过程控制工程课件

第一章过程控制工程绪论第一章过程控制工程绪论2关于本课程的说明第一章绪论

过程控制的任务和要求过程控制的基本问题专业知识结构过程控制系统的基本概念2关于本课程的说明第一章绪论

过程控制的任务和要求过程控3案例3案例4案例4案例5案例5案例6案例6案例7案例7案例8案例8案例9案例9案例10案例10案例11第一节自动化专业的知识结构基础知识层控制知识层系统知识层1个知识领域6个知识领域1个知识领域11第一节自动化专业的知识结构基础知识层控制知识层系统知识12一、基础知识层数理与机电基础知识领域知识单元：◆数学◆物理◆系统科学◆管理科学◆电工电子基础◆机械工程基础◆计算机基础及语言◆微机原理12一、基础知识层数理与机电基础知识单元：13二、控制知识层的知识领域6个知识领域传感与检测：信息获取通信与网络：信息传输计算与处理：信息处理控制与智能：信息控制执行与驱动：信息应用模型与仿真：13二、控制知识层的知识领域6个传感与检测：信息获取14控制知识层的知识单元传感与检测传感器、自动检测技术、测量信号处理等

通信与网络通信原理、计算机网络、自动化系统计算机网络、现场总线技术、组态技术应用、多媒体技术等。14控制知识层的知识单元传感与检测传感器、自动检测技术、测量15计算与处理

面向对象的程序设计、大型数据库、信号与系统、数字信号处理、数据结构、操作系统等控制与智能

自动控制原理、现代控制理论、模糊控制技术、智能控制技术、微机控制技术、系统工程导论等

15计算与处理面向对象的程序设计、大型数据库、信号与系统、16执行与驱动自动化仪表、电力电子技术、电源变换与控制等

模型与仿真

MATLAB程序设计、虚拟仪器技术应用、CAD仿真技术等

16执行与驱动自动化仪表、电力电子技术、电源变换与控制等模17三、系统知识层系统与工程

知识领域知识单元：◆运动控制系统◆过程控制系统◆集散控制系统17三、系统知识层系统与工程知识单元：18反映自动化专业特点的知识领域传感与检测控制与智能执行与驱动模型与仿真系统与工程18反映自动化专业特点的知识领域传感与检测19自动化专业中的核心知识控制与智能模型与仿真系统与工程19自动化专业中的核心知识控制与智能20专业知识体系◆以电力电子、变频技术为核心的运动控制技术◆以微处理器芯片与接口技术为核心的计算机控制技术。◆以自动检测、标准工控设备为核心的过程控制技术。◆以网络通信、电子技术为核心的信息技术，包括对信息的获取、处理、传输和信息挖掘等技术的综合应用。20专业知识体系◆以电力电子、变频技术为核心的运动控制技术21第二节过程控制系统的基本概念控制(control)：人们为了达到某种目的而采取的行动，叫做控制，它分为人工控制和自动控制。过程(process)：过程本身的含义是非常广泛的，可以指某个工程系统、某个生物学系统，也可以指某个经济的或社会系统。本课程所说的过程主要指工业过程，例如加热炉、化工装置、锅炉设备、核反应堆、造纸设备、换热器等生产过程。21第二节过程控制系统的基本概念控制(control)：22过程与控制液位人工控制：

检测—眼；运算（思考）、命令—脑；执行—手。22过程与控制液位人工控制：23过程与控制液位自动控制：

测量元件及变送器—眼；控制器—脑；执行器—手。23过程与控制液位自动控制：24过程与控制24过程与控制25过程控制及其系统过程控制（processcontrol)

:指石油、化工、电力、轻工、冶金、纺织、建材、原子能等工业部门生产过程的自动化。过程控制系统（processcontrolsystem):指工业生产过程中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度和PH值等这样一些过程变量的系统。25过程控制及其系统26过程控制与运动控制的区别：过程控制——对变化缓慢信号（物理量）的控制，如温度、压力、流量、液位等。运动控制——对变化较快的信号（物理量）的控制，如转速等。26过程控制与运动控制的区别：27过程控制系统组成组成自动化装置被控对象测量元件与变送器控制器执行器27过程控制系统组成组自动化装置被控对象测量元件与变送器控制28过程控制系统组成28过程控制系统组成29过程控制系统特点29过程控制系统特点30过程控制系统特点30过程控制系统特点31过程控制系统特点三、过程控制系统的特点：

1、对象复杂多样

2、对象存在滞后

3、对象特性的非线性

4、控制系统较复杂结论：控制方案确定、控制系统的设计、控制参数的整定都要以对象的特性为依据。31过程控制系统特点三、过程控制系统的特点：32第三节过程控制的基本问题控制器：系统运动和作业的规划；动力学修正，改变;闭环特征。信息检测：传感问题、信息处理、信息融合广义过程：受控对象+工作环境（扰动）控制问题：对于给定的广义过程，如何设计控制器使闭环系统满足希望的性能要求。控制器广义过程信息检测指令输入信息反馈扰动输出32第三节过程控制的基本问题控制器：系统运动和作业的规划33第四节过程控制系统的任务及要求一、过程控制系统分类按完成的功能分：比值、均匀、分程和选择性控制系统。按被控参数的名称分：温度、压力、流量、液位等。按调节器的控制规律分：P、PI、PD、PID等。按被控量的多少分：单变量和多变量控制系统。按采用控制仪表和计算机来分：仪表过程控制系统和计算机过程控制系统。33第四节过程控制系统的任务及要求一、过程控制系统分类34按过程控制系统的结构特点来分：（1）反馈控制系统（2）前馈控制系统（3）前馈-反馈控制系统34按过程控制系统的结构特点来分：35按给定值信号的特点来分类：（1）定值控制系统（2）程序控制系统（3）随动控制系统35按给定值信号的特点来分类：36定值控制系统：系统被控量的给定值保持在规定值不变，或在小范围变化。控制的目的是使被控量保持定值，或在小范围变化。程序控制系统：被控量的给定值按预定的时间程序变化工作的，控制的目的就是使系统被控量按工艺要求规定的程序自动变化。随动控制系统：被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。主要作用是克服一切扰动，使被控量快速跟随给定值变化。36定值控制系统：系统被控量的给定值保持在规定值不变，或在小37二、过程控制发展概况20世纪40年代前后，处于手动状态，从50年代前后开始，划分为如下几个阶段：50年代前后——第一阶段，实现了仪表和局部自动化，主要特点：（1）仪表为气动式，普遍采用基地式仪表和部分单元组合仪表；（2）单输入单输出系统；（3）被控参数主要是温度、压力、流量、液位；（4）控制的目的是保证参数稳定，消除或减小扰动；（5）控制理论：频率法和根轨迹法。37二、过程控制发展概况20世纪40年代前后，处于手动状态，3860年代——第二阶段，电子技术迅速发展。特点：（1）大量采用气动和电动单元组合仪表；（2）计算机控制技术开始应用——DDC系统和SPC系统；（3）复杂控制开始开发应用——串级控制、前馈-反馈控制、比值控制、分程控制、选择性控制；（4）控制理论——现代控制理论开始应用，由单变量转入多变量（由于建模困难，应用较少）；（5）集中控制实现：

3860年代——第二阶段，电子技术迅速发展。特点：391）随着生产规模的扩大，操作人员需了解多点信息，需按多点信息进行操作控制，于是出现了气动、电动单元组合仪表和集中控制室。现场的0.02MPa、0~10mA、4~20mA、1~5V的信号送到集中控制室，操作人员可在控制室了解现场状况；2）由于模拟信号的传递是一对一的物理连接，信号变化缓慢，提高精度、速度难度大，于是出现了直接数字控制（DDC）；3）但是由于计算机技术不发达，人们企图用一台计算机取代所有的仪表盘，出现了集中式数字控制。

致命的问题：由于可靠性差，一旦出现故障，全部瘫痪。391）随着生产规模的扩大，操作人员需了解多点信息，需按多点4070年代——第三阶段，大规模集成电路研制成功，微处理器问世，进入计算机时代。特点：（1）集中控制、多参数控制、多台计算机控制和经营管理；（2）智能单元组合仪表；（3）在线成分检测与数据处理的测量变送器的应用；（4）DDZ仪表品种增多，可靠性加强；（5）70年代中期出现了集散控制系统。4070年代——第三阶段，大规模集成电路研制成功，微处理器问过程控制工程课件4280年代以后——第四阶段，主要特点：（1）控制理论方面：解决了多变量控制问题（包括线性系统、时变系统、非线性系统、微分-差分系统等），智能控制算法（包括专家系统、模糊控制系统、神经网络、过程监督和在线诊断等）在复杂过程控制系统中应用；（2）出现了集中、远动控制中心——包括先进的管理系统、调度、优化等，柔性化、分散化和集成化的综合自动化系统被应用于实际工业过程。4280年代以后——第四阶段，主要特点：4390年代以后——第五阶段，主要特点：（1）工厂综合自动化技术的应用；（2）现场总线控制技术的应用；（3）智能控制得到了广泛的应用；（4）各种工控设备（如PLC、变频器、直流调速器、控制仪表、检测变送仪表等）功能更加强大，并且带有通讯接口。4390年代以后——第五阶段，主要特点：过程控制工程课件45综合自动化：在自动化技术、信息技术、计算机控制和各种生产加工技术的基础上，从生产过程的全局出发，通过生产活动所需的各种信息集成，把控制、优化、调度、管理、经营、决策融为一体，形成一个能适应各种生产环境的市场需求、多变性的、总体最优的高质量、高效益、高柔性的管理生产系统——管控一体化。现场总线（FCS）：将CPU置入控制仪表中，具备数字计算和数字通讯能力，采用简单连接的双绞线作为总线，将多个控制仪表连接成网络系统。是一种公开化、标准化的解决方案。集散控制系统（DCS）：测量变送仪表一般为模拟仪表，一般为摸数字混合系统。存在的主要问题是各厂家产品自成系统，不能互换，不能共享。45综合自动化：在自动化技术、信息技术、计算机控制和各种生产46三、过程控制系统的要求：

安全性、经济性、稳定性四、过程控制系统的任务：

过程控制是控制理论、工艺知识、计算机技术和仪器仪表等知识相结合而构成的一门应用科学，所以其任务是：在了解、熟悉、掌握生产工艺流程与生产过程的静态和动态特性的基础上，根据工艺要求，应用控制理论、现代控制技术，分析、设计、整定过程控制系统。46三、过程控制系统的要求：47思考:系统解决方案1计划2执行3检查4修正控制也是一种PDCA循环47思考:系统解决方案1计划2执行3检查4修正控制48系统解决方案系统发展大环带小环周而复始阶梯式上升48系统解决方案系统发展大环带小环周而复始阶梯式上升49过程控制系统展望

目标方向：

全局控制

最优控制

控制管理一体化最终达到优质、高产、低耗的控制目标49过程控制系统展望目标方向：50第五节关于本课程的说明课程性质：本课程是自动化专业的主干专业课。开课目的：过程控制是控制理论、生产工艺、计算机技术和仪器仪表技术等相结合的一门综合性应用学科，是国家高科技的重要组成部分，因此，作为从事自动化专业的技术人员，都担负着应用本学科、发展本学科的义务。50第五节关于本课程的说明课程性质：本课程是自动化专业的51内容体系：《过程控制工程》课程是以过程控制系统为主体，以过程检测控制仪表为工具，仪表与系统密切联系，相互依存，着重研究根据连续工业过程的生产特点和要求，应用自动控制理论、控制技术和自动化仪表来设计过程控制系统以及在实际工程应用中的有关问题。通过理论学习与实践，不仅能达到解决过程控制工程中的一般问题，并具有分析和设计较复杂的过程控制系统的能力。51内容体系：《过程控制工程》课程是以过程控制系统为主体，以52过程控制的任务是由控制系统的设计和实现来完成的，

具体步骤如下：

1、确定控制目标

2、选择被控量

3、操纵量的选择

4、控制方案的确定

5、选择控制算法

6、执行器的选择

7、设计报警和联锁保护系统

8、控制系统的调查试和投运52过程控制的任务是由控制系统的设计和实现来完成的，53补充工程项目的全过程：

1、可研报告；

2、立项报告书；

3、初步设计；

4、扩初设计；

5、施工图设计；

6、招投标+评审；

7、中标谈判（合同签订）；

8、施工（监理方、设计方、施工方、业主方）；

9、调试、验收、运行；10、项目结束报告。53补充工程项目的全过程：第一章过程控制工程绪论第一章过程控制工程绪论55关于本课程的说明第一章绪论

过程控制的任务和要求过程控制的基本问题专业知识结构过程控制系统的基本概念2关于本课程的说明第一章绪论

过程控制的任务和要求过程控56案例3案例57案例4案例58案例5案例59案例6案例60案例7案例61案例8案例62案例9案例63案例10案例64第一节自动化专业的知识结构基础知识层控制知识层系统知识层1个知识领域6个知识领域1个知识领域11第一节自动化专业的知识结构基础知识层控制知识层系统知识65一、基础知识层数理与机电基础知识领域知识单元：◆数学◆物理◆系统科学◆管理科学◆电工电子基础◆机械工程基础◆计算机基础及语言◆微机原理12一、基础知识层数理与机电基础知识单元：66二、控制知识层的知识领域6个知识领域传感与检测：信息获取通信与网络：信息传输计算与处理：信息处理控制与智能：信息控制执行与驱动：信息应用模型与仿真：13二、控制知识层的知识领域6个传感与检测：信息获取67控制知识层的知识单元传感与检测传感器、自动检测技术、测量信号处理等

通信与网络通信原理、计算机网络、自动化系统计算机网络、现场总线技术、组态技术应用、多媒体技术等。14控制知识层的知识单元传感与检测传感器、自动检测技术、测量68计算与处理

面向对象的程序设计、大型数据库、信号与系统、数字信号处理、数据结构、操作系统等控制与智能

自动控制原理、现代控制理论、模糊控制技术、智能控制技术、微机控制技术、系统工程导论等

15计算与处理面向对象的程序设计、大型数据库、信号与系统、69执行与驱动自动化仪表、电力电子技术、电源变换与控制等

模型与仿真

MATLAB程序设计、虚拟仪器技术应用、CAD仿真技术等

16执行与驱动自动化仪表、电力电子技术、电源变换与控制等模70三、系统知识层系统与工程

知识领域知识单元：◆运动控制系统◆过程控制系统◆集散控制系统17三、系统知识层系统与工程知识单元：71反映自动化专业特点的知识领域传感与检测控制与智能执行与驱动模型与仿真系统与工程18反映自动化专业特点的知识领域传感与检测72自动化专业中的核心知识控制与智能模型与仿真系统与工程19自动化专业中的核心知识控制与智能73专业知识体系◆以电力电子、变频技术为核心的运动控制技术◆以微处理器芯片与接口技术为核心的计算机控制技术。◆以自动检测、标准工控设备为核心的过程控制技术。◆以网络通信、电子技术为核心的信息技术，包括对信息的获取、处理、传输和信息挖掘等技术的综合应用。20专业知识体系◆以电力电子、变频技术为核心的运动控制技术74第二节过程控制系统的基本概念控制(control)：人们为了达到某种目的而采取的行动，叫做控制，它分为人工控制和自动控制。过程(process)：过程本身的含义是非常广泛的，可以指某个工程系统、某个生物学系统，也可以指某个经济的或社会系统。本课程所说的过程主要指工业过程，例如加热炉、化工装置、锅炉设备、核反应堆、造纸设备、换热器等生产过程。21第二节过程控制系统的基本概念控制(control)：75过程与控制液位人工控制：

检测—眼；运算（思考）、命令—脑；执行—手。22过程与控制液位人工控制：76过程与控制液位自动控制：

测量元件及变送器—眼；控制器—脑；执行器—手。23过程与控制液位自动控制：77过程与控制24过程与控制78过程控制及其系统过程控制（processcontrol)

:指石油、化工、电力、轻工、冶金、纺织、建材、原子能等工业部门生产过程的自动化。过程控制系统（processcontrolsystem):指工业生产过程中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度和PH值等这样一些过程变量的系统。25过程控制及其系统79过程控制与运动控制的区别：过程控制——对变化缓慢信号（物理量）的控制，如温度、压力、流量、液位等。运动控制——对变化较快的信号（物理量）的控制，如转速等。26过程控制与运动控制的区别：80过程控制系统组成组成自动化装置被控对象测量元件与变送器控制器执行器27过程控制系统组成组自动化装置被控对象测量元件与变送器控制81过程控制系统组成28过程控制系统组成82过程控制系统特点29过程控制系统特点83过程控制系统特点30过程控制系统特点84过程控制系统特点三、过程控制系统的特点：

1、对象复杂多样

2、对象存在滞后

3、对象特性的非线性

4、控制系统较复杂结论：控制方案确定、控制系统的设计、控制参数的整定都要以对象的特性为依据。31过程控制系统特点三、过程控制系统的特点：85第三节过程控制的基本问题控制器：系统运动和作业的规划；动力学修正，改变;闭环特征。信息检测：传感问题、信息处理、信息融合广义过程：受控对象+工作环境（扰动）控制问题：对于给定的广义过程，如何设计控制器使闭环系统满足希望的性能要求。控制器广义过程信息检测指令输入信息反馈扰动输出32第三节过程控制的基本问题控制器：系统运动和作业的规划86第四节过程控制系统的任务及要求一、过程控制系统分类按完成的功能分：比值、均匀、分程和选择性控制系统。按被控参数的名称分：温度、压力、流量、液位等。按调节器的控制规律分：P、PI、PD、PID等。按被控量的多少分：单变量和多变量控制系统。按采用控制仪表和计算机来分：仪表过程控制系统和计算机过程控制系统。33第四节过程控制系统的任务及要求一、过程控制系统分类87按过程控制系统的结构特点来分：（1）反馈控制系统（2）前馈控制系统（3）前馈-反馈控制系统34按过程控制系统的结构特点来分：88按给定值信号的特点来分类：（1）定值控制系统（2）程序控制系统（3）随动控制系统35按给定值信号的特点来分类：89定值控制系统：系统被控量的给定值保持在规定值不变，或在小范围变化。控制的目的是使被控量保持定值，或在小范围变化。程序控制系统：被控量的给定值按预定的时间程序变化工作的，控制的目的就是使系统被控量按工艺要求规定的程序自动变化。随动控制系统：被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。主要作用是克服一切扰动，使被控量快速跟随给定值变化。36定值控制系统：系统被控量的给定值保持在规定值不变，或在小90二、过程控制发展概况20世纪40年代前后，处于手动状态，从50年代前后开始，划分为如下几个阶段：50年代前后——第一阶段，实现了仪表和局部自动化，主要特点：（1）仪表为气动式，普遍采用基地式仪表和部分单元组合仪表；（2）单输入单输出系统；（3）被控参数主要是温度、压力、流量、液位；（4）控制的目的是保证参数稳定，消除或减小扰动；（5）控制理论：频率法和根轨迹法。37二、过程控制发展概况20世纪40年代前后，处于手动状态，9160年代——第二阶段，电子技术迅速发展。特点：（1）大量采用气动和电动单元组合仪表；（2）计算机控制技术开始应用——DDC系统和SPC系统；（3）复杂控制开始开发应用——串级控制、前馈-反馈控制、比值控制、分程控制、选择性控制；（4）控制理论——现代控制理论开始应用，由单变量转入多变量（由于建模困难，应用较少）；（5）集中控制实现：

3860年代——第二阶段，电子技术迅速发展。特点：921）随着生产规模的扩大，操作人员需了解多点信息，需按多点信息进行操作控制，于是出现了气动、电动单元组合仪表和集中控制室。现场的0.02MPa、0~10mA、4~20mA、1~5V的信号送到集中控制室，操作人员可在控制室了解现场状况；2）由于模拟信号的传递是一对一的物理连接，信号变化缓慢，提高精度、速度难度大，于是出现了直接数字控制（DDC）；3）但是由于计算机技术不发达，人们企图用一台计算机取代所有的仪表盘，出现了集中式数字控制。

致命的问题：由于可靠性差，一旦出现故障，全部瘫痪。391）随着生产规模的扩大，操作人员需了解多点信息，需按多点9370年代——第三阶段，大规模集成电路研制成功，微处理器问世，进入计算机时代。特点：（1）集中控制、多参数控制、多台计算机控制和经营管理；（2）智能单元组合仪表；（3）在线成分检测与数据处理的测量变送器的应用；（4）DDZ仪表品种增多，可靠性加强；（5）70年代中期出现了集散控制系统。4070年代——第三阶段，大规模集成电路研制成功，微处理器问过程控制工程课件9580年代以后——第四阶段，主要特点：（1）控制理论方面：解决了多变量控制问题（包括线性系统、时变系统、非线性系统、微分-差分系统等），智能控制算法（包括专家系统、模糊控制系统、神经网络、过程监督和在线诊断等）在复杂过程控制系统中应用；（2）出现了集中、远动控制中心——包括先进的管理系统、调度、优化等，柔性化、分散化和集成化的综合自动化系统被应用于实际工业过程。4280年代以后——第四阶段，主要特点：9690年代以后——第五阶段，主要特点：（1）工厂综合自动化技术的应用；（2）现场总线控制技术的应用；（3）智能控制得到了广泛的应用；（4）各种工控设备（如PLC、变频器、直流调速器、控制仪表、检测变送仪表等）功能更加强大，并且带有通讯接口。4390年代以后——第五阶段，主要特点：过程控制工程课件98综合自动化：在自动化技术、信息技术、计算机控制和各种生产加工技术的基础上，从生产过程的全局出发，通过生产活动所需的各种信息集成，把控制、优化、调度、管理、经营、决策融为一体，形成一个能适应各种生产环境的市场需求、多变性的、总体最优的高质量、高效益、高柔性的管理生产系统——管控一体化。现场总线（FCS）：将CPU置入控制仪表中，具备数字计算和数字通讯能力，采用简单连接的双绞线作为总线，将多个控制仪表连接成网络系统。是一种公开化、标准化的解决方案。集散控制系统（DCS）：测量变送仪表一般为模拟仪表，一般为摸数字混合系统。存在的主要问题是各厂家产品自成系统，不能互换，不能共享。45综合自动化：在自动化技术、信息技术、计算机控制和各种生产99三、过程控制系统的要求：

安全性、经济