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第一章 绪论
1．1．过程控制（英文：Process Control）通常是指连续生产过程的自动控制，是自动化技术最重要的组成部分之一
1．1-1．过程控制是生产过程自动化的简称，泛指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中的连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，是自动化技术的重要组成部分。 1．1-2．连续生产过程的特征是：生产过程中的各种流体，在连续（或间歇）的流动过程中进行着物理化学反应、物质能量的转换或传递。
1．1-3．从控制的角度，通常将工业生产过程分为三类，即：连续型、离散型和混合型。过程控制主要是针对连续生产过程采用的控制方法。 1．1-4．过程控制的主要任务是对生产过程中的有关参数进行控制——“工业四大参数”是：温度、压力、流量、物（液）位的自动控制，使其保持恒定或按一定规律变化，在保证产品质量和生产安全的前提下，使连续生产过程自动地进行下去。 1．1-5．过程控制系统的定义：为实现对某个工艺参数的自动控制，由相互联系、制约的一些仪表、装置及工艺对象、设备构成的 一个整体 1．1-6．在讨论控制系统工作原理时，为清楚地表示自动控制系统各组成部分的作用及相互关系，一般用原理框图来表示控制系统。
1．1-7．过程控制系统的主要任务是：对生产过程中的重要参数（温度、压力、流量、物位、成分、湿度等）进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化。
1．1-8．过程控制的特点：
⑴．控制对象——被控过程复杂、控制要求多样 ⑵．控制方案丰富多彩
⑶．控制过程大多数属于慢过程与参数控制 ⑷．定值控制是过程控制的主要形式
⑸．过程控制系统由规范化的、系列化的检测与控制仪表或自动化装置组成
1．3-2．系统阶跃响应的单项性能指标 ⑴．衰减比、衰减率
衰减比：n?y1y?(B1);n取整数，习惯上常3B2表示为n:1,例如4:1、10:1 衰减率：??y1?y3?1?y31y?1? 1y1n⑵．最大动态偏差、超调量 最大动态偏差：
y1
超调量:??y1y(?)?100% ⑶．残余偏差：系统设定值r与稳态值y(?)的差
值，即e(?)?r?y(?)
⑷．调节时间、峰值时间、振荡频率 调节时间:tS 峰值时间:tp 振荡频率:?
1．3-3． 系统阶跃响应的综合性能指标 ⑴．偏差积分IE（Integral of Error）
⑵．绝对偏差积分IAE(Integral Absolute value of Error)
⑶．平方偏差积分ISE（Integral of Squared Error）
⑷．时间与绝对偏差乘积积分ITAE(Integral of Time multiplied by the Absolute value of Error)
1．3-4-1．某换热器的温度控制系统，给定值为200 ℃。在阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示。试求最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间。
解：最大偏差：
解：
最大动态偏差：衰减比：nA = 230-200 = 30℃；
余差： C= 205-200 = 5℃； 衰减比： n = y1: y3 = 25:5 = 5:1 1．3-4-2．某被控过程工艺设定温度为900℃，要求控制过程中温度偏离设定值不得超过80℃。现设计的定值温度控制系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图，试求最大动态偏差、衰减比、振荡周期，该系统能否满足工艺要求？
A?950?900?50
?y1950?90842???4.2 y3918?90810振荡周期：T?45?5?40min
余差： C?908?900?8℃
50＜80！能满足工艺要求。 过渡过程时间：47min
1．3-4-4．某化学反应器工艺规定的操作温度为（800±10）℃，考虑安全因素，要求控制过程中温度最高值不得超过850℃。现设计的定值温度控制系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图，试求最大动态偏差、余差、衰减比、过渡时间（±2%！）和振荡周期，该系统能否满足工艺要求？
解：
最大动态偏差：
A?950?900?50
解：
y1950?90050???5 衰减比：n?y3910?90010振荡周期：T?45?9?36min
A?845?800?45℃
余差： C?805?800?5℃
最大动态偏差：衰减比：n50＜80！能满足工艺要求。
1．3-4-3．某化学反应器工艺规定的操作温度为（900±10）℃，考虑安全因素，要求控制过程中温度偏离设定值不得超过80℃。现设计的定值温度控制系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图，试求最大动态偏差、衰减比、振荡周期，该系统能否满足工艺要求？
振荡周期：T?y1845?80540???4：1 y3815?80510过渡过程时间：25min
?20?7?13min
5＜10！能满足工艺要求。
1．3-4-5．某发酵过程工艺规定的操作温度为（40
±2）℃，考虑发酵效果，要求控制过程中温度偏离给定值最大不得超过6℃。现设计的定值温度控制系统，在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如下图，试求最大偏差、衰减比、余差、过渡时间（±2%！）和振荡周期，该系统能否满足工艺要求？
解：
最大动态偏差：
A?45?40?5℃ 余差： C?41?40?1℃
衰减比：n?y1y?45?41?4?4：1 342?411过渡过程时间：23min 振荡周期：T?18?5?13min
5＜6！能满足工艺要求。 补充思考题与实用题
1．（王：1-2）什么过程控制系统 ？典型过程控制系统有哪几部分组成？ 参考答案：
⑴过程控制（Process Control）是生产过程自动化的简称。泛指石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、建材、核能等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，是自动化技术的重要组成部分。
过程控制系统来说，它包括检测元件及变送器、控制器、执行器等；另一部分是受自动化装置控制的被（受）控对象》
2．（王：1-4）说明过程控制系统的分类方法，通常过程控制系统可以分哪几类？
（厉：P1-7）根据设定值的形式，闭环控制系统可以分哪几类？ 参考答案：
过程控制系统的分类方法很多，通常使用的“大”类分类方法有两种：
⑴按设定值的形式不同划分，⑵按系统结构的特点分类。
根据设定值的形式，闭环控制系统可以分三类:
⑴定值控制系统、⑵随动控制系统、⑶程序控制系统。
按系统结构的特点分类：
⑴开环系统、⑵反馈控制系统??、⑶前馈控制系统、⑷前馈——反馈复合控制系统。
第五章 被控过程的数学模型 5．0．引言
1．控制系统的控制过程品质主要取决于系统的结构和系统中各组成环节的特性
2．前几章的讨论中，我们已知变送器和执行器的特性是比例关系、控制器的特性由控制规律决定。
本章讨论被控对象的特性
5．1．被控过程数学模型的作用与要求
1．在经典控制理论中，被控对象的特性一般用单输入、单输出的数学模型描述。最常用的是传递函数。
2．传递函数是指用拉氏变换式表示的对象特性。 5．2．建立被控过程数学模型的基本方法 1．求对象的数学模型有两条途径：机理法、测试（实验）法
2．机理法：根据生产过程的内部机理，列写出有关的平衡方程，从而获取对象的数学模型。 3．测试法：通过实验测试，来识别对象的数学模型。
由于影响生产过程的因素较多，单纯用机理法建模较困难，一般用机理法的分析结论，指导测试结果的辨识。
5．3．机理法建模
5．3-1．机理法建模的基本原理 5．3-2．单容过程建模
1．当对象的输入输出可以用一阶微分方程式来描述时，称为单容过程或一阶特性对象。 大部分工业对象可以用一阶特性描述。
2．单容过程是指只有一个储蓄容量的被控过程。 3．单容贮液箱液位过程I
⑴机理建模步骤：
从水槽的物料平衡关系考虑，找出表征h与Q1关系的方程式。 写成标准形式 Td?hdt??h?K??1 进行拉氏变换
传递函数为：H(s)??K
1(s)T?s?1⑵K?K?1?Rs??Q1????h；T?A?Rs 1?Q2⑶阶跃响应：?h?K???1(1?e?t/T)
⑷对象的特性参数K、T反映了对象的物理本质。 容量系数（液容）A——反映对象存储能量的能力；如水槽面积A，它影响时间常数 T 的大小。 阻力系数（液阻）RS——反映对象对物料或能量传递的阻力；如阀门阻力系数 RS ，它影响放大系数 K 的大小。
4．被控过程的自衡特性与单容贮液箱液位过程II ⑴从一阶惯性特性曲线可以看出，对象在扰动作用下，其平衡状态被破坏后，在没有人工干预或调节器干预（外部干预）下，能自动达到新的平衡状态，这种特性称为“自衡特性”。
⑵用自衡率ρ表征对象自衡能力的大小
????1?h(?)?1K
⑶并不是所有被控过程都具有自衡特性。同样的单容水槽如果出水用泵抽出，则成为无自衡特性。
?QH（s）KK?12?0；?（??1s）T?sA?s
5．（潘例4-2）单容热力过程理论建模：加热装置采用电能加热，给容器输入电能加热的热流量qi，容器的热容为C，容器中液体的比热容为cp，流量为q的液体以Ti的入口温度流入，以Tc的出口温度流出（Tc同时也是容器中液体的温度）设容器所在的环境温度为T0。试求：⑴Tc与qi之间的关系；⑵Ti与T0之间的关系。 解：
⑴ 该过程输入总的热流量为：电能加热的热流量
qi和流入容器液体所携带的热流量q?cp?Ti
⑵ 该过程输出总的热流量为：流出液体所携带的热流量q?cp?Tc、容器向四周环境散发的热量（容
器散热表面积为
A、保温材料的传热系数为Kr）
Kr?A?(Tc?T0)
⑶ 根据能量平衡关系：单位时间进入容器的热流量与单位时间进出容器的热流量之差等于容器内热量存储量的变化率，可得
qi?q?cp?Ti?q?cp?Tc?Kr?A?(TdTcc?T0)?Cdt
⑷ 写成增量式：
?qd?Ti?q?cp??Ti?q?cp??Tc?Kr?A?(?Tc??T0)?Cdt
⑸ 设置、整理、消除中间变量： 令：KP?q?cP为液体的热量系数
令：Kr?A?1R，R为热阻 整理：
Cd?TCdt?K?T??T0P??TC??qi?KP??Ti?CR