过程控制系统第1章 过程控制系统概述
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第一章过程控制系统概述
10:12:42
11
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
10:12:42
8
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
过程控制系统概述
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。
过程控制系统
控制器正、反作用选择的判别式：
(控制器“±”)(控制阀“±”)(对象“±”)=“-”
过程控制系统
三、控制阀作用方式的选择
(一)、气开气关方式的选择 选气开还是气关式，由生产工艺的要求决定。 1、从生产的安全出发 2、从保证产品质量考虑 3、从降低原料和动力的损耗考虑 4、从介质特点考 (二)、执行机构正、反作用方式的选择
一般认为，n=4:1时稳定性好，但温度等慢变化过 程约取10:1为好，应根据实际情况灵活处理。
过程控制系统
2．超调量和最大动态偏差：
随动控制系统中，超调量（Overshoot）σ定义为：
B1 100%
C
定值控制系统采用最大动态偏差A表示超调程度。即
3．余差： A B1 C
它是控制系统的最终稳态偏差e(∞)。在阶跃输入作用下， 余差为：
2、调节原理 当口径A和差压(P1-P2)一定时，流量Q仅随阻尼的
变化而变化。改变阀门的开启程度，可改变流通阻力而 控制介质流量。
电气阀门定位器
过程控制系统
执行机构 阀体
过程控制系统
反作用
理想流量特性
过程控制系统
在不考虑控制阀前后压差变化 时得到的流量特性称为理想流 量特性。
流量特性
工作流量特性
过程控制系统
一. 控制系统的静态与动态
●静态：被控变量不随时间而变化的平衡状态 ●动态：被控变量随时间变化的不平衡状态
过程控制系统
二. 控制系统的过渡过程
●定义:系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状 态的过程 , 称为系统的过渡过程。
过程控制系统
自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程有以下所
示的几种基本形式。
四 控制器的选择
(控制器“±”)(控制阀“±”)(对象“±”)=“-”
过程控制系统
三、控制阀作用方式的选择
(一)、气开气关方式的选择 选气开还是气关式，由生产工艺的要求决定。 1、从生产的安全出发 2、从保证产品质量考虑 3、从降低原料和动力的损耗考虑 4、从介质特点考 (二)、执行机构正、反作用方式的选择
一般认为，n=4:1时稳定性好，但温度等慢变化过 程约取10:1为好，应根据实际情况灵活处理。
过程控制系统
2．超调量和最大动态偏差：
随动控制系统中，超调量（Overshoot）σ定义为：
B1 100%
C
定值控制系统采用最大动态偏差A表示超调程度。即
3．余差： A B1 C
它是控制系统的最终稳态偏差e(∞)。在阶跃输入作用下， 余差为：
2、调节原理 当口径A和差压(P1-P2)一定时，流量Q仅随阻尼的
变化而变化。改变阀门的开启程度，可改变流通阻力而 控制介质流量。
电气阀门定位器
过程控制系统
执行机构 阀体
过程控制系统
反作用
理想流量特性
过程控制系统
在不考虑控制阀前后压差变化 时得到的流量特性称为理想流 量特性。
流量特性
工作流量特性
过程控制系统
一. 控制系统的静态与动态
●静态：被控变量不随时间而变化的平衡状态 ●动态：被控变量随时间变化的不平衡状态
过程控制系统
二. 控制系统的过渡过程
●定义:系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状 态的过程 , 称为系统的过渡过程。
过程控制系统
自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程有以下所
示的几种基本形式。
四 控制器的选择
过程控制
第一章 过程控制系统 绪 论 基本概念
第一节 过程控制系统的发展状况
• 过程控制：指在生产过程中，运用合适的 控制策略，采用自动化仪表及系统来代替 操作人员的部分或全部劳动，使生产过程 在不同程度上自动地进行。
人工调节
给水调节阀 省煤器 W 给水 h 过热器 D 蒸汽
汽包
水 位 计
水 冷 壁
汽包锅炉给水人工调节示意图
第二节 建立数学模型的方法
一. 机理建模
1 单容液位对象的数学模型
单容对象：只有一个储蓄容量的对象。
（1）自平衡过程的动态特性
自平衡过程：指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏 ， 不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身逐渐达到新 的平衡状态的过程。
液位过程
若
（见下页图）
q1 输入变量：
输出变量： h
现场总线控制系统FCS
计算机综合自动化系统CIPS
现场智能设备互连通信网络
管理与控制一体化
第一节 过程控制系统的发展状况
过程控制系统发展历史
（20世纪50年代末～60年代）局部自动化阶段 过程控制系统：多为单输入、单输出简单控制系统 自动化仪表：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）； 控制理论：以反馈为中心的经典控制理论
式中：
T0 AR2 过程的时间常数
K0 R2 过程的放大系数
A
过程的容量系数
（2）无自平衡过程的动态特性
无自平衡过程: 指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏 后 ，不经过操作人员或仪表等干预，仅依靠其自身能力 不能重新恢复平衡状态的过程。 以液位过程为例，见下页图
d h q1 q2 A 过程的微分方程为： dt
过程的动态特性为： H ( S ) 1 1 W0 ( S ) Q1 ( S ) AS Ta S
第一节 过程控制系统的发展状况
• 过程控制：指在生产过程中，运用合适的 控制策略，采用自动化仪表及系统来代替 操作人员的部分或全部劳动，使生产过程 在不同程度上自动地进行。
人工调节
给水调节阀 省煤器 W 给水 h 过热器 D 蒸汽
汽包
水 位 计
水 冷 壁
汽包锅炉给水人工调节示意图
第二节 建立数学模型的方法
一. 机理建模
1 单容液位对象的数学模型
单容对象：只有一个储蓄容量的对象。
（1）自平衡过程的动态特性
自平衡过程：指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏 ， 不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身逐渐达到新 的平衡状态的过程。
液位过程
若
（见下页图）
q1 输入变量：
输出变量： h
现场总线控制系统FCS
计算机综合自动化系统CIPS
现场智能设备互连通信网络
管理与控制一体化
第一节 过程控制系统的发展状况
过程控制系统发展历史
（20世纪50年代末～60年代）局部自动化阶段 过程控制系统：多为单输入、单输出简单控制系统 自动化仪表：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）； 控制理论：以反馈为中心的经典控制理论
式中：
T0 AR2 过程的时间常数
K0 R2 过程的放大系数
A
过程的容量系数
（2）无自平衡过程的动态特性
无自平衡过程: 指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏 后 ，不经过操作人员或仪表等干预，仅依靠其自身能力 不能重新恢复平衡状态的过程。 以液位过程为例，见下页图
d h q1 q2 A 过程的微分方程为： dt
过程的动态特性为： H ( S ) 1 1 W0 ( S ) Q1 ( S ) AS Ta S
过程控制-第一章
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。
稳定性 静态指标 动态指标
平稳：“稳”即系统必须是稳定的，这也是最重要、最基本的需 求。 准确：“准”是指控制系统的准确性、控制的精确程度，通常用 稳态误差来描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差。 迅速：“快”是指控制系统响应的快速性。
11
过程控制与自动化仪表
1.3 过程控制系统的组成
系统的各种作用量
1）被控变量——是表征生产设备或过程运行状况，需 要加以控制的变量，也是过程控制系统的输出量。
2）设定值——又称给定值，是工艺要求被控变量需要 达到的目标值，也是过程控制系统的输入量。
3）测量值——是检测元件与变送器的输出信号值，也 称反馈量。
4）扰动量——又称干扰或“噪声”，通常是指引起被 控变量发生变化的各种因素。
5）操纵变量——受执行器操纵，具体实现控制作用的 变量称为操纵变量。
6）偏差——通常把设定值与测量值之差称作偏差。
12
Hale Waihona Puke 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
1.4.1 过程控制系统的分类
1．定值控制系统
在生产过程中，如果要求控制系统使被控变量保持在一个生产 指标上不变，或者说要求工艺参数的设定值不变，这类控制系 统称为定值控制系统。
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。
稳定性 静态指标 动态指标
平稳：“稳”即系统必须是稳定的，这也是最重要、最基本的需 求。 准确：“准”是指控制系统的准确性、控制的精确程度，通常用 稳态误差来描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差。 迅速：“快”是指控制系统响应的快速性。
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过程控制与自动化仪表
1.3 过程控制系统的组成
系统的各种作用量
1）被控变量——是表征生产设备或过程运行状况，需 要加以控制的变量，也是过程控制系统的输出量。
2）设定值——又称给定值，是工艺要求被控变量需要 达到的目标值，也是过程控制系统的输入量。
3）测量值——是检测元件与变送器的输出信号值，也 称反馈量。
4）扰动量——又称干扰或“噪声”，通常是指引起被 控变量发生变化的各种因素。
5）操纵变量——受执行器操纵，具体实现控制作用的 变量称为操纵变量。
6）偏差——通常把设定值与测量值之差称作偏差。
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Hale Waihona Puke 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
1.4.1 过程控制系统的分类
1．定值控制系统
在生产过程中，如果要求控制系统使被控变量保持在一个生产 指标上不变，或者说要求工艺参数的设定值不变，这类控制系 统称为定值控制系统。
过程控制技术-第一章 过程控制系统的基本概念
1 过程控制系统的基本概念
1.1过程控制系统的组成及其分类 1.1过程控制系统的组成及其分类
过程控制系统的组成及其分类 自动控制是在人工控制的基础上发展起来 的。下面先通过一个示例， 将人工控制与过程 控制进行对比分析，看过程控制系统是由哪些 部分组成的。
1 过程控制系统的基本概念
通过上述示由被控对象、 测量变送器、控制器、 控制阀四个基本环节 所组成。
2.基本要求 2.基本要求 （1）弄清楚组成过程控制系统的结构，掌握描述控 制系统的原理图和方块图及其专用术语。 （2）掌握闭环控制系统实现自动控制的基本原理， 尤其是负反馈在过程控制中的作用。学会用负反 馈原理构成简单的闭环控制系统。 馈原理构成简单的闭环控制系统。 （3）了解开环控制与闭环控制的差别及各自的特点。 （4）弄清楚定值控制系统与随动控制系统的区别， 连续系统与离散系统的区别。 连续系统与离散系统的区别。 （5）理解控制系统过渡过程（或时间响应）的概念。
1 过程控制系统的基本概念
当锅炉汽包水位控制系统处于平衡状态即 静态时，扰动作用为零，设定值不变，系统中 控制器的输出和控制阀的输出都暂不改变，这 时被控变量汽包水位也就不变。一旦设定值有 了改变或扰动作用于系统，系统平衡被破坏， 被控变量开始偏离设定值，此时控制器、控制 阀将相应动作，改变操纵变量给水量的大小， 使被控变量汽包水位回到设定值，恢复平衡状 态。
1 过程控制系统的基本概念
在生产过程中，不仅要了解系统的静态， 更需要了解系统的动态。当过程控制系统在动 态阶段中，被控变量是不断变化的，这一随时 间变化的过程称为过程控制系统的过渡过程或 时间响应。即一个过程控制系统在外作用下从 原有稳定状态过渡到另一个稳定状态的过程， 称为过程控制系统的过渡过程。
过程控制第一章
操纵 变量
给定 值
1.2.2 过程控制系统的分类：
1.按系统的开环和闭环分类 （1）开环控制系统
系统的被控量对系统的控制作用没影响，结构简单，没有 闭合回路，控制精度取决于系统各组成环节的精度。 有干扰时无法自动补偿，精度不能保证。只适用于输入和 输出关系已知，且不存在干扰或干扰很弱的场合。
态值上下振荡的次数；
上升时间tr：该时间是指系统的输出量第一次到达输出稳态 值所对应的时刻。对于无振荡的系统，常把输出量从输出稳 态值的10%到输出稳态值的 90%所对应的时间叫为上升时间；
延迟时间：响应曲线首次达到静态值的一半所需的时间， 记为td;
衰减比N：第一个波峰与第二个波峰之比，是反应过程稳定 性的一个指标。N>1为衰减振荡，N=1为等幅振荡，N<1为 发散振荡。 振荡周期T：从第一个波峰到第二个波峰的时间。 T的倒数为振荡频率，T越短。快速性越好。
被控对象中要求保持 设定值的工艺参数
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 给定值与实际值 蒸汽复合负荷的变化 之差 冷却水温度的变化
扰动 量
偏 差
被控 对象 锅炉汽包
被控变量 锅炉给水量 汽包的期望水位 的预定值 受控制器操纵，用以克服扰 动的影响使被控量保持设定 值的物料量或能量
过程控制
第一章 绪论
课程考核
平时成绩（占40% ）：出勤+课堂提 问+作业；
大作业（占60% ）。
先修课程：自动控制原理
第一章 绪论
人工控制与自动控制：
1.1 概述--过程控制及发展历史
一、什么是过程控制？
过程（工业生产过程）：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。 工业生产过程可分为： 连续生产过程和离散生产过程。 连续生产过程、离散生产过程和间歇生产过程 （批量生产过程）。
过程控制第1章_绪论
36
§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
41
§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。
42
§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(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
过程控制系统第一章&第二章1.过程控制系统：为了实现过程控制，以控制理论和生产要求为依据，采用模拟仪表、数字仪表或计算机构成的总体，称为过程控制系统。
2.过程控制系统的组成：系统输出、受控过程的输入、外部扰动、受控过程、广义过程、控制器。
3.过程控制系统的分类：a)按过程控制系统的结构特点来分类i.反馈控制系统 ii.前馈控制系统 iii. 前馈-反馈控制系统b)按给定信号的特点来分类i. 定制控制系统 ii. 程序控制系统 iii. 随动控制系统4.过程建模数学模型a). 机理建模法 b). 实验建模法5.过程输入量与输出量之间的信号联系，称为“通道”；控制作用与受控参数之间的信号联系，称为“控制通道”；扰动作用与受控参数之间信号联系，称为“扰动通道”。
6.自衡特性：在扰动作用破坏平衡工况后，被控过程在没有外部干预的情况下自动恢复平衡的特性。
表示。
7.有自衡能力的单容过程的数学模型，都可用传递函数G(s)=&'()*8.题2-4、2-6（P29）什么是过程的自平衡能力？第三章1.一次仪表：测量体将被测参数成比例地转换为另一便于计量的物理量，所用的仪表叫做一次仪表。
2.二次仪表：显示被计量的物理量的仪表。
3.准确度等级：任何自动化仪表均有一定误差。
常用仪表精度等级：0.1、0.2、0.35、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等（工业常用0.5~4.0）。
4.热电偶测温计a)测温原理：热电效应b)补偿导线：用两根不同的金属丝，它在0----100摄氏度温度范围和所连接的热电偶具有相同的热电性能，其材料是廉价金属，用它将热电偶的冷端延伸出来。
c)冷端补偿：为了消除冷端温度变化对测量精度的影响。
i.计算矫正法 ii. 补偿电桥桥5.热电阻温度计a)工作原理：利用导体或半导体的电阻值随温度变化的性质来测量温度的。
b)特点：性能稳定、测量精度高、测量范围宽、同时还不需要冷端温度补偿，一般可在—270~900ºC 范围内使用。
1过程控制概述
测量变送 Gm (s)
单回路控制系统方框图
第1章 过程控制概述
1.3 过程控制系统的组成、特点及分类
控制系统中常用的名词术语
被控对象（对象）：需要实现控制的设备、机器或生产过程， 称为被控对象，例如锅炉． 被控变量（被调量、被调参数）y：指需要控制的工艺参数， 如加热器的温度、锅炉汽包水位等。它是被控对象的输出信 号。在控制系统方块图中，它也是自动控制系统的输出信号。 但它是理论上的真实值，由测量变送器输出的信号是被控变 量的测量值x。 设定值（给定值）：被控变量的目标值（预定值），称为设 定值。当它由工业调节器内部给出时称为内给定值，最常见 的内给定值是一个常数，它对应于被控变量所需保持的工艺 参数值。当它产生于外界某一装置，并输入至调节器时称为 外给定值。
1.2 过程控制的任务及要求
过程控制与其它相关学科
控制原理 与方法 最优化 方法与技术
系统仿真 技术
控制工程
计算机 与网络技术
生产工艺 与对象机理
测量与控制 仪表
第1章 过程控制概述
1.3 过程控制系统的组成、特点及分类
1.3 过程控制系统的组成、特点及分类 1.过程控制系统的组成
过程控制
{ 自动化仪表{
第1章 过程控制概述
1.1 过程控制发展概况
直接数字控制DDC和监督控制SCC
显示 计 输出接口 执行器 打印 算 机 输入接口 测量变送 报警
SCC 计 算 机 给定 测量 DDC╱调节器 控制 生 产 过 程
…
生 产 过 程
…
DDC
SCC
第1章 过程控制概述
1.1 过程控制发展概况
3.基于网络的全盘自动化阶段（20世纪70年代中期——） 过程控制发展的高级阶段。主要特点： (1)开始采用智能单元组合仪表； (2)成份在线检测与数据处理技术的应用日益广泛； (3)模拟调节仪表的品种不断增加，可靠性不断提高； (4)电动仪表实现了本质安全防爆； (5)过程控制由单一的仪表控制发展到计算机/仪表 分布式控制，如DCS、FCS； (6)过程辨识、最优控制、最优估计以及多变量解耦 控制等获得广泛应用。
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。
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。
第一章过程控制系统基本概念介绍
特点：有较高的控制精度和较好的适应能力，有很强的抗干 扰能力 ；当系统的惯性滞后和纯滞后较大时，控制作用对 扰动的克服不及时，从而使其控制质量大大降低。
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闭环控制系统分类
分三类: 定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。
定值控制系统： 设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控 制系统称为定值控制系统。 程序控制系统：设定值也是变化的，但它是一个已知的时 间函数，即根据需要按一定时间程序变化。 随动控制系统：设定值不断变化，且事先是不知道的，并 要求系统的输出（被控变量）随之而变化。 注意它们的区别和联系
2018/10/20 4
2018/10/20
图1-1 锅炉汽包水位控制示意图
5
二、过程控制系统组成
1、控制系统常用术语（教材P4）
①被控过程（对象）：自动控制系统中，工艺参数需要 控制的生产过程设备或机器。 ②被控变量：被控过程内要求保持设定值的工艺参数。 ③给定值：工艺参数所要求保持的数值。 ④操纵变量：受控制器操纵，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）。 ⑤扰动量：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（使被控变量偏离给定值）。 ⑥偏差：测量值与设定值之差。
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§1-1过程控制系统组成和表示形式
一、过程控制系统定义 第一章－1－23分钟.wmv
过程控制：工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产 过程自动控制。 过程控制系统：在工业生产中在没有人直接参与的条件下， 工艺参数能自动按照预定的规律变化的控制系统。实例
过程控制的作用：
1、实现最优技术指标，提高产品质量。 2、提高经济效益 3、提高劳动生产率 4、改善劳动条件 5、保护环境
《过程控制系统概述》PPT课件
电气信息学院测控系
本课程在自动化类专业中的地位和作用
➢与自动控制理论的联系（思考自控的内容）； ➢与运动控制系统的区别； ➢主要应用场合； ➢支撑课程以及相关基础课程。 ➢在整个自动化大类专业中的地位；
电气信息学院测控系
本课程主要内容
➢基本概念
▪ 过程控制系统的概念和发展状况 ▪ 控制对象的数学模型
采集到的氧气流量，送入 流量变送器FT，再经过开 方器，其结果送到流量控 制器（调节器）FC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） FC进行PID运算，输出控制 信号，去控制调节阀的开 度，从而改变供氧量的大 小，以满足生产工艺要求。
3
FC 4
2 FT
5
氧
气
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
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、程序控 制系统。
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。
计算机控制技术。
电气信息学院测控系
二、过程控制的特点
1、被控过程的多样性 石油化工过程、钢铁生产中的冶炼和轧制过程、核
本课程在自动化类专业中的地位和作用
➢与自动控制理论的联系（思考自控的内容）； ➢与运动控制系统的区别； ➢主要应用场合； ➢支撑课程以及相关基础课程。 ➢在整个自动化大类专业中的地位；
电气信息学院测控系
本课程主要内容
➢基本概念
▪ 过程控制系统的概念和发展状况 ▪ 控制对象的数学模型
采集到的氧气流量，送入 流量变送器FT，再经过开 方器，其结果送到流量控 制器（调节器）FC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） FC进行PID运算，输出控制 信号，去控制调节阀的开 度，从而改变供氧量的大 小，以满足生产工艺要求。
3
FC 4
2 FT
5
氧
气
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
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、程序控 制系统。
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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。
计算机控制技术。
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二、过程控制的特点
1、被控过程的多样性 石油化工过程、钢铁生产中的冶炼和轧制过程、核
相关主题
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(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
1.1.2 过程控制的特点
1.1.1 过程控制的发展概况 1.控制理论的发展
2.自动化仪表的发展
3.过程控制系统的发展
PID控制、串级控制、前馈—反馈控制；更有为满足特定要求
而开发的比值控制、均匀控制、选择性控制、推断控制、解耦 控制、模糊控制、预测控制、最优控制等方法或策略。
1.2 过程控制系统的组成 1.2.1 过程控制系统的组成和框图
1.2.2 过程控制系统的分类
1.2.3 过程控制系统的传递函数
1.2 过程控制系统的组成
统理论相结合，基于大系统的分解和协调思想，逐步发展形成
了大系统理论。现代控制理论在航空、航天和军事等领域取得 了辉煌的成果，但对于复杂的工业过程有时却显得力不从心。
1.控制理论的发展 20世纪80年代以来，对于具有多变量、强耦合性、不确定性、 非线性、信息的不完全性和大纯滞后等特征的复杂系统，软测 量和软测量建模、预测控制、基于知识的专家系统、模糊控制、 神经网络控制、基于信息论的智能控制等先进控制技术应运而 生，成为自动控制的前沿学科。
图1-5 储槽液位对象及其液位控制系统示意图 a)储槽液位对象 b)人工控制 c)自动控制 1—进料阀 2—出料(调节)阀
1.2.1 过程控制系统的组成和框图 1)被控对象 被控对象是指需要实现控制的设备、机械或生产
过程，如图1-5c中的储槽、图1-6中的换热器。
2)被控变量 被控变量是指被控对象内要求保持一定数值(或按 某一规律变化)的物理量，如图1-5c中的储槽液位、图1-6中的被 加热介质出口温度。 3)控制变量 控制变量也称为操纵变量，是指受执行器控制， 用以使被控变量保持一定数值的物料或能量，如图1-5c中的出 料流量qo、图1-6中的蒸汽流量。
(2)单元组合仪表控制系统
(3)集中型计算机控制系统 (4)集散控制系统 (5)现场总线控制系统
(1)基地式仪表控制系统 基地式控制仪表相当于把单元组合仪表的几个单元组合在一起， 构成一个仪表。它通常以指示、记录仪表为主体，附加控制、 测量、给定等部件，其控制信号输出一般为开关量，也可以是 标准统一信号。一个基地式仪表具有多种功能，与执行器联用， 便可构成一个简单的调节系统。通常该类系统的功能较简单， 控制准确度较低，适合用于单参数的控制。而且基地式仪表信 号仅在本仪表内起作用，一般不能传送给别的仪表或系统，各 测控点间的信号难以相互沟通，操作人员只能通过巡视生产现 场来了解生产状况。
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。
3.过程控制系统的发展 (1)基地式仪表控制系统
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
1.控制理论的发展 自动控制理论是研究自动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.控制理论的发展 现代控制理论是20世纪60年代初期，为适应系统的非线性特性、
多变量特性和最佳性能要求等需要而出现的新理论。
理论主要以状态空间方法为基础，以Pontryagin极大值原理、B ellman动态规划和Kalman滤波等最优控制理论为特征，研究多 输入多输出(MIMO)、变参数等复杂系统的“反馈”和“最优” 控制问题。随后，相继产生和发展了系统辨识、随机控制、鲁 棒控制和自适应控制等很多理论分支。20世纪70年代开始，为 了解决大规模复杂系统的控制和优化问题，现代控制理论和系