第一章过程控制

1、过程控制课程的目的是使学生掌握工业过程控过程控制课程的目的是使学生掌握工业过程控制系统的系统结构、工作原理、一般的分析设计方制系统的系统结构、工作原理、一般的分析设计方法和基本实验技能。了解和基本掌握过程控制新技法和基本实验技能。了解和基本掌握过程控制新技术及先进的控制策略等，培养学生分析问题和解决术及先进的控制策略等，培养学生分析问题和解决实际问题的能力，为从事与本专业相关的科学研究实际问题的能力，为从事与本专业相关的科学研究和工程技术等工作打下一定的基础。和工程技术等工作打下一定的基础。? ?工业生产过程控制是指工业生产过程控制是指: 石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、石油、化工、电力、

2、冶金、轻工、建材、水利、纺织、水利、纺织、制药、制药、核能核能、环境工程、环境工程等生产过程的自动控制。等生产过程的自动控制。 工业生产过程控制是指工业生产过程控制是指: 石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、水利、纺织、水利、纺织、制药、制药、核能核能、环境工程、环境工程等生产过程的自动控制。等生产过程的自动控制。 工业生产过程控制是指工业生产过程控制是指: 石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、水利、纺织、水利、纺织、制药、制药、核能核能、环境工程、环境工程等生产过程的自动控制。等生产过程的自动控制。 自动控制是在人工控制

3、的基础上产生和发展起来的，是自动控制是在人工控制的基础上产生和发展起来的，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。自动控制是相对人工控制概念而言的。的规律运行。自动控制是相对人工控制概念而言的。指的是指的是在没人参与的情况下，利用在没人参与的情况下，利用控制装置控制装置使使被控对象被控对象或过程自动或过程自动地地

4、按预定规律运行按预定规律运行。目标：当进水量目标：当进水量Qi或出水量或出水量Qo改变时，都会使罐内的液位改变时，都会使罐内的液位发生变化，从维持生产平稳考虑，工艺上希望罐内的液位发生变化，从维持生产平稳考虑，工艺上希望罐内的液位能够维持在所希望的位置。通过调节出口阀开度，使储罐能够维持在所希望的位置。通过调节出口阀开度，使储罐液位保持在其期望值附近。液位保持在其期望值附近。被控变量：液位被控变量：液位h设定值：设定值：hsp操纵变量：操纵变量： Qo扰动（造成被控变量产生不期望波动）：扰动（造成被控变量产生不期望波动）： Qi被控变量：液位被控变量：液位h设定值：设定值：hsp操纵变量：操纵

5、变量： Qo扰动：扰动： Qi人工控制系统人工控制系统 若由操作工完成这一控制任务，即若由操作工完成这一控制任务，即通过眼、脑、手相互配合完成液位的控通过眼、脑、手相互配合完成液位的控制过程，其操作过程包括：制过程，其操作过程包括： (1) 用眼睛观察液位计实际液位的指示值，即用眼睛观察液位计实际液位的指示值，即借助玻璃管液位计与借助玻璃管液位计与“人眼人眼”，测量储罐，测量储罐的液位，并通过神经系统传输给大脑；的液位，并通过神经系统传输给大脑；(2) 在在“人脑人脑”中比较实际液位与期望的液位；中比较实际液位与期望的液位；(3) 基于比较结果，基于比较结果， “人脑人脑”决定如何校正两决定如

6、何校正两者之间偏差，即如何通过调节出口阀开度，者之间偏差，即如何通过调节出口阀开度，使储罐液位保持在其期望值附近；使储罐液位保持在其期望值附近；(4) “手动手动” 操作输出阀的开度以减少该偏差；操作输出阀的开度以减少该偏差；(5) 反复执行上述操作，直到液位控制到其给反复执行上述操作，直到液位控制到其给定值。定值。被控变量：液位被控变量：液位h设定值：设定值：hsp操纵变量：操纵变量： Qo扰动：扰动： Qi液位人工控制系统液位人工控制系统r劳动强度大劳动强度大。对于上述例子，需要操作人员频繁地观察液位的变化，并及时采用合适的措施以消除偏差。r操作的不一致性操作的不一致性。对于出口阀如何调节

7、，不同的操作人员会采用不同的决策。r需要大量操作人员需要大量操作人员。对于大多数工业过程，需要控制的变量很多，因此需要大量的操作人员。生产效率难以提高，而生产成本难以下降。 因此，人工控制难以满足现代工业对控制精度的要求。因此，人工控制难以满足现代工业对控制精度的要求。如何解决如何解决 ? 如果能够用一些仪表或者自动化的装置来代替操作如果能够用一些仪表或者自动化的装置来代替操作工的眼、脑、手来自动地完成控制任务，不仅能大大减工的眼、脑、手来自动地完成控制任务，不仅能大大减轻操作工的劳动强度，而且可大大提高控制精度与工作轻操作工的劳动强度，而且可大大提高控制精度与工作效率。效率。解决方案：设计一

8、个控制系统以自动地实现上述控制任务，解决方案：设计一个控制系统以自动地实现上述控制任务，而不需要操作人员的干预。而不需要操作人员的干预。所有控制系统都包含的三个基本部件：所有控制系统都包含的三个基本部件： 传感变送器：控制系统的传感变送器：控制系统的“眼睛眼睛” 控制器：控制系统的控制器：控制系统的“大脑大脑” 执行机构：可直接受控制器的指挥，常用的是控制阀执行机构：可直接受控制器的指挥，常用的是控制阀人工操作人工操作自动控制自动控制加入了自动化仪表：加入了自动化仪表：液位传感变送器、液位控制器液位传感变送器、液位控制器在工艺流程图中，小圆圈表示某些仪表，圆内通常由在工艺流程图中，小圆圈表示某

9、些仪表，圆内通常由“两位以上字母两位以上字母+ +序号序号”组成。组成。第一位字母表示被控变量的类别，常见的字母包括：第一位字母表示被控变量的类别，常见的字母包括：T T（温度）、（温度）、P P（压力）、（压力）、dPdP（差压）、（差压）、F F（流量）、（流量）、L L（液位）、（液位）、A A（分析量）、（分析量）、W W（重量）、（重量）、D D（密度）等。（密度）等。第二位字母表示仪表的功能，常见的字母包括：第二位字母表示仪表的功能，常见的字母包括：T T（传感变送器）、（传感变送器）、C C（控制器）、（控制器）、I I（指示仪表）等。（指示仪表）等。序号通常与被控变量的检测位号

10、有关，同一回路的自动化仪表采用同序号通常与被控变量的检测位号有关，同一回路的自动化仪表采用同一序号，序号位数可依据装置的复杂程度而有所不同。一序号，序号位数可依据装置的复杂程度而有所不同。如如LT 21LT 21表示表示2121回路的液位传感器，回路的液位传感器，LC 21LC 21表示表示2121回路的液位控制器。回路的液位控制器。1.借助于传感器，获得液位测量信号，借助于传感器，获得液位测量信号，再通过变送器将测量信号放大、并转再通过变送器将测量信号放大、并转换成控制器可接受的标准信号；换成控制器可接受的标准信号；2.控制器（有时也称控制器（有时也称“调节器调节器”）接受）接受该标准测量信

11、号，并与其期望值进行该标准测量信号，并与其期望值进行比较；比较；3.基于比较结果，控制器决定如何校正基于比较结果，控制器决定如何校正测量值与其期望值之间的偏差；测量值与其期望值之间的偏差；4.基于决策结果，控制器给执行机构发基于决策结果，控制器给执行机构发出一个控制信号，让执行机构采用具出一个控制信号，让执行机构采用具体的动作。体的动作。r保证安全运行保证安全运行r保证产品质量保证产品质量r提高产量提高产量r降低能耗降低能耗r改善劳动条件改善劳动条件r提高管理水平提高管理水平r提高劳动生产率提高劳动生产率20世纪世纪40-50年代：经典控制理论年代：经典控制理论 经典控制理论以传递函数为基础经

12、典控制理论以传递函数为基础,在频率在频率域对单输入单输出（域对单输入单输出（SISO）控制系统分析）控制系统分析与设计的理论。与设计的理论。pNyquist频率特性分析技术和稳定性判据频率特性分析技术和稳定性判据pBode图图p求解闭环特征方程根的根轨迹分析法求解闭环特征方程根的根轨迹分析法p最辉煌的成果之一最辉煌的成果之一PID控制控制 经典控制理论的特点：线性定常对象，经典控制理论的特点：线性定常对象，单输入单输出，完成镇定任务。单输入单输出，完成镇定任务。经典控制理论面临的挑战：经典控制理论面临的挑战： 多输入、多输出（多输入、多输出（MIMO） 非线性，时变参数非线性，时变参数 在理论

13、工作者看来，经典控制理论的综合方法带在理论工作者看来，经典控制理论的综合方法带有半经验的，试凑性质，是一些工程方法，而不有半经验的，试凑性质，是一些工程方法，而不属于理论综合方法属于理论综合方法在航空、航天等领域，有一些重要的控制命题，在航空、航天等领域，有一些重要的控制命题，如最少燃料控制、最短时间控制等。如最少燃料控制、最短时间控制等。20世纪世纪60年代：年代： 现代控制理论以状态空间方法为基础，研究现代控制理论以状态空间方法为基础，研究多输入多输出（多输入多输出（MIMO）控制系统分析与设计的）控制系统分析与设计的理论理论。 以极小值原理和动态规划方法等最优控制理以极小值原理和动态规划

14、方法等最优控制理论为特征，而以采用卡尔曼滤波器的随机干扰下论为特征，而以采用卡尔曼滤波器的随机干扰下的线性二次型系统宣告了时域方法的完成。的线性二次型系统宣告了时域方法的完成。 现代控制理论在航天、航空、制导等领域取现代控制理论在航天、航空、制导等领域取得了辉煌的成果。得了辉煌的成果。 但现代控制理论对复杂工业过程却显得但现代控制理论对复杂工业过程却显得无能为力无能为力,主要原因是它依赖于精确的过程数主要原因是它依赖于精确的过程数学模型。学模型。 建精确过程数学模型难点：建精确过程数学模型难点：r机理复杂；机理复杂； r非线性与分布参数；非线性与分布参数； r时变性；时变性；r不确定性；不确定

15、性； r多变量之间耦合；多变量之间耦合； r信息不完全性等等。信息不完全性等等。20世纪世纪70年代开始逐步发展形成了大系统理论年代开始逐步发展形成了大系统理论r70年代，由于实际工程和社会经济发展的需要，年代，由于实际工程和社会经济发展的需要，发展了大系统理论，研究规模庞大、结构复杂、发展了大系统理论，研究规模庞大、结构复杂、相互关联、功能综合、因素众多的大系统。相互关联、功能综合、因素众多的大系统。r大系统理论是现代控制理论和系统理论相结合，大系统理论是现代控制理论和系统理论相结合，其核心思想是系统的分解与协调，多级递阶优化其核心思想是系统的分解与协调，多级递阶优化与控制。与控制。r大系统

16、理论仍未突破现代控制理论的基本思想与大系统理论仍未突破现代控制理论的基本思想与框架，除了高维线性系统之外，它对其它复杂系框架，除了高维线性系统之外，它对其它复杂系统仍然束手无策。统仍然束手无策。 20世纪世纪80年代发展起来智能控制年代发展起来智能控制 对于含有大量不确定性和难于建模的复杂系对于含有大量不确定性和难于建模的复杂系统，基于精确数学模型的现代控制理论无法解决统，基于精确数学模型的现代控制理论无法解决好他们的控制问题。好他们的控制问题。 随着空间技术、计算机技术及人工智能技术随着空间技术、计算机技术及人工智能技术的发展，控制学界的学者开始将人工智能技术与的发展，控制学界的学者开始将人

17、工智能技术与方法应用于控制系统，逐步形成了智能控制理论方法应用于控制系统，逐步形成了智能控制理论-基于知识的专家系统、模糊控制、人工神经网络基于知识的专家系统、模糊控制、人工神经网络控制、学习控制和基于信息论的智能控制等应运控制、学习控制和基于信息论的智能控制等应运而生，它们在许多领域开始得到了应用而生，它们在许多领域开始得到了应用,成为自动成为自动控制的前沿学科之一。控制的前沿学科之一。从控制系统结构来看，经历了四个阶段：从控制系统结构来看，经历了四个阶段： 50年代是以年代是以基地式控制器基地式控制器等组成的控制系统，等组成的控制系统，像自力式温度控制器、就地式液位控制器等，它像自力式温度

18、控制器、就地式液位控制器等，它们的功能往往限于单回路控制。们的功能往往限于单回路控制。 60年代出现了年代出现了单元组合仪表单元组合仪表组成的控制系统，组成的控制系统，电动和气动两大类，该类控制系统的控制策略主电动和气动两大类，该类控制系统的控制策略主要是要是PID控制和常用的复杂控制系统。控制和常用的复杂控制系统。 70年代出现了年代出现了计算机控制系统计算机控制系统，在，在DCS的基的基础上实现先进控制和优化控制。础上实现先进控制和优化控制。80年代出现了年代出现了二级优化控制二级优化控制，在硬件上采用，在硬件上采用上位机和上位机和DCS或电动单元组合仪表相结合，构成或电动单元组合仪表相结

19、合，构成二级计算机优化控制。二级计算机优化控制。r随着计算机及网络技术的发展，随着计算机及网络技术的发展，DCS出现了开放出现了开放式系统，实现多层次计算机网络构成的式系统，实现多层次计算机网络构成的计算机集计算机集成控制成控制（Computer Integrated Process System-CIPS）。）。r将生产调度计划与经营管理和决策引入计算机控将生产调度计划与经营管理和决策引入计算机控制系统构成制系统构成综合自动化系统，综合自动化系统，由五级组成：基础由五级组成：基础控制级、先进控制与优化控制级、计划调度级、控制级、先进控制与优化控制级、计划调度级、生产经营管理级、决策级。生产经

20、营管理级、决策级。综合自动化系统综合自动化系统是在计算机通讯网络和分布式是在计算机通讯网络和分布式数据库的支持下，实现信息与功能的集成，进而充数据库的支持下，实现信息与功能的集成，进而充分调动人的因素的经营系统、技术系统及组织系统分调动人的因素的经营系统、技术系统及组织系统的集成，的集成，最终形成一个能适应生产环境不确定性和最终形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性的全局优化的高质量、高效益、高市场需求多变性的全局优化的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统，是发展方向。柔性的智能生产系统，是发展方向。小结小结1、工业生产过程控制的概念、工业生产过程控制的概念2、自动控制系统的由来、自动

21、控制系统的由来3、控制理论与控制工程的发展、控制理论与控制工程的发展 （发展的历程、控制系统结构）（发展的历程、控制系统结构）谢谢 谢！谢！第二讲 工业生产过程的特点 过程控制主要针对温度、压力、流量、液位、成分和物性等过程参数的控制问题。 控制系统控制系统是用一些仪表或是用一些仪表或者自动化的装置来代替操作工者自动化的装置来代替操作工的眼、脑、手来自动地完成控的眼、脑、手来自动地完成控制任务，应该都包含的三个制任务，应该都包含的三个基基本部件本部件：测量变送器测量变送器控制器控制器执行器执行器被控过程被控过程液位控制系统液位控制系统 被控对象（也称为被控过程）被控对象（也称为被控过程）：被控

22、对象是指被控制的：被控对象是指被控制的生产设备或装置，而被控过程既包括运行中的设备与生产生产设备或装置，而被控过程既包括运行中的设备与生产关系，也反映其输入输出动态关系。关系，也反映其输入输出动态关系。液位控制系统液位控制系统被控对象：储罐被控对象：储罐液位液位h h是需要控制工艺变量，是需要控制工艺变量，被称为被称为被控变量被控变量。测量变送器测量变送器：控制系统的：控制系统的“眼睛眼睛”，用于测量被控变量，用于测量被控变量，并按一定的规律将其转换为标准信号作为输出并按一定的规律将其转换为标准信号作为输出. . 根据根据电气标准电气标准的不同，常用的标准信号包括：的不同，常用的标准信号包括：

23、0-10mA 0-10mA DCDC信号、信号、4-20mA DC4-20mA DC信号、信号、0.02-0.10MPa0.02-0.10MPa气动信号等。气动信号等。液位控制系统液位控制系统控制器：控制器：控制系统的控制系统的“大脑大脑”，也称调节器，它将被控变量，也称调节器，它将被控变量的测量值与设定值进行比较，得出偏差信号，并按一定的规的测量值与设定值进行比较，得出偏差信号，并按一定的规律给出控制信号。律给出控制信号。 对于工业中常用的各类控制器，其输入输出信号大都为对于工业中常用的各类控制器，其输入输出信号大都为标准的电流信号，如标准的电流信号，如DDZ-IIIDDZ-III型仪表的型

24、仪表的4-20mA DC4-20mA DC信号。信号。液位控制系统液位控制系统 执行器执行器：可直接受控制器的：可直接受控制器的指挥指挥，常用的是控制阀，它接受，常用的是控制阀，它接受来自控制器的命令信号，用于自动改变控制阀的开度。来自控制器的命令信号，用于自动改变控制阀的开度。 如图中控制器通过改变出水阀的开度以调节出水量如图中控制器通过改变出水阀的开度以调节出水量QoQo，最终达到克服外部扰动对被控变量最终达到克服外部扰动对被控变量h h的影响。的影响。液位控制系统液位控制系统控制系统的三个基本操作r测量（Measurement） 借助于传感器与变送器，获取需要控制的变量的当前值。r决策（

25、Decision） 基于需要控制的变量的测量值，控制器决定如何使该变量保持在其期望值。r动作/执行（Action） 作为控制器的决策结果，控制系统必须采用具体有效的动作，通常由执行单元（如控制阀）来完成。已实施的动作或行动应反过来影响测量信号。用文字叙述的方法来描述控制系统的组成和工作原理较为复杂，在过程控制中常常采用直观的方框图来表示。方框图中的每一条线代表系统中的一个信号，线上的箭头表示信号传递的方向，每个方块代表系统中的一个环节。方框图把一个控制系统变量间的关系完整地表述出来。液位控制系统的方框图液位控制系统的方框图液位控制系统液位控制系统每一条线：系统中的一个信号每一条线：系统中的一个

26、信号线上的箭头：信号传递的方向线上的箭头：信号传递的方向方块：系统中的环节方块：系统中的环节一般单回路控制系统的方框图一般单回路控制系统的方框图过程控制系统的设计目标是：过程控制系统的设计目标是： 对于任意的外部干扰对于任意的外部干扰（DVDV），通过调节操作变量，通过调节操作变量（MVMV）以使被控变量以使被控变量（CVCV）维持在其设定值维持在其设定值（SPSP）。）。r被控变量/受控变量 (Controlled Variable，CV)是指：必须保持在某一期望值的变量或工艺参数.也称受控变量或者过程变量。是指被控对象需要维持在其理想值的工艺变量，如液罐液位、换热器工艺介质出口温度等。液位

27、控制系统液位控制系统在过程控制中常用的被控变量包括：温度、压力（差压）、液位（料位）、流量、成分含量等实际物理量。有时，也可以用过程变量的检测电信号来表示被控变量，该测量信号称为过程变量的测量值。r设定值/给定值 (Setpoint，SP)是指：被控变量的期望值也称给定值。它是指被控变量要求达到的期望值。作为控制器的参考输入信号，设定值在实际应用中通常用其对应的电量或相对百分比来表示，以便于与被控变量的测量值进行比较。操纵变量/操作变量 (Manipulated Variable，MV)是指：控制系统直接可操作、并用于使被控变量保持在其设定值的其它工艺变量.通常是指由执行器控制的某一工艺变量，

28、操作变量对被控变量的影响要求直接、灵敏、快速。以图所示的蒸汽加热器温度控制系统为例，操纵变量为蒸汽流量，它对被控变量（流体出口温度）的影响方向为“正作用”，即蒸汽量的增加。 注意：在过程控制领域，控制变量通常是指控制器的输出电信号，即执行器的输入信号；而操纵变量指某一执行器可控制、对被控变量有直接影响的物理量，最常见的是一些工艺介质流量。r扰动/扰动变量 (Disturbance，DV)任意可能导致被控变量偏离其设定值的、而控制系统本身又无法干预的各种因素。指任何导致被控变量偏离其设定值的输入变量。图中的蒸汽加热器温度控制系统，其扰动变量包括：工艺介质的进料流量、进料温度与组成等。对于控制系统

29、，扰动主要来自于扰动变量的动态变化，当某一扰动输入变量本身变化很小，对被控变量的影响可以忽略时，该输入不再成为一种扰动，在工程控制中，扰动大量存在，显示出自动控制系统的应用价值。例：蒸汽加热器的温度控制系统例：蒸汽加热器的温度控制系统问题：问题：指出该系统的指出该系统的 被控变量被控变量CV、设定值、设定值SP、操作变量、操作变量MV、扰动变量、扰动变量DVs，并描述其，并描述其 方块图方块图? 由蒸汽加热器、温度变送器由蒸汽加热器、温度变送器TT 22、温度控制器、温度控制器TC 22、蒸汽流量控、蒸汽流量控制阀组成。控制的目标是保持流体制阀组成。控制的目标是保持流体出口温度出口温度T恒定。

30、当进料流量恒定。当进料流量RF或或者温度者温度Ti变化，会引起物料出口温度变化，会引起物料出口温度变化，通过温度变送器变化，通过温度变送器TT 22 测得温测得温度的变化，并将信号度的变化，并将信号Tm送至温度控送至温度控制器制器TC 22，与给定值，与给定值Tsp比较，温比较，温度控制器度控制器TC 22根据偏差将控制命令根据偏差将控制命令u送至控制阀，改变蒸汽量送至控制阀，改变蒸汽量RV来维来维持温度的恒定。持温度的恒定。换热器温度控制系统方块图1) 安全性. 对流程工业，确保生产过程的安全最重对流程工业，确保生产过程的安全最重要。通过设计合适的控制系统，防止各种可能对操作要。通过设计合适

31、的控制系统，防止各种可能对操作人员或生产装置造成的伤害或损坏，并尽可能减少废人员或生产装置造成的伤害或损坏，并尽可能减少废水废气的排放以保护环境。水废气的排放以保护环境。2) 产品质量. 通过设计控制系统，确保产品质量符通过设计控制系统，确保产品质量符合国家标准的要求，并减少产品质量的波动。也就是，合国家标准的要求，并减少产品质量的波动。也就是，借助控制系统，确保生产要素，工艺操作条件与原料借助控制系统，确保生产要素，工艺操作条件与原料组成的基本恒定。组成的基本恒定。3) 生产成本的最小化.在确保生产安全、产品质在确保生产安全、产品质量的前提下，如何降低生产成本、提高收益是各个生量的前提下，如

32、何降低生产成本、提高收益是各个生产企业永恒的主题。借助于控制系统，可以实现工艺产企业永恒的主题。借助于控制系统，可以实现工艺操作条件的稳定与优化，最大限度地提高核心产品的操作条件的稳定与优化，最大限度地提高核心产品的产量、实现生产成本的最小化，减少对操作人员的需产量、实现生产成本的最小化，减少对操作人员的需求。求。小结小结一、控制工程的研究对象一、控制工程的研究对象二、二、控制系统的控制系统的组成组成三、三、过程控制的术语过程控制的术语四、四、过程控制的过程控制的基本要求基本要求谢谢 谢！谢！第三讲 过程控制策略从控制策略的角度来看，控制系统可分为反馈控制与前馈控制两大类。从控制策略的角度来看

33、，控制系统可分为反馈控制与前馈控制两大类。r反馈控制反馈控制是指将系统的输出信息返送到输入端，与输入信息进行比较，并利用二者的偏差进行控制的过程。反馈控制其实是用过去的情况来指导现在和将来。在控制系统中，如果返回的信息的作用是抵消输入信息，称为负反馈，负反馈可以使系统趋于稳定；若其作用是增强输入信息，则称为正反馈，正反馈可以使信号得到加强。一般的反馈控制系统“反馈控制反馈控制”是信号沿前向通道（或称前向通路）和是信号沿前向通道（或称前向通路）和反馈通道进行闭路传递，从而形成一个反馈通道进行闭路传递，从而形成一个闭合回路的控制方闭合回路的控制方法法。为了和给定信号比较，必须把反馈信号转换成与给定

34、信号具有相同量刚和相同量级的信号。控制器根据反馈信号和给定信号相比较后得到的偏差信号，经运算后输出控制作用去消除偏差，使被控量（系统的输出）等于给定值。蒸汽加热器温度反馈控制方案蒸汽加热器温度反馈控制方案若工艺介质入口温度若工艺介质入口温度TiTi下降，被控变量工艺介质出口温度下降，被控变量工艺介质出口温度T T开始开始下降，温度控制器的测量信号发生变化，控制器发出控制命令去增加下降，温度控制器的测量信号发生变化，控制器发出控制命令去增加蒸汽阀的开度，蒸汽量随之增大。蒸汽阀的开度，蒸汽量随之增大。图图1-11可以看到，反馈控制的优势在于它能够补偿任意的可以看到，反馈控制的优势在于它能够补偿任意

35、的扰动。但是，只有当扰动引起被控变量偏离设定值后，控扰动。但是，只有当扰动引起被控变量偏离设定值后，控制器才能开始实施对扰动的补偿，因此这种控制作用是有制器才能开始实施对扰动的补偿，因此这种控制作用是有滞后的。滞后的。？是否能够设计一种有预知功能的控制器是否能够设计一种有预知功能的控制器前馈控制的设计思想是通过检测扰动，并在扰动影前馈控制的设计思想是通过检测扰动，并在扰动影响被控变量之前就将其补偿掉。响被控变量之前就将其补偿掉。r前馈控制前馈控制是一种预测控制，通过对系统当前工作状态的了解，预测出下一阶段系统的运行状况。如果与参考值有偏差，那么就提前给出控制信号，使干扰获得补偿，稳定输出，消除

36、误差，是一种开环控制。蒸汽加热器温度前馈控制方案蒸汽加热器温度前馈控制方案系统的扰动主要来自于进料温度系统的扰动主要来自于进料温度TiTi与进料与进料RFRF的变化。系统首先的变化。系统首先检测扰动，决策如何操作蒸汽阀来补偿扰动对被控变量工艺介质出口检测扰动，决策如何操作蒸汽阀来补偿扰动对被控变量工艺介质出口温度的影响。前馈控制器的输出完全取决于扰动信号和被控变量的设温度的影响。前馈控制器的输出完全取决于扰动信号和被控变量的设定值。定值。前馈的缺点是在使用时需要对系统有精确的了解，只有了解了系统模型才能有针对性的给出预测补偿。但在实际工程中，并不是所有的干扰都是可测的，并不是所有的对象都是可得

37、到精确模型的，而且大多数控制对象在运行的同时自身的结构也在发生变化，所以仅用前馈并不能达到良好的控制品质。前馈反馈控制在前馈控制中加入在前馈控制中加入反馈，反馈的特点是根反馈，反馈的特点是根据偏差来决定控制输入，据偏差来决定控制输入，不管对象的模型如何，不管对象的模型如何，也不管外界的干扰如何，也不管外界的干扰如何，只要有偏差，就根据偏只要有偏差，就根据偏差进行纠正，可以有效差进行纠正，可以有效的消除稳态误差。解决的消除稳态误差。解决前馈不能控制的不可测前馈不能控制的不可测干扰。干扰。1、定值控制与跟踪控制依据设定值是否频繁变化，反馈控制系统可以分为定值控制和跟踪控制两大类。定值控制系统，设定

38、值变化不频繁，主要扰动来自于外部干扰，调节控制系统设计的目的是要补偿扰动的影响。跟踪控制系统，主要扰动来自于设定值本身的频繁变化，设定值为时间函数。如间歇反应器温度控制系统，反应器温度必须跟踪预先给定的温度变化轨迹，从而确保产品的质量与产率。 定值控制 跟踪控制2、连续时间控制与离散时间控制依据控制器是否连续工作，反馈控制系统可以分为连续时间控制与离散时间控制两大类。连续时间控制系统的描述方法有：微分方程、拉普拉斯变化、连续时间状态方程。离散时间控制系统的描述方法有：差分方程、Z变换、离散时域状态方程。在过程工业领域，除控制器外所有的控制对象都属于连续时间系统（操作变量、外部扰动、被控变量都是连续时间信号），控制器可以分为模拟控制器和数字控制器。对于由数字控制器与连续被控过程组成的控制系统，可以将被控过程