过程控制基础知识[精.选]
过程控制系统知识点大全
绪论一、过程控制工程课设置的目的和任务Process control（过程控制）课，是培养从事过程控制系统的方案设计，及其在工程上予以实施的能力。
控制方案的形成有两个来源：一是来自控制原理的进展，讨论的核心问题是在保证系统稳定的基础上，如何提高系统的品质；而另一来源是为了满足工艺的特殊要求而开发出来的控制方案。
本课的基础涉及到化工原理、控制原理和仪表计算机技术等学科知识。
二、过程控制的发展简史1、硬件第一阶段：30-40年代，基地式仪表，就地控制第二阶段：40-50年代，电气动单元组合仪表，车间、工段或全厂集中控制第三阶段：60年代后，由于计算机的出现，全厂性、企管性控制2、过程控制手段40年代初：“黑箱子”时期50年代末：“灰箱子”时期，用反馈控制理论于生产过程50年代初、中：①对生产过程的模型的建立导致化工动态学的发展②用实验方法来探讨模型、系统辩识60年代：现代控制理论发展，我国75年后计算机控制较普遍，发展快三、过程控制设计1、从局部的设计到总体的设计，从单回路到多回路再到大系统2、从定值控制到浮动控制3、事故出现硬停车到软保护控制4、从离散控制（模拟仪表）到计算机控制四、学习方法及基本要求本课程上本专业的一门只要专业课，要求学生能综合运用所学的基础课、专业基础课及其他专业课知识，进一步掌握过程控制工程理论和实践知识，培养学生具有解决过程控制系统的分析、设计及投运的能力。
本课程包括课堂教训、实验教学、课程设计、生产实习四个环节。
学习本课程应注意自己的工程实际能力的培养。
五、参考文献1、《化工过程控制工程》祝和运（浙江大学）化学工业出版社2、《过程控制系统及工程》翁维勤化学工业出版社3、《过程控制工程》庄兴稼华中理工大学出版社4、《过程控制系统》F.G.shinskeg 方崇智译化工出版社5、《化工过程控制理论与工程》stephanopoluos G. 关惕华译化学工业出版社六、学时安排课堂教学40学时；实验教学8学时。
过程控制系统基础知识
第一节过程控制发展概况过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、建材、原子能等工业部门生产过程的自动化。
40年代以后，工业生产过程自动化技术发展很快。
尤其是近些年来，过程控制技术发展更为迅猛。
纵观过程控制的发展历史，大致经历了如下几个阶段：50年代前后，一些工厂企业的生产过程实现了仪表化和局部自动化。
这是过程控制发展的第一个阶段。
这个阶段的主要特点是：过程检测控制仪表普遍采用基地式仪表和部分单元组合式仪表(多数是气动仪表)，过程控制系统结构大多数是单输入、单输出系统；被控参效主要是温度、压力、流量和液位四种参数。
控制的目的是保持这些过程参数的稳定，消除或减小主要扰动对生产过程的影响；过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论．主要解决单输人、单输出的定位控制系统约分析和综合问题。
自60年代来，随着工业生产酌不断发展，对过程控制提出了新的要求：随着电子技术的迅速发展，也为自动化技术工具的完善创造了条件．从此开始丁过程控制的第二个阶段。
在仪表方面，开始大量采用气动和电动单元组合仪表。
在过程控制理论方面，除了仍然采用经典控制理论解决实际工业生产过程中遇到的问题外．现代控制理论得到应用，为实现高水平的过程控制奠定了理论基础．从而过程控制由单变量系统转向多变量系统。
但是。
由于过程机理复杂，过程建模困难等等原因，现代控制理论一时还难以应用于实际工业生产过程。
70年代以来．过程控制得到很大发展。
随着现代工业生产的迅猛发展．随着大规模集成电路制造成功与微处理器的相继问世．使功能丰富的计算机的可靠性大大提高、性能价格比又大大提高、尤其是工业控制机采用了冗余技术和软硬件的自诊断措施．使其满足工业控制的应用要求。
随着微型计算机的开发、应用和普及．使生产过程自动化的发展达到了一个新的水平。
过程控制发展到现代过程控制的新阶段:计算机时代。
这是过程控制发展的第三个阶段。
这一阶段纳主要特点是：对全工厂或整个工艺流程的集中控制、应用计算机系统进行多参数综合控制，或者由多台计算机对生产过程进行控制和经营管理。
过程控制计划培训试题
过程控制计划培训试题第一部分：基础知识1. 什么是过程控制计划？它的作用和目的是什么？2. 过程控制计划的基本原理是什么？它是如何实现的？3. 过程控制计划与质量控制计划有何区别？它们之间的关系是什么？4. 过程控制计划应包含哪些内容？这些内容分别起到什么作用？5. 过程控制计划的编制流程是什么？需要注意哪些重点？第二部分：应用能力1. 请结合具体案例，说明过程控制计划在生产过程中的作用和实际应用。
2. 你认为过程控制计划在提高产品质量方面有哪些优势？请举例说明。
3. 在实际生产中，如何确保过程控制计划的有效实施和执行？4. 请解释什么是“过程监控”，它与过程控制计划的关系是什么？如何进行过程监控？5. 对于不同类型的生产过程，过程控制计划的编制方法有何不同？请以具体行业为例进行说明。
第三部分：案例分析1. 某电子产品生产公司在生产过程中出现了一些质量问题，你认为这可能与缺乏有效的过程控制计划有关吗？请举例说明。
2. 请描述一个你所了解的企业在制定并执行过程控制计划中所面临的挑战，并提出应对措施。
3. 某食品加工厂在生产过程中发现原料浪费率偏高，并导致产品成本增加，如何利用过程控制计划来解决这个问题？4. 请以一个你所熟悉的行业为例，说明过程控制计划在提高生产效率和降低成本方面所起到的作用。
5. 请结合具体案例，说明过程控制计划在产品质量管理方面的重要性和作用。
第四部分：综合分析1. 过程控制计划在企业管理中的地位和作用是什么？其与其他管理方法的关系是什么？2. 在企业发展过程中，过程控制计划有何局限性？如何克服这些局限性？3. 在未来的发展中，你认为过程控制计划会有怎样的发展趋势？有哪些新的挑战需要面对？4. 如何评价一个企业的过程控制计划执行情况？有哪些指标可以衡量？5. 你认为过程控制计划对于企业的未来发展有怎样的影响？如何更好地发挥其作用？希望通过以上试题的问答，能够全面了解过程控制计划的基本知识和应用能力，同时也能够通过案例分析和综合分析深入思考和总结。
过程控制考试资料
过程控制系统的概念: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。
集散控制系统（DCS）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。
过程控制单元:它相当于若干个常规调节器，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。
数据高速通路: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。
C RT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、磁带机与软盘驱动等组成。
管理计算机（上位机）:它是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。
过程控制系统的组成: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。
过程控制理论知识点
1过程控制的任务和要求要求三项：安全性经济性稳定性，过程控制的任务就是在了解掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上，根据上述三项要求，应用理论对控制系统进行分析和综合，最后采用适宜的技术手段加以实现。
过程控制的任务是由控制系统的设计和实现来完成的。
2常用过程控制系统分为哪几类三类1.反馈控制系统（根据被控参数与给定值的偏差进行控制的）2.前馈控制系统（根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据）3.前馈-反馈控制系统（前馈控制的主要优点是能迅速及时克服主要扰动对被控量的影响，而前馈反馈能控制利用的反馈控制克服其他扰动，能够使被控量迅速而准确的稳定在给定值上，提高系统的控制质量）1过程控制系统在运行中状态有几种?过程控制系统时域性能指标包括哪些？它们分别反应系统哪些方面性能？两种，一种是稳态，此时系统没有收到任何外来干扰，同时设定值保持不变，因而被调量也不会随时间变化，整个系统处于稳定平衡的工况。
一种是动态，当系统收到外来干扰的影响或者在改变了设定值之后原来的稳态受到破坏，各部分输入输出都发现变化。
时域性能指标（衰减比和衰减率，最大动态误差和超调量，残余偏差，调节时间和振荡频率）衰减比是衡量一个振荡过程的衰减程度的指标，它相当于两个相邻的波峰值之比。
衡量震荡频率过程衰减程度的另一个指标是衰减率，指的是每经过一个周期，波动幅度衰减的百分数。
最大动态误差和超调量最大动态误差是指设定阶跃响应中，过度过程开始后第一个波峰超过其新稳态值的幅度，最大动态偏差占被调量稳态变化幅度的百分比称为超调量残余偏差是指过渡结束之后被调量新的稳态值Y（∞）与新设定值r之间的差值，它是控制系统稳态准确性的衡量指标调节时间和振荡频率调节时间是从过渡过程开始到结束所需的时间过渡过程的振荡频率也可以作为衡量控制系统快速性的一个指标那你。
2什么是被控过程的特性？什么是被控过程的数学模型？目前研究过程数学模型的主要方法有哪些？指被控过程是否容易控制。
过程控制仪表知识点
max
max
ymax ymin KP KI
控制精度（∆）
xmax xmin
1 100% 100% KP KI
第一章 模拟式控制器知识点
例：控制精度为0.2的DDZ-III调节器，最大电 流偏差 I max 。
I max 100% 0.2% I max 32 A 20 4
6、2 比例微分电路微分通断开关由“通” →“断”， “断” → “通”时，为何输出信号保持不变？
1 VTB V01 n
等电位切换
t
V02 (t )
n
[1 ( K D 1)e
D
]V01
通过传递函数或暂态响应三要素法推导。
思考响应曲线
6、3 比例积分电路 响应曲线
第一章 模拟式控制器知识点
闭环、感官、大脑、手脚。
2、P、PI、PD、PID调节规律的特点及其表达式。
第一章 模拟式控制器知识点
比例P调节
y Kp
PI调节
1 100% KP
快速及时，偏差调节。 控制要求不高场合
1 y K P ( TI
dt )
0
t
消除静差，调节作用较缓慢 先比例后积分
t K ITI y K P 1 ( K I 1)(1 e)
第二章 变送器和转换器
功能：将差动电容的相对变化值成比例地转换为 差动电流信号 (电流变化值)。 Ci 2 Ci1 I i K3 K3 K1K 2 Pi K Pi Ci 2 Ci1
（1）振荡器：向解调器电路提供高频电源。 （2）振荡控制电路：利用放大器深度负反馈功能，保证 （I1+I2）不变，保证差动电流Ii与差压成比例关系。 （3）解调器：利用二极管整流，2-11绕组差动平均电流 输出
SPC统计过程控制基础知识
• +3
•当产品的质量特性值的分布,均处于控制
界限(μ±3 )之内,且围绕μ值均匀随机分
布时,则称过程处于受控状态. PPT文档演模板
SPC统计过程控制基础知识
管制图
• 管制图（又名控制图）： 管制图是对过程质量加以测定、记录
并分析从而对过程进行控制管理的一种图。 图中包含中心线（CL）、上控制限 （UCL）、下控制限（LCL），并有按时间 顺序抽取的样本统计数值的描点序列。如 下图所示：
因果图
• 因果图又叫鱼刺图，用来罗列问题的原因， 并将众多的原因分类、分层的图形。
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SPC统计过程控制基础知识
水平对比法
• 水平对比法是通过不断地将企业流程与世 界处于领先地位的企业相比较，以获得有
助于改善经营绩效的信息。它是一项有系 统的、持续性的评估过程。
•工序1 •工序a
•工序2 •工序3 •工序b •工序c
•几小时每次，主要依据样本的差异
•至少为25组数据，这与“每组至少 100个”的条件必须同时满足；（行 业惯例）
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SPC统计过程控制基础知识
•取样的方式
取样必须达到组內变异小，组间变异大 样本数、频率、组数的说明
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SPC统计过程控制基础知识
• 组数的要求(最少25组)
•当制程中心值偏差了两 •个标准差时，它在控制 •限內的概率为0.84，那 •么连续25点在线內的概 •率为：
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SPC统计过程控制基础知识
•每个子组的平均值和极差的计算
1
100 98
99
100 98
2
98
99
98
101 97
过程控制知识点总结
过程控制知识点总结工业过程控制的基础知识过程控制的基础知识涉及到控制系统的组成、控制原理和控制方法。
控制系统由控制器、执行器和传感器组成，通过操纵执行器来达到对被控制对象的控制目的。
传感器用于将被控制对象的状态信息转换成电信号，送入控制器进行处理。
控制系统的基本原理是根据被控对象的状态信息，通过控制器对执行器进行调节，实现对被控对象的控制。
控制方法包括开环控制和闭环控制两种。
开环控制是根据被控对象的状态信息直接进行调节，而闭环控制则需要不断地对被控对象的状态信息进行反馈和调节。
PID控制PID控制是目前工业生产中应用最为广泛的一种控制方法。
PID控制是基于被控对象的状态信息反馈，利用比例、积分和微分三种控制算法进行控制。
比例控制算法通过比较被控对象的实际值和期望值的差异，来实现对执行器的调节。
积分控制算法通过对被控对象状态的积分来对执行器进行调节，从而消除长期的稳态误差。
微分控制算法通过对被控对象状态的微分来对执行器进行调节，从而提高系统的动态响应性。
PID控制可以根据被控对象的特性进行调节，以适应不同的工艺过程需求。
过程控制的现代化技术随着科学技术的不断发展，过程控制领域也不断涌现出一些现代化的技术。
例如，现代化的控制系统往往集成了大量的信息技术、通信技术和自动化技术，能够实现控制系统的智能化和网络化。
传感器技术的不断进步也为过程控制提供了更为精确的信息反馈，从而提高了控制系统的性能。
同时，现代化的控制系统还可以通过远程监控和远程操作实现对生产过程的远程控制，大大提高了生产过程的安全性和可靠性。
过程控制的应用领域过程控制技术在工业生产中有着广泛的应用领域。
例如，在化工、石油、化肥、冶金、电力等行业中，过程控制技术被广泛应用于控制生产过程的各个环节。
在食品、医药等行业中，过程控制技术也被广泛应用于保证产品质量和安全。
在环保、能源等领域中，过程控制技术被应用于实现资源的有效利用和环境的保护。
过程控制技术还在交通、建筑、通信等领域中得到了应用。
过程控制复习重点
过控复习重点第一章1.过控的定义：过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、建材、原子能等工业部门生产过程的自动化。
2.过程控制的特点：①连续生产过程的自动化②过程控制系统由过程检测、控制仪表组成③被控过程是多种多样的、非电量的④过程控制的控制工程多属慢过程、而且多半为参量控制⑤过程控制方案十分丰富⑥定值控制是过程控制的一种常用形式3.过程控制系统的组成：测量元件、变送器、调节器、调节阀（过程检测控制仪表）和被控对象4.过程控制的分类：按过程控制系统的结构特点分①反馈控制系统②前馈控制系统③前馈—反馈控制系统按给定值信号的特点分①定值控制系统②程序控制系统③随动控制系统5.过程控制的任务在了解、熟悉、掌握生产工艺流程与生产过程静态和动态特性的基础上，根据工艺要求，应用控制理论、现代控制技术，分析、设计、整定过程控制系统。
第二章1.过程的数学建模:是设计过程控制系统，确定方控制案、分析质量指标、整定调节器参数等等的重要依据。
2.建模的目的：①设计过程控制系统和整定调节器参数②指导设计生产工艺设备③进行仿真实验研究④培训运行操作人员3.被控过程输入量与输出量之间的信号联系称为过程通道4.控制作用与被控量之间的信号联系称为控制通道5.建模的方法：①机理分析法建模②实验法建模③最小二乘法建模6.自衡建模（1）单容过程：单容过程是指只有一个贮蓄容量的又具有自平衡能力的过程。
传递函数：1)(000+=s T K s W（2）多容过程：在工业生产过程中，被控过程往往由多个容积和阻力构成的过程称为多容过程传递函数：)1)(1()(2100++=s T s T K s W 7.非自衡过程建模（1）单容过程：传递函数：s T s W a 1)(0=(2) 多容过程：传递函数：)1(1)(0+=Ts S T S W a 8.最小二乘法的基本原理：出发点是在获得过程或系统的输入、输出数据后，希望求得最佳的参数值，以使系统方程在最小方差意义上与输入、输出数据相拟合，采用实际观察值替代模型的输出从上式所示的一类模型中找出过程参数向量的估计值，能使模型误差尽可能小的模型。
SPC统计过程控制基础知识
直方图
•直方图是用来分析数据信息的常用工具 ，它能够直观地显示出数据的分布情况。
•
流程图
• 流程图是将一个过程的步骤用图的形式表 示出来的一种图示工具。它既可以用来描 述现有过程，亦可用来设计一个新过程。
•钻孔工艺流程图
•
排列图
•排列图又叫帕累托图，它是将各个项目 从最主要到最次要的顺序进行排列的一种 工具
• 分析阶段的主要目的： 一、使过程处于统计稳态； 二、使过程能力足够。
•
• 分析阶段 分析阶段首先要进行的工作是生产准
备，即把生产过程所需的原料、劳动力、 设备、测量系统等按照标准要求进行准备 。生产准备完成后就可以进行，注意一定 要确保生产是在影响生产的各要素无异常 的情况下进行；然后就可以用生产过程收 集的数据计算控制界限，作成分析用控制 图、直方图、或进行过程能力分析，检验 生产过程是否处于统计稳态、以及过程能 力是否足够。如果任何一个不能满足，则 必须寻找原因，进行改进，并重新准备生 产及分析。直到达到了分析阶段的两个目 的，则分析阶段可以宣告结束，进入SPC 监控阶段。
•
• 监控阶段 监控阶段的主要工作是使用控制用控制
图进行监控。此时控制图的控制界限已经 根据分析阶段的结果而确定，生产过程的 数据及时绘制到控制上，并密切观察控制 图，控制图中点的波动情况可以显示出过 程受控或失控，如果发现失控，必须寻找 原因并尽快消除其影响。监控可以充分体 现出SPC预防控制的作用。
SPC统计过程控制基础 知识
2020年5月29日星期五
SPC摘要
• 一.SPC概述 • 二.SPC技术原理与实施 • 三.SPC的作用简析 • 四.质量管理七大工具 • 五.管制图的制作与判断
过程控制- 第1章绪论
稳定性：系统具有抑制外部扰动，保持生产过程长期稳 定运行的能力。
过程控制是控制理论、工艺知识、计算机技术和自 动化仪表等知识相结合而构成的一门应用科学。
以具体实例来说明过程控制任务的具体实现
1.确定控制目标 ⑴ 在安全运行条件下，保证热油出口温度稳定。
⑵ 在安全运行条件下，保证热油出口温度和烟气 含氧量稳定。
㈡ 按给定值的信号特点分类
1.定值控制系统 x（t）=常数 2.随动控制系统 x（t） =RND（t） （自动跟踪系统）
目的是使所控制的工艺参数准确快速地跟随给定 值变化。 3.程序控制系统 x（t） =f（t） （顺序控制系统）
退火炉温度控制系统的给定值： 按升温、保温与逐次降温等程序自动变化的。
ISE e2 t dt min 0
时间乘误差的平方积分（ITSE）
ITSE te2 t dt min 0
误差绝对值积分（IAE）
IAE
0
e
t
dt
min
时间乘误差绝对值的积分（ITAE）
ITAE
0
t
et
dt
min
工艺管道及工艺流程图
控制流程图符号意义
序号
安装位置
图形符号
备注
周四现场教学分组：
学号 1001～1028 1029～1057 1058～最后
时间 8:30 ～9:00 9:00 ～9:30 9:30 ～10:00
地点：机电楼C129
回路编号
被测变量
工段号
功能
1.字母代号 2.仪表位号的书写规则
控制流程图字母意义
字
第一位字母
后继字母 字
母 被测变量 修饰词 功能 母
过程控制基础知识
过程能力指数的计算公式
Cp 要求 = 过程能力
USL − LSL = 6σ
T = 6σ
1、C p <1时, ——过程能力不能满足要求， 过程能力不能满足要求， 过程能力不能满足要求 需要改进； 需要改进； 2、 p =1时, C ——过程能力恰好满足要求， 过程能力恰好满足要求， 过程能力恰好满足要求 但是没有余地，仍然需要改进； 但是没有余地，仍然需要改进； 2、C p >1时(=1.33时) ——过程能力满足要求，维持 过程能力满足要求， 过程能力满足要求 这种状态。 这种状态。
2、过程波动
产品质量因素（5M1E）分为偶然因素和异常因素 两种。 偶然因素是过程固有的，始终存在，对质量的影响 偶然因素 较小； 异常因素不是过程所固有的，有时存在，有时不存 异常因素 在，对质量影响大，但不难去除。 偶然因素引起偶然波动 偶然波动。 偶然波动 异常因素引起异常波动 异常波动。 异常波动 质量控制关注的重点是产生异常波动的异常因素！ 控制图的实质是：区分偶然因素和异常因素的。
Cpk
LSL
3σ M
3σ
USL
USL-µ
μ-LSL
3σ
3σ
μ-3σ
μ
μ+3σ
偏移的概念示意图
关于偏移的解释
通常过程中心µ在规范限[USL，LSL]之 间，并把规范限分为2个区间[LSL，µ]和 [µ，USL]，按照单侧公差的情况分别计 算过程能力：
C PL
C PU
µ − LSL = 3σ
USL − µ = 3σ
若数据无限增多且组距无限缩小， 若数据无限增多且组距无限缩小，那么频率分布直方图的 顶边缩小乃至形成一条光滑的曲线，我们称此曲线为概率 顶边缩小乃至形成一条光滑的曲线，我们称此曲线为概率 密度曲线
SPC基础知识
107 113 113 112
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统计过程控制基础知识
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过 程 状 态
普通原因引起的变差不能充分反映 过 程 状 态
时间
时间 变差 原因 普通原因
统计过程控制基础知识
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重要参数
♦ 子组数目：为获得过程真实值所需的子组个数
4 12 8 00 4 12 10 00 4 12 12 00 4 12 14 00 4 12 16 00 4 13 8 00 4 13 10 00 4 13 12 00 4 13 14 00 4 13 16 … 00 :
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统计过程控制基础知识
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过程控制主要内容是：
♦ 1、对过程进行分析并建立控制标准； ♦ 2、对过程进行监控和评价； ♦ 3、对过程进行维护和改进。
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统计过程控制基础知识
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二、统计过程控制
♦ 要搞好质量管理首先应明确两点，
（1）贯彻预防原则是现代质量核心与 精髓 ； ♦ （2）质量管理学科有一个十分重要的 特点，即所提出的原则、方针、目标 都要有科学措施和科学方法来保证实 现。
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统计过程控制基础知识
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统计过程控制的定义
统计过程控制：是反馈系统，既将前续 生产过程变化信息反馈到后续生产过程 ，达到控制后续生产的目的
反馈 测量系统 转化 输入 过程系统 输出 统计
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统计过程控制与三论
♦ 系统论 ♦ 信息论 ♦ 控制论
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统计过程控制基础知识
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统计过程控制 两大研究课题
过程控制知识点
(一) 概述1.过程控制概念：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。
2.学科定位：过程控制是控制理论、工艺知识、计算机技术和仪器仪表知识相结合而构成的一门应用学科。
3.过程控制的目标：安全性，稳定性，经济性。
4.过程控制主要是指连续过程工业的过程控制。
5. 过程控制系统基本框图：6. 过程控制系统的特点 :1) 被控过程的多样性2) 控制方案的多样性,包括系统硬件组成和控制算法以及软件设计的多样性。
3) 被控过程属慢过程且多属参数控制4) 定值控制是过程控制的主要形式5) 过程控制有多种分类方法。
过程控制系统阶跃应曲线：7. 衰减比 ：衡量振荡过程衰减程度的指标，等于两个相邻同向波峰值之比。
即：8. 衰减率 ：指每经过一个周期以后，波动幅度衰减的百分数，即：衰减比常用 表示。
9. 最大动态偏差：被控参数偏离其最终稳态值的最大值。
衡量过程控制系统动态准确性的指标10. 超调量：最大动态偏差占稳态值的百分比。
11. 余差：衡量控制系统稳态准确性的性能指标。
12. 调节时间 ：从过渡过程开始到结束的时间。
当被控量进入其稳态值的 范围内，过渡过程结束。
调节时间是过程控制系统快速性的指标。
13. 振荡频率 ：振荡周期P 的倒数，即： 当 相同， 越大则 越短；当 相同时，则 越高， 越短。
因此，振荡频率也可衡量过程控制系统快速性。
被控对象的数学模型（动态特性）：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。
14. 被控对象的动态特性的特点：1单调不振荡。
2具有延迟性和大的时间常数。
3具有纯时间滞后。
4具有自平衡和非平衡特性。
5非线性。
(二) 过程控制系统建模方法机理法建模：根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关方程式，从而得到所需的数学模型。
测试法建模：根据工业过程的输入、输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。
过程控制基础知识.详解
图例 粗实线
名称
图例
0.9～1.2 mm 中粗线 0.5～0.7 mm
细实线 0.15～0.3 mm 电动信号线 气动信号线
管线宽度与其相接 的新管线宽度相同
电伴热 管道 夹套管 管道隔 热层 翅片管 柔性管 同心异 径管 喷淋管
3、仪表图形符号
直径为12mm（或10mm）的细实线圆圈。
仪表位号较多，圆圈内不能容纳时，可以断开。
4、被测变量和仪表功能的字母代号 两位及以上的字母。
第一位表示被测变量，后继字母表示仪表的功能。
温差记录控制器
字 母 A B C D E F
第一位字母
被测变量或初始变量
后继字母 修饰词 功
报警 供选用 控制 差 检测元件 比（分数）
字 母 N O P Q R S
第一位字母
被测变量或初始变量
后继字母 修饰词 功
一、图形符号
1、测量点
一般无特定的图形符号 若测量点位于设备中，
要标出测量点的ห้องสมุดไป่ตู้置：
测量点
d=2㎜
2、连接线图形符号
仪表圆圈与过程测量点的连接引线，通用的仪表
信号线和能源线的符号是细实线。
通用的仪表信号线： 细实线 气压信号线： 电信号线： 或
名称 主要物料管道 其他物料管道 引线、设备、管 件、阀门、仪表 等图例 仪表管道 原有管线 伴热（冷）管道
气动阀门 进水
控制器 变送器
水池
图1-2 简单的水位自动控制系统
自动控制概念
在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置 （称控制装置）,使机器、设备或生产过程（统称被控 对象）的某个工作状态或参数（即被控变量） 自动地 按照预定的规律运行。
过程控制原理
过程控制原理过程控制原理是指在工业生产过程中，通过对生产过程中的各种参数进行监测和调节，以达到控制生产过程的目的。
过程控制原理是工业自动化领域的重要理论基础，它的应用范围涉及到化工、石油、电力、冶金、机械等各个行业。
在现代工业生产中，过程控制原理的应用已经成为提高生产效率、保证产品质量、降低生产成本的重要手段。
过程控制原理的核心是控制系统。
控制系统是由传感器、执行器、控制器和反馈装置组成的，它通过对生产过程中的各种参数进行监测，再经过控制器的处理，通过执行器对生产过程进行调节，最终实现对生产过程的控制。
在控制系统中，传感器起着采集信息的作用，控制器是控制系统的大脑，执行器是控制系统的执行部分，反馈装置则是将执行结果反馈给控制器，使得控制系统能够不断地对生产过程进行调整。
在过程控制原理中，控制系统的稳定性是非常重要的。
控制系统的稳定性是指在外部扰动作用下，控制系统能够保持稳定的工作状态。
为了保证控制系统的稳定性，需要对控制系统进行稳定性分析，找出控制系统中可能存在的不稳定因素，并采取相应的措施进行调整和优化，以确保控制系统的稳定性。
此外，过程控制原理还涉及到控制策略的选择。
控制策略是指根据生产过程的特点和要求，选择合适的控制方法和控制参数，以达到最佳的控制效果。
常见的控制策略包括比例控制、积分控制、微分控制以及它们的组合控制。
在实际应用中，需要根据实际情况选择合适的控制策略，并对控制策略进行调整和优化，以满足生产过程的要求。
总的来说，过程控制原理是工业生产中的重要理论基础，它通过控制系统对生产过程进行监测和调节，以实现对生产过程的控制。
在实际应用中，需要重视控制系统的稳定性分析和控制策略的选择，以确保控制系统能够稳定地工作，并且达到最佳的控制效果。
通过对过程控制原理的深入理解和应用，可以提高生产效率，保证产品质量，降低生产成本，从而推动工业生产的发展和进步。
过程控制基础知识
绪论生产过程自动化，一般是指石油、化工、冶金、炼焦、造纸、建材、陶瓷及电力发电等工业生产中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进行的自动控制通称为过程控制。
过程控制是自动控制学科的一个重要分支。
一、过程控制的定义和任务1.过程控制的基本概念(1)自动控制。
在没有人的直接参与下，利用控制装置操纵生产机器、设备或生产过程，使表征其工作状态的物理参数(状态变量)尽可能接近人们的期望值(即设定值)的过程，称为自动控制。
(2)过程控制。
对生产过程所进行的自动控制，称为过程控制。
或者说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进行的自动控制通称为过程控制。
(3)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、数字仪表或微型计算机等构成的控制总体，称为过程控制系统。
2.过程控制的研究对象与任务过程控制是自动化的一门分支学科，是对过程控制系统进行分析与综合。
综合是指方案设计。
3.过程控制的目的生产过程中，对各个工艺过程的物理量或称工艺变量有着一定的控制要求。
有些工艺变量直接表征生产过程，对产品的产量与质量起着决定性的作用。
例如，精馏塔的塔顶或塔釜温度，一般在操作压力不变的情况下必须保持一定，才能得到合格的产品:加热炉出口温度的波动不能超出允许范围，否则将影响后一工段的效果:化学反应器的反应温度必须保持平稳，才能使效率达到指标。
有些工艺变量虽不直接影响产品的质量和产量，然而保持其平稳却是使生产获得良好控制的前提。
例如，用蒸汽加热反应器或再沸器，如果在蒸汽总压波动剧烈的情况下，要把反应温度或塔釜温度控制好将极为困难:中间储槽的液位高度与气柜压力，必须维持在允许的范围之内，才能使物料平衡，保持连续的均衡生产。
有些工艺变量是决定安全生产的因素。
例如，锅炉汽包的水位、受压容器的压力等，不允许超出规定的限度，否则将威胁生产安全。
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绪论生产过程自动化，一般是指石油、化工、冶金、炼焦、造纸、建材、陶瓷及电力发电等工业生产中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进行的自动控制通称为过程控制。
过程控制是自动控制学科的一个重要分支。
一、过程控制的定义和任务1.过程控制的基本概念(1)自动控制。
在没有人的直接参与下，利用控制装置操纵生产机器、设备或生产过程，使表征其工作状态的物理参数(状态变量)尽可能接近人们的期望值(即设定值)的过程，称为自动控制。
(2)过程控制。
对生产过程所进行的自动控制，称为过程控制。
或者说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进行的自动控制通称为过程控制。
(3)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、数字仪表或微型计算机等构成的控制总体，称为过程控制系统。
2.过程控制的研究对象与任务过程控制是自动化的一门分支学科，是对过程控制系统进行分析与综合。
综合是指方案设计。
3.过程控制的目的生产过程中，对各个工艺过程的物理量或称工艺变量有着一定的控制要求。
有些工艺变量直接表征生产过程，对产品的产量与质量起着决定性的作用。
例如，精馏塔的塔顶或塔釜温度，一般在操作压力不变的情况下必须保持一定，才能得到合格的产品:加热炉出口温度的波动不能超出允许范围，否则将影响后一工段的效果:化学反应器的反应温度必须保持平稳，才能使效率达到指标。
有些工艺变量虽不直接影响产品的质量和产量，然而保持其平稳却是使生产获得良好控制的前提。
例如，用蒸汽加热反应器或再沸器，如果在蒸汽总压波动剧烈的情况下，要把反应温度或塔釜温度控制好将极为困难:中间储槽的液位高度与气柜压力，必须维持在允许的范围之内，才能使物料平衡，保持连续的均衡生产。
有些工艺变量是决定安全生产的因素。
例如，锅炉汽包的水位、受压容器的压力等，不允许超出规定的限度，否则将威胁生产安全。
还有一些工艺变量直接鉴定产品的质量。
例如，某些混合气体的组成、溶液的酸碱度等。
近二十几年来，工业生产规模的迅猛发展，加剧了对人类生存环境的污染，因此，减小工业生产对环境的影响也己纳入了过程控制的目标范围。
综上所述，过程控制的主要目标应包括以下几个方面:①保障生产过程的安全和平稳；②达到预期的产量和质量；③尽可能地减少原材料和能源损耗:④把生产对环境的危害降低到最小程度。
由此可见，生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、降低成本、改善劳动条件、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段，是20世纪科学与技术进步的特征，是工业现代化的标记之一。
4.过程控制的特点生产过程的自动控制，一般是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。
显然，过程参数的变化，不但受外界条件的影响，它们之间往往也相互影响，这就增加了某些参数自动控制的复杂性和难度。
过程控制有如下特点：(1)被控对象的多样性工业生产各不相同，生产过程本身大多比较复杂，生产规模也可能差异很大，这就给对被控对象的认识带来困难。
不同生产过程要求控制的参数各异，且被控参数一般不止一个，这些参数的变化规律不同，引起参数变化的因素也不止一个，并且往往互相影响，所以要正确描绘这样复杂多样的对象特性还不完全可能，至今也只能对简单的对象特性有明确的认识，对那些复杂多样的对象特性，还只能采用简化的方法来近似处理。
虽然理论上有适应不同情况的控制方法，但由于对象特性辨识的困难，要设计出适应不同对象的控制系统至今仍非易事。
(2)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，惯性也较大，内部介质的流动与热量转移都存在一定的阻力，并且往往具有自动转向平衡的趋势，因此当流入或流出对象的物质或能量发生变化时，由于存在容量、惯性和阻力，被控参数不可能立即反映出来。
滞后的大小决定于生产设备的结构与规模，并同其流入量与流出量的特性有关。
显然，生产设备的规模愈大，物质传递的距离愈长，热量传递的阻力愈大，造成的滞后就愈大。
一般来说，过程中大多是具有较大滞后的对象，对自动控制十分不利。
(3)对象特性的非线性对象特性往往是随负荷而变的。
当负荷不同时，其动态特性有明显的差别，即具有非线性特性。
如果只以较理想的线性对象的动态特性作为控制系统的设计依据，则难以达到控制目的。
(4)控制系统比较复杂由于生产安全上的考虑，生产设备的设计制造都力求使各种参数稳定，不会产生振荡，所以作为被控对象就具有非振荡环节的特性。
对象往往具有自动趋向平衡的能力，即被控量发生变化后，对象本身能使被控量逐渐稳定下来，这种对象就具有惯性环节的特性。
也有无自动趋向平衡能力的对象，被控量会一直变化而不能稳定下来，这种对象就具有积分特性。
由于对象的特性不同，其输入与输出量可能不止一个，控制系统的设计在于适应这些不同的特点，以确定控制方案和控制器的设计或选型，以及控制器特性参数的计算与设定。
这些都要以对象的特性为依据，而对象的特性正如上述那样复杂且难以充分认识，所以要完全通过理论计算进行系统设计与整定至今仍不可能。
目前己设计出的各种各样的控制系统(如简单的位式控制系统、单回路及多回路控制系统，以及前馈控制、计算机控制系统等)，都是通过必要的理论计算，采用现场调整的方法达到过程控制的目的的。
二、过程控制的发展与趋势1．自动控制理论的发展历程20世纪40年代开始形成的控制理论被称为"20世纪上半叶三大伟绩之一"，在人类社会的各个方面有着深远的影响。
与其他任何学科一样，控制理论源于社会实践和科学实践。
在自动化的发展中，有两个明显的特点:第一，任务的需要、理论的开拓与技术手段的进展，三者相互推动，相互促进，显示了一幅交错复杂但又轮廓分明的画卷，三者间显出清晰的同性:第二，自动化技术是一门综合性的技术，控制论更是一门广义的学科，在自动化的各个领域，移植和借鉴起了交流汇合的作用。
自动化技术的前驱，可以追溯到我国古代，如指南车的出现。
至于工业上的应用，一般以瓦特的蒸汽机调速器作为正式起点。
工业自动化的萌芽是与工业革命同时开始的，这时的自动化装置是机械式的，而且是自力型的。
随着电动、液动和气动这些动力源的应用，电动、液动和气动的控制装置开创了新的控制手段。
直到20世纪30年代末这段时期的控制理论称为第一代控制理论。
第一代控制理论分析的主要问题是稳定性，主要的数学方法是微分方程解析方法。
这时的系统(包括过程控制系统)是简单控制系统，仪表是基地式、大尺寸的，满足当时的需要。
到第二次世界大战前后，控制理论有了很大发展。
Nyquist (1932)和Bode (1945)频率域法分析技术及稳定判据、Evans根轨迹分析方法的建立，使经典控制理论发展到了成熟阶段，这是第二代控制理论。
至此，自动控制技术开始形成一套完整的，以传递函数为基础，在频率域对单输入、单输出(SISO)控制系统进行分析与设计的理论，这就是今天所谓的古典控制理论。
古典控制理论最辉煌的成果之一要首推PID控制规律。
PID控制原理简单，易于实现，对无时间延迟的单回路控制系统极为有效。
目前，工业过程控制中80%~90%的系统还使用PID 控制规律。
经典控制理论最主要的特点是线性定常对象，单输入、单输出，完成定值控制任务。
从20世纪50年代开始，随着工业的发展、控制需求的提高，除了简单控制系统以外，各种复杂控制系统也发展起来了，而且取得了显著的功效。
为适应多种结构系统的需要，在控制器方面，单元组合仪表应运而生。
在20世纪60~70年代，气动单元组合仪表(QDZ)和电动单元组合仪表(DDZ)是控制仪表的主流。
20世纪60年代，现代控制理论迅猛发展，它是以状态空间方法为基础、以极小值原理和动态规划等最优控制理论为特征，在随机干扰下采用Kalman滤波器的线性二次型系统(LQG)设计方法宣告了时域方法的完成，这是第三代控制理论。
第三代控制理论在航天、航空、制导等领域取得了辉煌的成果，在过程控制领域也有所移植。
从20世纪70年代开始，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。
其核心思想是系统的分解与协调。
多级递阶优化与控制是应用大系统理论的典范。
实际上，大系统理论仍未突破现代控制理论的思想与框架，除了高维线性系统之外，它对其他复杂控制系统仍然束手无策。
对于含有大量不确定性和难于建模的复杂系统，基于知识的专家系统、模糊控制、人工神经网络控制、学习控制和基于信息论的智能控制等应运而生，在许多领域都得到了广泛的应用。
2．过程控制系统的发展与趋势从系统结构来看，过程控制已经经历了四个阶段。
（1）基地式控制阶段(初级阶段)20世纪50年代，生产过程自动化主要是凭生产实践经验，局限于一般的控制元件及机电式控制仪器，采用比较笨重的基地式仪表(如自力式温度控制器、就地式液位控制器等)，实现生产设备就地分散的局部自动控制。
在设备与设备之间或同一设备中的不同控制系统之间，没有或很少有联系，其功能往往限于单回路控制。
过程控制的目的主要是热工参数(如温度、压力、流量及液位)的定值控制，以保证产品质量和产量的稳定。
（2）单元组合仪表自动化阶段20世纪60年代出现了单元组合仪表组成的控制系统，单元组合仪表有电动和气动两大类。
所谓单元组合，就是把自动控制系统仪表按功能分成若干单元，依据实际控制系统结构的需要进行适当的组合。
因此单元组合仪表使用方便、灵活。
单元组合仪表之间用标准统一信号联系。
气动仪表(QDZ系列)为20~100kP a气压信号。
电动仪表信号为0~10 mA直流电流信号(DDZ- II系列)和4~20 mA直流电流信号(DDZ一III系列)。
由于电流信号便于远距离传送，因而实现了集中监控与集中操纵的控制系统，对提高设备效率和强化生产过程有所促进，适应了工业生产设备日益大型化与连续化发展的需要。
由单元组合仪表组成的控制系统，其控制策略主要是PID控制和常用的复杂控制系统(如串级、均匀、比值、前馈、分程和选择性控制等〉。
（3）计算机控制的初级阶段20世纪70年代出现了计算机控制系统，最初是直接数字控制(DDC)实现集中控制，代替常规的控制仪表。
但由于集中控制的固有缺陷，未能普及与推广就被集散控制系统(DCS) 所替代。
DCS在硬件上将控制回路分散化，数据显示、实时监督等功能集中化，有利于安全平稳生产。
就控制策略而言， DCS仍以简单PID控制为主，再加上一些复杂的控制算法，并没有充分发挥计算机的功能和控制水平。
（4）综合自动化阶段20世纪80年代以后出现二级优化控制，在DCS的基础上实现先进控制和优化控制。
在硬件上采用上位机和DCS (或电动单元组合仪表)相结合，构成二级计算机优化控制。