过程控制_第一章
第一章过程控制系统概述
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)
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
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
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。
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
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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
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。
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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(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。
第一章-过程控制基本概念
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。
过程控制-第一章
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。
过程控制工程第一章答案(孙洪程著)教学内容
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。
《过程控制》
《过程控制》课程笔记第一章概论一、过程控制系统组成与分类1. 过程控制系统的基本组成过程控制系统主要由被控对象、控制器、执行器、检测仪表四个部分组成。
（1）被控对象：指生产过程中的各种设备、机器、容器等，它们是生产过程中需要控制的主要对象。
被控对象具有各种不同的特性，如线性、非线性、时变性等。
（2）控制器：控制器是过程控制系统的核心部分，它根据给定的控制策略，对检测仪表的信号进行处理，生成控制信号，驱动执行器动作，从而实现对被控对象的控制。
控制器的设计和选择直接影响控制效果。
（3）执行器：执行器是控制器与被控对象之间的桥梁，它接收控制器的信号，调节阀门的开度或者调节电机转速，从而实现对被控对象的控制。
执行器的响应速度和精度对控制系统的性能有很大影响。
（4）检测仪表：检测仪表用于实时测量被控对象的各项参数，如温度、压力、流量等，并将这些参数转换为电信号，传输给控制器。
检测仪表的准确性和灵敏度对控制系统的性能同样重要。
2. 过程控制系统的分类根据控制系统的结构特点，过程控制系统可以分为两大类：开环控制系统和闭环控制系统。
（1）开环控制系统：开环控制系统没有反馈环节，控制器根据给定的控制策略，直接生成控制信号，驱动执行器动作。
开环控制系统的优点是结构简单，成本低，但缺点是控制精度较低，容易受到外部干扰。
（2）闭环控制系统：闭环控制系统具有反馈环节，控制器根据检测仪表的信号，实时调整控制策略，生成控制信号，驱动执行器动作。
闭环控制系统的优点是控制精度高，抗干扰能力强，但缺点是结构复杂，成本较高。
二、过程控制系统性能指标1. 稳态误差：稳态误差是指系统在稳态时，输出值与设定值之间的差值。
稳态误差越小，表示系统的控制精度越高。
稳态误差可以通过调整控制器的参数来减小。
2. 动态性能：动态性能是指系统在过渡过程中，输出值随时间的变化规律。
动态性能指标包括上升时间、调整时间、超调量等。
动态性能的好坏直接影响到系统的响应速度和稳定性。
过程控制系统
分析可知，以风量作控制参数为最佳选择。
§2-3 执 行 器 选 择
0、概述
1. 作用
•在自动控制系统中，接受调节器的指令；
•经执行机构将其转换为相应的角位移或直线位移；
•去操纵调节机构，改变被控对象进、出的能量或
物料。
2.
组成
执 行 机 构 调 节 机 构
3. 类型
薄 膜 机 构 － － 应 用 最 广
快开特性：适于要求快速开、闭的控制系统。
抛物线特性：介于直线特性与对数特性之间，弥补了直线特 性小开度时控制性能差的缺点。
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
过程控制系统
第一章 绪论 第二章 单回路控制系统 第三章 串级控制系统
第一章 绪论
1、过程控制的概念
凡是采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通称为过程控制。
2、过程控制的特点
过程控制的目的：保持过程中的有关参数为一定值或按 一定规律变化。
过程控制的特点：
1、被空对象的多样性 2、普遍存在滞后 3、特性往往具有非线性
一般希望控制通道克服扰动的应使扰动作用点位置远离被控 量能力要强，动态响应应比扰动通道快,要突出干扰作用,应使扰 动作用点位置远离被控量。
(三).实例讨论
例1：喷雾式乳粉干 燥设备的控制 。
1.控制要求：干燥后的 产品含水量波动要小。
2.被控参数选择：干 燥器里的温度
3.控制参数的选择 (三种方案如图所示)
8、调节器输出：根据偏差值、经一定算法得到的输出值。
过程控制第一章 动态特性
用脉冲响应曲线建模（开环）
用正弦响应建模（闭环）
其他辨识方法建模
21
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
1 阶跃响应获取应注意的问题
（1）合理选择阶跃扰动的幅度 (一般约为额定负荷的10%～20%) （2）实际阀门只能以有限速度移动 一般认为阶跃信号是在t1 /2时加入 （3）试验前确保被控对象处于稳定工况 考虑过程的非线性特性，应进行多次测试。 （4）若过程不允许同一方向扰动加入，则采用矩形脉冲扰动
Kr = K a r-1 1 - Kr-2a2 + + -1 r-1 K 0ar + -1 r br
29
r =n+m
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
3．由阶跃响应确定非自衡过程近似传递函数
非自衡过程传递函数为：
一阶积分环节的纯迟延过程 G(s) = e-τs Ts
一阶积分环节的多容过程
R
Q0
有自平衡单容对象
d H dt
1 F
(k
2
k H0
H )
传递函数：
G(s) = H(s) = K μ(s) Ts 1
水容
CF
水阻 T CR
2 R
H0
k
12
K k R
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
（2）双容水箱
Qi
H1 F1
R1 Q1
H2
F2
对物质平衡方程在工作点处进行 线性化处理后达到传递函数为：
• t1/2处为扰动起点； • 在s型响应曲线找拐点，并作切线；
• 记交点a、b和c
• 起点到a的距离为τ；
Y
b
• a点到c点的距离为T；
过程控制工程第一章答案(孙洪程著)
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Gc (s)=Kc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。
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29
1.3
过程控制系统的组成
(5) 管理计算机(—上位机) ： 它通过数据通信总线和系 统中各智能单元，采集各种数据信息，并综合下达诸 如设定值(SPC)等各种高级命令。它可以进行集中管 理与最优控制，实现信息—控制—管理一体化。通常 管理计算机还有可能供用户进一步开发高级语言软件， 可完成有关工艺参数间复杂的运算和数据分析工作等。
10
1.3
过程控制系统的组成
过程控制系统：通常是指工业生产过程中自动控制
系统的被控量是温度、压力、流量、成分、粘度、湿 度和pH值(酸碱度或氢离子浓度)等这样一些过程变量 的系统。 连续生产过程的特征是：生产过程中的各种流体，在 连续（或间歇）的流动过程中进行着物理化学反应、 物质能量的转换或传递。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)
20
1.3
过程控制系统的组成
过热蒸汽温度控制系统控制框图
“过程”(又称对象)―被控制的装置或设备 y(t)―被控参数：过热蒸汽的温度 f(t)―扰动作用 q(t)―操纵变量（控制参数） μ(t)―称为控制作用 测量变送器―将y(t)成比例地转换为测量信号z(t) x(t)―给定值
11
1.3 过程控制系统的组成
例1如室内温度的控制。图1为人工控制室温。假设在冬季，室 内加温是通过热水加热器，将送风加热后源源不断送往恒温室。 为保证恒温室温符合要求，操作人员要随时观察温度计的指示值， 并随时判断和决定如何操作阀门来保证恒温要求，然后进行操作。 送风
人的作用可分 为三步： 眼看 脑想 手动
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
36
1.4
过程控制系统的分类
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
23
转炉供氧量控制系统
控制流程图
1.3
过程控制系统的组成
转炉供氧量控制系统框图
控制系统均由测量元件、变送器、调节器、调节阀和 被控过程等环节构成。如果把测量元件、变送器、调 节器和调节阀统称为过程检测控制仪表，则一个简单 的过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表两 部分组成的。
24
1.3
过程控制系统的组成
绪论
3
1.1 过程控制的基本概念
1. 工业自动化：
利用各种自动化装置对工厂或企业的生产设备或生
产过程进行的自动监测,自动调节,自动控制,自动显示 及管理等。
工业自动化涉及的范围极广，可分为：生产过程自 动化、电气传动自动化、电力系统自动化、生产管理自 动化、楼宇自动化等等。 生产过程自动化是其中的重要分支。它主要针对温 度、压力、流量、液位（或物位），成分和物性等参数 的控制问题进行研究。
28
1.3
过程控制系统的组成
(3) 数据通信总线：它是一条同轴电缆或光导纤维，高速 率传送基本控制单元、过程输入—输出接口单元与显 示操作站之间的数据。 (4) CRT操作站： 它是集散控制系统的人—机接口装置， 主要用于操纵工艺生产过程，并监视工厂的运行状态 及回路组态，调整回路参数(如PID值、极限报警值与 设定值等)，显示动态流程画面以及进行部分生产管理。 通常它由CRT监视器、数据通信总线接口、操作键盘、 打印机、磁带机与软盘驱动装置等组成。
3. 控制器(调节器）
将测量值与事先设定的给定值比较，产生偏差信 号。根据偏差信号自动地进行运算，并将结果输出到 执行机构上，以达到自动调节的目的。 （1）设定值： 采用标准信号。 （2）测量值 ：要求与被控量具有对应关系的标准信号。 （3）偏差量： 正偏差或负偏差
4. 执行器（调节阀）
（过程自动化中用的执行器均为调节阀） 调节阀由执行机构和调节机构组成。
34
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：
比值控制系统（特殊的多变量控制） 分程控制系统（一个调解器带几个阀） 选择性控制系统（非线性切换控制）
35
1.4
过程控制系统的分类
3. 按调节器控制规律分类：
比例（P）控制系统 比例积分(PI)控制系统 比例积分微分（PID）控制系统
13
1.3
过程控制系统的组成
图2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： 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。 14
4 M
2 TT 热水 回水
图2 室温自动控制系统示意图 1—热水加热器；3—控制器； 2—传感变送器；4—执行器
恒温室 温度计
阀门
回风
图1 室温人工控制示意图
12
1.3
过程控制系统的组成
眼看——用传感器或变送器将温度信号转换为 控制器可接受的信号。 脑想——控制器将输入的实测温度信号和要求 值进行比较（相减求偏差) ,并按偏差值计算出控 制量。 手动——人工阀门换成控制阀，按控制信号自 动改变开度。 人工控制受制于人的经验和注意力，控制不精 确。而自动控制按设定好的方案进行计算控制， 可以做到精确的、恰当的控制。
在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特
性基础上，根据生产工艺的要求，应用控制理论对系统
进行分析和综合，最后采用适宜的技术手段加以实现。 值得指出的是，为适应当前生产对控制的要求愈来愈高 的趋势，必须充分注意现代控制技术在过程控制中的应 用，因此可以说，过程控制是控制理论、工艺知识、计
算机技术和仪器仪表等知识相结合而构成的一门应用科 学。
33
1.4
过程控制系统的分类
过程控制系统有多种分类方法。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；按照控制 器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制 系统等。
但在讨论控制原理时，常用的分类方法是按 设定值的形式或系统的结构 Nhomakorabea点分类。
干扰f + 给定值
e
－
控制器
执行器
被控对象
被控变量
实测值
变送器
过程控制系统原理方框图
过程控制系统的主要任务是：对生产过程中的 重要参数（温度、压力、流量、物位、成分、湿度 等）进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化。
16
1.3
过程控制系统的组成
例2 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。发电厂从锅炉汽鼓（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 行的一个重要条件。通常过热蒸汽的温度应达到460℃ 左右再去推动汽轮机做功。
1.3
过程控制系统的组成
在讨论控制系统工作原理时，为清楚地表示自动控制系
统各组成部分的作用及相互关系，一般用原理框图来表示控 制系统。
如图2的室温控制系统是由温度变送器、控制器、电动调 节阀和加热器及房间组成。
干扰f + 给定 值
e
－
控制 器
调节阀
加热器 及房间
实测值
被控变 量
变送器
15
用通用名称表示为：
21
1.3
过程控制系统的组成
例3 转炉供氧量控制系统
转炉是炼钢工业生产过程中的一种重要设备。熔 融的铁水装入转炉后，可以通过氧枪供给转炉一定的 氧气量，在氧气的作用下，铁水中的碳逐渐氧化燃烧， 从而使铁水中的含碳量不断地降低，控制吹氧量和吹 氧时间就可以控制冶炼钢水的含碳量，于是就可以获 得不同品种的钢。
(1) 过程输入—输出接口：它是带有微处理器的智能装置， 主要用于采集过程信息(模拟量和数字量)，故又称其为 数据采集站。它能完成数据采集与预处理，对实时数据 作进一步的加工，提供CRT操作站的显示与打印。同时， 在有管理计算机的情况下，它可以用模拟量与开关量的 方式向过程终端输出计算机的控制指令。
27
1.3
过程控制系统的组成
(2) 过程控制单元(基本控制器，控制站)：它相当于若 干台常规调节器，能完成常规调节器的全部运算与控 制功能，通过软件组态能灵活地构成满足各种不同控 制要求的复杂控制系统。它接受现场的各种信号，并 进行转换，再通过内部微处理器进行各种运算处理， 输出转换为DC4—20mA或接点信号，去操作各类执行 器，实现自动控制。过程控制单元是集散控制系统的 核心。
17
1.3
过程控制系统的组成
每种锅炉与汽轮机组都有一个规定的运行温度，在这 个温度下运行，机组的效率最高。如果过热蒸汽的温度 过高，会使汽轮机的寿命大大缩短；如果温度过低，当 过热蒸汽带动汽轮机作功时，会使部分过热蒸汽变成小 水滴，小水滴冲击汽轮机叶片，会造成生产事故。所以 必须对过热蒸汽的温度进行控制。 过热器之前或中间部分串接一个减温器，通过控制减温 水流量的大小来控制过热蒸汽的温度。
计算机过程控制系统
计算机过程控制系统框图
计算机代替模拟调节 器 计算机过程控 制系统
25
1.3
过程控制系统的组成
例4 集散控制系统（DCS)
(1)过程输入－输出接口 (2)过程控制单元 (3)数据高速通路 (4)CRT操作站 (5)管理计算机(－上位机)
集散控制系统基本组成框图
26
1.3
过程控制系统的组成
过程控制
国海峰
课程名称：过程控制 授课对象：电气工程及自动化专业 先修课程：电子技术基础 检测与信号处理技术 自动控制理论 主要教材及参考书： 邵裕森，《过程控制工程》（第2版）， 机械工业出版社，2004