化工自动化及仪表学习这门课的重要性学习这门课的重要性：控制系统在化工领域的应用很普遍，比控制系统在化工领域的应用很普遍，比如：炼油厂、化肥厂、纯碱生产过程在涤纶如：炼油厂、化肥厂、纯碱生产过程在涤纶短纤维生产过程、制浆、造纸过程、制药等短纤维生产过程、制浆、造纸过程、制药等等工艺人员也应该充分了解所用的控制系工艺人员也应该充分了解所用的控制系统，以及控制系统的特性这样才能设计出统，以及控制系统的特性这样才能设计出合理、高效的生产工艺合理、高效的生产工艺使用常规仪表的中央控制室使用常规仪表的中央控制室早期的早期的DCSDCS控制系统控制系统1 1 自动控制系统概述自动控制系统概述本章的主要内容：本章的主要内容：1.1 1.1 自动化及仪表发展概述自动化及仪表发展概述1.2 1.2 自动控制系统自动控制系统1.3 1.3 控制系统过渡过程及品质指标控制系统过渡过程及品质指标1.1 1.1 自动化及仪表发展概述自动化及仪表发展概述控制理论的发展控制理论的发展经典控制理论经典控制理论:2020世纪世纪4040年年2020世纪世纪5050年代年代Nyquist(1932)频域分析技术频域分析技术Bode(1945)图图根轨迹分析方法根轨迹分析方法(1948)特点：特点：主要从主要从输出输出与与输入量输入量的关系方面分析与研究的关系方面分析与研究问题。
问题适用范围：适用范围：线性定常的单输入、单输出控制系统线性定常的单输入、单输出控制系统以传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控以传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控制系统进行分析与设计制系统进行分析与设计PID控制规律是古典控制理论最辉煌的成果之一控制规律是古典控制理论最辉煌的成果之一现代控制理论现代控制理论:2020世纪世纪6060年代获得迅猛发展年代获得迅猛发展其主要内容为：其主要内容为： （基基础础）线线性性系系统统理理论论，最最优优控控制制理理 论，最佳估计理论，系统辨识等论，最佳估计理论，系统辨识等特特 点点 ： 从从 输输 入入 - -状状 态态 - -输输 出出 的的 关关 系系 全全 面面 地地 分分 析析 与研究系统与研究系统适适 用用 范范 围围 ： 不不 限限 于于 线线 性性 定定 常常 系系 统统 ， 也也 适适 用用 于于 线线 形形时时变变，非非线线性性及及离离散散系系统统，多多输输 入、多输出的情况入、多输出的情况大系统理论大系统理论:2020世纪世纪7070年代开始年代开始将现代控制理论与系统理论相结合将现代控制理论与系统理论相结合核心思想：核心思想： 系统的分解与协调系统的分解与协调适用范围：适用范围： 高维线性系统高维线性系统智能控制理论智能控制理论控制系统结构及仪表的发展控制系统结构及仪表的发展基地式：基地式：2020世纪世纪5050年代，适用于单回路年代，适用于单回路单元组合式（按功能）：单元组合式（按功能）： DDZ, QDZ DDZ, QDZ 2020世纪世纪6060年代，之间用年代，之间用标准统一标准统一信号联系信号联系计算机：计算机： DDC, DCS DDC, DCS 2020世纪世纪7070年代年代先进控制和优化控制：先进控制和优化控制：CIPS, FCS CIPS, FCS 2020世纪世纪8080年年代以后代以后 自动化仪表的发展经历了如下过程：自动化仪表的发展经历了如下过程： 模拟仪表模拟仪表数字仪表数字仪表智能仪表。
智能仪表当前自动控制系统发展的一些主要特点当前自动控制系统发展的一些主要特点生产装置实施先进控制成为发展主流生产装置实施先进控制成为发展主流过程优化受到普遍关注过程优化受到普遍关注传统的传统的DCSDCS在走向国际统一标准的开放式系统在走向国际统一标准的开放式系统综合自动化系统（综合自动化系统（CIPSCIPS）是发展方向是发展方向1.2 1.2 自动控制系统自动控制系统 1.2.11.2.1自动控制系统自动控制系统 自动控制的必要性自动控制的必要性蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水图图1-1锅炉汽包示意图锅炉汽包示意图手动控制的步骤：手动控制的步骤：(1)观察液位数值；观察液位数值；(2)把观察到的实际数值把观察到的实际数值与设定值加以比较，根与设定值加以比较，根据偏差的大小及变化情据偏差的大小及变化情况做出判断，并发布命况做出判断，并发布命令3)根据命令操作给水阀，根据命令操作给水阀，使液位回到设定值使液位回到设定值蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图加热炉的温度控制系统加热炉的温度控制系统蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图术语术语被控过程（被控被控过程（被控对象对象）：自动控自动控制系统中，工艺制系统中，工艺参数需要控制的参数需要控制的生产过程、设备生产过程、设备或机器。
或机器被控变量：被控变量：被控被控过程内要求保持过程内要求保持设定值的工艺参设定值的工艺参数数被控过程：被控过程：汽包汽包被控变量：被控变量：汽包液位汽包液位操纵变量：操纵变量：受控受控制器操纵的用以制器操纵的用以克服干扰的影响，克服干扰的影响，使被控变量保持使被控变量保持设定值的物料量设定值的物料量或能量或能量扰动：扰动：除操纵变除操纵变量外，作用于被量外，作用于被控过程并引起被控过程并引起被控变量变化的因控变量变化的因素素操纵变量：操纵变量：水的流量水的流量扰动：扰动：水压力、蒸汽压力水压力、蒸汽压力蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图设定值：设定值：工艺参数工艺参数所要求保持的数值所要求保持的数值偏差：偏差：被控变量设被控变量设定值与实际值之差定值与实际值之差负反馈：负反馈：将被控变将被控变量送回输入端并与量送回输入端并与输入变量相减输入变量相减蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图加热炉的温度控制系统加热炉的温度控制系统被控过程被控过程：加热炉加热炉被控变量：被控变量：物料出口温度物料出口温度操纵变量：操纵变量：燃料油流量燃料油流量扰动：扰动：被加热原料油温度、燃料油热值等被加热原料油温度、燃料油热值等1.2.21.2.2闭环控制与开环控制闭环控制与开环控制 闭环控制：闭环控制： 在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设定值进行比较，根据偏差进行控制，控制被控变量，定值进行比较，根据偏差进行控制，控制被控变量，这样，整个系统构成了一个闭环。
这样，整个系统构成了一个闭环闭环控制的特点（优点）闭环控制的特点（优点）：按偏差进行控制，使偏：按偏差进行控制，使偏差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的 闭环控制的缺点闭环控制的缺点：控制不够及时；如果系统内部各：控制不够及时；如果系统内部各环节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚至会使系统环节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚至会使系统失去控制失去控制开环控制：开环控制： 开环控制的特点（优点）：开环控制的特点（优点）：不需要对被控变量进不需要对被控变量进行测量，只根据输入信号进行控制，行测量，只根据输入信号进行控制，控制很及时控制很及时开环控制的缺点：开环控制的缺点：由于不测量被控变量，也不与由于不测量被控变量，也不与设定值相比较，所以系统受到扰动作用后，被控变设定值相比较，所以系统受到扰动作用后，被控变量偏离设定值，并无法消除偏差，这是开环控制的量偏离设定值，并无法消除偏差，这是开环控制的缺点缺点 开环的液位控制系统开环的液位控制系统 （按扰动控制，又称前馈控制）（按扰动控制，又称前馈控制）开环控制举例开环控制举例1FfFTLTFdC蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图1.2.31.2.3自动控制系统的组成及方框图自动控制系统的组成及方框图 在研究自动控制系统时，为了更清楚的表示控制在研究自动控制系统时，为了更清楚的表示控制系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系，一般系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系，一般都采用方框图。
每个方框表示组成系统的一个都采用方框图每个方框表示组成系统的一个环节环节，两个方框之间用带箭头的线段表示两个方框之间用带箭头的线段表示信号信号联系；进入方联系；进入方框的信号为框的信号为环节输入，环节输入，离开方框的为离开方框的为环节输出环节输出闭环控制系统组成闭环控制系统组成检测元件和变送器检测元件和变送器的作用是把被控变量的作用是把被控变量c(t)c(t)转化为转化为测量值测量值y(t)y(t)比较机构比较机构的作用是比较设定值的作用是比较设定值r(t)r(t)与测量值与测量值y(t)y(t)并并输出其差值输出其差值控制装置控制装置的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况，的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况，按某种预定的控制规律给出控制作用按某种预定的控制规律给出控制作用u(t)u(t)比较机构比较机构和控制装置通常组合在一起，称为控制器和控制装置通常组合在一起，称为控制器执行器执行器的作用是接受控制器送来的的作用是接受控制器送来的u(t)u(t)，相应地去相应地去改变操纵变量改变操纵变量q(t)q(t) 系统中控制器以外的各部分组合在一起，即系统中控制器以外的各部分组合在一起，即过程、执过程、执行器、检测元件与变送器行器、检测元件与变送器的组合称为的组合称为广义对象广义对象。
闭环闭环控制控制系统系统组成组成在分析控制系统的工作过程时，有几个很重要的概念：在分析控制系统的工作过程时，有几个很重要的概念：（1 1）信息：）信息：图中的图中的r(t)r(t)、y(t)y(t)、f(t)f(t)等尽管是实等尽管是实际的物理量，但它们是作为信息来转换和作用的图际的物理量，但它们是作为信息来转换和作用的图中的每一部分称为一个环节，作用于它的信息称为该中的每一部分称为一个环节，作用于它的信息称为该环节的输入信号，它送出的信息称为输出信号前一环节的输入信号，它送出的信息称为输出信号前一环节的输出就是后一环节的输入信号每一环节的输环节的输出就是后一环节的输入信号每一环节的输出信号与输入信号之间的关系仅仅取决于该环节的特出信号与输入信号之间的关系仅仅取决于该环节的特性从整个系统来看，输入信号：设定值和扰动从整个系统来看，输入信号：设定值和扰动 输出信号：被控变量、测量值输出信号：被控变量、测量值（2 2）闭环：）闭环：按信息的流向来说按信息的流向来说（3 3）动态：）动态：物理量是时间的函数、是不断变化的物理量是时间的函数、是不断变化的扰动作用使被控变量偏离设定值，控制作用又使它回扰动作用使被控变量偏离设定值，控制作用又使它回到设定值。
到设定值 闭环闭环控制控制系统系统组成组成1.2.4 1.2.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类按设定值的不同情况，将自动控制系统分为三类按设定值的不同情况，将自动控制系统分为三类: : 定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统定值控制系统定值控制系统 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称为定值控制系统 随动控制系统随动控制系统 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）随之而变化统的输出（被控变量）随之而变化 程序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，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即根据需要按一定时间程序变化 1.31.3自动控制系统的过渡过程及品质指标自动控制系统的过渡过程及品质指标1.。