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第一章绪论本章提要1.过程控制系统的基本概念2.过程控制的发展概况3.过程控制系统的组成4.过程控制的特点及分类5.衡量过程控制系统的质量指标授课内容第一节过程控制的发展概况1.基本概念过程控制系统-----指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及PH值(氢离子浓度)等这样一些过程变量时的系统。
(P3) 过程控制-----指工业部门生产过程的自动化。
(P3)2.过程控制的重要性z进入90年代以来自动化技术发展很快，是重要的高科技技术。
过程控制是自动化技术的重要组成部分。
在现代工业生产过程自动化电过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。
3.过程控制的发展概况z19世纪40年代前后(手工阶段)：手工操作状态，凭经验人工控制生产过程，劳动生产率很低。
z19世纪50年代前后(仪表化与局部自动化阶段)：过程控制发展的第一个阶段，一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。
主要特点：检测和控制仪表-----采用基地式仪表和部分单元组合仪表(多数是气动仪表)；过程控制系统结构------单输入、单输出系统；被控参数------温度、压力、流量和液位参数；控制目的------保持这些参数的稳定，消除或者减少对生产过程的主要扰动；理论-----频率法和根轨迹法的经典控制理论，解决单输入单输出的定值控制系统的分析和综合问题。
z19世纪60年代(综合自动化阶段)：过程控制发展的第二个阶段，工厂企业实现车间或大型装置的集中控制。
主要特点：检测和控制仪表-----采用单元组合仪表(气动、电动)和组装仪表，计算机控制系统的应用，实现直接数字控制(DDC)和设定值控制(SPC)；过程控制系统结构------多变量系统，各种复杂控制系统，如串级、比值、均匀控制、前馈、选择性控制系统；控制目的------提高控制质量或实现特殊要求；理论-----除经典控制理论，现代控制理论开始应用。
过程控制 课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解过程控制的基本概念，掌握其原理和分类。
2. 使学生掌握过程控制系统中常用的数学模型及其应用。
3. 引导学生了解过程控制系统的设计方法和步骤。
技能目标：1. 培养学生运用数学模型分析和解决过程控制问题的能力。
2. 培养学生设计简单过程控制系统的能力，能根据实际需求选择合适的控制策略。
3. 提高学生运用现代工具（如计算机软件）进行过程控制系统仿真的技能。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对过程控制学科的兴趣和热情，激发他们探索未知、勇于创新的科学精神。
2. 培养学生具备良好的团队合作意识，学会与他人共同分析问题、解决问题。
3. 引导学生认识到过程控制在工业生产、环境保护等领域的重要作用，增强他们的社会责任感和使命感。
分析课程性质、学生特点和教学要求，本课程目标旨在让学生掌握过程控制的基本知识和技能，培养他们解决实际问题的能力。
通过课程学习，学生将能够：1. 理论联系实际，运用所学知识分析、解决过程控制问题。
2. 掌握过程控制系统的设计方法和步骤，具备一定的控制系统设计能力。
3. 提高自身的科学素养，培养良好的团队合作精神和创新意识。
4. 关注过程控制在社会生产中的应用，为我国工业发展和环境保护做出贡献。
二、教学内容1. 过程控制基本概念：包括过程控制定义、分类、发展历程及其在工业中的应用。
教材章节：第一章 绪论2. 过程控制系统数学模型：介绍控制系统的传递函数、状态空间表达式、方块图及其相互转换。
教材章节：第二章 数学模型3. 过程控制策略：讲解比例、积分、微分控制规律，以及串级、比值、前馈等复合控制策略。
教材章节：第三章 控制策略4. 过程控制系统设计方法：阐述控制系统的设计原则、步骤和方法，包括稳定性分析、性能指标和控制器设计。
教材章节：第四章 系统设计与分析5. 过程控制系统仿真：介绍过程控制系统仿真软件及其应用，通过实例演示仿真过程。
教材章节：第五章 系统仿真与实现6. 过程控制案例分析：分析典型过程控制系统的实际问题，探讨解决方案。
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。
过程控制课程设计选题一、课程目标知识目标：1. 理解过程控制的基本概念，掌握其重要性和应用领域；2. 学会分析实际过程中存在的问题，并能运用所学知识提出解决方案；3. 掌握过程控制系统的数学模型及其建立方法，了解不同类型的过程控制策略；4. 了解过程控制设备的工作原理和选型方法，具备初步的设备配置和调试能力。
技能目标：1. 能够运用所学理论知识，对实际过程控制系统进行建模和分析；2. 学会使用过程控制软件进行系统仿真，验证控制策略的有效性；3. 培养解决实际过程控制问题的能力，提高创新意识和团队协作能力；4. 掌握过程控制相关设备的操作方法，具备一定的实践操作能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对过程控制学科的兴趣，激发学习热情和主动性；2. 引导学生关注过程控制在国家经济发展和工业生产中的应用，增强社会责任感和使命感；3. 培养学生的团队合作意识，学会尊重他人，善于沟通交流；4. 培养学生严谨的科学态度和良好的工程素养，注重实践与创新相结合。
课程性质：本课程为选修课，以理论教学和实践操作相结合的方式进行，旨在培养学生的过程控制理论知识和实际应用能力。
学生特点：学生已具备一定的数学、物理和自动化基础知识，具有较强的学习能力和动手实践能力。
教学要求：注重理论与实践相结合，强调知识的应用性和实践性，提高学生的分析问题、解决问题的能力。
通过小组合作、课堂讨论等方式，培养学生的沟通能力和团队协作精神。
同时，注重培养学生的创新意识和工程素养，为未来从事过程控制相关工作打下坚实基础。
二、教学内容1. 过程控制基本概念：包括过程控制定义、分类、发展历程及其在工业生产中的应用；2. 过程控制系统数学模型：介绍过程控制系统的传递函数、状态空间表达式及其建模方法；3. 过程控制策略：讲解PID控制、模糊控制、自适应控制等常用控制策略的原理及优缺点；4. 过程控制设备：介绍传感器、执行器、控制器等过程控制设备的原理、选型及应用；5. 过程控制系统仿真：学习使用MATLAB/Simulink等软件进行过程控制系统建模与仿真；6. 实际案例分析：分析典型过程控制系统的实际问题，提出解决方案并验证；7. 实践操作：分组进行过程控制实验，培养学生的动手能力和实际操作技能。
第一 章 过 程控制基 本概念教学要求：了解过程控制的发展概况及特点；掌握过程控制系统各 部分作用，系统的组成；图绘制方法，认识常见图形符号、文字代号；管道及仪表流程图；掌握静态、动态及过 ,学会计算品质指标。
点：自动控制系统的 组成及各部分的功能； 负反馈概念；控制系统的基本控制要求及质量指标。
难 点：常用术语物理意义（操纵变量与扰动量区别）；根据控制系统要求绘制方框图； 静态，过渡过程概念。
自动控制技术在工业 、农业、国防和科学技术现代化中起着十 分重要的作用，自动控制水平的高低也是衡量一个国家科学技术先进与否的重要标志之一。
随着国民经济和国防 建设的发展，自动控制技术的应用日益广泛，其重要作用也越来越显著。
生产过程自动控制（简称过程控制）---- 自 动 控制技术在石油、化工、电力、冶金、机械、轻工、纺织等生产过程的具体应用，是自动化技术的重要组成部分。
§ 1.1 过程控 制 的 发展 概 况 及特 点一、过 程控制的发展概况在过程控制发展的历 程中，生产过程的需求、控制理论的开拓和控制技术工具和手段 的进展三者相互影响 、相互促进，推动了过程控制不断的向前 发展。
纵观过程控制的发展历史，大致经历了以下几个阶段：20 世纪 40 年代：手工操作状态，只有 少量的检测仪表用于生产过程，操作人员 主要根据观测 到的反映生产过程的 关键参数，用人工来改变操作条件，凭经验去控制生产过程。
20世纪40年代末〜50年代：过程控制系统：多为单输入、单输出简单控制系统过程检测：采用的是 基地式仪表和部分单元组合仪表（气动I 型和电动I 型）；部分生产过程实现了仪表化和局部自动化控制理论：以反馈为中心的经典控制理论掌握控制系统的基本 控制要求（稳定、快速、准确 ）； 掌握渡过程概念； 掌握品质指标的定义20 世纪 60 年代：过程控制系统：串级、比值、均匀、前馈和选择性等多种复杂控制系统。
自动化仪表：单元组 合仪表（气动n 型和电动n 型）成为主流 产品60 年代后期，出现了 专门用于过程控制的小型计算机 ，直接数字控制系统和监督计算机控制系统开始应用于过程控制领域。
第一章过程控制基本概念教学要求：了解过程控制的发展概况及特点；掌握过程控制系统各部分作用，系统的组成；掌握管道及仪表流程图绘制方法，认识常见图形符号、文字代号；学会绘制简单系统的管道及仪表流程图；掌握控制系统的基本控制要求（稳定、快速、准确）；掌握静态、动态及过渡过程概念；掌握品质指标的定义，学会计算品质指标。
重点：自动控制系统的组成及各部分的功能；负反馈概念；控制系统的基本控制要求及质量指标。
难点：常用术语物理意义（操纵变量与扰动量区别）；根据控制系统要求绘制方框图；静态，过渡过程概念。
自动控制技术在工业、农业、国防和科学技术现代化中起着十分重要的作用，自动控制水平的高低也是衡量一个国家科学技术先进与否的重要标志之一。
随着国民经济和国防建设的发展，自动控制技术的应用日益广泛，其重要作用也越来越显著。
生产过程自动控制（简称过程控制）-------自动控制技术在石油、化工、电力、冶金、机械、轻工、纺织等生产过程的具体应用，是自动化技术的重要组成部分。
§1.1 过程控制的发展概况及特点一、过程控制的发展概况在过程控制发展的历程中，生产过程的需求、控制理论的开拓和控制技术工具和手段的进展三者相互影响、相互促进，推动了过程控制不断的向前发展。
纵观过程控制的发展历史，大致经历了以下几个阶段：20世纪40年代：手工操作状态，只有少量的检测仪表用于生产过程，操作人员主要根据观测到的反映生产过程的关键参数，用人工来改变操作条件，凭经验去控制生产过程。
20世纪40年代末～50年代：过程控制系统：多为单输入、单输出简单控制系统过程检测：采用的是基地式仪表和部分单元组合仪表（气动Ⅰ型和电动Ⅰ型）；部分生产过程实现了仪表化和局部自动化控制理论：以反馈为中心的经典控制理论20世纪60年代：过程控制系统：串级、比值、均匀、前馈和选择性等多种复杂控制系统。
自动化仪表：单元组合仪表（气动Ⅱ型和电动Ⅱ型）成为主流产品60年代后期，出现了专门用于过程控制的小型计算机，直接数字控制系统和监督计算机控制系统开始应用于过程控制领域。
控制理论：出现了以状态空间方法为基础，以极小值原理和动态规划等最优控制理论为基本特征的现代控制理论,传统的单输入单输出系统发展到多输入多输出系统领域，、型、型20世纪70～80年代：微电子技术的发展，大规模集成电路制造成功且集成度越来越高（80年代初一片硅片可集成十几万个晶体管，于是32位微处理器问世），微型计算机的出现及应用都促使控制系统发展。
过程控制系统：最优控制、非线性分布式参数控制、解耦控制、模糊控制自动化仪表：气动Ⅲ型和电动Ⅲ型，以微处理器为主要构成单元的智能控制装置。
集散控制系统（DCS）、可编程逻辑控制器(PLC) 、工业PC机、和数字控制器等，已成为控制装置的主流。
集散控制系统实现了控制分散、危险分散，操作监测和管理集中。
控制理论：形成了大系统理论和智能控制理论。
模糊控制、专家系统控制、模式识别技术20世纪90年代至今：信息技术飞速发展过程控制系统：管控一体化现场，综合自动化是当今生产过程控制的发展方向。
自动化仪表：总线控制系统的出现，引起过程控制系统体系结构和功能结构上的重大变革。
现场仪表的数字化和智能化，形成了真正意义上的全数字过程控制系统。
各种智能仪表、变送器、无纸纪录仪人工智能、神经网络控制二、自动化技术的应用范畴1.宇航方面：（现代控制理论）同步卫星与地面接收站直接对应，偏差影响收看效果（随动控制系统）卫星的发射与回收（神州3号卫星，哥伦比亚号航天飞机）自动关机、点火系统2.军事方面：火炮自动点火、巡航导弹3.其他方面：农业（病虫害防治、专家系统）社会科学（计划生育，人口增长模型）4.现代管理：办公自动化（以计算机技术和现代通信技术为主体的综合处理与办公活动相关的语言、数据、图像、文字等人及信息系统。
5.工业生产：自动车床、加热炉、发酵罐三、过程控制系统的特点过程控制系统与其他自动控制系统相比，有如下几个特点：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，在密闭的设备中被控变量不断的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。
被控对象较复杂：动态特性多为大惯性，大滞后形式，且具有非线性、分布参数和时变特性。
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。
包括：常规PID控制、改进PID控制、串级控制、前馈-反馈控制、解耦控制；为满足特定要求而开发的比值控制、均匀控制、选择性控制、推断控制；新型控制系统，如模糊控制、预测控制、最优控制等。
四、过程控制的主要内容1.自动检测系统———利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录如：加热炉温度、压力检测2.自动信号和联锁保护系统自动信号系统：当工艺参数超出要求范围，自动发出声光信号联锁保护系统：达到危险状态，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车如：反应器温度、压力进入危险限时，加大冷却剂量或关闭进料阀3.自动操纵及自动开停车系统自动操纵系统：根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作如：合成氨造气车间煤气发生炉，按吹风、上吹、下吹、吹净等步骤周期性地接通空气和水蒸汽自动开停车系统：按预先规定好的步骤将生产过程自动的投入运行或自动停车4.自动控制系统：利用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动控制，使他们在受到外界扰动的影响而偏离正常状态时，能自动的回到规定范围。
（本书介绍的重点内容）§1.2 过程控制系统的组成利用自动控制装置构成的过程控制系统，可以在没有人直接参与的条件下，使这些工艺参数能自动按照预定的规律变化。
一、过程控制系统实例1.锅炉汽包水位控制。
在锅炉正常运行中，汽包水位是一个重要的参数，它的高低直接影响着蒸汽的品质及锅炉的安全。
水位过低，当负荷很大时，汽化速度很快，汽包内的液体将全部汽化，导致锅炉烧干甚至会引起爆炸；水位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液现象，降低了蒸汽的质量和产量，严重时会损坏后续设备。
（a）图1.1 锅炉汽包水位控制示意图眼检测元件（变送器）要想实现对汽包水位的控制，首先应随时掌握水位的变化情况脑控制器控制器将接收到的测量信号与预先规定的水位高度进行比较。
如果两个信号不相等，表明实际水位与规定水位有偏差，此时控制器将根据偏差的大小向执行器输出一个控制信号，手执行器执行器即可根据控制信号来改变阀门的开度，从而使进入锅炉的水量发生变化，达到控制锅炉汽包水位的目的。
2.发酵罐温度控制（参见教材P 4）发酵罐是间歇发酵过程中的重要设备，广泛应用于微生物制药、食品等行业。
发酵罐的温度是影响发酵过程的一个重要参数。
因为微生物菌体本身对温度非常敏感，只有在适宜的温度下才能正常生长代谢，而且涉及菌体生长和产物合成的酶也必须在一定的温度下才能具有高的活性。
温度还会影响发酵产物的组成。
因此，按一定的规律控制发酵罐的温度就显得非常重要。
(a) (b)图1.2 发酵罐温度控制系统示意图影响发酵过程温度的主要因素有微生物发酵热、电机搅拌热、冷却水的流量及本身的温度变化以及周围环境温度的改变等。
一般采用通冷却水带走反应热的方式使罐内温度保持工艺要求的数值。
对于小型发酵罐，通常采用夹套式冷却形式。
如图1.2（a）所示。
实现对发酵罐温度的控制，可使用温度检测仪表（如热电偶、热电阻等）测量罐中的实际温度，将测得的数值送入控制器,然后与工艺要求保持的温度数值进行比较。
如果两个信号不相等，则由控制器的输出控制冷却水阀门的开度，改变冷却水的流量，从而达到控制发酵罐温度的目的。
二、过程控制系统的组成一个过程控制系统一般由两部分组成。
需要控制的工艺设备或机器(被控过程) + 自动控制装置（反应器、精馏塔、换热器、压力罐（控制器、执行器、测量元件及变送器）储槽、加热炉、压缩机、泵、冷却塔）几个常用术语：被控过程（对象）工艺参数需要控制的生产过程设备或机器等。
如锅炉汽包，发酵罐。
被控变量被控对象中要求保持设定值的工艺参数。
如汽包水位、发酵温度。
操纵变量受控制器操纵，用以克服扰动的影响使被控变量保持设定值的物料量或能量。
如锅炉给水量和发酵罐冷却水量。
扰动量除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。
如蒸汽负荷的变化、冷却水温度的变化等。
设定值被控变量的预定值。
偏差(e) 被控变量的设定值与实际值之差。
在实际控制系统中，能够直接获取的信息是被控变量的测量值而不是实际值，因此，通常把设定值与测量值之差作为偏差。
§1.3 过程控制系统的两种表示形式一、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。
1.方框图组成方框----每一个方框表示系统中的一个组成部分（也称为环节），方框内添入表示其自身特性的数学表达式或文字说明；信号线---信号线是带有箭头的直线段，用来表示环节间的相互关系和信号的流向；作用于方框上的信号为该环节的输入信号，由方框送出的信号称为该环节的输出信号。
比较点----比较点表示对两个或两个以上信号进行加减运算，“+”号表示相加，“-”号表示相减；引出点----表示信号引出，从同一位置引出的信号在数值和性质方面完全相同。
带有输入输出信号的方框比较点分支点图1.3方框的组成单元示意图系统中的每一个环节用一个方框来表示，四个方框分别表示：被控对象（锅炉汽包）、测量变送装置、控制器和执行器。
每个方框都分别标出各自的输入、输出变量。
如被控对象环节，给水流量变化会引起汽包水位的变化，因此给水流量（操纵变量）作为输入信号作用于被控对象，而汽包水位（被控变量）则作为被控对象的输出信号；引起被控变量（汽包水位）偏离设定值的因素还包括蒸汽负荷的变化和给水管压力的变化等扰动量，它们也作为输入信号作用于被控对象。
图1.4 锅炉汽包水位控制系统方框图2. 负反馈概念：反馈——通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统的输入端，这种把系统的输出信号直接或经过一些环节引回到输入端的做法叫做反馈。
分为和反馈-----负反馈（引回到输入端的信号是减弱输入端作用的称为负反馈）用“-” 号表示正反馈（引回到输入端的信号是增强输入端作用的称为正反馈）用“+”号表示。
在绘制方框图时应注意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。
方框图中信号线上的箭头除表示信号流向外，还包含另一种方向性的含义，即所谓单向性。
对于每一个方框或系统，输入对输出的因果关系是单方向的，只有输入改变了才会引起输出的改变，输出的改变不会返回去影响输入。
