第九章过程控制系统工程应用
第九章 基本控制规律
第三节积分控制
二、比例积分控制
输出信号的变化速度与偏差e及KI成正比，而其控制作 用 随时间积累才逐渐增强，所以控制动作缓慢，控制不 及时，当对象惯性较大时，被控变量将出较大的超调量， 过渡时间也将延长，所以应比例的基础上加入积分作用 组成比例积分控制规律。
p
KC xmax xmin
pmax pmin
仪表量程：xmax xmin 控制器的输出范围: pmax pmin
第二节比例控制
可以从控制器表面指示看出比例度的具体意义。比例度就是使控制器的输出 变化满刻度时（也就是控制阀从全关到全开或相反），相应的仪表测量值变 化占仪表测量范围的百分数。或者说，使控制器输出变化满刻度时，输入偏 差变化对应于指示刻度的百分数。比例度越小则输入变化范围就越小。 若输出与输入都为标准， 则 1 100 %
160
140 /200 8 3/10
100
0
100 %
40%
第二节比例控制
说明
当温度变化全量程的40%时,控制器的输出从0mA变化到 10mA。在这个范围内,温度的变化和控制器的输出变化Δp 是成比例的。但是当温度变化超过全量程的40%时 (在上 例中即温度变化超过40℃时) ,控制器的输出就不能再跟着 变化了。
第二节比例控制
比例控制：具有比例控制规律的控制器称为比例控制器，
其输出信号变化量 △p 与输入信号（指偏差，当给定值不变
时，偏差就是被控变量测量值的变化量） e 之间成比率关
系。 p KCe（ KC为放大系数）
《过程控制系统及应用》课程标准
《过程控制系统及应用》课程标准课程名称：过程控制系统及应用课程类别：专业方向课课程制定依据：《工业自动化仪表及应用专业人才培养方案》建议课时数：96学时适用专业：工业自动化仪表及应用专业(装配与调试方向)一、课程性质与设计思路（一）课程性质本课程是中等职业学校“工业自动化仪表及应用”专业的一门专业方向课程，适用于中等职业学校仪表类专业，是从事过程控制自动化仪表装置应用维护岗位工作的必修课程。
（二）课程任务通过教师的课堂讲授，学生课堂讨论、练习、实训等环节的参与，使学生获得过程控制系统的调试、运行及故障维修的基本知识和基本技能，培养学生分析问题和解决问题的能力，为学生顶岗实习和为胜任过程控制仪表系统的运行与故障维护岗位工作打下良好的基础。
（三）设计思路本课程的设计思路是以学生将来从事的职业岗位群所需要的相关知识和基本技能为依据确定课程目标，根据目标设计课程内容，内容由浅至深、先易后难、前后呼应，由简单控制系统到复杂的控制系统。
包含“安全常规”、“认识过程控制系统”、“液位单回路控制系统”、“压力单回路控制系统”、“流量单回路控制系统”、“换热器热出口温度和冷水流量串级控制系统”、“JX-300X控制系统在精馏塔控制中的应用”等项目，教学设计中，充分利用先进的教学设备与实训手段，按“认识设备”→“识读控制流程”→“项目实施”→“项目评估”的流程完成教学活动。
以应用性教学为主，注重培养学生的能力。
二、课程目标本课程是培养学生对过程控制系统应用与维护的能力。
立足这一目的，本课程结合岗位任务内容，按照工业自动化仪器仪表与装置装配工岗位能力要求制定知识目标、能力目标、情感态度目标，通过学习使学生养成自主学习习惯，掌握实际操作技能，培养良好的思维习惯和职业规范，锻炼学生的团队合作精神，为后期学习和就业打好基础。
（一）知识目标1.掌握过程控制的一般概念、组成、分类及主要性能指标。
2.掌握液位、压力、流量、温度过程控制系统的构成。
运动控制系统 第九讲 运动控制系统应用实例
2．功能分析
• 从车辆行驶的基本功能来看，无人驾驶应该完成 有人操作的所有功能，从操控性来看，要有自动 控制车辆加减速、制动、转向动作，要能依据感 知传感器实现对行驶环境的精确感知，依据GIS、 GPS（北斗）确定合理的行车线路。
3．系统组成
• 首先我们先对无人驾驶汽车进行分析，无人驾驶 汽车是什么？无人驾驶汽车是由一个车架+四个车 轮+油门控制（一个行走电机）+一套转向操控系 统（一个转向电机）+一套制动装置+一套行车控 制电脑+能源供给管理系统（电源管理）+外部行 车环境感知+一个外壳组成。
本讲主要内容
第九章运动控制系统应用实例 9.1 无人驾驶汽车 9.2高速电子锯 9.3胡萝卜汁的灌装 9.4点胶机 9.5包装生产线 9.6缠绕生产线 9.7恒压供水系统
9.1 无人驾驶汽车
• 1．问题提出 • 2．功能分析 • 3. 系统组成 • 4. 工作流程 • 5. 结论
1．问题提出
• 随着人民生活水平的提升和科学技术水平 的发展，市场对自动驾驶车辆的需求越来 越高，有关自动驾驶的标准的分级，主要 有SAE（美国机动车工程师学会）标准和 NHTSA（国家公路交通安全管理局）两个 标准；目前，前者受到大多数业内人士的 认可，它从Lv0－Lv5将自动驾驶依据控制 方式和适用环境分为了6个等级。
图9-2 无人驾驶汽车感知结构图
决策规划部分 决策规划模块由四个子模块信息融合、任务决策、轨迹规划和异 常处理组成。这部分的硬件载体是一部高性能行车电脑，但核心还是控制软件无人车软件系统模块。 通常情况下，无人驾驶汽车的决策与规划系统主要包含以下几点内容： 1.路径规划：无人驾驶车辆中的路径规划算法会在进行路径局部规划时，对路径 的曲率和弧长等进行综合考量，从而实现路径选择的最优化，避免碰撞和保持安 全距离。 2.驾驶任务规划：即全局路径规划，主要的规划内容是指行驶路径范围的规划。 目前，无人驾驶汽车主要使用的行为决策算法有以下3种： 1.基于神经网络：无人驾驶汽车的决策系统主要采用神经网络确定具体的场景并 做出适当的行为决策。 2.基于规则：工程师想出所有可能的“if-then规则”的组合，然后再用基于规则 的技术路线对汽车的决策系统进行编程。 3.混合路线：结合了以上两种决策方式，通过集中性神经网络优化，通过“ifthen规则”完善。混合路线是最流行的技术路线。 感知与决策技术的核心是人工智能算法与芯片。
过程控制系统及其应用
锅炉炉膛负压控制系统在社会各行各业的生产过程中，对各个工艺过程的工艺变量均有一定的控制要求，其中的一些工艺变量对产品的质量和数量直接起到了决定性的作用，是整个生产过程的表征。
在工艺过程控制系统工程设计中要求所设计的控制系统通过对这些工艺变量的监测与控制，在确保生产安全的前提下尽可能保证产品的质量、提高产品产量、降低生产能源的消耗、降低生产成本、改善工人的劳动条件，除此还需保证生产过程能够实现长期运行和尽可能减少对环境的污染。
控制系统的设计，首先，要求自动控制系统设计人员在掌握较为全面的自动化专业知识的同时，也要进可能的多熟悉所要控制的工艺装置对象。
其次，要求自动化专业技术人员与工艺专业技术人员进行必要的交流，共同讨论确定自动化方案。
第三，自动化专业技术人员要切忌盲目追求控制系统的先进性和所用仪表及装置的先进性，应该力求用最简单的控制方案满足工业要求。
第四，设计一定要遵循有关标准和规定，按照科学合理的程序行。
锅炉炉膛负压的控制与生产安全息息相关，安全方面主要是防止炉膛负压过高导致火焰外喷而引发事故，但炉膛负压过低将会降低燃料的利用率，送风量和引风量都直接影响到炉膛负压，而且在需要进行逻辑提量和逻辑减量及来至风机的干扰比较大时炉膛负压都会有较大的变化和波动。
因此，需要设置炉膛负压控制系统来对其进行控制，从而保证生产安全有效地进行。
本方案是以控制炉膛负压为目的的，固然可直接将此变量作为主被控变量，由于引风量直接影响炉膛负压，而且引风量是一个相对对立的变量，因此可以选择引风量作为操纵变量，只要能够实时地控制引风量就能够确保炉膛负压的稳定，由于气体流量和压力成平方关系，而且气体流量不易准确检测，因此可以通过对引风机入口烟气压力的控制间接地对引风量进行控制。
由于开环无法保持炉膛负压的稳定，需要应用闭环控制，即需引入反馈，但反馈具有一定的滞后性，即先检测到变化之后再进行控制，控制不够及时，所以需要引入具有超前性质的控制作用，因此需要引入前馈控制，考虑到来至引风机的干扰较大的情况，需要引入串级。
过程控制系统原理及应用
2.2 ＰＬＣ系统基本组成
上位机１ 上位机２
通讯网络
下位机
1)下位机：执行PLC的控制程序，完成控制功能，一般采用专用的PLC厂 商提供的专用的PLC程序，西门子PLC的STEP7，GE公司PLC的LM90-70, 莫迪康PLC的CONCEPT。 2)上位机：为人机界面，完成监视操作功能，一般采用工控软件如 IUTCH、FIX、WINCC等，功能类似DCS的监视和控制功能。 3)通讯网络：上位机和下位机的通讯采用各种方式，通用的、专用的，工 控软件可支持各种厂商的PLC的通讯。
5）调整画面：每个控制功能模块的详细调整，PID参数设定、上下限报警输 出、输出限幅、1个回路/窗口，100000个窗口/HIS
6）过程报警画面：100个点的报警一览表。18个报警/窗口，200个报警/HIS 7) 控制方案图窗口：显示控制方案图的数值和报警状态。
DCS系统窗口调用功能键
系帮过操
绑 绑存
２、操作简便：ＤＣＳ系统的操作功能强大，给操作人员提 供了许多便利的操作功能，操作人员通过操作画面方便完成 各种操作功能。
３、系统便于扩展：ＤＣＳ系统设计结构便于增加卡件、增 加机架、增加操作站和增加控制站，便于装置的扩能改造。
４、维护方便：ＤＣＳ系统设计按照标准设计、硬件模块化、 系统配备自诊断软件，方便检测系统故障。
PLC（Programmable Logic Controller)可 编程序控制器于20世纪60年代末期在美国首先 出现，目的是用来取代继电器，实现逻辑计算、 计时、计数和顺序控制，主要用于开关量控制， 随着技术和需求的发展， PLC也可完成模拟量 的控制。
2.１ ＰＬＣ的特点
１）应用灵活：ＰＬＣ为标准的积木式硬件结构，现 场安装方便，各种控制功能通过软件编程完成。
化学工程中的过程系统工程与控制技术
化学工程中的过程系统工程与控制技术化学工程是一个非常重要的学科领域，涵盖了诸多领域和行业，如制药、石油化工、能源等。
而过程系统工程和控制技术作为化学工程的重要支柱，在化学工程中起着举足轻重的作用。
过程系统工程是一门综合性学科，它研究的是将化学反应、传热、传质、动力学等过程有机地结合起来，形成一个可控制的整体系统，从而使整个过程的效率和经济性达到最优化。
在化学工程的实践中，过程系统工程可以确保生产过程的安全可靠性，提高产品的质量和产量。
过程系统工程通常包括流程优化、设备设计、能量管理、嵌入式系统等方面。
在化学工程中的控制技术是指通过各种控制手段，对化学工程过程进行监测、测量、控制，以实现对过程参数的精确控制和优化。
在过去的几十年里，随着计算机技术和自动化技术的快速发展，化学工程中的控制技术取得了巨大的进步和发展。
例如，现代化的化工厂往往配备有高级的自动控制系统，通过传感器、执行器和控制算法等设备，实现对化工过程中温度、压力、流量等参数的实时监测和控制。
化学工程中的过程系统工程与控制技术的应用非常广泛。
在制药工业中，过程系统工程可以对反应条件进行优化，以提高药物的合成效率和纯度。
而控制技术可以保证药物生产过程中的精确投药、精确调温等操作，从而确保药物的质量和一致性。
在石油化工领域，过程系统工程可以通过模拟和优化技术，提高炼油、裂解等工艺过程的能效和产率。
而控制技术可以对反应器的温度、压力等参数进行实时控制，保证工艺过程的安全和稳定。
此外，过程系统工程与控制技术也在能源领域发挥了重要的作用。
化学工程中的过程系统工程可以通过对燃烧和燃料转化等过程的优化，提高能源的利用效率和环保性。
而控制技术可以实现对能源设备和系统的智能化控制，提高能源设备的运行效率和稳定性。
总之，化学工程中的过程系统工程与控制技术是化学工程学科中非常重要的组成部分。
它们不仅为化学工程的发展提供了支撑和保障，也在现代化工生产中发挥着重要的作用。
过程控制系统及其应用
习题
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第三章 过程通道信号处理及调节仪表
第一节 温度变送器 一、概述 二、放大单元工作原理 三、热电偶温度变送器量程单元 四、变送器的信号调试方法 五、DBW型温度变送器的型号表示 六、DCW型温度变送器
第二节 DDZ-Ⅲ型全刻度指示调节器 一、概述 二、基型调节器的工作原理 三、可编程序数字调节器
器驱动调节阀，改变输入对象的操纵量q，使 被控量受到控制。
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第三节 过程控制的分类
一、各种分类方法
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）按控制系统回路分类：开环控制系统及闭环控制 系统，单回路控制和多回路控制。
3）按控制器的控制算法分类：比例控制系统，比例 积分控制系统，比例积分微分控制系统及位式控制 系统等。
过程控制系统及其应用
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目录
第一章 过程控制的基本概念
第一节 过程控制的发展概况 第二节 过程控制系统的组成
一、被控对象 二、 传感器和变送器 三、 控制器 四、 执行器 五、 控制阀
第三节 过程控制的分类 一、各种分类方法 二、设定值分类
第四节 生产对过控制的要求和指标 一、生产对过程控制的要求 二、过程控制系统的品质指标
第三节 变风量空调系统 一、变风量空调系统概述 二、变风量空调系统的自动控制
参考文献
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第一章 过程控制的基本概念
第一节 过程控制的发展概况 第二节 过程控制系统的组成 第三节 过程控制的分类 第四节 生产对过程控制的要求和指标
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第一节 过程控制的发展概况
自20世纪50年代以来，由于计算机技术的发 展，带来了自动化发展的惊人成就。自动化的发
过程控制系统教案
过程控制系统教案一、教学目标1. 理解过程控制系统的概念及其重要性。
2. 掌握过程控制系统的分类和基本组成。
3. 了解过程控制系统的性能指标和应用领域。
4. 学会使用过程控制系统的基本工具和软件。
二、教学内容1. 过程控制系统的概念及其重要性1.1 定义及作用1.2 过程控制系统与自动控制系统的区别2. 过程控制系统的分类和基本组成2.1 连续过程控制系统2.2 离散过程控制系统2.3 开环控制系统与闭环控制系统2.4 过程控制系统的硬件和软件组成三、教学方法1. 讲授法：讲解过程控制系统的概念、分类和基本组成。
2. 案例分析法：分析实际应用中的过程控制系统案例，加深学生对过程控制系统的理解。
3. 实验法：安排实验室实践，让学生动手操作过程控制系统。
4. 小组讨论法：分组讨论过程控制系统的设计和应用，提高学生的团队协作能力。
四、教学资源1. 教材：过程控制系统相关教材。
2. 课件：制作精美的课件，辅助讲解过程控制系统相关知识。
3. 实验室设备：供学生进行实验操作的过程控制系统设备。
4. 网络资源：查找与过程控制系统相关的视频、案例等资源，用于课堂拓展。
五、教学评价1. 平时成绩：考察学生的课堂表现、发言和作业完成情况。
2. 实验报告：评估学生在实验室实践过程中的操作能力和分析问题能力。
4. 期末考试：设置相关试题，测试学生对过程控制系统的理解和掌握程度。
六、教学安排1. 课时：本课程共计32课时，包括理论讲授16课时，实验操作16课时。
2. 授课计划：第1-8课时：讲解过程控制系统的概念、分类和基本组成。
第9-16课时：分析过程控制系统的性能指标和应用领域。
第17-24课时：学习过程控制系统的设计方法和工具。
第25-32课时：实验室实践和案例分析。
七、教学注意事项1. 确保学生掌握基本概念和原理，避免过于深入的技术细节。
2. 注重理论与实践相结合，让学生在实际操作中巩固知识。
3. 鼓励学生提问和参与讨论，提高课堂互动性。
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3、保持炉膛负压恒定
可供调节的手段：燃料量、送风量和引风量
控制系统设计的总原则应当是：生产负荷变化时， 燃料量、送风量和引风量应同时协调动作
2．蒸汽压力控制和燃料与空气比值控制系统 比值调节系统——燃料与空气保持一定比例
燃料调 节器
主流量
K
送风调 节器
蒸汽压力－燃料流量串级控制（送风量随燃料量变 化而变化的比值控制）
压 控制变量：燃料量、送风量和引风量 炉膛负压保持在一定的范围内
过热蒸汽系统的自动控制
系统设置目的：对于蒸汽的温度、压力以及含水 量等有要求
被控变量：过热蒸汽温度 控制变量：喷水量
9.1.2 锅炉汽包水位的控制
1、控制通道的特性
F
t
曲线H2：给水温度<汽 包内饱和水温度——给 水流量的增加的初始阶 段，从原来饱和水中吸 取部分热量，导致水位 下降
最简便的方法：烟气中氧含量。
实际上完全燃烧所需的空气量要超过理论计算的 量——要有一定过剩空气量。
过剩空气量
过剩空气系数α表示——实际空气量Qp与理论空
气量QT之比
＝ Q p
QT
α与烟气氧含量有直接关系，A0——烟气含氧量
＝
21 21－A0
过剩空气量（％）
9.1.3蒸汽过热系统的控制 组成：一级过热器、减温器、二级过热器
任务：使过热器出口温度维持在允许范围内，并 且保护过热器使管壁温度不超过允许的工作温度。
过热气温：锅炉汽水通道中温度最高的地方
过热器
减温器
影响过热气温的扰动因素 蒸汽流量 燃烧工况 减温水量 流经过热器的烟气温度、流速
给水自动控制系统(锅炉汽包水位的控制)
锅炉汽包内部保持一定的蒸发空间。
汽包
控制变量是给水流量。 （汽包内部的物料平衡，使给水量适应蒸发量， 维持汽包中水位在工艺允许范围内）
维持汽包中水位在给定范围内是保证锅炉、汽轮 机安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的主要 标志之一。
锅炉燃烧的自动控制 主要目的：使燃料和空气达到合理比例 燃料的安全燃烧 被控变量：蒸汽压力(负荷)、烟气成分和炉膛负
曲线H：H1和H2的叠加。 “虚假水位”
H
蒸汽流量扰动作用下的水位阶跃响应曲线
H包含两个方面
一方面：蒸汽流量增加时，在燃料量不变的情况 下，汽包水位直线下降——H1，数学模型：
G1(s)Kf /s
一方面：蒸汽流量增加，汽包内部压力降低，造 成虚假水位，水位上升——H2。数学模型：
∑
LV
FC FT
给水
液位调节器 LC
－
流量调节器 FC
－
三冲量控制系统 前馈－串级控制系统
前馈调节器
蒸汽流量干扰D
干扰通道 特性
调节阀 LV
流量对象
液位对象
流量变送器 FT
液位变送器 LT
控制方式选择
如：蒸发量小的锅炉——单冲量简单控制系统 如：大型锅炉系统——串级控制系统 如：多用户蒸汽系统——前馈控制
过热气温控制方法
广泛采用方法：减温水流量（时滞和时间常数大） 串级控制系统——减温器出口温度为副被控变量
（减少过热气温的动态偏差）
双冲量控制系统——减温器出口温度经微分器作 为一个冲量
8.1.4 锅炉燃烧过程的控制 燃料种类 燃烧设备 锅炉形式
1．燃烧过程自动控制任务 1、使锅炉出口蒸汽压力稳定
G 2(s)K 2/T 2s1
蒸汽流量扰动时，水位变化动态特性传递函数
G(s)G1G2K sf
K2 T2s1
单冲量存在的问题
1、负荷变化时产生的“虚假水位”，将 使调节器反向错误动作。
如：负荷增大→虚假水位上升→调节器接受到虚 假的信号→调节阀反向关小给水→不能增加水 位
2、负荷变化时，控制作用缓慢。
蒸汽 LT
3、给水系统出现扰动时，动作作用缓慢。
汽包 省煤器
LC 给水
双冲量控制系统（蒸汽流量和锅炉水位）
蒸汽 FT
LT
前馈－反馈控制系统
汽包 省煤器
LC ∑
给水
液位调节器 LC
－
前馈调节器
调节阀 LV
液位变送器 LT
蒸汽流量干扰D
干扰通道 特性
液位对象 G0（s）
蒸汽 FT
LT
汽包 省煤器
LC
蒸汽
LT
汽包 省煤器
用户蒸汽用量
“单冲量”控制系统 节器
调节阀
液位对象
给水
LC －
LV
G0（s）
液位变送器 LT
2、干扰通道的特性
F
t H2
t
H1
H
曲线H1：蒸汽流量D增加时，蒸 汽量D大于给水量，水位下降
曲线H2：蒸汽流量增加，瞬时间 导致汽包压力的下降，汽包内的 水沸腾突然加剧，水位上升
1. 锅炉供应的蒸汽量适应负荷变化的需要或保持给 定的负荷；
2. 锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定范围内； 3. 过热蒸汽温度保持在一定范围内； 4. 汽包中的水位保持在一定范围内； 5. 保持锅护燃烧的经济性和安全运行； 6. 炉膛负压保持在一定范围内。
锅炉设备控制的若干个控制系统 给水自动控制系统 锅炉燃烧的自动控制 过热蒸汽系统的自动控制 热力除氧 锅炉水处理过程控制
缺点：负荷发生变化 时，送风量变化落后
于燃料变化。
燃烧过程改进方案
负荷减少时，先减 燃料量后减空气量；
负荷增加时，先加 大空气量，以使燃 烧完全。
3．燃烧过程的烟气氧含量闭环控制
锅炉的热效率(经济燃烧)主要反映在烟气成分(特 别是氧含量)和烟气温度两个方面。
烟气中成分：氧气、二氧化碳、一氧化碳和未燃 烧烃——反映燃料燃烧的情况
第九章 过程控制系统的工程应用
9.1 典型传热设备的过程控制 9.1.1概述 锅炉是国民经济各行业必不可少的重要传热设备 驱动发电机 动力机构的动力源 作为热源提供给工业生产装置 民用取暖设施
锅炉设备主要工艺流程图 锅炉热力系统流程
锅炉燃烧系统流程
高温烟气
空气预热器
锅炉设备的调节任务
H
H1
直线H1:水位随着给水
H
量的增加而直线上升
水位变化的曲线H——
t H2
H1、H2的叠加
给水流量作用下的锅炉水位响应曲线
数学描述 近似积分环节和纯滞后环节的串联
传递函数表示
G(s) K0 es s
K0响应速度——给水流量变化单位流量时，水位 的变化速度
阻止水位达到给定值