鄭州大學(xué)電氣工程 過程控制1過程控制的緒論

ProcessControlZhengZhouUniversityLiXiaoyuanE-mail:lixiaoyuan@過程控制主講：李曉媛E-mail:lixiaoyuan@Tel修課程模擬電路檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)電力電子電機(jī)拖動自動控制原理微機(jī)接口技術(shù)計算機(jī)控制原理主要參考資料邵裕森、戴先中，過程控制工程（第2版）[M]，機(jī)械工業(yè)出版社，2000涂植英、朱麟章，過程控制系統(tǒng)，機(jī)械工業(yè)出版社，1988劉元楊，自動檢測和過程控制，冶金工業(yè)出版社，2003金以慧，過程控制，清華大學(xué)出版社，1998施仁，自動化儀表與過程控制，電子工業(yè)出版社，2003CurtisJohnson，ProcessControlInstrumentationTechnology(6th)，PearsonEducation目錄第1章緒論第2章過程控制建模和過程檢測儀表第3章簡單控制系統(tǒng)——單回路控制系統(tǒng)的工程設(shè)計第4章復(fù)雜控制系統(tǒng)第5章先進(jìn)過程控制技術(shù)補(bǔ)充：過程控制系統(tǒng)應(yīng)用實例第1章緒論討論的問題：

作業(yè)一、什么叫過程控制?過程控制的目的？二、過程控制的發(fā)展經(jīng)歷了哪幾個階段？

三、過程控制有哪些主要特點？四、過程控制系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容有哪些？

五、過程控制系統(tǒng)有哪些主要類型？六、過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)？一、什么叫過程控制?

過程控制（Processcontrol）是指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動控制。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)域的自動控制系統(tǒng)，都屬于過程控制系統(tǒng)。連續(xù)生產(chǎn)過程的特征是：生產(chǎn)過程中的各種流體，在連續(xù)（或間歇）的流動過程中進(jìn)行著物理化學(xué)反應(yīng)、物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)換或傳遞。

過程控制目的

抑制外界擾動的影響；確保過程的穩(wěn)定性；使生產(chǎn)過程的工況最優(yōu)化。從而達(dá)到：實現(xiàn)安全運(yùn)行；提高產(chǎn)品產(chǎn)量；保證產(chǎn)品質(zhì)量；節(jié)能降耗；改善勞動條件；保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生；提高管理水平等。圖1為人工控制室溫。假設(shè)在冬季，室內(nèi)加溫是通過熱水加熱器，將送風(fēng)加熱后源源不斷送往恒溫室。為保證恒溫室溫符合要求，操作人員要隨時觀察溫度計的指示值，并隨時判斷和決定如何操作閥門來保證恒溫要求，然后進(jìn)行操作。

在此人的作用可分為三步：

眼看

腦想

手動送風(fēng)回風(fēng)恒溫室溫度計閥門圖1室溫人工控制示意圖過程控制認(rèn)識

1眼看——用傳感器或變送器將溫度信號轉(zhuǎn)換為控制器可接受的信號。腦想——控制器將輸入的實測溫度信號和要求值進(jìn)行比較（相減求偏差),并按偏差值計算出控制量。手動——人工閥門換成控制閥，按控制信號自動改變開度。人工控制受制于人的經(jīng)驗和注意力，控制不精確。而自動控制按設(shè)定好的方案進(jìn)行計算控制，可以做到精確的、恰當(dāng)?shù)目刂啤?/p>

過程控制系統(tǒng)的定義：

為實現(xiàn)對某個工藝參數(shù)的自動控制，由相互聯(lián)系、制約的一些儀表、裝置及工藝對象、設(shè)備構(gòu)成的一個整體。圖2為室溫自動控制系統(tǒng)，自動化儀表代替了人?；仫L(fēng)恒溫室23送風(fēng)熱水M回水41圖2室溫自動控制系統(tǒng)示意圖1—熱水加熱器；3—控制器；2—傳感變送器；4—執(zhí)行器TCTT給定值在討論控制系統(tǒng)工作原理時，為清楚地表示自動控制系統(tǒng)各組成部分的作用及相互關(guān)系，一般用原理框圖來表示控制系統(tǒng)。如圖2的室溫控制系統(tǒng)是由溫度變送器、控制器、電動調(diào)節(jié)閥和加熱器及房間組成。給定值被控變量干擾f

控制器變送器調(diào)節(jié)閥加熱器及房間

+e實測值－用通用名稱表示為：

給定值被控變量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對象+e實測值－過程控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是：對生產(chǎn)過程中的重要參數(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。過程控制系統(tǒng)原理方框圖發(fā)電廠過程控制認(rèn)識

2磨礦工藝中，每個球磨系列由給礦機(jī)給礦，以前由人工觀察給礦量，靠機(jī)械調(diào)整給礦口大小控制礦量，給礦量波動較大，難以穩(wěn)定。

為穩(wěn)定入磨礦量，在給礦皮帶上安裝皮帶秤，根據(jù)皮帶秤檢測的礦量對給礦機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)。

球磨過程控制

二、過程控制經(jīng)歷了哪幾個發(fā)展階段？主要特點：（1）基地式儀表和部分單元組合儀表，大多為氣動儀表；（2）單輸入－單輸出控制系統(tǒng)；（3）保持溫度、壓力、流量、液位等工藝參數(shù)的穩(wěn)定，確保生產(chǎn)安全運(yùn)行；（4）分析和綜合的理論基礎(chǔ)為經(jīng)典控制理論。展示儀表圖片：

過程控制的發(fā)展歷程，就是過程控制裝置（自動化儀表）與系統(tǒng)的發(fā)展歷程。1、儀表化與局部自動化階段(50~60年代)基地式儀表

一般與檢測裝置、顯示裝置一起組裝在一個整體之內(nèi)同時具有檢測、控制與顯示的功能結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用方便通用性差，信號不易傳遞一般應(yīng)用于簡單控制系統(tǒng)中。

基地式儀表(壓力控制器）基地式儀表(壓力控制器）基地式儀表(溫度控制器）1988年由我國中建三局承建巴基斯坦賈姆肖羅電廠

，裝機(jī)容量為4x21萬千瓦油氣雙燃料火力發(fā)電機(jī)組，占地面積14平方公里。

巴基斯坦賈姆肖羅電廠

二、過程控制經(jīng)歷了哪幾個發(fā)展階段？

2、綜合自動化階段(60~70年代中期)主要特點：（1）單元組合儀表和組裝式儀表，計算機(jī)開始被應(yīng)用，出現(xiàn)了DDC和SPC；（2）各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)的出現(xiàn)（如串級控制、前饋—反饋復(fù)合控制、Smith預(yù)估控制以及比值、均勻、選擇性控制等）；（3）分析和綜合的理論基礎(chǔ)發(fā)展到了現(xiàn)代控制理論。展示儀表圖片：單元組合儀表流量傳感器流量控制器執(zhí)行器單元組合式儀表將儀表按其功能分成若干單元。各個單元之間以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號相互聯(lián)系。具有高度的靈活性和通用性，各個單元可以適當(dāng)組合，也可與計算機(jī)等設(shè)備配合，組合各種復(fù)雜的、新型的控制系統(tǒng)。

有氣動組合儀表和電動單元組合儀表（QDZ和DDZ儀表）兩類。

氣動單元組合儀表（QDZ）采用140kPa壓縮空氣為能源，以20～100kPa標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號輸出結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、性能穩(wěn)定、工作可靠、安全防火防爆特別適用于石油、化工等易燃易爆場合電動單元組合儀表（DDZ）采用0-10mA或4-20mA標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號體積小、重量輕、安裝維護(hù)方便、便于計算機(jī)接口部分儀表（如DDZ-Ⅲ型）采取了先進(jìn)的安全防爆措施，能構(gòu)成本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)，同樣能應(yīng)用于易燃易爆場合。

電動執(zhí)行器DKJ系列電動執(zhí)行器是DDZ型電動單元組合儀表中的一個單元。它接受變送，調(diào)節(jié)等單元的信號或操作單元的手控信號，自動操作調(diào)節(jié)任務(wù)。它與DDZ型其它單元配套，廣泛地用于電力、化工、石油、冶金、礦山、輕工業(yè)等行業(yè)。溫度變送器WR、WZ型系列一體化溫度變送器是DDZ-S型電動單元組合儀表中的主要品種之一。按其測溫元件不同可分為熱電偶變送器和熱電阻變送器，通常和顯示儀表、記錄儀表、電子計算機(jī)等配套使用，輸出4-20mA。直接測量各種生產(chǎn)過程中的-200～1800℃范圍內(nèi)液體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體表面溫度。二、過程控制經(jīng)歷了哪幾個發(fā)展階段？3、全盤自動化階段(70年代中期至今)主要特點：（1）全盤自動化或管－控一體化；（2）智能單元組合儀表（如數(shù)字調(diào)節(jié)器、可編程控制器等）、電動單元儀表實現(xiàn)了本質(zhì)安全防爆；（3）定值控制－>最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制；單變量－>多變量；儀表控制－>計算機(jī)分布式控制；（4）現(xiàn)代控制理論的全面應(yīng)用，先進(jìn)控制策略的應(yīng)用等；（5）計算機(jī)集成過程控制系統(tǒng)（DCS、FBS、CIPS）。返回數(shù)字控制儀表積木式結(jié)構(gòu)部分單元采用微電腦技術(shù)，可進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算可編程數(shù)字調(diào)節(jié)器（如KMM儀表）是其中最具代表性的單元儀表，特點有：內(nèi)部結(jié)構(gòu)微機(jī)化；運(yùn)算數(shù)字化；編程方法簡單；自整定、自診斷的功能；通訊功能。集散控制階段直接數(shù)字控制（DDC，DirectDigitalControl）系統(tǒng)的故障危險高度集中，一旦計算機(jī)出現(xiàn)故障，就會造成所有控制回路癱瘓，使生產(chǎn)過程風(fēng)險加大。因此，DDC系統(tǒng)并未得到廣泛應(yīng)用。80年代初，隨著計算機(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)字控制儀表和計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上，開發(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)實行分層結(jié)構(gòu)，將控制故障風(fēng)險分散、管理功能集中。得到廣泛應(yīng)用。(集散控制系統(tǒng)DCS）(集散控制系統(tǒng)DCS）隨著CPU進(jìn)入檢測儀表和執(zhí)行器，自動化儀表徹底實現(xiàn)了數(shù)字化、智能化。控制系統(tǒng)也出現(xiàn)了由智能儀表構(gòu)成的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbusControlSystem)。FCS系統(tǒng)把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能儀表便可實現(xiàn)生產(chǎn)過程的檢測、控制。而用開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的通信網(wǎng)絡(luò)——現(xiàn)場總線，將分散在現(xiàn)場的控制系統(tǒng)的通信連接起來，實現(xiàn)信息集中管理?？偨Y(jié)：過程控制策略與算法發(fā)展伴隨著自動化儀表的發(fā)展，過程控制策略與算法也經(jīng)歷了由簡單到復(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)代自動控制技術(shù)的主要特點：1、功能綜合化，控制與管理一體化已成為趨勢，其應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模越來越大。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，控制精度越來越高，控制手段日益豐富。國內(nèi)外著名儀表生產(chǎn)企業(yè)：西安儀表廠、四川儀表公司、上海儀表公司、Foxboro、Siemens、Yokogawa、Rosemount、Honeywell等公司。西安儀表廠渭河電廠巴基斯坦古杜電廠

核電廠

新疆煉油廠

武鋼

哈爾濱伊蘭煤氣

哈爾濱伊蘭煤氣污水處理廠哈爾濱第三水廠

渭河化肥廠揚(yáng)子石化揚(yáng)子石化揚(yáng)子石化

蘭州石化

蘭州石化自來水廠控制柜控制柜觸摸顯示屏控制柜內(nèi)部控制柜內(nèi)PLC過程控制實驗室控制儀表和控制理論技術(shù)的發(fā)展，也推動了過程控制的發(fā)展。從儀表發(fā)展過程來看，過程控制也經(jīng)歷了如下發(fā)展階段。第一代（PCS）第二代（ACS）第三代（CCS）第四代（DCS）第五代（FCS、NCS）FCS“現(xiàn)場總線”自20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)以來，引起了國內(nèi)外業(yè)界人士的廣泛注意和高度重視，并已成為世界范圍內(nèi)的自動化技術(shù)發(fā)展的熱點之一，有人稱之為“自動化儀表與控制系統(tǒng)的一次變革”?，F(xiàn)場總線的工業(yè)過程智能自動化儀表和現(xiàn)場總線的開放自動化系統(tǒng)構(gòu)成了新一代全開放式自動化控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。為實現(xiàn)企業(yè)“綜合自動化”奠定了現(xiàn)場級的過程自動化基礎(chǔ)。目前國際上公認(rèn)的“現(xiàn)場總線”有12種之多，各有其特點，并在一定范圍內(nèi)得到應(yīng)用。注重如何利用現(xiàn)場總線智能儀表進(jìn)行具體工程應(yīng)用，如何設(shè)計一個基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)，以及基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)等方面是設(shè)計重點。某煙廠制絲線的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

三、過程控制有哪些主要特點？1.連續(xù)生產(chǎn)過程的目的2.過程控制系統(tǒng)由過程檢測、控制儀表組成

3.被控過程多種多樣

例如：鍋爐、熱交換器、電弧爐、熱處理爐、精餾塔、化學(xué)反應(yīng)器、流體輸送設(shè)備

特點：多變量、分布參數(shù)、非線性、大慣性、大延時等4.控制方案十分豐富如：PID、先進(jìn)PID、自適應(yīng)、預(yù)測、推理、模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等；有單變量、多變量、常規(guī)儀表、計算機(jī)、提高控制品質(zhì)、特殊工藝要求等控制。5.控制過程多屬慢過程參量控制6.定值控制是其主要形式工藝參數(shù)主要為：T、P、F、L、W等幾個常用字母代號：F（Flow）：流量L（Level）：物位P（Pressure）：壓力T（Temperature）：溫度W（Weight）：重量減小或消除外界擾動對被控參數(shù)的影響，確保生產(chǎn)穩(wěn)定和產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量。返回四、過程控制系統(tǒng)組成及其分類

過程控制系統(tǒng)組成：被控過程（Process）過程檢測控制儀表（Instrumentation）被控過程是指運(yùn)行中的多種多樣的工藝生產(chǎn)設(shè)備；過程檢測控制儀表包括：測量變送元件（Measurement）控制器（Controller）執(zhí)行機(jī)構(gòu)（ControlElement）過程控制系統(tǒng)框圖

過程控制常用術(shù)語

被控過程（Process)：工藝參數(shù)需要控制的生產(chǎn)過程、設(shè)備或機(jī)器等。被控參數(shù)（ControlledVariable)

：被控過程內(nèi)要求保持設(shè)定數(shù)值的工藝參數(shù)。控制參數(shù)（ManipulatingVariable)

：受控制器操縱的，使被控參數(shù)保持設(shè)定值的物料量或能量。擾動量（Interference)

：作用于被控過程并引起被控參數(shù)變化的因素。過程控制常用術(shù)語設(shè)定值（SetPoint:SP)

：被控參數(shù)的預(yù)定值。當(dāng)前值（PresentValue:PV)：被控參數(shù)的當(dāng)前實際值。偏差（Error)

：被控參數(shù)的設(shè)定值與當(dāng)前實際值之差。2、按被控量多少分為單變量控制系統(tǒng)、多變量控制系統(tǒng)等；1、按被控參數(shù)的名稱分為溫度、壓力、流量、液位、成分等；

過程控制系統(tǒng)的類型3、按控制系統(tǒng)所處理的信號方式來分模擬控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)；

4、按照控制器類型來分，有常規(guī)儀表控制系統(tǒng)與計算機(jī)控制系統(tǒng)等。

5、按控制策略分為PID控制、預(yù)測控制、推理控制、模糊控制、Smith預(yù)估控制、自適應(yīng)控制等；

按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點分類1）反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)）將被控變量輸入到控制器，形成閉環(huán)，具有被控變量負(fù)反饋的控制系統(tǒng)。如：

給定值被控變量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對象+e實測值－反饋控制系統(tǒng)是過程控制最基本的結(jié)構(gòu)形式。2）前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)）控制系統(tǒng)沒有被控變量負(fù)反饋，不將被控變量引入到控制器輸入端。如：測量值被控量干擾f

控制器執(zhí)行器被控對象

開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖3）復(fù)合控制系統(tǒng)

前饋與反饋相結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)。如：給定值被控變量干擾f

控制器1變送器1執(zhí)行器被控對象+e實測值－變送器2控制器2++前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)原理框圖按設(shè)定值的形式分類1）定值控制系統(tǒng)——設(shè)定值恒定不變。2）隨動控制系統(tǒng)——設(shè)定值隨時可能變化。3）程序控制系統(tǒng)——設(shè)定值按預(yù)定的時間程序變化。給定值被控變量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對象+e實測值－六、過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)當(dāng)被控對象受到干擾、被控變量發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)抵制干擾、糾正被控變量的過程，反映了控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。為此，要有評價控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)。控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)是根據(jù)工藝對控制的要求來制定的，概括為穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性。t0y

穩(wěn)態(tài)與動態(tài)

1、穩(wěn)態(tài)—把被控變量不隨時間變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）。當(dāng)自動控制系統(tǒng)的輸入和輸出均恒定不變時，系統(tǒng)就處于一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)也都處于穩(wěn)定狀態(tài)，但生產(chǎn)還在進(jìn)行，物料和能量仍然有進(jìn)有出，只是平穩(wěn)進(jìn)行沒有改變就是了。

靜態(tài)特性—靜態(tài)時系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系。

靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)ty靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)ty2、動態(tài)—把被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動態(tài)。即控制系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過渡過程。當(dāng)干擾破壞了系統(tǒng)的平衡時，被控變量就會發(fā)生變化，而控制器、控制閥等自動化裝置就要產(chǎn)生控制作用來使系統(tǒng)恢復(fù)平衡。動態(tài)特性—在動態(tài)過程中系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出變化關(guān)系?？刂葡到y(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的輸入變化后，系統(tǒng)從原來的平衡狀態(tài)，經(jīng)過動態(tài)過程到達(dá)新的平衡狀態(tài)的動態(tài)歷程稱為系統(tǒng)的過渡過程。系統(tǒng)的過渡響應(yīng)受內(nèi)部和外部兩種因素的影響。給定值被控量干擾f

控制器傳感器執(zhí)行器被控對象

+e實測值－1、內(nèi)部因素：系統(tǒng)特性系統(tǒng)的特性是由系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的特性和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所決定的。

2、外部因素：輸入信號在系統(tǒng)特性一定的情況下，被控變量隨時間的變化規(guī)律取決于系統(tǒng)的輸入信號。生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾信號是隨機(jī)的。但在分析和設(shè)計控制系統(tǒng)時，為了充分體現(xiàn)系統(tǒng)的特性和分析方便，常選擇一些特定的輸入信號，其中常用的是階躍信號和正弦信號。階躍信號的輸入突然，對被控變量的影響也最大。如果一個控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種干擾，那么對其它比較緩和的干擾也能很好地克服。階躍信號的形式簡單，容易實現(xiàn)，便于分析、實驗和計算。故更多使用階躍信號。如圖，輸入信號在t=0時，階躍上升幅度為A，其后保持。表達(dá)為

f(t)=

A(t)Atf（t）在階躍輸入的擾動作用下，定值控制系統(tǒng)過渡過程有四種形式：①單調(diào)衰減過程被控變量在給定值的一側(cè)作單調(diào)變化，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。②振蕩衰減過程被控變量上下波動，但幅度逐漸減少，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。①t0C(t)②0C(t)t③等幅振蕩過程被控變量在給定值附近來回波動，且波動幅度保持不變。

④振蕩發(fā)散過程