工业生产过程控制绪论
过程控制教案
教研室（组）：电气自动化编号01教研室（组）：电气自动化编号02教研室（组）：电气自动化编号： 03教研室（组）：电气自动化编号： 04教研室（组）：电气自动化编号： 05教研室（组）：电气自动化编号： 06教研室（组）：电气自动化编号： 07教研室（组）：电气自动化编号： 08教研室（组）：电气自动化编号：09伊犁职业技术学院教师授课教案教研室（组）：电气自动化编号： 12教研室（组）：电气自动化编号： 13教研室（组）：电气自动化编号： 14教研室（组）：电气自动化编号： 15教研室（组）：电气自动化编号： 16教研室（组）：电气自动化编号： 17教研室（组）：电气自动化编号： 18教研室（组）：电气自动化编号： 19教研室（组）：电气自动化编号： 20教研室（组）：电气自动化编号： 21教研室（组）：电气自动化编号： 22教研室（组）：电气自动化编号： 23教研室（组）：电气自动化编号： 24教研室（组）：电气自动化编号： 25教研室（组）：电气自动化编号： 26教研室（组）：电气自动化编号： 27教研室（组）：电气自动化编号： 28教研室（组）：电气自动化编号： 29教研室（组）：电气自动化编号： 30教研室（组）：电气自动化编号： 31教研室（组）：电气自动化编号： 32教研室（组）：电气自动化编号： 33教研室（组）：电气自动化编号： 34教研室（组）：电气自动化编号： 35教研室（组）：电气自动化编号： 36教研室（组）：电气自动化编号： 37教研室（组）：电气自动化编号： 38教研室（组）：电气自动化编号： 39。
过程控制
第一节 过程控制系统的发展状况
• 过程控制：指在生产过程中，运用合适的 控制策略，采用自动化仪表及系统来代替 操作人员的部分或全部劳动，使生产过程 在不同程度上自动地进行。
人工调节
给水调节阀 省煤器 W 给水 h 过热器 D 蒸汽
汽包
水 位 计
水 冷 壁
汽包锅炉给水人工调节示意图
第二节 建立数学模型的方法
一. 机理建模
1 单容液位对象的数学模型
单容对象：只有一个储蓄容量的对象。
（1）自平衡过程的动态特性
自平衡过程：指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏 ， 不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身逐渐达到新 的平衡状态的过程。
液位过程
若
（见下页图）
q1 输入变量：
输出变量： h
现场总线控制系统FCS
计算机综合自动化系统CIPS
现场智能设备互连通信网络
管理与控制一体化
第一节 过程控制系统的发展状况
过程控制系统发展历史
（20世纪50年代末～60年代）局部自动化阶段 过程控制系统：多为单输入、单输出简单控制系统 自动化仪表：采用的是基地式仪表和部分单元组合仪表（气动Ⅰ 型和电动Ⅰ型）； 控制理论：以反馈为中心的经典控制理论
式中：
T0 AR2 过程的时间常数
K0 R2 过程的放大系数
A
过程的容量系数
（2）无自平衡过程的动态特性
无自平衡过程: 指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏 后 ，不经过操作人员或仪表等干预，仅依靠其自身能力 不能重新恢复平衡状态的过程。 以液位过程为例，见下页图
d h q1 q2 A 过程的微分方程为： dt
过程的动态特性为： H ( S ) 1 1 W0 ( S ) Q1 ( S ) AS Ta S
过程控制 绪论
控制系统的调试和投用：控制系统安装完毕后，
按控制要求检查和调整各控制仪表和设备的工作状况 (包括控制器参数的在线整定)，依次将其投入运行。
举例：精馏塔控制系统
控制目标
TC
CV、MV选择
FC LC
进料
精 馏 塔
FC LC
控制方案
塔顶产品
控制算法
塔底产品
加热蒸汽
控制系统 调试与投用
常用控制算法
PID类（包括：单回路PID、串级、前馈、均匀、
控制系统的设计与实施（续）
调节阀的选择：根据被控变量与操作变量的工艺条
件及对象特性，选择合适大小与流量特性的调节阀；
控制算法的选择：依据控制方案选择合适的控制算
法。通常对于SISO系统，PID控制算法能满足大部分 情况；而对于MIMO系统，可采用的控制算法很多， 但一般都需要对象模型，仅适用于计算机控制系统。
选择被控变量：选择与控制目标直接或间接相关的
可测量参数作为控制系统的被控变量；
选择操作变量：从所有可操作变量中选择合适的操
作变量，要求对被控变量的调节作用尽可能大而快；
确定控制方案：当被控变量与操作变量多于1个时，
既可以直接用MIMO（多输入多输出）控制方案；也 可以将系统分解成几个SISO（单输入单输出）子系统 再进行设计（当然这里存在最佳分解问题）。
比值、分程、选择或超驰控制等）， 特点：主要适用于SISO系统、基本上不需要对 象的动态模型、结构简单、在线调整方便。
APC类（先进控制方法，包括：解耦控制、内
模控制、预测控制、自适应控制等）， 特点：主要适用于MIMO或大纯滞后SISO系统、 需要动态模型、结构复杂、在线计算量大。
过程控制综述
过程控制工程课程综述课程名称：过程控制工程系别：电子信息与电气工程系年级专业： 08自动化（2）班姓名：一、过程控制简介1.1 过程控制特点与分类过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、建材、原子能等工业生产部门生产过程的自动化。
自进入20世纪90年代以来，自动化技术发展很快，并获得了惊人的成就，已成为国家高科技的重要分支。
过程控制技术是自动化技术的重要组成部分。
在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优技术经济指标、提高经济效益和社会效益、提高劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生、提高市场竞争力等方面起着越来越巨大的作用。
过程控制的特点是与其他自动化控制系统相比较而言的，大致可归纳如下：1.连续生产过程的自动控制。
2.过程控制系统由过程检测、控制仪表组成。
3.被控过程是多种多样的、非电量的。
4.过程控制的控制过程多属慢过程，而且多半为参量控制。
5.过程控制方案十分丰富。
6.定值控制是过程控制的一种常用形式。
过程控制系统的分类方法很多，若按被控参数的名称来分，有温度、压力、流量、液位、pH等控制系统；按控制系统完成的功能来分，有比值、均匀、分程和选择性控制系统；按调节器的控制规律来分，有比例、比例积分、比例微分、比例积分微分控制系统；按被控量的多少来分，有单变量和多变量控制系统；按采用常规仪表和计算机来分，有仪表过程控制系统和计算机过程控制系统等。
但最基本的分类方法有以下两种：（1）按过程控制系统的结构特点来分类：1.反馈控制系统。
2.前馈控制系统。
3.复合控制系统（前馈-反馈控制系统）。
（2）按给定值信号特点来分类：1.定值控制系统。
2.程序控制系统。
3.随动控制系统。
1.2过程控制任务过程控制工程是一门工业自动化专业的专业必修课。
自动化仪表（包括模拟仪表、智能仪表）、微型计算机是构成过程控制的重要自动化技术工具，是实现工业生产自动化的重要装置，也是实现过程控制的前提。
过程控制第一章
操纵 变量
给定 值
1.2.2 过程控制系统的分类：
1.按系统的开环和闭环分类 （1）开环控制系统
系统的被控量对系统的控制作用没影响，结构简单，没有 闭合回路，控制精度取决于系统各组成环节的精度。 有干扰时无法自动补偿，精度不能保证。只适用于输入和 输出关系已知，且不存在干扰或干扰很弱的场合。
态值上下振荡的次数；
上升时间tr：该时间是指系统的输出量第一次到达输出稳态 值所对应的时刻。对于无振荡的系统，常把输出量从输出稳 态值的10%到输出稳态值的 90%所对应的时间叫为上升时间；
延迟时间：响应曲线首次达到静态值的一半所需的时间， 记为td;
衰减比N：第一个波峰与第二个波峰之比，是反应过程稳定 性的一个指标。N>1为衰减振荡，N=1为等幅振荡，N<1为 发散振荡。 振荡周期T：从第一个波峰到第二个波峰的时间。 T的倒数为振荡频率，T越短。快速性越好。
被控对象中要求保持 设定值的工艺参数
除操纵变量外，作用于被 控对象并引起被控变量变 化的因素 给定值与实际值 蒸汽复合负荷的变化 之差 冷却水温度的变化
扰动 量
偏 差
被控 对象 锅炉汽包
被控变量 锅炉给水量 汽包的期望水位 的预定值 受控制器操纵，用以克服扰 动的影响使被控量保持设定 值的物料量或能量
过程控制
第一章 绪论
课程考核
平时成绩（占40% ）：出勤+课堂提 问+作业；
大作业（占60% ）。
先修课程：自动控制原理
第一章 绪论
人工控制与自动控制：
1.1 概述--过程控制及发展历史
一、什么是过程控制？
过程（工业生产过程）：在生产装置或设备中 进行的物质和能量的相互作用和转换过程。 工业生产过程可分为： 连续生产过程和离散生产过程。 连续生产过程、离散生产过程和间歇生产过程 （批量生产过程）。
过程控制第1章_绪论
36
§1-3 方块图与流程图
反馈： 闭环控制系统中，输出变量（或信号）沿着回路中的 信号流动方向总会返回到系统的输入端，与给定值进 行比较。这种把系统（或方块）的输出信号引回到系 统输入端的做法叫做反馈。
若反馈信号（被控变量测量值z）与给定值信号的方 向相反，即反馈信号z 取负值，则叫做负反馈。 测量信号与给定值信号方向相同，则叫做正反馈。 闭环控制系统是靠负反馈来达到控制的目的。 例：储槽液位控制系统；炉温控制系统
1
一、生产过程及其特点 连续生产过程主要有以下几种形式： 1 ．传热过程 通过冷热物流之间的热量传递，达到控制介质温 度、改变介质相态或回收热量的目的。典型设备：换 热器 2 ．燃烧过程 通过燃料与空气混合后燃烧为生产过程提供动力 和热源。典型设备：加热炉
2
一、生产过程及其特点 3 ．化学过程 由两种或几种物料化合成一种或多种更有价值的 产品的反应过程。典型设备：反应器
按被控变量的名称分类 温度，压力，流量，液位，成分等控制系统
按被控变量的数量分类 单变量控制系统，多变量控制系统
按控制器的控制规律分类 比例P控制系统，比例积分PI控制系统，比例微积分PID 控制系统 按控制系统的结构分类 反馈控制系统，前馈控制系统，前馈-反馈控制系统，
21
二、过程控制系统的分类
41
§1-3 方块图与流程图
图1-7 液体贮槽的工艺控制流程图
图中所示，工艺控制流程图主要是由工艺设备、 管道、元件以及构成控制系统的仪表符号及信号线等 图形符号组成。
42
§1-3 方块图与流程图 仪表图形符号： 仪表图形符号可用来表达工业自动化仪表所 处理的被测变量和功能，还可以表示仪表或元件 的名称。 仪表图形符号是直径为12mm的细实圆圈， 并在其中标有仪表位号。 仪表位号由字母代号和数字编号组成，如下例所示：
第1章 过控绪论
1.1.3 过程控制系统的组成、分类及性能指标
(一）过程控制系统的组成（图1－3、图1－4）
（1）被控参数（亦称系统输出）y(t)： 被控过程内要求保持稳定的工艺参数；
（2）控制参数（亦称操作变量控制介质） q(t)：使被控参数保持期望值的物料 量或能量；
（3）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；
80年代初，随着计算机性能提高、体积缩小， 出现了内装CPU的数字控制仪表。基于 “集中管 理，分散控制” 的理念，在数字控制仪表和计算 机与网络技术基础上，开发了集中、分散相结合的 集散型控制系统（ DCS， Distributed Control System） 。
DCS系统实行分层结构，将控制故障风险分 散、管理功能集中。得到广泛应用。
1.组成（被控过程，系列化仪表）； 2.设计难（过程的复杂性，模型的不精确性）； 3.要求高（控制方案丰富）； 4.慢过程、参量控制； 5.定值控制
西安仪表厂
渭河电厂
巴基斯坦古杜电厂
核电厂
新疆炼油厂
武钢
哈尔滨伊兰煤气
哈尔滨伊兰煤气
污水处理厂
哈尔滨第三水厂
渭河化肥厂
扬子石化
项特征量作为性能指标，而偏差积分性能指标则是一 种综合性指标。由于在多数情况下，都希望得到衰减 振荡过程，所以以衰减振荡的过渡过程形式为例，讨 论控制系统的品质指标。
1. 系统阶跃响应的单项性能指标 单项性能指标包含了对控制系统的稳定性、准
确性和快速性三方面的评价。
1）衰减比n和衰减率ψ
设第一个波振幅为 B1、第三个波振幅为 B2
Tp
T
TS
t
闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线
过程控制系统 复习总结!
过程控制系统知识点总结）一、概论1、过程控制概念：五大参数。
过程控制的定义：工业中的过程控制是指以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制。
2、简单控制系统框图。
控制仪表的定义：接收检测仪表的测量信号，控制生产过程正常进行的仪表。
主要包括：控制器、变送器、运算器、执行器等，以及新型控制仪表及装置。
控制仪表的作用：对检测仪表的信号进行运算、处理，发出控制信号，对生产过程进行控制。
3、能将控制流程图（工程图、工程设计图册）转化成控制系统框图。
4、DDZ -Ⅲ型仪表的电压信号制，电流信号制。
QDZ-Ⅲ型仪表的信号制。
它们之间联用要采用电气转换器。
5、电信号的传输方式，各自特点。
电压传输特点：1). 某台仪表故障时基本不影响其它仪表； 2). 有公共接地点；3). 传输过程有电压损耗，故电压信号不适宜远传。
电流信号的特点：1).某台仪表出故障时，影响其他仪表；2).无公共地点。
若要实现仪表各自的接地点,则应在仪表输入、输出端采取直流隔离措施。
6、变送器有四线制和二线制之分。
区别。
1、四线制：电源与信号分别传送，对电流信号的零点及元件的功耗无严格要求。
2、两线制：节省电缆及安装费用，有利于防爆。
活零点，两条线既是信号线又是电源线。
7、本安防爆系统的2个条件。
1、在危险场所使用本质安全型防爆仪表。
2、在控制室仪表与危险场所仪表之间设置安全栅，以限制流入危险场所的能量。
第一个字母：参数类型 T ——温度（Temperature ） P ——压力（Pressure ） L ——物位（Level ） F ——流量（Flow ） W ——重量（Weight ） 第二个字母：功能符号 T ——变送器（transmitter ） C ——控制器（Controller ） I ——指示器（Indicator ） R ——记录仪（Recorder ） A ——报警器（Alarm ）加热炉8、安全栅的作用、种类。
过程控制系统
图0.1 锅炉汽包示意图
图0.1所示是工业生产中常见的锅炉汽 包示意图。
锅炉是生产蒸汽的设备，几乎是工业生
产中不可缺少的设备。保持锅炉汽包内的液 （水）位高度在规定范围内是非常重要的， 若水位过低，则会影响产汽量，且锅炉易烧 干而发生事故；若水位过高，生产的蒸汽含 水量高，不仅会影响蒸汽质量，还可能溢出 水。这些都是危险的。因此对汽包液位严加 控制是保证锅炉正常生产必不可少的措施。 其液位是一个重要的工艺参数。
自动化技术的前驱，可以追溯到我国古代，如指南车的出现。 至于工业上的应用，一般以瓦特的蒸汽机调速器作为正式起点。 工业自动化的萌芽是与工业革命同时开始的，这时的自动化装置 是机械式的，而且是自力型的。随着电动、液动和气动这些动力 源的应用，电动、液动和气动的控制装置开创了新的控制手段。
有人把直到20世纪30年代末这段时期的控制理论称为第一代 控制理论。第一代控制理论分析的主要问题是稳定性，主要的数 学方法是微分方程解析方法。这时候的系统（包括过程控制系统） 是简单控制系统，仪表是基地式、大尺寸的，满足当时的需要
绪论
生产过程自动化，一般是指石油、化工、冶金、炼焦、造纸、建 材、陶瓷及电力发电等工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产 过程的自动控制。电力拖动及电机运转等过程的自动控制一般不包括在 内。凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进 行的自动控制通称为过程控制。过程控制是自动控制学科的一个重要分 支
过程控制系统可分为常规仪表过程控制系统与计算机过程控 制系统两大类。前者在生产过程自动化中应用最早，已有六十余 年的发展历史，这是本书要介绍的主要内容。后者是自20世纪70 年代发展起来的以计算机为核心的控制系统，这部分内容将在 《计算机过程控制》课程中予以专门介绍，因此不再纳入本书的 讨论范围。
过程控制 习题与答案
第1章绪论思考题与习题1-1 过程控制有哪些主要特点？为什么说过程控制多属慢过程参数控制？解答：1．控制对象复杂、控制要求多样2. 控制方案丰富3．控制多属慢过程参数控制4．定值控制是过程控制的一种主要控制形式5．过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成1-2 什么是过程控制系统？典型过程控制系统由哪几部分组成？解答：过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。
组成：控制器，被控对象，执行机构，检测变送装置。
1-3简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动（干扰）量、设定（给定）值和偏差的含义？解答：被控对象自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。
被控变量被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。
操纵变量受控制器操纵的，用以克服扰动的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。
扰动量除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。
设定值被控变量的预定值。
偏差被控变量的设定值与实际值之差。
1-4按照设定值的不同形式, 过程控制系统可分为哪几类？解答：按照设定值的不同形式又可分为:1．定值控制系统定值控制系统是指设定值恒定不变的控制系统.定值控制系统的作用是克服扰动对被控变量的影响,使被控变量最终回到设定值或其附近.以后无特殊说明控制系统均指定值控制系统而言.2.随动控制系统随动控制系统的设定值是不断变化的.随动控制系统的作用是使被控变量能够尽快地,准确无误地跟踪设定值的变化而变化3.程序控制系统程序控制系统的设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即设定值按一定的时间程序变化。
1-5 什么是定值控制系统?解答：在定值控制系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数变化的就是扰动信号。
1-6 什么是被控对象的静态特性？什么是被控对象的动态特性？为什么说研究控制系统的动态比其静态更有意义？解答：被控对象的静态特性：稳态时控制过程被控参数与控制变量之间的关系称为静态特性。
第0章 工业生产过程控制
05.2.1
●一二三四五六七八九
三、工业生产过程控制的研究对象与任务
3.工业过程控制的基本观点 经济性- 充分发挥设备潜能，稳定工艺生产过程
节省人力资源，提高劳动生产率 改善劳动环境，改善劳动强度 可靠性- 控制系统本身能可靠运行 使用后，事故发生率降低，事故影响减小 简单性- 满足控制条件下，系统应尽可能简单 容易掌握和操作，系统是透明的 先进性- 满足控制条件下，有高的性能价格比 在一定时间内，能适应生产过程的控制要求
（2）自动化控制装置将采用全数字、智能的、具有 双向通信功能的现场总线智能仪表。
（3）Internet将在综合自动化系统中发挥重要作用。 综合自动化控制系统是以生产过程的整体优
基化金为会目现场标总, 以线计（算FF机）是为开主放要式技的术互工连具网络, 。以生产过程 的它管是理连和接智控能制现的场自设动备化和为自动主化要系内统容的,数它字是式由、生双产向计传输、 多划分和支调结构度的、通操信作网优络化。、先进控制和基层控制等内 F容F的组特成点的是递：阶控制系统。又称计算机集成过程控 ••良制可好靠系的性统互高（操、C作维I性M护S性）好。、抗扰性强、安装费用低、精度高等
30-50 年代 50-60 年代
60-70 年代
经典控制 理论
经典控制 理论
微分方程 解析方法
经典的根 轨迹和频 率法
基地式仪 表
气动和电 动单元组 合仪表
现代控制 状态空间、电动III型
理论
动态规划、仪表和
极小值原 DDC、
SCC
控制系统稳定性和 单输入单输出系统
从随动控制系统到 定值控制系统
过程控制绪论金以慧清华大学出版社模板
2．控制系统
控制仪表和生产过程通过信号的传递互相联系起 来就构成控制系统。
3．被调量（被控制量）
表征生产过程是否正常运行并需要加以调节的
物理量。
过程控制
绪论
4．给定值
按生产要求被调量必须维持的希望值（简称给定 值）。 5．调节机构 可用来改变进入控制对象的物质或能量的装置。
F(x)
控制系统结构图
过程控制
绪论
被调量 给定值
控制器 广义被控对象
r +
y
Gc(s) Gp(s)
-
控制系统原理图
过热蒸汽
给水 流量
过程控制
绪论
饱和蒸汽 测量 变送器
绪论
饱和蒸汽 测量 变送器 控制器 水位H
过热蒸汽
被调量
（PID)
执行器 给水流量
过程控制
绪论
饱和蒸汽 测量 变送器 控制器 （PID) 执行器 给水流量 水位H
过热蒸汽
调节量
过程控制
6．控制量（调节量）
由操作者或调节机构(阀门、挡板等)改变的输入物 理量，用以控制被调量的变化。称为控制量。 7．扰动 引起被调量偏离平衡状态的各种原因称为扰动。
过程控制
绪论
8．控制过程（调节过程）
原来处于平衡状态的生产过程，一旦受到扰动作用，
被调量偏离原来平衡状态，通过施加调节作用使被调 量重新恢复到新的平衡状态的过程，称为控制（调节） 过程。 9．系统工艺流程图：包括被控对象和控制设备的控制
系统示意图
10．控制系统结构方框图：不包括被控对象，描述控 制系统结构和控制功能的方框图 11．控制系统原理图：用传递函数描述控制系统的方 框图
过程控制- 第1章绪论
稳定性：系统具有抑制外部扰动，保持生产过程长期稳 定运行的能力。
过程控制是控制理论、工艺知识、计算机技术和自 动化仪表等知识相结合而构成的一门应用科学。
以具体实例来说明过程控制任务的具体实现
1.确定控制目标 ⑴ 在安全运行条件下，保证热油出口温度稳定。
⑵ 在安全运行条件下，保证热油出口温度和烟气 含氧量稳定。
㈡ 按给定值的信号特点分类
1.定值控制系统 x（t）=常数 2.随动控制系统 x（t） =RND（t） （自动跟踪系统）
目的是使所控制的工艺参数准确快速地跟随给定 值变化。 3.程序控制系统 x（t） =f（t） （顺序控制系统）
退火炉温度控制系统的给定值： 按升温、保温与逐次降温等程序自动变化的。
ISE e2 t dt min 0
时间乘误差的平方积分（ITSE）
ITSE te2 t dt min 0
误差绝对值积分（IAE）
IAE
0
e
t
dt
min
时间乘误差绝对值的积分（ITAE）
ITAE
0
t
et
dt
min
工艺管道及工艺流程图
控制流程图符号意义
序号
安装位置
图形符号
备注
周四现场教学分组：
学号 1001～1028 1029～1057 1058～最后
时间 8:30 ～9:00 9:00 ～9:30 9:30 ～10:00
地点：机电楼C129
回路编号
被测变量
工段号
功能
1.字母代号 2.仪表位号的书写规则
控制流程图字母意义
字
第一位字母
后继字母 字
母 被测变量 修饰词 功能 母
1 绪论
PI作用下系统的阶跃响应
动作的（超前控制）。
只要偏差一露头,调节器就立即动作，以求更好的调节效果 对高频干扰敏感（不适于流量、液位对象）。
微分调节主要用于克服调节对象有较大的惯性，但对
纯滞后不起作用。 微分调节不能消除余差。
∵微分调节只对偏差的变化做出反应，而与偏差的大小无关。 ∵实际的调节器都有一定的失灵区，若调节误差的变化速度 缓慢，以至于调节器不能察觉，纯微分调节器将不会动作，此 时调节误差会不断累积却得不到校正
锅炉汽包的水位控制（2）
被控量：水位 操纵量：给水量 主要干扰：
给水方面的干扰
给水压力等导致 负荷设备控制阀开度变化等导致 燃料热值、燃料压力等变化导致
蒸汽用量的干扰
燃料量的干扰
汽包压力变化
锅炉汽包的水位控制（3）
单冲量控制
单冲量控制的问题 假水位造成误动作 控制的固有滞后使控制品质 下降，干扰克服不及时
单纯的微分调节器也是不能工作的。
一组MATLAB仿真试验
Gc(s) H(s) Gp(s)
4 G p ( s) (2 s 1)(0.5s 1)
1 H ( s) 0.05 s 1
1 Gc ( s) K p (1 TD s) TI s
纯P作用下系统的阶跃响应
1.4 Kp=2.7 1.2 Kp=1.7 1 Kp=0.7 0.8
e 1 100% 100% u KP
比例控制的特点
e
u
t
t
• u = Kp e+u0
• 没有滞后
过程控制系统
分析可知，以风量作控制参数为最佳选择。
§2-3 执 行 器 选 择
0、概述
1. 作用
•在自动控制系统中，接受调节器的指令；
•经执行机构将其转换为相应的角位移或直线位移；
•去操纵调节机构，改变被控对象进、出的能量或
物料。
2.
组成
执 行 机 构 调 节 机 构
3. 类型
薄 膜 机 构 － － 应 用 最 广
快开特性：适于要求快速开、闭的控制系统。
抛物线特性：介于直线特性与对数特性之间，弥补了直线特 性小开度时控制性能差的缺点。
三、控制阀作用方式的选择
(一)、气开气关方式的选择
• 选气开还是气关式，由生产工艺的要求决定。 1、从生产的安全出发 2、从保证产品质量考虑 3、从降低原料和动力的损耗考虑 4、从介质特点考
过程控制系统
第一章 绪论 第二章 单回路控制系统 第三章 串级控制系统
第一章 绪论
1、过程控制的概念
凡是采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或某些 物理参数进行的自动控制通称为过程控制。
2、过程控制的特点
过程控制的目的：保持过程中的有关参数为一定值或按 一定规律变化。
过程控制的特点：
1、被空对象的多样性 2、普遍存在滞后 3、特性往往具有非线性
一般希望控制通道克服扰动的应使扰动作用点位置远离被控 量能力要强，动态响应应比扰动通道快,要突出干扰作用,应使扰 动作用点位置远离被控量。
(三).实例讨论
例1：喷雾式乳粉干 燥设备的控制 。
1.控制要求：干燥后的 产品含水量波动要小。
2.被控参数选择：干 燥器里的温度
3.控制参数的选择 (三种方案如图所示)
8、调节器输出：根据偏差值、经一定算法得到的输出值。
化工生产过程控制与优化指南
化工生产过程控制与优化指南第1章绪论 (3)1.1 化工生产过程控制概述 (3)1.2 化工生产过程优化的重要性 (4)第2章化工过程控制系统 (4)2.1 控制系统的基本组成 (4)2.2 控制系统的分类及特点 (5)2.3 控制系统设计原则 (5)第3章控制回路设计 (6)3.1 控制回路的基本类型 (6)3.1.1 顺序控制回路 (6)3.1.2 连续控制回路 (6)3.1.3 逻辑控制回路 (6)3.1.4 程序控制回路 (6)3.2 控制器参数整定方法 (6)3.2.1 经验法 (6)3.2.2 临界比例度法 (7)3.2.3 ZieglerNichols法 (7)3.2.4 模型参考自适应法 (7)3.3 控制回路功能评估 (7)3.3.1 稳定性 (7)3.3.2 快速性 (7)3.3.3 精确性 (7)3.3.4 鲁棒性 (7)3.3.5 经济性 (7)第4章过程监测与故障诊断 (7)4.1 过程监测技术 (8)4.1.1 参数监测 (8)4.1.2 分析仪表监测 (8)4.1.3 在线监测 (8)4.2 故障诊断方法 (8)4.2.1 基于模型的方法 (8)4.2.2 基于信号处理的方法 (8)4.2.3 基于人工智能的方法 (8)4.3 故障诊断应用实例 (8)4.3.1 催化裂化装置反应器故障诊断 (8)4.3.2 聚合反应釜故障诊断 (9)4.3.3 精馏塔故障诊断 (9)4.3.4 乙烯裂解炉故障诊断 (9)第5章优化控制策略 (9)5.1 优化控制方法概述 (9)5.2 模型预测控制 (9)5.3 神经网络控制 (9)5.4 智能优化算法 (10)第6章过程控制系统仿真 (10)6.1 过程控制系统仿真技术 (10)6.1.1 仿真技术概述 (10)6.1.2 过程控制系统仿真方法 (10)6.1.3 过程控制系统仿真的应用 (11)6.2 仿真软件介绍 (11)6.2.1 常用仿真软件概述 (11)6.2.2 仿真软件功能特点 (11)6.3 仿真案例分析 (11)6.3.1 案例一：精馏塔控制系统仿真 (11)6.3.2 案例二：换热器控制系统仿真 (11)6.3.3 案例三：反应釜控制系统仿真 (11)第7章生产过程数据分析 (12)7.1 数据采集与处理 (12)7.1.1 数据采集 (12)7.1.2 数据处理 (12)7.2 数据分析方法 (12)7.2.1 描述性统计分析 (12)7.2.2 相关性分析 (12)7.2.3 假设检验与方差分析 (12)7.2.4 时间序列分析 (12)7.3 数据挖掘在化工生产中的应用 (12)7.3.1 故障诊断与预测 (13)7.3.2 过程优化与控制 (13)7.3.3 生产计划与调度 (13)7.3.4 能耗分析与节能 (13)第8章先进控制技术在化工生产中的应用 (13)8.1 先进控制技术概述 (13)8.2 自适应控制 (13)8.3 智能控制 (13)8.4 网络控制 (14)第9章化工生产过程安全性分析 (14)9.1 安全性分析基本方法 (14)9.1.1 故障树分析（FTA） (14)9.1.2 事件树分析（ETA） (14)9.1.3 危险与可操作性研究（HAZOP） (14)9.2 危险与可操作性研究 (14)9.2.1 HAZOP方法概述 (14)9.2.2 HAZOP分析步骤 (15)9.3 安全仪表系统 (15)9.3.1 安全仪表系统概述 (15)9.3.2 安全仪表系统设计原则 (15)9.3.3 安全仪表系统应用实例 (15)第10章化工生产过程优化案例分析 (15)10.1 案例一：合成氨生产过程优化 (16)10.1.1 优化反应器设计 (16)10.1.2 优化操作参数 (16)10.1.3 优化控制系统 (16)10.2 案例二：聚乙烯生产过程优化 (16)10.2.1 优化聚合反应条件 (16)10.2.2 优化树脂干燥过程 (16)10.2.3 优化控制系统 (16)10.3 案例三：炼油过程优化 (16)10.3.1 优化炼油工艺流程 (16)10.3.2 优化加热炉操作 (17)10.3.3 优化设备运行 (17)10.4 案例四：生物发酵过程优化 (17)10.4.1 优化发酵培养基 (17)10.4.2 优化发酵条件 (17)10.4.3 优化控制系统 (17)第1章绪论1.1 化工生产过程控制概述化工生产过程控制是现代化学工业生产中不可或缺的技术手段，涉及自动控制、电气工程、化学工程等多个领域的知识。
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描述式：
超调量 y(t p ) y() B1
y()
C
定值控制系统
Y
B
A
C
r(t) tp
扰动阶跃变化过渡过程
Y(∞) e(∞)
一般采用最大动态偏差（A）作为衡量指标。
定义：最大偏差在数值上定义为动态响应的最大振幅 （B）与响应最终稳态值（C）之和的绝对值。
70年代：集成电路微处理器时代 主要仪表技术：DDZ-Ⅲ型仪表、
DCS(Distributed Control System) 80年代：数字化技术时代
主要仪表技术：DCS、网络通讯技术、工业电视 81年开始我国引入并开始应用DCS技术
90年代：现场总线技术 主要仪表技术：智能控制，分析仪表在线应用、 优化控制
Y
A C r(t)
tp
B1
B2
(b) 扰动阶跃变化过渡过程
Y(∞) e(∞) τs
a. 超调量（最大偏差）： 超调量(最大动态偏差)是反映控制系统对干扰的 瞬间响应或瞬间偏离程度的衡量量，是衡量系统 可行性的指标。
随动控制系统(超调量)：
Y
B1 r(t)
e(∞)
Y(∞) (C)
tp
(a) 给定值阶跃变化过渡过程
0.3.3 本课程的基础知识
自动控制原理、 检测技术及仪表、 控制仪表与装置、 过程原理。
主要参考书
王树青等《工业过程控制工程》 化学工业出版社 何衍庆、俞金寿、蒋慰孙《工业生产过程控制》
化学工业出版社 俞金寿、蒋慰孙《过程控制工程》 电子工业出版
社 翁维勤、周庆海 《过程控制系统及工程》 化学
串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制、分 程控制、选择控制、解偶控制。
3）典型单元操作过程控制 控制工程技术的实际应用分析和研究。 主要内容： 典型单元控制对象的特性及控制系统设计与实施
主要单元控制： 流体输送设备控制、传热设备控制、 化学反应过程控制、精馏过程控制
4）先进控制方法概述 先进控制基本思想、主要方法
0.3 本课程介绍
0.3.1 课程性质、目的 课程性质：
控制理论与实际相结合的一门工程技术性课程。
研究对象： 过程系统。 如石油化工过程，制药，造纸，酿造等过程工 业。
本课程目的： 了解工业过程控制的基本方法，控制方案，以 及控制系统的分析、设计和研究方法。 建立系统及系统工程的初步概念
热空气
锅炉系统
过热蒸汽 过热器 炉墙
给水 烟气
反应过程控制
精馏过程控制
过程工业影响因素
1）一般影响因素 原料组成、流量、温度等变化 产品质量要求 过程设备的可使用性、特性漂移、关联关系影响
2）控制过程影响因素 信号测量及数据处理（实时性、准确性等）
被控过程的滞后性、时变性、非线性、耦合性关 系
0.3.2 课程本基本内容：
1）单回路控制系统 控制回路的基本构成、 基本控制规律， 被控变量、控制变量选择原则， 控制参数整定方法等基本知识。 简单介绍主要控制对象的过程特性。
2）复杂控制系统 了解过程系统复杂控制及特殊控制的基本控制思
想、基本方案及实施。
各种复杂控制的构成方法、特性和应用范围。 主要介绍：
控制方案的合理性、控制系统稳定性 执行备发展历史 50年代：电子管时代
主要仪表技术：气动仪表控制器 主要应用对象：化工、钢铁、造纸行业 60年代：半导体时代 主要仪表技术：DDZ-Ⅱ型仪表、
DDC(Directly Digital Control) 主要 应用对象：石油化工、大型电站
工业出版社 王骥成、祝和云 《化工过程控制工程》 化学工
程出版社
1.单回路控制系统
1.1 控制系统的组成及系统控制指标 1) 控制系统组成
f
r e 控制器 u
执行器 q 被控对象
Y
Gc(s)
Gv(s)
Gp(s)
z
测量变送
Gm(s)
构成（四个环节）: 被控对象、测量变送、控制单元、执行单元
信号变量：
5% Y(∞) τs
余差： 新的稳定值与设定值之差。y(∞)
b. 偏差积分性能指标 偏差绝对值积分（IAE）
J 0 e(t) dt min
特点：
对偏差值敏感，按其整定参数则过渡过程不会呈现大 偏差
Qx Qx+r Qr
原动机 离心泵
吸入
压缩机
排出
流体流量控制
A,X
B,D
F, Z
调和过程
氨气
FC
TC
÷
混
合
空气
器
氧
化
预
炉
热
器
氧化炉温度对氨气/空气串级比值控制系统
换热过程控制
工艺物流
载 热 体
物料出口
冷 凝 液
蒸气加热器
气态氨
物料
氨冷却器
液 氨
燃 料
减温器 汽包
炉膛
省煤器 喷嘴
空气 预热器
工业生产过程控制绪论
0. 绪论
0.1 过程工业
过程工业： 化工、核电、制药、造纸、酿造等工业
原料
产品
能源
过程工业
副产品
过程工业输入输出示意
过程工业生产特性： 多输入多输出，多变量，非线性，时变，关联性.
过程生产形式： 连续生产、间歇生产
主要控制举例 流体输送控制
FK
FC
FC
PC
描述式：
A B C y(tp )
衰减比： 相邻二波峰值之比。
B1
B2
Y(∞) τs
描述式： n B1
y
B2
过渡过程性质：
n<1： 发散震荡； n=1： 等幅震荡； n>1： 衰减震荡 n=∞：非周期性控制过程
t 过渡过程
恢复时间(τs)： 过渡过程时间。 被控变量变化范围达到保持在稳定值的±5% 之内的时间点。
2）自动化控制技术
常规控制
单回路控制 复杂控制
先进控制
模型预测控制 内膜控制 自适应控制 专家系统控制 模糊控制 神经网络控制 鲁棒控制
优化监控 优化控制
PID控制
前馈控制 串级控制 比值控制 均匀控制 分程控制 选择控制 解偶控制
控制技术关系图：
优化层
先进控制
常规PID控制
测量
执行
生产过程 自动控制技术关系图示
被控变量(Y)、测量变量(z)、设定值(r)、偏差(e)、 控制变量(u)、操纵变量(q)、扰动变量(f)
2) 控制系统性能指标
阶跃响应性能指标 评价控制系统性能
偏差积分性能指标 指导控制系统整定
① 阶跃响应性能指标 阶跃响应曲线
Y
B1
B2
r(t)
e(∞) Y(∞)
tp
τs
(a) 给定值阶跃变化过渡过程