工业过程控制技术实践教程 第1章
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第一章过程控制系统概述
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第1章 过程控制系统概述
图为室温自动控制系统，自动化仪表代替了人。 恒温室
3 TC
回 风
1
送风
过程控制系统的定义：
4
M
为实现对某个工艺参数的自 动控制，由相互联系、制约 的一些仪表、装置及工艺对 象、设备构成的 一个整体。
过程控制系统的主要任务 热水 是：对生产过程中的重要参数 回水 （温度、压力、流量、物位、 图2 室温自动控制系统示意图 1—热水加热器；3—控制器； 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。
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
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
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
1.开环控制系统 开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控 制量)对控制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖 将被控量反送回来以形成任何闭环回路。 2.闭环控制系统 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 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)
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第1章 过程控制系统概述
图为室温自动控制系统，自动化仪表代替了人。 恒温室
3 TC
回 风
1
送风
过程控制系统的定义：
4
M
为实现对某个工艺参数的自 动控制，由相互联系、制约 的一些仪表、装置及工艺对 象、设备构成的 一个整体。
过程控制系统的主要任务 热水 是：对生产过程中的重要参数 回水 （温度、压力、流量、物位、 图2 室温自动控制系统示意图 1—热水加热器；3—控制器； 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。
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
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
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
1.开环控制系统 开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控 制量)对控制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖 将被控量反送回来以形成任何闭环回路。 2.闭环控制系统 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 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)
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
工业过程控制-第1章.资料讲解
1.4 过程控制系统的分类
6. 按给定信号分类
定值控制系统 程序（顺序）控制系统 随动控制系统 （3）随动控制系统： 它是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。主 要作用是克服一切扰动，使被控量快速跟随给定值变化。 例如：加热炉燃烧过程，生产工艺要求空气量随燃料量的 变化而成比例的变化，而燃料量是随生产负荷而变化，其变 化规律是任意的。随动控制系统就是要使空气量跟随燃料量 的变化自动控制空气量的大小，达到加热炉最佳燃烧。
经济性：能量和原材料消耗 稳定可靠性：可以连续、稳定的生产
3、过程控制系统的设计
确定设计目标 - 保证出口温度 - 保证烟气含氧量 - 保证燃烧效率
过程控制系统的设计
选择测量参数 - 出口温度 - 烟气含氧量
- 炉膛负压 - 燃油压力 - 热效率（软测量）
过程控制系统的设计
选择操作量
例如：发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统 转炉供氧量控制系统 集散控制系统（DCS）
1.3 过程控制系统的组成
例1 发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统 • 锅炉是电力、冶金、石油化工等工业部门不可缺少的动力设
备，其产品是蒸汽。发电厂从锅炉汽包中出来的饱和蒸汽经 过过热器继续加热成为过热蒸汽。过热蒸汽的温度是火力发 电厂生产工艺的重要参数。 • 过热蒸汽温度控制是保证汽轮机组（发电设备）正常运行的 重要条件。通常过热蒸汽的温度控制在460℃左右，推动汽 轮机做功。
y(t p ) r
y()
B1
B2
5%
φ =(B1-B2)/B2
y(0)
tp ts
t
1.5 过程控制系统的性能指标
d.最大动态偏差及超调量—被控参数偏离给定值程度
人工操作与自动控制比较图（液位控制）
工业过程控制工程课件第一章工业过程控制工程绪论
生产过程的优化操作与控制 （一个生产过程的优化操作点往往是时变的，因此，针对
工业生产过程具体情况，进行连续寻优是十分重要的 。）
1.2.2 影响工业生产过程稳定因素
在生产过程中，产品的质量、产量和产 率等都会随着生产过程的各种扰动（干扰） 和生产过程工艺设备等特性的改变而波动。 工业生产过程的扰动作用使得生产过程 操作不稳定，从而影响工厂 生产过程的经 济效益，扰动主要来自下述几个方面。
本征不稳定性：有些工业生产过程，如化学反应过程或生 化反应过程，在某些操作范围内系统本身是不稳定的。如 果过程进入不稳定的操作区域，其过程变量的变化，如化 学反应温度与压力，在某些时候，系统可能会进人循环振 荡而不稳定。 耦合特性：工业生产过程中输入和输出之间的关系通常是 很复杂的，各变量之间可能具有很强的耦合性。一个输入 可能会同时改变几个输出，反过来，一个输出可能会受到 多个输人的影响。 执行器特性：作为一个自动控制系统，由测量环节、被控 过程和执行器三部分组成，执行器的特性，直接影响到控 制系统的品质。
信号的测量问题：工业生产过程的物料与能量流都是在密 闭的管道与容器中传递、反应或分离，而有些物料又具有 易燃、易爆、腐蚀和毒性。工业生产过程的变量很难在线 测量，有些可能测不准，噪声大且不可靠，而有些变量至 今还无法在线测量，特别是那些物料性质和产品质量的参 数，只能通过取样送实验室化验分析才能获得。随着在线 质量（成分）分析仪的逐步使用，使得原来不可测的变量 变成可测量，然而，在线分析仪满足不了千变万化的工业 生产过程的需求。为了解决这一问题，人们寻求用间接的 方法来测量不可测的变量，通常称为软测量技术或叫推断 测量的方法，即利用可测量的变量和相关模型，计算出不 可测量的变量。对于负反馈控制来说完全依赖于工业生产 过程信号测量的准确性。
工业过程控制技术
《工业过程控制技术》课程设计指导书广东工业大学自动化学院二００六年十月课程要求课程的性质和目的《工业过程控制技术课程设计与实践》是完成《自动控制原理》、《自动控制系统》、《过程控制技术》、《电器与PLC》、《自动化仪表》、《DCS分布式控制》、《计算机控制》等理论与实验教学之后，为自动化专业本科生开设的一门综合性的专业课程，是较为重要的实践性教学环节。
学生通过借助“THSA—1型过程控制综合自动化系统实验平台”对一个实用工业过程控制系统的设计、安装、调试完成系统设计与开发，提高学生工程意识和实践技能，达到素质和创新能力进一步提升。
课程教学内容本课程为实践性教学环节，包含理论设计和实践调试两部分，强调理论必须联系实际、理论与实际相结合。
1、理论设计：根据所学的理论知识和实践技能设计一个实用的控制系统，包括系统的主电路和控制电路。
选择变送器、控制器、执行器等，画出系统电气原理图。
2、调试实践：根据设计题目，要求完成单元电路安装、系统组装、单元及系统调试等。
3、设计题目：单容水箱液位定值控制系统串级控制系统比值控制系统前馈—反馈水箱控制系统课程教学要求理论设计每个同学根据题目，自己独立完成课程设计内容，每人都要提交一份设计说明书。
实践部分按每个教学班分为若干小组，每个小组2－3人，每组根据实验室提供的设备和实验教师的设计要求，设计并制作、调试一个完整的自动控制系统或实验装置。
在实验室进行实际操作并调试通过。
选修课程本课程为自动化专业的主打课程之一。
先修课程为《自动控制系统》、《过程控制系统》、《自动化仪表》、《计算机控制》、《电器与可编程序控制器》、《自动控制原理》等。
学好本课程可为今后的毕业设计，毕业后的继续教育、科学研究、技术开发打下良好基础。
教材与参考书[1]自编《工业过程控制技术课程设计与实践》指导书[2]陈伯时编，《电力拖动自动控制系统》第三版，机械工业出版社，2003年8月[3]林德杰等编，《过程控制仪表与控制系统》，机械工业出版社，2004年6月设计实践内容水箱控制系统水箱结构本实验系统结构图和方框图如图1所示。
过程控制第1章_绪论
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§1-3 方块图与流程图
反馈： 闭环控制系统中，输出变量（或信号）沿着回路中的 信号流动方向总会返回到系统的输入端，与给定值进 行比较。这种把系统（或方块）的输出信号引回到系 统输入端的做法叫做反馈。
若反馈信号（被控变量测量值z）与给定值信号的方 向相反，即反馈信号z 取负值，则叫做负反馈。 测量信号与给定值信号方向相同，则叫做正反馈。 闭环控制系统是靠负反馈来达到控制的目的。 例：储槽液位控制系统；炉温控制系统
1
一、生产过程及其特点 连续生产过程主要有以下几种形式： 1 ．传热过程 通过冷热物流之间的热量传递，达到控制介质温 度、改变介质相态或回收热量的目的。典型设备：换 热器 2 ．燃烧过程 通过燃料与空气混合后燃烧为生产过程提供动力 和热源。典型设备：加热炉
2
一、生产过程及其特点 3 ．化学过程 由两种或几种物料化合成一种或多种更有价值的 产品的反应过程。典型设备：反应器
按被控变量的名称分类 温度，压力，流量，液位，成分等控制系统
按被控变量的数量分类 单变量控制系统，多变量控制系统
按控制器的控制规律分类 比例P控制系统，比例积分PI控制系统，比例微积分PID 控制系统 按控制系统的结构分类 反馈控制系统，前馈控制系统，前馈-反馈控制系统，
21
二、过程控制系统的分类
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§1-3 方块图与流程图
图1-7 液体贮槽的工艺控制流程图
图中所示，工艺控制流程图主要是由工艺设备、 管道、元件以及构成控制系统的仪表符号及信号线等 图形符号组成。
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§1-3 方块图与流程图 仪表图形符号： 仪表图形符号可用来表达工业自动化仪表所 处理的被测变量和功能，还可以表示仪表或元件 的名称。 仪表图形符号是直径为12mm的细实圆圈， 并在其中标有仪表位号。 仪表位号由字母代号和数字编号组成，如下例所示：
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。
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。
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1.传递函数
图1-13 环节的输入-输出关系
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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
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2.框图变换
图1-14 简单控制系统框图
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(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
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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。
01-第1章 PPT
1.1 工业过程控制的组成、特点、任务第1章绪论哈尔滨工程大学自动化学院工业过程控制运动控制：运动体控制，如船舶、飞行器、机器人控制。
自动化领域两个重要分支：工业过程控制：连续生产过程中工艺参数控制。
工业过程控制？工业过程控制主要是对工业生产过程中关键工艺参数进行控制，以确保产品质量和生产安全，并使生产过程按最优化目标自动进行。
通常是对生产过程中的温度、压力、流量、液位、成分和物性等连续生产过程工艺参数进行控制，使其保持为定值或按一定规律变化。
减温水减温器过热蒸汽烟筒炉膛锅筒过热器TTTC1234一、过程控制系统组成第1章绪论图1 发电厂锅炉过热蒸汽温度控制工艺流程图被控过程测量变送器e(t)+_控制器执行器（调节阀）r(t)u(t)q(t)D(t)y(t)z(t)•过热蒸汽温度控制系统是由测量变送器、控制器（调节器）、执行器（调节阀)、被控过程等环节组成。
二、过程控制特点工业生产过程是呈流动状态的各种原材料在生产过程中，进行着物理化学反应、物质能量的转换或传递。
有关工艺参数是决定产品产量和质量的关键因素，它们不仅受生产过程内部条件的影响，也受外界条件的影响，这就增加了对过程工艺参数进行控制的复杂性和特殊性，从而也决定了过程控制的特点、任务及要求与一般自动控制有所不同。
被控过程多属于慢过程由过程检测、变送和控制仪表、执行装置等组成工业生产过程控制方案及实施手段的多样性工业生产过程控制系统分为随动控制和定值控制具有非线性、时变、时滞及不定性过程控制特点二、过程控制特点过程控制的要求稳定性的要求是指系统具有抑制外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力。
安全性是指整个生产过程中，确保人身和设备的安全，这是最重要的也是最基本的要求。
稳定性安全性经济性经济性，旨在生产同样质量和数量产品所消耗的能量和原材料最少，也就是要求生产成本低而效率高。
三、过程控制的要求四、过程控制任务工业生产过程控制的任务：就是在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上，根据上述三项要求，应用理论对控制系统进行分析和设计，最后采用适宜的技术手段加以实现。
过程装备与控制工程--第1章
27
2.1.1 被控对象的数学描述
连续生产过程中最基本的关系——物料平衡和能量 平衡
静态条件下，单位时间流入对象的物料（或能量） 等于从系统中流出的物料（或能量）；
动态条件下，单位时间流入对象的物料（或能量） 与从系统中流出的物料（或能量）之差等于系统内物 料（或能量）存储量的变化率。
28
（1）单容液位对象 有自衡特性的单容对象（图2—1） 系统输入：输入流量； 系统输出（被控变量）：水槽液位 任何时刻水位的变化均满足下面的物料平衡关系:
32
将式(2-2)和式(2-3)代入式(2-1)，经整理得到
ARsd d（H t 2-H 5）Rsqv1
令T=ARs,K=Rs,可得：
TddH tH (2- 6)Kqv1
它为一阶常系数微分方程，具有该特性的被控对象叫做一阶 被控对象被控对象特性参数：T-时间常数；K-放大系数 在t0时刻，若流入量qv1突然有一阶跃变化量Δqv1 ,则由式26可求出相应的液位变化量：
3
§1.1 概述
过程装备控制是指在过程装备上，配上一些自动化装置以 及合适的自动控制系统来代替操作人员的部分或全部劳动， 使设计、制造、装配、安装等在不同程度上自动地进行。 生产过程自动化：用自动化装置来管理生产过程的方法就 是生产过程自动化。 过程装备控制是生产过程自动化的最重要分支之一。 生产过程自动化是衡量工业企业现代化水平的一个重要标 志。
10
§1.4 控制系统的分类
1.4.1 按给定值的特点划分 1.定值控制系统：给定值是不变的 2.随动控制系统(或称自动跟踪系统)： 给定值是一个不断变化的信号,而且这种变化不是 预先规定好的,给定值的变化是随机的. 3.程序控制系统： 给定值也是一个不断变化的信号,但这种变化是一 个已知的时间函数,即给定值按一定的程序变化.
2.1.1 被控对象的数学描述
连续生产过程中最基本的关系——物料平衡和能量 平衡
静态条件下，单位时间流入对象的物料（或能量） 等于从系统中流出的物料（或能量）；
动态条件下，单位时间流入对象的物料（或能量） 与从系统中流出的物料（或能量）之差等于系统内物 料（或能量）存储量的变化率。
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（1）单容液位对象 有自衡特性的单容对象（图2—1） 系统输入：输入流量； 系统输出（被控变量）：水槽液位 任何时刻水位的变化均满足下面的物料平衡关系:
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将式(2-2)和式(2-3)代入式(2-1)，经整理得到
ARsd d（H t 2-H 5）Rsqv1
令T=ARs,K=Rs,可得：
TddH tH (2- 6)Kqv1
它为一阶常系数微分方程，具有该特性的被控对象叫做一阶 被控对象被控对象特性参数：T-时间常数；K-放大系数 在t0时刻，若流入量qv1突然有一阶跃变化量Δqv1 ,则由式26可求出相应的液位变化量：
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§1.1 概述
过程装备控制是指在过程装备上，配上一些自动化装置以 及合适的自动控制系统来代替操作人员的部分或全部劳动， 使设计、制造、装配、安装等在不同程度上自动地进行。 生产过程自动化：用自动化装置来管理生产过程的方法就 是生产过程自动化。 过程装备控制是生产过程自动化的最重要分支之一。 生产过程自动化是衡量工业企业现代化水平的一个重要标 志。
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§1.4 控制系统的分类
1.4.1 按给定值的特点划分 1.定值控制系统：给定值是不变的 2.随动控制系统(或称自动跟踪系统)： 给定值是一个不断变化的信号,而且这种变化不是 预先规定好的,给定值的变化是随机的. 3.程序控制系统： 给定值也是一个不断变化的信号,但这种变化是一 个已知的时间函数,即给定值按一定的程序变化.
《工业过程控制》课程教学大纲
《工业过程控制》课程教学大纲课程名称：工业过程控制课程代码：ELEA2022英文名称：Process Control课程性质：专业选修课程学分/学时：2学分/36学时开课学期：第6学期适用专业：电气工程及其自动化先修课程：自动控制原理、检测技术与仪表、单片机原理与应用、信号与系统后续课程：无开课单位：机电工程学院课程负责人：大纲审核人：余雷一、课程性质和教学目标（在人才培养中的地位与性质及主要内容，指明学生需掌握知识与能力及其应达到的水平）课程性质：工业过程控制是电气工程及其自动化专业的一门选修课程。
本课程针对该专业的特点，专注于过程控制的研究性学习，旨在为从事石油、化工、冶金、电力、轻工、纺织、医药、建材、食品等行业的温度、压力、流量、液位、成分等过程变量的过程控制系统的研发与生产工作，积累基本的自动化技术及其应用的理论基础和工程实践知识。
教学目标：过程控制技术是工业部门生产过程的自动化技术，过程控制系统设计是根据工业过程的特性和工艺要求，通过选用过程检测控制仪表构成反馈系统，再通过控制器参数整定，实现对生产过程的最佳控制，从而提高产品数量与质量、节能降耗与保护环境、增长经济效益与社会效益。
本课程的主要内容包括：（1）工业过程控制的特征；（2）生产工艺设备过程建模、过程变量检测与变送、控制器（调节器）和执行器（调节阀）；（3）过程控制系统的控制方案设计和工程设计要点、检测控制仪表的选择要求、直接数字控制技术、控制器参数的工程整定方法、串级控制及其工作特点；（4）复杂控制方式：前馈控制、大滞后补偿控制、比值控制、均匀控制、分程控制、选择性控制、多变量解耦控制；（5）计算机过程控制系统、液位控制系统演示实验。
通过上述相关内容的学习，将努力使学生掌握过程控制系统分析、设计和优化的基本原理和方法，为从事其工程技术的设计与制造、安装与调试、安全与维护等具备工程师素养而打下坚实的基础。
本课程的具体教学目标如下：1.掌握过程控制的特征以及过程控制系统中的四个基本单元的特性，包括过程建模方法、各种过程参数检测变送的原理与功能、量程与精度、选用与安装；电动调节阀和气动调节阀的工作原理；以及控制器在过程控制系统中的作用。
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项目一 流体输送单元综合实训
1.1 实训目的 1.2 实训原理 1.3 流体输送实训装置介绍 1.4 实训要求 1.5 实训内容
1.1 实训目的
(1) 了解流体输送各部件的作用、 流体输送的结构和特 点、 流体输送的工作流程。
(2) 了解流体输送中离心泵输送、 螺杆泵输送、 旋涡泵 输送、 真空输送及压力输送等输送方式的特点及优缺点。
压口之间的压差，单位为Pa；ρ
kg/m3；
ρA为U形管压差计内指示液的密度，单位为kg/m3； R为U形 管压差计读数，单位为m。
式(1－1a)也可以写成如下形式：
C A0
Vs
2gR( A
)
(1－1b)
若采用倒置U形管测量压差, 则
P上－P下＝gR
则流量系数C与流量的关系为
C Vs A0 2gR
性曲线之前， 须将实测数据换算为平均转速下的数据。 换
算关系如下： 流量:
V V n n
H H (n) 2 n
轴功率 效率
N N(n)3 n
V H g VHg
N
N
3. 流量计校核原理 流体通过节流式流量计时在流量计上、 下游两取压口 之间产生压强差， 它与流量有如下关系：
Vs CA0
2. 离心泵特性曲线的测定 离心泵的特性曲线是选择和使用离心泵的重要依据之一， 其特性曲线是在恒定转速下泵的扬程H、 轴功率N及效率η 与泵的流量V之间的关系曲线， 它是流体在泵内流动规律的 宏观表现形式。 由于泵内部流动情况复杂， 不能用数学方 法计算这一特性曲线， 只能依靠实验测定。
1) 扬程H的测定与计算 在泵进、 出口取截面并列出伯努利方程：
p
式中, ρ为流体密度。
影响阻力损失的因素很多，尤其对湍流流体，目前尚不 能完全用理论方法求解，必须通过实验研究其规律。为了减 少实验工作量，使实验结果具有普遍意义，必须采用因次分 析方法将各变量综合成准数关联式。根据因次分析，影响阻 力损失的因素有，
(1)流体性质：密度ρ，粘度μ； (2)管路的几何尺寸：管径d，管长l，管壁粗糙度ε； (3)流动条件：流速μ。
(14) 能完成离心泵特性曲线测定实验。 (15) 能完成流体流动阻力曲线测定实验。 (16) 能完成孔板流量计校核实验。 (17) 能完成真空泵输送实验。 (18) 能完成压力输送实验。 (19) 能正确填写生产(实验)记录， 及时分析各种数据。 (20) 掌握正常停车的操作方法。 (21) 掌握工业现场生产安全知识。
2 P上－P下
采用正U形管压差计测量压差时，流量Vs与压差计读书 R之间关系有：
Vs CA0 2gR A
式中： Vs为被测流体(水)的体积流量，单位为m3/s；C为流
量系数(或称孔流系数)， 无因次；A0为流量计最小开孔截面
积， 单位为m2，A=(π/4)d20；P上-P下为流量计上、 下游两取
(3) 掌握流体输送的基本操作、 调节方法， 了解影响流 体输送的主要影响因素。
(4) 掌握流体输送中的常见异常现象及其处理方法。 (5) 掌握流体输送的操作。
(6) 掌握正确使用、 维护设备、 仪器仪表的方法。 (7) 做好开车前的准备工作。 (8) 学会正常开车， 按要求操作调节到指定数值。 (9) 掌握设备运行情况的监控方法， 随时发现、 正确判 断、 及时处理各种异常现象， 出现特殊情况时能进行紧急 停车操作。 (10) 掌握现代信息技术管理能力， 能应用计算机对现 场数据进行采集、 监控。 (11) 能完成离心泵流量控制实验。 (12) 能完成高位液位罐液位控制实验。 (13) 能完成漩涡泵流量控制实验。
H p2' p1'
g 由上式可知：只要直接读出真空表和压力表上的数值，就 可以计算出泵的扬程。
2) 轴功率N的测定与计算
N=0.7W
式中，N—泵的轴功率，单位为W；W为电机功率,可由功 率表读出。
3) 效率η的计算 泵的效率η是泵的有效功率Ne与轴功率N的比值。 有效 功率Ne是单位时间内流体自泵得到的功， 轴功率N是单位时 间内泵从电机得到的功， 两者差异反映了水力损失、 容积
1.2 实训原理
1. 流体流动阻力特性的测定与计算
流体在管内流动时，由于黏性剪应力和涡流的存在，
不可避免地要消耗一定的机械能， 这种机械能的消耗包括
流体流经直管的沿程阻力和因流体运动方向改变所引起的局
部阻力。
1) 沿程阻力
流体在水平均匀管道中稳定流动时， 阻力损失hf表现为
压力降低, 即
hf
p1 p2
Re du
(1－5)
式中：d为实验管直径，单位为m；u为水在管中的流速， 单位为m/s; μ为水的动力黏度, 单位为Pa·s或N·s/m2。
1.3 流体输送实训装置介绍
1. 装置介绍 实验装置分为流体输送对象、 控制柜、 上位机、 数据 监控采集软件、 数据处理软件几部分。 流体输送对象包括离心泵、 原料罐、 真空机组、 电动 调节阀、 空压机、 涡轮流量计、 玻璃转子流量计、 压力传 感器、 霍尔开关、 螺杆泵、 旋涡泵、 离心泵、 压力表、 差压变送器、 现场仪表。
用体积法测量流体的流量Vs，可由下式计算：
Vs
V 103
t
(1－2) (1－3)
V h A
(1－4)
改变一个流量在压差计上有一对应的读数， 将压差计 读数 R和流量Vs绘制成一条曲线即流量标定曲线。 同时用式 (1－1b)或式(1－2)整理数据可进一步得到流量系数C——雷 诺数Re的关系曲线。
H
p2 p1
g
Z2
u22 u12 Z1 2g
式中： p1、 p2分别为泵进、出口的压强, 单位为N/m2; ρ为流 体密度, 单位为kg/m3; Z1、 Z2分别为进、 出口的高度, 单位 为m; u1、 u2分别为泵进、出口的流速, 单位为m/s; g为重 力加速度, 单位为m/s2。
当泵进、 出口管径相同， 且压力表和真空表安装在同 一高度时， 上式简化为
损失和机械损失的大小。
泵的有效功率Ne可用下式计算：
故
Ne=HVρg
Ne HVg
NN
4) 转速改变时的换算
泵的特性曲线是在指定转速下的数据， 就是说在某一
特性曲线上的一切实验点， 其转转矩改变时， 其转速会有变化， 这样随着流
量的变化， 多个实验点的转速将有所差异， 因此在绘制特
1.1 实训目的 1.2 实训原理 1.3 流体输送实训装置介绍 1.4 实训要求 1.5 实训内容
1.1 实训目的
(1) 了解流体输送各部件的作用、 流体输送的结构和特 点、 流体输送的工作流程。
(2) 了解流体输送中离心泵输送、 螺杆泵输送、 旋涡泵 输送、 真空输送及压力输送等输送方式的特点及优缺点。
压口之间的压差，单位为Pa；ρ
kg/m3；
ρA为U形管压差计内指示液的密度，单位为kg/m3； R为U形 管压差计读数，单位为m。
式(1－1a)也可以写成如下形式：
C A0
Vs
2gR( A
)
(1－1b)
若采用倒置U形管测量压差, 则
P上－P下＝gR
则流量系数C与流量的关系为
C Vs A0 2gR
性曲线之前， 须将实测数据换算为平均转速下的数据。 换
算关系如下： 流量:
V V n n
H H (n) 2 n
轴功率 效率
N N(n)3 n
V H g VHg
N
N
3. 流量计校核原理 流体通过节流式流量计时在流量计上、 下游两取压口 之间产生压强差， 它与流量有如下关系：
Vs CA0
2. 离心泵特性曲线的测定 离心泵的特性曲线是选择和使用离心泵的重要依据之一， 其特性曲线是在恒定转速下泵的扬程H、 轴功率N及效率η 与泵的流量V之间的关系曲线， 它是流体在泵内流动规律的 宏观表现形式。 由于泵内部流动情况复杂， 不能用数学方 法计算这一特性曲线， 只能依靠实验测定。
1) 扬程H的测定与计算 在泵进、 出口取截面并列出伯努利方程：
p
式中, ρ为流体密度。
影响阻力损失的因素很多，尤其对湍流流体，目前尚不 能完全用理论方法求解，必须通过实验研究其规律。为了减 少实验工作量，使实验结果具有普遍意义，必须采用因次分 析方法将各变量综合成准数关联式。根据因次分析，影响阻 力损失的因素有，
(1)流体性质：密度ρ，粘度μ； (2)管路的几何尺寸：管径d，管长l，管壁粗糙度ε； (3)流动条件：流速μ。
(14) 能完成离心泵特性曲线测定实验。 (15) 能完成流体流动阻力曲线测定实验。 (16) 能完成孔板流量计校核实验。 (17) 能完成真空泵输送实验。 (18) 能完成压力输送实验。 (19) 能正确填写生产(实验)记录， 及时分析各种数据。 (20) 掌握正常停车的操作方法。 (21) 掌握工业现场生产安全知识。
2 P上－P下
采用正U形管压差计测量压差时，流量Vs与压差计读书 R之间关系有：
Vs CA0 2gR A
式中： Vs为被测流体(水)的体积流量，单位为m3/s；C为流
量系数(或称孔流系数)， 无因次；A0为流量计最小开孔截面
积， 单位为m2，A=(π/4)d20；P上-P下为流量计上、 下游两取
(3) 掌握流体输送的基本操作、 调节方法， 了解影响流 体输送的主要影响因素。
(4) 掌握流体输送中的常见异常现象及其处理方法。 (5) 掌握流体输送的操作。
(6) 掌握正确使用、 维护设备、 仪器仪表的方法。 (7) 做好开车前的准备工作。 (8) 学会正常开车， 按要求操作调节到指定数值。 (9) 掌握设备运行情况的监控方法， 随时发现、 正确判 断、 及时处理各种异常现象， 出现特殊情况时能进行紧急 停车操作。 (10) 掌握现代信息技术管理能力， 能应用计算机对现 场数据进行采集、 监控。 (11) 能完成离心泵流量控制实验。 (12) 能完成高位液位罐液位控制实验。 (13) 能完成漩涡泵流量控制实验。
H p2' p1'
g 由上式可知：只要直接读出真空表和压力表上的数值，就 可以计算出泵的扬程。
2) 轴功率N的测定与计算
N=0.7W
式中，N—泵的轴功率，单位为W；W为电机功率,可由功 率表读出。
3) 效率η的计算 泵的效率η是泵的有效功率Ne与轴功率N的比值。 有效 功率Ne是单位时间内流体自泵得到的功， 轴功率N是单位时 间内泵从电机得到的功， 两者差异反映了水力损失、 容积
1.2 实训原理
1. 流体流动阻力特性的测定与计算
流体在管内流动时，由于黏性剪应力和涡流的存在，
不可避免地要消耗一定的机械能， 这种机械能的消耗包括
流体流经直管的沿程阻力和因流体运动方向改变所引起的局
部阻力。
1) 沿程阻力
流体在水平均匀管道中稳定流动时， 阻力损失hf表现为
压力降低, 即
hf
p1 p2
Re du
(1－5)
式中：d为实验管直径，单位为m；u为水在管中的流速， 单位为m/s; μ为水的动力黏度, 单位为Pa·s或N·s/m2。
1.3 流体输送实训装置介绍
1. 装置介绍 实验装置分为流体输送对象、 控制柜、 上位机、 数据 监控采集软件、 数据处理软件几部分。 流体输送对象包括离心泵、 原料罐、 真空机组、 电动 调节阀、 空压机、 涡轮流量计、 玻璃转子流量计、 压力传 感器、 霍尔开关、 螺杆泵、 旋涡泵、 离心泵、 压力表、 差压变送器、 现场仪表。
用体积法测量流体的流量Vs，可由下式计算：
Vs
V 103
t
(1－2) (1－3)
V h A
(1－4)
改变一个流量在压差计上有一对应的读数， 将压差计 读数 R和流量Vs绘制成一条曲线即流量标定曲线。 同时用式 (1－1b)或式(1－2)整理数据可进一步得到流量系数C——雷 诺数Re的关系曲线。
H
p2 p1
g
Z2
u22 u12 Z1 2g
式中： p1、 p2分别为泵进、出口的压强, 单位为N/m2; ρ为流 体密度, 单位为kg/m3; Z1、 Z2分别为进、 出口的高度, 单位 为m; u1、 u2分别为泵进、出口的流速, 单位为m/s; g为重 力加速度, 单位为m/s2。
当泵进、 出口管径相同， 且压力表和真空表安装在同 一高度时， 上式简化为
损失和机械损失的大小。
泵的有效功率Ne可用下式计算：
故
Ne=HVρg
Ne HVg
NN
4) 转速改变时的换算
泵的特性曲线是在指定转速下的数据， 就是说在某一
特性曲线上的一切实验点， 其转转矩改变时， 其转速会有变化， 这样随着流
量的变化， 多个实验点的转速将有所差异， 因此在绘制特