第1章-过程控制系统概述

ProcessControlSystem

过程控制系统

主讲：左燕课程特点课程目的本次课程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典型流程方案设计面向实际应用的技术性课程流体输送设备（自学）锅炉设备（6学时）精馏塔（6学时）化学反应器（自学）模块3：典型单元操作的控制

（ControlSystemsofTypicalEquipment）-15学时均匀控制(3学时)模块2：复杂控制系统

（ComplexControl）-18学时串级控制(3学时)

比值控制(3学时)前馈控制(3学时)

选择控制(3学时)分程控制(3学时)简单控制系统分析与设计(3学时)过程对象特性(3学时)检测变送器和执行器(3学时)控制器设计（6学时）模块1：简单控制系统

（SimpleControl）-15学时被控对象测量变送器控制器执行器被控变量设定值简单控制复杂控制传热设备（3学时）课程内容参考书目自动化仪表与过程控制施仁等电子工业出版社过程控制系统俞金寿机械工业出版社过程控制金以慧清华大学出版社化工过程控制系统王骥程化学工业出版社工业过程控制过程王树青化学工业出版社考核方式考试成绩：70%平时成绩：30%第一章

过程控制系统概述主要内容控制系统概述控制系统组成控制系统描述基本概念过程(Process)过程控制(ProcessControl)在某些单元或设备上进行化学或物理反应，将原料转化为产品的过程。生产过程可分为：连续、离散、间歇生产过程凡是采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制统称为过程控制。过程控制系统中主要的被控物理量有：温度(T)、压力(P)、流量(F)、液位(L)、成分等。工业过程原材料合格产品理想条件干扰产品？控制过程控制工业生产目标在可能获得的原料和能源条件下，以最经济的途径将原材料加工成预期的合格产品。工业过程控制系统生产目标安全性经济性平稳性工业生产过程（石油、化工、电力、冶金、机械、纺织等）原材料产品能源副产品、废弃物确保生产过程中人身与设备的安全实现经济效益的最大化或操作成本的最小化抑制外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力典型的流程工业化工过程–炼油厂催化裂化装置-精馏塔精馏塔过程工艺精馏塔过程控制设计加热器（再沸器）再沸器TT热工过程–火力发电厂送风机一次风机引风机烟囱省煤器除灰系统磨煤机锅炉GHPIPLPLP电汽轮机发电机煤蒸汽烟气水火力发电厂示意图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系统的发展状况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SISO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Ⅰ

型和电动Ⅰ型）；控制理论：以反馈为中心的经典控制理论过程控制系统的发展状况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：单元组合仪表（气动Ⅱ型和电动Ⅱ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(DDC)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20世纪70～80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Ⅲ型和电动Ⅲ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、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过程控制系统分类按功能分自动检测系统：检测、显示、记录、报警自动控制系统：检测、控制、显示、记录、报警

自动操作系统：顺序控制按结构分开环控制系统闭环控制系统按给定类型分定值控制系统随动控制系统程序控制系统过程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。

作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化随动控制系统

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

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分类按复杂程度分简单单回路调节系统串级调节系统比值调节系统前馈调节系统均匀调节系统分程调节系统选择调节系统主要内容控制系统概述控制系统组成控制系统描述例1-水罐液位控制系统分析设计

控制目标：保持水罐液位恒定(1)

被控变量：(2)

设定值：(3)

操纵变量：(4)

扰动变量：水罐液位h期望液位hsp进水量Qi出水量Qo例1-水罐液位控制系统分析设计

1、人工控制方法人眼人脑人手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例1-水罐液位控制系统分析设计典型液位控制系统典型液位控制系统组成：液罐液位测量变送器(LT)液位控制器(LC)

控制阀汽包锅炉人工给水汽包W给水给水调节阀省煤器水冷壁过热器水位计蒸汽Dh汽包锅炉自动调节给水w蒸汽D测量单元调节单元给定单元执行单元汽包锅炉给水自动调节示意图h例2-蒸汽加热器控制系统分析设计冷凝水温度检测/变送器温度控制器执行器

控制目标：保持物料出口温度恒定(1)

被控变量：(2)

设定值：(3)

操纵变量：(4)

扰动变量：物料出口温度T期望温度Tsp蒸汽流量Rv蒸汽阀前压力、物料进料流量RF、进料温度Ti等例2-典型温度控制系统典型温度控制系统组成：加热器（加热炉）温度测量变送器(TT)温度控制器(TC)

控制阀冷凝水温度检测/变送器温度控制器调节阀

过程控制系统检测元件和变送器控制器（调节器）执行器检测被控变量，将检测信号转换为标准信号将检测变送单元的输出信号与设定值进行比较，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，将计算结果作为控制信号送给执行装置接受控制器的输出信号，直接推动被控对象，改变操纵变量简单控制系统的组成被控对象（被控过程）被控制的生产设备或装置过程控制系统基本术语术语：被控变量、设定值、控制变量、操纵变量、扰动变量被控变量(ControlledVariable,CV)也称受控变量、过程变量(ProcessVariable,PV)被控对象需要维持在理想值的工艺参数，如液罐液位、热交换器工艺介质出口温度、泵出口压力、泵出口流量等。常用被控变量：温度、压力/差压、液位/料位、流量、成分含量被控变量设定值(Setpoint,SP)

也称给定值

(SetpointValue,SV)

被控变量要求达到的期望值，作为控制器的参考输入信号

常用其对应的电量或相对百分比来表示，便于与被控变量的测量值进行比较

设定值操纵变量&控制变量操纵变量(ManipulatedVariable,MV)执行器可控制、对被控变量有直接影响的物理量常见为一些工艺介质流量，如蒸汽流量、出料流量、回流流量等控制变量控制器的输出电信号，即执行器的输入信号扰动变量扰动变量(DisturbanceVariable,DV)导致被控变量偏离设定值的输入变量

如蒸汽加热器温度控制系统，扰动变量：蒸汽阀前压力、工艺介质进料流量、进料温度和组成等过程控制系统的组成基本组成：被控对象、测量变送单元、控制器、执行器练习–泵流量控制系统设计工艺要求：为保证平稳生产，希望流体的输送量保持恒定。调节原理：通过调节控制阀的开启度，以改变相关管路的阻力系数，以控制管道流量。试设计一个流量控制系统。控制系统设计可测间接变量(1)确定被控参数（即测量变量）PV灵敏度高、代价小与生产过程工艺质量有单值关系最好是直接代表生产过程的工艺质量参数如化学反应器输出物料成分(2)确定控制量MV工艺上易于控制、灵敏度高、对被控参数反应迅速、符合工艺要求如化学反应器温度控制系统设计(3)确定测量、控制点：即检测仪表、执行仪表的安装地点，符合工艺要求。(4)认识工艺流程对象，确定调节回路和控制方案(5)确定调节算法(6)整定调节算法参数单元组合控制仪表仪表实现与信号连接T(t)温度℃电阻Ω电流4-20mA电流4-20mA电流4-20mA气压0.02-0.10MPa蒸汽量T/hr电流4-20mA加热器热电阻温度变送器TT温度控制器TC电-气转化器气动调节阀恒流给定器手操器记录仪外部扰动手动/自动加热器温度控制系统过程计算机控制系统组成主要内容控制系统概述控制系统组成控制系统描述工艺控制流程图方框图控制系统的两种表示形式(1)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、监测与操纵变量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（单回路、复杂控制回路、监视与操作）

实例-锅炉液位控制系统变送器控制器执行器自动化装置实例-锅炉液位控制系统

1.带控制点流程图用文字符号和图形符号在工艺流程图上描述生产过程自动控制的原理图小圆圈表示仪表第一字母表示被测变量后续字母表示仪表功能工艺控制流程图-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工艺控制流程图-常用符号被控变量

液位L、温度T、流量F、压力P功能

变送T、控制C、显示I、报警A实例–蒸汽加热器温度控制系统冷凝水温度检测/变送器温度控制器执行器实例–泵流量控制系统流量检测/变送器流量控制器执行器控制系统的两种表示形式(2)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

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