过程控制系统 黄德先 绪论
图0.3 集散控制系统
21世纪至今：综合自动化
阶段
三个层次、五个部分 第一层：过程控制层、 第二层：制造执行层、 第三层：主要是资源规划层、它包 括与企业管理和经营相关的所有系 统，与供需链接管理以及客户关系 管理一起构成第三层ຫໍສະໝຸດ 图0.4 综合自动化体系结构图
0.2过程控制的任务与要求
工业生产对过程控制的要求可归纳为：安全性、 经济性和稳定性
误差积分性能指标
(1)误差积分(IE)
IE e(t )dt
0
(2)绝对误差积分(IAE)
IAE e(t ) dt
0
(3)平方误差积分(ISE)
ISE e2 (t )dt
0
(4)时间与绝对误差乘积积分) (ITAE)
ITAE t e(t ) dt
0
0.4本书的结构与教学安排
过程控制是控制理论、工艺知识、计算机技术和
仪器仪表等知识相结合二构成的一门应用科学 过程控制的任务是由控制系统的设计和实现来完 成的。
设计和实现步骤：
确定控制目标 选择测量参数（即被控变量CV） 操作量的选择（即MV）
控制方案的确定
选择控制算法 执行器的选择 设计报警和连锁保护系统 控制系统的调试和投运
控制方法：根轨迹法和频率法
图0.1 单回路控制系统
20世纪60年代后的十年： 现代控制理论
以状态空间分析法为出发点，
内容包括系统辨识、最优控制、 最优估计等三部分。
图0.2 直接数字控制
20世纪70年代后的二十余年：
大系统理论和智能控制理论、
第一个特点：控制计算机商品化， 工业生产自动化进入计算机时代。 第二个特点：控制理论与其他学 科相互交叉，相互渗透，向着纵深 方向发展。
过程控制系统
韩莉娜 83C104
绪论
0.1生产过程自动化的发展概况和趋势
生产过程自动化的程度已成为衡量工业企业 现代化水平的一个重要标志 自动化技术的发展史与生产过程本身的发展 有着密切的联系
自动化在工业生产中的四个发展阶段
20世纪50年代之前：经典控制理论
理论基础：基于传递函数的数学描述
0.3控制系统的组成、分类与性能指标
控制系统的分类：运动控制和过程控制 控制系统的性能指标：稳态性能和动态性能 1.单项控制性能指标 2. 误差积分性能指标
单项控制性能指标
评价控制系统性能指标的要求：
稳定性、准确性和快速性 （1）衰减比和衰减率 衡量一个振荡过程衰减程度的指标。 衰减比： n y1 y3
衰减率： ( y1 y3 ) y1
图0.8 闭环控制系统在设 定值阶跃扰动下的响应
（2）最大动态偏差和超调量 最大动态偏差 y 是指设定值发生阶跃变化下，过渡过程 在t>0后第一个波峰超过其新稳态值的幅度。 最大动态偏差占被控变量稳态变化幅度的百分数称为超
p
调量。
（3）残余偏差 过渡过程结束后，被控变量新的稳态值 y 与设定值 y1 之 间的偏差，是控制系统稳态准确性的衡量指标。 （4）调节时间和振荡频率
1-01 过程控制技术与系统PPT课件
衡量控制系统的品质指标: • 1）单项指标：稳定性、准确性、快速性 • 2）综合指标：适当组合单项指标
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过程控制 第一章
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§1.3.2 以过渡过程形式表征的性能指标
1．稳定性 2 ．准确性 3 ．快速性
（1）开环控制系统（前馈控制系统）
控制设备和控制对象在信号关系上没有形成闭合回路。
特点； 优点： 缺点：
是按扰动进行控制。 结构简单，速度快 精度差，只能克服单一扰动。
（2）闭环控制系统（反馈控制系统）
被控量信号反馈到控制设备的输入端，成为控制设备生产控制作用的依据
特点； 基于偏差，消除偏差 优点： 可以克服各种扰动对被控量的影响 缺点： 控制作用落后于干扰，速度慢 （3）复合控制系统
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过程控制 第一章
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（3）顺序控制
顺序控制一般可分为: 时间定序式
过程定序式
时间定序式: 指按预定的时间顺序而触发控制作 按照用生产的过发程生工（艺如要启求预动先／拟停定止的、顺闭序，合有／计断划开、等有）步骤；、
自动地对生产过程进行一系列的操作
主要过用于程主定机序或式辅:机依的自据动生启产停过程程序进控制行，的以状及态辅决助定系统下的一 程序序控步控制制、控。定制如期作汽排用机污是的和否自定动期发启吹生停灰。程的序程控序制控、制磨等煤 。机自动启停程
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（4）自动保护：
在发生故障时，自动采取保护措施，使故障及时消 除或保护设备不受严重破坏。
要求： 为确保设备的安全
发生故障时能自动地完成必要的操作，使故障及 时消除（防患于未然）
第1章 过程控制系统概述ppt课件
三、过程控制系统的分类
１. 按结构特点分类 (１) 反馈控制系统 (２) 前馈控制系统
(３) 前馈—反馈控制系统（复合控制系统）
２. 按给定信号的特点分类 (１) 定值控制系统
(２) 程序控制系统 (３) 随动控制系统
(１) 方框图中每一个方框表示一个具体的实物。 (２) 方框之间带箭头的线段表示它们之间的信号联系，与 工艺设备间物料的流向无关。 (３) 比较点不是一个独立的元件，而色色 ２. 控制过程多属缓慢过程和参量控制形式 ３. 控制方案多种多样 ４. 定值控制是过程控制的一种主要控制形式
要求学生能应用控制理论和工程处理方法，掌握 过程控制系统控制方案的分析、设计和工程实施能 力。
§１—２ 过程控制系统的组成、特征及分类
一、过程控制系统的组成
１. 常用术语（见表１—２—１）
２. 方框图
方框图是控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的 图解表示，是控制系统进行理论分析、设计中常用到的一种形 式。每一个方框表示系统中的一个组成部分（也称为环节）， 方框内填入表示其自身特性的数学表达式或文字说明。
学习目标
１. 了解过程控制的发展历程和发展方向。 ２. 了解本课程的地位和性质。 ３. 掌握过程控制的定义，弄清过程控制的目的。 ４. 掌握过程控制系统的组成和特点。 ５. 掌握过程控制系统的分类以及相互之间的区别。
§1—1 绪论
一、过程控制概述
1．定义 过程控制系统是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。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、成分和浓度等。过程控制系统的任务就是通 过对过程参量的控制，使生产过程中产品的产量增加、质 量提高、能耗减少，实现工业生产过程自动化。
《过程控制系统》课程介绍与教学大纲
《过程控制系统》课程简介课程编号：06024012课程名称：过程控制系统/ Process Control System学分：2.5学时：40 （课内实验：4 上机：课外实践：）适用专业：自动化专业建议修读学期：7开课单位：测控技术与仪器系先修课程：《自动控制原理》《自动检测技术》等考核方式与成绩评定标准：考试，成绩=期末成绩（70%） +平时成绩（30%）教材与主要参考书目：《过程控制系统》（第二版）方康玲主编武汉理工大学出版社2007.2《过程控制工程》，蒋慰孙、俞金寿编著，中国石化出版社，1999《过程控制系统及工程》，翁维勤、周庆海编，化学工业出版社，1996《过程控制工程》，孙洪程等编，高等教育出版社，2006《工业生产过程控制》，何衍庆等编，化学工业出版社，2004内容概述：中文：过程控制和运动控制是自动控制技术的两个重要分支。
本课程主要介绍了过程控制的基本概念、组成以及简单过程控制、复杂过程控制系统的基本原理、系统设计技术以及应用技术等。
在介绍每一种控制策略的同时，都给出了其在不同实际场合下的具体应用实例。
英文：Process control and motion control are the two important branch of automation control technology. This course mainly introduce the basic concept of process control, constitution and the basic principle, system design technology, and application technology of process control. At the same time, concrete examples are given to introduce the different control strategy applied in practice.《过程控制系统》教学大纲课程编号：06024012课程名称：过程控制系统/ Process Control System学分：2.5学时：40 (课内实验：4 上机：课外实践： )适用专业：自动化专业建议修读学期：7一、课程性质、目的与任务本课程是自动化专业必修课。
过程控制技术教学大纲 2020-02
《过程控制技术》课程教学大纲撰写人：李杰审核人：编写日期：2020年2月一、课程基本信息课程编号：17021141课程类别：专业课课程性质：必修课学时/学分： 48/3实验课时：8先修课程：《自动控制原理》、《传感器与自动检测技术》适用专业：电气工程及其自动化二、课程简介、目标及学生应达到的能力课程简介：本课程是电气工程及其自动化专业重要的专业课程，实用性很强。
包括“控制系统”、“过程控制仪表”等内容。
课程目标：本课程的教学目标和任务是使学生掌握连续工业过程控制的过程建模、简单和复杂控制策略等基础知识和基本理论、PID参数整定的常用方法。
了解学科前沿，注重理论联系实际，从应用的角度，理解过程控制问题的本质，并与实际工程应用相结合，掌握分析和设计过程控制系统的方法，培养学生实践动手能力和自动化仪表的应用能力，提高学生在过程控制应用软件方面的编程技能。
通过本课程的教学，应使学生达到下列要求：1.了解控制系统的有关概念；掌握控制系统的常用分析方法；2.掌握简单控制系统的有关分析、设计等内容；掌握高性能过程控制系统的原理、设计等内容；3.熟悉有特殊工艺要求的过程控制；掌握过程控制仪表的“检测元件及变送器”、“调节器”和“执行器”这三部分中的每一部分的种类、组成及其原理等内容。
课程目标与毕业要求的对应关系：三、课程教学内容与学时分配（一）绪论（2课时）主要内容：过程控制发展概况；过程控制的特点；过程控制系统的组成及其分类；本课程的教与学的方法，即学习本课程的方法与技巧。
1. 基本要求（1）掌握过程控制系统发展概况、组成、分类和特点。
（2）了解过程控制发展经历的几个阶段的特点、理论基础、主要仪表和系统的基本结构。
（3）了解过程控制的特点。
（4）了解过程控制系统的组成及其分类。
（5）了解“过程控制工程”课程的性质和任务。
2. 学时分配课堂教学2学时，其中，过程控制发展概况、过程控制的特点、过程控制系统的组成及其分类（100分钟）；对过程控制技术的基本要求（10分钟）；过程控制技术的教学方法（10分钟）。
自动化仪表及过程控制第一章绪论(doc 8页)
自动化仪表及过程控制第一章绪论(doc 8页)第一章绪论⏹本章提要1.过程控制系统的基本概念2.过程控制的发展概况3.过程控制系统的组成4.过程控制的特点及分类5.衡量过程控制系统的质量指标⏹授课内容第一节过程控制的发展概况1.基本概念✧过程控制系统-----指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及PH值(氢离子浓度)等这样一些过程变量时的系统。
(P3)✧过程控制-----指工业部门生产过程的自动化。
(P3)2.过程控制的重要性●进入90年代以来自动化技术发展很快，是重要的高科技技术。
过程控制是自动化技术的重要组成部分。
在现代工业生产过程自动化电过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提●●现车间或大型装置的集中控制。
主要特点：检测和控制仪表-----采用单元组合仪表(气动、电动)和组装仪表，计算机控制系统的应用，实现直接数字控制(DDC)和设定值控制(SPC)；过程控制系统结构------多变量系统，各种复杂控制系统，如串级、比值、均匀控制、前馈、选择性控制系统；控制目的------提高控制质量或实现特殊要求；理论-----除经典控制理论，现代控制理论开始应用。
✧前馈控制-----按扰动来控制，在扰动可测的情况下，可以地提高控制质量。
✧选择性控制-----在生产过程遇到不正常工况或被控量达到安全极限事，自动实现的保护性控制。
●19世纪70年代以来(全盘自动化阶段)：发展到现代过程控制的新阶段，这是过程控制发展的第三个阶段。
主要特点：检测和控制仪表-----新型仪表、智能化仪表、微型计算机；过程控制系统结构-------由单多变量系统，由PID控制规律特殊控制规律，由定值控制最优控制、自适应控制，由仪表控制系统智能化计算机分布式控制系统；理论-----现代控制理论过程控制领域，如状态空间分析，系统辨识与状态估计，最优滤波与预报。
3.集散控制系统(DCS)✧集散控制系统-----是集计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术为一体的装置。
过程控制系统第一章
h q 2 .......... .......... .(2 7) R2
其中，R2为阀门2的阻力，称为液阻或流阻。
3、建立数学模型 由式(2-6)和式(2-7)，有
q 1 h dh A R2 dt
H( s ) Q(s ) As H(s )........( ) R2
3、程序控制系统
其给定值按预定的时间程序来变化。如机械工业
中的退火炉的温度控制系统，其给定值是按升温、
保温、 等。 逐次降温等程序变化的。家用电器中应用定 值控制系统的也很多，如电脑控制的洗衣机、电饭煲
控制系统的性能指标
1、衰减比
B1 见图 B2 一般认为， :1=4:1时稳定性好，但温度等慢变化 过程约取10:1为好，应根据实际情况灵活处理。
(二)、具有纯滞后单容过程的数学模型
1、纯滞后的概念 纯滞后是普遍存在的，如下页图所示。
2、数学模型
dh T0 h K 0 q 1 ( t 0 ) dt (2 9) K 0 0s H (s ) W0 (s) e Q 1 (s) T0 s 1
微型计算机控制生产过程，按不同的控制目的， 可分为两类：一是数据检测处理，二是形成微机控 制系统。
微机控制在提高产品质量、保证安全运行、减 少原料和能量消耗、控制和减少环境污染、提高企 业的管理水平方面正在并将发挥越来越重要的作用。
过程控制系统的组成
一、系统组成
以液体储槽的水位控制为例进行说明。 1、控制原理(如下图) 液位变送器 液位控制器 执行器
图2-8
而在无自衡过程(图2-8)下，因q2=0，故
d h C q 1 dt
2、传递函数
过程控制系统智慧树知到课后章节答案2023年下青岛理工大学
过程控制系统智慧树知到课后章节答案2023年下青岛理工大学青岛理工大学第一章测试1.前馈控制是过程工业中最常用的控制策略，简单实用且应用广泛。
（）答案:错2.工业生产对过程控制的三项基本要求为：安全性.经济性和稳定性。
（）答案:对3.调节时间是反映控制系统快速性的一个指标。
（）答案:对4.余差是系统的最终稳态偏差，即过渡过程终了时新稳态值与设定值之差。
（）答案:对5.过程控制系统由被控对象.测量变送器.控制器和调节器组成。
（）答案:错第二章测试1.建立动态数学模型的基本方法有机理分析法和经验建模法。
（）答案:对2.为了简化控制系统的分析和设计，常把执行机构.控制器和测量变送环节结合起来考虑，看作是一个广义对象。
（）答案:错3.控制阀的气关形式就是（）答案:信号增大，开度减小;无信号，阀开4.DDZ-III型仪表的标准信号范围为0~10mADC。
（）答案:错5.测量变送环节的滞后，包括T和τ都会引起测量动态误差。
（）答案:对第三章测试1.纯比例控制器有一个缺点就是当设定值改变后总是存在一定的余差。
（）答案:对2.微分作用常用来抵消比例作用带来的不稳定趋势。
（）答案:错3.对于被控变量是温度的系统，控制器一般选用PID特性。
（）答案:对4.调节器参数的工程整定方法有（）答案:衰减振荡法;临界比例度法;反应曲线法5.比例作用是依据偏差大小动作的。
（）答案:对第四章测试1.串级控制系统主回路是随动控制系统。
（）答案:错2.串级控制系统参数整定步骤应为先副环后主环。
（）答案:对3.在串级控制系统中，主控制器设定值的类型分别为外给定。
（）答案:错4.串级控制系统主.副对象的时间常数之比，T01/T02＝3～10为好，主.副回路恰能发挥其优越性，确保系统高质量的运行。
（）答案:对5.串级控制系统主控制器的输出直接对调节阀动作。
（）答案:错第五章测试1.前馈控制的理论基础是不变性原理。
（）答案:对2.前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制及时。
清华黄德先过控作业答案
3 0.542cm 310
Gc ( s )Gv ( s )G p ( s ) Y (s) Qv ( s ) 1 Gc ( s )Gv ( s )Gm ( s )G p ( s )
K c K vG p ( s)
1 K c K v K mG p ( s )
Kv R
………………………………(2.4.2)
h e() y () Qd k 56
0.7 0.5 /1 1.7 0.294cm 0.5
比较（2）（3）结果可知 增大将导致系统的残差变大 （4）液位调节器若改用 PI 调节器，由于引入了积分作用，因此 h 残差为 0。 2.5(这题涉及到仪表量程问题,如果在考试中相信一定会给出,如果没给一定要问 老师或者自己写明所用量程) 解：系统框图类似 2.4 Kc＝1/ ＝5 Kv=10%/mA Km＝（20－4）/2＝8mA/MPa
G p ( s) 1 K c K v K mG p ( s ) R FRs 1 Kv Km R
…………………………(2.4.1)
0.03
28 1 0.03 1000 0.03s 1 40% 代入数据
0.03 30 s 3.1
对 Qd ＝56cm cm 3 / s h e() y () Qd k 56 给定通道传递函数
1.6(此题值得注意,先弄清楚题目要求的对象是什么,然后要注意其中”近似”的技巧) 解： 物料平衡：
Vdp ( p1Q1 pQ2 )dt (Q1 Q2 )dt / MRT
气体阻尼：
Q1 R1 p1 p
整理得到：
MV dp p p1 Q2 RT dt R1 R1
过程系统控制第00章-绪论
2024年7月19日星期五
Process System Engineering Principle
返 回12
课程教学内容及要求
教学内容
第一章 流体流动
第二章 流体输送设备
第三章 传 热
第四章 传热设备
第五章 吸 收
第六章 蒸 馏
第七章 气液传质设备
第八章 其它传递过程
2024年7月19日星期五
Process System Engineering Principle
显然，化工生产过程的核心是化学反应过程及其设备——反应器。 其次是原料和产品的前处理、后处理过程（一般是物理过程）。
2024年7月19日星期五
Process System Engineering Principle
6
过程系统概念
工业生产过程的要求 工业生产过程的基本要求： （1）安全生产。 （2）单位产品的原材料和能源消耗尽量少。 （3）副产品，特别是废物最好不要产生，防止对环境的污染。 （4）生产设备的利用率要高。 如何做到这一点？ 工程上是通过工业过程控制系统来操作和控制实际的工业生产过程。
式中：∑Qi—随物料进入系统的总热量，kJ或kW； ∑Qo—随物料离开系统的总热量，kJ或kW； QL—向系统周围散失的热量，kJ或kW。
2024年7月19日星期五
Process System Engineering Principle
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课程教学内容及要求
教学要求
1、教学观点与重心： 方法为主，知识为辅。 古人云：“授人以鱼，不如授人以渔”，说的是传授给人既有的知 识，不如传授给人学习知识的方法。道理其实很简单，鱼是目的，钓鱼 是手段，一条鱼能解一时之饥，却不能解长久之饥，如果想永远有鱼吃， 那就要学会钓鱼的方法。 联合国教科文组织曾谈到：今后的文盲将不再是不识字的人，而是 不会自学和学了知识不会应用的人。 进一步说明，“授人以鱼，不如授人以渔；授人以渔，不如授人以 欲。” 教育的最高的境界应当是超越方法论，应当是‚授人以欲。激发 学生上进的欲望，让学生通过学习树立起自己的人生目标。
过程控制第一章绪论
过程控制系统
12
1.1 过程控制技术的发展、现状与趋势
（4）智能控制 随着科学技术的发展，对工业过程不仅要求控制的精确性，更加 注重控制的鲁棒性、实时性、容错性以及对控制参数的自适应和自学 习能力。另外，被控工业过程日趋复杂，过程严重的非线性和不确定 性，使许多系统无法用数学模型精确描述。没有精确的数学模型作前 提，传统控制系统的性能将大打折扣。而智能控制器的设计却不依赖 过程的数学模型，因而对于复杂的工业过程往往可以取得很好的控制 效果。 常见的智能控制方法有以下几种：模糊控制、分级递阶智能控制、 专家控制、人工神经元网络控制、拟人智能控制等。这些智能控制方 法各有千秋，但又存在不足。同时，研究表明将它们相互交叉结合或 与传统的控制方法结合将会产生更佳的效果。智能控制已在家电行业 及工业过程中取得了许多成功的应用，特别是模糊控制方法已在家电 行业中广泛应用。
过程控制系统
11
1.1 过程控制技术的发展、现状与趋势
（3）自适应控制 在过程工业中，不少的过程是时变的，如采用参数与结构固定不 变的控制器，则控制系统的性能会不断恶化，这时就需要采用自适应 控制系统来适应时变的过程。它是辨识与控制的结合。目前，比较成 熟的自适应控制分三类：自整定调节器及其他简单自适应控制器、模 型参考自适应控制和自校正调节与控制。 自适应控制已在工程实践中得到了不少的应用，但它至今仍然有 许多待进一步解决的问题（特别在参数估计方面），这些问题不解决， 自适应控制的广泛应用仍将遇到许多困难。因此，仍有大量工作要做。 此外，更高一级的自组织与自学习控制也在不断研究中。
过程控制系统
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1.1 过程控制技术的发展、现状与趋势
（3）基于人工神经元网络 （4）基于模式识别 （5）基于模糊模型 有许多因素影响软测量性能，如辅助变量及数目的选择，检测点 位置的选择，数据的处理与变换，软测量的在线校正等。要想真正地、 可靠地将软测量用于工业过程，上述因素均需仔细地加以考虑并采取 相应的有效措施，特别是对于工业现场存在许多干扰的情况下更需付 出巨大的努力。