第一章过程控制系统概述

1）反馈控制系统（闭环控制系统）
将被控变量输入到控制器，形成闭环，具有被控变量 负反馈的控制系统。如：
干扰f + 给定值
e
－
控制器
执行器
被控对象
被控变量
实测值
变送器 反馈控制系统是过程控制最基本的结构形式。
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第1章 过程控制系统概述
2）前馈控制系统（开环控制系统） 控制系统没有被控变量负反馈，不将被控变量引入到 控制器输入端。如：
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。 兰州理工大学电信学院
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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。
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第1章 过程控制系统概述
例：图为人工控制室温。假设在冬季，室内加温是通过热水 加热器，将送风加热后源源不断送往恒温室。为保证恒温室 温符合要求，操作人员要随时观察温度计的指示值，并随时 判断和决定如何操作阀门来保证恒温要求，然后进行操作。
在此人的作用 可分为三步： 眼看 脑想 手动 恒温室 温度计
（1）被控参数（变量）y(t)：被控过程内要求保持稳定 的工艺参数,如温度、压力、流量、液位、成分等； （2）控制参数（亦称操作变量控制介质）q(t)：使被控 参数保持期望值的物料量或能量； （3）干扰量f(t)：除被控参数外，作用于被控过程并引 起被控参数变化的各种因数； （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。
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第1章 过程控制系统概述
1.开环控制系统 开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出 (被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响，不依赖将被控量 反送回来以形成任何闭环回路。 2.闭环控制系统 闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控 对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多 个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值 信号相反，则称为负反馈( Negative Feedback)，若极性相同，则称 为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。 闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系 统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作 出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一 个开环控制系统。 3 .阶跃响应 阶跃响应是指将一个阶跃输入（step function）加到系统上时， 系统的输出。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是 指系统的稳定性(stability)，一个系统要能正常工作，首先必须是 稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的﹔准是指控制系统的准确性、 控制精度，通常用稳态误差来(Steady-state)
制药、建材、核能、环境工程等许多领域的自动控制系统，
都属于过程控制系统。 连续生产过程特征是：生产过程中的各种流体，在连续 （或间歇）的流动过程中进行着物理化学反应、物质能量 的转换或传递。例如室内温度的控制。
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第过程控制与集散系统 1章 过程控制系统概述
1.2 过程控制系统的组成与特点
按控制器形式分类： 常规仪表过程制系统、计算机过程控制系统
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第1章 过程控制系统概述
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 1、定值控制系统：是工业生产过程中应用最多的一种过程控制系统。在运行 时，系统被控量的给定值是不变的。有时根据生产工艺要求，被控量的给定 值保持在规定的小范围附近波动。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。 2、随动控制系统：是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。它的 主要作用是克服一切扰动，使被控量随时跟踪给定值。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。 3、程序控制系统：其给定值按预定的时间程序来变化。如机械工业中的退火 炉的温度控制系统，其给定值是按升温、保温、逐次降温等程序变化的。家 用电器中应用定值控制系统的也很多，如电脑控制的洗衣机、电饭煲等。 兰州理工大学电信学院
干扰f 测量值
控制器
执行器
被控对象
被控量
开环控制系统原理框图
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第1章 过程控制系统概述
3）复合控制系统
前馈与反馈相结合，优势互补。如：
控制器2
+
变送器
干扰f
e
－
给定 值
控制器1 +
+
执行器
被控对象
实测值
被控变 量
变送器
前馈-反馈复合控制系统原理框图
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第1章 过程控制系统概述
过程控制多种分类方法：
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 按参数性质分类： 集中参数控制系统、分布参数控制系统 按控制算法分类： 简单控制系统、复杂控制系统、先进或高级控制系统
04来自百度文库03:02
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第1章 过程控制系统概述
按系统结构分类：1）反馈控制；2）前馈控制；3）复合控制。
测量变送
f (t )
y (t )
前馈补偿器
执行器
被控过程
前馈补偿器
f (t )
y (t )
x(t )
－
控制器
执行器
被控过程
测量变送
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第1章 过程控制系统概述
工业过程可以分为：连续过程工业、离散过程工业和间歇过程工业.
过程控制主要是指连续过程工业的过程控制
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第过程控制与集散系统 1章 过程控制系统概述
过程控制（Process control）：是指连续生产过程的自 动控制。石油、化工、水利、电力、冶金、轻工、纺织、
f (t )
r (t )
－
e(t )
控制器
u (t )
执行器
q (t )
被控过程
y (t )
z (t )
测量变送
过程控制系统的一般性框图 1．被控过程（或对象）； 2．检测变送(用于生产过程参数检测的检测与变送仪表)；
3．控制器；
4．执行器(机构). 兰州理工大学电信学院
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第1章 过程控制系统概述 名词术语：
y
静态
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动态
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静态
t
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第1章 过程控制系统概述
2 、动态 — 把被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统 的动态。 即控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过渡 过程。当干扰破坏了系统的平衡时，被控变量就会发生变化，而 控制器、控制阀等自动化装置就要产生控制作用来使系统恢复平 衡。 动态特性—在动态过程中系统各环节的输入输出变化关系。
送风
阀门
回风
图 室温人工控制示意图
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第1章 过程控制系统概述
眼看——用传感器或变送器将温度信号转换为控制器 可接受的信号。 脑想——控制器将输入的实测温度信号和要求值进行 比较（相减求偏差) ,并按偏差值计算出控制量。 手动——人工阀门换成控制阀，按控制信号自动改变 开度。 人工控制受制于人的经验和注意力，控制不精确。而 自动控制按设定好的方案进行计算控制，可以做到精确的、 恰当的控制。
3 FC 4
2
FT
5
氧气
1
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，
y
静态
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动态
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静态
t
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第1章 过程控制系统概述
控制系统的过渡过程: 控制系统的输入变化后，系统从原来的平衡状态，经过动 态过程到达新的平衡状态的动态历程称为系统的过渡过程。系统 的过渡响应受内部和外部两种因素的影响。 1、内部因素：系统特性 系统的特性是由系统中各环节的特性和系统的结构所决定的。 2、外部因素：输入信号 在系统特性一定的情况下，被控变量随时间的变化规律取决 于系统的输入信号。生产中，出现的干扰信号是随机的。但在分 析和设计控制系统时，为了充分体现系统的特性和分析方便，常 选择一些特定的输入信号，其中常用的是阶跃信号和正弦信号。
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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。
执行机构（如：调节阀）接受控制器（调节器）送来的控制信息 调节被控量，达到预期的控制目标。 过程的输出信号通过检测与变
送仪表，反馈到控制器的输入端，构成闭环控制系统。
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
连续工业过程大惯性和大滞后的特点决定了被控过程为慢过程。
4．大多数工艺要求定值控制
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。
5．大多使用标准化的检测、控制仪表及装置
TT
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2
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第1章 过程控制系统概述
转炉是炼钢生产中的一种设备。熔融的铁水装入转炉后，通过氧枪 供给转炉一定的氧气，进行吹氧。使铁水中的碳氧化燃烧，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。图可见，从节流装置 1采集到的氧气流量，送入流量变送器 FT2， 再经过开方器 3，其结果送到流量控制器（调节器）FC4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） FC4进行PID运算，输出控制信号，去控制调节阀5的开度，从而改变供 氧量的大小，以满足生产工艺要求。
过程控制基础
赵小强
2014-12-20
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第1章 过程控制系统概述
基本概念
组成 特点 分类 性能指标 发展历程
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第过程控制与集散系统 1章 过程控制系统概述
1.1 过程控制的基本概念
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：
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第1章 过程控制系统概述
1.3 过程控制系统的性能指标
控制系统的性能指标是根据工艺对控制的要求来制定的，概 括为稳定性、准确性和快速性。 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
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第1章 过程控制系统概述
图为室温自动控制系统，自动化仪表代替了人。 恒温室
3 TC
回 风
1
送风
过程控制系统的定义：
4
M
为实现对某个工艺参数的自 动控制，由相互联系、制约 的一些仪表、装置及工艺对 象、设备构成的 一个整体。
过程控制系统的主要任务 热水 是：对生产过程中的重要参数 回水 （温度、压力、流量、物位、 图2 室温自动控制系统示意图 1—热水加热器；3—控制器； 成分、湿度等）进行控制，使 2—传感变送器；4—执行器 其保持恒定或按一定规律变化。
过程形式为例，讨论控制系统的品质指标。
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第1章 过程控制系统概述
稳态与动态 1、稳态—把被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的稳 态（静态）。 当自动控制系统的输入和输出均恒定不变时，系统就处于一种 相对稳定的平衡状态 ，系统的各个环节也都处于稳定状态，但生产 还在进行，物料和能量仍然有进有出，只是平稳进行没有改变就是 了。 静态特性—静态时系统各环节的输入输出关系。
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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第过程控制与集散系统 1章 过程控制系统概述
生产过程的要求：安全性,稳定性,经济性
(1)安全性:生产过程中，确保人身和设备安全 是最重要和最基本的要求. (2)稳定性:系统抑制外部干扰、保持生产过程 长期稳定运行的能力. (3)经济性:低成本高效益是过程控制的另一个目标.