1过程控制系统的基本概念.
第一章过程控制系统概述
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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。
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
兰州理工大学电信学院
10:12:42
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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。在这种控制系统中，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。error)描述，它表示系统输出稳态 值与期望值之差﹔快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描 述。 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。稳态误差是指系统的响应进入稳态后﹐系统的期望输出与实际输出 之差。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)
了解过程控制的基本原理
了解过程控制的基本原理过程控制是指通过对系统中的各种操作过程进行监测和调节，使得系统能够稳定运行，达到预期的工作目标。
在工业生产、交通运输、能源供应等领域，过程控制起着至关重要的作用。
了解过程控制的基本原理对于能够有效管理和优化过程控制系统具有重要意义。
本文将介绍过程控制的基本概念、基本原理和常见的控制策略。
一、过程控制的基本概念过程控制指的是对系统进行实时监测、检测和调节的过程，通过对系统输入和输出的测量和分析，采取相应的控制措施，使得系统能够按照预定的标准或要求进行工作。
过程控制的目标是保障系统的稳定运行和达到设计要求。
二、过程控制的基本原理1. 反馈原理反馈原理是过程控制中的核心概念之一。
通过对系统输出进行测量和检测，与设定值进行比较，得到误差值，并将误差值作为输入信号对系统进行调节。
反馈控制能够使系统对外界扰动具有较强的抵抗能力，提高系统的稳定性和精度。
2. 控制策略过程控制中常用的控制策略包括比例控制、积分控制和微分控制，即PID控制。
比例控制主要根据误差的大小进行控制，积分控制主要根据误差的积分值进行控制，微分控制主要根据误差的变化率进行控制。
PID控制通过对这三种控制策略的综合应用，能够有效地调节系统，使系统保持稳定状态，并具有较好的动态性能。
3. 控制器控制器是过程控制中的重要组成部分，通常由传感器、执行器和控制算法组成。
传感器用于检测系统的实时状态和参数，将其转化为电信号；执行器根据控制信号进行动作，控制系统的运行；控制算法通过对传感器数据进行分析和处理，得出控制信号，对执行器进行控制。
4. 过程模型过程模型是对被控对象的描述，通过建立系统模型，可以对系统进行分析、仿真和优化。
常用的过程模型有线性模型和非线性模型。
对于线性过程，可以采用经典控制方法进行分析和设计；对于非线性过程，需要采用先进的控制算法，如自适应控制、模糊控制和智能控制等。
三、常见的控制策略1. ON-OFF控制ON-OFF控制是最简单的控制策略之一，当系统输出超过一定阈值时，控制器输出一个固定的控制信号，对系统进行ON或OFF的控制。
第10章 过程控制系统基本概念解读
刘玉长
第二节过程控制系统过渡过程和品质指标 一、静态与动态
在自动控制中，把被控量不随时间而变化 的平衡状态称为系统的静态，而把被控量随时间 而变化的不平衡状态称为系统的动态。 在生产过程中，扰动是客观存在，且是不 可避免的，因此了解系统的静态是必要的，但是 了解系统的动态更为重要。
刘玉长
二、自动控制系统的过渡过程
刘玉长
几个基本概念
单容过程：只有一个容积，一个容量系数
和一个时间常数。
自衡特性：对象在扰动作用，其平衡受到
破坏，在没有操作人员或控制器的干预下， 自动恢复平衡的特性。
无平衡特性：平衡状态下，一旦受到破坏，
无法自行重建平衡。
自衡率 ：表示自衡能力。一般希望它大一
些，即在很大干扰下，被控变量变化很少。
刘玉长
三、控制系统的工程表示
自动控制系统有两种表示方法，即方框图 与工艺控制流程图(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】。
蒸汽
LT
PV
LC
MV
SV 期望值 控制器 SV LC
控制阀 V 检测变送 LT
锅炉
实际值
要求:
稳
快
准
三、控制系统的品质指标
控制系统性能指标是根据系统在零初使条 件(输出量和输入量的各阶导数为0)下的单位阶 跃响应曲线计算得到的。 实际控制系统的瞬态响应曲线不同，其性 能指标定义也不一样。因为衰减振荡是一种比较 好的响应曲线，故以下针对衰减振荡过程进行介 绍【注意，有的过程不允许出现振荡】。
刘玉长
(四)稳定时间ts
从阶跃扰动开始作用起至被控量又建立新 的平衡状态止，这一段时间叫做稳定时间 ( 或称 过渡时间)。 工程上规定当被控量达到稳定值的±5%(或 ±2%)的范围内时，就认为被控量已经达到了稳 定值。按这个规定，稳定时间就是从扰动开始作 用之时起，直至被控量进入稳定值的±5%( 或 ±2%)的范围内所经历的时间。 稳定时间短，表示过渡过程进行得比较迅 速，这时即使扰动频繁出现，系统也能适应，系 统质量较高。 刘玉长
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。
《过程控制原理及应用》阶段练习题—1答案
《过程控制原理及应用》阶段练习题一1答案第一章控制系统的基本概念1.1.答：自动控制系统主要由被控对象、测量元件和变送器、调节器和执行器等环节组成。
自动控制系统中常用的术语包括：被控变量y、给定值y s、测量值y m、操纵变量m、干扰f、偏差信号e、控制信号u。
被控变量y：是指需要控制的工艺参数，是被控对象和控制系统的输出信号；给定值y s：生产过程中被控变量的期望值；测量值y m：由检测元件得到的被控变量的实际值；操纵（控制）变量m：用以实现干扰作用，实现控制作用的变量，是调节阀的输出信号；干扰f：引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素；偏差信号e：被控变量的给定值与测量值之差；控制信号u：调节器将偏差按一定规律计算得到的量。
1.2答：自动控制系统的方框图是由环节方块、信号线、比较点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。
控制系统的典型方框图如下：于干扰作用（干扰变给定值图1-1控制系统的方框图1.3答：①系统的方框图如图1-3所示。
②TT环节的输入信号：温度T,输出信号：T mTC环节的输入信号：偏差e,输出信号：控制信号u调节阀环节的输入信号：控制信号u,输出信号：操纵变量m 换热器环节的输入信号：操纵变量m和干扰f,输出信号：温度T整个系统的输入信号是热物料设定温度T SP和干扰f,输出信号是热物料出口温度T O*调节阀换热器图1-3换热器出口温度控制系统方框图③系统遇到干扰作用后，如冷物料流量突然增大△ q v,被控变量热物料出口温度T将下降，温度测量变送器TT测得信号T,与T S比较后得到偏差信号e,调节器TC根据e值的大小按照一定的控制规律计算得到控制信号u, 并送给调节阀，调节阀根据控制信号u改变阀门开度，调节蒸汽用量m,调节热物料的出口温度，使其回复到给定值附近。
1.4答：①贮槽液位控制系统的方框图如图1-5所示。
*调节阀图1-5贮槽液位控制系统方框图②在该液位系统中，被控对象贮槽;被控变量液位L;操纵变量调节阀控制的出水流量q v2；干扰作用贮槽入水流量q vi的变化1.5答：处于平衡状态下的自动控制系统，在受到干扰作用后，被控变量发生变化偏离给定值，这时调节器开始起调节作用，直到使被控变量回复到给定值附近范围内。
过程控制系统基本概念(讲座20)
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图 4 温度控制系统过渡过程曲线 解：最大偏差 A＝230-200＝30℃ 余差 C＝205-200＝５℃
由图上可以看出，第一个波峰值 B＝230-205＝25℃， 第二个波峰值 B′＝210－205＝5℃， 故衰减比应为 B:B′＝25:5＝5:1。 振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期 T＝20-5＝15（min） 分析：过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额 定值的±2％，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为 200×（±2％） ＝±4℃，这时，可在新稳态值（205℃）两侧以宽度为±４℃画一区域，上图中 以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过滤过程就 可以认为已经结束。因此，从图 4 可以看出，过渡时间为 22min。 4、影响控制系统过渡过程品质的主要因素 一个自动控制系统可以概括成两大部分，即工艺过程部分（被控对象）和自 动化装置部分。前者指与该自动控制系统有关的部分。后者指为实现自动控制所 必需的自动化仪表设备，通常包括测量与变送装置、控制器和执行器等三部分。 对于一个自动控制系统，过渡过程品质的好坏，在很大程度上决定于对象的 性质。例如在前所述的温度控制系统中，属于对象性质的主要因素有：换热器的 负荷大小，换热器的结构、尺寸、材质等，换热器内的换热情况、散热情况及结 垢程度等。不同自动化系统要具体分析。 5、工艺管道及控制流程图 工艺流程和控制方案的确定后，根据工艺设计给出的流程图，按其流程顺序 标注出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与联锁保护系统等，便成了 工艺管道及控制流程图（PID 图） 。 6、自动控制系统的基本组成及方块图 液位自动控制的方块图为例
副变量类型 温度 压力 流量 液位
副控制器比例度 δ2／％ 20 ～60 30 ～70 40 ～80 20 ～80
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。
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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
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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。
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§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
过程控制系统的基本概念
一、过程控制系统
二、过程控制系统的组成 三、控制系统方框图
四、过程控制系统的系统
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)按照预定的规律自动地运行。
文本 本次讲课到此结束 谢谢您的聆听
自动控制系统的未来发展前景 ： 现代化工厂向规模集约化方向发展时，生产 工艺对控制系统的可靠性、运算能力、扩展能 力、开放性、操作及监控水平等方面提出了越 来越高的要求。传统的DCS系统已经不能满足 现代工业自动化控制的设计标准和要求。随着 工业自动化控制理论、计算机技术和现代通信 技术的迅速发展，自动控制系统的未来发展方 向将向智能化、网络化、全集成自动化等方向 发展。
自动控制系统：是在无人直接参与下可使生产过 程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制 系统。
过程控制系统：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。
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二、控制系统的组成
对象：被控制的装置或设备，其输出即为被控量； 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； 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。
2010年服务工作总结
三、控制系统方框图
四、过程控制系统的分类
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第一章 过程控制系统的基本概念
1.1 过程控制系统的组成与分类 1.2 过程控制系统的过渡过程和品质指标 1.3 被控对象特性 1.4 被控过程的数学模型
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1.1.1 过程控制系统
例1：水槽液位控制
进
进
料
料
口
口
玻璃管液位计
H 出 料 口
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•计算机应用基础 •计算机程序设计
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Text
热工过程 控制工程
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•课程设计 •毕业设计
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课程的重要性
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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：13739051651
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）
过程控制仪表与系统
任课教师：黄学章、张建智
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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）
❖ 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。
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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
变 送 器
执 行 器
调 节 器
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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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1.1.1 过程控制系统
例2：锅炉汽包水位控制
汽包
蒸汽 玻璃管液位计
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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
省煤器
给水 （a）手动控制
汽包
蒸汽 LT LC
省煤器 （b）自动控制
给水
锅炉汽包液位控制
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1.1.1 过程控制系统
锅炉
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锅炉
1.1.1 过程控制系统
汽 包
热空气 燃料
炉 膛
燃料嘴
负荷设备 调节阀
D
PM 减温器
过热蒸汽送 负荷设备
过热器
炉墙
省 煤
热空气 送往炉膛
❖ 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。
器 空气预热器
给水
冷空气
烟气 (经引风机送往烟囱)
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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；
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（3）过热蒸汽系统的控制。 16
1.1.1 过程控制系统
例2：锅炉汽包水位控制
汽包
蒸汽 玻璃管液位计
省煤器
给水 （a）手动控制
Байду номын сангаас
汽包
蒸汽 LT LC
省煤器 （b）自动控制
给水
锅炉汽包液位控制
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1.1.1 过程控制系统
例3：加热炉的温度控制