第1章过程控制基本概念

1、过程装备控制技术过程装备控制技术李臻峰李臻械工程学院机械工程学院 B21122021-12-11讲课讲课: 28学时（第学时（第9-15）(18学时过程控制，学时过程控制，10学时学时PLC)实验实验: 4学时学时 (第第16周周 时间？）时间？）安排安排:上课上课,课堂讨论课堂讨论,习题习题,实验实验,课程设计课程设计立即复习立即复习: 拉普拉斯变换拉普拉斯变换 (提问、考试提问、考试)32021-12-11n本课程的考核本课程的考核:n平时平时 (出勤、回答问题、作业等）出勤、回答问题、作业等） 15%n实验实验 15% n期末考试期末考试 70%42021-12

2、-11n主要参考文献：主要参考文献：n1.张早校主编，过程控制装置及系统设计张早校主编，过程控制装置及系统设计.北京：北京：北京大学出版社，北京大学出版社，2010.8 n（第第1、2、3、4章章）n2.邓则民，邓则民， 程良伦，程良伦， 谢光汉谢光汉 编，电器与可编程编，电器与可编程控制器应用技术控制器应用技术. 机械工业出版社，机械工业出版社，2008年年10月月 n（第四、九、十一章第四、九、十一章）第第1章章 基本概念基本概念The Basic Concept of Control Systems过程控制：连续量的控制过程控制：连续量的控制过程自动化过程自动化自动控制自动控制反导系统

3、Missile Defense Systemn弹道导弹防御系统(ballistic missile defense system )，拦截敌方来袭的战略弹道导弹的武器系统。它包括弹道导弹预警系统、 目标识别系统、 反弹道导弹导弹、引导系统和指挥控制通信系统。反弹道导弹导弹是防御系统的拦截器，按拦截空域分为高空（大气层外）和低空（大气层内）拦截导弹。它是在地空导弹的基础上发展起来的，通常是两级或三级有翼导弹，由发射井垂直发射，以对付全方位来袭的战略导弹。62021-12-1172021-12-1182021-12-1192021-12-11102021-12-11教学目标教学目标 通过本章的学习

4、，了解通过本章的学习，了解过程自动化过程自动化的主要内容并复的主要内容并复习掌握一些基本概念。了解过程习掌握一些基本概念。了解过程自动控制系统自动控制系统的的组成、方组成、方框图、分类、过渡过程及其品质指标以及过程控制系统设框图、分类、过渡过程及其品质指标以及过程控制系统设计研究计研究的基本内容。通过具体实例能够将理论与实际问题的基本内容。通过具体实例能够将理论与实际问题相对应，有助于更好的理解本章的内容。相对应，有助于更好的理解本章的内容。PLC 、Process control、 Microprocessor、Embedded system （食品工业、汽车、钢铁、化工）（食品工业、汽车、

5、钢铁、化工）112021-12-11n问题的提出问题的提出n自动控制在实际过程中是如何进行的？自动控制在实际过程中是如何进行的？n如何设计一个性能良好的自动控制系统？如何设计一个性能良好的自动控制系统？n除了自动控制原理，还需要了解哪些知识？除了自动控制原理，还需要了解哪些知识？n对于复杂的过程对象，如何实施有效控制？对于复杂的过程对象，如何实施有效控制？n现代化的工厂是如何自动控制的？现代化的工厂是如何自动控制的？n。122021-12-11132021-12-11142021-12-11152021-12-11162021-12-11引例引例 （钢厂抡大铁锹钢厂抡大铁锹-西门子自动化西门子

6、自动化 漫灌漫灌-滴灌滴灌 熬稀饭熬稀饭-化工反应罐化工反应罐）随着工业生产过程向大型化、规模化、集成随着工业生产过程向大型化、规模化、集成化方向的发展，对生产过程的性能要求越来越高。化方向的发展，对生产过程的性能要求越来越高。此外，随着资源的枯竭，以及日益严峻的环此外，随着资源的枯竭，以及日益严峻的环保和安全生产形势，对过程工业提出了保和安全生产形势，对过程工业提出了更高的指更高的指标要求标要求，由此导致一个现代化的过程生产工厂在，由此导致一个现代化的过程生产工厂在运行操作方面变得越来越复杂。运行操作方面变得越来越复杂。为此，采用安全可靠高效的为此，采用安全可靠高效的过程控制装置过程控制装置

7、实实现对过程生产的优化控制就显得尤为重要。现对过程生产的优化控制就显得尤为重要。从理论和实践方面掌握过程控制知识，了解从理论和实践方面掌握过程控制知识，了解过程检测与控制装置过程检测与控制装置的基本工作原理以及过程控的基本工作原理以及过程控制的基本理论，对于从事过程工业生产及相关产制的基本理论，对于从事过程工业生产及相关产品设计开发的人员具有重要意义。品设计开发的人员具有重要意义。172021-12-111.1 过程自动化的主要内容过程自动化的主要内容n过程工程过程工程：在各种各样的生产过程中，其具体的：在各种各样的生产过程中，其具体的操作步骤以及流程等。操作步骤以及流程等。n过程控制工程过程

8、控制工程：工业中的过程控制是指对工业的：工业中的过程控制是指对工业的生产过程中如生产过程中如温度、压力、流量、液位和成分温度、压力、流量、液位和成分(与与离散量比较离散量比较)等工艺参数等工艺参数加以要求，加以要求，采用一定的方采用一定的方法对上述工艺参数加以调节控制，使得各个参数法对上述工艺参数加以调节控制，使得各个参数在生产过程中在生产过程中保持在所要求的（保持在所要求的（空调温度控制随季节不同；空调温度控制随季节不同；外部温度随季节也不同外部温度随季节也不同）范围内）范围内。182021-12-11成本（便宜是首位）、产品标准化n过程自动化过程自动化：是指在工业生产中广泛采用各种自：是指

9、在工业生产中广泛采用各种自动控制、自动检测和自动调节装置，对生产过程动控制、自动检测和自动调节装置，对生产过程进行自动测量、检验、计算、控制、监视等，以进行自动测量、检验、计算、控制、监视等，以代替代替“人人”来操纵机器设备。来操纵机器设备。 过程自动化一般包括过程自动化一般包括自动检测自动检测、自动保护自动保护、自动自动操纵操纵和和自动调节自动调节等方面的内容。（等方面的内容。（熬稀饭熬稀饭-化工罐化工罐）n人工人工-机器，哪个便宜用哪个。近机器，哪个便宜用哪个。近10几年来世界生产力的部分倒退。几年来世界生产力的部分倒退。n一个新技术应用到工业中的基本条件：设备成本、产品质量、长期稳定性一

10、个新技术应用到工业中的基本条件：设备成本、产品质量、长期稳定性n世界工业水平的阶梯分布世界工业水平的阶梯分布192021-12-111.1 过程自动化的主要内容过程自动化的主要内容工业生产中对过程控制的要求总体上可以归工业生产中对过程控制的要求总体上可以归纳为三项基本要求：即纳为三项基本要求：即安全性（爆炸、低温、粉安全性（爆炸、低温、粉尘）、经济性（成本）和稳定性（不容易损坏）尘）、经济性（成本）和稳定性（不容易损坏）。 过程自动化一般多用于产品结构较先进、工过程自动化一般多用于产品结构较先进、工艺稳定、批量大、需要节约大量劳动力的工业生艺稳定、批量大、需要节约大量劳动力的工业生产，以及危险

11、性场合的生产活动中。产，以及危险性场合的生产活动中。过程控制装过程控制装置置是生产过程自动化的核心内容部分，是实现过是生产过程自动化的核心内容部分，是实现过程自动化的程自动化的硬件条件。硬件条件。过程自动化在工业生产和科学技术发展中起过程自动化在工业生产和科学技术发展中起到了越来越重要的作用。而过程自动化的程度已到了越来越重要的作用。而过程自动化的程度已经成为衡量工业企业现代化水平的一个经成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志重要标志。202021-12-111.2 自动控制系统的组成自动控制系统的组成在日常的工业生产过程中，所有的生产过程在日常的工业生产过程中，所有的生产过程都是在相应的温

12、度、压力、流量、浓度、成分、都是在相应的温度、压力、流量、浓度、成分、厚度和液位等厚度和液位等工艺条件工艺条件下进行的。下进行的。因此，为了满足相对应的工艺要求，就必须因此，为了满足相对应的工艺要求，就必须对其生产过程加以控制，使其能够对其生产过程加以控制，使其能够稳定稳定在保证生在保证生产要求的范围之内进行。产要求的范围之内进行。为了实现控制的要求，可以对其过程采用为了实现控制的要求，可以对其过程采用自自动控制动控制。 212021-12-111.2 自动控制系统的组成自动控制系统的组成n下面以锅炉燃烧过程为例，来说明其自动控制系下面以锅炉燃烧过程为例，来说明其自动控制系统的组成。统的组成。

13、图图1-1 锅炉燃烧控制系统框图锅炉燃烧控制系统框图222021-12-111.2 自动控制系统的组成自动控制系统的组成n锅炉燃烧过程自动控制系统有三大锅炉燃烧过程自动控制系统有三大任务任务 第第一，维持汽压恒定一，维持汽压恒定第二，保证燃烧过程的经济性第二，保证燃烧过程的经济性第三，调节引风量与送风量以保证炉膛压力不变第三，调节引风量与送风量以保证炉膛压力不变n锅炉燃烧控制系统一般有三个锅炉燃烧控制系统一般有三个被控变量被控变量蒸汽压蒸汽压烟气含氧量烟气含氧量炉膛负压炉膛负压n一般有三个一般有三个操纵变量操纵变量燃料量燃料量送风量送风量引风量引风量232021-12-111.2 自动控制系统

14、的组成自动控制系统的组成n完整的过程自动控制系统中各部分定义完整的过程自动控制系统中各部分定义（锅炉、导弹锅炉、导弹）（过程）自动控制（过程）自动控制（过程）自动控制系统（过程）自动控制系统被控对象被控对象测量元件和变送器测量元件和变送器调节器调节器执行器执行器被控变量被控变量c(t)给定值给定值r(t)测量值测量值b(t)操纵变量操纵变量m(t)干扰干扰d(t)偏差信号偏差信号e(t)242021-12-11给定装置校正装置放大元件输入信号) (tr比较元件偏差信号)(te控制量控制器执行机构被控对象受控系统（被控量）) (ty扰动反馈装置（检测元件）主反馈信号)(tb输出信号252021-

15、12-111.2 自动控制系统的组成自动控制系统的组成n例例1-1 图图1-2所示为某厂的自力式储槽水位控制系所示为某厂的自力式储槽水位控制系统。其中储槽为被控对象；储槽中的水的液位为统。其中储槽为被控对象；储槽中的水的液位为被控变量；进水流量为操纵变量。被控变量；进水流量为操纵变量。图图1-2 储槽水位控制系统储槽水位控制系统262021-12-111.2 自动控制系统的组成自动控制系统的组成在该系统中，当出水量在该系统中，当出水量突然增大突然增大时，出水量时，出水量大于进水量，使水位下降，浮球下移，通过杠杆大于进水量，使水位下降，浮球下移，通过杠杆装置带动针形阀下移，增大了进水量，使得出水

16、装置带动针形阀下移，增大了进水量，使得出水量与进水量之差随之减小，水位下降变缓，直至量与进水量之差随之减小，水位下降变缓，直至进水量与出水量又相等，水位停止下降，重新稳进水量与出水量又相等，水位停止下降，重新稳定在某一位置，从而实现了水位自动控制。定在某一位置，从而实现了水位自动控制。272021-12-111.3 自动控制系统的方框图自动控制系统的方框图在研究控制系统的过程中，为了能够更清楚在研究控制系统的过程中，为了能够更清楚更直观地表示出控制系统中各个组成部分之间的更直观地表示出控制系统中各个组成部分之间的相互影响和信息的联系，一般采用方框图来表示相互影响和信息的联系，一般采用方框图来表

17、示控制系统的组成以及每部分的作用。控制系统的组成以及每部分的作用。所谓所谓方框图方框图就是表示系统各单元、部件之间就是表示系统各单元、部件之间（电）信号（电）信号传递关系的一种传递关系的一种数学图示模型数学图示模型，这是，这是控制理论中描述复杂系统的一种简便方法。控制理论中描述复杂系统的一种简便方法。方框图适用于线性和非线性系统。方框图适用于线性和非线性系统。282021-12-111.3 自动控制系统的方框图自动控制系统的方框图n方框图的组成和绘制方框图的组成和绘制方框图由方框图由信号线信号线、分支点分支点、相加点相加点和和方框图方框图单元单元组成。组成。图图1-3 方框图的基本组成单元方框

18、图的基本组成单元292021-12-111.3 自动控制系统的方框图自动控制系统的方框图图图1-3（d）中的方框图单元表示对信号进行）中的方框图单元表示对信号进行拉普拉斯变换（拉氏变换），其输出量等于方框拉普拉斯变换（拉氏变换），其输出量等于方框图单元的输入量与传递函数的乘积，即图单元的输入量与传递函数的乘积，即传递函数传递函数定义为零初始条件下系统（或环节）定义为零初始条件下系统（或环节）的输出拉普拉斯变换与输入拉普拉斯变换之比。的输出拉普拉斯变换与输入拉普拉斯变换之比。21( )XG s X302021-12-111.3 自动控制系统的方框图自动控制系统的方框图n环节的基本连接形式环节的基

19、本连接形式串联串联并联并联反馈连接反馈连接图1-4 串联环节图1-5 并联环节图1-6 反馈连接312021-12-111.3 自动控制系统的方框图自动控制系统的方框图n串联串联根据图根据图1-4可以得出以下的等式：可以得出以下的等式：由此，可以推得下面的函数：由此，可以推得下面的函数：因此，因此，整个整个环节的传递函数为：环节的传递函数为：21132211( )( )( )( )( )( ) .( )( )( )( )( )( )nnnnnXsG s X sXsG s XsXsGs XsY sG s Xs121( )( )( )( ).( )( )nY sG sG s G sG sX s12

20、( )( )( ).( )nG sG s G sG s322021-12-111.3 自动控制系统的方框图自动控制系统的方框图n并联并联并联环节输入量都相同，输出量的代数和作并联环节输入量都相同，输出量的代数和作为环节组的输出。每个环节的输入量都等于为环节组的输出。每个环节的输入量都等于X(s),环节组的总输出为环节组的总输出为 又因为又因为故故因此并联环节的传递函数为因此并联环节的传递函数为1( )( )niiY sX s1122( )( )( ),( )( )( ),.,( )( )( )nnX sG s X sXsG s X sXsG s X s1( )( )( )niiY sX sG

21、s1( )( )( )( )niiY sG sG sX s332021-12-111.3 自动控制系统的方框图自动控制系统的方框图n反馈连接反馈连接在图在图1-6的反馈连接中，反馈连接环节总的传的反馈连接中，反馈连接环节总的传递函数递函数G(s)的输出的输出Y(s)在经过环节在经过环节H(s)后成为反后成为反馈信号馈信号B(s),反馈信号又送到环节反馈信号又送到环节G(s)的输入端。的输入端。在信号的合点上有：在信号的合点上有：即有即有正反馈连接环节组成的传递函数，那么其分母是正反馈连接环节组成的传递函数，那么其分母是1-G1(s)H(s)。1( )( )( ) ( )( )( )( )E s

22、X sH s Y sY sE s G s11( )( )( )( )1( )( )G sY sG sX sG s H s342021-12-111.3 自动控制系统的方框图自动控制系统的方框图n闭环控制系统的方框图闭环控制系统的方框图闭环控制系统是指在控制系统中将被控量反闭环控制系统是指在控制系统中将被控量反馈到系统输入端，对控制作用产生影响的一类控馈到系统输入端，对控制作用产生影响的一类控制系统。制系统。R(s)表示给定输入量表示给定输入量D(s)表示扰动输入量表示扰动输入量C(s)表示被控量表示被控量E(s)称为误差称为误差G1(s)和和G2(s)表示前向通道的传递函数表示前向通道的传递函

23、数B(s)称为反馈H(s)为反馈通道传递函数图1-7 闭环控制系统方框图352021-12-111.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类n按给定值变化规律分类按给定值变化规律分类恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统n按控制作用的形式分类按控制作用的形式分类连续控制系统、离散控制系统以及继电作用控制系统连续控制系统、离散控制系统以及继电作用控制系统n按系统的特性分类按系统的特性分类线性控制系统线性控制系统和非线性控制系统和非线性控制系统n按系统参数是否随时间变化分类按系统参数是否随时间变化分类定常系统定常系统和时变系统和时变系统n按控制系统的结构分

24、类按控制系统的结构分类闭环控制系统闭环控制系统、开环控制系统和复合控制系统、开环控制系统和复合控制系统n按控制系统闭环回路的数目分类按控制系统闭环回路的数目分类单回路控制系统和多回路控制系统单回路控制系统和多回路控制系统n自适应控制系统自适应控制系统n预测控制系统预测控制系统n鲁棒控制系统鲁棒控制系统n专家系统专家系统n模糊控制模糊控制n人工神经网络人工神经网络n学习控制学习控制362021-12-11372021-12-111.5 自动控制系统过渡过程及其品质指标（自动控制系统过渡过程及其品质指标（微波微波）n在自动控制系统中，被控变量不随时间变化的平在自动控制系统中，被控变量不随时间变化的

25、平衡状态称为系统的衡状态称为系统的稳态稳态(也称也称静态静态)；n被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动动态态。n当一个自动控制系统的输入当一个自动控制系统的输入(设定值与干扰设定值与干扰)和输和输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相对平衡出均恒定不变时，整个系统就处于一种相对平衡状态，即上面所讲的稳态。状态，即上面所讲的稳态。n当系统受到干扰作用，平衡被破坏，使被控变量当系统受到干扰作用，平衡被破坏，使被控变量发生改变，系统的各个环节和输出信号都处于变发生改变，系统的各个环节和输出信号都处于变动状态之中，这种状态就称为系统的动态。动状态之中，这种状

26、态就称为系统的动态。 干扰作用控制作用（平衡破坏）（克服干扰）稳态I(平衡)动态过程稳态（平衡）382021-12-111.5 自动控制系统过渡过程及其品质指标自动控制系统过渡过程及其品质指标n自动控制系统的过渡过程自动控制系统的过渡过程自动控制系统在动态过程中，被控变量随时自动控制系统在动态过程中，被控变量随时间变化的过程称为自动控制系统的过渡过程或控间变化的过程称为自动控制系统的过渡过程或控制过程，也就是系统从一个平衡状态过渡到另一制过程，也就是系统从一个平衡状态过渡到另一平衡状态的过程。平衡状态的过程。稳定的过渡过程稳定的过渡过程不稳定的过渡过程不稳定的过渡过程图图1-15 控制系统过渡

27、过程几种基本形式曲线控制系统过渡过程几种基本形式曲线392021-12-111.5 自动控制系统过渡过程及其品质指标（自动控制系统过渡过程及其品质指标（股票、房产股票、房产）n过渡过程的品质指标过渡过程的品质指标衰减比：衰减比：过渡过程曲线同方向的前后相邻两个波的幅值之比过渡过程曲线同方向的前后相邻两个波的幅值之比余差：余差：过渡过程结束后，被控变量新的稳态值与设定值之差过渡过程结束后，被控变量新的稳态值与设定值之差最大偏差：最大偏差：整个过渡过程中，被控变量偏离设定值的最大值整个过渡过程中，被控变量偏离设定值的最大值过渡过程时间过渡过程时间：从干扰使被控变量开始变化起，到控制系统又建：从干扰

28、使被控变量开始变化起，到控制系统又建立新的平衡状态，被控变量又重新稳定为止所经历的这段时间立新的平衡状态，被控变量又重新稳定为止所经历的这段时间振荡周期与振荡频率振荡周期与振荡频率：过渡过程曲线从第一个波峰到第二个波峰：过渡过程曲线从第一个波峰到第二个波峰之间的时间称为振荡周期，其倒数称为振荡频率之间的时间称为振荡周期，其倒数称为振荡频率图图1-16 过渡过程品质指标示意图过渡过程品质指标示意图402021-12-111.5 自动控制系统过渡过程及其品质指标（自动控制系统过渡过程及其品质指标（文章文章9）n对自动控制系统的性能基本要求对自动控制系统的性能基本要求自动控制系统的基本任务是：根据被

29、控对象自动控制系统的基本任务是：根据被控对象和环境的特性，在各种扰动因素作用下，使系统和环境的特性，在各种扰动因素作用下，使系统的被控量能够按照预定的规律变化。的被控量能够按照预定的规律变化。对于恒值系统来说，要求系统的被控量维持对于恒值系统来说，要求系统的被控量维持在期望值附近；对于随动控制系统而言，要求系在期望值附近；对于随动控制系统而言，要求系统的被控量紧紧跟随输入量的变化。统的被控量紧紧跟随输入量的变化。稳定性：决定一个控制系统能否实际应用的首要条件稳定性：决定一个控制系统能否实际应用的首要条件准确性：衡量系统稳态精度的重要指标准确性：衡量系统稳态精度的重要指标快速性：抗扰动时间快速性

30、：抗扰动时间412021-12-111.6 过程控制系统设计研究的基本内容过程控制系统设计研究的基本内容首先要满足安全性的要求；首先要满足安全性的要求； 其次，为了获得效益，工厂必须使产品满足产其次，为了获得效益，工厂必须使产品满足产品质量和生产率的要求；品质量和生产率的要求； 此外，控制系统应该促进装置平滑、稳定的运此外，控制系统应该促进装置平滑、稳定的运行，避免关键过程变量的过多振荡；行，避免关键过程变量的过多振荡； 最后，控制系统还应该考虑环境保护问题。最后，控制系统还应该考虑环境保护问题。422021-12-11n过程控制系统设计步骤过程控制系统设计步骤选择被控变量与输入变量选择被控变

31、量与输入变量确定控制方案确定控制方案选择硬件设备选择硬件设备给出控制器的设定给出控制器的设定432021-12-111.6 过程控制系统设计研究的基本内容过程控制系统设计研究的基本内容n被控变量与输入变量的选择被控变量与输入变量的选择被控变量被控变量对控制目标起重要影响对控制目标起重要影响可直接控制目标质量可直接控制目标质量传递函数比较简单、动态和静态特性较好传递函数比较简单、动态和静态特性较好可测量其他能够可靠测量的被控变量可测量其他能够可靠测量的被控变量输入变量输入变量对所选定的被控变量影响较大对所选定的被控变量影响较大变化范围较大变化范围较大对被控变量作用效应较快对被控变量作用效应较快在

32、复杂系统中，对相应的被控变量有直接影响，而对在复杂系统中，对相应的被控变量有直接影响，而对其他输出变量的影响应该尽可能的小其他输出变量的影响应该尽可能的小442021-12-111.6 过程控制系统设计研究的基本内容（过程控制系统设计研究的基本内容（文章文章9）n控制方案的确定控制方案的确定控制结构控制结构1) 反馈控制反馈控制：利用被控变量的直接测量值调节控制变：利用被控变量的直接测量值调节控制变量，使被控变量保持在预期值。这类系统的特点是结量，使被控变量保持在预期值。这类系统的特点是结构简单，具有广泛的适应性，被控对象一般可以得到构简单，具有广泛的适应性，被控对象一般可以得到较好的控制。较

33、好的控制。2) 前馈控制前馈控制：利用扰动量的直接测量值，调节控制变：利用扰动量的直接测量值，调节控制变量，使被控变量保持在预期值。与反馈控制不同，前量，使被控变量保持在预期值。与反馈控制不同，前馈控制本质上是在系统存在比较显著、出现频繁扰动馈控制本质上是在系统存在比较显著、出现频繁扰动时对系统干扰的一种补偿控制，以有效抑制扰动对被时对系统干扰的一种补偿控制，以有效抑制扰动对被控量的影响。控量的影响。452021-12-11控制算法控制算法在控制方案确定以后，需要选择合适的控制算法，根在控制方案确定以后，需要选择合适的控制算法，根据控制算法进行控制器设计。据控制算法进行控制器设计。 46202

34、1-12-111.6 过程控制系统设计研究的基本内容过程控制系统设计研究的基本内容n硬件设备的选择硬件设备的选择包含传感器、测量仪表、控制装置、执行机构和报警、包含传感器、测量仪表、控制装置、执行机构和报警、保护、连锁等部件。过程控制系统硬件选择的原则是保证保护、连锁等部件。过程控制系统硬件选择的原则是保证控制目标和控制方案的实施。控制目标和控制方案的实施。控制装置控制装置简单的过程控制系统可以选择单回路控制器，对于比简单的过程控制系统可以选择单回路控制器，对于比较复杂的系统需要用计算机控制。较复杂的系统需要用计算机控制。传感器和测量仪器传感器和测量仪器1) 可靠性原则：能长期而稳定地完成规定

35、功能的能力可靠性原则：能长期而稳定地完成规定功能的能力2) 实用性原则：执行具体功能要求的能力和水平实用性原则：执行具体功能要求的能力和水平3) 先进性原则先进性原则472021-12-111.6 过程控制系统设计研究的基本内容过程控制系统设计研究的基本内容n控制器的设定控制器的设定控制系统设计最后一个阶段就是给出控制器的设置。控制系统设计最后一个阶段就是给出控制器的设置。例如，如果考虑适用例如，如果考虑适用PI控制，控制器的增益控制，控制器的增益Kc和积分和积分时间时间将设定为额定值。通常会在控制系统安装后，使用将设定为额定值。通常会在控制系统安装后，使用PID控制器整定策略对额定设定值进行

36、调整。控制器整定策略对额定设定值进行调整。482021-12-11492021-12-111.6 过程控制系统设计研究的基本内容过程控制系统设计研究的基本内容n过程安全问题过程安全问题在现代化的过程在现代化的过程加工工厂中，过程的加工工厂中，过程的安全依赖于安全依赖于多保护层多保护层原理。原理。一般分为一般分为四层四层：最内层，过程设计自最内层，过程设计自身提供了一层保护。身提供了一层保护。紧接着的两层是由基紧接着的两层是由基本过程控制系统以及本过程控制系统以及报警操作或干预两层报警操作或干预两层组成。最后一层是安组成。最后一层是安全互锁系统，又称为全互锁系统，又称为安全仪表系统或紧急安全仪表

37、系统或紧急停车系统。停车系统。图图1-17 过程安全的多保护层过程安全的多保护层502021-12-111.7 过程控制系统应用实例过程控制系统应用实例 （略）略）例：例：合成氨过程是一个典型化工生产过程。生产合成氨过程是一个典型化工生产过程。生产技术和工艺过程日趋复杂，对过程的控制亦提出技术和工艺过程日趋复杂，对过程的控制亦提出了更高要求。在此就合成氨生产过程中的变换炉了更高要求。在此就合成氨生产过程中的变换炉的控制系统作简单介绍。的控制系统作简单介绍。合成氨生产过程中变换工序是一重要环节，合成氨生产过程中变换工序是一重要环节，它将一氧化碳和水蒸气反应，变换为氢气和二氧它将一氧化碳和水蒸气反

38、应，变换为氢气和二氧化碳。主要反应为化碳。主要反应为222CO+H OCO +HQ512021-12-111.7 过程控制系统应用实例过程控制系统应用实例1. 变换炉的变比值控制变换炉的变比值控制有时，可直接用变换气出口气体中有时，可直接用变换气出口气体中CO浓度，浓度，采用采用变比值控制系统变比值控制系统。根据变换反应机理，将反。根据变换反应机理，将反应物流量按一定比值控制，再根据应物流量按一定比值控制，再根据CO浓度及时调浓度及时调整比值设定值。整比值设定值。根据工艺测试分析，变换炉出口根据工艺测试分析，变换炉出口CO含量一定含量一定时，不同负荷时，不同负荷(半水煤气半水煤气)下，水蒸气和

39、半水煤气下，水蒸气和半水煤气的比值并非定值，而满足近似的平方关系的比值并非定值，而满足近似的平方关系为此，在设计比值控制系统时，工艺比值系为此，在设计比值控制系统时，工艺比值系数数k成为成为 ；22H OCOQkQ22H OCOQkQ522021-12-111.7 过程控制系统应用实例过程控制系统应用实例在仪表系统的设计中，水蒸气流量测量采用在仪表系统的设计中，水蒸气流量测量采用差压变送器加开方器差压变送器加开方器，半水煤气流量测量采用，半水煤气流量测量采用差差压变送器压变送器但不加开方器，仪表比值数但不加开方器，仪表比值数 该控制系统投运后，对半水煤气成分变化、该控制系统投运后，对半水煤气成

40、分变化、触媒活性变化等扰动影响都有较好的克服能力。触媒活性变化等扰动影响都有较好的克服能力。变换炉出口气体应进行净化处理，并对分析变换炉出口气体应进行净化处理，并对分析仪表进行定期维护是控制系统正常运行的前提。仪表进行定期维护是控制系统正常运行的前提。因控制通道时间常数比采用入口温度或一段因控制通道时间常数比采用入口温度或一段温度控制的控制通道时间常数小，因此控制质量温度控制的控制通道时间常数小，因此控制质量较好。较好。22maxmaxCOH OQKkQ532021-12-111.7 过程控制系统应用实例过程控制系统应用实例2.变换炉的优化控制变换炉的优化控制图1-19 变换炉的最优控制系统5

41、42021-12-111.7 过程控制系统应用实例过程控制系统应用实例变换炉的变换炉的控制目标控制目标是变换炉出口气体中是变换炉出口气体中CO浓浓度度 ，影响的，影响的扰动变量扰动变量有：变换炉入口气体温有：变换炉入口气体温度度 ,入口气体组成入口气体组成 ，空速，空速 ，触媒活性，触媒活性AF等。选择等。选择操纵变量操纵变量为入口气体温度为入口气体温度 (通过调节通过调节废热锅炉旁路流量来控制废热锅炉旁路流量来控制)。控制目标。控制目标 与扰动与扰动变量、操纵变量间的函数关系表示为变量、操纵变量间的函数关系表示为优化目标函数优化目标函数为：为：求得的最优化入口温度设定值为求得的最优化入口温度设定值为进行线性化，得到近似的增量式线性控制模型为进行线性化，得到近似的增量式