第六章典型过程控制系统应用方案资料
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过程控制系统_齐卫红第六章
第六章
其他控制系统
第六章
其他控制系统
内容提要 在化工生产过程中，经常会遇到一些约束性 条件，或者是对两个参数同时提出控制要求，以 及一个控制器同时去控制两个或更多的执行器等， 这样会遇到均匀、选择及分程控制系统。本章主 要讲述均匀、选择、分程及自动保护控制系统的 原理、结构及应用等方面的问题。
第六章
第六章
其他控制系统
6.2.2 选择性控制系统的类型
简单控制系统由四个功能环节（即控制器、执行器、被控对 象和测量变送装置）组成，如图6.5所示。若在这一基本形式的 控制方案上构成选择性控制系统，则可以插入选择性环节的部位 有①和②两处。因此，根据选择器所处位置的不同，选择性控制 系统可分为两种基本类型。
第六章
其他控制系统
2．串级均匀控制 前面讲的简单均匀控制系统，虽然结构简单，但有局限性。 当塔内压力或排出端压力变化较大时，即使控制阀开度不变，流 量也会因阀前后压力差的变化而改变，等到流量改变影响到液位 变化时，液位控制器才进行调节，显然这是不及时的。为了克服 这一缺点，可在原方案的基础上增加一个流量副回路，即构成串 级均匀控制如图6.4所示。
图6.1
精馏塔间相互冲突的控制方案
第六章
其他控制系统
由图6.1可见，前塔液位的稳定是通过控制塔的出料量来实现 的，因此，前塔的出料量必然不稳定。而前塔的出料量正好是后 塔的进料量，在保证前塔液位稳定时，后塔的进料量不可能稳定。 反之，如果保证了后塔进料量的稳定，势必造成前塔的液位不稳 定。这就是说，前塔液位稳定和后塔进料量稳定的要求发生了矛 盾。解决这一矛盾的方法之一是在前、后两塔之间增设一个中间 储罐。但增加一套容器设备就增加了流程的复杂性，加大了投资， 占地面积增加，流体输送能耗也增加。另外，有些生产过程连续 性要求较高，不宜增设中间储罐。尤为严重的是，某些中间产品 停留时间一长，会产生分解或自聚等，更限制了这一方法的使用。 在理想状态不能实现的情况下，只有冲突的双方各自降低要 求，以求共存。均匀控制系统就是在这样的应用背景下提出来的。
其他控制系统
第六章
其他控制系统
内容提要 在化工生产过程中，经常会遇到一些约束性 条件，或者是对两个参数同时提出控制要求，以 及一个控制器同时去控制两个或更多的执行器等， 这样会遇到均匀、选择及分程控制系统。本章主 要讲述均匀、选择、分程及自动保护控制系统的 原理、结构及应用等方面的问题。
第六章
第六章
其他控制系统
6.2.2 选择性控制系统的类型
简单控制系统由四个功能环节（即控制器、执行器、被控对 象和测量变送装置）组成，如图6.5所示。若在这一基本形式的 控制方案上构成选择性控制系统，则可以插入选择性环节的部位 有①和②两处。因此，根据选择器所处位置的不同，选择性控制 系统可分为两种基本类型。
第六章
其他控制系统
2．串级均匀控制 前面讲的简单均匀控制系统，虽然结构简单，但有局限性。 当塔内压力或排出端压力变化较大时，即使控制阀开度不变，流 量也会因阀前后压力差的变化而改变，等到流量改变影响到液位 变化时，液位控制器才进行调节，显然这是不及时的。为了克服 这一缺点，可在原方案的基础上增加一个流量副回路，即构成串 级均匀控制如图6.4所示。
图6.1
精馏塔间相互冲突的控制方案
第六章
其他控制系统
由图6.1可见，前塔液位的稳定是通过控制塔的出料量来实现 的，因此，前塔的出料量必然不稳定。而前塔的出料量正好是后 塔的进料量，在保证前塔液位稳定时，后塔的进料量不可能稳定。 反之，如果保证了后塔进料量的稳定，势必造成前塔的液位不稳 定。这就是说，前塔液位稳定和后塔进料量稳定的要求发生了矛 盾。解决这一矛盾的方法之一是在前、后两塔之间增设一个中间 储罐。但增加一套容器设备就增加了流程的复杂性，加大了投资， 占地面积增加，流体输送能耗也增加。另外，有些生产过程连续 性要求较高，不宜增设中间储罐。尤为严重的是，某些中间产品 停留时间一长，会产生分解或自聚等，更限制了这一方法的使用。 在理想状态不能实现的情况下，只有冲突的双方各自降低要 求，以求共存。均匀控制系统就是在这样的应用背景下提出来的。
过程控制系统原理及应用
逻辑功能强、适应大量的顺序控制、逻辑控制。
2.2 ＰＬＣ系统基本组成
上位机１ 上位机２
通讯网络
下位机
1)下位机：执行PLC的控制程序，完成控制功能，一般采用专用的PLC厂 商提供的专用的PLC程序，西门子PLC的STEP7，GE公司PLC的LM90-70, 莫迪康PLC的CONCEPT。 2)上位机：为人机界面，完成监视操作功能，一般采用工控软件如 IUTCH、FIX、WINCC等，功能类似DCS的监视和控制功能。 3)通讯网络：上位机和下位机的通讯采用各种方式，通用的、专用的，工 控软件可支持各种厂商的PLC的通讯。
5）调整画面：每个控制功能模块的详细调整，PID参数设定、上下限报警输 出、输出限幅、1个回路/窗口，100000个窗口/HIS
6）过程报警画面：100个点的报警一览表。18个报警/窗口，200个报警/HIS 7) 控制方案图窗口：显示控制方案图的数值和报警状态。
DCS系统窗口调用功能键
系帮过操
绑 绑存
２、操作简便：ＤＣＳ系统的操作功能强大，给操作人员提 供了许多便利的操作功能，操作人员通过操作画面方便完成 各种操作功能。
３、系统便于扩展：ＤＣＳ系统设计结构便于增加卡件、增 加机架、增加操作站和增加控制站，便于装置的扩能改造。
４、维护方便：ＤＣＳ系统设计按照标准设计、硬件模块化、 系统配备自诊断软件，方便检测系统故障。
PLC（Programmable Logic Controller)可 编程序控制器于20世纪60年代末期在美国首先 出现，目的是用来取代继电器，实现逻辑计算、 计时、计数和顺序控制，主要用于开关量控制， 随着技术和需求的发展， PLC也可完成模拟量 的控制。
2.１ ＰＬＣ的特点
１）应用灵活：ＰＬＣ为标准的积木式硬件结构，现 场安装方便，各种控制功能通过软件编程完成。
2.2 ＰＬＣ系统基本组成
上位机１ 上位机２
通讯网络
下位机
1)下位机：执行PLC的控制程序，完成控制功能，一般采用专用的PLC厂 商提供的专用的PLC程序，西门子PLC的STEP7，GE公司PLC的LM90-70, 莫迪康PLC的CONCEPT。 2)上位机：为人机界面，完成监视操作功能，一般采用工控软件如 IUTCH、FIX、WINCC等，功能类似DCS的监视和控制功能。 3)通讯网络：上位机和下位机的通讯采用各种方式，通用的、专用的，工 控软件可支持各种厂商的PLC的通讯。
5）调整画面：每个控制功能模块的详细调整，PID参数设定、上下限报警输 出、输出限幅、1个回路/窗口，100000个窗口/HIS
6）过程报警画面：100个点的报警一览表。18个报警/窗口，200个报警/HIS 7) 控制方案图窗口：显示控制方案图的数值和报警状态。
DCS系统窗口调用功能键
系帮过操
绑 绑存
２、操作简便：ＤＣＳ系统的操作功能强大，给操作人员提 供了许多便利的操作功能，操作人员通过操作画面方便完成 各种操作功能。
３、系统便于扩展：ＤＣＳ系统设计结构便于增加卡件、增 加机架、增加操作站和增加控制站，便于装置的扩能改造。
４、维护方便：ＤＣＳ系统设计按照标准设计、硬件模块化、 系统配备自诊断软件，方便检测系统故障。
PLC（Programmable Logic Controller)可 编程序控制器于20世纪60年代末期在美国首先 出现，目的是用来取代继电器，实现逻辑计算、 计时、计数和顺序控制，主要用于开关量控制， 随着技术和需求的发展， PLC也可完成模拟量 的控制。
2.１ ＰＬＣ的特点
１）应用灵活：ＰＬＣ为标准的积木式硬件结构，现 场安装方便，各种控制功能通过软件编程完成。
典型过程控制系统应用
1．基础工程设计阶段 在基础工程设计阶段主要的设计工作有以下几条： (1)设计开工前的技术准备； (2)编制仪表设计规定； (3)编制设计计划； (4)绘制工艺控制图，参加工艺方案审查会； (5)配合系统专业完成P&ID A版、B版，参加B版内 审会； (6)接受和提交设计条件； (7)配合系统专业完成P&ID C版、D版 (8)提出分包项目设计要求； (9)编制工程设计文件。
热交换过程的热量平衡方程 假设工艺介质与载热体均无相变，而且没有 热损失。即 被加热物料得到的热量/单位时间 = 载热体放出的热量/单位时间
q1 c1G1 (T1o T1i ) q2 c2G2 (T2i T2o )
q1 q2
热交换过程的传热速率方程
K 为传热系数；Fm 为传热面 q KFm Tm 积； ΔTm 为传热壁两侧流体的平 均温差. 对于逆流单程换热器， T (T2o T1i ) (T2i T1o ) m T2o T1i 可取对数平均值
3
2、通用标准（工程设计15个；自动化仪表 50个）
标准规范名称 1 工业自动化仪表用电源、电压 2 不间断电源设备 3 工业自动化仪表用模拟气动信号 4 工业自动化仪表用模拟直流电流信号 标准编号 GB 3368-82 GB 7260-87 GB 777-85 GB 3369-89
Hale Waihona Puke 工业过程测量和控制系统用电动和气动 5 GB 3386-88 模拟记录仪和指示仪性能评定方法 工业过程测量和控制用检测仪表和显示 GB/T 13283-91 仪表精确度等级 7 工业自动化仪表用气源压力范围和质量 GB 4830-84 8 工业自动化仪表工作条件振动 GB 4439-84
6.1 自控工程设计的任务、方法步骤
第六章典型过程单元的控制方案
FT
活 塞 泵
FC
电机
变频器
化学工业出版社
第一节
流体输送设备的控制方案
FC
方案2：控制泵的出口旁路
由于一部分流体打回流，部分 能量白白消耗在旁路上，故经 济性差。 注：往复泵的出口不允许装控 制阀，因为往复泵活塞每往返 一次，总有一定体积的流体排 出，当在出口管线上装阀时， 压头会大幅度增加，容易损坏 泵体。
第二节 传热设备的控制
一、无相变换热器的温度控制 方案1：控制载热体流量 方案2：控制载热体旁路流量 方案3：控制被加热介质的自身流量 方案4：对被加热介质进行分流控制
化学工业出版社
第二节 传热设备的控制
方案1：控制载热体流量：该方案适用于载热 体流量的变化多用于流量较小，压头较高的场合，它的流 量取决于冲程的大小、活塞的往复次数及气缸的截 面积。 方案1：改变原动机的转速 方案2：控制泵的出口旁路
控制方案有两种：
化学工业出版社
第一节
流体输送设备的控制方案
方案1：改变原动机的转速
可使用变频调速器实现（同离心泵控制方案3）， 这与离心泵用蒸气改变原动机转速的道理是一样的。
这种方案机械效率高、经济，易实施，所以应用广泛。 增加了机械的复杂性，所以一般多用于功率较大的离心泵 该方案可大大地节约了能量，克服了前两种方案的不足。
化学工业出版社
第一节
流体输送设备的控制方案
FC
变速器
FT
出口
变速电机
进口
控制泵的转速法
化学工业出版社
第一节
流体输送设备的控制方案
（二）往复泵的控制
第六章典型过程控制系统应用方案案例
按照图 6-5 分析可知，乳液直接进入干燥器，滞后最小，对于 干燥温度的校正作用最灵敏， 而且干扰进入装置最靠近调节阀 1， 似 乎控制方案最佳。但是，乳液流量即为生产负荷，一般要求能保证 产量稳定。若作为控制参数，则在工艺上不合理。所以不宜选乳液 流量为控制参数，该控制方案不能成立。 再对图 6-6 进行分析，可以发现，调节旁路空气流量与热风量 混合后，再经过较长的风管进行干燥器。如图 6-5 所示方案相比， 由于混合空气传输管道长， 存在管道传输滞后,故控制通道时间滞后 教大，对于干燥温度校正作用的灵敏度要差一些。若按照图 6-7 所 示调节换热器的蒸汽流量，以改变空气的温度，则由于换热器通常 为一双容过程，时间常数较大，控制通道的滞后最大，对干燥温度 的校正作用灵敏度最差。显然，选择旁路空气量作为控制参数的方 案最佳。 （1） 过程检测控制仪表的选用 根据生产工艺和用户的要求， 选用电动单元组合仪表（DDZ–Ⅲ型）
6.1 热交换器温度反馈-----静态前馈控制系统
6.2 单回路控制系统的应用
6.3 计算机数字控制的典型实例 6.4 流体输送设备的控制 6.5 反应器的控制 附录:思考题与习题
6.1 热交换器温度反馈——静态前馈控制系统 6.1.1 生产过程对系统设计的要求
在氮肥生产过程中有一个变换工段 ,把煤气发生炉来的一氧化 碳同水蒸汽的混合物转换成生产合成氨的原料七,在转换过程中释放 大量的热,使变换气体温度升高,变换气体在送至洗涤塔之前需要降 温,而进变换炉的混合物需要升温,因此通常利用变换气体来加热一 氧化碳与水蒸气的混合气体,这种冷热介质的热量交换是通过热交换 器来完成的。在许多工业生产过程中都用到热交换器设备，对热交 换器设备的控制就显得非常重要。 热交换器主要的被控制量是冷却介质出热交换器的温度。 图 6-1 表示一个进出热交换器的典型参数。其中加热介质是工厂生产过程 中产生的废热热源(成品、半成品或废气、废液),为了节省能量,这部 分热量要求最大限度的加以利用。所以通常不希望对其流量进行调 节,而被加热介质的温度一般是通过调节加热介质的流量来实现的。
过程装备控制技术及应用课程教学大纲
《过程装备控制技术及应用》课程教学大纲课程编号：04021006课程名称：过程装备控制技术及应用英文名称：Control Technique and Application of Process Equipment课程类型：必修课课程性质：专业课总学时：48 讲课学时：42 实验（实践）学时：6学分：3适用对象：过程装备与控制工程专业全日制本科生先修课程：普通物理、电工与电子技术基础、大学计算机基础、化工原理一、编写说明（一）制定大纲的依据依据教育部过程装备与控制工程专业教学指导分委员会制定的过程装备与控制工程专业培养方案，并参照本学科专业人才培养规格与培养模式的要求进行编写。
（二）课程简介本课程主要讲授过程装备控制系统组成、结构、分类及性能指标；被控对象特性、简单控制系统和复杂控制系统；压力、温度、流量、液位、物质成分等参数的测量原理、方法及应用；传感器、过程控制变送器、调节器、执行器；计算机控制系统，先进控制系统；典型过程控制系统应用方案；培养“过程—装备—控制”一体化的复合型专业技术人才。
（三）课程的地位与作用本课程是过程装备与控制工程专业的主干专业课程之一，可以使本专业的学生将过程工艺、过程机械、计算机自动测试、控制、自动化等方面的知识有机的结合在一起；培养具有多学科知识与技能的复合型人才；本课程与其他专业课程（化工原理、过程设备设计、过程流体机械）互相联系，构成过程装备与控制工程的主干专业课程体系。
（四）课程性质、目的和任务课程性质：过程装备与控制工程专业（本科）的主干专业课程。
课程目的：通过教学过程使学生掌握过程控制的基本理论、过程检测技术方法及检测仪表、过程控制装置组成、工作原理及技术性能、化工过程典型控制系统应用方案。
课程任务：培养学生对过程装备进行控制方案分析、控制系统设计及先进控制技术的应用和开发能力。
（五）与其他课程的联系本课程学习需具备微机原理及电子技术基础知识，与其他课程（化工原理、过程设备设计、过程流体机械等）互相联系、渗透，相辅相承，构成专业课程体系。
典型过程控制系统设计课件
10.1典型生产过程控制
10.1.1电厂锅炉的过程控制 一、火力发电厂的生产流程
在火力发电厂，最基本的工艺 过程是用锅炉生产蒸汽，使汽轮机 运转，进而带动发电机发电。
火力发电厂外观 锅炉控制是火力发电生产过程自 动化的重要组成部分。它的主要任务 是根据负荷设备（汽轮机）的需要， 供应一定规格（压力、温度、流量和 纯度）的蒸汽。
器随之动作，控制调节阀,从而使主汽 温控制在允许的范围之内，使控制质 量得到保证。
图10－4 过热蒸汽温度串级控制
为进一步提高控制质量，还可以考虑将负荷干扰作为前馈信号，构成前馈－ 反馈串级控制系统。
过热蒸汽温度控制
烟道气
烟道气
s
过热蒸汽 减温器 减 温 水
过热蒸汽 减温器 过热器 减 温 水
2
★ 过热系统的自动控制系统：满足过热度、壁温等要求
锅炉设备的主要控制系统
控制系统
锅炉给水控制系统
被控变量
锅炉汽包水位
操纵变量 控制目的
给水流量 锅炉内生产的蒸汽和给水 的物料平衡 燃料流量 蒸汽负荷的平衡 送风流量 燃烧的完全和经济性 引风流量 锅炉运行的安全和经济性
锅炉燃烧控制系统
蒸汽压力 烟气成分 炉膛负压
杂，设备众多，管道纵横交错，有上千个参数需要监视、
视。
锅炉设备的工艺流程
D PM 减温器 负荷设备 调节阀 过热蒸汽送 负荷设备
汽 包
炉墙
过热器 炉 膛
省 煤 器
热空气 送往炉膛 空气预热器 给水 冷空气 烟气 (经引风机送往烟囱)
热空气 燃料 燃料嘴
锅炉对象：多输入多输出
蒸汽 流量
给水流量 燃料量 送风量
蒸汽负荷（蒸汽流量），用D (s)表示
过程控制第六章大时滞过程控制系统
以 W0 (s) 的输出信号作为反馈信号，则可大大改善控制品质。但是实际工业过程 中W0 (s)与 e s 是不可分割的，所以Smith提出图6-10所示采用等效补偿的方法来实 现。
6.3 预估补偿控制方案
X (s)
F(s) Wf (s)
Wc (s)
W0 (s)es
Y (s)
图6-9 单回路系统框图
Y (s) X (s)
TI
KC (TI sW01(s)
s 1)(TDs 1)es KC (TI s 1)(TDs 1)es
Y (s) F(s)
TI
sW01(s)
TI ses KC (TI s 1)(TDs
1)es
（6-3） （6-4）
由以上4个式子可见，微分先行控制方案和PID控制方案的特征方程完全相同。
X (s)
F(s) Wf (s)
Wc (s)
W0(s)es
W0 (s)
Y (s)
es
图6-10a) Smith预估补偿控制系统结构原理图
6.3 预估补偿控制方案
X (s)
Wc (s) U (s) W0(s)es Y (s)
Y1(s)
Y2
(s)
(1
es
6.1 大时滞过程概述
时滞现象在工业生产过程中是普遍存在的。时滞可分为两类，一类称为纯时滞，如 带式运输机的物料传输、管道输送、管道混合、分析仪表检测流体的成分等过程； 另一类为惯性时滞，又称为容积时滞。该类时滞主要来源于多个容积的存在，容积 的数量可能有几个甚至几十个，如分布参数系统可以理解为具有无穷多个微分容积。 因此，容积越大或数量越多，其滞后的时间就越长。
6.3 预估补偿控制方案
X (s)
F(s) Wf (s)
Wc (s)
W0 (s)es
Y (s)
图6-9 单回路系统框图
Y (s) X (s)
TI
KC (TI sW01(s)
s 1)(TDs 1)es KC (TI s 1)(TDs 1)es
Y (s) F(s)
TI
sW01(s)
TI ses KC (TI s 1)(TDs
1)es
（6-3） （6-4）
由以上4个式子可见，微分先行控制方案和PID控制方案的特征方程完全相同。
X (s)
F(s) Wf (s)
Wc (s)
W0(s)es
W0 (s)
Y (s)
es
图6-10a) Smith预估补偿控制系统结构原理图
6.3 预估补偿控制方案
X (s)
Wc (s) U (s) W0(s)es Y (s)
Y1(s)
Y2
(s)
(1
es
6.1 大时滞过程概述
时滞现象在工业生产过程中是普遍存在的。时滞可分为两类，一类称为纯时滞，如 带式运输机的物料传输、管道输送、管道混合、分析仪表检测流体的成分等过程； 另一类为惯性时滞，又称为容积时滞。该类时滞主要来源于多个容积的存在，容积 的数量可能有几个甚至几十个，如分布参数系统可以理解为具有无穷多个微分容积。 因此，容积越大或数量越多，其滞后的时间就越长。
过程控制系统及其应用PPT课件.
第三个阶段最大成就就是大规模集成电路和微 处理器的产生，这大大加速了工业计算机的商 品化和计算机技术的普及和发展。为了满足工 业计算机可靠性和灵活性的需要，作为一种全 新的工业控制工具，集散控制系统产生了 （Distributed Control Systems, DCS）。 它是集计算机技术、控制技术、通信技术和图 形显示技术于一体的计算机系统。而另一方面， 控制理论和其它学科相互渗透，从而形成了以 大系统理论和智能控制理论为代表的所谓第三 代控制理论。
第七节 现场总线技术 一、现场总线技术及其产生的背景 二、现场总线的工作原理 三、现场总线的技术特点 四、几种典型的现场总线
第九章 过程自动化控制系统的应用实例
第一节 恒压供水控制系统 一、概述 二、恒水压控制装置 三、其他方案
第二节 楼宇设备管理和监控系统 一、概述 二、系统的组成及工作原理 三、系统软件 四、系统的特点
过程控制系统及其应用
目录
第一章 过程控制的基本概念
第一节 过程控制的发展概况 第二节 过程控制系统的组成
一、被控对象 二、 传感器和变送器 三、 控制器 四、 执行器 五、 控制阀
第三节 过程控制的分类 一、各种分类方法 二、设定值分类
第四节 生产对过控制的要求和指标 一、生产对过程控制的要求 二、过程控制系统的品质指标
四、执行器
执行器接收控制器的控制信号u，经变换或 放大后推动调节阀。目前的执行器有气动执行 器和电动执行器，如控制器是电动的，而执行 器是气动的，则在控制器与执行器之间要有电 气转换器。如用电动执行器，则控制器输出须 经伺服放大器放大才能驱动执行器以推动调节 阀。
五、调节阀
控制器输出控制信号u，经气动或电动执行 器驱动调节阀，改变输入对象的操纵量q，使 被控量受到控制。
第6章过程控制系统的应用实例-Read
第6章 过程控制系统的应用实例6.1 精馏塔的控制精馏是石油化工、炼油生产过程中的一个十分重要的环节，其目的是将混合物中各组分分离出来，达到规定的纯度。
精馏过程的实质就是迫使混合物的气、液两相在塔体中作逆向流动，利用混合液中各组分具有不同的挥发度，在互相接触的过程中，液相中的轻组分逐渐转入气相，而气相中的重组分则逐渐进入液相，从而实现液体混合物的分离。
一般精馏装置由精馏塔、再沸器、冷凝器、回流罐等设备组成，如图6.1所示。
图6.1 简单精馏控制示意图进料流量F从精馏塔中段某一塔板上进入塔内，这块塔板称为进料板。
进料板将精馏塔分为上下两段，进料板以上部分称为精馏段，进料板以下部分称为提馏段。
溶液中组分的数目可以是两个或两个以上。
实际工业生产中，只有两个组分的溶液不多，大量需要分离的溶液往往是多组分溶液。
多组分溶液的精馏在基本原理方面和两组分溶液的精馏是一样的。
本节只讨论两组分溶液的精馏。
6.1.1 精馏原理在恒定压力下，单组分液体在沸腾时虽然继续加热，其温度却保持不变，即单组分液体的沸点是恒定的。
对于两组分的理想溶液来说，在恒定压力下，其沸点却是可变的。
例如对于A、B两种混合物的分馏，纯A的沸点是140℃，纯B的沸点是175℃。
如果两组分的混合比发生变化，混合溶液的沸点也随之发生变化，如图6.2中的液相曲线所示。
第6章 过程控制系统的应用实例·333··333·150140160170180020406080100100806040200A ：B ：组分/(％)温度/℃图6.2 A 、B 两组分混合物温度-浓度曲线设原溶液中A 占20%，B 占80%，此混合液的沸点是164.5℃，加热使混合液体沸腾。
这时，与液相共存的气相组分比是A 占45.8%，B 占54.2%。
这些气体单独冷凝后所形成的混合液体中，A 占45.8%，B 占54.2%；如果使此冷凝后的混合液体沸腾，其沸点是154.5℃。
过程控制第六章大时滞过程控制系统
Y (s)
图6-5 PID控制方案
过程控制系统
9
6.2 常规控制方案
因此，实际上微分环节不能真正起到对被控参数变化速度进行校正的目的，克 服动态超调的作用是有限的。如果将微分环节更换一个位置，如图6-6所示，则微分 作用克服超调的能力就大不相同了。这种控制方案称为微分先行控制方案。
F (s)
X (s)
F (s)
X (s)
K C (1
1
TI s
)
W0 ( s )e s
Y (s)
TD s
图6-7 中间微分反馈控制方案
过程控制系统
13
6.2 常规控制方案
3. 常规控制方案比较
图6-8给出了分别用PID、中间微分反馈和微分先行三种方法进行控制的 仿真结果。从图中可看出，中间微分反馈与微分先行控制方案虽比PID方法的 超调量要小，但仍存在较大的超调，响应速度均很慢，不能满足高控制精度 的要求。 y PID
10
6.2 常规控制方案
微分先行控制方案的闭环传递函数如下：
1）给定值作用下
KC (TI s 1)es Y ( s) X (s) TI sW01 (s) KC (TI s 1)(TD s 1)es
（6-1）
2）在扰动作用下
Y ( s) TI se s F (s) TI sW01 (s) KC (TI s 1)(TD s 1)es
（6-2）
过程控制系统
11
6.2 常规控制方案
而图6-5所示的PID控制方案的闭环传递函数分别为
KC (TI s 1)(TD s 1)es Y ( s) X (s) TI sW01 (s) KC (TI s 1)(TD s 1)es
控制系统设计 第六章 调节系统设计
例1：船舶的自动驾驶仪设计
解：船舶自动驾驶仪有两个方式：保持航向和变向航向，前者是 调节，后者是跟踪。驾驶员只干预给定信号，即改变航向
K
设
K G (s) s ( s 1)
即
D( s ) K p K d s
1 K ( K p K d s) s ( s 1) 0
h( s ) R Q1 ( s ) RCs 1
G(s)
类似的还有升温过程都符合规律电气等效：
u u I1 R 1 Cs
u R I RCs 1
还有另一种情况：容积特性小，主要是传输滞后，
e
s
Ke s 容积可以成为多容，最终上述两种情况均有， s 1
，性，系统有储能特点。
容积系数
液阻：R
物料变化量 模型化：水位系统 被调量变化
h Q2
动态阻抗
C ：水槽面积
d h C Q1 Q2 dt
C
RC
d h h Q1 dt R
d h h R Q1 dt
max 100 max
max ----本体振动
本例中 6 的幅度产生 M max 32000Kg m / rad
过程控制系统设计：一般对化工、电力、造纸
1.调节对象特性： 主要是滞后特性，用容积特性刻画，一般简称为容性负载 容积系数：被调量改变一个单位所需物料变化 所以，这是以物料控制为模型的 容积系数C即为水槽
R h / Q2
C
RC
d (h) h R Q1 dt
R Ts 1
d (h) Q1 Q2 dt
G( s)
第6章-过程控制系统识图及应用实例ppt课件
实验原理
３. 跳汰机控制系统 (１) 给煤量控制 (２) 风水控制 (３) 排料控制
三、重介质选煤监测与控制系统
１. 悬浮液密度控制系统
２. 悬浮液煤泥含量控制系统
３. 合格介质桶液位控制系统
４. 真空过滤机液位控制系统
(１) 过滤机真空度随滤盘 转速的提高而提高 (２) 过滤机处理量随滤盘 转速的提高而增加
学习目标
１. 了解过程控制流程图的符号。 ２. 了解控制系统设计的基本步骤。 ３. 了解过程控制系统的一般工艺要求。 ４. 能识读计算机控制流程图。 ５. 掌握控制方案和工程设计中的关键问题。
§６—１ 过程控制系统的识图
一、识图基础
１. 图形符号 (１) 连接线
通用的仪表信号线均以细实线或在细实线上加三条有间隔 的斜线表示；
实验目的
１. 熟悉温度—流量串级控制系统的结构与组成。 ２. 掌握阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控 制量的影响。 ３. 掌握主、副调节器参数的改变对系统性能的影响。 ４. 掌握温度—流量串级控制系统的参数整定与投运。
实验原理
实验５ 液位与流量串级控制系统（选做）
实验目的
１. 了解液位—流量串级控制系统的组成原理。 ２. 了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主 控制量的影响。 ３. 掌握液位—流量串级控制系统采用不同控制方案的实 现过程。 ４. 能进行液位—流量串级控制系统调节器参数的整定与 投运。
１. 了解双闭环液位控制系统的组成与工作原理。 ２. 了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控 制量的影响。 ３. 掌握主、副调节器参数的改变对系统性能的影响。 ４. 掌握液位串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。 ５. 能进行双闭环液位控制系统调节器参数的整定与投运。
第六章 典型过程控制系统应用方案 过程装备控制技术及应用
16
6.3.2 硬件电路：
17
6. 3. 3控制算法的确定 (l)对象特性的测量与识别 按照阶跃响应法测得加热
炉的飞升曲线如图。 从曲线形状确认为带纯滞
后的一阶惯性对象，但纯滞 后时间不长，其传递函数为
测得：τ1＝20min θ1=2min k=6
18
6. 3. 4 程序流程框图
绘制流程图，编写程序。 6.3.5 控制系统的调试
qV 2
K
T h Tc
qV 1
3
4
5
6
7
8
9
6.2 单回路控制系统的应用 在现代工业生产装置自动化过程中，即使在计 算机控制获得迅速发展的今天，单回路控制系统 以其结构简单，投资少，易于调整、投运，仍在 非常广泛地被应用。掌握单回路控制系统的设计 应用对于实现过程装置的自动化具有十分重要的 意义。
12
（3）画出温度控制流程图及其控制系统方框图：
（4）调节器参数整定： 为了使温度控制系统能运行在最佳状态，需
要按照调节器工程整定法进行参数的整定。
13
6.3计算机数字控制的典型实例
——炉温控制系统的计算机制任务要求如下：
①给定值在100一300℃之间实现恒温控制; ②控制精度为0.5%(全量程允许误差±5℃); ③实时数字显示温度; ④温度超过330℃时要有报警指示; ⑤可以在线改变给定温度。
在硬件已正常工作以后，进行如下调整： (1)输入通道的调整 温度变送器偏置调整：本系统的偏置温度是 80℃，相应的热电偶毫伏值为3.266mV。通过调 整变送器下限电位器使输出为0。 温度变送器放大倍数调整:本系统温度测量上限 值为330℃(13.456mV），因此需将变送器输出上 限调整到该值。
6.3.2 硬件电路：
17
6. 3. 3控制算法的确定 (l)对象特性的测量与识别 按照阶跃响应法测得加热
炉的飞升曲线如图。 从曲线形状确认为带纯滞
后的一阶惯性对象，但纯滞 后时间不长，其传递函数为
测得：τ1＝20min θ1=2min k=6
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6. 3. 4 程序流程框图
绘制流程图，编写程序。 6.3.5 控制系统的调试
qV 2
K
T h Tc
qV 1
3
4
5
6
7
8
9
6.2 单回路控制系统的应用 在现代工业生产装置自动化过程中，即使在计 算机控制获得迅速发展的今天，单回路控制系统 以其结构简单，投资少，易于调整、投运，仍在 非常广泛地被应用。掌握单回路控制系统的设计 应用对于实现过程装置的自动化具有十分重要的 意义。
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（3）画出温度控制流程图及其控制系统方框图：
（4）调节器参数整定： 为了使温度控制系统能运行在最佳状态，需
要按照调节器工程整定法进行参数的整定。
13
6.3计算机数字控制的典型实例
——炉温控制系统的计算机制任务要求如下：
①给定值在100一300℃之间实现恒温控制; ②控制精度为0.5%(全量程允许误差±5℃); ③实时数字显示温度; ④温度超过330℃时要有报警指示; ⑤可以在线改变给定温度。
在硬件已正常工作以后，进行如下调整： (1)输入通道的调整 温度变送器偏置调整：本系统的偏置温度是 80℃，相应的热电偶毫伏值为3.266mV。通过调 整变送器下限电位器使输出为0。 温度变送器放大倍数调整:本系统温度测量上限 值为330℃(13.456mV），因此需将变送器输出上 限调整到该值。
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热交换器主要的被控制量是冷却介质出热交换器的温度。图 6-1 表示一个进出热交换器的典型参数。其中加热介质是工厂生产过程 中产生的废热热源(成品、半成品或废气、废液),为了节省能量,这部 分热量要求最大限度的加以利用。所以通常不希望对其流量进行调 节,而被加热介质的温度一般是通过调节加热介质的流量来实现的。
(20 4)mA K Tc 2 100 C 0.16 mA / C
(20 4)mA
K△Tc= K△Th= 100 =0.1067mA/℃ 流量变送器 qv1 与 qv2 的量程均为 0.178m3 s ，则可知其仪表转换系 数分别为
(20 4)mA
Kqv1= Kqv2= 0.178m3 / s =89.888mA/ (m3 s) 由此可以求得在正常工况下各个变送器的输出信号值分别为 I1= K△Th×(380-300)+4=12.54 mA I3= K△Tc×(260-150)+4=15.74 mA I2=Kqv1×0.125+4=15.24 mA I6= Kqv2×0.109+4=13.81 mA I9= KTc2×(260-210)+4=12 mA 求出正常工况下 DJS–1000 乘除器的输出信号为
6.1.2 系统组成
根据稳态时的热平衡关系，若不考虑散热损失，则加热介质释放的热 量应该等于被加热介质吸收的热量，即
qv1c1 (Th1 Th2 ) qv2c2 (Tc2 Tc1 )
（6-1）
式中
qv1 、qv2 —分别为加热介质和被加热介质的体积(或质量)流
量,m3 s （或kg s ）
本系统设计的关键是正确设置比值器的参数 a 与加减器的偏置信号 I5，下面通过具体数据来说明这些系数的设置情况。
有两股气体在热交换器中进行热量交换。已知 K=c1/c2=1.20，在正
常 情 况 下 Th1 =380 ℃ ， Th 2 =300 ℃ ， T c1 =150 ℃ ， Tc 2 =260 ，
(I1 4)(I 2 4)
I4=n (I 3 4)
取 n=1.2,则 I4=9.81 mA。
假设生产过程的各个变量都保持在正常工况下的数值,则前馈函数
的输出信号应该等于 I6,即
I4=I6
故知比值器的系数为
I6 = I4
13.81 = 9.81 =1.408
PI 调节器的输入信号为
I 入=I7-I8=I5+αI4-I6-I8
6.1 热交换器温度反馈-----静态前馈控制系统 6.2 单回路控制系统的应用 6.3 计算机数字控制的典型实例 6.4 流体输送设备的控制 6.5 反应器的控制 附录:思考题与习题
6.1 热交换器温度反馈——静态前馈控制系统 6.1.1 生产过程对系统设计的要求
在氮肥生产过程中有一个变换工段 ,把煤气发生炉来的一氧化 碳同水蒸汽的混合物转换成生产合成氨的原料七,在转换过程中释放 大量的热,使变换气体温度升高,变换气体在送至洗涤塔之前需要降 温,而进变换炉的混合物需要升温,因此通常利用变换气体来加热一 氧化碳与水蒸气的混合气体,这种冷热介质的热量交换是通过热交换 器来完成的。在许多工业生产过程中都用到热交换器设备，对热交 换器设备的控制就显得非常重要。
qv1
K
Th Tc
qv1
（6-2）
式中
，K
c1 c2
。静态前馈函数的实施线路如图 6-2 的虚线框所示。
当Th1 、Th2 、Tc1 或qv1 中任意一个变量变化时，其变化量都可以通
过前馈函数部分及时调整流量qv2 ，使这些变量的变化对被控制变
量Tc2 的影响得到补偿。
6.1.3 仪表静态参数的设置
6.2 单回路控制系统的应用
在获得迅速发 展的今天，单回路控制系统任在合成氨的现代化大型装置中，约有 85% 的控制系统是单回路控制系统。所以，掌握单回路控制系统的设计原则 应用对于实现过程装置的自动化具有十分重要的意义。
c1 、c2 —分别为加热介质和被加热介质的平均比热容,kJ (kg K ) ；
Th1 、Th2 —分别为加热介质进、出热交换器的温度，℃或 K；
Tc1 ，Tc2 —分别为被加热介质进、出热交换器的温度，℃或 K。
由式（6-1）可以得到各个有关变量的静态前馈函数计算关系式
qv2
c1 c2
(Th1 Th2 ) (Tc2 Tc1)
过程装备控制技术 及应用
过控教研室
目录
第一章 控制系统的基本概念 第二章 过程装备控制基础 第三章 过程检测技术 第四章 过程控制装置 第五章 计算机控制系统 第六章 典型过程控制系统应用方案
第六章 典型过程控制系统应用方案
本章介绍了几种典型的过程控制系统的应用。主要有“热交换 器温度反馈——静态前馈控制系统”；“单回路控制系统的应用”； “流体输送设备的控制”；“反应器的控制”等等。通过这些典型 控制系统的应用实例，可以帮助学生和读者更好地去理解本课程的 理论知识，同时也可以使学生学会运用理论知识解决实际问题的技 能。
qv1=0.125m 3 s ，qv2=0.109m3 s 。选择电动单元组合仪表 DDZ–Ⅲ型 组成控制系统，线路中的陈法器与除法器可以用一台型号为 DJS–1000 的乘除器代替，比值器与加减器可以用一台 DJJ–1000 的通用加减器代 替。电动单元组合仪表 DD–Ⅲ型的仪表信号范围为 4～20mA(或 1～5V DC)。若取 Tc2 温度变送器的量程为 100℃，仪表零位为 210℃，则可以 得到 Tc2 温度变送器的仪表转换系数为
Tc2 温度变送器、PID 调节器、PI 调节器、qv2 流量变送器、电/气转换 器与 qv2 控制阀门组成一个串级调节系统，Tc2 为主被调节变量，qv2 为副被调节变量。这个串级调节系统与静态前馈函数计算回路组成一个 复合调节系统。这种控制系统对于来自 qv2、Tc1、Th1、Th2 或 qv1 的扰 动，都具有很高的适应能力。
因为 PI 调节器是一种无静差的调节器,因此在稳态时, I 入=0,若取
I6=αI4,则有
I5 I8
I8 为 Tc2 调节器的控制点,一般设置为仪表信号的中间值,即 I8=12 mA,因此 I5 取 12 mA。
I8 为 Tc2 调节器的控制点,一般设置为仪表信号的中间值,即 I8=12 mA, 因此 I5 取 12 mA。
(20 4)mA K Tc 2 100 C 0.16 mA / C
(20 4)mA
K△Tc= K△Th= 100 =0.1067mA/℃ 流量变送器 qv1 与 qv2 的量程均为 0.178m3 s ，则可知其仪表转换系 数分别为
(20 4)mA
Kqv1= Kqv2= 0.178m3 / s =89.888mA/ (m3 s) 由此可以求得在正常工况下各个变送器的输出信号值分别为 I1= K△Th×(380-300)+4=12.54 mA I3= K△Tc×(260-150)+4=15.74 mA I2=Kqv1×0.125+4=15.24 mA I6= Kqv2×0.109+4=13.81 mA I9= KTc2×(260-210)+4=12 mA 求出正常工况下 DJS–1000 乘除器的输出信号为
6.1.2 系统组成
根据稳态时的热平衡关系，若不考虑散热损失，则加热介质释放的热 量应该等于被加热介质吸收的热量，即
qv1c1 (Th1 Th2 ) qv2c2 (Tc2 Tc1 )
（6-1）
式中
qv1 、qv2 —分别为加热介质和被加热介质的体积(或质量)流
量,m3 s （或kg s ）
本系统设计的关键是正确设置比值器的参数 a 与加减器的偏置信号 I5，下面通过具体数据来说明这些系数的设置情况。
有两股气体在热交换器中进行热量交换。已知 K=c1/c2=1.20，在正
常 情 况 下 Th1 =380 ℃ ， Th 2 =300 ℃ ， T c1 =150 ℃ ， Tc 2 =260 ，
(I1 4)(I 2 4)
I4=n (I 3 4)
取 n=1.2,则 I4=9.81 mA。
假设生产过程的各个变量都保持在正常工况下的数值,则前馈函数
的输出信号应该等于 I6,即
I4=I6
故知比值器的系数为
I6 = I4
13.81 = 9.81 =1.408
PI 调节器的输入信号为
I 入=I7-I8=I5+αI4-I6-I8
6.1 热交换器温度反馈-----静态前馈控制系统 6.2 单回路控制系统的应用 6.3 计算机数字控制的典型实例 6.4 流体输送设备的控制 6.5 反应器的控制 附录:思考题与习题
6.1 热交换器温度反馈——静态前馈控制系统 6.1.1 生产过程对系统设计的要求
在氮肥生产过程中有一个变换工段 ,把煤气发生炉来的一氧化 碳同水蒸汽的混合物转换成生产合成氨的原料七,在转换过程中释放 大量的热,使变换气体温度升高,变换气体在送至洗涤塔之前需要降 温,而进变换炉的混合物需要升温,因此通常利用变换气体来加热一 氧化碳与水蒸气的混合气体,这种冷热介质的热量交换是通过热交换 器来完成的。在许多工业生产过程中都用到热交换器设备，对热交 换器设备的控制就显得非常重要。
qv1
K
Th Tc
qv1
（6-2）
式中
，K
c1 c2
。静态前馈函数的实施线路如图 6-2 的虚线框所示。
当Th1 、Th2 、Tc1 或qv1 中任意一个变量变化时，其变化量都可以通
过前馈函数部分及时调整流量qv2 ，使这些变量的变化对被控制变
量Tc2 的影响得到补偿。
6.1.3 仪表静态参数的设置
6.2 单回路控制系统的应用
在获得迅速发 展的今天，单回路控制系统任在合成氨的现代化大型装置中，约有 85% 的控制系统是单回路控制系统。所以，掌握单回路控制系统的设计原则 应用对于实现过程装置的自动化具有十分重要的意义。
c1 、c2 —分别为加热介质和被加热介质的平均比热容,kJ (kg K ) ；
Th1 、Th2 —分别为加热介质进、出热交换器的温度，℃或 K；
Tc1 ，Tc2 —分别为被加热介质进、出热交换器的温度，℃或 K。
由式（6-1）可以得到各个有关变量的静态前馈函数计算关系式
qv2
c1 c2
(Th1 Th2 ) (Tc2 Tc1)
过程装备控制技术 及应用
过控教研室
目录
第一章 控制系统的基本概念 第二章 过程装备控制基础 第三章 过程检测技术 第四章 过程控制装置 第五章 计算机控制系统 第六章 典型过程控制系统应用方案
第六章 典型过程控制系统应用方案
本章介绍了几种典型的过程控制系统的应用。主要有“热交换 器温度反馈——静态前馈控制系统”；“单回路控制系统的应用”； “流体输送设备的控制”；“反应器的控制”等等。通过这些典型 控制系统的应用实例，可以帮助学生和读者更好地去理解本课程的 理论知识，同时也可以使学生学会运用理论知识解决实际问题的技 能。
qv1=0.125m 3 s ，qv2=0.109m3 s 。选择电动单元组合仪表 DDZ–Ⅲ型 组成控制系统，线路中的陈法器与除法器可以用一台型号为 DJS–1000 的乘除器代替，比值器与加减器可以用一台 DJJ–1000 的通用加减器代 替。电动单元组合仪表 DD–Ⅲ型的仪表信号范围为 4～20mA(或 1～5V DC)。若取 Tc2 温度变送器的量程为 100℃，仪表零位为 210℃，则可以 得到 Tc2 温度变送器的仪表转换系数为
Tc2 温度变送器、PID 调节器、PI 调节器、qv2 流量变送器、电/气转换 器与 qv2 控制阀门组成一个串级调节系统，Tc2 为主被调节变量，qv2 为副被调节变量。这个串级调节系统与静态前馈函数计算回路组成一个 复合调节系统。这种控制系统对于来自 qv2、Tc1、Th1、Th2 或 qv1 的扰 动，都具有很高的适应能力。
因为 PI 调节器是一种无静差的调节器,因此在稳态时, I 入=0,若取
I6=αI4,则有
I5 I8
I8 为 Tc2 调节器的控制点,一般设置为仪表信号的中间值,即 I8=12 mA,因此 I5 取 12 mA。
I8 为 Tc2 调节器的控制点,一般设置为仪表信号的中间值,即 I8=12 mA, 因此 I5 取 12 mA。