过程控制技术-第三章 过程控制系统的分析

第一章 概述1.1 过程控制系统由哪些基本单元构成？画出其基本框图。

控制器、执行机构、被控过程、检测与传动装置、报警，保护，连锁等部件1.2 按设定值的不同情况，自动控制系统有哪三类？ 定值控制系统、随机控制系统、程序控制系统1.3 简述控制系统的过渡过程单项品质指标，它们分别表征过程控制系统的什么性能？a.衰减比和衰减率：稳定性指标；b.最大动态偏差和超调量：动态准确性指标；c.余差：稳态准确性指标；d.调节时间和振荡频率：反应控制快速性指标。

第二章 过程控制系统建模方法习题2.10某水槽如图所示。

其中F 为槽的截面积，R1，R2和R3均为线性水阻，Q1为流入量，Q2和Q3为流出量。

要求：（1） 写出以水位H 为输出量，Q1为输入量的对象动态方程；（2） 写出对象的传递函数G(s)，并指出其增益K 和时间常数T 的数值。

（1）物料平衡方程为123d ()d HQ Q Q Ft-+= 增量关系式为 123d d H Q Q Q F t∆∆-∆-∆= 而22h Q R ∆∆=， 33hQ R ∆∆=， 代入增量关系式，则有23123()d d R R hh F Q t R R +∆∆+=∆ （2）两边拉氏变换有：23123()()()R R FsH s H s Q s R R ++=故传函为：232323123()()()11R R R R H s KG s R R Q s Ts F s R R +===+++ K=2323R R R R +, T=2323R R F R R +第三章 过程控制系统设计1. 有一蒸汽加热设备利用蒸汽将物料加热，并用搅拌器不停地搅拌物料，到物料达到所需温度后排出。

试问：（1） 影响物料出口温度的主要因素有哪些？（2） 如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与操纵变量应选谁？为什么？（3） 如果物料在温度过低时会凝结，据此情况应如何选择控制阀的开、闭形式及控制器的正反作用？解：（1）物料进料量，搅拌器的搅拌速度，蒸汽流量（2）被控变量：物料出口温度。

过程控制系统概述杨峰电信学院06自动化3班学号：40604010321所谓过程控制（Process Control）是指根据工业生产过程的特点，采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程自动化。

一﹑过程控制的特点随着生产过程的连续化﹑大型化和不断强化, 随着对过程内在规律的进一步了解,以及仪表﹑计算机技术的不断发展, 生产过程控制技术近年来发展异常迅速.所谓生产过程自动化, 一般指工业生产中(如石油﹑化工﹑冶金﹑炼焦﹑造纸﹑建材﹑陶瓷及热力发电等)连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制.凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数(如温度﹑压力﹑流量等)进行的自动控制统称为过程控制.生产过程的自动控制, 一般要求保持过程进行中的有关参数为一定值或按一定规律变化. 由于被控参数不但受内﹑外界各种条件的影响, 而且各参数之间也会相互影响, 这就给对某些参数进行自动控制增加了复杂性和困难性. 除此之外, 过程控制尚有如下一些特点:1. 被控对象的多样性.对生产过程进行有效的控制, 首先得认识被控对象的行为特征, 并用数学模型给以表征, 这叫对象特性的辨识. 由于被控对象多样性这一特点, 就给辨识对象特性带来一定的困难.2. 被控对象存在滞后.由于生产过程大多在比较庞大的设备内进行, 对象的储存能力大, 惯性也大. 在热工生产过程中, 内部介质的流动和热量转移都存在一定的阻力, 因此对象一般均存在滞后性. 由自动控制理论可知, 如系统中某一环节具有较大的滞后特性, 将对系统的稳定性和动态质量指标带来不利的影响, 增加控制的难度.3. 被控对象一般具有非线性特点.当被控对象具有的非线性特性较明显而不能忽略不计时, 系统为非线性系统, 必需用非线性理论来设计控制系统, 设计的难度较高. 如将具有明显的非线性特性的被控对象经线性化处理后近似成线性对象, 用线性理论来设计控制系统, 由于被控对象的动态特性有明显的差别, 难以达到理想的控制目的.4. 控制系统比较复杂.控制系统的复杂性表现之一是其运行现场具有较多的干扰因素. 基于生产安全上的考虑, 应使控制系统具有很高的可靠性.由于以上特点, 要完全通过理论计算进行系统设计与控制器的参数整定至今乃存在相当的困难, 一般是通过理论计算与现场调整的方法, 达到过程控制的目的.二﹑过程控制系统的组成过程控制系统的组成, 一般可用如下框图表示被控参数（变量）y(t ) ;控制（操纵）参数（变量）q(t) ;扰动量f(t) ;给定值r(t) ;当前值z(t); 偏差e(t) ;控制作用u(t)三、过程控制系统的分类按系统的结构特点来分反馈控制系统，前馈控制系统，复合控制系统（前馈-反馈控制系统）按给定值信号的特点来分定值控制系统，随动控制系统1.反馈控制系统偏差值是控制的依据，最后达到减小或消除偏差的目的。

过程控制技术课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解过程控制技术的基本概念，掌握其原理和分类；2. 学习过程控制系统的数学模型，了解各参数对系统性能的影响；3. 掌握过程控制策略的设计与优化方法；4. 了解过程控制技术在工业生产中的应用案例。

技能目标：1. 能够运用所学知识对过程控制系统进行分析，建立数学模型；2. 能够设计简单的过程控制策略，并进行仿真与优化；3. 能够运用过程控制技术解决实际工程问题，具备一定的实际操作能力。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对过程控制技术的兴趣，激发其探索精神和创新意识；2. 培养学生严谨的科学态度，注重实践与理论相结合；3. 增强学生的团队协作能力，提高沟通与交流能力；4. 培养学生关注过程控制技术在工业生产中的应用，提高其社会责任感和使命感。

课程性质：本课程为高年级专业课程，旨在帮助学生建立过程控制技术的理论体系，提高实际操作能力。

学生特点：学生具备一定的专业基础知识，具有较强的逻辑思维能力和动手能力。

教学要求：结合课程性质和学生特点，注重理论与实践相结合，充分调动学生的主观能动性，提高其解决问题的能力。

通过本课程的学习，使学生能够掌握过程控制技术的基本原理和方法，具备实际工程应用能力。

教学过程中，将目标分解为具体的学习成果，以便后续的教学设计和评估。

二、教学内容1. 过程控制技术基本概念与原理：包括过程控制定义、分类、发展历程及在工业生产中的应用。

教材章节：第一章2. 过程控制系统的数学模型：介绍数学模型的基本概念，分析过程控制系统中各参数对系统性能的影响。

教材章节：第二章3. 过程控制策略设计与优化：学习PID控制、模糊控制、自适应控制等策略，并进行仿真与优化。

教材章节：第三章4. 过程控制设备与系统：介绍过程控制系统中常用的传感器、执行器、控制器等设备，以及系统的组成和原理。

教材章节：第四章5. 过程控制技术在工业生产中的应用：分析典型工业生产过程中过程控制技术的应用案例，如化工、热工、电力等。

第3章习题与思考题3-1.简单控制系统由哪几部分组成？各部分的作用是什么？解答：简单控制系统由检测变送装置、控制器、执行器及被控对象组成。

检测变送装置的作用是检测被控变量的数值并将其转换为一种特定输出信号。

控制器的作用是接受检测装置送来的信号，与给定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果送往执行器。

执行器能自动地根据控制器送来的控制信号来改变操纵变量的数值，以达到控制被控变量的目的。

被控对象是指需要控制其工艺参数的生产设备或装置。

3-2.什么叫直接参数和间接参数？各使用在什么场合？解答：如果被控变量本身就是需要控制的工艺指标，则称为直接参数；如果被控变量本身不是需要控制的工艺指标，但与其有一定的间接对应关系时，称为间接参数。

在控制系统设计时，尽量采用直接参数控制，只有当被控变量无法直接检测，或虽能检测，但信号很微弱或滞后很大，才考虑采用间接参数控制。

3-3.被控变量的选择应遵循哪些原则？解答：被控变量的正确选择是关系到系统能否达到预期控制效果的重要因素，它选择的一般原则是：（1）被控变量应能代表一定的工艺操作指标或是反映工艺操作状态重要变量；（2）被控变量应是工艺生产过程中经常变化，因而需要频繁加以控制的变量；（3）被控变量应尽可能选择工艺生产过程的直接控制指标，当无法获得直接控制指标信号，或其测量或传送滞后很大时，可选择与直接控制指标有单值对应关系的间接控制指标；（4）被控变量应是能测量的，并具有较大灵敏度的变量；（5）被控变量应是独立可控的；（6）应考虑工艺的合理性与经济性。

3-4.操纵变量的选择应遵循哪些原则？解答：（1）操纵变量应是工艺上允许加以控制的可控变量；（2）操纵变量应是对被控变量影响诸因素中比较灵敏的变量，即控制通道的放大系数要大一些，时间常数要小一些，纯滞后时间要尽量小；（3）操纵变量的选择还应考虑工艺的合理性和生产的经济性。

3-5.简述选择调节器正、反作用的目的，如何选择?解答：其目的是使控制器、执行器、对象三个环节组合起来，能在控制系统中起负反馈作用。

第3章思考题与习题1.基本练习题（1）在过程控制中，哪些仪表是属于过程控制仪表？在过程控制系统中，大多数调节器是电动的，而执行器多数是气动的，这是为什么？气动单元组合仪表与电动单元组合仪表各单元之间的标准统一信号又是如何规定的？答：1）在过程控制中，过程控制仪表有：调节器、电/气转换器、执行器、安全栅等。

2）调节器选电动的因为电源的问题容易解决，作用距离长，一般情况下不受限制；调节精度高，还可以实现微机化。

执行器多数是气动的,因为执行器直接与控制介质接触，常常在高温、高压、深冷、高粘度、易结晶、闪蒸、汽蚀、易爆等恶劣条件下工作，选气动的执行器就没有电压电流信号，不会产生火花，这样可以保证安全生产和避免严重事故的发生。

3）气动仪表的输入输出模拟信号统一使用0.02~0.1MPa的模拟气压信号。

电动仪表的输入输出模拟信号有直流电流、直流电压、交流电流和交流电压四种。

各国都以直流电流和直流电压作为统一标准信号。

过程控制系统的模拟直流电流信号为4~20mADC,负载250 Q ；模拟直流电压信号为1~5V DCo（2）某比例积分调节器的输入、输出范围均为4-20mADC,若设5 = 100%、7； = 2min , 稳态时其输出为6mA；若在某一时刻输入阶跃增加1mA,试求经过4min后调节器的输出。

答：由比例积分公式（3-1）所示：y = l e+lfedt• Tj 丿稳态时:yb=6mA,（3）简述DDZ-III型全刻度指示调节器的基本组成、工作状态以及开关S广丄的作用。

(3-1)依题意：p = —= 100%,Kj,即Ap =1, e=l；4min 后：=9mA答：1）调节器由控制单元和指示单元组成。

控制单元包括输入电路、PD与PI电路、输出电路、软手动与硬手动操作电路;指示单元包括输入信号指示电路和给定信号指示电路。

2）工作状态：自动、软手动、硬手动三种。

3） 6~亠为自动、软手动、硬手动联动切换开关。

第一章过程控制定义：用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制称为过程控制。

过程控制特点：连续生产自动控制过程控制系统由过程检测控制仪表组成被近期过程是多种多样的、非电量的过程控制的控制过程多属慢过程而且多半参量控制定值控制是过程控制的一种常用形式。

过程控制组成：由测量元件、变送器、调节器、调节阀和被控过程等环节。

分类：结构特点：反馈控制系统、前馈控制系统、前馈-反馈控制系统。

定值信号特点：定值控制系统、程序控制系统、随动控制系统。

第二章2-22利用热电偶温度计测温时为什么要使用补偿导线及其对冷端温度进行补偿？利用热电阻温度计测温时，为什么要采用三线制接法？测量低温时通常为什么采用热电阻温度计，而不采用热电偶温度计？答：（1）由热电偶测温原理可知，只有当它的冷端温度不变时，热电动势是被测温度的单值函数，所以在测温过程中必须保持冷端温度恒定，为了使它的冷端温度恒定，采取补偿导线法为了消除冷端温度变化对测温精度的影响，采用冷端温度补偿（2）在使用热电阻测温时，为了提高精度，采用三线制接法（3）原因有两点：在中低温区热电偶输出的热电势很小对测量仪表放大器和抗干扰要求很高由于冷端温度化不易得到完全补偿在较低温度区内引起的相对误差就很突出2-27 DDF-3型温度变送器具有哪些主要功能？什么是变送器的零点、零点迁移和量程调节?为什么要进行零点迁移和量程调节？3型温度变送器是怎样进行零点迁移和量程调节的？答：1.DDz-3具有热电偶冷端温度补偿，零点调整、零点迁移。

量程调节以及线性化等重要功能。

2零点：输入为零点时输出为4mm的点，零点迁移：即把测量起始点由零迁移到某一正值或负值。

量程调节：相当于改变变送器的输入输出特性的斜率3零点迁移的目的是使其输出信号的下限Ymin与测量范围的下限值Xmin相对应。

零点迁移之后，其量程不变，即斜率不变，却可提高灵敏度。

量程调节的目的是变送器的输出信号的上限值Ymax与测量范围的上限值相对应4调零点调量程方法：RP1为调零电位器。

过程控制工程第三版教学设计介绍过程控制工程作为现代工业的必要部分，涉及各种自动化领域，广泛应用于制造业、供应链管理、交通运输等行业。

本教学设计旨在讲解过程控制工程的基础知识，培养学生对控制系统的建模、仿真、设计和优化的能力。

本文将对本课程的教学内容、教学方法、教学评估等方面进行详细说明。

教学内容第一章：引言•引言和绪论•过程控制系统的组成•过程控制系统的分类第二章：控制系统的数学模型•控制系统的建模•四个基本元素及其表示•闭环系统和开环系统•传递函数和状态空间模型第三章：控制系统的时域分析•阶跃响应和脉冲响应•频域分析及其应用•稳态错误•稳态响应第四章：校准与调节•校准与调节的基础概念•模型参数识别•方法的评估第五章：控制器设计•PID控制器•线性二次调节器•稳定裕度的概念第六章：反馈控制•比例控制•积分控制•微分控制第七章：高级控制技术•前馈控制•向前控制•模型预测控制第八章：实时系统模拟•模拟算法的类型•实时控制器的优化•模拟软件的性能第九章：嵌入式控制系统•嵌入式系统的概念•嵌入式控制器的设计•嵌入式系统的性能评估第十章：工业自动化控制•工业自动化控制的概念•工业自动化系统的组成•工业自动化控制的应用案例教学方法讲授课程讲师通过PPT、教材、案例展示等方式深入浅出地讲解过程控制工程的知识点和相关技术，引导学生理解课程内容。

实践任务讲师会为学生设计一系列实践任务，让学生通过具体场景的模拟实践掌握过程控制工程的技术，如控制系统的建模与仿真、控制器设计、校准与调节等。

讨论课鼓励学生在讨论课上自由发言，互相交流学习成果，共同解决过程控制工程中出现的问题。

课程设计通过小组合作，让学生分别独立完成一项过程控制工程的设计任务，将学习成果应用于实际工程中进行实践。

教学评估课堂测试每周进行一次小测试，以检验学生对课程知识的掌握程度，提高他们的学习积极性。

平时作业安排一些课后作业来强化学生对知识点的理解和掌握，如编写控制系统的模型等。

过程控制系统范文过程控制系统是一个广泛应用于工业生产中的自动化系统。

它通过监控、调节和控制工艺过程中的各种参数和变量，实现对工艺过程的自动化控制。

过程控制系统在工业生产中起到了至关重要的作用，对于提高生产效率、保障产品质量、降低生产成本具有重要的意义。

过程控制系统通常由以下几个主要组成部分构成：传感器与执行器、控制器、人机界面和通信网络。

其中，传感器与执行器用于监测、采集和控制工艺过程中的各种参数和变量，控制器用于对传感器和执行器进行控制和调节，人机界面用于显示和操作控制系统的相关信息，通信网络用于实现各个组成部分之间的数据传输和通讯。

过程控制系统的工作过程通常包括三个阶段：测量与采集、控制与调节、显示与记录。

在测量与采集阶段，传感器通过测量和采集工艺过程中的各种参数和变量，将其转换为电信号，并传送给控制器进行处理。

在控制与调节阶段，控制器根据测量与采集的数据进行计算和判断，并通过输出控制信号，控制执行器对工艺过程进行调节和控制。

在显示与记录阶段，人机界面将控制系统的运行状态、参数和变量信息进行显示和记录，供操作人员进行观察和分析，以及进行实时的监控和控制。

1.自动化控制：过程控制系统能够实现对工艺过程的自动化调节和控制，减少人工干预，提高生产效率和产品质量。

2.实时监控：过程控制系统能够实时监测工艺过程中的各种参数和变量，并及时采取相应的措施进行调整和控制，以保证工艺过程的稳定性和可靠性。

3.精确度高：过程控制系统具有高精度的测量、控制和调节能力，能够对工艺过程中的各种参数和变量进行准确的测量和控制，提高产品质量和生产效率。

4.灵活性强：过程控制系统能够根据不同的工艺要求和生产需求进行灵活的设置和调整，以适应不同产品的生产过程的变化和调整。

过程控制系统的应用广泛，在各个工业领域都有所涉及。

例如，石油化工、电力、冶金、制药、食品等行业都需要使用过程控制系统进行生产过程的监控和控制。

过程控制系统还广泛应用于环境保护和安全监测领域，用于监测和控制大气污染、废水处理、排放浓度等环境因素，以实现对环境的保护和管理。

第一章1.过程控制系统：是指工业生产过程中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分等一些过程变量的系统2.控制系统均由测量元件、变送器、调节器、调节阀和被控过程等环节构成。

如果把测量元件、变送器、调节器、调节阀统称为过程检测控制仪表，则一个简单的过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表两部分组成3.过程控制系统的分类：按被控参数名称，按控制系统完成的功能，按调节器的控制规律，按被控量的多少，按采用常规仪表和计算机按过程控制系统的结构特点来分类：1反馈控制系统：控制系统根据系统被控量的偏差进行工作，偏差值是控制的依据，最后达到消除或减小偏差的目的。

反馈控制系统可以是单回路，也可以是多个闭合回路的多回路控制系统。

2前馈控制系统：直接根据扰动量的大小进行工作按系统结构特点分 1）反馈控制系统 2）前馈控制系统 3）前馈—反馈控制系统按给定值信号特点 1）定制控制系统 2）程序控制系统 3）随动控制系统1-5采用DDZ-Ⅲ电动单元组合仪表。

氧气流量测量信号与供氧量给定值比较得其偏差值，经调节器按某种控制规律运算后输出控制信号，控制调节阀5的开度，改变供氧量的大小，达到控制供氧量的目的。

问：什么叫反馈？正/负反馈？反馈在控制系统中的意义？负反馈（negative feedback）：凡反馈信息的作用与控制信息的作用方向相反，对控制部分的活动起制约或纠正作用的，称为负反馈。

正反馈（positive feedback ）：凡反馈信息的作用与控制信息的作用方向相同，对控制部分的活动起增强作用的，称为正反馈前者使输出起到与输入相反的作用，使系统输出与系统目标的误差减小，系统趋于稳定第二章1被控过程－被控制的生产工艺设备（加热炉、贮罐）2.数学模型－被控过程在各输入量（控制量、扰动量）作用下，其相应输出量(被控量)变化函数关系的数学表达式。

非参数模型：曲线表示的。

如阶跃响应曲线等。

参数模型：用数学方程式或函数表示的。

《过程控制》课程笔记第一章概论一、过程控制系统组成与分类1. 过程控制系统的基本组成过程控制系统主要由被控对象、控制器、执行器、检测仪表四个部分组成。

（1）被控对象：指生产过程中的各种设备、机器、容器等，它们是生产过程中需要控制的主要对象。

被控对象具有各种不同的特性，如线性、非线性、时变性等。

（2）控制器：控制器是过程控制系统的核心部分，它根据给定的控制策略，对检测仪表的信号进行处理，生成控制信号，驱动执行器动作，从而实现对被控对象的控制。

控制器的设计和选择直接影响控制效果。

（3）执行器：执行器是控制器与被控对象之间的桥梁，它接收控制器的信号，调节阀门的开度或者调节电机转速，从而实现对被控对象的控制。

执行器的响应速度和精度对控制系统的性能有很大影响。

（4）检测仪表：检测仪表用于实时测量被控对象的各项参数，如温度、压力、流量等，并将这些参数转换为电信号，传输给控制器。

检测仪表的准确性和灵敏度对控制系统的性能同样重要。

2. 过程控制系统的分类根据控制系统的结构特点，过程控制系统可以分为两大类：开环控制系统和闭环控制系统。

（1）开环控制系统：开环控制系统没有反馈环节，控制器根据给定的控制策略，直接生成控制信号，驱动执行器动作。

开环控制系统的优点是结构简单，成本低，但缺点是控制精度较低，容易受到外部干扰。

（2）闭环控制系统：闭环控制系统具有反馈环节，控制器根据检测仪表的信号，实时调整控制策略，生成控制信号，驱动执行器动作。

闭环控制系统的优点是控制精度高，抗干扰能力强，但缺点是结构复杂，成本较高。

二、过程控制系统性能指标1. 稳态误差：稳态误差是指系统在稳态时，输出值与设定值之间的差值。

稳态误差越小，表示系统的控制精度越高。

稳态误差可以通过调整控制器的参数来减小。

2. 动态性能：动态性能是指系统在过渡过程中，输出值随时间的变化规律。

动态性能指标包括上升时间、调整时间、超调量等。

动态性能的好坏直接影响到系统的响应速度和稳定性。

过程控制系统教案第三章简单的过程控制系统同学们好现在我们开始上课今天我们讲过程控制系统的第三章简单的过程控制系统回顾前两章我们大约了解了过程控制系统通常是石油，化工，电力，冶金，轻工，纺织，建材，原子能等工业部门生产过程的自动化。

并且熟悉了各个仪表，变量检测及变送。

今天我们就学习过程控制系统的设计内容。

设计方法，设计过程，这章的难点就在于控制方案的确定，pid参数的整定。

简单的过程控制系统也就是单回路控制系统的工程设计。

一般是针对一个被控过程（调节对象），采用一个测量变送器检测被控过程，采用一个控制器来保持一个被控参数的恒定，其输出椰汁控制一个执行机构，从系统的空图看，只有一个闭环回路。

单回路系统结构简单，投资少，易于调整和投运，又能瞒住不少工业生产的控制要求。

第一节我们主要讲解4个方面：1、对过程控制系统设计的一般要求（安全性稳定性经济性）2、过程控制系统设计过程（建立被控对象的数学模型，选择控制方案，选择设备，实验和仿真）3、过程控制系统设计的主要内容（方案设计工程设计工程安装和仪表调校）4、过程控制系统设计中的若干问题（越限报警与连锁保护，其他系统安全保护对策）举一个图解释这个简单的过程控制系统。

第二节我们主要讲解3个方面：1、过程控制系统的性能指标；（运动中有两种状态。

一种是稳态。

另一种是动态。

）（一）系统阶跃响应的性能指标。

（静态偏差衰减率最大偏差A 过渡过程时间Ts）（二）偏差积分的性能指标是以目标函数形式表示的，属于综合指标。

2、被控参数的选择（直接参数法间接参数法）3、控制参数的选择（过程静态特性的分析过程动态性能的分析）1 / 1。