第一章过程控制系统概述教材

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FC
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2
FT
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氧气
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转炉
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图1.2 转炉供氧控制系统
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第1章 过程控制系统概述
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过热蒸汽控制
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第1章 过程控制系统概述
过程控制系统特点
一．过程工业的特点 过程控制是指连续过程工业， 特点主要指连续过程生产， 过程工业是十分复杂的大系统， 存在不确定性、时变性以及非线性等因素， 过程控制的难度是显而易见的， 工业过程生产环境恶劣，生产条件苛刻， 采用智能控制方法和计算机控制技术。
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第过1章程控过制程与控集制散系系统统概述
1.2 过程控制系统的组成与特点
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f (t)
r(t) e(t)
－
z(t)
控制器
u(t)
q(t)
y(t)
执行器
被控过程
测量变送
过程控制系统的一般性框图 1．被控过程（或对象）；
2．检测变送(用于生产过程参数检测的检测与变送仪表)；
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.
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第过1章程控过制程与控集制散系系统统概述
生产过程的要求：安全性,稳定性,经济性
(1)安全性:生产过程中，确保人身和设备安全 是最重要和最基本的要求. (2)稳定性:系统抑制外部干扰、保持生产过程 长期稳定运行的能力. (3)经济性:低成本高效益是过程控制的另一个目标.
单项性能指标以控制系统被控参数过渡过程的单项特征量作
为性能指标，而偏差积分性能指标则是一种综合性指标。由于在
多数情况下，都希望得到衰减振荡过程，所以以衰减振荡的过渡
过程形式为例，讨论控制系统的品质指标。
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第1章 过程控制系统概述
稳态与动态 1、稳态—把被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的稳
3．控制器；
4．执行器(机构). 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
名词术语：
（1）被控参数（变量）y(t)：被控过程内要求保持稳定 的工艺参数,如温度、压力、流量、液位、成分等； （2）控制参数（亦称操作变量控制介质）q(t)：使被控 参数保持期望值的物料量或能量； （3）干扰量f(t)：除被控参数外，作用于被控过程并引 起被控参数变化的各种因数； （4）设定值r(t)：与被控参数相对应的设定值； （5）反馈值z(t)：被控参数经测量变送后的实际测量值； （6）偏差e(t)：设定值与反馈值之差； （7）控制作用u(t)：控制器的输出值。
2、动态—把被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统 的动态。
即控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过渡 过程。当干扰破坏了系统的平衡时，被控变量就会发生变化，而 控制器、控制阀等自动化装置就要产生控制作用来使系统恢复平 衡。
集中参数控制系统、分布参数控制系统
按控制算法分类：
简单控制系统、复杂控制系统、先进或高级控制系统
按控制器形式分类：
常规仪表过程制系统、兰计州算理机工过大程学控电制信系学统院
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第1章 过程控制系统概述
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
1、定值控制系统：是工业生产过程中应用最多的一种过程控制系统。在运行 时，系统被控量的给定值是不变的。有时根据生产工艺要求，被控量的给定 值保持在规定的小范围附近波动。定值控制系统在于恒定，要求克服干扰， 使系统的被控参数能稳、准、快地保持接近或等于设定值。
图2 室温自动控制系统示意图 1—热水加热器；3—控制器；
（温度、压力、流量、物位、 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。
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第1章 过程控制系统概述
转炉是炼钢生产中的一种设备。熔融的铁水装入转炉后，通过氧枪 供给转炉一定的氧气，进行吹氧。使铁水中的碳氧化燃烧，不断降低 铁水中的含碳量。控制吹氧量和吹氧时间，可以获得不同品种的钢产 品。图可见，从节流装置1采集到的氧气流量，送入流量变送器FT2， 再经过开方器3，其结果送到流量控制器（调节器）FC4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） FC4进行PID运算，输出控制信号，去控制调节阀5的开度，从而改变供 氧量的大小，以满足生产工艺要求。
工业过程可以分为：连续过程工业、离散过程工业和间歇过程工业. 过程控制主要是指连续过程工业的过程控制
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第过1章程控过制程与控集制散系系统统概述
过程控制（Process control）：是指连续生产过程的自 动控制。石油、化工、水利、电力、冶金、轻工、纺织、 制药、建材、核能、环境工程等许多领域的自动控制系统， 都属于过程控制系统。 连续生产过程特征是：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。例如室内温度的控制。
2、随动控制系统：是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。它的 主要作用是克服一切扰动，使被控量随时跟踪给定值。随动（伺服）控制系 统的主要目标是跟踪，即稳、准、快地跟踪设定值。
3、程序控制系统：其给定值按预定的时间程序来变化。如机械工业中的退火 炉的温度控制系统，其给定值是按升温、保温、逐次降温等程序变化的。家 用电器中应用定值控制系统的也很多，如电脑控制的洗衣机、电饭煲等。
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。
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第1章 过程控制系统概述
过程控制多种分类方法：
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
按参数性质分类：
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第1章 过程控制系统概述
按系统结构分类：1）反馈控制；2）前馈控制；3）复合控制。
前馈补偿器
测量变送 执行器
f (t) y(t)
被控过程
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x(t)
－
控制器
前馈补偿器 执行器
f (t) y(t)
被控过程
测量变送
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第1章 过程控制系统概述
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
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第1章 过程控制系统概述
仪表控制系统：由被控过程和过程检测控制仪表两部分组成。 控制方法上:单变量过程控制系统、多变量过程控制系统。 控制算法：PID控制、智能控制等。
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
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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
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
例：图为人工控制室温。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。
在此人的作用
可分为三步：
眼看
脑想
回风
手动
温度计
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第1章 过程控制系统概述
控制器（或称调节器）根据系统输出量测值与设定值的偏差，按 照一定的控制算法输出控制量，对被控过程进行控制。
执行机构（如：调节阀）接受控制器（调节器）送来的控制信息 调节被控量，达到预期的控制目标。 过程的输出信号通过检测与变 送仪表，反馈到控制器的输入端，构成闭环控制系统。
控制器输入端。如：
测量值 控制器
执行器
干扰f
被控对象
被控量
开环控制系统原理框图
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第1章 过程控制系统概述
3）复合控制系统 前馈与反馈相结合，优势互补。如：
控制器2
变送器
干扰f
+
给定 值
e
+
－ 控制器1 +
实测值
执行器 变送器
被控对象
被控变 量
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前馈-反馈复合控制系统原理框图
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第1章 过程控制系统概述
1.3 过程控制系统的性能指标
控制系统的性能指标是根据工艺对控制的要求来制定的，概 括为稳定性、准确性和快速性。
当被控对象受到干扰、被控变量发生变化时，控制系统抵制 干扰、纠正被控变量的过程，反映了控制系统的优劣。为此，要 有评价控制系统的性能指标。
过程控制系统
赵小强
2019/6/12
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第1章 过程控制系统概述
基本概念 组成 特点 分类 性能指标 发展历程
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第过1章程控过制程与控集制散系系统统概述
1.1 过程控制的基本概念
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：
态（静态）。 当自动控制系统的输入和输出均恒定不变时，系统就处于一种
相对稳定的平衡状态 ，系统的各个环节也都处于稳定状态，但生产 还在进行，物料和能量仍然有进有出，只是平稳进行没有改变就是 了。
静态特性—静态时系统各环节的输入输出关系。
y
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静态
动态
静态
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第1章 过程控制系统概述
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第1章 过程控制系统概述
二.过程控制系统的特点
1．控制对象复杂、控制要求多样
石油化工过程、钢铁生产中的冶炼过程、核工业中的动力核反应过程。过程 控制系统中的被控对象（被控量）是多样的。
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。
1）反馈控制系统（闭环控制系统）
将被控变量输入到控制器，形成闭环，具有被控变量
负反馈的控制系统。如：
+e
给定值 －
控制器
执行器
干扰f
被控对象
被控变量
实测值
变送器
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反馈控制系统是过程控制最基本的结构形式。
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第1章 过程控制系统概述
2）前馈控制系统（开环控制系统） 控制系统没有被控变量负反馈，不将被控变量引入到
恒温室
送风 阀门
图 室温人工控制示意图
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第1章 过程控制系统概述
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。
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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
送风
过程控制系统的定义：
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为实现对某个工艺参数的自
动控制，由相互联系、制约
3
4
TC M
的一些仪表、装置及工艺对 象、设备构成的 一个整体。
回
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风
TT
过程控制系统的主要任务
热水 回水 是：对生产过程中的重要参数