工业过程控制

工业过程控制第1页，共50页，2023年，2月20日，星期一课程名称：工业过程控制授课对象：电气工程及自动化专业先修课程：电子技术基础检测与信号处理技术自动控制理论主要教材及参考书：过程控制系统，俞金寿、孙自强编，机械工业出版社，2008过程控制，金以慧主编，清华大学出版社，1998第2页，共50页，2023年，2月20日，星期一第一章绪论本章主要内容1.1过程控制的基本概念1.2过程控制的任务1.3过程控制系统的组成1.4过程系统的分类1.5过程控制系统的性能指标1.6过程控制的特点1.7过程控制的发展状况1.8自动化仪表概述第3页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.1过程控制的基本概念工业自动化：

工业生产中的各种参数为控制目的，实现各种过程控制。在整个工业生产中,尽量减少人力的操作,而充分利用自动化装置对工厂或企业的生产设备或生产过程进行自动监测，自动调节，自动控制，自动显示及管理等。工业自动化涉及的范围极广，可分为：生产过程自动化、电气传动自动化、电力系统自动化、生产管理自动化、楼宇自动化等等。生产过程自动化：主要针对温度、压力、流量、液位（物位），成分和物性等参数的控制问题进行研究。第4页，共50页，2023年，2月20日，星期一人工操作与自动控制比较图（液位控制）控制速度和精度不能满足大型现代化生产的需要第5页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.1过程控制的基本概念2.过程：

将原料（物质）接收过来，利用能源进行诸如加热、冷却等处理，使其发生化学或物理的变化，最终生产出所需要的物质或能源的系统。3.过程控制：为了按所希望的效率，质量和产量产出产品，将过程内各部分的变量控制在所希望的值，即完成对诸如温度，压力，流量，液位（物位）等参数的控制，使其保持为定值或按一定规律变化，以确保产品质量和生产安全，并使生产过程按最优化目标自动进行。第6页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.2过程控制的任务4.过程控制的任务：

在了解、掌握工艺流程和被控过程的静态与动态特性的基础上，应用控制理论分析和设计符合工艺要求的过程控制系统，并采用适宜的技术手段加以实现。需要指出，为适应当前当前生产对控制的要求愈来愈高的趋势，必须充分注意现代控制技术过程控制中的应用，因此，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。 第7页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.3过程控制系统的组成过程控制系统主要由被控过程和自动化仪表两部分组成，其中自动化仪表负责对被控过程的工艺参数进行自动测量、自动监视和自动控制等。例如：发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统转炉供氧量控制系统集散控制系统（DCS）水塔液位控制系统第8页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.3过程控制系统的组成例1发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统锅炉是电力、冶金、石油化工等工业部门不可缺少的动力设备，其产品是蒸汽。发电厂从锅炉汽包中出来的饱和蒸汽经过过热器继续加热成为过热蒸汽。过热蒸汽的温度是火力发电厂生产工艺的重要参数。过热蒸汽温度控制是保证汽轮机组（发电设备）正常运行的重要条件。通常过热蒸汽的温度控制在460℃左右，推动汽轮机做功。第9页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.3过程控制系统的组成每种锅炉与汽轮机组都有一个规定的运行温度，在这个温度下运行，机组的效率最高。如果过热蒸汽温度过高，会使汽轮机的寿命大大缩短；如果温度过低，当过热蒸汽带动汽轮机做功时，会使部分过热蒸汽变成小水滴，小水滴冲击汽轮机叶片，会造成生产事故。所以必须对过热蒸汽的温度进行控制。过热器之前或中间部分串接一个减温器，通过控制减温水流量的大小来控制过热蒸汽的温度。第10页，共50页，2023年，2月20日，星期一图1.电厂锅炉过热蒸汽温度控制流程图第11页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.3过程控制系统的组成控制过程：本系统采用DDZ-III型电动单元组合仪表。系统中过热蒸汽温度采用热电阻温度计1来测量，并经过温度变送器2（TT）将测量信号送至调节器（TC）3的输入端，与过热蒸汽温度的给定值进行比较得到其偏差，调节器按此输入偏差以某种控制规律进行运算后输出控制信号，以控制调节阀4的开度，从而改变减温水流量大小，达到控制过热蒸汽温度的目的。第12页，共50页，2023年，2月20日，星期一设定值测量值偏差，e(t)=r(t)–y(t)控制作用被控变量操纵变量图2.过热蒸汽温度控制系统框图第13页，共50页，2023年，2月20日，星期一过程（又称对象）–被控制的装置或设备c(t)(或y(t))–被控参数（系统输出）：过热蒸汽的温度f(t)–扰动作用，作用与被控过程引起被控参数变化的各种因素q(t)–控制参数（操纵变量）u(t)–控制作用，控制器的输出值r(t)–给定值（设定值）测量变送器–将c(t)成比例地转换为测量信号z(t)(反馈值)1.3过程控制系统的组成Z(t)第14页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.3过程控制系统的组成例2转炉供氧量控制系统转炉是炼钢工业生产过程中的一种重要设备。熔融的铁水装入转炉后，通过氧枪供给转炉一定的氧气量，在氧气的作用下，铁水中的碳逐渐氧化燃烧，从而使铁水中的含碳量不断地降低，控制吹氧量和吹氧时间就可以控制冶炼钢水的含碳量，于是可以获得不同品种的钢材料。第15页，共50页，2023年，2月20日，星期一控制过程：采用节流装置1来测量氧气流量，并流至变送器（FT）2，再经开方器3后作为流量调节器（FC）4的测量值，其测量值与供氧量的给定值进行比较得到偏差，调节器按此偏差输入信号以PID某种控制规律进行运算并输出控制信号去控制调节阀5的开度，从而改变供氧量的大小，以满足生产工艺要求。图3.转炉供氧量控制系统控制流程图1.3过程控制系统的组成第16页，共50页，2023年，2月20日，星期一控制系统均由测量元件、变送器、调节器、调节阀和被控过程等环节构成。如果把测量元件、变送器、调节器和调节阀统称为过程检测控制仪表，则一个简单的过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表两部分组成的。1.3过程控制系统的组成图4.转炉供氧量控制系统控制框图第17页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.3过程控制系统的组成计算机过程控制系统图5.计算机过程控制系统框图计算机代替模拟调节器---计算机过程控制系统。在微型计算机控制系统中，只要运用各种指令，就能编出符合某种控制规律的程序。微处理器执行这样的程序，就能实现对被控参数的控制。第18页，共50页，2023年，2月20日，星期一图6计算机控制系统组成框图生产过程：被控对象，测量变送，执行机构等，如下图所示。接口接口D\AA\D多路开关反多路开关开关量输入开关量输出执行机构生产对象打印机显示终端磁盘驱动器软件微型计算机实时时钟操作台接口接口通用外部设备主机及操作台外部通道接口检测及变送控制对象传感器变送器1.3过程控制系统的组成第19页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.3过程控制系统的组成例3集散控制系统（DCS）（1）过程输入-输出接口（2）过程控制单元（3）数据高速通路（4）CRT操作站（5）管理计算机（-上位机）图7.集散控制系统基本组成框图第20页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.3过程控制系统的组成被控对象

实现控制的设备，机器或生产过程。如加热器，蒸馏塔，反应器或传输物料的管路，储存物料的槽、罐等。（1）被控量对象内要求进行控制的参量。即y(t)，如过热蒸汽的温度。是过程的输出信号。（2）操纵量（控制参数）一般是由工艺决定的，如加热器温度控制的燃油量、氧气量等，受执行器（调节阀）操纵，用以使被控制量获得有效控制的量（调节阀输出，过程的输入）。第21页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.3过程控制系统的组成（2）干扰量除了操纵量外，作用于对象并能引起被控量变化的各种因素。2.检测元件与变送器（1）检查元件：各类传感器（2）变送器：用于把被测参数（温度、压力、流量、物位等物理量）变换为标准电信号的仪表。标准信号：电压1～5VDC电流4～20mADC

第22页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.3过程控制系统的组成3.控制器（调节器）将测量值与事先设定的给定值比较，产生偏差信号。根据偏差信号自动地进行运算，并将结果输出到执行机构上，达到自动调节的目的。（1）设定值：采用标准信号。（2）测量值：要求与被控量具有相应关系的标准信号。（3）偏差量：正偏差或负偏差4.执行器（调节阀）过程自动化中用的执行器均为调节阀调节阀由执行机构和调节机构组成。第23页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.4过程控制系统的分类1.按被控量分类

温度控制系统压力控制系统流量控制系统液位控制系统等2.按完成的功能分类比值控制系统（特殊的多变量控制）分程控制系统（一个调节器带几个阀）选择性控制系统（非线性切换控制）第24页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.4过程控制系统的分类3.按调节器控制规律分类

比例（P）控制系统比例积分（PI）控制系统比例积分微分（PID）控制系统4.按被控量的多少分类单变量控制系统多变量控制系统第25页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.4过程控制系统的分类5.按系统的结构分类

反馈控制系统前馈控制系统复合控制系统单回路控制系统串级控制系统第26页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.4过程控制系统的分类（1）反馈控制系统

反馈控制系统是过程控制系统的一种最基本的控制结构形式。反馈控制系统是根据系统被控量的偏差进行工作的，偏差值是控制的依据，最后达到消除或减小偏差的目的。如过热蒸汽温度控制系统就是一个反馈控制系统。反馈信号可以有多个，从而构成多个闭合回路，称其为多回路控制系统。第27页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.4过程控制系统的分类（2）前馈控制系统

前馈控制系统是直接根据扰动量的大小进行工作，扰动是控制的依据。由于它没有被控量的反馈，所以也称为开环控制系统。图7.前馈控制框图扰动f(t)是引起被控量y(t)变化的原因，前馈调节器FFC是根据扰动f(t)进行工作的，可以及时克服扰动对被控量y(t)的影响。但是，前馈控制是开环控制，不能检查控制精度，因此，在实际工业生产过程自动化中不能单独使用。第28页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.4过程控制系统的分类（3）前馈-反馈（复合）控制系统

开环的前馈控制的最主要的优点是能针对主要扰动及时迅速地克服其对被控参数的影响；对其余次要扰动，利用反馈控制予以克服，使控制系统在稳态时能准确地使被控量控制在给定值上。图8.前馈-反馈控制系统第29页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.4过程控制系统的分类6.按给定信号的特点分类

定值控制系统程序（顺序）控制系统随动控制系统（1）定值控制系统：

系统被控量的给定值保持在规定值不变，或在小范围附近不变。例如：过热蒸汽温度控制系统、转炉供氧量控制系统均为一个定值控制系统。

第30页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.4过程控制系统的分类6.按给定信号的特点分类

定值控制系统程序（顺序）控制系统随动控制系统（2）程序控制系统：

系统被控量的给定值按预定的时间程序变化工作的。控制目的就是使系统被控量按工艺要求规定的程序（顺序）自动变化的。例如：同期作业的加热设备（机械、冶金工业中的热处理炉），一般工艺要求加热升温、保温、逐次降温等程序，给定值就按此程序自动地变化，控制系统也按此程序自动工作，达到控制的目的。

第31页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.4过程控制系统的分类6.按给定信号的特点分类

定值控制系统程序（顺序）控制系统随动控制系统（3）随动控制系统：

它是一种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。例如：加热炉燃烧过程，生产工艺要求空气量随燃料量的变化而成比例的变化，而燃料量是随生产负荷而变化，其变化规律是任意的。随动控制系统就是要使空气量跟随燃料量的变化自动控制空气量的大小，达到加热炉最佳燃烧。第32页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.5过程控制系统的性能指标1.过程控制系统运行的两种状态稳态：此时系统没有受到任何外来干扰或外来干扰恒定，同时给定值亦保持不变，因而被控参数也不会随时间变化，整个系统处于稳定平衡的工况。动态：当系统受到变化的外来干扰的影响或者在改变了给定值后，原来的稳态遭到破坏，系统中各组成部分的输入输出量都相继发生变化，被控参数也将偏离原稳态值而随时间变化。

第33页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.5过程控制系统的性能指标2.过程控制系统的评价动态过程：从一个稳态到达另一个稳态的历程称为过渡过程。系统性能评价：主要看它受到外来扰动作用或给定值

发生变化后，能否快速地、准确地、

平稳地（非剧烈振荡）回复（趋近）

到原（新）给定值上。评价指标：系统阶跃响应性能指标偏差积分性能指标

第34页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.5过程控制系统的性能指标2.过程控制系统的评价（1）系统阶跃响应性能指标a.余差（静态偏差、残差）--准确性余差是过渡过程结束后给定值与被控参数稳态值之差。（静态指标）

第35页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.5过程控制系统的性能指标2.过程控制系统的评价（1）系统阶跃响应性能指标b.衰减比n（衰减率φ）--稳定性两个相邻的同向波峰值之比:n=B1/B2(注意都是相

对于稳态值的大小)n大—振荡剧烈n小—稳定性高

第36页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.5过程控制系统的性能指标2.过程控制系统的评价（1）系统阶跃响应性能指标c.衰减率φ--快速性衰减率定义为一个周期后波动幅度衰减的程度。衰减比与衰减率的单值对应关系，如衰减比为4：1

或10：1时，则衰减率为0.75或0.9。

φ=(B1-B2)/B2第37页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.5过程控制系统的性能指标2.过程控制系统的评价（1）系统阶跃响应性能指标d.最大动态偏差及超调量—被控参数偏离给定值程度系统第一个峰值超出稳态值的幅度。超调量

第38页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.5过程控制系统的性能指标2.过程控制系统的评价（1）系统阶跃响应性能指标e.过渡过程时间ts—衡量快速性扰动后，被控量进入新的稳态值的±5%的范围内所

经历的时间

注：性能指标之间的矛盾精度高，不稳定；稳定性好，快速性差；分清主次，对主要的控制指标优先保证。第39页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.5过程控制系统的性能指标2.过程控制系统的评价（2）偏差积分性能指标过渡过程中，被控量偏离其新稳态值的误差沿时间轴的积分。可见，无论误差幅度大，还是时间长，都会使积分增大，所以它是综合指标。a.偏差绝对值积分（IAE）

第40页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.5过程控制系统的性能指标2.过程控制系统的评价（2）偏差积分性能指标b.偏差绝对值与时间乘积积分（ITAE）

抑制过渡过程时间，突出快速性c.偏差平方值积分（ISE）

抑制过渡过程中大的偏差

第41页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.5过程控制系统的性能指标2.过程控制系统的评价（2）偏差积分性能指标d.时间乘偏差积分（ITSE）

抑制过渡过程中大的偏差和过渡时间过长。不同积分指标对动态过渡过程的要求侧重点不同。

第42页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.6过程控制的特点连续生产过程的自动控制--被控量需要定量控制且连续可调过程控制一般是指连续生产过程的自动控制，其被控量需定量地控制，而且应是连续可调的。2.系统由被控过程和自动化仪表组成

过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表（电动仪表、气动仪表、模拟仪表、智能仪表等）和电子计算机（看作一台仪表)等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动监测、自动控制。过程检测控制仪表包括检测元件、变送器、调节器（包括计算机）、调节阀等。第43页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.6过程控制的特点3.被控过程（对象）是非电量的被控过程复杂多样，如石油化工过程中的精馏塔、化学反应器、流体传输设备；热工过程中的锅炉、热交换器；冶金过程中的转炉、平炉；机械工业中的热处理炉等。涉及石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、制药等行业。这些生产过程，往往采用物理量和化学量（如温度、压力、流量、液位、成分、PH值等）来表征生产过程是否正常，因此需要对上述过程参数进行自动检测和自动控制，故过程控制多为非电量控制。第44页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.6过程控制的特点4.控制过程多为慢过程的参量控制由于被控过程具有大惯性、大滞后（大延迟）等特性，因此决定了过程控制的控制过程多为慢过程。它的动态特性多数具有大惯性、大滞后、非线性特性。有些机理复杂（如发酵、生化过程等）的过程至今尚未被人们所认识，所以很难用目前机理建模方法建立起精确的数学模型，因此设计能适应各种过程的控制系统并非易事。第45页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.6过程控制的特点5.控制方案丰富过程控制系统的设计是