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1、过程控制工程,机械工程与自动化学院 过程控制系,课程特点,课程内容涵面广,自动控制原理,检测技术,控制仪表及装置,过程计算机控制,化工过程控制工程,集散控制系统,内容以原理讲解、叙述性为主，部分理论推导,本课程主要内容,基本概念 控制系统组成、分类 控制对象 过程动态特性 典型工业过程的动态特性 数学模型 反馈控制（简单控制系统） 控制系统的性能指标 控制规律 参数整定 复杂控制系统 前馈、比值控制 串级控制、均匀、分程控制 计算机控制系统 数字PID控制算法 典型过程控制系统 共40学时，其中有4学时实验,主要参考书目,过程控制工程（第三版），教材 戴连奎 主编，化学工业出版社 过程装备控制

2、技术及应用 王毅 张早校 主编，化学工业出版社 化工仪表及自动化（第四版） 厉玉鸣 主编，化学工业出版社 过程检测技术及仪表 杜维等 主编，化学工业出版社 传感器原理设计与应用 刘迎春 主编，国防科大出版社 考核：平时成绩 20%，包括到课情况、平时练习、实验等；期末考试（闭卷）80%,本课程的教学要求,了解控制系统的设计目的，掌握控制系统方块图描述法 掌握过程对象的建模方法 掌握PID类常规控制策略，能够结合具体的工业过程设计合理的控制方案 了解计算机控制系统，掌握数字PID控制算法 了解典型控制系统的应用,控制工程与其它相关学科,目的和意义,在化工等连续性过程设备上，配备一些自动化装置，代

3、替操作人员的部分或全部直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行，称为生产过程自动化。 实现自动化的目的是： 加快生产速度，降低生产成本，提高产品数量和质量。 降低劳动强度，改善劳动成本。 确保生产安全 学习本课程的意义在于：扩大知识面，适应生产现代化需要；扩大就业途径。,过程控制系统的发展状况及特点,生产过程自动控制,自动控制技术在工业、农业、国防和科学技术现代化中起着十分重要的作用，自动控制水平的高低也是衡量一个国家科学技术先进与否的重要标志之一。随着国民经济和国防建设的发展，自动控制技术的应用日益广泛，其重要作用也越来越显著。,生产过程自动控制（简称过程控制）是自动控制技术在石油、化工、电力

4、、冶金、机械、轻工、纺织等生产过程的具体应用，是自动化技术的重要组成部分。,过程控制系统的发展状况及特点,过程控制系统发展状况,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 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）； 化工生产中的单元组合仪表有电动单元组合仪表和气动单元组合仪表两种。国产的电动单元组合仪表以“电”、“单”、“组”三字的汉语拼音字头为代号，简称DDZ仪表；同样，气动单元组合仪表简称QDZ仪表。 控制理论：以反馈为中心的经典控制理论,过程控制系统的发展状况及特点

5、,20世纪60年代： 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。 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。 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。,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,20世纪7080年代,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

6、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，已成为控制装置的主流。,过程控制系统的发展状况及特点,过程控制系统的发展状况及特点,控制理论：人工智能、神经网络控制,20世纪90年代至今：信息技术飞速发展,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，引起过程控制系统体系结构和功能结构上的重大变革。现场仪表的数字化和智能化，形成了真正意义上的全数字过程控制系统。各种智能仪表、变送器、无纸纪录仪,过程控制系统的发展状况及特点,过程控制系统特点,生产过程的连续

7、性 在过程控制系统中，大多数被控过程都是以长期的或间歇形式运行，在密闭的设备中被控变量不断的受到各种扰动的影响。 被控过程的复杂性 过程控制涉及范围广，被控对象较复杂 控制方案的多样性 过程控制系统的控制方案非常丰富,自动化技术的应用范畴,宇航方面： 同步卫星（随动控制系统）卫星的发射与回收（神州飞船，航天飞机）自动关机、点火系统 军事方面： 火炮跟踪目标、巡航导弹 其他方面：农业（病虫害防治、专家系统） 社会科学（计划生育，人口增长模型） 工业生产：自动车床、加热炉、发酵罐,第一章 控制系统的基本概念,第一节 概述 第二节 控制系统的组成及方块图 第三节 控制系统的的分类 第四节 控制系统的

8、过渡度过程和系统品质指标 第五节 工艺管道及控制流程图,第一节 概述,生产过程自动化的主要内容 1自动检测 利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录；如：加热炉温度、压力检测 2自动信号和联锁保护系统 自动信号系统：当工艺参数超出要求范围，自动发出声光信号 联锁保护系统：达到危险状态，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车；如：反应器温度、压力进入危险限时，加大冷却剂量或关闭进料阀自动操纵与启停,概述,3自动操纵及自动开停车系统 自动操纵系统：根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作 自动开停车系统：按预先规定好的步骤将生产过程自动的投入运行或自动停车 4自动控制系统： 利

9、用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动控制，使他们在受到外界扰动的影响而偏离正常状态时，能自动的回到规定范围。,概述,过程装备控制的任务与要求 过程装备控制的要求：安全性、经济性、稳定性 过程装备控制的任务：在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上，根据三项要求，应用理论对控制系统分析和综合，最后采用合适的技术手段加以实现。 可见，是控制理论、工艺、计算机技术、仪器仪表等的综合,第二节 控制系统的组成及方块图,检测元件（装置）,控制器,执行器（装置）,检测被控制的物理量,将设定值与测量信号进行比较，求出它们之间 的偏差,然后按照预先选定的控制规律进行计 算并将计算结果作为控

10、制信号送给执行装置,作用是接受控制器的控制信号，直 接推动被控对象，使被控变量发生 变化,自动控制系统的组成,被控对象,第二节 控制系统的组成及方块图,人工操作图,液位自动控制系统图,人工操作与自动控制比较图,控制系统的方块图表示,方块图,方框、信号线、比较点、引出点,组成,控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的图解表示。两个方块之间用一条带有箭头的线条表示其信号的相互关系，箭头指向方块表示为这个环节的输入，箭头离开方块表示为这个环节的输出。线旁的字母表示相互间的作用信号。,带有输入输出信号的方框 比较点 分支点,方块图表示方式 流程图表示方式,注意！方块图中的每一个方块都代表一个具体的装

11、置。,方块与方块之间的连接线，只是代表方块之间的信号联系，并不代表方块之间的物料联系。方块之间连接线的箭头也只是代表信号作用的方向，与工艺流程图上的物料线是不同的。 工艺流程图上的物料线是代表物料从一个设备进入另一个设备，而方块图上的线条及箭头方向有时并不与流体流向相一致。 自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。 与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本质的区别，就在于自动控制系统有负反馈，开环系统中，被控（工艺）变量是不反馈到输入端的。,自动控制系统的组成,组 成,自动化装置,被控对象,测量元件与变送器,自动控制器,执行器,几个常用术语： 被控过程（对象）工艺参数需要控制的生产过程设备

12、或机器等。如锅炉汽包，发酵罐。 被控变量 被控对象中要求保持设定值的工艺参数。如汽包水位、发酵温度。 操纵变量 受控制器操纵，用以克服扰动的影响使被控变量保持设定值的物料量或能量。如锅炉给水量和发酵罐冷却水量。 扰动量（干扰）除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。如蒸汽负荷的变化、冷却水温度的变化等。 设定值（给定值） 被控变量的预定值。 偏 差(e) 被控变量的设定值与实际值之差。在实际控制系统中，能够直接获取的信息是被控变量的测量值而不是实际值，因此，通常把设定值与测量值之差作为偏差。,过程控制系统的重要术语,被控变量- CV ( Controlled Variable),

13、设定值 - SP (Setpoint),操纵变量 - MV (Manipulated Variable),扰动变量 - DV (Disturbance Variable),控制变量 - Control Variable,测量信号 - Measurement,控制系统的目标,过程控制系统的目标： 在扰动存在的情况下，通过调节操纵变量使被控变量保持在其设定值。 应用过程控制系统的主要原因： （1）安全性：确保生产过程中人身与设备的安全，保护或减少生产过程对环境的影响； （2）稳定性：确保产品质量与产量的长期稳定，以抑制各种外部干扰； （3）经济性：实现效益最大化或成本最小化。,第三节 控制系统的分

14、类,按被调参数分类： 流量调节、温度调节、压力调节、物位调节等； 按调节规律分类： 比例调节、比例微分调节、比例积分调节、比例微分积分调节 按给定值的特点或被调参数的变化规律分类： 定值调节系统：给定值为常数； 随动调节系统：给定值为变数，要求跟随变化； 程序控制调节系统：按预定时间顺序控制参数。 按信号种类分类： 气动调节系统，电动调节系统 按克服干扰的方法分类： 前馈控制与反馈控制,控制系统的分类（续）,开关量控制（Switch Control）与连续量控制（Continuous Control） 连续时间控制（Continuous-Time Control）与离散时间控制（Discret

15、e-Time Control, 也称“采样控制”/“数字控制”） 多变量控制与单变量多回路控制 线性控制与非线性控制等,第三节 控制系统的分类按给定值的特点分类,“定值” 是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采用定值控制系统。,1.定值控制方法,2.随动控制系统（自动跟踪系统）,给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。,第三节 控制系统的分类,3.程序控制系统（顺序控制系统）,给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化

16、。这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。,第三节 控制系统的分类,按系统输出信号对操纵变量影响分类,前馈与反馈控制系统举例,前馈控制,反馈控制,第四节 控制系统的过渡过程和系统品质指标,1.4.1 控制系统的过渡过程 控制系统的过渡过程： 在扰动或给定值变化的情况下，被控量偏离给定值和在控制调节作用下，接近给定值或跟随给定值变化的过程。 控制系统的动态特性 被控参数向给定值变化过程的特性。 控制系统的静态特性 经过调节作用后，被控参数处于稳定范围时的特性。,控制系统的静态与动态,自动控制目的：希望将被控变量保持在一个不变的给定值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能量）和流出对象的物料量（或能

17、量）相等时才有可能。,静态被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化率为0，不是静止）。,当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）和输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状态，这种状态就是静态。,动态被控变量随时间变化的不平衡状态,从干扰作用破坏静态平衡，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。,结论：在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了解系统的动态更为重要。因为在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的，就

18、需要通过自动化装置不断地施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量保持在工艺生产所要求控制的技术指标上。,控制系统的过渡过程和系统品质指标,常见典型信号,阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等。,阶跃信号,数学表达式为：,当A=1时称为单位阶跃信号。,特 点,易产生 对系统输出影响大 便于分析和计算,阶跃响应-飞升曲线的四种形式阶跃干扰作用下过渡过程,？,对于控制质量要求不高的场合，如果被控变量允许在工艺许可的范围内振荡（主要指在位式控制时），才可采用。,X,1.4.2 控制系统的品质指标（质量指标）,最大偏差A；超调量 衰减比(A-C)/(B-C)；4:110:1

19、余差C； 过渡时间ts； 振荡周期T。,1. 最大偏差或超调量,最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。 超调量也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度。,2. 衰减比,衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。习惯表示为 n:1，一般 n 取为410之间为宜。,3. 余差,当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差，或者说余差就是过渡过程终了时的残余偏差。有余差的控制过程称为有差调节，

20、相应的系统称为有差系统。反之就为无差调节和无差系统。,4. 过渡时间,从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫过渡时间。一般在稳态值的上下规定一个小范围，当被控变量进入该范围并不再越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过渡过程已经结束这个范围一般定为稳态值的（也有的规定为）。,5.振荡周期或频率,过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。,某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、余差、衰减

21、比、振荡周期和过渡时间（给定值为200）。,举例,温度控制系统过渡过程曲线,解 最大偏差A230-20030余差C205-200 由图上可以看出，第一个波峰值B230-20525， 第二个波峰值B2102055， 故衰减比应为B:B25:55:1。 振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔， 故周期T20-515（min）,分析 过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的2，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200（2）4，这时，可在新稳态值（205）两侧以宽度为画一区域，上图中以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过滤过程就可以认为已经结束。因

22、此，从图上可以看出，过渡时间为22min。,影响控制系统过渡过程品质的主要因素,一个自动控制系统可以概括成两大部分，即工艺过程部分（被控对象）和自动化装置部分。前者指与该自动控制系统有关的部分。后者指为实现自动控制所必需的自动化仪表设备，通常包括测量与变送装置、控制器和执行器等三部分。 对于一个自动控制系统，过渡过程品质的好坏，在很大程度上决定于对象的性质。例如例题的温度控制系统中，属于对象性质的主要因素有：换热器的负荷大小，换热器的结构、尺寸、材质等，换热器内的换热情况、散热情况及结垢程度等。不同自动化系统要具体分析 当然，自动化装置部分的性能也有影响,偏差积分性能指标,若要对几种过渡过程曲

23、线做出谁是最优的评论，则首先应规定“最优”的性能指标。一般采用误差函数的积分形式表示。 误差：希望输出、实际输出 但系统有余差时：,平方误差积分指标（ISE): 时间乘平方误差积分指标（ITSE): 绝对误差积分指标（IAE)： 时间乘绝对误差积分指标（ITAE)：,对各种性能指标加以分析理解：,IAE(绝对误差积分)指标在图形上就是偏差面积分，它对于出现在设定值附近的偏差和出现在远离设定值的偏差面积是同等对待的。而ISE(平方误差积分)指标，却对同一偏差面积由于离设定值远近不同引起的目标值J是不一样的。 ITAE(时间乘绝对误差积分指标)是把偏差面积用时间来加权，同样的偏差面积，由于在过渡过

24、程中出现时间的先后不同其目标值J是不同的。 ITSE(时间乘平方误差积分指标)兼有ISE和ITAE的特点，用它来调整控制器参数，可以得到比较理想的结果。,第五节 工艺管道及控制流程图,脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图举例,右图是乙烯生产过程中脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图。从脱甲烷塔出来的釜液进入脱乙烷塔脱出乙烷。从脱乙烷塔顶出来的碳二馏分经塔顶冷凝器冷凝后，部分回流，其余去乙炔加氢反应器惊醒加氢反应。从塔底出来的釜液部分经再沸器后返回塔底，其余去脱丙烷塔脱出丙烷。,举例,工艺管道及控制流程图 （PID图）,工艺流程和控制方案的确定后， 根据工艺设计给出的流程图， 按其流程顺序标注出相应的测量点

25、、控制点、控 制系统及自动信号与联锁保护系统等， 便成了工艺管道及控制流程图 （PID图）。,第五节 工艺管道及控制流程图,工艺管道及控制流程图（PID图）或管道及仪表流程图是自控设计的文字代号、图形符号在工艺流程图上描述生产过程控制的原理图，是控制系统设计、施工中采用的一种图示形式。该图在工艺流程图的基础上，按其流程顺序，标出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与连锁保护系统等。 由工艺人员和自控人员共同研究绘制。在管道及仪表流程图的绘制过程中所采用的图形符号、文字代号应按照有关的技术规定进行。 下面介绍一些常用的图形符号和文字代号。,一图形符号,过程检测和控制系统图形符号包括测量点、连

26、接线（引线、信号线）和仪表圆圈等。 测量点,测量点,是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点，一般无特定的图形符号，如下图所示。必要时，检测元件也可以用象形或图形符号表示。,（2）连接线,通用的仪表信号线均以细实线表示。连接线表示交叉及相接时，采用下图的形式。必要时也可用加箭头的方式表示信号的方向。在需要时，信号线也可按气信号、电信号、导压毛细管等采用不同的表示方式以示区别。,（3）仪表（包括检测、显示、控制）的图形符号,仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm，对于不同的仪表安装位置的图形符号如下表所示。,第五节 工艺管道及控制流程图,仪表安装位置的图形符号表示,第五节

27、工艺管道及控制流程图,对于处理两个或两个以上被测变量，具有相同或不同功能的复式仪表时，可用两个相切的圆或分别用细实线圆与细虚线圆相切表示（测量点在图纸上距离较远或不在同一图纸上），如下图所示。,复式仪表的表示法,执行器,执行器的图形符号是由执行机构和调节机构的图形符号组合而成。,第五节 工艺管道及控制流程图,二、字母代号,在控制流程图中，用来表示仪表的小圆圈的上半圆内，一般写有两位（或两位以上）字母，第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能，常用字母代号见下表。,表1-2 被测变量和仪表功能的字母代号,第五节 工艺管道及控制流程图,举例,以脱乙烷塔控制流程图，来说明如何以字母代号的组合来表示被测变量和仪表功能。,塔顶的压力控制系统中的PIC-207，其中第一位字母P表示被测变量为压力，第二位字母I表示具有指示功能，第三位字母C表示具有控制功能，因此，