过程控制：第一讲 绪论

1、过程控制Process Control1 过程控制系统的组成及其特点2 过程控制系统的发展概述3 过程控制的任务和要求4 本课程的地位和学习方法教学参考资料考勤与成绩评定第一讲 绪论主要讲解内容1 过程控制系统的组成及其特点 1.1 过程控制的定义 凡是采用数字或模拟控制方式对工业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。 通常把原材料转变成产品并且具有一定生产规模的过程叫做工业生产过程。分为连续生产过程（如化工、石油、冶金、发电、造纸、生物化工、轻工、水处理和制药等）和离散制造过程（如机械加工、汽车制造等）。 连续生产过程中的被控参数主要有温度（T)、压力（P)、流量（F）、

2、液位（物流)(L)、成分和物性等。 例1.1：人工与自动控制的执行过程比较人工调节自动调节关于自动控制应用领域过程控制：石油、化工、冶金、发电等过程中，如T,P,Q,L,密度,成分等的控制运动控制(伺服控制)：位置、速度。如卫星姿态、导弹、火炮、数控机床和电机等自动控制1.2 过程控制系统的组成 过程控制系统是利用过程检测装置、变送器、控制仪表和执行器等对整个生产过程进行检测与控制，以达到所需控制目标。 过程控制的实质就是利用上述自动化工具，应用自动控制理论，设计工业生产过程控制系统，从而实现工业生产过程自动化。 生产过程的复杂性决定了过程控制的最终目标完成需要综合各种因素，进行系统分析和设计

3、。 注：首字母：Temperature; Pressure; Level; Flow 次字母：T: Transducer; Controller调节阀例1.2：简单控制系统示例（1）基本问题（2）手动控制（3）自动控制区别!过程控制系统的一般性组成框图例1.3：液位控制问题实例分析 从例1.3的液位控制过程可以看出，过程控制系统一般由控制器、执行器、被控过程和测量变送等环节组成。 当前的反馈值给定值偏差控制作用控制参数被控参数扰动量 被控对象的涉及范围广，不局限为一个具体的设备，往往指一个过程。有些过程涉及到多个设备，而某些设备内部包含几个过程。过程仪表例1.4：热交换温度控制系统实例分析热交

4、换温度控制系统示意图热交换温度控制系统方框图1.3 过程控制系统的特点一般过程控制系统方块图过程控制系统的特点（1）被控对象的多样性。主要体现在涉及领域广、被控变量多，生产工艺不同，执行机构多种多样。（2）对象特性的难辨性。具体体现为机理建模困难。（3）对象的滞后和耦合。例如在化工和热工等过程控制中，被控量具有较大的惯性，还存在被控量和控制量之间的交互影响。（4）特性往往具有非线性，例如间歇式加温过程、齿轮运动等。过程控制系统的特点（5）控制方案的多样性。被控过程多半属于多变量、非线性分布参数和时变参数，出现了单回路控制、串级控制、前馈-反馈控制、比值控制、均匀控制，选择性控制和智能控制、数字

5、和计算机过程控制系统等。（6）定值控制是主要控制形式。（7）系统多属于慢变化过程。（8）容错性。对于复杂的控制系统来说，能进行有效的全局控制，具有较强的容错能力。2 过程控制系统的发展概述2.1过程控制的发展 第一阶段 20世纪40年代 手工操作状态，只有少量的检测仪表用于生产过程。20世纪40年代末50年代：基地式仪表为主过程控制系统：多为单输入、单输出简单控 制系统自动化仪表：采用的是基地式仪表和部分单元组合仪表（气动型和电动型）。核心器件：电子管控制理论：以反馈为中心的经典控制理论第二阶段 20世纪60年代：仪表化局部自动化过程控制系统：串级、比值、均匀、前馈和选择性 等多种复杂控制系统

6、。自动化仪表：单元组合仪表（气动型和电动型）成为主流产品。60年代后期，出现了专门用于过程控制的小型计算机，直接数字控制系统和监督计算机控制系统开始应用于过程控制领域。核心器件： 晶体管控制理论：出现了以状态空间方法为基础，以极小值原理和动态规划等最优控制理论为基本特征的现代控制理论，传统的单输入单输出系统发展到多输入多输出系统领域。第三阶段 20世纪7080年代：计算机、DCS控制过程控制系统：最优控制、非线性分布式参数控制、解耦控制、模糊控制自动化仪表：气动型和电动型，以微处理器为主要构成单元的智能控制装置。集散控制系统（DCS）、可编程逻辑控制器 (PLC) 、工业PC机、和数字控制器等

7、，已成为控制装置的主流。核心器件： 线性集成电路、微处理器控制理论：形成了大系统理论和智能控制理论。模糊控制、专家系统控制、模式识别技术第四阶段 20世纪90年代至今：现场总线、计算机集成过程系统 过程控制系统：管控一体化现场，综合自动化是当今生产过程控制的发展方向。自动化仪表：总线控制系统的出现，。现场仪表的数字化和智引起过程控制系统体系结构和功能结构上的重大变革能化，形成了真正意义上的全数字过程控制系统。出现各种智能仪表、变送器、无纸纪录仪核心器件：高性能微处理器控制理论：人工智能、神经网络控制发展趋势 综合自动化是主要潮流！综合自动化控制系统：以生产过程的整体优化为目标；以计算机为主要技

8、术工具；以生产过程的管理和控制的自动化为主要内容；是由生产计划和调度、操作优化、先进控制和基层控制等内容组成的递阶控制系统；或称“计算机集成过程控制系统”(CIMS)自动化控制装置采用全数字的、智能的、具有双向通信功能的现场总线智能仪表。我国过程控制技术的发展50年代末期，主要采用机械式和气动仪表； 60年代广泛采用型电动单元组合仪表；70年代中期，型电动单元组合仪表成为过程检测和控制的主流产品；80年代初，开始采用型电动单元组合仪表 ，相继引进了分布式控制系统（DCS）、可编程序控制器（PLC）和工业PC机（IPC）等。目前，控制系统以DCS和PLC-SCADA系统为主。过程控制理论的发展

9、（1）从上世纪40年代至60年代，经典控制理论为生产过程控制系统的设计提供了强有力的理论支撑。 （2）60年代后，现代控制理论在生产过程控制中得到了越来越多的应用。 （3）数学上比较完美的现代控制理论，在过程控制的实际应用中却存在较大的问题，因为它严格依赖于被控对象的数学模型。 （4）在工业过程控制系统中，90以上还是采用PID控制算法！ 所谓的“先进过程控制策略”并不能解决过程控制中的诸多问题。未来过程控制理论的发展趋势控制策略与方法改进或复合PID控制算法传统的PID控制算法应用广泛(高达90%)，控制效果良好；采用改进的PID算法或者将PID算法与其他算法进行有机结合，可以进一步提高控制

10、质量预测控制自适应控制智能控制软测量技术对于目前尚难以或暂时无法通过传感器进行检测的变量，需要开发新的传感器进行检测通过一些容易测量的二次工艺变量,再通过一定的方法推断出要检侧的工艺变量数值，这种方法就称之为软测量技术，或称之为软仪表过程优化策略和算法研究计算机集成过程系统(CIPS)未来过程控制理论的发展趋势2.2 过程控制系统的分类一般的分类方法（1）按控制工艺参数 温度控制、压力控制、流量控制系统等。（2）按控制系统的任务 根据生产任务，分为比值控制、均匀控制、串级控制和前馈控制等（3）按自动化装置的不同分类 常规仪表控制系统、计算机控制系统（4）按控制策略分类 简单控制、复杂控制和先进

11、控制 （1）定值控制系统。如恒压、恒速、恒温控制系统等。（2）随动控制系统。如雷达天线自动跟踪系统、高炮自动瞄准系统。（3）程序控制系统。如退火炉温度控制系统、间歇生产过程的化学反应器控制、电饭煲和洗衣机等。2.2 过程控制系统的分类按设定值分类（1）反馈控制系统。-闭环控制 可能存在多回路反馈！（2）前馈控制系统。利用输入或者扰动信号的直接控制作用构成开环控制系统。-补偿原理 具有严重的可测、可控的扰动信号！2.2 过程控制系统的分类按系统的结构特点分类2.2 过程控制系统的分类按系统的结构特点分类（3）复合控制系统。-前馈+反馈 综合前馈和反馈控制的优点！3 过程控制的任务和要求3.1 过

12、程控制的要求 过程控制主要是对决定生产过程是否正常运行进行控制，以保证整个生产过程的正常运行。工业生产对过程控制的要求是多方面的，比如生产过程中原料和能源消耗最小，即成本低效率高，以及工业生产过程中得某一量以最短时间达到设定值等。最终可以归纳为三项基本要求。过程控制的三个方面要求：（1）安全性 整个生产过程中，人身安全和设备安全是最重要和最基本的要求。通常采用越限报警、事故报警和连锁保护等措施来保证安全性。（2）稳定性 系统具有抑制外部干扰，保持生产过程长期稳定运行。（3）经济性 低成本高效益的同时，还要考虑生产局部或者整体的最优化问题。3.2 过程控制的任务 过程控制的任务就是在了解、掌握工

13、艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上，根据三个基本要求，应用控制理论、最优控制、系统论等知识对系统进行分析和综合，提出合理的控制方案，最后采用适宜的技术手段加以实现。设计依据：生产过程的工艺流程控制的依据:生产过程的静态和动态特性3.3 过程控制系统的设计过程 首先要花费大量的时间和精力了解该工业生产过程的基本原理、操作过程和过程特性。-掌握生产过程特性 其次要有技术手段对整个工业生产过程中的物料流（气体、液体、固体）、能源流（电、蒸汽、煤气）和生产过程中的有关状态（如温度、压力、流量、液位、成分等）进行准确的测量和计量。-确定控制参数 最后根据生产过程工艺知识和控制理论的知识确定相应的技

14、术手段来实现。-控制方案（策略）的设计3.3 过程控制系统的设计过程 完整的过程控制系统是设计应该包括系统的方案设计、工程设计、工程安装与仪表调校以及控制参数的整定等主要内容。 设计的核心内容控制方案的设计控制器参数整定例1.5：加热炉控制系统的设计过程实例确定控制目标选择测量 参数(被调量)操作量的选择确定控制方案选择控制算法选择执行器设计保护系统，如报警和联锁保护系统调试与投运4 本课程的地位和学习方法4.1 本课程的地位“过程控制”是自动控制专业的一门综合性、实践性很强的专业课;通过本课程的学习， 应该能够根据工业过程被控对象特点，正确选用传感器，执行器，过程控制通道，正确选择控制方案，

15、设计控制规律；初步掌握建立实际工业过程控制系统的方法；初步了解工业过程控制系统的实现和整定方法，提高对工业过程控制系统分析和实践能力 本课程是本专业的一门主要专业课，要求学生能综合运用所学的基础课、专业基础课及其他专业课知识，进一步掌握过程控制工程理论和实践知识，培养学生具有解决过程控制系统的分析、设计及投运的能力。总体要求No. 36应用广泛繁琐杂乱？难学？4.2 学习方法按照以往的经验，同学普遍感觉“过程控制”难学，主要原因有：本课程需要对广泛的“前修”课程的良好理解，如，电子，电路，物理，尤其重要是基础课程是“自控原理”；本课程涉及广泛的应用，很多方面的内容是本专业学生所不熟悉的很繁(无

16、头绪)，也就很烦且无趣，因此很“难”。具体学习方法指导：抓住物理概念、基本理论、工作原理和分析方法；理解问题是如何提出的，又是怎样解决和应用的；要注意各部分内容之间的联系，前后的呼应性；重在理解，能提出问题，积极思考，不须死记；要注重单回路控制系统、串级控制系统、比值控制系统，均匀控制系统，前馈控制系统、分程控制系统，自动选择性控制系统之间的联系和区别，不要孤立地去看待问题，应有完整的系统概念；通过习题可以巩固和加深对所学理论的理解，并培养分析能力和运算能力，必须按要求完成布置的作业题。学会通过习题进行复习，可以边做题边看书复习。解题前，要对所学内容基本掌握；解题时，要看懂题意，注意分析，熟练

17、应用各种理论和公式。除学习规定教材外，可参阅相关的参考书。最好通过实验和仿真，验证和巩固所学理论，训练实验技能，培养严谨的科学作风。重在培养分析和解决问题的能力和创新精神。鼓励同学自学、创新！在必要的条件下，实验室（研究院2#504）提供创新的场地。主要教材 金以慧，过程控制，北京：清华大学出版社，1993（2007.5重印）.参考书 1)陈夕松，汪木兰编著，李奇主审，过程控制系统，科学出版社，北京：科学出版社，2011,1. 2) 刘文定，王东林，过程控制系统的MATLAB仿真，北京：机械工业出版社，2009,2.教学参考文献课时分配 40学时，成绩综合加权评定考勤方式，占5%动态点名，无故缺勤4次以上者，直接取消考试资格。作业+课堂提问+学习笔记 ，占15%鼓励课堂大胆讨论、小组协同学习，并能对比分析不同结果；上课