第1章 过程控制性能指标(1-2)

1.2.1 过程控制的性能指标

过程控制系统的性能由组成系统的结构、被控过程与过程仪表（测量变送、执行器和控制器）各环节特性所共同决定的。

1.过程控制系统的性能评价

?一个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，应能迅速

（快）、平稳（稳）、准确（准）地达到或趋近给定值。

?过程控制系统性能的评价指标可概括为：

a)系统必须是稳定的（最重要、最基本的需求！）

b)系统应提供尽可能优良的稳态调节（静态指标）；

c)系统应提供尽可能优良的过渡过程（动态指标）。

2. 决定过程控制系统性能的因素

?控制系统结构（单回路、串级、前馈-反馈控制等）；

?各组成环节特性：

a)被控过程特性（滞后、非线性、时变性和耦合特性）；

b)检测环节特性（非线性、间接测量）；

c)执行环节特性（非线性）；

d)控制器特性。当系统结构和上述三个环节都确定后，控制器特性是决定控制系

统性能指标的唯一因素。这就是参数整定（Tuning）。

稳定是系统性能中最重要、最根本的指标，只有在系统是稳定的前提下，才能讨论静态和动态指标。

3. 性能指标的确定和分析方法

?过程控制系统性能指标应根据生产工艺过程的实际需要来确定。需同时注意静态和动态

性能指标。

?分析方法：

（1）.阶跃响应性能指标，系统工程整定时采用；（重点介绍）

（2）.偏差积分性能指标，计算机仿真或理论分析时采用。

①阶跃扰动作用下控制系统过渡过程曲线

(a)发散振荡程 (b)非振荡发散过程 (c)等幅振荡过程

(d) 衰减振荡过程 (e) 非振荡衰减过程

在阶跃振动作用下，控制系统过渡过程曲线有以上几种典型形式：发散振荡过程、非振荡发散过程、等幅振荡过程、 衰减振荡过程、 非振荡衰减过程

前三者属于不稳定过程→性能指标无从谈起，后两种过程为稳定过程，重点讨论衰减振荡过程的常用性能指标。

②给定值阶跃变化时过渡过程的典型曲线

③静态性能指标

稳态误差是描述系统静态性能的唯一指标。

定义：指系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳态值之差：

一般要求稳态误差为零或越小越好。 （但不可能为零）

动态性能指标

意义：生产过程中干扰无时不在，控制系统时时刻刻都处在一种频繁的、不间断的

动态调节过程中。所以，在过程控制中，

了解或研究控制系统的动态比其静态更为重要、

《过程控制系统》教案

更有意义。

描述系统动态指标主要包括：

? a.衰减比；b.超调量；c.过渡过程时间

a.衰减比 n

? 衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标：

12

B n B = ? 一般取衰减比为4:1～10:1。其中4:1衰减比常作为评价过渡过程动态性能的

一个理想指标。对于缓慢变化过程，可取到10:1

b.超调量σ与过渡过程时间s t

? 超调量： (对于定值系统来说：最大偏差是指被控参数第一个峰值与给定值之差)

()()

100%()p y t y y σ-∞=?∞

? 过渡过程时间s t 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。

? 要求σ、s t 应越小越好。

④ 性能指标之间的关系

a.有些指标之间是相互矛盾的（如超调量与过渡过程时间）。

b 对于不同的过程控制系统，性能指标各有其重要性。

c 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性能指标要求。

例题1：

某发酵过程工艺规定操作温度为40±5℃。 试确定该系统的稳态误差、衰减比、超调量和过渡过程时间。

解： 稳态误差e ss

=41-40=1℃ 衰减比 第一个波峰值=45-41=4℃；第二个波峰值=42-41=1℃

124:1B n B ==

超调量σ=（45-41）/41=9.75%

过渡过程时间=23min （误差带为±2%）。

⑤ 偏差绝对值积分

（a ）偏差绝对值积分IAE （Integral of Absolute Error ）

定义：偏差绝对值积分IAE ()min 0

J e t dt ∞=→? 适用于衰减和无静差系统，不易用分析方法来求值，但用计算机计算很方便。 (b) 偏差绝对值与时间乘积的积分（ITAE ）

定义：偏差绝对值与时间乘积的积分ITAE （Integral of Time and Absolute Error ） ()min 0

J t e t dt ∞=→? 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，着重惩罚过渡过程拖得过长。

（c ）偏差平方值积分（ ISE ）

定义：偏差平方值积分ISE （ Integral of Squared Error ） 2()min 0

J e t dt ∞=→? 该性能指标着重于抑制过渡过程中的大误差。

（d ）时间乘偏差平方积分（ITSE ）

定义：时间乘偏差平方积分ITSE （Integral of Time and Squared Error ） 2()min 0

J te t dt ∞=→? 着重惩罚过渡过程拖得过长和大误差。

⑥ 阶跃响应与偏差积分性能指标的比较

? 阶跃响应性能指标中各单项指标清晰明了，但如何统筹（兼顾偏差和时间），则比较困

难。

? 偏差积分性能指标可综合偏差和时间关系，即可以兼顾衰减比、超调量和过渡过程时间

等各单项指标，属于综合性能指标。

? 一般来说，阶跃响应性能指标便于工程整定，在工程应用中使用广泛；而偏差积分性能

指标则更便于计算机仿真和理论分析。

《过程控制系统》教案

1.3 过程控制技术的发展

1.3.1过程控制仪表的发展

自20世纪40年代开始，过程控制陆续采用自动检测及控制以取代手工操作。

工业自动化仪表的发展

→

?

?→

?

?

→

?

?→

?

气动电动

现场就地中央控制室控制

仪表盘（屏）上监视计算机操作站操作

模拟信号数字信号

过程控制仪表的发展史

1.3.2计算机在过程控制中的应用及发展表：计算机在过程控制顺的应用及发展组装式仪表

或1～

5V

1.早期：由于计算机价格昂贵，可靠性不高，计算机在过程控制中的应用仅限于取代模

拟PID控制器，监视、记录或报警等，即所谓的计算机直接数字控制（DDC）

2.集散控制系统（DCS）的使用

3.现场总线技术开始实用化

工业过程控制的一个研究热点：以市场为导向的集管理与控制为一体的计算机集成综

合自动化系统。

特点：综合自动化系统应用计算机技术、网络技术、信息技术和自动控制技术，引入实时数据库服务器和关系数据库服务器协同工作的概念，实现生产加工过程、计划调度、

生产工艺操作优化、趋势分析、物质供应、产品质量、办公和财务等整个企业信息

的平台集成和利用，实现全车间，全厂甚至全企业无人或很少人参与操作管理，实

现过程控制最优化与现代化的集中调度管理相结合。

1.3.3过程控制理论的发展

?上世纪40年代至60年代，经典控制理论为主。→（SISO系统）

?60年代后，现代控制理论在生产过程控制中得到了越来越多的应用。

?数学上比较完美的现代控制理论，在过程控制的实际应用中却存在较大的问题，因为它

依赖于被控对象的数学模型。

?近年来，控制理论界已形成一个包括智能控制等在内的多角度、多方位的研究态势。

?目前，在工业过程控制系统中，90％以上还是采用PID控制算法！

1.3.4我国过程控制技术的发展

1、我国过程控制技术的发展情况

?上世纪50年代末期，主要采用机械式和气动仪表；→起步于20世纪50年代

?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）等。

?目前，控制系统以DCS和PLC-SCADA系统为主。我国已有DCS、PLC的研发和生产能

力。

注：仪表仍大量使用气动、电动单元组合仪表；在控制策略方面，开始采用先进控制策略

2、当前过程控制的几个发展方向

?现场总线控制系统FCS

?PLC-SCADA系统的应用研究

?远程监督与控制

?智能控制应用研究

?过程控制与管理信息集成

《过程控制系统》教案

1.4本课程的地位和性质

1.4.1本课程的地位

1.过程控制与运动控制的关系

过程控制（Process Control）和运动控制（Motion Control）是自动化专业的主干课程。

二者的区别在于控制对象有所不同：

?过程控制研究化工、石油、冶金、发电等工业生产过程中的温度、压力、流量、

物位、成份等变量的控制；

?而运动控制研究速度和位置控制，如数控机床、航空航天、机器人等等。

可见，过程控制所涉及的行业面广，在国民经济生产中占有极其重要的地位。

２.过程控制的重要地位

（1）过程控制可提高产量、节能降耗、安全生产、减少环境污染，对提高经济效益、社会效益和环境效益具有非常重要的意义。

（2）目前，我国还有许多工业生产过程仍然处于手动或半自动状态，操作水平较低，稳定性差，效益不佳，存在很大的生产技术改造空间。采用过程控制及信息技术改造传统产业，实施生产过程的优化控制和管理，已成为当务之急。

1.4.2本课程的任务

1.工业生产过程中的扰动

?工业生产过程的扰动作用使得生产过程不稳定，主要有：

原材料特性的变化；

产品质量与规格的变化；

生产设备特性的漂移；

装置与装置或工厂与工厂之间的关系等。

?在流程工业中，物料流与能量流在各装置之间或工厂之间有着紧密的关系，由于前

后的联结调度等原因，往往要求生产过程的运行作出相应的改变，以满足整个生产

过程物料与能量的平衡。

?一个局部的扰动，往往会在整个生产过程中传播开来。

2.影响工业生产过程的因素主要有：

1）信号的测量问题；

2）执行器特性；

3）被控过程的滞后特性、非线性特性、时不变性、本征不稳定性和耦合特性。

3. 过程控制的主要任务

?过程控制的主要任务是使生产过程达到安全、平稳、优质、高效（高产、低耗）。

?作为过程控制的最基本目标是使生产过程克服一切扰动，安全（越限报警、联锁）并平

稳地进行。

1.4.3过程控制的设计

1. 过程控制系统设计

?工业生产过程多种多样，非常复杂。因此，在设计工业生产过程控制系统时，必须花大

量的时间和精力了解该工业生产过程的基本原理、操作过程和过程特性，这是设计和实现一个工业生产过程控制系统的首要条件。这就要求从事过程控制的技术人员必须与工艺人员充分交流。

?控制技术人员根据工艺特点，制定控制方案。控制方案设计包括合理选择被控参数和控

制参数、被控参数的测量变送、执行机构的选择、控制规律的选取以及控制结构设计等。

2. 过程控制系统设计的主要内容

?一个完整的过程控制系统从设计到投运，应包括方案设计、工程设计、工程安装与仪表

调校以及控制器参数整定等主要内容。

?其中，控制方案设计和控制器参数整定则是系统设计中的两个核心内容！

?如果控制方案设计不正确，仅凭控制器参数的整定，则不可能获得好的控制质量；反之，

若控制方案设计正确，但控制器参数整定得不合适，也不能使控制系统保持在最佳状态。

3. 一个不当的控制方案设计举例

?目标：破碎过程，腔内料位需要

稳定。

?问题：给矿皮带长，给矿机矿量

改变后传输到破碎机时间长。

?仅测破碎腔内料位，改变给矿机

频率，料位波动很大。必须设计

成串级控制！

?一个需要串级控制而设计成单回

路控制的系统，是无法满足工艺

指标要求的！

注：和前面的一个例子中被控过程一样

本章总结

作业： P16 1-1，1-3，1-4，1-5，1-8

第一章-过程控制基本概念

第一 章 过 程控制基本概念 教学要求：了解过程 控制的发展概况及特点； 负反馈概念； 控制系统的基本控制 要求及质量指标。 难 点：常用术语物理意 义（操纵变量与扰动量区别 ）； 根据控制系统要求绘 制方框图； 静态，过渡过程概念 。 自动控制技术在工业 、农业、国防和科学技术现代化中起着十 分重要的作用，自动控 制水平的高低也是衡 量一个国家科学技术先进与否的重要标志 之一。随着国民经济和国防 建设的发展，自动控 制技术的应用日益广泛，其重要作用也越 来越显著。 生产过程自动控制（ 简称过程控制） ------------ 自动 控制技术在石油、化工、电力、冶金、 机械、轻工、纺织等 生产过程的具体应用，是自动化技术的重 要组成部分。 §1.1 过程控 制的发展概况及特点 一、过 程控制的发展概况 在过程控制发展的历 程中，生产过程的需求、控制理论的开拓 和控制技术工具和手段 的进展三者相互影响 、相互促进，推动了过程控制不断的向前 发展。纵观过程控制的发展 历史，大致经历了以 下几个阶段： 20 世纪 40 年代： 手工操作状态，只有 少量的检测仪表用于生产过程，操作人员 主要根据观测 到的反映生产过程的 关键参数，用人工来改变操作条件，凭经 验去控制生产 过程。 20世纪40年代末?50年代： 过程控制系统：多为 单输入、单输出简单控制系统 过程检测：采用的是 基地式 仪表和部分单元组合仪表（气动I 型和电动I 型）； 部分生产过程实现了 仪表化和局部自动化 控制理论：以反馈为 中心的经典控制理论 掌握管道及仪表流程 学会绘制简单系 统的 图绘制方法，认识常见图形符号、文字代 号 ； 掌握控制系统的基本 控制要求（稳定、快速、准确 ）； 掌握静态、动态及过 渡过程概念； 掌握品质指标的定义 ，学会计算品质指标。 掌握过程控制系统各 部分作用，系统的组成； 重 点：自动控制系统的 组成及各部分的功能；

过程控制工程第一章答案

第一章思考题及习题 1.1何谓控制通道？何谓干扰通道？它们的特性对控制系统质量有 什 么影响？ 答：所谓“通道”，就是某个参数影响另外一个参数的通路，这里 所说的控制通道就是控制作用（一般的理解应当是控制器输出）〃（S ）对 即广义对 象上的控制通道）。同理，干扰通道就是干扰作用F （s ）对被控参数Ms ） 的影响通路。干扰通道的特性对控制系统质量影响如下表所示。 控制通道的特性对控制系统质量影响如下表所示 被控参 的影响 （一般的 是控制 通过执 数 心 通 路 理 解 作 用 行 器 影响 量坎 量通 象再 控制变 后 控制变 过被控对 影响被控 参数, 衰干扰通道特性対痩的幕1 表1?2控对控Mft*的

1.2如何选择控制变量？ 答：①所选控制变量必须是可控的。 ②所选控制变量应是通道放大倍数比较大者，最好大于扰动通道的放大倍数。 ③所选控制变量应使扰动通道时间常数越大越好，而控制通道时间常数应适当小一些为好，但不易过小。 ④所选控制变量其通道纯滞后时间应越小越好。 ⑤所选控制变量应尽量使干扰点远离被控变量而靠近控制阀。 ⑥在选择控制变量时还需考虑到工艺的合理性。一般来说，生产负荷直接关系到产品的产量，不宜经常变动，在不是十分必要的情况下，不宜选择生产负荷作为控制变量 1?3控制器的比例度6变化对控喘?］系统的控喘＞J精度有何影响？对控制系统的动态质量有何影响？ 答：当G?二Kc时，即控制器为纯比例控制，则系统的余差与比例放大倍数成反比，也就是与比例度6成正比，即比例度越大，余差也就越大。

/C增大、6减小，控制精度提高（余差减小），但是系统的稳定性下降。 1.4 4： 1衰减曲线法整定控制器参数的要点是什么？ 答：衰减曲线法是在系统闭环情况下，将控制器积分时间刀放在最大，微分时间石放在最小，比例度放于适当数值（一般为100%）,然后使6由大往小逐渐改变，并在每改变一次6值时，通过改变给定值给系统施加一个阶跃干扰，同时观察过渡过程变化情况。如果衰减比大于4： 6应继续减小，当衰减比小于4： 1时6应增大，直至过 渡过程呈现4： 1衰减时为止。找到4： 1衰减振荡时的比例度6s,及 振荡周期：再按经验公式，可以算出采用不同类型控制器使过渡过 程出现4： 1振荡的控制器参数值。依次将控 制器参数放好。不过在放积分、微分之前应将 多放在比计算值稍大（约20%）的数值上，待 积分、微分放好后再将6放到计算值上。放好 控制器参数后可以再加一次干扰，验证一下过 渡过程是否呈4： 1衰减振荡。 如果不符合要求，可适当调整一下6值，直到 达到满意为止。 1.5图1.41为一蒸汽加热设备，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出。试问： ①影响物料出口温度的主要因素有哪些？ 答：影响物料出口温度的主要有：蒸汽流量、物料流量为影响物料出口温度的主要因素。

过程控制部分习题答案

第一章 思考题与习题 1－3 常用过程控制系统可分为哪几类? 答：过程控制系统主要分为三类： 1. 反馈控制系统：反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的，最终达到或消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。它是最常用、最基本的过程控制系统。 2．前馈控制系统：前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据。由于没有被控量的反馈，所以是一种开环控制系统。由于是开环系统，无法检查控制效果，故不能单独应用。 3. 前馈－反馈控制系统：前馈控制的主要优点是能够迅速及时的克服主要扰动对被控量的影响，而前馈—反馈控制利用反馈控制克服其他扰动，能够是被控量迅速而准确地稳定在给定值上，提高控制系统的控制质量。 3－4 过程控制系统过渡过程的质量指标包括哪些内容？它们的定义是什么？哪些是静态指标？哪些是动态质量指标？ 答：1. 余差(静态偏差）e ：余差是指系统过渡过程结束以后，被控参数新的稳定值y(∞)与给定值c 之差。它是一个静态指标，对定值控制系统。希望余差越小越好。 2. 衰减比n:衰减比是衡量过渡过程稳定性的一个动态质量指标，它等于振荡过程的第 一个波的振幅与第二个波的振幅之比，即： n ＜1系统是不稳定的，是发散振荡；1,系统也是不稳定的，是等幅振荡；n ＞1,系统是稳定的，若4,系统为4：1的衰减振荡，是比较理想的。 衡量系统稳定性也可以用衰减率φ 4．最大偏差A ：对定值系统，最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值C 之差，它衡量被控参数偏离给定值的程度。 5． 过程过渡时间：过渡过程时间定义为从扰动开始到被控参数进入新的稳态值的±5%或±3％ （根据系统要求）范围内所需要的时间。它是反映系统过渡过程快慢的质量指标，越小，过渡过程进行得越快。 6．峰值时间: 从扰动开始到过渡过程曲线到达第一个峰值所需要的时间，（根据系统要求）范围内所需要的时间。称为峰值时间。它反映了系统响应的灵敏程度。 静态指标是余差，动态时间为衰减比（衰减率）、最大偏差、过程过渡时间、峰值时间。 B B n ' = B B B '-= ?

过程控制工程课后习题参考答案-前三章

过程控制工程课后习题参考答案-前三章

过程控制工程 第一章单回路控制系统 1.1 何谓控制通道？何谓干扰通道？它们的特性对控制系统质量有什么影响？ 控制通道——是指操纵变量与被控变量之间的信号联系； 干扰通道——是指干扰作用与被控变量之间的信号联系。 （1）控制通道特性对系统控制质量的影响：（从K、T、τ三方面） 控制通道静态放大倍数越大，系统灵敏度越高，余差越小。但随着静态放大倍数的增大，系统的稳定性变差。 控制通道时间常数越大，经过的容量数越多，系统的工作频率越低，控制越不及时，过渡过程时间越长，系统的质量越低，但也不是越小越好，太小会使系统的稳定性下降，因此应该适当小一些。 控制通道纯滞后的存在不仅使系统控制不及时，使动态偏差增大，而且还还会使系统的稳定性降低。 （2）干扰通道特性对系统控制质量的影响：

（从K、T、τ三方面） 干扰通道放大倍数越大，系统的余差也越大，即控制质量越差。 干扰通道时间常数越大，阶数越高，或者说干扰进入系统的位置越远离被控变量测量点而靠近控制阀，干扰对被控变量的影响越小，系统的质量则越高。 干扰通道有无纯滞后对质量无影响，不同的只是干扰对被控变量的影响向后推迟一个 。 纯滞后时间τ 1.2 如何选择操纵变量？ 1）考虑工艺的合理性和可实现性； 2）控制通道静态放大倍数大于干扰通道静态放大倍数； 3）控制通道时间常数应适当小一些为好，但不易过小，一般要求小于干扰通道 时间常数。干扰动通道时间常数越大 越好，阶数越高越好。 4）控制通道纯滞后越小越好。 1.3 控制器的比例度δ变化对控制系统的控制精度有何影响？对控制系统的动态质量有何影响？ 比例度δ越小，系统灵敏度越高，余差越小。

过程控制部分习题答案

第一章思考题与习题 1－3 常用过程控制系统可分为哪几类? 答：过程控制系统主要分为三类： 1. 反馈控制系统：反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的，最终达到或消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。它是最常用、最基本的过程控制系统。 2．前馈控制系统：前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据。 3 ) 5．过程过渡时间ts：过渡过程时间定义为从扰动开始到被控参数进入新的稳态值的±5%或±3％（根据系统要求）范围内所需要的时间。它是反映系统过渡过程快慢的质量指标，t s越小，过渡过程进行得越快。 6．峰值时间tp: 从扰动开始到过渡过程曲线到达第一个峰值所需要的时间，（根据系统要求）范围内所需要的时间。称为峰值时间tp。它反映了系统响应的灵敏程度。 静态指标是余差，动态时间为衰减比（衰减率）、最大偏差、过程过渡时间、峰值时间。

第二章思考题与习题 2－1如图所示液位过程的输入量为Q1，流出量为Q2，Q3，液位h为被控参数，C为容量系数，并设R1、R2、R3均为线性液阻，要求： （1）列出过程的微分方程组； （2）求过程的传递函数W0（S）＝H（S）/Q1（S）； 1 （3）过程的方框图：

2－2．如图所示：Q 1为过程的流入量，Q 2为流出流量，h 为液位高度，C 为容量系数，若以Q 1为过程的输入量，h 为输出量（被控量），设R 1、R 2为线性液阻，求过程的传递函数 W 0(S)＝H(S)/Q 1(S)。 2－5 某过程在阶跃扰动量Δu ＝20％，其液位过程阶跃响应数据见下表： （1） 画出液位h 的阶跃响应曲线 τ S 2210e 1 S CR R )s (Q ) s (H )s (W -+==

过程控制-第一到三章-作业

过程控制-第一到三章-作业

第一章作业 1.1 常用的评价控制系统动态性能的单项性能指标有哪些？它与误差积分指标各有何特点？ 答：(1)衰减率ψ、超调量σ、稳态误差e ss、调节时间t s、振荡频率ω；(2)单项指标用若干特征参数评价系统优劣，积分指标用误差积分综合评价系统优劣。 1.2 什么是对象的动态特性？为什么要研究对象的动态特性？ 答：(1)指被控对象的输入发生变化时，其输出（被调量）随时间变化的规律； (2)实现生产过程自动化时，对象的动态特性可以为控制工程师设计出合理的控制系统满足要求提高主要依据。 1.3 通常描述对象动态特性的方法有哪些？ 答：微分方程或传递函数。 1.4 过程控制中被控对象动态特性有哪些特点？ 答：无振荡、稳定或中性稳定、有惯性或迟延、非线性但在工作点附近可线性化。 1.11 某水槽水位阶跃响应实验为： t /s0 10 20 40 60 80 100 150 200 300 400 h /mm0 9.5 18 33 45 55 63 78 86 95 98 其中阶跃扰动量Δμ=20%。 (1)画出水位的阶跃响应曲线； (2)若该水位对象用一阶惯性环节近似，试确定其增益K和时间常数T。 解：MATLAB编程如下： %作出标幺后的响应曲线

t=[ 0 10 20 40 60 80 100 150 200 300 400 ]; h=[ 0 9.5 18 33 45 55 63 78 86 95 98 ]; x=0:0.01:400; y=interp1(t,h,x,'spline'); %三次样条函数据己知的t、h插出x的值yy=y/y(end); %输出标幺 plot(x,yy,'k'); xlabel('t/s'); ylabel('h/mm'); title('阶跃响应曲线','fontsize',10); grid; %找出最接近0.39和0.63的点 less1=find(yy<=0.39); more1=find(yy>=0.39); front1=less1(1,end); behind1=more1(1,1); cha11=0.39-yy(1,front1); cha12=yy(1,behind1)-0.39; if cha11<=cha12 t1=x(1,front1) else t1=x(1,behind1) end less2=find(yy<=0.63); more2=find(yy>=0.63); front2=less2(1,end); behind2=more2(1,1); cha21=0.63-yy(1,front2);

第一章 过程控制基本概念

第一章过程控制基本概念 教学要求：了解过程控制的发展概况及特点； 掌握过程控制系统各部分作用，系统的组成； 掌握管道及仪表流程图绘制方法，认识常见图形符号、文字代号； 学会绘制简单系统的管道及仪表流程图； 掌握控制系统的基本控制要求（稳定、快速、准确）； 掌握静态、动态及过渡过程概念； 掌握品质指标的定义，学会计算品质指标。 重点：自动控制系统的组成及各部分的功能； 负反馈概念； 控制系统的基本控制要求及质量指标。 难点：常用术语物理意义（操纵变量与扰动量区别）； 根据控制系统要求绘制方框图； 静态，过渡过程概念。 自动控制技术在工业、农业、国防和科学技术现代化中起着十分重要的作用，自动控制水平的高低也是衡量一个国家科学技术先进与否的重要标志之一。随着国民经济和国防建设的发展，自动控制技术的应用日益广泛，其重要作用也越来越显著。 生产过程自动控制（简称过程控制）-------自动控制技术在石油、化工、电力、冶金、机械、轻工、纺织等生产过程的具体应用，是自动化技术的重要组成部分。 §1.1 过程控制的发展概况及特点 一、过程控制的发展概况 在过程控制发展的历程中，生产过程的需求、控制理论的开拓和控制技术工具和手段的进展三者相互影响、相互促进，推动了过程控制不断的向前发展。纵观过程控制的发展历史，大致经历了以下几个阶段： 20世纪40年代： 手工操作状态，只有少量的检测仪表用于生产过程，操作人员主要根据观测到 的反映生产过程的关键参数，用人工来改变操作条件，凭经验去控制生产过程。 20世纪40年代末～50年代： 过程控制系统：多为单输入、单输出简单控制系统 过程检测：采用的是基地式仪表和部分单元组合仪表（气动Ⅰ型和电动Ⅰ型）； 部分生产过程实现了仪表化和局部自动化 控制理论：以反馈为中心的经典控制理论 20世纪60年代： 过程控制系统：串级、比值、均匀、前馈和选择性等多种复杂控制系统。

过程控制工程第一章答案(孙洪程著)

第一章思考题及习题 1.1何谓控制通道?何谓干扰通道?它们的特性对控制系统质量有什么影响? 答：所谓“通道”，就是某个参数影响另外一个参数的通路，这里所说的控制通道就是控制作用(一般的理解应当是控制器输出)U(s)对被控参数Y(s)的影响通路(一般的理解是控制作用通过执行器影响控制变量，然后控制变量通过被控对象再影响被控参数，即广义对象上的控制通道)。同理，干扰通道就是干扰作用F(s)对被控参数Y(s)的影响通路。干扰通道的特性对控制系统质量影响如下表所示。 控制通道的特性对控制系统质量影响如下表所示 1.2如何选择控制变量? 答：①所选控制变量必须是可控的。 ②所选控制变量应是通道放大倍数比较大者，最好大于扰动通道的放大倍数。 ③所选控制变量应使扰动通道时间常数越大越好，而控制通道时间常数应适当小一些为好，但不易过小。 ④所选控制变量其通道纯滞后时间应越小越好。 ⑤所选控制变量应尽量使干扰点远离被控变量而靠近控制阀。 ⑥在选择控制变量时还需考虑到工艺的合理性。一般来说，生产负荷直接关系到产品的产量，不宜经常变动，在不是十分必要的情况下，不宜选择生产负荷作为控制变量 1.3控制器的比例度δ变化对控制系统的控制精度有何影响?对控制系统的动态质量有何影响? 答：当G c(s)=K c时，即控制器为纯比例控制，则系统的余差与比例放大倍数成反比，也就是与比例度δ成正比，即比例度越大，余差也就越大。

K c增大、δ减小，控制精度提高(余差减小)，但是系统的稳定性下降。 1.4 4：1衰减曲线法整定控制器参数的要点是什么? 答：衰减曲线法是在系统闭环情况下，将控制器积分时间T i放在最大，微分时间T d放在最小，比例度放于适当数值(一般为100%)，然后使δ由大往小逐渐改变，并在每改变一次δ值时，通过改变给定值给系统施加一个阶跃干扰，同时观察过渡过程变化情况。如果衰减比大于4：1，δ应继续减小，当衰减比小于4：1时δ应增大，直至过渡过程呈现4：1衰减时为止。找到4：1衰减振荡时的比例度δs，及振荡周期T s。再按经验公式，可以算出采用不同类型控制器使过渡过程出现4：1振荡的控制器参数值。依次将控制器参数放好。不过在放积分、微分之前应将多放在比计算值稍大(约20%)的数值上，待积分、微分放好后再将δ放到计算值上。放好控制器参数后可以再加一次干扰，验证一下过渡过程是否呈4：1衰减振荡。如果不符合要求，可适当调整一下δ值，直到达到满意为止。 1.5 图1.41为一蒸汽加热设备，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出。试问： ①影响物料出口温度的主要因素有哪些? 答：影响物料出口温度的主要有：蒸汽流量、物料流量为影 响物料出口温度的主要因素。 ②如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与控制变量 应选哪些参数?为什么? 答：被控变量为物料出口温度，控制变量为蒸汽流量。因为 物料出口温度表征了系统的质量指标，蒸汽流量是可控的，无纯 滞后，靠近控制阀，控制通道时间常数较小。 ③如果物料在温度过低时会凝结，应如何选择控制阀的开、 闭形式及控制器的正、反作用? 答：为防止在气源供气中断，或控制器出故障而无输出时出现物料凝结，应选气闭式。当出口温度降低时，要求蒸汽流量加大，即控制阀输入减小，控制器输出减小，此时控制器输入由于测量值减小而减小，控制器选正作用。 1.6 图1.42为热交换器出口温度控制系统，要求确定在下 面不同情况下控制阀开、闭形式及控制器的正、反作用： ①被加热物料在温度过高时会发生分解、自聚。 答：控制阀气闭式，控制器的反作用。 ②被加热物料在温度过低时会发生凝结。 答：控制阀气开式，控制器的正作用。

过程控制 第一到三章 作业

第一章作业 1.1 常用的评价控制系统动态性能的单项性能指标有哪些？它与误差积分指标 各有何特点？ 答：(1)衰减率ψ、超调量σ、稳态误差e ss、调节时间t s、振荡频率ω；(2)单项指标用若干特征参数评价系统优劣，积分指标用误差积分综合评价系统优劣。 1.2 什么是对象的动态特性？为什么要研究对象的动态特性？ 答：(1)指被控对象的输入发生变化时，其输出（被调量）随时间变化的规律；(2)实现生产过程自动化时，对象的动态特性可以为控制工程师设计出合理的控制系统满足要求提高主要依据。 1.3 通常描述对象动态特性的方法有哪些？ 答：微分方程或传递函数。 1.4 过程控制中被控对象动态特性有哪些特点？ 答：无振荡、稳定或中性稳定、有惯性或迟延、非线性但在工作点附近可线性化。 1.11 某水槽水位阶跃响应实验为： 其中阶跃扰动量Δμ=20%。 (1)画出水位的阶跃响应曲线； (2)若该水位对象用一阶惯性环节近似，试确定其增益K和时间常数T。

解：MATLAB编程如下： %作出标幺后的响应曲线 t=[ 0 10 20 40 60 80 100 150 200 300 400 ]; h=[ 0 9.5 18 33 45 55 63 78 86 95 98 ]; x=0:0.01:400; y=interp1(t,h,x,'spline'); %三次样条函数据己知的t、h插出x的值yy=y/y(end); %输出标幺 plot(x,yy,'k'); xlabel('t/s'); ylabel('h/mm'); title('阶跃响应曲线','fontsize',10); grid; %找出最接近0.39和0.63的点 less1=find(yy<=0.39); more1=find(yy>=0.39); front1=less1(1,end); behind1=more1(1,1);

过程控制-专业英语-第一章

1 INTRODUCTION TO PROCESS MEASUREMENT AND CONTRL OBJECTIVES When you complete this chapter you will be able to: ·Define process measurement ·Define process control ·Calculate simple return on investment from a process control system ·Sketch a block diagram of a process control loop ·Describe typical industrial processes under process control ·Draw simple Process and Instrumentation Diagrams (P&ID) using ISA symbols ·Describe the measuring sensor block of a control loop ·Describe the controller block of a control loop ·Describe the process adjustment block of a control loop ·Describe the signals circulating around a control loop 1.1 PROCESS MEASUREMENT AND CONTROL DEFINED Processes include anything from the heating of your house to the marketing of baby food. For our purposes, however, we will be concerned on1y with industrial processes such as the distillation of crude oil, or the digestion of wood chips to make pulp, or the conversion of pulp to paper, or the fabrication of plastic products such as 1-liter plastic soft drink bottles. These are overall processes and each of them will usually include many subprocesses. Process measurement is defined as the systematic collection of numeric values of the variables that characterize a process to the extent that the process control criteria of the process user are satisfied. As an example, if you require your house temperature to be maintained between l8o C and 24o C with an accuracy of 0.25o C, then your thermostat must measure the temperature and collect its numeric value for your furnace controller so that it will maintain this accuracy As another example, if the owner of a distillation plant making gasoline requires a certain octane range from the plant, then all the measuring and control instruments on the plant must be chosen to work together accurately to ensure that the plant achieves those criteria. As a final example, if the manufacturer of baby food wishes to make mashed carrots for the market, then he will ask a market analyst to acquire data on the potential customers of mashed carrots for babies. The purpose of process measurement is to assist a human or a machine to monitor the status 1

过程控制工程第一章答案

第一章思考题及习题 何谓控制通道?何谓干扰通道?它们的特性对控制系统质量有什么影响? 答：所谓“通道”，就是某个参数影响另外一个参数的通路，这里所说的控制通道就是控制作用(一般的理解应当是控制器输出)U(s)对被控参数Y(s)的影响通路(一般的理解是控制作用通过执行器影响控制变量，然后控制变量通过被控对象再影响被控参数，即广义对象上的控制通道)。同理，干扰通道就是干扰作用F(s)对被控参数Y(s)的影响通路。干扰通道的特性对控制系统质量影响如下表所示。 控制通道的特性对控制系统质量影响如下表所示 如何选择控制变量? 答：①所选控制变量必须是可控的。 ②所选控制变量应是通道放大倍数比较大者，最好大于扰动通道的放大倍数。 ③所选控制变量应使扰动通道时间常数越大越好，而控制通道时间常数应适当小一些为好，但不易过小。 ④所选控制变量其通道纯滞后时间应越小越好。 ⑤所选控制变量应尽量使干扰点远离被控变量而靠近控制阀。 ⑥在选择控制变量时还需考虑到工艺的合理性。一般来说，生产负荷直接关系到产品的产量，不宜经常变动，在不是十分必要的情况下，不宜选择生产负荷作为控制变量 控制器的比例度δ变化对控制系统的控制精度有何影响?对控制系统的动态质量有何影响? 答：当G c(s)=K c时，即控制器为纯比例控制，则系统的余差与比例放大倍数成反比，也就是与比例度δ成正比，即比例度越大，余差也就越大。

K c增大、δ减小，控制精度提高(余差减小)，但是系统的稳定性下降。 4：1衰减曲线法整定控制器参数的要点是什么? 答：衰减曲线法是在系统闭环情况下，将控制器积分时间T i放在最大，微分时间T d放在最小，比例度放于适当数值(一般为100%)，然后使δ由大往小逐渐改变，并在每改变一次δ值时，通过改变给定值给系统施加一个阶跃干扰，同时观察过渡过程变化情况。如果衰减比大于4：1，δ应继续减小，当衰减比小于4：1时δ应增大，直至过渡过程呈现4：1衰减时为止。找到4：1衰减振荡时的比例度δs，及振荡周期T s。再按经验公式，可以算出采用不同类型控制器使过渡过程出现4：1振荡的控制器参数值。依次将控制器参数放好。不过在放积分、微分之前应将多放在比计算值稍大(约20%)的数值上，待积分、微分放好后再将δ放到计算值上。放好控制器参数后可以再加一次干扰，验证一下过渡过程是否呈4：1衰减振荡。如果不符合要求，可适当调整一下δ值，直到达到满意为止。 图为一蒸汽加热设备，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出。试问： ①影响物料出口温度的主要因素有哪些? 答：影响物料出口温度的主要有：蒸汽流量、物料流量为影响物料出口温度的主要因素。 ②如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与控制变量应选哪些参数?为什么? 答：被控变量为物料出口温度，控制变量为蒸汽流量。因为物料出口温度表征了系统的质量指标，蒸汽流量是可控的，无纯滞后，靠近控制阀，控制通道时间常数较小。 ③如果物料在温度过低时会凝结，应如何选择控制阀的开、闭形式及控制器的正、反作用? 答：为防止在气源供气中断，或控制器出故障而无输出时出现物料凝结，应选气闭式。当出口温度降低时，要求蒸汽流量加大，即控制阀输入减小，控制器输出减小，此时控制器输入由于测量值减小而减小，控制器选正作用。 图为热交换器出口温度控制系统，要求确定在下面不同情况下控制阀开、闭形式及控制器的正、反作用： ①被加热物料在温度过高时会发生分解、自聚。 答：控制阀气闭式，控制器的反作用。 ②被加热物料在温度过低时会发生凝结。 答：控制阀气开式，控制器的正作用。 ③如果控制变量为冷却水流量，该地区最低温度在0℃以下，如何防止热交换器被冻坏。 答：控制阀气闭式，控制器的反作用。 单回路系统方块图如图所示。试问当系统中某组成环节的参数发生变化时，系统质量会有何变化?为什么?

过程控制工程课后习题参考答案-前三章

过程控制工程 第一章单回路控制系统 1.1 何谓控制通道？何谓干扰通道？它们的特性对控制系统质量有什么影响？ 控制通道——是指操纵变量与被控变量之间的信号联系； 干扰通道——是指干扰作用与被控变量之间的信号联系。 （1）控制通道特性对系统控制质量的影响：（从K、T、τ三方面） 控制通道静态放大倍数越大，系统灵敏度越高，余差越小。但随着静态放大倍数的增大，系统的稳定性变差。 控制通道时间常数越大，经过的容量数越多，系统的工作频率越低，控制越不及时，过渡过程时间越长，系统的质量越低，但也不是越小越好，太小会使系统的稳定性下降，因此应该适当小一些。 控制通道纯滞后的存在不仅使系统控制不及时，使动态偏差增大，而且还还会使系统的稳定性降低。 （2）干扰通道特性对系统控制质量的影响：（从K、T、τ三方面） 干扰通道放大倍数越大，系统的余差也越大，即控制质量越差。 干扰通道时间常数越大，阶数越高，或者说干扰进入系统的位置越远离被控变量测量点而靠近控制阀，干扰对被控变量的影响越小，系统的质量则越高。 干扰通道有无纯滞后对质量无影响，不同的只是干扰对被控变量的影响向后推迟一个纯滞后时间τ0。 1.2 如何选择操纵变量？ 1）考虑工艺的合理性和可实现性； 2）控制通道静态放大倍数大于干扰通道静态放大倍数； 3）控制通道时间常数应适当小一些为好，但不易过小，一般要求小于干扰通道时间常数。干扰动通道时间常数越大越好，阶数越高越好。 4）控制通道纯滞后越小越好。 1.3 控制器的比例度δ变化对控制系统的控制精度有何影响？对控制系统的动态质量有何影响？ 比例度δ越小，系统灵敏度越高，余差越小。随着δ减小，系统的稳定性下降。 1.5图1-42为一蒸汽加热设备，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出。试问： 影响物料出口温度的主要因素有哪些？ 如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与操纵变量应选谁？为什

过程控制工程第一章答案

第一章思考题及习题 1、1何谓控制通道?何谓干扰通道?它们的特性对控制系统质量有什么影响? 答:所谓“通道”,就就是某个参数影响另外一个参数的通路,这里所说的控制通道就就是控制作用(一般的理解应当就是控制器输出)U(s)对被控参数Y(s)的影响通路(一般的理解就是控制作用通过执行器影响控制变量,然后控制变量通过被控对象再影响被控参数,即广义对象上的控制通道)。同理,干扰通道就就是干扰作用F(s)对被控参数Y(s)的影响通路。干扰通道的特性对控制系统质量影响如下表所示。 控制通道的特性对控制系统质量影响如下表所示 1、2如何选择控制变量? 答:①所选控制变量必须就是可控的。 ②所选控制变量应就是通道放大倍数比较大者,最好大于扰动通道的放大倍数。 ③所选控制变量应使扰动通道时间常数越大越好,而控制通道时间常数应适当小一些为好,但不易过小。 ④所选控制变量其通道纯滞后时间应越小越好。 ⑤所选控制变量应尽量使干扰点远离被控变量而靠近控制阀。 ⑥在选择控制变量时还需考虑到工艺的合理性。一般来说,生产负荷直接关系到产品的产量,不宜经常变动,在不就是十分必要的情况下,不宜选择生产负荷作为控制变量 1、3控制器的比例度δ变化对控制系统的控制精度有何影响?对控制系统的动态质量有何影响? 答:当G c(s)=K c时,即控制器为纯比例控制,则系统的余差与比例放大倍数成反比,也就就是与比例度δ成正比,即比例度越大,余差也就越大。 K c增大、δ减小,控制精度提高(余差减小),但就是系统的稳定性下降。 1、4 4:1衰减曲线法整定控制器参数的要点就是什么? 答:衰减曲线法就是在系统闭环情况下,将控制器积分时间T i放在最大,微分时间T d放在最小,比例度放于适当数值(一般为100%),然后使δ由大往小逐渐改变,并在每改变一次δ值时,通过改变给定值给系统施加

过程控制 第一到三章 作业

第一章作业 常用的评价控制系统动态性能的单项性能指标有哪些它与误差积分指标各有 何特点 答：(1)衰减率ψ、超调量σ、稳态误差e ss、调节时间t s、振荡频率ω；(2)单项指标用若干特征参数评价系统优劣，积分指标用误差积分综合评价系统优劣。 什么是对象的动态特性为什么要研究对象的动态特性 答：(1)指被控对象的输入发生变化时，其输出（被调量）随时间变化的规律；(2)实现生产过程自动化时，对象的动态特性可以为控制工程师设计出合理的控制系统满足要求提高主要依据。 通常描述对象动态特性的方法有哪些 答：微分方程或传递函数。 过程控制中被控对象动态特性有哪些特点 答：无振荡、稳定或中性稳定、有惯性或迟延、非线性但在工作点附近可线性化。某水槽水位阶跃响应实验为： 其中阶跃扰动量Δμ=20%。 (1)画出水位的阶跃响应曲线； (2)若该水位对象用一阶惯性环节近似，试确定其增益K和时间常数T。 解：MATLAB编程如下： %作出标幺后的响应曲线

t=[ 0 10 20 40 60 80 100 150 200 300 400 ]; h=[ 0 18 33 45 55 63 78 86 95 98 ]; x=0::400; y=interp1(t,h,x,'spline'); %三次样条函数据己知的t、h插出x的值yy=y/y(end); %输出标幺 plot(x,yy,'k'); xlabel('t/s'); ylabel('h/mm'); title('阶跃响应曲线','fontsize',10); grid; %找出最接近和的点 less1=find(yy<=; more1=find(yy>=; front1=less1(1,end); behind1=more1(1,1); cha11=(1,front1); cha12=yy(1,behind1); if cha11<=cha12 t1=x(1,front1)

过程控制工程第一章答案(孙洪程著)

过程控制工程第一章答案 (孙洪程著) -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII

第一章思考题及习题 何谓控制通道何谓干扰通道它们的特性对控制系统质量有什么影响 答：所谓“通道”，就是某个参数影响另外一个参数的通路，这里所说的控制通道就是控制作用(一般的理解应当是控制器输出)U(s)对被控参数Y(s)的影响通路(一般的理解是控制作用通过执行器影响控制变量，然后控制变量通过被控对象再影响被控参数，即广义对象上的控制通道)。同理，干扰通道就是干扰作用F(s)对被控参数Y(s)的影响通路。干扰通道的特性对控制系统质量影响如下表所示。 控制通道的特性对控制系统质量影响如下表所示 如何选择控制变量 答：①所选控制变量必须是可控的。 ②所选控制变量应是通道放大倍数比较大者，最好大于扰动通道的放大倍数。 ③所选控制变量应使扰动通道时间常数越大越好，而控制通道时间常数应适当小一些为好，但不易过小。 ④所选控制变量其通道纯滞后时间应越小越好。 ⑤所选控制变量应尽量使干扰点远离被控变量而靠近控制阀。

⑥在选择控制变量时还需考虑到工艺的合理性。一般来说，生产负荷直接关系到产品的产量，不宜经常变动，在不是十分必要的情况下，不宜选择生产负荷作为控制变量控制器的比例度δ变化对控制系统的控制精度有何影响对控制系统的动态质量有何影响答：当G c(s)=K c时，即控制器为纯比例控制，则系统的余差与比例放大倍数成反比，也就是与比例度δ成正比，即比例度越大，余差也就越大。 K c增大、δ减小，控制精度提高(余差减小)，但是系统的稳定性下降。 4：1衰减曲线法整定控制器参数的要点是什么 答：衰减曲线法是在系统闭环情况下，将控制器积分时间T i放在最大，微分时间T d放在最小，比例度放于适当数值(一般为100%)，然后使δ由大往小逐渐改变，并在每改变一次δ值时，通过改变给定值给系统施加一个阶跃干扰，同时观察过渡过程变化情况。如果衰减比大于4：1，δ应继续减小，当衰减比小于4：1时δ应增大，直至过渡过程呈现4：1衰减时为止。找到4：1衰减振荡时的比例度δs，及振荡 周期T s。再按经验公式，可以算出采用不同类型控制器 使过渡过程出现4：1振荡的控制器参数值。依次将控制 器参数放好。不过在放积分、微分之前应将多放在比计 算值稍大(约20%)的数值上，待积分、微分放好后再将δ 放到计算值上。放好控制器参数后可以再加一次干扰， 验证一下过渡过程是否呈4：1衰减振荡。如果不符合要 求，可适当调整一下δ值，直到达到满意为止。 图为一蒸汽加热设备，利用蒸汽将物料加热到所需 温度后排出。试问： ①影响物料出口温度的主要因素有哪些 答：影响物料出口温度的主要有：蒸汽流量、物料流量为影响物料出口温度的主要因素。 ②如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与控制变量应选哪些参数为什么 答：被控变量为物料出口温度，控制变量为蒸汽流量。因为物料出口温度表征了系统的质量指标，蒸汽流量是可控的，无纯滞后，靠近控制阀，控制通道时间常数较小。 ③如果物料在温度过低时会凝结，应如何选择控制阀的开、闭形式及控制器的正、反作用