过程控制系统及仪表邵裕森主编9
《过程控制系统》课程简介
过程控制系统
(ProcessContro1System)
总学时：40学时理论40学时
学分：2.5
课程主要内容：
《过程控制系统》课程是电气工程与自动化专业的一门专业主干课程，具有很强的实践性。
主要内容包括单回路控制系统的方案设计、调节参数整定以及控制系统的投运：为提高控制品质或满足特殊操作要求的复杂过程控制系统及应用中的有关问题;对典型案例的学习，掌握对各典型单元操作静、动态特性的分析方法，和与之相匹配的典型控制方案的设计等三大部分。
通过本课程的学习，要使学生在掌握控制理论和过程检测与控制仪表等知识的基础上，用工程处理的方法去解决控制系统的分析、设计与研究方面的问题。
先修课程：自动控制理论、微机原理、过程检测与控制仪表、微机控制等。
适用专业：电气工程与自动化
教材：
邵裕森.过程控制工程.北京：机械工业出版社，2006年1月。
教学弁考书：
[1]金以慧.过程控制.北京：清华大学出版社，1993年4月。
[2]蒋慰孙.过程与控制.北京：化学工业出版社，1996年10月。
[3]邵裕森.过程控制及仪表（修订版）.上海：上海交大出版社，1995年3月。
过程控制系统与仪表课程教学大纲高宏伟
《过程控制系统与仪表》课程教学大纲课程代码：030231010课程英文名称：Process control system and instrument课程总学时：32 讲课：24 实验：8 上机：0适用专业：测控技术与仪器大纲编写（修订）时间：2010.7一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标本课程是测控技术与仪器专业的选修课。
课程的任务是初步掌握工业自动化仪表和工业过程控制的基础理论知识和基本技能。
利用各种工业仪表获取各种工业生产过程的数据信息，从而实现工业生产的自动化控制。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求掌握各种工业测量仪表的功能、原理、结构及工业过程中仪表的选用原则和方法，包括传感器，变送器，调节器和执行器。
掌握工业过程控制系统的基础知识，包括工业控制系统的原理构成，各种控制规律的选择，控制对象的特性。
掌握实际系统中工业仪表的装置原理、结构、功能及参数的选取。
这是工程技术人员必须掌握的基本知识。
了解工业控制技术的发展及新型的检测及控制装置。
针对基本任务，本课程应围绕着各种控制系统设计所涉及到的参数及各种控制仪表来展开。
（三）实施说明大纲所写内容不一定全部在课堂讲授，可在以硬件为主的基础上，详略不同的介绍。
素质教育应贯穿于每一门课程的教学过程，站在培养新时代人才的整体高度上，看待本课程应承担的职责。
讲授内容要分清每一部分在课程整体中所处的地位。
对课程各环节应实施统一调配，增强教学的效果。
（四）对先修课的要求《自动控制原理》、《电路》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》（五）对习题课、实验环节的要求本大纲以实施素质教育为目的，培养学生独立地分析问题、解决问题。
对习题内容的选择可根据课程的进展情况灵活掌握，使学生能够与时具进。
实验是对理论教学的补充，应具有真实性和综合性。
（六）课程考核方式1.考核方式：考查。
2.考核目标：在考核学生对仪表构成的基本知识、基本原理和方法的基础上，重点考查学生的分析能力、设计能力和各种测控量计算等能力。
过程控制系统与仪表课后习题答案完整版汇总
第 1 章思考题与习题1-1过程控制有哪些主要特点？为什么说过程控制多属慢过程参数控制？解答：1．控制对象复杂、控制要求多样2.控制方案丰富3．控制多属慢过程参数控制4．定值控制是过程控制的一种主要控制形式5．过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成1-2什么是过程控制系统？典型过程控制系统由哪几部分组成？解答：过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。
组成：参照图 1-1。
1-4说明过程控制系统的分类方法，通常过程控制系统可分为哪几类？解答：分类方法说明：按所控制的参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与数字控制系统；按控制器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统；按控制系统的结构和所完成的功能来分，有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等；按其动作规律来分，有比例（ P）控制、比例积分（ PI）控制，比例、积分、微分（ PID ）控制系统等；按控制系统组成回路的情况来分，有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统；按被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等。
通常分类：1．按设定值的形式不同划分：（1）定值控制系统（2）随动控制系统（3）程序控制系统2．按系统的结构特点分类：（1）反馈控制系统（2）前馈控制系统（3）前馈—反馈复合控制系统1-5什么是定值控制系统?解答：在定值控制系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数变化的就是扰动信号。
1-6什么是被控对象的静态特性？什么是被控对象的动态特性？二者之间有什么关系？解答：被控对象的静态特性：稳态时控制过程被控参数与控制变量之间的关系称为静态特性。
被控对象的动态特性：。
系统在动态过程中，被控参数与控制变量之间的关系即为控制过程的动态特性。
二者之间的关系：1-7试说明定值控制系统稳态与动态的含义。
为什么在分析过程控制系统得性能时更关注其动态特性？解答：稳态：对于定值控制，当控制系统输入（设定值和扰动）不变时，整个系统若能达到一种平衡状态，系统中各个组成环节暂不动作，它们的输出信号都处于相对静止状态，这种状态称为稳态（或静态）。
过程控制与自动化仪表(第3版)第1章
过程控制系统的定义：
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。
过程控制系统与仪表 第1章
一般用原理框图来表示控制系统原理。 如图2的室温控制系统是由温度变送器、控制 器、电动调节阀和加热器及房间组成。
+
温度给 定值
e 控制器
－ 实测值
过程控制系统与仪表 第1章
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
调节阀 温度变送器
干扰f
加热器 及房间
房间温度
过程控制系统与仪表 第1章
用通用名称表示为：
+e
给定值 －
控制器
实测值
执行器 变送器
干扰f
被控对象
被控变量
过程控制系统原理方框图
过程控制系统的主要任务是：对生产过程中的 重要参数（温度、压力、流量、物位、成分、湿度 等）进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化。
定值；
f (t)
（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；
r(t) e(t)
－
z(t)
控制器
u(t)
执行器
q(t)
y(t)
被控过程
（7）控制作用u(t)：控制器的输出值。
测量变送
过程控制系统与仪表 第1章
1.1 过程控制的特点 过程控制系统具有以下特点： 1．控制对象复杂、控制要求多样； 2．控制方案丰富； 3．控制对象大多属于慢过程； 4．大多数工艺要求定值控制； 5．大多使用标准化的检测、控制仪表及装置。
过程控制系统及仪表邵裕森主编6
进料流量可测、 不可控；因此采用 前馈补偿方案削弱 其对被控过程的影 响。
4 qL
冷凝罐
回流
y1
进料q
F
TT
TC
FT
FFC
第六章 前馈控制系统
《过程控制系统及仪表》
6.5前馈控制系统的工程整定
为了便于进行前馈模型的工程整定，同时又能满足工程上一定的精度要 求，常将被控过程的控制通道及扰动通道简化成：
根据绝对不变性原理
WM ( s )
W f (s) W2 ( s )Wo1 ( s )
第六章 前馈控制系统
《过程控制系统及仪表》
6.3 前馈控制系统的选用原则
1．实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测及不可控性
“可测”：指扰动量可以通过测量变送器，在线地将其转换为前馈补偿 器所能接受的信号。 无法在线测量的扰动，不能采用前馈补偿作用补偿其对被控 过程的影响。 “不可控”：指这些扰动量难以或不能通过专门的控制回路予以控 制，以达到抑制或减小其发生的目的。 如：炼油装置加热炉中的冷物料流量是不可控的。
Y
第六章 前馈控制系统
（二）前馈-串级复合控制系统
《过程控制系统及仪表》
6.2 前馈控制系统的几种结构形式
例：加热炉出口温度的前馈－串级复合控制系统
FFC
假设：冷物料流量、燃 料压力波动频繁，剧 烈。可设计如图所示的 前馈-串级复合控制系 统。
TT TC FC FT
qB
FT
qF
0
第六章 前馈控制系统
2 1
F
W f (s)
一、静态参数值 K m的整定
S
1.整定好闭环控制系统PID参数； 2.闭合开关S，整定 K m 的值。 R
过程控制及仪表详解PPT教案
数字式：采用二进制信号，以微处理器为核心，随着计算机技术的 迅速发展而迅速发展，是自动化仪表发展的方向之一，如：智能仪表、 各种先进的计算机控制系统。他解决了模拟仪表难以解决的问题，如： 信号隔离、数学运算、CRT显示等。满足了生产中高质量控制的要求。 代表着当今的高新技术。
并联两个齐纳二极管 是增加安全栅的可靠 性。
现场发生事故时，如形成短路时，有R限制过大电流进入危险 侧，以保证安全。
当安全栅电压UI高于额定电压U0时，齐纳二极管击穿，进入 危险侧的电压被限制在U0值。同时安全侧电流急剧增大，使FU很 快熔断，从而使高压与现场隔离，同时也保护了齐纳二极管。
第34页/共45页
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第一章 概论
第一节 控制仪表与控制系统
半成品
储液罐 h
差压变送器 调节器
H
执行器
去下一工序
图1-1. b)单回路液位控制系统
第8页/共45页
第一章 概论
第一节 控制仪表与控制系统 加热炉
原料
温度 变送器 控制器
TT TC
执行器 燃料
图1-1. b) 单回路温度控制系统
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第三节 联络信号与传输方式 电流信号的缺点： 1.某台仪表出故障时，影响其他仪表； 2.无公共地点。各台仪表应浮空工作，如每台仪表均需接地，则 需加隔离。
第23页/共45页
第一章 概论
第三节 联络信号与传输方式
2.电压信号传输
电压传送—电压接收的并联制方式
Ri
ε
Vo
Vi
Vo
Ro
n R cm
Ri n
过程控制仪表及控制系统
《过程控制仪表及控制系统》发电厂汽轮发机电蒸汽温度控制电气工程及其自动化 (2) (3) (4)2 . 1 设计任务 (4)2 . 2 设计要求 (5) (6)3 . 1 方案论证 (6)3．1 .1 常规 P ID 控制 (6)3 .1 .2 串级控制 (6)3 . 2 系统设计 (6)3 . 2 . 1 结构框图及说明 (6)3 . 2 . 2 系统原理图及工作原理 (7) (8)4. 1 T 1 参数 (8)4. 2 T 2 参数 (9)4. 3 主副调节器的参数............................................ 1 0.......................................................... 1 1................................................................ 1 2… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 1 2串级控制系统-----两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。
串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。
前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量(主被控参数)，即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量(副被控参数)，是为了稳定主变量而引入的辅助变量。
整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。
副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。
二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。
程序控制系统
ysp + _
控制器
DVs
u(t) 执行机构
MV
被控过程
干扰通道 +
控制通道 +
温度、压力 流量、液位
y(t)
ym(t) 传感变送器
针对连续被控过程，使学生 掌握控制系统的分析、设计与实施技术
一、课程性质： 过程控制系统是自动化专业的主要专业课程之一。
先修课程： 电子技术基础、自动控制理论、传感器与检测
技术、微型计算机原理。 二、教学安排
1、学时、实验情况（56学时，10学时实验）
2、 教材：
戴连奎主编，过程控制工程（第三版）. 北京：化学工业出版社， 2012年8月
3 、主要参考书：
③控制器(也称调节器) 它将被控变量的测量值与设定值进行比较， 得出偏差信号e(t)，并按一定的规律给出控制信号u(t)。对于工业中 常用的各类控制器，其输入输出信号大都为标准的电流信号，如 DDZ-Ⅲ型仪表的4～20mA DC信号。
④执行器 常用的是控制阀。它接受来自控制器的命令信号u，用 于自动改变控制阀的开度。如例1-2中，控制器通过改变出水阀门的 开度以调节出水量Qo，最终达到克服外部扰动对被控变量h的影响。
【例1-1】 从维持生产平稳考虑，工艺上希望罐内的液位h能维持
在所希望的位置hsp上。
液位h是需要控制的工艺变量，称为被控变量；
hsp为被控变量的控制目标，称为给定值或设定值。
显然，当进水量Qi或出水量Qo波动时，都会使罐内的液位发生
变化。现假定通过控制出水量Qo维持液位的恒定，则称Qo为操纵变
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阀门定位器：将调节 器的输出信号分成几段， 不同区段的信号由相应的 阀门定位器转化为 20kPa～100kPa信号压 力，使调节阀全行程动 作。
R
+ -
调节器
过程
y
z
调节阀 2
测量变送
分程控制方框图
9.2 分程控制
9.2.1 概述
分程控制系统中，调节阀气开、气关调节阀的确定，控制器正反作 用方式的确定： 1.首先确定关键调节阀的气开、气关方式； 2.确定关键调节阀所对应的对象正、负特性； 3.按单回路方法确定控制器正反作用方式； 4.确定另一调节阀所对应对象正、负特性； 5.再在已确定的控制器作用方式的基础上，按单回路方法确定另一调节阀的气 开、气关方式； 气开“＋” “＋”反作用方式
氯氯氯
氯氯氯氯 氯氯
Q2
氯氯氯氯氯氯氯氯氯氯
q1
氯氯氯氯氯氯氯氯
F1T K F2C
主动量：净化水流量 从动量：氯气流量 调节阀、控制器正反作用方式的 选择与单回路控制系统相同。
q2
F2T
氯氯 氯氯氯
9.2 分程控制
9.2.1 概述
分程控制:在实际生产中由一只控制器的输出信号分段分别去带动两个 或两个以上的控制阀工作，每一个控制阀仅在控制器输出信号整个范围的 某段信号内工作的控制方式被称为分程控制。 气动调节阀标准输入信号为： 20kPa～l00kPa 调节阀1：在调节器输出信号4mA～12mA(20kPa～60kPa)范围内工作； 调节阀2：在调节器输出信号12mA ～ 20mA(60kPa～100kPa)范围内工作。 分程控制是通过阀门定位器或电气阀门定位器来实现的。
3．控制不同的介质，以满足生产工艺的需要 例：反应器温度分程控制 “＋”反作用方式
R
+ 调节器 调节器
气开“＋”
调节阀 AA 调节阀
正“＋”
温度过程
y
_
“－”气关
B 调节阀 调节阀 B
负“－”
z
TT TC
测量变送 测量变送
A
蒸汽 冷水
100 %
B
A
B
B
0
A
20
60
100
kpa
9.2 分程控制
9.2.2 分程控制系统的应用场合
9.1 比值控制
9.1.2 比值控制方案
1．开环比值控制系统
Q1 Q2
比比比
当扰动使得副流量 Q2 发生变化时，两者之间的比值关系就会被破坏。 2．单闭环比值控制系统
Q1
比比比
KQ1
比比比比比
比比比
比比比比比
Q2
比比比比比比比比比比比
副流量控制回路为一个闭环随动控制系统，主动量是开环的。
特点：
能实现副流量跟随主流量的变化而变化； 克服副流量本身干扰对比值的影响，实现主、副流量的精确比值；
氯氯氯
A:气开 B:气开
调节阀同向动作
100%
B
A
A
氯氯氯
氯氯氯
A:气关 B:气关
100% B B A 0 20 B 60 kpa A 100
氯氯氯
A:气开 B:气关
0 20
A:气关 B:气开
60 kpa
100
调节阀异向动作
9.2 分程控制
9.2.2 分程控制系统的应用场合
1．扩大控制阀可调范围，改善控制品质 设分程控制中使用的大小两只调节阀的最大流通能力分别为 C1 max 4 、 C 2 max 100 ，其可调范围为 R1 R2 30 。故小阀的最小流通能力为
9.2 分程控制
9.2.2 分程控制系统的应用场合
2．保证生产过程中的安全、稳定 例：储罐氮封分程控制 “＋”反作用方式
R
比比比
+ -
气开“＋”
比比比A
正“＋”
比比比比
过程
y
“－”气关
比比比B
负“－”
z
氯氯
B A
PT PC
比比比比
氯氯
100 %
B
A
B
氯氯
0
A
20
60
100
kpa
9.2 分程控制
9.2.2 分程控制系统的应用场合
R
+ 调节阀 1
正“＋”
过程
调节器
y
z
调节阀 2
负“－”
“－”气关
测量ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ送
9.2 分程控制
9.2.1 概述
分程控制根据调节阀的气开、气关形式不同，可分为两类： 一类是调节阀同向动作的分程控制 一类是调节阀异向动作的分程控制
100% A A B 0 20 B 100 60 氯 氯 氯 氯 氯 (kpa) 100% B B 0 20 A 60 A 100 氯 氯 氯 氯 氯 (kpa)
9.1 比值控制
9.1.3 比值控制系统的设计
1．主、从动量的确定 一般情况下，总是把生产中主要物料定为主动量，其它物料则为从动量， 让从动量的变化跟随主动量变化。 如果两种物料中，一种是可控的，另一种为不可控的，那么应选不可控 物料为主动量，而可控物料为从动量。 如果两种物料中一种物料供应不成问题，而另一种物料却可能供应不 足，此时以可能供应不足的物料定为主动量较为适宜，这样一旦主动量因供应 不足而失控时，流量比值始终能保持。 有时主、从动量的选择还关系到安全生产，此时需从安全的角度出发选 择主、从动量。 从动量
Q2 KQ1
主动量
9.1 比值控制
9.1.3 比值控制系统的设计
2. 比值控制的实施方案
F1
FC
比值给定
F2
F1
相除方案
FC
K/
工程上常用相乘方案
F2
相乘方案
9.1 比值控制
9.1.4 比值控制系统的工业应用
例：自来水消毒的比值控制
氯氯氯 氯氯氯氯 氯氯氯
Q1
氯氯氯氯氯氯氯氯氯氯氯
氯氯氯
4．减小能耗，提高经济效益 例：换热器温度分程控制 “＋”反作用方式
R
+ 调节器 调节器
气开“＋”
调节阀 AA 调节阀
正“＋”
温度过程
y
_
气开“＋”
B 调节阀 调节阀 B
正“＋”
z
测量变送 测量变送
TC
TT
氯氯氯
氯 氯
A
氯 氯
B 氯 氯 氯
100 %
A
A
B
0
B
20
60
100
kpa
C1min
C1max 4 0.134 R1 30
分程控制把两个调节阀当作一个调节阀，其可调范围为：
R分
C2 max C1max 104 776 C1min 0.134
可见，分程后调节阀的可调范围为单个调节阀的近25倍，这样，既能满足生 产上的要求，又能改善调节阀的工作特性，提高控制质量。