典型控制过程及性能指标
过程控制
1.过程控制系统的组成：被控对象，用于生产过程参数检测的检测与变送仪表，控制器，执行机构，报警、保护和连锁等其他部件。
2.控制参数：K（放大系数）、T（时间常数）、τ（纯延迟时间）3.一阶惯性环节的传递函数：G（s）=k/（Ts+1）4.流量特性：指流体流过阀门的相对流量Qr和相对开度Lr之间的函数关系，即Qr=f（Lr）。
理想流量特性：指阀前后压差保持不变的特性。
主要有直线、对数、抛物线、快开四中。
工作流量特性：指在实际生产中，调节阀前后压差总是变化的时候的流量特性。
工作流量特性与管道系统阻力有关。
（串联管道和并联管道的工作流量特性）流量系数的定义：温度为5到10摄氏度的水，在10*5 Pa的压降下，每小时流过调节阀水量的立方米数，以符号Kv表示。
流量系数对于选定控制阀的口径和结构有着重要作用。
5.建模的方法：机理法建模和测试法建模。
机理法：根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方程。
测试法：根据工业过程的输入和输出的实际数据进行某种数学处理后得到的模型。
6.PID中的P、I、D的作用：比例调节成比例的反映控制偏差，偏差一旦产生，比例调节就立即发挥作用，以减小偏差；积分调节主要用于消除余差；微分作用反映偏差的变化趋势，并能在偏差信号变得太大前，在系统中引入一个有效的早期修正，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。
7.分程控制：在反馈系统中，一台控制器的输出可能同时的去控制两个或两个以上的控制阀工作，这些控制阀在控制器的某个信号段内从全关到全开（或从全开到全关），因此需要将控制器输出信号分成若干个信号段，每一个信号段控制一个控制阀。
9.积分控制中积分饱和产生的原因：a.控制器具有积分作用b.控制器处于开环作用c.偏差信号长期存在抗积分饱和的措施：限幅法，外反馈法，积分切除法（限定PI调节器的输出，积分分离法，遇限削弱积分法）10.PID参数对系统稳定性的影响：a.比例度越大相当于加大调节系统的开环增益，导致系统激动振荡不稳定，反之比例越小越稳定b.控制系统的开环增益与积分时间成反比，积分时间越长系统越稳定c.微分调节作用总是力图抑制被调量的振荡，偏差变化越剧烈，由D调节器给出的作用就越大，从而及时的抑制偏差的增长，提高系统的稳定性.11.串级控制系统的作用及特点：a.串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克服作用；B.由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，提高了系统的响应速度；c.提高系统的工作频率，改善了系统控制质量；D.串级系统有一定的自适应能力主副控制器的选择：A.主控制器必须具有积分作用，一般都采用PI控制器。
控制系统性能评估
控制系统性能评估控制系统性能评估是指对一个控制系统的性能进行全面综合评价的过程。
通过对系统的各种指标进行定量分析和比较，可以评估系统的优劣，并对系统进行优化和改进。
控制系统性能评估在各个领域都有广泛的应用，尤其在工业自动化、航空航天、电力系统等领域起着重要的作用。
一、控制系统性能评估的重要性控制系统在实际应用中的性能评估非常重要，它直接关系到系统的可靠性、稳定性、精确性等方面。
一个性能优良的控制系统能够提高工作效率、降低资源消耗，并提供更好的用户体验。
因此，控制系统性能评估具有以下几个重要的方面：1. 优化系统设计：通过评估系统性能，可以及时发现系统中存在的问题，从而进行系统设计的优化和改进。
例如，在工业自动化中，如果评估发现系统的响应时间过长或稳定性差，就可以调整控制参数或更换控制策略，以提高系统的性能。
2. 可行性研究：在控制系统的设计和开发阶段，进行性能评估可以帮助工程师判断系统的可行性。
如果评估结果显示系统无法达到设计要求，就需要重新考虑系统的结构和功能需求，以确保系统能够在实际应用中正常运行。
3. 比较不同系统：通过对不同系统性能的评估，可以帮助用户选择最适合自己需求的系统。
例如，在航空航天领域，对于不同的飞行器控制系统，可以通过评估其性能指标来选择最佳的控制系统，以保证飞行器的安全和稳定。
二、控制系统性能评估的指标控制系统性能评估的指标取决于具体的应用领域和系统需求。
以下列举一些常见的性能指标：1. 响应时间：指系统对输入信号的快速响应能力。
响应时间越短，说明系统对外界变化的处理速度越快，适合对变化要求较高的应用。
2. 稳定性：指系统在输入变化时的稳定性能。
稳定性好的系统能够快速达到稳定状态，并保持在稳定状态下工作。
3. 精确度：指系统输出与期望值的偏差大小。
精确度高的系统能够准确地控制输出，并保持在可接受范围内。
4. 鲁棒性：指系统在外部干扰或参数变化时的稳定性能。
鲁棒性好的系统能够抵抗干扰，保持稳定工作。
(完整版)过程能力与过程能力指数分析
过程能力与过程能力指数过程能力过程能力以往也称为工序能力。
过程能力是指过程加工质量方面的能力，它是衡量过程加工内在一致性的，是稳态下的最小波动。
而生产能力则是指加工数量方面的能力，二者不可混淆。
过程能力决定于质量因素，而与公差无关。
当过程处于稳态时，产品的计量质量特性值有99.73％落在μ±3σ的范围内，其中μ为质量特性值的总体均值，σ为质量特性值的总体标准差，也即有99.73％的产品落在上述6σ范围内，这几乎包括了全部产品。
故通常用6倍标准差(6σ)表示过程能力，它的数值越小越好。
过程能力指数(一)双侧公差情况的过程能力指数对于双侧公差情况，过程能力指数C p的定义为：C p= T =TU-TL （公式1）；6σ 6σ式中，T为技术公差的幅度，T U、T L分别为上、下公差限，σ为质量特性值分布的总体标准差。
当σ 未知时，可用σˆ1=R/d2或σˆ2=s/c4估计，其中R为样本极差，R为其平均值，s占为样本标准差，s为其平均值，d2、c4为修偏系数，可查国标《常规控制图》GB／T4091—2001表。
注意，估计必须在稳态下进行，这点在国标GB／T4091—2001《常规控制图》中有明确的规定并再三强调，不可忽视。
在过程能力指数计算公式中，T反映对产品的技术要求，而σ反映过程加工的一致性，所以在过程能力指数C p中将6σ与T比较，就反映了过程加工质量满足产品技术要求的程度。
根据T与6σ的相对大小可以得到过程能力指数C p。
如下图的三种典型情况。
C p值越大，表明加工质量越高，但这时对设备和操作人员的要求也高，加工成本也越大，所以对于C p值的选择应根据技术与经济的综合分析来决定。
当T=6σ，C p=1，从表面上看，似乎这是既满足技术要求又很经济的情况。
但由于过程总是波动的，分布中心一有偏移，不合格品率就要增加，因此，通常应取C p大于1。
各种分布情况下的C p值一般，对于过程能力指数制定了如下表所示的评价参考。
《过程控制》课件
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THANKS
通过精确控制冶金过程中的各种参数，实现 高效、低耗、高质量的冶金生产。
详细描述
在冶金过程中，自动化控制系统通过对熔炼 、连铸、轧制等环节的温度、压力、流量、 成分等参数的监测和调节，实现高效、低耗 、高质量的生产。这有助于提高冶金产品的 质量和降低生产成本。
电力过程控制实例
总结词
通过自动化技术实现对电力生产过程的控制 ，确保电力供应的稳定和安全。
工业4.0与过程控制的融合发展
总结词
工业4.0强调的是数字化、智能化和互联化，与过程控制技术的融合将推动工业生产的进一步升级。
详细描述
工业4.0通过物联网、边缘计算等技术，实现设备间的互联互通和数据共享，为过程控制提供了更广阔的应用场 景。同时，工业4.0也促进了生产过程的自动化和智能化，提高了生产效率和产品质量。
工业网络与安全问题挑战
工业网络安全挑战
随着工业自动化和信息化的发展，工业控制系统越来 越多地通过网络进行数据交换和远程控制，这使得工 业控制系统面临网络安全威胁和攻击的挑战。
数据安全挑战
工业控制系统中的数据涉及到企业的核心机密和生产 安全，一旦泄露或被篡改，将给企业带来巨大的经济 损失和安全风险。
要点二
稳定性挑战
在某些情况下，控制系统可能受到外部干扰或内部参数变 化的影响，导致系统稳定性下降，甚至出现振荡或发散。
复杂过程与非线性系统挑战
复杂过程挑战
许多实际的过程控制系统具有非线性、时变、不确定性 和耦合等特性，这使得对系统的建模和战
非线性系统在控制过程中表现出复杂的动态行为，如跳 跃、分岔和混沌等，这使得传统的线性控制方法难以应 对。
化工过程控制实例
总结词
过程控制基础
1.4 过程控制系统分类 按控制作用的形式
连续控制系统 离散控制系统
继电作用控制系统
按控制系统的特性
线性控制系统
非线性控制系统
1.5 过程控制系统过渡过程及其性能指标
控制系统的过渡过程 处于平衡状态的自动控制系统受到干扰后，被控变量发生
变化而偏离给定值，在控制系统作用下，被控变量逐渐回复到 给定值的过程称为过渡过程。
艺要求。
最大动态偏差 y1 950-908=42℃
超调量
y1 100%
y()
衰减比 振荡周期p
= 42 100%=4.63% 908
y1 = 950 908 4.2
y3 918 908 p 45-9=36min
符合要求： ① 系统新的稳定值是908 ℃，符合工艺规定操作温度为 （900±10）℃ 的要求 ② 950 ℃ 符合控制中温度偏离给定值最大不能超过90℃ 的要求
4.定值控制是主要形式 被控参数的设定值为一个定值，通过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。
1.4 过程控制系统分类
按给定值的变化规律划分
定值控制系统
该控制系统在生产过程中应用最多。例：换热器中被加热流 体的出口温度需达到所要求的固定值。
随动控制系统（自动跟踪系统）
该控制器多见于复杂控制系统中。例：在反应器中，乙物料 流量与甲物料流量呈比例，其设定值随甲流量变变化而变化。
程序控制系统
这类系统在间歇浆蒸煮温度控制等。
1.4 过程控制系统分类 按系统输出信号对操纵变量影响的方式划分
开环控制
开环控制系统的操纵变量不受系统输出信号的影响，控制器只是 根据输入信号来进行控制。
闭环控制
输出信号以反馈方式送到控制器的输入端，影响系统输出，形 成闭环控制系统。最常见的形式为负反馈系统。
过程控制第一章
操纵 变量
给定 值
1.2.2 过程控制系统的分类：
1.按系统的开环和闭环分类 （1）开环控制系统
系统的被控量对系统的控制作用没影响，结构简单，没有 闭合回路，控制精度取决于系统各组成环节的精度。 有干扰时无法自动补偿，精度不能保证。只适用于输入和 输出关系已知，且不存在干扰或干扰很弱的场合。
态值上下振荡的次数；
上升时间tr：该时间是指系统的输出量第一次到达输出稳态 值所对应的时刻。对于无振荡的系统，常把输出量从输出稳 态值的10%到输出稳态值的 90%所对应的时间叫为上升时间；
延迟时间：响应曲线首次达到静态值的一半所需的时间， 记为td;
衰减比N：第一个波峰与第二个波峰之比，是反应过程稳定 性的一个指标。N>1为衰减振荡，N=1为等幅振荡，N<1为 发散振荡。 振荡周期T：从第一个波峰到第二个波峰的时间。 T的倒数为振荡频率，T越短。快速性越好。
被控对象中要求保持 设定值的工艺参数
除操纵变量外，作用于被 控对象并引起被控变量变 化的因素 给定值与实际值 蒸汽复合负荷的变化 之差 冷却水温度的变化
扰动 量
偏 差
被控 对象 锅炉汽包
被控变量 锅炉给水量 汽包的期望水位 的预定值 受控制器操纵，用以克服扰 动的影响使被控量保持设定 值的物料量或能量
过程控制
第一章 绪论
课程考核
平时成绩（占40% ）：出勤+课堂提 问+作业；
大作业（占60% ）。
先修课程：自动控制原理
第一章 绪论
人工控制与自动控制：
1.1 概述--过程控制及发展历史
一、什么是过程控制？
过程（工业生产过程）：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。 工业生产过程可分为： 连续生产过程和离散生产过程。 连续生产过程、离散生产过程和间歇生产过程 （批量生产过程）。
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。
第1章 过控绪论
1.1.3 过程控制系统的组成、分类及性能指标
(一）过程控制系统的组成（图1－3、图1－4）
（1）被控参数（亦称系统输出）y(t)： 被控过程内要求保持稳定的工艺参数；
（2）控制参数（亦称操作变量控制介质） q(t)：使被控参数保持期望值的物料 量或能量；
（3）干扰量f(t)：除被控参数外，作用 于被控过程并引起被控参数变化的各 种因数；
80年代初，随着计算机性能提高、体积缩小， 出现了内装CPU的数字控制仪表。基于 “集中管 理，分散控制” 的理念，在数字控制仪表和计算 机与网络技术基础上，开发了集中、分散相结合的 集散型控制系统（ DCS， Distributed Control System） 。
DCS系统实行分层结构，将控制故障风险分 散、管理功能集中。得到广泛应用。
1.组成（被控过程，系列化仪表）； 2.设计难（过程的复杂性，模型的不精确性）； 3.要求高（控制方案丰富）； 4.慢过程、参量控制； 5.定值控制
西安仪表厂
渭河电厂
巴基斯坦古杜电厂
核电厂
新疆炼油厂
武钢
哈尔滨伊兰煤气
哈尔滨伊兰煤气
污水处理厂
哈尔滨第三水厂
渭河化肥厂
扬子石化
项特征量作为性能指标，而偏差积分性能指标则是一 种综合性指标。由于在多数情况下，都希望得到衰减 振荡过程，所以以衰减振荡的过渡过程形式为例，讨 论控制系统的品质指标。
1. 系统阶跃响应的单项性能指标 单项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。
1）衰减比n和衰减率ψ
设第一个波振幅为 B1、第三个波振幅为 B2
Tp
T
TS
t
闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线
过程装备与控制工程--第1章
2.1.1 被控对象的数学描述
连续生产过程中最基本的关系——物料平衡和能量 平衡
静态条件下，单位时间流入对象的物料（或能量） 等于从系统中流出的物料（或能量）；
动态条件下，单位时间流入对象的物料（或能量） 与从系统中流出的物料（或能量）之差等于系统内物 料（或能量）存储量的变化率。
28
（1）单容液位对象 有自衡特性的单容对象（图2—1） 系统输入：输入流量； 系统输出（被控变量）：水槽液位 任何时刻水位的变化均满足下面的物料平衡关系:
32
将式(2-2)和式(2-3)代入式(2-1)，经整理得到
ARsd d（H t 2-H 5）Rsqv1
令T=ARs,K=Rs,可得：
TddH tH (2- 6)Kqv1
它为一阶常系数微分方程，具有该特性的被控对象叫做一阶 被控对象被控对象特性参数：T-时间常数；K-放大系数 在t0时刻，若流入量qv1突然有一阶跃变化量Δqv1 ,则由式26可求出相应的液位变化量：
3
§1.1 概述
过程装备控制是指在过程装备上，配上一些自动化装置以 及合适的自动控制系统来代替操作人员的部分或全部劳动， 使设计、制造、装配、安装等在不同程度上自动地进行。 生产过程自动化：用自动化装置来管理生产过程的方法就 是生产过程自动化。 过程装备控制是生产过程自动化的最重要分支之一。 生产过程自动化是衡量工业企业现代化水平的一个重要标 志。
10
§1.4 控制系统的分类
1.4.1 按给定值的特点划分 1.定值控制系统：给定值是不变的 2.随动控制系统(或称自动跟踪系统)： 给定值是一个不断变化的信号,而且这种变化不是 预先规定好的,给定值的变化是随机的. 3.程序控制系统： 给定值也是一个不断变化的信号,但这种变化是一 个已知的时间函数,即给定值按一定的程序变化.
过程控制
第一章1、过程控制（Process control ）是指连续生产过程的自动控制。
石油、化工、水利、电力、冶金、轻工、纺织、制药、建材、核能、环境工程等许多领域的自动控制系统，都属于过程控制系统。
连续生产过程的特征是：生产过程中的各种流体，在连续（或间歇）的流动过程中进行着物理化学反应、物质能量的转换或传递。
2、过程控制系统的定义：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。
3、1.3.1过程控制系统的分类过程控制系统有多种分类方法。
常用的分类方法有两种：﹡按设定值的形式 ﹡按系统的结构1. 按设定值的形式分类1）定值控制系统—— 设定值恒定不变。
2）随动控制系统——设定值随时可能变化。
3）程序控制系统——设定值按预定的时间程序变化。
2. 按系统的结构特点分类1）反馈控制系统（闭环控制系统）将被控变量输入到控制器，形成闭环，具有被控变量负反馈的控制系统。
2）前馈控制系统（开环控制系统）控制系统没有被控变量负反馈，不将被控变量引入到控制器输入端。
3）复合控制系统前馈与反馈相结合，优势互补。
4、1.3.2过程控制系统的性能指标当被控对象受到干扰、被控变量发生变化时，控制系统抵制干扰、纠正被控变量的过程，反映了控制系统的优劣。
为此，要有评价控制系统的性能指标。
控制系统的性能指标是根据工艺对控制的要求来制定的，概括为稳定性、准确性和快速性。
控制性能指标有单项指标和综合指标两类单项性能指标以控制系统被控参数过渡过程的单项特征量作为性能指标，而偏差积分性能指标则是一种综合性指标。
1. 系统阶跃响应的单项性能指标单项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。
1）衰减比n 和衰减率ψ衰减比 n 和衰减率ψ 是表示系统稳定程度的指标。
n 大于1，则系统是稳定的。
随着n 的增大，过渡过程逐渐由衰减振荡趋向于单调过程。
试验证明：衰减比在 4: 1到10:1之间时，过渡过程的衰减程度合适，过渡过程较短。