过程控制课件绪论
致命的问题：由于可靠性差， 致命的问题：由于可靠性差， 一旦出现故障，全部瘫痪。 一旦出现故障，全部瘫痪。
70年代 年代——第三阶段，大规模集成电路 第三阶段， 年代 第三阶段 研制成功，微处理器问世， 研制成功，微处理器问世，进入计算机 时代。 时代。 特点： 特点： （1）集中控制、多参数控制、多台计算 ）集中控制、多参数控制、 机控制和经营管理； 机控制和经营管理； （2）智能单元组合仪表； ）智能单元组合仪表； （3）在线成分检测与数据处理的测量变 ） 送器的应用； 送器的应用； 仪表品种增多， （4）DDZ仪表品种增多，可靠性加强； ） 仪表品种增多 可靠性加强； 系统。 （5）70年代中期出现了集散控制系统。 ） 年代中期出现了
按给定值信号的特点来分类： 按给定值信号的特点来分类：
（1）定值控制系统 ） （2）程序控制系统 ） （3）随动控制系统 ）
定值控制系统： 定值控制系统：系统被控量的给定值保 持在规定值不变，或在小范围变化。控 持在规定值不变，或在小范围变化。 制的目的是使被控量保持定值，或在小 制的目的是使被控量保持定值， 范围变化。 范围变化。
数理与机电基础 知识领域
控制知识层的知识领域
传感与检测： 传感与检测：信息获取 通信与网络：信息传输 通信与网络： 6个 知识领域 计算与处理： 计算与处理：信息处理 控制与智能： 控制与智能：信息控制 执行与驱动： 执行与驱动：信息应用 模型与仿真： 模型与仿真：
控制知识层的知识单元
传感与检测 传感器、自动检测技术、 传感器、自动检测技术、 测量信号处理等 通信原理、计算机网络、 通信原理、计算机网络、 通信与网络 自动化系统计算机网络、 自动化系统计算机网络、 现场总线技术、 现场总线技术、组态技术 应用、多媒体技术等。 应用、多媒体技术等。
按被控量的多少分： 按被控量的多少分：单变量和多变量控 制系统。 制系统。 按采用控制仪表和计算机来分： 按采用控制仪表和计算机来分：仪表过 程控制系统和计算机过程控制系统。 程控制系统和计算机过程控制系统。
最基本的分类方法
按过程控制系统的结构特点来分：
（1）反馈控制系统 ） （2）前馈控制系统 ） （3）前馈 反馈控制系统 ）前馈-反馈控制系统
过程控制系统的基本概念
控制(control)：人们为了达到某种目的 ： 控制 而采取的行动，叫做控制，它分为人工 而采取的行动，叫做控制，它分为人工 控制和自动控制。 控制和自动控制。
过程(process)：过程本身的含义是非常 ： 过程 广泛的，可以指某个工程系统、 广泛的，可以指某个工程系统、某个生物 学系统，也可以指某个经济的或社会系统。 学系统，也可以指某个经济的或社会系统。 本课程所说的过程主要指工业过程，例 本课程所说的过程主要指工业过程， 如加热炉、化工装置、锅炉设备、 如加热炉、化工装置、锅炉设备、核反应 堆、造纸设备、换热器等生产过程。 造纸设备、换热器等生产过程。
执行与驱动
自动化仪表、电力电子技术、 自动化仪表、电力电子技术、 电源变换与控制等
模型与仿真
MATLAB程序设计、虚拟仪器 程序设计、 程序设计 技术应用、 技术应用、CAD仿真技术等 仿真技术等
系统知识层
知识单元： 知识单元： 系统与工程 知识领域 ◆运动控制系统 运动控制系统 ◆过程控制系统 ◆集散控制系统
面向对象的程序设计、 面向对象的程序设计、大型 计算与处理 数据库、信号与系统、 数据库、信号与系统、数字 信号处理、数据结构、 信号处理、数据结构、操作 系统等
自动控制原理、 自动控制原理、现代控制理 控制与智能 模糊控制技术、 论、模糊控制技术、智能控 制技术、微机控制技术、 制技术、微机控制技术、系 统工程导论等
90年代以后 年代以后——第五阶段，主要特点： 第五阶段， 年代以后 第五阶段 主要特点： （1）工厂综合自动化技术的应用； ）工厂综合自动化技术的应用； （2）现场总线控制技术的应用； ）现场总线控制技术的应用； 3）智能控制得到了广泛的应用； （3）智能控制得到了广泛的应用； （4）各种工控设备（如PLC、变频器、直 ）各种工控设备（ 、变频器、 流调速器、控制仪表、检测变送仪表等） 流调速器、控制仪表、检测变送仪表等） 功能更加强大，并且带有通讯接口。 功能更加强大，并且带有通讯接口。
（1）仪表为气动式，普遍采用基地式仪 ）仪表为气动式， 表和部分单元组合仪表； 表和部分单元组合仪表； （2）单输入单输出系统； ）单输入单输出系统； （3）被控参数主要是温度、压力、流量、 ）被控参数主要是温度、压力、流量、 液位； 液位； （4）控制的目的是保证参数稳定，消除 ）控制的目的是保证参数稳定， 或减小扰动； 或减小扰动； （5）控制理论：频率法和根轨迹法。 ）控制理论：频率法和根轨迹法。
过程控制工程 绪论
主要内容
自动化专业的知识结构 过程控制系统的基本概念 控制的基本问题 过程控制的分类 过程控制系统的发展 关于本课程的说明
自动化专业的知识结构
系统知识层 控制知识层 基础知识层 1个知识领域 个知识领域 6个知识领域 个知识领域 1个知识领域 个知识领域
基础知识层
知识单元： ◆数学 ◆物理 ◆系统科学 ◆管理科学 ◆电工电子基础 ◆机械工程基础 ◆计算机基础及语言 ◆微机原理
综合自动化：在自动化技术、信息技术、 综合自动化：在自动化技术、信息技术、 计算机控制和各种生产加工技术的基础 从生产过程的全局出发， 上，从生产过程的全局出发，通过生产 活动所需的各种信息集成，把控制、 活动所需的各种信息集成，把控制、优 调度、管理、经营、决策融为一体， 化、调度、管理、经营、决策融为一体， 形成一个能适应各种生产环境的市场需 多变性的、总体最优的高质量、 求、多变性的、总体最优的高质量、高 效益、高柔性的管理生产系统——管控 效益、高柔性的管理生产系统 管控 一体化。 一体化。
控制的基本问题
扰动 指令输入
控制器
信息反馈
广义过程
输出
信息检测
控制器：系统运动和作业的规划；动力学修正， 控制器：系统运动和作业的规划；动力学修正， 改变闭环特征。 改变闭环特征。 信息检测：传感问题、信息处理、 信息检测：传感问题、信息处理、信息融合 广义过程：受控对象 工作环境 扰动） 工作环境（ 广义过程：受控对象+工作环境（扰动）
过程控制发展概况
20世纪 年代前后，处于手动状态，从 世纪40年代前后 处于手动状态， 世纪 年代前后， 50年代前后开始，划分为如下几个阶段： 年代前后开始，划分为如下几个阶段： 年代前后开始 50年代前后 年代前后——第一阶段，实现了仪表 第一阶段， 年代前后 第一阶段 和局部自动化，主要特点： 和局部自动化，主要特点：
传感与检测 反映自动化 专业特点的 知识领域 控制与智能 执行与驱动 模型与仿真 系控制与智能 模型与仿真 系统与工程
◆以电力电子、变频技术为 以电力电子、 核心的运动控制技术 核心的运动控制技术 ◆以微处理器芯片与接口技 计算机控制技术。 术为核心的计算机控制技术 术为核心的计算机控制技术。 专业知识体系 ◆以自动检测、标准工控设 以自动检测、 备为核心的过程控制技术。 备为核心的过程控制技术。 过程控制技术 ◆以网络通信、电子技术为 以网络通信、 核心的信息技术， 核心的信息技术，包括对信 信息技术 息的获取、处理、 息的获取、处理、传输和信 息挖掘等技术的综合应用。 息挖掘等技术的综合应用。
过程控制（ 指石油、 过程控制（process control) :指石油、化 指石油 工、电力、轻工、冶金、纺织、建材、原子 电力、轻工、冶金、纺织、建材、 能等工业部门生产过程的自动化。 能等工业部门生产过程的自动化。 过程控制系统（process control system) : 指工业生产过程中自动控制系统的被控量是 温度、压力、流量、液位、成分、 温度、压力、流量、液位、成分、粘度和 PH值等这样一些过程变量的系统。 值等这样一些过程变量的系统。 值等这样一些过程变量的系统
控制问题：对于给定的广义过程， 控制问题：对于给定的广义过程，如何 设计控制器使闭环系统满足希望的性能 要求。 要求。
过程控制系统的分类
按被控参数的名称分：温度、压力、 按被控参数的名称分：温度、压力、流 量、液位等控制系统。 液位等控制系统。 按完成的功能分：比值、均匀、 按完成的功能分：比值、均匀、分程和 选择性控制系统。 选择性控制系统。 按调节器的控制规律分： 、 、 、 按调节器的控制规律分：P、PI、PD、 PID等。 等
（5）集中控制实现： ）集中控制实现： 1）随着生产规模的扩大，操作人员需了 ）随着生产规模的扩大， 解多点信息， 解多点信息，需按多点信息进行操作控 于是出现了气动、 制，于是出现了气动、电动单元组合仪 表和集中控制室。现场的0.02MPa、 表和集中控制室。现场的 、 0~10mA、4~20mA、1~5V的信号送 、 、 的信号送 到集中控制室， 到集中控制室，操作人员可在控制室了 解现场状况； 解现场状况；
60年代 年代——第二阶段，电子技术迅速发展。 第二阶段， 年代 第二阶段 电子技术迅速发展。 特点： 特点： （1）大量采用气动和电动单元组合仪表； ）大量采用气动和电动单元组合仪表； （2）计算机控制技术开始应用 ）计算机控制技术开始应用——DDC 系统和SPC系统； 系统； 系统和 系统 （3）复杂控制开始开发应用 串级控制、 ）复杂控制开始开发应用——串级控制、 串级控制 前馈-反馈控制 比值控制、分程控制、 反馈控制、 前馈 反馈控制、比值控制、分程控制、 选择性控制； 选择性控制； 现代控制理论开始应用， （4）控制理论 ）控制理论——现代控制理论开始应用， 现代控制理论开始应用 由单变量转入多变量（由于建模困难， 由单变量转入多变量（由于建模困难， 应用较少）； 应用较少）；
程序控制系统： 程序控制系统：被控量的给定值按预定 的时间程序变化工作的， 的时间程序变化工作的，控制的目的就 是使系统被控量按工艺要求规定的程序 自动变化。例如， 自动变化。例如，加热炉工艺要求按照 加热升温、保温、降温等程序工作。 加热升温、保温、降温等程序工作。
70年代 年代——第三阶段，大规模集成电路 第三阶段， 年代 第三阶段 研制成功，微处理器问世， 研制成功，微处理器问世，进入计算机 时代。 时代。 特点： 特点： （1）集中控制、多参数控制、多台计算 ）集中控制、多参数控制、 机控制和经营管理； 机控制和经营管理； （2）智能单元组合仪表； ）智能单元组合仪表； （3）在线成分检测与数据处理的测量变 ） 送器的应用； 送器的应用； 仪表品种增多， （4）DDZ仪表品种增多，可靠性加强； ） 仪表品种增多 可靠性加强； 系统。 （5）70年代中期出现了集散控制系统。 ） 年代中期出现了
按给定值信号的特点来分类： 按给定值信号的特点来分类：
（1）定值控制系统 ） （2）程序控制系统 ） （3）随动控制系统 ）
定值控制系统： 定值控制系统：系统被控量的给定值保 持在规定值不变，或在小范围变化。控 持在规定值不变，或在小范围变化。 制的目的是使被控量保持定值，或在小 制的目的是使被控量保持定值， 范围变化。 范围变化。
数理与机电基础 知识领域
控制知识层的知识领域
传感与检测： 传感与检测：信息获取 通信与网络：信息传输 通信与网络： 6个 知识领域 计算与处理： 计算与处理：信息处理 控制与智能： 控制与智能：信息控制 执行与驱动： 执行与驱动：信息应用 模型与仿真： 模型与仿真：
控制知识层的知识单元
传感与检测 传感器、自动检测技术、 传感器、自动检测技术、 测量信号处理等 通信原理、计算机网络、 通信原理、计算机网络、 通信与网络 自动化系统计算机网络、 自动化系统计算机网络、 现场总线技术、 现场总线技术、组态技术 应用、多媒体技术等。 应用、多媒体技术等。
按被控量的多少分： 按被控量的多少分：单变量和多变量控 制系统。 制系统。 按采用控制仪表和计算机来分： 按采用控制仪表和计算机来分：仪表过 程控制系统和计算机过程控制系统。 程控制系统和计算机过程控制系统。
最基本的分类方法
按过程控制系统的结构特点来分：
（1）反馈控制系统 ） （2）前馈控制系统 ） （3）前馈 反馈控制系统 ）前馈-反馈控制系统
过程控制系统的基本概念
控制(control)：人们为了达到某种目的 ： 控制 而采取的行动，叫做控制，它分为人工 而采取的行动，叫做控制，它分为人工 控制和自动控制。 控制和自动控制。
过程(process)：过程本身的含义是非常 ： 过程 广泛的，可以指某个工程系统、 广泛的，可以指某个工程系统、某个生物 学系统，也可以指某个经济的或社会系统。 学系统，也可以指某个经济的或社会系统。 本课程所说的过程主要指工业过程，例 本课程所说的过程主要指工业过程， 如加热炉、化工装置、锅炉设备、 如加热炉、化工装置、锅炉设备、核反应 堆、造纸设备、换热器等生产过程。 造纸设备、换热器等生产过程。
执行与驱动
自动化仪表、电力电子技术、 自动化仪表、电力电子技术、 电源变换与控制等
模型与仿真
MATLAB程序设计、虚拟仪器 程序设计、 程序设计 技术应用、 技术应用、CAD仿真技术等 仿真技术等
系统知识层
知识单元： 知识单元： 系统与工程 知识领域 ◆运动控制系统 运动控制系统 ◆过程控制系统 ◆集散控制系统
面向对象的程序设计、 面向对象的程序设计、大型 计算与处理 数据库、信号与系统、 数据库、信号与系统、数字 信号处理、数据结构、 信号处理、数据结构、操作 系统等
自动控制原理、 自动控制原理、现代控制理 控制与智能 模糊控制技术、 论、模糊控制技术、智能控 制技术、微机控制技术、 制技术、微机控制技术、系 统工程导论等
90年代以后 年代以后——第五阶段，主要特点： 第五阶段， 年代以后 第五阶段 主要特点： （1）工厂综合自动化技术的应用； ）工厂综合自动化技术的应用； （2）现场总线控制技术的应用； ）现场总线控制技术的应用； 3）智能控制得到了广泛的应用； （3）智能控制得到了广泛的应用； （4）各种工控设备（如PLC、变频器、直 ）各种工控设备（ 、变频器、 流调速器、控制仪表、检测变送仪表等） 流调速器、控制仪表、检测变送仪表等） 功能更加强大，并且带有通讯接口。 功能更加强大，并且带有通讯接口。
（1）仪表为气动式，普遍采用基地式仪 ）仪表为气动式， 表和部分单元组合仪表； 表和部分单元组合仪表； （2）单输入单输出系统； ）单输入单输出系统； （3）被控参数主要是温度、压力、流量、 ）被控参数主要是温度、压力、流量、 液位； 液位； （4）控制的目的是保证参数稳定，消除 ）控制的目的是保证参数稳定， 或减小扰动； 或减小扰动； （5）控制理论：频率法和根轨迹法。 ）控制理论：频率法和根轨迹法。
过程控制工程 绪论
主要内容
自动化专业的知识结构 过程控制系统的基本概念 控制的基本问题 过程控制的分类 过程控制系统的发展 关于本课程的说明
自动化专业的知识结构
系统知识层 控制知识层 基础知识层 1个知识领域 个知识领域 6个知识领域 个知识领域 1个知识领域 个知识领域
基础知识层
知识单元： ◆数学 ◆物理 ◆系统科学 ◆管理科学 ◆电工电子基础 ◆机械工程基础 ◆计算机基础及语言 ◆微机原理
综合自动化：在自动化技术、信息技术、 综合自动化：在自动化技术、信息技术、 计算机控制和各种生产加工技术的基础 从生产过程的全局出发， 上，从生产过程的全局出发，通过生产 活动所需的各种信息集成，把控制、 活动所需的各种信息集成，把控制、优 调度、管理、经营、决策融为一体， 化、调度、管理、经营、决策融为一体， 形成一个能适应各种生产环境的市场需 多变性的、总体最优的高质量、 求、多变性的、总体最优的高质量、高 效益、高柔性的管理生产系统——管控 效益、高柔性的管理生产系统 管控 一体化。 一体化。
控制的基本问题
扰动 指令输入
控制器
信息反馈
广义过程
输出
信息检测
控制器：系统运动和作业的规划；动力学修正， 控制器：系统运动和作业的规划；动力学修正， 改变闭环特征。 改变闭环特征。 信息检测：传感问题、信息处理、 信息检测：传感问题、信息处理、信息融合 广义过程：受控对象 工作环境 扰动） 工作环境（ 广义过程：受控对象+工作环境（扰动）
过程控制发展概况
20世纪 年代前后，处于手动状态，从 世纪40年代前后 处于手动状态， 世纪 年代前后， 50年代前后开始，划分为如下几个阶段： 年代前后开始，划分为如下几个阶段： 年代前后开始 50年代前后 年代前后——第一阶段，实现了仪表 第一阶段， 年代前后 第一阶段 和局部自动化，主要特点： 和局部自动化，主要特点：
传感与检测 反映自动化 专业特点的 知识领域 控制与智能 执行与驱动 模型与仿真 系控制与智能 模型与仿真 系统与工程
◆以电力电子、变频技术为 以电力电子、 核心的运动控制技术 核心的运动控制技术 ◆以微处理器芯片与接口技 计算机控制技术。 术为核心的计算机控制技术 术为核心的计算机控制技术。 专业知识体系 ◆以自动检测、标准工控设 以自动检测、 备为核心的过程控制技术。 备为核心的过程控制技术。 过程控制技术 ◆以网络通信、电子技术为 以网络通信、 核心的信息技术， 核心的信息技术，包括对信 信息技术 息的获取、处理、 息的获取、处理、传输和信 息挖掘等技术的综合应用。 息挖掘等技术的综合应用。
过程控制（ 指石油、 过程控制（process control) :指石油、化 指石油 工、电力、轻工、冶金、纺织、建材、原子 电力、轻工、冶金、纺织、建材、 能等工业部门生产过程的自动化。 能等工业部门生产过程的自动化。 过程控制系统（process control system) : 指工业生产过程中自动控制系统的被控量是 温度、压力、流量、液位、成分、 温度、压力、流量、液位、成分、粘度和 PH值等这样一些过程变量的系统。 值等这样一些过程变量的系统。 值等这样一些过程变量的系统
控制问题：对于给定的广义过程， 控制问题：对于给定的广义过程，如何 设计控制器使闭环系统满足希望的性能 要求。 要求。
过程控制系统的分类
按被控参数的名称分：温度、压力、 按被控参数的名称分：温度、压力、流 量、液位等控制系统。 液位等控制系统。 按完成的功能分：比值、均匀、 按完成的功能分：比值、均匀、分程和 选择性控制系统。 选择性控制系统。 按调节器的控制规律分： 、 、 、 按调节器的控制规律分：P、PI、PD、 PID等。 等
（5）集中控制实现： ）集中控制实现： 1）随着生产规模的扩大，操作人员需了 ）随着生产规模的扩大， 解多点信息， 解多点信息，需按多点信息进行操作控 于是出现了气动、 制，于是出现了气动、电动单元组合仪 表和集中控制室。现场的0.02MPa、 表和集中控制室。现场的 、 0~10mA、4~20mA、1~5V的信号送 、 、 的信号送 到集中控制室， 到集中控制室，操作人员可在控制室了 解现场状况； 解现场状况；
60年代 年代——第二阶段，电子技术迅速发展。 第二阶段， 年代 第二阶段 电子技术迅速发展。 特点： 特点： （1）大量采用气动和电动单元组合仪表； ）大量采用气动和电动单元组合仪表； （2）计算机控制技术开始应用 ）计算机控制技术开始应用——DDC 系统和SPC系统； 系统； 系统和 系统 （3）复杂控制开始开发应用 串级控制、 ）复杂控制开始开发应用——串级控制、 串级控制 前馈-反馈控制 比值控制、分程控制、 反馈控制、 前馈 反馈控制、比值控制、分程控制、 选择性控制； 选择性控制； 现代控制理论开始应用， （4）控制理论 ）控制理论——现代控制理论开始应用， 现代控制理论开始应用 由单变量转入多变量（由于建模困难， 由单变量转入多变量（由于建模困难， 应用较少）； 应用较少）；
程序控制系统： 程序控制系统：被控量的给定值按预定 的时间程序变化工作的， 的时间程序变化工作的，控制的目的就 是使系统被控量按工艺要求规定的程序 自动变化。例如， 自动变化。例如，加热炉工艺要求按照 加热升温、保温、降温等程序工作。 加热升温、保温、降温等程序工作。
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过程控制系统 第1章
1.1控制理论与过程控制系统的发展状况（续）
1970年左右起，为了解决大规模复杂系统的 优化与控制问题，现代控制理论和系统理论相 结合，逐步发展形成了大系统理论 （Mohammad，1983）。
核心思想是系统的分解与协调，多级递阶优化与
控制（Mesarovie，1970）正是应用大系统理论的 典范。 大系统理论仍未突破现代控制理论的基本思想与 框架，除了高维线性系统之外，它对其它复杂系 统仍然束手无策。
③操纵变量：受控制器操 纵的用以克服干扰的影 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）。 ④扰动：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
图7-4 锅炉汽包水位控制
操纵变量：水的流量 扰动：水压力、蒸汽压力
⑤设定值：工艺参数 所要求保持的数值 ⑥偏差：被控变量设 定值与实际值之差
蒸汽 汽 包
给水
操作人员所进行的工作有三方面:
①检测
用眼睛观察玻璃管液位计液位的高 低,并通过神经系统告诉大脑. 大脑根据眼睛看到的液位高度 , 加以思考分析 , 然后根据操作经 验,经思考决策后发出命令。 根据大脑发出的命令 , 通过双手去 改变阀门开度.
②运算、命令 ③执行
2 自动控制
自动化装置的三个部分分别是 ： ①测量元件与变送器
控制变压器活动触点的位 置即改变了输入电压，则 通过电阻丝的电流将产生 变化，使恒温箱得到不同 的温度。 被控变量是恒温箱的温度， 经热电偶测量并与设定值 比较后，其偏差经过放大 器放大，控制电动机的转 向，然后经过传动装置， 移动变压器的活动触点位 置。结果使偏差减少，直 到温度达到给定值为止。
随动控制系统
1.2.4 控制系统的分类
高等过程控制-第1章绪论
☆工业生产过程的目标 在可能获得的原料和能源条件下，以最经济的途径将
原材料加工成预期的合格产品。
原材料
理想条件
合格产品
干扰
控制
产品？
过程控制主要是指连续过程工业的过程控制
过程控制
☆过程控制的任务：
在充分了解生产过程的工艺流程和动静态特性基础基 础上，应用理论对系统进行分析与综合，以生产过程中物 流变化信息量作为被控量，选用适宜的技术手段，实现生 产过程的控制目标。
最大动态偏差ym或超调量 衰减率衰减比n
静态偏差 y()或e()
时域指标
1．静态偏差y()或e()
静态偏差，也称余差，是指被调量的稳态 值与给定值的长期偏差。
e()= r()—y() 静态偏差是衡量控制系统准确性的重要指 标之一，它反映了控制系统的调节精度 。
2．控制过程时间（调节时间，回复时间）ts
对于定值控制系统，控制过程时间是指阶跃响应曲 线由开始起到最后一次进入偏离稳态值为±△范围，并 且以后不再越出此范围的时间即 t≥ts 时 ｜ y（t）－ y（∞）｜≤ △ ， △= 5%或2%
（5%y1或2%y1）
对于随动控制系统，控制过程时间是指被调量与其 稳态值之差不超过稳态值的±5%或±2%所需要的时间， 就认为控制过程已经结束。即 t≥ts 时 y（t）－ y（∞）≤ ±5%y（∞）
二、什么是高等过程控制？
1、由来
为实现上述工业生产过程的目标
工业自动化
现代化大型企业过程控制已采用先进的DCS系统
但是 绝大多数控制回路仍采用PID控制
（Proportional Integral and Differential）
据报道：85% —95%控制回路采用传统PID控制； 约5% —15%控制回路PID控制不能奏效或效果不好 Why？
过程控制
第一章 过程控制系统 绪 论 基本概念
第一节 过程控制系统的发展状况
• 过程控制：指在生产过程中，运用合适的 控制策略，采用自动化仪表及系统来代替 操作人员的部分或全部劳动，使生产过程 在不同程度上自动地进行。
人工调节
给水调节阀 省煤器 W 给水 h 过热器 D 蒸汽
汽包
水 位 计
水 冷 壁
汽包锅炉给水人工调节示意图
第二节 建立数学模型的方法
一. 机理建模
1 单容液位对象的数学模型
单容对象：只有一个储蓄容量的对象。
（1）自平衡过程的动态特性
自平衡过程：指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏 ， 不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身逐渐达到新 的平衡状态的过程。
液位过程
若
（见下页图）
q1 输入变量：
输出变量： h
现场总线控制系统FCS
计算机综合自动化系统CIPS
现场智能设备互连通信网络
管理与控制一体化
第一节 过程控制系统的发展状况
过程控制系统发展历史
（20世纪50年代末～60年代）局部自动化阶段 过程控制系统：多为单输入、单输出简单控制系统 自动化仪表：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）； 控制理论：以反馈为中心的经典控制理论
式中：
T0 AR2 过程的时间常数
K0 R2 过程的放大系数
A
过程的容量系数
（2）无自平衡过程的动态特性
无自平衡过程: 指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏 后 ，不经过操作人员或仪表等干预，仅依靠其自身能力 不能重新恢复平衡状态的过程。 以液位过程为例，见下页图
d h q1 q2 A 过程的微分方程为： dt
过程的动态特性为： H ( S ) 1 1 W0 ( S ) Q1 ( S ) AS Ta S
第一节 过程控制系统的发展状况
• 过程控制：指在生产过程中，运用合适的 控制策略，采用自动化仪表及系统来代替 操作人员的部分或全部劳动，使生产过程 在不同程度上自动地进行。
人工调节
给水调节阀 省煤器 W 给水 h 过热器 D 蒸汽
汽包
水 位 计
水 冷 壁
汽包锅炉给水人工调节示意图
第二节 建立数学模型的方法
一. 机理建模
1 单容液位对象的数学模型
单容对象：只有一个储蓄容量的对象。
（1）自平衡过程的动态特性
自平衡过程：指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏 ， 不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身逐渐达到新 的平衡状态的过程。
液位过程
若
（见下页图）
q1 输入变量：
输出变量： h
现场总线控制系统FCS
计算机综合自动化系统CIPS
现场智能设备互连通信网络
管理与控制一体化
第一节 过程控制系统的发展状况
过程控制系统发展历史
（20世纪50年代末～60年代）局部自动化阶段 过程控制系统：多为单输入、单输出简单控制系统 自动化仪表：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）； 控制理论：以反馈为中心的经典控制理论
式中：
T0 AR2 过程的时间常数
K0 R2 过程的放大系数
A
过程的容量系数
（2）无自平衡过程的动态特性
无自平衡过程: 指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏 后 ，不经过操作人员或仪表等干预，仅依靠其自身能力 不能重新恢复平衡状态的过程。 以液位过程为例，见下页图
d h q1 q2 A 过程的微分方程为： dt
过程的动态特性为： H ( S ) 1 1 W0 ( S ) Q1 ( S ) AS Ta S
过程控制 绪论
控制系统的调试和投用：控制系统安装完毕后，
按控制要求检查和调整各控制仪表和设备的工作状况 (包括控制器参数的在线整定)，依次将其投入运行。
举例：精馏塔控制系统
控制目标
TC
CV、MV选择
FC LC
进料
精 馏 塔
FC LC
控制方案
塔顶产品
控制算法
塔底产品
加热蒸汽
控制系统 调试与投用
常用控制算法
PID类（包括：单回路PID、串级、前馈、均匀、
控制系统的设计与实施（续）
调节阀的选择：根据被控变量与操作变量的工艺条
件及对象特性，选择合适大小与流量特性的调节阀；
控制算法的选择：依据控制方案选择合适的控制算
法。通常对于SISO系统，PID控制算法能满足大部分 情况；而对于MIMO系统，可采用的控制算法很多， 但一般都需要对象模型，仅适用于计算机控制系统。
选择被控变量：选择与控制目标直接或间接相关的
可测量参数作为控制系统的被控变量；
选择操作变量：从所有可操作变量中选择合适的操
作变量，要求对被控变量的调节作用尽可能大而快；
确定控制方案：当被控变量与操作变量多于1个时，
既可以直接用MIMO（多输入多输出）控制方案；也 可以将系统分解成几个SISO（单输入单输出）子系统 再进行设计（当然这里存在最佳分解问题）。
比值、分程、选择或超驰控制等）， 特点：主要适用于SISO系统、基本上不需要对 象的动态模型、结构简单、在线调整方便。
APC类（先进控制方法，包括：解耦控制、内
模控制、预测控制、自适应控制等）， 特点：主要适用于MIMO或大纯滞后SISO系统、 需要动态模型、结构复杂、在线计算量大。
过程控制第一章
操纵 变量
给定 值
1.2.2 过程控制系统的分类：
1.按系统的开环和闭环分类 （1）开环控制系统
系统的被控量对系统的控制作用没影响，结构简单，没有 闭合回路，控制精度取决于系统各组成环节的精度。 有干扰时无法自动补偿，精度不能保证。只适用于输入和 输出关系已知，且不存在干扰或干扰很弱的场合。
态值上下振荡的次数；
上升时间tr：该时间是指系统的输出量第一次到达输出稳态 值所对应的时刻。对于无振荡的系统，常把输出量从输出稳 态值的10%到输出稳态值的 90%所对应的时间叫为上升时间；
延迟时间：响应曲线首次达到静态值的一半所需的时间， 记为td;
衰减比N：第一个波峰与第二个波峰之比，是反应过程稳定 性的一个指标。N>1为衰减振荡，N=1为等幅振荡，N<1为 发散振荡。 振荡周期T：从第一个波峰到第二个波峰的时间。 T的倒数为振荡频率，T越短。快速性越好。
被控对象中要求保持 设定值的工艺参数
除操纵变量外，作用于被 控对象并引起被控变量变 化的因素 给定值与实际值 蒸汽复合负荷的变化 之差 冷却水温度的变化
扰动 量
偏 差
被控 对象 锅炉汽包
被控变量 锅炉给水量 汽包的期望水位 的预定值 受控制器操纵，用以克服扰 动的影响使被控量保持设定 值的物料量或能量
过程控制
第一章 绪论
课程考核
平时成绩（占40% ）：出勤+课堂提 问+作业；
大作业（占60% ）。
先修课程：自动控制原理
第一章 绪论
人工控制与自动控制：
1.1 概述--过程控制及发展历史
一、什么是过程控制？
过程（工业生产过程）：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。 工业生产过程可分为： 连续生产过程和离散生产过程。 连续生产过程、离散生产过程和间歇生产过程 （批量生产过程）。
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
41
§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：
过程控制课程设计绪论
过程控制课程设计绪论一、课程目标知识目标：1. 理解过程控制的基本概念、原理及其在实际应用中的重要性；2. 掌握过程控制系统的组成、分类及各部分功能；3. 了解过程控制中常用的数学模型及其在系统分析中的应用。
技能目标：1. 能够运用所学知识对简单的过程控制系统进行建模和分析；2. 学会使用过程控制软件进行系统仿真和参数优化；3. 培养实际操作过程控制设备的能力，提高实际工程问题解决技巧。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对过程控制技术的兴趣，激发其探索精神和创新意识；2. 增强学生的团队合作意识，培养其在团队中沟通、协作的能力；3. 培养学生的工程伦理观念，使其认识到过程控制在保障生产安全和提高生产效率方面的重要性。
本课程针对高年级学生，结合学科特点和教学要求，注重理论与实践相结合。
课程目标旨在使学生在掌握过程控制基本知识的基础上，提高实际操作和问题解决能力，同时培养其情感态度和价值观，为后续相关课程学习及未来从事相关工作奠定基础。
通过本课程的学习，学生将能够达到上述具体的学习成果，为后续的教学设计和评估提供明确方向。
二、教学内容1. 过程控制基本概念：介绍过程控制定义、发展历程、应用领域；教材章节：第一章第一节。
2. 过程控制系统组成与分类：分析过程控制系统的结构、分类及各部分功能；教材章节：第一章第二节。
3. 数学模型在过程控制中的应用：讲解过程控制中常用的数学模型及其建模方法；教材章节：第二章。
4. 过程控制策略与算法：介绍PID控制、模糊控制、自适应控制等常用控制策略；教材章节：第三章。
5. 过程控制系统仿真与优化：讲解过程控制软件的使用，进行系统仿真和参数优化；教材章节：第四章。
6. 过程控制设备操作与维护：介绍过程控制设备的操作方法、维护技巧及注意事项；教材章节：第五章。
7. 实践教学：组织学生进行过程控制系统实验，提高实际操作能力；教材章节：第六章。
教学内容按照上述安排进行，注重理论与实践相结合，以教材为基础，结合课程目标进行系统性的教学。
过程控制系统
图0.1 锅炉汽包示意图
图0.1所示是工业生产中常见的锅炉汽 包示意图。
锅炉是生产蒸汽的设备，几乎是工业生
产中不可缺少的设备。保持锅炉汽包内的液 （水）位高度在规定范围内是非常重要的， 若水位过低，则会影响产汽量，且锅炉易烧 干而发生事故；若水位过高，生产的蒸汽含 水量高，不仅会影响蒸汽质量，还可能溢出 水。这些都是危险的。因此对汽包液位严加 控制是保证锅炉正常生产必不可少的措施。 其液位是一个重要的工艺参数。
自动化技术的前驱，可以追溯到我国古代，如指南车的出现。 至于工业上的应用，一般以瓦特的蒸汽机调速器作为正式起点。 工业自动化的萌芽是与工业革命同时开始的，这时的自动化装置 是机械式的，而且是自力型的。随着电动、液动和气动这些动力 源的应用，电动、液动和气动的控制装置开创了新的控制手段。
有人把直到20世纪30年代末这段时期的控制理论称为第一代 控制理论。第一代控制理论分析的主要问题是稳定性，主要的数 学方法是微分方程解析方法。这时候的系统（包括过程控制系统） 是简单控制系统，仪表是基地式、大尺寸的，满足当时的需要
绪论
生产过程自动化，一般是指石油、化工、冶金、炼焦、造纸、建 材、陶瓷及电力发电等工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产 过程的自动控制。电力拖动及电机运转等过程的自动控制一般不包括在 内。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进 行的自动控制通称为过程控制。过程控制是自动控制学科的一个重要分 支
过程控制系统可分为常规仪表过程控制系统与计算机过程控 制系统两大类。前者在生产过程自动化中应用最早，已有六十余 年的发展历史，这是本书要介绍的主要内容。后者是自20世纪70 年代发展起来的以计算机为核心的控制系统，这部分内容将在 《计算机过程控制》课程中予以专门介绍，因此不再纳入本书的 讨论范围。
过程控制- 第1章绪论
经济性： 要求生产成本低而效率高。
稳定性：系统具有抑制外部扰动，保持生产过程长期稳 定运行的能力。
过程控制是控制理论、工艺知识、计算机技术和自 动化仪表等知识相结合而构成的一门应用科学。
以具体实例来说明过程控制任务的具体实现
1.确定控制目标 ⑴ 在安全运行条件下，保证热油出口温度稳定。
⑵ 在安全运行条件下，保证热油出口温度和烟气 含氧量稳定。
㈡ 按给定值的信号特点分类
1.定值控制系统 x（t）=常数 2.随动控制系统 x（t） =RND（t） （自动跟踪系统）
目的是使所控制的工艺参数准确快速地跟随给定 值变化。 3.程序控制系统 x（t） =f（t） （顺序控制系统）
退火炉温度控制系统的给定值： 按升温、保温与逐次降温等程序自动变化的。
ISE e2 t dt min 0
时间乘误差的平方积分（ITSE）
ITSE te2 t dt min 0
误差绝对值积分（IAE）
IAE
0
e
t
dt
min
时间乘误差绝对值的积分（ITAE）
ITAE
0
t
et
dt
min
工艺管道及工艺流程图
控制流程图符号意义
序号
安装位置
图形符号
备注
周四现场教学分组：
学号 1001～1028 1029～1057 1058～最后
时间 8:30 ～9:00 9:00 ～9:30 9:30 ～10:00
地点：机电楼C129
回路编号
被测变量
工段号
功能
1.字母代号 2.仪表位号的书写规则
控制流程图字母意义
字
第一位字母
后继字母 字
母 被测变量 修饰词 功能 母
稳定性：系统具有抑制外部扰动，保持生产过程长期稳 定运行的能力。
过程控制是控制理论、工艺知识、计算机技术和自 动化仪表等知识相结合而构成的一门应用科学。
以具体实例来说明过程控制任务的具体实现
1.确定控制目标 ⑴ 在安全运行条件下，保证热油出口温度稳定。
⑵ 在安全运行条件下，保证热油出口温度和烟气 含氧量稳定。
㈡ 按给定值的信号特点分类
1.定值控制系统 x（t）=常数 2.随动控制系统 x（t） =RND（t） （自动跟踪系统）
目的是使所控制的工艺参数准确快速地跟随给定 值变化。 3.程序控制系统 x（t） =f（t） （顺序控制系统）
退火炉温度控制系统的给定值： 按升温、保温与逐次降温等程序自动变化的。
ISE e2 t dt min 0
时间乘误差的平方积分（ITSE）
ITSE te2 t dt min 0
误差绝对值积分（IAE）
IAE
0
e
t
dt
min
时间乘误差绝对值的积分（ITAE）
ITAE
0
t
et
dt
min
工艺管道及工艺流程图
控制流程图符号意义
序号
安装位置
图形符号
备注
周四现场教学分组：
学号 1001～1028 1029～1057 1058～最后
时间 8:30 ～9:00 9:00 ～9:30 9:30 ～10:00
地点：机电楼C129
回路编号
被测变量
工段号
功能
1.字母代号 2.仪表位号的书写规则
控制流程图字母意义
字
第一位字母
后继字母 字
母 被测变量 修饰词 功能 母
过程控制绪论金以慧清华大学出版社共30页文档
谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
过程控制绪论金以慧清华大学出版社
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光ห้องสมุดไป่ตู้明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。