鄭州大學電氣工程 過程控制1過程控制的緒論

ProcessControlZhengZhouUniversityLiXiaoyuanE-mail:lixiaoyuan@過程控制主講：李曉媛E-mail:lixiaoyuan@Tel修課程模擬電路檢測與轉(zhuǎn)換技術電力電子電機拖動自動控制原理微機接口技術計算機控制原理主要參考資料邵裕森、戴先中，過程控制工程（第2版）[M]，機械工業(yè)出版社，2000涂植英、朱麟章，過程控制系統(tǒng)，機械工業(yè)出版社，1988劉元楊，自動檢測和過程控制，冶金工業(yè)出版社，2003金以慧，過程控制，清華大學出版社，1998施仁，自動化儀表與過程控制，電子工業(yè)出版社，2003CurtisJohnson，ProcessControlInstrumentationTechnology(6th)，PearsonEducation目錄第1章緒論第2章過程控制建模和過程檢測儀表第3章簡單控制系統(tǒng)——單回路控制系統(tǒng)的工程設計第4章復雜控制系統(tǒng)第5章先進過程控制技術補充：過程控制系統(tǒng)應用實例第1章緒論討論的問題：

作業(yè)一、什么叫過程控制?過程控制的目的？二、過程控制的發(fā)展經(jīng)歷了哪幾個階段？

三、過程控制有哪些主要特點？四、過程控制系統(tǒng)設計的主要內(nèi)容有哪些？

五、過程控制系統(tǒng)有哪些主要類型？六、過程控制系統(tǒng)的性能指標？一、什么叫過程控制?

過程控制（Processcontrol）是指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動控制。石油、化工、水利、電力、冶金、輕工、紡織、制藥、建材、核能、環(huán)境工程等許多領域的自動控制系統(tǒng)，都屬于過程控制系統(tǒng)。連續(xù)生產(chǎn)過程的特征是：生產(chǎn)過程中的各種流體，在連續(xù)（或間歇）的流動過程中進行著物理化學反應、物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)換或傳遞。

過程控制目的

抑制外界擾動的影響；確保過程的穩(wěn)定性；使生產(chǎn)過程的工況最優(yōu)化。從而達到：實現(xiàn)安全運行；提高產(chǎn)品產(chǎn)量；保證產(chǎn)品質(zhì)量；節(jié)能降耗；改善勞動條件；保護環(huán)境衛(wèi)生；提高管理水平等。圖1為人工控制室溫。假設在冬季，室內(nèi)加溫是通過熱水加熱器，將送風加熱后源源不斷送往恒溫室。為保證恒溫室溫符合要求，操作人員要隨時觀察溫度計的指示值，并隨時判斷和決定如何操作閥門來保證恒溫要求，然后進行操作。

在此人的作用可分為三步：

眼看

腦想

手動送風回風恒溫室溫度計閥門圖1室溫人工控制示意圖過程控制認識

1眼看——用傳感器或變送器將溫度信號轉(zhuǎn)換為控制器可接受的信號。腦想——控制器將輸入的實測溫度信號和要求值進行比較（相減求偏差),并按偏差值計算出控制量。手動——人工閥門換成控制閥，按控制信號自動改變開度。人工控制受制于人的經(jīng)驗和注意力，控制不精確。而自動控制按設定好的方案進行計算控制，可以做到精確的、恰當?shù)目刂啤?/p>

過程控制系統(tǒng)的定義：

為實現(xiàn)對某個工藝參數(shù)的自動控制，由相互聯(lián)系、制約的一些儀表、裝置及工藝對象、設備構成的一個整體。圖2為室溫自動控制系統(tǒng)，自動化儀表代替了人?；仫L恒溫室23送風熱水M回水41圖2室溫自動控制系統(tǒng)示意圖1—熱水加熱器；3—控制器；2—傳感變送器；4—執(zhí)行器TCTT給定值在討論控制系統(tǒng)工作原理時，為清楚地表示自動控制系統(tǒng)各組成部分的作用及相互關系，一般用原理框圖來表示控制系統(tǒng)。如圖2的室溫控制系統(tǒng)是由溫度變送器、控制器、電動調(diào)節(jié)閥和加熱器及房間組成。給定值被控變量干擾f

控制器變送器調(diào)節(jié)閥加熱器及房間

+e實測值－用通用名稱表示為：

給定值被控變量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對象+e實測值－過程控制系統(tǒng)的主要任務是：對生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)（溫度、壓力、流量、物位、成分、濕度等）進行控制，使其保持恒定或按一定規(guī)律變化。過程控制系統(tǒng)原理方框圖發(fā)電廠過程控制認識

2磨礦工藝中，每個球磨系列由給礦機給礦，以前由人工觀察給礦量，靠機械調(diào)整給礦口大小控制礦量，給礦量波動較大，難以穩(wěn)定。

為穩(wěn)定入磨礦量，在給礦皮帶上安裝皮帶秤，根據(jù)皮帶秤檢測的礦量對給礦機進行變頻調(diào)節(jié)。

球磨過程控制

二、過程控制經(jīng)歷了哪幾個發(fā)展階段？主要特點：（1）基地式儀表和部分單元組合儀表，大多為氣動儀表；（2）單輸入－單輸出控制系統(tǒng)；（3）保持溫度、壓力、流量、液位等工藝參數(shù)的穩(wěn)定，確保生產(chǎn)安全運行；（4）分析和綜合的理論基礎為經(jīng)典控制理論。展示儀表圖片：

過程控制的發(fā)展歷程，就是過程控制裝置（自動化儀表）與系統(tǒng)的發(fā)展歷程。1、儀表化與局部自動化階段(50~60年代)基地式儀表

一般與檢測裝置、顯示裝置一起組裝在一個整體之內(nèi)同時具有檢測、控制與顯示的功能結構簡單、價格低廉、使用方便通用性差，信號不易傳遞一般應用于簡單控制系統(tǒng)中。

基地式儀表(壓力控制器）基地式儀表(壓力控制器）基地式儀表(溫度控制器）1988年由我國中建三局承建巴基斯坦賈姆肖羅電廠

，裝機容量為4x21萬千瓦油氣雙燃料火力發(fā)電機組，占地面積14平方公里。

巴基斯坦賈姆肖羅電廠

二、過程控制經(jīng)歷了哪幾個發(fā)展階段？

2、綜合自動化階段(60~70年代中期)主要特點：（1）單元組合儀表和組裝式儀表，計算機開始被應用，出現(xiàn)了DDC和SPC；（2）各種復雜的控制系統(tǒng)的出現(xiàn)（如串級控制、前饋—反饋復合控制、Smith預估控制以及比值、均勻、選擇性控制等）；（3）分析和綜合的理論基礎發(fā)展到了現(xiàn)代控制理論。展示儀表圖片：單元組合儀表流量傳感器流量控制器執(zhí)行器單元組合式儀表將儀表按其功能分成若干單元。各個單元之間以統(tǒng)一的標準信號相互聯(lián)系。具有高度的靈活性和通用性，各個單元可以適當組合，也可與計算機等設備配合，組合各種復雜的、新型的控制系統(tǒng)。

有氣動組合儀表和電動單元組合儀表（QDZ和DDZ儀表）兩類。

氣動單元組合儀表（QDZ）采用140kPa壓縮空氣為能源，以20～100kPa標準統(tǒng)一信號輸出結構簡單、價格便宜、性能穩(wěn)定、工作可靠、安全防火防爆特別適用于石油、化工等易燃易爆場合電動單元組合儀表（DDZ）采用0-10mA或4-20mA標準統(tǒng)一信號體積小、重量輕、安裝維護方便、便于計算機接口部分儀表（如DDZ-Ⅲ型）采取了先進的安全防爆措施，能構成本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)，同樣能應用于易燃易爆場合。

電動執(zhí)行器DKJ系列電動執(zhí)行器是DDZ型電動單元組合儀表中的一個單元。它接受變送，調(diào)節(jié)等單元的信號或操作單元的手控信號，自動操作調(diào)節(jié)任務。它與DDZ型其它單元配套，廣泛地用于電力、化工、石油、冶金、礦山、輕工業(yè)等行業(yè)。溫度變送器WR、WZ型系列一體化溫度變送器是DDZ-S型電動單元組合儀表中的主要品種之一。按其測溫元件不同可分為熱電偶變送器和熱電阻變送器，通常和顯示儀表、記錄儀表、電子計算機等配套使用，輸出4-20mA。直接測量各種生產(chǎn)過程中的-200～1800℃范圍內(nèi)液體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體表面溫度。二、過程控制經(jīng)歷了哪幾個發(fā)展階段？3、全盤自動化階段(70年代中期至今)主要特點：（1）全盤自動化或管－控一體化；（2）智能單元組合儀表（如數(shù)字調(diào)節(jié)器、可編程控制器等）、電動單元儀表實現(xiàn)了本質(zhì)安全防爆；（3）定值控制－>最優(yōu)控制、自適應控制；單變量－>多變量；儀表控制－>計算機分布式控制；（4）現(xiàn)代控制理論的全面應用，先進控制策略的應用等；（5）計算機集成過程控制系統(tǒng)（DCS、FBS、CIPS）。返回數(shù)字控制儀表積木式結構部分單元采用微電腦技術，可進行數(shù)字運算可編程數(shù)字調(diào)節(jié)器（如KMM儀表）是其中最具代表性的單元儀表，特點有：內(nèi)部結構微機化；運算數(shù)字化；編程方法簡單；自整定、自診斷的功能；通訊功能。集散控制階段直接數(shù)字控制（DDC，DirectDigitalControl）系統(tǒng)的故障危險高度集中，一旦計算機出現(xiàn)故障，就會造成所有控制回路癱瘓，使生產(chǎn)過程風險加大。因此，DDC系統(tǒng)并未得到廣泛應用。80年代初，隨著計算機性能提高、體積縮小，出現(xiàn)了內(nèi)裝CPU的數(shù)字控制儀表?；凇凹泄芾恚稚⒖刂啤钡睦砟?，在數(shù)字控制儀表和計算機與網(wǎng)絡技術基礎上，開發(fā)了集中、分散相結合的集散型控制系統(tǒng)（DCS，DistributedControlSystem）。DCS系統(tǒng)實行分層結構，將控制故障風險分散、管理功能集中。得到廣泛應用。(集散控制系統(tǒng)DCS）(集散控制系統(tǒng)DCS）隨著CPU進入檢測儀表和執(zhí)行器，自動化儀表徹底實現(xiàn)了數(shù)字化、智能化?？刂葡到y(tǒng)也出現(xiàn)了由智能儀表構成的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbusControlSystem)。FCS系統(tǒng)把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能儀表便可實現(xiàn)生產(chǎn)過程的檢測、控制。而用開放的、標準化的通信網(wǎng)絡——現(xiàn)場總線，將分散在現(xiàn)場的控制系統(tǒng)的通信連接起來，實現(xiàn)信息集中管理。總結：過程控制策略與算法發(fā)展伴隨著自動化儀表的發(fā)展，過程控制策略與算法也經(jīng)歷了由簡單到復雜的發(fā)展歷程。以經(jīng)典控制理論為基礎的PID（ProportionalIntegralDerivative）控制算法，由單回路控制發(fā)展了串級控制、比值控制、前饋控制、均勻控制、Smith預估控制及選擇性控制等控制策略。隨著現(xiàn)代控制理論和人工智能技術的發(fā)展，解耦控制、推斷控制、預測控制、模糊控制、自適應控制等控制策略與算法，也日趨完善?，F(xiàn)代自動控制技術的主要特點：1、功能綜合化，控制與管理一體化已成為趨勢，其應用領域和規(guī)模越來越大。2、技術密集化、系統(tǒng)集成化，是控制技術、通訊技術、計算機技術相結合的產(chǎn)物。3、系統(tǒng)的智能化程度日益提高，控制精度越來越高，控制手段日益豐富。國內(nèi)外著名儀表生產(chǎn)企業(yè)：西安儀表廠、四川儀表公司、上海儀表公司、Foxboro、Siemens、Yokogawa、Rosemount、Honeywell等公司。西安儀表廠渭河電廠巴基斯坦古杜電廠

核電廠

新疆煉油廠

武鋼

哈爾濱伊蘭煤氣

哈爾濱伊蘭煤氣污水處理廠哈爾濱第三水廠

渭河化肥廠揚子石化揚子石化揚子石化

蘭州石化

蘭州石化自來水廠控制柜控制柜觸摸顯示屏控制柜內(nèi)部控制柜內(nèi)PLC過程控制實驗室控制儀表和控制理論技術的發(fā)展，也推動了過程控制的發(fā)展。從儀表發(fā)展過程來看，過程控制也經(jīng)歷了如下發(fā)展階段。第一代（PCS）第二代（ACS）第三代（CCS）第四代（DCS）第五代（FCS、NCS）FCS“現(xiàn)場總線”自20世紀90年代初出現(xiàn)以來，引起了國內(nèi)外業(yè)界人士的廣泛注意和高度重視，并已成為世界范圍內(nèi)的自動化技術發(fā)展的熱點之一，有人稱之為“自動化儀表與控制系統(tǒng)的一次變革”?，F(xiàn)場總線的工業(yè)過程智能自動化儀表和現(xiàn)場總線的開放自動化系統(tǒng)構成了新一代全開放式自動化控制系統(tǒng)的體系結構。為實現(xiàn)企業(yè)“綜合自動化”奠定了現(xiàn)場級的過程自動化基礎。目前國際上公認的“現(xiàn)場總線”有12種之多，各有其特點，并在一定范圍內(nèi)得到應用。注重如何利用現(xiàn)場總線智能儀表進行具體工程應用，如何設計一個基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)，以及基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)的體系結構等方面是設計重點。某煙廠制絲線的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

三、過程控制有哪些主要特點？1.連續(xù)生產(chǎn)過程的目的2.過程控制系統(tǒng)由過程檢測、控制儀表組成

3.被控過程多種多樣

例如：鍋爐、熱交換器、電弧爐、熱處理爐、精餾塔、化學反應器、流體輸送設備

特點：多變量、分布參數(shù)、非線性、大慣性、大延時等4.控制方案十分豐富如：PID、先進PID、自適應、預測、推理、模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等；有單變量、多變量、常規(guī)儀表、計算機、提高控制品質(zhì)、特殊工藝要求等控制。5.控制過程多屬慢過程參量控制6.定值控制是其主要形式工藝參數(shù)主要為：T、P、F、L、W等幾個常用字母代號：F（Flow）：流量L（Level）：物位P（Pressure）：壓力T（Temperature）：溫度W（Weight）：重量減小或消除外界擾動對被控參數(shù)的影響，確保生產(chǎn)穩(wěn)定和產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量。返回四、過程控制系統(tǒng)組成及其分類

過程控制系統(tǒng)組成：被控過程（Process）過程檢測控制儀表（Instrumentation）被控過程是指運行中的多種多樣的工藝生產(chǎn)設備；過程檢測控制儀表包括：測量變送元件（Measurement）控制器（Controller）執(zhí)行機構（ControlElement）過程控制系統(tǒng)框圖

過程控制常用術語

被控過程（Process)：工藝參數(shù)需要控制的生產(chǎn)過程、設備或機器等。被控參數(shù)（ControlledVariable)

：被控過程內(nèi)要求保持設定數(shù)值的工藝參數(shù)?？刂茀?shù)（ManipulatingVariable)

：受控制器操縱的，使被控參數(shù)保持設定值的物料量或能量。擾動量（Interference)

：作用于被控過程并引起被控參數(shù)變化的因素。過程控制常用術語設定值（SetPoint:SP)

：被控參數(shù)的預定值。當前值（PresentValue:PV)：被控參數(shù)的當前實際值。偏差（Error)

：被控參數(shù)的設定值與當前實際值之差。2、按被控量多少分為單變量控制系統(tǒng)、多變量控制系統(tǒng)等；1、按被控參數(shù)的名稱分為溫度、壓力、流量、液位、成分等；

過程控制系統(tǒng)的類型3、按控制系統(tǒng)所處理的信號方式來分模擬控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)；

4、按照控制器類型來分，有常規(guī)儀表控制系統(tǒng)與計算機控制系統(tǒng)等。

5、按控制策略分為PID控制、預測控制、推理控制、模糊控制、Smith預估控制、自適應控制等；

按系統(tǒng)的結構特點分類1）反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)）將被控變量輸入到控制器，形成閉環(huán)，具有被控變量負反饋的控制系統(tǒng)。如：

給定值被控變量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對象+e實測值－反饋控制系統(tǒng)是過程控制最基本的結構形式。2）前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)）控制系統(tǒng)沒有被控變量負反饋，不將被控變量引入到控制器輸入端。如：測量值被控量干擾f

控制器執(zhí)行器被控對象

開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖3）復合控制系統(tǒng)

前饋與反饋相結合，優(yōu)勢互補。如：給定值被控變量干擾f

控制器1變送器1執(zhí)行器被控對象+e實測值－變送器2控制器2++前饋-反饋復合控制系統(tǒng)原理框圖按設定值的形式分類1）定值控制系統(tǒng)——設定值恒定不變。2）隨動控制系統(tǒng)——設定值隨時可能變化。3）程序控制系統(tǒng)——設定值按預定的時間程序變化。給定值被控變量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對象+e實測值－六、過程控制系統(tǒng)的性能指標當被控對象受到干擾、被控變量發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)抵制干擾、糾正被控變量的過程，反映了控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。為此，要有評價控制系統(tǒng)的性能指標?？刂葡到y(tǒng)的性能指標是根據(jù)工藝對控制的要求來制定的，概括為穩(wěn)定性、準確性和快速性。t0y

穩(wěn)態(tài)與動態(tài)

1、穩(wěn)態(tài)—把被控變量不隨時間變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）。當自動控制系統(tǒng)的輸入和輸出均恒定不變時，系統(tǒng)就處于一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)也都處于穩(wěn)定狀態(tài)，但生產(chǎn)還在進行，物料和能量仍然有進有出，只是平穩(wěn)進行沒有改變就是了。

靜態(tài)特性—靜態(tài)時系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出關系。

靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)ty靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)ty2、動態(tài)—把被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動態(tài)。即控制系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過渡過程。當干擾破壞了系統(tǒng)的平衡時，被控變量就會發(fā)生變化，而控制器、控制閥等自動化裝置就要產(chǎn)生控制作用來使系統(tǒng)恢復平衡。動態(tài)特性—在動態(tài)過程中系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出變化關系?？刂葡到y(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的輸入變化后，系統(tǒng)從原來的平衡狀態(tài)，經(jīng)過動態(tài)過程到達新的平衡狀態(tài)的動態(tài)歷程稱為系統(tǒng)的過渡過程。系統(tǒng)的過渡響應受內(nèi)部和外部兩種因素的影響。給定值被控量干擾f

控制器傳感器執(zhí)行器被控對象

+e實測值－1、內(nèi)部因素：系統(tǒng)特性系統(tǒng)的特性是由系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的特性和系統(tǒng)的結構所決定的。

2、外部因素：輸入信號在系統(tǒng)特性一定的情況下，被控變量隨時間的變化規(guī)律取決于系統(tǒng)的輸入信號。生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾信號是隨機的。但在分析和設計控制系統(tǒng)時，為了充分體現(xiàn)系統(tǒng)的特性和分析方便，常選擇一些特定的輸入信號，其中常用的是階躍信號和正弦信號。階躍信號的輸入突然，對被控變量的影響也最大。如果一個控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種干擾，那么對其它比較緩和的干擾也能很好地克服。階躍信號的形式簡單，容易實現(xiàn)，便于分析、實驗和計算。故更多使用階躍信號。如圖，輸入信號在t=0時，階躍上升幅度為A，其后保持。表達為

f(t)=

A(t)Atf（t）在階躍輸入的擾動作用下，定值控制系統(tǒng)過渡過程有四種形式：①單調(diào)衰減過程被控變量在給定值的一側作單調(diào)變化，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。②振蕩衰減過程被控變量上下波動，但幅度逐漸減少，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。①t0C(t)②0C(t)t③等幅振蕩過程被控變量在給定值附近來回波動，且波動幅度保持不變。

④振蕩發(fā)散過程