第1章-过程控制系统概述

磨煤机
火力发电厂示意图
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过程控制系统的发展状况及特点
过程控制系统特点
生产过程的连续性 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。
被控过程的复杂性 过程控制涉及范围广，被控对象较复杂 控制方案的多样性 过程控制系统的控制方案非常丰富
已成为控制装置的主流。
控制理论：形成了大系统理论和智能控制理论，模糊控制，专家
系统控制
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过程控制系统的发展状况
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控 制的发展方向。 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 控制理论：人工智能、神经网络控制
+
+
受控变量 y
+
测量值 z
操纵变量 (Manipulated Variable, MV)
• 执行器可控制、对被控变量有直接影响的物理量 • 常见为一些工艺介质流量，如蒸汽流量、出料流量、回流流量等
控制变量
• 控制器的输出电信号，即执行器的输入信号
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扰动变量
受控对象 扰动 D 干扰通道 GD (s) 设定值 r 偏差 e _ 测量变送 Gm (s) 控制器 Gc (s) 控制变量 u 执行器 Gv (s) 操纵变量 q 控制通道 Gp (s)
到多输入多输出系统领域。
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过程控制系统的发展状况
20世纪70～80年代 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Ⅲ型和电动Ⅲ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，
+
+
受控变量 y
+
测量值 z
基本组成：被控对象、测量变送单元、控制器、执行器
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练习– 泵流量控制系统设计
工艺要求：为保证平稳生产，希望流体的输送量保持恒定。
调节原理：通过调节控制阀的开启度，以改变相关管路的阻力 系数，以控制管道流量。 试设计一个流量控制系统。
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控制系统设计
(1) 确定被控参数（即测量变量）PV
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
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汽包锅炉自动调节
给水 w
h
蒸汽 D
测量单元
执行单元
调节单元
给定单元
汽包锅炉给水自动调节示意图
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例2- 蒸汽加热器控制系统分析设计
• 控制目标：保持物料出口温度恒定
(1) 被控变量： 物料出口温度 T (2) 设定值： 期望温度 Tsp
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催化裂化装置- 精馏塔
冷凝器 塔顶产品
原料 精 馏 塔
回流罐
回流泵
再 沸 器
塔底产品
精馏塔过程工艺
精馏塔过程控制设计
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加热器（再沸器）
蒸 汽
TT
TC
再沸器
凝液
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热工过程 – 火力发电厂
HP IP LP LP
G
发电机
电
烟气
汽轮机 蒸汽
除灰系统 省煤器 水 引风机
烟囱
煤 送风机 锅炉 一次风机
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被控变量
受控对象 扰动 D 干扰通道 GD (s) 设定值 r 偏差 e _ 测量变送 Gm (s) 控制器 Gc (s) 控制变量 u 执行器 Gv (s) 操纵变量 q 控制通道 Gp (s)
+
+
受控变量 y
+
测量值 z
被控变量(Controlled Variable, CV)
• 也称受控变量、过程变量(Process Variable, PV) • 被控对象需要维持在理想值的工艺参数，如液罐液位、热 交换 器工艺介质出口温度、泵出口压力、泵出口流量等。 • 常用被控变量：温度、压力/差压、液位/料位、流量、成分含量
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工业过程
• 工业生产目标
在可能获得的原料和能源条件下，以最经济的途径将原 材料加工成预期的合格产品。
原材料
干扰
理想条件
合格产品
控制
产品？ 过程控制
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工业过程控制系统
原材料 能源
工业生产过程 （石油、化工、电力、 冶金、机械、纺织等）
产品 副产品、废弃物
• 生产目标
– 安全性
– 经济性 – 平稳性
在某些单元或设备上进行化学或物理反应，将原料转化 为产品的过程。 生产过程可分为：连续、离散、间歇生产过程
• 过程控制 (Process Control)
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统称为过程控制。 过程控制系统中主要的被控物理量有： 温度(T)、压力(P)、流量(F)、液位(L)、成分等。
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过程控制系统分类
自动检测系统：检测、显示、记录、报警 按功能分
自动控制系统：检测、控制、显示、记录、报警
自动操作系统：顺序控制 开环控制系统
按结构分
闭环控制系统 定值控制系统
按给定类型分
随动控制系统 程序控制系统
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过程控制系统分类
根据设定值分为定值控制系统，随动控制系统和程序控制系统。
定值控制系统
特点：设定值是固定不变的闭环控制系统称为定值控制系统。 作用：克服扰动的影响，使被控变量保持在工艺要求的数值上
随动控制系统
特点：设定值是一个未知的变化量的闭环控制系统称为随动控制系统。 作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化
程序控制系统
特点：设定值是变化的，且按一定时间程序变化的时间函数 作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化
安全阀
供水泵
出水阀
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例1- 水罐液位控制系统分析设计
1、人工控制方法
1）检测——用眼睛观察高低，并通过
神经系统告诉大脑
安全阀
2）运算——大脑思考后得出偏差值，
人脑 人眼
再根据操作经验，决策后发出命令
人手
供水泵 出水阀
3）执行——根据大脑发出的命令，
手去改变阀门开度。
人工调节水位示意图
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例1- 水罐液位控制系统分析设计
最好是直接代表生产过程的工艺质量参数 可测间接变量 如化学反应器输出物料成分
与生产过程工艺质量有单值关系 灵敏度高、代价小 如化学反应器温度
(2) 确定控制量MV
工艺上易于控制、灵敏度高、对被控参数反应迅速、符合工艺要求
• 被控变量要求达到的期望值，作为控制器的参考输入信号 • 常用其对应的电量或相对百分比来表示，便于与被控变量的 测量值进行比较
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操纵变量 & 控制变量
受控对象 扰动 D 干扰通道 GD (s) 设定值 r 偏差 e _ 测量变送 Gm (s) 控制器 Gc (s) 控制变量 u 执行器 Gv (s) 操纵变量 q 控制通道 Gp (s)
机械工业出版社
过程控制
化工过程控制系统 工业过程控制过程
金以慧
王骥程 王树青
清华大学出版社
化学工业出版社 化学工业出版社
5
考核方式
• 考试成绩：70% • 平时成绩：30%
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第一章 过程控制系统概述
主要内容
• 控制系统概述 • 控制系统组成 • 控制系统描述
8
9
10
基本概念
• 过程 (Process)
+
+
受控变量 y
+
测量值 z
扰动变量 (Disturbance Variable, DV)
• 导致被控变量偏离设定值的输入变量 • 如蒸汽加热器温度控制系统，扰动变量：蒸汽阀前压力、工艺 介质进料流量、进料温度和组成等
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过程控制系统的组成
受控对象 扰动 D 干扰通道 GD (s) 设定值 r 偏差 e _ 测量变送 Gm (s) 控制器 Gc (s) 控制变量 u 执行器 Gv (s) 操纵变量 q 控制通道 Gp (s)
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设定值
受控对象 扰动 D 干扰通道 GD (s) 设定值 r 偏差 e _ 测量变送 Gm (s) 控制器 Gc (s) 控制变量 u 执行器 Gv (s) 操纵变量 q 控制通道 Gp (s)
+
+
受控变量 y
+
测量值 z
设定值 (Setpoint, SP) • 也称给定值 (Setpoint Value, SV)
复杂控制
模块3：典型单元操作的控制 （Control Systems of Typical Equipment）- 15学时
传热设备 （3学时） 锅炉设备 （6学时） 精馏塔 （6学时）
流体输送设备 （自学）
化学反应器 （自学）
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参考书目
自动化仪表与过程控制
施仁 等
电子工业出版社
过程控制系统
俞金寿
温度检测/变送器
物料
冷凝水
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简单控制系统的组成
过程控制系统
被控对象（被控过程） 检测元件和变送器 控制器（调节器） 被控制的生产设备或装置 检测被控变量，将检测信号转换为标准信号 将检测变送单元的输出信号与设定值进行比 较，求出它们之间的偏差,然后按照预先选 定的控制规律进行计算，将计算结果作为 控制信号送给执行装置 接受控制器的输出信号，直接推动 被控对象，改变操纵变量
简单控制系统分析 与设计(3学时)
设定值
过程对象特性 (3学时) 执行器
检测变送器和 执行器(3学时) 被控对象
控制器设计 （6学时）
控制器
被控变量
测量变送器
模块2：复杂控制系统 （Complex Control）- 18学时
简 单 控 制
串级控制(3学时) 均匀控制(3学时) 前馈控制(3学时) 选择控制(3学时) 比值控制(3学时) 分程控制(3学时)
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过程控制系统分类
简单单回路调节系统 串级调节系统 比值调节系统
按复杂程度分
前馈调节系统 均匀调节系统 分程调节系统 选择调节系统
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主要内容
• 控制系统概述 • 控制系统组成 • 控制系统描述
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例1- 水罐液位控制系统分析设计
• 控制目标：保持水罐液位恒定
(1) 被控变量： 水罐液位 h (2) 设定值： 期望液位 hsp (3) 操纵变量： 进水量Qi (4) 扰动变量： 出水量Qo
2、自动控制方式
安全阀
自动化装置
自 动 化 装 置
供水泵
检测/变送器——代替人眼
控制器 变送器
控制器——代替人脑
出水阀
执行器——代替人手
执行器
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典型液位控制系统
典型液位控制系统组成：
• 液罐
• 液位测量变送器 (LT) • 液位控制器 (LC) • 控制阀
Hsp
LC
安全阀
LT
供水泵
出水阀
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汽包锅炉人工给水
确保生产过程中人身与设备的安全 实现经济效益的最大化或操作成本的最小化 抑制外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力
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典型的流程工业
企业举例 生产厂 炼油厂
生产装置
...
生产装置
常减压装置 催化裂化装置 汽油重整装置等
操作单元
...
操作单元
泵、换热器、加热炉、 锅炉、塔、反应器等
Hale Waihona Puke Baidu
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化工过程 – 炼油厂
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过程控制系统的发展状况
过程控制系统发展状况
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。
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SISO 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
执行器
蒸汽
温度控制器
(3) 操纵变量： 蒸汽流量Rv (4) 扰动变量： 蒸汽阀前压力、物料进料 流量 RF、进料温度Ti 等
温度检测/变送器
物料
冷凝水
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例2- 典型温度控制系统
典型温度控制系统组成：
• 加热器（加热炉）
• 温度测量变送器 (TT) • 温度控制器 (TC)
蒸汽
调节阀
温度控制器
• 控制阀
执行器
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37
38
过程控制系统基本术语
受控对象 扰动 D 干扰通道 GD (s) 设定值 r 偏差 e _ 测量变送 Gm (s) 控制器 Gc (s) 控制变量 u 执行器 Gv (s) 操纵变量 q 控制通道 Gp (s)
+
+
受控变量 y
+
测量值 z
术语：被控变量、设定值、控制变量、操纵变量、扰动变量
Process Control System 过程控制系统
主讲：左 燕
课程特点
实际工业过程
分析
设计
应用
生产过程与工艺过程
过程控制系统
自动化仪表 与计算机
控制理论
2
课程目的
本次课程学习需要掌握以下内容 控制策略与参数整定 控制系统设计与投运 典型流程方案设计 面向实际应用的技术性课程
3
课程内容
模块1：简单控制系统 （Simple Control）- 15学时
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过程控制系统的发展状况
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Ⅱ型和电动Ⅱ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
(DDC) 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