过程控制系统调节单元共74页
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过程控制讲义课件(全套)
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：
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。
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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：
过程控制系统第四章调节单元
0
饱和，不再符合比例
umin
ur umax u 关系。
例 某比例控制器，温度控制范围为400～800℃，
输出信号范围是4～20mA。当指示指针从600℃变
到700℃时，控制器相应的输出从8mA变为16mA。
求设定的比例度。
u/mA
解
/ e u em ax um ax
100%
20
δ =50%
1 比例调节规律 比例控制数学表达式 ：
u(t)Kce(t)
u(t)为调节器输出的增量值， e(t) 为被控参数与给定值之差。
纯比例调节器的阶跃响应特性
❖ 比例控制的特点
控制及时、适当。只要有偏差，输出立刻成比 例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强。
控制结果存在静差。因为，如果被调量偏差为 零，调节器的输出也就为零
比例积分调节器的阶跃响应特性
3 比例微分控制（PD） 对于惯性较大的对象，常常希望能加快控制速 度，此时可增加微分作用。
渐增强，控制动作缓慢，故积
分作用不单独使用。 t
若将比例与积分组合起来，既能控制及时，又 能消除余差 。
（2） 比例积分控制（PI）
1 1
GC (s) KC 1
TI s 1
K I TI s
K I 称为PI调节器的积分增益，它定义 为：在阶跃信号输入下，其输出的最 大值与纯比例作用时产生的输出变化 之比。
3 安全栅
安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表，其作用一方 面保证信号的正常传输；另一方面则控制流入危险场所的能量 在爆炸性气体或爆炸性混合物的点火能量以下，以确保过程控 制系统的安全火花性能。
第一节 DDZ-Ⅲ型模拟式调节器
补充 ：PID调节规律，比例积分微分调节规律
过程控制系统 第4章 简单控制系统ppt课件
7
可编辑课件PPT
控制系统设计基本内容
① 确定控制方案
调研，论证 包括被控变量的选择与确认﹑操纵变量的选择与确认﹑检测点
的初步选择、绘制出带控制点的工艺流程图和编写初步控制方 案设计说明书等等。
② 仪表及装置的选型
要考虑到供货方的信誉﹑产品的质量﹑价格﹑可靠性﹑精度﹑ 供货方便程度﹑技术支持﹑维护等因素。
设定值 偏差 控制器
扰动
操纵
扰动通道
变量
被控变量
执行器
被控对象
检测变送
(a) F(s)
Gf(s)
R(s) E(s)
U(s)
Q(s)
Y(s)
Gc(s)
Gv(s)
Gp(s)
Ym(s)
Gm(s)
Go(s)
(b) 图 4-2 简单控制系统的框图
5
可编辑课件PPT
4.2 简单控制系统的设计
4.2.1控制系统设计概述
被控变量选择应遵循下列原则：
尽量选择能直接反映产品质量的变量作为被控变 量；
所选被控变量能满足生产工艺稳定﹑安全﹑高效 的要求
必须考虑自动化仪表及装置的现状。
10
可编辑课件PPT
操纵变量选取应遵循下列原则：
①操纵变量必须是工艺上允许调节的变量； ②操纵变量是应该是系统中所有被控变量的输入
检测元件和变送器用于检测被控变量，并将检测 到的信号转换为标准信号输出。
控制器用于将检测变送单元的输出信号与设定值 信号进行比较，按一定的控制规律对其偏差信号 进行运算，运算结果输出到执行器。
执行器是控制系统环路中的最终元件，直接用于 控制操纵变量变化。
被控对象是需要控制的设备 。
4
可编辑课件PPT
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控制系统设计基本内容
① 确定控制方案
调研，论证 包括被控变量的选择与确认﹑操纵变量的选择与确认﹑检测点
的初步选择、绘制出带控制点的工艺流程图和编写初步控制方 案设计说明书等等。
② 仪表及装置的选型
要考虑到供货方的信誉﹑产品的质量﹑价格﹑可靠性﹑精度﹑ 供货方便程度﹑技术支持﹑维护等因素。
设定值 偏差 控制器
扰动
操纵
扰动通道
变量
被控变量
执行器
被控对象
检测变送
(a) F(s)
Gf(s)
R(s) E(s)
U(s)
Q(s)
Y(s)
Gc(s)
Gv(s)
Gp(s)
Ym(s)
Gm(s)
Go(s)
(b) 图 4-2 简单控制系统的框图
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4.2 简单控制系统的设计
4.2.1控制系统设计概述
被控变量选择应遵循下列原则：
尽量选择能直接反映产品质量的变量作为被控变 量；
所选被控变量能满足生产工艺稳定﹑安全﹑高效 的要求
必须考虑自动化仪表及装置的现状。
10
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操纵变量选取应遵循下列原则：
①操纵变量必须是工艺上允许调节的变量； ②操纵变量是应该是系统中所有被控变量的输入
检测元件和变送器用于检测被控变量，并将检测 到的信号转换为标准信号输出。
控制器用于将检测变送单元的输出信号与设定值 信号进行比较，按一定的控制规律对其偏差信号 进行运算，运算结果输出到执行器。
执行器是控制系统环路中的最终元件，直接用于 控制操纵变量变化。
被控对象是需要控制的设备 。
4
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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。
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。
过程控制系统参数PPT课件
2-2 过程控制系统参数
第1页/共43页
2-1 调节规律 2-2 比例P控制 2-3 积分I控制 2-4 微分D控制 2-5 PID控制
第2页/共43页
2-1 调节规律
1、调节器的控制规律
设定值
控制器
执行器
扰动
被控对象
被控变 量
测量变送
第3页/共43页
2、偏差
控制规律是指控制器的输出信号与 输入偏差信号随时间变化的规律。在 单回路定值控制系统中，由于扰动作 用的存在，会使被控变量对给定值产 生偏差，此偏差数值上等于被控变量 给定值与测量值之差。即：
I1 I2 I3 0
Vo1
R7
VT VS VT V7 VB 0
R2
R3
R6
R3 R3 R6
R8
反相端：
VT
1 3
VS
VB
I I I ' ' ' 0
1
2
3
Vi
VF
VF
VF
1 2
V( O1
VB)
VB
0
R1
R3
R5
VF
1 3
Vi
1 2
VO1
2VB
对于理想运放, VT VF
DDZ-Ⅲ型控制器有两个基型品种，全刻度指示控制器 偏差指示控制器
第36页/共43页
PID控制器的组成原理
PID控制器组成框图
第37页/共43页
ＰID控制器的特性分析
输入电路
主要作用:
R5
R1
Vi
F
－
R2
T +IC1
R7
VS
R3
R4
R6
第1页/共43页
2-1 调节规律 2-2 比例P控制 2-3 积分I控制 2-4 微分D控制 2-5 PID控制
第2页/共43页
2-1 调节规律
1、调节器的控制规律
设定值
控制器
执行器
扰动
被控对象
被控变 量
测量变送
第3页/共43页
2、偏差
控制规律是指控制器的输出信号与 输入偏差信号随时间变化的规律。在 单回路定值控制系统中，由于扰动作 用的存在，会使被控变量对给定值产 生偏差，此偏差数值上等于被控变量 给定值与测量值之差。即：
I1 I2 I3 0
Vo1
R7
VT VS VT V7 VB 0
R2
R3
R6
R3 R3 R6
R8
反相端：
VT
1 3
VS
VB
I I I ' ' ' 0
1
2
3
Vi
VF
VF
VF
1 2
V( O1
VB)
VB
0
R1
R3
R5
VF
1 3
Vi
1 2
VO1
2VB
对于理想运放, VT VF
DDZ-Ⅲ型控制器有两个基型品种，全刻度指示控制器 偏差指示控制器
第36页/共43页
PID控制器的组成原理
PID控制器组成框图
第37页/共43页
ＰID控制器的特性分析
输入电路
主要作用:
R5
R1
Vi
F
－
R2
T +IC1
R7
VS
R3
R4
R6
过程控制系统课件第四章调节单元
u = KC e
即调节作用是以偏向存在为前提条件，不可能
做到无静差调节。
在实际的比例控制器中，习惯上使用比例度δ来表 示比例控制作用的强弱。
所谓比例度就是指控制器输入偏向的相对变化 值与相应的输出相对变化值之比，用百分数表示。
( e / u )100%
em axem in um axum in
式中e为输入偏向；u为控制器输出的变化量； 〔emax - emin〕为输入的最大变化量,及输入量程； 〔umax –umin〕为输出的最大变化量，即控制器 的输出量程。
DDZ-Ⅲ型基型调节器 模拟式控制器用模拟电路实现控制功能。其开展 经历了Ⅰ型〔用电子管〕、Ⅱ型〔用晶体管〕和Ⅲ 型〔用集成电路〕。
1 DDZ-Ⅲ型仪表的特点4～20mA.DC； 内给定信号：1～5V.DC； 测量与给定信号的指示精度：±1％； 输入阻抗影响：≤满刻度的0.1％； 输出保持特性：－0.1％〔每小时〕； 输出信号：4～20mA.DC； 调节精度：±0.5％； 负载电阻：250～750Ω。
1 比例调节规律 比例控制数学表达式 ：
u(t)Kce(t)
u(t)为调节器输出的增量值， e(t) 为被控参数与给定值之差。
纯比例调节器的阶跃响应特性
❖ 比例控制的特点
❖ 控制及时、适当。只要有偏向，输出立即成比 例地变化，偏向越大，输出的控制作用越强。
控制结果存在静差。因为，假如被调量偏向为 零，调节器的输出也就为零
比例度:
( e / u )100%
em axem in um axum in
假如控制器输入、输出量程相等，那么:
u
e100% 1 100%
umax
u
KC
比例度除了表
过程控制系统课件-第五章-执行单元分解
第五节 电/气转换器与阀门定位器
一、 电/气转换器
为了使气动调节阀能够接收电动调节器的输出信号，必 须把标准电流信号转换为标准气压信号。
电/气转换器作用：
将4～20mA的电流 信号转换成20～100KPa 的标准气压信号。
力平衡式电/气转换器的原理图
I ↑ 吸力Fi↑ 杠杆偏转 挡板与喷嘴间隙↓ 背压↑ 放大器输入↑ 输出压力P ↑ 杠杆 的反馈力Ff ↑ 杠杆平衡 P∝I
当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为:
Q A 2p
式中各参数的单位变化时，注意进行修正。
调节阀尺寸的确定过程为：
根据通过调节阀的最大流量 qmax ，流体密度
以及调节阀的前后压差 p ，先由上式求得最大的流通能力
Cmax ，然后选取大于 Cmax 的最低级别的C值，
即可依据表5－2确定出Dg和dg的大小。
可看出，调节阀全关时阀上压降最大，基本等于系
统总压力；调节阀全开时阀上压力降至最小。
为了表示调节阀两端压差△PT的变化范围，以 阀权度s表示调节阀全开时，阀前后最小压差△PTmin 与总压力△ P之比。 s = △ PTmin / △ P
以 qmax 表 示 串 联 管 道 阻 力 为 零 时 (s=1) ， 阀 全 开时达到的最大流量。可得串联管道在不同s值时， 以自身qmax作参照的工作流量特性。
x
1
时，流量变化大。
qmax
❖ 等百分比阀在各流量点的放大系数不同，但对 流量的控制力却是相同的。
同样以10％、50％及80％三点为例，分别增加
10%开度，相对流量变化的比值为：
10%处：
Q/Q100
（6.58%-4.68%）/4.68%≈41%
过程控制系统-PID控制共58页
冷水Q
图 3 . 1 加 热 器 出 口 水 温 控 制 系 统
+ 图3.2中的直线1表示比
3 Q1 Q0
例调节器的静特性，即B A1来自AB 2O
调节阀的开度随水温变
0 C
C
化的情况，水温越高， 调节阀开的越小，因此 它在图中是左高右低的 直线。比例带越大，则 直线的斜率越大。图中 曲线2和3分别代表加热 器在不同的热水流量下
过程控制系统-PID控制
1、战鼓一响，法律无声。——英国 2、任何法律的根本；不，不成文法本 身就是 讲道理 ……法 律，也 ----即 明示道 理。— —爱·科 克
3、法律是最保险的头盔。——爱·科 克 4、一个国家如果纲纪不正，其国风一 定颓败 。—— 塞内加 5、法律不能使人人平等，但是在法律 面前人 人是平 等的。 ——波 洛克
+ 图3.1是一个热水加热器的出口水温控制系
统。在这个控制系统中，热水温度 是由传
感器 获取信号并送到调节器 的，调节器
控制加热蒸汽的调节阀开度以保持出口水 蒸汽D
温恒定 C 加热器的热负荷既决定于热水的流
量 也决 T 定于热水温度 。假如现在采用比
例调冷水节Q器，并将调节阀的开度 直接视为调
节器的输出。
•生产过程的目标
+ 安全性 在整个生产过程中，确保人身和设备安全是 最基本和最重要的要求。在生产过程中具体采用越限 报警、事故报警、连锁保护等措施来保证生产过程的 安全性。
+ 稳定性 指系统抑制外部干扰、保持生产过程长期稳 定运行的能力。
+ 经济型 在满足以上两个基本要求的基础上，低成本 高效益是过程控制的另一个目标。为了达到这个目标， 不仅需要对控制系统进行优化设计，还需要管控一体 化，即以经济效益为目标的整体优化。
过程控制装置 3调节器讲解共69页
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
过程控制装置 3调节器讲解 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
过程控制装置 3调节器讲解 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
过程控制单元及主要模件
模件柜
端子柜
SYMPHONY 系统介绍 Page 5
系统介绍：过程控制单元 Harmony Control Unit
模件安装单元后背板的控制总线
C.W 跳线器 Jumper
槽1 位 隔2 离
3
槽1
位
连 接
2
3
前视图
是一条高速、冗余的负责同 一HCU内控制器之间的数据 交换的总线, 采用无主从之 分,两端不封闭的总线结构, 当模件插入后,自动上网参 与数据交换。 控制总线是1M波特率的点对 点通讯总线, 最多支持32个 控制器模件。 控制器通过冗余的控制总线 发送数据与接受数据，在接 受数据时会对数据的正确性 进行校验。
介质选择: J5-J7(LOOP1), J8-J10(LOOP2)
1
1
2
2
3
3
同轴电缆 双绞线
系统介绍：网络处理模件Network Processing Master Module
机柜所提供的安装条件
NEMA1
规格尺寸 600X800X2100
800X800X2100
SYMPHONY 系统介绍 Page 4
IECABxxx
Cabinet
IEMMUxx
Module Mounting Unit
NFTP01
Field Termination Panel
系统介绍：过程控制单元 Harmony Control Unit
Power Chassis
各 电源模块 自
Power Supply Tray
独
总线监视 Bus Monitoring Assemble
立
风扇组件
Fan Assemble
SYMPHONY 系统介绍 Page 12