过程控制系统[李国勇][电子教案]第1章概述PPT课件
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过程控制系统第1章 过程控制系统概述
(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
1-01 过程控制技术与系统PPT课件
对控制回路而言，当设定值发生变化或系统受扰 动后，被控制量应平稳、迅速和准确地趋近或回复 到设定值。
衡量控制系统的品质指标: • 1）单项指标：稳定性、准确性、快速性 • 2）综合指标：适当组合单项指标
2021/3/19
过程控制 第一章
33
§1.3.2 以过渡过程形式表征的性能指标
1．稳定性 2 ．准确性 3 ．快速性
（1）开环控制系统（前馈控制系统）
控制设备和控制对象在信号关系上没有形成闭合回路。
特点； 优点： 缺点：
是按扰动进行控制。 结构简单，速度快 精度差，只能克服单一扰动。
（2）闭环控制系统（反馈控制系统）
被控量信号反馈到控制设备的输入端，成为控制设备生产控制作用的依据
特点； 基于偏差，消除偏差 优点： 可以克服各种扰动对被控量的影响 缺点： 控制作用落后于干扰，速度慢 （3）复合控制系统
2021/3/19
过程控制 第一章
23
（3）顺序控制
顺序控制一般可分为: 时间定序式
过程定序式
时间定序式: 指按预定的时间顺序而触发控制作 按照用生产的过发程生工（艺如要启求预动先／拟停定止的、顺闭序，合有／计断划开、等有）步骤；、
自动地对生产过程进行一系列的操作
主要过用于程主定机序或式辅:机依的自据动生启产停过程程序进控制行，的以状及态辅决助定系统下的一 程序序控步控制制、控。定制如期作汽排用机污是的和否自定动期发启吹生停灰。程的序程控序制控、制磨等煤 。机自动启停程
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过程控制 第一章
24
（4）自动保护：
在发生故障时，自动采取保护措施，使故障及时消 除或保护设备不受严重破坏。
要求： 为确保设备的安全
发生故障时能自动地完成必要的操作，使故障及 时消除（防患于未然）
衡量控制系统的品质指标: • 1）单项指标：稳定性、准确性、快速性 • 2）综合指标：适当组合单项指标
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过程控制 第一章
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§1.3.2 以过渡过程形式表征的性能指标
1．稳定性 2 ．准确性 3 ．快速性
（1）开环控制系统（前馈控制系统）
控制设备和控制对象在信号关系上没有形成闭合回路。
特点； 优点： 缺点：
是按扰动进行控制。 结构简单，速度快 精度差，只能克服单一扰动。
（2）闭环控制系统（反馈控制系统）
被控量信号反馈到控制设备的输入端，成为控制设备生产控制作用的依据
特点； 基于偏差，消除偏差 优点： 可以克服各种扰动对被控量的影响 缺点： 控制作用落后于干扰，速度慢 （3）复合控制系统
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过程控制 第一章
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（3）顺序控制
顺序控制一般可分为: 时间定序式
过程定序式
时间定序式: 指按预定的时间顺序而触发控制作 按照用生产的过发程生工（艺如要启求预动先／拟停定止的、顺闭序，合有／计断划开、等有）步骤；、
自动地对生产过程进行一系列的操作
主要过用于程主定机序或式辅:机依的自据动生启产停过程程序进控制行，的以状及态辅决助定系统下的一 程序序控步控制制、控。定制如期作汽排用机污是的和否自定动期发启吹生停灰。程的序程控序制控、制磨等煤 。机自动启停程
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过程控制 第一章
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（4）自动保护：
在发生故障时，自动采取保护措施，使故障及时消 除或保护设备不受严重破坏。
要求： 为确保设备的安全
发生故障时能自动地完成必要的操作，使故障及 时消除（防患于未然）
第1章 过程控制系统概述ppt课件
三、过程控制系统的分类
１. 按结构特点分类 (１) 反馈控制系统 (２) 前馈控制系统
(３) 前馈—反馈控制系统（复合控制系统）
２. 按给定信号的特点分类 (１) 定值控制系统
(２) 程序控制系统 (３) 随动控制系统
(１) 方框图中每一个方框表示一个具体的实物。 (２) 方框之间带箭头的线段表示它们之间的信号联系，与 工艺设备间物料的流向无关。 (３) 比较点不是一个独立的元件，而色色 ２. 控制过程多属缓慢过程和参量控制形式 ３. 控制方案多种多样 ４. 定值控制是过程控制的一种主要控制形式
要求学生能应用控制理论和工程处理方法，掌握 过程控制系统控制方案的分析、设计和工程实施能 力。
§１—２ 过程控制系统的组成、特征及分类
一、过程控制系统的组成
１. 常用术语（见表１—２—１）
２. 方框图
方框图是控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的 图解表示，是控制系统进行理论分析、设计中常用到的一种形 式。每一个方框表示系统中的一个组成部分（也称为环节）， 方框内填入表示其自身特性的数学表达式或文字说明。
学习目标
１. 了解过程控制的发展历程和发展方向。 ２. 了解本课程的地位和性质。 ３. 掌握过程控制的定义，弄清过程控制的目的。 ４. 掌握过程控制系统的组成和特点。 ５. 掌握过程控制系统的分类以及相互之间的区别。
§1—1 绪论
一、过程控制概述
1．定义 过程控制系统是以表征生产过程的参量为被控制量，使 之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里 “过程” 是指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。表征过程的主要参量有温度、压力、 流量、液位、成分和浓度等。过程控制系统的任务就是通 过对过程参量的控制，使生产过程中产品的产量增加、质 量提高、能耗减少，实现工业生产过程自动化。
过程控制系统电子教案01
1.1 过程控制的要求与任务过程控制(Process Control)是指石油、化工、电力、冶金、轻工等工业部门以连续性物流为主要特征的生产过程的自动控制。
➢过程控制的任务：在充分了解生产过程的工艺流程和动静态特性的基础上，应用控制理论对系统进行分析与综合，以生产过程中物流变化信息量作为被控量，选用适宜的技术手段和自动化装置，达到优质、高产、低耗的控制目标。
➢过程控制的目标：安全性越限、事过程控制的目标故报警；连锁保护；故障预测与诊断；容错稳定性抑制干扰、保持生产过程的稳定运行经济性低成本、高效益、少能耗1.2.1 系统组成电加热器加热水产生一定压力的水蒸汽，并通过上部的输汽管供给用户或下一个工序，为了及时补充因蒸发而不断减少的锅炉水量，在锅炉下部用水泵连续地加入冷水。
由电加热炉控制系统可知，过程控制系统由以下几部分组成：1．被控过程（或对象）；2．用于生产过程参数检测的检测与变送仪表；3．控制器；4．执行机构；5．报警、保护和连锁等其它部件。
1.2.2 过程控制系统特点1. 被控过程的多样性石油化工过程、钢铁生产中的冶炼过程……被控量的多样性：压力温度流量液位……不同于运动控制系统。
2. 控制方案的多样性系统硬件：调节仪表、控制器、执行机构（调节阀）、检测与变送仪表控制算法：PID控制、复杂控制、先进控制、智能控制等控制方案结构：单变量控制系统、多变量控制系统、单回路控制、多回路控制3. 被控过程属慢过程、多参数控制连续工业过程大惯性和大滞后决定了被控过程为慢过程被控量有压力、流量、液位、温度、成分等多个4. 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。
基本要求：稳定性、准确性和快速性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。
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。
1．衰减比和衰减率衰减比等于两个相邻同向波峰值之比。
过程控制系统总复习ppt课件
控制规律的选择PI PID PD P 控制器正反作用确实定
重点掌握：单回路过程控制的设计，对于特定的控制对 象，会进展分析和设计
练习
3-22 一个热交换器如下图，用蒸汽将进入其中的冷水 加热至一定温度，消费工艺要求热水温度应坚持 定值〔t±1℃〕，试设计一个单回路控制系统。
设计内容： 1、被控量的选择〔根据〕； 2、输入量确实定〔根据〕； 3、控制构造的选择，画出控制框图。 4、调理阀的选择〔气开气关〕 5、控制器控制规律选择〔根据〕 6、控制器的正反作用确定。
• 内容及范围
• 模糊控制的根本概念：隶属函数的定义；模糊集合的表示； 模糊集的根本运算〔交、并、补运算〕
• 会求出两个模糊矩阵A和B的合成计算 • 模糊控制器的根本组成和任务原理。 • 看上课 ppt复习根本运算
第十章 计算机过程控制系统
• 内容及范围 • 计算机过程控制系统：组成和特点；类型〔5种〕 • 数据通讯类型：串行和并行，定义和特点 • 工业网络技术：网络拓扑，各种拓扑的特点，运用场所。 • 介质访问控制技术：种类 和用途。 • 过失控制技术：分类 • OSI开放系统互连参考模型 • 集散控制系统的三层构造
本框图。副回路和主回路的作用。结合“烧成带温度控制 系统〞例子掌握串级控制的 任务过程。〔ppt〕 • 串级控制系统的分析：减小对象的时间常数、提高系统的 任务频率、加强系统的抗干扰才干、对负荷变化有一定的 顺应才干。
• 串级控制系统的设计：主变量的选择、副变量的选择〔原 那么〕、串级控制系统的控制框图、主副控制器的选择 〔正反作用确实定〕、控制规律确实定、调理阀的选择。 结合5.4运用例子掌握串级控制系统的设计
• 大林算法：设计思想；振铃景象的判别。
史密斯补偿 原理分析
重点掌握：单回路过程控制的设计，对于特定的控制对 象，会进展分析和设计
练习
3-22 一个热交换器如下图，用蒸汽将进入其中的冷水 加热至一定温度，消费工艺要求热水温度应坚持 定值〔t±1℃〕，试设计一个单回路控制系统。
设计内容： 1、被控量的选择〔根据〕； 2、输入量确实定〔根据〕； 3、控制构造的选择，画出控制框图。 4、调理阀的选择〔气开气关〕 5、控制器控制规律选择〔根据〕 6、控制器的正反作用确定。
• 内容及范围
• 模糊控制的根本概念：隶属函数的定义；模糊集合的表示； 模糊集的根本运算〔交、并、补运算〕
• 会求出两个模糊矩阵A和B的合成计算 • 模糊控制器的根本组成和任务原理。 • 看上课 ppt复习根本运算
第十章 计算机过程控制系统
• 内容及范围 • 计算机过程控制系统：组成和特点；类型〔5种〕 • 数据通讯类型：串行和并行，定义和特点 • 工业网络技术：网络拓扑，各种拓扑的特点，运用场所。 • 介质访问控制技术：种类 和用途。 • 过失控制技术：分类 • OSI开放系统互连参考模型 • 集散控制系统的三层构造
本框图。副回路和主回路的作用。结合“烧成带温度控制 系统〞例子掌握串级控制的 任务过程。〔ppt〕 • 串级控制系统的分析：减小对象的时间常数、提高系统的 任务频率、加强系统的抗干扰才干、对负荷变化有一定的 顺应才干。
• 串级控制系统的设计：主变量的选择、副变量的选择〔原 那么〕、串级控制系统的控制框图、主副控制器的选择 〔正反作用确实定〕、控制规律确实定、调理阀的选择。 结合5.4运用例子掌握串级控制系统的设计
• 大林算法：设计思想；振铃景象的判别。
史密斯补偿 原理分析
过程控制系统及其应用PPT课件.
第三个阶段最大成就就是大规模集成电路和微 处理器的产生，这大大加速了工业计算机的商 品化和计算机技术的普及和发展。为了满足工 业计算机可靠性和灵活性的需要，作为一种全 新的工业控制工具，集散控制系统产生了 （Distributed Control Systems, DCS）。 它是集计算机技术、控制技术、通信技术和图 形显示技术于一体的计算机系统。而另一方面， 控制理论和其它学科相互渗透，从而形成了以 大系统理论和智能控制理论为代表的所谓第三 代控制理论。
第七节 现场总线技术 一、现场总线技术及其产生的背景 二、现场总线的工作原理 三、现场总线的技术特点 四、几种典型的现场总线
第九章 过程自动化控制系统的应用实例
第一节 恒压供水控制系统 一、概述 二、恒水压控制装置 三、其他方案
第二节 楼宇设备管理和监控系统 一、概述 二、系统的组成及工作原理 三、系统软件 四、系统的特点
过程控制系统及其应用
目录
第一章 过程控制的基本概念
第一节 过程控制的发展概况 第二节 过程控制系统的组成
一、被控对象 二、 传感器和变送器 三、 控制器 四、 执行器 五、 控制阀
第三节 过程控制的分类 一、各种分类方法 二、设定值分类
第四节 生产对过控制的要求和指标 一、生产对过程控制的要求 二、过程控制系统的品质指标
四、执行器
执行器接收控制器的控制信号u，经变换或 放大后推动调节阀。目前的执行器有气动执行 器和电动执行器，如控制器是电动的，而执行 器是气动的，则在控制器与执行器之间要有电 气转换器。如用电动执行器，则控制器输出须 经伺服放大器放大才能驱动执行器以推动调节 阀。
五、调节阀
控制器输出控制信号u，经气动或电动执行 器驱动调节阀，改变输入对象的操纵量q，使 被控量受到控制。
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。
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1.传递函数
图1-13 环节的输入-输出关系
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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
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2.框图变换
图1-14 简单控制系统框图
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(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
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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。
第一章过程控制系统概述ppt课件
15
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。
3．控制对象大多属于慢过程
3
FC
4
2
FT
5
氧气
1
转炉
图1.2 转炉供氧控制系统
13
第1章 过程控制系统概述
过热蒸汽控制
14
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。
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。
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。
• （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。
7
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。
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。
3．控制对象大多属于慢过程
3
FC
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FT
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氧气
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转炉
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
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。
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。
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。
• （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。
7
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。
过程控制第一章绪论 ppt课件
返回本节 36
ppt课件
第2讲
第三节 过程控制系统的组成及其分类
一、过程控制系统组成
ppt课件
37
人工控制
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
汽包锅炉给水人工控制示意图
人工/自动
ppt课件 38
自动控制
给水 w h 蒸汽 D
测量单元
执行单元
控制单元
给定单元
（1）局部自动化阶段 （20世纪 50～60年代）
自动化仪表安装在现场生产设 适用于小规模、局部过程控制。
备上，只具备简单的测控功能。
ppt课件
12
（2）模拟单元仪表控制阶段（20世纪60～70年代 ） 特点： 自动化仪表划分成各种标准功能单元，按需 控制仪表集中在控制室，生产现场各处的参
第三章 简单过程控制系统
第四章 复杂过程控制系统
ppt课件
54
主要参考书
施仁， 《自动化仪表与过程控制》 电子工业出版社 ，2003 孙优贤， 《工业过程控制技术 》 化学工业出版社 ，2006 陈夕松 ， 《过程控制系统》， 科学出版社，2003 刘元杨， 《自动检测和过程控制》 冶金工业出版社 ，2003 金以慧，《过程控制》，清华大学出版社
以不变性原理为理论基础，直接根据扰动量的大小进行工 作，扰动是控制依据，及时克服扰动对被控量的影响。它 是一种开环控制，实际中一般不能单独使用。
ppt课件
49
3）复合控制系统
将前馈和反馈控制结构结合起来，充分利用开环前馈和反馈 控制两者的优点，大大提高控制质量
ppt课件
50
2、按给定值信号特点来分类
ppt课件
第2讲
第三节 过程控制系统的组成及其分类
一、过程控制系统组成
ppt课件
37
人工控制
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
汽包锅炉给水人工控制示意图
人工/自动
ppt课件 38
自动控制
给水 w h 蒸汽 D
测量单元
执行单元
控制单元
给定单元
（1）局部自动化阶段 （20世纪 50～60年代）
自动化仪表安装在现场生产设 适用于小规模、局部过程控制。
备上，只具备简单的测控功能。
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12
（2）模拟单元仪表控制阶段（20世纪60～70年代 ） 特点： 自动化仪表划分成各种标准功能单元，按需 控制仪表集中在控制室，生产现场各处的参
第三章 简单过程控制系统
第四章 复杂过程控制系统
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主要参考书
施仁， 《自动化仪表与过程控制》 电子工业出版社 ，2003 孙优贤， 《工业过程控制技术 》 化学工业出版社 ，2006 陈夕松 ， 《过程控制系统》， 科学出版社，2003 刘元杨， 《自动检测和过程控制》 冶金工业出版社 ，2003 金以慧，《过程控制》，清华大学出版社
以不变性原理为理论基础，直接根据扰动量的大小进行工 作，扰动是控制依据，及时克服扰动对被控量的影响。它 是一种开环控制，实际中一般不能单独使用。
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49
3）复合控制系统
将前馈和反馈控制结构结合起来，充分利用开环前馈和反馈 控制两者的优点，大大提高控制质量
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2、按给定值信号特点来分类
《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。
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• 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
过程控制系统[李国勇][电子教案]第1章概述
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1.3 过程控制系统的性能指标
工业生产过程对控制的要求，可以概括为准确性、 稳定性和快速性。另外，定值控制系统和随动（伺服） 控制系统对控制的要求既有共同点，也有不同点。定 值控制系统在于恒定，即要求克服干扰，使系统的被 控参数能稳、准、快地保持接近或等于设定值。而随 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。根据过程控制的特点，主要讨论定 值检测的性能指标。图1-3为一个过程控制系统的阶 跃响应曲线。
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1.2 过程控制系统的组成与特点
1.2.1 过程控制系统组成 在生产过程中有各种各样的控制系统，图 1-2所示为几个简单控制系统的示例。
图1-2
12
过程控制系统一般由被控过程（或称被控 对象）、测量变送装置、执行器和控制器（或 称调节器）等环节组成。 （1）被控过程 （2）测量变送装置 （3）执行器 （4）控制器 （5）报警、保护和连锁等其他部件
y1 y 3 100 % y1
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2. 最大动态偏差和超调量 最大动态偏差是指设定值阶跃响应中，过 渡过程开始后第一个波峰超过其新稳态值的 幅度，如图1-3中的。 最大动态偏差占被控变量稳态变化幅度的 百分数称为超调量。对于二阶振荡过程而言， 超调量与衰减率有严格的对应关系，即超调 量可表示为
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随着现代工业生产的发展，工业过程越来 越复杂，对过程控制的要求也越来越高，传统 的模拟式过程检测控制仪表已经不能满足控制 要求，因而采用计算机作为控制器组成计算机 过程控制系统。从控制方法的角度看，有单变 量过程控制系统，也有多变量过程控制系统。 同时，控制算法多种多样，有PID控制、复杂 控制，也有包括智能控制的先进控制方法等等。
0
(2)绝对误差积分(IAE) (3)平方误差积分(ISE)
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工业生产对过程控制的要求是多方面的， 最终可以归纳为安全性、稳定性和经济性。 （1）安全性 （2）稳定性 （3）经济性
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因此，过程控制的任务是在充分了解、掌 握生产过程的工艺流程和动静态特性的基础上， 根据上述三项要求，应用理论对控制系统进行 分析与综合，以生产过程中物流变化信息量作 为被控变量，选用适宜的技术手段，实现生产 过程的控制目标。
过程控制系统
李国勇 编著
电子工业出版社
整体概况
概况一
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01
概况二
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03
第1章 概 述
目录
1.1 过程控制的要求与任务 1.2 过程控制系统的组成与特点 1.3 过程控制系统的性能指标 1.4 过程控制系统的设计 1.5 过程控制的发展与趋势 本章小结
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1.2 过程控制系统的组成与特点
1.2.1 过程控制系统组成 在生产过程中有各种各样的控制系统，图
1-2所示为几个简单控制系统的示例。
图1-2
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过程控制系统一般由被控过程（或称被控 对象）、测量变送装置、执行器和控制器（或 称调节器）等环节组成。 （1）被控过程 （2）测量变送装置 （3）执行器 （4）控制器 （5）报警、保护和连锁等其他部件
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(2) 控制方案的多样性 由工业生产过程的特点以及被控过程的多
样性决定了过程控制系统的控制方案必然是多 样的。这种多样性包含系统硬件组成和控制算 法以及软件设计。对于图1-1和图1-2所示的简 单过程控制系统，早期的控制器采用的是模拟 调节仪表，如果将控制器、执行器和检测元件 与变送器统称为常规检测控制仪表，则一个简 单的过程控制系统可以被认为是由被控过程和 常规检测控制仪表两部分组成，这样的系统也 称之为常规仪表过程控制系统。
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通常，将系统中被控制的物理量称为 被控变量，而被控变量所要求的理想值称 为设定值或给定值。设定值是系统的输入 变量，被控变量是系统的输出变量。
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过程控制系统一般有如下两种运行状态。一 种是稳态，此时系统没有受到任何外来干扰， 同时设定值保持不变，因而被控变量也不会随 时间变化，整个系统处于稳定平衡的工况。另 一种是动态，当系统受到外来干扰的影响或者 在改变了设定值后，原来的稳态遭到破坏，系 统中各组成部分的输入输出变量都相继发生变 化，尤其是被控变量也将偏离原稳态值而随时 间变化，这时就称系统处于动态。经过一段调 整时间后，如果系统是稳定的，被控变量将会 重新达到新设定值或其附近，系统又恢复稳定 平衡工况。
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(3) 被控过程属慢过程，且多属参数控制 连续工业生产过程大惯性和大滞后的特点
由连续生产的特征可知，工业生产过程更强调实时 性和整体性。协调复杂的耦合与制约因素，求得全局 优化，也是十分重要的。
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2. 过程控制系统的特点 (1) 被控过程的多样性
工业生产过程涉及到各种工业部门，其物料 加工成的产品是多样的。同时，生产工艺各不 相同，如：石油化工过程、冶金工业中的冶炼 过程、核工业中的动力核反应过程等等，这些 过程的机理不同，甚至执行机构也不同。因此， 过程控制系统中的被控对象（包括被控变量） 是多样的，明显地区别于运动控制系统。
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随着现代工业生产的发展，工业过程越来 越复杂，对过程控制的要求也越来越高，传统 的模拟式过程检测控制仪表已经不能满足控制 要求，因而采用计算机作为控制器组成计算机 过程控制系统。从控制方法的角度看，有单变 量过程控制系统，也有多变量过程控制系统。 同时，控制算法多种多样，有PID控制、复杂 控制，也有包括智能控制的先进控制方法等等。
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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 计算机等构成的控制总体，称为过程控制 系统。
图1-1 转炉供氧控制系统
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图1-1表示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等要设备。熔融的铁水 装入转炉后，通过氧枪供给一定的氧。其目的是 使铁水中的碳氧化燃烧，以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。由图1-1可见，从节流装置1采集到 的氧气流量，送入流量变送器FT，再经过开方器 2，其结果送到流量控制器FC，流量控制器FC根 据氧气流量的测量值与其设定值的偏差，按照一 定的控制算法输出控制信号，去控制调节阀3的 开度，从而改变供氧量的大小，以满足生产工艺 的要求。
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1.1 过程控制的要求与任务
生产过程是指物料经过若干加工步 骤而成为产品的过程。该过程中通常会 发生物理化学反应、生化反应、物质能 量的转换与传递等等，或者说生产过程 表现为物流变化的过程。伴随物流变化 的信息包括体现物流性质（物理特性和 化学成分）的信息和操作条件（温度、 压力、流量、液位或物位等）的信息。
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生产过程的总目标，应该是在可能获得 的原料和能源条件下，以最经济的途径将 原物料加工成预期的合格产品。为了达到 该目标，必须对生产过程进行监视与控制。
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对生产过程所进行的控制，称为过程 控制，它是自动控制学科的一个重要分支。 过程控制一般是指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。 它主要针对所谓六大参数，即温度、压力、 流量、液位(或物位)、成分和物性等参数的 控制问题，它能覆盖许多工业部门，诸如 石油、化工、冶金、炼焦、造纸、建材、 轻工、纺织、陶瓷、食品及电力等等，因 而，过程控制在国民经济中占有极其重要 的地位。
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1.2.2 过程控制系统特点 1. 工业生产过程的特点 由于过程控制主要是指连续工业生产过程的
控制，故工业生产过程的特点主要指连续工业 生产过程的特点。
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工业生产过程伴随着物理化学反应、生化反应、 物质能量的转换与传递，是一个十分复杂的大系统， 存在不确定性、时变性以及非线性等因素。因此，过 程控制的难度是显而易见的，要解决过程控制问题必 须采用有针对性的特殊方法与途径。工业生产过程常 常处于恶劣的生产环境中，同时常常要求苛刻的生产 条件，如高温、高压、低温、真空、易燃、易爆或有 毒等等。因此，生产设备与人身的安全性特别重要。
工业生产对过程控制的要求是多方面的， 最终可以归纳为安全性、稳定性和经济性。 （1）安全性 （2）稳定性 （3）经济性
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因此，过程控制的任务是在充分了解、掌 握生产过程的工艺流程和动静态特性的基础上， 根据上述三项要求，应用理论对控制系统进行 分析与综合，以生产过程中物流变化信息量作 为被控变量，选用适宜的技术手段，实现生产 过程的控制目标。
过程控制系统
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第1章 概 述
目录
1.1 过程控制的要求与任务 1.2 过程控制系统的组成与特点 1.3 过程控制系统的性能指标 1.4 过程控制系统的设计 1.5 过程控制的发展与趋势 本章小结
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1.2 过程控制系统的组成与特点
1.2.1 过程控制系统组成 在生产过程中有各种各样的控制系统，图
1-2所示为几个简单控制系统的示例。
图1-2
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过程控制系统一般由被控过程（或称被控 对象）、测量变送装置、执行器和控制器（或 称调节器）等环节组成。 （1）被控过程 （2）测量变送装置 （3）执行器 （4）控制器 （5）报警、保护和连锁等其他部件
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(2) 控制方案的多样性 由工业生产过程的特点以及被控过程的多
样性决定了过程控制系统的控制方案必然是多 样的。这种多样性包含系统硬件组成和控制算 法以及软件设计。对于图1-1和图1-2所示的简 单过程控制系统，早期的控制器采用的是模拟 调节仪表，如果将控制器、执行器和检测元件 与变送器统称为常规检测控制仪表，则一个简 单的过程控制系统可以被认为是由被控过程和 常规检测控制仪表两部分组成，这样的系统也 称之为常规仪表过程控制系统。
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通常，将系统中被控制的物理量称为 被控变量，而被控变量所要求的理想值称 为设定值或给定值。设定值是系统的输入 变量，被控变量是系统的输出变量。
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过程控制系统一般有如下两种运行状态。一 种是稳态，此时系统没有受到任何外来干扰， 同时设定值保持不变，因而被控变量也不会随 时间变化，整个系统处于稳定平衡的工况。另 一种是动态，当系统受到外来干扰的影响或者 在改变了设定值后，原来的稳态遭到破坏，系 统中各组成部分的输入输出变量都相继发生变 化，尤其是被控变量也将偏离原稳态值而随时 间变化，这时就称系统处于动态。经过一段调 整时间后，如果系统是稳定的，被控变量将会 重新达到新设定值或其附近，系统又恢复稳定 平衡工况。
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(3) 被控过程属慢过程，且多属参数控制 连续工业生产过程大惯性和大滞后的特点
由连续生产的特征可知，工业生产过程更强调实时 性和整体性。协调复杂的耦合与制约因素，求得全局 优化，也是十分重要的。
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2. 过程控制系统的特点 (1) 被控过程的多样性
工业生产过程涉及到各种工业部门，其物料 加工成的产品是多样的。同时，生产工艺各不 相同，如：石油化工过程、冶金工业中的冶炼 过程、核工业中的动力核反应过程等等，这些 过程的机理不同，甚至执行机构也不同。因此， 过程控制系统中的被控对象（包括被控变量） 是多样的，明显地区别于运动控制系统。
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随着现代工业生产的发展，工业过程越来 越复杂，对过程控制的要求也越来越高，传统 的模拟式过程检测控制仪表已经不能满足控制 要求，因而采用计算机作为控制器组成计算机 过程控制系统。从控制方法的角度看，有单变 量过程控制系统，也有多变量过程控制系统。 同时，控制算法多种多样，有PID控制、复杂 控制，也有包括智能控制的先进控制方法等等。
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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 计算机等构成的控制总体，称为过程控制 系统。
图1-1 转炉供氧控制系统
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图1-1表示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等要设备。熔融的铁水 装入转炉后，通过氧枪供给一定的氧。其目的是 使铁水中的碳氧化燃烧，以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。由图1-1可见，从节流装置1采集到 的氧气流量，送入流量变送器FT，再经过开方器 2，其结果送到流量控制器FC，流量控制器FC根 据氧气流量的测量值与其设定值的偏差，按照一 定的控制算法输出控制信号，去控制调节阀3的 开度，从而改变供氧量的大小，以满足生产工艺 的要求。
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1.1 过程控制的要求与任务
生产过程是指物料经过若干加工步 骤而成为产品的过程。该过程中通常会 发生物理化学反应、生化反应、物质能 量的转换与传递等等，或者说生产过程 表现为物流变化的过程。伴随物流变化 的信息包括体现物流性质（物理特性和 化学成分）的信息和操作条件（温度、 压力、流量、液位或物位等）的信息。
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生产过程的总目标，应该是在可能获得 的原料和能源条件下，以最经济的途径将 原物料加工成预期的合格产品。为了达到 该目标，必须对生产过程进行监视与控制。
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对生产过程所进行的控制，称为过程 控制，它是自动控制学科的一个重要分支。 过程控制一般是指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。 它主要针对所谓六大参数，即温度、压力、 流量、液位(或物位)、成分和物性等参数的 控制问题，它能覆盖许多工业部门，诸如 石油、化工、冶金、炼焦、造纸、建材、 轻工、纺织、陶瓷、食品及电力等等，因 而，过程控制在国民经济中占有极其重要 的地位。
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1.2.2 过程控制系统特点 1. 工业生产过程的特点 由于过程控制主要是指连续工业生产过程的
控制，故工业生产过程的特点主要指连续工业 生产过程的特点。
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工业生产过程伴随着物理化学反应、生化反应、 物质能量的转换与传递，是一个十分复杂的大系统， 存在不确定性、时变性以及非线性等因素。因此，过 程控制的难度是显而易见的，要解决过程控制问题必 须采用有针对性的特殊方法与途径。工业生产过程常 常处于恶劣的生产环境中，同时常常要求苛刻的生产 条件，如高温、高压、低温、真空、易燃、易爆或有 毒等等。因此，生产设备与人身的安全性特别重要。