工业过程控制工程课件第一章工业过程控制工程绪论

原材料的组成变化：在工业生产过程中都
是依一定的原料性质生产一定规格的产品， 然而，由于原料性质的改变会严重影响产 品的规格、质量和产率。 产品质量与规格的变化：随着市场对产品 质量与规格要求的改变，工业生产企业必 须马上能适应市场的需求而改变，否则所 生产的产品在市场上无法销售。
生产过程设备的可使用性：工业生产过程的生产 设备都是按照一定的生产规模而设计的，但是随 着市场对产品数量需求的改变，原设计不能满足 实际生产需要，或者工厂设备的损坏或被占用， 都会影响生产负荷的变化。 装置与装置或工厂与工厂之间的关联：在流程工 业中，物料流与能量流在各装置之间或工厂之间 有着紧密的关系，由于前后的联结调度等原因， 往往要求生产过程的运行作相应的改变，以满足 整个生产过程物料与能量的平衡。
被控过程的滞后特性：在实际工业生产过程中由 于在管道中的传递或取样化验分析等原因，被控 过程存在着各种纯滞后或叫时滞。纯滞后对于负 反馈控制系统来说是最难控制的过程，一个控制 系统的输出作用希望能尽快在被控变量中反应出 来，然而，由于有纯滞后的存在，其动态响应就 会不及时。 被控过程的时间常数长短不一样：由于工业生产 过程形状、尺寸大小等不一样，其过程的时间常 数差别很大，例如流量过程，时间常数很小，而 工业加热炉的时间常数就很大。
企业生产过程管理与控制的递阶 （分层）结构图




生产过程层是由有关的生产过程工 艺设备如容器、泵、机器、管道等 组成。 常规控制层是由生产过程工艺参数 的测量变送仪表、仪器、自动执行 机构以及显示、纪录、控制器等组 成。该层是用于自动监视和代替人 工自动控制工业生产过程最基本的 自动化设备。 先进控制层是由计算机（或DCS） 和有关软件及算法等组成，功能是 实现常规控制层无法做到的多变量 控制。 优化层是由计算机和有关优化软件 及优化算法等组成，它的功能是为 先进控制层提供优化给定值、优化 控制轨迹或生产方案。这一层的作 用是为优化层提供各种优化目标或 约束条件。
1.3.1 自动化仪表技术的发展
在工业生产过程中，通常需要测量和控制 的变量有：温度、压力、流量、液面、称 重、电量（电流、电压、功率）和成分等。 这些变量的测量和控制随着电子技术、计 算机技术以及测量技术的不断发展，虽然 其基本测量原理变化不大，但是信号转换、 显示和控制装置的变化十分迅速。
表1.3-1 自动化仪表技术Biblioteka Baidu发展
远远不能满足现代化生产的要求，工业过程控制
系统已成为工业生产过程必不可少的设备，因为，
它是保证现代企业安全、优化、低消耗和高效益
生产的主要技术手段。
1.1 工业生产过程控制概述
什么是过程控制？
☆工业生产过程 指原材料经过若干加工步骤转变成产品并具有一定生 产 规模的过程。 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）。
☆工业生产过程的目标 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。
理想条件
原材料
干扰
合格产品
控制
产品？
过程控制
过程控制主要是指连续过程工业的过程控制 图1.1-1 工业生产过程示意图
一座以煤作燃料的发电厂，如图 1.1-2所示。在这一工业生产过程 中，原料是煤和水，产品是电能， 整个生产过程由储仓、锅炉、汽 轮机、发电机、水冷凝器和循环 水泵、相应的管道以及控制系统 等组成。煤通过在炉膛中燃烧产 生热能从而加热水使之变成高压 蒸汽用以推动汽轮机。汽轮机通 过连接轴带动发电机发出电能。 所产生的电能送给电网再供给各 种各样的用户，如有的用于照明， 有的用于驱动马达，有的用作家 电产品的电源等。

生产过程的优化操作与控制 （一个生产过程的优化操作点往往是时变的，因此，针对
工业生产过程具体情况，进行连续寻优是十分重要的 。）
1.2.2 影响工业生产过程稳定因素
在生产过程中，产品的质量、产量和产 率等都会随着生产过程的各种扰动（干扰） 和生产过程工艺设备等特性的改变而波动。 工业生产过程的扰动作用使得生产过程 操作不稳定，从而影响工厂 生产过程的经 济效益，扰动主要来自下述几个方面。

信号的测量问题：工业生产过程的物料与能量流都是在密 闭的管道与容器中传递、反应或分离，而有些物料又具有 易燃、易爆、腐蚀和毒性。工业生产过程的变量很难在线 测量，有些可能测不准，噪声大且不可靠，而有些变量至 今还无法在线测量，特别是那些物料性质和产品质量的参 数，只能通过取样送实验室化验分析才能获得。随着在线 质量（成分）分析仪的逐步使用，使得原来不可测的变量 变成可测量，然而，在线分析仪满足不了千变万化的工业 生产过程的需求。为了解决这一问题，人们寻求用间接的 方法来测量不可测的变量，通常称为软测量技术或叫推断 测量的方法，即利用可测量的变量和相关模型，计算出不 可测量的变量。对于负反馈控制来说完全依赖于工业生产 过程信号测量的准确性。

到了20
世纪80 年代，DCS 进人成熟期， 一条生产线，乃至一个工厂可用一台大型 的DCS 来控制，真正实现计算机控制工业 生产过程。同时，有更好的人机接口、硬 件和软件平台，为先进控制和优化控制奠 定物质基础．

自从进入20世纪90 年代，人 们称为是信息化和网络化时 代，基于现场总线的计算机 控制系统止在开发并逐步走 向实用化。随着计算机在企 业管理和控制中的应用，过 程自动化（PA）、工厂自动 化（FA ）、计算机集成过程 控制（CIPS ）、计算机集成 制造系统（CIMS ）和企业 资源总综合规划( ERP ）等， 正在成为提高工业生产过程 经济效益的关键手段，从而 形成如图1 . 3-1 所示的工厂 计算机综合优化控制系统。

由于现代工业生产过程规模大，设备关 联严重，强化生产，对于扰动十分敏感。 所以，一个局部的扰动，就会在整个生产 过程传播开来。
1.2.3 影响工业生产过程控制的因素
工业生产过程除了上述特点外，若从反 馈控制的观点来分析，其被控过程（对象） 又具有下述的一些特性，影响着工业生产 过程的操作、控制和优化。

生产设备特性的漂移：在工业生产工艺设备中， 有些重要的设备特性随着生产过程的进行将会发 生变化，这些特性的漂移都将成为严重的工业生 产过程扰动作用。 控制系统的失灵：仪表自动化系统是监督、管理、 控制工业生产过程的关键设备与手段，自动控制 系统本身的故障或特性变化也是生产过程的主要 扰动来源。例如测量仪表测量过程的噪声、零点 的漂移、控制过程特性的改变而控制器的参数没 有及时调整以及操作者的操作失误，这些都是工 业生产过程的扰动来源。
图1.3-1 工厂计算机综合优化控制
1.4 工业生产过程自动化
为了使一个工业生产过程或一个企业良好、
高效地运行，都离不开对整个生产过程物 料、能源、人力等的管理、组织和运作。 要达到此目的，必须对工业生产过程的信 息、数据进行及时的检测和控制。因此， 生产计划、生产调度、安全稳定地生产与 操作等，都离不开自动化技术。
安全生产； 单位产品的原材料和能源消耗尽量少；
副产品、特别是废物如污水最好不要产生，防止对 环境的污染。
生产设备的利用率高。

为了达到预期的生产目标，，必须对整个工业生产 过程进行谨慎的操作，严格的控制。
对工业生产过进行仔细操作和准确的控制：
首先，要对整个工业生产的物料流（气体、液体、 固体）、能源流（电、蒸汽、煤气等）和生产过 程中的有关状态[如温度、压力、流量]进行准确的 测量和计量。 根据测量到的数据和信息，用生产过程工艺和控 制理论的知识管理、控制该生产过程。 工程上是通过工业过程控制系统来操作和控制实 际的工业生产过程。 ☆过程控制的任务： 在充分了解生产过程的工艺流程和动静态特性 基础基础上，应用理论对系统进行分析与综合， 以生产过程中物流变化信息量作为被控量，选用 适宜的技术手段，实现生产过程的控制目标。

1.3 工业生产过程控制系统发展过程
自19 世纪世界工业革命以后，工业生产 过程由简单到复杂，规模由小到大。至今， 已有各种各样的工业生产过程，生产出多 种多样的产品满足人们的生活需要。作为 工业生产过程一部分的工业过程控制系统 也在不断发展和提高。
1.3.1 自动化仪表技术的发展 1.3.2 计算机在工业生产控制的应用

本征不稳定性：有些工业生产过程，如化学反应过程或生 化反应过程，在某些操作范围内系统本身是不稳定的。如 果过程进入不稳定的操作区域，其过程变量的变化，如化 学反应温度与压力，在某些时候，系统可能会进人循环振 荡而不稳定。 耦合特性：工业生产过程中输入和输出之间的关系通常是 很复杂的，各变量之间可能具有很强的耦合性。一个输入 可能会同时改变几个输出，反过来，一个输出可能会受到 多个输人的影响。 执行器特性：作为一个自动控制系统，由测量环节、被控 过程和执行器三部分组成，执行器的特性，直接影响到控 制系统的品质。
1.3.2 计算机在工业生产控制中应用
表1.3-2 计算机在工业生产过程中应用发展过程
在20 世纪60 年代，计算机在工业生产过程控制 中的应用，只是代替常规的PID 控制器、显示、 记录和报警仪表，实现所谓直接数字控制（DDC ） 因为这种集中式的计算机控制系统，由于可靠性 不够高，所以，模拟仪表控制系统仍旧大量采用。 直到20世纪70 年代，微处理器和微型计算机的出 现，从而开发出基于微处理器的集散型计算机控 制系统( DCS ）。由于这种系统对测量和控制回 路采用分散结构而信息又进行集中处理和管理， 大大提高了计算机控制系统的可靠性，从而为计 算机在工业生产过程中的应用开创了新局面。

除了上述顺序操作要求之外，工业生产过程还要 求： 监视和管理整个生产过程
（监视生产过程的变化，收集生产过程的历史数据，对寻找出过程的 扰动因素和优化工艺条件以及分析过程操作都是极为有用的。）

对生产过程进行规划、调度和决策
（一个工厂可能由许多生产过程所组成调度全厂原材料、能源、水、 电的分配，如何根据市场需求和原料状况，编排生产计划，对一个工 厂来说具有很大的经济意义。）

图1.1-3 工业生产过程控制与其它学科的关系
1.2 工业生产过程运行操作
1.2.1 工业生产操作功能
1.2.2 影响工业生产过程稳定因素
1.2.3 影响工业生产过程控制的因素
1.2.1 工业生产操作功能
对于大工业生产过程，特别是现代化工业，其生 产操作过程越来越复杂和多样化，一般来说现代工业 生产过程有下述的一些操作和控制的问题： 生产过程的开车和停车； 间歇生产过程操作； 设备之间的切换； 生产负荷的改变
在连续生产过程和间歇生产过程中，开车和停车 都有自己的一套顺序和操作步骤，特别是大型的 石油化生产过程，其开停车要花很长时间，若不 按照一定的步骤和顺序进行，就会出现生产事故， 延长开车时间。对于间歇生产过程，其往复循环 操作更频繁。而在某些连续生产过程，也包含着 间歇操作的设备和单元。有时，要改变生产品种 和生产负荷，这些都要求按一定的顺序规划进行 操作。 一般说来，顺序操作包括一系列的阶段或操作步 骤这些阶段，有些是由过程事件来决定，而有些 根据特定的时间间隔来激发。

非线性特性：严格地说工业生产过程随着运行操 作点不同，其特性是不一样的，也就是说工业生 产过程一般都具有非线性的特性，这种非线性特 性使得控制校正和扰动在不同的工作区域会有不 同的作用特性。 时变性：例如生物发酵过程，生物质浓度的增长 随着时间而变化，相应的原料消耗与产物的形成 都是时间的函数。整个生物发酵过程从接种、生 物生长、产品形成直到生物质的衰亡都是时变的。
《工业过程控制工程》
中南林业科技大学电信学院 周国雄
第一章 绪论
1.1 工业生产过程控制概述
1.2 工业生产过程操作功能
1.3 工业生产过程控制系统发展过程
1.4 工业生产过程自动化
1.5
过程控制的学习
现代工业生产过程，随着生产规模的不断扩
大，生产过程的强化，对产品质量的严格要求， 以及各公司之间的激烈竞争，人工操作与控制已
图1.1-2 发电厂示意图
对发电厂来说，它的工作目标是： 安全生产 锅炉、汽轮机等必须绝对安全运作； 单位电能的煤耗 要求煤耗小，能量转换效率高； 排出烟气对环境污染 烟气中灰尘及硫化物含量要低。 上述目标，只有通过良好的自动控制系统才能实现。
在运作一个工业生产过程时，希望达到：