《过程控制系统设计》PPT课件
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《过程控制》课件
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通过精确控制冶金过程中的各种参数，实现 高效、低耗、高质量的冶金生产。
详细描述
在冶金过程中，自动化控制系统通过对熔炼 、连铸、轧制等环节的温度、压力、流量、 成分等参数的监测和调节，实现高效、低耗 、高质量的生产。这有助于提高冶金产品的 质量和降低生产成本。
电力过程控制实例
总结词
通过自动化技术实现对电力生产过程的控制 ，确保电力供应的稳定和安全。
工业4.0与过程控制的融合发展
总结词
工业4.0强调的是数字化、智能化和互联化，与过程控制技术的融合将推动工业生产的进一步升级。
详细描述
工业4.0通过物联网、边缘计算等技术，实现设备间的互联互通和数据共享，为过程控制提供了更广阔的应用场 景。同时，工业4.0也促进了生产过程的自动化和智能化，提高了生产效率和产品质量。
工业网络与安全问题挑战
工业网络安全挑战
随着工业自动化和信息化的发展，工业控制系统越来 越多地通过网络进行数据交换和远程控制，这使得工 业控制系统面临网络安全威胁和攻击的挑战。
数据安全挑战
工业控制系统中的数据涉及到企业的核心机密和生产 安全，一旦泄露或被篡改，将给企业带来巨大的经济 损失和安全风险。
要点二
稳定性挑战
在某些情况下，控制系统可能受到外部干扰或内部参数变 化的影响，导致系统稳定性下降，甚至出现振荡或发散。
复杂过程与非线性系统挑战
复杂过程挑战
许多实际的过程控制系统具有非线性、时变、不确定性 和耦合等特性，这使得对系统的建模和战
非线性系统在控制过程中表现出复杂的动态行为，如跳 跃、分岔和混沌等，这使得传统的线性控制方法难以应 对。
化工过程控制实例
总结词
过程控制系统ppt课件
2、调节原理 二、稳定边界法（临界比例度法）
4、变送器：一般为“＋”； 一般控制系统中，有效办法是采用串级控制。
当口径A和差压(P1-P2)一定时，流量Q仅随阻尼的
变化而变化。改变阀门的开启程度，可改变流通阻力而 控制介质流量。
二、控制阀的流量特性
1、概念
l Q ,L Q max
Ql f( )(33)
§2-2 被控参数和控制参数的选择
一、被控参数(即被控量)的选择
1.选择的意义
2. 选择方法
(1).选直接参数
即能直接发映生产过程产品产量和质量，以及安全 运行的参数。(如锅炉锅筒的水位控制。)
(2).选间接参数
当选直接参数有困难时采用。(如用反应釜的温度 控制间接实现化学反应的质量控制。)
3. 选间接参数的原则
它是每经过一个周期后，波动幅度衰减的百分数，即：
B1 B2
B1
2．超调量和最大动态偏差：
随动控制系统中，超调量（Overshoot）σ定义为：
B1 100%
C
定值控制系统采用最大动态偏差A表示超调程度。即：
3．余差：
A B1 C
它是控制系统的最终稳态偏差e(∞)。在阶跃输入作
用下，余差（Steady-state error）为：
以液体储槽的水位控制为例进行说明。
1、控制原理(如下图)
液位变送器 液位控制器
执行器
2、系统方块图
1-1典型单回路控制系统
3、主要组成部分
(1)、被控对象：生产过程中被控制的工艺设备或装置。 (2)、检测变送单元： (3)、控制器：实时地对被控系统施加控制作用。 (4)、执行器：将控制信号进行放大以驱动控制阀。常见的
• 必须考虑工艺生产的合理性和仪表的现状。 • 间接参数应与直接参数有某种单值函数关系。 • 间接参数要有足够的灵敏度。
4、变送器：一般为“＋”； 一般控制系统中，有效办法是采用串级控制。
当口径A和差压(P1-P2)一定时，流量Q仅随阻尼的
变化而变化。改变阀门的开启程度，可改变流通阻力而 控制介质流量。
二、控制阀的流量特性
1、概念
l Q ,L Q max
Ql f( )(33)
§2-2 被控参数和控制参数的选择
一、被控参数(即被控量)的选择
1.选择的意义
2. 选择方法
(1).选直接参数
即能直接发映生产过程产品产量和质量，以及安全 运行的参数。(如锅炉锅筒的水位控制。)
(2).选间接参数
当选直接参数有困难时采用。(如用反应釜的温度 控制间接实现化学反应的质量控制。)
3. 选间接参数的原则
它是每经过一个周期后，波动幅度衰减的百分数，即：
B1 B2
B1
2．超调量和最大动态偏差：
随动控制系统中，超调量（Overshoot）σ定义为：
B1 100%
C
定值控制系统采用最大动态偏差A表示超调程度。即：
3．余差：
A B1 C
它是控制系统的最终稳态偏差e(∞)。在阶跃输入作
用下，余差（Steady-state error）为：
以液体储槽的水位控制为例进行说明。
1、控制原理(如下图)
液位变送器 液位控制器
执行器
2、系统方块图
1-1典型单回路控制系统
3、主要组成部分
(1)、被控对象：生产过程中被控制的工艺设备或装置。 (2)、检测变送单元： (3)、控制器：实时地对被控系统施加控制作用。 (4)、执行器：将控制信号进行放大以驱动控制阀。常见的
• 必须考虑工艺生产的合理性和仪表的现状。 • 间接参数应与直接参数有某种单值函数关系。 • 间接参数要有足够的灵敏度。
过程控制系统设计 PPT课件
注意：考虑工艺的合理性、被控变量必须是独立可控。
15
（一）确定控制变量与控制方案
2、操纵变量的选择 选择时考虑：
（1）工艺合理性 （2）被控对象的特性
操纵变量
q
干 扰
ƒ
对象
被控变量
y
（a）使被控对象控制通道的放大倍数较大，时 间常数较小，纯滞后越小越好；
（b）使被控对象干扰通道的放大倍数尽可能小， 时间常数越大越好
阻力越大，C值越小
CF
P
C的大小反映调节阀流量F的大小， 故习惯称为流通能力
C的定义：调节阀全开，阀两端压差为100Kpa，介质密度
为1g/cm3时，每小时流过调节阀的流量（m3/h）。
22
1、有关的系数 （1）阻塞流
当阀前压力一定，通过阀的流量随阀前后差压的增大而增 大，到达临界状态时，流量不随△P变化，为最大流量的流 动状况。 阻塞流的流量与差压的关系不遵循流量方程。
第4章 工程设计
4.1 概述 4.2 工程设计步骤 4.3 工程设计内容 4.3.1 确定控制变量与控制方案 4.3.2 硬件选择 4.3.3节流元件计算 4.3.4 调节阀选择 4.3.5 计算举例
1
4.1概述
4.1.1工程设计的定义
把生产过程自动化的各种控制方案，用设 计图纸资料和设计文件资料表达出来的全 部工作。
2
4.1.2自控工程设计的基本任务
从我国的实际情况出发，结合本厂的特点，确定 生产过程自动化水平。
根据工艺要求，确定各种检测参数。 主要控制参数的控制系统的设计。 工艺生产过程必要的信号报警和联锁保护设计。 控制室、仪表盘的设计。 仪表车间的设计。
3
4.1.3对工程设计人员的要求
15
（一）确定控制变量与控制方案
2、操纵变量的选择 选择时考虑：
（1）工艺合理性 （2）被控对象的特性
操纵变量
q
干 扰
ƒ
对象
被控变量
y
（a）使被控对象控制通道的放大倍数较大，时 间常数较小，纯滞后越小越好；
（b）使被控对象干扰通道的放大倍数尽可能小， 时间常数越大越好
阻力越大，C值越小
CF
P
C的大小反映调节阀流量F的大小， 故习惯称为流通能力
C的定义：调节阀全开，阀两端压差为100Kpa，介质密度
为1g/cm3时，每小时流过调节阀的流量（m3/h）。
22
1、有关的系数 （1）阻塞流
当阀前压力一定，通过阀的流量随阀前后差压的增大而增 大，到达临界状态时，流量不随△P变化，为最大流量的流 动状况。 阻塞流的流量与差压的关系不遵循流量方程。
第4章 工程设计
4.1 概述 4.2 工程设计步骤 4.3 工程设计内容 4.3.1 确定控制变量与控制方案 4.3.2 硬件选择 4.3.3节流元件计算 4.3.4 调节阀选择 4.3.5 计算举例
1
4.1概述
4.1.1工程设计的定义
把生产过程自动化的各种控制方案，用设 计图纸资料和设计文件资料表达出来的全 部工作。
2
4.1.2自控工程设计的基本任务
从我国的实际情况出发，结合本厂的特点，确定 生产过程自动化水平。
根据工艺要求，确定各种检测参数。 主要控制参数的控制系统的设计。 工艺生产过程必要的信号报警和联锁保护设计。 控制室、仪表盘的设计。 仪表车间的设计。
3
4.1.3对工程设计人员的要求
过程控制系统建模方法PPT课件
第26页/共117页
无自平衡能力的单容对象特性
• 自平衡过程
• 受扰后被调量能够自动地稳定在新的平衡点上的过 程
• 如，用惯性环节描述的单容对象 • 自平衡过程是一种稳定的过程
• 无自平衡过程
• 受扰后，无法自动恢复平衡的过程 • 如，用积分环节描述的单容对象
第27页/共117页
无自平衡能力的单容对象特性
第15页/共117页
单容对象的传递函数
• 根据物料平衡关系，有：
➢初
始Qi
时 Q刻o
dV
，dt
水,
槽V为处水于槽贮平水衡量，状V 态A：*h
Qo=Qi，h＝h0
➢进水阀开度发生阶跃变化Δu时：
• Qi→ Qi +ΔQi h →h+Δh Qo→ Qo +ΔQo
• 于是有
Qi Qo
A dh dt
.
0.8
uc
输出uc
0.6
0.4
0.2
0
0
5
10
15
20
25
u (sec)
第2页/共117页
建模的概念
• 建模需要三类主要的信息源
1、要确定明确的输入量与输出量
• 通常选一个可控性良好，对输出量影响最大的一 个输入信号作为输入量，其余的输入信号则为干 扰量。
第3页/共117页
建模需要三类主要的信息源（续）
无自平衡能力的单容对象
• 流出端采用容积式计量泵 • 排出恒定的流量Qo • 输入流量受扰后，水位或一直上升或一直下降 • 无法通过控制使其平衡
无自平衡能力的单容水槽
第28页/共117页
无自平衡能力的单容对象特性
无自平衡能力的单容对象的特性分析
无自平衡能力的单容对象特性
• 自平衡过程
• 受扰后被调量能够自动地稳定在新的平衡点上的过 程
• 如，用惯性环节描述的单容对象 • 自平衡过程是一种稳定的过程
• 无自平衡过程
• 受扰后，无法自动恢复平衡的过程 • 如，用积分环节描述的单容对象
第27页/共117页
无自平衡能力的单容对象特性
第15页/共117页
单容对象的传递函数
• 根据物料平衡关系，有：
➢初
始Qi
时 Q刻o
dV
，dt
水,
槽V为处水于槽贮平水衡量，状V 态A：*h
Qo=Qi，h＝h0
➢进水阀开度发生阶跃变化Δu时：
• Qi→ Qi +ΔQi h →h+Δh Qo→ Qo +ΔQo
• 于是有
Qi Qo
A dh dt
.
0.8
uc
输出uc
0.6
0.4
0.2
0
0
5
10
15
20
25
u (sec)
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建模的概念
• 建模需要三类主要的信息源
1、要确定明确的输入量与输出量
• 通常选一个可控性良好，对输出量影响最大的一 个输入信号作为输入量，其余的输入信号则为干 扰量。
第3页/共117页
建模需要三类主要的信息源（续）
无自平衡能力的单容对象
• 流出端采用容积式计量泵 • 排出恒定的流量Qo • 输入流量受扰后，水位或一直上升或一直下降 • 无法通过控制使其平衡
无自平衡能力的单容水槽
第28页/共117页
无自平衡能力的单容对象特性
无自平衡能力的单容对象的特性分析
过程控制系统课件第一章绪论(共67张PPT)
系统稳态准确性的指标。
C= y(∞) - r
y
y3
y1
r
Tp
C
y(∞)
T
t
TS
图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线
共六十七页
第三节
过程控制系统的质量指标
2）衰减(shuāi jiǎn)比n和衰减率
ψ
设第一个波振幅
(zhènfú)为 y 、第三个波振幅为 y
1
3
y1y3
1
1
y1
过程
(guòchéng)
控制系统
Process Control System
共六十七页
自动化技术是信息科学与技术的一个重要分支。
过程控制等工程领域自动控制的理论基础是工程控制论，其
奠基性著作是钱学森先生于1954年发表的《工程控制论》。
控制论的四大应用领域：工程控制、生物(shēngwù)控制、经济
y()
y
y3
y1
r
Tp
C
y(∞)
T
t
TS
图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线
共六十七页
第三节
过程(guòchéng)控制系统的质
量指标
4）过渡过程时间Ts
Ts是指从过渡过程开始(kāishǐ)到过渡过程结束所需的
时间。当被控参数与稳态值间的偏差进入稳态值的±5%
（或±2%）范围内，就认为过渡过程结束。
统的控制质量。
共六十七页
y(t )
二、过程控制系统
的分类
(kònɡ zhìxìtǒnɡ)
（二）按给定值信号分类
1．定值控制系统
C= y(∞) - r
y
y3
y1
r
Tp
C
y(∞)
T
t
TS
图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线
共六十七页
第三节
过程控制系统的质量指标
2）衰减(shuāi jiǎn)比n和衰减率
ψ
设第一个波振幅
(zhènfú)为 y 、第三个波振幅为 y
1
3
y1y3
1
1
y1
过程
(guòchéng)
控制系统
Process Control System
共六十七页
自动化技术是信息科学与技术的一个重要分支。
过程控制等工程领域自动控制的理论基础是工程控制论，其
奠基性著作是钱学森先生于1954年发表的《工程控制论》。
控制论的四大应用领域：工程控制、生物(shēngwù)控制、经济
y()
y
y3
y1
r
Tp
C
y(∞)
T
t
TS
图1.5 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线
共六十七页
第三节
过程(guòchéng)控制系统的质
量指标
4）过渡过程时间Ts
Ts是指从过渡过程开始(kāishǐ)到过渡过程结束所需的
时间。当被控参数与稳态值间的偏差进入稳态值的±5%
（或±2%）范围内，就认为过渡过程结束。
统的控制质量。
共六十七页
y(t )
二、过程控制系统
的分类
(kònɡ zhìxìtǒnɡ)
（二）按给定值信号分类
1．定值控制系统
过程控制系统ppt课件
气动执行器：其作用是接受调节器送来的信号， 相应地去改变操纵变量以稳定被控变量。46.
自动控制系统是采用自动化装置来代替人手操作的系统。 自动控制系统由被控对象和能实现过程控制的自动化装 置组成
液位控制系统的工作过程
学习要点2：识读带控制点的工艺流程图
精馏塔控制方案常采用（温度）控制来保证产品的纯度。
z(t)
量
值
测量元件或变送器
自动化装置
工艺对象
自动控制系统组成：由被控对象和能实现过程控制的自动
化装置组成
控制系统的作用：自动控制装置是能克服（偏差） 使被控变量回到给定值的装置。
控制系统特点：（被控变量）是指对象内要求保持给定值的 物理量。
操纵变量是指受控制器操纵，用于克服干扰使被控变量 保持设定值的物理量和能量。
控制
1.（√ ）自动控制系统是采用自动化装置来代替人手操作的系统。
变送器、调节器、执行器的作用 2.自动控制系统组成，以下（由被控对象和能实现过程控制的自动化装置组成）项是正确的。
变送器：将非电压或者电流信号转换成标准的 4-20mA的电流信号。
调节器：是一种工业控制仪表, 用于温度,压力, 流量,液位等参数的控制,带有自整定PID算法， 具有RS485通讯功能。
过程控制系统稳定性
63.一个线性系统的稳定性（稳定或不稳定）取决于（ ）。
A.干扰作用的形式 B.干扰作用的强弱 C.系统本身的结构及参数 D.干扰作用的形式及强弱和系统本身的结构及参数
自动控制系统的分类（正负反馈）
开环控制系统
按照是否有反馈分类
闭环控制系统 按照设定值的不同分类
定随 程 值动 序 控控 控 制制 制 系系 系 统统 统
（d）非周期衰减过程
自动控制系统是采用自动化装置来代替人手操作的系统。 自动控制系统由被控对象和能实现过程控制的自动化装 置组成
液位控制系统的工作过程
学习要点2：识读带控制点的工艺流程图
精馏塔控制方案常采用（温度）控制来保证产品的纯度。
z(t)
量
值
测量元件或变送器
自动化装置
工艺对象
自动控制系统组成：由被控对象和能实现过程控制的自动
化装置组成
控制系统的作用：自动控制装置是能克服（偏差） 使被控变量回到给定值的装置。
控制系统特点：（被控变量）是指对象内要求保持给定值的 物理量。
操纵变量是指受控制器操纵，用于克服干扰使被控变量 保持设定值的物理量和能量。
控制
1.（√ ）自动控制系统是采用自动化装置来代替人手操作的系统。
变送器、调节器、执行器的作用 2.自动控制系统组成，以下（由被控对象和能实现过程控制的自动化装置组成）项是正确的。
变送器：将非电压或者电流信号转换成标准的 4-20mA的电流信号。
调节器：是一种工业控制仪表, 用于温度,压力, 流量,液位等参数的控制,带有自整定PID算法， 具有RS485通讯功能。
过程控制系统稳定性
63.一个线性系统的稳定性（稳定或不稳定）取决于（ ）。
A.干扰作用的形式 B.干扰作用的强弱 C.系统本身的结构及参数 D.干扰作用的形式及强弱和系统本身的结构及参数
自动控制系统的分类（正负反馈）
开环控制系统
按照是否有反馈分类
闭环控制系统 按照设定值的不同分类
定随 程 值动 序 控控 控 制制 制 系系 系 统统 统
（d）非周期衰减过程
《过程控制》PPT课件
度的指标，超调量σ定义为：
B1 100%
C C为最终的稳态值与其初始值的差。
• 定值控制系统采用最大动态偏差A表示超调程度，指的
是在单位阶跃扰动下，最大振幅与最终稳态值之和的绝 对值，即：
A B1 C
精选课件ppt
10
3．余差
它是控制系统的最终稳态偏差e(∞)。在
阶跃输入作用下，余差（Steady-state error）为：
精选课件ppt
3
一般的反馈控制系统
被控过程
DVs
干扰通道
ysp + _
控制器
u(t) 执行机构 MV
+ 控制通道 +
y(t)
ym(t) 传感变送器
“反馈控制”是信号沿前向通道（或称前向通路）和反馈通道进行闭路传 递，从而形成一个闭合回路的控制方法。
精选课件ppt
4
说明几点 ：
• 简单控制系统有两个通道：控制通道和扰动通道。
振荡频率下，衰减比越大，回复时间越短。
精选课件ppt
12
5．偏离度：
控制系统偏离度是被控变量统计特性的描述。
在相同干扰作用下，定值控制系统输出的最 大偏差越大，系统的偏离度越大；在相同的衰减比 下，系统输出的周期越大，系统的偏离度越大。
精选课件ppt
13
2、积分性能指标 单项指标固然清晰明了，但还是希望用一个综
精选课件ppt
6
1、以阶跃响应曲线的特征参数作为性能指标
在工业过程中以阶跃作用下的过渡过程为准， 采用时域内的单项指标来评价控制的好坏。主要的 时域指标包括：
精选课件ppt
7
1.衰减比n： 衰减比表示振荡过程的衰减程度，是控制系统的稳定性指标。
B1 100%
C C为最终的稳态值与其初始值的差。
• 定值控制系统采用最大动态偏差A表示超调程度，指的
是在单位阶跃扰动下，最大振幅与最终稳态值之和的绝 对值，即：
A B1 C
精选课件ppt
10
3．余差
它是控制系统的最终稳态偏差e(∞)。在
阶跃输入作用下，余差（Steady-state error）为：
精选课件ppt
3
一般的反馈控制系统
被控过程
DVs
干扰通道
ysp + _
控制器
u(t) 执行机构 MV
+ 控制通道 +
y(t)
ym(t) 传感变送器
“反馈控制”是信号沿前向通道（或称前向通路）和反馈通道进行闭路传 递，从而形成一个闭合回路的控制方法。
精选课件ppt
4
说明几点 ：
• 简单控制系统有两个通道：控制通道和扰动通道。
振荡频率下，衰减比越大，回复时间越短。
精选课件ppt
12
5．偏离度：
控制系统偏离度是被控变量统计特性的描述。
在相同干扰作用下，定值控制系统输出的最 大偏差越大，系统的偏离度越大；在相同的衰减比 下，系统输出的周期越大，系统的偏离度越大。
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13
2、积分性能指标 单项指标固然清晰明了，但还是希望用一个综
精选课件ppt
6
1、以阶跃响应曲线的特征参数作为性能指标
在工业过程中以阶跃作用下的过渡过程为准， 采用时域内的单项指标来评价控制的好坏。主要的 时域指标包括：
精选课件ppt
7
1.衰减比n： 衰减比表示振荡过程的衰减程度，是控制系统的稳定性指标。
第3章过程控制系统设计ppt课件
◆按式(3-17)，求 1
◆按式(3-11)(3-9)，分别求 1和 C1 ，则
A2 X1C11
◆求差值 1 ，则 1 A2 A2
◆作第二次假定，用
重复上述步骤，直到
1、nC小1作于为某第规二定个的假值定为值止，
A2 XC 10n
A2
◆以在后冶的金迭工代业值，，常可取用 具有1，快n速＝收4。敛对的于弦X截3 法和公 3
※标准节流装置的取压方式
★径距取压：其取压口与孔板的间距是取压口中 心线与孔板某一规定端面之间的距离。
★法兰取压：须用专门带钻孔的法兰。上下游取 压管中心位于距孔板两侧相应端面25.4mm处
★角接取压：取压口的位置紧贴孔板的端面。有 环室取压、钻孔式夹持环取压、环管取压
•
具有径距取压或法兰取压的孔板取压口间距
★实际可调比：调节阀实际控制的最大和最小流 量的比值
☆串联管道：在管道系统的总压降一定时，随着 流量的增加，串联管路的阻力损失增大，调节 阀上的压降减小，使调节阀的最大流量减小。 即串联管道调节阀的实际可调比降低。
◆串联管道的实际可调比为：
Rs
Qmax Qmin
Cmax Cmin
pmin R pmax
◆旁路程度 ◆可调比
B Q1max QT max
R Q1max Q1min
Q1min
QT max B R
Q2 QT max Q1max (1 B)QT max
Rp
1
1 BR
1
1 1 B
QT max Q2
R
调节阀的流量特性
★流量特性 ★理想流量特性 ★工作流量特性
※调节阀的流量特性
★指流体流过阀门的相对流量和相对开度之间的 函数关系。
过程控制系统工程设计PPT课件
北京科技大学自动化学院
2020/4/13
1. 控制系统对象的机理分析
无 为 1.2 被控对象输出机理分析。输出量是过程参数，但 而 是不一定是系统的目标参数，二者关系需要分析。 治 例如：空调的输出是制冷（热）量，并非是目标参数，
而空调的目标参数是室内温度；
和 加热炉的输出与目标参数是同一个变量，即温度； 谐 炼钢的输出参数是终点碳值、终点温度； 发 炼铁的输出是铁水与炉渣； 展 电动机的输出是速度与电流等。
无
为
而 治
过程控制系统工程设计
和 谐 发 展
北京科技大学自动化学院
2020/4/13
目录
无
为 控制系统对象的机理分析
而 治
控制目标与性能指标
控制系统的信息反馈与执行机构
和 控制系统的结构设计与功能分配
谐 控制系统的综合指标
发 展
大型控制系统的设计步骤
北京科技大学自动化学院
2020/4/13
400#
原ABPLC5/40L系统 DP+ L1-L5电动活套传动系统profibus DP
图2-1 基础自动化控制系统总体配置图
北京科技大学自动化学院
2020/4/13
5.控制系统的综合指标
无
为 系统性能价格比
而 治
系统安全性指标
系统运行率指标
和 系统可维护性
谐 系统可扩展性
发 展
系统生命周期
直流电动机的输入量是电枢电压、电流、磁场电流等。
输入参数往往也是一个子系统。例如：炼钢中的氧枪，炼 铁中的热风炉。
北京科技大学自动化学院
2020/4/13
2. 控制目标与性能指标
无
为 2.1 控制目标
过程控制系统 第4章 简单控制系统ppt课件
19
可编辑课件PPT
③ 信号滤波
由于存在环境噪声，例如，泵出口压力的脉动，储罐液位的波 动等，它们使检测变送信号波动并影响控制系统的稳定运行， 因此，需要对信号进行滤波。
信号滤波有硬件滤波和软件滤波，有高频滤波、低频滤波、带 通、带阻滤波等。 硬件滤波通常采用阻容滤波环节，可以用电阻电容组成低通滤 波，也可用气阻和气容组成滤波环节。可以组成有源滤波、也 可组成无源滤波等。 软件滤波采用计算方法，用程序编制各种数字滤波器实现信号 滤波，具有投资少，应用灵活等特点。在智能仪表、DCS等装 置中通常采用软件滤波。
12
可编辑课件PPT
仪表的精确度影响检测变送环节的准确性。应合 理选择仪表的精确度，以满足工艺检测和控制要 求为原则。检测变送仪表的量程应满足读数误差 的精确度要求，同时应尽量选用线性特性。仪表 量程大Km小，而仪表量程小则Km大。
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检测元件和变送器增益Km的线性度与整个闭环控 制系统输入输出的线性度有关，当控制回路的前 向增益足够大时，整个闭环控制系统输入输出的 增益是Km的倒数。例如，采用孔板和差压变送器 检测变送流体的流量时，由于差压与流量之间的 非线性，造成流量控制回路呈现非线性，并使整 个控制系统开环增益非线性。
首先，要求自动控制系统设计人员在掌握较为全面的自动化专 业知识的同时，也要尽可能多地熟悉所要控制的工艺装置对象；
其次，要求自动化专业技术人员与工艺专业技术人员进行必要 的交流，共同讨论确定自动化方案；
第三，自动化技术人员要切忌盲目追求控制系统的先进性和所 用仪表及装置的先进性。工艺人员要进一步建立对自动化技术 的信心，特别是一些复杂对象和大系统的综合自动化，要注意 倾听自动化专业技术人员的建议；
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③ 信号滤波
由于存在环境噪声，例如，泵出口压力的脉动，储罐液位的波 动等，它们使检测变送信号波动并影响控制系统的稳定运行， 因此，需要对信号进行滤波。
信号滤波有硬件滤波和软件滤波，有高频滤波、低频滤波、带 通、带阻滤波等。 硬件滤波通常采用阻容滤波环节，可以用电阻电容组成低通滤 波，也可用气阻和气容组成滤波环节。可以组成有源滤波、也 可组成无源滤波等。 软件滤波采用计算方法，用程序编制各种数字滤波器实现信号 滤波，具有投资少，应用灵活等特点。在智能仪表、DCS等装 置中通常采用软件滤波。
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仪表的精确度影响检测变送环节的准确性。应合 理选择仪表的精确度，以满足工艺检测和控制要 求为原则。检测变送仪表的量程应满足读数误差 的精确度要求，同时应尽量选用线性特性。仪表 量程大Km小，而仪表量程小则Km大。
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检测元件和变送器增益Km的线性度与整个闭环控 制系统输入输出的线性度有关，当控制回路的前 向增益足够大时，整个闭环控制系统输入输出的 增益是Km的倒数。例如，采用孔板和差压变送器 检测变送流体的流量时，由于差压与流量之间的 非线性，造成流量控制回路呈现非线性，并使整 个控制系统开环增益非线性。
首先，要求自动控制系统设计人员在掌握较为全面的自动化专 业知识的同时，也要尽可能多地熟悉所要控制的工艺装置对象；
其次，要求自动化专业技术人员与工艺专业技术人员进行必要 的交流，共同讨论确定自动化方案；
第三，自动化技术人员要切忌盲目追求控制系统的先进性和所 用仪表及装置的先进性。工艺人员要进一步建立对自动化技术 的信心，特别是一些复杂对象和大系统的综合自动化，要注意 倾听自动化专业技术人员的建议；
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▪ 孔板、文丘里管、喷嘴
❖ 命题
▪ 确定所要求取的参数——流量、孔径、压差
❖ 从层流到紊流的分界线取决于
▪ 流量、流体的密度、粘度和管道内径
❖ 雷诺数Re
▪ Re〈2300 层流 ▪ Re〉4000 紊流
46微米厚的液晶层的流动。 当电场强度平缓增加时 •层流（右上） •弱的湍流（左下） •方格状对流（右下） 下侧两图混沌→湍流
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3 过程控制系统设计
(2) 雷诺数Re（续）
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3 过程控制系统设计
(3) 推断控制 当被控变量不能直接测量使用，利用辅助变 量的测量值来调节控制变量，使不可测的被控变 量保持在预期值。
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3 过程控制系统设计
3.3 过程控制系统硬件选择
根据过程控制的输入输出变量以及控制要求，可
以选定系统硬件，包含：
保护
❖ 控制装置
装置
❖ 测量仪表、传感器 ❖ 执行机构
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11
3 过程控制系统设计
3.3.2 测量仪表和传感器的选型原则
❖ 检测部件一般宜采用定型产品，设计过程控 制系统时，根据控制方案选择测量仪表和传 感器
❖ 选型原则：
▪ 可靠性 ▪ 实用性 ▪ 先进性
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12
3 过程控制系统设计
3.4 流量计选择
3.4.1 流量计算有关的基本概念
(1) 流量Q 流体在单位时间内流过管道或设备某处横断面 的数量成为流量。
ε 可膨胀系数
a 节流装置开孔截面积
ρ1 流体流过节流装置前的密度
Δp 节流元件前后压力差
ppt课件
23
3 过程控制系统设计
❖标准节流装置的取压方式
• 径距取压 • 法兰取压 • 角接取压
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3 过程控制系统设计
测量与计算方法
❖ 流出系数C
C0.595 0.0931 2.1 2 0.184 40.002 0.2(51 960 /R0.e 75) 0.09L 1 0 40 (14) 10.03L 2 3 37
控制 器
检测/ 变送
❖ 报警、保护、连锁等部件
执行 ppt课件机构
被控 对象
10
3 过程控制系统设计
3.3.2 控制装置
用于过程控制的计算机控制设备多采用DCS （集散控制系统）或PLC（可编程序控制器）。
模拟量控制回路较多，开关量较少的过程控 制系统宜采用DCS控制；
模拟量控制回路较少，开关量较多的过程控 制系统宜采用PLC控制。
❖ 体积流量Qv
▪ 单位：米3/小时（m3/h）等
❖ 质量流量Qm
▪ 单位：吨/小时（t/h）;千克/小时（kg/h）等 ▪ Qm=Qvρ
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3 过程控制系统设计
(2) 雷诺数Re
❖ 管道内流量小时
▪ 压差与流量成正比 ▪ 流体的流动状态为
❖ 流量变大后
▪ 压差大致与流量的平方成正比 ▪ 流体的流动状态为紊流
直 径 d/D 比 ）（
❖ 可膨胀系数ε
1
1（ 0.4
10.3
54）p
k1p
❖ 流量与压差的关系
Q v1 C4
14d 2
2 p
1
Q v1 C4
24d 2
2 p
2
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3 过程控制系统设计
在已知管径的管道中设置测量流量的节流 装置时，首先要确定以下几项： ❖ 采用的节流装置的类型
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3
3 过程控制系统设计
3.1 过程控制系统设计步骤
➢具体步骤:
1．根据工艺要求和控制目标确定系统变量 2．建立数学模型 3．确定控制方案 4．选择硬件设备 5．选择控制算法，进行控制器设计 6．软件设计 7. 设备安装、调试与整定、运行
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4
3 过程控制系统设计
3.2 确定控制变量与控制方案
ReD4Qm 4Qv D D
式中： υ——管道中流体的平均轴向流速，m/s ν——流体的运动粘度，m2/s， ν= υ/ ρ μ——流体的动力粘度，Pa/s D ——工作条件下，上游管道的内径，m
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3 过程控制系统设计
（3）等熵指数k ❖ 当气体流过节流装置时，会产生膨胀，其压力和
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3 过程控制系统ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ计
四类：
3.4.2 流量计类型
(1) 压差式流量计
流量 ~ 节流装置前后压差
(2) 速度式流量计：
管道内流体的速度 ~ 叶轮旋转速度
(3) 容积式流量计
(2) 流量累计
(4) 其他类型流量计
电磁流量计、超声波流量计等
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3 过程控制系统设计
3.4.3 节流元件
➢ 控制结构
➢反馈控制、前馈控制、推断控制
➢ 控制算法
➢PID 、串级控制、比值控制、补偿控制、 解耦控制、预测控制、模糊控制、神经网 络控制、专家控制、鲁棒控制……
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6
3 过程控制系统设计
ppt课件
7
3 过程控制系统设计
前馈控制 利用扰动量的直接测量值，调节控制 变量，使被控变量保持在预期值。
体积间有关系：
p V k 常数
❖ 等熵指数k值表
▪ 如双原子气体及空气的k=1.41
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3 过程控制系统设计
(4) 气体的压缩系数Z
❖ 根据理想气体定律求得的气体密度和实际密度值， 在高压和低温的情况下，有一定的偏差，必须引 入气体压缩系数加以校正。
Z '
其中：
ρ’——理想气体定律求得的工作状态下的气体密度 ρ ——工作状态下的实际气体密度
➢ 根据控制目标确定控制变量
定性控制目标：稳定性、安全性和经济性
➢ 被控变量
是工业过程的输出变量
选择原则
• 针对目标、直接关系到质量、建模简单、可测
➢ 输入变量
分控制输入和扰动输入
控制输入的选择原则
•
对被控量影响大、变化范围大、作用快、直接作用
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3 过程控制系统设计
确定控制方案
3 过程控制系统设计
est
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1
3 过程控制系统设计
本章学习内容
❖3.1 过程控制系统设计步骤 ❖3.2 确定控制变量与控制方案 ❖3.3 过程控制系统硬件选择 ❖3.4 节流元件计算 ❖3.5 调节阀选择 ❖3.6 计算举例
ppt课件
2
3 过程控制系统设计
➢ 过程控制的设计任务、步骤和系统设计方法 ➢ 流量计和调节阀的计算方法
节流元件（节流装置） ——在直线管道中设置的使流束产生局部收缩的装置
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3 过程控制系统设计
孔板
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3 过程控制系统设计
文丘里管
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3 过程控制系统设计
喷嘴
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3 过程控制系统设计
❖差压式流量计检测原理
Qma 21p
QV a 2p/1
式中：
α 流量系数
❖ 命题
▪ 确定所要求取的参数——流量、孔径、压差
❖ 从层流到紊流的分界线取决于
▪ 流量、流体的密度、粘度和管道内径
❖ 雷诺数Re
▪ Re〈2300 层流 ▪ Re〉4000 紊流
46微米厚的液晶层的流动。 当电场强度平缓增加时 •层流（右上） •弱的湍流（左下） •方格状对流（右下） 下侧两图混沌→湍流
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3 过程控制系统设计
(2) 雷诺数Re（续）
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(3) 推断控制 当被控变量不能直接测量使用，利用辅助变 量的测量值来调节控制变量，使不可测的被控变 量保持在预期值。
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3 过程控制系统设计
3.3 过程控制系统硬件选择
根据过程控制的输入输出变量以及控制要求，可
以选定系统硬件，包含：
保护
❖ 控制装置
装置
❖ 测量仪表、传感器 ❖ 执行机构
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3 过程控制系统设计
3.3.2 测量仪表和传感器的选型原则
❖ 检测部件一般宜采用定型产品，设计过程控 制系统时，根据控制方案选择测量仪表和传 感器
❖ 选型原则：
▪ 可靠性 ▪ 实用性 ▪ 先进性
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3 过程控制系统设计
3.4 流量计选择
3.4.1 流量计算有关的基本概念
(1) 流量Q 流体在单位时间内流过管道或设备某处横断面 的数量成为流量。
ε 可膨胀系数
a 节流装置开孔截面积
ρ1 流体流过节流装置前的密度
Δp 节流元件前后压力差
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❖标准节流装置的取压方式
• 径距取压 • 法兰取压 • 角接取压
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测量与计算方法
❖ 流出系数C
C0.595 0.0931 2.1 2 0.184 40.002 0.2(51 960 /R0.e 75) 0.09L 1 0 40 (14) 10.03L 2 3 37
控制 器
检测/ 变送
❖ 报警、保护、连锁等部件
执行 ppt课件机构
被控 对象
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3 过程控制系统设计
3.3.2 控制装置
用于过程控制的计算机控制设备多采用DCS （集散控制系统）或PLC（可编程序控制器）。
模拟量控制回路较多，开关量较少的过程控 制系统宜采用DCS控制；
模拟量控制回路较少，开关量较多的过程控 制系统宜采用PLC控制。
❖ 体积流量Qv
▪ 单位：米3/小时（m3/h）等
❖ 质量流量Qm
▪ 单位：吨/小时（t/h）;千克/小时（kg/h）等 ▪ Qm=Qvρ
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(2) 雷诺数Re
❖ 管道内流量小时
▪ 压差与流量成正比 ▪ 流体的流动状态为
❖ 流量变大后
▪ 压差大致与流量的平方成正比 ▪ 流体的流动状态为紊流
直 径 d/D 比 ）（
❖ 可膨胀系数ε
1
1（ 0.4
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❖ 流量与压差的关系
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14d 2
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在已知管径的管道中设置测量流量的节流 装置时，首先要确定以下几项： ❖ 采用的节流装置的类型
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3.1 过程控制系统设计步骤
➢具体步骤:
1．根据工艺要求和控制目标确定系统变量 2．建立数学模型 3．确定控制方案 4．选择硬件设备 5．选择控制算法，进行控制器设计 6．软件设计 7. 设备安装、调试与整定、运行
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3.2 确定控制变量与控制方案
ReD4Qm 4Qv D D
式中： υ——管道中流体的平均轴向流速，m/s ν——流体的运动粘度，m2/s， ν= υ/ ρ μ——流体的动力粘度，Pa/s D ——工作条件下，上游管道的内径，m
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（3）等熵指数k ❖ 当气体流过节流装置时，会产生膨胀，其压力和
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3 过程控制系统ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ计
四类：
3.4.2 流量计类型
(1) 压差式流量计
流量 ~ 节流装置前后压差
(2) 速度式流量计：
管道内流体的速度 ~ 叶轮旋转速度
(3) 容积式流量计
(2) 流量累计
(4) 其他类型流量计
电磁流量计、超声波流量计等
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3.4.3 节流元件
➢ 控制结构
➢反馈控制、前馈控制、推断控制
➢ 控制算法
➢PID 、串级控制、比值控制、补偿控制、 解耦控制、预测控制、模糊控制、神经网 络控制、专家控制、鲁棒控制……
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3 过程控制系统设计
前馈控制 利用扰动量的直接测量值，调节控制 变量，使被控变量保持在预期值。
体积间有关系：
p V k 常数
❖ 等熵指数k值表
▪ 如双原子气体及空气的k=1.41
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(4) 气体的压缩系数Z
❖ 根据理想气体定律求得的气体密度和实际密度值， 在高压和低温的情况下，有一定的偏差，必须引 入气体压缩系数加以校正。
Z '
其中：
ρ’——理想气体定律求得的工作状态下的气体密度 ρ ——工作状态下的实际气体密度
➢ 根据控制目标确定控制变量
定性控制目标：稳定性、安全性和经济性
➢ 被控变量
是工业过程的输出变量
选择原则
• 针对目标、直接关系到质量、建模简单、可测
➢ 输入变量
分控制输入和扰动输入
控制输入的选择原则
•
对被控量影响大、变化范围大、作用快、直接作用
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3 过程控制系统设计
确定控制方案
3 过程控制系统设计
est
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3 过程控制系统设计
本章学习内容
❖3.1 过程控制系统设计步骤 ❖3.2 确定控制变量与控制方案 ❖3.3 过程控制系统硬件选择 ❖3.4 节流元件计算 ❖3.5 调节阀选择 ❖3.6 计算举例
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3 过程控制系统设计
➢ 过程控制的设计任务、步骤和系统设计方法 ➢ 流量计和调节阀的计算方法
节流元件（节流装置） ——在直线管道中设置的使流束产生局部收缩的装置
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3 过程控制系统设计
孔板
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20
3 过程控制系统设计
文丘里管
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3 过程控制系统设计
喷嘴
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3 过程控制系统设计
❖差压式流量计检测原理
Qma 21p
QV a 2p/1
式中：
α 流量系数