过程控制绪论

先进过程控制内蒙古科技大学信息学院李忠虎教授2012.9换热器温度控制系统多变量解耦控制热电单元机组大多数控制系统采用PID控制算法自20世纪80年代起，先进控制技术就已在工业界开始应用，特别是多变量模型预测控制，现已广泛应用于复杂的炼油、石油化工、电力、冶金等实际工业生产过程，并取得了良好的控制效果。

PID控制算法是人们经过长期实践总结出来的、行之有效的自动控制算法，目前大量的单变量控制都采用这种算法。然而，现代复杂的工业生产过程，要求高效、低能耗、低污染，且受各种扰动时整个生产过程都能平稳运行，这样，常规的单回路PID控制便不能很好地满足现代化工业生产过程控制的要求，因此迫切需要在常规PID控制算法的基础上，有一个能够实现全局稳定控制的算法，这就是先进控制算法。章节安排1绪论2自动化仪表概述3过程控制系统概述4先进过程控制5典型工业过程控制工程参考书籍王树青.先进控制技术应用实例.化学工业出版社俞金寿.过程控制系统.机械工业出版社杨斌.过程控制.清华大学出版社杨为民.过程控制系统及工程.西安电子科技大学出版社翁维勤.过程控制系统及工程.化学工业出版社潘永湘.过程控制与自动化仪表.机械工业出版社1绪论1.1过程控制的定义、特点、要求及功能

过程控制是生产过程自动化的简称，它泛指工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，是自动化技术的重要组成部分。㈠过程控制的定义汽轮发电机组火力发电厂外观连铸机大包回转台使用常规仪表的中央控制室早期的DCS控制系统现代的DCS控制系统现代操作室HOLLiAS—MACS系统是由以太网和使用现场总线技术的控制网络连接的各工程师站、操作员站、现场控制站、通讯控制站、数据服务器组成的综合自动化系统，完成大型、中型分布式控制系统（DCS）、大型数据采集监控系统（SCADA）功能。和利时产品电厂辅网车间控制系统网络结构图

大型供水泵站SCADA系统解决方案哈尔滨环保局在线监测信息系统整体架构图㈡过程控制的特点

①系统由生产过程和系列化生产的自动化仪表组成；②被控过程复杂多样，通用控制系统难以设计；③控制方案丰富多彩，控制要求越来越高；④被控过程大多属于慢变过程与参量控制；⑤定值控制是过程控制的主要形式。①要求：

Ⅰ安全性（确保人和设备安全，可采取报警或连锁保护等措施）

Ⅱ稳定性（具有抑制外部干扰、保持生产过程长期稳定运行的能力）

Ⅲ经济性（生产成本低而效率高）㈢过程控制的要求及功能②功能（如图）

Ⅰ

测量变送与执行功能

Ⅱ

操作安全与环境保护功能

Ⅲ常规控制与高级控制功能

Ⅳ

实时优化功能

Ⅴ

决策管理与计划调度功能现代过程控制的功能结构图1.2过程控制系统的组成及分类⑴被控参数（亦称被控变量）y(t)：

被控过程内要求保持稳定的工艺参数；⑵控制参数（亦称操纵变量）q(t)：使被控参数保持期望值的物料量或能量；⑶干扰量f(t)：除被控参数外，作用于被控过程并引起被控参数变化的各种因数；⑷设定值r(t)：与被控参数相对应的设定值；⑸反馈值z(t)：被控参数经测量变送后的实际测量值；⑹偏差e(t)：设定值与反馈值之差；⑺控制作用u(t)：控制器的输出值。㈠过程控制系统的组成（参考右图）㈡过程控制系统的分类①按被控参数名称可分为：温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、物位控制系统、成分控制系统；②按被控参数的多少可分为：单变量控制系统、多变量控制系统；③按完成特定工艺要求可分为：比值控制系统、均匀控制系统、分程控制系统、选择性控制系统；④按所用自动化工具可分为：常规仪表控制系统、计算机控制系统；⑤按结构不同可分为：反馈控制系统、前馈控制系统、复合控制系统；⑥按设定值不同可分为：定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。1.3过程控制系统设计概述加热炉过程控制系统设计步骤(参考右图)⑴确定控制目标

①热油出口温度稳定②烟道气含氧量稳定③热效率最高。⑵选择被控参数

直接参数与间接参数⑶选择控制量

①燃料油流量或冷油流量→出口温度②挡板开度或送风挡板→含氧量⑷确定控制方案

简单与复杂、单输入与多输入、最优控制⑸选择控制策略

PID、高级过程控制⑹选择执行器电动与气动1.4过程控制的发展概况㈠基于仪表的局部自动化阶段

（50年代，基地、单元组合、气动式，单输入/单输出、4大参数稳定、经典控制理论）㈡基于仪表/计算机的综合自动化阶段

（60年代，单元组合、组装式，高性能、特殊要求控制，计算机控制，多输入/多输出，现代控制理论）㈢基于网络的全盘自动化阶段

（70年代，智能仪表、成分在线、安全防爆、集散控制、现场总线控制）⑺设计报警与联锁保护系统

高、低限值；加热炉停车程序：停燃油泵→关燃油阀→停引风机→切断热油阀⑻工程化设计用图样资料和文件资料表达控制系统的设计思想和实现过程，并能按图样进行施工。⑼

系统投运、调试和整定参数1.5过程控制系统的品质指标控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这种过程形式讨论控制系统的品质指标。②最大偏差A—被控变量偏离给定值的最大数值

A=230—200=30（℃）③超调量B—第一个波峰值与新稳定值之差

B=230—205=25（℃）①衰减比B：B′—相邻两个波峰值之比B：B′=（230—205）/（210—205）=5：1习惯上表示为n：1，一般n取4～10之间④余差C—过渡过程终了时被控变量的新稳定值与给定值之偏差

C=205—200=5（℃）C=0为无差调节系统C≠0为有差调节系统

⑤稳定时间—从干扰作用发生时刻起，直到建立新的平衡状态所需的时间。

表示法：22min（±2%）⑥振荡周期或频率—过渡过程同向两个波峰间间隔时间为周期，周期的倒数为频率。

T=20-5=15（min）f=1/T=1/（60×15）≈0.0011(Hz)

综合以上指标，对调节过程的调节效果进行评价时，一般可从稳定性、准确性和快速性三方面考虑。这三方面往往相互矛盾。稳定性是首要考虑的因素，一般要求被控变量波动具有一定的衰减比（4：1～10：1），也即经过一到两个周期后就看不出明显的波动了，在稳定的前提下尽量满足准确性和快速性的要求。1.6联络信号和传输方式⑴联络信号是指在成套仪表系列中，仪表之间采用的传输信号的类型和数值。⑵联络信号类型：气动仪表：20～100KPa电动仪表：模拟信号4～20mADC及1～5VDC，数字信号、频率信号⑶说明：

①信号下限从零开始有利于模拟量运算；信号下限从某值开始（活零点）便于检验仪表是否断电，并可实现两线制。②信号上限高，产生的电磁平衡力大；信号上限低有利于减少功率损耗和仪表防爆。㈠联络信号⑴直流电流传输方式①电流信号传输时仪表之间的连接R0I0IiRiRiRcm发送仪表接收仪表㈡电信号传输方式为保证传输误差ε在允许范围之内，应要求R0》Rcm+nRi，故有为减小传输误差，要求R0足够大，而Rcm及Ri应比较小②直流电流传输误差分析③直流电流传输的特点优点：发送仪表输出电阻大，故电流信号适于远距传输。电流回路中串入一电阻，取压方便。缺点：回路中增减接收仪表时，将影响其它仪表的工作。各台仪表没有公共接地点，若要和计算机联用,则应在仪表输入输出端采取直流隔离措施。⑵直流电压传输方式①电压信号传输时仪表之间的连接接收仪表发送仪表RiRcm／２R0U0Rcm／２IiRiRi为减小传输误差,应满足Ri/n》R0+Rcm，故有

为减小传输误差，要求R0和Rcm尽量小，Ri大些。②直流电压传输误差分析③电压传输的特点优点：增加或取消某个接收仪表不影响其他仪表的工作。各接收仪表可设置公共接地点，可和计算机联用。缺点：要在引线电阻上产生电压降,信号受一定损失,且因接收仪表输入阻抗很高，易于引入干扰，所以电压信号不适于远距离传输。现场与控制室仪表之间采用直流电流信号，控制室内部仪表之间采用直流电压信号。㈢现场与控制室内仪表间的信号传输

要实现两线制，必须采用活零点的电流信号。因电源线和信号线公用，电源供给变送器的功率是通过信号电流提供的。变送器输出电流为下限值时，应保证它内部的半导体器件仍能正常工作。故信号电流下限值不能过低。电源装置现场控制室四线制两线制现场电源装置控制室接收仪表接收仪表变送器变送器1.7安全防爆基本知识和防爆措施㈠安全防爆基本知识⑴爆炸危险场所的区域划分依据：爆炸性气体出现的频繁程度和持续时间0区(Zone0)：在正常情况下，爆炸性气体混合物连续地、频繁地出现或长时间存在的场所。1区(Zone1)：在正常情况下，爆炸性气体混合物有可能出现的场所。2区(Zone2)：在正常情况下，爆炸性气体混合物不可能出现，或即使出现也是短时间存在的场所。⑵爆炸性气体的分级按最大试验安全间隙MESG(火焰不能传播的最大间隙)和最小点燃电流比MICR来分级：可分为A、B、C三级。⑶爆炸性物质的分组

组别引燃温度t/℃T1t

>450T2450≥t>300

T3300≥t>200

组别引燃温度t/℃T4T5135≥t>100T6100≥t>85200≥t>135按引燃温度可分为六组⑷防爆电气设备的分类、分组防爆电气设备分为两大类：

Ⅰ类：煤矿用电气设备Ⅱ类：工厂用电气设备

Ⅱ类电气设备可进一步分为ⅡA、ⅡB、ⅡC三级。工厂用电气设备防爆型式有以下八种：

隔爆型(d)、本质安全型(i)、增安型(e)、正压型(p)、充油型(o)、充砂型(q)、浇封型(m)和无火花型(n)。本质安全型设备又可以分为ia和ib两个等级。⑸防爆标志及其含义防爆标志由以下5个部分构成：标志EX－表示该设备为防爆电气设备。结构型式－表明该设备采用何种措施进行防爆，如d为隔爆型，i为本安型等。设备类别－I为煤矿井下用电设备，II为工厂用设备。防爆级别－为A、B、C三级，表明防爆能力强弱。温度组别－为T1～T6六组，说明该设备的最高表面温度允许值。例如EXiaIICT5表示II类本质安全型ia等级B级T5组。⑴隔爆型仪表

具有隔爆外壳，仪表的电路和接线端子全部置于防爆壳体内。它能承受仪表内部因故障产生爆炸性气体混合物的爆炸压力。这类仪表适用于