第1章-過程控制系統(tǒng)概述

ProcessControlSystem

過程控制系統(tǒng)

主講：左燕課程特點(diǎn)課程目的本次課程學(xué)習(xí)需要掌握以下內(nèi)容控制策略與參數(shù)整定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與投運(yùn)典型流程方案設(shè)計(jì)面向?qū)嶋H應(yīng)用的技術(shù)性課程流體輸送設(shè)備（自學(xué)）鍋爐設(shè)備（6學(xué)時）精餾塔（6學(xué)時）化學(xué)反應(yīng)器（自學(xué)）模塊3：典型單元操作的控制

（ControlSystemsofTypicalEquipment）-15學(xué)時均勻控制(3學(xué)時)模塊2：復(fù)雜控制系統(tǒng)

（ComplexControl）-18學(xué)時串級控制(3學(xué)時)

比值控制(3學(xué)時)前饋控制(3學(xué)時)

選擇控制(3學(xué)時)分程控制(3學(xué)時)簡單控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)(3學(xué)時)過程對象特性(3學(xué)時)檢測變送器和執(zhí)行器(3學(xué)時)控制器設(shè)計(jì)（6學(xué)時）模塊1：簡單控制系統(tǒng)

（SimpleControl）-15學(xué)時被控對象測量變送器控制器執(zhí)行器被控變量設(shè)定值簡單控制復(fù)雜控制傳熱設(shè)備（3學(xué)時）課程內(nèi)容參考書目自動化儀表與過程控制施仁等電子工業(yè)出版社過程控制系統(tǒng)俞金壽機(jī)械工業(yè)出版社過程控制金以慧清華大學(xué)出版社化工過程控制系統(tǒng)王驥程化學(xué)工業(yè)出版社工業(yè)過程控制過程王樹青化學(xué)工業(yè)出版社考核方式考試成績：70%平時成績：30%第一章

過程控制系統(tǒng)概述主要內(nèi)容控制系統(tǒng)概述控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)描述基本概念過程(Process)過程控制(ProcessControl)在某些單元或設(shè)備上進(jìn)行化學(xué)或物理反應(yīng)，將原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的過程。生產(chǎn)過程可分為：連續(xù)、離散、間歇生產(chǎn)過程凡是采用數(shù)字或模擬控制方式對生產(chǎn)過程的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動控制統(tǒng)稱為過程控制。過程控制系統(tǒng)中主要的被控物理量有：溫度(T)、壓力(P)、流量(F)、液位(L)、成分等。工業(yè)過程原材料合格產(chǎn)品理想條件干擾產(chǎn)品？控制過程控制工業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)在可能獲得的原料和能源條件下，以最經(jīng)濟(jì)的途徑將原材料加工成預(yù)期的合格產(chǎn)品。工業(yè)過程控制系統(tǒng)生產(chǎn)目標(biāo)安全性經(jīng)濟(jì)性平穩(wěn)性工業(yè)生產(chǎn)過程（石油、化工、電力、冶金、機(jī)械、紡織等）原材料產(chǎn)品能源副產(chǎn)品、廢棄物確保生產(chǎn)過程中人身與設(shè)備的安全實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化或操作成本的最小化抑制外部干擾，保持生產(chǎn)過程長期穩(wěn)定運(yùn)行的能力典型的流程工業(yè)化工過程–煉油廠催化裂化裝置-精餾塔精餾塔過程工藝精餾塔過程控制設(shè)計(jì)加熱器（再沸器）再沸器TT熱工過程–火力發(fā)電廠送風(fēng)機(jī)一次風(fēng)機(jī)引風(fēng)機(jī)煙囪省煤器除灰系統(tǒng)磨煤機(jī)鍋爐GHPIPLPLP電汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)煤蒸汽煙氣水火力發(fā)電廠示意圖過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及特點(diǎn)過程控制系統(tǒng)特點(diǎn)生產(chǎn)過程的連續(xù)性

在過程控制系統(tǒng)中，大多數(shù)被控過程都是以長期的或間歇形式運(yùn)行，在密閉的設(shè)備中被控變量不斷的受到各種擾動的影響。被控過程的復(fù)雜性過程控制涉及范圍廣，被控對象較復(fù)雜

控制方案的多樣性

過程控制系統(tǒng)的控制方案非常豐富過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r過程控制系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r20世紀(jì)40年代手工操作狀態(tài)，只有少量的檢測儀表用于生產(chǎn)過程。20世紀(jì)40年代末～50年代過程控制系統(tǒng)：多為單輸入、單輸出簡單控制系統(tǒng)SISO自動化儀表：采用的是基地式儀表和部分單元組合儀表（氣動Ⅰ

型和電動Ⅰ型）；控制理論：以反饋為中心的經(jīng)典控制理論過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r20世紀(jì)60年代：過程控制系統(tǒng)：串級、比值、均勻、前饋和選擇性等多種復(fù)雜控制系統(tǒng)。自動化儀表：單元組合儀表（氣動Ⅱ型和電動Ⅱ型）成為主流產(chǎn)品。60年代后期，出現(xiàn)了專門用于過程控制的小型計(jì)算機(jī)，直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)和監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)開始應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域。控制理論：出現(xiàn)了以狀態(tài)空間方法為基礎(chǔ)，以極小值原理和動態(tài)規(guī)劃等最優(yōu)控制理論為基本特征的現(xiàn)代控制理論,傳統(tǒng)的單輸入單輸出系統(tǒng)發(fā)展到多輸入多輸出系統(tǒng)領(lǐng)域?？刂评碚摚盒纬闪舜笙到y(tǒng)理論和智能控制理論，模糊控制，專家系統(tǒng)控制20世紀(jì)70～80年代過程控制系統(tǒng)：最優(yōu)控制、非線性分布式參數(shù)控制、解耦控制、模糊控制自動化儀表：氣動Ⅲ型和電動Ⅲ型，以微處理器為主要構(gòu)成單元的智能控制裝置。集散控制系統(tǒng)（DCS）、可編程邏輯控制器(PLC)、工業(yè)PC機(jī)、和數(shù)字控制器等，已成為控制裝置的主流。過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r控制理論：人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制20世紀(jì)90年代至今：信息技術(shù)飛速發(fā)展過程控制系統(tǒng)：管控一體化現(xiàn)場，綜合自動化是當(dāng)今生產(chǎn)過程控制的發(fā)展方向。自動化儀表：總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，引起過程控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)上的重大變革?，F(xiàn)場儀表的數(shù)字化和智能化，形成了真正意義上的全數(shù)字過程控制系統(tǒng)。各種智能儀表、變送器、無紙紀(jì)錄儀過程控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r過程控制系統(tǒng)分類按功能分自動檢測系統(tǒng)：檢測、顯示、記錄、報警自動控制系統(tǒng)：檢測、控制、顯示、記錄、報警

自動操作系統(tǒng)：順序控制按結(jié)構(gòu)分開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)按給定類型分定值控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)分類根據(jù)設(shè)定值分為定值控制系統(tǒng)，隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng)

特點(diǎn)：設(shè)定值是固定不變的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。

作用：克服擾動的影響，使被控變量保持在工藝要求的數(shù)值上特點(diǎn)：設(shè)定值是一個未知的變化量的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱為隨動控制系統(tǒng)。

作用：以一定的精度跟隨設(shè)定值的變化而變化隨動控制系統(tǒng)

程序控制系統(tǒng)

特點(diǎn)：設(shè)定值是變化的，且按一定時間程序變化的時間函數(shù)

作用：以一定的精度跟隨設(shè)定值的變化而變化過程控制系統(tǒng)分類按復(fù)雜程度分簡單單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)均勻調(diào)節(jié)系統(tǒng)分程調(diào)節(jié)系統(tǒng)選擇調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要內(nèi)容控制系統(tǒng)概述控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)描述例1-水罐液位控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)

控制目標(biāo)：保持水罐液位恒定(1)

被控變量：(2)

設(shè)定值：(3)

操縱變量：(4)

擾動變量：水罐液位h期望液位hsp進(jìn)水量Qi出水量Qo例1-水罐液位控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)

1、人工控制方法人眼人腦人手1）檢測——用眼睛觀察高低，并通過神經(jīng)系統(tǒng)告訴大腦2）運(yùn)算——大腦思考后得出偏差值，再根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)，決策后發(fā)出命令3）執(zhí)行——根據(jù)大腦發(fā)出的命令，手去改變閥門開度。人工調(diào)節(jié)水位示意圖

2、自動控制方式變送器控制器執(zhí)行器自動化裝置檢測/變送器——代替人眼控制器——代替人腦執(zhí)行器——代替人手自動化裝置例1-水罐液位控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)典型液位控制系統(tǒng)典型液位控制系統(tǒng)組成：液罐液位測量變送器(LT)液位控制器(LC)

控制閥汽包鍋爐人工給水汽包W給水給水調(diào)節(jié)閥省煤器水冷壁過熱器水位計(jì)蒸汽Dh汽包鍋爐自動調(diào)節(jié)給水w蒸汽D測量單元調(diào)節(jié)單元給定單元執(zhí)行單元汽包鍋爐給水自動調(diào)節(jié)示意圖h例2-蒸汽加熱器控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)冷凝水溫度檢測/變送器溫度控制器執(zhí)行器

控制目標(biāo)：保持物料出口溫度恒定(1)

被控變量：(2)

設(shè)定值：(3)

操縱變量：(4)

擾動變量：物料出口溫度T期望溫度Tsp蒸汽流量Rv蒸汽閥前壓力、物料進(jìn)料流量RF、進(jìn)料溫度Ti等例2-典型溫度控制系統(tǒng)典型溫度控制系統(tǒng)組成：加熱器（加熱爐）溫度測量變送器(TT)溫度控制器(TC)

控制閥冷凝水溫度檢測/變送器溫度控制器調(diào)節(jié)閥

過程控制系統(tǒng)檢測元件和變送器控制器（調(diào)節(jié)器）執(zhí)行器檢測被控變量，將檢測信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號將檢測變送單元的輸出信號與設(shè)定值進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差,然后按照預(yù)先選定的控制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果作為控制信號送給執(zhí)行裝置接受控制器的輸出信號，直接推動被控對象，改變操縱變量簡單控制系統(tǒng)的組成被控對象（被控過程）被控制的生產(chǎn)設(shè)備或裝置過程控制系統(tǒng)基本術(shù)語術(shù)語：被控變量、設(shè)定值、控制變量、操縱變量、擾動變量被控變量(ControlledVariable,CV)也稱受控變量、過程變量(ProcessVariable,PV)被控對象需要維持在理想值的工藝參數(shù)，如液罐液位、熱交換器工藝介質(zhì)出口溫度、泵出口壓力、泵出口流量等。常用被控變量：溫度、壓力/差壓、液位/料位、流量、成分含量被控變量設(shè)定值(Setpoint,SP)

也稱給定值

(SetpointValue,SV)

被控變量要求達(dá)到的期望值，作為控制器的參考輸入信號

常用其對應(yīng)的電量或相對百分比來表示，便于與被控變量的測量值進(jìn)行比較

設(shè)定值操縱變量&控制變量操縱變量(ManipulatedVariable,MV)執(zhí)行器可控制、對被控變量有直接影響的物理量常見為一些工藝介質(zhì)流量，如蒸汽流量、出料流量、回流流量等控制變量控制器的輸出電信號，即執(zhí)行器的輸入信號擾動變量擾動變量(DisturbanceVariable,DV)導(dǎo)致被控變量偏離設(shè)定值的輸入變量

如蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)，擾動變量：蒸汽閥前壓力、工藝介質(zhì)進(jìn)料流量、進(jìn)料溫度和組成等過程控制系統(tǒng)的組成基本組成：被控對象、測量變送單元、控制器、執(zhí)行器練習(xí)–泵流量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工藝要求：為保證平穩(wěn)生產(chǎn)，希望流體的輸送量保持恒定。調(diào)節(jié)原理：通過調(diào)節(jié)控制閥的開啟度，以改變相關(guān)管路的阻力系數(shù)，以控制管道流量。試設(shè)計(jì)一個流量控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可測間接變量(1)確定被控參數(shù)（即測量變量）PV靈敏度高、代價小與生產(chǎn)過程工藝質(zhì)量有單值關(guān)系最好是直接代表生產(chǎn)過程的工藝質(zhì)量參數(shù)如化學(xué)反應(yīng)器輸出物料成分(2)確定控制量MV工藝上易于控制、靈敏度高、對被控參數(shù)反應(yīng)迅速、符合工藝要求如化學(xué)反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(3)確定測量、控制點(diǎn)：即檢測儀表、執(zhí)行儀表的安裝地點(diǎn)，符合工藝要求。(4)認(rèn)識工藝流程對象，確定調(diào)節(jié)回路和控制方案(5)確定調(diào)節(jié)算法(6)整定調(diào)節(jié)算法參數(shù)單元組合控制儀表儀表實(shí)現(xiàn)與信號連接T(t)溫度℃電阻Ω電流4-20mA電流4-20mA電流4-20mA氣壓0.02-0.10MPa蒸汽量T/hr電流4-20mA加熱器熱電阻溫度變送器TT溫度控制器TC電-氣轉(zhuǎn)化器氣動調(diào)節(jié)閥恒流給定器手操器記錄儀外部擾動手動/自動加熱器溫度控制系統(tǒng)過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成主要內(nèi)容控制系統(tǒng)概述控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)描述工藝控制流程圖方框圖控制系統(tǒng)的兩種表示形式(1)工藝控制流程圖（帶控制點(diǎn)的工藝流程圖）用自控工程設(shè)計(jì)的文字符號和圖形符號在生產(chǎn)工藝流程圖上描述出生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)，有如下要素：1、測量點(diǎn)、控制點(diǎn)2、測量變量、控制變量、監(jiān)測與操縱變量3、檢測儀表、執(zhí)行器、控制器（如調(diào)節(jié)器、數(shù)字調(diào)節(jié)器、DCS等）、其他輔助儀表4、控制方案（單回路、復(fù)雜控制回路、監(jiān)視與操作）

實(shí)例-鍋爐液位控制系統(tǒng)變送器控制器執(zhí)行器自動化裝置實(shí)例-鍋爐液位控制系統(tǒng)

1.帶控制點(diǎn)流程圖用文字符號和圖形符號在工藝流程圖上描述生產(chǎn)過程自動控制的原理圖小圓圈表示儀表第一字母表示被測變量后續(xù)字母表示儀表功能工藝控制流程圖-常用圖形符號1各種測量點(diǎn)通用表示方法

熱電偶

熱電阻

節(jié)流元件

取壓點(diǎn)測量點(diǎn)檢測儀表：各種變送器的通用表示方法工藝控制流程圖-常用圖形符號2記錄儀表操作器就地安裝就地集中盤面、盤后安裝控制室盤面、盤后安裝顯示儀表控制器工藝號回路順序號工藝控制流程圖-常用圖形符號3直通閥（單座，雙座）

三通閥

蝶閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥組合

氣閉式氣動薄膜調(diào)節(jié)閥

氣開式氣動薄膜調(diào)節(jié)閥帶閥門定位器的氣動薄膜調(diào)節(jié)閥閥

角閥

執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)

字

母第一位字母后繼字母被測變量或初始變量修飾詞功能A

分析報警B

噴火焰

C電導(dǎo)率

控制（調(diào)節(jié)）D

密度或相對密度差E電壓或電勢檢測元件F

流量

比（分?jǐn)?shù)）G長度波動H手動I

電流指示J功率

掃描NO節(jié)流孔工藝控制流程圖-常用字母符號1字

母第一位字母后繼字母被測變量或初始變量修飾詞功能P壓力（或真空）積分計(jì)算試驗(yàn)點(diǎn)（接頭）Q數(shù)量或件數(shù)積分，積算R放射性記錄或打印S速度或頻率安全開關(guān)或聯(lián)鎖T溫度傳送U變量多功能V粘度閥（擋板）W變量或力套管K時間或時間程序自動-手動操作器L物位（液位）指示燈M水分或濕度Z位置驅(qū)動,執(zhí)行或未分類的執(zhí)行器XY繼動器或計(jì)算器工藝控制流程圖-常用字母符號2工藝控制流程圖-常用符號被控變量

液位L、溫度T、流量F、壓力P功能

變送T、控制C、顯示I、報警A實(shí)例–蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)冷凝水溫度檢測/變送器溫度控制器執(zhí)行器實(shí)例–泵流量控制系統(tǒng)流量檢測/變送器流量控制器執(zhí)行器控制系統(tǒng)的兩種表示形式(2)方框圖方框、信號線、比較點(diǎn)、引出點(diǎn)組成控制系統(tǒng)或系統(tǒng)中每個環(huán)節(jié)的功能和信號流向的圖解表示帶有輸入輸出信號的方框比較點(diǎn)分支點(diǎn)

在自動控制系統(tǒng)中，為了表達(dá)清楚一個自動控制系統(tǒng)各個組成環(huán)節(jié)之間的相互影響和信號聯(lián)系，便于對系統(tǒng)分析研究，用方塊圖來表示控制系統(tǒng)的組成。圖中每一