过程控制工程Lecture-01(CP1)
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过程控制系统及工程课件
过程控制系统及工程课件一、引言过程控制系统是指用于监控、调节和控制工业过程的设备和技术的集合体。
它在工业领域起着至关重要的作用，能够提高生产效率、确保产品质量并降低成本。
本课件将介绍过程控制系统及工程的基本概念、主要组成部分和实际应用。
二、过程控制系统概述2.1 过程控制系统定义过程控制系统是指一组硬件设备、软件系统和控制策略，用于监测和操纵工业过程以满足特定的要求和性能指标。
它通常包括传感器、执行器、控制器和人机界面等组成部分。
2.2 过程控制系统的作用和优势过程控制系统在工业生产中发挥着重要作用，主要体现在以下几个方面：•自动化控制：过程控制系统能够自动实现对工业过程的监控和控制，减少人工干预，提高生产效率和产品质量。
•系统集成：过程控制系统能够集成不同的硬件设备和软件系统，实现协同工作，提高系统的可靠性和一体化程度。
•数据采集与分析：过程控制系统能够采集大量的过程数据，并对其进行实时分析和处理，为决策提供支持，并优化生产过程。
•故障诊断与预测：过程控制系统能够及时检测和诊断设备故障，并通过数据分析和模型预测，提前预防故障的发生，减少停机时间和维修成本。
2.3 过程控制系统的工程流程过程控制系统的设计和实施需要遵循一定的工程流程，一般包括以下几个阶段：•系统需求分析：明确过程控制系统的功能需求和性能指标，制定详细的技术规格书。
•系统设计与选择：根据需求分析结果，选择合适的硬件设备和软件系统，并进行系统设计和配置。
•系统集成与调试：将选择的设备和系统进行集成，并进行调试和测试，确保各项功能正常运行。
•系统运行与维护：系统正式投入使用后，需要进行运行和维护，包括数据采集、故障诊断和维修等工作。
三、过程控制系统组成3.1 传感器传感器是过程控制系统中的重要组成部分，用于将被控对象的物理量转换为可测量的信号。
常见的传感器包括温度传感器、压力传感器、流量传感器等。
3.2 执行器执行器是过程控制系统用来实现对被控对象进行操作和调节的设备。
过程控制讲义课件(全套)
前馈—反馈控制系统
29
1.4 过程控制系统的分类
6. 按给定信号的特点分类 ： 定值控制系统 程序控制系统 随动控制系统
（1）定值控制系统：就是系统被控量的给定值保持在规定 值不变，或在小范围附近不变。定值控制系统是过程控 制中应用最多的一种控制系统，因为在工业生产过程中 大多要求系统被控量的给定值保持在某一定值，或在某 很小范围内不变。 例如过热蒸汽温度控制系统、转炉供氧量控制系统 均为一个定值控制系统。
30
1.4 过程控制系统的分类
（2）程序控制系统：它是被控量的给定值按预定的时 间程序变化工作的。控制的目的就是使系统被控量按 工艺要求规定的程序自动变化。 例如同期作业的加热设备(机械、冶金工业中的热 处理炉)，一般工艺要求加热升温、保温和逐次降温 等程序，给定值就按此程序自动地变化，控制系统按 此给定程序自动工作，达到程序控制的目的。
4. 按被控制量的多少分类：
单变量控制系统 多变量控制系统
25
1.4 过程控制系统的分类
5. 按系统的结构分类：
反馈控制系统 前馈控制系统 复合控制系统 单回路控制系统 串级控制系统
26
1.4 过程控制系统的分类
（1）反馈控制系统
它是过程控制系统中的一种最基本的控制结构形 式。反馈控制系统是根据系统被控量的偏差进行工作 的，偏差值是控制的依据，最后达到消除或减小偏差 的目的。如过热蒸汽温度控制系统就是一个反馈控制 系统。另外，反馈信号也可能有多个，从而可以构成 多个闭合回路，称其为多回路控制系统。
23
1.4 过程控制系统的分类
1. 按被控量分类 ：
温度控制系统 压力控制系统 流量控制系统 液位控制系统等
2. 按完成的功能分类：
29
1.4 过程控制系统的分类
6. 按给定信号的特点分类 ： 定值控制系统 程序控制系统 随动控制系统
（1）定值控制系统：就是系统被控量的给定值保持在规定 值不变，或在小范围附近不变。定值控制系统是过程控 制中应用最多的一种控制系统，因为在工业生产过程中 大多要求系统被控量的给定值保持在某一定值，或在某 很小范围内不变。 例如过热蒸汽温度控制系统、转炉供氧量控制系统 均为一个定值控制系统。
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1.4 过程控制系统的分类
（2）程序控制系统：它是被控量的给定值按预定的时 间程序变化工作的。控制的目的就是使系统被控量按 工艺要求规定的程序自动变化。 例如同期作业的加热设备(机械、冶金工业中的热 处理炉)，一般工艺要求加热升温、保温和逐次降温 等程序，给定值就按此程序自动地变化，控制系统按 此给定程序自动工作，达到程序控制的目的。
4. 按被控制量的多少分类：
单变量控制系统 多变量控制系统
25
1.4 过程控制系统的分类
5. 按系统的结构分类：
反馈控制系统 前馈控制系统 复合控制系统 单回路控制系统 串级控制系统
26
1.4 过程控制系统的分类
（1）反馈控制系统
它是过程控制系统中的一种最基本的控制结构形 式。反馈控制系统是根据系统被控量的偏差进行工作 的，偏差值是控制的依据，最后达到消除或减小偏差 的目的。如过热蒸汽温度控制系统就是一个反馈控制 系统。另外，反馈信号也可能有多个，从而可以构成 多个闭合回路，称其为多回路控制系统。
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1.4 过程控制系统的分类
1. 按被控量分类 ：
温度控制系统 压力控制系统 流量控制系统 液位控制系统等
2. 按完成的功能分类：
过程控制技术-第一章过程控制系统的基本概念
1 过程控制系统的基本概念
过程控制系统有多种分类方法，每一种 分类方法都是反映了控制系统某一方面的 特点。为了便于分析反馈控制系统的特性， 我们将按设定值的形式不同，分为三种类 型。
定值控制系统 随动控制系统 程序控制系统
1 过程控制系统的基本概念
过程控制系统的方块图及其号联系，常用方块 图来表示，如图１-２所示。
1 过程控制系统的基本概念
若系统的输出信号对控制作用没有影响，则称 作开环控制系统，即系统的输出信号不反馈到 输入端，不形成信号传递的闭合环路，如图１３所示。
1 过程控制系统的基本概念
由于闭环控制系统采用了负反馈，因而使 系统的输出信号受外来扰动和内部参数变化小， 具有一定的抑制扰动提高控制精度的特点。开 环控制系统结构简单容易构成，稳定性不是重 要问题，而对闭环控制系统稳定性始终是一个 重要问题。
1 过程控制系统的基本概念
当锅炉汽包水位控制系统处于平衡状态即 静态时，扰动作用为零，设定值不变，系统中 控制器的输出和控制阀的输出都暂不改变，这 时被控变量汽包水位也就不变。一旦设定值有 了改变或扰动作用于系统，系统平衡被破坏， 被控变量开始偏离设定值，此时控制器、控制 阀将相应动作，改变操纵变量给水量的大小， 使被控变量汽包水位回到设定值，恢复平衡状 态。
过程控制系统的组成及其分类 自动控制是在人工控制的基础上发展起来
的。下面先通过一个示例， 将人工控制与过程 控制进行对比分析，看过程控制系统是由哪些 部分组成的。
1 过程控制系统的基本概念
➢ 通过上述示例的对比 分析知道，一般过程 控制系统是由被控对 象和自动控制装置两 大部分或由被控对象、 测量变送器、控制器、 控制阀四个基本环节 所组成。
这里“过程”是指在生产装置或设备 中进行的物质和能量的相互作用和转换过 程。
过程控制process control教程讲解讲义
样本数量 &检验频次 ；
谁?在那里?用什么来检验；
控制的类型等
B/C类控制方法的效果反映在哪个数字上？
27/41
探测度分数评分参照表
等级 10 9 8 7 6 5 4 探测性 标准 探测工具方式 推荐的探测方法 不能检测出或没有进行检测 只能通过间接或随机检测 几乎不可能 肯定不可能检测出 很微小 微小 很小 小 中等 中上 控制方法可能检测不出
10/41
过程定义：过程流程图实例
11/41
过程定义：过程流程图
1. 产品实现的过程/活动
2. 期望的结果/输出 3. 输入源的变差
4. 随时间变化的过程参数
5. 过程/活动的顺序
12/41
识别工序/活动
如果某工位包含多个连续的操作动作，是作为一个活动 来分析，还是分为几个子活动？ 举例：
过程控制系统模型的介绍 过程控制的子模块
3/41
过程控制在APQP中的体现
APQP的五个阶段
计划和确定项目 产品设计和开发 过程设计和开发 产品和过程验证 反馈，评估和纠正措施 任务7：流程图 任务12：PFMEA 任务13：控制计划 ……
4/41
GM Global APQP要求
机器设备/工艺； 加工辅料； 人员操作的方法； 工装夹具； 环境。
16/41
显示过程/活动的顺序
用图例将过程/活动按照顺序显示出来；
图例要符合SGM的规定；
组织熟悉此过程的相关人员否有重复现象？ 是否有毫无价值的工序/活动？ 是否有经常出错的工序/活动？ 是否可以合并某一些工序/活动？ 是否可以优化某些工序/活动的顺序？ 是否还有改进的空间？
第03课(CP1)
教学进程
1.6.2 对系统动态误差的影响 （1）比例放大倍数K的影响：
P36 图1-31 Kc增大
y(t)
比例控制器：
u K c e u0
0
Kc 0，相当于开路
t
Kc
控制精度提高（余差减小），系统稳定性变差
—— 矛盾
只有原系统稳定裕量充分大时才采用纯比例控制。
教学进程
1.6.2 对系统动态误差的影响 （2）Ti的影响：
PI控制器：
y(t)
P25 图1-28
1 u Kc e T edt u0 i
Ti减小
0
—消除余差
t
比例作用基础上叠加对偏差的积分输出
Ti小，积分作用强，消除余差的能力强，但是，系统振 荡加剧，衰减比变小； Ti大，积分作用弱，消除余差的能力弱。
教学进程
● ●
每行（列）相对增益之和为1。 已知各通道的开环增益K
K k
1 T
教学进程
1.7.3 削弱或消除系统间关联的方法
关键：深入仔细分析关联的产生 方法：通过工艺分析，找出关联，并提出解决关联的方法 若能计算相对增益（矩阵），可进行量化分析
（1）按照变量配对，若λ均在1的附近，说明关联不大，此时，可 采用控制系统参数整定的方法，即拉开工作频率范围，可以削弱关 联的影响； （2）若相对增益都离1较远，说明彼此关联较厉害，必须从控制 系统设计入手解决，如采用解耦控制方案；
教学进程
1.6.3 控制规律的选择 工业常见控制器有：P、PI、PD、PID
控制规律选择原则：
（1）对控制要求不高的参数，可只采用比例控制器； （2）对控制要求不高，且惯性较大的参数，可采用 比例-微分控制器； （3）对于精度要求高的，要加入积分规律，PI； （4）较重要、控制精度要求较高、希望动态偏差小、 被控对象的时间滞后较大的，PID
1.6.2 对系统动态误差的影响 （1）比例放大倍数K的影响：
P36 图1-31 Kc增大
y(t)
比例控制器：
u K c e u0
0
Kc 0，相当于开路
t
Kc
控制精度提高（余差减小），系统稳定性变差
—— 矛盾
只有原系统稳定裕量充分大时才采用纯比例控制。
教学进程
1.6.2 对系统动态误差的影响 （2）Ti的影响：
PI控制器：
y(t)
P25 图1-28
1 u Kc e T edt u0 i
Ti减小
0
—消除余差
t
比例作用基础上叠加对偏差的积分输出
Ti小，积分作用强，消除余差的能力强，但是，系统振 荡加剧，衰减比变小； Ti大，积分作用弱，消除余差的能力弱。
教学进程
● ●
每行（列）相对增益之和为1。 已知各通道的开环增益K
K k
1 T
教学进程
1.7.3 削弱或消除系统间关联的方法
关键：深入仔细分析关联的产生 方法：通过工艺分析，找出关联，并提出解决关联的方法 若能计算相对增益（矩阵），可进行量化分析
（1）按照变量配对，若λ均在1的附近，说明关联不大，此时，可 采用控制系统参数整定的方法，即拉开工作频率范围，可以削弱关 联的影响； （2）若相对增益都离1较远，说明彼此关联较厉害，必须从控制 系统设计入手解决，如采用解耦控制方案；
教学进程
1.6.3 控制规律的选择 工业常见控制器有：P、PI、PD、PID
控制规律选择原则：
（1）对控制要求不高的参数，可只采用比例控制器； （2）对控制要求不高，且惯性较大的参数，可采用 比例-微分控制器； （3）对于精度要求高的，要加入积分规律，PI； （4）较重要、控制精度要求较高、希望动态偏差小、 被控对象的时间滞后较大的，PID
Lecture_02(CP1)
Process Control Engineering
Chapter 1
02 Li Hongguang Automation Department Beijing University of Chemical Technology
Chapter Single-loop Feedback Control System
F1(s) U(s) F2 (s) Y(s)
Y(s)=GPC(s)U(s)+GPD1(s) F1(s) +GPD2(s) F2 (s)
1.3 Process Analysis & Manipulated Variables
Analysis of Effects of manipulated variable on system output (control signal path) & Effects of disturbances on system output (disturbance signal path)
1.3 Process Analysis & Manipulated Variables (2) Effects of Tf P12 in the textbook for detailed coverage
Concluding Remarks: Large value or big number of Tf will make less impact on the controlled variables, resulting in smaller dynamic offset and higher control quality.
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 Structure and Elements Controlled Variable Process Analysis & Manipulated Variables Control Valve Measurement Device Controller Loop Interaction Implementation and Tuning
Chapter 1
02 Li Hongguang Automation Department Beijing University of Chemical Technology
Chapter Single-loop Feedback Control System
F1(s) U(s) F2 (s) Y(s)
Y(s)=GPC(s)U(s)+GPD1(s) F1(s) +GPD2(s) F2 (s)
1.3 Process Analysis & Manipulated Variables
Analysis of Effects of manipulated variable on system output (control signal path) & Effects of disturbances on system output (disturbance signal path)
1.3 Process Analysis & Manipulated Variables (2) Effects of Tf P12 in the textbook for detailed coverage
Concluding Remarks: Large value or big number of Tf will make less impact on the controlled variables, resulting in smaller dynamic offset and higher control quality.
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 Structure and Elements Controlled Variable Process Analysis & Manipulated Variables Control Valve Measurement Device Controller Loop Interaction Implementation and Tuning
过程控制课程讲义1
pd H
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系统集成功能模型分层
经营决策
Marketing & Decision 信息管理 Information Management 计划调度 Planning & Scheduling 过程监控 SCC（Supervisory Computer Control) 现场控制 FCS（Field Control System） 被控生产过程 Processes
6、控制内容
自动检测：传感，测量
监视：人机界面，显示仪表，屏幕监
视器 自动调节：控制器，调节器 顺序控制：可编程控制器 自动保护：报警，连锁保护 装置级甚至厂级生产过程的平稳控制 控制手段：各种类型的计算机系统
二、过程控制的发展
被控对象（过程和设备）、控
制理论、控制工具的交替发展 与相互促进汇成过程控制发展 的主旋律（见下表） 历经从简单到复杂，从单变量 到多变量，从单一回路到整个 装置甚至是全厂，从单一控制 到综合自动化等等的变化过程
3、过程控制
运动控制(Motion
离散过程
Control) Control)
过程控制(Process
连续过程
针对连续或半连续（间歇）过程中的温度
、压力、流量、液（物）位、化学成分（ 如含氧量）、物性参数（如粘度、融溶指 数）等变量而实现的自动控制系统，称为 过程控制。
过程控制工程1
过程控制工程11. 简介过程控制工程（Process Control Engineering）是一门涉及工程控制和自动化的学科，它应用于各种过程工业领域，包括化工、石油、能源、制药和食品等。
过程控制工程的目标是通过监测、调整和控制工艺过程的各个参数，以实现稳定、高效、安全的工业生产。
2. 过程控制工程的基本原理与方法2.1 过程控制的基本原理过程控制的基本原理是基于反馈控制系统的概念。
它通过测量工艺过程中的各个参数，并将这些参数与设定值进行比较，然后计算出误差，并通过控制器来调整控制系统的输出，以使误差减小，最终使过程达到稳态或稳定。
2.2 过程控制的基本方法过程控制的基本方法包括以下几种： - 动态过程建模和仿真：通过建立数学模型来描述和预测过程的动态行为，并通过仿真来研究和优化控制策略。
- 控制系统设计：根据过程的控制要求和性能指标，设计合适的控制系统结构和参数。
- 传感器和执行器选择：选择适当的传感器和执行器，以实时监测和调节过程的参数。
- 控制算法选择：选择合适的控制算法，如PID控制、模型预测控制等，以实现对过程的良好控制。
- 控制系统实施与调试：根据控制系统的设计和算法，实施控制系统，并进行调试和优化。
- 控制系统维护与优化：对控制系统进行维护和优化，以确保其长期稳定运行并达到最佳控制效果。
3. 过程控制工程的应用案例过程控制工程在各个行业中都有广泛的应用。
以下是几个典型的应用案例：3.1 化工行业在化工行业中，过程控制工程被用于控制和调节化工过程中的温度、压力、流量和浓度等参数，以实现产品质量的稳定和工艺流程的安全运行。
在石油行业中，过程控制工程被用于石油开采、炼油和储存等过程的控制和优化，以提高石油生产和加工的效率，并确保操作的安全性。
3.3 能源行业在能源行业中，过程控制工程被用于电力、水电和核电等发电系统的控制和监控，以实现电力的可靠供应和能源资源的高效利用。
在制药行业中，过程控制工程被用于制药过程中的药品生产和质量控制，以确保药品的安全性和有效性。
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Chapter Single-loop Feedback Control Systems
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 Structures and Elements Controlled Variables Process Analysis & Manipulated Variables Control Valves Measurement Devices Controllers Loop Interactions Implementation and Tuning
●
Contents correlated
Control Theory
Instrumentation Computer
Process Control Systems
Chemical Dynamics
Synthesis & Analysis
Major tasks：Control scheme designs for production processes
Course Schedule Theoretical Teaching: 54Hrs (18 lectures) Monday (week 1-18), section 6-8, 教120 Seminar: 1 hr Seminar in each lecture, since lecture 3 16 groups (2 students in each group) (individual presentation & wrap-up discussion) Lab Work: 10Hrs (5 experiments)
1930s~
Classical Control Period Norbert Wiener, Cybernetics, 1948
History of Automation Techniques Instrumentation Control Systems W. R. Evans, Root locus Kalman Filter and Controllability Observability Analysis
● Temperature measurement is converted into a corresponding voltage value, u2, via thermocouple ● The desired temperature is given by voltage u1， which is compared with the measurement, resulting in temperature error Δu＝u1− u2 ●The amplified error signal is used to drive the control motor, which operates the tuner, attempting to eliminate the error in an appropriate direction
1.1 Structures and Elements
Example1
Manual control of a thermostated container
Thermometer
Heater
Tuner
~220V
1.1 Structures and Elements
● Implementation
Procedure
Fundamentals ● Process Industries • Chemicals and petrochemicals • Food and beverage • Gas processing • Ore processing (but not metal working) • Petroleum refining • Pharmaceuticals • Power generation (but not power distribution) • Pulp and paper • Rubber and plastics • Textiles • Water and wastewater
Fundamentals
●
Process – Production Process Movement of fluid Undergoing periods of time Variation in the amount of mass and energy
● Types of Processes
Process Control Process Control in Industrial Production Automatic control techniques applied to the industrial sectors of an inclusion of petroleum, petrochemical and chemical industry, electricity, metallurgy, textile, etc. Process control is aiming at: • Maintaining quality and reliability • Improving efficiency and productivity • Reducing costs • Guarantying security and safety • Respecting environmental and other norms • Downsizing personnel
Introduction to Process Control & Outline of the Course
Course Features
• A significant course in control theory and control engineering discipline • A substantial specialized course in industrial process control community • A compulsory key course for automation major undergraduates • A major part of graduate entrance reexamination complex
Exam:
Grading
Closed-book final exam
Final Score =60%Final exam+20%Lab Policy ： work+20%Presentation & homework Homework：Routine exercises
History of Automation Techniques
● Observe the temperature (controlled variable) ● Compare it with the target (set-point), resulting in an offset along with the sign ● Manipulate the tuner, controlling the heater to maintain the temperature in the vicinity of the set-point Procedure towards control implementation consists of detecting the deviation, adjusting the manipulated variable, as well as alleviating the offset.
Desired Temp.
Brain
Hand Eye
r
Container
Actual Temp.
Thermometer
● Automatic Control of the Thermostated Container
1.1 Structures and Elements Temp. control process of the container
Process Control
Distinguished Features of Process Control:
Arising from practical requirements and theoretical extensions
●
An inclusion of diverse comprehensive techniques
Process Control Engineering
Introduction Chapter 1
2011-01 Li Hongguang Automation Department Beijing University of Chemical Technology
Process Control Engineering
1
Lab Work: Implementation, Tuning and Disturbance Analysis
1.1 Structures and Elements
●
Four elements of a single-loop control system Process, Measurement, Evaluation and Control
Early stage Steam Engine (Watt, 1769), Mechanized Weaving Loom (Cartwright,1784-1786), Steam Locomotive (Stephenson,1814), Electro-dynamic Principle (Siemens,1866), Diesel and Otto Motors (1893-1897, 1876), etc.