Process Control & Instrumentation Technology
主要内容
过程控制的主要特点
过程控制的品质指标
阶跃响应性能指标：静差、衰减率、超调量、过渡过程时间
偏差积分指标
过程控制的发展状况和趋势
我国过程控制技术的发展
Process Control & Instrumentation Technology
过程控制的主要特点
被控过程的多样性
控制方案的多样性
有单回路、串级、前馈 -反馈、比值、均匀、
分程、选择性、时滞、数字和计算机过程控制系统等。
控制过程属慢过程、多半属参量控制
定值控制是主要控制形式
Process Control & Instrumentation Technology
过程控制的品质指标
决定过程控制系统品质的环节：
控制系统结构
被控过程特性
过程检测、控制仪表
性能良好的过程控制系统，在受到外来扰动作用或给定值发生变化后，应
平稳、
准确、
迅速地回复（或趋近）到给定值上。
Process Control & Instrumentation Technology
过程控制的品质指标
过程控制系统的评价指标可概括为：
系统必须是稳定的； （平稳）
系统应能提供尽可能好的稳态调节；（准确）
系统应能提供尽可能好的过渡过程。（迅速）
控制性能指标应根据生产工艺过程的实际需要确定，通常采用系统阶跃响应曲线的性能指标和偏差积分性能指标。
Process Control & Instrumentation Technology
阶跃响应性能指标
余差（静态偏差） C
描述系统稳态特性的唯一指标
指系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳态值之差。
一般要求余差不超过预定值或为零。
Process Control & Instrumentation Technology
阶跃响应性能指标
衰减率 ψ
衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标。
一般取衰减率 ψ =0.75～ 0.9。其中 1/4衰减率
（ ψ =0.75） 作为评价过渡过程的一个重要指标。
1
2
1
21 1
B
B
B
BB
Process Control & Instrumentation Technology
阶跃响应性能指标
Process Control & Instrumentation Technology
阶跃响应性能指标
Process Control & Instrumentation Technology
阶跃响应性能指标
最大偏差 A（或超调量 σ ）
最大偏差 A是指被控参数第一个波的峰值与给定值的差
超调量：
%1 0 0)( )()( y yty p?
Process Control & Instrumentation Technology
阶跃响应性能指标
过渡过程时间 ts
指系统从受扰动作用时起，直到被控参数进入新的稳态值 ± 5%（或 ± 2%） 的范围内所经历的时间。
一般要求 ts愈短愈好。
Process Control & Instrumentation Technology
性能指标之间的关系
有些是相互矛盾的（如超调量与过渡过程时间）
对于不同的控制系统，这些性能指标各有其重要性。
应根据工艺生产的具体要求，分清主次，
统筹兼顾，保证优先满足主要的品质指标要求。
Process Control & Instrumentation Technology
偏差积分性能指标
偏差绝对值积分（ Integral of Absolute
Error:IAE）
适用于衰减和无静差系统
m in)(0 dtteJ
Process Control & Instrumentation Technology
偏差积分性能指标
偏差绝对值与时间乘积的积分（ ITAE）
用以降低初始大误差对性能指标的影响；
同时强调了过渡过程后期的误差对指标的影响。
m in)(0 dttetJ
Process Control & Instrumentation Technology
偏差积分性能指标
偏差平方值积分（ Integral of Squared
Error,ISE）
同 IAE
m in)(0 2 dtteJ
Process Control & Instrumentation Technology
偏差积分性能指标
时间乘偏差平方积分（ ITSE）
同 ITAE
m in)(0 2 dttteJ
Process Control & Instrumentation Technology
过程控制的发展简况
手工操作状态（ 20世纪 40年代前后）
仪表化与局部自动化阶段（ 50～ 60年代）
综合自动化（ 60-70年代中期）阶段
全盘自动化阶段（ 70年代中期至今）
Process Control & Instrumentation Technology
仪表化与局部自动化阶段（ 50～ 60年代）
系统结构大多为单输入 -单输出的单回路定值控制系统。
过程检测控制仪表为基地式仪表和部分单元组合式仪表。
Process Control & Instrumentation Technology
基地式仪表
一般与检测装置、显示装置一起组装在一个整体之内
同时具有检测、控制与显示的功能
结构简单、价格低廉、使用方便
通用性差，信号不易传递
一般应用于简单控制系统中。
Process Control & Instrumentation Technology
单元组合式仪表
将仪表按其功能分成若干单元
各个单元之间以统一的标准信号相互联系
具有高度的灵活性和通用性，各个单元可以适当组合，也可与计算机等设备配合，
组合各种复杂的、新型的控制系统。
有气动组合仪表和电动单元组合仪表
（ QDZ和 DDZ仪表）两类。
Process Control & Instrumentation Technology
气动单元组合仪表（ QDZ）
采用 140kPa压缩空气为能源，以 20～
100kPa标准统一信号输出
结构简单、价格便宜、性能稳定、工作可靠、安全防火防爆
特别适用于石油、化工等易燃易爆场合
Process Control & Instrumentation Technology
电动单元组合仪表（ DDZ）
采用 0-10mA 或 4-20mA标准统一信号
体积小、重量轻、安装维护方便、便于计算机接口
部分仪表（如 DDZ-Ⅲ 型）采取了先进的安全防爆措施，能构成本质安全防爆系统，
同样能应用于易燃易爆场合。
Process Control & Instrumentation Technology
综合自动化阶段（ 60-70年代中期）
工业生产过程出现了一个车间甚至于一个工厂的综合自动化
过程检测控制仪表是单元组合仪表和组装式仪表
逐步采用数字计算机以及以微处理器为基础的集散控制系统。
Process Control & Instrumentation Technology
数字控制仪表
积木式结构
部分单元采用微电脑技术，可进行数字运算
可编程数字调节器（如 KMM仪表）是其中最具代表性的单元仪表，特点有：
内部结构微机化；
运算数字化；
编程方法简单；
自整定、自诊断的功能；
通讯功能。
Process Control & Instrumentation Technology
全盘自动化阶段（ 70年代中期至今）
实现了全车间、全厂、甚至全企业无人或很少人参与操作管理
实现了过程控制最优化与现代化的集中调度管理相结合
Process Control & Instrumentation Technology
我国过程控制技术的发展
50年代末期，主要采用机械式和气动仪表
60年代广泛采用 Ⅰ 型电动单元组合仪表
70年代中期,Ⅱ 型电动单元组合仪表成为过程检测和控制的主流产品
80年代初，开始采用 Ⅲ 型电动单元组合仪表,相继引进了分布式控制系统（ DCS）、
可编程序控制器（ PLC）和工业 PC机
（ IPC）
主要内容
过程控制的主要特点
过程控制的品质指标
阶跃响应性能指标：静差、衰减率、超调量、过渡过程时间
偏差积分指标
过程控制的发展状况和趋势
我国过程控制技术的发展
Process Control & Instrumentation Technology
过程控制的主要特点
被控过程的多样性
控制方案的多样性
有单回路、串级、前馈 -反馈、比值、均匀、
分程、选择性、时滞、数字和计算机过程控制系统等。
控制过程属慢过程、多半属参量控制
定值控制是主要控制形式
Process Control & Instrumentation Technology
过程控制的品质指标
决定过程控制系统品质的环节：
控制系统结构
被控过程特性
过程检测、控制仪表
性能良好的过程控制系统，在受到外来扰动作用或给定值发生变化后，应
平稳、
准确、
迅速地回复（或趋近）到给定值上。
Process Control & Instrumentation Technology
过程控制的品质指标
过程控制系统的评价指标可概括为：
系统必须是稳定的； （平稳）
系统应能提供尽可能好的稳态调节；（准确）
系统应能提供尽可能好的过渡过程。（迅速）
控制性能指标应根据生产工艺过程的实际需要确定，通常采用系统阶跃响应曲线的性能指标和偏差积分性能指标。
Process Control & Instrumentation Technology
阶跃响应性能指标
余差（静态偏差） C
描述系统稳态特性的唯一指标
指系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳态值之差。
一般要求余差不超过预定值或为零。
Process Control & Instrumentation Technology
阶跃响应性能指标
衰减率 ψ
衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标。
一般取衰减率 ψ =0.75～ 0.9。其中 1/4衰减率
（ ψ =0.75） 作为评价过渡过程的一个重要指标。
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Process Control & Instrumentation Technology
阶跃响应性能指标
Process Control & Instrumentation Technology
阶跃响应性能指标
Process Control & Instrumentation Technology
阶跃响应性能指标
最大偏差 A（或超调量 σ ）
最大偏差 A是指被控参数第一个波的峰值与给定值的差
超调量：
%1 0 0)( )()( y yty p?
Process Control & Instrumentation Technology
阶跃响应性能指标
过渡过程时间 ts
指系统从受扰动作用时起，直到被控参数进入新的稳态值 ± 5%（或 ± 2%） 的范围内所经历的时间。
一般要求 ts愈短愈好。
Process Control & Instrumentation Technology
性能指标之间的关系
有些是相互矛盾的（如超调量与过渡过程时间）
对于不同的控制系统，这些性能指标各有其重要性。
应根据工艺生产的具体要求，分清主次，
统筹兼顾，保证优先满足主要的品质指标要求。
Process Control & Instrumentation Technology
偏差积分性能指标
偏差绝对值积分（ Integral of Absolute
Error:IAE）
适用于衰减和无静差系统
m in)(0 dtteJ
Process Control & Instrumentation Technology
偏差积分性能指标
偏差绝对值与时间乘积的积分（ ITAE）
用以降低初始大误差对性能指标的影响；
同时强调了过渡过程后期的误差对指标的影响。
m in)(0 dttetJ
Process Control & Instrumentation Technology
偏差积分性能指标
偏差平方值积分（ Integral of Squared
Error,ISE）
同 IAE
m in)(0 2 dtteJ
Process Control & Instrumentation Technology
偏差积分性能指标
时间乘偏差平方积分（ ITSE）
同 ITAE
m in)(0 2 dttteJ
Process Control & Instrumentation Technology
过程控制的发展简况
手工操作状态（ 20世纪 40年代前后）
仪表化与局部自动化阶段（ 50～ 60年代）
综合自动化（ 60-70年代中期）阶段
全盘自动化阶段（ 70年代中期至今）
Process Control & Instrumentation Technology
仪表化与局部自动化阶段（ 50～ 60年代）
系统结构大多为单输入 -单输出的单回路定值控制系统。
过程检测控制仪表为基地式仪表和部分单元组合式仪表。
Process Control & Instrumentation Technology
基地式仪表
一般与检测装置、显示装置一起组装在一个整体之内
同时具有检测、控制与显示的功能
结构简单、价格低廉、使用方便
通用性差，信号不易传递
一般应用于简单控制系统中。
Process Control & Instrumentation Technology
单元组合式仪表
将仪表按其功能分成若干单元
各个单元之间以统一的标准信号相互联系
具有高度的灵活性和通用性，各个单元可以适当组合，也可与计算机等设备配合，
组合各种复杂的、新型的控制系统。
有气动组合仪表和电动单元组合仪表
（ QDZ和 DDZ仪表）两类。
Process Control & Instrumentation Technology
气动单元组合仪表（ QDZ）
采用 140kPa压缩空气为能源，以 20～
100kPa标准统一信号输出
结构简单、价格便宜、性能稳定、工作可靠、安全防火防爆
特别适用于石油、化工等易燃易爆场合
Process Control & Instrumentation Technology
电动单元组合仪表（ DDZ）
采用 0-10mA 或 4-20mA标准统一信号
体积小、重量轻、安装维护方便、便于计算机接口
部分仪表（如 DDZ-Ⅲ 型）采取了先进的安全防爆措施，能构成本质安全防爆系统，
同样能应用于易燃易爆场合。
Process Control & Instrumentation Technology
综合自动化阶段（ 60-70年代中期）
工业生产过程出现了一个车间甚至于一个工厂的综合自动化
过程检测控制仪表是单元组合仪表和组装式仪表
逐步采用数字计算机以及以微处理器为基础的集散控制系统。
Process Control & Instrumentation Technology
数字控制仪表
积木式结构
部分单元采用微电脑技术，可进行数字运算
可编程数字调节器（如 KMM仪表）是其中最具代表性的单元仪表，特点有：
内部结构微机化；
运算数字化；
编程方法简单；
自整定、自诊断的功能；
通讯功能。
Process Control & Instrumentation Technology
全盘自动化阶段（ 70年代中期至今）
实现了全车间、全厂、甚至全企业无人或很少人参与操作管理
实现了过程控制最优化与现代化的集中调度管理相结合
Process Control & Instrumentation Technology
我国过程控制技术的发展
50年代末期，主要采用机械式和气动仪表
60年代广泛采用 Ⅰ 型电动单元组合仪表
70年代中期,Ⅱ 型电动单元组合仪表成为过程检测和控制的主流产品
80年代初，开始采用 Ⅲ 型电动单元组合仪表,相继引进了分布式控制系统（ DCS）、
可编程序控制器（ PLC）和工业 PC机
（ IPC）
