第一章-过程控制基本概念

第一 章 过 程控制基本概念教学要求：了解过程 控制的发展概况及特点；负反馈概念；控制系统的基本控制 要求及质量指标。

难 点：常用术语物理意 义（操纵变量与扰动量区别 ）；根据控制系统要求绘 制方框图； 静态，过渡过程概念 。

自动控制技术在工业 、农业、国防和科学技术现代化中起着十 分重要的作用，自动控 制水平的高低也是衡 量一个国家科学技术先进与否的重要标志 之一。

随着国民经济和国防 建设的发展，自动控 制技术的应用日益广泛，其重要作用也越 来越显著。

生产过程自动控制（ 简称过程控制） ------------ 自动 控制技术在石油、化工、电力、冶金、 机械、轻工、纺织等 生产过程的具体应用，是自动化技术的重 要组成部分。

§1.1 过程控 制的发展概况及特点一、过 程控制的发展概况在过程控制发展的历 程中，生产过程的需求、控制理论的开拓 和控制技术工具和手段 的进展三者相互影响 、相互促进，推动了过程控制不断的向前 发展。

纵观过程控制的发展 历史，大致经历了以 下几个阶段：20 世纪 40 年代：手工操作状态，只有 少量的检测仪表用于生产过程，操作人员 主要根据观测 到的反映生产过程的 关键参数，用人工来改变操作条件，凭经 验去控制生产过程。

20世纪40年代末〜50年代： 过程控制系统：多为 单输入、单输出简单控制系统 过程检测：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）；部分生产过程实现了 仪表化和局部自动化控制理论：以反馈为 中心的经典控制理论掌握管道及仪表流程 学会绘制简单系统的图绘制方法，认识常见图形符号、文字代号； 掌握控制系统的基本 控制要求（稳定、快速、准确 ）； 掌握静态、动态及过 渡过程概念；掌握品质指标的定义 ，学会计算品质指标。

掌握过程控制系统各 部分作用，系统的组成；重 点：自动控制系统的 组成及各部分的功能；20 世纪 60 年代：过程控制系统：串级 、比值、均匀、前馈和选择性等多种复杂 控制系统。

自动化仪表：单元组 合仪表（气动n 型和电动n 型）成为主流 产品60 年代后期，出现了 专门用于过程控制的小型计算机 ，直接数字控 制系统和监督计算机 控制系统开始应用于过程控制领域。

控制理论：出现了以 状态空间方法为基础，以极小值原理和动 态规划等最优控 制理论为基本特征的现代控制理论 , 传统的单输入单输出 系统发展到 多输入多输出系统领 域， 、型、型20世纪70〜80年代：微电子技术的发展， 大规模集成电路制造成功且集成度越来越 高（ 80 年代 初一片硅片可集成十 几万个晶体管，于是 32 位微处理器问世 ），微型计算机的 出现及应用都促使控 制系统发展。

过程控制系统：最优 控制、非线性分布式参数控制、解耦控制 、模糊控制 自 动化仪表：气动川 型和电动川型，以微处理器为主要构成单 元的智能控制装 置。

集散控制系统（ DCS ） 、可编程逻辑控制器 （PLC ） 、工业 PC 机、和数字控制器等 ，已成为控制装置的主流。

集散控制系统实现了 控制分散、危险分散，操作监测和管理集 中。

控制理论：形成了大 系统理论和智能控制理论。

模糊控制、专式识别技术20 世纪 90 年代至今：信息技术飞速发展过程控制系统：管控 一体化现场，综合自动化是当今生产过程自动化仪表：总线控 制系统的出现，引起过程控制系统体系结构和功能结构上的重大变革。

现场仪 表的数字化和智能化，形成了真正意义上 的全数字过程控制系 统。

各种智能仪表、变送器、无纸纪录仪 人工智能、神经网络 控制、自 动化技术的应用范畴1. 宇航方面：（现代控制理论）同步卫星与地面接收 站直接对应，偏差影响收看效果（随动控 制系统） 卫星的发射与回收（ 神州 3号卫星，哥伦比亚号 航天飞机）自动关机、点火系统2. 军事方面：火炮自动点火、巡航 导弹 3.其他方面：农业（病虫害防治、专家系统 ）社会科学（计划生育 ，人口增长模型）4. 现代管理：办公自动 化（以计算机技术和现代通信技术为主体 的综合处理与办公活动相关的语言、数据 、图像、文字等人及信息系统。

5. 工业生产：自动车床 、加热炉、发酵罐 三、过 程控制系统的特点过程控制系统与其他 自动控制系统相比，有如下几个特点： 1. 生产 过程的连续性家系统控制、模控制的发展方向。

在过程控制系统中， 大多数被控过程都是以长期的或间歇形式 运行，在密闭的设备中被控变量不断的受到各种扰动的影响。

2•被控过程的复杂性过程控制涉及范围广：石化过程的精馏塔、反应器；热工过程的换热器、锅炉等。

被控对象较复杂：动 态特性多为大惯性，大滞后形式，且具有 非线性、分布参数和时 变特性。

3•控制方案的多样性被控过程对象特性各 异，工艺条件及要求不同， 过程控制系统的控制方案非常丰富。

包括：常规PID 控制、改进PID 控制、串级控制、前馈 -反馈控制、解耦控制； 为满足特定要求而开 发的比值控制、均匀控制、选择性控制、推断控制；新型控制系统，如模 糊控制、预测控制、最优控制等。

四、过程控制的主要内容1•自动检测系统------ 利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录 女口：加热炉温度、压 力检测 2•自动信号和联锁保护系统自动信号系统：当工 艺参数超出要求范围，自动发出声光信号 联锁保护系统：达到 危险状态，打开安全阀或切断某些通路， 女口：反应器温度、压 力进入危险限时，加大冷却剂量或关闭进 3•自动操纵及自动开停车系统自动操纵系统：根据 预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作 如: 合成氨造气车间 煤气发生炉，按吹风、上吹、下吹、吹净 等步骤周期性地接通空气和水蒸汽自动开停车系统：按 4.自动控制系统：预先规定好的步骤将生产过程自动的投入 运行或自动停车利用自动控制装置对 动的影响而偏离正常生产中某些关键性参数进行自动控制，使 他们在受到外界扰状态时，能自动的回到规定范围 。

（本书介绍的重点内容）§ 1.2过程控制系统的组成利用自动控制装置构 成的过程控制系统，可以在没有人直接参 与的条件下，使这些工 艺参数能自动按照预 定的规律变化。

一、过程控制系统实例1. 锅炉汽包水位控制。

在锅炉正常运行中，汽包水位是一个重要的参数，它的高低直 接影响着蒸汽的品质及 锅炉的安全。

水位过 低，当负荷很大时，汽化速度很快，汽包 内的液体将全部汽化，导致 锅炉烧干甚至会引起 爆炸；水位过高会影响汽包的汽水分离， 产生蒸汽带液现象，降低了必要时紧急停车 料阀(a)图1.1锅炉汽包水位控制示意图眼——检测元件（变送器）要想实现对汽包水位的控制，首先应随时掌握水位的变化情况脑—一＞控制器控制器将接收到的测量信号与预先规定的水位高度进行比较。

如果两个信号不相等，表明实际水位与规定水位有偏差，此时控制器将根据偏差的大小向执行器输出一个控制信号，手——►执行器执行器即可根据控制信号来改变阀门的开度，从而使进入锅炉的水量发生变化，达到控制锅炉汽包水位的目的。

2.发酵罐温度控制（参见教材P4）发酵罐是间歇发酵过程中的重要设备，广泛应用于微生物制药、食品等行业。

发酵罐度就显得非常重要。

（a）（b）图1.2 发酵罐温度控制系统示意图影响发酵过程温度的主要因素有微生物发酵热、电机搅拌热、冷却水的流量及本身的温度变化以及周围环境温度的改变等。

一般采用通冷却水带走反应热的方式使罐内温度保持工艺要求的数值。

对于小型发酵罐，通常采用夹套式冷却形式。

如图1.2（a）所示。

实现对发酵罐温度的控制，可使用温度检测仪表（如热电偶、热电阻等）测量罐中的实际温度，将测得的数值送入控制器，然后与工艺要求保持的温度数值进行比较。

如果两个信号不相等，则由控制器的输出控制冷却水阀门的开度，改变冷却水的流量，从而达到控制发酵罐温度的目的。

过程控制系统的组成一个过程控制系统一般由两部分组成。

控制器执行器］■给水(b)的温度是影响发酵过程的一个重要参数。

因为微生物菌体本身对温度非常敏感，只有在适宜的温度下才能正常生长代谢，而且涉及菌体生长和产物合成的酶也必须在一定的温度下才能具有高的活性。

温度还会影响发酵产物的组成。

因此，按，定的规律控制发酵罐的温需要控制的工艺设备 或机器（被控过程）+自动控制装置 （反应器、精馏塔、 换热器、压力罐 （控制器、执行器、测量元件及变送器）储槽、加热炉、压缩 机、泵、冷却塔）几个常用术语：被控过程（对象）工 艺参数需要控制的生产过程设备或机器等 。

如锅炉汽包，发酵罐。

被控变量被控对象中要求保持设定值的工艺参数。

如汽包水位 、发酵温度。

操纵变量受控制器操纵，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。

如锅炉给水量和发酵罐冷却水量。

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。

如蒸汽负荷的变化、冷却水温度的变化等。

设定值被控变量的预定值。

偏 差（e ）被控变量的设定 值与实际值之差。

在实际控制系统中，能够直接获取的信息是被控变量的测量 值而不是实际值，因此，通常把设定值与 测量值之差作为偏差。

§1.3过程控制系统的两种表示形式 一、 方框图方框图是控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的图解 表示，是控制系统进行理论分析、设计中常用到的一种形式。

1. 方框图组成方框----每一个方框表示系统中的一个组成部分（也称为环节），方框内添入表示其 自身特性的数学表达 式或文字说明；信号线---信号线是带有箭头的直线段，用来表示环节间的相互关系和信号的流向；作用于方框上的信号 为该环节的输入信号，由方框送出的信号 称为该环节的输出信号。

比较点----比较点表示对两个或两个以上信号进行加减运算，“+号表示相加，’-”号表示相减；引出点----表示信号引出，从同一位置引 出的信号在数值和性质方面完全相同。

支点图1.3方框的组成单元示意图系统中的每一个环节 用一个方框来表示，四个方框分别表示： 被控对象（锅炉汽包）、器和执行器。

每个方框都分别标出各自的 化会引起汽包水位的变化，因此给水流量 汽包水位（被控变量）则作为被控对象的 定值的因素还包括蒸汽负荷的变化和给水测量变送装置、控制 象环节，给水流量变 作用于被控对象，而（汽包水位）偏离设 输入、输出变量。

如被控对 （操纵变量）作为输入信号输出信号；引起被控变量 管压力的变化等扰动量，它们也作为输入信号作用于被控对象。

2. 负反馈概念：反馈一一通过测量变 送装置将被控变量的测量值送回到系统的输入端，这种把系统的输出信号直接或经过一些 环节引回到输入端的做法叫做反馈。

分为和反馈-----负反馈（引回到输入端的信号是减弱输入端作用的称为负反馈）用“-”号表示 正、反馈（引回到输入端的信号是增强输入端作用的称为正反馈 ）用“ +”号表示。