过程控制系统
《过程控制系统》课程简介
过程控制系统
(ProcessContro1System)
总学时：40学时理论40学时
学分：2.5
课程主要内容：
《过程控制系统》课程是电气工程与自动化专业的一门专业主干课程，具有很强的实践性。
主要内容包括单回路控制系统的方案设计、调节参数整定以及控制系统的投运：为提高控制品质或满足特殊操作要求的复杂过程控制系统及应用中的有关问题;对典型案例的学习，掌握对各典型单元操作静、动态特性的分析方法，和与之相匹配的典型控制方案的设计等三大部分。
通过本课程的学习，要使学生在掌握控制理论和过程检测与控制仪表等知识的基础上，用工程处理的方法去解决控制系统的分析、设计与研究方面的问题。
先修课程：自动控制理论、微机原理、过程检测与控制仪表、微机控制等。
适用专业：电气工程与自动化
教材：
邵裕森.过程控制工程.北京：机械工业出版社，2006年1月。
教学弁考书：
[1]金以慧.过程控制.北京：清华大学出版社，1993年4月。
[2]蒋慰孙.过程与控制.北京：化学工业出版社，1996年10月。
[3]邵裕森.过程控制及仪表（修订版）.上海：上海交大出版社，1995年3月。
过程控制系统PCS(Process Control System)的介绍及应用
过程控制系统PCS(ProcessContro1System)的介绍及应用过程控制系统(ProcessContro1System,PCS)是在自动化技术的支持下对生产过程进行实时监测、控制和优化的一种系统。
PCS通过传感器、执行器、计算机和网络等技术手段，对现场各种参数进行实时监测、分析和控制，以确保产品质量、提高生产效率和降低成本。
以下是PCS的介绍及应用。
1.过程控制系统的基础功能核心模块：输入模块、控制模块和输出模块这三个模块是过程控制系统的基础。
其中输入模块主要负责采集现场的数据，如温度、压力、流量等；控制模块则对这些数据进行处理、分析，并制定相应的控制策略；输出模块则将控制信号传送给执行器，如阀门、电机等，来实现对生产过程的控制。
2.过程控制系统的应用2.1化工行业化工行业中存在许多高危作业环节，PCS可以帮助企业降低生产事故风险。
例如，作为一个严格遵循生产规范要求的工业领域，PCS能够在化学反应过程中确保反应的安全性，从而防止不必要的人员伤害和财产损失。
3.2石油行业在石油工业中，过程控制系统也发挥着至关重要的作用。
由于石油生产环境复杂，PCS可以通过对石油采集、加工、储存等环节的实时监测，精准掌握各个环节的生产数据，提高生产效率和节约成本。
4.3电力行业电力行业是一个需要高度自动化技术支持的领域，PCS通常被用来监测、控制和优化发电机组的运行状态。
例如，在燃气发电机组中，使用PCS能够实现自动控制温度、压力和电压等参数，以提高发电效率和减少排放。
5.4制药行业制药行业需要严格遵守安全、卫生、环保等法规标准，PCS在制药过程中的应用非常重要。
例如，通过对药品生产过程进行实时监测和控制，PCS能够确保药品的生产量和质量达到最佳效果，同时满足药品的安全标准。
6.5食品行业食品行业也是PCS的一个重要应用领域。
在生产食品过程中，PCS可以对温度、湿度、氧气等多项参数进行实时监测和控制，提高食品的生产效率和质量，并且确保生产过程符合卫生安全标准。
过程控制系统 第1章
1.1控制理论与过程控制系统的发展状况（续）
1970年左右起，为了解决大规模复杂系统的 优化与控制问题，现代控制理论和系统理论相 结合，逐步发展形成了大系统理论 （Mohammad，1983）。
核心思想是系统的分解与协调，多级递阶优化与
控制（Mesarovie，1970）正是应用大系统理论的 典范。 大系统理论仍未突破现代控制理论的基本思想与 框架，除了高维线性系统之外，它对其它复杂系 统仍然束手无策。
③操纵变量：受控制器操 纵的用以克服干扰的影 响，使被控变量保持设 定值的物料量或能量 （流过控制阀介质的流 量）。 ④扰动：除操纵变量外， 作用于被控过程并引起 被控变量变化的因素 （使被控变量偏离
图7-4 锅炉汽包水位控制
操纵变量：水的流量 扰动：水压力、蒸汽压力
⑤设定值：工艺参数 所要求保持的数值 ⑥偏差：被控变量设 定值与实际值之差
蒸汽 汽 包
给水
操作人员所进行的工作有三方面:
①检测
用眼睛观察玻璃管液位计液位的高 低,并通过神经系统告诉大脑. 大脑根据眼睛看到的液位高度 , 加以思考分析 , 然后根据操作经 验,经思考决策后发出命令。 根据大脑发出的命令 , 通过双手去 改变阀门开度.
②运算、命令 ③执行
2 自动控制
自动化装置的三个部分分别是 ： ①测量元件与变送器
控制变压器活动触点的位 置即改变了输入电压，则 通过电阻丝的电流将产生 变化，使恒温箱得到不同 的温度。 被控变量是恒温箱的温度， 经热电偶测量并与设定值 比较后，其偏差经过放大 器放大，控制电动机的转 向，然后经过传动装置， 移动变压器的活动触点位 置。结果使偏差减少，直 到温度达到给定值为止。
随动控制系统
1.2.4 控制系统的分类
过程控制系统
过程控制系统是指自动控制系统的被控量是温度、流量、压力、液位等这样一些过程变量的系统。
过程控制主要是温度、压力、流量、液位等四种参数的控制问题。
定值控制系统：将系统被控量的设定值保持某一定值（或在某一很小范围内不变）的控制系统称为定值控制系统。
随动控制系统：随动控制系统是被控量的设定值随着时间任意变化的控制系统。
程序控制系统：程序控制系统被控量的设定值是按预定的时间程序变化的。
过程控制系统的品质指标：衰减比：第一、二两个周期的振幅B1与B2的比值，称为衰减比，既n=B1/B2动态偏差：扰动发生后，被控量偏离稳定值或设定值的最大偏差称为动态偏差。
调整时间Tc：系统受到扰动后平衡状态被破坏，经控制器作用后，被控量返回到允许的范围之内。
通常在稳定值的5%（或2%）以内，达到新的平衡状态所经历的时间，称为调整时间T c。
静态偏差：经控制器控制以后，系统被控量将在规定的小范围内波动，被控量与最大稳定值或设定值之差称为静态偏差或残余偏差，简称余差。
热电偶基本定律有均质导体定律、中间温度定律和中间导体定律。
两线制是指现场变送器和控制室仪表联系仅用两根导线。
投运：就是通过适当的步骤使主、副控制器先经手动调整好参数及工作状态，然后转到自然工作状态中。
冷端温度补偿：冷端温度冰浴法、计算修正法、补偿电桥法软手动操作指的是调节器的输出电流与手动输入电压成积分关系。
硬手动操作指的是调节器的输出电流与手动输入电压成比例关系。
无平衡切换是指在自动、手动切换时，无需事先调平衡，可以随时切换至所需位置。
自平衡能力是当对象受到干扰后，平衡状态被破坏，不需要外加任何控制作用，能依靠对象自身达到新的平衡状态的能力。
当对象受到干扰作用后，平衡状态被破坏，不能依靠它自身能力达到平衡状态的性质，称为无自平衡能力。
无扰动切换是指在切换时调节器的输出不发生变化，对生产过程无扰动。
气动执行机构有正作用和反作用两种形式。
当输入气压信号增加时推杆向下移动的叫正作用式执行机构。
过程控制系统概述
过程控制系统概述杨峰电信学院06自动化3班学号：40604010321所谓过程控制（Process Control）是指根据工业生产过程的特点，采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程自动化。
一﹑过程控制的特点随着生产过程的连续化﹑大型化和不断强化, 随着对过程内在规律的进一步了解,以及仪表﹑计算机技术的不断发展, 生产过程控制技术近年来发展异常迅速.所谓生产过程自动化, 一般指工业生产中(如石油﹑化工﹑冶金﹑炼焦﹑造纸﹑建材﹑陶瓷及热力发电等)连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制.凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数(如温度﹑压力﹑流量等)进行的自动控制统称为过程控制.生产过程的自动控制, 一般要求保持过程进行中的有关参数为一定值或按一定规律变化. 由于被控参数不但受内﹑外界各种条件的影响, 而且各参数之间也会相互影响, 这就给对某些参数进行自动控制增加了复杂性和困难性. 除此之外, 过程控制尚有如下一些特点:1. 被控对象的多样性.对生产过程进行有效的控制, 首先得认识被控对象的行为特征, 并用数学模型给以表征, 这叫对象特性的辨识. 由于被控对象多样性这一特点, 就给辨识对象特性带来一定的困难.2. 被控对象存在滞后.由于生产过程大多在比较庞大的设备内进行, 对象的储存能力大, 惯性也大. 在热工生产过程中, 内部介质的流动和热量转移都存在一定的阻力, 因此对象一般均存在滞后性. 由自动控制理论可知, 如系统中某一环节具有较大的滞后特性, 将对系统的稳定性和动态质量指标带来不利的影响, 增加控制的难度.3. 被控对象一般具有非线性特点.当被控对象具有的非线性特性较明显而不能忽略不计时, 系统为非线性系统, 必需用非线性理论来设计控制系统, 设计的难度较高. 如将具有明显的非线性特性的被控对象经线性化处理后近似成线性对象, 用线性理论来设计控制系统, 由于被控对象的动态特性有明显的差别, 难以达到理想的控制目的.4. 控制系统比较复杂.控制系统的复杂性表现之一是其运行现场具有较多的干扰因素. 基于生产安全上的考虑, 应使控制系统具有很高的可靠性.由于以上特点, 要完全通过理论计算进行系统设计与控制器的参数整定至今乃存在相当的困难, 一般是通过理论计算与现场调整的方法, 达到过程控制的目的.二﹑过程控制系统的组成过程控制系统的组成, 一般可用如下框图表示被控参数（变量）y(t ) ;控制（操纵）参数（变量）q(t) ;扰动量f(t) ;给定值r(t) ;当前值z(t); 偏差e(t) ;控制作用u(t)三、过程控制系统的分类按系统的结构特点来分反馈控制系统，前馈控制系统，复合控制系统（前馈-反馈控制系统）按给定值信号的特点来分定值控制系统，随动控制系统1.反馈控制系统偏差值是控制的依据，最后达到减小或消除偏差的目的。
过程控制系统
煤焦油加氢预处理氨水液位控制
离心机 至高空安全处
V1104
L T
LIC 1001
F.C
氨水泵
返回
调节器的“正”“反”作用 如果将调节器的输入信号定义为测量值减去 给定值，那么当偏差增加时，其输出也增加 的调节器，称为“正作用”调节器； 反之，调节器的输出信号随偏差的增加而减 小的称为“反作用”调节器。
控制系统的分类
开环控制系统 控制系统的输出信号（被控变量）不反馈到 系统的输入端，因而也不对控制作用产生影 响的系统，称为开环控制系统。 开环控制系统分为2种。一种是按设定值进 行控制。 另一种是按扰动量进行控制，即 所谓的前馈控制。
闭环控制系统 系统的输出（被控变量） 通过测量变送环节，又 返回到系统的输入端， 与给定信号比较，以偏 差的形式进入调节器， 对系统起控制作用，整 个系统构成了一个封闭 的反馈回路，这种控制 系统称为闭环控制系统， 或成反馈控制系统。
V1101
P-8
串级控制系统中主、副调节器的正反作用 副调节器的作用方向与简单控制系统中调节 器的正反作用的选择方法相同。 主调节器的作用方向可按：当主、副变量增 大（减小），调节阀的动作方向一致的，则 主调节器选“反作用”。反之，主调节器选 “正作用”。
原料油缓冲罐液位控制系统中 副回路 阀门为“F.C”，“+A” 调节阀开大，流量变大“+B” +A*+B=“+”，副调节器为反作用。 主回路 当流量，液位增大时，调节阀都应减小开度， 作用方向一致。则主调节器为“反作用”。
简单控制系统
简单控制系统的组成 简单控制系统又称单回路反馈控制系统。由一个 被控对象、一个测量变送器、一个调节器和一只 调节阀所组成的单回路闭合控制系统。 简单控制系统结构简单，投资少，易于调整和投 运，能满足一般生产过程的控制要求，因而应用 很广泛。它尤其适用于被控对象纯滞后小，时间 常数小，负荷和干扰变化比较缓慢，或者对被控 变量要求不太高的场合。 简单控制系统常用被控变量来划分，最常见的是 温度、压力、流量、液位和成分等5种控制系统。
过程控制系统的组成
过程控制系统的组成
过程控制系统通常由以下组成部分构成：
1. 传感器和执行器：传感器用于感知物理量，如温度、湿度、压力、流量、浓度等，执行器用于实现相应控制动作，如电机、阀门、变压器、分离器等。
2. 控制器：控制器是过程控制系统中的核心部分，负责接收传感器的数据，根据预设的控制算法进行计算，产生控制信号并通过执行器实现控制。
3. 数据采集与处理系统：数据采集与处理系统主要负责传感器数据采集、信号调节、滤波处理、数据存储等工作。
4. 人机界面：人机界面是实现人机交互的部分，用于实时监测和控制过程控制系统的运行状态，包括显示、控制、报警等功能。
5. 通信网络：通信网络用于实现过程控制系统与其他系统之间的数据传输和通信，如PLC、DCS、SCADA等系统。
6. 电源与安全装置：电源与安全装置负责过程控制系统的电源供应和安全保障，如UPS电源、防爆设备、保护开关等。
过程控制系统概述
原料（混合）
TC M
TT
T
冷却液输出
产品 冷却液
⑵ 串级控制系统
原料（混合）
TC1
外给
TT1
T
冷却液输出
TC2
M
TT2
T′
产品 冷却液
㈡、管式加热炉温度控制 1.管式加热炉原理
出口
炉膛 T 燃料
原料油
2.控制方案
⑴ 单回路控制系统 T TT 出口
TC M 燃料 炉膛
原料油
⑵ 串级控制系统
2.局限性：
⑴、不可能针对每一个干扰都设计并应用一套独立的前馈控 制系统。 ⑵、对不可测的干扰无法实现前馈控制。 ⑶、前馈控制调节规律难以实现。
五、前馈控制的几种形式 1.单纯前馈控制控制系统 ⑴ 换热器温度控制
FC
FT
M
∑
TC
TT
⑵ 锅炉汽包液位控制
LT
FT1
FT1
M
FC ∑ LC
※
前馈控制一般不单独使用（因为达不到预期效果），实际上 常与反馈控制混合使用，即组成前馈—反馈控制系统。
TC1 外给 TT1 T 出口
TC2
M 燃料
TT2 T′ 炉膛
原料油
㈢、锅炉主蒸汽温度控制
1.锅炉原理
2.控制方案
⑴ 单回路控制系统
饱和蒸汽 T′ T 过热蒸汽
TT
给水 减温水
M
TC
给定
⑵ 串级控制系统
饱和蒸汽
T′ T 过热蒸汽
TT2
TT1
给水
给定
M TC2 TC1
外给
减温水
二、串级控制系统典型方框图
3.2.2 简单控制系统设计
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系统工位号为PIC101表示顺序号为101的工艺压力参 数进行指示控制的回路。
识读带控制点工艺流程图
带控制点工艺流程图又称为（施工流程图 ）。
学习要点3：控制系统方框图
调节器
操纵变量q(t)
干扰f(t)
设定值 x(t) +
偏差 控制装置
e(t)
控制作用
p(t)
调节阀
被控变量y(t) 被控对象
测
识读带控制点工艺流程图
工艺流程图中常用字母功能如下：
首位变量字母：
压力（P）、流量（F）
物位（L）、温度（T）
进料
水槽
设定值
成分（A）。
后继功能字母：
LT
LC
变送器（T）、调节器（C）
调节阀（K）。
附加功能：
仪表有记录功能（R）
仪表有指示功能（I）
图中 LT：液位变送器 LC：液位调节器
开关或联锁功能（S） 报警功能（A）
概述
过程控制技术是工艺类人员的必备知识，
是石油化工企业高效安全生产的保障
什么是过程控制系统
工 业 生产过程原材料产品过工艺参数
程 控
开如 关电
制 系
量
机 启，
停
统
模如
拟温 压
量
度 ，
力 ，
流液
量位
过程控制与人工控制的区别
人工控制
自动控制
水槽
变送器
设定值
调节器
液位 眼睛 大脑
手
调节 阀
控制
被控 变送 调节 调节 变量 器 器 阀
z(t)
量
值
测量元件或变送器
自动化装置
工艺对象
自动控制系统组成：由被控对象和能实现过程控制的自动
化装置组成
控制系统的作用：自动控制装置是能克服（偏差） 使被控变量回到给定值的装置。
控制系统特点：（被控变量）是指对象内要求保持给定值的 物理量。
操纵变量是指受控制器操纵，用于克服干扰使被控变量 保持设定值的物理量和能量。
过程控制系统的安装与调试
控制系统施工安装顺序和步骤是（①②③④⑤⑥⑦）。 ①控制室仪表安装和现场一次点的安装； ②工艺管道和设备上一次点的安装； ③对仪表安装前的调校； ④现场仪表配线和和现场各种管线的敷设； ⑤仪表管路吹扫和试压； ⑥二次联校； ⑦试车、验收和交工。
/10/29
过程控制系统稳定性
63.一个线性系统的稳定性（稳定或不稳定）取决于（ ） 。
A.干扰作用的形式 B.干扰作用的强弱 C.系统本身的结构及参数 D.干扰作用的形式及强弱和系统本身的结构及参数
自动控制系统的分类（正负反馈）
开环控制系统
按照是否有反馈分类
闭环控制系统 按照设定值的不同分类
定随 程 值动 序 控控 控 制制 制 系系 系 统统 统
图形符号
1. 测量点
2. 连接线
3. 仪表：常规仪表图形符号是直径为12mm的细实线圆圈。 4. 执行器：是由执行机构和调节机构的图形符号组合而成。
仪表符号
仪表位号由字母代号组合和回路编号两部分组成。
在管道及仪表流程图中，仪表位号的标注方法是：字母代号填写 在仪表圆圈的上半圆中；回路编号填写在下半圆中。
学习要点4：过程控制系统的品质指标
过渡过程的基本形式
发散振荡过程
过程控制性能指标
过渡过程的基本形式
等幅振荡过程
过程控制性能指标
过渡过程的基本形式
衰减振荡过程
过程控制性能指标
过渡过程的基本形式
非周期衰减过程
过程控制性能指标
过渡过程的基本形式
（a）发散振荡过程
（b）等幅振荡过程
（c）衰减振荡过程
气动执行器：其作用是接受调节器送来的信号， 相应地去改变操纵变量以稳定被控变量。46.
自动控制系统是采用自动化装置来代替人手操作的系统。 自动控制系统由被控对象和能实现过程控制的自动化装 置组成
液位控制系统的工作过程
学习要点2：识读带控制点的工艺流程图
精馏塔控制方案常采用（温度）控制来保证产品的纯度。
（d）非周期衰减过程
4.自动控制系统在阶跃干扰作用下，被控参数在设定值的某一侧作缓慢变 化，且没有来回波动，最后稳定在某一数值上，这种过渡过程形式为（非 周期衰减过程）。
控制系统品质指标
最大偏差 A 或超调量 B
衰减比 n 余差 e，过渡时间 ts，振荡周期 Tp 或频率 f
在自动化调节系统中，反映调节系统的品质指标主要 包括最大偏差、衰减比、余差和（过渡过程时间）。
控制
1.（√ ）自动控制系统是采用自动化装置来代替人手操作的系统。
变送器、调节器、执行器的作用 2.自动控制系统组成，以下（由被控对象和能实现过程控制的自动化装置组成）项是正确的。
变送器：将非电压或者电流信号转换成标准的 4-20mA的电流信号。
调节器：是一种工业控制仪表, 用于温度,压力, 流量,液位等参数的控制,带有自整定PID算法， 具有RS485通讯功能。
过程控制系统概述 天津渤海职业技术学院
学习要点：
过程控制系统概述
做什么？
基本概念 系统方框图 工艺流程图 品质指标
1.系统组成 及常用术语
2.系统分类 及特点
1.什么是方 框图
2.如何画方 框图
1.符号及含 义
2.带控制点 流程图绘制
1.过渡过程 基本形式 2.静态指标 和动态指标
学习要点1 过程控制系统组成及常用术语