《过程控制及自动化仪表》 潘永湘配套第四章PPT课件
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自动化仪表与过程控制培训课件课件(PPT165页)
自动化仪表与过程控制培训课件(PPT1 65页) 工作培 训教材 工作汇 报课件 管理培 训课件 安全培 训讲义P PT服务 技术
过程控制与自动化仪表
8
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考核方式
1.点名作业20% 2.试验成绩10% 3.期末考试70%
产品的反应过程。典型设备：反应器
4 ．精馏过程 精馏是一种分离过程。典型设备：精馏塔
5 ．传质过程 不同组分的分离和结合，如液体和气体之间的解
吸、汽提、去湿或润湿，不同非溶液体的萃取、液体 与固体之间的结晶、蒸气或干燥等都是传质过程。其 目的是获得纯的出口物料。
过程控制与自动化仪表
6
一、生产过程及其特点
➢系统由被控过程和检测控制仪表组成
过程控制采用各种检测仪表、控制仪表和计算机等自动化工具，对整个生产过 程进行自动检测、自动监督和自动控制。检测仪表把工艺参数转换为电信号或 气信号，反映生产过程状况；控制仪表接受检测信号对过程进行控制。
➢被控过程的多样性
生产规模不同、工艺要求各异、产品品种多样导致过程的结构性、动态特性多 样。通常被控过程属于多变量、大惯性、大时延特征，还有非线性与时变特性。 （锅炉、热交换器、精馏塔）
➢控制方案的多样性
被控对象复杂导致控制方案多样性。单/多变量控制系统、常规仪表控制/计算 机集散控制系统、提高控制品质的和实现特定要求的控制系统。单回路、串级、 前馈、比值、均匀、分程、选择性、大时延、多变量系统，还有先进过程控制 系统(自适应、预测、补偿、智能、非线性控制等)。
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《过程控制及自动化仪表》潘永湘配套二精品PPT课件
仪表精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。在工业上应用时,对检测仪表精确 度的要求,应根据生产操作的实际情况和该参数对整个工艺过程的影响程度所提供的误 差允许范围来确定,这样才能保证生产的经济性和合理性。
p9
参数检测与变送概述——仪表基本特性
例1-1 某台测温仪表的测温范围为200~700℃，校验该表时得到的最大绝对误 差为±4℃，试确定该仪表的引用相对百分误差与准确度等级。
'
100%
x
③引用相对误差-----是指绝对误差与仪表的量程之百分比。
100 %
xmax xmin
基本误差：仪表在规定的标准工作条件下所具有的误差。
标准条件:220V±5％、（50±2）Hz、（20±5）℃、湿度65％±5％
附加误差-----指仪表超出规定的正常工作条件时所增加的误差。 允许误差-----指仪表的示值或性能不允许超过某个误差范围。
p11
参数检测与变送概述——仪表基本特性
变差是指在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内 进行正反行程（即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，被测量值正行和反 行所得到的两条特性曲线之间的差值。
变差
最大绝对差值 标尺上限值 标尺下限值
100 %
仪表的变差不能超出仪表精度允许的误差， 否则应及时检修。
• 疏忽（粗大）误差-----指观察人员误读或不正确使用仪器与测 试方案等人为因素所引起的误差。
p8
参数检测与变送概述——仪表基本特性
固有特性：精确度、非线性误差、灵敏度、分辨率、变差、漂移 、动态误差。
仪表精度＝ 绝对误差的最大值 仪表量程
100 %＝ (x x0 )max 100 % ab
《过程控制及仪表》课件
2
电气指标和计量单位
电流、电压、电阻、电功率等
பைடு நூலகம்
计量单位的转换
3
仪表信号传输和处理
传感器和信号转换器
信号放大和滤波
控制系统与仪表的应用
工业自动化中的应用
航空航天中的应用
生命科学中的应用
总结
概念、原理和应用
本课件对过程控制和仪表的概念、原理和应用进行了介绍。
为学习和工作提供指导
学生可以通过本课件了解控制系统和仪表相关知识，为今后的学习和工作提供指导。
《过程控制及仪表》PPT课件
# 过程控制及仪表PPT课件 ## 简介 - 本课件主要介绍过程控制和仪表的相关知识。 - 旨在帮助学生了解控制系统和仪表的基本原理以及使用方法。
控制系统
控制系统概述
定义和分类 组成和特点
控制系统建模
系统模型 状态空间模型 传递函数模型
仪表
1
仪表概述
定义和分类
组成和特点
过程控制及自动化仪表总结 ppt课件
3、执行单元
n理解气动执行器的气开、气关型式及其选择原则 n了解控制阀的流量特性的意义
PPT课件
31
主要内容
★气动执行器的结构
★控制阀的理想流量特性
直线、等百分比（对数）、抛物线、快开
★如何选择执行器的气开、气关？ 主要从工艺生产上安全要求出发。原则是：当信号压
力中断时，应保证设备和操作人员的安全。 * 若无信号压力时，希望阀全关，则应选择气开阀；
★压力的检测
弹性式压力计的测压原理
常用的弹性元件：弹簧管、膜片、波纹管
常用压力计的选型与PP使T课件用
15
2.过程参数检测技术
★流量的检测 差压式流量计：工作原理、流量基本方程式 转子流量计：工作原理、流量基本方程式、 指示值的修正
★物位的检测
差压式液位变送器的工作原理
零点迁移的含义及正、负迁移的计算
练习题
简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动（干 扰）量、设定（给定）值和偏差的含义？
PPT课件
2
练习题
简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动（干扰）量、 设定（给定）值和偏差的含义？
被控对象 自动控制系统中，工艺参数需要控制的生 产过程、设备或机器等。
被控变量 被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。
240℃
eBC(50)=-eAB(50)-eCA(50)
B
EABC= eAB(240)-eAB(50)-eCA(50)+eCA(10)
=eAB(240)-eAB(50)+eAC(50)-eAC(10)
=10.181mV
PPT课件
C 50℃
23
3、调节控制单元
n 掌握各种基本控制规律及其特点
电子教案与课件：《过程控制及自动化仪表》电子课件 第四章 4.2
角行程电动执行机构的输出轴输出角位移，转动角 度范围小于360o, 通常用来推动蝶阀、球阀、偏心旋 转阀等转角式控制阀。
多转式电动执行机构的输出轴输出各种大小不等的 有效圈数，通常用于推动闸阀或由执行电动机带动 旋转式的调节机构，如各种泵等。
控制阀
1 控制阀（调节阀）结构
控制阀是一个局部阻力可以改变的节流元件。由 于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间的流 通面积，即改变了阀的阻力系数，被调介质的流量 也就相应地改变，从而达到调节工艺参数的目的。
(f) 蝶阀
又名翻板（挡板）阀，如图411(f) 所示。它是通过杠杆带动挡板轴使挡 板偏转，改变流通面积，达到改变流 量的目的。蝶阀具有结构简单、重量 轻、价格便宜、流阻极小的优点，但 泄漏量大。适用于大口径、大流量、 低压差的场合，也可以用于浓浊浆状 或悬浮颗粒状介质的调节。
(g) 隔膜控制阀
执行机构 气动执行器的执行机构和机构主要分为薄膜式和活塞式。
薄膜式
活塞式
正作用形式: 信号压力增大, 推杆向下。 反作用形式: 信号压力增大, 推杆向上。
这种执行机构的输出位移 与输入气压信号成比例关系。 当压力与弹簧的反作用力平衡 时,推杆稳定在某一位置,信号 压力越大,推杆的位移量也越 大。(推杆的位移即为执行机 构的直线输出位移,也称行 程。)
气动：
气动执行器的执行机构和调节机构是统 一的整体，其执行机构有薄膜式和活塞式两 类。活塞式行程长，适用于要求有较大推力 的场合，而薄膜式行程较小，只能直接带动 阀杆。化工厂一般均采用薄膜式。（习惯称 为气动调节阀)是用压缩空气为能源，结构简 单、动作可靠、平稳、输出推动力大、维修 方便、防火防爆、价格较低、广泛应用于化 工、炼油生产。
正作用：阀芯向下，阀杆向下，流通面积 减少。
多转式电动执行机构的输出轴输出各种大小不等的 有效圈数，通常用于推动闸阀或由执行电动机带动 旋转式的调节机构，如各种泵等。
控制阀
1 控制阀（调节阀）结构
控制阀是一个局部阻力可以改变的节流元件。由 于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间的流 通面积，即改变了阀的阻力系数，被调介质的流量 也就相应地改变，从而达到调节工艺参数的目的。
(f) 蝶阀
又名翻板（挡板）阀，如图411(f) 所示。它是通过杠杆带动挡板轴使挡 板偏转，改变流通面积，达到改变流 量的目的。蝶阀具有结构简单、重量 轻、价格便宜、流阻极小的优点，但 泄漏量大。适用于大口径、大流量、 低压差的场合，也可以用于浓浊浆状 或悬浮颗粒状介质的调节。
(g) 隔膜控制阀
执行机构 气动执行器的执行机构和机构主要分为薄膜式和活塞式。
薄膜式
活塞式
正作用形式: 信号压力增大, 推杆向下。 反作用形式: 信号压力增大, 推杆向上。
这种执行机构的输出位移 与输入气压信号成比例关系。 当压力与弹簧的反作用力平衡 时,推杆稳定在某一位置,信号 压力越大,推杆的位移量也越 大。(推杆的位移即为执行机 构的直线输出位移,也称行 程。)
气动：
气动执行器的执行机构和调节机构是统 一的整体，其执行机构有薄膜式和活塞式两 类。活塞式行程长，适用于要求有较大推力 的场合，而薄膜式行程较小，只能直接带动 阀杆。化工厂一般均采用薄膜式。（习惯称 为气动调节阀)是用压缩空气为能源，结构简 单、动作可靠、平稳、输出推动力大、维修 方便、防火防爆、价格较低、广泛应用于化 工、炼油生产。
正作用：阀芯向下，阀杆向下，流通面积 减少。
自动化仪表与过程控制培训课件(PPT165页)
策，使企业利益最大化。
日—月级
时—日级 分—秒级或 分—时级
小于1秒
小于1秒
决策管理与计划调度
实时优化 常规控制或高级
过程控制 操作安全与环境保护
测量、变送与执行 被控过程
过程控制与自动化仪表
14
过程控制发展概况
● 20世纪40年代前后(手工阶段)：手工操作状态，凭经验 人工控制生产过程，劳动生产率很低。
作用----在现代工业生产过程自动化中，过程控制
技术可实现各种最优的技术经济指标、提高经济效 益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护 环境卫生等方面起着越来越大的作用。
过程控制与自动化仪表
3
自动化仪表
自动化仪表----- 用于生产过程自动化的仪器或
设备，是实现工业企业自动化的必要手段和技术 工具。 特点----- 兼容性、统一标准
用自动化装置来管理连续或间歇生产过程的综
合性技术就称为生产过程自动化，简称为过程控制
（Process Control ）。
过程控制与自动化仪表
2
过程控制
过程控制----泛指石油、化工、电力、冶金、核能
等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产 过程自动控制，其被控量通常为压力、液位、流量、 温度、PH值等过程变量，是自动化技术的重要组成 部分。
过程控制与自动化仪表
8
考核方式
1.点名作业20% 2.试验成绩10% 3.期末考试70%
过程控制与自动化仪表
9
第一章 过程控制与自动化仪表概述
过程控制的特点
➢系统由被控过程和检测控制仪表组成
过程控制采用各种检测仪表、控制仪表和计算机等自动化工具，对整个生产过 程进行自动检测、自动监督和自动控制。检测仪表把工艺参数转换为电信号或 气信号，反映生产过程状况；控制仪表接受检测信号对过程进行控制。
日—月级
时—日级 分—秒级或 分—时级
小于1秒
小于1秒
决策管理与计划调度
实时优化 常规控制或高级
过程控制 操作安全与环境保护
测量、变送与执行 被控过程
过程控制与自动化仪表
14
过程控制发展概况
● 20世纪40年代前后(手工阶段)：手工操作状态，凭经验 人工控制生产过程，劳动生产率很低。
作用----在现代工业生产过程自动化中，过程控制
技术可实现各种最优的技术经济指标、提高经济效 益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护 环境卫生等方面起着越来越大的作用。
过程控制与自动化仪表
3
自动化仪表
自动化仪表----- 用于生产过程自动化的仪器或
设备，是实现工业企业自动化的必要手段和技术 工具。 特点----- 兼容性、统一标准
用自动化装置来管理连续或间歇生产过程的综
合性技术就称为生产过程自动化，简称为过程控制
（Process Control ）。
过程控制与自动化仪表
2
过程控制
过程控制----泛指石油、化工、电力、冶金、核能
等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产 过程自动控制，其被控量通常为压力、液位、流量、 温度、PH值等过程变量，是自动化技术的重要组成 部分。
过程控制与自动化仪表
8
考核方式
1.点名作业20% 2.试验成绩10% 3.期末考试70%
过程控制与自动化仪表
9
第一章 过程控制与自动化仪表概述
过程控制的特点
➢系统由被控过程和检测控制仪表组成
过程控制采用各种检测仪表、控制仪表和计算机等自动化工具，对整个生产过 程进行自动检测、自动监督和自动控制。检测仪表把工艺参数转换为电信号或 气信号，反映生产过程状况；控制仪表接受检测信号对过程进行控制。
过程控制仪表及自动化课件文稿演示
》
标志： iaIICT5，iaIICT6，dIIBT3……
防爆仪表的分类 防爆仪表的分级和分组 防爆仪表Байду номын сангаас标志
防爆仪表的分类
按照国标GB3836.1规定，防爆电气设备分为两大 类：
I 类：煤矿井下用电气设备 II类：工厂用电气设备
II类(工厂用)电气设备又分为8种类型。其标志如下：
隔爆型
d 增安型
变送器 执行器 现场 危险场所
安全栅
安全栅 控制室
非危险场所
控制器
要真正实现安全火花防爆，必须注意： 4方面的要求。
1.4 过程控制仪表的型号命名
按过程控制仪表在系统中的作用和特点可分为八类。
（1）变送单元：温度变送器、差压变送器、液位变送器、 压力变送器等。
（2）调节单元：基型控制器、特种控制器。
过程控制仪表及自动化课件文稿演示
优选过程控制仪表及自动化课 件
第1章 过程控制仪表的基本知识
1.1 控制仪表的信号制 1.2 电动仪表信号标准的使用 1.3 控制仪表的防爆知识 1.4 过程控制仪表的型号命名 1.5 过程控制仪表的分析方法
1.1 信号制
信号制即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型 和数值。
否则其它仪表将会因电流中断而失
去信号
·仪表无公共接地点，须浮空工作
控制室内部仪表之间采用直流电压信号
Io
＋
Vi
RL1
RL2
RL3
－
现场
控制室
优点： △ 任何一个仪表拆离信号回路都不会影响其它仪表的运行。 △ 各个仪表具有公共接地点，可以共用一个直流电源。
要求：接收仪表的输入阻抗要足够高
1.3 仪表防爆的基本知识
标志： iaIICT5，iaIICT6，dIIBT3……
防爆仪表的分类 防爆仪表的分级和分组 防爆仪表Байду номын сангаас标志
防爆仪表的分类
按照国标GB3836.1规定，防爆电气设备分为两大 类：
I 类：煤矿井下用电气设备 II类：工厂用电气设备
II类(工厂用)电气设备又分为8种类型。其标志如下：
隔爆型
d 增安型
变送器 执行器 现场 危险场所
安全栅
安全栅 控制室
非危险场所
控制器
要真正实现安全火花防爆，必须注意： 4方面的要求。
1.4 过程控制仪表的型号命名
按过程控制仪表在系统中的作用和特点可分为八类。
（1）变送单元：温度变送器、差压变送器、液位变送器、 压力变送器等。
（2）调节单元：基型控制器、特种控制器。
过程控制仪表及自动化课件文稿演示
优选过程控制仪表及自动化课 件
第1章 过程控制仪表的基本知识
1.1 控制仪表的信号制 1.2 电动仪表信号标准的使用 1.3 控制仪表的防爆知识 1.4 过程控制仪表的型号命名 1.5 过程控制仪表的分析方法
1.1 信号制
信号制即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型 和数值。
否则其它仪表将会因电流中断而失
去信号
·仪表无公共接地点，须浮空工作
控制室内部仪表之间采用直流电压信号
Io
＋
Vi
RL1
RL2
RL3
－
现场
控制室
优点： △ 任何一个仪表拆离信号回路都不会影响其它仪表的运行。 △ 各个仪表具有公共接地点，可以共用一个直流电源。
要求：接收仪表的输入阻抗要足够高
1.3 仪表防爆的基本知识
过程控制与自动化仪表说课PPT课件
工业过程的控制。
第18页/共46页
师资队伍
自动化专业现有专职教师5名，兼职教师3名。其中副教授2名，高 级工程师1名，讲师3名，工程师1名，完全满足理论与实践教学需要。
教学条件
过程控制与仪表现有检测实验室，化工仪表实训室，仿真机房，以 及多媒体教室，完全满足教学需要。
与新疆金特，广汇等企业进行合作，建立各种实训基地，满足学生 实习需求。
第16页/共46页
教学资源
第17页/共46页
教材
高职高专“十一五”规划教 材
作 者：武平丽 主编 出 版 社：化学工业出版社 出版时间：2007-6-1
本书以控制系统为体系，将过程参数检测变 送、显示记录及控制仪表作为组成系统的相应环节， 力求完整体现过程控制的整体内容。在参数检测方面， 深入浅出地介绍了检测原理及方法；依据其代表性及 发展趋势，介绍了目前生产中广泛应用的检测仪表。 在控制仪表方面，根据生产实际情况，介绍了模拟、 数字控制器和电动、气动执行器。在控制系统方面， 着重介绍简单控制系统和几种常用复杂控制系统的设 计，以及分布式控制系统（DCS）的硬件和软件体系 构成与目前国内常见的几种分布式控制系统（DCS）。 此外，还简要介绍了显示记录仪表。最后介绍了典型
第9页/共46页
课时分配
学习项目一预计参考学时为4学时，学习项目二 预计参考学时为12学时，学习项目三预计参考学 时为4学时，学习项目四预计参考学时为14学时。 学习项目五预计参考学时为12学时，学习项目六 预计参考学时为8学时。
共计48学时，其中理论学时44学时，实践学时4 学时。
第10页/共46页
第4页/共46页
前导与后续课程
生产实训
过程控制与自动化仪表
高等数学
第18页/共46页
师资队伍
自动化专业现有专职教师5名，兼职教师3名。其中副教授2名，高 级工程师1名，讲师3名，工程师1名，完全满足理论与实践教学需要。
教学条件
过程控制与仪表现有检测实验室，化工仪表实训室，仿真机房，以 及多媒体教室，完全满足教学需要。
与新疆金特，广汇等企业进行合作，建立各种实训基地，满足学生 实习需求。
第16页/共46页
教学资源
第17页/共46页
教材
高职高专“十一五”规划教 材
作 者：武平丽 主编 出 版 社：化学工业出版社 出版时间：2007-6-1
本书以控制系统为体系，将过程参数检测变 送、显示记录及控制仪表作为组成系统的相应环节， 力求完整体现过程控制的整体内容。在参数检测方面， 深入浅出地介绍了检测原理及方法；依据其代表性及 发展趋势，介绍了目前生产中广泛应用的检测仪表。 在控制仪表方面，根据生产实际情况，介绍了模拟、 数字控制器和电动、气动执行器。在控制系统方面， 着重介绍简单控制系统和几种常用复杂控制系统的设 计，以及分布式控制系统（DCS）的硬件和软件体系 构成与目前国内常见的几种分布式控制系统（DCS）。 此外，还简要介绍了显示记录仪表。最后介绍了典型
第9页/共46页
课时分配
学习项目一预计参考学时为4学时，学习项目二 预计参考学时为12学时，学习项目三预计参考学 时为4学时，学习项目四预计参考学时为14学时。 学习项目五预计参考学时为12学时，学习项目六 预计参考学时为8学时。
共计48学时，其中理论学时44学时，实践学时4 学时。
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前导与后续课程
生产实训
过程控制与自动化仪表
高等数学
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技术可实现各种最优的技术经济指标、提高经济效 益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护 环境卫生等方面起着越来越大的作用。
过程控制与自动化仪表
3
自动化仪表
自动化仪表----- 用于生产过程自动化的仪器或
设备，是实现工业企业自动化的必要手段和技术 工具。 特点----- 兼容性、统一标准
11
二、生产过程对控制的要求 生产过程对控制最主要的要求可以归结为三个方面，
即：安全性、稳定性和经济性。 (1)安全性 是指在整个生产运行过程中，能够及时
预测、监控和防止任何事故的发生，以确保生产设 备和操作人员的安全，这是最重要也是最基本的要 求。 (2) 稳定性 是指当工业生产环境发生变化或受到随 机因素的干扰和影响时，生产过程仍能不间断地平 稳运行，并保持稳定的产品质量。
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
4 ．精馏过程 精馏是一种分离过程。典型设备：精馏塔
5 ．传质过程 不同组分的分离和结合，如液体和气体之间的解
吸、汽提、去湿或润湿，不同非溶液体的萃取、液体 与固体之间的结晶、蒸气或干燥等都是传质过程。其 目的是获得纯的出口物料。
● 20世纪50年代前后(仪表化与局部自动化阶段)：过程控
制发展的第一个阶段，实现了仪表化和局部自动化。 主要特点：检测和控制仪表-----采用基地式仪表和
过程控制与自动化仪表
பைடு நூலகம்13 13
过程控制的功能结构
◆ 测量变送与执行 测量变送装置与执行装置实现 ◆ 操作安全与环保 保证生产安全、满足环保要求的设备
（独立运行） ◆ 常规与高级控制 实现对过程参数的控制，满足控制要求。 ◆ 实时优化 实现最优操作工况（时间，成本，设备
过程控制与自动化仪表
3
自动化仪表
自动化仪表----- 用于生产过程自动化的仪器或
设备，是实现工业企业自动化的必要手段和技术 工具。 特点----- 兼容性、统一标准
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二、生产过程对控制的要求 生产过程对控制最主要的要求可以归结为三个方面，
即：安全性、稳定性和经济性。 (1)安全性 是指在整个生产运行过程中，能够及时
预测、监控和防止任何事故的发生，以确保生产设 备和操作人员的安全，这是最重要也是最基本的要 求。 (2) 稳定性 是指当工业生产环境发生变化或受到随 机因素的干扰和影响时，生产过程仍能不间断地平 稳运行，并保持稳定的产品质量。
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
4 ．精馏过程 精馏是一种分离过程。典型设备：精馏塔
5 ．传质过程 不同组分的分离和结合，如液体和气体之间的解
吸、汽提、去湿或润湿，不同非溶液体的萃取、液体 与固体之间的结晶、蒸气或干燥等都是传质过程。其 目的是获得纯的出口物料。
● 20世纪50年代前后(仪表化与局部自动化阶段)：过程控
制发展的第一个阶段，实现了仪表化和局部自动化。 主要特点：检测和控制仪表-----采用基地式仪表和
过程控制与自动化仪表
பைடு நூலகம்13 13
过程控制的功能结构
◆ 测量变送与执行 测量变送装置与执行装置实现 ◆ 操作安全与环保 保证生产安全、满足环保要求的设备
（独立运行） ◆ 常规与高级控制 实现对过程参数的控制，满足控制要求。 ◆ 实时优化 实现最优操作工况（时间，成本，设备
《过程控制及自动化仪表》 潘永湘-配套课件-第四章ppt
dh q q A 2 则有： 1 dt
h q2 R2
d h q1 q2 A dt
带入增量式中可得单容液位过程的微分方程增量式
d h R2 A h R2q1 dt
其中：
H (s) R2 K G( s) Q1 (s) R2Cs 1 Ts 1
p4
被控过程的特性
※
依据过程特性的不同分为自衡特性与无自衡特性、单 容特性与多容特性、振荡与非振荡特性等
1．有自衡特性和无自衡特性
当原来处于平衡状态的过程出现干扰时，其输出量在无人或无控制装置的干预下， 能够自动恢复到原来或新的平衡状态，则称该过程具有自衡特性，否则，该过程则被 认为无自衡特性。
p2
静态数学模型
动态数学模型
• • • •
集中参数过程-----单个控制参数的过程控制 分布参数过程-----多个控制参数的过程控制 多级过程------控制过程有多个控制步，（相当与离散系统） 例：单输入—单输出的过程模型数学模型
• 线性时间连续模型(可用微分 • 方程或传递函数表示)
• 线性时间离散模型(可用差分方程或脉冲传递函数表示)
p16
解析法建立过程的数学模型
解析法建模的一般步骤 1） 明确过程的输出变量、输入变量和其他中间变量； 2） 依据过程的内在机理和有关定理、定律以及公式列写 静态方程或动态方程； 3） 消去中间变量，求取输入、输出变量的关系方程； 4） 将其简化成控制要求的某种形式，如高阶微分（差分） 方程或传递函数（脉冲传递函数）等；
1
，则此时传递函数为
K0 G( s) e1s (T1s 1)(T2 s 1)
若将槽2和阀门3改为定量泵，使得 的高低无关，则响应的传递函数为：
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过 静态数学模型
程 的 数 学
模
动态数学模型
型
2
• 集中参数过程-----单个控制参数的过程控制 • 分布参数过程-----多个控制参数的过程控制 • 多级过程------控制过程有多个控制步，（相当与离散系统） • 例：单输入—单输出的过程模型数学模型
• 线性时间连续模型(可用微分 • 方程或传递函数表示)
MATLAB语言编写算法程序。
1
被控过程的数学模型及其作用
※
被控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 其中：
过程的输入变量至输出变量的信号联系称为通道 控制作用至输出变量的信号联系称为控制通道 干扰作用至输出变量的信号联系称为干扰通道
过程的输出为控制通道与干扰通道的输出之和
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解析法建立过程的数学模型
解析法建模的一般步骤 1） 明确过程的输出变量、输入变量和其他中间变量； 2） 依据过程的内在机理和有关定理、定律以及公式列写 静态方程或动态方程； 3） 消去中间变量，求取输入、输出变量的关系方程； 4） 将其简化成控制要求的某种形式，如高阶微分（差分）
方程或传递函数（脉冲传递函数）等；
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单容过程的解析法建模 例1：某单容液位过程，如右图。贮罐中液位高度h为被控参数,流入贮罐的体积流量 为q1过程的输入量并可通过阀门1的开度来改变；流出贮罐的体积流量q2为过程的干扰， 其大小可以通过阀门2的开度来改变。试确定q1与h之间的数学关系?
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※
解
根据动态物料平衡关系，即在单位时间内贮罐的液体流入量与单位 时间内贮罐的液体流出量之差应等于贮罐中液体贮存量的变化率
• 线性时间离散模型(可用差分方程或脉冲传递函数表示)
3
被控过程的数学模型在过程控制中的重要性
※
• 全面、深入地掌握被控过程的数学模型是控制系统设 计的基础。
• 良好数学模型的建立是控制器参数确定的重要依据。 • 数学建模是仿真或研究、开发新型控制策略的必要条
件。
• 通过对生产工艺过程及相关设备数学模型的分析或仿 真，可以为生产工艺及设备的设计与操作提供指导。
K1 时为响应初期，
位呈现方向特性；而当
K2T1 K1 时为响应中、后期，
水位呈现正向特性，整个过程的响应特性如图中实线3所示。
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过程建模方法
※
1．机理演绎法
用机理法建模就是根据工业生产过程的机理，写出各种 有关的平衡方程如：物质平衡方程；能量平衡方程；动量 平衡方程；相平衡方程以及反映流体流动、传热、传质、 化学反应等基本规律的运动方程，物性参数方程和某些设 备的特性方程等，从中获得所需的数学模型。
静态物料(或能量)平衡关系-----单位时间内进入被控过程的物料(或能量)等于单位时间 内从被控过程流出的物料(或能量)。
动态物料(或能量)平衡关系-----单位时间内进入被控过程的物料(或能量)减去单位时间 内从被控过程流出的物料(或能量)等于被控过程内物料(或能量)贮存量的变化率。
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过程建模方法
G(s) 1 es T1s(T2s1)
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2．振荡与非振荡过程的特性
※
在阶跃输入作用下，输出会出现多种形式。
衰减振荡的传递函数为
G(s)(T2s2Ke2Ts s1)
(0 1)
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※
4．具有反向特性的过程 对过程施加一阶跃输入信号，若在开始一段
时间内，过程的输出先降后升或先升后降，即出 现相反的变化方向，则称其为具有反向特性的被 控过程。
• 利用数学模型可以及时发现工业过程中控制系统的故 障及其原因，并提供正确的解决途径。
4
被控过程的特性
※
依据过程特性的不同分为自衡特性与无自衡特性、单 容特性与多容特性、振荡与非振荡特性等
1．有自衡特性和无自衡特性
当原来处于平衡状态的过程出现干扰时，其输出量在无人或无控制装置的干预下， 能够自动恢复到原来或新的平衡状态，则称该过程具有自衡特性，否则，该过程则被认 为无自衡特性。
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另一方面，由于进水量大于蒸汽负荷量，又使水位逐渐上升， 其响应呈现出正向积分特性，如图中虚线2所示，其传递函数为：
若将虚线1和虚线2叠加后得到实线3，则总的 传递函数为：
G(s) K2 s
G (s)K 2K 1 (K 2T 1K 1)sK 2
由上式可见，当
s
K2T1
T 1s1 s(T 1s1 )
第四章 被控过程的数学模型
本章要点
1）掌握被控过程机理建模的方法与步骤； 2）熟悉被控过程的自衡和非自衡特性； 3）熟悉单容过程和多容过程的阶跃响应曲线及解析表
达式； 4）重点掌握被控过程基于阶跃响应的建模步骤、作图
方法和数据处理； 5）熟悉被控过程的一次完成最小二乘建模方法，学会
用MATLAB语言编写算法程序。 6）熟悉被控过程的递推最小二乘建模方法，学会用
一阶环节 G ( s ) 1
Ts
二阶惯性环节
K G(s)
(T1s1)(T2s1)
二阶环节
G(s) 1 T1s(T2s 1)
一阶惯性+ 纯滞后环节
Ke s G(s)
(Ts 1)
一阶+纯滞后环节 G(s) 1 es Ts
二阶惯性+ 纯滞后环节
G(s)
Kes
(T1s1)(T2s1)
二阶+纯滞后环节
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当供给锅炉的冷水量有一个阶跃增加而在燃料供热与蒸汽 负荷均不变的条件下，一方面，汽包内水的沸腾会突然减弱， 蒸发率降低。由于汽包中电水位是由上升的汽泡流托起的。 锅炉蒸发率的降低将导致部分气泡的溃灭，于是汽包中的 水位下降，其响应呈反向一阶惯性特性，如上图中的虚线1 所示，其传递函数为：
G(s) K1 T1s 1
5
具有自衡特性的过程及其响应曲线 无自衡过程及其阶跃响应曲线
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6
控制过程与自动化仪器
第24讲
学时：48 主讲教师：孙晓东
具有自衡特性的过程及其响应曲线 无自衡过程及其阶跃响应曲线
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8
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自平衡特性其传递函数的
无平衡特性其传递函数的
典型形式有：
典型形式有：
一阶惯性环节 G(s) K (Ts 1)
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。
※
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过程建模方法
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3．混合法
上两种方法的结合，即先通过机理分析确定模型的结构形式，再通过实验数据来确定 模型中各系数的大小。