,Ti,
TD ；
2.在实际运行过程中对参数进行适当的调整。
? 使用条件,
– 干扰作用频繁；
– 干扰作用的规律性较差。
本章作业
? P181
– 1,4,6,13,17,22
第八章 复合控制系统
? 复合控制系统是由两个及两个以上简单控制
系统组合起来的控制一个或同时控制多个参
数的控制系统。
? 常见复合控制系统主要有以下几种,
1,串级控制系统
2,均匀控制系统
3,比值控制系统
4,选择性控制系统
5,分程控制系统
6,多冲量控制系统
§ 8.1串级控制系统
? 串级控制系统是指：在对象滞后较大、
干扰作用强烈而且频繁的主控制系统中，
对局部参数（副参数）进行预先控制以
提高系统总体控制水平的复合控制系统。
? 串级控制系统通常包括,
– 主控制系统：系统目标参数控制系统；
– 副控制系统：为实现目标参数控制而设置的
辅助参数控制系统。
例,管式加热炉的控制
? 主参数（目标参数）：
出口温度
? 操纵变量：燃料量
? 副变量：炉温
出口温度
炉温
燃料量
原料
原料量变化 炉温变化 出口温度变化
通过燃料量
调节炉温
通过出口温度
调节炉温设定值
串级控制的特点
? 两个回路：主回路、副回路
? 两个变量：主变量、副变量
? 改善了对象的特性，有效地克服了滞后
? 具有一定的自适应能力。可应用于负荷
和操作条件变化较大的场合。
?自适应,自动调整设定值，以保证系统
整体具有较好的控制质量。
串级控制系统中副回路的确定
1,主、副回路应有一定的 内在联系
2,副回路应 尽可能多地包含干扰因素
– 主要干扰应包含在副回路中；
– 在可能条件下，使副回路包含较多的次要
干扰。
3,注意主、副回路的 时间匹配,防止“共
振”
4,尽量使 副回路包含较少的滞后时间 。
控制规律与正反作用
? 控制规律
– 主回路,无余差 ——PI,PID控制
– 副回路,快速反应 ——纯 P控制。
? 正反作用
– 主回路,根据主、副变量的关系确定正反作
用；
– 副回路,根据系统安全性确定正反作用。
– 如考虑运行中切除副回路,则副控制器应选
用反作用。
? 设定值加大相当于输入信号减小 。
§ 8.2 均匀控制系统
? 当系统中具有两个相互关联的参数，其
中任意一个参数的稳定必然导致另一个
参数的大幅度变化，而工艺上需要两者
兼顾时，可采用均匀控制。
? 均匀控制的目标,
– 两个参数都是变化的，且变化缓慢；
– 两个参数的变化范围都要尽可能小。
均匀控制方案
? 简单均匀控制
– 采用简单控制系统,选择适宜的控制参数，
降低单个参数的控制精度 。
? 减小放大倍数，延长积分时间，不用微分控制。
? 串级均匀控制
– 通过两个参数的控制制约调和两个参数的矛
盾 。
– 串级均匀控制的主、副回路一般都采用低精
度快反应的纯比例控制。 要求高精度时可适当加入
积分作用 。
§ 8.3 比值控制系统
? 比值控制系统,实现两个或两个以上参数符合
一定比例关系的控制系统 。
? 比值控制方案
– 开环比值控制系统,以一个参数的测定值控制另一
个参数；
– 单闭环比值控制系统,以一个参数的测定值计算出
另一个参数闭环控制的设定值；
– 双闭环比值控制系统,以一个单闭环参数的测定值
计算另一个参数闭环控制的设定值；
– 变比值控制系统,以第三个参数的大小决定上述控
制系统的比值。
§ 8.4 选择性控制系统
? 两种系统保护措施
– 硬保护,极限情况下，声光报警，转入人工控制或
停车；
– 软保护,极限情况下，转入另一种控制模式，进行
自动处理 ——选择性控制系统 。
? 根据处理方法不同，选择性控制系统可以分为
三类；
– 开关型选择性控制系统,由限位信号切断控制器输
出；
– 连续型选择性控制系统,由限位信号切换为另一个
控制器输出给执行器；
– 混合型选择性控制系统,采用两个限制信号，同时
进行上述两种控制。
§ 8.5 分程控制系统
? 分程控制系统：由一个控制器同时控制
两个执行机构并使之次第执行的控制系
统。
? 使用范围,
– 扩大调节范围，提高调节精度；
– 可用于两种不同的介质，以满足工艺要求；
– 用作生产安全的防护措施。
分程控制系统示例
LT
LC
§ 8.6 多冲量控制系统
? 多冲量控制系统,
——以多个变量经过一定
的运算后，共同控制同一
个执行器，以实现较高质
量的控制系统。
多冲量控制系统示例
——锅炉液位控制系统
LA
LC
LT
LA
LC
LT
FT
LA
LC
LT
FT
FT
单冲量 双冲量 三冲量
e=a-s e=(a-b)-s e=(a-b+c)-s
? P215
– 2,4,9,14,18,23,26
本章作业
第九章 计算机程序控制系统
§ 9.1 概 述
? 工业控制计算机的特点,
– 可靠性强，抗干扰能力强；
– 与用户设备联结方便；
– 可以使用单一的计算机语言，或通用语言。
? 计算机控制基本原理,
– 计算机中，所有数据均以 高低电平 表示 —有电、无
电；
– 所有数据存在位置都以 地址 表示；
– 计算机通过指定地址（包括接口位置）对数据读、
写。
第九章 计算机程序控制系统
§ 9.1 概 述
? 外围设备的电信号（开关量或数字量）
转换成一定的计算机数据码后,CPU经
过接口地址就可以获得外部信息，通过
相反途径就可以将计算结果输出到外部
设备。
? 计算机与外部设备的联结部件称为计算
机 输入 /输出（ I/O）模块 。
计算机内部结构原理图
CPU
ROM
RAMEPROM
I/O
CRT PRN KB MOU SE NET I/O
计算机系统常见配置原理图
复杂控制系统
监控机或网络
简单控制系统
PRNCR T NET
I/O 板
主机
KB M OU SE
工
作
站
I/O 板
PLC
测试 / 调节回路 测试 / 调节回路
第九章 计算机程序控制系统
§ 9.2 计算机 I/O组件
? 功能,
– 与外围设备联结
? 外围设备的一个开关信号（数字量）或一个电流 /电压值可以
通过一个接点与计算机交换；这个接点称为 I/O端子。
? 根据通过信号的不同,I/O板分为 DIO和 AIO两类。
? 一个 I/O可以有多个端子,4点,8点,16点,25点等。
– 信号的隔离与转换
? 计算机与外设可以有不同的电位；
? 防止干扰信号或故障电压影响计算机运行。
– 与计算机联结
? 满足计算机数据通讯格式要求。
§ 9.2 计算机 I/O组件
外部信号分类
? 数字信号 DIO
– 有源信号：高低电平
– 无源信号：通断 ——相当于开关
? 模拟信号 AIO
– 电压信号,0~5VDC，或 0~24VDC；
– 电流信号,4~20mA，或 0~115VAC
§ 9.2 计算机 I/O组件
信号隔离
外
部
输
入
计
算
机
24VDC 24VDC
外
部
输
入
DIO 无源输入 DIO 无源输出
光
电
管
光
电
管
中
间
继
电
器
§ 9.2 计算机 I/O组件
I/O与计算机的连接
CPU Link I/O I/O I/O I/O
Pow er I/OI/OI/OI/OLink
I/OI/OLink I/O I/OPow er
监控机
或网络
HHM
Pow er
Pow er
I/OI/OLink I/OI/O
I/O
I/OI/OI/OI/OLink
I/OLink I/O I/O
计算机
Pow er
监控机
或网络
直接计算机控制系统
? 直接数字控制系统
Direct Digital Control ——DDC
– 用一台工业计算机配以适当的输入输出设备，从生
产过程中经输入通道获取信息，按照预先规定的控
制算法计算出控制量，并通过输出通道，直接作用
到执行机构上，实现对生产过程的闭环控制。
? DDC控制系统实质上是以计算机为控制器过程
控制系统。
? DDC控制系统的特点,
– 高可靠性，友好的人机对话界面，方便的显示打印
功能，灵活的控制规律。
§ 9.3 计算机控制网络系统
? 一个独立的计算机工作站就如同一台独
立的家用计算机，可以通过网线和服务
器构成计算机网络。
? 如同其它计算机局域网一样，通过计算
机控制网络同样可以进行数据的传输和
远程操作。各工作站的历史数据也可以
通过网络按需要进行储存和显示打印。
计算机集散式控制系统
? 集散控制系统 Distributed Control System
– 基于计算机网络，按实际功能进行梯阶控制和管
理的复杂控制系统。
? DCS系统组成
1,现场控制站：局部控制、数据采集与传送；
2,人机接口：系统编程（组态）、状态监视、操作；
3,通讯接口：信息传送；
4,通用计算机接口与通用计算机：系统管理、数据
输出、打印等。
集散式控制系统的特点
1,采用分级梯阶结构
– 过程控制、优化控制、自适应控制、工厂管理；
2,采用微机智能技术
3,采用网络通讯技术
4,丰富的功能软件包
5,强有力的人机接口功能
6,采用高可靠技术
– 提高硬件可靠性，采用冗余配置。
§ 9.4 计算机控制系统的编程
? 现场控制站语言
? 代码编程
以 and,or,str,cnt等代码将控制原理图输入计算机。
? 机器码编程
将代码程序进行人工汇编后，以 16进制机器码输入。
? 符号编程 ——梯形图语言
利用高级语言（梯形图语言），采用 Windows图形编
辑法将控制原理图输入计算机。
? 操作站语言
– Windows操作系统高级语言
§ 9.3 计算机控制系统的编程
? 集散控制系统的组态软件
– 组态软件是一种格式化的控制系统程序 。一个功能强大
的组态软件，能提供友好的用户界面，使用户在简单的
格式化逻辑输入后便可生成自己所需要的应用软件。
? 控制系统的用户软件通常允许进行两种操作平台,
– 工程师操作平台, 开放式的软件操作系统，允许软件工
程师添加新的控制软件，或对现有软件进行适当修改。
工程师平台通常设有用户密码或单独设置工作站、键盘，
以防误操作；
– 操作员平台, 仅允许现场操作员进行显示切换和部分操
作参数的设定,不能修改程序，以防误操作。操作员平
台通常有美观、方便的用户界面。
本章习题
? P256
3,5,6
目的和意义
? 在化工等连续性生产设备上，配备一些自动化装置，代替
操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进
行，称为 化工自动化 。
? 实现化工自动化的目的是,
1,加快生产速度，降低生产成本,提高产品数量和质量 。
2,降低劳动强度，改善劳动成本。
3,确保生产安全
? 学习本课程的意义在于：扩大知识面，适应生产现代化需
要；扩大就业途径。
高岭土在不同温度下煅烧时，其化学
反应式如下,
][][23])[(3
])[(2][32
][32])[2(2
2][2][)(
2232
1 4 0 0
232
2232
1 1 0 0
232
2232
925
232
2232
700~550
4522
方石英莫来石似莫来石
似莫来石硅尖晶石
硅尖晶石偏高岭石
偏高岭石高岭石
S i OS i OOAlS i OOAl
S i OS i OOAlS i OOAl
S i OS i OOAlS i OOAl
OHS i OOAlOHOSiAl
C
C
C
C
???? ???
???? ???
???? ???
????? ??
?
?
?
?
化工自动化的发展历程
? 1950?s~1960 ?s
基地式气动单元仪表，基地式电动单元
仪表，膜片式仪表。 为化工单元操作的
发展提供了技术支撑。
? 1970 ?s~1980 ?s
单元组合 Ⅱ 型仪表,QDZⅡ, DDZ Ⅱ
? 1990 ?s~
单元组合 Ⅲ 型仪表,QDZⅢ, DDZ Ⅲ
本课程主要内容
? 基本概念
? 控制系统
? 控制对象
? 仪器仪表
? 测量
? 显示
? 调节
? 执行
? 调节系统（简单系统、复杂系统）
? 计算机控制系统（系统构成、接口与转换）
主要参考书目
1,化工仪表及自动化 （第三版）
厉玉鸣 主编，化学工业出版社
2,化工仪表及自动化习题集
厉玉鸣 主编，化学工业出版社
3,化工过程控制工程（第二版）
王骥程 祝和云 主编，化学工业出版社
4,化工过程控制基础
化学工业出版社
第一章 自动调节系统基本概念
第一节 化工自动化的主要内容
第二节 自动调节系统的组成
第三节 自动调节系统的表示方法
第四节 自动调节系统的分类
第五节 自动调节的过度过程和系统品质指
标 ☆
第一节 化工自动化的主要内容
? 自动检测
? 自动保护与报警
? 自动操纵与启停
? 自动调节
第二节 自动调节系统的组成
要求
观察
思考
调节
变换
显示
记录
调节
给定值
执行
机构
检测
仪表
记录仪
显示器
调节器
四部分：测量仪表、显示记录仪表、调节器、执行机构
+
给定值
x
测量值
- z
变送器
e
p
调节
作用
调节器
q
被调参数
y
干扰作用
f
调节对象控制器
控制器
输出
第三节 自动调节系统的表示方法
? 方块图表示方式
? 流程图表示方式 进料 出料
TC
TT
凝液
蒸汽
控制流程图符号意义
序号 安装位置 图形符号 备注 序号 安装位置 图形符号 备注
1 就地安装仪表 4 集中仪表盘后 安装仪表
嵌在管道中
2 集中仪表盘面 安装仪表
5 就地仪表盘后 安装仪表
3 就地仪表盘面 安装仪表
控制流程图字母意义
字
母
第一位字母 后继字母 字
母
第一位字母 后继字母
被测变量 修饰词 功能 被测变量 修饰词 功能
A 分析 报警 P 压力
C 电导率 控制 Q 数量 积分 累积
D 密度 差 R 放射性 记录
E 电压 S 速度 安全 开关
F 流量 比 T 温度 传送
I 电流 指示 V 粘度 阀
K 时间 W 力
L 物位 Y
M 水分 Z 位置 执行机构
第四节 自动调节系统的分类
? 按被调参数分类,
流量调节、温度调节、压力调节、物位调节等；
? 按调节规律分类,
比例调节、比例微分调节、比例积分调节、比例微分积分调
节
? 按被调参数的变化规律分类,
定值调节系统：给定值为常数；
随动调节系统：给定值为变数，要求跟随变化；
程序控制调节系统：按预定时间顺序控制参数。
? 按信号种类分类,
气动调节系统，电动调节系统
第五节 自动调节的过度过程和
系统品质指标
1,控制系统的过渡过程
? 控制系统的过渡过程,
– 在扰动或给定值变化的情况下，被控量偏离给定值
和在控制调节作用下，接近给定值或跟随给定值变
化的过程。
? 控制系统的动态特性
– 被控参数向给定值变化过程的特性。
? 控制系统的静态特性
– 经过调节作用后，被控参数处于稳定范围时的特性。
第五节 自动调节的过度过程和
系统品质指标
1,控制系统的过渡过程
? 控制系统的过渡过程,
– 在扰动或给定值变化的情况下，被控量偏离给定值
和在控制调节作用下，接近给定值或跟随给定值变
化的过程。
? 控制系统的动态特性
– 被控参数向给定值变化过程的特性。
? 控制系统的静态特性
– 经过调节作用后，被控参数处于稳定范围时的特性。
第五节 自动调节的过度过程和
系统品质指标
? 飞升曲线,
– 在单位阶跃输入（因扰动或设定值变化，使
被控参数和设定值之间出现阶跃性变化）下，
过度参数的变化曲线。
输
入
量
时间 t
0 t
0
飞升曲线的四种形式
3,等幅振荡过程
1,非周期衰减过程
0
t 0
y
y
0
t 0
0
4,发散振荡过程
t t 0 t
2,衰减振荡过程
y
t
y
0
t 0 t
控制系统的品质指标
1,最大偏差 A；
2,衰减比 (A-C)/(B-C)； 4:1~10:1
3,余差 C；
4,过渡时间 t；
5,振荡周期 T。
y
t
A
B
C
T
误差范围
本章作业
? P15
1,8,9,11, 21
第二章 调节对象的特性
§ 2.1 化工对象的特点及其描述方法
? 调节效果取决于调节对象（内因）和调
节系统（外因）两个方面。
?外因只有通过内因起作用, 内因是最终
效果的决定因素 。
? 设计调节系统的前提是,正确掌握工艺
系统调节作用（输入）与调节结果（输
出）之间的关系 ——对象的特性 。
对象特性的分类与研究方法
? 所谓研究对象的特性，就是用数学的方法来描述
出对象输入量与输出量之间的关系 ——数学建模 。
– 对象的数学模型,对象特性的数学描述；
? 对象的数学模型可以分为静态数学模型和动态数
学模型。
– 静态数学模型 描述的是对象在稳定时（静态）的输入
与输出关系；
– 动态数学模型 描述的是在输入量改变以后输出量跟随
变化的规律；
– 动态数学模型是更精确的模型，静态数学模型是动态
数学模型在对象达到平衡时的特例 。
系统的动态特性
? 对象受到干扰作用或调节作用后，被调参数跟随
变化规律。
? 研究系统动态特性的核心是：寻找系统输入与输
出之间的（函数）规律。
– 系统输入量：干扰作用、调节作用
– 系统输出量：系统的主要被调参数、副作用
? 数学模型的表示方法,
– 非参量模型,用曲线、图表表示的系统输入与输出量之
间的关系；
– 参量模型,用数学方程式表示的系统输入与输出量之间
的关系。
对象动态特性的研究方法
? 理论分析
根据系统工艺实际过程的数质量关系，分
析计算输入量与输出量之间的关系。
? 实验研究
有些系统的输入与输出之间的关系是比较
难以通过计算来获得的。需要在实际系统或实
验系统中，通过一组输入来考察输出的跟随变
化规律 ——反映输入与输出关系的经验曲线和
经验函数关系 。
§ 2.2 对象理论数学模型的建立
? 一阶对象,
系统输入、输出关系（动态特性）可以用
一阶微分方程来表示的控制对象。
? 积分对象
系统动态特性可以用一阶积分方程来表示
的控制对象。
? 二阶对象,
系统动态特性可以用二阶微分方程来表示
的控制对象。
示例一：一阶对象
由体积守恒可得,
(Q1-Q2)dt=Adh
其中,Q2?h/Rs
RS——局部阻力项
由此可得,
RS Q1=h+A Rs (dh/dt)
或,
K Q1 =h+T(dh/dt)
h
Q1
Q2
示例二：积分对象
由体积守恒可得,
(Q1-Q2)dt=Adh
其中,Q2=C
C——常数
由此可得,
Q1= Q2 +A (dh/dt)
或,
h=(1/A)? (Q1-C) dt
h
Q1
Q2
示例三：二阶对象
由体积守恒可得,
(Q1-Q12)dt=A1dh1
(Q12-Q2)dt=A2dh2
由此可得,
R2 Q1=h2+(A1 R2 +A2 R2 )(dh2/dt)
+ A1 R2 A2 R2(d2h2/dt2)
或,
KQ1=h2+(T1 +T2)(dh2/dt)
+ T1 T2(d2h2/dt2)
h1
Q1
Q12
Q2 h2
§ 2.3 描述对象特性的参数
? 放大倍数 K
– 在系统稳定条件下,输入量与输出量之间的
对应关系 ——系统的静态特性 。
如,h=KQ+C 或 ?h=K ?Q
? K值越大，系统灵敏度越高 。
在实际工艺系统中，通常采用比较 K值的方
法来选择主要控制参数。当然，由于工艺条件
和生产成本的制约，实际上并不一定都选择 K
值最大的因素作为主控参数。
§ 2.3 描述对象特性的参数
? 时间常数 T
– 在一定的输入作用下，被调参数完成其变化所需时
间的参数。
– 当对象受到阶跃输入作用后，被调参数如果保持初
始速度变化，达到新的稳定值所须的时间 。
由于调节量越大，被调参数的变化越大。
随着调节作用的进行，相对调节量变小，被调
参数的变化减小。所以，在阶跃输入后，被调
参数的实际变化速度是越来越小的。因此，被
调参数变化到新的稳定值 (与新输入量相对应的
输出量 )所需的时间实际上应该是无限长。
§ 2.3 描述对象特性的参数
? 滞后时间 ?
– 在输入参数变化后，有的输出参数不能立即
发生变化，而需要等待一段时间才开始产生
明显变化，这个时间间隔称为滞后时间。
? 滞后时间按其产生原因可以分为,
– 传递滞后,滞后期内无变化 ——新参数的作
用结果还没有传递到输出点；
– 容积滞后,滞后期内逐步产生微弱变化 ——
新参数的作用结果受到容积量的缓冲。
示例四,
一阶对象的放大倍数和时间常数
(Q1-Q2)dt=Adh 其中 Q2?h/Rs
对于任意 Q1输入，最终总能形成一
定的 h，使得,
Q1 = Q2?h/Rs
? 一个 Q1对应一个确定的 h。
参数 Rs实际上决定了稳定液位
高度与给料量之间的对应关系 —
—比例系数 或 放大倍数 。
当某一瞬间 Q1从 a增加 /减少到
b时,h需要经过一段时间才能从
对应的 h1增加 /减少到 h2。 时间常
数 T即用于描述此过程的快慢。
h
Q1
Q2
示例五,
二阶对象传递滞后与容积滞后
当 Q1发生变化后，需要 经
过时间 t1，其新流量才能进入
被控系统 ——传递滞后 。
Q1变化后的流量进入被控
系统后，首先使 h1逐步发生变
化； 经过时间 t2后,h1有了较
大变化，才引起 Q12发生明显
变化，并进而导致 h2开始发生
显著变化 ——容积滞后 。
h1
Q1
Q12
Q2 h2
§ 2.4 对象特性的实验研究
? ―科学”和“技术”具有不同的范畴
– 许多复杂的过程不能通过理论分析得出显性表达式；
– 理论推导通常忽略一些影响因素，而这些因素对实
际结果具有相当的影响；
– 通过实验获得经验方程有时比理论推算更方便。
? 对象特性研究的目的在于获得以下参数,
– 输入与输出的对应关系 ——对象的静态特性；
– 调节作用的时间常数与滞后时间 ——对象的动态特
性。
对象特性的实验研究方法
? 多点拟合法
– 在调节量的全部变化范围内，按一定规律依次取值实验，分
别记录被调参数变化规律，并进而分析各种静态特性和动态
特性参数。
优点,结果比较准确。 缺点,时间长，代价大。
? 阶跃反应曲线法
– 通过调节量的一个阶跃变化寻找对象的动态特性。
优点,简单易行。 缺点,精度低。
? 周期脉冲法
– 通过调节量的周期变化（矩形波或正弦变化），获取对象的
动、静态特性。
优点,能反应条件波动时的结果。 缺点,不能用于大滞后系统。
对象特性实验注意事项
1,实验应在其它条件相对相对稳定时进行；
2,条件变化与结果记录应同时进行，以便分析滞后
时间；
3,实验结果的记录应持续到输出量达到稳定态为止；
4,尽可能增加实验点数，必要时可进行重复实验，
以提高精度；
5,对实验数据中的奇异点，要认真分析，尽量排除。
6,注意实验中的异常变化，必要时做好预防措施，
以策安全。
本章作业
? P33
9,14
第三章 测量元件与变换器
§ 3.1 概述
一、参数的测量
? 参数检测,将被测参数经过一次或多次能量的
交换，获得一种 便于显示和传递 的 信号 的过程。
? 根据信号的不同，参数检测仪表可以分为 气动
检测仪表 和 电动检测仪表 两类。
? 非电量的电测法,
– 将非电量工艺参数，如压力、温度、流量、物位等，
转换为电流、电压等电路参数（信号）的检测方法。
二、检测仪表的性能
1,准确度与误差
? 准确度,测量值与被测量真值的接近程度；
? 绝对误差,测量值与被测量真值之差；
? 相对误差,绝对误差与被测量真值之比；
– 实际相对误差：绝对误差与被测量真值之比；
– 示值相对误差：绝对误差与仪表指示值之比；
– 引用相对误差：绝对误差与仪表满刻度值之
比。
? 允许误差：最大引用相对误差。
二、检测仪表的性能
2.指示变差与精密度
? 指示变差,同一仪表对相同的被测参数进行正,
反行程测量时，其显示值的差异。
? 精密度 （简称 精度 ）：仪表检测微小参数变化
的能力。
? 仪表精度等级：用允许误差的绝对值表示,
常用仪表等级有,0.005,0.02,0.05,0.1,0.2，
0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0,5.0等,
精确度, 仪表精密而准确的程度。
二、检测仪表的性能
3,灵敏度、灵敏限与分辨率
? 灵敏度,仪表的指示位移变化量与被测
参数变化量之比。
? 灵敏限,能引起仪表指针发生位移变化
的被测参数 的最小变化量。
? 分辨率,测试仪表数字显示器的最末位
数字间隔所代表的被测参数变化量。
二、检测仪表的性能
4,线性度与反应时间
? 线性度,测量仪表在
全量程范围内实际校
准值与理论对应值的
吻合程度。
? 反应时间,显示值变
化相对于实际值变化
的滞后时间。
被测变量
仪
表
显
示
值
三、检测系统的构成
被
测
参
数
敏
感
元
件
信
号
变
换
信
号
传
输
信
号
测
量
显示
记录
控制
+
-
A/D PLC
§ 3.2 压力的测量与变送
一、压力的表示与单位
压力的表示,
? 绝对压力
– 单位面积所受到的力
? 相对压力（表压）
– 绝对压力与大气压之差
? 真空度
– 大气压与绝对压力之差
绝
对
压
力
绝对
压力
真空度
表压 标准大气压
压力（压强）的单位
? 压强（俗称压力）：单位面积所受到的
垂直作用力。
? 工程上的“压力”与力学中的“压力”
不表示同一个概念。
帕 Pa N/m2 毫米汞柱 mm
兆帕 MPa 106N/m2 水柱 m
工程大气压 10mH2O 巴 dyn/cm2
物理大气压 20oC 海平面 psi lb/in2
二、压力计的分类与工作原理
工业压力计通常按敏感元件的类型进行分类,
? 液柱式压力计
? 活塞式压力计
? 弹性式压力计
? 电气式压力计
1,液柱式压力计
测量原理,P=h? 所以 h=P/ ?
单管压力计 U型管 压力计 斜管压力计
2,活塞式压力计
? 测量原理,
P=G/S
所以 G=P?S
? 精确度高
? 常用作标准仪表，
检验其它压力计
3、弹性式压力计与常用压力表
? 工作原理：采用弹性元件将压强大小转
换为位移量，再通过机械传动和放大，
推动指针偏移。
? 根据敏感元件形式的不同可以分为以下 3
类,
– 弹簧管式压力计
– 薄膜式压力计
– 波纹管式压力计
4、电气式压力计与信号转换
? 电气式压力计，实际上是将弹性元件、
液柱式压力计所产生的 微小位移 或活塞
式压力计所产生的 力 转换为 电信号 输出
的一类压力计。
? 电气式压力计通常两部分组成,
?一次仪表 （压力探头）：将压力转换为微弱
电参数；
?二次仪表,将微弱电参数转换为标准电信号。
电气式压力计一次探头
? 常用电参数有,电阻, 电感, 电容, 电
压 等。
? 常见压力变换器（压力探头）有,
?应变式压力变换器 ；
?压电电阻式压力变换器 ；
?电感式压力变换器 ；
?电容式压力变换器 ；
?霍尔片式压力变换器 。
电阻应变式压力计一次探头
? 电线的电阻为,R=?L/S
? 当电线受到拉（应）力作用时,L变大，
S变小,R变大。
? 当粘一组串联平行细导线（电阻应变片）
的金属（弹性元件）因压力变化而发生
微小变形（应变）时，细导线的电阻随
之发生变化。从而，将压力参数转化为
电阻参数。
压力
变化
弹性
变形
电阻
变化
电感式压力计一次探头
? 磁路的磁阻与铁芯的间隙相关。所以，
当衔铁或铁芯的位置发生变化时，其电
感也随之发生变化。从而，可以将位移
量转化为电感量。
电容式压力计一次探头
? 电容器的电容量：
C=?S/d
? 当 S或 d发生变化时，
电容量发生变化。
霍尔式压力计一次探头
? 霍尔半导体在垂直电流和磁场的作用下，
会产生侧向电压,UH=RHBI
N S
电气压力计前置放大器
? 传感元件的参量变化通常是非常微弱的，不能
进行远距离传送，需要进行初步放大。
? 电阻和电容传感器一般采用电桥放大，以电压
方式输出；
? 电感式传感器一般采用振荡电路放大，以频率
方式输出；
? 电压传感器一般采用直流放大器，以电压或电
流方式输出。
电气压力计前置放大器
供桥
电压
输出
电压
输出
频率
输出
电压输入
电压
电气压力计二次仪表
? 作用：将传感器信号转换为标准通讯信
号。
? DDZ Ⅲ 型仪表标准通讯信号为：
4~20mA。
? 智能型压力传感器在二次仪表中另外附
加一些功能，如：模 /数转换与数据通讯，
工程单位转换，信号（变化）阻尼，故
障诊断等。
三、压力计的选型
? 选型内容,
– 类型选择
? 功能：显示、报警、记录、传送（数字、模拟）；
? 介质条件：温度、腐蚀性、粘度、脏污程度等；
如：氨气表防腐，氧气表禁油。
? 环境条件：温度、震动、电磁场等。
– 量程与盘面大小；
? 工作压力不小于 1/3量程，不大于 2/3（ 1/2）量程。
? 盘面大小应方便安装和观察。
– 精度等级：根据工艺需要确定。
常见压力传感器外形
工业压力变送器 数字压力变送器 通用压力变送器 隔离压力变送器 高温压力变送器 隔离压差变送器
隔离液位变送器 微压变送器 电容压力变送器 隔膜压力变送器 绝压变送器 双膜压差变送器
微型探针压力计 暖风空调压力计 湿式压力变送器 本安压力变送器 OEM血压计 OEM压力芯片
三、压力计的安装
? 安装事项,
– 取压位置：由工艺条件确定；
? 尽量避免涡流影响；
? 避免流速影响；
? 避免导压管产生压差。
– 隔离,
? 温度隔离：采用铜管散热；
? 腐蚀性隔离：采用隔离箱（凝液管）；
? 脏污隔离：采用空气包。
§ 3.3 流量的测量与变送
按测量途径分类,
? 速度式流量计
– 通过测量过流速度，用过流面积换算成流量。
? 容积式流量计
– 采用固定溶剂空间逐次衡量过流容积。
? 质量流量计
– 计量 可压缩流体 的质量通过量。
一、速度式流量计
? 根据测速方法可以分为以下几类,
– 压差流量计
– 转子流量计
– 电磁流量计
– 超声波流量计
– 涡轮流量计
– 堰式流量计
1,压差流量计
? 由流体力学知识可知，流体通过孔板节
流装置后，会产生一定的压降。根据流
速和压降的关系可以推导出下列方程,
? 通过测量孔板前
后压差即可计算
出流速和流量。
pFQ ?? ?? 2
p1 p2
2,转子流量计
? 垂直流道中的金属转子在
压差力和重力的共同作用
下平衡。
– 压差与流速有关；
– 流速取决于转子的位置。
? 由转子高度可直接读取通
过的流量；
? 测量转子位置可进一步获
得相应的电气信号。 ? ?
A
gV
hQ
f
ft
?
??
?
?
?
2
3,电磁流量计
? 当流道两侧有磁场
作用时，导电流体
在流动过程中切割
磁力线，产生感应
电动势,
Ex=BDv?10-12
所以有,
Q=K Ex
EX1 EX2
3,电磁流量计
电磁流量计由两部分组成,
? 电磁流量变换器
– 由带激磁线圈的绝缘测量管产生电势信号。
? 二次仪表
– 作用：提供激磁电源，将变换器输出的微弱
电势信号进行放大，并输出相应的电流信号。
– 组成：前置放大、主放大、相敏检波、功率
放大、霍尔反馈（克服电源波动）、电源等。
4,超声波流量计
? 多普勒效应,当一束波射向移动的物质并产生
散射时，其散射波的频率会产生变化（频移），
且频率变化量与物质的运动速度成正比。
? 超声波流量计的特点,
– 非接触式测量；
– 流体中需要有散射粒子,微泡或颗粒 。
粒入散 vfff d ???
??
?
? ????
2s inc o s
2 ??
?
?
?
二、容积式流量计
? 容积式流量计主要包括两类,
– 齿轮式流量计
? 一对紧密啮合的齿轮与壳体之间形成固定的间隙空间，齿
轮每旋转一周，有固定流体通过间隙输送通过。流体通过
量与齿轮转数成正比。
– 活塞式流量计
? 利用活塞的每一次往复运动输送定量的流体。
? 计量泵：用外力推动容积式流量计即可定量输
送流体
? 容积式流量计的最大特点是对被测流体的粘度
不敏感，常用于测量重油等 粘稠流体 。
三、质量流量计
? 间接式质量流量计
– 分别测量体积流量和密度再用乘法计算出质
量流量。
? 直接式质量流量计
– 利用科氏力的作用使弯曲的弹性管道两侧产
生震动相位差
?质量流量计结构比较复杂，只用于压力
变化较大的 可压缩流体 。
§ 3.4 物位的测量与变送
? 物位,
– 液位：容器中液体表面的高低；
– 料位：容器中固体的堆积高度；
– 界面：两相物质的交界面。
物位计的分类
? 直读式物位计
? 浮力式物位计
? 压差式物位计
? 电磁式物位计
? 核辐射式物位计
? 超声波物位计
? 光电式物位计
一、直读式物位计
? 用带有刻度的透明物质（如玻璃、有机
玻璃）作为容器壁的一部分或连通管，
可以直接显示容器内液位的高低。
二、浮力式物位计
? 利用浮子高度随液面或液体界面变化而
变化的原理工作。
三、压差式物位计
? 利用物料内静压力与物料深度或堆积高
度成正比的关系进行测量。
液体密闭容器 液体敞开容器 固体称重仓
四、电容式物位计
? 圆柱形电容器的电容量的表达式为,
? 电极间充入高度为 H的介质前后电容量的变化
值为,
由此可见，电容量的变化量与充料高度成正比。
测量电容量变化即可知料位的变化。
d
D
LC
ln
2 ???
? ? ? ?
HKH
d
D
d
D
L
d
D
DL
d
D
H
C ??
?
??
?
??
ln
2
ln
2
ln
2
ln
2 000 ?????????
四、电容式物位计
电容式液位计 电容（绳）式料位计
主要用于测量不导电流体
五、电极式物位计
? 利用物料的
导电性能测
量高低液位。
? 也可以用于
导电性较弱
的液体和潮
湿固体。
六、核辐射式物位计
? 放射线通过介质
时，其强度衰减
与物质的吸收系
数和介质层厚度
有关,
? 目前，工业上使
用的放射线物位
计有连续式和间
断式两种。
HeII ???
0
七、超声波物位计
? 利用声波在空气中传播速度
不变的原理，通过检测声波
发射和反射全过程的时间间
隔可以计算出物料界面到探
头的距离，从而得到物位的
高低。
? 注意事项,
– 确保反射波能回到探头；
– 防止物料对声波的吸收（如表
面泡沫漂浮）。
§ 3.4 温度的测量与变送
? 温度是化工过程中最普遍而重要的操作
参数 。
– 所有的过程都是在一定的温度条件下进行的；
– 温度决定一些反应能否进行和反应方向；
– 温度决定一些反应的进程程度；
– 温度显示反应的能量变化。
? 温度不能直接测量 。温度的测量都是通
过温度传递到敏感元件后，其 物理性质
随温度变化而进行 的。
常用温度计的种类及适用温度
?
?
?
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C
C
C
C
C
CC
C
C
C
C
C
C
C
C
2 0 0 0~200:
3 5 0 0~0:
1 7 0 0~900:
3 2 0 0~700:
2 0 0 0~400:
150~50:600~200:
600~50:
1 0 0 0~50:
1 6 0 0~0:
250~0:
600~20:
600~30:
600~80:
600~50:
热电式
光电式
红外线
比色
光辐射
热辐射
辐射式
非接触式
、铜热电阻：铂
考铜镍铬
镍硅镍铬
铂铂铑
热电偶
蒸汽
气体
液体
压力式
双金属
玻璃液体
膨胀式
接触式
温度计
一、膨胀式温度计
? 玻璃液体温度计
– 利用液体受热膨胀并
沿玻璃毛细管延伸而
直接显示温度
? 双金属温度计
– 不同金属受热膨胀不
同，双金属片在受热
情况下发生弯曲而显
示温度
t = t0
t ? t0
二、压力式温度计
? 利用液体的蒸发或气体的
膨胀而引起的压力变化进
行测量。
– 温包,传热、容纳膨胀
介质；
– 毛细管,传递压力；
– 弹簧管,显示压力（温
度）。
三、辐射式温度计
? 通过特定波长 光波的强度 或 热辐射强度 来确
定光源温度。
1,辐射式温度计：测定热辐射强度；
2,光学温度计：采用光学分频法，测定不同频
率光波的强度比值；
3,比色法：直接通过可见光颜色的对比，确定
光源温度。
? 辐射式温度计，通常用于测量高温条件，特
别是光学温度计和比色温度计需要利用物体
在高温下发射的可见光进行检测。
四、热电偶温度计
1.热电偶工作原理
– 不同金属具有不同的电子密度；
– 两种金属接触面因为电子的扩散作用而产生
电场 —热电现象；
– 电子在扩散作用和电场力作用下最终达到平
衡；
– 电子的扩散与温度相关，温度越高，扩散作
用越强。
+
+
-
-
扩散作用
电场作用
金属 A 金属 B
2,热电偶的材质与选择
? 热电偶的材质要求,
– 单位温度变化的热电势大，且尽量接近线性
关系；
– 热电性质稳定；
– 化学稳定性好：高温下抗氧化，抗腐蚀；
– 具有较好的延展性，易于加工；
– 复现性好，便于批量生产和互换。
? 不同材质的热电偶有不同的特性，应根
据实际需要选择
– 测量范围、放大系数（以分度值表示）、测
量精度、抗腐蚀能力、价格等。
3,热电偶的结构
? 热电极
– 工作部分
? 绝缘子
– 防止电极与电极、套
管短路
? 保护套管
– 保护
? 接线盒
4,热电偶回路
? 不同金属连接在一起
都构成热电偶作用；
? 热电偶回路电动势为
各接点热电势的总和；
? 对于有外接导线的热
电偶回路，其总电动
势为热端与冷端热电
动势之差。
A B
C
C
? ?
? ?
? ? ? ?0
000
00
)()(0
)()(
teteE
tetete
teteteE
ABABt
CABCAB
CABCABt
??
???
???
?热电偶测量的关键是如
何保证冷端的温度
5,热电偶的补偿
? 热电偶的导线补偿
– 用廉价材料将冷端
延伸到温度相对稳
定的控制室内；
? 冷端温度补偿
– 将冷端浸泡在恒温
的冰水中；
– 采用电路差减法消
除冷端热电势。
+ -
补偿导线
测量电路 热电
偶
?补偿导线应与热电偶的电
极材料配合使用；
?补偿导线的材质不同，接
线时应特别注意不能接错。
五、热电阻温度计
? 测量原理
– 利用金属电阻随温度变化的规律进行测量；
? 测量金属在不同温度下电阻值的变化。
? 工业热电阻温度计主要有两种材质,
– 铂电阻,0~650oC, Pt10,Pt100
– 铜电阻,-50~+150oC, Cu50,Cu100
? 结构：普通型，铠装型，薄膜型
六、电动温度计的二次仪表
? 功能,
– 对信号进行放大和转换；
– 信号的线性化。
? 组成部分,
– 输入电桥；
– 放大器；
– 反馈电路；
– 电源电路。
热电偶或热电阻
输入电桥 放大电路
反馈电路
电源电路
被测温度
七、测温元件的安装注意事项
1,确保测温元件与被测材料有充分的接触；
2,保持接线盒清洁干燥；
3,防止热量散失；
4,使用规定的补偿导线，并确保正确接线；
5,一次仪表与二次仪表间的信号线尽量不
要有接头；
6,信号线尽量单独穿管敷设。
本章习题
? P92
1,3,4,9,21,41,48,60
第四章 显示仪表
§ 4.1 概述
? 用于参数的指示、记录、累积的仪表
? 显示仪表的分类,
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
图象显示
机械显示
记录仪
自动电子电位计
动圈式显示仪表
电动显示
气动显示仪表
模拟量显示
仪数字量显示：数字显示
显示仪表
DDZ
§ 4.2 动圈式显示仪表
? 动圈式显示仪表的实质就是指针式电流 /
电压表。其 核心部件是一个磁电式 毫安
计 。
? 动圈式显示仪表 通过一定的内置电路 可
以直接用来作为热电偶、热电阻，以及
电流或电压的显示。
? 部分显示表还附带有模拟量输出，以实
现简单的控制功能。
一、动圈显示基本原理
? 磁场中，一个用弹性张丝悬挂
的线圈，当线圈有电流通过时，
线圈在电磁力的作用下发生偏
转；在电磁力矩与张丝的弹性
力矩平衡时，线圈达到最大偏
转角并稳定下来。
? 指针与线圈相连，指示电流大
小。
? 部分动圈仪表采用螺旋弹簧
（游丝）代替张丝作为弹性体 。
N S
?
?
?
?
c o s
c o s
n B S
K
I
MM
KM
n B I SM
?
?
?
?
弹电磁
弹
电磁
动圈的内部结构 ——温补与调整
? 温度补偿
– 采用热敏电阻抵消线圈热效
应。
? 调零
– 调整张丝或游丝的固定点。
? 校准
– 调整内部电阻。
? 阻尼
– 采用并联电阻短路感应电动
势。
RT R1
R2
R3
R4
+
-
二、动圈式显示计
—热电偶温度显示、电压与电流显示
? 校准后的动圈就是一个包含内
阻 r的电流表（毫安计）。
? 毫安计串联一个可调小电阻，
使回路总电阻一定时，即可用
于测量小电压 ——热电偶的输
出 。
? 毫安计串联一个大电阻，使回
路其它电阻忽略不计时，即可
用于测量大电压 ——普通电压
表。
? 毫安计并联一个小电阻，使毫
安计内阻 r忽略不计时，即可用
于测量大电流 ——普通电流表。
总调导补热 RErRRRREI /)/( ??????
串串外 RUrRRUI /)/( ????
)]/([0 rRRII ??
三、电桥与电阻测定
——热电阻温度计的显示
? 电桥的输出电压可以表示为,
? 对于等臂电桥，并忽略高阶小项
后可以表示为,
? 电桥具有“邻减对加”的特性。
R1
R2
R3
R4
? ?? ?? ?? ?
0
44332211
44332211
))(( URRRRRRRR
RRRRRRRRU
??????????
?????????
0
4321
4 UR
RRRRU ????????
三、电桥与电阻测定
——热电阻温度计的显示
? 对于热电阻温度变换器，考虑到导线电
阻随温度的变化，其输出电压可以表示
为,
? ? ? ?
T
LTLTT
LT
LTT
R
R
U
U
R
RRR
U
R
R
RR
RRR
??
???????
?
??
??
???
?????
44
00
0
0
0
0
4
3
2
1
四、动圈式显示仪表测温注意事项
? 型号意义
– XCZ：显示、磁电、指示
– XCT：显示、磁电、控制
? 注意配套使用
? 适当调整外接电阻
? 运输时，短路保护
§ 4.3 自动电子电位差计
? 当电路中有两个电位相反的电
源时，总电势为两个电源电势
之差。如果两个电源的电动势
相等，则回路电流为零。
? 电桥输出为零的条件为,
? 从电流表并联出信号并放大驱
动可逆电机即可实现自动平衡。
R
R R
R
E L
kUU
R
RUE ?????
24
2 0
0
热电偶 ——自动电位差计测温
系统构造
热
电
偶
测
量
电
桥
放
大
器
可
逆
电
机
指示机构
记录机构
同步电机
稳压电源
热电阻 ——自动电位差计测温系统
RT
R R
R
热
电
阻
测
量
电
桥
放
大
器
可
逆
电
机
指示机构
记录机构
同步电机
稳压电源
两个系统比较
项目 热电偶系统 热电阻系统
输入信号 电动势 电阻
电桥输出 E 0
冷端温度补偿 有 无
接线方式 双补偿线，桥中 三线，桥臂
电源 直流 直流或交流
§ 4.4 DDZⅢ 光柱显示报警器
? 信号：直流
– 电压,1~5V
– 电流：
4~20mA
? 电源,
– 直流,24V
– 交流,220V
上限
下限
上限设定
下限设定
DDZ光柱显示报警器
工作原理
比较
比较
电源
输入信号
显示部分 报警部分
上限设定
下限设定
§ 4.5 A/D转换与数字显示仪
? 模拟量信号,以连续变化的物理量的大小模拟实
际参数的大小。
? 数字量信号,以脉冲数表达的实际参数的大小。
?数字显示仪的主要功能：将模拟量信号转换
为数字量信号，并用数字符号显示出来。
?数字显示仪有单独的标准化（ DDZ Ⅲ 系列）
仪表。有些测试仪表的二次仪表也附带内置
的数字显示仪。
一、数字式显示仪表的分类
数
字
显
示
仪
表
电
压
型
频
率
型
单点式
多点式
单点式
多点式
显示仪
显示报警仪
显示输出仪
显示记录仪
显示报警输出记录仪
二、数字式显示仪表结构原理
检
测
变
送
模拟信号
A/D转换
数字信号
电
子
计
数
器
寄
存
器
电
子
译
码
器
显
示
器
1,A/D转换
? 功能,
– 将电压信号转换为数字脉冲信号；
– 输入与输出电位隔离。
? 构成,
– 低精度时直接用集成芯片转换；
? 单芯片精度取决于输出位数。
– 高精度时分段采用集成芯片转换。
– 对以电流方式输入的信号，先转换成电压信号。
2,电子计数器
? 功能,
– 将 A/D转换输出或测试仪表的数字输出按 10
进制进行分段；
? 构造与工作原理,
– 一般由多个双稳态触发器串联组成；
– 通过依次触发，实现进位。
3,寄存器
? 功能,
– 暂时储存电子计数器输出结果；
– 隔断计数器非信号输出；
– 根据后续请求定时输出数字信号。
? 结构,
– 一般直接采用 RAM芯片构成。
4,译码器
? 功能,
– 将数字信号翻译为十个数字状态；
– 将每个数字翻译为对应管脚信号。
? 构造,
– 通常由与显示器配套的专用芯片实现。
5,显示器
? 功能,
– 显示数字
? 分类
– 辉光数码管
– 发光二极管
– 液晶显示器
2 3 1 231231
温度,560oC
压力,3.1MPa
§ 4.6 无笔无纸记录仪
? 无纸、无笔显示记录仪实际上是一台 简化的计算机
系统 。
? 主要配置,
– CPU：工业专用微处理器；
– 主板：专用。包括,ROM,RAM，时钟电路
– 接口电路,
? 键盘控制器：接面板 膜式键盘 ；
? 显示控制器：接 液晶显示器 ；
? 打印控制器：接微型打印机；
? 通讯控制器：外接计算机（ PC）；
? A/D转换器：接测试仪表（模拟量）。
无笔无纸记录仪
主要功能
? 显示
– 柱状图显示、数字显示、实时变化趋势曲线
– 设定极限、报警；
– 时间、单位
? 简易编程 ——组态
– 具有格式化的简易编程功能
? 历史记录
? 通讯
本章作业
? P128~129
1,13,14,
第五章 自动控制仪表
§ 5.1 概述
一、控制系统按被调参数的变化规律分类,
? 定值调节系统：给定值为常数；
? 随动调节系统：给定值为变数，要求跟随变化；
? 程序控制调节系统：按预定时间顺序控制参数。
二、控制目的的实现,
? 通过人为设定或计算机程序直接给出一定的输
出 ——简单；
? 将设定值与实测值进行比较，以其差值大小控
制调节器动作，直至差值达到允许的误差范围。
第五章 自动控制仪表
§ 5.1 概述
三、控制仪表的分类,
? 基地式控制仪表
– 检测、控制、显示组合在一起的一类仪表。
? 单元组合式控制仪表
– 在系统规定的统一的通讯方式下，按要求给出
相应的控制信号。
? 计算机控制系统
– 以计算机为中心控制单元,以测试仪表、执行
机构等单元为外围设备的系统。
§ 5.2 基本控制规律
? 控制规律：控制系统输入与输出之间的
关系。
? 按控制目标分类,
– 限位控制：在输出超出设定的上下限时控制
器改变输出状态；
– 连续控制：根据测量值与设定值的差异（差
值）连续调整输出（控制参数）。
一、限位控制
? 控制规律
– AB断开，低位，开启阀门；
– AC导通，高位，关闭阀门。
控
? ?
? ???
??
导通
导通
ACp
ABpp
m i n
m a x
? 控制结果,
?将液位限制在 BC之间。 A
B
C
限位控制的过渡曲线
p
t
y
t
yH
yL
限位控制器电路举例
24V DC 0
A
B
C
控
A
B
C
AB断开 ——阀门开启 ； AC接通 ——阀门关闭
C
B
电磁阀
二、连续控制 ——PID控制
? 根据 输入量与设定值差异 的大小 连续 调整
输出量的大小。
? 分类,
– P控制 ——比例控制
– PI控制 ——比例积分控制
– PD控制 ——比例微分控制
– PID控制 ——比例微分积分控制
1,P调节
? 输出量与被控量的差值成正比。
P= KP ·e
? 放大倍数 KP：输出量与被控量的差值的
比例系数。
? 比例度 ?：控制器输入变化相对值与相应
的输出变化相对值之比的百分数。
?放大倍数 KP与比例度 ?成反比
KP（ ? ）值的影响
? KP值过大（ ?值过小）
– 系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产
生大幅振荡。
? KP值过小（ ?值过大）
– 系统反应过于迟钝，调节时间长，余差大。
? KP值（ ?值）适中
– 经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，
有一定的余差。
2,PI调节
? 加入积分调节的目的：缩短大偏差的调
节时间，消除余差。
? 积分调节方法：输出量与输入偏差对时
间的积分成正比。
? 对于较大的偏差，容易导致调节时间过
长，调节量过大而出现超调。因而通常
与比例调节共同使用。
???
?
???
? ?? ? e d t
T
eKp p
1
1
积分时间 Ti的影响
? Ti值过小
– 系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产
生大幅振荡。
? Ti值过大
– 积分作用不明显，调节时间长，余差大。
? Ti值适中
– 经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，
无余差。
3,PD调节
? 加入微分调节的目的：防止出现超调现
象。
? 积分调节方法：输出量与输入偏差对时
间的微分成正比。 ——根据被控参数变
化的快慢进行调节，属超前控制。
? 对于固定的偏差，没有输出。因而不能
消除余差，通常与比例调节共同使用。
?
?
??
?
? ??
dt
deTeKp
dp
微分时间 TD的影响
? TD值过大
– 系统反应过于灵敏，调节时间长，余差大，有
时甚至会出现大幅振荡。
? TD值过小
– 积分作用不明显，超调量大。
? TD值适中
– 经过少数几个明显减幅振荡后，逐渐趋于稳定。
特别是对有较大滞后的系统作用尤为明显 。
4,PID调节
? 同时采用比例、积分、微分调节方法。
? 通过适当调整比例常数、积分时间、微分时间等
三个参数的大小，确定各种调节作用的强弱。
? 采用比例积分微分（ PID）调节，既能快速进行控
制，又能消除余差，对反应较慢的系统也能进行
有效的控制，因而具有较好的控制性能。
? PID控制方法是目前参数连续控制系统中普遍采用
的控制方法。
几种调节方法的比较
? P调节
? PI调节
? PD调节
? PID调节
?pKm ?
? ??? dtKKm Ip ??
dt
dTKKm
Dpp
?? ??
)1( ? ??????? dtdTdtTKmmmm D
I
PDIP
???
I 调节
P 调节
PI 调节
PID 调节
PD 调节
X
X 0
§ 5.2 模拟量 PID控制器
一、基本构成
? 比较环节
– 将测量值与设定值进行比较（电流、电压、气压相减），
产生偏差信号。
? 放大器
– 将偏差信号、反馈信号、载波信号叠加后进行放大。
? 反馈环节
– 将输出信号通过一定的运算关系反馈到放大器的输入端，
以实现比例、积分、微分等控制规律。
给定信号 比较环节
测量信号
偏差 放大器 输出信号
反馈环节 -
二,DDZ—Ⅲ 电动控制器
1,仪表的特点
? 采用国际电工委员会（ IEC）推荐的统一标准
信号,
– 4~20mA DC 或 1~5V DC，信号电流与电压的转换
电阻为 250?。
? 高度集成化，可靠性高，维修量少。
? 全系统统一采用 24V DC电源供电，单元仪表
无须单独设置电源。
? 功能齐全，结构合理。
? 具有 本安 （本质安全）性能。
二,DDZ—Ⅲ 电动控制器
2,基本功能
? 控制功能
– 自动控制：针对偏差，按 PID规律自动调整输出。
– 手动控制：由人工直接设定输出值 ——遥控执行器。
? 软手动：输出随时间按一定的速度增加或减小。
? 硬手动：瞬间直接改变输出值。
? 显示功能
– 输入显示、设定值显示、手动给定显示、输出显示、
（输出）限位报警。
? 调整功能
– 给定输入调整,
– 控制参数整定,
无干扰切换
? 在不同的控制方式相互切换过程中，输
出参数和系统状态不发生突变。
? 无干扰切换的实现,
– 在切换前，调节手动输出参数或设定值，使
输出值与自动输出值保持一致。
二,DDZ—Ⅲ 电动控制器
3,结构原理
输入
电路
PD
电路
PI
电路
输出
电路
软
手
动
电
路
硬
手
动
电
路
显示
电路
内给定
电路
给定显示
外给定值
测量信号 输出信号
二,DDZ—Ⅲ 电动控制器
4,外形结构
? 仪表整体为长
方体，伸入控
制箱（盘）内
部
? PID参数设定
位于仪表内部，
拉开整个仪表，
可用螺丝刀调
整变阻器。
炉温控制
§ 5.3 数字量控制器
? 通过 A/D,D/A转换，可以实现模拟量与
数字量之间的相互转化。
? 数字量控制器的基本结构原理为,
A/D
AIO
DIO
I/O
模拟量信号
模拟量信号
CPU
计算
电路
D/A
AIO
DIO
I/O
模拟量信号
模拟量信号
数字量控制器的分类
? 单回路数字控制器
– 为适应 DDZ系列单元模式（功能、外形）而设计的
简易计算机控制系统。
? PLC控制器
– 具有大量 I/O接口的专用计算机系统，通常使用专门
的编程语言。
? 商用计算机
– 基于高性能商用 CPU的计算机系统，可使用多种高
级语言，具有普通家用计算机的全部功能。
本章作业
? P153
? 1,2,17,18,19
第六章 执行器
? 执行器得作用：将控制器的输出转化为对被操
作对象的实际操作（动作）。
? 根据动作能源的不同，执行器可以分为以下三
类,
–气动执行器：以气压为动力，推动机构动作。
–电动执行器：以电动机作为动力源，推动机构动作。
–液动执行器：以液压站提供的流体（液压油）高压
为动力源，推动机构动作。
§ 6.1 气动执行器
? 执行机构
– 执行器的推动装置。
? 薄膜执行机构：气压推动薄膜并带动连杆运动。
? 活塞执行机构：气压推动活塞并带动连杆运动。
? 控制机构
– 直接作用于对象，并使对象的运动发生改变
的装置。
气
气
一、气动执行机构
? 输入信号
– 空气压力,0.02~0.1MPa
? 输出,
– 按连杆最大位移 ——行程确定规格,
? 10,16,25,40,60,100mm
? 气动弹簧执行机构
– 在薄膜或活塞上增加弹簧，使其行程与气压成正
比 ——常用于连续变化量的调节。
– 无薄膜气动执行机构，常用于开关方式调节。
二、控制机构
1,作用与分类
?作用：直接作用于对象，并使对象的运
动（如流量）发生变化。
?由于被控对象千差万别，控制机构的形
式也各不相同，如调节阀、调压变压器、
变速器、振动给料机等等。
?化工系统中最常用的控制机构为各种形
式的控制阀。
2,各种形式的控制阀
?插板阀、浆液阀
?单座、双座控制阀
?隔膜控制阀
?蝶阀
?球阀
?旋转阀
?套筒阀
3,控制阀的理论流量特性
? 被控介质流过阀门的相对流量与阀门相
对开度（相对位移）间的关系。
Q/Qmax=f（ l/L）
– 直线特性,Q/Qmax=K （ l/L） +C
– 对数特性,Q/Qmax=R （ l/L-1）
– 抛物线特性,
– 快开特性,
? ? 2
m a x
111 ?????? ??? LlRRQ Q
4,控制阀的实际流量特性
?控制阀在调节过程中，同时将引起管道
工况点的变化，进而使阀门两端压差发
生变化。
?阀门两端压差的变化又反过来影响通过
阀门流体的流量。
?因此，除非是简单的两端恒压（如水池
放水阀），阀门的实际流量特性通常是
十分复杂的。
例 水泵出口阀门的调节特性
Q 0
H
s=1
s=0.9 s=0.5 s=0.2
5,控制阀的选择
? 结构与特性选择
– 结构选择：依据工艺条件（温度、压力等）和介质
的物理、化学性质（腐蚀性、黏度等）进行选择。
– 流量特性选择：依据工艺需要并结合整个管路系统
的工况点（管路流量特性）选择。
? 气开式与气关式的选择
– 依据气源断开的安全性结合执行机构形式选择。
? 阀门口径的选择
– 依据实际流量调节范围选择。
三、气动执行机构的安装与维修保养
? 位置选择应注意方便安装维修；
? 环境温度,+60oC~-40oC
? 尽量直立安装在水平管道上，其它安装方式应
加设支撑架；
? 控制阀前后一般应安装手动截止阀，以便维修；
? 安装前应进行清洗；
? 定期维护检修。注意观察密封与磨损情况。
四、电 —气转换
? 在电控系统中，使用气动执行机构必须
进行电 —气转换。
– 将控制器输出的直流电信号转换为气压信号；
– 将执行器的位置信号（气压）转换为电信号，
反馈给控制器，以便控制器能准确的进行控
制。
§ 6.2 电动执行器
? 以电动机为核心动力源，将控制器输出
的直流电信号直接转换成相应的角位移
或直线行程的机构。
? 电动执行机构的分类,
– 角行程电动执行机构：使输出轴产生 0~90o
角位移；
– 直线行程电动执行机构,
– 多转式电动执行机构
电动执行器的结构原理
伺服
放大器
伺服
电动机 减速机
位置
发送器
输入信号
操作器
输出轴 离合
器
手轮
电动执行器的选择
? 电动执行器与气动执行器的差异主要执
行机构，其控制机构基本相同。
? 电动执行器的选择,
– 根据控制机构选择执行机构；
– 根据扭矩选择角行程执行器；
– 根据轴位移选择直线行程执行器；
– 根据阀门型号选择多转式执行器。
§ 6.3 电 —液执行器
? 以直流电信号为控制信号，以液压为动
力的执行器。
? 主要用途：与大功率、大位移控制机构
配套，用于大型设备的控制。
如：大型高压阀门的控制。
? 通常，防爆性能较差，不能用于易燃、
易爆及高温场所。
电 —液执行器的结构原理
液压系统
电控系统
输
入
信
号
反
馈
信
号
位置
发送器
输出轴
本章作业
? P165~166
1,4,17,18
第七章 简单控制系统
? 本章主要介绍以下主要内容,
– 简单控制系统的概念及其构成；
– 被控变量与操纵变量的选择；
– 控制方法及仪表的选择；
– 系统参数的整定。
§ 7.1 简单控制系统的定义与组成
? 定义,
– 由 一个测量仪表（ 测量元件、变送器）,一
个控制器 和 一个执行机构 所组成的控制 一个
对象参数 的（单闭环）控制系统。
? 简单控制系统又称单环控制系统。
? 简单控制系统是构成复杂控制系统的基
本单元。
§ 7.3 被控变量的选择
? 工艺过程的 重要参数 ；
? 在工艺系统中易受干扰变化,需要经常调节的参数 ；
? 尽可能选用 直接指标 作为被控参数，必要时可用与
直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。
? 被控变量应 方便检测,并有足够的灵敏度；
? 适当考虑系统测控代价；
? 被控变量应是 独立可控 的。
§ 7.3 操纵变量的选择
? 操纵变量,
?在自动控制系统中，用于调节被控变量的参
数，称为操纵变量。
? 操纵变量的 选择原则,
?操纵变量必须是工艺上允许调节的变量；
?操纵变量应具有较高的调节灵敏度,
? 较大的 放大倍数 K0；
? 较短的 滞后时间 ?。
?符合工艺的合理性和生产的经济性。
§ 7.4 系统的滞后
? 检测系统特性的影响主要表现为时间滞后
的作用。
? 造成系统滞后的主要原因有,
– 被测对象滞后,测量点不能及时反映参数的变
化。存在容积滞后和 /或传递滞后。
– 检测元件滞后,因热容、热阻等惯性因素的影
响，导致检测仪表的输出不能及时反映参数的
变化。
– 信号传递滞后,主要是气动信号传递较慢导致
系统反映滞后。
§ 7.5 控制方案与控制规律
? 控制系统按信号来源（系统结构）分类
– 反馈控制
– 前馈控制
– 复合控制 工艺过程
测量 调节 执行
输入 输出
测量 调节
执行
控制规律与环节的正反作用
? 常用控制一般都采用 PID控制，通过适当调节
比例常数、积分时间和微分时间常数可以实现
多种控制规律。
? 实际控制系统的每个环节都有正反作用规律,
– 测量环节,间接指标可能与直接指标反向对应；
– 控制环节,可以用被测参数减去设定值，也可以用
设定值减去被测参数；
– 执行环节,控制信号的加大可以导致执行结果的加
大（如气开阀）或减少（如气关阀） 。
§ 7.5 控制器参数的工程整定
? 控制器参数的工程就是选择适宜的比例
度 Kp（放大倍数 ?）、积分时间 Ti和微分
时间 TD。
? 控制器的整定可以采用两种方法,
– 理论计算法：通过理论计算，寻找控制关系；
– 工程整定法：通过实际试验或经验规律选择
控制参数。
1,临界比例度法
? 具体方法,
1,在纯比例控制（ Ti =0,TD =?）条件下通过
试验获得临界比例度 ?K；
2,再根据经验公式计算实际参数值 ?,Ti, TD 。
? 使用条件,
– 临界比例法广泛应用于放大倍数较小，即 控
制器输出范围较小 的系统；
– 使用临界比例法必须是 工艺系统允许 短时间
震荡的情形。
2,衰减曲线法
? 具体方法,
1,在纯比例控制（ Ti =0,TD =?）条件下通
过试验选择适宜的比例度 ?s使系统呈现 4：
1的衰减比；
2,再根据所得的比例度和衰减周期通过经验
公式计算实际参数值 ?,Ti, TD 。
? 使用条件,
– 干扰作用不太频繁；
– 干扰作用的规律性较强。
3,经验凑试法
? 具体方法,
1.根据一般经验选择适宜的控制参数 ?,Ti,
TD ；
2.在实际运行过程中对参数进行适当的调整。
? 使用条件,
– 干扰作用频繁；
– 干扰作用的规律性较差。
本章作业
? P181
– 1,4,6,13,17,22
第八章 复合控制系统
? 复合控制系统是由两个及两个以上简单控制
系统组合起来的控制一个或同时控制多个参
数的控制系统。
? 常见复合控制系统主要有以下几种,
1,串级控制系统
2,均匀控制系统
3,比值控制系统
4,选择性控制系统
5,分程控制系统
6,多冲量控制系统
§ 8.1串级控制系统
? 串级控制系统是指：在对象滞后较大、
干扰作用强烈而且频繁的主控制系统中，
对局部参数（副参数）进行预先控制以
提高系统总体控制水平的复合控制系统。
? 串级控制系统通常包括,
– 主控制系统：系统目标参数控制系统；
– 副控制系统：为实现目标参数控制而设置的
辅助参数控制系统。
例,管式加热炉的控制
? 主参数（目标参数）：
出口温度
? 操纵变量：燃料量
? 副变量：炉温
出口温度
炉温
燃料量
原料
原料量变化 炉温变化 出口温度变化
通过燃料量
调节炉温
通过出口温度
调节炉温设定值
串级控制的特点
? 两个回路：主回路、副回路
? 两个变量：主变量、副变量
? 改善了对象的特性，有效地克服了滞后
? 具有一定的自适应能力。可应用于负荷
和操作条件变化较大的场合。
?自适应,自动调整设定值，以保证系统
整体具有较好的控制质量。
串级控制系统中副回路的确定
1,主、副回路应有一定的 内在联系
2,副回路应 尽可能多地包含干扰因素
– 主要干扰应包含在副回路中；
– 在可能条件下，使副回路包含较多的次要
干扰。
3,注意主、副回路的 时间匹配,防止“共
振”
4,尽量使 副回路包含较少的滞后时间 。
控制规律与正反作用
? 控制规律
– 主回路,无余差 ——PI,PID控制
– 副回路,快速反应 ——纯 P控制。
? 正反作用
– 主回路,根据主、副变量的关系确定正反作
用；
– 副回路,根据系统安全性确定正反作用。
– 如考虑运行中切除副回路,则副控制器应选
用反作用。
? 设定值加大相当于输入信号减小 。
§ 8.2 均匀控制系统
? 当系统中具有两个相互关联的参数，其
中任意一个参数的稳定必然导致另一个
参数的大幅度变化，而工艺上需要两者
兼顾时，可采用均匀控制。
? 均匀控制的目标,
– 两个参数都是变化的，且变化缓慢；
– 两个参数的变化范围都要尽可能小。
均匀控制方案
? 简单均匀控制
– 采用简单控制系统,选择适宜的控制参数，
降低单个参数的控制精度 。
? 减小放大倍数，延长积分时间，不用微分控制。
? 串级均匀控制
– 通过两个参数的控制制约调和两个参数的矛
盾 。
– 串级均匀控制的主、副回路一般都采用低精
度快反应的纯比例控制。 要求高精度时可适当加入
积分作用 。
§ 8.3 比值控制系统
? 比值控制系统,实现两个或两个以上参数符合
一定比例关系的控制系统 。
? 比值控制方案
– 开环比值控制系统,以一个参数的测定值控制另一
个参数；
– 单闭环比值控制系统,以一个参数的测定值计算出
另一个参数闭环控制的设定值；
– 双闭环比值控制系统,以一个单闭环参数的测定值
计算另一个参数闭环控制的设定值；
– 变比值控制系统,以第三个参数的大小决定上述控
制系统的比值。
§ 8.4 选择性控制系统
? 两种系统保护措施
– 硬保护,极限情况下，声光报警，转入人工控制或
停车；
– 软保护,极限情况下，转入另一种控制模式，进行
自动处理 ——选择性控制系统 。
? 根据处理方法不同，选择性控制系统可以分为
三类；
– 开关型选择性控制系统,由限位信号切断控制器输
出；
– 连续型选择性控制系统,由限位信号切换为另一个
控制器输出给执行器；
– 混合型选择性控制系统,采用两个限制信号，同时
进行上述两种控制。
§ 8.5 分程控制系统
? 分程控制系统：由一个控制器同时控制
两个执行机构并使之次第执行的控制系
统。
? 使用范围,
– 扩大调节范围，提高调节精度；
– 可用于两种不同的介质，以满足工艺要求；
– 用作生产安全的防护措施。
分程控制系统示例
LT
LC
§ 8.6 多冲量控制系统
? 多冲量控制系统,
——以多个变量经过一定
的运算后，共同控制同一
个执行器，以实现较高质
量的控制系统。
多冲量控制系统示例
——锅炉液位控制系统
LA
LC
LT
LA
LC
LT
FT
LA
LC
LT
FT
FT
单冲量 双冲量 三冲量
e=a-s e=(a-b)-s e=(a-b+c)-s
? P215
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本章作业
第九章 计算机程序控制系统
§ 9.1 概 述
? 工业控制计算机的特点,
– 可靠性强，抗干扰能力强；
– 与用户设备联结方便；
– 可以使用单一的计算机语言，或通用语言。
? 计算机控制基本原理,
– 计算机中，所有数据均以 高低电平 表示 —有电、无
电；
– 所有数据存在位置都以 地址 表示；
– 计算机通过指定地址（包括接口位置）对数据读、
写。
第九章 计算机程序控制系统
§ 9.1 概 述
? 外围设备的电信号（开关量或数字量）
转换成一定的计算机数据码后,CPU经
过接口地址就可以获得外部信息，通过
相反途径就可以将计算结果输出到外部
设备。
? 计算机与外部设备的联结部件称为计算
机 输入 /输出（ I/O）模块 。
计算机内部结构原理图
CPU
ROM
RAMEPROM
I/O
CRT PRN KB MOU SE NET I/O
计算机系统常见配置原理图
复杂控制系统
监控机或网络
简单控制系统
PRNCR T NET
I/O 板
主机
KB M OU SE
工
作
站
I/O 板
PLC
测试 / 调节回路 测试 / 调节回路
第九章 计算机程序控制系统
§ 9.2 计算机 I/O组件
? 功能,
– 与外围设备联结
? 外围设备的一个开关信号（数字量）或一个电流 /电压值可以
通过一个接点与计算机交换；这个接点称为 I/O端子。
? 根据通过信号的不同,I/O板分为 DIO和 AIO两类。
? 一个 I/O可以有多个端子,4点,8点,16点,25点等。
– 信号的隔离与转换
? 计算机与外设可以有不同的电位；
? 防止干扰信号或故障电压影响计算机运行。
– 与计算机联结
? 满足计算机数据通讯格式要求。
§ 9.2 计算机 I/O组件
外部信号分类
? 数字信号 DIO
– 有源信号：高低电平
– 无源信号：通断 ——相当于开关
? 模拟信号 AIO
– 电压信号,0~5VDC，或 0~24VDC；
– 电流信号,4~20mA，或 0~115VAC
§ 9.2 计算机 I/O组件
信号隔离
外
部
输
入
计
算
机
24VDC 24VDC
外
部
输
入
DIO 无源输入 DIO 无源输出
光
电
管
光
电
管
中
间
继
电
器
§ 9.2 计算机 I/O组件
I/O与计算机的连接
CPU Link I/O I/O I/O I/O
Pow er I/OI/OI/OI/OLink
I/OI/OLink I/O I/OPow er
监控机
或网络
HHM
Pow er
Pow er
I/OI/OLink I/OI/O
I/O
I/OI/OI/OI/OLink
I/OLink I/O I/O
计算机
Pow er
监控机
或网络
直接计算机控制系统
? 直接数字控制系统
Direct Digital Control ——DDC
– 用一台工业计算机配以适当的输入输出设备，从生
产过程中经输入通道获取信息，按照预先规定的控
制算法计算出控制量，并通过输出通道，直接作用
到执行机构上，实现对生产过程的闭环控制。
? DDC控制系统实质上是以计算机为控制器过程
控制系统。
? DDC控制系统的特点,
– 高可靠性，友好的人机对话界面，方便的显示打印
功能，灵活的控制规律。
§ 9.3 计算机控制网络系统
? 一个独立的计算机工作站就如同一台独
立的家用计算机，可以通过网线和服务
器构成计算机网络。
? 如同其它计算机局域网一样，通过计算
机控制网络同样可以进行数据的传输和
远程操作。各工作站的历史数据也可以
通过网络按需要进行储存和显示打印。
计算机集散式控制系统
? 集散控制系统 Distributed Control System
– 基于计算机网络，按实际功能进行梯阶控制和管
理的复杂控制系统。
? DCS系统组成
1,现场控制站：局部控制、数据采集与传送；
2,人机接口：系统编程（组态）、状态监视、操作；
3,通讯接口：信息传送；
4,通用计算机接口与通用计算机：系统管理、数据
输出、打印等。
集散式控制系统的特点
1,采用分级梯阶结构
– 过程控制、优化控制、自适应控制、工厂管理；
2,采用微机智能技术
3,采用网络通讯技术
4,丰富的功能软件包
5,强有力的人机接口功能
6,采用高可靠技术
– 提高硬件可靠性，采用冗余配置。
§ 9.4 计算机控制系统的编程
? 现场控制站语言
? 代码编程
以 and,or,str,cnt等代码将控制原理图输入计算机。
? 机器码编程
将代码程序进行人工汇编后，以 16进制机器码输入。
? 符号编程 ——梯形图语言
利用高级语言（梯形图语言），采用 Windows图形编
辑法将控制原理图输入计算机。
? 操作站语言
– Windows操作系统高级语言
§ 9.3 计算机控制系统的编程
? 集散控制系统的组态软件
– 组态软件是一种格式化的控制系统程序 。一个功能强大
的组态软件，能提供友好的用户界面，使用户在简单的
格式化逻辑输入后便可生成自己所需要的应用软件。
? 控制系统的用户软件通常允许进行两种操作平台,
– 工程师操作平台, 开放式的软件操作系统，允许软件工
程师添加新的控制软件，或对现有软件进行适当修改。
工程师平台通常设有用户密码或单独设置工作站、键盘，
以防误操作；
– 操作员平台, 仅允许现场操作员进行显示切换和部分操
作参数的设定,不能修改程序，以防误操作。操作员平
台通常有美观、方便的用户界面。
本章习题
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