过程控制系统单回路控制系统1
《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。
自来水流量单回路过程控制系统
目录1 设计目的与要求 01.1 设计目的 02 自来水生产工艺 (3)2.1 生产工艺 (1)2.2 生产工艺流程图 (2)3 系统结构设计 (3)3.1 控制方案 (3)3.2 系统结构 (3)4被控变量与控制变量选择 (3)4.1被控变量选择原则 (3)4.2控制变量选择原则 (4)4.3本系统被控变量与控制变量的选择 (5)5检测环节设计 (5)5.1检测环节设计原则 (5)5.2本系统检测环节设计 (6)6执行器设计 (6)6.1执行器设计原则 (6)6.2本系统执行器设计 (7)7调节器设计 (7)7.1调节器正反作用选取 (7)7.2调节器规律的选择 (8)7.3调节器参数整定 (9)心得体会 (10)参考文献 (13)自来水厂流量控制系统的设计1 设计目的与要求1.1 设计目的如图，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用单闭环控制结构和PID控制规律，对自来水厂用泵将水打入水槽（泵1和泵2同时用），以备下一道工艺生产需要，进行设计将流量控制在500±3立方米/小时，以满足要求。
1.2 要求完成的主要任务1、了解对象及自来水厂生产工艺2、绘制流量控制系统方案图3、确定系统所需检测元件、执行元件、调节仪表技术参数4、撰写系统调节原理及调节过程说明书2 自来水厂生产工艺2.1 生产工艺众所周知，由于自然因素和人为因素，原水里含有各种各样的杂质。
从给水处理角度考虑，这些杂质可分为悬浮物、胶体、溶解物三大类。
城市水厂净水处理的目的就是去除原水中这些会给人类健康和工业生产带来危害的悬浮物质、胶体物质、细菌及其他有害成分，使净化后的水能满足生活饮用及工业生产的需要。
市自来水总公司水厂采用常规水处理工艺，它包括混合、反应、沉淀、过滤及消毒几个过程。
（1）混凝反应处理原水经取水泵房提升后，首先经过混凝工艺处理，即：原水+ 水处理剂→混合→反应→矾花水自药剂与水均匀混合起直到大颗粒絮凝体形成为止，整个称混凝过程。
单回路控制系统原理
单回路控制系统原理单回路控制系统原理一、过程控制的特点与其它自动控制系统相比，过程控制的主要特点是：1、系统由工业上系列生产的过程检测控制仪表组成。
一个简单的过程控制系统是由控制对象和过程检测控制仪表(包括测量元件，变送器、调节器和调节阀)两部分组成。
Q2 x (t)如图1 ：液位控制系统K C：调节器的静态放大系数QK V：调节阀的静态放大系数1K0：被控对象的静态放大系数Km :变送器的静态放大系数2、被控对象的设备是已知的，对象的型式不少，它们的动态特性是未知的或者是不十分活楚的，但普通具有惯性大，滞后大，而且多数具有非线性特性。
3、控制方案的多样性。
有单变量控制系统、多变量控制系统；有线性系统、有非线性系统、；有摹拟量控制系统、有数字量控制系统，等等。
这是其它自动控制系统所不能比拟的。
4、控制过程届慢过程，多半届参量控制。
即需对表征生产过程的温度、流量、压力、液位、成份、PH 等进行控制。
5、在过程控制系统中，其给定值是包定的 (定值控制) ，或者是已知时间的函数 (程序控制) 。
控制的主要目的是在丁如何减少或者消除外界扰动对被控量的影响。
y (t〕工业生产要实现生产过程自动化，首先必须熟悉生产过程，掌握对象特点；同时要熟悉过程参数的主要测量方法，了解仪表性能、特点，根据生产工艺要求和反馈控制理论的分析方法，合理正确地构建过程控制系统；并且通过改变调节仪表的特性参数，使系统运行在最佳状态，过程控制系统的品质是由组成系统的对象和过程检测仪表各环节的特性和系统的结构所决定的。
二、单回路控制系统原理如图所示单回路控制系统由对象、测量变送器，调节器，调节阀等环节组成。
由于系统结构简单，投资少，易于调整、投运，又能满足普通生产过程的控制要求, 所以应用十分广泛。
单回路控制系统的设计原则同样合用于复杂控制系统的设计，控制方案的设计和调节器整定参数值的确定，是系统设计中的两个重要内容，如果控制方案设计不正确，仅凭调节器参数的整定是不可能获得较好的控制质量的；反之，如果控制方案设计很好，但是调节器参数整定不合适，也不能使系统运行在最佳状态，、选择被控参数对于一个生产过程来说，影响正常操作的因素是不少的，但是，并非对所有影响因素都需要加以控制“选择被控参数的普通原则为：作用的、可直接测量的工艺参数为被控参数，当不能用直接参数(如测量滞后过大)作为被控参数时，应选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数，被控参数必须具有足够大的灵敏度⑥若生产工艺有几种控制参数可供选择，普通希翼控制通道克服扰动的校正能力要强，动态响应应比扰动通道快。
过程控制系统
过程控制系统是指自动控制系统的被控量是温度、流量、压力、液位等这样一些过程变量的系统。
过程控制主要是温度、压力、流量、液位等四种参数的控制问题。
定值控制系统：将系统被控量的设定值保持某一定值（或在某一很小范围内不变）的控制系统称为定值控制系统。
随动控制系统：随动控制系统是被控量的设定值随着时间任意变化的控制系统。
程序控制系统：程序控制系统被控量的设定值是按预定的时间程序变化的。
过程控制系统的品质指标：衰减比：第一、二两个周期的振幅B1与B2的比值，称为衰减比，既n=B1/B2动态偏差：扰动发生后，被控量偏离稳定值或设定值的最大偏差称为动态偏差。
调整时间Tc：系统受到扰动后平衡状态被破坏，经控制器作用后，被控量返回到允许的范围之内。
通常在稳定值的5%（或2%）以内，达到新的平衡状态所经历的时间，称为调整时间T c。
静态偏差：经控制器控制以后，系统被控量将在规定的小范围内波动，被控量与最大稳定值或设定值之差称为静态偏差或残余偏差，简称余差。
热电偶基本定律有均质导体定律、中间温度定律和中间导体定律。
两线制是指现场变送器和控制室仪表联系仅用两根导线。
投运：就是通过适当的步骤使主、副控制器先经手动调整好参数及工作状态，然后转到自然工作状态中。
冷端温度补偿：冷端温度冰浴法、计算修正法、补偿电桥法软手动操作指的是调节器的输出电流与手动输入电压成积分关系。
硬手动操作指的是调节器的输出电流与手动输入电压成比例关系。
无平衡切换是指在自动、手动切换时，无需事先调平衡，可以随时切换至所需位置。
自平衡能力是当对象受到干扰后，平衡状态被破坏，不需要外加任何控制作用，能依靠对象自身达到新的平衡状态的能力。
当对象受到干扰作用后，平衡状态被破坏，不能依靠它自身能力达到平衡状态的性质，称为无自平衡能力。
无扰动切换是指在切换时调节器的输出不发生变化，对生产过程无扰动。
气动执行机构有正作用和反作用两种形式。
当输入气压信号增加时推杆向下移动的叫正作用式执行机构。
过程控制习题以及详解
一、单回路控制系统1. 画出图示系统的方框图：2. 一个简单控制系统总的开环增益（放大系数）应是正值还是负值？仪表行业定义的控制器增益与控制系统中定义的控制器的增益在符号上有什么关系？为什么？3. 试确定习题1中控制器的正反作用。
若加热变成冷却，且控制阀由气开变为气关，控制器的正反作用是否需要4. 什么是对象的控制通道和扰动通道？若它们可用一阶加时滞环节来近似，试述K P 、K f 、τp 、τf 对控制系统质量的影响。
5. 已知广义对象的传递函数为1)S (T e K P SτP P +-，若P P T τ的比值一定时，T P 大小对控制质量有什么影响？为什么？6. 一个简单控制系统的变送器量程变化后，对控制质量有什么影响？举例说明。
7. 试述控制阀流量特性的选择原则，并举例加以说明。
8. 对图示控制系统采用线性控制阀。
当负荷G 增加后，系统的响应趋于非周期函数，而G 减少时，系统响应震荡加剧，试分析其原因，并设法解决之。
9. 一个简单控制系统中，控制阀口径变化后，对系统质量有何影响？10. 已知蒸汽加热器如图所示，该系统热量平衡式为：G 1C 1(θ0-θi )=G 2λ(λ为蒸汽的冷凝潜热)。
（1）主要扰动为θi 时，选择控制阀的流量特性。
（2）主要扰动为G 1时，量特性。
（3特性。
11.作用后，对系统质量有什么影响？为了保持同样的衰减比，比例度δ要增加，为什么？12. 试写出正微分和反微分单元的传递函数和微分方程；画出它们的阶跃响应，并简述它们的应用场合。
13. 什么叫积分饱和？产生积分饱和的条件是什么？14. 采用响应曲线法整定控制器参数，选用单比例控制时，δ=K P τP /T P ×100%,即δ∝K P ，δ∝τP /T P ,为什么？而选择比例积分控制时，δ=1.44K P τP /T P ×100%，即比例度增加，为什么？15. 采用临界比例度法整定控制器参数，在单比例控制时，δ=2δK (临界比例度)，为什么？16. 在一个简单控制系统中，若对象的传递函数为)1T )(1S 1)(T S (T K W P V P +-+S ，进行控制器参数整定时，应注意什么？ 17. 已知广义对象的传递函数为1)S (T e K P SτP P +-，采用比例控制，当系统达到稳定边缘时，K C =K CK ，临界周期为T K 。
过程控制系统单回路控制系统
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2.1.2开环控制系统与闭环控制系统 ➢开环控制系统/Open-loop control system
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2.1.3 闭环控制系统的组成和基本环 节
1-给定环节(Set Point)；2-比较环节(Comparator)；3-校正
环节(Adjustor)；4-放大环节(Amplifier)；
5-执行机构(Actuator)；6-被控对象(Plant)；7-检测装置
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近20年来，随着计算机技术的发展，已将计算机用于过程控 制系统，称之为计算机过程控制系统。计算机过程控制是当 代大型机械设备自动化控制的基本形式。
➢计算机过程控制系统/Computer Process control system
计算机过程控制系统主要由 被控对象、 传感变 送器 、计算机装置和 执行机构四部分组成。
不失一般性，设系统的单位阶跃响应如图：(BP15~16)
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综上所述，对于稳定的系统，对于一个有界的输入，当时 间趋于无穷大时，微分方程的全解将趋于一个稳态的函数，使 系统达到一个新的平衡状态。工程上称为进入稳态过程。
系统达到稳态过程之前的过程称为瞬态过程。瞬态分析是 分析瞬态过程中输出响应的各种运动特性。理论上说，只有当 时间趋于无穷大时，才进入稳态过程，但这在工程上显然是无 法进行的。在工程上只讨论输入作用加入一段时间里的瞬态过 程，在这段时间里，反映了主要的瞬态性能指标。
单回路控制系统设计
控制仪表的选择
(1) 仪表的选型——电动单元组合仪表(DDZ) (2) 测温元件与变送器：
热电阻温度计，三线制接法配温度变送器。
(3) 调节阀选型：选气动调节阀，且事故时要求不 要超温！
气关形式，流量特性选择？
(4)调节器: PI或PID。
控制仪表的选择
调节器的正反作用的确定:
由于调节阀为气关方式 因此KV 0 由于冷风量（控制量） 增加炉温（被控量）降 低，K0 0 通常传感器的增益为正 , Km 0
典型最佳调节过程 1 b
a
生产过程中的控制系 统多为恒值调节系统， 评定控制系统性能的常 用指标有稳态误差、最 大超调或超调率、衰减 率和过渡过程时间等。
在过程控制系统中更
多的采用衰减率 来表
示调节系统的稳定度。
工程上通常将 0.75的调节过程当作“典型最佳调节过程”
临界比例度法
一．临界比例度法（Ziegler-Nichols 稳定边界法）
F(s) Gf (s)
C(s)
Y (s) H (s)
系统输出与干扰之间的传递函数为：
C(S)
Gf (S)
F(S) 1 Gc (S)Gv (S)Gp (S)H (S)
假设：G
f
(S
)
K Tf s
f
1
干扰通道的影响
C(S)
1
• Kf
F(S) 1 Gc (S)Gv (S)Gp (S)H (S) Tf s 1
干扰通道的影响
干扰进入位置对控制质量的影响
F(s)
Gf (s)
R(s) E(s)
U (s)
Q(s)
GC (s)
Gv (s)
C(s) Gp (s)
单回路反馈控制系统
第一篇过程控制系统第一章单回路反馈控制系统简称：单回路控制系统、简单控制系统在所有反馈控制系统中，单回路反馈控制系统是最基本、结构最简单的一种。
在生产过程控制中应用得最为广泛的、并能解决大量控制问题的系统（70%）。
研究单回路系统的分析和设计方法，是研究复杂控制系统的基础。
1.1 单回路系统的结构组成一、系统的组成举例：如图所示的水槽，流入量F1、流出量F2，为了控制水槽的液位L不变，选择相应的变送器、控制器、控制阀，并按左图组成单回反馈控制系统。
图1-2 水槽液位控制系统注：LC表示液位控制器，sp代表控制器的给定值。
假定控制阀为气闭，控制器为反作用。
偏差：测量信号与给定值之差。
当测量值大于给定值时，偏差为正，反之为负。
第一种情况（初始状态：平衡状态F1=F2）入口阀突然开大→ F1>F2 → L↑ → 正偏差→ 输出减小→ 控制阀↑ → F2 ↑→ L↓→F1=F2→ 系统达到新的平衡 入口阀突然开小→ F1<F2→L ↓ → 负偏差→ 输出增大→ 控制阀↓ → F2 ↓→ L ↑ → F1=F2 → 系统达到新的平衡第二种情况初始状态：平衡状态F1=F2） 出口阀突然开大→F２>F1→L ↓→ 负偏差→输出增大→控制阀↓→F2↓→ L↑→ F1=F2→系统达到新的平衡出口阀突然关小→ F1>F2 → L ↑ → 正偏差→ 输出减小→ 控制阀↑ → F2 ↑ → L ↓ → F1=F2→系统达到新的平衡3单回路控制系统方框图R(S)：给定值的拉氏变换式Gc(S)：控制器传递函数X(S)：测量值的拉氏变换式Gv(S)：控制阀传递函数E(S)：偏差的拉氏变换式Gm(S) 变送器传递函数U(S)：控制信号的拉氏变换式Go(S)：对象控制通道的传函Q(S)：操纵变量的拉氏变换式Gf(S)：对象扰动通道的传函Y(S)：被控变量的拉氏变换式F(S)：扰动信号的拉氏变换式几点说明：(1)图中的各个信号值都是增量初始状态为零；图中箭头表示的是信号流向，而不是物料或能量的流向。
过程控制第一章
1.4 过程控制的特点 (1)被控过程形形色色 (1)被控过程形形色色 由于生产规模大小不同，工艺要求各异， 由于生产规模大小不同，工艺要求各异，产品 多种多样，过程控制中被控过程的形式很多， 多种多样，过程控制中被控过程的形式很多，比如 化学反应器、精馏塔、锅炉、 化学反应器、精馏塔、锅炉、压力容器以及给矿设 备和丙烯冷却器等。 备和丙烯冷却器等。 (2)控制过程多属缓慢过程和参量控制形式 (2)控制过程多属缓慢过程和参量控制形式 许多工业生产过程设备体积大， 许多工业生产过程设备体积大，工艺反应过程 缓慢，具有大惯性大滞后等特点。 缓慢，具有大惯性大滞后等特点。
矿量给定
矿量 控制器 电子 皮带秤
例：冶金行业选矿过程矿石流量控制系统
名词术语： 名词术语： 被控变量y(t) 被控过程内要求保持设定数值的工艺参数。 y(t)： 1) 被控变量y(t)：被控过程内要求保持设定数值的工艺参数。 操纵变量q(t) 受控制器操纵，用以克服扰动量的影响， q(t)： 2) 操纵变量q(t)：受控制器操纵，用以克服扰动量的影响，使 被控变量保持设定值的物料量或能量。 被控变量保持设定值的物料量或能量。 扰动量f(t) :除控制参数外 除控制参数外， 3) 扰动量f(t) :除控制参数外，作用于被控过程并引起被控变 量变化的各种因素。 量变化的各种因素。 给定值r(t) 被控变量的设定值。 r(t)： 4) 给定值r(t)：被控变量的设定值。 测量值z(t) 被控变量经测量变送环节实际测量的值。 z(t)： 5) 测量值z(t)：被控变量经测量变送环节实际测量的值。 偏差e(f) 被控变量的设定值与当前实际值之差。 e(f)： 6) 偏差e(f)：被控变量的设定值与当前实际值之差。 控制信号u(t) 控制器的输出量。 u(t)： 7) 控制信号u(t)：控制器的输出量。
过程控制系统简答题
1 .闭环掌握系统分为几种类型？每种代表什么含义？答：（1）定值掌握系统，就是系统被控量的给定值保持在规定值不变或在小范围四周不变。
（2）程序掌握系统，是被控量的给定值按预定的时间程序变化工作。
（3）随动掌握系统，是一种被控量的给定值随时间任意变化的掌握系统。
2 .一个单回路掌握系统主要由哪几个环节组成？作出简洁掌握系统的方框图。
答：一个单回路掌握系统主要由测量元件、变送器、调整器、调整阀、和被控过程等环节组 成。
扰动-I 被控变量 I 执行器 I__*侧量变送装置卜 -------------图2.2简单控制系统方框图3 .什么是气开式调整阀？什么是气关式调整阀？其选择的原则是什么？答：气开式：执行器输入压力p>0.02mpa 时，阀开头打开，也就是说有信号压力时阀打开, 无信号压力时阀关。
气关式则反之，有信号压力时阀关，无信号压力时阀开。
原则：主要是考虑在不同工艺条件下平安生产的需要。
a 、考虑事故状态时人身、工艺设施 平安。
b 、考虑事故状态下削减经济损失，保证产品质量。
c 、考虑介质的性质。
4 .依据流量特性曲线，分别写出其对应的流量特性。
答：流量特性主要有直线、等百分比（对数）、抛物线及快开四种直线特性是指阀门的相对流量与相对开度成直线关系，即单位开度变化引起的流量变化时常 数。
对数特性是指单位开度变化引起相对流量变化与该点的相对流量成正比，即调整阀的放大系 数是变化的，它随相对流量的增大而增大。
抛物线特性是指单位相对开度的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量值的平方根 成正比关系。
快开流量特性是指在开度较小时就有较大的流量，随开度的增大，流量很快就达到最大，此 后再增加开度，流量变化很小，故称快开特性。
隔膜阀的流量特性接近快开特性，蝶阀的流量特性接近等百分比特性，闸阀的流量特性为直 线特性，球阀的流量特性在中启闭阶段为直线，在中间开度的时候为等百分比特性。
操纵变设定值偏差 T~~-控犒器/∕Δ∕%图6T3各种阀门的流址特性5 .什么是积分饱和现象？防止积分饱和的措施都有哪些？所谓积分饱和现象是指若系统存在一个方向的偏差，PID掌握器的输出由于积分作用的不断累加而加大，从而导致u(k)达到极限位置。
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自动控制系统/Automatic control system
An automatic control system is a control system that is self-regulating, without any human intervention.
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例2. 炉温闭环控制系统
图1-3 炉温闭环控制系统图
1-热电偶
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2-加热器
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前向通道
反向通道
图1-4 闭环控制结构图
1-控制器（电压功率放大器、控制电机、减速器和调压器 组成） 2-控制对象（恒温箱） 3-检测装置（热电偶）
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“过程控制”是一门综合工艺、设备、控制，并与实 际生产过程联系十分密切的学科。随着科学技术的飞 速前进，过程控制也在日新月异地发展。面对当前全 球的能源危机和环境污染问题，在电子技术和计算机 网络等强大工具的支持下，它不仅在传统工业的运行 和改建中起到提高质量、节约原材料和能源、减少环 境污染等不可替代的重要作用，而且正在成为新建的 规模大、参数多、结构复杂的工业生产过程中不可或 缺的组成部分，发挥着重要作用。
闭环控制（反馈控制：Feedback Control）：
闭环控制是把系统的输出量检测出来，经过 物理量的转换，再反馈到系统的输入端去与给定量 进行比较（形成偏差），利用偏差量作为控制信号 来纠正偏差。
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SISO系统/Single-input , single-output (SISO) system
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2.2 过程控制系统与计算机过程控制系统
A multiple-input, multiple-output (MIMO) system is a system where several parameters may be entered as input and output is represented by multiple variables.
元素/Element (component)
An element (component) is the smallest part of a system that can be treated as a whole (entity).
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控制系统/Control system
例3：冷轧厚度反馈控制系统
反馈 控制器 压下缸 Δ h h0 + h1
带钢
测厚仪
l
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冷轧厚度反馈控制系统（FB-AGC）
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例4：厚度控制系统
前馈式厚度 控制器 ΔH 厚差计算 ΔS 移位寄存器 Δ S’
压下缸
Hact
Hre
f
测厚仪
带钢
l
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冷轧厚度前馈控制系统（FB-AGC）
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2.1.3 闭环控制系统的组成和基本环节
1-给定环节(Set Point)；2-比较环节(Comparator)；3-校正 环节(Adjustor)；4-放大环节(Amplifier)； 5-执行机构(Actuator)；6-被控对象(Plant)；7-检测装置 2018/11/14 14 (Sensor、Transducer)
信号线(Signal Line)
环节(loop) 分支点(Starting Point)
相加点(Summing Point)
±
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开环控制(Open Loop Control)：
控制系统的输出量对系统没有控制作用。
特点：
输入量与输出量一一对应；
信号传递是单方向的，即只有输入量对输出
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例1. 温度控制系统
图1-1 温度控制系统
1-控制器（自耦变压器）
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2-被控对象（电阻炉）
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图1-2 开环控制方块图（Block Diagram of Open Loop System）
1-控制器（自耦变压器）
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2-被控对象（电阻炉）
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方块图中的符号
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2.1.2开环控制系统与闭环控制系统
开环控制系统/Open-loop control system
An open-loop control system is a control system in which the control (regulating) action is independent of the output.
A single-input, single-output (SISO) system is a system where only one parameter is entered as input and only one parameter represents the output.
MIMO系统/Multiple-input , multiple-output (MIMO) system
量产生控制作用； 结构简单、价格便宜、易维修； 系统没有抗干扰能力，精度低；
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闭环控制系统/Closed-loop control system
A closed-loop control system is a control system in which the control (regulating) action is influenced by the output.
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2.1 过程控制系统基本概念
2.1.1 系统与自动控制系统
系统/System:
为了达到某种目的的一组具有特定功能，彼此相 互联系又相互作用的元素之间的有机组合。 A system is a collection, set, or arrangement of elements (subsystems).