过程控制与自动化仪表PPT讲解
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在生产中，出现的干扰是没有固定形式的， 且多半属于随机性质。在分析和设计控制 系统时，为了安全和方便，常选择一些定 型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰。
过程控制与自动化仪表
32
采用阶跃干扰的优点： 这种形式的干扰比较突然、 危险，且对被控变量的影响 也最大。如果一个控制系统 能够有效地克服这种类型的 干扰，那么一定能很好地克 服比较缓和的干扰。 这种干扰的形式简单，容易 实现，便于分析、实验和计 算。
过程控制与自动化仪表
29
动态——被控变量随时间变化的不平衡状态 。
从干扰作用破坏静态平衡，经过控制，直到系统 重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环 节和信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。
结论：在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了 解系统的动态更为重要。因为在生产过程中，干扰是客观存 在的，是不可避免的，就需要通过自动化装置不断地施加控 制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量保持 在工艺生产所要求控制的技术指标上。
过程控制与自动化仪表
25
第三节 自动控制系统的分类
几种分类方法
按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统； 按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积 分、比例微分、比例积分微分等控制系统； 将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给 定值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控 制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统 和程序控制系统。
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。
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。
具体时间另行通知
我在日内瓦车展
过程控制与自动化仪表
12
参考书
参考书 1.自动检测技术与装置. 张宏建等. 化学工业出版社. 2004.7 2.自动化仪表与过程控制. 施仁等. 电子工业出版社. 2009.2 3.自动检测技术及仪表控制系统. 张毅等. 化学工业出 版社. 2005.3 4.过程控制与自动化仪表.潘永湘等.机械工业出版社. 2008.5
○、数学模型的基本概念 一、控制系统的运动微分方程 微分方程 传递函数 脉冲响应函数
二、非线性数学模型的线性化
三、拉氏变换和拉氏反变换 四、传递函数 五、系统方框图和信号流图 六、控制系统传递函数推导举例
10/11/2018
过程控制与自动化仪表
35
原函数 （微分方程的解）
拉氏反变换
象函数 解 代 数 方 程
过程控制与自动化仪表
23
小结 自动控制系统应是具有被控变量负反馈的闭环 系统。 与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本 质的区别，就在于自动控制系统有负反馈，开 环系统中，被控（工艺）变量是不反馈到输入 端的。
举例
化肥厂的造气自动机就是典型的开环系统的例子
操纵指令
自动操纵装置
操纵作用 对象
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
过程控制与自动化仪表
4
特点1 系统由被控过程与系列化生产的自动化仪表组成
过程控制与自动化仪表
5
特点2 被控过程复杂多样，通用控制系统难以设计
某自治区“十二五”循环经济发展规划 煤电化体化循环经济链条
图1-7 阶跃干扰作用
过程控制与自动化仪表
33
自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程 的四种形式
非周期衰减过程
√
衰减震荡过程
√
对于控制质量要求不 高的场合，如果被控 变量允许在工艺许可 等幅震荡过程 ？ 的范围内振荡（主要 指在位式控制时）， 才可采用。
发散震荡过程
过程控制与自动化仪表
X
34
预备知识
过程控制与自动化仪表
13
考核方式
1.课堂测验 20% 2.实验报告 10% 3.期末考试 70% 1.成绩高斯分布 2.平均值70分上下 3.不及格率10%左右
过程控制与自动化仪表
14
回顾
控制方向分为运动控制与过程控制
过程控制的被控量：压力、液位、流量、温度、PH值
等过程变量
过程控制仪表：调节器（控制器）、执行器、安全栅等 仪表 被控过程复杂性：基于系统辨识的控制策略
工艺参数
过程控制与自动化仪表
24
开环系统：自动机在操作时， 一旦开机，就只能是按照预 先规定好的程序周而复始地 运转。这时被控变量如果发 比较 生了变化，自动机不会自动 地根据被控变量的实际工况 来改变自己的操作。
闭环系统：有针对性 地根据被控变量的变 化情况而改变控制作 用的大小和方向，从 而使系统的工作状态 始终等于或接近于所 希望的状态。
过程控制与自动化仪表
37
五种重要品质指标之一
1. 最大动态偏差或超调量 最大动态偏差是指在过渡过程中，被控变量偏 离稳态值的幅度。在衰减振荡过程中，最大偏差 就是第一个波的峰值。特别是对于一些有约束条 件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触 媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有 所限制。 超调量也可以用来表征被控变量偏离稳态值 的程度。
过程控制与自动化仪表
38
五种重要品质指标之二
2. 衰减比n（衰减率φ）
衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻 两个峰值的比。习惯表示为 n:1，一般 n 取 为4～10之间为宜。
B1 n B2
B1 B2 B2
过程控制与自动化仪表
39
过程控制与自动化仪表
8
(中国)特点6 相关企业污染严重
过程控制与自动化仪表
9
特点7：工业4.0
过程控制与自动化仪表
10
SIMATIC PCS 7
过程控制与自动化仪表
11
王宇雷，男，1985年生，吉林大学，通信工程学院控制理论与控制工程 系讲师。2004/09-2008/06，南开大学学士；2008/09-2013/10，哈尔滨工 业大学，航天学院控制科学与工程专业，博士。2010年至2012年在德国 杜伊斯堡埃森大学AKS研究中心联合培养。自2013年起，在吉林大学从 事汽车仿真与控制等的教学和科研工作。先后发表学术论文20篇，其中 SCI收录5篇，EI收录14篇，核心收录2篇。 过程控制与自动化仪表 上课时间： 周二第5、6节{第1-10周} 周四第5、6节{第1-10周} 上课地点： 南岭一教 301 实验课 {第11-14周}
其中：x 指设定值；z 指输出信号；e 指偏差信号；p 指发出信号；q 指 出料流量信号；y 指被控变量；f 指扰动作用。 当x 取正值，z取负值，e= x- z，负反馈；x 取正值，z取正值， e= x+ z， 正反馈。
图1-3 液位自动控制系统方块图
过程控制与自动化仪表
20
图1-2 液位自动控制系统流程图
自动化仪表 与 过程控制
1
概念
自动化：机器设备、系统或过程（生产、管理过程）在没
有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动检测、 信息处理、分析判断、操纵控制，实现预期的目标的过程。
电力 过程控制 石油 煤炭
自动化
运动控制
钢铁 冶金
化工
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
18
自动控制系统的组成
测量元件与变送器 自动化装置 组 成 被控对象 自动控制器 执行器
过程控制与自动化仪表
19
液位自动控制的方块图
在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一 般都用方块图来表示控制系统的组成。 下图为液位自动控制系统的方块图，每个环节表示组成 系统的一个部分，称为“环节”。
第三阶段：上世纪70年代末至今。向“大系统理论” 和“智能控制”方向发展，随机森林、深度学习和增 强学习等智能方法与控制相结合。
过程控制与自动化仪表
17Leabharlann 第二节 自动控制系统的基本组成及方块图
人工操作与自动控制比较图（液位控制）
图1-2 液位自动控制系统图
控制速度和精度不能满足大型 现代化生产的需要 图1-1 人工操作图 过程控制与自动化仪表
微分方程
拉氏变换
象函数的 代数方程
拉氏变换法求解线性微分方程的过程
过程控制与自动化仪表
36
三、控制系统的品质指标
控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。
多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这种 过程形式讨论控制系统的品质指标。
图1-9 过渡过程品质指标示意图
假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的 变化曲线如上图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程
过程控制与自动化仪表
30
二、控制系统的过渡过程
系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状 态的过程。
举例
当干扰作用于对象，系统输 出 y 发生变化，在系统负反 馈作用下，经过一段时间， 系统重新恢复平衡。
图1-6 控制系统方块图
过程控制与自动化仪表
31
干扰形式
系统在过渡过程中，被控变量是随时间变 化的。被控变量随时间的变化规律首先取 决于作用于系统的干扰形式。其次…
数字信号
出料流量
液位高度
数字信号
图1-3 液位自动控制系统方块图
过程控制与自动化仪表
21
图1-4 蒸汽加热器温度控制系统流程图
画系统控制方块图
图1-5 加热炉过程控制系统流程图
过程控制与自动化仪表
22
注意！方块图中的每一个方块都 代表一个具体的装置。
方块与方块之间的连接线，只是代表方块之间的信号联系， 并不代表方块之间的物料联系。方块之间连接线的箭头也 只是代表信号作用的方向，与工艺流程图上的物料线是不 同的。 工艺流程图上的物料线是代表物料从一个设备进入另一个 设备，而方块图上的线条及箭头方向有时并不与流体流向 相一致。 自动控制系统通常是一个闭环系统。
过程控制与自动化仪表
16
自动控制的发展历史
第一阶段：上世纪40-60年代，“经典控制理论”，单
输入单输出问题，采用传递函数、频域特性、根轨迹 为基础的频域分析方法，研究线性定常系统。
第二阶段：上世纪60-70年代，“现代控制理论”，计 算机发展驱动空间技术发展，状态空间法->极大值原 理、动态规划、卡尔曼滤波。
过程控制与自动化仪表
6
特点3 控制方案丰富多彩，控制要求越来越高
单输入/单输出系统 多输入/多输出系统 自适应控制 预测控制 非线性控制 分布参数控制
… 连续搅拌釜模型
过程控制与自动化仪表
7
特点4 控制过程大多属于慢变过程与参量控制
温度
大惯性
大时延（滞后）
压力 流量 物位
…
特点5 定值控制是过程控制的主要形式
其中第三种分类方法最普遍
过程控制与自动化仪表
26
1.定值控制方法
“定值” 是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要 求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个 生产指标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变， 就需要采用定值控制系统。
2.随动控制系统（自动跟踪系统）
给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工 艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。
过程控制与自动化仪表
27
13
3.程序控制系统（顺序控制系统）
给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即 生产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系 统在间歇生产过程中应用比较普通。
过程控制与自动化仪表
28
第四节 控制系统的过渡过程和品质目标
一、控制系统的静态与动态
自动控制目的： 希望将被控变量保持在一个不变的给
定值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能量） 和流出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。
静态 —— 被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化 率为0，不是静止）。 当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）和输出均恒 定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态， 系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改 变其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状 态，这种状态就是静态。
过程控制与自动化仪表
15
第一章 自动化概论
第一节 自动控制的基本概念
所谓自动控制,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) 自动地按照预定的规律运行。 现代科学技术的众多领域中,自动控制技术起着越 来越重要的作用.如数控车床按预定程序自动切削, 人造卫星准确进入预定轨道并回收,雷达自动跟踪 空中的飞行体等,所有这些都离不开自动控制技术。
过程控制与自动化仪表
32
采用阶跃干扰的优点： 这种形式的干扰比较突然、 危险，且对被控变量的影响 也最大。如果一个控制系统 能够有效地克服这种类型的 干扰，那么一定能很好地克 服比较缓和的干扰。 这种干扰的形式简单，容易 实现，便于分析、实验和计 算。
过程控制与自动化仪表
29
动态——被控变量随时间变化的不平衡状态 。
从干扰作用破坏静态平衡，经过控制，直到系统 重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环 节和信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。
结论：在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了 解系统的动态更为重要。因为在生产过程中，干扰是客观存 在的，是不可避免的，就需要通过自动化装置不断地施加控 制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量保持 在工艺生产所要求控制的技术指标上。
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第三节 自动控制系统的分类
几种分类方法
按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统； 按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积 分、比例微分、比例积分微分等控制系统； 将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给 定值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控 制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统 和程序控制系统。
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。
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。
具体时间另行通知
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12
参考书
参考书 1.自动检测技术与装置. 张宏建等. 化学工业出版社. 2004.7 2.自动化仪表与过程控制. 施仁等. 电子工业出版社. 2009.2 3.自动检测技术及仪表控制系统. 张毅等. 化学工业出 版社. 2005.3 4.过程控制与自动化仪表.潘永湘等.机械工业出版社. 2008.5
○、数学模型的基本概念 一、控制系统的运动微分方程 微分方程 传递函数 脉冲响应函数
二、非线性数学模型的线性化
三、拉氏变换和拉氏反变换 四、传递函数 五、系统方框图和信号流图 六、控制系统传递函数推导举例
10/11/2018
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原函数 （微分方程的解）
拉氏反变换
象函数 解 代 数 方 程
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23
小结 自动控制系统应是具有被控变量负反馈的闭环 系统。 与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本 质的区别，就在于自动控制系统有负反馈，开 环系统中，被控（工艺）变量是不反馈到输入 端的。
举例
化肥厂的造气自动机就是典型的开环系统的例子
操纵指令
自动操纵装置
操纵作用 对象
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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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4
特点1 系统由被控过程与系列化生产的自动化仪表组成
过程控制与自动化仪表
5
特点2 被控过程复杂多样，通用控制系统难以设计
某自治区“十二五”循环经济发展规划 煤电化体化循环经济链条
图1-7 阶跃干扰作用
过程控制与自动化仪表
33
自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程 的四种形式
非周期衰减过程
√
衰减震荡过程
√
对于控制质量要求不 高的场合，如果被控 变量允许在工艺许可 等幅震荡过程 ？ 的范围内振荡（主要 指在位式控制时）， 才可采用。
发散震荡过程
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X
34
预备知识
过程控制与自动化仪表
13
考核方式
1.课堂测验 20% 2.实验报告 10% 3.期末考试 70% 1.成绩高斯分布 2.平均值70分上下 3.不及格率10%左右
过程控制与自动化仪表
14
回顾
控制方向分为运动控制与过程控制
过程控制的被控量：压力、液位、流量、温度、PH值
等过程变量
过程控制仪表：调节器（控制器）、执行器、安全栅等 仪表 被控过程复杂性：基于系统辨识的控制策略
工艺参数
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24
开环系统：自动机在操作时， 一旦开机，就只能是按照预 先规定好的程序周而复始地 运转。这时被控变量如果发 比较 生了变化，自动机不会自动 地根据被控变量的实际工况 来改变自己的操作。
闭环系统：有针对性 地根据被控变量的变 化情况而改变控制作 用的大小和方向，从 而使系统的工作状态 始终等于或接近于所 希望的状态。
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五种重要品质指标之一
1. 最大动态偏差或超调量 最大动态偏差是指在过渡过程中，被控变量偏 离稳态值的幅度。在衰减振荡过程中，最大偏差 就是第一个波的峰值。特别是对于一些有约束条 件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触 媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有 所限制。 超调量也可以用来表征被控变量偏离稳态值 的程度。
过程控制与自动化仪表
38
五种重要品质指标之二
2. 衰减比n（衰减率φ）
衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻 两个峰值的比。习惯表示为 n:1，一般 n 取 为4～10之间为宜。
B1 n B2
B1 B2 B2
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8
(中国)特点6 相关企业污染严重
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9
特点7：工业4.0
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10
SIMATIC PCS 7
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11
王宇雷，男，1985年生，吉林大学，通信工程学院控制理论与控制工程 系讲师。2004/09-2008/06，南开大学学士；2008/09-2013/10，哈尔滨工 业大学，航天学院控制科学与工程专业，博士。2010年至2012年在德国 杜伊斯堡埃森大学AKS研究中心联合培养。自2013年起，在吉林大学从 事汽车仿真与控制等的教学和科研工作。先后发表学术论文20篇，其中 SCI收录5篇，EI收录14篇，核心收录2篇。 过程控制与自动化仪表 上课时间： 周二第5、6节{第1-10周} 周四第5、6节{第1-10周} 上课地点： 南岭一教 301 实验课 {第11-14周}
其中：x 指设定值；z 指输出信号；e 指偏差信号；p 指发出信号；q 指 出料流量信号；y 指被控变量；f 指扰动作用。 当x 取正值，z取负值，e= x- z，负反馈；x 取正值，z取正值， e= x+ z， 正反馈。
图1-3 液位自动控制系统方块图
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图1-2 液位自动控制系统流程图
自动化仪表 与 过程控制
1
概念
自动化：机器设备、系统或过程（生产、管理过程）在没
有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动检测、 信息处理、分析判断、操纵控制，实现预期的目标的过程。
电力 过程控制 石油 煤炭
自动化
运动控制
钢铁 冶金
化工
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2
过程控制
过程控制----泛指石油、化工、电力、冶金、核能
18
自动控制系统的组成
测量元件与变送器 自动化装置 组 成 被控对象 自动控制器 执行器
过程控制与自动化仪表
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液位自动控制的方块图
在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一 般都用方块图来表示控制系统的组成。 下图为液位自动控制系统的方块图，每个环节表示组成 系统的一个部分，称为“环节”。
第三阶段：上世纪70年代末至今。向“大系统理论” 和“智能控制”方向发展，随机森林、深度学习和增 强学习等智能方法与控制相结合。
过程控制与自动化仪表
17Leabharlann 第二节 自动控制系统的基本组成及方块图
人工操作与自动控制比较图（液位控制）
图1-2 液位自动控制系统图
控制速度和精度不能满足大型 现代化生产的需要 图1-1 人工操作图 过程控制与自动化仪表
微分方程
拉氏变换
象函数的 代数方程
拉氏变换法求解线性微分方程的过程
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36
三、控制系统的品质指标
控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。
多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这种 过程形式讨论控制系统的品质指标。
图1-9 过渡过程品质指标示意图
假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的 变化曲线如上图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程
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30
二、控制系统的过渡过程
系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状 态的过程。
举例
当干扰作用于对象，系统输 出 y 发生变化，在系统负反 馈作用下，经过一段时间， 系统重新恢复平衡。
图1-6 控制系统方块图
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31
干扰形式
系统在过渡过程中，被控变量是随时间变 化的。被控变量随时间的变化规律首先取 决于作用于系统的干扰形式。其次…
数字信号
出料流量
液位高度
数字信号
图1-3 液位自动控制系统方块图
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21
图1-4 蒸汽加热器温度控制系统流程图
画系统控制方块图
图1-5 加热炉过程控制系统流程图
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22
注意！方块图中的每一个方块都 代表一个具体的装置。
方块与方块之间的连接线，只是代表方块之间的信号联系， 并不代表方块之间的物料联系。方块之间连接线的箭头也 只是代表信号作用的方向，与工艺流程图上的物料线是不 同的。 工艺流程图上的物料线是代表物料从一个设备进入另一个 设备，而方块图上的线条及箭头方向有时并不与流体流向 相一致。 自动控制系统通常是一个闭环系统。
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16
自动控制的发展历史
第一阶段：上世纪40-60年代，“经典控制理论”，单
输入单输出问题，采用传递函数、频域特性、根轨迹 为基础的频域分析方法，研究线性定常系统。
第二阶段：上世纪60-70年代，“现代控制理论”，计 算机发展驱动空间技术发展，状态空间法->极大值原 理、动态规划、卡尔曼滤波。
过程控制与自动化仪表
6
特点3 控制方案丰富多彩，控制要求越来越高
单输入/单输出系统 多输入/多输出系统 自适应控制 预测控制 非线性控制 分布参数控制
… 连续搅拌釜模型
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7
特点4 控制过程大多属于慢变过程与参量控制
温度
大惯性
大时延（滞后）
压力 流量 物位
…
特点5 定值控制是过程控制的主要形式
其中第三种分类方法最普遍
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1.定值控制方法
“定值” 是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要 求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个 生产指标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变， 就需要采用定值控制系统。
2.随动控制系统（自动跟踪系统）
给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工 艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。
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13
3.程序控制系统（顺序控制系统）
给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即 生产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系 统在间歇生产过程中应用比较普通。
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28
第四节 控制系统的过渡过程和品质目标
一、控制系统的静态与动态
自动控制目的： 希望将被控变量保持在一个不变的给
定值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能量） 和流出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。
静态 —— 被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化 率为0，不是静止）。 当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）和输出均恒 定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态， 系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改 变其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状 态，这种状态就是静态。
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第一章 自动化概论
第一节 自动控制的基本概念
所谓自动控制,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) 自动地按照预定的规律运行。 现代科学技术的众多领域中,自动控制技术起着越 来越重要的作用.如数控车床按预定程序自动切削, 人造卫星准确进入预定轨道并回收,雷达自动跟踪 空中的飞行体等,所有这些都离不开自动控制技术。