电子教案与课件：《过程控制及自动化仪表》电子课件 第七章 复杂控制系统
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《过程控制及仪表》课件
2
电气指标和计量单位
电流、电压、电阻、电功率等
பைடு நூலகம்
计量单位的转换
3
仪表信号传输和处理
传感器和信号转换器
信号放大和滤波
控制系统与仪表的应用
工业自动化中的应用
航空航天中的应用
生命科学中的应用
总结
概念、原理和应用
本课件对过程控制和仪表的概念、原理和应用进行了介绍。
为学习和工作提供指导
学生可以通过本课件了解控制系统和仪表相关知识，为今后的学习和工作提供指导。
《过程控制及仪表》PPT课件
# 过程控制及仪表PPT课件 ## 简介 - 本课件主要介绍过程控制和仪表的相关知识。 - 旨在帮助学生了解控制系统和仪表的基本原理以及使用方法。
控制系统
控制系统概述
定义和分类 组成和特点
控制系统建模
系统模型 状态空间模型 传递函数模型
仪表
1
仪表概述
定义和分类
组成和特点
第7章 复杂过程控制系统 《过程控制与自动化仪表》课件
W02*(s)
+
F1(s) + F1(s)
+ Y2(s) Y2(s)
W01(s)
Wm1(s)
Y1(s) Y1(s)
图7-7 串级控制系统等效框图
3.对负荷和操作条件的变化具有一定的适应能力
在串级控制系统中，由于副回路的给定值是随着主 控制器的输出而变化的。主控制器可以按照生产负 荷和操作条件的变化情况相应地调整副控制器的给 定值，使系统运行在新的工作点上，从而保证在新 的负荷和操作条件下，控制系统仍然具有较好的控 制质量。
X1(s) X1(s+)
﹣ Wc1(s) ﹣
X2(s)
X+2(s)
﹣ Wc2(s) ﹣
F1(s) F1(s)
F2(s) F2(s) Y2(s) W02(s) Y2(s) W01(s)
Wf(s)
Y1(s) Y1(s)
图7-15 前馈-串级控制系统结构图
7.3.3 前馈控制的选用与稳定性
1.实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测及 不可控性
给定 给定
出口温度
﹣ 控制器 ﹣
炉膛温度
﹣ 控制器 ﹣
执行器
干扰f2、f3
干扰f1
炉膛温度 对象
T2 炉出口温 T2 度对象
T1 T1
炉膛温度测 量、变送
炉出口温度 测量、变送
图7-4 加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统方框图
扰动 f2（t）、 f3（t） 、对出口温度的影响主
要由炉膛温度调节器（副调节器）构成的控制 回路（副回路）来克服，扰动f1(t)、对炉口温度 的影响由出口温度调节器（主调节器）构成的 控制回路（主回路）来消除。
7.2 串级控制系统设计
+
F1(s) + F1(s)
+ Y2(s) Y2(s)
W01(s)
Wm1(s)
Y1(s) Y1(s)
图7-7 串级控制系统等效框图
3.对负荷和操作条件的变化具有一定的适应能力
在串级控制系统中，由于副回路的给定值是随着主 控制器的输出而变化的。主控制器可以按照生产负 荷和操作条件的变化情况相应地调整副控制器的给 定值，使系统运行在新的工作点上，从而保证在新 的负荷和操作条件下，控制系统仍然具有较好的控 制质量。
X1(s) X1(s+)
﹣ Wc1(s) ﹣
X2(s)
X+2(s)
﹣ Wc2(s) ﹣
F1(s) F1(s)
F2(s) F2(s) Y2(s) W02(s) Y2(s) W01(s)
Wf(s)
Y1(s) Y1(s)
图7-15 前馈-串级控制系统结构图
7.3.3 前馈控制的选用与稳定性
1.实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测及 不可控性
给定 给定
出口温度
﹣ 控制器 ﹣
炉膛温度
﹣ 控制器 ﹣
执行器
干扰f2、f3
干扰f1
炉膛温度 对象
T2 炉出口温 T2 度对象
T1 T1
炉膛温度测 量、变送
炉出口温度 测量、变送
图7-4 加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统方框图
扰动 f2（t）、 f3（t） 、对出口温度的影响主
要由炉膛温度调节器（副调节器）构成的控制 回路（副回路）来克服，扰动f1(t)、对炉口温度 的影响由出口温度调节器（主调节器）构成的 控制回路（主回路）来消除。
7.2 串级控制系统设计
过程控制与自动化仪表PPT
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
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。
发散震荡过程
X
过程控制与自动化仪表
34
预备知识
○、数学模型的基本概念 一、控制系统的运动微分方程 二、非线性数学模型的线性化
微分方程 传递函数 脉冲响应函数
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
11/19/2019 过程控制与自动化仪表
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
自动化钢铁运动控制Fra bibliotek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
态，这种状态就是静态。
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。
过程控制及自动化仪表第七章实现特殊工艺要求的过程控制系统课件
2、单闭环比值控制系统
过程控制及自动化仪表第七章实现特殊工艺要求的过程控
4
制系统
问题：可以精确的控制q1与q2的比值关系，但q1的值不可控，主 流量可以因干扰作用或负荷的升降而任意变化。适用于负荷变化不 大的场合。
丁烯洗涤塔的任务是除去丁烯馏分中所夹带的乙腈，为了保证洗 涤质量，要求根据进料流量配以一定比例的洗涤水量。
过程控制及自动化仪表第七章实现特殊工艺要求的过程控
22
制系统
2. 均匀控制的特点
1、结构上无特殊性 同样一个单回路液位控制系统，由于控制作用强弱不一，既
可以是单回路定值控制系统，也可以是均匀控制系统。因此均匀 控制是靠降低控制回路的灵敏度而不是靠结构变化获得的。
2、参数有变化，而且是缓慢地变化 因为均匀控制是前后设备物料供求之间的均匀，所以表征
2 20
3、比值控制系统中的动态补偿
在某些特殊的生产工艺中，对比值控制的要求非常高，即不仅在
静态工况下要求两种物料流量的比值一定，而且在动态情况下也要求
两种物料流量的比值一定。
过程控制及自动化仪表第七章实现特殊工艺要求的过程控
15
制系统
为实现动态比值一定，必须满足
过程控制及自动化仪表第七章实现特殊工艺要求的过程控
过程控制及自动化仪表第七章实现特殊工艺要求的过程控
8
制系统
硝酸生产控制系统
氧化炉温度串级－比值控制流程图
过程控制及自动化仪表第七章实现特殊工艺要求的过程控
9
制系统
在变换炉生产过程中，半水煤气与水蒸气的量需保持一定的比值， 但其比值系数要随一段触媒层的温度变化而变化，才能在较大负荷变 化下保持良好的控制质量。在这里，蒸汽与半水煤气的流量经测量变 送后，送往除法器，计算得到它们的实际比值，作为流量比值控制器 FC的测量值。而FC的给定值来自温度控制器TC，最后通过调整蒸汽 量（实际上是调整了蒸汽与半水煤气的比值）来使变换炉触媒层的温 度恒定在规定的数值上。
过程控制及自动化仪表第七章实现特殊工艺要求的过程控
4
制系统
问题：可以精确的控制q1与q2的比值关系，但q1的值不可控，主 流量可以因干扰作用或负荷的升降而任意变化。适用于负荷变化不 大的场合。
丁烯洗涤塔的任务是除去丁烯馏分中所夹带的乙腈，为了保证洗 涤质量，要求根据进料流量配以一定比例的洗涤水量。
过程控制及自动化仪表第七章实现特殊工艺要求的过程控
22
制系统
2. 均匀控制的特点
1、结构上无特殊性 同样一个单回路液位控制系统，由于控制作用强弱不一，既
可以是单回路定值控制系统，也可以是均匀控制系统。因此均匀 控制是靠降低控制回路的灵敏度而不是靠结构变化获得的。
2、参数有变化，而且是缓慢地变化 因为均匀控制是前后设备物料供求之间的均匀，所以表征
2 20
3、比值控制系统中的动态补偿
在某些特殊的生产工艺中，对比值控制的要求非常高，即不仅在
静态工况下要求两种物料流量的比值一定，而且在动态情况下也要求
两种物料流量的比值一定。
过程控制及自动化仪表第七章实现特殊工艺要求的过程控
15
制系统
为实现动态比值一定，必须满足
过程控制及自动化仪表第七章实现特殊工艺要求的过程控
过程控制及自动化仪表第七章实现特殊工艺要求的过程控
8
制系统
硝酸生产控制系统
氧化炉温度串级－比值控制流程图
过程控制及自动化仪表第七章实现特殊工艺要求的过程控
9
制系统
在变换炉生产过程中，半水煤气与水蒸气的量需保持一定的比值， 但其比值系数要随一段触媒层的温度变化而变化，才能在较大负荷变 化下保持良好的控制质量。在这里，蒸汽与半水煤气的流量经测量变 送后，送往除法器，计算得到它们的实际比值，作为流量比值控制器 FC的测量值。而FC的给定值来自温度控制器TC，最后通过调整蒸汽 量（实际上是调整了蒸汽与半水煤气的比值）来使变换炉触媒层的温 度恒定在规定的数值上。
《过程控制与自动化仪表》—教学教案
《过程控制与自动化仪表》课程教案（2）闭环控制系统-输入量输出量反馈元件控制器被控对象+反馈量偏差不仅有一条从输入端到输出端的前向通路，还有一条从输出端到输入端的反馈通路。
输出量通过一个测量变送元件反馈到输入端，与输入量比较后得到偏差信号来作为控制器的输入，反馈的作用是减小偏差，以达到满意的控制效果。
闭环控制又称为反馈控制。
如果输入量和反馈量相减则称为负反馈；反之，若二者相加，则称为正反馈。
控制系统中一般采用负反馈方式。
输入量与反馈量之差称为偏差信号。
系统的输出量能够自动地跟踪输入量，减小跟踪误差，提高控制精度，抑制扰动信号的影响。
案例分析：5.过程控制系统的特点（1）系统由被控对象与系列化生产的自动化仪表组成。
（2）被控对象复杂多样，通用控制系统难以设计。
（3）控制方案丰富多彩，控制要求越来越高。
（4）控制过程大多属于慢变过程与参量控制。
（大屏幕投影）解说闭环控制系统，举例分析，让学生加深印象《过程控制与自动化仪表》课程教案教学时间教学内容注释5分钟回顾上节课内容，进行复习提问。
开环和闭环的特点。
80 分钟二、相关知识1.过程控制系统的组成过程控制系统一般由自动化装置及生产装置两部分组成。
（1）被控对象：又称为被控过程。
它是控制系统的主体，在过程控制系统中，是指需要控制其工艺变量的生产设备或机器。
（2）变送器：其作用是将被控制的物理量检测出来并转换成工业仪表间的标准统一信号。
（3）控制器：又称为调节器。
其作用是根据反馈量与输入量比较得出的偏差，按一定的规律运算后对执行器发出相应的控制信号或指令的装置。
（4）执行器：其作用是依据控制器发出的控制信号或指令，改变操纵变量，从而对被控对象产生直接的控制作用。
系统的各种作用量有以下几个：（1）被控变量：是表征生产设备或过程运行状况，需要加以控制的变量，也是过程控制系统的输出量，。
（2）设定值：又称给定值，是工艺要求被控变量需要达到的目标值，也是过程控制系统的输入量。
化工仪表及自动化课件第七章__复杂控制系统
的函数。要求前馈控制器的校正
b
作用使被控变量的静态和动态误
a
差都接近或等于零。
前馈-反馈控制系统
特点：吸收前馈与反馈控制的优点，即前馈控制作用及时 的优点及反馈控制能克服多个扰动和具有对被控参数进行 反馈检测的长处。
实例
FFC
FT F
设定
反馈控制 器
T
TT
∑ T0
TC
G
干扰 前馈控制器 测量变送
控制阀
第七章 复杂控制系统
串级控制系统
本
比值控制系统
章
内
前馈控制系统
容
均匀控制系统
分程控制系统
选择性控制系统
一般情况下，单回路控制系统都能满足大部 分生产控制要求。但当被控对象的容量滞后比 较大，负荷变化比较剧烈、频繁，或者工艺对 产品质量要求很高，此时单回路控制系统就很 难满足控制要求，这就需要设计复杂的控制系 统对生产流程加以控制。
f2
f1
主控制器
副控制器 控制阀
r1
u1
u2
Q
c2
c1
Gc1
Gc 2
Gv
Gp2
G p1
副回路
主回路
副变送器
y2
Hm2
副对象 主对象
主变送器
y1
Hm1
串级控制系统方块 图
燃料 原料
管式加热炉出口温度控制系统
设定+
温度控制器
执行器
f2 f3
炉膛 T2 炉膛壁
f1
出口管 T1
温度检测变送器 系统方框图
所以两个阀组合在一起的可调范围扩大到： R 104 780 0.134
用于控制满足工艺上操作的特殊要求
过程控制与自动化仪表(对象特性)PPT课件
Q1与Q2之差被囤积在水槽中，造成液位上升。
动态平衡关系 （ ∆Ql - ∆ Q2 ）/ A = d∆h / dt
Q2
h Rs
阀门1 Q10
∆ Q1 = Kμ∆μ1
∆h 阀门2
式中：
h0
RS ——阀门2阻力系数；Kμ ——阀门1比例系数；μ1 — Q20 —阀门1的开度；
解得 ddth1A(K1R1s h)
Δh2 Δh2（∞）
程来近似。所谓滞后是
指被控变量的变化落后
0 τc
t
于扰动变化的时间。
W(S) esc
K0
T0S1
在S形曲线的拐点上作一切线，若将它与时间 轴的交点近似为反应曲线的起点，则曲线可表达为 带滞后的一阶特性：
∆h2(t)=
Δh2（∞）
-( t－τc)
K0∆μ1 (1－e T0 ) 0
5.2 单容对象动特性
当对象的输入输出可以用一阶微分方程式来描
述时，称为单容过程（只有一个存储容量）或一阶
特性对象。 阀门1 典型代表是水槽的水位特性。
工艺上要求水槽的液位h保持一
定数值。水槽就是被控对象，液
位h就是被控变量。
h0
Q10 阀门2
Q20
此时，对象的输入量是流入水槽的流量Q1，对 象的输出量是液位h。
用自衡率ρ表征对象自衡能力的大小
1 1 h() K
与放大系数K互为倒数
μ1
Δμ1
如果ρ大，说明对象的自
t
衡能力 大 。即对 象 能以较 小 Δh
的自我调整量Δh（∞），来抵 消较大的扰动量Δμ1。
T
K t
判断对象有无自衡能力的标志——能否对破坏
平衡的扰动作用施加反作用。
《过程控制与仪表》课件
均匀控制系统
均匀控制
均匀控制系统主要用于解决控制过程 中存在的速率问题，通过调节受控变 量的变化速率，使系统达到稳定状态 。这种系统通常用于化工、冶金等行 业的连续生产过程。
05
仪表在过程控制系统中的应用
温度仪表的应用
总结词
温度仪表是过程控制中常用的仪表之一 ，用于测量物体的温度。
VS
详细描述
过程控制系统的故障诊断
观察法
通过观察仪表的显示值、设备的运行状态等 ，初步判断故障原因。
听诊法
通过听设备的运行声音，判断设备是否正常 运转。
触摸法
通过触摸设备的表面，感受设备的温度、振 动等，判断设备是否正常运转。
故障代码法
如果有故障代码显示，可以根据故障代码查 找故障原因。
过程控制系统的故障处理
被控对象，是实现过程控制的基础。
02
仪表基础知识
仪表的分类与选型
分类
根据测量参数和应用领域，仪表可分 为温度计、压力计、流量计、液位计 等。
选型
选择合适的仪表类型需要考虑测量精 度、量程、环境条件、安装要求等因 素。
仪表的工作原理
传感器
传感器是仪表的核心部分，负责将待测参数转换为电 信号。
转换电路
《过程控制与仪表》PPT 课件
• 过程控制概述 • 仪表基础知识 • 过程控制系统的设计 • 常见的过程控制系统 • 仪表在过程控制系统中的应用 • 过程控制系统的维护与故障处理
01
过程控制概述
过程控制的基本概念
01
过程控制是指在工业生产过程中，对工艺参数进行 检测、比较、调整和控制的手段。
02
详细描述
压力仪表的种类包括压力传感器、压力变送 器和压力表等，它们能够将压力信号转换为 电信号或数字信号，传输给控制系统。在石 油、化工、天然气等行业中，压力仪表的应 用非常广泛，对于保证设备和管道的安全运 行以及产品质量具有重要作用。
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n单闭环比值控制系统
F1
F1C
F2C
F2
比值器
F2
控制器F2C
执行器
对象
副测量变送
F1 主测量变送
特点------两种物料流量之比较为精确，系统结构简单，实施方便。 不足------两种物料的总量（F1＋F２）不固定。
比值控制系统的类型
n单闭环比值控制系统与串级控制系统比较
设定值
比值器
F2
控制器F2C
图）
7.1 串级控制系统
基本原理及结构 在多回路控制系统中，有两个被控对象、两套测量变送装
置、两台控制器和一个控制阀构成的系统称为串级控制系统。
f2
f1
主控制器
副控制器 控制阀
r1
u1
u2
Q
c2
c1
Gc1
Gc 2
Gv
G p2
G p1
-
- 副回路
主回路
副变送器
y2
Hm2
副对象 主对象
主变送器
y1
H m1
测量变送1
串级控制系统的特点
n在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路； 有两个控制器：主控制器和副控制器；有两个测量变送器。
设定值
温度 控制器
干扰
干扰
流量 控制器
控制阀
流量对象
温度对象
釜温
定值控制 系统
随动控制 系统
测量变送 测量变送
串级控制系统的特点
n串级控制系统由于增加了副回路，具有有一定的自适应能力。
执行器
对象
副测量变送
F1 主测量变送
设定值
副控 制器
主控 制器
控制阀
干扰
干扰
副对象
主对象
主变量
测量变送 测量变送
比值控制系统的类型
n双闭环比值控制系统
F1
F1C K
F2C F2
给定
主流量控制器
K 副流量控制器
执行器
F1 主流量对象
主测量、变送
执行器
F2 副流量对象
副测量、变送
特点------两种物料流量之比精确，其总量（F1＋F２）基本保持不变。 不足------系统结构比较复杂，使用的仪表较多，投资较大，系统调整比较复杂。 使用场合----主流量干扰频繁，工艺不允许有较大波动或工艺上经常需要提升负
设定值
主控 制器
干扰
干扰
副控 制器
控制阀
副对象
主对象
主变量
副测量变送 主测量变送
串级控制系统的设计
n串级控制系统副参数的选择及副回路的设计
•主副变量间应有一定的内在联系 •系统的主要干扰应包围在副回路中 •在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰 •副变量的选择应考虑主副对象时间常数的匹配，防止共振的发生 •当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时，在选择副变量时应使副环 尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后
示例三
示例四
示例五
串级控制系统适应场合
n被控对象的控制通道纯滞后时间较长，用单回路控制系统不能满足质量指标 n对象容量滞后比较大，用单回路控制系统不能满足质量指标 n控制系统内存在变化激烈且幅值很大的干扰 n被控对象具有较大的非线性，而负荷变化又较大
7.2 前馈控制系统
n前馈控制系统与反馈控制比较
串级控制系统的设计
n主副控制器正反作用的选择实例
蒸汽
进料
精
馏
FC TC
塔
设定值
反
温度 控制器
流量 控制器
控制阀
流量对象
温度对象
釜温
测量变送 测量变送
当主、副变量在增加（或减小）时，为使主、副变量减小（或增加），要求控制阀 的作用方向是一致的时候，主控制器应选择反作用；反之选正作用。
示例一
示例二
设定
反馈控制器
干扰
执行器 测量变送
对象
被控变量
前馈控制器 执行器
测量变送
干扰 被控变量
对象
• 前馈控制比反馈控制及时有效 • 前馈控制属于开环控制系统，反馈控制是闭环控制系统 • 前馈控制使用的实施对象特性而定的专用控制器，反馈控制采用通用
PID控制器 • 一种前馈作用之能克服一种干扰，反馈控制只用一个控制器就可克服多
串级控制系统方块图
串级控制系统的特点
n在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象特 征，使控制过程加快，具有超前控制的作用。
X
单单回回路路控控制制系系统统
控制阀
F2
控制阀
对象2 a
测量变送
F1
Y 对象1
b
c
X 主控制器
副控制器
控制阀
F2
对象2 a
F1
对象1 b
Y c
测量变送2
串串级级控控制制系系统统
塔1
塔2
LC
2
FC
1
均匀控制是在连续生产过程中各种设备前后紧密联系的情况下 提出来的一种特殊的液位（或气压）—流量控制。其目的在于 使液位保持在一个允许的变化范围，而流量保持平稳。
均匀控制系统
构成均匀控制系统，液位和流量两个参数的变化应满足如下要求： 1. 两个参数在控制过程中都应该是变化的，且变化是缓慢的。 2. 两个参数必须在允许的范围内变化，均匀控制要求在最大干扰作用 下，液位在塔釜的上下限内波动，而流量应在一定的范围内平稳渐变， 避免对后段工序产生较大的干扰。
比值控制系统-----实现两个或两个机上参数符合 一定比例 关系的控制系统
主物料-------处于主导地位的物料 表征该物料的参数为主动量F1（主流量）
从物料--------随主物料的变化呈比例的变化的另一种物
K ¢ = F2 F1
副流量 主流量
比值控制系统的类型
荷的场合。
比值控制系统的类型
n变比值比值控制系统
F1
FT 1
T
÷
FC
TC
TT
FT 2 F2
主控制器
干扰
比值控制器
控制阀
流量对象 F2 主对象 Y
测量变送器
除法器
测量变送器
F1
测量变送器
特点------两种物料流量的比值能灵活地随第三变量的需要而变化。
设计
7.4 均匀控制系统
n均匀控制系统的基本概念
第七章
本章主要内容
7.1 串级控制系统（基本概念、 特点、系统的设计、应用场合 及应 用中的问题）
7.2 前馈控制系统（基本概念、系统的几种结构形式及其应用场合） 7.3 比值控制系统（基本概念、常用的比值控制方案及系统的设计） 7.4 均匀控制系统（系统的概念、控制方案） 7.5 分程控制系统（系统的基本概念、系统的应用中的几个问题） 7.6 选择性控制系统（基本概念、系统的应用、积分饱和及其防止） 7.7 新型控制系统简介（基本概念） 7.8 控制流程图识图（常规控制流程图识图、计算机控制流程图识
个干扰
前馈控制框图
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前馈控制系统的应用场合
n 系统中存在着可测但不可控的变化幅度大，且频繁的 干扰，这些干扰对被控参数影响显著，反馈控制达不 到质量要求时。
n 当控制系统的控制通道滞后时间较长，由于反馈控制 不及时影响控制质量时，可采用前馈或前馈－反馈控 制系统 。
7.3 比值控制系统