2009-7-30 调节仪表与过程控制系统主讲：刘红丽
james97@163.com
027－ 62127582
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统参考文献
1：控制仪表与装臵向婉成,机械工业出版社
2：过程控制系统及仪表邵裕森,2005
机械工业出版社
3.过程控制与自动化仪表，侯志林，
机械工业出版社教材,过程控制系统方康玲,武汉理工大学出版社课时安排：
理论教学,56
实验,8
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统高等学校工科自动化专业学生的一门必修的重要专业课,它是为培养我国社会主义现代化建设所需要的高质量专门人才服务的 。 通过本课程的学习,要使学生获得：
调节器,执行器； 检测仪表过程控制系统建摸；过程控制系统设计；
PID调节原理；
串级控制,特殊控制,补偿控制,解藕控制,模糊控制；
计算机过程控制；
等方面的基本概念,基本理论和基本设计技能 。
在传授知识的同时，要通过各个教学环节逐步培养学生具有针对各种生产过程设计出相应的过程控制方案，并能解决系统设备选型、安装、调试、参数整定等具体问题。
课程的性质与任务
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统主要内容：
过程控制系统检测与控制仪表检测仪表控制仪表温度检测仪表、变送器压力检测仪表、变送器流量检测仪表、变送器物位检测仪表成分检测仪表控制器、控制规律、执行器系统模型、系统设计、简单控制系统、串级控制系统、特殊控制系统、补偿控制、
解耦控制、模糊控制、计算机控制等
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
掌握过程控制系统的概念
掌握过程控制的特点和系统的组成
掌握过程控制系统的性能指标计算第一章：绪论本章重点
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
生产过程和过程控制
过程控制的特点和计算机的作用
过程控制的组成和术语
过程控制系统的分类
过程控制系统的性能指标
调节仪表、过程控制系统的发展概况本章主要内容
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统一、生产过程和过程控制
1：生产过程的定义
2：生产过程的总目标
3：生产过程总目标的具体体现
4：过程控制的定义
5:过程控制的任务
6:过程控制的目标上一页 下一页 返回
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统生产过程和过程控制
1.
生产过程的定义物料经过若干加工步骤而成为产品的过程该过程通常会发生：
生产过程其实就是物流变化的过程。
伴随物流变化的信息有：
物理化学变化生化变化物理能量转换和传递物流性质的信息 物理特性、化学成分操作条件的信息 温度、压力、流量、液位或物位
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统一、生产过程和过程控制
2.
生产过程的总目标在可能获得原料和能源的条件下，以最经济的途径将物料加工成预期的合格产品。
？该总目标如何实现为了实现这一目标，
必须对 生产过程进行监视和控制过程控制过程控制系统
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统一、生产过程和过程控制
3.
过程控制的定义凡是采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。 (另有电力拖动控制方向 )
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
4.
过程控制的任务在充分了解生产过程的工艺流程和动静态特性的基础上，应用理论对系统进行分析与综合，以生产过程中物流变化信息作为被控量，选用适宜的技术手段，实现生产过程的控制目标一、生产过程和过程控制
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统一、生产过程和过程控制
5.
生产过程总目标的具体体现安全性 生产过程中，确保人身和设备安全是最重要和最基本的要求
？如何确保
？如何进一步提高生产过程的安全性采用过程控制系统越限报警事故报警连锁保护采用过程控制系统在线故障预测在线故障诊断容错控制
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统稳定性系统抑制外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力外部干扰工业运行环境原料成分的变化能源系统的波动过程控制系统的作用?
在外部干扰下，使生产过程参数与状态产生的变化尽可能小，以消除或减少外部干扰可能造成的不良影响。
一、生产过程和过程控制
5.
生产过程总目标的具体体现
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统经济性一、生产过程和过程控制
5.
生产过程总目标的具体体现低成本、高效益过程控制系统：
优化设计测控管一体化以经济效益为目标的整体优化
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
6.
生产过程的分类连续过程工业离散过程工业间隙过程工业一、生产过程和过程控制
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统二、过程控制的特点和计算机的作用
1：过程控制的目的
2：过程工业的特点
3：过程控制系统的特点
4：计算机在过程控制中的地位和作用
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统二、过程控制的特点和计算机的作用
1：过程控制的目的保持工业过程中有关参数为一定值或按一定规律变化。
2：过程工业的特点
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统二、过程控制的特点和计算机的作用
2：
过程工业的特点
连续过程工业
过程工业伴随着物理化学、生化反应、能量转换与传递 —— 大复杂系统、非线性、时变、不确定性系统等
过程工业常处于恶劣的生产环境中，对生产条件要求苛刻，因此设备与人身安全特别重要。
连续过程工业更强调实时性和整体性，要求协调复杂的耦合与制约因素，求得全局优化。 —— 智能控制方法和计算机控制技术。
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统过程控制的特点和计算机的作用
3：
过程控制系统的特点
2）控制方案的多样性
硬件组成
简单的仪表控制系统
复杂的计算机控制系统
控制算法,PID控制、复杂控制、智能控制
软件设计
控制方法：单变量过程控制、多变量过程控制
1）被控对象的多样性：应用领域、被控量
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统过程控制的特点和计算机的作用
3：
过程控制系统的特点
3）被控过程属慢过程且多属参数控制
连续工业过程的大惯性和大滞后的特点 —— 慢过程
被控过程是物流变化的过程，伴随物流变化的信息（物性、成分,T,P,Q,H） 表征为被控过程的参数，也是过程控制系统的物理量
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
4）对象特性的 难辨性白色系统、黑色系统、灰色系统的概念过程控制的特点和计算机的作用
3：
过程控制系统的特点
5）被控对象的特性往往具有非线性间隙式加温、齿轮运动
6）定值控制是过程控制的主要形式定值控制的主要任务是,如何减小或消除外界干扰，使被控量尽可能保持接近或等于设定值，使生产稳定。
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统过程控制的特点和计算机的作用
4：
计算机在过程控制中的地位和作用计算机的应用不仅促进了现代控制理论的发展，
而且也推动了自动化向深度与广度进军，使生产自动化提高到更高的水平。甚至在向智能化的方向大步迈进。
微型计算机控制生产过程，按不同的控制目的，
可分为两类：一是 数据检测 处理，二是形成 微机控制 系统。
微机控制在提高产品质量、保证安全运行、减少原料和能量消耗、控制和减少环境污染、提高企业的管理水平方面正在并将发挥越来越重要的作用。
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
1-1典型单回路控制系统三,过程控制的组成及术语以液体储槽的水位控制为例进行说明。
液位变送器液位控制器执行器
1.
系统组成
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
2.
系统方块图三,过程控制的组成及术语
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
3.
主要组成部分
(1)、被控对象,生产过程中被控制的工艺设备或装臵。
(2)、检测变送单元,仪表课中已做介绍。
(3)、控制器,实时地对被控系统施加控制作用。
(4)、执行器,将控制信号进行放大以驱动控制阀。常见的有气动和电动两种。
(5)、控制阀,控制进料量。有气开式和气关式之别。
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
1),被控对象 (简称对象或过程 )：前已述及。
2),被控参数,按照生产过程要求，某些变量应该维持在稳定的变化范围内，如果对其施加控制作用，
就称 其 为被控参数。如温度、压力、流量、液位、
成分等 。
4.
常用术语
3)、干扰,凡是影响被控量的各种作用均叫做干扰或扰动。
分内干扰和外干扰。 (内干扰如原料成分变化等,。
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
4)、控制参数,即调节介质。如储水槽液位控制系统的给水量。
5)、测量值,被控变量经检测变送后即是测量值。
6)、给定值,即被控变量的设定值。
4.
常用术语
7)、偏差值：
8)、调节器输出,根据偏差值、经一定算法得到的输出值。调节器输出亦称控制作用。
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统有常规控制系统、计算机控制系统。
1）、按工艺参数分类：
有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、成分控制系统、物位控制系统等。
2）、按系统的任务分类：
有比例控制、均匀控制、前馈控制等。
3）、按自动化装置的不同分类：
四,过程控制系统的分类
1.
一般分类
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统凡是两个或多个变量自动维持一定比值关系的过程控制系统，统称为比值控制系统,
比值控制系统,
7-3 丁烯洗涤塔进料量与洗涤水量的比值控制系统
1.
一般分类
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地,均匀地变化，
使前后设备在物料供求上相互兼顾、均匀协调的系统。
均匀控制
1塔的液位与 2塔的进料量不可能同时保持不变？
1.
一般分类
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
+
-
-
+R ( s ) E ( s )
N ( s )
C ( s )
图 3 - 2 6 按 扰 动 补 偿 的 复 合 控 制 系 统
)(
2
sG)(
1
sG
)( sG
n
前 馈 控 制
+
-
R ( s ) E ( s ) C ( s )
)(1 sG
)( sG r
1.
一般分类
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
5）、按是否形成闭合回路分类：
4）、按控制器的动作分类：
P
PI
PID
位式
。
有常规控制系统、计算机控制系统。
3）、按自动化装置的不同分类：
1.
一般分类
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统是工业生产过程中应用最大的一种过程控制系统。在运行时，系统被控量的给定值是不变的。有时根据生产工艺要求，被控量的给定值保持在规定的小范围附近波动。
2.
按设定值形式分类
1)、定值控制系统
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
2.
按设定值形式分类
2)、随动控制系统其给定值按预定的时间程序来变化。如机械工业中的退火炉的温度控制系统，其给定值是按升温、
保温,逐次降温等程序变化的。家用电器中应用定值控制系统的也很多，如电脑控制的洗衣机、电饭煲等。
是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。它的主要作用是克服一切扰动，使被控量随时跟踪给定值。
3)、程序控制系统
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统五,控制系统的质量指标工业过程对控制的要求：准确性、稳定性、快速性定值控制系统对控制的要求：克服干扰，使系统的被控量能准、稳、快地保持接近或等于设定值。
随动控制系统对控制的要求：目标跟踪，能准、稳、
快地跟踪设定值。
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统过渡过程和品质指标
（ 1）静态（稳态）和动态五,控制系统的质量指标控制系统的作用尽可能使被控变量与设定值保持一致（或随设定值一起变化），当被控变量受干扰影响而偏离设定值时，
控制作用必须驱使它（被控变量）回到设定值。
静态 ―― 被控变量不随时间变化的平衡状态（变化率为
0，不是静止）。
如果控制系统是稳定的，假设设定值和干扰都保持不变，经过足够长的时间，控制系统中各参数必然会到达一个,相对,平衡状态，这种状态就是所谓的,静态
”,在控制领域中更多的称之为,稳态,。
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统在工业对象的设计过程中，需要从物料平衡、能量平衡、传热、传质、化学反应速度与平衡等方面进行大量的计算，这些计算结果就是设计的依据，这部分内容就属于系统,静态,特性的范畴。
从理论上讲，这些计算结果能保证系统运行在平衡状态（物料平衡、能量平衡等），设想设计蒸发系统中蒸汽压力突然发生变化或某个测量信号受到电磁干扰而发生变化，系统用何种方式来克服这些干扰，
仅用,静态,的概念就不能很好地解决这些困难。
过渡过程和品质指标
（ 1）静态（稳态）和动态五,控制系统的质量指标
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统动态 ―― 被控变量随时间变化的不平衡状态 。
如果系统原来处于相对平衡状态 （ 静态 ）,当出现干扰使被控变量发生变化,此时控制系统发生作用,调节器根据偏差及其偏差的变化情况,改变调节器输出,再经执行器改变操纵变量,使被控变量重新回到设定值来,这么一个从干扰发生,
系统控制,直到重新建立平衡的过程称为,动态,过程 。
工艺设计主要围绕系统,静态,特性开展工作，自动控制是在,静态,特性基础上研究其,动态,特性 ―― 当系统失去平衡以后，如何使系统重新回到平衡状态。
如何来评价自控系统的质量？
必须分析,系统失稳以后能否重新回到平衡状态,,,
从系统失稳到重新回到平衡状态,这个过程的各种指标。
过渡过程和品质指标
（ 1）静态（稳态）和动态五,控制系统的质量指标
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
（ 2）过渡过程过渡过程,受到干扰作用后系统失稳,在控制系统的作用下
,被控变量回复到新的平衡状态的过程 。
在分析和设计控制系统时,往往选定阶跃信号作为输入 。
阶跃干扰,在某一瞬间 t0干扰突然阶跃式地加入系统,
并保持在这个幅值 。 阶跃干扰比较突然,比较危险,对控制系统的影响也最大,
设计过程容易产生阶跃干扰 。
对于一个控制系统，如果能有效克服阶跃干扰，肯定能很好地克服其它变化比较缓和的各种干扰。
过渡过程和品质指标五,控制系统的质量指标
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统几种典型的过渡过程：
非周期衰减过程衰减振荡过程等幅振荡过程发散振荡过程单调发散过程
√
√
？
X
X
一般是不允许的除开关量控制回路过渡过程和品质指标五,控制系统的质量指标
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
（ 3）过渡过程的品质指标
·以系统受到阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出 。过渡过程和品质指标五,控制系统的质量指标主要包括：
最大偏差（超调量）、
衰减比余差过渡时间振荡周期（振荡频率） ……
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统以误差性能指标的形式给出,一般指偏差对某个函数的积分。
当这些值达到最小值的系统是某种意义下的最优系统。
（ 3）过渡过程的品质指标过渡过程和品质指标五,控制系统的质量指标主要包括：
平方误差积分指标时间乘平方误差积分指标绝对误差积分指标时间乘绝对误差积分指标
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
t
()yt
0
B?
B
()e? 3t2t1t
C
2
5
稳定误差范围,％
或者 ％的新稳态值阶跃干扰作用下的过渡过程（设定值固定，加一阶跃干扰） —— 定值系统以阶跃响应曲线的形式表示的品质指标
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
t
()yt
Sp
0
B?
B ()e?
3t2t1t
C
25稳定误差范围,％或者 ％的新稳态值阶跃给定作用下的过渡过程（设定值变化） —— 随动系统以阶跃响应曲线的形式表示的品质指标
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统阶跃干扰作用下的过渡过程（设定值固定，加一阶跃干扰） —— 定值系统
t
()yt
0
B?
B
()e? 3t2t1t
C
2
5
稳定误差范围,％
或者 ％的新稳态值最大偏差 emax,m axe B C
衰 减 比 n
：
/n B B
余差 e(∞),( ) ( )e C y
过渡时间 tp,3ptt?
振荡周期,21tt?
以阶跃响应曲线的形式表示的品质指标
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统阶跃给定作用下的过渡过程（设定值变化） —— 随动系统超调量 σ,/ * 1 0 0 %BC
衰 减 比 n,/n B B
余差 e(∞)
：
()e?
过渡时间 tp,3ptt?
振荡周期,21tt?
t
()yt
Sp
0
B?
B ()e?
3t2t1t
C
25稳定误差范围,％或者 ％的新稳态值以阶跃响应曲线的形式表示的品质指标
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统自动控制系统希望的结果：
最大偏差（超调量）？
衰减比？
余差？过渡时间？振荡周期？
答：越小越好
n＝ 1等幅振荡 n＜ 1发散振荡 n＞ 1衰减振荡 不振荡
为了保持有足够的稳定程度，衰减比一般取为 4,1至 10,1；
这种过渡过程不是最优的结果，但操作人员容易掌握，一般也是操作人员所希望的过程
不振荡：不便于操作人员掌握。
答：越小越好?答：越小越好?答：短好以阶跃响应曲线的形式表示的品质指标
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统影响过渡过程的主要因素?
固定因素：对象特性测量仪表特性执行器特性补偿因素,控制器特性 —— 这是自动控制的主要研究内容以阶跃响应曲线的形式表示的品质指标
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
·平方误差积分指标
·时间乘平方误差的积分指标
·绝对误差积分指标
·时间乘绝对误差积分指标
0 21 )( dtteJ
0 22 )( dttteJ
0 3 |)(| dtteJ
0 4 |)(| dttetJ
优化控制的策略：
m i nJ?
以误差性能指标的形式给出
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统例：某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线。试分别求出最大偏差、余差、
衰减比、振荡周期和过渡时间 (给定值为 200)。
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统解,1,最大偏差,A＝ 230— 200＝ 30℃
2,余差 C＝ 205— 200＝ 5℃
3,第一个波峰值 B＝ 230— 205＝ 25℃
第二个波峰值 B’＝ 210— 205＝ 5℃
衰减比 n＝ 25,5＝ 5,l。
4,周期 T＝ 20— 5＝ 15(min)
5,过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的± 2％，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为 200× (± 2％ )
＝± 4℃,这时，可在新稳态值 (205℃) 两侧以宽度为± 4℃ 画一区域，图中以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过渡过程就可以认为已经结束。因此，从图上可以看出，过渡时间为 22min
。
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统求该过程控制系统的质量指标？
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统六、仪表的简要发展过程常见的测控参数,T,P,L,F,A（ 五大参数）
测控仪表的分类：变送器（传感器）、执行器、控制器
*
*
T
P
P
L
F
A
温度,温度变送器（热电偶、热电阻、集成温度传感器 ）
压力,压力变送器差压,差压变送器变送器液位,差压变送器流量,流量变送器（电磁流量计、涡街流量计、涡轮流量计 ）
成份,成份分析仪（在线、离线）
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统六、仪表的简要发展过程
0 ~ 1 0 0 %
/On Of f
电动调节阀能源（动力）
气动调节阀执行器连续,调节阀工作方式通断,开关阀控制器：常规调节器、智能调节器、计算机系统
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统基地式仪表 只具备简单测控功能，其信号一般仅在本仪表内起作用，各测控点间的信号难以相互沟通，操作人员只能通过巡视生产现场来了解生产状况。（目前已淘汰）
单元组合仪表 随着生产规模的扩大和工艺要求的提高，操作人员需要掌握多点的运行参数和信息，需要按多点的运行信息实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式仪表，出现了集中控制室。生产现场各处的参数通过统一的模拟信号送往集中控制室，在控制盘上连接。操作人员可以坐在控制室纵观生产流程各处的状况。
QDZ,气源 (140kPa),信号 (20－ 100kPa)。 主要有力平衡型和力矩平衡型两类,气动单元组合仪表已基本淘汰 。
DDZ,DDZ－ II型：电源 220VAC,信号 0～ 10mA
DDZ－ III型：电源 24VDC,信号 4～ 20mA,1～ 5VDC
智 能 仪 表现场总线仪表
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统基地式仪表单元组合仪表智 能 仪 表 仪表中含有微处理器，功能强，往往具备数字信号传输和模拟信号传输两种功能。
现场总线仪表 简而言之就是满足现场总线协议标准的智能仪表。
目前，应用最多的测控仪表主要是 DDZ－ III
模拟仪表和部分智能型仪表。考虑到控制系统逐渐向 FCS方向发展，因此现场总线技术和现场总线仪表的应用将日渐广泛。
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统自动化装臵的简要发展过基地式系统基地式仪表第 0代常规仪表控制系统单元组合仪表：
调、变、执、算
(DDZ-II,III、
QDZ)
第 1代
DDC控制变、执
(DDZ-II,III)
集中型计算机控制系统变、执
(DDZ-II,III)
第 2代
DCS
OS,小型机,IPC
CS,IPC,PLC、
智能调节器现场仪表,DDZ-III
为主第 3代 *
FCS
将全厂最基础的现场级仪表和装置均通过现场总线连接起来,
实现全数字化通讯 。
现场仪表：总线仪表第 4代 *
分布式 IO DCS
现场信号根据传输距离或功能不同连接到现场 I/O设备上,各现场 I/O设备与控制站间通过网络 （ 现场总线 ） 连接 。
现场仪表,DDZ-III,总线仪表过渡型 *
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统小结
连续的过程工业控制
过程控制系统的构成
过程控制的主要特点
主要性能指标的计算
过程控制的发展作业,P7 1.2,1.3
见 PPT--P54
james97@163.com
027－ 62127582
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统参考文献
1：控制仪表与装臵向婉成,机械工业出版社
2：过程控制系统及仪表邵裕森,2005
机械工业出版社
3.过程控制与自动化仪表，侯志林，
机械工业出版社教材,过程控制系统方康玲,武汉理工大学出版社课时安排：
理论教学,56
实验,8
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统高等学校工科自动化专业学生的一门必修的重要专业课,它是为培养我国社会主义现代化建设所需要的高质量专门人才服务的 。 通过本课程的学习,要使学生获得：
调节器,执行器； 检测仪表过程控制系统建摸；过程控制系统设计；
PID调节原理；
串级控制,特殊控制,补偿控制,解藕控制,模糊控制；
计算机过程控制；
等方面的基本概念,基本理论和基本设计技能 。
在传授知识的同时，要通过各个教学环节逐步培养学生具有针对各种生产过程设计出相应的过程控制方案，并能解决系统设备选型、安装、调试、参数整定等具体问题。
课程的性质与任务
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统主要内容：
过程控制系统检测与控制仪表检测仪表控制仪表温度检测仪表、变送器压力检测仪表、变送器流量检测仪表、变送器物位检测仪表成分检测仪表控制器、控制规律、执行器系统模型、系统设计、简单控制系统、串级控制系统、特殊控制系统、补偿控制、
解耦控制、模糊控制、计算机控制等
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
掌握过程控制系统的概念
掌握过程控制的特点和系统的组成
掌握过程控制系统的性能指标计算第一章：绪论本章重点
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
生产过程和过程控制
过程控制的特点和计算机的作用
过程控制的组成和术语
过程控制系统的分类
过程控制系统的性能指标
调节仪表、过程控制系统的发展概况本章主要内容
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统一、生产过程和过程控制
1：生产过程的定义
2：生产过程的总目标
3：生产过程总目标的具体体现
4：过程控制的定义
5:过程控制的任务
6:过程控制的目标上一页 下一页 返回
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统生产过程和过程控制
1.
生产过程的定义物料经过若干加工步骤而成为产品的过程该过程通常会发生：
生产过程其实就是物流变化的过程。
伴随物流变化的信息有：
物理化学变化生化变化物理能量转换和传递物流性质的信息 物理特性、化学成分操作条件的信息 温度、压力、流量、液位或物位
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统一、生产过程和过程控制
2.
生产过程的总目标在可能获得原料和能源的条件下，以最经济的途径将物料加工成预期的合格产品。
？该总目标如何实现为了实现这一目标，
必须对 生产过程进行监视和控制过程控制过程控制系统
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统一、生产过程和过程控制
3.
过程控制的定义凡是采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。 (另有电力拖动控制方向 )
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
4.
过程控制的任务在充分了解生产过程的工艺流程和动静态特性的基础上，应用理论对系统进行分析与综合，以生产过程中物流变化信息作为被控量，选用适宜的技术手段，实现生产过程的控制目标一、生产过程和过程控制
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统一、生产过程和过程控制
5.
生产过程总目标的具体体现安全性 生产过程中，确保人身和设备安全是最重要和最基本的要求
？如何确保
？如何进一步提高生产过程的安全性采用过程控制系统越限报警事故报警连锁保护采用过程控制系统在线故障预测在线故障诊断容错控制
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统稳定性系统抑制外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力外部干扰工业运行环境原料成分的变化能源系统的波动过程控制系统的作用?
在外部干扰下，使生产过程参数与状态产生的变化尽可能小，以消除或减少外部干扰可能造成的不良影响。
一、生产过程和过程控制
5.
生产过程总目标的具体体现
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统经济性一、生产过程和过程控制
5.
生产过程总目标的具体体现低成本、高效益过程控制系统：
优化设计测控管一体化以经济效益为目标的整体优化
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
6.
生产过程的分类连续过程工业离散过程工业间隙过程工业一、生产过程和过程控制
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统二、过程控制的特点和计算机的作用
1：过程控制的目的
2：过程工业的特点
3：过程控制系统的特点
4：计算机在过程控制中的地位和作用
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统二、过程控制的特点和计算机的作用
1：过程控制的目的保持工业过程中有关参数为一定值或按一定规律变化。
2：过程工业的特点
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统二、过程控制的特点和计算机的作用
2：
过程工业的特点
连续过程工业
过程工业伴随着物理化学、生化反应、能量转换与传递 —— 大复杂系统、非线性、时变、不确定性系统等
过程工业常处于恶劣的生产环境中，对生产条件要求苛刻，因此设备与人身安全特别重要。
连续过程工业更强调实时性和整体性，要求协调复杂的耦合与制约因素，求得全局优化。 —— 智能控制方法和计算机控制技术。
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统过程控制的特点和计算机的作用
3：
过程控制系统的特点
2）控制方案的多样性
硬件组成
简单的仪表控制系统
复杂的计算机控制系统
控制算法,PID控制、复杂控制、智能控制
软件设计
控制方法：单变量过程控制、多变量过程控制
1）被控对象的多样性：应用领域、被控量
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统过程控制的特点和计算机的作用
3：
过程控制系统的特点
3）被控过程属慢过程且多属参数控制
连续工业过程的大惯性和大滞后的特点 —— 慢过程
被控过程是物流变化的过程，伴随物流变化的信息（物性、成分,T,P,Q,H） 表征为被控过程的参数，也是过程控制系统的物理量
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4）对象特性的 难辨性白色系统、黑色系统、灰色系统的概念过程控制的特点和计算机的作用
3：
过程控制系统的特点
5）被控对象的特性往往具有非线性间隙式加温、齿轮运动
6）定值控制是过程控制的主要形式定值控制的主要任务是,如何减小或消除外界干扰，使被控量尽可能保持接近或等于设定值，使生产稳定。
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统过程控制的特点和计算机的作用
4：
计算机在过程控制中的地位和作用计算机的应用不仅促进了现代控制理论的发展，
而且也推动了自动化向深度与广度进军，使生产自动化提高到更高的水平。甚至在向智能化的方向大步迈进。
微型计算机控制生产过程，按不同的控制目的，
可分为两类：一是 数据检测 处理，二是形成 微机控制 系统。
微机控制在提高产品质量、保证安全运行、减少原料和能量消耗、控制和减少环境污染、提高企业的管理水平方面正在并将发挥越来越重要的作用。
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1-1典型单回路控制系统三,过程控制的组成及术语以液体储槽的水位控制为例进行说明。
液位变送器液位控制器执行器
1.
系统组成
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
2.
系统方块图三,过程控制的组成及术语
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
3.
主要组成部分
(1)、被控对象,生产过程中被控制的工艺设备或装臵。
(2)、检测变送单元,仪表课中已做介绍。
(3)、控制器,实时地对被控系统施加控制作用。
(4)、执行器,将控制信号进行放大以驱动控制阀。常见的有气动和电动两种。
(5)、控制阀,控制进料量。有气开式和气关式之别。
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
1),被控对象 (简称对象或过程 )：前已述及。
2),被控参数,按照生产过程要求，某些变量应该维持在稳定的变化范围内，如果对其施加控制作用，
就称 其 为被控参数。如温度、压力、流量、液位、
成分等 。
4.
常用术语
3)、干扰,凡是影响被控量的各种作用均叫做干扰或扰动。
分内干扰和外干扰。 (内干扰如原料成分变化等,。
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
4)、控制参数,即调节介质。如储水槽液位控制系统的给水量。
5)、测量值,被控变量经检测变送后即是测量值。
6)、给定值,即被控变量的设定值。
4.
常用术语
7)、偏差值：
8)、调节器输出,根据偏差值、经一定算法得到的输出值。调节器输出亦称控制作用。
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统有常规控制系统、计算机控制系统。
1）、按工艺参数分类：
有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、成分控制系统、物位控制系统等。
2）、按系统的任务分类：
有比例控制、均匀控制、前馈控制等。
3）、按自动化装置的不同分类：
四,过程控制系统的分类
1.
一般分类
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统凡是两个或多个变量自动维持一定比值关系的过程控制系统，统称为比值控制系统,
比值控制系统,
7-3 丁烯洗涤塔进料量与洗涤水量的比值控制系统
1.
一般分类
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地,均匀地变化，
使前后设备在物料供求上相互兼顾、均匀协调的系统。
均匀控制
1塔的液位与 2塔的进料量不可能同时保持不变？
1.
一般分类
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
+
-
-
+R ( s ) E ( s )
N ( s )
C ( s )
图 3 - 2 6 按 扰 动 补 偿 的 复 合 控 制 系 统
)(
2
sG)(
1
sG
)( sG
n
前 馈 控 制
+
-
R ( s ) E ( s ) C ( s )
)(1 sG
)( sG r
1.
一般分类
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
5）、按是否形成闭合回路分类：
4）、按控制器的动作分类：
P
PI
PID
位式
。
有常规控制系统、计算机控制系统。
3）、按自动化装置的不同分类：
1.
一般分类
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统是工业生产过程中应用最大的一种过程控制系统。在运行时，系统被控量的给定值是不变的。有时根据生产工艺要求，被控量的给定值保持在规定的小范围附近波动。
2.
按设定值形式分类
1)、定值控制系统
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
2.
按设定值形式分类
2)、随动控制系统其给定值按预定的时间程序来变化。如机械工业中的退火炉的温度控制系统，其给定值是按升温、
保温,逐次降温等程序变化的。家用电器中应用定值控制系统的也很多，如电脑控制的洗衣机、电饭煲等。
是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。它的主要作用是克服一切扰动，使被控量随时跟踪给定值。
3)、程序控制系统
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统五,控制系统的质量指标工业过程对控制的要求：准确性、稳定性、快速性定值控制系统对控制的要求：克服干扰，使系统的被控量能准、稳、快地保持接近或等于设定值。
随动控制系统对控制的要求：目标跟踪，能准、稳、
快地跟踪设定值。
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统过渡过程和品质指标
（ 1）静态（稳态）和动态五,控制系统的质量指标控制系统的作用尽可能使被控变量与设定值保持一致（或随设定值一起变化），当被控变量受干扰影响而偏离设定值时，
控制作用必须驱使它（被控变量）回到设定值。
静态 ―― 被控变量不随时间变化的平衡状态（变化率为
0，不是静止）。
如果控制系统是稳定的，假设设定值和干扰都保持不变，经过足够长的时间，控制系统中各参数必然会到达一个,相对,平衡状态，这种状态就是所谓的,静态
”,在控制领域中更多的称之为,稳态,。
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统在工业对象的设计过程中，需要从物料平衡、能量平衡、传热、传质、化学反应速度与平衡等方面进行大量的计算，这些计算结果就是设计的依据，这部分内容就属于系统,静态,特性的范畴。
从理论上讲，这些计算结果能保证系统运行在平衡状态（物料平衡、能量平衡等），设想设计蒸发系统中蒸汽压力突然发生变化或某个测量信号受到电磁干扰而发生变化，系统用何种方式来克服这些干扰，
仅用,静态,的概念就不能很好地解决这些困难。
过渡过程和品质指标
（ 1）静态（稳态）和动态五,控制系统的质量指标
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统动态 ―― 被控变量随时间变化的不平衡状态 。
如果系统原来处于相对平衡状态 （ 静态 ）,当出现干扰使被控变量发生变化,此时控制系统发生作用,调节器根据偏差及其偏差的变化情况,改变调节器输出,再经执行器改变操纵变量,使被控变量重新回到设定值来,这么一个从干扰发生,
系统控制,直到重新建立平衡的过程称为,动态,过程 。
工艺设计主要围绕系统,静态,特性开展工作，自动控制是在,静态,特性基础上研究其,动态,特性 ―― 当系统失去平衡以后，如何使系统重新回到平衡状态。
如何来评价自控系统的质量？
必须分析,系统失稳以后能否重新回到平衡状态,,,
从系统失稳到重新回到平衡状态,这个过程的各种指标。
过渡过程和品质指标
（ 1）静态（稳态）和动态五,控制系统的质量指标
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
（ 2）过渡过程过渡过程,受到干扰作用后系统失稳,在控制系统的作用下
,被控变量回复到新的平衡状态的过程 。
在分析和设计控制系统时,往往选定阶跃信号作为输入 。
阶跃干扰,在某一瞬间 t0干扰突然阶跃式地加入系统,
并保持在这个幅值 。 阶跃干扰比较突然,比较危险,对控制系统的影响也最大,
设计过程容易产生阶跃干扰 。
对于一个控制系统，如果能有效克服阶跃干扰，肯定能很好地克服其它变化比较缓和的各种干扰。
过渡过程和品质指标五,控制系统的质量指标
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统几种典型的过渡过程：
非周期衰减过程衰减振荡过程等幅振荡过程发散振荡过程单调发散过程
√
√
？
X
X
一般是不允许的除开关量控制回路过渡过程和品质指标五,控制系统的质量指标
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
（ 3）过渡过程的品质指标
·以系统受到阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出 。过渡过程和品质指标五,控制系统的质量指标主要包括：
最大偏差（超调量）、
衰减比余差过渡时间振荡周期（振荡频率） ……
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统以误差性能指标的形式给出,一般指偏差对某个函数的积分。
当这些值达到最小值的系统是某种意义下的最优系统。
（ 3）过渡过程的品质指标过渡过程和品质指标五,控制系统的质量指标主要包括：
平方误差积分指标时间乘平方误差积分指标绝对误差积分指标时间乘绝对误差积分指标
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
t
()yt
0
B?
B
()e? 3t2t1t
C
2
5
稳定误差范围,％
或者 ％的新稳态值阶跃干扰作用下的过渡过程（设定值固定，加一阶跃干扰） —— 定值系统以阶跃响应曲线的形式表示的品质指标
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
t
()yt
Sp
0
B?
B ()e?
3t2t1t
C
25稳定误差范围,％或者 ％的新稳态值阶跃给定作用下的过渡过程（设定值变化） —— 随动系统以阶跃响应曲线的形式表示的品质指标
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统阶跃干扰作用下的过渡过程（设定值固定，加一阶跃干扰） —— 定值系统
t
()yt
0
B?
B
()e? 3t2t1t
C
2
5
稳定误差范围,％
或者 ％的新稳态值最大偏差 emax,m axe B C
衰 减 比 n
：
/n B B
余差 e(∞),( ) ( )e C y
过渡时间 tp,3ptt?
振荡周期,21tt?
以阶跃响应曲线的形式表示的品质指标
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统阶跃给定作用下的过渡过程（设定值变化） —— 随动系统超调量 σ,/ * 1 0 0 %BC
衰 减 比 n,/n B B
余差 e(∞)
：
()e?
过渡时间 tp,3ptt?
振荡周期,21tt?
t
()yt
Sp
0
B?
B ()e?
3t2t1t
C
25稳定误差范围,％或者 ％的新稳态值以阶跃响应曲线的形式表示的品质指标
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统自动控制系统希望的结果：
最大偏差（超调量）？
衰减比？
余差？过渡时间？振荡周期？
答：越小越好
n＝ 1等幅振荡 n＜ 1发散振荡 n＞ 1衰减振荡 不振荡
为了保持有足够的稳定程度，衰减比一般取为 4,1至 10,1；
这种过渡过程不是最优的结果，但操作人员容易掌握，一般也是操作人员所希望的过程
不振荡：不便于操作人员掌握。
答：越小越好?答：越小越好?答：短好以阶跃响应曲线的形式表示的品质指标
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统影响过渡过程的主要因素?
固定因素：对象特性测量仪表特性执行器特性补偿因素,控制器特性 —— 这是自动控制的主要研究内容以阶跃响应曲线的形式表示的品质指标
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统
·平方误差积分指标
·时间乘平方误差的积分指标
·绝对误差积分指标
·时间乘绝对误差积分指标
0 21 )( dtteJ
0 22 )( dttteJ
0 3 |)(| dtteJ
0 4 |)(| dttetJ
优化控制的策略：
m i nJ?
以误差性能指标的形式给出
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统例：某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线。试分别求出最大偏差、余差、
衰减比、振荡周期和过渡时间 (给定值为 200)。
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统解,1,最大偏差,A＝ 230— 200＝ 30℃
2,余差 C＝ 205— 200＝ 5℃
3,第一个波峰值 B＝ 230— 205＝ 25℃
第二个波峰值 B’＝ 210— 205＝ 5℃
衰减比 n＝ 25,5＝ 5,l。
4,周期 T＝ 20— 5＝ 15(min)
5,过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的± 2％，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为 200× (± 2％ )
＝± 4℃,这时，可在新稳态值 (205℃) 两侧以宽度为± 4℃ 画一区域，图中以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过渡过程就可以认为已经结束。因此，从图上可以看出，过渡时间为 22min
。
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统求该过程控制系统的质量指标？
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统六、仪表的简要发展过程常见的测控参数,T,P,L,F,A（ 五大参数）
测控仪表的分类：变送器（传感器）、执行器、控制器
*
*
T
P
P
L
F
A
温度,温度变送器（热电偶、热电阻、集成温度传感器 ）
压力,压力变送器差压,差压变送器变送器液位,差压变送器流量,流量变送器（电磁流量计、涡街流量计、涡轮流量计 ）
成份,成份分析仪（在线、离线）
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统六、仪表的简要发展过程
0 ~ 1 0 0 %
/On Of f
电动调节阀能源（动力）
气动调节阀执行器连续,调节阀工作方式通断,开关阀控制器：常规调节器、智能调节器、计算机系统
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统基地式仪表 只具备简单测控功能，其信号一般仅在本仪表内起作用，各测控点间的信号难以相互沟通，操作人员只能通过巡视生产现场来了解生产状况。（目前已淘汰）
单元组合仪表 随着生产规模的扩大和工艺要求的提高，操作人员需要掌握多点的运行参数和信息，需要按多点的运行信息实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式仪表，出现了集中控制室。生产现场各处的参数通过统一的模拟信号送往集中控制室，在控制盘上连接。操作人员可以坐在控制室纵观生产流程各处的状况。
QDZ,气源 (140kPa),信号 (20－ 100kPa)。 主要有力平衡型和力矩平衡型两类,气动单元组合仪表已基本淘汰 。
DDZ,DDZ－ II型：电源 220VAC,信号 0～ 10mA
DDZ－ III型：电源 24VDC,信号 4～ 20mA,1～ 5VDC
智 能 仪 表现场总线仪表
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统基地式仪表单元组合仪表智 能 仪 表 仪表中含有微处理器，功能强，往往具备数字信号传输和模拟信号传输两种功能。
现场总线仪表 简而言之就是满足现场总线协议标准的智能仪表。
目前，应用最多的测控仪表主要是 DDZ－ III
模拟仪表和部分智能型仪表。考虑到控制系统逐渐向 FCS方向发展，因此现场总线技术和现场总线仪表的应用将日渐广泛。
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统自动化装臵的简要发展过基地式系统基地式仪表第 0代常规仪表控制系统单元组合仪表：
调、变、执、算
(DDZ-II,III、
QDZ)
第 1代
DDC控制变、执
(DDZ-II,III)
集中型计算机控制系统变、执
(DDZ-II,III)
第 2代
DCS
OS,小型机,IPC
CS,IPC,PLC、
智能调节器现场仪表,DDZ-III
为主第 3代 *
FCS
将全厂最基础的现场级仪表和装置均通过现场总线连接起来,
实现全数字化通讯 。
现场仪表：总线仪表第 4代 *
分布式 IO DCS
现场信号根据传输距离或功能不同连接到现场 I/O设备上,各现场 I/O设备与控制站间通过网络 （ 现场总线 ） 连接 。
现场仪表,DDZ-III,总线仪表过渡型 *
2009-7-30 调节仪表与过程控制系统小结
连续的过程工业控制
过程控制系统的构成
过程控制的主要特点
主要性能指标的计算
过程控制的发展作业,P7 1.2,1.3
见 PPT--P54
