第一章过程控制系统基本概念选编课件

2022/12/11过程控制系统的基本概念第一章2022/12/11过程控制系统的基本概念第一章2022/12/12§1-1过程控制系统组成和表示形式本章主要内容§1-2过程控制系统主要类型§1-3过程控制系统的性能指标及要求2022/12/12§1-1过程控制系统组成和表示形式本章主2022/12/13本章教学内容要求1.了解过程控制系统的分类及特点；2.理解过程控制系统常用的术语概念；能看懂简单的管道及仪表流程图；控制系统的基本控制要求及质量指标。3.掌握过程控制系统组成及各部分作用，方框图的组成及绘制；重点：过程控制系统组成及各部分的功能；方框图绘制；质量指标。难点：常用术语的理解；方框图的绘制2022/12/13本章教学内容要求1.了解过程控制系统的2022/12/14一、过程控制系统定义过程控制：工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制。过程控制系统：在工业生产中在没有人直接参与的条件下，工艺参数能自动按照预定的规律变化的控制系统。实例过程控制的作用：1、实现最优技术指标，提高产品质量。2、提高经济效益3、提高劳动生产率4、改善劳动条件5、保护环境§1-1过程控制系统组成和表示形式第一章－1－23分钟.wmv2022/12/14一、过程控制系统定义过程控制的作用：1、2022/12/15图1-1锅炉汽包水位控制示意图2022/12/15图1-1锅炉汽包水位控制示意图2022/12/16①被控过程（对象）：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程设备或机器。②被控变量：被控过程内要求保持设定值的工艺参数。二、过程控制系统组成③给定值：工艺参数所要求保持的数值。④操纵变量：受控制器操纵，用以克服干扰的影响使被控变量保持设定值的物料量或能量（流过控制阀介质的流量）。⑤扰动量：除操纵变量外，作用于被控过程并引起被控变量变化的因素（使被控变量偏离给定值）。

1、控制系统常用术语（教材P4）⑥偏差：测量值与设定值之差。2022/12/16①被控过程（对象）：自动控制系统中，工艺2022/12/172、控制系统构成一个简单的过程控制系统由被控对象、测量变送器、控制器、执行器四个基本环节所组成。

被控对象是生产过程中被控制的工艺设备或装置；

测量变送器是把被控变量转化为测量值；控制器是将设定值与测量信号进行比较获得偏差，按某种预定的控制规律计算，将计算结果作为控制信号送执行器。比较机构和控制装置通常组合在一起，称为控制器；

执行器是接受控制器的控制信号，相应地去改变操纵变量2022/12/172、控制系统构成一个简单的过程控制系统由2022/12/18三、过程控制系统的表示形式

方框图组成：方框、信号线、比较点、分支点作用:见教材P51、方框图设定值 偏差

控制作用

操纵变量被控变量

测量值

控制器

执行器

被控对象

检测元件变送器图1-2控制系统方框图扰动量

比较点2022/12/18三、过程控制系统的表示形式方框图组成：2022/12/19实例：锅炉汽包就是被控对象绘制方框图时应注意几点：（1）方框图中每一个方框表示一个具体的实物。（2）方框之间带箭头的线段表示它们之间的信号联系，与工艺设备间物料的流向无关。

（3）比较点不是一个独立的元件，而是控制器的一部分。

图1.3锅炉汽包水位控制系统方框图2022/12/19实例：锅炉汽包绘制方框图时应注意几点：（2022/12/110

管道及仪表流程图是自控设计的文字代号、图形符号在工艺流程图上描述生产过程控制的原理图，是控制系统设计、施工中采用的一种图示形式。是在工艺流程图的基础上，按其流程顺序，标出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与连锁保护系统等。2、管道及仪表流程图

图1.4锅炉汽包管道及仪表流程图图1.5发酵罐管道及仪表流程图

实例：定义：2022/12/110管道及仪表流程图是自控设计的文字代2022/12/111§1-2过程控制系统主要类型按控制系统基本结构形式-----闭环控制系统和开环控制系统。重点介绍闭环控制系统1、闭环控制系统：（视频播放：2－01：49~27）

定义：闭环控制系统是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的控制系统；凡是系统的输入端和输出端之间存在反馈支路，使得输出变量对控制作用有直接影响的系统。特点：有较高的控制精度和较好的适应能力，有很强的抗干扰能力；当系统的惯性滞后和纯滞后较大时，控制作用对扰动的克服不及时，从而使其控制质量大大降低。

2022/12/111§1-2过程控制系统主要类型按控制系统2022/12/112定值控制系统：

设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。程序控制系统：设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根据需要按一定时间程序变化。随动控制系统：设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系统的输出（被控变量）随之而变化。闭环控制系统分类注意它们的区别和联系分三类:定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。2022/12/112定值控制系统：设定值保持不变（为一恒2022/12/113反馈——通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统的输入端，这种把系统的输出信号直接或经过一些环节引回到输入端的做法叫做反馈。负反馈——引回到输入端的信号是减弱输入端作用的称为负反馈，用“－”号表示。将被控变量送回输入端并与输入变量相减。（重点理解）正反馈——引回到输入端的信号是增强输入端作用的称为正反馈，用“＋”号表示。将被控变量送回输入端并与输入变量相加。2．反馈概念2022/12/113反馈——通过测量变送装置将被控变量的测2022/12/1143、开环控制系统定义：控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的控制系统。操纵变量可以通过控制对象去影响被控变量，但被控变量不会通过控制装置去影响操纵变量。从信号传递关系上看，未构成闭合回路。

按设定值进行控制：图1.6按设定值控制的开环控制系统分类：2022/12/1143、开环控制系统定义：控制器与被控对象2022/12/115按扰动进行控制：（a）原理图

（b）方框图

图1.7按扰动控制的开环控制系统

2022/12/115按扰动进行控制：（a）原理图（b）方2022/12/116§1-3过程控制系统的性能指标及要求

动态：被控变量随时间而变化的不平衡状态，由于输入的变化，输出随时间变化，其间的关系称为系统的动态特性。也就是说，从输入开始，经过控制直到再建立静态，在这段时间中，整个系统的各个环节和变量都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。

静态（定态）：被控变量不随时间而变化的平衡状态。在这种状态下，系统的输入（设定值和扰动量）及输出（被控变量）都保持不变，系统内各组成环节都不改变其原来的状态，其输入、输出信号的变化率为零。一、过程控制系统的静态与动态2022/12/116§1-3过程控制系统的性能指标及要求2022/12/117二过程控制系统的过渡过程

当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量（即输出）随时间不断变化，它随时间而变化的过程称为系统的过渡过程。也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳定系统）要分析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作用为输入时的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型，实际上也经常遇到，且这类输入变化对系统来讲是比较严重的情况。2022/12/117二过程控制系统的过渡过程2022/12/118发散振荡非振荡衰减

等幅振荡衰减振荡

非振荡发散图1.8过渡过程的基本形式阶跃扰动下，被控变量随时间变化的几种过渡过程形式：过渡过程形式：2022/12/118发散振荡图1.8过渡过程的基本形式阶2022/12/119三过程控制系统的质量指标单项控制指标（控制的目标）：稳定性、准确性和快速性综合控制指标（质量指标）2022/12/119三过程控制系统的质量指标单项控制指标2022/12/1202、峰值时间tp—过渡过程曲线达到第一个峰值所需要的时间。

tp=5min3、过渡时间ts—控制系统受到扰动作用后，被控变量从过渡状态恢复到新的平衡状态所经历的最短时间。ts

=22min（±2%）1、衰减比（n）同方向两个相邻波峰值之比。即

n=B/B′=（230-205）/（210-205）=5：1习惯上表示为n：1,一般n取4～10之间。4、最大偏差A—被控变量偏离给定值的最大数值

A=230-200=30（℃）2022/12/1202、峰值时间tp—过渡过程曲线达到第2022/12/1215、超调量B——第一个波峰值与新稳定值之差

B=230-205=25（℃）6、余差C——过渡过程终了时被控变量的新稳定值与给定值之偏差

C=205-200=5（℃）

C=0为无差调节系统

C≠0为有差调节系统思考：单项控制指标与综合控制指标的关系？7、振荡周期T或频率f——过渡过程同向两个波峰间间隔时间为周期，周期的倒数为频率。

T=20-5=15（min）

f=1/T=1/（60×15）≈0.0011(Hz)2022/12/1215、超调量B——第一个波峰值与新稳定值2022/12/122

因此，综合以上指标，对控制过程的调节效果进行评价时，一般可从稳定性、准确性和快速性三方面考虑。这三方面往往相互矛盾。稳定性是首要考虑的因素，一般要求被控变量波动具有一定的衰减比（4：1～10：1），即经过一到两个周期后就看不出明显的波动了，在稳定的前提下尽量满足准确性和快速性的要求。各种过渡过程的性能指标，其重要程度各不相同，且相互之间既有矛盾又相互联系。在对系统进行分析设计时要注意综合考虑过程的快速性、稳定性和准确性。在实际生产中，优先保证对生产过程起决定作用的主要指标，不能片面追求全面的高性能。小结：2022/12/122因此，综合以上指标，对控制过程2022/12/123作业教材P17:（1）1、3、7、（2）4、92022/12/123作业教材P17:（1）1、3、7人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。人有了知识，就会具备各种分析能力，第一章过程控制系统基本概念选编课件2022/12/126过程控制系统的基本概念第一章2022/12/11过程控制系统的基本概念第一章2022/12/127§1-1过程控制系统组成和表示形式本章主要内容§1-2过程控制系统主要类型§1-3过程控制系统的性能指标及要求2022/12/12§1-1过程控制系统组成和表示形式本章主2022/12/128本章教学内容要求1.了解过程控制系统的分类及特点；2.理解过程控制系统常用的术语概念；能看懂简单的管道及仪表流程图；控制系统的基本控制要求及质量指标。3.掌握过程控制系统组成及各部分作用，方框图的组成及绘制；重点：过程控制系统组成及各部分的功能；方框图绘制；质量指标。难点：常用术语的理解；方框图的绘制2022/12/13本章教学内容要求1.了解过程控制系统的2022/12/129一、过程控制系统定义过程控制：工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制。过程控制系统：在工业生产中在没有人直接参与的条件下，工艺参数能自动按照预定的规律变化的控制系统。实例过程控制的作用：1、实现最优技术指标，提高产品质量。2、提高经济效益3、提高劳动生产率4、改善劳动条件5、保护环境§1-1过程控制系统组成和表示形式第一章－1－23分钟.wmv2022/12/14一、过程控制系统定义过程控制的作用：1、2022/12/130图1-1锅炉汽包水位控制示意图2022/12/15图1-1锅炉汽包水位控制示意图2022/12/131①被控过程（对象）：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程设备或机器。②被控变量：被控过程内要求保持设定值的工艺参数。二、过程控制系统组成③给定值：工艺参数所要求保持的数值。④操纵变量：受控制器操纵，用以克服干扰的影响使被控变量保持设定值的物料量或能量（流过控制阀介质的流量）。⑤扰动量：除操纵变量外，作用于被控过程并引起被控变量变化的因素（使被控变量偏离给定值）。

1、控制系统常用术语（教材P4）⑥偏差：测量值与设定值之差。2022/12/16①被控过程（对象）：自动控制系统中，工艺2022/12/1322、控制系统构成一个简单的过程控制系统由被控对象、测量变送器、控制器、执行器四个基本环节所组成。

被控对象是生产过程中被控制的工艺设备或装置；

测量变送器是把被控变量转化为测量值；控制器是将设定值与测量信号进行比较获得偏差，按某种预定的控制规律计算，将计算结果作为控制信号送执行器。比较机构和控制装置通常组合在一起，称为控制器；

执行器是接受控制器的控制信号，相应地去改变操纵变量2022/12/172、控制系统构成一个简单的过程控制系统由2022/12/133三、过程控制系统的表示形式

方框图组成：方框、信号线、比较点、分支点作用:见教材P51、方框图设定值 偏差

控制作用

操纵变量被控变量

测量值

控制器

执行器

被控对象

检测元件变送器图1-2控制系统方框图扰动量

比较点2022/12/18三、过程控制系统的表示形式方框图组成：2022/12/134实例：锅炉汽包就是被控对象绘制方框图时应注意几点：（1）方框图中每一个方框表示一个具体的实物。（2）方框之间带箭头的线段表示它们之间的信号联系，与工艺设备间物料的流向无关。

（3）比较点不是一个独立的元件，而是控制器的一部分。

图1.3锅炉汽包水位控制系统方框图2022/12/19实例：锅炉汽包绘制方框图时应注意几点：（2022/12/135

管道及仪表流程图是自控设计的文字代号、图形符号在工艺流程图上描述生产过程控制的原理图，是控制系统设计、施工中采用的一种图示形式。是在工艺流程图的基础上，按其流程顺序，标出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与连锁保护系统等。2、管道及仪表流程图

图1.4锅炉汽包管道及仪表流程图图1.5发酵罐管道及仪表流程图

实例：定义：2022/12/110管道及仪表流程图是自控设计的文字代2022/12/136§1-2过程控制系统主要类型按控制系统基本结构形式-----闭环控制系统和开环控制系统。重点介绍闭环控制系统1、闭环控制系统：（视频播放：2－01：49~27）

定义：闭环控制系统是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的控制系统；凡是系统的输入端和输出端之间存在反馈支路，使得输出变量对控制作用有直接影响的系统。特点：有较高的控制精度和较好的适应能力，有很强的抗干扰能力；当系统的惯性滞后和纯滞后较大时，控制作用对扰动的克服不及时，从而使其控制质量大大降低。

2022/12/111§1-2过程控制系统主要类型按控制系统2022/12/137定值控制系统：

设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。程序控制系统：设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根据需要按一定时间程序变化。随动控制系统：设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系统的输出（被控变量）随之而变化。闭环控制系统分类注意它们的区别和联系分三类:定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。2022/12/112定值控制系统：设定值保持不变（为一恒2022/12/138反馈——通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统的输入端，这种把系统的输出信号直接或经过一些环节引回到输入端的做法叫做反馈。负反馈——引回到输入端的信号是减弱输入端作用的称为负反馈，用“－”号表示。将被控变量送回输入端并与输入变量相减。（重点理解）正反馈——引回到输入端的信号是增强输入端作用的称为正反馈，用“＋”号表示。将被控变量送回输入端并与输入变量相加。2．反馈概念2022/12/113反馈——通过测量变送装置将被控变量的测2022/12/1393、开环控制系统定义：控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的控制系统。操纵变量可以通过控制对象去影响被控变量，但被控变量不会通过控制装置去影响操纵变量。从信号传递关系上看，未构成闭合回路。

按设定值进行控制：图1.6按设定值控制的开环控制系统分类：2022/12/1143、开环控制系统定义：控制器与被控对象2022/12/140按扰动进行控制：（a）原理图

（b）方框图

图1.7按扰动控制的开环控制系统

2022/12/115按扰动进行控制：（a）原理图（b）方2022/12/141§1-3过程控制系统的性能指标及要求

动态：被控变量随时间而变化的不平衡状态，由于输入的变化，输出随时间变化，其间的关系称为系统的动态特性。也就是说，从输入开始，经过控制直到再建立静态，在这段时间中，整个系统的各个环节和变量都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。

静态（定态）：被控变量不随时间而变化的平衡状态。在这种状态下，系统的输入（设定值和扰动量）及输出（被控变量）都保持不变，系统内各组成环节都不改变其原来的状态，其输入、输出信号的变化率为零。一、过程控制系统的静态与动态2022/12/116§1-3过程控制系统的性能指标及要求2022/12/142二过程控制系统的过渡过程

当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量（即输出）随时间不断变化，它随时间而变化的过程称为系统的过渡过程。也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳定系统）要分析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作用为输入时的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型，实际上也经常遇到，且这类输入变化对系统来讲是比较严重的情况。2022/12/117二过程控制系统的过渡过程2022/12/143发散振荡非振荡衰减

等幅振荡衰减振荡

非振荡发散图1.8过渡过程的基本形式阶跃扰动下，被控变量随时间变化的几种过渡过程形式：过渡过程形式：2022/12/118发散振荡图1.8过渡过程的基本形式阶2022/12/144三过程控制系统的质量指标单项控制指标（控制的目标）：稳定性、准确性和快速性综合控制指标（质量指标）2022/12/119三过程控制系统的质量指标单项控制指标2022/12/1452、峰值时间tp—过渡过程曲线达到第一个峰值所需要的时间。

tp=5min3、过渡时间ts—控制系统受到扰动作用后，被控变量从过渡状态恢复到新的平衡状态所经历的最短时间。ts

=22min（±2%）1、衰减比（n）同方向两个相邻波峰值之比。即

n=B/B′=（230-205）/（210-205）=5：1习惯上表示为n：1,一般n取4～10之间。4、最大偏差A—被控变量偏离给定值的最大数值

A=230-200=30（℃）2022/12/1202、峰值时间tp—过渡过程曲线达到第2022/12/1465、超调量B——第一个波峰值与新稳定值之差

B=230-205=25（℃）6、余差C——过渡过程终了时被控变量的新稳定值与给定值