过控第五章
自动控制原理第五章前半部分
ωn
1− ζ 2
e −ζωnt sin(ωn 1 − ζ 2 t )
Standard performance measures
Standard performance measures
Swiftness(快):Rise time , peak time closeness(准): percent overshoot, settling time Steady(稳): steady state error
For a system
1 1 RS ( s ) = YS ( s ) = ⋅ G ( s ) s s 1 RR ( s ) = 2 s 1 1 1 1 YR ( s ) = 2 ⋅ G ( s ) = ⋅ ⋅ G ( s ) = ⋅ YS ( s ) s s s s
It means that a system’s time response for a Ramp input is the integral of its time response for a step input.
So ωn is called natural frequency.
s + 2ζω n s + ω = ( s + s1 )( s + s2 )
2 2 n
s1, 2 = −ζω n ± ωn ζ − 1
2
if ζ > 1, s1, 2 are real;
And the condition is called over damping(过阻尼).
And the condition is called under damping(欠阻尼).
s1, 2 = −ζω n ± ωn ζ − 1
孙洪程版过程控制课后答案
第一章思考题及习题1.1何谓控制通道?何谓干扰通道?它们的特性对控制系统质量有什么影响?答：所谓“通道”，就是某个参数影响另外一个参数的通路，这里所说的控制通道就是控制作用(一般的理解应当是控制器输出)U(s)对被控参数Y(s)的影响通路(一般的理解是控制作用通过执行器影响控制变量，然后控制变量通过被控对象再影响被控参数，即广义对象上的控制通道)。
同理，干扰通道就是干扰作用F(s)对被控参数Y(s)的影响通路。
干扰通道的特性对控制系统质量影响如下表所示。
控制通道的特性对控制系统质量影响如下表所示1.2如何选择控制变量?答：① 所选控制变量必须是可控的。
② 所选控制变量应是通道放大倍数比较大者，最好大于扰动通道的放大倍数。
③ 所选控制变量应使扰动通道时间常数越大越好，而控制通道时间常数应适当小一些为好，但不易过小。
④ 所选控制变量其通道纯滞后时间应越小越好。
⑤ 所选控制变量应尽量使干扰点远离被控变量而靠近控制阀。
⑥ 在选择控制变量时还需考虑到工艺的合理性。
一般来说，生产负荷直接关系到产品的产量，不宜经常变动，在不是十分必要的情况下，不宜选择生产负荷作为控制变量1.3控制器的比例度δ变化对控制系统的控制精度有何影响?对控制系统的动态质量有何影响?答：当G c(s)=K c时，即控制器为纯比例控制，则系统的余差与比例放大倍数成反比，也就是与比例度δ成正比，即比例度越大，余差也就越大。
K c增大、δ减小，控制精度提高(余差减小)，但是系统的稳定性下降。
1.4 4：1衰减曲线法整定控制器参数的要点是什么?答：衰减曲线法是在系统闭环情况下，将控制器积分时间T i放在最大，微分时间T d放在最小，比例度放于适当数值(一般为100%)，然后使δ由大往小逐渐改变，并在每改变一次δ值时，通过改变给定值给系统施加一个阶跃干扰，同时观察过渡过程变化情况。
如果衰减比大于4：1，δ应继续减小，当衰减比小于4：1时δ应增大，直至过渡过程呈现4：1衰减时为止。
过控原理课程设计
过控原理课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解并掌握过控原理的基本概念，包括开环控制与闭环控制的特点及应用；2. 学会分析控制系统的性能，了解稳定性、快速性及准确性等评价指标；3. 掌握典型控制系统的数学模型及其建立方法。
技能目标：1. 能够运用所学的过控原理知识，进行控制系统的设计与仿真；2. 培养学生运用数学工具解决实际控制问题的能力；3. 提高学生团队协作和沟通交流的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对自动化控制技术的兴趣，激发学习热情；2. 引导学生认识到控制技术在国民经济发展中的重要性，增强社会责任感；3. 培养学生严谨、务实的科学态度，提高创新意识和实践能力。
课程性质分析：本课程为自动化及相关专业高年级学生设置，旨在使学生掌握过控原理的基础知识，提高解决实际控制问题的能力。
学生特点分析：高年级学生对专业知识有一定的基础，具有较强的学习能力和自主性，对实际应用有较高的兴趣。
教学要求：1. 结合实际案例，注重理论与实践相结合；2. 创设情境，引导学生主动参与，培养学生的创新精神和实践能力；3. 注重过程评价，关注学生的个体差异，提高教学质量。
二、教学内容1. 引言：介绍过控原理的概念、发展及应用领域，激发学生兴趣，为后续学习打下基础。
教材章节：第一章 绪论内容列举：控制系统的基本概念、发展历程、应用领域。
2. 控制系统的数学模型：讲解控制系统的数学描述方法，使学生掌握建模方法。
教材章节：第二章 控制系统的数学模型内容列举：微分方程、传递函数、状态空间模型。
3. 控制系统的性能分析：学习控制系统的稳定性、快速性及准确性等性能评价指标。
教材章节：第三章 控制系统的性能分析内容列举：稳定性分析、快速性分析、准确性分析。
4. 开环控制与闭环控制：对比分析开环控制与闭环控制的优缺点，了解其在实际应用中的选择。
教材章节：第四章 开环控制与闭环控制内容列举：开环控制原理、闭环控制原理、开环与闭环控制的区别与联系。
过控
《过程控制》课程设计题目: 燃料炉装置温度控制系统班级：测控三班学号：姓名：同组人员：任课教师：完成时间：2011/12/3目录一、设计任务及要求 (2)二、被控对数学模型建模及对象特性分析1.1对象数学模型的计算及仿真验证 (2)1.2对象特性分析 (5)三、控制系统设计3.1 控制系统的基本方案 (6)3.1.1 PID单回路3.1.2串级控制3.2 控制仪表选择 (7)3.3 参数整定计算 (8)3.3.1副回路3.3.2主回路3.4 控制系统MATLAB仿真 (9)四、结果分析 (10)一、设计任务及要求对一个燃油炉装置进行如下实验，在温度控制稳定到200℃时，在开环状态下将执行器的输入燃油流量增加大约%15，即在开环状态下将执行器的输入燃油流量增加h /T 2.0q =∆I ，持续min 3=∆t 后结束，记录炉内温度变化数据如下表，试根据实验数据设计一个超调量%25≤具体设计要求如下:（1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的模型；（2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（给出带控制点的控制流程图，控制系统原理图等，选择控制规律）；（3） 根据设计方案选择相应的控制仪表（DDZ -Ⅲ），绘制原理接线图； （4） 对设计系统进行仿真设计，首先按对象特性法求出整定参数，然后按4:1衰减曲线法整定运行参数。
（5） ★用MCGS 进行组态设计。
二、被控对数学模型建模及对象特性分析2.1对象数学模型的计算及仿真验证根据矩形脉冲响应数据θ∆，得到阶跃响应数据θ，并进行相应的归一化处y()=203.7+0.2=203.9；根据上表可得64=+y℃64=∞使用Matlab编辑.m文件，通过给定的矩形脉冲响应求对象的阶跃响应，并用插值方法画出脉冲和阶跃响应曲线及归一化曲线。
Matlab程序如下：clear;t=0:1:18; yi=[0 9 26.4 36 33.5 27.2 21 15.7 10.4 7.75 5.1 3.95 2.8 1.95 1.1...0.8 0.5 0.35 0.2]; y(1)=0;y_1=0;for k=1:19y(k)=yi(k)+y_1;y_1=y(k);endxs=(0:0.05:18);ys=interp1(t,y,xs,'spline');plot(xs*5,ys)hold onplot(t*5,yi)hold onyim=interp1(t,yi,xs,'spline');plot(xs*5,yim)gridfigureplot(xs*5,ys/203.9)grid得到的脉冲响应曲线和阶跃响应曲线如下：0102030405060708090将阶跃函数曲线归一化，利用两点法确定传含参数，取途中两点y*(t1)=0.4，y*(t2)=0.80102030405060708090-0.20.20.40.60.81y*(t1)=0.4对应的响应时间为t 1= 16.5 min y*(t2)=0.8对应的响应时间为t 2=33 min 由于 5.021 t t所以对象三阶31)1()(+=s s Gp T Kp增益Kp为：%)/(796.6)(c u y K p 。
过程控制系统及其应用
习题
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第三章 过程通道信号处理及调节仪表
第一节 温度变送器 一、概述 二、放大单元工作原理 三、热电偶温度变送器量程单元 四、变送器的信号调试方法 五、DBW型温度变送器的型号表示 六、DCW型温度变送器
第二节 DDZ-Ⅲ型全刻度指示调节器 一、概述 二、基型调节器的工作原理 三、可编程序数字调节器
器驱动调节阀，改变输入对象的操纵量q，使 被控量受到控制。
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第三节 过程控制的分类
一、各种分类方法
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）按控制系统回路分类：开环控制系统及闭环控制 系统，单回路控制和多回路控制。
3）按控制器的控制算法分类：比例控制系统，比例 积分控制系统，比例积分微分控制系统及位式控制 系统等。
过程控制系统及其应用
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目录
第一章 过程控制的基本概念
第一节 过程控制的发展概况 第二节 过程控制系统的组成
一、被控对象 二、 传感器和变送器 三、 控制器 四、 执行器 五、 控制阀
第三节 过程控制的分类 一、各种分类方法 二、设定值分类
第四节 生产对过控制的要求和指标 一、生产对过程控制的要求 二、过程控制系统的品质指标
第三节 变风量空调系统 一、变风量空调系统概述 二、变风量空调系统的自动控制
参考文献
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第一章 过程控制的基本概念
第一节 过程控制的发展概况 第二节 过程控制系统的组成 第三节 过程控制的分类 第四节 生产对过程控制的要求和指标
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第一节 过程控制的发展概况
自20世纪50年代以来，由于计算机技术的发 展，带来了自动化发展的惊人成就。自动化的发
自动控制原理第五章第二部分
当L(w=0时：
L(w
)
20
lg
K
w
0K
wv
I型系统
斜率为-20db/dec的低频段渐近线或其延长线与横轴的 交点的频率值与开环放大系数K相等。
II型系统
斜率为-40db/dec的低频段渐近线或其延长线与横轴的 交点的频率值的平方与开环放大系数K相等。
例1:已知某最小相位系统由频率响应实验获得的对数幅 频曲线如图所示，试确定其传递函数。
3.开环对数幅频特性：
L(w)
60
40dB / dec
40
转折频率 w1 1
w2 2
w3 20
环节 惯性 一阶微分
振荡
20
60dB / dec
0
0.1
12
10 20
100 w
20
40dB / dec
40
80dB / dec
传递函数的频域实验确定
1.频率响应实验
Asinwt
L(w )
20dB / dec
0dB / dec
20
20dB / dec
0
0.1
1
20
w
40dB / dec
解： (1)确定系统积分环节的个数
低频段的渐近线为-20dB/dec 1
(2)确定系统传递函数
K ( 1 s 1)
G(s)
0.1 s(s 1)( 1
s 1)
20
L(w )
一阶微分环节 二阶微分环节
一点+一斜率确定初始段渐近线
(4)从低频渐近线开始，沿w 增大的方向，每遇到一个
转折频率改变一次渐近线斜率，直到绘出转折频率最高 的环节为止；
过控自动化考前复习
过控⾃动化考前复习第⼀章1.闭环控制系统与开环控制系统有什么不同？闭环⾃动控制是指控制器与被控对象之间既有顺向控制⼜有反向联系的⾃动控制。
操纵变量通过被控对象去影响被控变量，⽽被控变量⼜通过⾃动控制装置去影响操纵变量。
从信号传递关系上看，构成了⼀个闭合回路。
开环控制系统是指控制器与被控对象之间只有顺向控制⽽没有反向联系的⾃动控制系统。
即操纵变量通过被控对象去影响被控变量，但被控变量并不通过⾃动控制装置去影响操纵变量。
从信号传递关系上看，未构成闭合回路。
2.⾃动控制系统怎样构成？各组成环节起什么作⽤？⾃动控制系统主要由两⼤部分组成。
⼀部分是起控制作⽤的全套⾃动化装置，它包括检测元件及变送器、控制器、执⾏器等；另⼀部分是受⾃动化装置控制的被控对象。
检测元件及变送器来感受被控变量的变化并将它转换成⼀种特定的信号。
控制器将检测元件及变送器送来的测量信号与⼯艺上需要保持的设定值信号进⾏⽐较得出偏差，根据偏差的⼤⼩及变化趋势，按预先设计好的控制规律进⾏运算后，将运算结果⽤特定的信号发送给执⾏器。
执⾏器根据控制器送来的信号值相应地改变流⼈(或流出)被控变量的物料量或能量，克服扰动的影响，最终实现控制要求。
3.试分别说明什么是被控对象、被控变量、给定值、操纵变量。
被控对象是对象的输出被控变量是⽣产过程中所要保持恒定的变量给定值是⼯艺上希望保持的被控变量数值操纵变量是具体实现控制作⽤的变量4.什么叫负反馈？它在⾃动控制系统中有什么意义？把系统(或环节)的输出信号直接或经过⼀些环节重新引回到输⼈端的做法叫做反馈。
反馈信号的作⽤⽅向与设定信号相反，即偏差信号为两者之差，这种反馈叫做负反馈。
当被控变量y受到⼲扰的影响⽽升⾼时，负反馈使负反馈信号z升⾼，经过⽐较到控制器的偏差信号e降低，此时控制器发出信号⽽使控制阀的开度发⽣变化，变化的⽅向为负，从⽽使被控变量下降回到给定值x，这样就达到了控制的⽬的。
5.什么是控制系统的静态与动态？为什么说研究动态⽐研究静态更为重要？在⾃动化领域内，把被控变量不随时间⽽变化的平衡状态称为控制系统的静态。
中南大学过控课程设计
中南大学《过程控制仪表》课程设计报告设计题目 HPF脱硫工艺流程设计指导老师王莉吴同茂设计者专业班级设计日期 2011年6月目录第一章过程控制仪表课程设计的目的与意义.........................................- 2 -1.1课程目的.................................................................................- 2 -1.2 课程设计的基本要求 ................................................................- 2 -1.3 课程设计的地位及作用.............................................................- 3 - 第二章课程设计实验.........................................................................- 4 -2.1控制系统装置(压力控制系统) .....................................................- 4 -2.2 控制系统的控制要求及PID参数整定方法...................................- 5 -2.3 控制系统的实验调试 ................................................................- 6 - 第三章HPF脱硫工艺流程系统设计 .................................................... - 13 -3.1 控制系统工艺流程 ..................................................................... - 13 - 3.2 设计内容及要求......................................................................... - 14 - 第四章系统设计构思 ........................................................................ - 15 -4.1 设计思想 ............................................................................ - 15 -4.2 总体设计流程图................................................................... - 15 -4.3 硬件设计概要...................................................................... - 16 -4.4 硬件选型............................................................................ - 16 - 第五章软件设计............................................................................. - 23 -5.1 软件设计流程图及其说明............................................................ - 23 - 第六章系统调试中遇到的问题及解决方法.......................................... - 27 -6.1 调试单闭环流量控制系统时遇到的问题.......................................... - 27 - 6.2 调试流量比值控制系统时遇到的问题 ............................................. - 28 - 第七章实验心得............................................................................... - 30 -第一章过程控制仪表课程设计的目的与意义1.1课程目的本课程设计是为《过程控制仪表》课程而开设的综合实践教学环节，是对《现代检测技术》、《自动控制理论》、《过程控制仪表》、《计算机控制技术》等前期课堂学习内容的综合应用。
过控控制方案
过控控制方案第1篇过控控制方案一、方案背景随着我国经济的快速发展，工业生产规模不断扩大，对生产过程的控制要求越来越高。
过程控制系统（Process Control System，简称PCS）在保障生产安全和提高生产效率方面发挥着重要作用。
本方案旨在针对现有过程控制系统存在的问题，提出一套合法合规的过控控制方案，以提高生产过程的自动化、智能化水平，确保生产过程的安全、稳定和高效。
二、方案目标1. 提高生产过程的自动化水平，降低人工干预程度，减少人为操作失误。
2. 提高生产过程的稳定性，降低生产过程中的波动，提高产品质量。
3. 提高生产效率，缩短生产周期，降低生产成本。
4. 确保生产过程符合国家相关法律法规和行业标准，保障生产安全。
三、方案内容1. 系统架构本方案采用分布式控制系统（Distributed Control System，简称DCS）作为过程控制系统的基础架构。
DCS具有高可靠性、高灵活性、易于扩展和维护等优点，能够满足复杂生产过程的需求。
2. 系统硬件（1）控制器：选用具有高性能、高可靠性的控制器，负责采集现场仪表数据，执行控制算法，输出控制信号。
（2）现场仪表：根据生产过程需求，选用合适的传感器、执行器等现场仪表，实现生产过程的实时监测和控制。
（3）通信网络：采用工业以太网技术，实现控制器与现场仪表、控制器与上级监控系统之间的数据通信。
3. 系统软件（1）控制策略：根据生产工艺要求，制定合理的控制策略，包括PID控制、前馈控制、模糊控制等。
（2）数据处理与分析：对采集到的数据进行处理和分析，为优化控制策略提供依据。
（3）监控与报警：实时监控生产过程，对异常情况进行报警，并采取相应措施。
4. 人机界面（1）操作界面：设计简洁、直观的操作界面，方便操作人员实时监控生产过程，进行手动控制和参数调整。
（2）报警界面：设计明确的报警界面，显示报警信息，便于操作人员及时处理。
（3）趋势分析：提供历史数据和实时数据趋势分析功能，帮助操作人员掌握生产过程变化。
过控专业-课程设计说明书
成绩：中国矿业大学课程设计说明书姓名：尤瑛学号： 06122718 学院：化工学院专业班级：过程装备与控制工程课程：过程装备与控制专题设计—机械部分指导教师：陈英华2016 年 1 月目录第一章绪论 (1)1.1设计任务 (1)1.2设计要求及成果 (1)1.3技术要求 (1)第二章设计参数确定 (2)2.1 设计温度 (2)2.2 设计压力 (2)2.3材料选择 (2)2.4腐蚀余量 (2)2.5焊缝系数 (3)2.6 许用应力 (3)第三章设计计算 (3)3.1储罐高度确定 (3)3.2人孔设计与人孔补强确定 (4)3.2.1 人孔的尺寸选择 (5)3.2.2 人孔开孔补强 (5)3.3壁厚计算 (7)第四章管口选择 (7)4.1进料管及管口 (7)4.2出料口 (8)4.3排污管 (8)4.4液面计接口管 (8)4.5放空管接口管 (8)4.6鞍座设计 (8)4.6.1 罐体质量的计算: (9)4.6.2 封头质量的计算： (9)4.6.3充液质量 (9)4.6.4附件质量： (9)4.6.5设备总质量 (10)4.6.6鞍座安放位置 (10)4.7阀门选型 (10)4.7.1 止回阀 (10)4.7.2 闸阀 (11)4.7.3截止阀 (12)第五章设计结果 (13)参考文献 (13)第一章绪论1.1设计任务结合管道仪表流程图及设备布置图设计——煤焦化脱硫工段卸碱槽。
表1-1 设计数据1.2设计要求及成果（1）根据工艺要求，确定基本设计参数；（2）根据控制仪表及工艺要求，完成设备管口的设计；（3）根据给定设计参数，完成设备结构设计，包括：确定容器材质；确定罐体、封头形状尺寸、壁厚；确定支座，人孔以及开孔补强情况；（4）完成相关管路上阀门型号的确定（5）完成设备施工图纸及设计说明书。
1.3技术要求（一）设备按GBl50-2010《钢制压力容器》进行制造、试验和验收；（二）焊接材料，对接焊接接头型式及尺寸可按GB985-88中规定(设计焊接接头系φ)数0.1=（三）焊接采用电弧焊，焊条型号为E4303 ；（三）壳体焊缝应进行无损探伤检查，探伤长度为100％。
过控课件
控制调节变量Q2，仅对流量信号之间比值关系起校正作用。而由副回路 对Ql、Q2进行比值控制
本章小结
基本计算式
传递函数
特征参数
单位阶跃响应曲线
在控制中的基本作用
特征参数变化对干扰作用的影响
特征参数变化对定值作用的影响
2013-7-13 第三章 比例积分微分控制及其调节规律 33
22
思考题
• 前馈控制系统与反馈控制系统的区别，静态 前馈利用了什么原理，动态前馈利用了什么 原理，常用的动态前馈是什么样的环节？ • 复合控制系统有何特点？
2013-7-13
第七章 前馈-反馈控制系统分析与设计
23/35
一. 单回路比值控制系统
1. 单闭环比值控制系统（定比值）
I0
控制器 执行器 管路
串级比值控制系统（变比值控制系统）方框图
I1 -
主调
I2 -
Q2(蒸汽)
副调 执行器 管路 对象
θ(温度)
÷
变送器 变送器
Q1 (煤气)
变送器
三. 串级比值控制系统（变比值控制系统）----特点
特点1：按一定的工艺指标自动修正比值系数的系统，即变比值。 副回路是一个单回路比值系统，两个流量比称为副参数。 I2(s)为变比值信号，即单闭环比值系统的给定值。
主回路也是一个闭环系统，由θ(s)的反馈构成。
θ(s)称为第三个参数或称主参数(质量指标)。
特点2： 串级比值控制系统是前馈—反馈复合控制系统。
主被调量为能反映Ql、Q2之间实际比值关系的参数（成分)。 主调节器PI1的作用是维持θ(s)为给定值。
说明：由于主被调量对Ql、Q2的响应有较大迟延，因而PIl的输出不直接
第一章 控制系统的基本概念
而能够直接获取的信息是被控变量的测量值。因此，通常把给定 值与测量值的差作为偏差，即 e = y s－y m。在反馈控制系统中， 调节器根据偏差信号的大小去控制操纵变量。 控制信号 u 控制器将偏差按一定规律计算得到的量。
1.4 控制系统系统的分类
自动控制系统的分类方法有很多。例如，按被控变量的不同， 可以分为温度控制系统、流量控制系统、压力控制系统、液位控制 系统、成分控制系统等。按调节器的控制规律来分类，可分为比例 控制系统、比例积分控制系统、比例微分控制系统、比例微分积分 控制系统等。但是，在分析自动控制系统的特性时，常常采用下述 几种分类方法。
（3）自动操纵系统 ： 这是一种根据预先规定的程序， 自动的对生产设备进行某种周期性操作，极大地减轻操 作人员的繁重或重复性体力劳动的装备。例如，合成氨 造气车间煤气发生炉的操作就是按照程序自动地进行的， 如自动进行吹气、上吹、下吹制气、吹净等步骤，周期 性地接通空气与水蒸气实现自动操纵。 （4）自动控制系统： 利用一些自动控制仪表及装 置，对生产过程中某些重要的工艺变量进行自动调节， 使它们在受到外界干扰影响偏离正常状态后，能够自动 地重新回复到规定的范围内，从而保证生产的正常进行。
过程装备控制技术 及应用
过控教研室
前
言
《过程装备控制技术及应用》课程是经全国高等学校化工类及 相关专业教学指导委员会化工装备教学指导组讨论决定，确定为 “过程装备与控制工程”专业的核心课程之一。本专业学生通过该 课程的学习，可以将过程机械、计算机自动测试、控制、自动化等 方面的知识有机地结合在一起，培养学生成为掌握多学科知识与技 能的复合型人才。
比较自动控制与人工控制：在自动控制系统中，测量仪表,控制 仪表，自动调节阀分别代表了人工控制中人的观察，思考和手动操 作，因而大大降低了人的劳动强度；同时由于仪表的信号测量、运 算、传输、动作速度远远高于人的观察，思考和操作过程，因此自 动控制可以满足信号变化速度快，控制要求高的场合 。 1.2.2 控制系统的组成 从上面锅炉汽包水位的自动控制系统中可以看出，一个自动控 制系统主要由两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动控制 系统，它包括测量仪表，变送器，控制仪表以及执行器等；另一部 分是自动控制装置下的生产设备，即被控对象如锅炉、反应器、换 热器等。图1－1（b）中，锅炉、差压便送器、调节器、执行器等 构成了一个完整的自动控制系统。系统各部分的作用如下。 被控对象 ：在自动控制系统中，工艺变量需要控制的生产设备 或机器称为被控对象，简称对象。在化工生产中，各种塔器、反应 器、泵、压缩机以及各种容器。贮罐、贮槽、甚至一段输送流体的 管道或复杂塔器（如精馏塔）的某一部分都可以是被控对象。图1 －1的锅炉即为汽包水位控制系统中的被控对象。
过控实验指导书分解
《过程控制系统》实验指导书安阳工学院电子信息与电气工程学院目录第一章实验装置说明 (2)1.1 系统概述 (2)1.1.1 实验对象 (2)1.1.2 被控对象 (3)1.1.3 检测装置： (3)1.1.4 执行机构： (4)1.2 THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台 (4)1.2.1 控制屏组件 (4)1.2.2 智能仪表控制组件 (5)1.2.3 远程数据采集控制组件 (9)1.2.4 PLC控制组件 (10)1.3 软件介绍 (10)1.4 实验要求及安全操作规程 (11)1.4.1 实验前的准备 (11)1.4.2 实验过程的基本程序 (11)1.4.3 实验安全操作规程 (11)第二章实验部分 (12)实验一双容水箱特性测试 (19)实验二双容水箱液位定值控制系统（单回路） (23)实验三双容水箱液位定值控制系统（串级） (26)第一章实验装置说明1.1 系统概述THSA-1型过控综合自动化控制系统是由THJ-3高级过程控制对象系统实验装置、THSA-1型综合自动化控制系统实验平台及上位PC机三部分组成。
该装置结合了当今工业现场过程控制的实际，是一套集仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术及现场总线技术为一体的多功能实验设备。
包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识、单回路控制、串级控制、前馈－反馈控制、滞后控制、比值控制、解耦控制等多种控制形式，还可根据需要设计成智能仪表、DDC远程数据采集、DCS分布式控制、PLC可编程控制、FCS现场总线控制等多种控制系统。
1.1.1 实验对象实验对象貌图如图1-1所示。
实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。
供水系统分两路：一路由三相磁力驱动泵（380V恒压供水）、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手支调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成。
图1-1 系统总貌图1.1.2 被控对象1．水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。
过控课后答案整理小字版
第一章 思考题与习题1－2 图1.6为温度控制系统，试画出系统的框图，简述其工作原理；指出被控过程、被控参数和控制参数。
解：乙炔发生器中电石与冷水相遇产生乙炔气体 并释放出热量。
当电石加入时，内部温度上升，温度 检测器检测温度变化与给定值比较，偏差信号送到控 制器对偏差信号进行运算，将控制作用于调节阀，调 节冷水的流量，使乙炔发生器中的温度到达给定值。
系统框图如下：被控过程：乙炔发生器 被控参数：乙炔发生器内温度 控制参数：冷水流量1－3 常用过程控制系统可分为哪几类? 答：过程控制系统主要分为三类：1. 反馈控制系统：反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的，最终达到或消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。
它是最常用、最基本的过程控制系统。
2．前馈控制系统：前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据。
由于没有被控量的反馈，所以是一种开环控制系统。
由于是开环系统，无法检查控制效果，故不能单独应用。
3. 前馈－反馈控制系统：前馈控制的主要优点是能够迅速及时的克服主要扰动对被控量的影响，而前馈—反馈控制利用反馈控制克服其他扰动，能够是被控量迅速而准确地稳定在给定值上，提高控制系统的控制质量。
3－4 过程控制系统过渡过程的质量指标包括哪些内容？它们的定义是什么？哪些是静态指标？哪些是动态质量指标？答：1. 余差(静态偏差）e ：余差是指系统过渡过程结束以后，被控参数新的稳定值y(∞)与给定值c 之差。
它是一个静态指标，对定值控制系统。
希望余差越小越好。
2. 衰减比n:衰减比是衡量过渡过程稳定性的一个动态质量指标，它等于振荡过程的第一个波的振幅与第二个波的振幅之比，即：n ＜1系统是不稳定的，是发散振荡；n=1,系统也是不稳定的，是等幅振荡；n ＞1,系统是稳定的，若n=4,系统为4：1的衰减振荡，是比较理想的。
衡量系统稳定性也可以用衰减率φ4．最大偏差A ：对定值系统，最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值C 之差，它衡量被控参数偏离给定值的程度。
过控答案部分课后答案
1-1 过程控制有哪些主要特点？为什么说过程控制多属慢过程参数控制？1．控制对象复杂、控制要求多样2. 控制方案丰富3．控制多属慢过程参数控制4．定值控制是过程控制的一种主要控制形式5．过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成1-2 什么是过程控制系统？典型过程控制系统由哪几部分组成？过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。
组成：参照图1-1。
1-4 说明过程控制系统的分类方法，通常过程控制系统可分为哪几类？解答：分类方法说明：按所控制的参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与数字控制系统；按控制器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统；按控制系统的结构和所完成的功能来分，有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等；按其动作规律来分，有比例（P）控制、比例积分（PI）控制，比例、积分、微分（PID）控制系统等；按控制系统组成回路的情况来分，有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统；按被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等。
通常分类：1．按设定值的形式不同划分：（1）定值控制系统（2）随动控制系统（3）程序控制系统2．按系统的结构特点分类：（1）反馈控制系统（2）前馈控制系统（3）前馈—反馈复合控制系统1-5 什么是定值控制系统?在定值控制系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数变化的就是扰动信号。
1-8 评价控制系统动态性能的常用单项指标有哪些？各自的定义是什么？解答：单项性能指标主要有：衰减比、超调量与最大动态偏差、静差、调节时间、振荡频率、上升时间和峰值时间等。
衰减比：等于两个相邻的同向波峰值之比n ；过渡过程的最大动态偏差：对于定值控制系统，是指被控参数偏离设定值的最大值A ；超调量：第一个波峰值与最终稳1y 态值y （∞）之比的百分数σ；1100%()y y σ=⨯∞ 残余偏差C ： 过渡过程结束后，被控参数所达到的新稳态值y （∞）与设定值之间的偏差C 称为残余偏差，简称残差；调节时间：从过渡过程开始到过渡过程结束所需的时间；振荡频率：过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率；峰值时间：过渡过程开始至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。
过控第5章
过程控制系统与仪表 第5章
5.3.2.2被控过程的自衡特性与单容贮液箱液位过程II 从一阶惯性特性曲线可 以看出，对象在扰动作用 下，其平衡状态被破坏后， 在没有人工干预或调节器干 预下，能自动达到新的平衡 状态，这种特性称为“自衡 特性”。
Δμ 1 1 t Δh
K T t
用自衡率ρ表征对象自衡能力的大小
过程控制系统与仪表 第5章
5.3.2.1单容贮液箱液位过程I 如图是一个水槽，水经过阀门l不断地流入水 槽，水槽内的水又通过阀门2不断流出。工艺上要求 水槽的液位h保持一定数值。在这里，水槽就是被控 对象，液位h就是被控变量。 如果想通过调节阀门1 来控制液位，就应了解进水 流量Q1 变化时，液位h是如 何变化的。
过程控制系统与仪表 第5章
T也反映了过渡过程时间 被控变量变化到新的稳态 值所需要的时间理论上需要无 t 限长。 −
0
τ
t
过程控制系统与仪表 第5章
1.由阶跃响应曲线确定一阶惯性加滞后环节模型 一阶对象的特性参数都具有明显的物理意义：
W(S) = e
− sτ
K T S +1
x x0
放大倍数K的物理意义 K表明了稳态时，输出 对输入的放大倍数 。求法： K = y(∞ ) / x0 K 越大，表示对象的输入对输出的影响越大。
n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 O t 0 τc T0 t Δh2（∞）
过程控制系统与仪表 第5章
2. 纯滞后 由信号或能量的传输时间造成的滞后现象，是 纯粹的滞后。 如图是一个用蒸汽来控制水温的系统。蒸汽作用 点与被调量测量点相隔 l 距离，蒸汽量阶跃增大引起 的水温升高，要经过路程 l 后才反应出来。
RS ——阀门2阻力系数；Kμ ——阀门1比例系数； μ1 ——阀门1的开度；
(0)过控技术第五章
分辨率 A/D转换器的重要参数，直接关系到A/D转换 器的转换精度乃至整个测试系统的精度。
触发方式选择
触发信号是启动A/D开始采样的信号。触发方 式选择即选择不同形式的触发信号。
采样点数 时域分析时，采样点数越多信号越容易复原。 频域分析时，为了快速傅里叶变换(FFT)计算的方 便，采样点数一般取2的幂数，如32、64、128、256、 512、1024等。 性能价格比的要求 根据使用的场合、使用的环境等条件，只要能满足 技术要求即可，避免片面追求性能的高指标。
过程控制系统的发展历史
5 计算机控制系统
5.1 5.2 5.3 5.பைடு நூலகம் 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 计算机控制系统概述 计算机控制系统的组成和分类 A/D与D/A转换器 计算机测试系统 直接数字控制 可编程序控制器及应用 DCS与现场总线控制系统 计算机控制系统的设计与实现 提高计算机控制系统可靠性的措施
智能仪表：微处理器为核心的新一代测量仪表 过程测试系统：参数测量为目标，对被测过程中的一些物 理量进行测量与分析，或作为过程装备控制系统的一部分。 石油、化工、工业自动化等领域中应用较多。 智能测试系统：测试系统中最先进的研究成果，迅速地应 用于各个领域。智能，指能局部代替人去完成那些以前依靠 人的智能才能完成的任务。实时故障诊断系统是智能测试系 统最典型的应用。
5.3
A/D与D/A转换器
1. 模-数转换
定义：模拟信号到数字信号的转换-A/D（Analog to Digital）。 A/D转换器（Analog Digital Converter ADC）：实现 A/D转换的电路。
2. 数-模转换
定义：模拟信号到数字信号的转换称为模数转换-A/D （Analog to Digital）
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第五章计算机控制系统5.1概述计算机控制系统与常规控制系统基本结构相同，基本概念和术语也是通用的。
有关调节原理和调节过程也是相同的。
不同之处在于：计算机控制系统中，控制器对控制对象的参数、状态信息的检测和控制结束的输出在时间上是断续的，对检测信号的分析计算是数字化的，而在模拟控制系统中则是连续的。
计算机控制系统方框图控制器的输出称为控制量，所遵循的运算规律称为控制算法。
计算机控制系统控制过程步骤：（三步）✧实时数据采样：测量被控量的当前值，为断续的数字化信号；✧实时判断：判断被控量当前值与给定值的偏差；✧实时控制：根据偏差，作为控制决策。
即按预定的算法对偏差进行运算，以及适时适量地向执行机构发出控制信号。
优点：✧可实现分时对多个对象多个回路的控制；✧便于对系统功能的扩充修改；✧可完成很多在模拟控制系统中由硬件难以完成的功能。
微型计算机特点：✧体积小、结构简单；✧价格便宜，揽资少；✧可靠性高，平均无故障时间长达几干小时至几万小时以上；✧灵活性高。
5.2.1 组成计算机控制系统由工业对象和工业控制计算机两部分组成。
工控机由硬件和软件两部分组成。
硬件部分包括计算机主机、外部设备、外围设备、工业自动化仪表和操作控制台等。
软件是指计算机系统的程序系统。
（1）硬件组成主机：它是整个系统的核心装置，它由微处理器、内存贮器和系统总线等部分构成。
主机根据过程输入通道发送来的反映生产过程工况的各种信息和已确定的控制规律，作出相应的控制决策，并通过过程输出通道发出控制命令，达到预定的控制目的。
主机所产生的控制是按照人们预先安排好的程序进行的，能实现过程输入控制和输出等功能的程序预先已放入内存，系统启动后，CPC逐条取出来，并执行，从而产生预期的控制效果。
过程输入输出通道：它是在微机和生产过程之间起信息传递和变换作用的装置。
它包括：摸拟量输入通道（AI）、开关量输入通道（DI）、模拟量输出通道（AO）和开关量输出通道（DO）。
操作设备：系统的操作设备是操作员与系统之间的信息交换工具，操作设备一般由CRT显示器（或其他显示器）、键盘、开关和指示灯组成。
操作员通过操作设备可以控制系统和了解系统运行状态。
外部设备：它是键盘终端、打印机、绘图仪、磁盘等计算机输入输出设备。
通信设备：规模较大的工业生产过程，其控制和管理常常非常复杂，需要几台或几十台微型计算机才能分级完成控制与管理任务。
这样，系统中的微机之间就需要通信。
因此，需要由通信设备与数据线将系统中的微机互联起来，构成控制与管理网络。
系统支持功能包括以下几部分：监控定时器：主要作用是在系统因干扰或其他原因出现异常时，如“飞程序”或程序进入死循环，使系统自动恢复正常工作运行，从而提高系统的可靠性。
电源掉电检测：若出现电源掉电故障，应能及时发现并保护当时的重要数据和CPU寄存器的内容，以保证复电后系统能从断点处继续运行。
电源掉电检测电路能检测电源是否掉电，并能在掉电时产生非屏蔽中断请求。
保护重要数据的后备存贮体：监控定时器和断电保护功能均要有能保存重要数据的存贮体的支持，后备存贮体容量不大，在系统掉电时数据不会丢失，故常采用NOVRAM或带后备电池的SRAM。
为了保证可靠、安全，系统存贮器工作期间，后备荐贮体应处于上锁状态。
实时日历钟：使系统具有时间驱动功能，如在指定时刻产生某种控制或自动记录某个事件发生的时间等。
实时日历钟在电源掉电时能正常工作。
总线匹配：总线母板上的信号线在高速时钟频率运行时均为传输长线，很可能产生反射和干扰信号，一般采用RC滤波网络予以克服。
（2）软件部分计算机系统的软件包含系统软件和应用软件两部分。
系统软件一般包括汇编语言、高级算法语言、过程控制语言以及它们的汇编、解释、编译程序，操作系统、数据库系统，通讯网络软件、调试程序，诊断程序等。
应用软件是系统设计人员针对生产过程要求而编制的控制和管理程序。
应用软件一般包括过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、打印显示程序、人机接口程序等。
其中过程控制程序是应用软件的核心，是控制方案和控制规律的具体实现。
5.2.2计算机控制系统的分类（1）数据条集和数据处理系统它的工作主要是对大量的过程状态参数实现巡回检测、数据存贮记录。
数据处理（计算、统计、整理）、进行实时数据分析以及数据越限报警等功能。
数据采集就是由传感器把温度、压力、流量、位移等物理量转换来的摸拟电信号经过处理并转换成计算机能识别的数字量，输入计算机中。
数据处理就是计算机将采集来的数字量根据需要进行不同的判决、运算，得出所需要的结果。
数据采集与数据处理的典型结构（2）直接数字控制系统（DDC）DDC分时地对被控对象的状态参数进行测试，并根据测试的结果与给定值的差，按照预先制定的控制算法进行数字分析运算后，控制量输出直接作用在调节阀等执行机构上，使各个被控参数保持在给定值上，实现对被控对象的闭环自动调节。
DDC系统的优点：实现了几十个甚至更多的单回路PID控制；而且还能比较容易地实现其他新型控制规律控制。
它把显示、记录、报警、和给定值设定等功能都集中在操作控制台上，给操作人员带来了很大方便。
只要改变程序即可实现上述各种形式的控制规律。
DDC系统的缺点：要求工业控制计算的可靠性很高，否则会直接影响生产的正常运行。
（3）监督控制系统SCC监督计算机控制系统即所谓SCC或SPC系统，是指计算机根据生产过程的信息（测量值）和其他信息（给定值等），按照描述生产过程的数学模型，去自动改变（也称重新设定）模拟调节器或DDC工业控制机的给定值，从而使生产过程处于最优化的工况下进行。
SCC系统分成以下两种形式：①SCC＋模拟调节器的控制系统SCC工控机测量生产过程中有关参数，根据机内存贮的数学模型进行计算，同时根据优选的条件求得各个控制回路给定值，然后由各回路的模拟调节仪表（如PID调节器）进行调节。
优点是可以实现最优化控制，达到省料、高产、低消耗，而且较为安全。
当计算机出现故障时，可以由模拟调节仪表独立完成操作。
缺点是仍需要常规模拟调节仪表。
②SCC+DDC的控制系统它由一台DDC实现对生产过程的直接控制，再增设一台档次较高的微型计算机SCC。
SCC和DDC计算机之间是通过信息进行联系，可简单地进行数据传送。
SCC 计算机根据工艺信息和工业过程现行状参数，按照生产过程的数学模型进行最优化的分析计算，并将其算出的最优化操作条件去重新设定DDC 计算机的给定值，然后由DDC计算机去进行过程控制。
由于DDC计算机的给定值能及时不断得到修正，从而可以便生产过程始终处于或接近最优化操作条件。
当DDC计算机出现故障时，可由SCC计算机代替其功能，从而确保了生产的安全性。
SCC+DDC的控制系统（4）分级计算机控制系统分级计算机控制系统是以一个“主”计算机和两个或两个以上的“从”计算机为基础构成的。
其中最高级的计算机具有经营管理功能。
分级系统一般是混合式，即除计算机直接控制外还有仪表控制和直接联接现场的执行机构。
目前分级控制一般分为三级：生产管理级MIS、临督控制级SCC和直接数字控制级DDC。
MIS又可分成企业级MIS和厂级MIS。
该系统的特点是将控制功能分散，用多台计算机分别执行不同的控制功能，即能进行控制，又能实现管理。
由于计算机控制和管理范围的缩小，便其灵活方便，可靠性高，且通讯简单。
针对教材P240图5－7所示的分级计算机控制系统，讲解其四级的功能。
（5）集散型控制系统集散型控制系统TDCS，也称为分布式计算机控制系统。
它是以数台乃至数百台的微型计算机分散地分布在各个生产现场，作为现场控制站或者基本调节器实现对生产过程的检测与控制，代替了大量的常规模拟仪表。
因此，即能克服模拟仪表的功能单一性和局限性，又能避免计算机集中控制的危险性。
这些控制之后通过高速数据通道与监督计算机SCC通讯，通过CRT操作站实现对系统的监视和干预。
这种结构比分级分层结构更灵活、扩充也更方便。
而且由于硬度的冗余度大，某个回路出现故障时可以相互支援，因此有很高的可靠性。
集散型控制系统将生产过程按其系统结构纵向分成现场控制级、控制管理级、生产和经营管理级。
级间相互独立又相互联系，再对每一级按其功能划分为若干子块，采取即分散又集中的原则，进行集散控制系统的硬件和软件设计。
集散型控制系统主要特点：✧硬件组装积木化；✧软件模块化；✧组态控制系统；✧应用先进的通信网络；✧具有开放性；✧可靠性高；5.3 A/D与D/A转换器传感器与微机之间要通过模数转换器(A/D)来连接，它的功能是将输入的摸拟量转化为数字量；一般控制器采用模拟量参数，在计算机与控制器件之间要通过数模转换器（D/A）进行连接。
5.3.1 A/D转换器A/D转换器是一种能够在规定的精度和分辨率之内，把接收的摸拟信号转换成与之成正比的数字信号的器件。
模数转换包括时间上等间隔的采样及保持和幅值上的量化及编码，它把电压等模拟量转换成数字量，即把连续信号变成离散的时间序列。
在A/D转换过程中，设x(t)为给定的摸拟信号，x`(t)代表对给定信号按同一时间间隔采样所得到的一系列离散值，于是A/D转换得到相应的一系列数字量{a n}，每个数字代表x`(t)的幅值。
为了实现转换过程；需要将采样值保持一定时间，保持中的采样值还是连续的模拟量，而数字量只能是离能值。
所以需要用量化单位对模拟量做整型量化，从而得到与模拟量对应的数字值。
量化后的数字以编码形式表示。
量化就是在模数转换过程中，对时域上每个间隔采样分层取值的过程。
它是采用有限字长的一组二进制码去逼近离散的模拟信号的幅值，而字长位数的多少决定了数字量偏移连续量误差的大小。
数字最低位所代表的数值称为量化单位通常用字母q表示，它是分层的标准尺度。
显然，量化单位越小，信号精度越高，但任何量化都会引起误差。
由量化引起的误差称为量化误差。
当输入信号随时间变化时，量化后的曲线呈阶梯形。
对应的量化误差()tε即与量化单位有关又与被测信号x(t)有关。
当量化单位与被测信号的幅值比足够小，量化误差可看作量化噪声。
由于量化单位对应数字量最低位所代表的数值，所以n=FRSq2式中，FRS—满量程电压值；n—转换器的位数。
如12位A/D转换器，电压范围是0~10V或±5V，则00244q V。
.0=1012≈2由于截尾误差的均值不为零，即存在直流分量，所以一般采用舍入处理，显然舍入处理的最大量化误差为2/q±。
A/D转换的编码方式为单极性和双极性两种。
单极性方式用于信号恒为正值或负值的情况，例如温度和压力等。
振动信号在一个周期内有正负，所以采用双极性编码方式。
在双极性方式中，最高位是符号位，用于表示极性的正负，其余的位用来表示信号的幅值，这种将符号数码化的数叫做机器数。