自动化仪表与过程控制

1、1 自动化仪表自动化仪表 与与 过程控制过程控制 过程控制与自动化仪表 2 l 生产过程自动化，是指石油、化工、电力、冶 金、轻工等工业部门以连续性物流为主要特征的生 产过程的自动控制，主要解决各种生产过程中的温 度、压力、流量、液位（或物位）、以及成分（或 物性）等参数的自动监测和控制问题。 l 用自动化装置来管理连续或间歇生产过程的综 合性技术就称为生产过程自动化，简称为过程控制 （Process Control ）。 过程控制与自动化仪表 3 l过程控制过程控制-泛指石油、化工、电力、冶金、核能泛指石油、化工、电力、冶金、核能 等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产等工业生产中连续

2、的或按一定周期程序进行的生产 过程自动控制，其被控量通常为压力、液位、流量、过程自动控制，其被控量通常为压力、液位、流量、 温度、温度、PH值等过程变量，是自动化技术的重要组成值等过程变量，是自动化技术的重要组成 部分。部分。 l作用作用-在现代工业生产过程自动化中，过程控制在现代工业生产过程自动化中，过程控制 技术可实现各种最优的技术经济指标、提高经济效技术可实现各种最优的技术经济指标、提高经济效 益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护 环境卫生等方面起着越来越大的作用。环境卫生等方面起着越来越大的作用。 过程控制与自动化仪表 4 l自动化仪

3、表自动化仪表- 用于用于生产过程自动化生产过程自动化的仪器或的仪器或 设备，是实现工业企业自动化的必要手段和技术设备，是实现工业企业自动化的必要手段和技术 工具。工具。 l特点特点- 兼容性、统一标准兼容性、统一标准 过程控制与自动化仪表 5 一、生产过程及其特点一、生产过程及其特点 连续生产过程主要有以下几种形式：连续生产过程主要有以下几种形式： 1 传热过程传热过程 通过冷热物流之间的热量传递，达到控制介质温通过冷热物流之间的热量传递，达到控制介质温 度、改变介质相态或回收热量的目的。度、改变介质相态或回收热量的目的。典型设备：换典型设备：换 热器热器 2 燃烧过程燃烧过程 通过燃料与空气

4、混合后燃烧为生产过程提供动力通过燃料与空气混合后燃烧为生产过程提供动力 和热源。和热源。典型设备：加热炉典型设备：加热炉 过程控制与自动化仪表 6 3 化学过程化学过程 由两种或几种物料化合成一种或多种更有价值的由两种或几种物料化合成一种或多种更有价值的 产品的反应过程。产品的反应过程。典型设备：反应器典型设备：反应器 4 精馏过程精馏过程 精馏是一种分离过程。精馏是一种分离过程。典型设备：精馏塔典型设备：精馏塔 5 传质过程传质过程 不同组分的分离和结合，如液体和气体之间的解不同组分的分离和结合，如液体和气体之间的解 吸、汽提、去湿或润湿，不同非溶液体的萃取、液体吸、汽提、去湿或润湿，不同非

5、溶液体的萃取、液体 与固体之间的结晶、蒸气或干燥等都是传质过程。其与固体之间的结晶、蒸气或干燥等都是传质过程。其 目的是获得纯的出口物料。目的是获得纯的出口物料。 一、生产过程及其特点一、生产过程及其特点 过程控制与自动化仪表 7 一、生产过程及其特点一、生产过程及其特点 生产过程特点：生产过程特点：连续生产过程具有连续生产过程具有复杂性、关联性复杂性、关联性、 时变性、非线性、不确定性时变性、非线性、不确定性，在某些高温高压或有害，在某些高温高压或有害 介质存在的场合，还具有相当的介质存在的场合，还具有相当的危险性危险性。 生产过程的这些特点极大地促进了过程控制技术的发生产过程的这些特点极大

6、地促进了过程控制技术的发 展，使得过程控制在自动控制领域乃至国民经济中都展，使得过程控制在自动控制领域乃至国民经济中都 占有极其重要的地位。占有极其重要的地位。 过程控制与自动化仪表 8 l教材 过程控制与自动化仪表.潘永湘等.机械工业出版社. 2008.5 l参考书 1.自动检测技术与装置. 张宏建等. 化学工业出版社. 2004.7 2.自动化仪表与过程控制. 施仁等. 电子工业出版社. 2009.2 3.自动检测技术及仪表控制系统. 张毅等. 化学工业出 版社. 2005.3 4.过程控制及仪表. 邵裕森. 上海交大出版社 过程控制与自动化仪表 9 1.点名作业20% 2.试验成绩10%

7、 3.期末考试70% 过程控制与自动化仪表 10 系统由被控过程和检测控制仪表组成系统由被控过程和检测控制仪表组成 过程控制采用各种检测仪表、控制仪表和计算机等自动化工具，对整个生产过过程控制采用各种检测仪表、控制仪表和计算机等自动化工具，对整个生产过 程进行自动检测、自动监督和自动控制。程进行自动检测、自动监督和自动控制。检测仪表检测仪表把工艺参数转换为电信号或把工艺参数转换为电信号或 气信号，反映生产过程状况；气信号，反映生产过程状况；控制仪表控制仪表接受检测信号对过程进行控制。接受检测信号对过程进行控制。 被控过程的多样性被控过程的多样性 生产规模不同、工艺要求各异、产品品种多样导致过程

8、的结构性、动态特性多生产规模不同、工艺要求各异、产品品种多样导致过程的结构性、动态特性多 样。通常被控过程属于样。通常被控过程属于多变量、大惯性、大时延多变量、大惯性、大时延特征，还有非线性与时变特性。特征，还有非线性与时变特性。 （锅炉、热交换器、精馏塔）（锅炉、热交换器、精馏塔） 控制方案的多样性控制方案的多样性 被控对象复杂导致控制方案多样性。单被控对象复杂导致控制方案多样性。单/ /多变量控制系统、常规仪表控制多变量控制系统、常规仪表控制/ /计算计算 机集散控制系统、提高控制品质的和实现特定要求的控制系统。单回路、串级、机集散控制系统、提高控制品质的和实现特定要求的控制系统。单回路、

9、串级、 前馈、比值、均匀、分程、选择性、大时延、多变量系统，还有先进过程控制前馈、比值、均匀、分程、选择性、大时延、多变量系统，还有先进过程控制 系统系统( (自适应、预测、补偿、智能、非线性控制等自适应、预测、补偿、智能、非线性控制等) )。 过程控制与自动化仪表 11 安全性安全性 针对易燃易爆特点设计；参数越线报警、链锁保护；故障诊针对易燃易爆特点设计；参数越线报警、链锁保护；故障诊 断，容错控制。断，容错控制。 稳定性稳定性 抑制外界干扰，保证正常运行。抑制外界干扰，保证正常运行。 经济性经济性 降低成本提高效率。掌握工艺流程和被控对象静态、动态特降低成本提高效率。掌握工艺流程和被控对

10、象静态、动态特 性，运用控制理论和一定的技术手段（计算机、自动化仪表）设性，运用控制理论和一定的技术手段（计算机、自动化仪表）设 及合理系统。及合理系统。 过程控制与自动化仪表 12 12 二、生产过程对控制的要求二、生产过程对控制的要求 n 生产过程对控制生产过程对控制最主要的要求可以归结为三个方面，最主要的要求可以归结为三个方面， 即：即：安全性、稳定性和经济性安全性、稳定性和经济性。 (1)安全性安全性 是指在整个生产运行过程中，能够及时是指在整个生产运行过程中，能够及时 预测、监控和防止任何事故的发生，以确保生产设预测、监控和防止任何事故的发生，以确保生产设 备和操作人员的安全，这是备

11、和操作人员的安全，这是最重要也是最基本的要最重要也是最基本的要 求。求。 (2) 稳定性稳定性 是指当工业生产环境发生变化或受到随是指当工业生产环境发生变化或受到随 机因素的干扰和影响时，生产过程仍能不间断地平机因素的干扰和影响时，生产过程仍能不间断地平 稳运行，并保持稳定的产品质量。稳运行，并保持稳定的产品质量。 过程控制与自动化仪表 13 13 (3)经济性经济性 是指在保证生产安全和产品质量的前提是指在保证生产安全和产品质量的前提 下，以最小的投资、最少的能耗和最低的成本，使下，以最小的投资、最少的能耗和最低的成本，使 生产装置在高效率运行中获取最大的经济收益。生产装置在高效率运行中获取

12、最大的经济收益。 过程控制的任务过程控制的任务:就是在了解、掌握工艺流程和生产就是在了解、掌握工艺流程和生产 过程的各种特性的基础上，根据工艺生产提出的要过程的各种特性的基础上，根据工艺生产提出的要 求，应用控制理论对控制系统进行分析、设计和综求，应用控制理论对控制系统进行分析、设计和综 合，并采用相应的自动化装置和适宜的控制手段加合，并采用相应的自动化装置和适宜的控制手段加 以实现，最终达到优质、高产、低耗的控制目标。以实现，最终达到优质、高产、低耗的控制目标。 二、生产过程对控制的要求二、生产过程对控制的要求 过程控制与自动化仪表 14 测量变送与执行测量变送与执行 测量变送装置与执行装置

13、实现测量变送装置与执行装置实现 操作安全与环保操作安全与环保 保证生产安全、满足环保要求的设备保证生产安全、满足环保要求的设备 （独立运行）（独立运行） 常规与高级控制常规与高级控制 实现对过程参数的控制，满足控制要求。实现对过程参数的控制，满足控制要求。 实时优化实时优化 实现最优操作工况（时间，成本，设备实现最优操作工况（时间，成本，设备 损耗）而设计的方案损耗）而设计的方案 决策与计划调度决策与计划调度 对整个过程进行合理计划调度和正确决对整个过程进行合理计划调度和正确决 策，使企业利益最大化。策，使企业利益最大化。 过程控制与自动化仪表 15 20世纪世纪40年代前后年代前后(手工阶段

14、手工阶段)：手工操作状态，凭经验：手工操作状态，凭经验 人工控制生产过程，劳动生产率很低。人工控制生产过程，劳动生产率很低。 20世纪世纪50年代前后年代前后(仪表化与局部自动化阶段仪表化与局部自动化阶段)：过程控：过程控 制发展的第一个阶段，实现了仪表化和局部自动化。制发展的第一个阶段，实现了仪表化和局部自动化。 主要特点：检测和控制仪表主要特点：检测和控制仪表-采用基地式仪表和采用基地式仪表和 部分单元组合仪表部分单元组合仪表(多数是气动仪表多数是气动仪表)； 过程控制系统结构过程控制系统结构-单输入、单输出系统；单输入、单输出系统； 被控参数被控参数-温度、压力、流量和液位参数；温度、压

15、力、流量和液位参数； 控制目的控制目的-保持这些参数的稳定，消除或者减少保持这些参数的稳定，消除或者减少 对生产过程的主要扰动；对生产过程的主要扰动； 理论理论-频率法和根轨迹法的经典控制理论，解决频率法和根轨迹法的经典控制理论，解决 单输入单输出的定值控制系统的分析和综合问题。单输入单输出的定值控制系统的分析和综合问题。 过程控制与自动化仪表 16 16 p回顾生产过程自动化的发展历史，大致经历了三回顾生产过程自动化的发展历史，大致经历了三 个发展阶段。个发展阶段。 初级阶段初级阶段 1950年以前，简单的检测年以前，简单的检测 仪表和笨重的基地式仪表仪表和笨重的基地式仪表 过程控制与自动化

16、仪表 17 2020世纪世纪6060年代年代( (综合自动化阶段综合自动化阶段) )： 检测和控制仪表检测和控制仪表-采用单元组合仪表采用单元组合仪表( (气动、电动气动、电动) )和组装仪表，和组装仪表， 实现直接数字控制实现直接数字控制(DDC)(DDC)和设定值控制和设定值控制(SPC)(SPC)； 过程控制系统结构过程控制系统结构-多变量系统，各种复杂控制系统，如串级、多变量系统，各种复杂控制系统，如串级、 比值、均匀控制、前馈、选择性控制系统。比值、均匀控制、前馈、选择性控制系统。 控制目的控制目的-提高控制质量或实现特殊要求。提高控制质量或实现特殊要求。 理论理论-除经典控制理论，

17、现代控制理论开始应用。除经典控制理论，现代控制理论开始应用。 前馈控制前馈控制-按扰动来控制，在扰动可测的情况下，可以提高控制按扰动来控制，在扰动可测的情况下，可以提高控制 质量。质量。 选择性控制选择性控制-在生产过程遇到不正常工况或被控量达到安全极限在生产过程遇到不正常工况或被控量达到安全极限 事，自动实现的保护性控制。事，自动实现的保护性控制。 过程控制与自动化仪表 18 18 仪表化阶段仪表化阶段 50年代至年代至70年代，单元组年代，单元组 合仪表和巡回检测仪表。合仪表和巡回检测仪表。 集中监视集中监视 和操作和操作 过程控制与自动化仪表 19 19 综合自动化阶段综合自动化阶段:

18、70年代以来，多功能组装仪年代以来，多功能组装仪 表、数字仪表、智能仪表。表、数字仪表、智能仪表。70年代中期出现年代中期出现 DCS。90年代以来，管控一体化成为可能。年代以来，管控一体化成为可能。 过程控制与自动化仪表 20 2020世纪世纪7070年代以来年代以来( (全盘自动化阶段全盘自动化阶段) )：发展到现代过程控制的新发展到现代过程控制的新 阶段，这是过程控制发展的第三个阶段。主要特点：阶段，这是过程控制发展的第三个阶段。主要特点： 检测和控制仪表检测和控制仪表-新型仪表、智能化仪表、微型计算机；新型仪表、智能化仪表、微型计算机； 过程控制系统结构过程控制系统结构-由单由单多变量

19、系统，由多变量系统，由PIDPID控制规律控制规律 特特 殊控制规律，由定值控制殊控制规律，由定值控制 最优控制、自适应控制，由仪表控制最优控制、自适应控制，由仪表控制 系统系统 智能化计算机分布式控制系统；智能化计算机分布式控制系统； 理论理论-现代控制理论应用到过程控制领域，如状态空间分析，现代控制理论应用到过程控制领域，如状态空间分析， 系统辨识与状态估计，最优滤波与预报。系统辨识与状态估计，最优滤波与预报。 集中型计算机控制系统集中型计算机控制系统 集散控制系统集散控制系统DCSDCS 全盘自动化阶段全盘自动化阶段 过程控制与自动化仪表 21 集中型计算机控制系统集中型计算机控制系统

20、由于当时的计算机体积庞大，价格非常昂贵，为了使计算机控制能由于当时的计算机体积庞大，价格非常昂贵，为了使计算机控制能 与常规仪表控制相竞争，试图用一台计算机来控制尽可能多的控制回与常规仪表控制相竞争，试图用一台计算机来控制尽可能多的控制回 路。路。 外设外设 过程控制计算机过程控制计算机 AI DI AO DO 被控过程（对象）被控过程（对象） 被控变量被控变量操作变量操作变量 输入子系统输入子系统输出子系统输出子系统 优越性：优越性： 从表面上看从表面上看信息集中，集中型计算机控制可以实现各种信息集中，集中型计算机控制可以实现各种 更复杂控制功能；便于实现优化控制和优化生产。更复杂控制功能；

21、便于实现优化控制和优化生产。 问问 题：题：由于当时计算机总体性能低，容量小，由于当时计算机总体性能低，容量小，容易出现负荷过载容易出现负荷过载，控，控 制集中直接导致制集中直接导致危险集中危险集中，高度集中使系统变得十分，高度集中使系统变得十分“脆弱脆弱”。 过程控制与自动化仪表 22 集散控制系统集散控制系统 DCS 8080年代年代-集散控制系统集散控制系统(DCS) (DCS) 集散控制系统集散控制系统 是集计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术为一 体的装置。系统在结构上是分散的(生产过程是分散系统)，但过 程控制的监视、管理是集中的。 l优点： 将计算机分布到车间或装置。使系

22、统的危险分散，提高系统 的可靠性，方便灵活地实现各种新型的控制规律与算法，实现最 佳管理。 过程控制与自动化仪表 23 集散控制系统的结构组成集散控制系统的结构组成： 过程输入过程输入- -输出接口输出接口：又叫数据采集站，数据采集与预处理， 对实时数据进一步的加工，操作站的显示与打印。 过程控制单元过程控制单元：又称基本控制器，是集散控制系统的核心。 不同的集散控制系统其差别较大。 高速数据通路高速数据通路：实现集散控制系统各处理机之间数据传送。 管理(上位)计算机：进行集中管理与最佳控制，实现信息- 控制-管理一体化。 CRTCRT操作站：操作站：是集散控制系统的人-机接口装置。执行监控操

23、 作、系统组态、编程、动态流程图显示以及部分生产管理。 过程控制与自动化仪表 24 控制层网络控制层网络 管理层网络管理层网络 远程节点远程节点 Web服务器服务器 Internet 现场设备层现场设备层 操作站操作站 工程师站工程师站 DCSDCS的物理层次示意的物理层次示意 过程控制与自动化仪表 25 90年代以来年代以来 现场总线控制系统现场总线控制系统FCS(fieldbus control system) 是计算机网络技术、通信技术、控制技术和现代仪器仪表技术的最 新发展成果。它将具有数字通信能力的现场智能仪表连成网络系统， 并同上一层监控级、管理级联系起来成为全分布式的新型控制网络

24、。 计算机集成过程控制计算机集成过程控制CIPS (computer intergrated process system) 以企业整体优化为目标（市场营销、生产计划调度、原材料选择、 产品分配、成本管理、工艺过程控制与优化），以计算机和网络为 主要技术实现管理与控制一体化。 过程控制与自动化仪表 26 现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCS） 过程控制与自动化仪表 27 是连接智能现场装置和自动化系统的数字式、双向传输、是连接智能现场装置和自动化系统的数字式、双向传输、 多分支结构的通信网络。多分支结构的通信网络。 支持双向、多节点、总线式的支持双向、多节点、总线式的通讯通讯 双向数据通

25、信能力避免了反复进行双向数据通信能力避免了反复进行A/DA/D、D/AD/A的转换的转换 把控制任务下移到现场设备，以实现测量控制一体化把控制任务下移到现场设备，以实现测量控制一体化 全分散全分散 已成为全世界范围自动化技术发展的热点已成为全世界范围自动化技术发展的热点 涉及整个自动化和仪表的工业涉及整个自动化和仪表的工业“革命革命” ” 过程控制与自动化仪表 28 现场总现场总 线式变线式变 送器送器 现场总线现场总线 式式阀门定阀门定 位器位器 安安 全全 防防 爆爆 工业以工业以 太网太网安安 全全 防防 爆爆 总总 线线 非安全防爆总线非安全防爆总线 过程控制与自动化仪表 29 控制室

26、控制室 控制台控制台 流程图流程图 过程控制与自动化仪表 30 仪表盘仪表盘 操作员站操作员站 过程控制与自动化仪表 31 操作员站操作员站 CRT 工业流程图工业流程图 过程控制与自动化仪表 32 32 p作为作为技术人员技术人员，学习和掌握生产过程自动化方面的，学习和掌握生产过程自动化方面的 知识，对于研究和开发新的生产工艺，解决生产操作知识，对于研究和开发新的生产工艺，解决生产操作 中的关键技术问题，合理确定控制方案，保证生产优中的关键技术问题，合理确定控制方案，保证生产优 质、高产、低耗的顺利运行，促进生产企业的现代化质、高产、低耗的顺利运行，促进生产企业的现代化 管理等都具有十分重要

27、的作用。管理等都具有十分重要的作用。 p生产过程自动化是生产过程自动化是自动控制理论自动控制理论、计算机科学计算机科学、 仪器仪表技术仪器仪表技术和和生产工艺知识生产工艺知识相结合而构成的一门相结合而构成的一门 综合性的技术科学。在现代过程工业中，自动化装综合性的技术科学。在现代过程工业中，自动化装 置与生产工艺及设备已结合成为有机的整体。置与生产工艺及设备已结合成为有机的整体。 过程控制与自动化仪表 33 加热炉过程控制系统加热炉过程控制系统 冷 设计步骤：设计步骤： 1.1.确定控制目标确定控制目标 1 1）热油出口温度稳定； 2 2）出口温度与烟道气含氧量稳定； 3 3）温度稳定与热效率

28、最高。 2.2.选择被控参数选择被控参数 直接参数（直接参数（油出口温度、烟道气含 氧量、燃油压力）间接参数（）间接参数（热 效率） 3 3 选择控制量选择控制量 燃料油流量还是冷油流量燃料油流量还是冷油流量出口温出口温 度度 挡板开度还是送风挡板挡板开度还是送风挡板含氧量含氧量 过程控制与自动化仪表 34 4.4.确定控制方案确定控制方案 控制精度和干扰决定控制精度和干扰决定系统的简单与复杂。系统的简单与复杂。 温度、效率、含氧量等多于一个要求温度、效率、含氧量等多于一个要求多输多输 入入/ /多输出。多输出。 如果温度、含氧量定值控制，还要求效率如果温度、含氧量定值控制，还要求效率 最优控

29、制。最优控制。 5.5.选择控制策略选择控制策略 多数采用多数采用PIDPID；复杂过程；复杂过程高级过程控高级过程控 制制 6.6.选择执行器选择执行器 气动与电动，执行期特性与过程特性匹配。气动与电动，执行期特性与过程特性匹配。 7.7.设计报警与联锁保护系统设计报警与联锁保护系统 高、低限值；加热炉停车程序：停燃油泵高、低限值；加热炉停车程序：停燃油泵 关燃油阀关燃油阀停引风机停引风机切断热油阀切断热油阀 8.8.工程化设计工程化设计 设计图样资料和文件资料设计图样资料和文件资料表达设计思想表达设计思想 主管部门审批主管部门审批施工单位。施工单位。 9.9.系统投运、调试和整定参数系统投

30、运、调试和整定参数 冷 过程控制与自动化仪表 35 35 过程控制系统的组成及分类过程控制系统的组成及分类 一、过程控制系统的组成一、过程控制系统的组成 以液体贮槽的液位控制为例说明过程控制系统以液体贮槽的液位控制为例说明过程控制系统 的基本构成。贮槽液位原理图，如图所示。的基本构成。贮槽液位原理图，如图所示。 过程控制与自动化仪表 36 36 人工控制方式：人工控制方式： 眼眼 观察玻璃管液位计（测量元件）指示高度；观察玻璃管液位计（测量元件）指示高度； 大脑大脑 将液位高度与期望高度进行比较，经过思考估将液位高度与期望高度进行比较，经过思考估 算出需要改变的流出量，然后发出动作命令；算出需

31、要改变的流出量，然后发出动作命令； 手手 根据命令改变出口阀门开度，相应地增根据命令改变出口阀门开度，相应地增 减流出量，使液位保持在合理的范围内。减流出量，使液位保持在合理的范围内。 一、过程控制系统的组成一、过程控制系统的组成 过程控制与自动化仪表 37 37 自动控制方式：自动控制方式： 一、过程控制系统的组成一、过程控制系统的组成 过程控制与自动化仪表 38 38 自动控制方式：自动控制方式： 液位变送器液位变送器 检测并变换成统一标准信号送到检测并变换成统一标准信号送到 控制器；控制器； 自动控制器自动控制器 接收变送器信号与液位期望值进行接收变送器信号与液位期望值进行 比较，根据偏

32、差按某种规律运算，运比较，根据偏差按某种规律运算，运 算结果送给执行器（调节阀）；算结果送给执行器（调节阀）； 执行器执行器 将控制器指令信号转换成相应的位将控制器指令信号转换成相应的位 移信号，驱动阀门动作，改变液体移信号，驱动阀门动作，改变液体 流出量，实现液位的自动控制。流出量，实现液位的自动控制。 一、过程控制系统的组成一、过程控制系统的组成 过程控制与自动化仪表 39 39 p 由液体贮槽的液位控制可知，过程控制系统是由由液体贮槽的液位控制可知，过程控制系统是由被被 控对象，测量与变送装置控对象，测量与变送装置、控制器控制器、执行器执行器组成。组成。 p 如果如果把测量与变送装置、控

33、制器、以及执行器统把测量与变送装置、控制器、以及执行器统 称为自动化装置称为自动化装置，则过程控制系统是由，则过程控制系统是由被控对象和自被控对象和自 动化装置动化装置两部分组成的。两部分组成的。 p 过程控制系统的任务：过程控制系统的任务：就是当被控对象受到干扰就是当被控对象受到干扰 使被控变量（温度、压力、流量、液位、成分等）产使被控变量（温度、压力、流量、液位、成分等）产 生偏差时，能够及时检测，并通过合理地调节操纵变生偏差时，能够及时检测，并通过合理地调节操纵变 量使被控变量回到给定值。量使被控变量回到给定值。 一、过程控制系统的组成一、过程控制系统的组成 过程控制与自动化仪表 40

34、40 自控常用术语：自控常用术语： (1)被控对象被控对象： 需要实现控制的设备、机器或生产过需要实现控制的设备、机器或生产过 程称为被控对象，简称对象。程称为被控对象，简称对象。 如本例中的液体贮槽。如本例中的液体贮槽。 (2)被控变量被控变量： 对象中需要进行控制（保持数值在某对象中需要进行控制（保持数值在某 一范围内或按预定规律变化）的物理量称为被控变量。一范围内或按预定规律变化）的物理量称为被控变量。 如本例中的贮槽液位。如本例中的贮槽液位。 (3)操纵变量操纵变量： 受到控制装置的操纵，用以使被控变受到控制装置的操纵，用以使被控变 量保持在设定数值的物料或能量变量称为操纵变量。量保持

35、在设定数值的物料或能量变量称为操纵变量。 如本例中的液体流出量。如本例中的液体流出量。 一、过程控制系统的组成一、过程控制系统的组成 过程控制与自动化仪表 41 41 (4)干扰（扰动）干扰（扰动）： 除操纵变量外，作用于对象并使除操纵变量外，作用于对象并使 被控变量发生变化的因素称为干扰（扰动）。被控变量发生变化的因素称为干扰（扰动）。 如本例中的液体流入量。如本例中的液体流入量。 (5)设定值设定值：按照生产工艺的要求为被控变量规定的：按照生产工艺的要求为被控变量规定的 所要达到或保持的数值称为给定值（设定值）。所要达到或保持的数值称为给定值（设定值）。 如例中，为了防止槽内液体溢出或抽空

36、，规定如例中，为了防止槽内液体溢出或抽空，规定 贮槽液位保持在贮槽贮槽液位保持在贮槽50的高度比较合理。的高度比较合理。 (6)偏差偏差：在过程控制系统中通常把：在过程控制系统中通常把测量值减给定值测量值减给定值 称为偏差。称为偏差。 一、过程控制系统的组成一、过程控制系统的组成 过程控制与自动化仪表 42 42 一、过程控制系统的组成一、过程控制系统的组成 l指出图中被控对象，被控变量，操纵变量， 干扰，设定值，偏差分别是什么？ 过程控制与自动化仪表 43 43 一、过程控制系统的组成一、过程控制系统的组成 l反应器反应温度控制系统示意图，由哪几部分构成？请 指出被控对象，被控变量，操纵变量

37、，干扰各是什么？ 过程控制与自动化仪表 44 (一） （1）被控参数（亦称系统输出）y(t)： 被控过程内要求保持稳定的工艺参数； （2）控制参数（亦称操作变量控制介质） q(t)：使被控参数保持期望值的物料 量或能量； （3）干扰量f(t)：除被控参数外，作用 于被控过程并引起被控参数变化的各 种因数； （4）设定值r(t)：与被控参数相对应的 设定值； （5）反馈值z(t)：被控参数经测量变送 后的实际测量值； （6）偏差e(t)：设定值与反馈值之差； （7）控制作用u(t)：控制器的输出值。 过程控制与自动化仪表 45 45 过程控制系统的分类方法有很多，每一种分类只反映出过程控制系统的

38、分类方法有很多，每一种分类只反映出 过程控制系统某一方面的特点。过程控制系统某一方面的特点。 p按被控变量的名称分类按被控变量的名称分类 温度控制系统，压力控制系统，流量控制系统等温度控制系统，压力控制系统，流量控制系统等 p按被控变量的数量分类按被控变量的数量分类 单变量单变量控制系统控制系统，多变量，多变量控制系统控制系统 p按控制系统的结构分类按控制系统的结构分类 开环控制系统，闭环控制系统开环控制系统，闭环控制系统 p按控制系统完成的功能分类按控制系统完成的功能分类 反馈控制系统，串级控制系统，比值控制系统等反馈控制系统，串级控制系统，比值控制系统等 二、过程控制系统的分类二、过程控制

39、系统的分类 过程控制与自动化仪表 46 1.1.分类方法分类方法（被控量名称、多少、特定工艺、（被控量名称、多少、特定工艺、 工具）；工具）； 2.2.安结构分类：安结构分类： 1）反馈控制；反馈控制； 2）前馈控制；前馈控制； 3）复合控制。复合控制。 3.3.安设定值分类：安设定值分类： 1）定值控制；定值控制； 2）伺服控制；伺服控制； 3）顺序控制。顺序控制。 过程控制与自动化仪表 47 47 按照被控变量的给定值分类，可分成以下三类： 1定值控制系统 定值控制系统是一种被控变量的给定值始终固 定不变的控制系统。如：液位控制系统。 二、过程控制系统的分类二、过程控制系统的分类 过程控制

40、与自动化仪表 48 48 2随动控制系统 随动控制系统是一种被控变量的给定值随时间 不断变化的控制系统。 例如：锅炉的燃烧控制系统 为使燃料充分燃烧，空燃比保持一定比例，采用比 值控制系统，要求空气和燃料保持一定比例。 由于燃料量随负荷变化，空气量随燃料量变化，即 空气量的给定值也是随机变化的，所以是一个随 动控制系统。 二、过程控制系统的分类二、过程控制系统的分类 过程控制与自动化仪表 49 49 3程序控制系统（又称顺序控制系统） 程序控制系统是被控变量的给定值按预定 的时间程序来变化的控制系统。 例如：冶金工业中的金属热处理的温度控制 金属加热给定值都是按照预定的升温、恒温、 降温等程序

41、变化的，属于程序控制系统。 二、过程控制系统的分类二、过程控制系统的分类 过程控制与自动化仪表 50 50 一、方块图一、方块图 方块图是从信号流（信息）的角度出发，依据信方块图是从信号流（信息）的角度出发，依据信 号的流向将组成控制系统的各个环节相互连接起来的号的流向将组成控制系统的各个环节相互连接起来的 一种图解表达方式。一种图解表达方式。 由于在方块图中不仅明确表明了每个环节在系统由于在方块图中不仅明确表明了每个环节在系统 中的作用，而且能够清楚地看出自动控制系统中各组中的作用，而且能够清楚地看出自动控制系统中各组 成环节之间的相互关系以及信号在系统中的流动情况。成环节之间的相互关系以及

42、信号在系统中的流动情况。 对过程控制系统进行分析研究时，经常用方块图来表对过程控制系统进行分析研究时，经常用方块图来表 示一个过程控制系统的组成。示一个过程控制系统的组成。 方块图与流程图方块图与流程图 过程控制与自动化仪表 51 51 p图中的方块表示控制系统的一个组成部分，称图中的方块表示控制系统的一个组成部分，称 为为“环节环节”。箭头指向方块的信号。箭头指向方块的信号x 表示该环节的输表示该环节的输 入，称为入，称为输入变量输入变量。箭头离开方块的信号。箭头离开方块的信号y 表示该环表示该环 节的输出，称为节的输出，称为输出变量输出变量。箭头所指的方向箭头所指的方向就是信就是信 号的流

43、向，它表明信号的作用方向。号的流向，它表明信号的作用方向。 p许多物理性质不同，但特性相同的系统，可以许多物理性质不同，但特性相同的系统，可以 用同一种形式的方块图来表达。用同一种形式的方块图来表达。 环节环节 图图1-2 方块图单元方块图单元 xy p 图图1-2 表示的是一个简单的方块图单元。表示的是一个简单的方块图单元。 方块图与流程图方块图与流程图 过程控制与自动化仪表 52 52 相加点：相加点： 如图如图1-3 所示，表示两个以上具有相同单位的变所示，表示两个以上具有相同单位的变 量量(信号）之间的加和运算。信号）之间的加和运算。 方块图与流程图方块图与流程图 （a）表示表示 e=

44、r-z; （b）表示表示 x=x1+x2。 过程控制与自动化仪表 53 53 分支点：分支点： 如图如图1-4所示，当一个变量（或信号）要同所示，当一个变量（或信号）要同 时作用于几个不同的环节时，可使用分支点。时作用于几个不同的环节时，可使用分支点。 由分支点引出的各路信号都相等。由分支点引出的各路信号都相等。 方块图与流程图方块图与流程图 过程控制与自动化仪表 54 54 p有了方块图，就可以根据变量间的相互作用，按有了方块图，就可以根据变量间的相互作用，按 照信号的流向方便地将系统中各个环节连接起来，照信号的流向方便地将系统中各个环节连接起来， 构成一个完整的过程控制系统。构成一个完整的

45、过程控制系统。 p图图1-1 液位控制系统，画控制系统的方块图。液位控制系统，画控制系统的方块图。 方块图与流程图方块图与流程图 过程控制与自动化仪表 55 55 例：例： 过程控制与自动化仪表 56 56 为了便于分析，有时将控制器以外的各个环节为了便于分析，有时将控制器以外的各个环节 （包括执行器、被控对象、测量变送）组合在一起作（包括执行器、被控对象、测量变送）组合在一起作 为一个对象看待，称之为广义对象。为一个对象看待，称之为广义对象。 方块图与流程图方块图与流程图 过程控制与自动化仪表 57 57 例：炉温控制系统画方块图 方块图与流程图方块图与流程图 过程控制与自动化仪表 58 5

46、8 炉温控制系统方块图炉温控制系统方块图 炉温控制系统方块图炉温控制系统方块图 执行器执行器 过程控制与自动化仪表 59 59 l炉温控制系统方块图特点炉温控制系统方块图特点 方块图与流程图方块图与流程图 过程控制与自动化仪表 60 60 l画出如下反应器反应温度控制系统的方块图。 方块图与流程图方块图与流程图 过程控制与自动化仪表 61 61 闭环控制系统闭环控制系统：环节的任何一个信号，只要沿箭头方：环节的任何一个信号，只要沿箭头方 向流动，最终总会回到它的起始点，把这样的系统称向流动，最终总会回到它的起始点，把这样的系统称 为闭环控制系统。为闭环控制系统。 不具备这种特性的系统则称为开环

47、控制系统。不具备这种特性的系统则称为开环控制系统。 方块图与流程图方块图与流程图 过程控制与自动化仪表 62 62 反馈： 闭环控制系统中，输出变量（或信号）沿着回路中的 信号流动方向总会返回到系统的输入端，与给定值进 行比较。这种把系统（或方块）的输出信号引回到系 统输入端的做法叫做反馈。 若反馈信号（被控变量测量值z）与给定值信号的方 向相反，即反馈信号z 取负值，则叫做负反馈。 测量信号与给定值信号方向相同，则叫做正反馈。 l闭环控制系统是靠负反馈来达到控制的目的。 例：储槽液位控制系统；炉温控制系统 方块图与流程图方块图与流程图 过程控制与自动化仪表 63 63 方块图与流程图方块图与

48、流程图 负反馈：负反馈：储槽液位控制系统储槽液位控制系统 过程控制与自动化仪表 64 64 炉温控制系统方块图炉温控制系统方块图 温度设定值温度设定值100度度 热电偶检测值热电偶检测值95度度 阀开度增大阀开度增大 过程控制与自动化仪表 65 65 l闭环控制系统实质上是利用负反馈原理，根 据偏差进行工作的。 l正因为如此，闭环控制系统又被称为反馈控 制系统。 方块图与流程图方块图与流程图 过程控制与自动化仪表 66 66 二、工艺控制流程图二、工艺控制流程图 在进行过程控制系统的工程设计时，自控专业人在进行过程控制系统的工程设计时，自控专业人 员必须与工艺专业人员协作，按工艺流程的顺序和要

49、员必须与工艺专业人员协作，按工艺流程的顺序和要 求，将所确定的控制方案标注到求，将所确定的控制方案标注到工艺流程图工艺流程图中。中。 将控制点和控制系统与工艺流程图相结合的图形将控制点和控制系统与工艺流程图相结合的图形 文档就称为文档就称为工艺控制流程图工艺控制流程图，或称为，或称为带有控制点的工带有控制点的工 艺流程图艺流程图。 方块图与流程图方块图与流程图 过程控制与自动化仪表 67 67 图图1-7 液体贮槽的工艺控制流程图液体贮槽的工艺控制流程图 图中所示，工艺控制流程图主要是由工艺设备、图中所示，工艺控制流程图主要是由工艺设备、 管道、元件以及构成控制系统的仪表符号及信号线等管道、元

50、件以及构成控制系统的仪表符号及信号线等 图形符号组成。图形符号组成。 方块图与流程图方块图与流程图 过程控制与自动化仪表 68 68 仪表图形符号： 仪表图形符号可用来表达工业自动化仪表所处 理的被测变量和功能，还可以表示仪表或元件的 名称。 仪表图形符号是直径为12mm的细实圆圈，并 在其中标有仪表位号。 方块图与流程图方块图与流程图 仪表位号仪表位号由字母代号和数字编号组成由字母代号和数字编号组成，如下例所示： 过程控制与自动化仪表 69 69 p仪表位号按被测变量不同进行分类。同一个装置仪表位号按被测变量不同进行分类。同一个装置 （或工段）的同类被测变量的仪表位号中顺序号是连（或工段）的

51、同类被测变量的仪表位号中顺序号是连 续的。续的。 p在工艺控制流程图上，标注仪表位号的方法是：字在工艺控制流程图上，标注仪表位号的方法是：字 母代号填写在圆圈上半圆中，数字编号填写在下半圆母代号填写在圆圈上半圆中，数字编号填写在下半圆 中。中。如图如图1-8 所示所示 ： 方块图与流程图方块图与流程图 过程控制与自动化仪表 70 70 表表1-1 列出了在仪表位号中用到的被测变量和列出了在仪表位号中用到的被测变量和 仪表功能的字母代号。仪表功能的字母代号。 表表1-2 则给出了常见的字母组合。则给出了常见的字母组合。 方块图与流程图方块图与流程图 过程控制与自动化仪表 71 71 方块图与流程

52、图方块图与流程图 过程控制与自动化仪表 72 72 方块图与流程图方块图与流程图 过程控制与自动化仪表 73 73 过程控制与自动化仪表 74 74 图1-7中采用了一台液位变送器（LT ) ，一台液位 控制器（LC ）和一个用于控制液位的执行器 （LV ）。 l教材中所画的工艺控制流程图中，由于回路数较少， 故将数字编号省略了。 方块图与流程图方块图与流程图 过程控制与自动化仪表 75 75 一、过渡过程一、过渡过程 过程控制系统在运行中有两种状态。过程控制系统在运行中有两种状态。 静态：静态：系统的被控变量不随时间而变化的平衡状态，系统的被控变量不随时间而变化的平衡状态， 称为静态（或稳态

53、）；称为静态（或稳态）； 动态：动态：系统的被控变量随时间而变化的不平衡状态，系统的被控变量随时间而变化的不平衡状态， 称为动态。称为动态。 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标 过渡过程：过渡过程： 生产过程从一个平衡状态（稳态）到达另一个平生产过程从一个平衡状态（稳态）到达另一个平 衡状态（稳态）的动态历程称为过渡过程，衡状态（稳态）的动态历程称为过渡过程，它反它反 映了被控变量随时间的变换规律。映了被控变量随时间的变换规律。 过程控制与自动化仪表 76 76 p为了便于了解控制系统的动态特性，通常是在系统为了便于了解控制系统的动态特性，通常是在系统 的输入端施加一些特殊的试验输入信号，然

54、后研究的输入端施加一些特殊的试验输入信号，然后研究 系统对该输入信号的响应。最常采用的试验信号是系统对该输入信号的响应。最常采用的试验信号是 阶跃输入信号阶跃输入信号，其作用方式如图，其作用方式如图1-9 1-9 所示。所示。 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标 过程控制与自动化仪表 77 77 过渡过程几种典型形式：过渡过程几种典型形式： 非衰减振荡过程非衰减振荡过程： 图图1-10(1-10(a)a)所示所示，其特点是被控变量在给定值的，其特点是被控变量在给定值的 某一侧作缓慢变化，没有来回波动，最后稳定在某一某一侧作缓慢变化，没有来回波动，最后稳定在某一 数值上。数值上。 衰减振荡过程

55、衰减振荡过程： 图图1-101-10（b b）所示所示，其特点是被控变量在给定值，其特点是被控变量在给定值 附近上下波动，但幅度逐渐减小，经过几个振荡周期附近上下波动，但幅度逐渐减小，经过几个振荡周期 后，逐渐收敛在某一数值上。后，逐渐收敛在某一数值上。 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标 过程控制与自动化仪表 78 78 等幅振荡过程：等幅振荡过程： 图图1-101-10（c c）所示，其特点是被控变量在给定值附近来回波所示，其特点是被控变量在给定值附近来回波 动，且波动幅度保持不变。动，且波动幅度保持不变。 发散振荡过程：发散振荡过程： 图图1-10(1-10(d d）所示，其特点是当干

56、扰进人系统后，使被控变量所示，其特点是当干扰进人系统后，使被控变量 开始产生振荡，控制作用不仅无法将被控变量稳定到给定值上，开始产生振荡，控制作用不仅无法将被控变量稳定到给定值上， 反而使振荡的幅度越来越大。反而使振荡的幅度越来越大。 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标 过程控制与自动化仪表 79 79 二、性能指标二、性能指标 以以衰减振荡过程衰减振荡过程的形式讨论的形式讨论： 假设性能指标的出发点是以控制系统原先所处的假设性能指标的出发点是以控制系统原先所处的 平衡状态时刻的被控变量平衡状态时刻的被控变量y(0)y(0)作为基准值，且被控变作为基准值，且被控变 量等于给定值。量等于给定值

57、。 从从t=O t=O 的时刻开始，系统受到阶跃输入作用，于的时刻开始，系统受到阶跃输入作用，于 是被控变量开始变化。经过一段时间的衰减振荡后，是被控变量开始变化。经过一段时间的衰减振荡后， 最终达到新的平衡状态，使被控变量稳定在最终达到新的平衡状态，使被控变量稳定在y()y()。 在在干扰干扰或或给定值给定值作作阶跃变化时，被控变量的响应阶跃变化时，被控变量的响应 曲线分别如图曲线分别如图1-11(1-11(a)a)和图和图1-11(1-11(b b）所示。所示。 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标 过程控制与自动化仪表 80 80 过程控制与自动化仪表 81 81 控制系统的主要性能指标

58、：控制系统的主要性能指标： 1 1、最大偏差最大偏差e emax max（ （或或超调量超调量） 最大偏差（或超调量）最大偏差（或超调量）是描述被控变量偏离给是描述被控变量偏离给 定值程度的物理量。定值程度的物理量。 干扰作用下干扰作用下的定值控制系统，的定值控制系统，最大偏差最大偏差是指在是指在 过渡过程中，被控变量的第一个波峰值与给定值的过渡过程中，被控变量的第一个波峰值与给定值的 差。差。干扰作用下系统过渡过程如干扰作用下系统过渡过程如图图1-11 (a)所示。所示。 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标 过程控制与自动化仪表 82 82 emax =B+C 最大偏差最大偏差: 过渡过程

59、和性能指标过渡过程和性能指标 过程控制与自动化仪表 83 83 p给定值变化的随动系统，通常采用超调量这 一性能指标来表示被控变量偏离给定值的程 度。 l超调量的定义为 ()( ) 100% ( )(0) p yy yy t （-） tp- 波峰时间波峰时间 给定值变化给定值变化的过渡过程曲线如下图所示：的过渡过程曲线如下图所示： 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标 过程控制与自动化仪表 84 84 在图1-11(b)中，超调量 100% B C 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标 过程控制与自动化仪表 85 85 2 2余差余差e()e() 余差又称残余偏差，是指在过渡过程终了时，系余差

60、又称残余偏差，是指在过渡过程终了时，系 统的给定值与被控变量新稳态值之间的差值。统的给定值与被控变量新稳态值之间的差值。 余差是衡量控制系统稳态准确性的重要指标。余差是衡量控制系统稳态准确性的重要指标。 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标 过程控制与自动化仪表 86 86 在图在图1-11(a)中，余差中，余差e()= C ； 在图在图1-11(b)中，余差中，余差e()=r-y(）。）。 过程控制与自动化仪表 87 87 3衰减比n 衰减比是衡量控制系统稳定性的一个动态指标， 它反映了一个振荡过程的衰减程度，它等于两个 相邻的同向波峰值之比。 （注意：以y（）为横坐标） l 习惯上表示为n