過(guò)程控制第一章第1-2講 緒論

過(guò)程控制與儀表山東科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院高宏巖(ProcessControlandInstrument)第1講第一章緒論

第一節(jié)

過(guò)程控制發(fā)展概況一、過(guò)程控制概念過(guò)程控制（Processcontrol）是指連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的特征是：生產(chǎn)過(guò)程中的各種流體，在連續(xù)（或間歇）的流動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行著物理化學(xué)反應(yīng)、物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)換或傳遞。

凡是采用數(shù)字或模擬控制方式對(duì)連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動(dòng)控制通稱(chēng)為過(guò)程控制。二、過(guò)程控制應(yīng)用領(lǐng)域石油、化工、水利、電力、冶金、輕工、紡織、制藥、建材、核能、環(huán)境工程等許多領(lǐng)域的自動(dòng)控制系統(tǒng)，都屬于過(guò)程控制系統(tǒng)。與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)相比較，過(guò)程控制和運(yùn)動(dòng)控制研究對(duì)象不同，過(guò)程控制研究石油、化工、電力等工業(yè)過(guò)程中的溫度、壓力、流量、物位、成分等變量的控制；運(yùn)動(dòng)控制研究速度和位置控制，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人。

揚(yáng)子石化新疆煉油廠(chǎng)

武鋼

污水處理廠(chǎng)哈爾濱伊蘭煤氣

揚(yáng)子石化揚(yáng)子石化

蘭州石化

三、過(guò)程控制的發(fā)展概況過(guò)程控制的發(fā)展歷程，就是過(guò)程控制裝置（自動(dòng)化儀表）與系統(tǒng)的發(fā)展歷程。1、過(guò)程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程（1）局部自動(dòng)化階段（20世紀(jì)50～60年代）自動(dòng)化儀表安裝在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備上，只具備簡(jiǎn)單的測(cè)控功能。適用于小規(guī)模、局部過(guò)程控制。特點(diǎn)：自動(dòng)化儀表劃分成各種標(biāo)準(zhǔn)功能單元，按需要可以組合成各種控制系統(tǒng)。控制儀表集中在控制室，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各處的參數(shù)通過(guò)統(tǒng)一的模擬信號(hào)，送往控制室。操作人員可以在控制室監(jiān)控生產(chǎn)流程各處的狀況。適用于生產(chǎn)規(guī)模較大的多回路控制系統(tǒng)。（2）模擬單元儀表控制階段（20世紀(jì)60～70年代）巴基斯坦賈姆肖羅電廠(chǎng)

計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了控制功能的實(shí)現(xiàn)。最初，人們?cè)O(shè)想用一臺(tái)計(jì)算機(jī)取代所有回路的控制儀表，實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制（DDC，DirectDigitalControl）

。但DDC系統(tǒng)的故障危險(xiǎn)高度集中，一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，就會(huì)造成所有控制回路癱瘓，使生產(chǎn)過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)加大。因此，DDC系統(tǒng)并未得到廣泛應(yīng)用。（3）集散控制階段（20世紀(jì)70年代中期至今）80年代初，隨著計(jì)算機(jī)性能提高、體積縮小，出現(xiàn)了內(nèi)裝CPU的數(shù)字控制儀表?；凇凹泄芾?，分散控制”的理念，在數(shù)字控制儀表和計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了集中、分散相結(jié)合的集散型控制系統(tǒng)（DCS，DistributedControlSystem）。DCS系統(tǒng)實(shí)行分層結(jié)構(gòu)，將控制故障風(fēng)險(xiǎn)分散、管理功能集中。目前得到廣泛應(yīng)用。隨著CPU進(jìn)入檢測(cè)儀表和執(zhí)行器，自動(dòng)化儀表徹底實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、智能化?？刂葡到y(tǒng)也出現(xiàn)了由智能儀表構(gòu)成的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbusControlSystem)。FCS系統(tǒng)把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，依靠現(xiàn)場(chǎng)智能儀表便可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的檢測(cè)、控制。而用開(kāi)放的、標(biāo)準(zhǔn)化的通信網(wǎng)絡(luò)——現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，將分散在現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)的通信連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)信息集中管理。西安儀表廠(chǎng)巴基斯坦古杜電廠(chǎng)

核電廠(chǎng)

哈爾濱伊蘭煤氣哈爾濱第三水廠(chǎng)

蘭州石化自來(lái)水廠(chǎng)控制柜控制柜觸摸顯示屏控制柜內(nèi)部控制柜內(nèi)PLC過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室2、過(guò)程控制策略與算法發(fā)展伴隨著自動(dòng)化儀表的發(fā)展，過(guò)程控制策略與算法也經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的發(fā)展歷程。以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的PID（ProportionalIntegralDerivative）控制算法，由單回路控制發(fā)展了串級(jí)控制、比值控制、前饋控制、均勻控制、Smith預(yù)估控制及選擇性控制等控制策略。隨著現(xiàn)代控制理論和人工智能技術(shù)的發(fā)展，解耦控制、推斷控制、預(yù)測(cè)控制、模糊控制、自適應(yīng)控制等控制策略與算法，也日趨完善?，F(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)的主要特點(diǎn)：1、功能綜合化，控制與管理一體化已成為趨勢(shì)，其應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模越來(lái)越大。2、技術(shù)密集化、系統(tǒng)集成化，是控制技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。3、系統(tǒng)的智能化程度日益提高，控制精度越來(lái)越高，控制手段日益豐富。國(guó)內(nèi)外著名儀表生產(chǎn)企業(yè)：西安儀表廠(chǎng)、四川儀表公司、上海儀表公司、Foxboro、Siemens、Yokogawa、Rosemount、Honeywell等公司。結(jié)束第二節(jié)過(guò)程控制的特點(diǎn)連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制：被控量是定值控制、連續(xù)可調(diào)。過(guò)程控制系統(tǒng)由過(guò)程檢測(cè)、控制儀表組成：一個(gè)完整的過(guò)程控制系統(tǒng)是由被控過(guò)程和過(guò)程檢測(cè)控制儀表組成。過(guò)程檢測(cè)控制儀表包括檢測(cè)元件、變送器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥等。被控過(guò)程是多種多樣的、非電量的：現(xiàn)代工業(yè)，生產(chǎn)規(guī)模不同、工業(yè)要求各異，過(guò)程動(dòng)態(tài)特性機(jī)理復(fù)雜，被控過(guò)程多種多樣；過(guò)程的溫度、壓力、流量等物理量是表征工業(yè)生產(chǎn)狀態(tài)的主要參數(shù)。過(guò)程控制的特點(diǎn)（續(xù)）控制過(guò)程多屬慢過(guò)程，而且多半為參量控制：大多數(shù)被控過(guò)程具有大慣性、大滯后等特性。過(guò)程采用一些物理量或化學(xué)量來(lái)表征生產(chǎn)過(guò)程是否正常。過(guò)程控制方案十分豐富：由于過(guò)程工藝復(fù)雜、控制要求高，過(guò)程控制方案相應(yīng)豐富。如：?jiǎn)位芈房刂葡到y(tǒng)、串級(jí)控制系統(tǒng)、前饋-反饋控制系統(tǒng)、滯后補(bǔ)償控制、比值控制系統(tǒng)、分程控制系統(tǒng)、選擇性控制系統(tǒng)、多變量解耦控制、集散控制等。定值控制是過(guò)程控制的一種常用形式：過(guò)程控制的主要目的在于消除或減小外界干擾對(duì)被控量的影響。返回本節(jié)第三節(jié)過(guò)程控制系統(tǒng)的組成及其分類(lèi)

一、過(guò)程控制系統(tǒng)組成第2講人工控制汽包W給水給水調(diào)節(jié)閥省煤器水冷壁過(guò)熱器水位計(jì)蒸汽Dh汽包鍋爐給水人工控制示意圖人工/自動(dòng)自動(dòng)控制給水w蒸汽D測(cè)量單元控制單元給定單元執(zhí)行單元汽包鍋爐給水自動(dòng)控制示意圖h人工/自動(dòng)在討論控制系統(tǒng)工作原理時(shí)，為清楚地表示自動(dòng)控制系統(tǒng)各組成部分的作用及相互關(guān)系，一般用原理框圖來(lái)表示控制系統(tǒng)。如圖所示鍋爐水位控制系統(tǒng)是由水位變送器、控制器、調(diào)節(jié)閥和被控對(duì)象組成。給定值被控量干擾f

控制器

測(cè)量變送器調(diào)節(jié)閥被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值－通用形式：給定值被控量干擾f

控制器

測(cè)量變送器執(zhí)行器被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值－二、過(guò)程控制中的常用術(shù)語(yǔ)

1．過(guò)程（被控對(duì)象）被控制的工藝設(shè)備或裝置。2.被調(diào)量（被控參數(shù)）表征生產(chǎn)過(guò)程是否正常運(yùn)行并需要加以控制的物理量。3．給定值按生產(chǎn)要求被調(diào)量必須維持的希望值。4．執(zhí)行器可用來(lái)改變進(jìn)入控制對(duì)象的物質(zhì)或能量的裝置。5．操縱變量（控制參數(shù)）由執(zhí)行器(閥門(mén)、擋板等)改變的流量(或能量)，用以控制被調(diào)量的變化。6．?dāng)_動(dòng)

除控制作用外，引起被調(diào)量偏離其給定值的各種因素稱(chēng)為擾動(dòng)。工藝過(guò)程：由過(guò)熱器產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽帶動(dòng)汽輪機(jī)作功，工藝要求保持過(guò)熱蒸汽溫度恒定。通過(guò)減溫器的溫水流量的大小來(lái)控制過(guò)熱蒸汽的溫度工藝過(guò)程：控制吹氧量和吹氧時(shí)間，控制冶煉鋼水的含氧量，得到不同品種的鋼。轉(zhuǎn)爐供氧控制系統(tǒng)τ

過(guò)程控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是：對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的重要參數(shù)（溫度、壓力、流量、物位、成分、濕度等）進(jìn)行控制，使其保持恒定或按一定規(guī)律變化。過(guò)程控制系統(tǒng)有多種分類(lèi)方法。按所控制的參數(shù)來(lái)分，有溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)等；按控制系統(tǒng)所處理的信號(hào)方式來(lái)分，有模擬控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)；按照控制器類(lèi)型來(lái)分，有常規(guī)儀表控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等。但在討論控制原理時(shí)，常用的分類(lèi)方法是按設(shè)定值的形式或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類(lèi)。三、過(guò)程控制系統(tǒng)的分類(lèi)1.按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類(lèi)1）反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)）控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)被控量的偏差進(jìn)行工作，偏差是控制的依據(jù)，最后達(dá)到消除或減小偏差的目的。反饋控制系統(tǒng)可以是單回路，也可以是多個(gè)閉合回路的多回路控制系統(tǒng)。

反饋控制系統(tǒng)是過(guò)程控制最基本的結(jié)構(gòu)形式。2）前饋控制系統(tǒng)（開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)）以不變性原理為理論基礎(chǔ)，直接根據(jù)擾動(dòng)量的大小進(jìn)行工作，擾動(dòng)是控制依據(jù)，及時(shí)克服擾動(dòng)對(duì)被控量的影響。它是一種開(kāi)環(huán)控制，實(shí)際中一般不能單獨(dú)使用。3）復(fù)合控制系統(tǒng)將前饋和反饋控制結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，充分利用開(kāi)環(huán)前饋和反饋控制兩者的優(yōu)點(diǎn)，大大提高控制質(zhì)量2、按給定值信號(hào)特點(diǎn)來(lái)分類(lèi)定值控制系統(tǒng)：系統(tǒng)被控量的給定值保持在規(guī)定值不變。擾動(dòng)信號(hào)引起被控量變化，在系統(tǒng)控制作用下克服擾動(dòng)影響，保持系統(tǒng)被控量恒定程序控制系統(tǒng)：被控量的給定值按預(yù)定時(shí)間順序變化工作。使系統(tǒng)被控量按工藝要求規(guī)定的程序自動(dòng)變化。隨動(dòng)控制系統(tǒng)：被控量的給定值隨時(shí)間任意變化，系統(tǒng)克服一切擾動(dòng)，使被控量快速跟隨給定值而變化。第四節(jié)課程的性質(zhì)與任務(wù)課程性質(zhì)：過(guò)程控制工程是工業(yè)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)必修課。課程任務(wù)：根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，應(yīng)用控制論、現(xiàn)代控制技術(shù)，分析、設(shè)計(jì)、整定過(guò)程控制系統(tǒng)理論基礎(chǔ)：電子技術(shù)基礎(chǔ)、控制理論、現(xiàn)代控制技術(shù)技術(shù)工具：自動(dòng)化儀表、微機(jī)控制技術(shù)課程目標(biāo)：具有解決分析和設(shè)計(jì)較復(fù)雜的過(guò)程控制系統(tǒng)的能力學(xué)習(xí)本課程的要求熟悉工藝參數(shù)的基本測(cè)量方法和測(cè)量?jī)x表的工作原理，能正確使用自動(dòng)化儀表。理解過(guò)程控制系統(tǒng)的工作原理及各環(huán)節(jié)的作用，能設(shè)計(jì)出合理的過(guò)程控制方案。掌握基本控制規(guī)律及其控制器參數(shù)對(duì)被控過(guò)程的影響，能對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和維護(hù)。目錄:第一章緒論第二章過(guò)程建模和過(guò)程檢測(cè)控制儀表第三章簡(jiǎn)單過(guò)程控制系統(tǒng)第四章復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)主要參考書(shū)施仁，《自動(dòng)化儀表與過(guò)程控制》電子工業(yè)出版社，