计算机控制系统第1章绪论201002cxt

计算机控制系统第1章绪论计算机控制系统是当前自动控制系统的主流方向。计算机控制系统是利用计算机的硬件和软件代替了自动控制系统的控制器，以自动控制技术、计算机技术、检测技术、计算机通信与网络技术为基础，利用计算机快速强大的数值计算、逻辑判断等信息加工能力，使得计算机控制系统可以实现常规控制以外更复杂、更全面的控制方案。如今计算机控制系统已经广泛地用于工业、国防和民用的各个领域。

图9-11发酵过程控制点示意图实例

生物发酵是食品、制药工业的关键生产工序之一。在发酵过程中，发酵条件是影响过程代谢变化的主要因素。因此，保证发酵在最佳的条件下进行是实施自动化控制的根本目的。综合来说，在发酵条件方面应有以下一些工艺要求：(1)温度(2)压力(3)pH值(4)溶解氧图9-11发酵过程控制点示意图实例

（1）温度控制温度是影响生化反应过程的一个重要变量，因为不仅微生物菌体本身对温度十分敏感，而且涉及菌体生长和产物合成的酶都必须在一定温度下才能具有高的活性，因此，生化反应过程的温度控制是很重要的。影响生化反应温度的主要因素有微生物发酵热、电机搅拌热、冷却水本身的温度变化以及周围环境温度的改变。发酵罐温度控制采用了单回路PID控制器，由温度测量元件，控制器，调节阀和被控过程生化反应器四部分组成。生化发酵罐通常采用冷却水的方式带走生化反应热，小型发酵罐通常采用夹套式冷却形式，大型的生化反应器通常采用在反应器内装盘管冷却器形式，后者冷却效果更好，但是要占用生化反应器的有效反应体积。如果冷却水温度干扰比较明显，也可以测量冷却水温度，将此信号直接前馈到冷却水调节阀上，从而补偿冷却水温度干扰对发酵罐温度控制的影响，即前馈补偿控制，与发酵罐温度反馈控制共同组成前馈—反馈控制系统。（2）压力控制发酵罐操作压力的变化，将会引起氧在发酵液中的分压改变，也就是说影响着溶解氧浓度的变化。影响发酵罐的压力主要是供给的消毒空气的压力变化，通常控制发酵罐的压力是通过调节排出气体的量来控制，一般也用单回路控制方法。（3）pH控制

pH是发酵过程中必须控制的重要变量之一。补氨是微生物发酵过程中常用的一种调节pH的方法。但补氨只有在pH较低、氨氮也偏低的时候进行，如果pH偏高而氨氮偏低，可以补入硫酸铵或者氯化铵。pH和氨氮都偏高，则应补糖（特别是葡萄糖）。只有当pH偏低而氨氮偏高的情况下，才考虑补碱予以调节。无论采用什么方法调节pH，工艺要求应平稳进行，不能大起大落以致破坏微生物赖以生长和代谢的稳定环境，因此在pH值控制中，必须严格控制好氨水的加入量，绝对不能过量。pH控制系统由pH测量电极和变送器、pH控制器（pHC）、空气开关和气动开关阀组成。为了防止调节阀门的泄漏，采用了气动开关阀，由电磁空气开关进行调节。控制器根据pH偏差信号计算开关阀门的开关周期和开与关的时间长短来控制输入氨水的量。控制开关周期通常设定为一分钟，开关时间则由偏差信号进行PID运算。（4）溶解氧控制对于耗氧的微生物发酵来说，溶氧浓度是一个十分重要的控制变量。溶解氧控制可通过控制发酵罐压力或空气流量的方法来进行控制，由于压力控制系统与空气流量控制系统互相有影响，即有耦合作用，而发酵压力通常需保持恒定，因为提高发酵压力，使得发酵中的二氧化碳的溶解度也增加，这不仅会改变发酵液的pH值，而且也会影响氧的溶解度，因此常用调节空气流量的方法来控制溶解氧。(1)温度探头及变送器由于发酵温度一般控制在28～38℃之间，对于某一特定的发酵过程其温度控制可能要求波动在某特定温度设定值上下的0.5℃甚至0.2℃的范围内，因此对温度探头的精度提出了很高的要求，在发酵过程当中常用的温度探头为A级铠装PT100热电阻或一体化温度变送器，接线盒采用防溅式或防水式。尽量选择热响应时间小的探头，这对提高温度控制质量有相当的作用。(2)微差压变送器由于罐内只要保持一定的正压及能达到工艺要求，过大的正压不利于生产的节能降耗，因此选择0～1kPa的微差压变送器即可，原理上可以是电容式，也可以是谐振式，还可选择空气压力开关。(3)pH值探头及变送器

pH值测量要注意pH探头的高温特性，因为在发酵批次之间有一个高温消毒过程，此时罐内温度高达120℃甚至更高，为避免高温对pH值探头的损坏，可考虑如下措施：一是对高温消毒蒸汽的温度进行控制，限制其温度在不超过120℃（或更低）的范围内，选择高温型的pH值探头；另一种是使用一种专用的带驱动装置的护套，在进行高温消毒前自动将pH值探头由罐内抽出返回护套，消毒过后再自动将pH值探头重新插入发酵罐内。(4)溶解氧探头及变送器溶解氧探头的选择需考虑其高温性能。溶解氧探头有直接接触式和膜式两种，一般说来，发酵上使用膜式溶解氧探头居多。(5)执行器在发酵自动化控制的过程当中，对执行器的选择有着严格的要求。在pH值调节上需要选择工作可靠的隔膜开关阀，它有两个优点：一是关断可靠；二是阀内不会有残留液。另外，阀的口径选择要合适，不能太大，否则进行pH调整时容易过调。在温度和压力调节方面，执行器没有特殊的要求。温度调节常采用直行程单座调节阀，压力调节采用碟阀。表9-2监控点情况一览表描述范围说明描述范围说明发酵罐内的温度Pt1000～1500C回水温度Pt1000～1500C发酵罐内的PH值4～20mA0～14进水温度Pt1000～1500C发酵罐内的溶氧4～20mA0～150%发酵罐内压力0～1KPa发酵罐的空气流量0～10KPa/0～120m3/min冷水控制阀DO输出电磁阀电机转速4～20mA蒸汽控制阀DO输出电磁阀空气流量控制阀AO输出电动阀氨流量控制阀DO输出空气开关排出气体流量控制阀AO输出电动阀变频调速器AO输出电动阀图9-13基于IPC的计算机测控系统示意图1.1计算机控制系统概述1.1.1

计算机控制系统一般概念（1）实时数据处理：对来自测量变送装置的被控量数据的瞬时值进行巡回采集、分析处理、性能计算以及显示、记录、制表等；（2）实时监督决策：对系统中的各种数据进行越限报警、事故预报与处理，根据需要进行设备自动启停，对整个系统进行诊断与管理等；（3）实时控制及输出：根据被控生产过程的特点和控制要求，选择合适的控制规律，包括复杂的先进控制策略，然后按照给定的控制策略和实时的生产情况，实现在线、实时控制。主要功能1.1.2

计算机控制系统的组成

1．计算机控制系统硬件

(1)系统软件

(2)应用软件

2．计算机控制系统软件应用软件功能实时数据采集控制输出逻辑控制报警监视画面显示和报表输出可靠性功能管理功能通信功能流程画面制作功能1.1.3

计算机控制系统的典型结构

1．操作指导控制系统

2．直接数字控制系统

3．计算机监督控制系统

4.

集散控制系统其测量变送和执行机构仍是基于模拟仪表的，与现场总线及智能仪表的数字信号传送相比，其抗干扰能力与传输精度都大为逊色。各DCS开发生产企业制造的DCS使用专用平台，使得不同厂商之间的产品互不兼容，互操作性差。传统DCS在控制规律和控制算法方面，相对于常规仪表并没有重大突破，所提供的编程计算工具功能仍显简单，难以实现复杂的控制规律，使得许多先进的控制算法无法在DCS上直接实现，基于常规控制规律的DCS的控制品质难以满足生产的控制需求。集散型控制系统存在的问题

5.

现场总线控制系统系统的开放性互可操作性与互换性现场设备的智能化与功能自治性系统结构的高度分散性对现场环境的适应性6.

工业过程计算机集成制造系统1.2

计算机控制系统性能及其指标1.2.1计算机控制系统性能指标计算机控制系统的性能分析和要求与连续控制系统相似，可用系统的稳定性、能控性、能观性、动态特性及稳态特性（精度）来表征，衡量系统优劣的指标通常用