第10章 过程控制系统基本概念
过程控制知识点(精编)
(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η：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ϕ：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y1：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。
经典辨识法：测定动态特性的时域方法，测定动态特性的频域方法，测定动态特性的统计相关法。
过程控制系统的概念
过程控制系统的概念嘿，朋友们！今天咱来聊聊过程控制系统呀！这玩意儿就像是一个神奇的大管家，默默在幕后掌控着一切呢！你想想看，咱平时生活里不也有类似的嘛！就好比家里做饭，从买菜、洗菜、切菜到炒菜，这一系列的步骤不就是一个小的过程控制嘛。
你得知道啥时候该干啥，火候怎么掌握，调料放多少，这可都有讲究呢！要是哪一步弄错了，这道菜可能就不那么美味啦！过程控制系统也是一样的道理呀。
在工厂里呀，各种机器设备轰隆隆地运转着，那可不能瞎搞。
过程控制系统就在那里监督着，保证每个环节都按部就班地进行。
温度啦、压力啦、流量啦，这些都得精确控制，不然生产出来的东西质量能好吗？这就好像是一场精彩的演出，每个演员都要在自己的位置上发挥好，才能呈现出完美的舞台效果。
它就像是一个细心的保姆，时刻关注着“孩子们”的状态。
如果发现有什么不对劲的地方，马上就发出警报，提醒人们赶紧去处理。
而且呀，它还能不断学习和改进呢！就像咱人一样，吃一堑长一智，越来越厉害。
再说说咱的交通系统，那也是一个大的过程控制系统呀！红绿灯指挥着车辆和行人的通行，这不就是在控制着整个交通的流程嘛。
要是没有这个系统，那马路上还不得乱成一锅粥啊！这过程控制系统多重要啊，难道不是吗？它还像是一个经验丰富的船长，带领着一艘大船在茫茫大海中航行。
要根据各种情况及时调整航向和速度，确保安全到达目的地。
要是船长不靠谱，那大家不都得跟着遭殃啊！咱可别小瞧了这过程控制系统，它在我们生活中的方方面面都发挥着巨大的作用呢！没有它，很多事情都没法顺利进行。
所以啊，我们得好好感谢这个默默付出的“大管家”呀！它让我们的生活变得更加有序、高效和安全。
这不就是科技的魅力所在嘛，让我们的生活变得越来越好！你说呢？。
过程控制系统概述
过程控制系统概述杨峰电信学院06自动化3班学号：40604010321所谓过程控制（Process Control）是指根据工业生产过程的特点，采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程自动化。
一﹑过程控制的特点随着生产过程的连续化﹑大型化和不断强化, 随着对过程内在规律的进一步了解,以及仪表﹑计算机技术的不断发展, 生产过程控制技术近年来发展异常迅速.所谓生产过程自动化, 一般指工业生产中(如石油﹑化工﹑冶金﹑炼焦﹑造纸﹑建材﹑陶瓷及热力发电等)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(如温度﹑压力﹑流量等)进行的自动控制统称为过程控制.生产过程的自动控制, 一般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. 由于被控参数不但受内﹑外界各种条件的影响, 而且各参数之间也会相互影响, 这就给对某些参数进行自动控制增加了复杂性和困难性. 除此之外, 过程控制尚有如下一些特点:1. 被控对象的多样性.对生产过程进行有效的控制, 首先得认识被控对象的行为特征, 并用数学模型给以表征, 这叫对象特性的辨识. 由于被控对象多样性这一特点, 就给辨识对象特性带来一定的困难.2. 被控对象存在滞后.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, 惯性也大. 在热工生产过程中, 内部介质的流动和热量转移都存在一定的阻力, 因此对象一般均存在滞后性. 由自动控制理论可知, 如系统中某一环节具有较大的滞后特性, 将对系统的稳定性和动态质量指标带来不利的影响, 增加控制的难度.3. 被控对象一般具有非线性特点.当被控对象具有的非线性特性较明显而不能忽略不计时, 系统为非线性系统, 必需用非线性理论来设计控制系统, 设计的难度较高. 如将具有明显的非线性特性的被控对象经线性化处理后近似成线性对象, 用线性理论来设计控制系统, 由于被控对象的动态特性有明显的差别, 难以达到理想的控制目的.4. 控制系统比较复杂.控制系统的复杂性表现之一是其运行现场具有较多的干扰因素. 基于生产安全上的考虑, 应使控制系统具有很高的可靠性.由于以上特点, 要完全通过理论计算进行系统设计与控制器的参数整定至今乃存在相当的困难, 一般是通过理论计算与现场调整的方法, 达到过程控制的目的.二﹑过程控制系统的组成过程控制系统的组成, 一般可用如下框图表示被控参数（变量）y(t ) ;控制（操纵）参数（变量）q(t) ;扰动量f(t) ;给定值r(t) ;当前值z(t); 偏差e(t) ;控制作用u(t)三、过程控制系统的分类按系统的结构特点来分反馈控制系统，前馈控制系统，复合控制系统（前馈-反馈控制系统）按给定值信号的特点来分定值控制系统，随动控制系统1.反馈控制系统偏差值是控制的依据，最后达到减小或消除偏差的目的。
过程控制系统及工程课件
过程控制系统及工程课件一、引言过程控制系统是指用于监控、调节和控制工业过程的设备和技术的集合体。
它在工业领域起着至关重要的作用，能够提高生产效率、确保产品质量并降低成本。
本课件将介绍过程控制系统及工程的基本概念、主要组成部分和实际应用。
二、过程控制系统概述2.1 过程控制系统定义过程控制系统是指一组硬件设备、软件系统和控制策略，用于监测和操纵工业过程以满足特定的要求和性能指标。
它通常包括传感器、执行器、控制器和人机界面等组成部分。
2.2 过程控制系统的作用和优势过程控制系统在工业生产中发挥着重要作用，主要体现在以下几个方面：•自动化控制：过程控制系统能够自动实现对工业过程的监控和控制，减少人工干预，提高生产效率和产品质量。
•系统集成：过程控制系统能够集成不同的硬件设备和软件系统，实现协同工作，提高系统的可靠性和一体化程度。
•数据采集与分析：过程控制系统能够采集大量的过程数据，并对其进行实时分析和处理，为决策提供支持，并优化生产过程。
•故障诊断与预测：过程控制系统能够及时检测和诊断设备故障，并通过数据分析和模型预测，提前预防故障的发生，减少停机时间和维修成本。
2.3 过程控制系统的工程流程过程控制系统的设计和实施需要遵循一定的工程流程，一般包括以下几个阶段：•系统需求分析：明确过程控制系统的功能需求和性能指标，制定详细的技术规格书。
•系统设计与选择：根据需求分析结果，选择合适的硬件设备和软件系统，并进行系统设计和配置。
•系统集成与调试：将选择的设备和系统进行集成，并进行调试和测试，确保各项功能正常运行。
•系统运行与维护：系统正式投入使用后，需要进行运行和维护，包括数据采集、故障诊断和维修等工作。
三、过程控制系统组成3.1 传感器传感器是过程控制系统中的重要组成部分，用于将被控对象的物理量转换为可测量的信号。
常见的传感器包括温度传感器、压力传感器、流量传感器等。
3.2 执行器执行器是过程控制系统用来实现对被控对象进行操作和调节的设备。
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
过程控制系统有多种分类方法，每一种 分类方法都是反映了控制系统某一方面的 特点。为了便于分析反馈控制系统的特性， 我们将按设定值的形式不同，分为三种类 型。
定值控制系统 随动控制系统 程序控制系统
1 过程控制系统的基本概念
过程控制系统的方块图及其号联系，常用方块 图来表示，如图１-２所示。
1 过程控制系统的基本概念
若系统的输出信号对控制作用没有影响，则称 作开环控制系统，即系统的输出信号不反馈到 输入端，不形成信号传递的闭合环路，如图１３所示。
1 过程控制系统的基本概念
由于闭环控制系统采用了负反馈，因而使 系统的输出信号受外来扰动和内部参数变化小， 具有一定的抑制扰动提高控制精度的特点。开 环控制系统结构简单容易构成，稳定性不是重 要问题，而对闭环控制系统稳定性始终是一个 重要问题。
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。
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
➢ 通过上述示例的对比 分析知道，一般过程 控制系统是由被控对 象和自动控制装置两 大部分或由被控对象、 测量变送器、控制器、 控制阀四个基本环节 所组成。
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。
过程控制系统的四个环节以及相关概念。
过程控制系统的四个环节以及相关概念。
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过程控制系统ppt课件
4、变送器：一般为“＋”； 一般控制系统中，有效办法是采用串级控制。
当口径A和差压(P1-P2)一定时，流量Q仅随阻尼的
变化而变化。改变阀门的开启程度，可改变流通阻力而 控制介质流量。
二、控制阀的流量特性
1、概念
l Q ,L Q max
Ql f( )(33)
§2-2 被控参数和控制参数的选择
一、被控参数(即被控量)的选择
1.选择的意义
2. 选择方法
(1).选直接参数
即能直接发映生产过程产品产量和质量，以及安全 运行的参数。(如锅炉锅筒的水位控制。)
(2).选间接参数
当选直接参数有困难时采用。(如用反应釜的温度 控制间接实现化学反应的质量控制。)
3. 选间接参数的原则
它是每经过一个周期后，波动幅度衰减的百分数，即：
B1 B2
B1
2．超调量和最大动态偏差：
随动控制系统中，超调量（Overshoot）σ定义为：
B1 100%
C
定值控制系统采用最大动态偏差A表示超调程度。即：
3．余差：
A B1 C
它是控制系统的最终稳态偏差e(∞)。在阶跃输入作
用下，余差（Steady-state error）为：
以液体储槽的水位控制为例进行说明。
1、控制原理(如下图)
液位变送器 液位控制器
执行器
2、系统方块图
1-1典型单回路控制系统
3、主要组成部分
(1)、被控对象：生产过程中被控制的工艺设备或装置。 (2)、检测变送单元： (3)、控制器：实时地对被控系统施加控制作用。 (4)、执行器：将控制信号进行放大以驱动控制阀。常见的
• 必须考虑工艺生产的合理性和仪表的现状。 • 间接参数应与直接参数有某种单值函数关系。 • 间接参数要有足够的灵敏度。
新第10章 过程控制系统基本概念
自动控制
在无人直接参与的情况下，利用 外加的设备或装置(控制装置)，使 机器、设备或生产过程(控制对象) 的某个工作状态或参数(被控量)按 照预定的规律自动地运行。 控制器 执行器 水位测量 与变送 给定
手
眼
4
10.1.1 过程控制系统
自动控制系统(Automatic Control Systems )
检测元件及变送器：检测 元件的功能是感受并测出 被控量的大小，变送器的 作用则是检测元件测出的 被控量变换成控制器所需 要的信号形式。
汽 包
LT
省 煤 器
LC 液 位 控 制 器 给水
控制器：它将检测元件或变 送器送来的信号与被控变量 的设定值信号进行比较得出 偏差信号，根据这个偏差信 号的大小按一定的运算规律 计算控制信号u，然后将控制 信号传送给执行器。
执行器：其作用是接受控制器发出的控制信号u，直接改变操纵量q(例如电 流、重油、煤气等的量)，即调整能量或物料的平衡，使被控量回复至设定 数值。
9
10.1.3 控制系统方框图 自动控制系统有两种表示方法：
方框图 工艺控制流程图(或称管道仪表流程图)
【需遵循 “GB/T 2625-1981 过程检测和控制流 程图用图形符号和文字代号” 或其它行业标 准】。
31
10.2.3 控制系统的品质指标
随着现代控制理论与计算机技术等学科的 发展，国内外控制界大力致力于过程控制 的研究和开发。如建模理论、在线辨识技 术、系统结构、控制方法等开始突破了传 统的PID控制方法，并取得成功的应用。
18
10.1.5 过程控制系统的发展概况
工业生产过程控制发展的几个阶段 1．局部自动化阶段（20世纪 50～60年代）
第10章 过程控制系统基本概念解读
刘玉长
第二节过程控制系统过渡过程和品质指标 一、静态与动态
在自动控制中，把被控量不随时间而变化 的平衡状态称为系统的静态，而把被控量随时间 而变化的不平衡状态称为系统的动态。 在生产过程中，扰动是客观存在，且是不 可避免的，因此了解系统的静态是必要的，但是 了解系统的动态更为重要。
刘玉长
二、自动控制系统的过渡过程
刘玉长
几个基本概念
单容过程：只有一个容积，一个容量系数
和一个时间常数。
自衡特性：对象在扰动作用，其平衡受到
破坏，在没有操作人员或控制器的干预下， 自动恢复平衡的特性。
无平衡特性：平衡状态下，一旦受到破坏，
无法自行重建平衡。
自衡率 ：表示自衡能力。一般希望它大一
些，即在很大干扰下，被控变量变化很少。
刘玉长
三、控制系统的工程表示
自动控制系统有两种表示方法，即方框图 与工艺控制流程图(或称管道仪表流程图)【需遵 循 “GB/T 2625-1981 过程检测和控制流程图用 图形符号和文字代号” 或其它行业标准】。
蒸汽
LT
PV
LC
MV
SV 期望值 控制器 SV LC
控制阀 V 检测变送 LT
锅炉
实际值
要求:
稳
快
准
三、控制系统的品质指标
控制系统性能指标是根据系统在零初使条 件(输出量和输入量的各阶导数为0)下的单位阶 跃响应曲线计算得到的。 实际控制系统的瞬态响应曲线不同，其性 能指标定义也不一样。因为衰减振荡是一种比较 好的响应曲线，故以下针对衰减振荡过程进行介 绍【注意，有的过程不允许出现振荡】。
刘玉长
(四)稳定时间ts
从阶跃扰动开始作用起至被控量又建立新 的平衡状态止，这一段时间叫做稳定时间 ( 或称 过渡时间)。 工程上规定当被控量达到稳定值的±5%(或 ±2%)的范围内时，就认为被控量已经达到了稳 定值。按这个规定，稳定时间就是从扰动开始作 用之时起，直至被控量进入稳定值的±5%( 或 ±2%)的范围内所经历的时间。 稳定时间短，表示过渡过程进行得比较迅 速，这时即使扰动频繁出现，系统也能适应，系 统质量较高。 刘玉长
过程控制系统的四个环节以及相关概念
过程控制系统的四个环节以及相关概念嘿，伙计们！今天我们要聊聊过程控制系统的四个环节以及相关概念。
别担心，我会用最简单的语言和你们分享这个话题，让你们轻松理解。
我们来了解一下什么是过程控制系统吧。
过程控制系统，简单来说，就是用来控制一个或多个过程的系统。
就像我们的生活一样，有很多事情需要我们去管理、去调整。
而过程控制系统就是帮助我们更好地管理这些事情的一种方法。
那么，这个过程控制系统有哪四个环节呢？接下来，我们就来一一了解一下。
1. 输入(Input)输入就像是给我们的过程控制系统提供了原材料。
比如说，我们在做饭的时候，需要把米、水、油等食材放进锅里，这就是输入。
只有当我们把这些食材准备好了，过程控制系统才能开始工作。
所以说，输入是过程控制系统的第一步。
2. 处理(Processing)处理就像是我们的过程控制系统对原材料进行加工的过程。
比如说，我们把米洗干净，加水煮熟，这就是处理。
处理的过程中，我们需要根据一定的规则和顺序来进行操作，以确保最终的结果是正确的。
所以说，处理是过程控制系统的核心环节。
3. 控制(Controlling)控制就像是我们的过程控制系统对加工后的产品进行监督和管理的过程。
比如说，我们通过温度计来监测水的温度，确保煮饭的过程中水不会沸腾过快或者过慢。
这就是控制。
只有当我们对加工后的产品进行有效的控制，才能保证最终的结果是满意的。
所以说，控制是过程控制系统的关键环节。
4. 输出(Output)输出就像是我们的过程控制系统将加工后的产品呈现给用户的过程。
比如说，我们把煮好的米饭盛到碗里，端到餐桌上，这就是输出。
输出的过程中，我们需要确保产品的质量和数量都是符合要求的。
所以说，输出是过程控制系统的最后一步。
好了，现在我们已经了解了过程控制系统的四个环节：输入、处理、控制和输出。
接下来，我们再来聊一聊与这些环节相关的概念。
1. 反馈(Feedback)反馈是指过程控制系统根据输出结果对控制策略进行调整的过程。
《过程控制基本概念》课件
经典控制方法1Fra bibliotek比例控制
响应快但不稳定。
积分控制
2
消除稳态误差，但过度调节。
3
微分控制
抑制震荡，但增大稳态误差。
现代控制方法
神经网络
自适应、非线性，但难以调试。
模糊控制
适应度强，但表达模糊规则难度 大。
模型预测控制
计算复杂，但能满足多种约束条 件。
控制器基本结构和特性
1
前馈结构
速度快但不稳定。
2
经典控制 vs 现代控 制
现代控制方法比经典方法更加 适用于复杂系统，但难以取得 完美控制效果。
结构选择
根据控制对象属性选择合适的 控制器结构和控制方法。
过程控制基本概念
本PPT介绍过程控制的基本概念，控制系统基础知识，以及开环控制与闭环控 制等内容。
控制系统基础知识
传感器
测量温度、压力等过程量。
可编程控制器
执行控制函数、记录数据等。
执行机构
控制温度、压力等过程量。
开环控制与闭环控制
开环控制
控制器不接收反馈信号，只进行单向控制。
闭环控制
控制器接收反馈信号，进行双向控制，更加准确。
反馈结构
平衡性好但响应慢。
3
混合结构
兼顾速度和平衡性。
应用实例及案例分析
1 石化生产过程控制
控制精度要求高，常采用模型预测控制等方法。
2 航空航天控制技术
控制复杂度高，常采用混合结构和自适应控制。
3 机器人控制技术
模糊控制方法可有效应用于机器人运动控制。
总结
开环控制 vs 闭环控 制
闭环控制更加准确，但开环控 制具有简单、快速的优势。
公共基础知识过程控制技术基础知识概述
《过程控制技术基础知识概述》一、引言过程控制技术在现代工业生产中起着至关重要的作用，它能够确保生产过程的稳定、高效运行，提高产品质量，降低生产成本。
随着科技的不断进步，过程控制技术也在不断发展和创新，从传统的模拟控制到现代的数字化、智能化控制，其应用范围越来越广泛。
本文将对过程控制技术的基础知识进行全面的阐述与分析，包括基本概念、核心理论、发展历程、重要实践以及未来趋势。
二、基本概念1. 过程控制的定义过程控制是指对生产过程中的物理量（如温度、压力、流量、液位等）进行自动控制，使其在一定的范围内保持稳定，以满足生产工艺的要求。
2. 控制系统的组成过程控制系统通常由被控对象、传感器、变送器、控制器和执行器等部分组成。
被控对象是指需要进行控制的生产过程或设备；传感器用于检测被控对象的物理量，并将其转换为电信号；变送器将传感器输出的电信号转换为标准信号，以便传输和处理；控制器根据给定值和测量值的偏差，按照一定的控制规律计算出控制信号；执行器根据控制信号对被控对象进行控制，如调节阀门开度、改变电机转速等。
3. 控制方式过程控制的方式主要有开环控制和闭环控制两种。
开环控制是指控制信号只根据给定值进行计算，不考虑被控对象的实际输出；闭环控制则是将被控对象的实际输出反馈到输入端，与给定值进行比较，根据偏差进行控制。
闭环控制具有较高的控制精度和稳定性，但系统结构相对复杂。
三、核心理论1. 反馈控制理论反馈控制是过程控制的核心理论之一，它基于被控对象的输出反馈，通过调整控制信号来减小给定值与实际输出之间的偏差。
反馈控制可以分为比例控制、积分控制和微分控制三种基本控制方式，分别对应着对偏差的比例、积分和微分响应。
通过合理组合这三种控制方式，可以实现不同的控制性能要求。
2. 现代控制理论现代控制理论是在经典控制理论的基础上发展起来的，它采用状态空间法对控制系统进行描述和分析。
现代控制理论可以处理多输入多输出系统、非线性系统和时变系统等复杂控制问题，具有更高的控制精度和鲁棒性。
过程控制系统概述
2.试验辨识法
先给被控过程人为地 施加一个输入作用，然后 记录过程的输出变化量， 得到一系列试验数据或曲 线，最后再根据输入－输 出试验数据确定其模型的 结构（包括模型形式、阶 次与纯滞后时间等）与模 型的参数。
主要步骤
3.混合法
机理演绎法与试验辩识法的相互交替使用的一种方法 精品文档
锅炉汽包水位的变化过程为典型的具有反向特性的过程
在给水量阶跃增大而燃料量和蒸汽负荷不变的情况下，由于蒸发率的 降低，于是刚开始时水位会下降，然后才逐渐上升。
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3.1.3 过程(guòchéng)建模方 法
1.机理(jī lǐ)演绎法 根据被控过程的内部机理，运用已知的静态或动态平衡关系，用数学解析的方法求取被控过
3 过程控制系统(kònɡ zhì xì tǒnɡ)概述
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主要 (zhǔyào)内 3容.1 被控过程的数学模型
3.2 简单(jiǎndān) 控制系统 3.3 常用高性能控制系统
3.4 实现特殊工艺要求的控制系统
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3.1 被控过程的数学模型
3.1.1 被控过程(guòchéng)的数学模型及 其作用 被控(bèi kònɡ)过程的数学模型是指过程的输入变量与输出变量之间定量关系的描述。
衰减振荡的传递函数一般可表示为
Ke s
G(s) (T 2s2 2Ts 1) 精品文档
(0 1)
• 具有(jùyǒu)反向特性的过 程
对过程(guòchéng)施加一阶跃输入信号，若在开始一段时间内，过程(guòchéng)输出先降 后升或先升后降，即出现相反的变化方向，则其为具有反向特性的被控过程(guòchéng)。
（a）
1-3 自动化仪表基础知识
在测量系统中，当被测量随 时间变化时，在测量信号的转换 和传递过程中，会遇到各种运动 惯性和时间上的滞后，使得表示 值（输出量）在时间上不能与被 测量的实际值（输入量）精确吻 合。
3-4 基本技术指标
1 量程 量程：该仪表按规定的精度进行测量 的被测变量的范围。 测量下限：测量范围的最小值，简称 下限。 测量上限：测量范围的最大值，简称 上限。
按使用能源分：
液动仪表、气动仪表和电动仪表 按结构形式分：
基地式仪表、单元组合式仪表和 组装式仪表等
按信号类型分： 模拟式仪表和数字式仪表
按单元组合方式分： 气动单元组合仪表和电动单元组 合仪表
标准信号:
气动控制仪表：0.02～0.1MPa 的模拟气压信号，作为仪表间
的标准联络信号。
电动控制仪表：
2 1 100% 2% 100 0 2 2 100% 1% 300 100
一台仪表的精度等级为2.5级，而另一 台仪表的精度等级为1级。
去掉最大引用误差的“%”号， 其数值分别为2和1，由于国家规定 的精度等级中没有2级仪表，同时该 仪表的误差超过了1.5级仪表所允许 的最大误差，所以这台仪表的精度 等级为2.5级，而另一台仪表的精度 等级正好为1级。
3-3 测量基本知识
1、分类 （1）直接测量 （2）间接测量 （3）组合测量
按被测量在测量过程中的状态 （1）动态测量 （2）静态测量
2、组成
（1）传感器 （2）变送器 （3）传输通道 （4）显示装置
3、误差
(1) 绝对误差和相对误差
绝对误差：测量结果与被测量的 真值之间的差值。 绝对误差=测量值－真值 相对误差：测量的绝对误差与约 定值的百分比。
max
统计过程控制(SPC)之过程控制系统的理解
对输出进行检验并随之采取措施不是一种有效的过程管理方法，这通常不是最经济的
23
对输出采取措施只可作为不稳定或没有能力的过程的临时措施
7
过程特性是必须关注的焦点。说明：过程特性可是是：温度、循环时间、速率、中断次数、压力、湿度、延迟等等
8
必须确定过程特性的目标值，并监视实际过程的特性和目标值的距离
9
如果得到有用的信息并且正确解释，就可以确定过程是在正常或非正常下运行
10
依据过程的信息对过程进行正确的解释，并确定是否需采取措施
11
对过程采取措施
统计过程控制（SPC）之过程控制系统的理解
定义/说明/要求/目的：
过程是指：共同作用以产生输出的供应商、生产者、人、设备、输入材料、方法、环境以及顾客等的集合。
过程控制系统可以称为一个反馈系统。
SPC是一类反馈系统。
过程控制系统有四个基本要素：过程、过程信息、对过程采取的措施、对输出采取的措施。
对过程的控制重点关注的应该是预防而不是探测。
17
改变过程本身更基本的要素—把过程作为一个整体的设计。说明：这可能会受到车间温度或湿度变化的影响
18
对输出采取措施
对输出采取的措施是指对输出进行探测并纠正不符合规范的产品
19
对目前的输出不能持续满足顾客的要求，就有必要对所有产品采取措施
20
采取的措施为对产品进行挑选，并报废或返工不合格品
21
对产品采取的措施必须持续到对过程采取了必要的纠正措施并通过验证为止
通常对过程采取措施是比较经济的。说明：这样的措施通常可以保持过程的稳定性并保持过程输出的变差在可接受的界限之内
12
对过程采取措施必须监测这些措施的效果，并确定是否需采取进一步的措施
《过程控制系统概述》PPT课件
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。
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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
过程控制系统的基本概念
自动化仪表：气动Ⅲ型和电动Ⅲ 自动化仪表：气动Ⅲ型和电动Ⅲ型，以微处理器为主要构成单元的智能控制装 集散控制系统（ 、可编程逻辑控制器 置。集散控制系统（DCS） 可编程逻辑控制器 (PLC) 、工业 PC 机、和数字控制 ） 、 器等，已成为控制装置的主流。 器等，已成为控制装置的主流。 集散控制系统实现了控制分散、危险分散，操作监测和管理集中。 集散控制系统实现了控制分散、危险分散，操作监测和管理集中。 控制理论：形成了大系统理论和智能控制理论。模糊控制、专家系统控制 控制、 控制理论：形成了大系统理论和智能控制理论。模糊控制、专家系统控制、模 式识别技术 20 世纪 90 年代至今：信息技术飞速发展 年代至今： 过程控制系统 管控一体化现场，综合自动化是当今生产过程控制的发展方向。 系统： 过程控制系统：管控一体化现场，综合自动化是当今生产过程控制的发展方向。 自动化仪表：总线控制系统的出现， 自动化仪表：总线控制系统的出现，引起过程控制系统体系结构和功能结构上 的重大变革。现场仪表的数字化和智能化，形成了真正意义上的全数字过程控制系 的重大变革。现场仪表的数字化和智能化，形成了真正意义上的全数字过程控制系 各种智能仪表、变送器、无纸纪录仪。 统。各种智能仪表、变送器、无纸纪录仪。 控制理论：人工智能、神经网络控制。 控制理论：人工智能、神经网络控制。 总的来看，过程控制从实践上分 可以分成两个阶段。一个是经典控制 控制从实践上分， 控制理论阶 总的来看，过程控制从实践上分，可以分成两个阶段。一个是经典控制理论阶 一个是现代控制理论阶段 经典控制理论， 阶段。 段，一个是现代控制理论阶段。经典控制理论，大约形成在 1932 年到 1960 年。通 常把它叫做自动控制理论 或者自动调节原理。 经典”两个字一般不出现。 理论， 常把它叫做自动控制理论，或者自动调节原理。 经典”两个字一般不出现。与经典 “ 控制理论相对应的， 现代控制理论。 年以后。通常也 控制理论相对应的，是现代控制理论。形成于 1960 年以后。通常也把它叫做线性系 统理论。 统理论。 二、自动控制技术的应用范畴 自动控制技术的应用范畴 1.宇航方面： 现代控制理论） 宇航方面： 现代控制理论） 宇航方面 （现代控制理论 （ 同步卫星与地面接收站直接对应，偏差影响收看效果（随动控制系统） 同步卫星与地面接收站直接对应，偏差影响收看效果（随动控制系统） 卫星的发射与回收（宇宙飞船，航天飞机）自动关机、 卫星的发射与回收（宇宙飞船，航天飞机）自动关机、点火系统 2.军事方面： 军事方面： 军事方面 火炮自动点火、 火炮自动点火、巡航导弹 3.其他方面： 其他方面： 其他方面 农业（病虫害防治、专家系统） 农业（病虫害防治、专家系统） 社会科学（计划生育，人口增长模型） 社会科学（计划生育，人口增长模型） 4.现代管理： 现代管理： 现代管理 办公自动化（以计算机技术和现代通信技术为主体的综合处理与办公活动相关 办公自动化（以计算机技术和现代通信技术为主体的综合处理与办公活动相关 的语言、数据、图像、文字等人及信息系统。 的语言、数据、图像、文字等人及信息系统。 5.工业生产： 工业生产： 工业生产 自动车床、加热炉、 自动车床、加热炉、发酵罐 三、过程控制系统的特点
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h(t)
F2 t (b) 无自衡的非振荡液位过程
（a ）
刘玉长
(三) 有自衡的振荡过程
在阶跃作用下，被控变量出现衰减振荡过 程，最后趋于新的稳态值，称为有自衡的振荡过 程，其响应曲线见图。
c(t)
自衡振荡过程响应曲线
刘玉长
(四) 具有反向响应过程
反向特性：起始变化方 向与最终的变化方向相反。如 锅炉汽包水位在蒸汽量突然变 化时的特性。
刘玉长
(四)稳定时间ts
从阶跃扰动开始作用起至被控量又建立新 的平衡状态止，这一段时间叫做稳定时间 ( 或称 过渡时间)。 工程上规定当被控量达到稳定值的±5%(或 ±2%)的范围内时，就认为被控量已经达到了稳 定值。按这个规定，稳定时间就是从扰动开始作 用之时起，直至被控量进入稳定值的 ±5%( 或 ±2%)的范围内所经历的时间。 稳定时间短，表示过渡过程进行得比较迅 速，这时即使扰动频繁出现，系统也能适应，系 统质量较高。 刘玉长
要求:
稳
快
准
三、控制系统的品质指标
控制系统性能指标是根据系统在零初使条 件(输出量和输入量的各阶导数为0)下的单位阶 跃响应曲线计算得到的。 实际控制系统的瞬态响应曲线不同，其性 能指标定义也不一样。因为衰减振荡是一种比较 好的响应曲线，故以下针对衰减振荡过程进行介 绍【注意，有的过程不允许出现振荡】。
c(t)
具有反向特性的过程
ΔD
H0 ΔH
t
刘玉长
锅炉负荷D突变时的 汽包水位H响应 特性
二、对象特性的参数
对象特性有多种描述方法，但都可以用几 个主要物理量来说明对象的特性。 以图示的储液槽液位控制对象为例，来说 明对象特性是如何描述的。
V1 F1 L V2 F2
F1 F10 L2 L0
F
F1
F2 ∆Ｆ
刘玉长
(一)自衡的非振荡过程
在阶跃作用下，被控变量无须外加任何控 制作用、不经振荡过程能逐渐趋于新的状态的性 质。 蒸汽
1 F1 进料
L
2 储液槽
h(t) h(0) t (a) 一阶
F2
出 料 凝液 蒸汽加热器 θ(t)
θ(0)
自衡的非振荡过程
t
刘玉长
(b) 二阶或高阶
(二)无自衡非振荡过程
当输入作阶跃变化后，如果不依靠外加控 制作用，不能建立起新的平衡状态，这种特性称 为无自衡，例如出水阀为定量泵时的水槽特性。
刘玉长
第二节过程控制系统过渡过程和品质指标 一、静态与动态
在自动控制中，把被控量不随时间而变化 的平衡状态称为系统的静态，而把被控量随时间 而变化的不平衡状态称为系统的动态。 在生产过程中，扰动是客观存在，且是不 可避免的，因此了解系统的静态是必要的，但是 了解系统的动态更为重要。
刘玉长
二、自动控制系统的过渡过程
刘玉长
几个基本概念
单容过程：只有一个容积，一个容量系数
和一个时间常数。
自衡特性：对象在扰动作用，其平衡受到
破坏，在没有操作人员或控制器的干预下， 自动恢复平衡的特性。
无平衡特性：平衡状态下，一旦受到破坏，
无法自行重建平衡。
自衡率 ：表示自衡能力。一般希望它大一
些，即在很大干扰下，被控变量变化很少。
∆L
刘玉长
储液槽液位和流量变化曲线
(一)放大系数K
放大系数K是一个静态特性参数，只与被控 量的变化过程起点与终点有关，而与被控量的变 化过程没有关系。其值等于输出(被控量)增量Δy 与输入(操纵量)增量Δx之比： K=Δy/Δx 被控对象的静态特性一般有两种：一种是 线性关系，另一种是非线性关系。如果静态特性 为线性关系，则对象的放大系数K可直接用上式 表示，否则采用求导的方法得到：
刘玉长
性能指标定义(衰减振荡)
y(t)
B T B‘
(1+D)C (1-D)C D取0.02或0.05
C
0 td tr tp
ts
阶跃扰动作用时过渡品质指标示意图(衰减振荡) 刘玉长
(一)衰减比n= B∶B’
减比表示振荡过程的衰减程度，是衡量过 渡过程稳定性的动态指标，它等于被控量产生周 期性振荡前后两个峰值比；在图中，衰减比就是 B∶B’，习惯上表示为n∶1。 如果n = 1，则表示过渡过程曲线不衰减， 呈等幅振荡；假如n只比1稍大一点。说明过渡过 程的衰减程度很小，它与等幅振荡过程接近，由 于振荡过于频繁不够安全，一般不采用；如果 n<1，则就是发散振荡；如果n>>1，则接近非周 期衰减(或单调过程)，这都不是生产上所欢迎的。 通常以n = 4～10为宜。 刘玉长
(二)最大偏差A=B+C
最大偏差又称短时偏差，是指受控变量第 一个波峰值与设定值之差；它表示了偏离设定值 的程度（衡量）是衡量过渡过程稳定性的一个动 态指标。 (1)偏差愈大，时间越长，离生产状态愈远。 (2)工艺不希望，甚至引起生产事故。
刘玉长
(三)余差C＝e(∞)＝r－y(∞)
余差C是控制系统过渡过程终了时设定值与 被控变量稳态值之差，又称长时偏差。 它是反映控制精确度的一个稳态指标，值 越小，精度越高。在实际控制过程中，余差的大 小只要能满足生产工艺要求就可以了。
刘玉长
(三)滞后时间τ
对象在受到扰动作用后， 被控量不是立即变化，而是经 过一段时间后才开始变化，这 个时间就称为滞后时间，根据 其产生原因，将滞后分为纯滞 后和容量滞后两种。 1、纯滞后τ0 介质输送或热的传递需 要的时间。 τ0=l/v 式中l－传输距离，v－传输速 度。 刘玉长
(二)时间常数 Tc
时间常数Tc是说明被控量变化快慢的参数， 其值等于系统阻值R与容量C的乘积【电路中为 电阻与电容，流体流动中分别为流阻与容量(对 于水槽就是横截面积A)，等等】： Tc=RC 物理意义：是指当过程受到阶跃输入作用 后，被控变量保持初始速度变化，达到新的稳态 值所需要的时间。 时间常数Tc的求取：有很多种方法，如可根 据定义求；亦可根据响应曲线求(见教材)。 刘玉长
dy K dx
刘玉长
例如图示对象，若出液阀V2 为层流阀(F2∝L)，则静态特性为 线性的，如图(b)，则放大系数为： L K=ΔL/ΔF 而当V2为紊流阀(F2∝L0.5)时， 则静态特性为非线性的，需在工 L0 作点附近采用线性化方法，使其 特性近似地视为线性，如图(c)， 此时放大系数为：
干 扰 被控量 控制通道
操纵量
刘玉长
被控对象的控制通道与扰动通道
一、对象特性的类型
多数工业过程的特性分为四种类型： 自衡的非振荡过程：在阶跃作用下，被控变量无须外 加任何控制作用、不经振荡过程能逐渐趋于新的状态 的性质，称自衡的非震荡过程。 无自衡非振荡过程：如果不依靠外加控制作用，不能 建立起新的物料平衡状态，这种特性称为无自衡。 有自衡的振荡过程：在阶跃作用下，被控变量出现衰 减振荡过程，最后趋于新的稳态值，称为有自衡的振 荡过程。 具有反向特性的过程：有少数过程会在阶跃作用下， 被控变量先降后升，或先升后降，即起始时的变化方 向与最终的变化方向相反。
(五)振荡周期或频率
过渡过程曲线中同向两个波峰之间的间隔 时间叫振荡周期或工作周期，其倒数称为频率。
刘玉长
(六)其他指标
延迟时间td：是指干扰开始作用起到稳态值的 50%所需要的时间。 上升时间tr：是指干扰开始作用起到第一个波峰 所需要的时间。 振荡次数N：调节时间内响应在稳态值附近波动 次数，N=ts/T 。
PV
给水
V
(a)工艺控制流程图
刘玉长
(b)方框图 锅炉汽包液位控制
四、过程控制系统的分类
自动控制系统有多种分类方法，可以按被 控量分类，例如温度控制系统、流量控制系统等； 也可以按控制器的控制作用来分类，例如比例控 制系统、比例积分控制系统等。 为了便于分析自动控制系统的性质，可将 控制系统按设定值形式的不同分为三类，即定值 控制系统、程序控制系统与随动控制系统 。
刘玉长
三、控制系统的工程表示
自动控制系统有两种表示方法，即方框图 与工艺控制流程图(或称管道仪表流程图)【需遵 循 “GB/T 2625-1981 过程检测和控制流程图用 图形符号和文字代号” 或其它行业标准】。
蒸汽
LT
PV
LCLeabharlann MVSV 期望值 控制器 SV LC
控制阀 V 检测变送 LT
锅炉
实际值
不同时间常数的对象及其响应曲线
(a) 水槽液位单容对象; (b)蒸汽加热单容与双容(或多容)对象
刘玉长
对系统时间常数的要求
一般说来，时间常数Tc小，则对象惯性小， 被控量变化速度大，不易控制。 (1)控制通道的时间常数越大，则控制过程将越 缓慢； (2)控制通道的时间常数越小，则对系统输出越 不利； (3)在决定控制方案时，应当分析各种扰动(即 对象的各种输入)的响应情况，选择最有利的 控制通道，以便获得最佳的控制效果。
下篇 过程控制
过程控制一般是指冶金、石油、化工、电 力、轻工、建材等工业部门生产过程的自动化， 即通过采用各种自动化仪表、电子计算机等自动 化技术工具，对生产过程中某些物理参数进行自 动检测、监督和控制，以保证现代企业安全、优 质、低耗和高效益生产。
刘玉长
第十章 过程控制系统基本概念
第一节 过程控制系统的组成与分类 第二节 过程控制系统过渡过程和品质指标 第三节 被控对象特性 第四节 被控过程的数学模型
刘玉长
第一节 过程控制系统的组成与分类
一、过程控制系统
自动控制：就是在没有人直接参与的情况 下，利用外加的设备或装置(控制装置)，使机器、 设备或生产过程(控制对象)的某个工作状态或参 数(被控量)按照预定的规律自动地运行。 自动控制系统(Automatic Control Systems )： 是在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按 期望规律或预定程序进行的控制系统。 过程控制系统(Process Control Systems )：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。 刘玉长