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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,试验装置控制原理及仪器仪表的使用,合肥通用机械研究院,制冷与环境控制研究所,主要内容：,工程实例图片欣赏,自动控制系统原理,信号测量原理,设备控制原理,数据采集系统,仪器仪表讲解,典型电器原理图讲解,仪器仪表的接线、设置与使用,工程实例,工程实例,1.,自动控制系统,自动控制：在无人直接参加的情况下，利用控制装置使被控对象和过程自动地按预定规律变化的控制过程。,自动控制系统：是由控制装置和被控对象所组成，它们以某种相互依赖的的方式组合成为一个有机整体，并对被控对象进行自动控制。,控制器：对被控对象起控制作用装置的总体,.,被控对象：要求实现自动控制的机器，设备或生产过程。,控制器：对被控对象起控制作用装置的总体，称做控制装置或控制器。,输出量：表现于控制对象或系统输出端，并要求实现自动控制的物理量。,输入量：作用于控制对象或系统输入端，并可使系统具有预定功能或预定输出的物理量。,扰动：所有妨碍控制量对被控量按要求进行正常控制的因素，称为干扰量或扰动量。,输出不影响输入，对输出不需要测量，通常容易实现；,组成系统的元部件精度高，系统的精度才能高；,系统的稳定性不是主要问题,；,开环控制：,开环控制是指控制器与被控对象之间只有顺向作用,而没有反向联系的控制过程。,主要特点,：,控制方式,：,按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制精度取决于系统事先的调整精度。对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合,如自动售货机，自动报警器，自动流水线等,。,控制器,被控制,对象,给定值,输出,量,按给定值,控制的原,理方框图,输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰；,低精度元件可组成高精度系统；,因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要。,闭环控制：,是指控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向,联系的控制过程。,主要特点,：,控制方式,：,反馈控制，反馈按反馈极性的不同分成两种形式：正反馈，负反馈。我们所讲述的反馈系统如果无特殊说明，一般都指负反馈。,控制器,被控制,对象,输入量,输出,量,闭环控制,典型方框图,扰动,对控制系统的一般要求,为了实现自动控制的基本任务，必须对系统在控制过程中表现出来的行为提出要求。对控制系统的基本要求，通常是通过系统对特定输入信号的响应来满足的。,稳定性,被控制信号能跟踪已变化的输入信号，从一种状态到另一种状态，如果能做到，我们就认为该系统是稳定的，这是对反馈控制系统提出的最基本要求。,精度要求,精度要求一般以稳态误差表示，既实际输出与期望值之差是否进入允许误差区,.,超调量,对于稳定系统而言，第一次超调量为输出最大超调量，取其为性能指标之一。,1 +,1 -,单回路,PID,调节控制实现,工艺系统,执行器,传感器,调节仪表,SV,1.,闭环调节回路,控制算法：,P,out,=1/K*e + 1/Ti,0,edt + Ts*de/dt,e=SV-PV,t,Pout-,控制输出,SV-,设定值,PV-,测量值,G=1/K-,增益（比例带）,Ti-,积分时间,Ts-,微分时间,Pout,PV,单回路调节,PID,调节器,调节阀，变频器等,调节参数,参数整定找最佳,从小到大顺序查先是比例后积分,最后再把微分加曲线振荡很频繁,比例度盘要放大曲线漂浮绕大湾,比例度盘往小扳曲线偏离回复慢,积分时间往下降曲线波动周期长,积分时间再加长曲线振荡频率快,先把微分降下来动差大来波动慢,微分时间应加长理想曲线两个波,前高后低,4,比,1,一看二调多分析,调节质量不会低,PID,参数调节经验：,温度测量原理,二线制接法,惠斯通电桥：,电桥的两个桥臂平衡时，即,R,1,R,P,=,R,2,R,X,，,U,out,=0,；电桥不平衡时，,U,out,0,，此时：,U,out,=E*( R,1,R,P,- R,2,R,X,)/(R,x,+R,p,)(R,1,+R,2,),Uout,能反应,Rx,的变化,这种情况下，铂电阻电线的电阻也参与测量，直接影响测量精度。,温度测量原理,在三线制接法中，铂电阻的一端与一根导线相连，另一段同时接两根导线，三根导线粗细相同，长度相等，阻值一致（途中,r,1,，,r,2,，,r,3,为导线电阻），其中一根引线与测量仪表相连接由于测量仪表的电阻很大，所以流经,r2,的电流几乎为零。另外两根线分别与桥臂的另外两个相邻臂相连，当导线电阻都相等时：,R1(Rp+r)=R2*(Rx+r),Rx=(R1Rp+(R1-R2)r)/R2,条件：,1.,须为全等臂电桥，,R1=R2;,2.,导线长度，截面须相等；,三线制接法,因此三线制接法也不能完全消除电线电阻带来的影响,温度采集原理,在四线制接法中，铂电阻的两端各同时接两根导线，（途中,r,1,，,r,2,，,r,3,，,r,4,为导线电阻），图中,I,为恒流源，电压表内阻可认为无穷大，这样流经,r2,，,r3,的电流可忽略不计，这样，测得的,Rx,两端的电压和流经,Rx,的电流都不受导线电阻的影响，这就大大提高了测量精度。,四线制接法,IvIm,，且,Iv0,因为,Um=Ux+Iv,（,r2+r3,）,所以：,Rx=Ux/Ix=(Um-Iv(r2+r3)/(Im-Iv) Um/Im,均质导体定律,连接导体定律,(,为补偿导线提供理论基础,),中间温度定律,热电偶,热电偶测温依据的三大定律：,重点介绍一下中间温度定律，利用中间温度定律实现热电偶测温的外补偿，提高测量精度。,温度采集原理,温度采集原理,热电偶在接点温度为（,T,T0,）时的热电势等于接点温度在（,T,Tn,）和（,Tn,T0,）时相应热电势的代数和：,EAB(T,Tn)=EAB(T,T0)-EAB(Tn,T0),中间温度定律,T,Tn,T0,E,AB,(T,Tn),E,AB,(Tn,T0),A,B,A,B,Tn,T0,E,AB,(Tn,T0),A,B,CH01,H,L,Cu,Cu,CH02,H,L,Cu,Ni,Cu,补偿铂电阻,热电偶,将冷端引出至模块外部，便于在同一温度下对模块内所有热电偶进行补偿。,温度采集原理,流量测量原理,试验装置使用到的另一个重要参数就是流量。流量就是单位时间内流经某一截面的流体数量。流量可用体积流量和质量流量来表示。其单位分别用,m3/h,、,L/h,和,kg/h,等。,试验装置上常用的流量计：浮子流量计；科里奥利质量流量计；电磁流量计。,工业上常用的流量仪表可分为两大类。,（,1,）速度式流量计 以测量流全在管道中的流速作为测量依据来计算流量的仪表。如差压式流量计、变面积流量计、电磁流量计、漩涡流量计、冲量式流量计、激光流量计、堰式流量计和叶轮水表等。,（,2,）容积式流量计 它以单位时间内所排出的流体固定容积的数目作为测量依据，如椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、乔板式流量计和活塞式流量计等等。,流量测量原理,名称,工作原理,优点,缺点,应用概况,涡轮流量计,速度式流量计，采用多片叶片的转子（涡轮）感受流体平均速度,精度高；重复性好；无零点漂移，抗干扰性能好；范围度宽；结构紧凑,不能长期保持校准特性；流体物性对流量特性有较大影响,石油，有机液体，无机液体，天然气，液化气，低温流体,涡街流量计,在流体中安放一根非流线型漩涡发生体，流体在发生体两侧交替地分离释放出两串规则的交替排列的漩涡,结构简单，牢固；适用流体种类多；精度较高；范围度宽；压损小；,不适用低雷诺数测量；需较长直管段；仪表系数较低（与漩涡流量计相比）；仪表在脉动流，多相流中缺乏应用经验,属于年轻一类的流量计，但发展迅速,电磁流量计,法拉第电磁感应定律,测量段为光滑直管段，不易堵塞，可以测量如泥浆，纸浆，污水等介质；检测过程不产生压力损失，节能效果好；测量不受介质温度，密度，粘度，压力和电导率变化的影响；流量范围大，口径范围宽；可测量腐蚀性流体；,不能测电导率很低的流体，如石油制品；不能测气体，蒸汽和含较大气泡的液体；不能用于较高温度,应用广泛：水；造纸，化工，冶金矿浆，医药，食品，生物化学等,流量测量原理,名称,工作原理,优点,缺点,应用概况,差压式流量计,测量安装在管道中的流量检测件压差，通过检测件尺寸计算出体积流量，如孔板流量计，文丘里流量计，均速管流量计,孔板式流量计机构牢固，性能稳定可靠，使用寿命长；应用范围广泛；检测件与变送器，显示仪表可由不同厂家生产，便于展开规模经济生产,测量精度普遍偏低；范围度窄，一般仅,3:14,：,1,；现场安装条件要求高；压损大,广泛应用于封闭管道的流量测量，流体方面：单相，混相，洁净，脏污，粘性流；工作状态方面：常压，高压，真空，常温，高温，低温；管径方面：从几,mm,到几,m,浮子流量计,变面积流量计，在自下而上扩大的垂直锥形管中，圆形横截面的浮子重力使用流体动力承受的，从而使浮子可在椎管内上下移动,结构简单，使用方便；压损小,耐压低，玻璃锥管易碎；使用与小管径和低流速,应用范围仅次于差压式流量计，特别是在小，微流量的测量,流量测量原理,名称,工作原理,优点,缺点,应用概况,超声流量计,通过检测流体流动对超声束的作用来进行流量测量，有传播速度差法，波束偏移法，多普勒法，互相关法，噪声法,可做非接触式测量；无压力损失；可测量非导电液体；,传播时间法只使用清洁，单相液体和气体；多普勒法测量精度不高,工厂排放液，天然气,科里奥利质量流量计,流体在管内震动时产生与质量流量成正比的科里奥利力,高精度、宽量程；能较容易地测量多相流体,.,对环境震动性要求较高,可以测量范围广泛 的介质,如油品,化工介质,造纸黑液,浆体,气体,固体颗粒的流体以及高粘度的物体,.,流量测量原理,力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。,压力测量原理,电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件 ；,当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。,一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是,A/D,转换和,CPU,）显示或执行机构。,压力测量原理,（,1,）量程的选择 根据被测压力的大小确定仪表量程。对于弹性式压力表，在测稳定压力时，最大压力值应不超过满量程的,3/4,；测波动压力时，最大压力值应不超过满量程的,2/3,。最低测量压力值应不低于全量程的,1/3,。,（,2,）精度选择 根据生产允许的最大测量误差，以经济、实惠的原则确定仪表的精度级。一般工业用压力表,1.5,级或,2.5,级已足够,科研或精密测量用,0.5,级或,0.35,级, 0.2,级的精密压力计或标准压力表。,（,3,）使用环境及介质性能的考虑 环境条件恶劣，如高温、腐蚀、潮湿、振动等，被测介质的性能，如温度的高低、腐蚀性、易结晶、易燃、易爆等等，以此来确定压力表的种类和型号。,压力测量原理,选择压力传感器的注意事项：,功率测量原理,5.,数字功率计,V,A,负载,V,V,A,A,U,V,W,N,PM,测量参数：,3-V,，,3-I,，,3-,相位角,W=Wu+Wv+Ww,W=V*I*COS,计算参数：,W,，,Var,，,，,W,，,Var,P,，累计电度，平均值等,三相四线接法,功率测量原理,V,A,负载,V,A,U,V,W,PM,测量参数：,2-V,，,2-I,，,2-,相位角,W=Wu+Ww,计算参数：,W,，,Var,，,，,W,，,Var,P,，累计电度，平均值等,三相三线接法,功率测量原理,V,A,负载,V,A,U,V,W,PM,测量参数：,3-V,，,3-I,，,3-,相位角,W=Wu+Ww,计算参数：,W,，,Var,，,，,W,，,Var,P,，累计电度，平均值等,3V3A,接法,V,A,功率测量原理,线制,1P3W,3P3W,3P4W,3V3A,V,A,W,VA,2,/,),3,(,1,V,V,+,功率计显示内容的含义,定速电机控制,直接启动：,直接起动就是利用闸刀开关将电动机直接接入电网使其在额定电压下起动，如图 所示。这种方法最简单，设备少，投资小，起动时间短，但起动电流大，起动转矩小， 一般只适用于小容量电动机（,10 kW,以下）的起动。,动力设备控制原理,定速电机控制,Y-,起动,：,适用于正常运转时定子绕组作三角形连接的电动机 。,动力设备控制原理,星形起动时的起动电流（线电流）仅为三角形直接起动时电流（线电流）的,1/3,，即,IYst=(1/3)Ist,；,其起动转矩也为后者的,1/3,，即：,T,Y,st=(1/3)Tst,。,双速速电机控制,双速电机是指通过改变电机接线方式而改变电机绕组的极对数从而到达改变转速的目的。,接（低速）,YY,接（高速）,动力设备控制原理,RS232,这种传送方式是一种点对点信号传送方式，在短距离信号传送时，信号传送很稳定，应用时电路结构简单，易于被接受。传输距离在,15,米左右。,RS485,这种传送方式是一种总线通信方式。它的带负载能力较强，所以，能长距离传送数据，并且能形成总线通信方式。传输距离在,1,公里左右。,NI-488.2(GPIB),这种传送方式是一种总线通信方式。它的带负载能力较强，并且能形成总线通信方式；总线上可以带多个节点。信号传送的速率快，适合快速、大批量传送数据。传输距离在,20m,以内。,INTERNET,基于目前最通用的方式，可实现远程测量监控，通讯速度快，硬件敷设简单，维护方便。,测量控制系统的构成,计算机采集控制系统组成,RS232,/RS485,GPIB,（,IEEE488,）,调节仪表（,SDC36,）,数字功率计（,WT230,）,数据采集器（,HP34970,）,测量信号,测量控制系统的构成,计算机采集控制系统组成,测量控制系统的构成,2.,控制测量对象,温度,压力,流量（密度）,速度,噪音,电量,扭矩,湿度,测量仪器仪表（传感器）就是一种将实际物理量转化为标准电信号的仪器。,温度传感器（铂电阻、热电偶）,压阻式压力变送器、压差变送器,流量计（电磁、转子、浮子、漩涡、质量）,风速、转速（接触震动式、电磁感应式、光电感应式）,声纳仪,电量测量仪（,WT130,、,WT230,、功率变送器）,扭矩仪,温湿度传感器,测量仪器仪表,温度传感器,铂电阻,热电偶补偿导线,他们之间的区别：铂电阻的测量精度是,0.1,，,热电偶补偿导线的测量精度是,0.5,。,铂电阻比热电偶的价格较贵。铂电阻一般在一些较为重要、精度要求高的温度测点中使用，例如压缩机的进,/,出口温度。热电偶补偿导线由于精度不高所以应用在次要的温度测点上，,例如压缩机环境温度。,测量仪器仪表,温度信号的传递,测量仪器仪表,压力变送器,压阻式压力变送器、压差变送器,测量仪器仪表,流量计,电磁、转子、漩涡、质量,测量仪器仪表,速度测量装置,风速、转速（接触震动式、电磁感应式、光电感应式）,测量仪器仪表,温湿度传感器,温湿度传感器,测量仪器仪表,电量测量仪（,WT130,、,WT230,、功率变送器）,测量仪器仪表,扭矩传感器,扭矩仪,测量仪器仪表,噪声传感器,声纳仪,测量仪器仪表,4.,数字调节表（,PID,表）,数字调节表,山武,横河,希曼顿,测量仪器仪表,变频器 电机、水泵,功率调整器 电加热（湿）,风阀调节器,管道调节阀（气动、电动）,控制执行器,变频器 电机、水泵,变频器依据数字调节表给定的输出百分比来调整本身频率百分比输出，变频器输出频率就决定了电机的转速。如果电机带动的是水泵那么就可改变水泵所在管道中的流量大小；我们大家了解到水（风）冷冷水机组额定制冷量是一定的，那么流经机组的冷媒水流量大小变化，随之冷媒水进出口水的温度差就可改变。如果电机带动的是汽车空调制冷压缩机，那么就可以改变压缩机的转速。如果电机带动的是冷却塔风机，那么就可以改变冷却塔的散热量。总之，我们可以通过变频器来控制流量、温度、转速、散热量等等物理量。,控制执行器,功率调整器,电加热（湿）,调功器,电加湿,电加热,控制执行器,风量调节阀,电动执行机构,控制执行器,管道调节阀,管道调节阀（气动、电动,）,控制执行器,PLC(,可编程序控制器,),PLC(,可编程序控制器,),从根本上说一个装有程序并与输入输出设备相连的,CPU,（中央处理单元），,PLC,受程序控制，当输入设备转为,ON,信号输入时就会产生适当的响应，该响应通常是向某种输出设备发一个,ON,信号。输入设备可以是按钮、限位开关、或其他能产生信号并输入到,PLC,的设备。输出设备可以是指示灯、交流接触器、中间继电器或其它能被,PLC,输出信号所控制的设备。当然，,PLC,还有其它很多功能模块，比如有的试验装置中就采用了模拟量模块，将一些标准的电信号采集进来，将其转换成标准的电量信号后再传给,PID,控制器和数据采集器。,控制执行器,控制执行器,PLC(,可编程序控制器,),控制执行器,典型电器原理图讲解,电气图的,仪器仪表,符号及功能解释：,SCR,代表调功器，,PID,代表数字调节表，,WT230,代表功率测量仪,L,代表电流互感器等等。,电气原理图,空气开关 代号为,Q,功能：,实现主回路的短路和过载保,护，在设备检修时实现手动断电。,功能,：用来接通和断开电动机或其他设备的主回路，其辅助触点通过电流较小，常接在控制回路中。,接触器 代号为,KM,电气原理图,热过载继电器整定值旋钮,。,热过载继电器复位键。,热过载继电器模拟报警键。,热过载继电器 代号为,FR,功能,：用来保护电动机使之避免长期过载。,电气原理图,功能,：用来传递信号和同时控制多个电路，也可直接用来控制小容量电动机或其它电气执行元件。,中间继电器 代号为,KA,与交流接触器的区别,：中间继电器用来控制小容量电动机或其它电气执行元件，交流接触器是控制主动力回路设备的。,电气原理图,功能,：简单而有效的短路保护电器。,熔断器 代号为,FU,电气原理图,信号转换器 代号为,BT01*,功能,：实现不同类型和规格的信号之间的转换。,电气原理图,信号采集,电气原理图,电气原理图,流量、温度、转速、散热量,SV,测量器,变频电机控制,电气原理图,流量,电气原理图,RS485,电气原理图,计算机,PID,表,触摸屏,水箱电加热,控制实物举例,水箱温度调节,数据采集器,COM,口,铂电阻,PLC,接触器,空气开关,信号转换器,调功器,谢谢大家！,欢迎给予指导批评意见！,
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