过程控制工程he课件

过程控制系统及工程绪论过程控制系统及工程绪论1●过程（Process）--生产过程基本概念历经一段时间一般工业生产伴随物质能量变化●过程（Process）的特点连续过程(ContinuousProcess)批量（间歇）过程(BatchProcess)离散过程(DiscreteProcess)流程工业(FlowManufacturingIndustry)离散制造业(DiscreteIndustry)●过程（Process）--生产过程基本概念历经一段时间●过2●过程控制(ProcessControl）针对连续或半连续（间歇）过程中的温度、压力、流量、液（物）位、化学成分（如含氧量）、物性参数（如粘度、融溶指数）等变量而实现的自动控制系统，称为过程控制。●被控参数种类基本概念温度压力流量液位成分（氧含量，产品组份等）物性（粘度，干点，冰点等）●过程控制(ProcessControl）针对连续或半连3●过程控制领域基本概念石油化工：输油，炼油，乙烯，合成橡胶，合成氨电力：火电厂冶金：冶金加热炉，热处理炉生化：啤酒，制药轻工：食品，漂染环境：水处理，大气监测其它：农业，养殖业●过程控制领域基本概念石油化工：输油，炼油，乙烯，合成橡4被控对象控制变量设定值x﹣控制器执行器被控对象测量、变送扰动f被控变量y反馈量z图1—2自动控制系统的基本结构偏差e控制变量u是指被控制的装置或者设备。施加给被控对象的信号，使受控对象按照一定的规律运行，一般用符号u表示。被控变量控制系统的输出，即被控的物理量，一般用符号y表示。被控对象控制变量设定值﹣控制器执行器被控对象测量、变送扰动5偏差信号扰动信号系统的设定值与反馈信号之差称为偏差，用符号e表示。使对象输出偏离设定值的输入信号。一般用符号f表示。

设定值x﹣控制器执行器被控对象测量、变送扰动f被控变量y反馈量z图1—2自动控制系统的基本结构偏差e控制变量u设定值（给定值）希望系统输出达到的数值，一般用符号x表示。偏差信号扰动信号系统的设定值与反馈信号之差称为偏差，用符号e62、控制系统的组成定值元件控制器执行元件用来产生设定值或参考输入。

或称调节器。通过一定的控制规律给出控制量，送到执行元件。完成功率转换或信号转换，常称为执行机构或者执行器。

设定值x﹣控制器执行器被控对象测量、变送扰动f被控变量y反馈量z图1—2自动控制系统的基本结构偏差e控制变量u2、控制系统的组成定值元件控制器执行元件用来产生设定值或7测量、变送元件又称传感器，用于检测被控对象的输出量，并变换成标准信号送到控制器。比较元件用以产生偏差信号2、控制系统的组成设定值x﹣控制器执行器被控对象测量、变送扰动f被控变量y反馈量z图1—2自动控制系统的基本结构偏差e控制变量u测量、变送元件又称传感器，用于检测被控对象的输出量，并变换成83、对自动控制系统的基本要求稳定性、精确性和快速性

稳定性控制系统设计的首要条件系统自身的属性有界输入，有界输出3、对自动控制系统的基本要求稳定性、精确性和快速性稳定9精确性反映系统的被控变量偏离设定值的程度。

快速性控制系统受到外界的作用后，从一个平衡状态达到另一个平衡状态的时间。精确性反映系统的被控变量偏离设定值的程度。快速性控制系10单回路反馈控制系统1.1单回路系统的结构组成1.2被控变量的选择1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择1.4控制阀的选择

第1章单回路反馈控制系统1.1单回路系统的结构组成第1章111.1单回路系统的结构组成●单回路反馈控制系统

四个基本环节：被控对象、测量变送、控制器和控制阀反馈控制中的最基本系统特点：简单、有效、应用最成熟、最普遍---占70%以上1.1单回路系统的结构组成●单回路反馈控制系统12例1：恒温箱的人工控制1.1单回路系统的结构组成人工控制的恒温箱

加热电阻丝~220V调压器温度计例1：恒温箱的人工控制1.1单回路系统的结构组成人工控制的恒13●观测恒温箱内的温度（被控制量）●与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度偏差的大小和方向●根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值●人工控制恒温箱调节过程

1.1单回路系统的结构组成人工控制过程的实质：检测偏差，调节操纵变量，缩小偏差期望温度大脑手调压器恒温箱眼睛实际温度温度计●观测恒温箱内的温度（被控制量）●人工控制恒温箱调节过程14例2：水槽液位控制系统LCF1F2F1F21.1单回路系统的结构组成F1增加→L增加→变送器输出信号增加→偏差（测量值-设定值）为正、增加→控制器输出增加→阀开度增加→F2增加→L降低；工作过程：例2：水槽液位控制系统LCF1F2F1F21.1单回路系统的151.1单回路系统的结构组成控制器控制阀被控对象测量变送偏差给定测量液位●给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。也称为参考输入量（信号）。●被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。●

输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。1.1单回路系统的结构组成控制器控制阀被控测量偏差给定161.1单回路系统的结构组成●控制系统的原理和作用（定值）●维持被控参数保持在设定值上，偏差越小越好●偏差控制：纠正偏差过程工业中，此类系统占大多数●按被控参数分类：温度控制回路、压力控制回路、流量控制回路、物位（液位）控制回路1.1单回路系统的结构组成●控制系统的原理和作用（定值）●17常规PID控制系统组成

PID控制器调节阀工艺对象检测仪表给定值偏差被测变量A/DD/A常规PID控制系统组成PID控制器调节阀工艺对象检测仪表18PID控制器：它是各类自动控制系统的核心部分。由于控制对象的不同，以及对系统静、动态特性的要求和应用的控制规则的不同，可以构成各种类型P,PI,PID控制器。比例（P）控制器：适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统。如：中间储罐液位、精馏塔塔釜液位以及不太重要的蒸汽压力。比例积分(PI)控制器：它适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统系统。例如流量、压力和要求严格的液位控制系统，常采用比例积分控制器。比例积分(PI)控制器是使用最多、应用最广的控制器。PID控制器：它是各类自动控制系统的核心部分。由于控制对象的19比例积分微分（PID）控制器：适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统，目前应用较多的是温度系统。比例积分微分（PID）控制器：适用于容量滞后较大、负荷变化大20常规PID控制系统

常规PID（ProportionalIntegralDerivative）控制器是过程控制中应用最为广泛最基本的一种控制器，它具有简单、稳定性好、可靠性高的特点，而且PID调节规律对相当多的工业控制对象，特别是对于线性定常系统的控制非常有效。即使在现代控制技术飞速发展的今天，仍有90%以上的控制回路采用PID控制。由于计算机的广泛使用，控制器的实现大都有微机实现控制算法。常规PID控制系统常规PID（Prop21PID控制算法PID算法是根据给定值SP与实际输出值PV构成控制偏差e(t)=SP-PV，将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，其控制规律为：PID控制算法PID算法是根据给定值SP与22比例作用比例部分：由数学表达式Kpe(t)表示，比例系数Kp越大，则过渡过程越快，控制结果的静态偏差也越小;但Kp越大，也越容易产生振荡。因此，比例系数Kp选择必须恰当，才能取得过渡时间少，静差小而又稳定的结果。

比例作用比例部分：由数学表达式Kpe(t)表示，比例系数Kp23积分作用从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，它的控制作用就会不断增加;只有在偏差e(t)=0时，它的积分才会为一个常数。可见，积分部分的作用可以消除系统的偏差。积分时间Ti对积分的作用影响极大。当Ti较大时，积分作用较弱;这时系统的过渡时间不会产生振荡;但是消除偏差的时间较长。当Ti较小时，则积分作用较强，系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消除偏差的时间较短。积分作用从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，它的控24微分作用微分部分的作用由微分时间Td决定;Td越大，它抑制偏差e(t)变化的作用越强;Td越小，它反抗偏差e(t)变化的作用越弱。微分部分显然对系统的动态过程有很大的作用。微分作用微分部分的作用由微分时间Td决定;Td越大，它抑制偏25PID参数的整定

PID控制器参数整定的实质是，寻找或者选择控制器的三项参数值，使控制器的特性与被控过程的特性得到良好的匹配，从而使控制系统的特性满足期望的目标。PID控制器参数整定的方法很多，工程上常用的方法有：临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法PID参数的整定PID控制器参数整定的实质是，寻找或者26临界比例度法临界比例度法：先通过试验得到临界比例度δk和临界周期TK，然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。具体做法：先只加纯比例作用，在干扰作用下，从大到小逐渐改变比例度，直到系统产生等幅振荡，这时的比例度叫临界比例度δk，振荡周期为临界周期TK，然后按下表的计算公式计算出控制器的各参数整定数值。临界比例度法临界比例度法：先通过试验得到临界比例度δk和临界27临界比例度法参数计算公式表控制作用比例度/%积分时间/min微分时间/minP2δkPI2.2δk0.85TKPID1.7δk0.5TK0.125TK临界比例度法参数计算公式表控制作用比例度/%积分时间/min28衰减曲线法衰减曲线法是通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值的。具体做法：先只加纯比例作用，将控制器比例度放在较大的数值上，在达到稳定后，用改变给定值的办法加入阶跃干扰，观察记录曲线的衰减比，然后从大到小改变比例度，直至出现4：1衰减比为止，记下此时的比例度Δs，并从曲线上得出衰减周期TS，然后按下表的计算公式计算出控制器的各参数整定数值。衰减曲线法衰减曲线法是通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参29衰减曲线法法参数计算公式表控制作用比例度/%积分时间/min微分时间/minPδSPI1.2δS0.5TSPID0.8δS0.3TS0.1TS衰减曲线法法参数计算公式表控制作用比例度/%积分时间/min30经验凑试法经验凑试法是长期的生产实践中总结出来的一种整定方法。它是根据经验先将控制器参数放在一个数值上，通过改变给定值施加干扰，在记录仪上观察过渡过程曲线，按照规定顺序，对比例度δ、积分时间Ti和微分时间Td逐个整定，直到获得满意的过渡过程为止。经验凑试法经验凑试法是长期的生产实践中总结出来的一种整定方法31经验数据表被控变量特点δ/%Ti/minTd/min流量对象时间常数小，参数有波动，40~1000.3~1温度对象容量滞后较大20~603~100.5~3压力对象容量滞后一般30~700.4~3液位对象时间常数范围较大，20~80经验数据表被控变量特点δ/%Ti/minTd/min流量对象32过程控制系统及工程第二章串级控制系统

过程控制系统及工程第二章串级控制系统33串级控制系统2.1概述2.2串级控制系统2.3投运和整定2.4串级控制系统的特点2.5串级系统副回路的设计

第2章串级控制系统2.1概述第2章342.1概述●复杂控制系统单回路控制系统—简单控制系统：在一般情况下能够满足生产控制要求特殊情况：系统干扰因素多、干扰变化剧烈，以及工艺特殊要求—复杂控制系统

复杂控制系统—串级控制系统、比值控制系统、均匀、前馈、选择、分程等

2.1概述●复杂控制系统单回路控制系统—简单控制系统：在一般35●串级控制系统原理

精馏控制过程：P42图2-1

提馏段温度控制—通过控制再沸器加热蒸汽量来维持提馏段温度恒定

2.1概述TC精馏塔提馏段温度控制：●串级控制系统原理精馏控制过程：P42图2-12.1概述36结果：温度控制不稳定2.1概述

分析干扰：若干扰仅来自精馏塔进料的波动，则通过此回路可控制温度情况一，很多情况下，除了进料因素影响，加热蒸汽流量也会有波动（如锅炉蒸汽出口压力的波动），这时，在一定的阀门开度情况下，加热蒸汽量不同。结果：温度控制不稳定2.1概述分析干扰：若干扰仅来自精馏塔37解决办法：再加入一个蒸汽流量控制系统，可控制流量稳定。

问题：两套控制系统不能协调，甚至出现矛盾温度控制系统要求增加或减小蒸汽流量，而流量控制系统却只能根据事先的流量设定值进行定值控制。

2.1概述TCFC解决办法：再加入一个蒸汽流量控制系统，可控制问题：两套控制系38串级控制系统：两套控制系统的协调控制特点：两个控制器，一个调节阀一个控制器（主控制器）的输出送到另一个控制器（副控制器）的给定，副控制器的输出送到控制阀

2.1概述TCFC串级控制系统：两套控制系统的协调控制特点：两个控制器，一个调392.1概述温度控制器流量控制器控制阀流量对象温度对象温度变送器流量变送器

特点：两个闭环环路，内环和外环

内环：副环，副控制器、副对象、副变送器（流量）

外环：主环，主控制器、主对象、主变送器（温度）2.1概述温度控制器流量控制器控制阀流量对象温度对象温度变送40

主环，定值控制系统，给定值由工艺设定，主控制器输出作为副控制器的设定

副环，随动控制系统，给定值由主控制器输出给定，副控制器输出控制控制阀2.1概述主环，定值控制系统，给定值由工艺设定，主控制器输出作41●串级控制系统工作过程控制系统处于稳定的平衡状态

2.1概述气开式控制阀反作用的流量控制器反作用的温度控制器●串级控制系统工作过程控制系统处于稳定的平衡状态2.1概述42●情况1:——副环内出现干扰

流量控制器：“粗调”温度控制器：“细调”

2.1概述蒸汽流量突然增大→（一段时间：提馏段温度不变，温度控制器输出不变，流量控制器设定值不变，但流量测量增大→（流量控制器正偏差，流量控制器输出减小，控制阀关小）→蒸汽流量减小，削弱对提馏段温度的影响）

→提馏段温度缓慢上升→（温度控制器正偏差，温度控制器输出减小，输出到流量控制器的设定值减小）→流量控制器设定值减小，流量控制阀开度进一步减小。●情况1:流量控制器：“粗调”2.1概述蒸汽流量突然增大43●情况2:——主环内出现干扰进料量突然增大，塔釜液位上升，提馏段温度下降→温度控制器负偏差，输出增大→（流量控制器负偏差，流量控制器输出增大，控制阀开度增大，蒸汽量增加）→提馏段温度回升2.1概述●情况2:进料量突然增大，塔釜液位上升，提馏段温442.1概述●情况3:——主环和副环同时（1）副环干扰使蒸汽流量增大，主环干扰使提馏段温度降低；（1）副环干扰使蒸汽流量增大，主环干扰使提馏段温度升高。FCFCspsp2.1概述●情况3:（1）副环干扰使蒸汽流量增大，（1）副环45结论：串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，控制质量优于单回路控制系统，并且，实现方便，生产过程中应用比较普遍。

2.1概述结论：串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，控制质量优于462.2.1串级控制系统控制方案电动仪表、气动仪表（很少用）、计算机

（1）一般的串级方案（2）能实现主控–串级切换的串级方案温度控制器流量控制器控制阀流量对象温度对象温度变送器流量变送器2.2.1串级控制系统控制方案电动仪表、气动仪表（很少用）472.2.2串级控制系统的实施因此，主控制器的符号主要取决于主对象的符号，即，主对象为“正”，则主控制器取“反”作用，主对象为“负”，则主控制器取“正”作用

例1P48图2-7加热炉出口温度与燃料压力的串级控制系统PCTC2.2.2串级控制系统的实施因此，主控制器的符号主要取决于主48副控制器：控制阀选“气开”式——正副对象，压力对象，阀门开大，负，反作用压力上升——正变送器一般均为正主控制器：

副环——正主对象，温度对象，燃料压力增大时，燃料量增加，负，反作用出口温度上升——正2.2.2串级控制系统的实施副控制器：2.2.2串级控制系统的实施49例2精馏塔提馏段温度与再沸器加热蒸汽流量串级控制系统2.2.2串级控制系统的实施FCTC副控制器：控制阀选“气闭”式——负正对象，流量对象，阀门开大，流量增大——正变送器一般均为正主控制器：

副环——正主对象，温度对象，蒸汽流量增大时，加热量增加，提馏段温度上升——正例2精馏塔提馏段温度与再沸器加热蒸汽流量串级控制系统2.2.502.3.1串级控制系统的投运●投运步骤4、调节主控制器手操输出，使副控制器的偏差为零5、分别将副、主控制器切入自动

1、主、副控制器手动位置，主控制器内给定、副控制器外给定，正反作用正确，PID参数正确2、副控制器手动操作3、通过副参数的变化，使主参数接近给定值，而副参数变化也比较平稳2.3.1串级控制系统的投运●投运步骤4、调节主控制器手操51过程控制系统及工程第三章比值控制系统

过程控制系统及工程第三章比值控制系统52比值控制系统3.1概述3.2比值控制系统的类型3.3比值系数的计算3.4比值控制方案的实施3.5比值控制系统的投运与整定3.6比值控制系统的其他问题

第3章比值控制系统3.1概述第3章533.1概述

工业过程中，经常需要控制两种或两种以上的物料保持一定的比例关系

如：造纸过程中，纸浆和水要成一定的比例关系石化重油气化，重油和氧气量要成一定的比例关系锅炉燃烧，煤气和空气成一定的比例关系，等等比值控制系统：实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统流量比值较多，流量比值控制系统3.1概述工业过程中，经常需要控制两种或两种以上的物料保54主物料/主流量：

处于比值控制中的主导地位F1从物料/从流量：

按主物料进行配比F2

比值控制系统，要求副流量F2与主流量F1成一定的比值关系，K为流量比值

3.1概述主物料/主流量：3.1概述553.2比值控制系统的类型3.2.1开环比值控制系统(a)原理图FCF1F23.2比值控制系统的类型3.2.1开环比值控制系统(a)原理56(b)方块图3.2.1开环比值控制系统控制器控制阀对象F2测量变送F1本质：整个控制系统处于开环状态，F2流量根据F1流量，按比例系数开闭阀门场合：这种方案应用较少优点：简单，仪表少缺点：系统开环，F2波动时比值难以保证(b)方块图3.2.1开环比值控制系统控制器控制阀对象F2测573.2.2单闭环比值控制系统在开环比值控制系统的基础上，增加了一个副流量的闭环控制系统

KF1F2FC3.2.2单闭环比值控制系统在开环比值控制系统的基58

从方块图上看，与串级控制系统的结构相似，只是主参数没有闭环，F2不影响F1副流量系统闭环，稳定副流量，定值控制。3.2.2单闭环比值控制系统控制器控制阀对象F2测量变送F1K测量变送从方块图上看，与串级控制系统的结构相似，只是主参数没59过程控制系统及工程第4章均匀控制系统

过程控制系统及工程第4章均匀控制系统60均匀控制系统4.1均匀控制问题的提出及特点4.2均匀控制方案4.3均匀控制系统的理论分析4.4其他需要说明的问题

第4章均匀控制系统4.1均匀控制问题的提出及特点第4章614.1均匀控制问题的提出及特点如串联精馏塔系统

甲塔乙塔LCFC

甲塔控制液位，而乙塔要控制进料量，出现矛盾

过程生产的连续性——物料连续，前一设备出，后一设备进,前后设备的控制系统经常会出现不协调（矛盾）。4.1均匀控制问题的提出及特点如串联精馏塔系统乙LCFC62均匀控制目的：两参数都允许在一定范围内波动，但波动都不大4.1均匀控制问题的提出及特点解决办法：工艺上可在两塔之间加入缓冲罐——增加投资

控制系统上解决——均匀控制系统做法：把两参数统一考虑，只设置一个控制系统，如LC，然后调整控制器参数LFt（C）KC→0LFt（a）KC较大LFt（b）KC较小均匀控制目的：两参数都允许在一定范围内波动，但波动都不大463均匀控制系统的特点（1）结构上无特殊性可以是单回路，可以是串级，均匀是指控制目的，而不是指结构。（2）参数都要允许变化，但都要缓慢，并且要有主次（3）参数变化要限定范围（非定值控制，而是定范围控制）注意：明确均匀控制意图。4.1均匀控制问题的提出及特点均匀控制系统的特点4.1均匀控制问题的提出及特点644.2均匀控制方案常用的结构形式4.2.1（1）简单均匀控制结构与单回路相同，在控制器参数整定上不同，较大的比例度和积分时间（弱控制作用）适用于干扰不大，要求不高的场合

图4-4串级均匀控制方案LCFC

LC

图4-3简单均匀控制方案4.2均匀控制方案常用的结构形式4.2.1（1）简单均匀控制65图4-5液位和流量I0=IL-IF+IS，稳定时，IL和IF的符号相反，抵消，IS

结构与串级系统相同，主控制器与简单均匀控制器参数设置相同。常用的结构形式4.2.1（2）串级均匀控制

（3）双冲量均匀控制

“冲量”—信号，“双冲量”—一个控制器综合两个测量信号，IFISI0=IL-IF+ISI0FC图4-5液位和流量I0=IL-IF+IS66控制规律的选择4.2.2不能加微分控制规律简单均匀：控制器——纯比例，或比例积分串级均匀：主控制器——纯比例，或比例积分副控制器——纯比例，或比例积分双冲量均匀：控制器——比例积分利：积分的引入对液位参数有利，液位不越限，高频噪声弊：积分的引入对流量信号不利，平衡状态过程很短，积分饱和控制规律的选择4.2.2不能加微分控制规律简单均匀：控制器67参数整定4.2.3串级均匀控制中的流量副控制器按普通流量控制器进行整定，其它形式的控制器都需要按均匀控制的要求进行整定。整定的原则——“慢”，过渡过程不能出现振荡③根据工艺对流量和液位两个参数的要求，适当调整控制器的参数。①以保证液位不超出允许的波动范围，先设置好控制器参数。②修正控制器参数，充分利用容器的缓冲作用，使液位在最大允许的范围内波动，输出流量尽量平稳。参数整定4.2.3串级均匀控制中的流量副控制器按普通流量控68过程控制系统及工程第7章分程及阀位控制系统过程控制系统及工程第7章分程及阀位控制系统69分程及阀位控制系统7.1分程控制系统7.2阀位控制系统

第7章分程及阀位控制系统7.1分程控制系统第7章707.1分程控制系统概述7.1.1控制器输出在0.06Mpa以下，只有阀A动作，在0.06Mpa以上，只有阀B动作一个控制器控制几个控制阀——输出信号分段“分程控制”如，控制两个阀A、BA阀控制信号:0.02~0.06MpaB阀控制信号:0.06~0.1Mpa7.1分程控制系统概述7.1.1控制器输出在0.06Mpa以71A：0.02~0.06Mpa——0~100%B：0.06~0.1Mpa——0~100%根据各阀的气开、气闭形式不同，决定阀的行程方向

两阀同向动作

两阀异向动作

概述7.1.1通过阀门定位器调整0100%100%00100%0100%A：0.02~0.06Mpa——0~100%两阀同向动作72分程控制的应用场合7.1.2

（1）扩大控制阀可调范围：两个阀分程使用，扩大了流通能力PC两个流通能力相同的阀，同调节蒸汽压力，小负荷时，只开一个阀，大负荷时，再开第2个阀。通过计算，如果两个阀流通能力相同，分程后，总的流通能力扩大1倍。分程控制的应用场合7.1.2（1）扩大控制阀可调范围：两个73分程控制器参数整定7.1.3控制器A阀B阀变送器对象A阀变送器对象B阀控制器1、3例子两个阀通道相同，若阀的特性也相同，按一个阀通道整定即可2例子两个阀通道不相同，只能折中分程控制器参数整定7.1.3控制器A阀B阀变送器对象A阀74过程控制系统及工程绪论过程控制系统及工程绪论75●过程（Process）--生产过程基本概念历经一段时间一般工业生产伴随物质能量变化●过程（Process）的特点连续过程(ContinuousProcess)批量（间歇）过程(BatchProcess)离散过程(DiscreteProcess)流程工业(FlowManufacturingIndustry)离散制造业(DiscreteIndustry)●过程（Process）--生产过程基本概念历经一段时间●过76●过程控制(ProcessControl）针对连续或半连续（间歇）过程中的温度、压力、流量、液（物）位、化学成分（如含氧量）、物性参数（如粘度、融溶指数）等变量而实现的自动控制系统，称为过程控制。●被控参数种类基本概念温度压力流量液位成分（氧含量，产品组份等）物性（粘度，干点，冰点等）●过程控制(ProcessControl）针对连续或半连77●过程控制领域基本概念石油化工：输油，炼油，乙烯，合成橡胶，合成氨电力：火电厂冶金：冶金加热炉，热处理炉生化：啤酒，制药轻工：食品，漂染环境：水处理，大气监测其它：农业，养殖业●过程控制领域基本概念石油化工：输油，炼油，乙烯，合成橡78被控对象控制变量设定值x﹣控制器执行器被控对象测量、变送扰动f被控变量y反馈量z图1—2自动控制系统的基本结构偏差e控制变量u是指被控制的装置或者设备。施加给被控对象的信号，使受控对象按照一定的规律运行，一般用符号u表示。被控变量控制系统的输出，即被控的物理量，一般用符号y表示。被控对象控制变量设定值﹣控制器执行器被控对象测量、变送扰动79偏差信号扰动信号系统的设定值与反馈信号之差称为偏差，用符号e表示。使对象输出偏离设定值的输入信号。一般用符号f表示。

设定值x﹣控制器执行器被控对象测量、变送扰动f被控变量y反馈量z图1—2自动控制系统的基本结构偏差e控制变量u设定值（给定值）希望系统输出达到的数值，一般用符号x表示。偏差信号扰动信号系统的设定值与反馈信号之差称为偏差，用符号e802、控制系统的组成定值元件控制器执行元件用来产生设定值或参考输入。

或称调节器。通过一定的控制规律给出控制量，送到执行元件。完成功率转换或信号转换，常称为执行机构或者执行器。

设定值x﹣控制器执行器被控对象测量、变送扰动f被控变量y反馈量z图1—2自动控制系统的基本结构偏差e控制变量u2、控制系统的组成定值元件控制器执行元件用来产生设定值或81测量、变送元件又称传感器，用于检测被控对象的输出量，并变换成标准信号送到控制器。比较元件用以产生偏差信号2、控制系统的组成设定值x﹣控制器执行器被控对象测量、变送扰动f被控变量y反馈量z图1—2自动控制系统的基本结构偏差e控制变量u测量、变送元件又称传感器，用于检测被控对象的输出量，并变换成823、对自动控制系统的基本要求稳定性、精确性和快速性

稳定性控制系统设计的首要条件系统自身的属性有界输入，有界输出3、对自动控制系统的基本要求稳定性、精确性和快速性稳定83精确性反映系统的被控变量偏离设定值的程度。

快速性控制系统受到外界的作用后，从一个平衡状态达到另一个平衡状态的时间。精确性反映系统的被控变量偏离设定值的程度。快速性控制系84单回路反馈控制系统1.1单回路系统的结构组成1.2被控变量的选择1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择1.4控制阀的选择

第1章单回路反馈控制系统1.1单回路系统的结构组成第1章851.1单回路系统的结构组成●单回路反馈控制系统

四个基本环节：被控对象、测量变送、控制器和控制阀反馈控制中的最基本系统特点：简单、有效、应用最成熟、最普遍---占70%以上1.1单回路系统的结构组成●单回路反馈控制系统86例1：恒温箱的人工控制1.1单回路系统的结构组成人工控制的恒温箱

加热电阻丝~220V调压器温度计例1：恒温箱的人工控制1.1单回路系统的结构组成人工控制的恒87●观测恒温箱内的温度（被控制量）●与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度偏差的大小和方向●根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值●人工控制恒温箱调节过程

1.1单回路系统的结构组成人工控制过程的实质：检测偏差，调节操纵变量，缩小偏差期望温度大脑手调压器恒温箱眼睛实际温度温度计●观测恒温箱内的温度（被控制量）●人工控制恒温箱调节过程88例2：水槽液位控制系统LCF1F2F1F21.1单回路系统的结构组成F1增加→L增加→变送器输出信号增加→偏差（测量值-设定值）为正、增加→控制器输出增加→阀开度增加→F2增加→L降低；工作过程：例2：水槽液位控制系统LCF1F2F1F21.1单回路系统的891.1单回路系统的结构组成控制器控制阀被控对象测量变送偏差给定测量液位●给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。也称为参考输入量（信号）。●被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。●

输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。1.1单回路系统的结构组成控制器控制阀被控测量偏差给定901.1单回路系统的结构组成●控制系统的原理和作用（定值）●维持被控参数保持在设定值上，偏差越小越好●偏差控制：纠正偏差过程工业中，此类系统占大多数●按被控参数分类：温度控制回路、压力控制回路、流量控制回路、物位（液位）控制回路1.1单回路系统的结构组成●控制系统的原理和作用（定值）●91常规PID控制系统组成

PID控制器调节阀工艺对象检测仪表给定值偏差被测变量A/DD/A常规PID控制系统组成PID控制器调节阀工艺对象检测仪表92PID控制器：它是各类自动控制系统的核心部分。由于控制对象的不同，以及对系统静、动态特性的要求和应用的控制规则的不同，可以构成各种类型P,PI,PID控制器。比例（P）控制器：适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统。如：中间储罐液位、精馏塔塔釜液位以及不太重要的蒸汽压力。比例积分(PI)控制器：它适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统系统。例如流量、压力和要求严格的液位控制系统，常采用比例积分控制器。比例积分(PI)控制器是使用最多、应用最广的控制器。PID控制器：它是各类自动控制系统的核心部分。由于控制对象的93比例积分微分（PID）控制器：适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统，目前应用较多的是温度系统。比例积分微分（PID）控制器：适用于容量滞后较大、负荷变化大94常规PID控制系统

常规PID（ProportionalIntegralDerivative）控制器是过程控制中应用最为广泛最基本的一种控制器，它具有简单、稳定性好、可靠性高的特点，而且PID调节规律对相当多的工业控制对象，特别是对于线性定常系统的控制非常有效。即使在现代控制技术飞速发展的今天，仍有90%以上的控制回路采用PID控制。由于计算机的广泛使用，控制器的实现大都有微机实现控制算法。常规PID控制系统常规PID（Prop95PID控制算法PID算法是根据给定值SP与实际输出值PV构成控制偏差e(t)=SP-PV，将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，其控制规律为：PID控制算法PID算法是根据给定值SP与96比例作用比例部分：由数学表达式Kpe(t)表示，比例系数Kp越大，则过渡过程越快，控制结果的静态偏差也越小;但Kp越大，也越容易产生振荡。因此，比例系数Kp选择必须恰当，才能取得过渡时间少，静差小而又稳定的结果。

比例作用比例部分：由数学表达式Kpe(t)表示，比例系数Kp97积分作用从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，它的控制作用就会不断增加;只有在偏差e(t)=0时，它的积分才会为一个常数。可见，积分部分的作用可以消除系统的偏差。积分时间Ti对积分的作用影响极大。当Ti较大时，积分作用较弱;这时系统的过渡时间不会产生振荡;但是消除偏差的时间较长。当Ti较小时，则积分作用较强，系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消除偏差的时间较短。积分作用从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，它的控98微分作用微分部分的作用由微分时间Td决定;Td越大，它抑制偏差e(t)变化的作用越强;Td越小，它反抗偏差e(t)变化的作用越弱。微分部分显然对系统的动态过程有很大的作用。微分作用微分部分的作用由微分时间Td决定;Td越大，它抑制偏99PID参数的整定

PID控制器参数整定的实质是，寻找或者选择控制器的三项参数值，使控制器的特性与被控过程的特性得到良好的匹配，从而使控制系统的特性满足期望的目标。PID控制器参数整定的方法很多，工程上常用的方法有：临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法PID参数的整定PID控制器参数整定的实质是，寻找或者100临界比例度法临界比例度法：先通过试验得到临界比例度δk和临界周期TK，然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。具体做法：先只加纯比例作用，在干扰作用下，从大到小逐渐改变比例度，直到系统产生等幅振荡，这时的比例度叫临界比例度δk，振荡周期为临界周期TK，然后按下表的计算公式计算出控制器的各参数整定数值。临界比例度法临界比例度法：先通过试验得到临界比例度δk和临界101临界比例度法参数计算公式表控制作用比例度/%积分时间/min微分时间/minP2δkPI2.2δk0.85TKPID1.7δk0.5TK0.125TK临界比例度法参数计算公式表控制作用比例度/%积分时间/min102衰减曲线法衰减曲线法是通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值的。具体做法：先只加纯比例作用，将控制器比例度放在较大的数值上，在达到稳定后，用改变给定值的办法加入阶跃干扰，观察记录曲线的衰减比，然后从大到小改变比例度，直至出现4：1衰减比为止，记下此时的比例度Δs，并从曲线上得出衰减周期TS，然后按下表的计算公式计算出控制器的各参数整定数值。衰减曲线法衰减曲线法是通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参103衰减曲线法法参数计算公式表控制作用比例度/%积分时间/min微分时间/minPδSPI1.2δS0.5TSPID0.8δS0.3TS0.1TS衰减曲线法法参数计算公式表控制作用比例度/%积分时间/min104经验凑试法经验凑试法是长期的生产实践中总结出来的一种整定方法。它是根据经验先将控制器参数放在一个数值上，通过改变给定值施加干扰，在记录仪上观察过渡过程曲线，按照规定顺序，对比例度δ、积分时间Ti和微分时间Td逐个整定，直到获得满意的过渡过程为止。经验凑试法经验凑试法是长期的生产实践中总结出来的一种整定方法105经验数据表被控变量特点δ/%Ti/minTd/min流量对象时间常数小，参数有波动，40~1000.3~1温度对象容量滞后较大20~603~100.5~3压力对象容量滞后一般30~700.4~3液位对象时间常数范围较大，20~80经验数据表被控变量特点δ/%Ti/minTd/min流量对象106过程控制系统及工程第二章串级控制系统

过程控制系统及工程第二章串级控制系统107串级控制系统2.1概述2.2串级控制系统2.3投运和整定2.4串级控制系统的特点2.5串级系统副回路的设计

第2章串级控制系统2.1概述第2章1082.1概述●复杂控制系统单回路控制系统—简单控制系统：在一般情况下能够满足生产控制要求特殊情况：系统干扰因素多、干扰变化剧烈，以及工艺特殊要求—复杂控制系统

复杂控制系统—串级控制系统、比值控制系统、均匀、前馈、选择、分程等

2.1概述●复杂控制系统单回路控制系统—简单控制系统：在一般109●串级控制系统原理

精馏控制过程：P42图2-1

提馏段温度控制—通过控制再沸器加热蒸汽量来维持提馏段温度恒定

2.1概述TC精馏塔提馏段温度控制：●串级控制系统原理精馏控制过程：P42图2-12.1概述110结果：温度控制不稳定2.1概述

分析干扰：若干扰仅来自精馏塔进料的波动，则通过此回路可控制温度情况一，很多情况下，除了进料因素影响，加热蒸汽流量也会有波动（如锅炉蒸汽出口压力的波动），这时，在一定的阀门开度情况下，加热蒸汽量不同。结果：温度控制不稳定2.1概述分析干扰：若干扰仅来自精馏塔111解决办法：再加入一个蒸汽流量控制系统，可控制流量稳定。

问题：两套控制系统不能协调，甚至出现矛盾温度控制系统要求增加或减小蒸汽流量，而流量控制系统却只能根据事先的流量设定值进行定值控制。

2.1概述TCFC解决办法：再加入一个蒸汽流量控制系统，可控制问题：两套控制系112串级控制系统：两套控制系统的协调控制特点：两个控制器，一个调节阀一个控制器（主控制器）的输出送到另一个控制器（副控制器）的给定，副控制器的输出送到控制阀

2.1概述TCFC串级控制系统：两套控制系统的协调控制特点：两个控制器，一个调1132.1概述温度控制器流量控制器控制阀流量对象温度对象温度变送器流量变送器

特点：两个闭环环路，内环和外环

内环：副环，副控制器、副对象、副变送器（流量）

外环：主环，主控制器、主对象、主变送器（温度）2.1概述温度控制器流量控制器控制阀流量对象温度对象温度变送114

主环，定值控制系统，给定值由工艺设定，主控制器输出作为副控制器的设定

副环，随动控制系统，给定值由主控制器输出给定，副控制器输出控制控制阀2.1概述主环，定值控制系统，给定值由工艺设定，主控制器输出作115●串级控制系统工作过程控制系统处于稳定的平衡状态

2.1概述气开式控制阀反作用的流量控制器反作用的温度控制器●串级控制系统工作过程控制系统处于稳定的平衡状态2.1概述116●情况1:——副环内出现干扰

流量控制器：“粗调”温度控制器：“细调”

2.1概述蒸汽流量突然增大→（一段时间：提馏段温度不变，温度控制器输出不变，流量控制器设定值不变，但流量测量增大→（流量控制器正偏差，流量控制器输出减小，控制阀关小）→蒸汽流量减小，削弱对提馏段温度的影响）

→提馏段温度缓慢上升→（温度控制器正偏差，温度控制器输出减小，输出到流量控制器的设定值减小）→流量控制器设定值减小，流量控制阀开度进一步减小。●情况1:流量控制器：“粗调”2.1概述蒸汽流量突然增大117●情况2:——主环内出现干扰进料量突然增大，塔釜液位上升，提馏段温度下降→温度控制器负偏差，输出增大→（流量控制器负偏差，流量控制器输出增大，控制阀开度增大，蒸汽量增加）→提馏段温度回升2.1概述●情况2:进料量突然增大，塔釜液位上升，提馏段温1182.1概述●情况3:——主环和副环同时（1）副环干扰使蒸汽流量增大，主环干扰使提馏段温度降低；（1）副环干扰使蒸汽流量增大，主环干扰使提馏段温度升高。FCFCspsp2.1概述●情况3:（1）副环干扰使蒸汽流量增大，（1）副环119结论：串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，控制质量优于单回路控制系统，并且，实现方便，生产过程中应用比较普遍。

2.1概述结论：串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，控制质量优于1202.2.1串级控制系统控制方案电动仪表、气动仪表（很少用）、计算机

（1）一般的串级方案（2）能实现主控–串级切换的串级方案温度控制器流量控制器控制阀流量对象温度对象温度变送器流量变送器2.2.1串级控制系统控制方案电动仪表、气动仪表（很少用）1212.2.2串级控制系统的实施因此，主控制器的符号主要取决于主对象的符号，即，主对象为“正”，则主控制器取“反”作用，主对象为“负”，则主控制器取“正”作用

例1P48图2-7加热炉出口温度与燃料压力的串级控制系统PCTC2.2.2串级控制系统的实施因此，主控制器的符号主要取决于主122副控制器：控制阀选“气开”式——正副对象，压力对象，阀门开大，负，反作用压力上升——正变送器一般均为正主控制器：

副环——正主对象，温度对象，燃料压力增大时，燃料量增加，负，反作用出口温度上升——正2.2.2串级控制系统的实施副控制器：2.2.2串级控制系统的实施123例2精馏塔提馏段温度与再沸器加热蒸汽流量串级控制系统2.2.2串级控制系统的实施FCTC副控制器：控制阀选“气闭”式——负正对象，流量对象，阀门开大，流量增大——正变送器一般均为正主控制器：

副环——正主对象，温度对象，蒸汽流量增大时，加热量增加，提馏段温度上升——正例2精馏塔提馏段温度与再沸器加热蒸汽流量串级控制系统2.2.1242.3.1串级控制系统的投运●投运步骤4、调节主控制器手操输出，使副控制器的偏差为零5、分别将副、主控制器切入自动

1、主、副控制器手动位置，主控制器内给定、副控制器外给定，正反作用正确，PID参数正确2、副控制器手动操作3、通过副参数的变化，使主参数接近给定值，而副参数变化也比较平稳2.3.1串级控制系统的投运●投运步骤4、调节主控制器手操125过程控制系统及工程第三章比值控制系统

过程控制系统及工程第三章比值控制系统126比值控制系统3.1概述3.2比值控制系统的类型3.3比值系数的计算3.4比值控制方案的实施3.5比值控制系统的投运与整定3.6比值控制系统的其他问题

第3章比值控制系统3.1概述第3章1273.1概述

工业过程中，经常需要控制两种或两种以上的物料保持一定的比例关系

如：造纸过程中，纸浆和水要成一定的比例关系石化重油气化，重油和氧气量要成一定的比例关系锅炉燃烧，煤气和空气成一定的比例关系，等等比值控制系统：实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统流量比值较多，流量比值控制系统3.1概述工业过程中，经常需要控制两种或两种以上的物料保128主物料/主流量：

处于比值控制中的主导地位F1从物料/从流量：

按主物料进行配比F2

比值控制系统，要求副流量F2与主流量F1成一定的比值关系，K为流量比值

3.1概述主物料/主流量：3.1概述1293.2比值控制系统的类型3.2.1开环比值控制系统(a)原理图FCF1F23.2比值控制系统的类型3.2.1开环比值控制系统(a)原理130(b)方块图3.2.1开环比值控制系统控制器控制阀对象F2测量变送F1本质：整个控制系统处于开环状态，F2流量根据F1流量，按比例系数开闭阀门场合：这种方案应用较少优点：简单，仪表少缺点：系统开环，F2波动时比值难以保证(b)方块图3.2.1开环比值控制系统控制器控制阀对象F2测1313.2.2单闭环比值控制系统在开环比值控制系统的基础上，增加了一个副流量的闭环控制系统

KF1F2FC3.2.2单闭环比值控制系统在开环比值控制系统的基132

从方块图上看，与串级控制系统的结构相似，只是主参数没有闭环，F2不影响F1副流量系统闭环，稳定副流量，定值控制。3.2.2单闭环比值控制系统控制器控制阀对象F2测量变送F1K测量变送从方块图上看，与串级控制系统的结构相似，只是主参数没133过程控制系统及工程第4章均匀控制系统

过程控制系统及工程第4章均匀控制系统134均匀控制系统4.1均匀控制问题的提出及特点4.2均匀控