过程控制与自动化仪表.
过程控制与自动化仪表课程设计
过程控制与自动化仪表课程设计前言过程控制与自动化仪表课程是工程领域中非常重要的基础课程之一，它涉及到工程研发、生产运营以及企业管理等多个方面。
本文将介绍一种基于实践的课程设计方法，旨在让学生深入掌握过程控制与自动化仪表的基础知识。
设计目标•确定学生对过程控制与自动化仪表的基本概念和技术掌握程度。
•培养学生的设计和实验能力，让他们能够运用所学知识分别设计并完成过程控制实验和自动化仪表实验。
•提高学生的团队合作和沟通能力，通过设计项目的过程，激发学生的创新潜力。
设计内容过程控制实验设计实验一：温度控制系统设计在该实验中，学生需要设计一个基于PID控制算法的温度控制系统。
通过调整控制器的参数，让温度快速稳定在设定值附近，并且能够在温度变化时快速响应和自适应调整。
实验二：流量控制系统设计在该实验中，学生需要设计一个基于比例控制算法的流量控制系统。
通过调整控制器的参数，让流量在设定值附近稳定，并且能够在流量变化时快速响应和自适应调整。
自动化仪表实验设计实验三：温度传感器的实现在该实验中，学生需要实现一个基于热电偶的温度传感器。
通过校准测试，让学生了解测量误差来源和校准方法。
实验四：流量计的实现在该实验中，学生需要实现一个流量计，通过实验测试让学生了解其特性和测量误差来源。
设计方法阶段一：学习基础概念和技术在本阶段，学生需要学习过程控制和自动化仪表的基础概念和技术，包括控制系统、PID控制器、量程、精度等方面的知识。
阶段二：组建设计小组在本阶段，每个小组需要选择一个相对复杂的课程设计内容，进行深入的研究和讨论，拟定初步设计方案。
阶段三：设计与实现在本阶段，学生需要分成小组，负责具体的实验设计与实现。
在设计的过程中，需要充分考虑过程控制和自动化仪表的基本原理和设计要求。
在实现的过程中，需要用到软件工具和实验平台。
阶段四：实验测试与评价在本阶段，学生需要对实验设计进行测试，并记录数据处理结果。
测试过程中需要考虑实验中的各种随机与不确定因素。
过程控制及自动化仪表总结
练习题
一台具有比例积分控制规律的DDZ-III型控制器， 其比例度δ为200%时，稳态输出为5mA。在某瞬 间，输入突然变化了0.5 mA，经过30s后，输出由 5mA变为6mA，试问该控制器的积分时间TI为多 少？
比例积分控制器，列写出PI控制算式。KP =1， TI=2分钟，当输入是幅值为A的阶跃信号时，2分 钟后输出的变化量是多少？
练习题
什么是仪表的测量范围及上、下限和量程？彼此 有什么关系？
练习题
什么是仪表的测量范围及上、下限和量程？彼此 有什么关系？ 用于测量的仪表都有测量范围，测量范围的最 大值和最小值分别称为测量上限和测量下限， 量程是测量上限值和测量下限值的差，用于表 示测量范围的大小。 已知上、下限可以确定量程，但只给出量程则 无法确定仪表的上、下限以及测量范围。
4、简单控制系统
n 了解简单控制系统的结构、组成及作用 n 掌握简单控制系统中被控变量、操纵变量选择的一般 原则 n 了解各种基本控制规律的特点及应用场合 n 掌握控制器正、反作用确定的方法 n 掌握控制器参数工程整定的方法
主要内容
★分析给定的系统 ★制定控制方案 被控对象、被控变量、操纵变量、执行器、控制器 ★画出控制系统的方框图 ★选择执行器的气开、气关 ★选择控制器的控制规律
差压式液位计的工作原理是什么？当测量密闭 有压容器的液位时，差压计的负压室为什么一定 要与气相相连接？
练习题
差压计三阀组的安装示意图如图所示， 它包括两个切断阀和一个平衡阀。 安装三阀组的主 要目的是为了在开 停表时，防止差压计单向受到很大的 静压力，使仪表产生附加误差，甚至 损坏。为此，必须正确地使用三阀组。 具体步骤是：
★选择控制器的正作用、反作用
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
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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
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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
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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。
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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。
《过程控制与自动化仪表》习题答案
第1章（P15）1、基本练习题（1）简述过程控制的特点。
Q：1）系统由被控过程与系列化生产的自动化仪表组成；2）被控过程复杂多样，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；5）定值控制是过程控制的主要形式。
（2）什么是过程控制系统？试用框图表示其一般组成。
Q：1）过程控制是生产过程自动化的简称。
它泛指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等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，是自动化技术的重要组成部分。
过程控制通常是对生产过程中的温度、压力、流量、液位、成分和物性等工艺参数进行控制，使其保持为定值或按一定规律变化，以确保产品质量和生产安全，并使生产过程按最优化目标自动进行。
2）组成框图：（3）)单元组合式仪表的统一信号是如何规定的？Q：各个单元模块之间用统一的标准信号进行联络。
1）模拟仪表的信号：气动0.02~0.1MPa、电动Ⅲ型：4~20mADC或1~5V DC。
2）数字式仪表的信号：无统一标准。
（4）试将图1-2加热炉控制系统流程图用框图表示。
Q：是串级控制系统。
方块图：（5）过程控制系统的单项性能指标有哪些？各自是如何定义的？Q：1）最大偏差、超调量、衰减比、余差、调节时间、峰值时间、振荡周期和频率。
2）略（8）通常过程控制系统可分为哪几种类型？试举例说明。
Q：1）按结构不同，分为反馈控制系统、前馈控制系统、前馈-反馈复合控制系统；按设定值不同，分为定值控制系统、随动控制系统、顺序控制系统。
2）略（10）只要是防爆仪表就可以用于有爆炸危险的场所吗？为什么？Q：1）不是这样。
2）比如对安全火花型防爆仪表，还有安全等级方面的考虑等。
（11）构成安全火花型防爆系统的仪表都是安全火花型的吗？为什么？Q：1）是。
2）这是构成安全火花型防爆系统的一个条件。
2、综合练习题（1）简述图1-11所示系统的工作原理，画出控制系统的框图并写明每一框图的输入/输出变量名称和所用仪表的名称。
自动化仪表与过程控制考试总结-1
前言+第一章1、自动化仪表：是实现工业生产过程自动化的重要工具，它被广泛地应用于石油、化工等各工业部门。
在自动控制系统中，自动化仪表将被控变量转换成电信号或气压信号后，除了送至显示仪表进行指示和记录外，还需送到控制仪表进行自动控制，从而实现生产过程的自动化，使被控变量达到预期的要求。
2、过程控制仪表包括：检测仪表、调节仪表（也叫控制器）、执行器，以及可编程调节器等各种新型控制仪表及装置。
3、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。
4、标准信号制度：国际电工委员会规定：过程控制系统的模拟标准信号为直流电流4-20mA，直流电压1-5V。
我国DDZ型仪表采用的标准信号：DDZ-Ⅰ型和DDZ-Ⅱ型仪表：0-10mA。
DDZ-Ⅲ型仪表：4-20mA。
5、我国的DDZ型仪表采用的是直流电流信号作为标准信号。
6、采用电流信号的优点：电流不受传输线及负载电阻变化的影响，适于远距离传输。
动单元组合仪表很多是采用力平衡原理构成，使用电流信号可直接与磁场作用产生正比于信号的机械力。
对于要求电压输入的受信仪表和元件，只要在回路中串联电阻便可得到电压信号。
7、采用直流信号的优点：a.直流信号传输过程中易于和交流感应干扰相区别，且不存在移相问题；b.直流信号不受传输线中电感、电容和负载性质的限制。
8、热电偶是以热电效应为原理的测温元件，能将温度信号转换成电势信号（mV）。
特点：结构简单、测温准确可靠、信号便于远传。
一般用于测量500～1600℃之间的温度。
9、热电偶的测温原理：将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，若两个连接点温度不同，回路中会产生电势。
此电势称为热电势，并产生电流。
10、对于确定的热电偶，热电势只与热端和冷端温度有关。
11、热电偶的基本定律:均质导体定律、中间导体定律、中间温度定律。
12、热电阻：对于500℃以下的中、低温，热电偶输出的热电势很小，容易受到干扰而测不准。
过程控制与自动化仪表教学设计
过程控制与自动化仪表教学设计背景介绍过程控制与自动化仪表主要用于工业领域中的自动化生产控制过程中，通过仪表测量和控制来实现生产自动化管理。
因此该领域的人才非常稀缺，且在目前的技术变革中，亟需培养更多实践操作的专业人才。
据此，我们开始进行过程控制与自动化仪表课程设计。
教学目标•理解过程控制的基本概念和原理；•掌握自动化仪表的结构和原理；•学习使用自动化仪表的技术方法和步骤；•培养学生自我学习和实践操作的能力。
课程内容•过程控制基础知识介绍：包括过程控制定义、分类、控制对象、控制系统、反馈控制等基础知识；•仪表基础知识介绍：包括仪表的分类、特点、结构、使用说明以及校验方法等基础知识；•传感器与执行机构：包括传感器原理、类型、特点以及执行机构原理、构造和使用等；•仪表信号处理技术：涵盖传感器输出信号处理、信号调理与放大、数字化技术原理以及信号调制和变换等；•自动化控制：详细介绍闭环控制、开环控制、PID控制、自适应控制等方法和工业控制的核心技术。
教学方式本课程采取“理论学习+实验操作”相结合的教学方式，前期讲授理论知识，后期进行实验操作。
特别是在实验操作中，通过让学生使用仪器设备进行实际工作，提高学生的实践操作能力、分析问题的能力和创新思维。
课程评估方式•实验报告，记录实验操作过程中发现的问题和解决方案；•课堂小测验，测试学生对理论知识的掌握程度；•过程考核，考核学生对自动化仪表的掌握程度；•期末成绩，由理论考试和实验操作综合评估得出。
总结过程控制与自动化仪表已经成为现代工业生产的重要组成部分，通过本课程培养出高素质、应用型人才至关重要。
因此我们将不断完善课程内容和教学方法，全面提升学生成为实践操作的掌握者和优秀的自动化生产专业人才。
《过程控制与自动化仪表(第2版)》课后答案
V / cm3
P / ( Pa / cm2 )
54.3 61.2
61.8 49.5
72.4 37.6
88.7 28.4
118.6 19.2
194.0 10.1
试用最小二乘一次完成算法确定参数 α 和 β 。要求： （1） 写出系统得最小二乘格式。 P / ( Pa / cm 2 ) （2） 编写一次完成算法得 MATLAB 程序并仿真。 解： （1） 因为 PV
（2）该过程的框图如下：
−
−
Q1 (s )
−
1 C1S
H 1 (s )
1 R12
Q12 (s )
−
1 C2S
H 2 (s )
Q2 (s )
1 R2
Q3 (s )
1 R3
（3）过程传函： 在（1）中消去中间变量 ∆q2 、 ∆q3 、 ∆q12 有：
∆h1 ∆h1 ∆h2 d∆h1 ⎧ ⎪ ∆q1 − R − R + R = C1 dt (1) ⎪ 2 12 12 ⎨ ⎪ ∆h1 − ∆h2 − ∆h2 = C d∆h2 (2) 2 ⎪ R3 dt ⎩ R12 R12
H (s )
Q1 (s )
。
R1 q1 h
R2
q2
R3
q3
解：假设容器 1 和 2 中的高度分别为 h1 、 h2 ， 根据动态平衡关系，可得如下方程组：
d ∆h1 ⎧ (1) ⎪∆q1 − ∆q2 = C dt ⎪ ⎪∆q − ∆q = C d ∆h2 ( 2 ) 3 ⎪ 2 dt ⎪ ∆h ⎪ ( 3) ⎨∆q2 = R2 ⎪ ⎪ ∆h (4) ⎪∆q3 = 2 R3 ⎪ ⎪∆h = ∆h − ∆h (5) 1 2 ⎪ ⎩
过程控制与自动化仪表
过程控制与自动化仪表1. 引言过程控制与自动化仪表是现代工业生产中不可缺少的一部分，它们在监测、控制和优化工业过程中起着重要的作用。
过程控制与自动化仪表技术的应用可以提高工业生产的效率、质量和安全性，减少人力资源的消耗，实现工业自动化。
本文将介绍过程控制与自动化仪表的基本概念、发展历程以及在工业生产中的应用。
同时还会讨论一些常见的过程控制与自动化仪表的类型和工作原理，以及它们在不同行业中的具体应用案例。
2. 过程控制与自动化仪表基本概念过程控制与自动化仪表是指一系列用于监测、控制和调节工业过程的设备和系统。
它们可以通过测量和分析过程变量，控制工艺参数并实现自动化控制。
通过使用合适的传感器、执行器和控制算法，可以实现对工业过程的精密控制和优化。
过程控制与自动化仪表主要由以下几个组成部分构成：•传感器：用于测量各种物理量，如温度、压力、流量等；•控制器：根据传感器测量值和设定值进行逻辑运算，生成控制信号；•执行器：接收控制信号，并执行相应的动作，如开关、阀门等；•监控系统：用于监视和记录工业过程中的各种参数和状态；•人机界面：提供工业过程的可视化显示和人机交互界面。
3. 过程控制与自动化仪表的发展历程过程控制与自动化仪表的发展可以追溯到工业革命时期。
在工业革命之前，工业生产主要依靠人工操作，效率低下且易出错。
随着机械设备和工业化的发展，工业生产越来越复杂，对自动化控制的需求也越来越迫切。
20世纪初，工程师们开始研究和开发过程控制与自动化仪表技术。
最早的控制系统是基于机械和电气设备的。
随着电子技术的发展，电子仪表逐渐取代了机械仪表，实现了对工业过程更加精确的控制。
到了20世纪中叶，随着计算机技术的进一步发展，数字化控制系统开始应用于工业生产。
数字化控制系统通过采集和处理大量数据，实现了对工业过程的智能化控制，并提高了系统的可靠性和稳定性。
近年来，随着互联网和物联网技术的快速发展，过程控制与自动化仪表也越来越趋向于网络化和智能化。
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考核方式
1.课堂测验 20% 2.实验报告 10% 3.期末考试 70% 1.成绩高斯分布 2.平均值70分上下 3.不及格率10%左右
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回顾
控制方向分为运动控制与过程控制
过程控制的被控量：压力、液位、流量、温度、PH值
等过程变量
过程控制仪表：调节器（控制器）、执行器、安全栅等 仪表 被控过程复杂性：基于系统辨识的控制策略
过程控制与自动化仪表ห้องสมุดไป่ตู้
8
(中国)特点6 相关企业污染严重
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特点7：工业4.0
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SIMATIC PCS 7
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王宇雷，男，1985年生，吉林大学，通信工程学院控制理论与控制工程 系讲师。2004/09-2008/06，南开大学学士；2008/09-2013/10，哈尔滨工 业大学，航天学院控制科学与工程专业，博士。2010年至2012年在德国 杜伊斯堡埃森大学AKS研究中心联合培养。自2013年起，在吉林大学从 事汽车仿真与控制等的教学和科研工作。先后发表学术论文20篇，其中 SCI收录5篇，EI收录14篇，核心收录2篇。 过程控制与自动化仪表 上课时间： 周二第5、6节{第1-10周} 周四第5、6节{第1-10周} 上课地点： 南岭一教 301 实验课 {第11-14周}
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第一章 自动化概论
第一节 自动控制的基本概念
所谓自动控制,就是在没有人直接参与的情况下, 利用外加的设备或装臵 (控制装臵) ,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) 自动地按照预定的规律运行。 现代科学技术的众多领域中,自动控制技术起着越 来越重要的作用.如数控车床按预定程序自动切削, 人造卫星准确进入预定轨道并回收,雷达自动跟踪 空中的飞行体等,所有这些都离不开自动控制技术。
第三阶段：上世纪70年代末至今。向“大系统理论” 和“智能控制”方向发展，随机森林、深度学习和增 强学习等智能方法与控制相结合。
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第二节 自动控制系统的基本组成及方块图
人工操作与自动控制比较图（液位控制）
图1-2 液位自动控制系统图
控制速度和精度不能满足大型 现代化生产的需要 图1-1 人工操作图 过程控制与自动化仪表
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自动控制系统的组成
测量元件与变送器 自动化装置 组 成 被控对象 自动控制器 执行器
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液位自动控制的方块图
在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一 般都用方块图来表示控制系统的组成。 下图为液位自动控制系统的方块图，每个环节表示组成 系统的一个部分，称为“环节”。
具体时间另行通知
我在日内瓦车展
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参考书
参考书 1.自动检测技术与装置. 张宏建等. 化学工业出版社. 2004.7 2.自动化仪表与过程控制. 施仁等. 电子工业出版社. 2009.2 3.自动检测技术及仪表控制系统. 张毅等. 化学工业出 版社. 2005.3 4.过程控制与自动化仪表.潘永湘等.机械工业出版社. 2008.5
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特点3 控制方案丰富多彩，控制要求越来越高
单输入/单输出系统 多输入/多输出系统 自适应控制 预测控制 非线性控制 分布参数控制
… 连续搅拌釜模型
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特点4 控制过程大多属于慢变过程与参量控制
温度
大惯性
大时延（滞后）
压力 流量 物位
…
特点5 定值控制是过程控制的主要形式
数字信号
出料流量
液位高度
数字信号
图1-3 液位自动控制系统方块图
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图1-4 蒸汽加热器温度控制系统流程图
画系统控制方块图
图1-5 加热炉过程控制系统流程图
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注意！方块图中的每一个方块都 代表一个具体的装置。
方块与方块之间的连接线，只是代表方块之间的信号联系， 并不代表方块之间的物料联系。方块之间连接线的箭头也 只是代表信号作用的方向，与工艺流程图上的物料线是不 同的。 工艺流程图上的物料线是代表物料从一个设备进入另一个 设备，而方块图上的线条及箭头方向有时并不与流体流向 相一致。 自动控制系统通常是一个闭环系统。
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自动化仪表
自动化仪表 用于生产过程自动化的仪器或设备，是实现工业
企业自动化的必要手段和技术工具。
特点 兼容性、统一标准
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特点1 系统由被控过程与系列化生产的自动化仪表组成
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特点2 被控过程复杂多样，通用控制系统难以设计
某自治区“十二五”循环经济发展规划 煤电化体化循环经济链条
其中：x 指设定值；z 指输出信号；e 指偏差信号；p 指发出信号；q 指 出料流量信号；y 指被控变量；f 指扰动作用。 当x 取正值，z取负值，e= x- z，负反馈；x 取正值，z取正值， e= x+ z， 正反馈。
图1-3 液位自动控制系统方块图
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图1-2 液位自动控制系统流程图
等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，其被控量通常为压力、液位、流量、 温度、PH值等过程变量，是自动化技术的重要组成 部分。
作用----在现代工业生产过程自动化中，过程控制
技术可实现各种最优的技术经济指标、提高经济效 益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护
环境卫生等方面起着越来越大的作用。
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自动控制的发展历史
第一阶段：上世纪40-60年代，“经典控制理论”，单
输入单输出问题，采用传递函数、频域特性、根轨迹 为基础的频域分析方法，研究线性定常系统。
第二阶段：上世纪60-70年代，“现代控制理论”，计 算机发展驱动空间技术发展，状态空间法->极大值原 理、动态规划、卡尔曼滤波。
自动化仪表 与 过程控制
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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
运动控制
钢铁 冶金
化工
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过程控制
过程控制----泛指石油、化工、电力、冶金、核能