1、1书名书名:过程控制系统及仪表过程控制系统及仪表(第第3版版)出版社出版社: 大连理工大学出版社大连理工大学出版社; 第第3版版 (2010年年7月月1日日) 编著者：李亚芬；主审：邵诚编著者：李亚芬；主审：邵诚, 丛书名丛书名: 高等学校理工科化学工类规划教材高等学校理工科化学工类规划教材 平装平装: 259页页; 语种语种: 简体中文简体中文 开本开本: 16 ISBN: 9787561115015, ISBN：7-5611-1501-6 条形码条形码: 9787561115015 尺寸尺寸: 25.6 x 18.2 x 1.2 cm 重量重量: 522 g 原价原价:25.00元元2第第
2、1章章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念1-1 生产过程自动化概述生产过程自动化概述 o 生产过程自动化生产过程自动化，是指石油、化工、电力、，是指石油、化工、电力、冶金、轻工等工业部门以冶金、轻工等工业部门以连续性物流连续性物流为主要特征为主要特征的生产过程的自动控制，主要解决各种生产过程的生产过程的自动控制，主要解决各种生产过程中的中的温度、压力、流量、液位温度、压力、流量、液位（或物位）、以及（或物位）、以及成分成分（或物性）等参数的自动监测和控制问题。（或物性）等参数的自动监测和控制问题。o 用自动化装置来管理连续或间歇生产过程的用自动化装置来管理连续或间歇生产过程的综合性技术就称
3、为综合性技术就称为生产过程自动化生产过程自动化，简称为，简称为过程过程控制（控制（Process Control ）。）。3一、生产过程及其特点一、生产过程及其特点连续生产过程主要有以下几种形式：连续生产过程主要有以下几种形式：1 传热过程传热过程通过冷热物流之间的热量传递，达到控制介质温通过冷热物流之间的热量传递，达到控制介质温度、改变介质相态或回收热量的目的。度、改变介质相态或回收热量的目的。典型设备：换典型设备：换热器热器2 燃烧过程燃烧过程通过燃料与空气混合后燃烧为生产过程提供动力通过燃料与空气混合后燃烧为生产过程提供动力和热源。和热源。典型设备：加热炉典型设备：加热炉43 化学过程化
4、学过程由两种或几种物料化合成一种或多种更有价值的由两种或几种物料化合成一种或多种更有价值的产品的反应过程。产品的反应过程。典型设备：反应器典型设备：反应器4 精馏过程精馏过程精馏是一种分离过程。精馏是一种分离过程。典型设备：精馏塔典型设备：精馏塔5 传质过程传质过程不同组分的分离和结合，如液体和气体之间的解不同组分的分离和结合，如液体和气体之间的解吸、汽提、去湿或润湿，不同非溶液体的萃取、液体吸、汽提、去湿或润湿，不同非溶液体的萃取、液体与固体之间的结晶、蒸气或干燥等都是传质过程。其与固体之间的结晶、蒸气或干燥等都是传质过程。其目的是获得纯的出口物料。目的是获得纯的出口物料。一、生产过程及其特
5、点一、生产过程及其特点5一、生产过程及其特点一、生产过程及其特点生产过程特点：生产过程特点：连续生产过程具有连续生产过程具有复杂性、关联性、复杂性、关联性、时变性、非线性、不确定性时变性、非线性、不确定性，在某些高温高压或有害，在某些高温高压或有害介质存在的场合，还具有相当的介质存在的场合，还具有相当的危险性危险性。生产过程的这些特点极大地促进了过程控制技术的发生产过程的这些特点极大地促进了过程控制技术的发展，使得过程控制在自动控制领域乃至国民经济中都展，使得过程控制在自动控制领域乃至国民经济中都占有极其重要的地位。占有极其重要的地位。6二、生产过程对控制的要求二、生产过程对控制的要求 n 生
6、产过程对控制生产过程对控制最主要的要求可以归结为三个方面，最主要的要求可以归结为三个方面，即：即：安全性、稳定性和经济性安全性、稳定性和经济性。(1)安全性安全性 是指在整个生产运行过程中，能够及时是指在整个生产运行过程中，能够及时预测、监控和防止任何事故的发生，以确保生产设预测、监控和防止任何事故的发生，以确保生产设备和操作人员的安全，这是最重要也是最基本的要备和操作人员的安全，这是最重要也是最基本的要求。求。(2) 稳定性稳定性 是指当工业生产环境发生变化或受到随是指当工业生产环境发生变化或受到随机因素的干扰和影响时，生产过程仍能不间断地平机因素的干扰和影响时，生产过程仍能不间断地平稳运行
7、，并保持稳定的产品质量。稳运行，并保持稳定的产品质量。 7(3)经济性经济性 是指在保证生产安全和产品质量的前提是指在保证生产安全和产品质量的前提下，以最小的投资、最少的能耗和最低的成本，使下，以最小的投资、最少的能耗和最低的成本，使生产装置在高效率运行中获取最大的经济收益。生产装置在高效率运行中获取最大的经济收益。过程控制的任务过程控制的任务:就是在了解、掌握工艺流程和生产就是在了解、掌握工艺流程和生产过程的各种特性的基础上，根据工艺生产提出的要过程的各种特性的基础上，根据工艺生产提出的要求，应用控制理论对控制系统进行分析、设计和综求，应用控制理论对控制系统进行分析、设计和综合，并采用相应的
8、自动化装置和适宜的控制手段加合，并采用相应的自动化装置和适宜的控制手段加以实现，最终达到优质、高产、低耗的控制目标。以实现，最终达到优质、高产、低耗的控制目标。二、生产过程对控制的要求二、生产过程对控制的要求8p回顾生产过程自动化的发展历史，大致经历了三回顾生产过程自动化的发展历史，大致经历了三个发展阶段。个发展阶段。 1初级阶段初级阶段1950年以前，简单的检测年以前，简单的检测仪表和笨重的基地式仪表仪表和笨重的基地式仪表 三、生产过程自动化的发展历程三、生产过程自动化的发展历程92仪表化阶段仪表化阶段50年代至年代至70年代，单元组年代，单元组合仪表和巡回检测仪表。合仪表和巡回检测仪表。
9、三、生产过程自动化的发展历程三、生产过程自动化的发展历程集中监视集中监视和操作和操作10 3综合自动化阶段综合自动化阶段: 70年代以来，多功能组年代以来，多功能组装仪表、数字仪表、智能仪表。装仪表、数字仪表、智能仪表。70年代中期出年代中期出现现DCS。90年代以来，管控一体化成为可能。年代以来，管控一体化成为可能。 三、生产过程自动化的发展历程三、生产过程自动化的发展历程11p作为作为工艺技术人员工艺技术人员，学习和掌握生产过程自动化方，学习和掌握生产过程自动化方面的知识，对于研究和开发新的生产工艺，解决生产面的知识，对于研究和开发新的生产工艺，解决生产操作中的关键技术问题，合理确定控制方
10、案，保证生操作中的关键技术问题，合理确定控制方案，保证生产优质、高产、低耗的顺利运行，促进生产企业的现产优质、高产、低耗的顺利运行，促进生产企业的现代化管理等都具有十分重要的作用。代化管理等都具有十分重要的作用。p生产过程自动化是生产过程自动化是自动控制理论自动控制理论、计算机科学计算机科学、仪器仪表技术仪器仪表技术和和生产工艺知识生产工艺知识相结合而构成的一门相结合而构成的一门综合性的技术科学。在现代过程工业中，自动化装综合性的技术科学。在现代过程工业中，自动化装置与生产工艺及设备已结合成为有机的整体。置与生产工艺及设备已结合成为有机的整体。 三、生产过程自动化的发展历程三、生产过程自动化的
11、发展历程121-2 过程控制系统的组成及分类过程控制系统的组成及分类一、过程控制系统的组成一、过程控制系统的组成以液体贮槽的液位控制为例说明过程控制系统以液体贮槽的液位控制为例说明过程控制系统的基本构成。贮槽液位原理图，如图所示。的基本构成。贮槽液位原理图，如图所示。13人工控制方式：人工控制方式：眼眼 观察玻璃管液位计（测量元件）指示高度；观察玻璃管液位计（测量元件）指示高度；大脑大脑 将液位高度与期望高度进行比较，经过思考估将液位高度与期望高度进行比较，经过思考估算出需要改变的流出量，然后发出动作命令；算出需要改变的流出量，然后发出动作命令； 手手 根据命令改变出口阀门开度，相应地增根据命
12、令改变出口阀门开度，相应地增 减流出量，使液位保持在合理的范围内。减流出量，使液位保持在合理的范围内。一、过程控制系统的组成一、过程控制系统的组成14 自动控制方式：自动控制方式：一、过程控制系统的组成一、过程控制系统的组成15 自动控制方式：自动控制方式： 液位变送器液位变送器 检测并变换成统一标准信号送到检测并变换成统一标准信号送到 控制器；控制器； 自动控制器自动控制器 接收变送器信号与液位期望值进行接收变送器信号与液位期望值进行 比较，根据偏差按某种规律运算，运比较，根据偏差按某种规律运算，运 算结果送给执行器（调节阀）；算结果送给执行器（调节阀）； 执行器执行器 将控制器指令信号转换
13、成相应的位将控制器指令信号转换成相应的位 移信号，驱动阀门动作，改变液体移信号，驱动阀门动作，改变液体 流出量，实现液位的自动控制。流出量，实现液位的自动控制。 一、过程控制系统的组成一、过程控制系统的组成16p 由液体贮槽的液位控制可知，过程控制系统是由由液体贮槽的液位控制可知，过程控制系统是由被被控对象，测量与变送装置控对象，测量与变送装置、控制器控制器、执行器执行器组成。组成。p 如果如果把测量与变送装置、控制器、以及执行器统把测量与变送装置、控制器、以及执行器统称为自动化装置称为自动化装置，则过程控制系统是由，则过程控制系统是由被控对象和自被控对象和自动化装置动化装置两部分组成的。两部
14、分组成的。p 过程控制系统的任务：过程控制系统的任务：就是当被控对象受到干扰就是当被控对象受到干扰使被控变量（温度、压力、流量、液位、成分等）产使被控变量（温度、压力、流量、液位、成分等）产生偏差时，能够及时检测，并通过合理地调节操纵变生偏差时，能够及时检测，并通过合理地调节操纵变量使被控变量回到给定值。量使被控变量回到给定值。一、过程控制系统的组成一、过程控制系统的组成17自控常用术语：自控常用术语：(1)被控对象被控对象： 需要实现控制的设备、机器或生产过需要实现控制的设备、机器或生产过 程称为被控对象，简称对象。程称为被控对象，简称对象。 如本例中的液体贮槽。如本例中的液体贮槽。(2)被
15、控变量被控变量： 对象中需要进行控制（保持数值在某对象中需要进行控制（保持数值在某 一范围内或按预定规律变化）的物理量称为被控变量。一范围内或按预定规律变化）的物理量称为被控变量。 如本例中的贮槽液位。如本例中的贮槽液位。(3)操纵变量操纵变量： 受到控制装置的操纵，用以使被控变受到控制装置的操纵，用以使被控变 量保持在设定数值的物料或能量变量称为操纵变量。量保持在设定数值的物料或能量变量称为操纵变量。 如本例中的液体流出量。如本例中的液体流出量。一、过程控制系统的组成一、过程控制系统的组成18 (4)干扰（扰动）干扰（扰动）： 除操纵变量外，作用于对象并使除操纵变量外，作用于对象并使 被控变
16、量发生变化的因素称为干扰（扰动）。被控变量发生变化的因素称为干扰（扰动）。 如本例中的液体流入量。如本例中的液体流入量。 (5)设定值设定值：按照生产工艺的要求为被控变量规定的：按照生产工艺的要求为被控变量规定的所要达到或保持的数值称为给定值（设定值）。所要达到或保持的数值称为给定值（设定值）。 如例中，为了防止槽内液体溢出或抽空，规定如例中，为了防止槽内液体溢出或抽空，规定贮槽液位保持在贮槽贮槽液位保持在贮槽50的高度比较合理。的高度比较合理。 (6)偏差偏差：在过程控制系统中通常把：在过程控制系统中通常把测量值减给定值测量值减给定值称为偏差。称为偏差。一、过程控制系统的组成一、过程控制系统
17、的组成19一、过程控制系统的组成一、过程控制系统的组成o 指出图中指出图中被控对象，被控变量，操纵变量，被控对象，被控变量，操纵变量，干扰，设定值，偏差干扰，设定值，偏差分别是什么？分别是什么？20一、过程控制系统的组成一、过程控制系统的组成o 反应器反应温度控制系统示意图，反应器反应温度控制系统示意图，由哪几部分构成由哪几部分构成？请？请指出指出被控对象，被控变量，操纵变量，干扰各是什么？被控对象，被控变量，操纵变量，干扰各是什么？21过程控制系统的分类方法有很多，每一种分类只反映出过程控制系统的分类方法有很多，每一种分类只反映出过程控制系统某一方面的特点。过程控制系统某一方面的特点。p按被
18、控变量的名称分类按被控变量的名称分类温度控制系统，压力控制系统，流量控制系统等温度控制系统，压力控制系统，流量控制系统等p按被控变量的数量分类按被控变量的数量分类单变量单变量控制系统控制系统，多变量，多变量控制系统控制系统p按控制系统的结构分类按控制系统的结构分类开环控制系统，闭环控制系统开环控制系统，闭环控制系统p按控制系统完成的功能分类按控制系统完成的功能分类反馈控制系统，串级控制系统，比值控制系统等反馈控制系统，串级控制系统，比值控制系统等二、过程控制系统的分类二、过程控制系统的分类22按照按照被控变量的给定值被控变量的给定值分类，可分成以下三类：分类，可分成以下三类：1定值控制系统定值
19、控制系统 定值控制系统是一种被控变量的给定值始终固定值控制系统是一种被控变量的给定值始终固定不变的控制系统。定不变的控制系统。如：液位控制系统。如：液位控制系统。二、过程控制系统的分类二、过程控制系统的分类232随动控制系统随动控制系统 随动控制系统是一种被控变量的给定值随时间随动控制系统是一种被控变量的给定值随时间不断变化的控制系统。不断变化的控制系统。例如：锅炉的燃烧控制系统例如：锅炉的燃烧控制系统 为使燃料充分燃烧，空燃比保持一定比例，采用为使燃料充分燃烧，空燃比保持一定比例，采用比值控制系统，要求空气和燃料保持一定比例。比值控制系统，要求空气和燃料保持一定比例。 由于燃料量随负荷变化，
20、空气量随燃料量变化，由于燃料量随负荷变化，空气量随燃料量变化，即空气量的给定值也是随机变化的，所以是一个即空气量的给定值也是随机变化的，所以是一个随动控制系统。随动控制系统。二、过程控制系统的分类二、过程控制系统的分类243程序控制系统（又称顺序控制系统）程序控制系统（又称顺序控制系统） 程序控制系统是被控变量的给定值按预程序控制系统是被控变量的给定值按预定的时间程序来变化的控制系统。定的时间程序来变化的控制系统。例如：冶金工业中的金属热处理的温度控制例如：冶金工业中的金属热处理的温度控制 金属加热给定值都是按照预定的升温、恒温、金属加热给定值都是按照预定的升温、恒温、降温等程序变化的，属于程
21、序控制系统。降温等程序变化的，属于程序控制系统。二、过程控制系统的分类二、过程控制系统的分类25一、方块图一、方块图方块图是从信号流（信息）的角度出发，依据信方块图是从信号流（信息）的角度出发，依据信号的流向将组成控制系统的各个环节相互连接起来的号的流向将组成控制系统的各个环节相互连接起来的一种图解表达方式。一种图解表达方式。由于在方块图中不仅明确表明了每个环节在系统由于在方块图中不仅明确表明了每个环节在系统中的作用，而且能够清楚地看出自动控制系统中各组中的作用，而且能够清楚地看出自动控制系统中各组成环节之间的相互关系以及信号在系统中的流动情况。成环节之间的相互关系以及信号在系统中的流动情况。
22、对过程控制系统进行分析研究时，经常用方块图来表对过程控制系统进行分析研究时，经常用方块图来表示一个过程控制系统的组成。示一个过程控制系统的组成。 1-3 方块图与流程图方块图与流程图26p图中的方块表示控制系统的一个组成部分，称图中的方块表示控制系统的一个组成部分，称为为“环节环节”。箭头指向方块的信号。箭头指向方块的信号x 表示该环节的输表示该环节的输入，称为入，称为输入变量输入变量。箭头离开方块的信号。箭头离开方块的信号y 表示该环表示该环节的输出，称为节的输出，称为输出变量输出变量。箭头所指的方向箭头所指的方向就是信就是信号的流向，它表明信号的作用方向。号的流向，它表明信号的作用方向。p
23、许多物理性质不同，但特性相同的系统，可以许多物理性质不同，但特性相同的系统，可以用同一种形式的方块图来表达。用同一种形式的方块图来表达。 环节环节图图1-2 方块图单元方块图单元xyp 图图1-2 表示的是一个简单的方块图单元。表示的是一个简单的方块图单元。1-3 方块图与流程图方块图与流程图27相加点：相加点： 如图如图1-3 所示，表示两个以上具有相同单位的变所示，表示两个以上具有相同单位的变量量(信号）之间的加和运算。信号）之间的加和运算。1-3 方块图与流程图方块图与流程图（a）表示表示 e=r-z;（b）表示表示 x=x1+x2。28分支点：分支点：如图如图1-4所示，当一个变量（或
24、信号）要同所示，当一个变量（或信号）要同时作用于几个不同的环节时，可使用分支点。时作用于几个不同的环节时，可使用分支点。 由分支点引出的各路信号都相等。由分支点引出的各路信号都相等。 1-3 方块图与流程图方块图与流程图29p有了方块图，就可以根据变量间的相互作用，按有了方块图，就可以根据变量间的相互作用，按照信号的流向方便地将系统中各个环节连接起来，照信号的流向方便地将系统中各个环节连接起来，构成一个完整的过程控制系统。构成一个完整的过程控制系统。p图图1-1 液位控制系统，画控制系统的方块图。液位控制系统，画控制系统的方块图。1-3 方块图与流程图方块图与流程图30例：例：31为了便于分析
25、，有时将控制器以外的各个环节为了便于分析，有时将控制器以外的各个环节（包括执行器、被控对象、测量变送）组合在一起作（包括执行器、被控对象、测量变送）组合在一起作为一个对象看待，称之为广义对象。为一个对象看待，称之为广义对象。1-3 方块图与流程图方块图与流程图32例：炉温控制系统画方块图1-3 方块图与流程图方块图与流程图33炉温控制系统方块图炉温控制系统方块图炉温控制系统方块图炉温控制系统方块图执行器执行器34o 炉温控制系统方块图特点1-3 方块图与流程图方块图与流程图35o 画出如下反应器反应温度控制系统的方块图。画出如下反应器反应温度控制系统的方块图。1-3 方块图与流程图方块图与流程
26、图36闭环控制系统闭环控制系统：环节的任何一个信号，只要沿箭头方：环节的任何一个信号，只要沿箭头方向流动，最终总会回到它的起始点，把这样的系统称向流动，最终总会回到它的起始点，把这样的系统称为闭环控制系统。为闭环控制系统。 不具备这种特性的系统则称为开环控制系统。不具备这种特性的系统则称为开环控制系统。1-3 方块图与流程图方块图与流程图37反馈：反馈： 闭环控制系统中，输出变量（或信号）沿着回路中的闭环控制系统中，输出变量（或信号）沿着回路中的信号流动方向总会返回到系统的输入端，与给定值进信号流动方向总会返回到系统的输入端，与给定值进行比较。行比较。这种把系统（或方块）的输出信号引回到系这种
27、把系统（或方块）的输出信号引回到系统输入端的做法叫做反馈统输入端的做法叫做反馈。 若反馈信号（被控变量测量值若反馈信号（被控变量测量值z）与给定值信号的方与给定值信号的方向相反，即反馈信号向相反，即反馈信号z 取负值，则叫做取负值，则叫做负反馈负反馈。 测量信号与给定值信号方向相同，则叫做测量信号与给定值信号方向相同，则叫做正反馈正反馈。o 闭环控制系统是靠负反馈来达到控制的目的。闭环控制系统是靠负反馈来达到控制的目的。 例：储槽液位控制系统；炉温控制系统例：储槽液位控制系统；炉温控制系统1-3 方块图与流程图方块图与流程图381-3 方块图与流程图方块图与流程图负反馈：负反馈：储槽液位控制系
28、统储槽液位控制系统39炉温控制系统方块图炉温控制系统方块图温度设定值温度设定值100度度热电偶检测值热电偶检测值95度度阀开度增大阀开度增大40o 闭环控制系统闭环控制系统实质实质上是利用上是利用负反馈负反馈原理，根原理，根据据偏差偏差进行工作的。进行工作的。o 正因为如此，闭环控制系统又被称为正因为如此，闭环控制系统又被称为反馈控反馈控制系统制系统。 1-3 方块图与流程图方块图与流程图41二、工艺控制流程图二、工艺控制流程图在进行过程控制系统的工程设计时，自控专业人在进行过程控制系统的工程设计时，自控专业人员必须与工艺专业人员协作，按工艺流程的顺序和要员必须与工艺专业人员协作，按工艺流程的
29、顺序和要求，将所确定的控制方案标注到求，将所确定的控制方案标注到工艺流程图工艺流程图中。中。 将控制点和控制系统与工艺流程图相结合的图形将控制点和控制系统与工艺流程图相结合的图形文档就称为文档就称为工艺控制流程图工艺控制流程图，或称为，或称为带有控制点的工带有控制点的工艺流程图艺流程图。1-3 方块图与流程图方块图与流程图42图图1-7 液体贮槽的工艺控制流程图液体贮槽的工艺控制流程图图中所示，工艺控制流程图主要是由工艺设备、图中所示，工艺控制流程图主要是由工艺设备、管道、元件以及构成控制系统的仪表符号及信号线等管道、元件以及构成控制系统的仪表符号及信号线等图形符号组成。图形符号组成。1-3
30、方块图与流程图方块图与流程图43 仪表图形符号仪表图形符号： 仪表图形符号可用来表达工业自动化仪表所仪表图形符号可用来表达工业自动化仪表所处理的被测变量和功能，还可以表示仪表或元件处理的被测变量和功能，还可以表示仪表或元件的名称。的名称。 仪表图形符号是直径为仪表图形符号是直径为12mm的细实圆圈，的细实圆圈，并在其中标有并在其中标有仪表位号仪表位号。1-3 方块图与流程图方块图与流程图仪表位号仪表位号由字母代号和数字编号组成由字母代号和数字编号组成，如下例所示：44p仪表位号按被测变量不同进行分类。同一个装置仪表位号按被测变量不同进行分类。同一个装置（或工段）的同类被测变量的仪表位号中顺序号
31、是连（或工段）的同类被测变量的仪表位号中顺序号是连续的。续的。p在工艺控制流程图上，标注仪表位号的方法是：字在工艺控制流程图上，标注仪表位号的方法是：字母代号填写在圆圈上半圆中，数字编号填写在下半圆母代号填写在圆圈上半圆中，数字编号填写在下半圆中。中。如图如图1-8 所示所示 ：1-3 方块图与流程图方块图与流程图45表表1-1 列出了在仪表位号中用到的被测变量和列出了在仪表位号中用到的被测变量和仪表功能的字母代号。仪表功能的字母代号。表表1-2 则给出了常见的字母组合。则给出了常见的字母组合。1-3 方块图与流程图方块图与流程图461-3 方块图与流程图方块图与流程图471-3 方块图与流程
32、图方块图与流程图4849 图图1-7中采用了一台液位变送器（中采用了一台液位变送器（LT ) ，一台液一台液位控制器（位控制器（LC ）和一个用于控制液位的执行器和一个用于控制液位的执行器（LV ）。）。o 教材中所画的工艺控制流程图中，由于回路数较教材中所画的工艺控制流程图中，由于回路数较少，故将数字编号省略了。少，故将数字编号省略了。1-3 方块图与流程图方块图与流程图50一、过渡过程一、过渡过程过程控制系统在运行中有两种状态。过程控制系统在运行中有两种状态。静态：静态：系统的被控变量不随时间而变化的平衡状态，系统的被控变量不随时间而变化的平衡状态，称为静态（或稳态）；称为静态（或稳态）；
33、动态：动态：系统的被控变量随时间而变化的不平衡状态，系统的被控变量随时间而变化的不平衡状态，称为动态。称为动态。1-4 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标过渡过程：过渡过程：生产过程从一个平衡状态（稳态）到达另一个平生产过程从一个平衡状态（稳态）到达另一个平衡状态（稳态）的动态历程称为过渡过程，衡状态（稳态）的动态历程称为过渡过程，它反它反映了被控变量随时间的变换规律。映了被控变量随时间的变换规律。51p为了便于了解控制系统的动态特性，通常是在系统为了便于了解控制系统的动态特性，通常是在系统的输入端施加一些特殊的试验输入信号，然后研究的输入端施加一些特殊的试验输入信号，然后研究系统对该输入信
34、号的响应。最常采用的试验信号是系统对该输入信号的响应。最常采用的试验信号是阶跃输入信号阶跃输入信号，其作用方式如图，其作用方式如图1-9 1-9 所示。所示。 1-4 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标52过渡过程几种典型形式：过渡过程几种典型形式：非衰减振荡过程：非衰减振荡过程：图图1-10(1-10(a)a)所示，其特点是被控变量在给定值的所示，其特点是被控变量在给定值的某一侧作缓慢变化，没有来回波动，最后稳定在某一某一侧作缓慢变化，没有来回波动，最后稳定在某一数值上。数值上。衰减振荡过程：衰减振荡过程：图图1-101-10（b b）所示，其特点是被控变量在给定值所示，其特点是被控变量在
35、给定值附近上下波动，但幅度逐渐减小，经过几个振荡周期附近上下波动，但幅度逐渐减小，经过几个振荡周期后，逐渐收敛在某一数值上。后，逐渐收敛在某一数值上。1-4 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标53等幅振荡过程：等幅振荡过程： 图图1-101-10（c c）所示，其特点是被控变量在给定值附近来回波所示，其特点是被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变。动，且波动幅度保持不变。发散振荡过程：发散振荡过程： 图图1-10(1-10(d d）所示，其特点是当干扰进人系统后，使被控变量所示，其特点是当干扰进人系统后，使被控变量开始产生振荡，控制作用不仅无法将被控变量稳定到给定值上，开始产生振荡
36、，控制作用不仅无法将被控变量稳定到给定值上，反而使振荡的幅度越来越大。反而使振荡的幅度越来越大。1-4 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标54二、性能指标二、性能指标 以以衰减振荡过程衰减振荡过程的形式讨论：的形式讨论：假设性能指标的出发点是以控制系统原先所处的假设性能指标的出发点是以控制系统原先所处的平衡状态时刻的被控变量平衡状态时刻的被控变量y(0)y(0)作为基准值，且被控变作为基准值，且被控变量等于给定值。量等于给定值。从从t=O t=O 的时刻开始，系统受到阶跃输入作用，于的时刻开始，系统受到阶跃输入作用，于是被控变量开始变化。经过一段时间的衰减振荡后，是被控变量开始变化。经过一段
37、时间的衰减振荡后，最终达到新的平衡状态，使被控变量稳定在最终达到新的平衡状态，使被控变量稳定在y()y()。 在在干扰干扰或或给定值给定值作阶跃变化时，被控变量的响应作阶跃变化时，被控变量的响应曲线分别如图曲线分别如图1-11(1-11(a)a)和图和图1-11(1-11(b b）所示。所示。1-4 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标5556控制系统的主要性能指标：控制系统的主要性能指标：1 1、最大偏差最大偏差e emaxmax（或或超调量超调量）最大偏差（或超调量）最大偏差（或超调量）是描述被控变量偏离给是描述被控变量偏离给定值程度的物理量。定值程度的物理量。 干扰作用下干扰作用下的定值
38、控制系统，的定值控制系统，最大偏差最大偏差是指在是指在过渡过程中，被控变量的第一个波峰值与给定值的过渡过程中，被控变量的第一个波峰值与给定值的差。差。干扰作用下系统过渡过程如干扰作用下系统过渡过程如图图1-11 (a)所示。所示。 1-4 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标57emax =B+C 最大偏差最大偏差:1-4 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标58p 给定值变化给定值变化的随动系统，通常采用的随动系统，通常采用超调量超调量这这一性能指标来表示被控变量偏离给定值的程一性能指标来表示被控变量偏离给定值的程度。度。o 超调量的定义为超调量的定义为()( )100%( )(0)pyyy
39、yt （-）tp- 波峰时间波峰时间给定值变化给定值变化的过渡过程曲线如下图所示：的过渡过程曲线如下图所示：1-4 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标59在图1-11(b)中，超调量 100%BC1-4 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标60 2 2余差余差e()e()余差又称残余偏差，是指在过渡过程终了时，系余差又称残余偏差，是指在过渡过程终了时，系统的给定值与被控变量新稳态值之间的差值。统的给定值与被控变量新稳态值之间的差值。余差是衡量控制系统稳态准确性的重要指标。余差是衡量控制系统稳态准确性的重要指标。1-4 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标61在图在图1-11(a)中，余差中，
40、余差e()= C ；在图在图1-11(b)中，余差中，余差e()=r-y(）。）。623衰减比衰减比n 衰减比是衡量控制系统稳定性的一个动态指衰减比是衡量控制系统稳定性的一个动态指标，它反映了一个振荡过程的衰减程度，标，它反映了一个振荡过程的衰减程度，它等于它等于两个相邻的同向波峰值之比。两个相邻的同向波峰值之比。（注意：以（注意：以y（）为横坐标）为横坐标）o 习惯上表示为习惯上表示为n:1。o 一般希望衰减比在一般希望衰减比在 4:1 到到 10:1 的范围内。的范围内。1-4 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标63衰减比衰减比n=B/B644过渡时间过渡时间tS 过渡时间又叫控制时间或
41、回复时间，它是控制系统在受到外界作用后，被控变量从原来的稳态值达到从原来的稳态值达到新的稳态值所需的时间新的稳态值所需的时间。理论上讲，被控变量达到新的平衡状态需要无限长的时间。所以一般认为当被控变量已进人其新稳态所以一般认为当被控变量已进人其新稳态值的值的5%5%（或（或2%2%）的范围内，并不再越出时，就认）的范围内，并不再越出时，就认为控制系统已经重新回复到稳定状态。为控制系统已经重新回复到稳定状态。在图1-11中，过渡时间以tS表示。1-4 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标65过渡时间以过渡时间以tS表示表示665. 偏差积分性能指标偏差积分性能指标nIAE nISEnIATEnI
42、STE0Je(t ) dtmin 0Jt e(t ) dtmin 20Je (t )dtmin 面积积分，按其整定参数偏差的平均值较小。随时间推移，控制越来越趋于严格。过渡过程可能出现大的偏差，但是恢复时间较短。对偏差值敏感，按其整定参数过渡过程不会呈现大偏差。20Jte (t )dtmin 随时间推移，控制越来越趋于严格。恢复时间较短。1-4 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标67课程小结课程小结o 掌握过程控制系统的基本组成o 掌握由系统工作原理图绘制方块图o 了解过程控制系统的过渡过程及品质指标68作业题作业题1、什么是生产过程自动化，它有什么重要意义？2、过程控制系统由哪几部分构成？
43、3、简述在过程控制系统中，测量变送器、控制器、执行器的作用？电信学院自动化系先进控制技术研究所70内容简介内容简介过程控制系统及仪表过程控制系统及仪表(第第3版版)内容简介：内容简介：过程控制系统的理论分析和设计需要较过程控制系统的理论分析和设计需要较多的数学知识，自动化仪表在设计制造多的数学知识，自动化仪表在设计制造方面也有许多技术问题值得探讨。但是方面也有许多技术问题值得探讨。但是，对于工艺技术人员来说，主要关心的，对于工艺技术人员来说，主要关心的问题是控制系统和仪表的基本原理及其问题是控制系统和仪表的基本原理及其应用特性。因此，应用特性。因此，过程控制系统及仪过程控制系统及仪表表(第第3
44、版版)尽量避免繁杂的数学推导尽量避免繁杂的数学推导，力求用简明扼要的文字和插图使读者，力求用简明扼要的文字和插图使读者对所学知识有更多的定性了解，通俗易对所学知识有更多的定性了解，通俗易懂，这是懂，这是过程控制系统及仪表过程控制系统及仪表(第第3版版)的另一个特色。的另一个特色。过程控制系统和仪表涉及的领域十分广过程控制系统和仪表涉及的领域十分广阔，研究内容也极其丰富。本着理论联阔，研究内容也极其丰富。本着理论联系实际、学以致用的原则，系实际、学以致用的原则，过程控制过程控制系统及仪表系统及仪表(第第3版版)在取材方面，不在取材方面，不追求包罗万象、面面俱到，而是力争把追求包罗万象、面面俱到，
45、而是力争把最基本、最常用的内容都包含进来。突最基本、最常用的内容都包含进来。突出重点，注重实用是出重点，注重实用是过程控制系统及过程控制系统及仪表仪表(第第3版版)的第三个特色。的第三个特色。 第3版2010-07第2版出版日期：2006-08-01 71目录目录 第第1篇篇 过程控制基础知识过程控制基础知识第第1章章 绪论绪论1.1 生产过程自动化概述生产过程自动化概述1.1.1 生产过程及其特点生产过程及其特点1.1.2 生产过程对控制的要求生产过程对控制的要求1.1.3 生产过程自动化的发展历程生产过程自动化的发展历程1.2 过程控制系统的组成及分类过程控制系统的组成及分类1.2.1 过
46、程控制系统的组成过程控制系统的组成1.2.2 过程控制系统的分类过程控制系统的分类1.3 过程控制系统的方块图与工艺控制流程图过程控制系统的方块图与工艺控制流程图1.3.1 过程控制系统的方块图过程控制系统的方块图1.3.2 过程控制系统的工艺控制流程图过程控制系统的工艺控制流程图1.4 过程控制系统的过渡过程和性能指标过程控制系统的过渡过程和性能指标1.4.1 过程控制系统的过渡过程过程控制系统的过渡过程1.4.2 过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标习题习题第第2章章 被控对象的特性被控对象的特性2.1 概述概述2.1.1 基本概念基本概念2.1.2 被控对象的阶跃响应特性被控对象
47、的阶跃响应特性2.2 被控对象特性的数学描述被控对象特性的数学描述2.2.1 一阶对象的机理建模及特性分析一阶对象的机理建模及特性分析2.2.2 二阶对象的机理建模及特性分析二阶对象的机理建模及特性分析2.2.3 纯滞后对象的机理建模及特性分析纯滞后对象的机理建模及特性分析2.3 被控对象的实验测试建模被控对象的实验测试建模2.3.1 阶跃响应曲线的获取阶跃响应曲线的获取2.3.2 一阶纯滞后对象特性参数的确定一阶纯滞后对象特性参数的确定2.3.3 二阶对象特性参数的确定习题二阶对象特性参数的确定习题 第第2篇篇 过程自动化装置过程自动化装置第第3章章 过程测量仪表过程测量仪表 3.1 测量仪
48、表中的基本概念测量仪表中的基本概念3.1.1 测量过程及测量仪表测量过程及测量仪表3.1.2 检测系统的基本特性及性能指标检测系统的基本特性及性能指标 3.2 温度测量温度测量3.2.1 概述概述3.2.2 热电偶温度计热电偶温度计3.2.3 热电阻温度计热电阻温度计3.2.4 温度测量仪表的选用温度测量仪表的选用3.2.5 温度交迭器温度交迭器3.2.6 一体化温度变送器一体化温度变送器3.2.7 智能温度变送器智能温度变送器 3.3 压力测量压力测量3.3.1 概述概述3.3.2 弹性式压力表弹性式压力表3.3.3 电容武压力变送器电容武压力变送器3.3.4 扩散硅压力变送器扩散硅压力变送
49、器3.3.5 智能差压变送器智能差压变送器3.3.6 压力表的选择和使用压力表的选择和使用 3.4 流量测量流量测量3.4.1 概述概述3.4.2 差压式流量计差压式流量计3.4.3 容积式流量计容积式流量计3.4.4 浮子式流量计浮子式流量计3.4.5 电磁流量计电磁流量计3.4.6 涡街流量计涡街流量计72 3.5 物位测量物位测量3.5.1 概述概述3.5.2 静压式液位计静压式液位计3.5.3 磁浮子式液位计磁浮子式液位计3.5.4 电容武物位计电容武物位计3.5.5 其他物位测量仪表其他物位测量仪表 3.6 显示仪表显示仪表3.6.1 概述概述3.6.2 模拟式显示仪表模拟式显示仪表
50、3.6.3 数字式显示仪表数字式显示仪表3.6.4 智能化、数字化记录仪智能化、数字化记录仪习题习题 第第4章章 过程控制仪表过程控制仪表4.1 基本控制规律基本控制规律4.1.1 位式控制位式控制4.1.2 比例控制比例控制4.1.3 比例积分控制比例积分控制4.1.4 比例微分控制比例微分控制4.1.5 比例积分微分控制比例积分微分控制4.2 DDZ一一型调节器型调节器4.2.1 主要功能主要功能4.2.2 构成原理构成原理4.3 可编程调节器可编程调节器4.3.1 KMM可编程调节器的构成可编程调节器的构成4.3.2 KMM可编程调节器的主要功能可编程调节器的主要功能4.3.3 正面板和
