過程控制工程

過程控制工程第一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五2關(guān)于本課程的說明第一章緒論

過程控制的任務(wù)和要求過程控制的基本問題專業(yè)知識結(jié)構(gòu)過程控制系統(tǒng)的基本概念第二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五3案例第三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五4案例第四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五5案例第五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五6案例第六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五7案例第七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五8案例第八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五9案例第九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五10案例第十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五11第一節(jié)自動化專業(yè)的知識結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識層控制知識層系統(tǒng)知識層1個知識領(lǐng)域6個知識領(lǐng)域1個知識領(lǐng)域第十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五12一、基礎(chǔ)知識層數(shù)理與機(jī)電基礎(chǔ)知識領(lǐng)域知識單元：◆數(shù)學(xué)◆物理◆系統(tǒng)科學(xué)◆管理科學(xué)◆電工電子基礎(chǔ)◆機(jī)械工程基礎(chǔ)◆計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)及語言◆微機(jī)原理第十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五13二、控制知識層的知識領(lǐng)域6個知識領(lǐng)域傳感與檢測：信息獲取通信與網(wǎng)絡(luò)：信息傳輸計(jì)算與處理：信息處理控制與智能：信息控制執(zhí)行與驅(qū)動：信息應(yīng)用模型與仿真：第十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五14控制知識層的知識單元傳感與檢測傳感器、自動檢測技術(shù)、測量信號處理等

通信與網(wǎng)絡(luò)通信原理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、自動化系統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線技術(shù)、組態(tài)技術(shù)應(yīng)用、多媒體技術(shù)等。第十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五15計(jì)算與處理

面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)、大型數(shù)據(jù)庫、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)等控制與智能

自動控制原理、現(xiàn)代控制理論、模糊控制技術(shù)、智能控制技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)、系統(tǒng)工程導(dǎo)論等

第十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五16執(zhí)行與驅(qū)動自動化儀表、電力電子技術(shù)、電源變換與控制等

模型與仿真

MATLAB程序設(shè)計(jì)、虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用、CAD仿真技術(shù)等

第十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五17三、系統(tǒng)知識層系統(tǒng)與工程

知識領(lǐng)域知識單元：◆運(yùn)動控制系統(tǒng)◆過程控制系統(tǒng)◆集散控制系統(tǒng)第十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五18反映自動化專業(yè)特點(diǎn)的知識領(lǐng)域傳感與檢測控制與智能執(zhí)行與驅(qū)動模型與仿真系統(tǒng)與工程第十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五19自動化專業(yè)中的核心知識控制與智能模型與仿真系統(tǒng)與工程第十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五20專業(yè)知識體系◆以電力電子、變頻技術(shù)為核心的運(yùn)動控制技術(shù)◆以微處理器芯片與接口技術(shù)為核心的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)?！粢宰詣訖z測、標(biāo)準(zhǔn)工控設(shè)備為核心的過程控制技術(shù)?！粢跃W(wǎng)絡(luò)通信、電子技術(shù)為核心的信息技術(shù)，包括對信息的獲取、處理、傳輸和信息挖掘等技術(shù)的綜合應(yīng)用。第二十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五21第二節(jié)過程控制系統(tǒng)的基本概念控制(control)：人們?yōu)榱诉_(dá)到某種目的而采取的行動，叫做控制，它分為人工控制和自動控制。過程(process)：過程本身的含義是非常廣泛的，可以指某個工程系統(tǒng)、某個生物學(xué)系統(tǒng)，也可以指某個經(jīng)濟(jì)的或社會系統(tǒng)。本課程所說的過程主要指工業(yè)過程，例如加熱爐、化工裝置、鍋爐設(shè)備、核反應(yīng)堆、造紙?jiān)O(shè)備、換熱器等生產(chǎn)過程。第二十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五22過程與控制液位人工控制：

檢測—眼；運(yùn)算（思考）、命令—腦；執(zhí)行—手。第二十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五23過程與控制液位自動控制：

測量元件及變送器—眼；控制器—腦；執(zhí)行器—手。第二十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五24過程與控制第二十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五25過程控制及其系統(tǒng)過程控制（processcontrol)

:指石油、化工、電力、輕工、冶金、紡織、建材、原子能等工業(yè)部門生產(chǎn)過程的自動化。過程控制系統(tǒng)（processcontrolsystem):指工業(yè)生產(chǎn)過程中自動控制系統(tǒng)的被控量是溫度、壓力、流量、液位、成分、粘度和PH值等這樣一些過程變量的系統(tǒng)。第二十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五26過程控制與運(yùn)動控制的區(qū)別：過程控制——對變化緩慢信號（物理量）的控制，如溫度、壓力、流量、液位等。運(yùn)動控制——對變化較快的信號（物理量）的控制，如轉(zhuǎn)速等。第二十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五27過程控制系統(tǒng)組成組成自動化裝置被控對象測量元件與變送器控制器執(zhí)行器第二十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五28過程控制系統(tǒng)組成第二十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五29過程控制系統(tǒng)特點(diǎn)第二十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五30過程控制系統(tǒng)特點(diǎn)第三十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五31過程控制系統(tǒng)特點(diǎn)三、過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：

1、對象復(fù)雜多樣

2、對象存在滯后

3、對象特性的非線性

4、控制系統(tǒng)較復(fù)雜結(jié)論：控制方案確定、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、控制參數(shù)的整定都要以對象的特性為依據(jù)。第三十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五32第三節(jié)過程控制的基本問題控制器：系統(tǒng)運(yùn)動和作業(yè)的規(guī)劃；動力學(xué)修正，改變;閉環(huán)特征。信息檢測：傳感問題、信息處理、信息融合廣義過程：受控對象+工作環(huán)境（擾動）控制問題：對于給定的廣義過程，如何設(shè)計(jì)控制器使閉環(huán)系統(tǒng)滿足希望的性能要求?？刂破鲝V義過程信息檢測指令輸入信息反饋擾動輸出第三十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五33第四節(jié)過程控制系統(tǒng)的任務(wù)及要求一、過程控制系統(tǒng)分類按完成的功能分：比值、均勻、分程和選擇性控制系統(tǒng)。按被控參數(shù)的名稱分：溫度、壓力、流量、液位等。按調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律分：P、PI、PD、PID等。按被控量的多少分：單變量和多變量控制系統(tǒng)。按采用控制儀表和計(jì)算機(jī)來分：儀表過程控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)。第三十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五34按過程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來分：（1）反饋控制系統(tǒng)（2）前饋控制系統(tǒng)（3）前饋-反饋控制系統(tǒng)第三十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五35按給定值信號的特點(diǎn)來分類：（1）定值控制系統(tǒng)（2）程序控制系統(tǒng)（3）隨動控制系統(tǒng)第三十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五36定值控制系統(tǒng)：系統(tǒng)被控量的給定值保持在規(guī)定值不變，或在小范圍變化。控制的目的是使被控量保持定值，或在小范圍變化。程序控制系統(tǒng)：被控量的給定值按預(yù)定的時間程序變化工作的，控制的目的就是使系統(tǒng)被控量按工藝要求規(guī)定的程序自動變化。隨動控制系統(tǒng)：被控量的給定值隨時間任意變化的控制系統(tǒng)。主要作用是克服一切擾動，使被控量快速跟隨給定值變化。第三十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五37二、過程控制發(fā)展概況20世紀(jì)40年代前后，處于手動狀態(tài)，從50年代前后開始，劃分為如下幾個階段：50年代前后——第一階段，實(shí)現(xiàn)了儀表和局部自動化，主要特點(diǎn)：（1）儀表為氣動式，普遍采用基地式儀表和部分單元組合儀表；（2）單輸入單輸出系統(tǒng)；（3）被控參數(shù)主要是溫度、壓力、流量、液位；（4）控制的目的是保證參數(shù)穩(wěn)定，消除或減小擾動；（5）控制理論：頻率法和根軌跡法。第三十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五3860年代——第二階段，電子技術(shù)迅速發(fā)展。特點(diǎn)：（1）大量采用氣動和電動單元組合儀表；（2）計(jì)算機(jī)控制技術(shù)開始應(yīng)用——DDC系統(tǒng)和SPC系統(tǒng)；（3）復(fù)雜控制開始開發(fā)應(yīng)用——串級控制、前饋-反饋控制、比值控制、分程控制、選擇性控制；（4）控制理論——現(xiàn)代控制理論開始應(yīng)用，由單變量轉(zhuǎn)入多變量（由于建模困難，應(yīng)用較少）；（5）集中控制實(shí)現(xiàn)：

第三十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五391）隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，操作人員需了解多點(diǎn)信息，需按多點(diǎn)信息進(jìn)行操作控制，于是出現(xiàn)了氣動、電動單元組合儀表和集中控制室?，F(xiàn)場的0.02MPa、0~10mA、4~20mA、1~5V的信號送到集中控制室，操作人員可在控制室了解現(xiàn)場狀況；2）由于模擬信號的傳遞是一對一的物理連接，信號變化緩慢，提高精度、速度難度大，于是出現(xiàn)了直接數(shù)字控制（DDC）；3）但是由于計(jì)算機(jī)技術(shù)不發(fā)達(dá)，人們企圖用一臺計(jì)算機(jī)取代所有的儀表盤，出現(xiàn)了集中式數(shù)字控制。

致命的問題：由于可靠性差，一旦出現(xiàn)故障，全部癱瘓。第三十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五4070年代——第三階段，大規(guī)模集成電路研制成功，微處理器問世，進(jìn)入計(jì)算機(jī)時代。特點(diǎn)：（1）集中控制、多參數(shù)控制、多臺計(jì)算機(jī)控制和經(jīng)營管理；（2）智能單元組合儀表；（3）在線成分檢測與數(shù)據(jù)處理的測量變送器的應(yīng)用；（4）DDZ儀表品種增多，可靠性加強(qiáng)；（5）70年代中期出現(xiàn)了集散控制系統(tǒng)。第四十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第四十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五4280年代以后——第四階段，主要特點(diǎn)：（1）控制理論方面：解決了多變量控制問題（包括線性系統(tǒng)、時變系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、微分-差分系統(tǒng)等），智能控制算法（包括專家系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、過程監(jiān)督和在線診斷等）在復(fù)雜過程控制系統(tǒng)中應(yīng)用；（2）出現(xiàn)了集中、遠(yuǎn)動控制中心——包括先進(jìn)的管理系統(tǒng)、調(diào)度、優(yōu)化等，柔性化、分散化和集成化的綜合自動化系統(tǒng)被應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)過程。第四十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五4390年代以后——第五階段，主要特點(diǎn)：（1）工廠綜合自動化技術(shù)的應(yīng)用；（2）現(xiàn)場總線控制技術(shù)的應(yīng)用；（3）智能控制得到了廣泛的應(yīng)用；（4）各種工控設(shè)備（如PLC、變頻器、直流調(diào)速器、控制儀表、檢測變送儀表等）功能更加強(qiáng)大，并且?guī)в型ㄓ嵔涌?。第四十三頁，共五十三頁，編輯?023年，星期五第四十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五45綜合自動化：在自動化技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制和各種生產(chǎn)加工技術(shù)的基礎(chǔ)上，從生產(chǎn)過程的全局出發(fā)，通過生產(chǎn)活動所需的各種信息集成，把控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理、經(jīng)營、決策融為一體，形成一個能適應(yīng)各種生產(chǎn)環(huán)境的市場需求、多變性的、總體最優(yōu)的高質(zhì)量、高效益、高柔性的管理生產(chǎn)系統(tǒng)——管控一體化?，F(xiàn)場總線（FCS）：將CPU置入控制儀表中，具備數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通訊能力，采用簡單連接的雙絞線作為總線，將多個控制儀表連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。是一種公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案。集散控制系統(tǒng)（DCS）：測量變送儀表一般為模擬儀表，一般為摸數(shù)字混合系統(tǒng)。存在的主要問題是各廠家產(chǎn)品自成系統(tǒng)，不能互換，不能共享。第四十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五46三、過程控制系統(tǒng)的要求：

安全性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性四、過程控制系統(tǒng)的任務(wù)：

過程控制是控制理論、工藝知識、計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器儀表等知識相結(jié)合而構(gòu)成的一門應(yīng)用科學(xué)，所以其任務(wù)是：在了解、熟悉、掌握生產(chǎn)工藝流程與生產(chǎn)過程的靜態(tài)和動態(tài)特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)工藝要求，應(yīng)用控制理論、現(xiàn)代控制技術(shù)，分析、設(shè)計(jì)、整定過程控制系統(tǒng)。第四十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五47思考:系統(tǒng)解決方案1計(jì)劃2執(zhí)行3檢查4修正控制也是一種PDCA循環(huán)第四十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五48系統(tǒng)解決方案系統(tǒng)發(fā)展大環(huán)帶小環(huán)周而復(fù)始階梯式上升第四十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五49過程控制系統(tǒng)展望

目標(biāo)方向：

全局控制

最優(yōu)控制

控制管理一體化最終達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的控制目標(biāo)第四十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五50第五節(jié)關(guān)于本課程的說明課程性質(zhì)：本課程是自動化專業(yè)的主干專業(yè)課。開課目的：過程控制是控制理論、生產(chǎn)工藝、計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器儀表技術(shù)等相結(jié)合的一門綜合性應(yīng)用學(xué)科，是國家高科技的重要組成部分，因此，作為從事自動化專業(yè)的技術(shù)人員，都擔(dān)負(fù)著應(yīng)用本學(xué)科、發(fā)展本學(xué)科的義務(wù)。第五十頁，共