过程控制与仪表 第一章过程控制与仪表山东科技大学信息与电气工程学院高宏岩(Process Control and Instrument)第1讲过程控制与仪表 第一章第一章 绪论第一节 过程控制发展概况一、 过程控制概念过程控制（Process control）是指连续生产过程的自动控制。 连续生产过程的特征是：生产过程中的各种流体， 在连续（或间歇）的流动过程中进行着物理化学反应、物质 能量的转换或传递。凡是采用数字或模拟控制方式对连续生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。过程控制与仪表 第一章二、 过程控制应用领域石油、化工、水利、电力、冶金、轻工、纺织、制药、建材、核能、环境工程等许多领域的自动控制系 统，都属于过程控制系统。与运动控制系统相比较，过 程控制和运动控制研究对象不同，过程控制研究石油、 化工、电力等工业过程中的温度、压力、流量、物位、 成分等变量的控制；运动控制研究速度和位置控制，如 数控机床、机器人。 过程控制与仪表 第一章 扬子石化过程控制与仪表 第一章新疆炼油厂 过程控制与仪表 第一章武钢 过程控制与仪表 第一章污水处理厂过程控制与仪表 第一章哈尔滨伊兰煤气 过程控制与仪表 第一章 扬子石化过程控制与仪表 第一章扬子石化 过程控制与仪表 第一章 兰州石化 过程控制与仪表 第一章三、过程控制的发展概况过程控制的发展历程，就是过程控制装置（自动化仪表）与系统的发展历程。1、过程控制装置与系统的发展过程（1）局部自动化阶段 （20世纪 5060年代）q自动化仪表安装在现场生产设备上，只具备简单的测控功能。q适用于小规模、局部过程控制。过程控制与仪表 第一章特点：q自动化仪表划分成各种标准功能单元，按需要可以组合成各种控制系统。q控制仪表集中在控制室，生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，送往控制室。操作人员可以在控制室监控生产流程各处的状况。q适用于生产规模较大的多回路控制系统。（2）模拟单元仪表控制阶段（20世纪6070年代）过程控制与仪表 第一章巴基斯坦贾姆肖罗电厂 过程控制与仪表 第一章计算机的出现，大大简化了控制功能的实现。最初，人们设想用一台计算机取代所有回路的控制仪表，实现直接数字控制（ DDC， Direct Digital Control ） 。但DDC系统的故障危险高度集中，一旦计算机出现故障，就会造成所有控制回路瘫痪，使生产过程风险加大。因此， DDC系统并未得到广泛应用。（3）集散控制阶段（20世纪70年代中期至今）过程控制与仪表 第一章80年代初，随着计算机性能提高、体积缩小，出现了内装CPU的数字控制仪表。基于 “集中管理，分散控制” 的理念，在数字控制仪表和计算机与网络技术基础上，开发了集中、分散相结合的集散 型控制系统（ DCS， Distributed Control System） 。DCS系统实行分层结构，将控制故障风险分散、管理功能集中。目前得到广泛应用。过程控制与仪表 第一章过程控制与仪表 第一章随着CPU进入检测仪表和执行器，自动化仪表彻底实现了数字化、智能化。控制系统也出现了由智能仪表构成的现场总 线控制系统（FCS，Fieldbus Control System)。 FCS系统把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能仪表便可实现生产过程的检测、控制。而用开放的、标准化的通信网络现场总线，将分散在现场的控制系统的通信连接起来， 实现信息集中管理。过程控制与仪表 第一章过程控制与仪表 第一章西安仪表厂过程控制与仪表 第一章过程控制与仪表 第一章过程控制与仪表 第一章巴基斯坦古杜电厂 过程控制与仪表 第一章核电厂 过程控制与仪表 第一章哈尔滨伊兰煤气过程控制与仪表 第一章哈尔滨第三水厂 过程控制与仪表 第一章 兰州石化过程控制与仪表 第一章自来水厂控制柜过程控制与仪表 第一章控制柜触摸显示屏过程控制与仪表 第一章控制柜内部过程控制与仪表 第一章控制柜内PLC过程控制与仪表 第一章过程控制实验室过程控制与仪表 第一章2、过程控制策略与算法发展伴随着自动化仪表的发展，过程控制策略与算法也经历了由简单到复杂的发展历程。以经典控制理论为基础的PID （Proportional Integral Derivative）控制算法，由单回路控制发展了串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制、 Smith预估控制及选择性控制等控制策略。随着现代控制理论和人工智能技术的发展，解耦控制、推断控制、预测控制、模糊控制、自适应 控制等控制策略与算法，也日趋完善。 过程控制与仪表 第一章现代自动控制技术的主要特点：1、功能综合化，控制与管理一体化已成为趋势，其应用领域和规模越来越大。2、技术密集化、系统集成化，是控制技术、通讯技术、计算机技术相结合的产物。3、系统的智能化程度日益提高，控制精度越来越高，控制手段日益丰富。国内外著名仪表生产企业：西安仪表厂、四川仪表 公司、上海仪表公司、Foxboro 、 Siemens 、 Yokogawa 、 Rosemount 、 Honeywell 等公司。结束过程控制与仪表 第一章第二节 过程控制的特点连续生产过程的自动控制：被控量是定值 控制、连续可调。过程控制系统由过程检测、控制仪表组成 ：一个完整的过程控制系统是由被控过程和过程检 测控制仪表组成。过程检测控制仪表包括检测元件 、变送器、调节器、调节阀等。被控过程是多种多样的、非电量的：现代 工业，生产规模不同、工业要求各异，过程动态特 性机理复杂，被控过程多种多样；过程的温度、压 力、流量等物理量是表征工业生产状态的主要参数 。过程控制与仪表 第一章过程控制的特点（续）控制过程多属慢过程，而且多半为参量控制 ：大多数被控过程具有大惯性、大滞后等特性。过程采 用一些物理量或化学量来表征生产过程是否正常。过程控制方案十分丰富：由于过程工艺复杂、 控制要求高，过程控制方案相应丰富。如：单回路控制 系统、串级控制系统、前馈-反馈控制系统、滞后补偿 控制、比值控制系统、分程控制系统、选择性控制系统 、多变量解耦控制、集散控制等。定值控制是过程控制的一种常用形式：过程 控制的主要目的在于消除或减小外界干扰对被控量的影 响。返回本节过程控制与仪表 第一章第三节 过程控制系统的组成及其分类一、过程控制系统组成第2讲过程控制与仪表 第一章人工控制汽包W给水给水调节阀 省煤器水 冷 壁过热器水 位 计蒸汽Dh汽包锅炉给水人工控制示意图 人工/自动过程控制与仪表 第一章自动控制给水 w蒸汽 D测量单元控制单元给定单元执行单元汽包锅炉给水自动控制示意图h人工/自动过程控制与仪表 第一章在讨论控制系统工作原理时，为清楚地表示自动控制系统各组成部分的作用及相互关系，一般用 原理框图来表示控制系统。如图所示锅炉水位控制系统是由水位变送器、控制器、调节阀和被控对象组成。给定值被控量干扰f 控制器测量 变送器调节阀被控对象+e实测值过程控制与仪表 第一章通用形式：给定值被控量干扰f 控制器测量 变送器执行器被控对象+e实测值过程控制与仪表 第一章二、过程控制中的常用术语 1过程（被控对象）被控制的工艺设备或装置。 2. 被调量（被控参数）表征生产过程是否正常运行并需要 加以控制的物理量。 3给定值按生产要求被调量必须维持的希望 值。过程控制与仪表 第一章4执行器可用来改变进入控制对象的物质或能量的 装置。 5操纵变量（控制参数）由执行器(阀门、挡板等)改变的流量(或 能量)，用以控制被调量的变化。 6扰动除控制作用外，引起被调量偏离其给定值 的各种因素称为扰动。过程控制与仪表 第一章 工艺过程：由过热器产生过热蒸汽带动汽轮机作功，工艺要求保 持过热蒸汽温度恒定。通过减温器的温水流量的大小来控制过热蒸 汽的温度过程控制与仪表 第一章工艺过程：控制吹氧量和吹氧时间，控制冶炼钢水的含 氧量，得到不同品种的钢。转炉供氧控制系统过程控制与仪表 第一章过程控制系统的主要任务是：对生产过程中的重要参数（温度、压力、流量、物位、成分、湿度 等）进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化。 过程控制与仪表 第一章过程控制系统有多种分类方法。按所控制的参数来 分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等 ；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统 与数字控制系统；按照控制器类型来分，有常规仪表控 制系统与计算机控制系统等。但在讨论控制原理时，常用的分类方法是按设定值 的形式或系统的结构特点分类。三、过程控制系统的分类过程控制与仪表 第一章1. 按系统的结构特点分类1）反馈控制系统（闭环控制系统）控制系统根据系统被控量的偏差进行工作，偏差是控制的 依据，最后达到消除或减小偏差的目的。反馈控制系统可 以是单回路，也可以是多个闭合回路的多回路控制系统。反馈控制系统是过程控制最基本的结构形式。过程控制与仪表 第一章2）前馈控制系统（开环控制系统）以不变性原理为理论基础，直接根据扰动量的大小进行工 作，扰动是控制依据，及时克服扰动对被控量的影响。它 是一种开环控制，实际中一般不能单独使用。过程控制与仪表 第一章3）复合控制系统 将前馈和反馈控制结构结合起来，充分利用开环前馈和反馈 控制两者的优点，大大提高控制质量过程控制与仪表 第一章2、按给定值信号特点来 分类 定值控制系统：系统被控量的给定值保持在规定值 不变。扰动信号引起被控量变化，在系统控制作用下克服 扰动影响，保持系统被控量恒定 程序控制系统：被控量的给定值按预定时间顺序变 化工作。使系统被控量按工艺要求规定的程序自动变化。 随动控制系统：被控量的给定值随时间任意变化， 系统克服一切扰动，使被控量快速跟随给定值而变化。过程控制与仪表 第一章第四节 课程的性质与任务课程性质：过程控制工程是工业自动化专业的 专业必修课。课程任务：根据生产工艺要求，应用控制论、 现代控制技术，分析、设计、整定过程控制系统理论基础：电子技术基础、控制理论、现代控 制技术技术工具：自动化仪表、微机控制技术课程目标：具有解决分析和设计较复杂的过程 控制系统的能力过程控制与仪表 第一章学习本课程的要求熟悉工艺参数的基本测量方法和测量仪表的工作 原理，能正确使用自动化仪表。理解过程控制系统的工作原理及各环节的作用， 能设计出合理的过程控制方案。掌握基本控制规律及其控制器参数对被控过程的 影响，能对过程控制系统进行调试和维护。过程控制与仪表 第一章目录:第一章 绪论第二章 过程建模和过程检测控制仪表第三章 简单过程控制系统第四章 复杂过程控制系统过程控制与仪表 第一章 主要参考书v施仁， 自动化仪表与过程控制电子工业出版社 ，2003v孙优贤， 工业过程控制技术 化学工业出版社 ，2006v陈夕松 ， 过程控制系统，科学出版社，2003v刘元杨， 自动检测和过程控制冶金工业出版社 ，2003v金以慧，过程控制，清华大学出版社