过程控制技术-第一章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
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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)
过程装备控制技术及应用习题及参考答案
过程装备控制技术及应用习题及参考答案第一章控制系统的基本概念1.什么叫生产过程自动化？生产过程自动化主要包含了哪些内容？答：利用自动化装置来管理生产过程的方法称为生产过程自动化。
主要包含：①自动检测系统②信号联锁系统③自动操纵系统④自动控制系统。
2.自动控制系统主要由哪几个环节组成？自动控制系统常用的术语有哪些？答：一个自动控制系统主要有两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动控制装置，包括测量仪表，变送器，控制仪表以及执行器等；另一部分是自动控制装置控制下的生产设备，即被控对象。
自动控制系统常用的术语有：被控变量y——被控对象内要求保持设定数值的工艺参数，即需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位，反应温度；给定值（或设定值）y s——对应于生产过程中被控变量的期望值；测量值y m——由检测原件得到的被控变量的实际值；操纵变量（或控制变量）m——受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量称为操纵变量，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）——被控变量的实际值与给定值之差，即e=y m - y s控制信号u——控制器将偏差按一定规律计算得到的量。
3.什么是自动控制系统的方框图？它与工艺流程图有什么不同？答：自动控制系统的方框图上是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。
其中每一个分块代表系统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特性的数学表达式；方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。
采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。
而工艺流程图则是以形象的图形、符号、代号，表示出工艺过程选用的化工设备、管路、附件和仪表自控等的排列及连接，借以表达在一个化工生产中物料和能量的变化过程，即原料→成品全过程中物料和能量发生的变化及其流向。
第一章过程控制基本概念.
课程要求及参考书目
教学目标
• • • • • 什么是过程控制系统 过程控制系统的基本设计方法和原则 过程控制系统的建模与辨识 过程控制系统的控制器设计与稳定性分析 了解过程控制系统的性能评估方法
教材及主要参考书目
• 《工业系统辨识与控制》，李少远等，化学工业出版社，2010年 • 《自动控制原理》，胡寿松，科学出版社，2001年及以后新版本 • 《现代控制工程》（第二版），绪方胜彦著，卢伯英等译，科学出版社， 1984
测量变送 Gm (s)
图1.4 简单过程控制的系统框图
1.1 工业过程控制系统
常用术语
• 被控对象(Process/Object)：被控制的设备或装置
• 被控变量(Controlled Variable)：需要对其进行控制的工艺变量
• 扰动(Disturbance)：影响被控变量的各种扰动作用 • 操纵变量(Manipulated Variable)：受执行机构操纵用于克服扰动 影响的变量 • 测量值(Measurement )：被控变量经检测变送后即是测量值 • 给定值(Set Point)：即被控变量的设定值 • 偏差值(Error)：被控量的给定值与测量值之差
过程控制系统 控制目标 被控对象，被控变量，操纵变量，…
控制器方案设计
1.2 控制规律的选择
PID控制器（包括：单回路PID、串级、前馈、均 匀、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控制器（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），
Steam
Transmitter Process fluid Ti(t) T Condensate return
过程控制
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-第一章
1 了解过程控制技术的开环、闭环概念。 2 了解过控系统的组成、分类和品质指标。 3 能简单使用MATLAB软件。 4 了解本课程定位及学习方法。
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过程控制与自动化仪表
1.1 引言
所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下， 利用外加设备或控制装置使生产过程或被控对象 中的某一物理量或多个物理量自动地按照期望的 规律去运行或变化。
稳定性 静态指标 动态指标
平稳：“稳”即系统必须是稳定的，这也是最重要、最基本的需 求。 准确：“准”是指控制系统的准确性、控制的精确程度，通常用 稳态误差来描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差。 迅速：“快”是指控制系统响应的快速性。
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过程控制与自动化仪表
1.3 过程控制系统的组成
系统的各种作用量
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。
3）测量值——是检测元件与变送器的输出信号值，也 称反馈量。
4）扰动量——又称干扰或“噪声”，通常是指引起被 控变量发生变化的各种因素。
5）操纵变量——受执行器操纵，具体实现控制作用的 变量称为操纵变量。
6）偏差——通常把设定值与测量值之差称作偏差。
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Hale Waihona Puke 过程控制与自动化仪表1.4 过程控制系统的分类和品质指标
1.4.1 过程控制系统的分类
1．定值控制系统
在生产过程中，如果要求控制系统使被控变量保持在一个生产 指标上不变，或者说要求工艺参数的设定值不变，这类控制系 统称为定值控制系统。
过程控制系统及其应用
习题
.
第三章 过程通道信号处理及调节仪表
第一节 温度变送器 一、概述 二、放大单元工作原理 三、热电偶温度变送器量程单元 四、变送器的信号调试方法 五、DBW型温度变送器的型号表示 六、DCW型温度变送器
第二节 DDZ-Ⅲ型全刻度指示调节器 一、概述 二、基型调节器的工作原理 三、可编程序数字调节器
器驱动调节阀，改变输入对象的操纵量q，使 被控量受到控制。
.
第三节 过程控制的分类
一、各种分类方法
1）按被控量分类：温度控制系统，压力控制系统， 流量控制系统，液位控制系统等。
2）按控制系统回路分类：开环控制系统及闭环控制 系统，单回路控制和多回路控制。
3）按控制器的控制算法分类：比例控制系统，比例 积分控制系统，比例积分微分控制系统及位式控制 系统等。
过程控制系统及其应用
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目录
第一章 过程控制的基本概念
第一节 过程控制的发展概况 第二节 过程控制系统的组成
一、被控对象 二、 传感器和变送器 三、 控制器 四、 执行器 五、 控制阀
第三节 过程控制的分类 一、各种分类方法 二、设定值分类
第四节 生产对过控制的要求和指标 一、生产对过程控制的要求 二、过程控制系统的品质指标
第三节 变风量空调系统 一、变风量空调系统概述 二、变风量空调系统的自动控制
参考文献
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第一章 过程控制的基本概念
第一节 过程控制的发展概况 第二节 过程控制系统的组成 第三节 过程控制的分类 第四节 生产对过程控制的要求和指标
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第一节 过程控制的发展概况
自20世纪50年代以来，由于计算机技术的发 展，带来了自动化发展的惊人成就。自动化的发
过程控制系统(1)
第一章过程控制系统概述1.五大参量：温度、压力、流量、物位（液位）、成分2.过程控制系统的组成：控制器，执行器，被控过程和测量变送等组成；除被控对象外都是变送单元。
过程控制系统由两大部分组成:过程仪表和被控对象过程控制系统由三大部分组成:检测变送单元，控制器，被控对象。
系统中的名词术语：1）被控过程：生产过程中被控制的工艺设备或装置（即从被控参数检测点至调节阀之间的管道或设备）。
2）检测变送器：检测量转换为统一标准的电信号。
3）调节器（控制器）：实时地对被控系统施加控制用。
4）执行器：将控制信号进行放大以驱动调节阀。
5）被控参数：被控过程内要求保持稳定的工艺参数。
6）控制参数：使被控参数保持期望值的物料量或能量。
7）设定值：被控参数的预定值。
8）测量值：测量变送器输出的被控参数值。
9）偏差：设定值与测量值之差。
10）扰动作用：作用于被控对象并引起被控变量变化的作用。
11）控制作用：调节器的输出（控制调节阀的开度）。
控制器，执行器和检测变送环节称为过程仪表；过程控制系统由过程仪表和被控过程组成。
3.性能指标：包含了对控制系统的稳定性、准确性和快速性三方面的评价。
稳态误差ess：描述系统稳态特性的唯一指标（静态指标）。
衰减比n：n<1,表示过渡过程为发散振荡;n=1,表示过渡过程为等幅振荡;n>1,表示过渡过程为衰减振荡。
一般为4:1-10:1，4:1为理想指标，也是用来调试的。
前馈，反馈控制特点（1）反馈控制系统：根据系统被控参数与给定值的偏差进行工作；是按照偏差进行调节，达到减小或消除偏差的目的；偏差值是系统调节的依据；可以有多个反馈信号；属于闭环控制系统。
（2）前馈控制系统：根据扰动大小进行控制，扰动是控制的依据；控制及时；属于开环控制系统；实际生产中不采用第二章过程检测仪表控制器输出:1.电动仪表：4-20mA，DC（远距离）；1-5V，DC（短距离）气动仪表：20-100Kpa（100m）直流电流4-20mA，空气压力20-100Kpa为通用标准信号。
过程控制与系统(整理)
S10过程控制系统的基本概念1、过程控制仪表与装置的分类及特点按能源形式分类：可分为电动、气动、液动和机械式；按信号类型分类：模拟式和数字式（数字式调节器、工业控制计算机（IPC）、集散型控制系统DCS、现场总线控制系统FCS）两大类；按结构形式分类：单元组合式控制（变送单元、转换单元、调节单元、运算单元、显示单元、给定单元、执行单元、辅助单元）仪表、基地式控制仪表、集散系统（DCS系统是一种以微型计算机为核心的计算机控制装置。
其基本特点是分散控制、集中管理。
）、现场总线控制系统（FCS系统是基于现场总线技术的一种新型计算机控制装置。
其特点是现场控制和双向数字通讯）2、信号制即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值。
目的：达到通用性和相互兼容性的要求，以便不同系列或不同厂家生产的仪表能够共同使用在同一控制系统中，实现系统的功能3单元组合仪表可分为：变送单元：它能将各种被测参数，如温度，压力，流量，液位等变换成相应的标准统一信号（4-20mA，0-10mA或20-100kPa）传送到接收仪表，以供指示、记录或控制。
执行单元:它按照调节器输出的控制信号或手动操作信号，操作执行元件，改变控制变量的大小。
调节单元:它将测量信号与给定信号进行比较，按偏差控制执行器的动作，使测量值与给定值相等。
(品种有：P、PI、、PD、PID)转换单元:将电压，频率等电信号转换为标准统一信号，或者进行标准统一信号之间的转换。
运算单元:它将几个标准统一信号进行加、减、乘、除、开方、平方等运算，适用于多种参数综合控制、配比控制、流量信号的温度压力水补偿计算等。
显示单元:它对各种被测参数进行指示、记录、报警和积算，供操作人员监视控制系统工况之用。
给定单元:输出标准统一信号，作为被控变量的给定值送到调节单元，实现定值控制。
其输出信号可以供给其它仪表作为参考基准值。
辅助单元:辅助单元是为了满足自动控制系统某些要求而增设的仪表（操作器、阻尼器、限幅器、安全栅等）。
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1 过程控制系统的基本概念
过程控制系统有多种分类方法，每一种 分类方法都是反映了控制系统某一方面的 特点。为了便于分析反馈控制系统的特性， 我们将按设定值的形式不同，分为三种类 型。
定值控制系统 随动控制系统 程序控制系统
1 过程控制系统的基本概念
过程控制系统的方块图及其号联系，常用方块 图来表示，如图１-２所示。
1 过程控制系统的基本概念
若系统的输出信号对控制作用没有影响，则称 作开环控制系统，即系统的输出信号不反馈到 输入端，不形成信号传递的闭合环路，如图１３所示。
1 过程控制系统的基本概念
由于闭环控制系统采用了负反馈，因而使 系统的输出信号受外来扰动和内部参数变化小， 具有一定的抑制扰动提高控制精度的特点。开 环控制系统结构简单容易构成，稳定性不是重 要问题，而对闭环控制系统稳定性始终是一个 重要问题。
1 过程控制系统的基本概念
当锅炉汽包水位控制系统处于平衡状态即 静态时，扰动作用为零，设定值不变，系统中 控制器的输出和控制阀的输出都暂不改变，这 时被控变量汽包水位也就不变。一旦设定值有 了改变或扰动作用于系统，系统平衡被破坏， 被控变量开始偏离设定值，此时控制器、控制 阀将相应动作，改变操纵变量给水量的大小， 使被控变量汽包水位回到设定值，恢复平衡状 态。
过程控制系统的组成及其分类 自动控制是在人工控制的基础上发展起来
的。下面先通过一个示例， 将人工控制与过程 控制进行对比分析，看过程控制系统是由哪些 部分组成的。
1 过程控制系统的基本概念
➢ 通过上述示例的对比 分析知道，一般过程 控制系统是由被控对 象和自动控制装置两 大部分或由被控对象、 测量变送器、控制器、 控制阀四个基本环节 所组成。
这里“过程”是指在生产装置或设备 中进行的物质和能量的相互作用和转换过 程。
表征过程的主要参量有温度、压力、 流量、液位、成分、浓度等。通过对过程 参量的控制，可使生产过程中产品的产量 增加、质量提高和能耗减少。一般的过程 控制系统通常采用反馈控制的形式，这是
1 过程控制系统的基本概念
➢ 1.1过程控制系统的组成及其分类
1 过程控制系统的基本概念
在生产过程中，不仅要了解系统的静态， 更需要了解系统的动态。当过程控制系统在动 态阶段中，被控变量是不断变化的，这一随时 间变化的过程称为过程控制系统的过渡过程或 时间响应。即一个过程控制系统在外作用下从 原有稳定状态过渡到另一个稳定状态的过程， 称为过程控制系统的过渡过程。
（4）过程控制系统为了完成一定任务，必须具备一定的性 能，常用过渡过程（或时间响应）来衡量。对过程控制系 统的基本性能要求可归纳为：稳定、迅速、准确三个方面。
2. （1）弄清楚组成过程控制系统的结构，掌握描述控
制系统的原理图和方块图及其专用术语。 （2）掌握闭环控制系统实现自动控制的基本原理，
尤其是负反馈在过程控制中的作用。学会用负反
1 过程控制系统的基本概念
过程控制系统的输出变量变化是由于有输 入变量（设定或扰动）引起的，所以，输出是 输入的时间响应。时间响应对应着过渡过程， 稳态响应对应着过渡过程的静态，瞬态响应对
1 过程控制系统的基本概念
对过程控制系统的基本要求
（1）稳定性 系统要稳定，控制过程要平稳。所谓稳定，是指
统的过渡过程时间尽可能短。因为在过渡过程 期间系统尚未达到稳定，被控变量还未能达到 最佳控制值，实际值与期望值之间有相当大的 差异，所以提高响应速度，缩短过渡时间，对 提高控制效率和控制过程的精度都是有利的。
1 过程控制系统的基本概念
在阶跃扰动作用下（如图1-4所示），过程 控制系统的过渡过程将出现如图１-6所示的几 种形式：
过程控制技术
第一讲 过程控制系统的基本概念
➢ 中文名称：
过程控制
➢ 英文名称：
process control
➢ 定义：
为达到规定的目标而对影响过程状况的变量所 进行的操纵。
工业中的过程控制是指以温度、压力、流量、 液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控 制。
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。
1 过程控制系统的基本概念
➢ 1.2对过程控制系统的基本要求
在图１-１所示的锅炉汽包水位控制系统中， 当给水量与蒸汽量相等时，汽包水位将保持不 变，系统处于平衡状态。当给水量与蒸汽量不 相等时，汽包水位将上下波动变化，系统处于 不平衡状态。把被控变量不随时间而变化的平 衡状态称为静态或稳态 ；而把被控变量随时间 而变化的不平衡状态称为动态或瞬态。
系统在受到外来作用时，虽然会有一个过渡过程，但 经过一定的时间后，过渡过程会结束，最终恢复到稳
（２） 准确性 系统稳态时要有较高的控制精度。当系统在设定
作用时，被控变量的稳定值与设定值保持较精确的一 致。当系统受到扰动作用时，被控变量的稳定值应基
1 过程控制系统的基本概念
（3）快速性 系统的输出对输入作用的响应要迅速，系
（3）了解开环控制与闭环控制的差别及各自的特点。
（4）弄清楚定值控制系统与随动控制系统的区别，
（5）理解控制系统过渡过程（或时间响应）的概念。
本章小结
1. （1）过程控制系统是由被控对象（被控制的生产过程或机
器设备）和自动控制装置（测量变送器、控制器、控制阀） 组成。方块图能够清楚地表明系统的结构和环节间的信号
（2）过程控制应用负反馈原理，故称反馈控制系统；通过 反馈使信号传递构成闭合环路，所以又称闭环控制系统。
（3）开环控制系统是没有对控制变量进行测量和反馈，当 被控变量因系统受到扰动作用而发生偏离时，系统没有调