过程控制 第三章
过程控制技术-第三章 过程控制系统的分析
3 过程控制系统的分析
时曲线有极值点（ｎ为正整数）。将上述两种ｔ值代入式（３-18），就能求出过渡过程曲线的各个特殊点数值，其数值列入表３-２中。
3 过程控制系统的分析
根据表３-２中数据绘制出过渡过程曲线如图３-5中的曲线２所示
过程控制技术
第六讲 过程控制系统的过渡过程分析（二）
3 过程控制系统的分析
（2）衰减比n 是指过渡过程曲线同方向的前后相邻两个峰值之比，如图3-6中Ｂ/Ｂ′＝n，或习惯表示为n∶1。可见n愈小，过渡过程的衰减程度越小，意味着控制系统的振荡程度越加剧烈，稳定性也就低，当n＝１时，过渡过程为等幅振荡；反之，n愈大，过渡过程愈接近非振荡过程，相应的稳定性也越高。从对过程控制系统的基本性能要求综合考虑（稳定、迅速），
3 过程控制系统的分析
式中下标“0”表示系统在初始平衡状态下的数值，则
3 过程控制系统的分析
（4）控制器的控制规律 在过程控制系统中常使用的控制器，其控制规律有比例、比例积分和比例积分微分三种，它们的数学模型分别为：
3 过程控制系统的分析
在这个系统中若选用的是电动比例控制器，则p＝Ｋcｅ 在过程控制仪表中控制器的放大系数Ｋc是通过改变控制器的比例度δ来设置的，若采用测量范围（量程）为50～100℃，输出信号为4～20 mA DC的电动温度变送器，并选用电动控制器的比例度δ＝２０％，于是根据比例度的定义计算出控制器的放大系数是：
3 过程控制系统的分析
（5）余差Ｃ（残余偏差） 余差是过渡过程终了时设定值与被控变量的稳态值之差，用数学式表示为 余差是一个反映控制系统准确性的质量指标，也是一个精度指标。它由生产工艺给出，一般希望余差为零或不超过预定的范围。
3 过程控制系统的分析
过程控制与自动化仪表——执行器仪表_图文
快开流量特性研究
阀门的工作流量特性
工作流量特性 在实际使用时,调节阀安装在管道上, 或者与其他设备串联,或者与旁路管道并联,因而调节 阀前后的压差是变化的。此时,调节阀的相对流量与阀 芯相对开度之间的关系称为工作流量特性。
阀门的工作流量特性
阀门的工作流量特性
阀门的工作流量特性
并联管道的情况
克服调节阀的非线性
如果系统对调 节阀线性度的要求 比较高则可以采用 左图的处理方法,组 成流量调节子回路, 这时流量的大小是 由检测仪表来保证 的,在这种情况下调 节阀最好采用等百 分比阀.
调节阀的尺寸选择
2.调节阀尺寸的选择
令
C为调节阀的结构参数称为流通能力
机械效率较低，在小 流量时不宜使用
泵不容易超压 可以使用小口径高压 阀进行调节。
其他常用执行器介绍
c 调速控制法
效率高能耗小，适用 于流量大范围波动的场合 。
设备费用高。 被控制系统响应速度慢。
其他常用执行器介绍
d 离心风机的喘振
其他常用执行器介绍
管路特性
其他常用执行器介绍
2 液压系统
控制力：阀门开度改变时，相对流量的改变比值。
10%处： （6.58%-4.68%）/4.68%≈41% 50%处： （25.7%-18.2%）/18.2%≈41% 80%处： （71.2%-50.6%）/50.6%≈41%
Q/Q100
s=1 L/Lmax
快开流量特性研究
开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快 就达到最大，故称为快开特性。适用于迅速启闭的切断阀或 双位控制系统。
其他常用执行器介绍
第三章过程控制与统计技术汇总
第三章 统计过程控制（SPC） 一 统计过程控制的概念 SPC是英文“统计过程控制”的缩写：Statistcal process Control 所谓统计过程控制就是应用统计技术对过程中各个阶段 进行评估和监察。保持过程处于可接受的和稳定的质量 水平，从而保证产品与服务满足要求的均匀性。 虽然，这里的统计技术可以涉及到数理统计的许多 方面，但 SPC中的主要工具是控制图理论。因此，要想 推行SPC必须对控制 图有一定深入的了解，否则就不可 能通过SPC取得真正的实效。 1 什么是控制图 控制图是对过程质量特性进行测定、记录、评估， 从而监察过程是否处于控制状态的一种用统计方法设计 的图。
GB/T 4091-2001 标准
控制图图样
3 2 - -2 -3
A B C C B A
UCL
CL
LCL
1 2 3 4 5
样本号
2 产品质量的统计概念 ① 特点： 产品实现过程的质量是属于随机现象，它具有变异 性。由于生产过程的五大因素：人、机、料、法、环 因时常的变动，而不断地变化，因此，造成产品质量 随着时间不同而形成不一致性，质量特性具有变异性。 但是质量特性的变异是在一定范围内按一定规律变 异的，因此产品实现过程的质量特性的变异是有规律 性的。产品质量变异性及其规律性反映为质量特性值 的分布。其分布特点是： a：实践证明。通常计量值数据服从正态分布； b：计数值中的计件值数据通常服从二项分布； c： 计数值中的计点值数据通常服从泊松分布。 ②影响产品质量变异的两大类因素 a 正常因素：它的变异是随机的、偶然的，也可称 之偶因。
但二项分布和泊松分布就没有上述特点，它们的两个参数 平均值和标准偏差是互不独立的。 在3 法管理的正态分布，即不论与取值如何，产品质量 特性值落在上控制线，+3和下控制线， -3范围的概率 为99.73%，其产品质量特性值落在控制线以外的概率为199.73%=0.27%。休哈特博士将过程处于稳定受控状态，他 依据这个设计思想，将典型的分布±3范围内的正常分布 曲线转换为控制图。
过程控制复习要点和习题答案(3,4)
第三章调节器1．掌握P、PI、PD，PID调节的特点，各调节规律定义公式，其阶跃响应。
积分时间的大小相应的积分作用怎样微分时间的大小其作用怎样比例度如何求取2．无扰动切换是指什么3．了解微分先行的PID算法主要用于解决什么问题对什么有微分作用4．了解比例先行的PID算法有什么特点5．掌握PID微分方程及差分方程6．掌握调节器的正反作用判断。
执行器7．掌握解执行器的作用、类型、由哪两部分组成各部分的作用是什么8．了解气动执行器和电动执行器各有什么特点9．掌握什么是气开阀，什么是气关阀。
按什么原则、如何来选择气开或气关方式10．掌握调节阀流量特性的定义；理想流量特性的定义、分类和特点；11．工作流量特性的定义，串联管道中调节阀流量特性的变化12．S值是指什么S值的大小对流量特性的影响13．掌握选择调节阀的流量特性的三原则14．了解电－气转换器起什么作用为什么要用阀门定位器15．掌握构成一个安全火花型防爆系统的充要条件是什么安全火花型防爆系统的组成结构。
16．了解防爆栅有哪几种类型17．了解危险场所分为哪几类危险程度最高的是哪一类第一类危险场所又分为哪几级第四章控制对象的特性测试1.掌握利用机理法建立单容/双容对象的数学模型。
2.掌握什么是具有自衡能力的对象具有滞后的一阶二阶特性的表示式；什么是无自衡能力的对象具有滞后的一阶二阶特性的表示式。
3.掌握什么是飞升曲线单容对象或多容对象的飞升曲线可用哪些参数来表征4.掌握如何测定飞升曲线和方波响应曲线测得方波响应曲线后如何获得飞升曲线(获取飞升曲线的原理和方法)。
5.掌握由飞升曲线来确定一阶对象，了解确定二阶对象的传递函数的方法。
6.掌握测定对象动特性的方法分类第三次作业（P108）1（2）某比例积分调节器的输入，输出范围均为4~20mA DC，若设ó=100%，T1=2MIN，稳态时其输出为6mA，若在某一时刻输入阶跃增加1mA，试求经过4min后调节器的输出。
过程控制系统-第3章-简单系统-习题与解答
第3章习题与思考题3-1.简单控制系统由哪几部分组成？各部分的作用是什么？解答：简单控制系统由检测变送装置、控制器、执行器及被控对象组成。
检测变送装置的作用是检测被控变量的数值并将其转换为一种特定输出信号。
控制器的作用是接受检测装置送来的信号，与给定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果送往执行器。
执行器能自动地根据控制器送来的控制信号来改变操纵变量的数值，以达到控制被控变量的目的。
被控对象是指需要控制其工艺参数的生产设备或装置。
3-2.什么叫直接参数和间接参数？各使用在什么场合？解答：如果被控变量本身就是需要控制的工艺指标，则称为直接参数；如果被控变量本身不是需要控制的工艺指标，但与其有一定的间接对应关系时，称为间接参数。
在控制系统设计时，尽量采用直接参数控制，只有当被控变量无法直接检测，或虽能检测，但信号很微弱或滞后很大，才考虑采用间接参数控制。
3-3.被控变量的选择应遵循哪些原则？解答：被控变量的正确选择是关系到系统能否达到预期控制效果的重要因素，它选择的一般原则是：（1）被控变量应能代表一定的工艺操作指标或是反映工艺操作状态重要变量；（2）被控变量应是工艺生产过程中经常变化，因而需要频繁加以控制的变量；（3）被控变量应尽可能选择工艺生产过程的直接控制指标，当无法获得直接控制指标信号，或其测量或传送滞后很大时，可选择与直接控制指标有单值对应关系的间接控制指标；（4）被控变量应是能测量的，并具有较大灵敏度的变量；（5）被控变量应是独立可控的；（6）应考虑工艺的合理性与经济性。
3-4.操纵变量的选择应遵循哪些原则？解答：（1）操纵变量应是工艺上允许加以控制的可控变量；（2）操纵变量应是对被控变量影响诸因素中比较灵敏的变量，即控制通道的放大系数要大一些，时间常数要小一些，纯滞后时间要尽量小；（3）操纵变量的选择还应考虑工艺的合理性和生产的经济性。
3-5.简述选择调节器正、反作用的目的，如何选择?解答：其目的是使控制器、执行器、对象三个环节组合起来，能在控制系统中起负反馈作用。
过程控制系统第3章思考题与习题
第3章思考题与习题1.基本练习题（1）在过程控制中，哪些仪表是属于过程控制仪表？在过程控制系统中，大多数调节器是电动的，而执行器多数是气动的，这是为什么？气动单元组合仪表与电动单元组合仪表各单元之间的标准统一信号又是如何规定的？答：1）在过程控制中，过程控制仪表有：调节器、电/气转换器、执行器、安全栅等。
2）调节器选电动的因为电源的问题容易解决，作用距离长，一般情况下不受限制；调节精度高，还可以实现微机化。
执行器多数是气动的,因为执行器直接与控制介质接触，常常在高温、高压、深冷、高粘度、易结晶、闪蒸、汽蚀、易爆等恶劣条件下工作，选气动的执行器就没有电压电流信号，不会产生火花，这样可以保证安全生产和避免严重事故的发生。
3）气动仪表的输入输出模拟信号统一使用0.02~0.1MPa的模拟气压信号。
电动仪表的输入输出模拟信号有直流电流、直流电压、交流电流和交流电压四种。
各国都以直流电流和直流电压作为统一标准信号。
过程控制系统的模拟直流电流信号为4~20mADC,负载250 Q ；模拟直流电压信号为1~5V DCo（2）某比例积分调节器的输入、输出范围均为4-20mADC,若设5 = 100%、7； = 2min , 稳态时其输出为6mA；若在某一时刻输入阶跃增加1mA,试求经过4min后调节器的输出。
答：由比例积分公式（3-1）所示：y = l e+lfedt• Tj 丿稳态时:yb=6mA,（3）简述DDZ-III型全刻度指示调节器的基本组成、工作状态以及开关S广丄的作用。
(3-1)依题意：p = —= 100%,Kj,即Ap =1, e=l；4min 后：=9mA答：1）调节器由控制单元和指示单元组成。
控制单元包括输入电路、PD与PI电路、输出电路、软手动与硬手动操作电路;指示单元包括输入信号指示电路和给定信号指示电路。
2）工作状态：自动、软手动、硬手动三种。
3） 6~亠为自动、软手动、硬手动联动切换开关。
第三章 统计过程控制和控制图
控制图的原理的两种解释： 控制图的原理的两种解释： （1）统计学的 原理 ）统计学的3σ原理
（2）异波说 ） 偶波和异波
3. 控制图简介
控制图记录的是要研究的过程的质量特征 这个过程可以是一道工序， （这个过程可以是一道工序，可以是生产过程也 可以是服务过程） 可以是服务过程） 。这个质量特征的数值我们 把它做成一个统计量（或本身就是一个统计量）。 把它做成一个统计量（或本身就是一个统计量）。 统计量的数值描点与三条控制线有一定的位置联 通过这个联系我们来做质量特征值的分析。 系，通过这个联系我们来做质量特征值的分析。
3.SPC的步骤 3.SPC的步骤
步骤1 培训SPC和SPD。 步骤 培训 和 。 步骤2 确定关键变量。（每道工序的， 。（每道工序的 步骤 确定关键变量。（每道工序的，并按流程 列出过程控制网图） 列出过程控制网图） 步骤3 提出或改进规范标准。 步骤 提出或改进规范标准。 步骤4 编制控制标准手册。 步骤 编制控制标准手册。 步骤5 对过程进行统计监控。 步骤 对过程进行统计监控。 步骤6 对过程进行诊断并采取措施解决问题。 步骤 对过程进行诊断并采取措施解决问题
11. 02
10. 99
10. 97
11. 06
10.9 9
11.0 2
10. 98
10. 97
10.9 5
11.0 0
10. 97
10. 94
11.0 0
10. 99
11. 02
11. 01
10.9 9
10. 97
10. 96
11. 06
10. 98
11. 00
10. 97
11. 04
10.9 3
的概率为1这里我们常取Z 的概率为 α ，这里我们常取 α/2=3，称为3 σ原则 ，称为3 原则 控制界限） （或称3 σ 控制界限）。这里 R = xmax –x min , n≤10. R和σ之间有密切的关系：令 W = R / σ,可以证明 （w） 之间有密切的关系： 可以证明E（ ） 和 之间有密切的关系 可以证明 = d2是只与样本大小 有关的常数。于是 σ的估计量 是只与样本大小n有关的常数 于是, 的估计量 有关的常数。 σ= E（R）/ d2=R/d2. （ ） 我们得到σ未知时 未知时x 我们得到σ未知时x 控制图的控制线
特殊过程控制管理规定(3篇)
第1篇第一章总则第一条为确保产品质量，加强特殊过程的管理，根据《中华人民共和国产品质量法》及相关法律法规，结合本单位的实际情况，特制定本规定。
第二条本规定适用于本单位所有涉及特殊过程的生产、加工、检验等环节。
第三条特殊过程是指那些对产品质量有显著影响，难以通过常规检验手段进行控制的过程。
主要包括：1. 高精度加工过程；2. 特种合金熔炼过程；3. 高温、高压、高真空等特殊环境下的加工过程；4. 高分子材料成型过程；5. 精密计量过程；6. 特种表面处理过程；7. 其他对产品质量有重大影响的过程。
第四条特殊过程控制管理的目标是：1. 确保产品质量符合国家标准和客户要求；2. 提高生产效率和产品质量稳定性；3. 保障员工安全和环境保护。
第二章组织机构与职责第五条本单位成立特殊过程控制管理小组，负责特殊过程控制的全面管理工作。
第六条特殊过程控制管理小组的职责：1. 制定特殊过程控制管理制度和操作规程；2. 组织特殊过程能力验证；3. 监督特殊过程执行情况；4. 对特殊过程进行定期评审；5. 处理特殊过程发生的质量问题。
第七条各部门负责人对本部门特殊过程控制工作负直接责任，应确保本部门特殊过程控制工作的有效实施。
第八条各岗位操作人员应按照特殊过程控制管理制度和操作规程进行操作，确保产品质量。
第三章特殊过程识别与评审第九条各部门应识别本部门涉及的特殊过程，并填写《特殊过程识别表》。
第十条特殊过程控制管理小组对各部门提交的特殊过程进行评审，确认其特殊性质和风险等级。
第十一条评审内容包括：1. 特殊过程对产品质量的影响程度；2. 特殊过程的操作难度；3. 特殊过程的设备、材料、环境要求；4. 特殊过程的检验方法和手段；5. 特殊过程的控制措施。
第十二条评审结果分为“必须控制”、“需要控制”和“可接受”三个等级。
第四章特殊过程控制措施第十三条对必须控制的特殊过程，应制定详细的操作规程和控制计划。
第十四条操作规程和控制计划应包括以下内容：1. 操作步骤；2. 设备、材料、环境要求；3. 操作人员要求；4. 检验方法和手段；6. 异常情况处理。
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过程控制与自动化仪表
3.4 积分控制
3.4.1 积分控制规律及其特点
积分控制是控制器的输出变化量Δ u与输入偏差值e随
时间的变化成正比的控制规律，亦即控制器的输出变 化速度与输入偏差值成正比。
KI为控制器的积分速度； TI为控制器的积分时间（TI=1/KI）。
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过程控制与自动化仪表
3.4.1 积分控制规律及其特点
与比例控制不同的是， 在输入偏差为零时，比 例控制器的输出变化量 Δu是零，即处在初始位 置上，而积分控制器的 输出却可以处在任何数 值的位置上。
２）增益降低为原来的１/２，系统的稳态精度变差。
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过程控制与自动化仪表
3.2 位式控制
１.理想的双位控制
理想双位控制规律的数学表达式为 当e＞0时，u(t)=umax ； 当e＜0时， u(t)=umin 。
理想双位控制输出特性
温度双位控制系统示意图
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过程控制与自动化仪表
3.2 位式控制
在阶跃偏差作用下， 控 制器的输出达到比例输出 的两倍所经历的时间。
积分时间的测定
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过程控制与自动化仪表
3.4.3 积分时间对系统过渡过程的影响
积分时间TI应根据不同 的对象特性加以选择， 一般情况下TI的大致范 围如下：
１）压力控制： TI ＝0.4～3min。 ２）流量控制： TI ＝0.1～1min。 ３）温度控制： TI ＝3～10min。 ４）液位控制： 一般不需积分作用。
无源校正装置
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过程控制与自动化仪表
3.1.3 常用校正装置
2.有源校正装置
有源校正装置是由运算放大器组成的调节器。
有源校正装置
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过程控制与自动化仪表
3.1.4 校正应用举例
举例
有一随动系统，框图如下。图中G1(s)为随动系统的固 有部分。现对其进行串联校正，串联一个比例校正装
置，比例系数Kc=0.5。
偏差作用下的积分控 制器的开环输出特性
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过程控制与自动化仪表
3.4.1 积分控制规律及其特点
虽然消除余差是积分控 制的显著优点，但在工 业上却很少单独使用积 分控制。因为与比例控 制相比，积分控制器的 输出变化总是滞后于偏 差的变化，控制作用不 可能像比例控制那样及 时，从而难以对扰动进 行及时且有效的抑制。
在单元组合仪表中，控制器的输入和输出都是标 准统一信号，即过程控制与自动化仪表
3.3.3 比例度对过渡过程的影响
１）比例控制是有余差的 控制。
２）比例度δ对闭环系统 稳定性的影响。
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过程控制与自动化仪表
3.3.3 比例度对过渡过程的影响
通常，工业上常见系统的比例度δ的参考选取范 围如下：
e为控制器输入信号的变化量，即偏差信号； Δu为控制器输出信号的变化量，即控制命令； （Zmax－Zmin）为控制器输入信号的变化范围，即量程； （ Zmax－Zmin ）为控制器输出信号的变化范围。
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过程控制与自动化仪表
3.3.2 比例度
控制器的比例度δ可理解为：要使输出信号作全 范围变化，输入信号必须改变全量程的百分之几。
第三章控制规律
1 掌握系统校正的概念。 2 掌握典型的控制规律及其特点。 3 掌握Simulink仿真辅助分析设计系统的方法。
1
过程控制与自动化仪表
3.1 控制系统的校正
3.1.1 校正的概念
在原有的系统中有目的地增添一些装置和元件，人为 地改变系统的结构和性能，使之满足所要求的性能指 标，我们把这种方法称为系统校正。增添的装置和元 件称为校正装置和校正元件。
积分作用的滞后性
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过程控制与自动化仪表
3.4.2 比例积分控制规律与积分时间
将比例作用与积分作用组 合成比例积分（PI）控制 规律来使用，既能及时控 制，又能消除余差。
比例积分控制器的输入 与输出特性曲线
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过程控制与自动化仪表
3.4.2 比例积分控制规律与积分时间
积分时间TI定义为：
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过程控制与自动化仪表
3.3 比例控制
3.3.1 比例控制规律及其特点
Δu是控制器输出变化量； Kc是控制器的放大倍数，即比例增益； e是控制器的输入，即偏差。
阶跃偏差作用下比例 控制器的开环输出特性
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过程控制与自动化仪表
3.3.2 比例度
比例度δ，就是指控制器输入的相对变化量与相
应的输出相对变化量之比的百分数。
2.实际的双位控制
实际双位控制输出特性
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实际双位控制的过程曲线
过程控制与自动化仪表
3.2 位式控制
双位控制器结构简单，容易实现控制，且价格便 宜，适用于单容对象且对象时间常数较大、负荷 变化较小、过程时滞小、工艺允许被控变量在一 定范围内波动的场合，如压缩空气的压力控制， 恒温箱、管式炉的温度控制以及贮槽的液位控制 等。在实际使用中，只要选用带上、下限触头的 检测仪表、双位控制器，再配上继电器、电磁阀、 执行器等即可构成双位控制系统。
2
过程控制与自动化仪表
3.1.2 校正的方式
１.串联校正
如果校正装置Gc(s)串联在系统固有部分的前向通道中， 则称为串联校正。
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过程控制与自动化仪表
3.1.2 校正的方式
2.反馈校正
将校正装置Gc(s)与需要校正的环节进行反馈连接，形 成局部反馈回路，称为反馈校正。
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过程控制与自动化仪表
具有校正环节的系统框图
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过程控制与自动化仪表
3.1.4 校正应用举例
校正前、后系统的伯德图
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3.1.4 校正应用举例
校正前、后系统的阶跃响应曲线
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3.1.4 校正应用举例
结论：加入串联校正装置，降低系统增益后：
１）系统的相对稳定性得到改善，超调量下降，振荡 次数减少。
3.1.2 校正的方式
3.复合校正
复合校正是在反 馈控制的基础上， 引入输入补偿构 成的校正方式， 通常可以分为两 种：一种是引入 给定输入信号补 偿；另一种是引 入扰动输入信号 补偿。
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过程控制与自动化仪表
3.1.3 常用校正装置
１.无源校正装置
无源校正装置通常是由一些电阻和电容组成的二端口 网络。