过控.老师过程控制-1绪论

1、过程控制主讲：孔亚广 课程目的本次课程的学习需要掌握以下内容控制策略与参数整定控制系统设计与投运面向实际应用的技术性课程典型流程方案设计 课程特点课程内容涵面广自动控制原理检测技术控制仪表及装置过程计算机控制化工过程控制工程集散控制系统内容以叙述性为主，理论推导较少第一章绪论过程控制系统的发展状况及特点生产过程自动控制 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）是自动控制技术在石油、化工、电

2、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。过程控制系统的发展状况及特点过程控制系统发展状况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。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，采用基本PID控制与串级、前馈控制等自动化仪表：采用的是基地式仪表和部分单元组合仪表（气动 型和电动型）；控制理论：以反馈为中心的经典控制理论，以传递函数作为模型描述方法，以根轨迹、频率法作为基本的分析和综合方法；过程控制系统的发展状况及特点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。自动化仪表：单元

3、组合仪表（气动型和电动型）成为主流产品。60年代后期，出现了专门用于过程控制的小型计算机，直接数字控制系统和监督计算机控制系统开始应用于过程控制领域。控制理论：出现了以状态空间方法为基础，以极小值原理和动态规划等最优控制理论为基本特征的现代控制理论,传统的单输入单输出系统发展到多输入多输出系统领域。控制理论：形成了大系统理论和智能控制理论。模糊控制、专家系统控制、模式识别技术20世纪7080年代过程控制系统：最优控制、非线性分布式参数控制、解耦控制、 模糊控制自动化仪表：气动型和电动型，以微处理器为主要构成单元的智能控制装置。集散控制系统（DCS）、可编程逻辑控制器 (PLC) 、工业PC机、

4、和数字控制器等，已成为控制装置的主流。过程控制系统的发展状况及特点过程控制系统的发展状况及特点控制理论：人工智能、神经网络控制20世纪90年代至今：信息技术飞速发展过程控制系统：管控一体化现场，综合自动化是当今生产过程控制的发展方向。自动化仪表：总线控制系统的出现，引起过程控制系统体系结构和功能结构上的重大变革。现场仪表的数字化和智能化，形成了真正意义上的全数字过程控制系统。各种智能仪表、变送器、无纸纪录仪过程控制系统的发展状况及特点过程控制系统特点生产过程的连续性 在过程控制系统中，大多数被控过程都是以长期的或间歇形式运行，在密闭的设备中被控变量不断的受到各种扰动的影响。被控过程的复杂性 过

5、程控制涉及范围广，被控对象较复杂 控制方案的多样性 过程控制系统的控制方案非常丰富过程控制的任务 从生产过程的角度看，过程控制的主要任务包括：安全性：确保生产过程中人身与设备的安全，主要措施包括：对重要参数设置定值控制、采取参数超限报警与事故报警、设置自动联锁保护（ESD）系统等；经济性：即实现经济效益的最大化或操作成本的最小化，常用方法：采用约束控制与操作最优化技术；稳定性：即要求系统具有抑制外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力。常用方法：结合工业对象特性与控制理论对系统进行稳定性与鲁棒性分析。典型的流程工业企业自动化技术的应用范畴 宇航方面： 同步卫星（随动控制系统）卫星的发射与回收（

6、神州5号飞船，航天飞机）自动关机、点火系统军事方面： 火炮自动点火、巡航导弹其他方面：农业（病虫害防治、专家系统） 社会科学（计划生育，人口增长模型）现代管理：办公自动化工业生产：自动车床、加热炉、发酵罐锅炉液位控制系统- 实例 1、人工控制方法眼看脑想手动1）检测用眼睛观察高低，并通过神经系统告诉大脑2）运算大脑思考后得出偏差值，再根据操作经验，决策后发出命令3）执行根据大脑发出的命令，手去改变阀门开度。人工调节水位示意图 2、自动控制方式变送器控制器执行器自动化装置检测/变送器代替人眼控制器代替人脑 执行器代替人手 自动化装置锅炉液位控制系统- 实例 受控变量：温度、压力、流量、液位或料位

7、、成分与物性等六大参数；过程控制系统的组成过程控制系统的组成 过程控制系统检测元件（装置）控制器执行器（装置）检测被控制的物理量将设定值与测量信号进行比较，求出它们之间的偏差,然后按照预先选定的控制规律进行计算并将计算结果作为控制信号送给执行装置作用是接受控制器的控制信号，直接推动被控对象，使被控变量发生变化工艺控制流程图 （带控制点的工艺流程图）用自控工程设计的文字符号和图形符号在生产工艺流程图上描述出生产过程自动控制系统，有如下要素： 1、测量点、控制点 2、测量变量、控制变量、监测与操作变量 3、检测仪表、执行器、控制器（如调节器、数字调节器、DCS等）、其他辅助仪表 4、控制方案（单回

8、路、复杂控制回路、监视与操作） 过程控制系统的两种表示形式工艺控制流程图 - 常用图形符号 1各种测量点通用表示方法 热电偶 热电阻 节流元件 取压点测量点检测仪表：各种变送器的通用表示方法工艺控制流程图 - 常用图形符号 2记录仪表操作器就地安装就地集中盘面、盘后安装控制室盘面、盘后安装显示仪表控制器工艺号回路顺序号工艺控制流程图 - 常用图形符号 3 直通阀（单座，双座） 三通阀 蝶阀执行机构与阀组合 气闭式气动薄膜调节阀 气开式气动薄膜调节阀带阀门定位器的气动薄膜调节阀阀 角 阀 执行机构气动薄膜执行机构电磁执行机构电动执行机构字母第一位字母后继字母被测变量或初始变量修饰词功能A 分析报

9、警B 喷火焰 C电导率 控制（调节）D 密度或相对密度差E电压或电势检测元件F 流量 比（分数）G长度波动H手动I 电流指示J功率 扫描NO节流孔工艺控制流程图 - 常用字母符号 1字母第一位字母后继字母被测变量或初始变量修饰词功能P压力（或真空）积分计算试验点（接头）Q数量或件数积分，积算R放射性记录或打印S速度或频率安全开关或联锁T温度传送U变量多功能V粘度阀（挡板）W变量或力套管K时间或时间程序自动-手动操作器L物位（液位）指示灯M水分或湿度Z位置驱动,执行或未分类的执行器XY继动器或计算器工艺控制流程图 - 常用字母符号 2热交换器自动控制系统流量自动控制系统实例 绘制带控制点流程图说

10、明FN安全栅；df/dt流量变化率运算函数；XAH控制器输出高限报警；XAL控制器输出低限报警；dx/dt控制器输出变化率运算；FYI/P电气转换器；TAH温度高限报警；TDA温度设定点偏差报警；LAH液位高限报警；LAL液位低限报警；LAHH液体高限报警。思 考 题1在自动化控制流程图中，下列文字表示何种功能？（a）TIT；（b）PdIT；（c）FIC；（d）LIA；（e）LV；（f）PRC。2常用的热工仪表控制图有哪几种？3在热工控制测量系统图中，下列文字符号各表示什么取源测量点？（a）PE；（b）FE；（c）LE；（d）TE；（e）AE。4画出就地安装仪表、盘后安装仪表和电动执行机构图形

11、符号。5绘制管道仪表流程图应注意哪些问题？6下页图所示是化工厂水氯活化装置工艺及自动化控制流程图，阅读并解释控制流程图。 化工厂水氯活化装置工艺及自动化控制流程图 过程控制系统的两种表示形式方框图方框、信号线、比较点、引出点组成控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的图解表示 带有输入输出信号的方框 比较点 分支点 绘制方框图注意事项过程控制系统的两种表示形式通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统的输入端反馈负反馈正反馈 在自动控制系统中，为了表达清楚一个自动控制系统各个组成环节之间的相互影响和信号联系，便于对系统分析研究，用方块图来表示控制系统的组成。图中每一条线代表系统中的一个变量

12、信号，线上的箭头表示信号传递的方向。每个方块代表系统的一个部分，称为“环节”。需要指出的是，方块图的每一个方块都代表一个具体的装置，方块与方块之间的连线只是代表方块之间的信号联系，并不代表方块之间的物料关系。 从简单控制系统的方块图可看出，控制系统构成一个闭合回路，称为闭环控制系统。如果控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反馈联系的控制系统，即操纵变量通过被控对象去影响被控变量，但被控变量的变化没有通过反馈作用去改变控制作用。从信号上看，这时没有形成闭合回路，称为开环控制系统。开环控制系统不能自动觉察被控变量的变化情况，也不能判断操纵变量的校正作用是否适合实际需要而自动改变操纵变量。过程控制

13、系统的两种表示形式 下面对控制系统的方块图进行几点说明： 方块图中各环节的增益都有正、负之分，如控制阀有气开、气闭之分，控制器有正、反作用，对象也有正、负，即操作量增加使被控变量增加的为正，反之为负。 系统的输出变量是被控变量，被控变量经过测量变送又返回到输入端，与给定值进行比较，构成反馈。如果反馈信号使原来的信号加强，则是正反馈；如果使原来的信号减弱，为负反馈。只有负反馈才能减小偏差，使被控变量回到给定值。需要指出，反馈原理是控制系统最重要也是最基本的概念。 有时候为了分析问题方便起见，往往把控制阀、被控对象和测量变送环节合在一起成为广义对象，这样系统就归结为控制器和广义对象两部分，一般情况

14、下，往往把广义二字也给省略了。 总之，自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统，所以它可以随时了解被控对象的情况，根据被控变量的变化改变控制作用的大小和方向，从而使系统的工作状态始终等于或接近所希望的状态。过程控制系统的两种表示形式过程控制系统的主要类型 闭环控制系统指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的控制系统。 闭环控制系统的优点： 不管任何扰动引起被控变量偏离设定值，都会产生控制作用去克服被控变量与设定值的偏差。 闭环控制系统的缺点： 由于闭环控制系统的控制作用只有在偏差出现后才产生，当系统的惯性滞后和纯滞后较大时，控制作用对扰动的克服不及时，从而使其控制质量大大降低。过程控

15、制系统的主要类型 闭环控制系统分类根据设定值分为定值控制系统，随动控制系统和程序控制系统。定值控制系统 特点：设定值是固定不变的闭环控制系统称为定值控制系统。 作用：克服扰动的影响，使被控变量保持在工艺要求的数值上过程控制系统的主要类型随动控制系统 特点：设定值是一个未知的变化量的闭环控制系统称为随动控制系统。 放大器被测电压ut可逆电机指示记录仪滑线电阻Eup 作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化自动平衡电位差计的方框图 过程控制系统的主要类型程序控制系统特点：设定值是变化的，且按一定时间程序变化的时间函数程序控制系统可以看成是随动控制系统的特殊情况，其分析研究方法与随动控制系统相同。

16、作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化过程控制系统的过渡过程工业过程控制系统在运行中有两种状态，一种是被控变量不随时间而变化的平衡状态，称为系统的稳态。稳态指的是系统中各信号的变化率为零，即信号保持在某一常数不变化，但是稳态时，生产还在进行，物料和能量仍然有进有出。 系统由于干扰的作用破坏了平衡时，被控变量会发生变化，从而使控制器、控制阀等自动化装置改变平衡时所处的状态，产生一定的控制作用来克服干扰的影响，使系统恢复平衡，把被控变量随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。 在过程控制系统中，了解稳态是必要的，但是了解系统的动态更为重要。因为干扰是客观存在的，是不可避免的。因此，要评价一个过渡

17、过程的控制质量，只看稳态是不够的，还要考虑它的动态行为。稳态性能指标过渡过程及品质指标(a)稳定系统；(b)不稳定系统图1-11稳定系统和不稳定系统(a)有差系统；(b)无差系统图1-12 自动控制系统的稳态误差过渡过程及品质指标典型动态过程y t t y t y t y t y t 1.发散振荡过程曲线所示 5.非振荡发散过程曲线所示3.等幅振荡过程曲线所示4.衰减振荡过程曲线所示2.非振荡衰减过程曲线所示过渡过程及品质指标动态性能指标过渡过程及品质指标图1-17 系统对突加给定信号的动态响应曲线 过程控制系统的性能指标及要求常见典型信号 阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等。 阶跃信号A 0 t0 t0 数学表达式为：当A=1时称为单位阶跃信号。特 点易产生对系统输出影响大便于分析和计算过程控制系统的性能指标及要求单项控制指标