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第一章过程控制系统概述教材

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过程控制系统第1章 过程控制系统概述

过程控制系统第1章 过程控制系统概述


(3)集中型计算机控制系统
图1-1
典型的DDC控制系统原理图
(4)集散控制系统 集中型计算机控制系统由于其可靠性方面的重大缺陷，在当时 的过程控制中并没有得到成功的应用。人们开始认识到，要提 高系统的可靠性，需要把控制功能分散完成；但考虑到生产过 程的整体性要求，各个局部的控制系统之间还应当存在必要的 相互联系，即所有控制系统的运行应当服从工业生产和管理的 总体目标。这种管理的集中性和控制的分散性是生产过程高效、 安全运行的需要，它直接推动了集散控制系统的产生和发展。
(2)单元组合仪表控制系统 单元组合式控制仪表是根据控制系统各组成环节的不同功能和 使用要求，将仪表做成能实现一定功能的独立仪表(称为单元)， 各个仪表之间用统一的标准信号进行联系。将各种单元进行不 同的组合，可以构成多种多样、适用于各种不同场合需要的自 动检测或控制系统，实现如PID控制和串级、均匀、比值、前 馈、选择性等一些常用的复杂控制功能。
(5)现场总线控制系统
图1-3
传统计算机控制结构示意图
1.1.2 过程控制的特点 1)生产过程的连续性 在过程控制系统中，大多数被控过程都
是以长期的或间歇形式运行，被控变量不断地受到各种扰动的
影响。 2)被控过程的复杂性 过程控制涉及范围广：石化过程的精馏 塔、反应器；热工过程的换热器、锅炉等；生物发酵过程的发 酵罐、成品包装系统等。 3)控制方案的多样性 被控过程对象特性各异，工艺条件及要 求不同，过程控制系统的控制方案非常丰富，有常规的单回路
过程控制系统与装 置
第1章 过程控制系统概述 1.1 过程控制的发展和特点
1.2 过程控制系统的组成
1.3 控制系统的过渡过程和品质指标
1.1 过程控制的发展和特点 1.1.1 过程控制的发展概况
过程控制系统 第1章

过程控制系统 第1章


1.1控制理论与过程控制系统的发展状况（续）

1970年左右起，为了解决大规模复杂系统的 优化与控制问题，现代控制理论和系统理论相 结合，逐步发展形成了大系统理论 （Mohammad，1983）。
核心思想是系统的分解与协调，多级递阶优化与
控制（Mesarovie，1970）正是应用大系统理论的 典范。 大系统理论仍未突破现代控制理论的基本思想与 框架，除了高维线性系统之外，它对其它复杂系 统仍然束手无策。
③操纵变量：受控制器操 纵的用以克服干扰的影 响，使被控变量保持设 定值的物料量或能量 （流过控制阀介质的流 量）。 ④扰动：除操纵变量外， 作用于被控过程并引起 被控变量变化的因素 （使被控变量偏离
图7-4 锅炉汽包水位控制
操纵变量：水的流量 扰动：水压力、蒸汽压力
⑤设定值：工艺参数 所要求保持的数值 ⑥偏差：被控变量设 定值与实际值之差
蒸汽 汽 包
给水
操作人员所进行的工作有三方面:
①检测
用眼睛观察玻璃管液位计液位的高 低,并通过神经系统告诉大脑. 大脑根据眼睛看到的液位高度 , 加以思考分析 , 然后根据操作经 验,经思考决策后发出命令。 根据大脑发出的命令 , 通过双手去 改变阀门开度.
②运算、命令 ③执行
2 自动控制
自动化装置的三个部分分别是 ： ①测量元件与变送器
控制变压器活动触点的位 置即改变了输入电压，则 通过电阻丝的电流将产生 变化，使恒温箱得到不同 的温度。 被控变量是恒温箱的温度， 经热电偶测量并与设定值 比较后，其偏差经过放大 器放大，控制电动机的转 向，然后经过传动装置， 移动变压器的活动触点位 置。结果使偏差减少，直 到温度达到给定值为止。
随动控制系统
1.2.4 控制系统的分类
第1章 过程控制系统概述ppt课件

第1章 过程控制系统概述ppt课件


三、过程控制系统的分类
１. 按结构特点分类 (１) 反馈控制系统 (２) 前馈控制系统
(３) 前馈—反馈控制系统（复合控制系统）
２. 按给定信号的特点分类 (１) 定值控制系统
(２) 程序控制系统 (３) 随动控制系统
(１) 方框图中每一个方框表示一个具体的实物。 (２) 方框之间带箭头的线段表示它们之间的信号联系，与 工艺设备间物料的流向无关。 (３) 比较点不是一个独立的元件，而色色 ２. 控制过程多属缓慢过程和参量控制形式 ３. 控制方案多种多样 ４. 定值控制是过程控制的一种主要控制形式
要求学生能应用控制理论和工程处理方法，掌握 过程控制系统控制方案的分析、设计和工程实施能 力。
§１—２ 过程控制系统的组成、特征及分类
一、过程控制系统的组成
１. 常用术语（见表１—２—１）
２. 方框图
方框图是控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的 图解表示，是控制系统进行理论分析、设计中常用到的一种形 式。每一个方框表示系统中的一个组成部分（也称为环节）， 方框内填入表示其自身特性的数学表达式或文字说明。
学习目标
１. 了解过程控制的发展历程和发展方向。 ２. 了解本课程的地位和性质。 ３. 掌握过程控制的定义，弄清过程控制的目的。 ４. 掌握过程控制系统的组成和特点。 ５. 掌握过程控制系统的分类以及相互之间的区别。
§1—1 绪论
一、过程控制概述
1．定义 过程控制系统是以表征生产过程的参量为被控制量，使 之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里 “过程” 是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相 互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、 流量、液位、成分和浓度等。过程控制系统的任务就是通 过对过程参量的控制，使生产过程中产品的产量增加、质 量提高、能耗减少，实现工业生产过程自动化。
过程控制—概述(ppt文档)

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4. 定值控制
被控参数的设定值为一个定值，减小或消除外界干扰，
使被控量尽量保持接近或等于设定值。
如蒸汽锅炉中的液位控制
第一章 概述--过程控制
5．过程控制多种分类方法 按被控参数分类：
温度、压力、流量、液位或物位控制系统、物性 控制系统、成分控制系统 按被控量数分类： 单变量过程控制系统、多变量过程控制系统 按设定值分类： 定值控制系统、随动（伺服）控制系统
y() t
第一章 概述--过程控制
1．衰减比和衰减率
衰减比等于两个相邻 y 同向波峰值之比。
第一章 概述--过程控制
1.2 过程控制系统的组成与特点
1.2.1 系统组成 1.2.2 过程控制系统特点
电加热锅炉控制方案
人工液位调节
电加热器加热水 产生一定压力的 热水或蒸汽，并 通过输汽管供给 用户或下一个工 序，为了及时补 充因蒸发而不断 减少的锅炉水量， 用水泵连续地加
入冷水。
电加热锅炉的简易流程图
始终保持一定高度 冶炼好的铁水和炉渣定期或连续排出
其间涉及多种参数的控制
流量、压力、温度、物位（液位）等
什么是过程控制
过程控制(Process Control)
是指石油、化工、电力、冶金、轻工等工业部 门以连续性物流为主要特征的生产过程的自动 控制。
主要解决
各种生产过程中的温度、压力、流量、液位(或 物位)、以及成分等参数的自动监测和控制问题。
1.3 过程控制系统的性能指标
稳定性、准确性和快速性
定值控制系统在于恒定，要求克服干扰，使系 统的被控参数能稳、准、快地保持接近或等于 设定值。
随动（伺服）控制系统的主要目标是跟踪，即 稳、准、快地跟踪设定值。
第1章过程控制系统概述

第1章过程控制系统概述


☝1-2 过程控制系统的分类
自动控制系统有多种分类方法，站在不同的角度分类不同。
分类特征 按控制方式分 控制方式 开环控制 闭环控制 复合控制 恒值系统 按给定值变化 规律分 随动系统 按偏差调节 闭环反馈为主，开环补偿为辅 保持输出恒定 输出跟随输入变化 特点 按给定值操纵、按干扰补偿
程序控制系统
测量变送 Gm (s)
一般的单回路控制系统
被控对象：工艺参数需要控制的生产过程设备或机器等。 如水箱、热交换器。
☝1-1 过程控制系统的组成
被控对象 扰动 D 干扰通道 GD (s) 偏差 e 控制器 Gc (s) 控制变量 u 操纵变量 q 执行器 Gv (s) 控制通道 Gp (s)
设定值 ysp
☝1-4 过程控制系统的发展历史
3. 单元组合仪表化阶段（20世纪60年代） 特点： 企业界大量使用单元组合仪表及组装仪表，出现了以 4～20mA 和0～10mA为统一信号的电动模拟控制系统；
☝1-4 过程控制系统的发展历史
3. 单元组合仪表化阶段（20世纪60年代） 被控参数：多样化； 控制系统结构：MIMO ； 控制策略：主要是PID控制以及串级、均匀、比值、分程 和选择性等常规复杂控制策略；
TRC 101
加热蒸汽
冷凝水
成品
被控量的测量点，本例指反应器内反应温度
TRC 101
仪表圈，代表广义上的仪表（可以不止一种类 型的仪表）
☝1-6 控制工艺图的组成及符号解释
仪表圈，代表广义上的仪表（可以不止一种类 型的仪表） T RC_1 01 顺序号（一般两位数字，也可三位数字）
101 TRC
工序号（一般一位数字，也可两位数字） 仪表功能字母代号， C（Control）控制，R（Record）记录， A（Alarm）报警，I（Indicate）显示 被测变量字母代号， T（Temperature）温度，P（Pressure）压力， F（Flow）流量，L（Level）液位，A（ Analysis）成分
过程控制讲义课件(全套)

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前馈—反馈控制系统
29
1.4 过程控制系统的分类
6. 按给定信号的特点分类 ： 定值控制系统 程序控制系统 随动控制系统
（1）定值控制系统：就是系统被控量的给定值保持在规定 值不变，或在小范围附近不变。定值控制系统是过程控 制中应用最多的一种控制系统，因为在工业生产过程中 大多要求系统被控量的给定值保持在某一定值，或在某 很小范围内不变。 例如过热蒸汽温度控制系统、转炉供氧量控制系统 均为一个定值控制系统。
30
1.4 过程控制系统的分类
（2）程序控制系统：它是被控量的给定值按预定的时 间程序变化工作的。控制的目的就是使系统被控量按 工艺要求规定的程序自动变化。 例如同期作业的加热设备(机械、冶金工业中的热 处理炉)，一般工艺要求加热升温、保温和逐次降温 等程序，给定值就按此程序自动地变化，控制系统按 此给定程序自动工作，达到程序控制的目的。
4. 按被控制量的多少分类：
单变量控制系统 多变量控制系统
25
1.4 过程控制系统的分类
5. 按系统的结构分类：
反馈控制系统 前馈控制系统 复合控制系统 单回路控制系统 串级控制系统
26
1.4 过程控制系统的分类
（1）反馈控制系统
它是过程控制系统中的一种最基本的控制结构形 式。反馈控制系统是根据系统被控量的偏差进行工作 的，偏差值是控制的依据，最后达到消除或减小偏差 的目的。如过热蒸汽温度控制系统就是一个反馈控制 系统。另外，反馈信号也可能有多个，从而可以构成 多个闭合回路，称其为多回路控制系统。
23
1.4 过程控制系统的分类
1. 按被控量分类 ：
温度控制系统 压力控制系统 流量控制系统 液位控制系统等
2. 按完成的功能分类：
1过程控制系统概述精品PPT课件

1过程控制系统概述精品PPT课件

《过程控制工程》,王树青,化工出版社 ,2008；
电气信息学院测控系
成绩评定与学习要求
一、成绩评定 （1）平时成绩 30%
出勤率、作业、课堂表现、实验等。 （2）考试成绩 70%
二、学习要求 （1）坚持听课，避免与考研的冲突； （2）掌握系统的原理； （3）勤于思考，灵活应用； （4）及时复习、总结。
电气信息学院测控系
示例分析：
工艺原理： 转炉是炼钢生产中的一种设备。熔融的
铁水装入转炉后，通过氧枪供给转炉一定的 氧气，进行吹氧。使铁水中的碳氧化燃烧， 不断降低铁水中的含碳量。 控制要求：
控制吹氧量和吹氧时间，可以获得不同 品种的钢产品。
电气信息学院测控系
控制系统工作原理： 由图可见，从节流装置
?检测与变送器调节器的设计?调节器的设计?执行器本课程主要内容电气信息学院测控系?简单控制系统?复杂控制系统串级比值前馈等?先进控制系统模糊神经网络预测解耦等?计算机过程控制系统过程控制的任务与目标11过程控制系统的组成与特点过程控制系统的组成与特点1212第一章概述电气信息学院测控系过程控制系统的性能指标过程控制的进展1314?生产过程
电气信息学院测控系
1.1 过程控制的任务与目标
• 生产过程：
– 是指物料经过若干加工步骤而成为产品的过程。
• 生产过程的总目标：
– 以最经济的途径将原物料加工成预期的产品。
• 过程控制的任务:
– 了解工艺流程和动静态特性， – 实现生产过程的控制目标。
电气信息学院测控系
• 生产过程的要求：安全性,稳定性,经济性。
界干扰，使被控量尽量保持接近或等于设定值。
电气信息学院测控系
5．过程控制有多种分类方法
• 按被控参数分类： 温度、压力、流量、液位或物位控制系统、物性
过程控制与自动化仪表教学课件(共8章)第一章过程控制系统

过程控制与自动化仪表教学课件(共8章)第一章过程控制系统

过程控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状 态的过程称为过程控制系统的过渡过程。
22
过程控制与自动化仪表
1.4 过程控制系统的分类和品质指标
❖1.4.2 过程控制系统的过渡过程
过渡过程的基本形式
23
过程控制与自动化仪表
1.4 过程控制系统的分类和品质指标
❖1.4.3 过程控制系统的品质指标
评价指标可概括为“稳”、“准”、“快”
作用
❖ 能实现生产过程的自动化，提高劳动生产率及质量， 改善劳动条件。
❖ 完成人们难以或者根本无法实现的操作。
实现手段 机械 电气 液压 气动
3
过程控制与自动化仪表
自动控制原理的学习目标
4
过程控制与自动化仪表
自动控制理论发展概述
·经典控制理论( 19世纪初 )
传递函数
时域法
复域法 (根轨迹法) 频域法
闭环控制又称为反馈控制。 如果输入量和反馈量相减则称为负反馈；反之，若二
者相加，则称为正反馈。控制系统中一般采用负反馈 方式。输入量与反馈量之差称为偏差信号。 系统的输出量能够自动地跟踪输入量，减小跟踪误差， 提高控制精度，抑制扰动信号的影响。
13
过程控制与自动化仪表
直流电动机转速闭环控制
❖ 在原来开环控制的基础上，增加了一个由测速发 电机构成的反馈回路，该回路检测输出转速的变 化并作反馈。
第一章 过程控制系统
1 了解过程控制技术的开环、闭环概念。 2 了解过控系统的组成、分类和品质指标。 3 能简单使用MATLAB软件。 4 了解本课程定位及学习方法。
1
过程控制与自动化仪表
1.1 引言
❖ 所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下， 利用外加设备或控制装置使生产过程或被控对象 中的某一物理量或多个物理量自动地按照期望的 规律去运行或变化。
过程控制系统第1章-过程控制系统概述课件

过程控制系统第1章-过程控制系统概述课件

7
2.自动化仪表的发展
自动化仪表是一种“信息机器”，其主要功能是信息形式的转换 和表达，将输入信号转换成输出信号。信号可以按时间域或频 率域表达，信号的传输则可调制成连续的模拟量或断续的数字 量形式。自动化仪表的发展一直适应着工业的需要，经历了自 力式、基地式、单元组合式、智能式和总线式几个发展阶段。 按照工作能源的不同，单元组合仪表还可分为电动单元组合仪 表(DDZ)和气动单元组合仪表(QDZ)两大类，它们都经历了Ⅰ型、 Ⅱ型、Ⅲ型3个阶段。智能仪表就是在普通的模拟仪表基础上增 加微处理器电路而形成的仪表。这里所谓的“智能”，是指现场 仪表具有普通模拟仪表拥有的信号变换、补偿、驱动等常规功 能以外，还具有一定的拟人智能的特性或功能，例如自适应、 自学习、自校正、自诊断和自组织等。
6
1.传递函数
图1-13 环节的输入-输出关系
31
2.框图变换 (1)框图的基本元素 (2)框图运算法则 (3)复杂框图的化简及应用
32
2.框图变换
图1-14 简单控制系统框图
33
(1)框图的基本元素 构成控制系统框图的基本元素包括信息、分支点、汇合点和 环节。 1)信息 2)分支点 3)汇合点 4)环节
4
1.控制理论的发展
自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学，它的发展 初期是以反馈理论为基础的自动调节原理。根据自动控制技术 发展的不同阶段，自动控制理论相应经历了从经典控制理论、 现代控制理论，到控制论、信息论、系统论等学科交叉的若干 发展阶段。 经典控制理论是指在20世纪40年代到50年代末期所形成的理论 体系，它主要是研究单输入单输出(SISO)线性定常系统的分析 和设计，其理论基础是描述系统输入-输出关系的传递函数，解 决SISO系统的稳定性问题。
1过程控制系统概述精品PPT课件

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电气信息学院测控系
仪表控制系统：由被控过程和过程检测控制仪表 两部分组成。
控制方法: 单变量过程控制系统、多变量过程 控制系统。
控制算法： PID控制、智能控制等。
3.被控过程属慢过程、多参数控制 连续工业过程大惯性和大滞后的特点决定了被
控过程为慢过程。
4.定值控制是主要形式 被控参数的设定值为一个定值，减小或消除外
《过程控制工程》,王树青,化工出版社 ,2008；
电气信息学院测控系
成绩评定与学习要求
一、成绩评定 （1）平时成绩 30%
出勤率、作业、课堂表现、实验等。 （2）考试成绩 70%
二、学习要求 （1）坚持听课，避免与考研的冲突； （2）掌握系统的原理； （3）勤于思考，灵活应用； （4）及时复习、总结。
– (1)安全性：生产过程中，确保人身和设备安 全是最重要和最基本的要求。
– (2)稳定性：系统抑制外部干扰、保持生产过程 长期稳定运行的能力。
– (3)经济性：低成本高效益是过程控制的另一个 目标。
• 工业过程可以分为：连续过程工业、离散过
程工业和间隙过程工业。 – 过程控制主要是指连续过程工业的控制。
电气信息学院测控系
1.2 过程控制系统的组成与特点
1.2.1 过程控制系统系统组成：
• 由以下几部分组成： 1．被控过程（或对象）； 2．用于生产过程参数检测的检测与变送器； 3．控制器（调节器）； 4．执行器； 5．报警、保护和连锁等其它部件。
电气信息学院测控系
r
u
y (t)
控制器
执行机构
被控对象
• 定值控制系统的特点： 在于恒定，要求克服干扰，使系统的被控参数能稳、
准、快地保持接近或等于设定值。 • 随动（伺服）控制系统：
过程控制系统(1)

过程控制系统(1)

第一章过程控制系统概述1.五大参量：温度、压力、流量、物位（液位）、成分2.过程控制系统的组成：控制器，执行器，被控过程和测量变送等组成；除被控对象外都是变送单元。

过程控制系统由两大部分组成:过程仪表和被控对象过程控制系统由三大部分组成:检测变送单元，控制器，被控对象。

系统中的名词术语：1）被控过程：生产过程中被控制的工艺设备或装置（即从被控参数检测点至调节阀之间的管道或设备）。

2）检测变送器：检测量转换为统一标准的电信号。

3）调节器（控制器）：实时地对被控系统施加控制用。

4）执行器：将控制信号进行放大以驱动调节阀。

5）被控参数：被控过程内要求保持稳定的工艺参数。

6）控制参数：使被控参数保持期望值的物料量或能量。

7）设定值：被控参数的预定值。

8）测量值：测量变送器输出的被控参数值。

9）偏差：设定值与测量值之差。

10）扰动作用：作用于被控对象并引起被控变量变化的作用。

11）控制作用：调节器的输出（控制调节阀的开度）。

控制器，执行器和检测变送环节称为过程仪表；过程控制系统由过程仪表和被控过程组成。

3.性能指标：包含了对控制系统的稳定性、准确性和快速性三方面的评价。

稳态误差ess：描述系统稳态特性的唯一指标（静态指标）。

衰减比n：n<1,表示过渡过程为发散振荡;n=1,表示过渡过程为等幅振荡;n>1,表示过渡过程为衰减振荡。

一般为4:1-10:1，4:1为理想指标，也是用来调试的。

前馈，反馈控制特点（1）反馈控制系统：根据系统被控参数与给定值的偏差进行工作；是按照偏差进行调节，达到减小或消除偏差的目的；偏差值是系统调节的依据；可以有多个反馈信号；属于闭环控制系统。

（2）前馈控制系统：根据扰动大小进行控制，扰动是控制的依据；控制及时；属于开环控制系统；实际生产中不采用第二章过程检测仪表控制器输出:1.电动仪表：4-20mA，DC（远距离）；1-5V，DC（短距离）气动仪表：20-100Kpa（100m）直流电流4-20mA，空气压力20-100Kpa为通用标准信号。

过程控制系统概述

程的数学模型。
2.试验辨识法
先给被控过程人为地 施加一个输入作用，然后 记录过程的输出变化量， 得到一系列试验数据或曲 线，最后再根据输入－输 出试验数据确定其模型的 结构（包括模型形式、阶 次与纯滞后时间等）与模 型的参数。
主要步骤
3.混合法
机理演绎法与试验辩识法的相互交替使用的一种方法 精品文档
锅炉汽包水位的变化过程为典型的具有反向特性的过程
在给水量阶跃增大而燃料量和蒸汽负荷不变的情况下，由于蒸发率的 降低，于是刚开始时水位会下降，然后才逐渐上升。
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3.1.3 过程(guòchéng)建模方 法
1.机理(jī lǐ)演绎法 根据被控过程的内部机理，运用已知的静态或动态平衡关系，用数学解析的方法求取被控过
3 过程控制系统(kònɡ zhì xì tǒnɡ)概述
LOGO
精品文档
主要 (zhǔyào)内 3容.1 被控过程的数学模型
3.2 简单(jiǎndān) 控制系统 3.3 常用高性能控制系统
3.4 实现特殊工艺要求的控制系统
精品文档
3.1 被控过程的数学模型
3.1.1 被控过程(guòchéng)的数学模型及 其作用 被控(bèi kònɡ)过程的数学模型是指过程的输入变量与输出变量之间定量关系的描述。
衰减振荡的传递函数一般可表示为
Ke s
G(s) (T 2s2 2Ts 1) 精品文档
(0 1)
• 具有(jùyǒu)反向特性的过 程
对过程(guòchéng)施加一阶跃输入信号，若在开始一段时间内，过程(guòchéng)输出先降 后升或先升后降，即出现相反的变化方向，则其为具有反向特性的被控过程(guòchéng)。
（a）

第一章过程控制系统概述ppt课件

15
第1章 过程控制系统概述
二.过程控制系统的特点
1．控制对象复杂、控制要求多样
石油化工过程、钢铁生产中的冶炼过程、核工业中的动力核反应过程。过程 控制系统中的被控对象（被控量）是多样的。
2．控制方案丰富
生产工业的特点、被控过程的多样性决定控制方案的多样性。系统硬件和控 制算法、软件设计。
3．控制对象大多属于慢过程
3
FC
4
2
FT
5
氧气
1
转炉
图1.2 转炉供氧控制系统
13
第1章 过程控制系统概述
过热蒸汽控制
14
第1章 过程控制系统概述
过程控制系统特点
一．过程工业的特点 过程控制是指连续过程工业， 特点主要指连续过程生产， 过程工业是十分复杂的大系统， 存在不确定性、时变性以及非线性等因素， 过程控制的难度是显而易见的， 工业过程生产环境恶劣，生产条件苛刻， 采用智能控制方法和计算机控制技术。
当被控对象受到干扰、被控变量发生变化时，控制系统抵制 干扰、纠正被控变量的过程，反映了控制系统的优劣。为此，要 有评价控制系统的性能指标。
单项性能指标以控制系统被控参数过渡过程的单项特征量作 为性能指标，而偏差积分性能指标则是一种综合性指标。由于在 多数情况下，都希望得到衰减振荡过程，所以以衰减振荡的过渡 过程形式为例，讨论控制系统的品质指标。
• （4）设定值r(t)：与被控参数相对应的设定值； • （5）反馈值z(t)：被控参数经测量变送后的实际测量值； • （6）偏差e(t)：设定值与反馈值之差； • （7）控制作用u(t)：控制器的输出值。
7
第1章 过程控制系统概述
控制器（或称调节器）根据系统输出量测值与设定值的偏差，按 照一定的控制算法输出控制量，对被控过程进行控制。

过程控制-第一章

被控过程在输入量作用下，其平衡状态被破坏后，没有人和仪 器干预，依靠自身能力，不能恢复其平衡状态，这种特性称为 无自平衡能力。
过程控制 二、建模的目的和要求
➢ 设计过程控制系统和整定调节器参数 ➢ 指导设计生产工艺设备 ➢ 进行仿真试验研究 ➢ 培训运行操纵人员 ，等等 要求： 准确可靠；但并不意味着愈准确愈好。 鲁棒性 实时性要求。往往需要做很多近似处理，比如线性化、 模型降阶处理等。
dh
A
R dt
hKuRu
令： A=C，容量系数 T=RC，时间常数 K=KuR，放大倍数
TdhhKu dt
对应的传递函数为：
G( s ) H( s ) K U( s ) Ts 1
过程控制
该对象对应的方框图：
过程控制
U(s)
Qi(s)
1
Ku
+－
Cs
Qo(s)
1
R
H(s)
G(s)H(s) KuC 1S KuR K U(s) 11 1 RCS1 Ts1 CSR
过程控制
Q1(s)
－
Q2(s)
H1(s)
1
1
c1s
R2
Q2(s)
1
－ c2s
Q3(s)
1 R3
对象框图
过程控制
H2(s)111过程来自制G(s) H2(s)
C1s R2 C2s
Q1(s) 1 1 1 1 1 1 1 1 1
C1s R2 C2s R3 C1s R2 C2s R3
R3
C1R2s C2R3s C2R3s C1R2s 1
过程控制
1、 数学模型定义 被控过程的数学模型（动态特性），是指过程在各输入量 （包括控制量与扰动量）作用下，其相应输出量（被控量） 变化函数关系的数学表达式。
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过程控制系统
赵小强
2019/6/12
兰州理工大学电信学院
第1章 过程控制系统概述
基本概念 组成 特点 分类 性能指标 发展历程
00:40:55
兰州理工大学电信学院
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第过1章程控过制程与控集制散系系统统概述
1.1 过程控制的基本概念
生产过程：
是指物料经过若干加工步骤而成为产品的过程.
生产过程的总目标：
将原物料加工成预期的产品.
过程控制的任务:
了解工艺流程和动静态特性. 实现生产过程的控制目标.
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第过1章程控过制程与控集制散系系统统概述
生产过程的要求：安全性,稳定性,经济性
(1)安全性:生产过程中，确保人身和设备安全 是最重要和最基本的要求. (2)稳定性:系统抑制外部干扰、保持生产过程 长期稳定运行的能力. (3)经济性:低成本高效益是过程控制的另一个目标.
3．控制对象大多属于慢过程
连续工业过程大惯性和大滞后的特点决定了被控过程为慢过程。
4．大多数工艺要求定值控制
被控参数的设定值为一个定值，减小或消除外界干扰，使被控量尽量保持接 近或等于设定值。
5．大多使用标准化的检测、控制仪表及装置
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第1章 过程控制系统概述
仪表控制系统：由被控过程和过程检测控制仪表两部分组成。 控制方法上:单变量过程控制系统、多变量过程控制系统。 控制算法：PID控制、智能控制等。
闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的 输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环 控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负 反馈( Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系 统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。error)描述，它表示系统输出稳态 值与期望值之差﹔快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描 述。 闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系 统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种 正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系 统。 3 .阶跃响应
3．控制器；
4．执行器(机构). 兰州理工大学电信学院
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第1章 过程控制系统概述
名词术语：
（1）被控参数（变量）y(t)：被控过程内要求保持稳定 的工艺参数,如温度、压力、流量、液位、成分等； （2）控制参数（亦称操作变量控制介质）q(t)：使被控 参数保持期望值的物料量或能量； （3）干扰量f(t)：除被控参数外，作用于被控过程并引 起被控参数变化的各种因数； （4）设定值r(t)：与被控参数相对应的设定值； （5）反馈值z(t)：被控参数经测量变送后的实际测量值； （6）偏差e(t)：设定值与反馈值之差； （7）控制作用u(t)：控制器的输出值。
1）反馈控制系统（闭环控制系统）
将被控变量输入到控制器，形成闭环，具有被控变量
负反馈的控制系统。如：
+e
给定值 －
控制器
执行器
干扰f
被控对象
被控变量
实测值
变送器
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反馈控制系统是过程控制最基本的结构形式。
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第1章 过程控制系统概述
2）前馈控制系统（开环控制系统） 控制系统没有被控变量负反馈，不将被控变量引入到
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第1章 过程控制系统概述
控制器（或称调节器）根据系统输出量测值与设定值的偏差，按 照一定的控制算法输出控制量，对被控过程进行控制。
执行机构（如：调节阀）接受控制器（调节器）送来的控制信息 调节被控量，达到预期的控制目标。 过程的输出信号通过检测与变 送仪表，反馈到控制器的输入端，构成闭环控制系统。
恒温室
送风 阀门
图 室温人工控制示意图
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第1章 过程控制系统概述
眼看——用传感器或变送器将温度信号转换为控制器 可接受的信号。
脑想——控制器将输入的实测温度信号和要求值进行 比较（相减求偏差) ,并按偏差值计算出控制量。
手动——人工阀门换成控制阀，按控制信号自动改变 开度。
人工控制受制于人的经验和注意力，控制不精确。而 自动控制按设定好的方案进行计算控制，可以做到精确的、 恰当的控制。
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第1章 过程控制系统概述
例：图为人工控制室温。假设在冬季，室内加温是通过热水 加热器，将送风加热后源源不断送往恒温室。为保证恒温室 温符合要求，操作人员要随时观察温度计的指示值，并随时 判断和决定如何操作阀门来保证恒温要求，然后进行操作。
在此人的作用可分为三步：眼看源自脑想回风手动
温度计
2、动态—把被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统 的动态。
即控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过渡 过程。当干扰破坏了系统的平衡时，被控变量就会发生变化，而 控制器、控制阀等自动化装置就要产生控制作用来使系统恢复平 衡。
2、随动控制系统：是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。它的 主要作用是克服一切扰动，使被控量随时跟踪给定值。随动（伺服）控制系 统的主要目标是跟踪，即稳、准、快地跟踪设定值。
3、程序控制系统：其给定值按预定的时间程序来变化。如机械工业中的退火 炉的温度控制系统，其给定值是按升温、保温、逐次降温等程序变化的。家 用电器中应用定值控制系统的也很多，如电脑控制的洗衣机、电饭煲等。
单项性能指标以控制系统被控参数过渡过程的单项特征量作
为性能指标，而偏差积分性能指标则是一种综合性指标。由于在
多数情况下，都希望得到衰减振荡过程，所以以衰减振荡的过渡
过程形式为例，讨论控制系统的品质指标。
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稳态与动态 1、稳态—把被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的稳
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按系统结构分类：1）反馈控制；2）前馈控制；3）复合控制。
前馈补偿器
测量变送 执行器
f (t) y(t)
被控过程
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x(t)
－
控制器
前馈补偿器 执行器
f (t) y(t)
被控过程
测量变送
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1.2 过程控制系统的组成与特点
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f (t)
r(t) e(t)
－
z(t)
控制器
u(t)
q(t)
y(t)
执行器
被控过程
测量变送
过程控制系统的一般性框图 1．被控过程（或对象）；
2．检测变送(用于生产过程参数检测的检测与变送仪表)；
集中参数控制系统、分布参数控制系统
按控制算法分类：
简单控制系统、复杂控制系统、先进或高级控制系统
按控制器形式分类：
常规仪表过程制系统、兰计州算理机工过大程学控电制信系学统院
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第1章 过程控制系统概述
按设定值分类： 定值控制系统、随动（伺服）控制系统、程序控制系统
1、定值控制系统：是工业生产过程中应用最多的一种过程控制系统。在运行 时，系统被控量的给定值是不变的。有时根据生产工艺要求，被控量的给定 值保持在规定的小范围附近波动。定值控制系统在于恒定，要求克服干扰， 使系统的被控参数能稳、准、快地保持接近或等于设定值。
阶跃响应是指将一个阶跃输入（step function）加到系统上时，系统 的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后﹐系统的期望输出与实际输出 之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定 性(stability)，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应 上看应该是收敛的﹔准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差 来(Steady-state)
图2 室温自动控制系统示意图 1—热水加热器；3—控制器；
（温度、压力、流量、物位、 成分、湿度等）进行控制，使
2—传感变送器；4—执行器 其保持恒定或按一定规律变化。
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第1章 过程控制系统概述
转炉是炼钢生产中的一种设备。熔融的铁水装入转炉后，通过氧枪 供给转炉一定的氧气，进行吹氧。使铁水中的碳氧化燃烧，不断降低 铁水中的含碳量。控制吹氧量和吹氧时间，可以获得不同品种的钢产 品。图可见，从节流装置1采集到的氧气流量，送入流量变送器FT2， 再经过开方器3，其结果送到流量控制器（调节器）FC4作为流量反馈 值，与供氧量的设定值比较，得到偏差值，经过流量控制器（调节器） FC4进行PID运算，输出控制信号，去控制调节阀5的开度，从而改变供 氧量的大小，以满足生产工艺要求。
工业过程可以分为：连续过程工业、离散过程工业和间歇过程工业. 过程控制主要是指连续过程工业的过程控制
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第过1章程控过制程与控集制散系系统统概述
过程控制（Process control）：是指连续生产过程的自 动控制。石油、化工、水利、电力、冶金、轻工、纺织、 制药、建材、核能、环境工程等许多领域的自动控制系统， 都属于过程控制系统。 连续生产过程特征是：生产过程中的各种流体，在连续 （或间歇）的流动过程中进行着物理化学反应、物质能量 的转换或传递。例如室内温度的控制。
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