第1章过程控制系统概述

过程控制系统ProcessControlSystem内蒙古工业大学电力学院自动化系张计科本章主要内容1-1过程控制系统的组成1-2过程控制系统的分类1-3过程控制系统的特点1-4过程控制系统的发展历史1-5过程控制系统的性能指标1-6控制工艺图的组成及符号解释传感测量器：液位计+人眼控制器：大脑执行机构：手+手动阀差压传感变送器电动调节器自动调节阀1-1过程控制系统的组成H:液位P:压力F:流量T:温度1-1过程控制系统的组成液位控制系统热交换器的温度控制系统1-1过程控制系统的组成一般的单回路控制系统1-1过程控制系统的组成被控对象：工艺参数需要控制的生产过程设备或机器等。

如水箱、热交换器。一般的单回路控制系统常见的被控变量：温度、压力、流量、液位或料位、成分与物性等六大参数；1-1过程控制系统的组成被控变量/受控变量/过程变量（ControlledVariable-CV,ProcessVariable-PV）：被控对象中要求保持设定值的工艺参数。如液位、蒸汽温度。一般的单回路控制系统1-1过程控制系统的组成操纵变量/操作变量(ManipulatedVariable,MV)：受控制器操纵，用以克服扰动的影响使被控变量保持设定值的物料量或能量。如液体流出流量、蒸汽流量。扰动/扰动变量(DisturbanceVariable,DV)：除操纵变量之外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。如液体流入流量、进料量。一般的单回路控制系统1-1过程控制系统的组成设定值/给定值(Setpoint-SP,SetpointValue-SV)：被控变量的预定值。如水箱的期望液位、蒸汽的期望温度。控制/控制信号/控制变量（ControlVariable）：作用于执行机构以引起操纵变量变化的变量。如阀门开度。一般的单回路控制系统1-1过程控制系统的组成测量/测量信号/测量值(Measurement，MeasurementValue)：从工业现场对被控变量通过测量和变送后得到的信号值，即被控变量的测量值。偏差/误差（Deviation，Error）：被控变量给定值与实际值之差。通常把给定值与测量值之差作为偏差。1-2过程控制系统的分类

自动控制系统有多种分类方法，站在不同的角度分类不同。分类特征控制方式特点按控制方式分开环控制按给定值操纵、按干扰补偿闭环控制按偏差调节复合控制闭环反馈为主，开环补偿为辅按给定值变化规律分恒值系统保持输出恒定随动系统输出跟随输入变化程序控制系统输出按照预先设定好的程序变化按被控变量分温度控制系统以温度为被控量压力控制系统以压力为被控量流量控制系统以流量为被控量…………液位控制系统以液位为被控量按系统性能分线性/非线性系统线性系统满足叠加原理连续/离散性系统离散系统中包含数字量定常/时变性系统时变系统参数随时间变化1-3过程控制系统的特点

1.生产过程的连续性

2.被控对象的多样性

3.被控对象多属慢过程且多属参数控制

4.控制方案多样性

5.定值控制是过程控制的主要形式1.手工操作阶段（20世纪40年代以前）观察火候、冷热、色泽、形状等

明宋应星《天工开物》:“若造熟铁,则生铁流出时……其柳棍每炒一次烧折二三寸,再用则又更之。炒过稍冷之时,或有就塘内斩划成方块者,或有提出挥椎打圆后货者。古代冶炼图1-4过程控制系统的发展历史1-4过程控制系统的发展历史2.简单仪表化阶段（20世纪40年代中期－50年代）部分企业实现了仪表控制和局部自动化特点：采用基地式仪表和部分组合仪表；1-4过程控制系统的发展历史被控参数：温度、压力、流量、液位；控制系统结构：SISO

；

理论基础：经典控制理论。50年代中期，人们开始研究将计算机用于工业过程控制!2.简单仪表化阶段（20世纪40年代中期－50年代）1-4过程控制系统的发展历史1956年3月，TRW(ThomsonRomaWoolrige)航天工业公司和德克萨柯(Texaco)公司针对德克萨斯州的PortArthur(波特.阿瑟)炼油厂的一台聚合装置联合研究出一个采用RW-300计算机控制该聚合装置的计算机控制系统。RW-300Computer2.简单仪表化阶段（20世纪40年代中期－50年代）1-4过程控制系统的发展历史1959年3月12日，系统在线运行。•控制26个流量、72个温度、3个压力、3个成分•使反应器压力最小，确定5个反应器进料量的最优分配，根据催化作用控制热水流量和确定最优循环2.简单仪表化阶段（20世纪40年代中期－50年代）1-4过程控制系统的发展历史3.单元组合仪表化阶段（20世纪60年代）特点：企业界大量使用单元组合仪表及组装仪表，出现了以4～20mA和0～10mA为统一信号的电动模拟控制系统；1-4过程控制系统的发展历史3.单元组合仪表化阶段（20世纪60年代）控制策略：主要是PID控制以及串级、均匀、比值、分程和选择性等常规复杂控制策略；现代控制理论产生并在某些尖端领域取得惊人成就；

在60年代中、后期，已出现用计算机代替模拟调节器的直接数字控制DDC和由计算机确定模拟调节器或DDC回路最优设定值的监督控制SCC！控制系统结构：MIMO

；

被控参数：多样化；1-4过程控制系统的发展历史3.单元组合仪表化阶段（20世纪60年代）FerrantiArgus

Computer1962年，英国帝国化学工业公司(ImperialChemicalIndustries,Ltd）用一台名为FerrantiArgus的计算机代替原来过程控制中的全部模拟仪表，计算机直接测量224个变量和控制129个阀门。1-4过程控制系统的发展历史4.计算机控制阶段（20世纪70年代至80年代）特点：适合工业自动化的商品化系列控制计算机出现；DCS出现；DCS、PLC、工业PC等已成为控制装置主流。现代控制理论向纵深发展，开始在过程控制中应用。气动Ⅲ型和电动Ⅲ型；1-4过程控制系统的发展历史5.综合自动化及先进控制阶段（20世纪90年代至今）特点：集常规控制、先进控制、过程优化、生产调度、企业管理、经营决策等功能于一体；在计算机通信网络和分布式数据库的支持下，实现信息与功能的集成；

形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性的全局优化的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统。充分调动人的因素的经营系统、技术系统及组织系统。1-5过程控制系统的性能指标稳：1、工业过程对控制的要求准：快：可靠：1-5过程控制系统的性能指标稳：动态过程的振荡倾向和系统重新恢复平衡工作状态的能力。过程2过程11、工业过程对控制的要求1-5过程控制系统的性能指标准：系统过渡到新的平衡工作状态后或系统受到扰动后重新恢复平衡后，最终保持的精度，反映了动态后期的性能。最大偏差05101520250.00.20.40.60.81.01.21.41.6

h(t)t平衡点1、工业过程对控制的要求1-5过程控制系统的性能指标快：动态过程进行的时间长短，过程时间持续很长，将使系统长时间出现大偏差，同时也说明系统响应很迟钝，难以复现快速变化的信号。过程2过程11、工业过程对控制的要求1-5过程控制系统的性能指标

1.稳定性►分析方法

直接求根：

判据:

应用双线性变换(w变换)劳斯稳定判据

朱利稳定判据

►衡量指标

相角裕度幅值裕度2、指标1-5过程控制系统的性能指标2.能控性与能观性3.动态指标

常用指标:

s域－

上升时间调节时间超调量

z域－闭环主导极点

1-5过程控制系统的性能指标4.稳态指标

稳态误差5.积分型指标1-6控制工艺图的组成及符号解释被控量的测量点，本例指反应器内反应温度仪表圈，代表广义上的仪表（可以不止一种类型的仪表）1-6控制工艺图的组成及符号解释仪表圈，代表广义上的仪表（可以不止一种类型的仪表）TRC_101顺序号（一般两位数字，也可三位数字）工序号（一般一位数字，也可两位数字）仪表功能字母代号，C（Control）控制，R（Record）记录，A（Alarm）报警，I（Indicate）显示被测变量字母代号，