1过程控制系统基本概念
过程控制系统PCS(Process Control System)的介绍及应用
过程控制系统PCS(ProcessContro1System)的介绍及应用过程控制系统(ProcessContro1System,PCS)是在自动化技术的支持下对生产过程进行实时监测、控制和优化的一种系统。
PCS通过传感器、执行器、计算机和网络等技术手段，对现场各种参数进行实时监测、分析和控制，以确保产品质量、提高生产效率和降低成本。
以下是PCS的介绍及应用。
1.过程控制系统的基础功能核心模块：输入模块、控制模块和输出模块这三个模块是过程控制系统的基础。
其中输入模块主要负责采集现场的数据，如温度、压力、流量等；控制模块则对这些数据进行处理、分析，并制定相应的控制策略；输出模块则将控制信号传送给执行器，如阀门、电机等，来实现对生产过程的控制。
2.过程控制系统的应用2.1化工行业化工行业中存在许多高危作业环节，PCS可以帮助企业降低生产事故风险。
例如，作为一个严格遵循生产规范要求的工业领域，PCS能够在化学反应过程中确保反应的安全性，从而防止不必要的人员伤害和财产损失。
3.2石油行业在石油工业中，过程控制系统也发挥着至关重要的作用。
由于石油生产环境复杂，PCS可以通过对石油采集、加工、储存等环节的实时监测，精准掌握各个环节的生产数据，提高生产效率和节约成本。
4.3电力行业电力行业是一个需要高度自动化技术支持的领域，PCS通常被用来监测、控制和优化发电机组的运行状态。
例如，在燃气发电机组中，使用PCS能够实现自动控制温度、压力和电压等参数，以提高发电效率和减少排放。
5.4制药行业制药行业需要严格遵守安全、卫生、环保等法规标准，PCS在制药过程中的应用非常重要。
例如，通过对药品生产过程进行实时监测和控制，PCS能够确保药品的生产量和质量达到最佳效果，同时满足药品的安全标准。
6.5食品行业食品行业也是PCS的一个重要应用领域。
在生产食品过程中，PCS可以对温度、湿度、氧气等多项参数进行实时监测和控制，提高食品的生产效率和质量，并且确保生产过程符合卫生安全标准。
现代过程控制基础 1 过程控制系统综述
1.1.4 过程控制系统的品质指标
a-发散震荡过程
b-等幅震荡过程
c-衰减震荡过程
d-非周期过程
几种不同的过渡过程
递减比： 积分性能指标：
动态偏差：B1 调整时间：TC 静态偏差 C
1.2 单回路控制系统
f
r
e
u
q
y
调节器 调节阀 被控对象
－
z 检测元件、变送器
r：给 定 值 e：偏 差 u：控 制 量 q：操 纵 量 y： 输 出 f： 扰 动 z： 测 量 值
• 过程扰动通道的放大系数Kf应尽可能小；时间 常数Tf要大；引入系统的位置要远离被控参数；
• 应尽量设法把广义过程的几个时间常数错开， 使其中一个时间常数比其他时间常数大得多；
• 注意工艺操作的合理性、经济性。
1.2.9 控制系统投运(1)
• 投运：在控制系统方案设计、仪表安装 调校就绪后，或者经过停车检修之后， 再将系统投入生产使用的过程。
具有两个以上的检测元件和变送器， 或调节器，或执行器的控制系统
1.3.1 串级控制系统
r 主调节器
－ 主回路
副回路
d2
副调节器 －
阀 副对象
副变送器
主变送器
d1
y 主对象
d1：一次扰动 d2：二次扰动
1.3.1.1 串级控制系统的结构
串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一， 在过程控制中得到了广泛地应用。
• 一 次 扰动——不包括在副回路内的扰动。 • 二 次 扰动——包括在副回路内的扰动。
1.3.1.3 串级控制系统主要特点
• 1.改善了被控过程的动态特性； • 2.提高了系统的工作频率； • 3.具有较强的抗扰动能力； • 4.具有一定的自适应能力。
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 (2)
过程控制系统简介过程控制系统（Process Control System）是一种用于监控和控制生产过程的系统。
它由多个硬件设备和软件组成，能够实时监测各种传感器和执行器的状态，并根据设定的规则和算法进行自动控制。
过程控制系统广泛应用于工业生产、能源管理、环境监测等领域，能够提高生产效率、降低能源消耗、提升产品质量和安全性。
架构过程控制系统通常由以下几个组件构成：1. 传感器传感器是过程控制系统的输入设备，用于实时监测和采集生产过程中的各种数据。
常见的传感器包括温度传感器、压力传感器、流量传感器等。
这些传感器将检测到的数据传输给控制系统进行处理和分析。
2. 执行器执行器是过程控制系统的输出设备，用于根据系统的控制策略执行操作。
例如，根据温度传感器的数据，过程控制系统可以控制执行器来调节加热或冷却设备的操作，以维持所需的温度。
3. 控制器控制器是过程控制系统的核心组件，负责接收传感器数据、计算控制策略，并通过执行器来实现控制。
控制器可以是硬件控制器，如可编程逻辑控制器（PLC），也可以是软件控制器，如基于计算机的控制系统。
4. 监视界面监视界面是过程控制系统的用户界面，用于显示实时数据、报警信息和操作状态，方便操作人员进行监控和操作。
监视界面通常具有图形化界面，方便用户进行数据浏览、参数调整和报表生成等操作。
5. 数据存储与分析过程控制系统还需要具备数据存储和分析功能，以便后续的监测和分析。
数据存储可以使用数据库或云存储等方式，分析可以使用数据挖掘、统计学等方法，以提供对生产过程的优化建议。
工作原理过程控制系统的工作原理可分为以下几个步骤：1.传感器实时采集生产过程中的数据，如温度、压力、流量等。
2.数据被传输到控制器，控制器将采集到的数据与设定的控制规则进行比较，并计算出相应的控制量。
3.控制器通过执行器来实现控制操作，例如调节温度、打开或关闭阀门等。
4.控制器还会将数据传输到监视界面，以便操作人员实时监测生产过程，并及时处理异常情况。
第一章过程控制系统基本概念讲义.
二
过程控制系统的过渡过程
当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量（即输出） 随时间不断变化，它随时间而变化的过程称为系统的过渡 过程。也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态 的过程。
对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳 定系统）要分析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作 用为输入时的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很 典型，实际上也经常遇到，且这类输入变化对系统来讲是 比较严重的情况。
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图1-1 锅炉汽包水位控制示意图
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二、过程控制系统组成
1、控制系统常用术语（教材P4）
①被控过程（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。 ②被控变量：被控过程内要求保持设定值的工艺参数。 ③给定值：工艺参数所要求保持的数值。 ④操纵变量：受控制器操纵，用以克服干扰的影响使被 控变量保持设定值的物料量或能量（流过控制阀介质 的流量）。 ⑤扰动量：除操纵变量外，作用于被控过程并引起被控 变量变化的因素（使被控变量偏离给定值）。 ⑥偏差：测量值与设定值之差。
图1.4 锅炉汽包管道及仪表流程图
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图1.5 发酵罐管道及仪表流程图
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§1-2过程控制系统主要类型
按控制系统基本结构形式 -----闭环控制系统和开环控制系统。 重点介绍闭环控制系统
1、闭环控制系统：（视频播放：2－01：49~27）
定义：闭环控制系统是指控制器与被控对象之间既有顺向控 制又有反向联系的控制系统；凡是系统的输入端和输出端 之间存在反馈支路，使得输出变量对控制作用有直接影响12
2．反馈概念
反馈——通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统 的输入端，这种把系统的输出信号直接或经过一些环节引 回到输入端的做法叫做反馈。 负反馈——引回到输入端的信号是减弱输入端作用的称为负 反馈，用“－” 号表示。将被控变量送回输入端并与输入 变量相减。 （重点理解） 正反馈——引回到输入端的信号是增强输入端作用的称为正 反馈，用“＋”号表示。将被控变量送回输入端并与输入 变量相加。
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。
1过程控制及集散控制系统概述
程序控制系统
其设定值也是变化的，但它根据需要按一定时间 程序变化。
程序控制机床，冶金工业中退火炉的温度控制
1.2 单回路过程控制系统的组成
设定值
- 控制器
执行机构 被控变量
传感变送
被控对象、传感器和变送器、控制器（调节器）、执行器和控制阀
PLC主要生产厂商
Siemens(西门子)公司 Allen-Bradley(A-B)公司（Rockwell） Schneider(施耐德)公司 Mitsubishi(三菱)公司 Omrom(欧姆龙)公司
DCS系统
Distributed Control System 控制站CS 操作员站OS、工程师站ES （人机接口） 控制网络
3. 被控过程多属慢过程，控制目标多为过程参数
生产过程的物料大多是流体状的，因此能量的交换与传递过 程在时间上往往有比较大的滞后
控制目标间有较强的耦合（关联）
4. 给定值控制是主要的控制形式
控制系统分类－按设定值的不同情况
恒值（定值）控制系统
恒温箱的温度控制 稳压电源的电压稳定控制
随动控制系统
重 相 过量的碳酸钠
夹套温度：130-140 釜内温度：80-90
中和过量乙酸， 溶解乙醇
中和反应产生 乙酸钠、和乙
反应时间：2-3小时
醇
乙酸乙酯生产过程
萃取剂 乙二醇
轻 相 乙酸乙酯、
微量的乙醇、水
筛板塔 轻组分 乙酸乙酯
萃取精馏 重组分 乙二醇、
（提纯乙酸乙酯）
乙醇和微量的水
填料塔 轻组分 乙醇和水 精馏 重组分 乙二醇
流程工业（Flow industry）
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）
过程控制第1章_绪论
36
§1-3 方块图与流程图
反馈： 闭环控制系统中，输出变量（或信号）沿着回路中的 信号流动方向总会返回到系统的输入端，与给定值进 行比较。这种把系统（或方块）的输出信号引回到系 统输入端的做法叫做反馈。
若反馈信号（被控变量测量值z）与给定值信号的方 向相反，即反馈信号z 取负值，则叫做负反馈。 测量信号与给定值信号方向相同，则叫做正反馈。 闭环控制系统是靠负反馈来达到控制的目的。 例：储槽液位控制系统；炉温控制系统
1
一、生产过程及其特点 连续生产过程主要有以下几种形式： 1 ．传热过程 通过冷热物流之间的热量传递，达到控制介质温 度、改变介质相态或回收热量的目的。典型设备：换 热器 2 ．燃烧过程 通过燃料与空气混合后燃烧为生产过程提供动力 和热源。典型设备：加热炉
2
一、生产过程及其特点 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
按被控变量的名称分类 温度，压力，流量，液位，成分等控制系统
按被控变量的数量分类 单变量控制系统，多变量控制系统
按控制器的控制规律分类 比例P控制系统，比例积分PI控制系统，比例微积分PID 控制系统 按控制系统的结构分类 反馈控制系统，前馈控制系统，前馈-反馈控制系统，
21
二、过程控制系统的分类
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§1-3 方块图与流程图
图1-7 液体贮槽的工艺控制流程图
图中所示，工艺控制流程图主要是由工艺设备、 管道、元件以及构成控制系统的仪表符号及信号线等 图形符号组成。
42
§1-3 方块图与流程图 仪表图形符号： 仪表图形符号可用来表达工业自动化仪表所 处理的被测变量和功能，还可以表示仪表或元件 的名称。 仪表图形符号是直径为12mm的细实圆圈， 并在其中标有仪表位号。 仪表位号由字母代号和数字编号组成，如下例所示：
过程控制系统第1章-过程控制系统概述课件
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
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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
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。
《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。
第一章-过程控制基本概念
第一 章 过 程控制基 本概念教学要求：了解过程控制的发展概况及特点；掌握过程控制系统各 部分作用，系统的组成；图绘制方法，认识常见图形符号、文字代号；管道及仪表流程图；掌握静态、动态及过 ,学会计算品质指标。
点：自动控制系统的 组成及各部分的功能； 负反馈概念；控制系统的基本控制要求及质量指标。
难 点：常用术语物理意义（操纵变量与扰动量区别）；根据控制系统要求绘制方框图； 静态，过渡过程概念。
自动控制技术在工业 、农业、国防和科学技术现代化中起着十 分重要的作用，自动控制水平的高低也是衡量一个国家科学技术先进与否的重要标志之一。
随着国民经济和国防 建设的发展，自动控制技术的应用日益广泛，其重要作用也越来越显著。
生产过程自动控制（简称过程控制）---- 自 动 控制技术在石油、化工、电力、冶金、机械、轻工、纺织等生产过程的具体应用，是自动化技术的重要组成部分。
§ 1.1 过程控 制 的 发展 概 况 及特 点一、过 程控制的发展概况在过程控制发展的历 程中，生产过程的需求、控制理论的开拓和控制技术工具和手段 的进展三者相互影响 、相互促进，推动了过程控制不断的向前 发展。
纵观过程控制的发展历史，大致经历了以下几个阶段：20 世纪 40 年代：手工操作状态，只有 少量的检测仪表用于生产过程，操作人员 主要根据观测 到的反映生产过程的 关键参数，用人工来改变操作条件，凭经验去控制生产过程。
20世纪40年代末〜50年代：过程控制系统：多为单输入、单输出简单控制系统过程检测：采用的是 基地式仪表和部分单元组合仪表（气动I 型和电动I 型）；部分生产过程实现了仪表化和局部自动化控制理论：以反馈为中心的经典控制理论掌握控制系统的基本 控制要求（稳定、快速、准确 ）； 掌握渡过程概念； 掌握品质指标的定义20 世纪 60 年代：过程控制系统：串级、比值、均匀、前馈和选择性等多种复杂控制系统。
自动化仪表：单元组 合仪表（气动n 型和电动n 型）成为主流 产品60 年代后期，出现了 专门用于过程控制的小型计算机 ，直接数字控制系统和监督计算机控制系统开始应用于过程控制领域。
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
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过程控制系统是一种广泛应用于工业生产、交通运输、能源等领域的自动化控制技术。
它通过将输入信号与输出信号之间的映射关系进行计算，实现对被控对象的精确控制。
过程控制系统的研究和发展可以分为四个环节：传感器、执行器、控制器和监测系统。
本文将对这四个环节进行详细阐述，并介绍相关概念。
传感器是过程控制系统中的关键部件，它负责将被控对象的状态信息转换为电信号。
传感器的种类繁多，包括温度传感器、压力传感器、流量传感器等。
这些传感器可以根据不同的测量对象和测量要求进行选择。
例如，在温度控制过程中，我们可以使用温度传感器来测量炉子的温度，并将测量结果传递给控制器。
执行器是过程控制系统中的另一个重要组成部分，它负责将控制器发出的指令转化为实际的物理动作。
执行器的种类也很多，包括气动执行器、电动执行器、液压执行器等。
执行器的性能直接影响到控制系统的精度和稳定性。
因此，在选择执行器时，需要考虑其响应速度、负载能力等因素。
第三，控制器是过程控制系统的核心部件，它根据传感器提供的信号和预设的控制策略来计算输出信号。
控制器可以采用不同的算法和结构，如开环控制、闭环控制、模糊控制等。
其中，闭环控制具有较高的精度和稳定性，但需要对系统的动态特性进行建模和分析。
控制器还需要具备一定的自适应能力，以应对环境变化和被控对象非线性问题。
监测系统是过程控制系统的辅助部分，它负责对控制系统的运行状态进行实时监测和故障诊断。
监测系统可以通过人机界面、数据采集卡等方式实现对控制系统的可视化和远程操作。
当监测系统发现异常情况时，可以向控制器发送报警信号，以便及时采取措施避免事故的发生。
除了以上四个环节外，过程控制系统还涉及到一些相关概念，如采样周期、稳态误差、快速响应等。
采样周期是指传感器对被测信号进行采样的时间间隔，通常以秒为单位。
稳态误差是指系统在达到稳定状态后仍存在的偏差，它与系统的动态响应特性有关。
快速响应是指控制器能够在短时间内对输入信号做出有效反应的能力，这对于某些高速或紧急情况下的应用非常重要。
过程控制-第一章
过程控制 二、建模的目的和要求
➢ 设计过程控制系统和整定调节器参数 ➢ 指导设计生产工艺设备 ➢ 进行仿真试验研究 ➢ 培训运行操纵人员 ，等等 要求： 准确可靠；但并不意味着愈准确愈好。 鲁棒性 实时性要求。往往需要做很多近似处理，比如线性化、 模型降阶处理等。
dh
A
R dt
hKuRu
令： A=C，容量系数 T=RC，时间常数 K=KuR，放大倍数
TdhhKu dt
对应的传递函数为：
G( s ) H( s ) K U( s ) Ts 1
过程控制
该对象对应的方框图：
过程控制
U(s)
Qi(s)
1
Ku
+－
Cs
Qo(s)
1
R
H(s)
G(s)H(s) KuC 1S KuR K U(s) 11 1 RCS1 Ts1 CSR
过程控制
Q1(s)
－
Q2(s)
H1(s)
1
1
c1s
R2
Q2(s)
1
－ c2s
Q3(s)
1 R3
对象框图
过程控制
H2(s)111过程来自制G(s) H2(s)
C1s R2 C2s
Q1(s) 1 1 1 1 1 1 1 1 1
C1s R2 C2s R3 C1s R2 C2s R3
R3
C1R2s C2R3s C2R3s C1R2s 1
过程控制
1、 数学模型定义 被控过程的数学模型（动态特性），是指过程在各输入量 （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。
第一章过程控制系统基本概念介绍
特点：有较高的控制精度和较好的适应能力，有很强的抗干 扰能力 ；当系统的惯性滞后和纯滞后较大时，控制作用对 扰动的克服不及时，从而使其控制质量大大降低。
2018/10/20 11
闭环控制系统分类
分三类: 定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。
定值控制系统： 设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控 制系统称为定值控制系统。 程序控制系统：设定值也是变化的，但它是一个已知的时 间函数，即根据需要按一定时间程序变化。 随动控制系统：设定值不断变化，且事先是不知道的，并 要求系统的输出（被控变量）随之而变化。 注意它们的区别和联系
2018/10/20 4
2018/10/20
图1-1 锅炉汽包水位控制示意图
5
二、过程控制系统组成
1、控制系统常用术语（教材P4）
①被控过程（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。 ②被控变量：被控过程内要求保持设定值的工艺参数。 ③给定值：工艺参数所要求保持的数值。 ④操纵变量：受控制器操纵，用以克服干扰的影响使被 控变量保持设定值的物料量或能量（流过控制阀介质 的流量）。 ⑤扰动量：除操纵变量外，作用于被控过程并引起被控 变量变化的因素（使被控变量偏离给定值）。 ⑥偏差：测量值与设定值之差。
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3
§1-1过程控制系统组成和表示形式
一、过程控制系统定义 第一章－1－23分钟.wmv
过程控制：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。 过程控制系统：在工业生产中在没有人直接参与的条件下， 工艺参数能自动按照预定的规律变化的控制系统。实例
过程控制的作用：
1、实现最优技术指标，提高产品质量。 2、提高经济效益 3、提高劳动生产率 4、改善劳动条件 5、保护环境
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课程的重要性
本课程是培养学生综合应用所学知识设计工业生产过程 控制系统的专业课，具有很强实践性。 涉及的学科面广，是一门与材料科学、计算机技术、信 息技术密切相关的快速发展的学科。 与专业方向相关：热能工程；电厂动力；内燃机；制冷 与低温工程；环境与设备工程；热工自动化；新能源科 学与工程。 与学术研究相关：热工过程与设备的计算机仿真与优化； 节能与环保新技术；热工过程检测；诊断与智能决策； 现代热物性测试技术；新型制冷系统与装置；空调系统 与设备节能新技术；CFD建筑能耗分析与管理研究；建 筑室内外空气品质及其控制。
21.04.2019 8
考核办法
平时成绩(30%)＋期末笔试(70%) 平时成绩：考勤（5分/次） 作业（5分/次） 回答问题（5分/次） 课堂秩序（5分/次） 考勤有4次未到者或平时成绩不及格者，取消考试资格
附加题：1、教室照明节电自动控制系统设计 2、校园厕所节水自动控制系统设计 3、公交车实时信息预报系统的研究和设计
过程控制仪表与系统
任课教师：黄学章、张建智
21.04.2019
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前言
课程简介及课程内容 课程的重要性 教学团队 课程安排 参考文献 考核办法
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课程简介及课程内容
过程控制仪表+过程控制系统 （Process Control Instrument and System ） 课程简介：本课程为专业基础课，具有较高的理论性与实践性。 其目的和任务是通过本课程的学习，学生将掌握单回路和常见复 杂过程控制系统的组成、工作过程、特点以及应用等知识，为毕 业设计及将来学习和工作打下过程控制的专业基础。 主要内容： ①过程控制仪表与装置：包括过程控制仪表的组成与分类、 控制器（可编程调节器）与控制规律、变送器、执行机构与调节 阀等； ②过程控制系统：包括过程控制系统的组成、单回路过程 控制系统的设计、要求和参数整定；常用复杂过程控制系统的原 理和特点，以及设计和应用。此外，还要了解计算机控制系统 （PLC)、先进的过程控制系统和智能控制系统，以及各类过程控 制系统在工业生产过程中的实际应用。
例2：锅炉汽包水位控制
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汽包
汽包
省煤器
给水 （a）手动控制
省煤器 （b）自动控制
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锅炉汽包液位控制
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参考文献
[1] 刘玉长主编，自动检测和过程控制，第四版，冶金工业出版社，2010 [2] 周泽魁主编，控制仪表与计算机控制装置，化学工业出版社，2002 [3] 何衍庆、俞金寿主编，工业生产过程控制，化学工业出版社，2004 [4] 潘永湘主编，过程控制与自动化仪表第2版，机械工业出版社，2007 [5] 曹润生等编，过程控制仪表，浙江大学出版社，1987 [6] 徐春山主编，过程控制仪表，冶金工业出版社，1995. [7] 吴勤勤主编，控制仪表及装置，第二版，化学工业出版社，2002 [8] 方康玲主编，过程控制系统，武汉理工大学出版社，2002 [9] 王骥程、祝和云主编，化工过程控制工程，化工出版社，1981 [10] 向婉成主编，过程控制调节装置，机械工业出版社，1987 [11] 涂植英等主编,过程控制系统, 机械工业出版社，1988 [12] 金以慧主编，过程控制，清华大学出版社，1993.4 [13] 孟华主编，工业过程检测与控制，北京航空航天大学出版社，2002 [14] 俞金寿、蒋慰孙编著，过程控制工程，电子工业出版社，2007 [15] 林德杰主编，过程控制仪表及控制系统，机械工业出版社，2004 [16] 侯志林，过程控制与自动化仪表，机械工业出版社，2007
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教学团队
任课教师：黄学章；张建智；宋彦坡 联系方式： zjz0712@
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课程安排
请参考教学日历（40学时）
绪论（4学时）+过程控制仪表（8学时）+过 程控制系统（14学时）+计算机控制系统（4 学时）+工程应用（6学时）+机动（2学时）+ 复习（2学时）
执 行 器
变 送 器
调 节 器
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11
水槽液位控制
F1 F1 L C
F2
工作过程： F1 增加 → L 增加 → 变送器输出信号增加 → 偏差 （测量值 - 设定值）为正、增加 → 控制器输出增加 →阀开度增加 → F2增加 → L降低；
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21.04.2019 9
第一章
过程控制系统的基本概念
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21.04.2019
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1.1.1 过程控制系统
例1：水槽液位控制
进 料 口 进 料 口
玻璃管液位计
H 出 料 口
汽 包
炉墙
过热器 炉 膛
省 煤 器
热空气 送往炉膛 空气预热器 给水 冷空气 烟气 (经引风机送往烟囱)
热空气 燃料 燃料嘴
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锅炉设备的三大控制系统
负 荷 给水量 减温水 燃料量 送风量 引风量 锅炉设备 水 位
蒸汽温度 蒸汽压力 过剩空气 炉膛负压
主要控制系统：（1）锅炉汽包水位的控制； （2）锅炉燃烧系统的控制； （3）过热蒸汽系统的控制。 21.04.2019