浙大工业过程控制15传热设备控制
浙大工业过程控制17.反应器控制
2019/3/12
工业过程控制
反应器稳态数学模型
F E (c A0 c A ) c A K 0 exp( )0 V RT
cA c A0 V E 1 K0 exp( ) F RT
Fc KA (Tci Tco ) (T Tco ) 0 Vc Vc c c pc
进料 冷却剂
2019/3/12
工业过程控制
反应温度的串级与分程控制
TC
TC
TC
出料
出料
冷水
冷却剂 进料
蒸汽 进料
2019/3/12
工业过程控制
反应温度的分段控制与优化
TC 冷却剂 TC
y
第
冷却剂 TC 冷却剂
三
床
层 冷却 层
冷却
第
二
床
第
一
床
层
T
2019/3/12
工业过程控制
反应温度分段控制与关联分析
T , CA , CB r
2019/3/12
工业过程控制
化学反应平衡
对于可逆反应： aA bB lL mM Q
总的反应速度为
2 1 2 1 r总 k1 C C k C A B 2 L CM
当 r总 = 0 时，反应达到平衡（反应物与生成物的浓 度均不变）。而化学平衡常数为
化学反应器的控制
戴连奎 浙江大学智能系统与决策研究所
2019/3/12
引 言 反应速度与反应平衡 反应器的数学模型与热稳定性 反应器的基本控制方案 典型反应器的控制方案
2019/3/12
工业过程控制
反应器控制思考题
1、了解化学反应的一般原理，掌握反应速度与 化学平衡的概念及其主要影响因素； 2、能够结合连续放热反应釜的稳态特性分析反 应器的热稳定性问题； 3、针对各种不同类型的化学反应器，掌握基本 控制问题与控制系统的设计方法； 4、了解常见反应器的复杂控制与先进控制方案。
浙江工业大学本科专业审核评估自评报告过程装备与控制工程
浙江工业大学本科专业审核评估自评报告学院：机械工程学院专业：过程装备与控制工程负责人（签字）：xx完成时间：2015.09联系信息：目录一、专业定位与目标 (1)（一）专业现状概述 (1)（二）专业办学定位及确定依据 (1)（三）专业培养目标、标准及毕业要求 (1)（四）教学中心地位的政策、措施与效果 (3)（五）存在的主要问题与对策 (4)二、师资队伍 (6)（一）数量与结构 (6)（二）教育教学水平 (8)（三）教师教学投入 (8)（四）教师教学发展与服务 (10)（五）存在的主要问题与对策 (10)三、教学资源 (12)（一）教学经费 (12)（二）教学设施 (12)（三）人才培养方案 (13)（四）课程资源 (14)（五）存在的主要问题与对策 (15)四、培养过程 (17)（一）教学改革 (17)（二）课堂教学 (18)（三）实践教学 (21)（四）存在的主要问题与对策 (22)五、学生发展 (25)（一）招生及生源情况 (25)（二）学生指导与服务 (25)（三）学风与学习效果 (27)（四）就业与发展 (27)（五）存在的主要问题与对策 (27)六、质量保障 (29)（一）教学质量保障体系 (29)（二）质量监控 (30)（三）质量信息及利用 (30)（四）质量改进 (30)（五）存在的主要问题与对策 (31)一、专业定位与目标（一）专业现状概述过程装备与控制工程专业(以下简称过控)的前身是化工机械专业，1998年改名为过程装备与控制工程。
该专业是以过程装备设计基础为主体，过程原理与装备控制技术应用为两翼的学科交叉型专业。
所培养的学生能够具有较强的过程装备、机械基础、控制工程、计算机及其它基础理论知识，具有较好的工程技术基本素质和综合能力，能在化工、石化、石油、核电、能源、环保、制药、食品和轻工等领域进行研究开发、设计制造、运行控制等工作。
该专业是浙江工业大学1953年建校时最早创办的三个专业之一，为浙江省首批重点建设专业，浙江省优势专业，专业所在学科自1994年以来一直为浙江省重点学科，2011年升级为浙江省重点一级学科，拥有过程装备及其再制造教育部工程研究中心，是“国家化学原料药合成工程技术研究中心”、科技部“特种装备制造与先进加工技术国家级国际联合研究中心”的主要成员单位。
1 浙大过程控制与自动化仪表课件1
检测与过程控制技术姚维博士浙江大学电气自动化研究所课程主要内容过程参数检测与变送：温度、压力、流量、液位 过程控制仪表：执行器单回路控制系统设计常用高性能过程控制系统：串级、前馈实现特殊要求的过程控制系统参考书过程控制与自动化仪表，侯志林主编过程控制及仪表（修订版），邵裕森主编过程控制系统及仪表，邵裕森、巴筱云主编检测和控制仪表普通采用基地式仪表和部分单元组合式仪表，且多数为气动仪表；被控参数主要是温度、压力、流量、液位； 控制目的是保持工艺参数的稳定，消除或减少生产过程的扰动；控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论；过程控制系统的结构大多数是单输入单输出系统。
50年代（仪表化和局部自动化—过程控制第一阶段）60年代（综合自动化阶段—过程控制第二阶段） 仪表方面大量采用单元组合仪表，并出现了组装仪表以适应较复杂的模拟和逻辑控制的需要；计算机控制系统开始应用于过程控制领域，实现了DDC和SCC控制；为提高控制质量和实现特殊控制要求，出现了串级、前馈、比值、均匀、选择等复杂控制系统；理论方面除了经典控制理论外，出现了现代控制理论；系统由单变量系统转向多变量系统，以解决实际生产过程中的更为复杂的问题。
1962年，英国帝国工业公司（ICI）安装了Ferranti Argus计算机控制系统替代全部模拟控制仪表，功能保持不变，这是集中式计算机控制系统应用的开端。
集中式过程计算机控制系统的发展经历了直接数字控制DDC、集中型计算机控制系统和分层计算机控制系统。
9集中型计算机控制系统它把几十个甚至几百个控制回路以及上千个过程变量的显示、操作和控制集中在单一计算机实现，即在一台计算机上实现过程监视、数据采集、数据处理、数据存储、报警、过程控制等功能。
此外，还可实现生产调度和工厂管理部分功能。
与常规模拟仪表控制系统相比具有以下优点：控制功能齐全，可实现模拟仪表难以实现的部分功能和先进控制、联锁等复杂控制；由于单一计算机高度集中，便于信息分析和综合，易实现整个系统的最优控制；用CRT来代替大量的模拟仪表盘，简洁明了。
浙大工业过程控制1绪论
2019/8/23
课件
12
前馈与反馈控制系统举例
蒸汽 RV Tm T
2019/8/23
Tsp
u(t)
前馈
控制器
RF
Ti
凝液
进料 蒸汽
RV
Tm
T
Tsp
蒸汽
u(t)
TC
RV
Tm
T
Tsp
u(t) 前馈/反馈 控制器
凝液
RF , Ti 进料
RF
Ti
进料
凝液
课件
13
控制系统的分类（续）
开关量控制（Switch Control）与连续量控制 （Continuous Control） 举例：空调器的控制
《过程控制工程》绪论 “Process Control Engineering”
戴连奎 浙江大学智能系统与决策研究所
2019/8/23
课件
1
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 掌握控制系统的分析方法 了解先进控制算法，掌握其设计思想、
控制阀
液体贮罐
干扰 通道
+ 控制 + 通道
被控变量 h(t)
测量值 hm(t)
液位传感 测量变送器
问题：指出每一条连接线所对应的变量信号的物理 意义与单位，以及每一个方块所表示的意义？
2019/8/23
课件
6
热交换器的温度控制系统
Tsp
蒸汽
u(t)
TC
RV
Tm
T 凝液
RF , Ti 进料
《工业过程控制》课程教学大纲
《工业过程控制》课程教学大纲课程名称：工业过程控制课程代码：ELEA2022英文名称：Process Control课程性质：专业选修课程学分/学时：2学分/36学时开课学期：第6学期适用专业：电气工程及其自动化先修课程：自动控制原理、检测技术与仪表、单片机原理与应用、信号与系统后续课程：无开课单位：机电工程学院课程负责人：大纲审核人：余雷一、课程性质和教学目标（在人才培养中的地位与性质及主要内容，指明学生需掌握知识与能力及其应达到的水平）课程性质：工业过程控制是电气工程及其自动化专业的一门选修课程。
本课程针对该专业的特点，专注于过程控制的研究性学习，旨在为从事石油、化工、冶金、电力、轻工、纺织、医药、建材、食品等行业的温度、压力、流量、液位、成分等过程变量的过程控制系统的研发与生产工作，积累基本的自动化技术及其应用的理论基础和工程实践知识。
教学目标：过程控制技术是工业部门生产过程的自动化技术，过程控制系统设计是根据工业过程的特性和工艺要求，通过选用过程检测控制仪表构成反馈系统，再通过控制器参数整定，实现对生产过程的最佳控制，从而提高产品数量与质量、节能降耗与保护环境、增长经济效益与社会效益。
本课程的主要内容包括：（1）工业过程控制的特征；（2）生产工艺设备过程建模、过程变量检测与变送、控制器（调节器）和执行器（调节阀）；（3）过程控制系统的控制方案设计和工程设计要点、检测控制仪表的选择要求、直接数字控制技术、控制器参数的工程整定方法、串级控制及其工作特点；（4）复杂控制方式：前馈控制、大滞后补偿控制、比值控制、均匀控制、分程控制、选择性控制、多变量解耦控制；（5）计算机过程控制系统、液位控制系统演示实验。
通过上述相关内容的学习，将努力使学生掌握过程控制系统分析、设计和优化的基本原理和方法，为从事其工程技术的设计与制造、安装与调试、安全与维护等具备工程师素养而打下坚实的基础。
本课程的具体教学目标如下：1.掌握过程控制的特征以及过程控制系统中的四个基本单元的特性，包括过程建模方法、各种过程参数检测变送的原理与功能、量程与精度、选用与安装；电动调节阀和气动调节阀的工作原理；以及控制器在过程控制系统中的作用。
浙大工业过程控制-4.PID控制器的参数整定及其应用
2
pid控制器通过比较压力设定值与实际值之间的 误差，不断调整气瓶的阀门或泵的工作状态，从 而实现对压力的精确控制。
3
在压力控制系统中，pid控制器能够快速响应压 力的变化，并自动调整气瓶的阀门或泵的工作状 态，确保压力的稳定。
05 结论
pid控制器的发展趋势
智能化
随着人工智能和机器学习技术的发展，PID控制器将逐渐实现智能 化，能够自适应地调整参数，提高控制精度和稳定性。
详细描述
智能优化算法利用人工智能和优化算法，如遗传算法、粒子群算法等，自动确 定PID控制器的参数。这种方法能够处理高度非线性、不确定性和时变性的系统， 但需要较高的计算资源和较长的计算时间。
04 pid控制器的应用实例
液位控制系统
液位控制系统是pid控制器最常见的应 用之一。通过pid控制器，可以精确控 制液位的高度，使其保持在设定的范 围内。
浙大工业过程控制-4.pid控制器的 参数整定及其应用
目录
• 引言 • pid控制器的基本原理 • pid控制器的参数整定方法 • pid控制器的应用实例 • 结论Fra bibliotek01 引言
背景介绍
工业过程控制是实现工业自动化和智 能化的重要手段，而PID控制器作为 一种经典的控制算法，在工业过程控 制中得到了广泛应用。
PID控制器具有结构简单、易于实现、 鲁棒性强等优点，适用于各种线性或 非线性系统。
pid控制器的重要性
PID控制器在工业过程控制中发挥着至关重要的作用，能够提高系统的控制精度 、稳定性和响应速度，从而提高生产效率和产品质量。
PID控制器的参数整定是实现其优良性能的关键，需要根据不同的控制系统和工 况进行合理调整。
在液位控制系统中，pid控制器能够快 速响应液位的变化，并自动调整水泵 的工作状态，确保液位高度的稳定。
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T1o )
2021/2/20
工业过程控制
热交换过程的静态方程
q1 c1G1(T1o T1i ) c2G2 (T2i T2o )
q
KFm
(T2o
T1i )
2
(T2i
T1o )
c1G1 (T1o
T1i )
c1G1 KFm
(T1o
T1i )
(T2i
T1i )
1 2
1
c1G1 c2G2
G
t
H
H2
H
H0
Ht
H1
H (s) K1 K2 D(s) s T2s 1
2021/2/20
工业过程控制
t
H1 H
τ t
H (s) K0 e s G(s) s
非最小相位特性
H (s) K1 K2 D(s) s T2s 1
H (s) (K2 K1T2 )s K1 K1(T0s 1)
问题：若上述单回路控制方案仍未能满足工艺要求， 如何改进控制方案，以进一步提高控制质量？
2021/2/20
工业过程控制
加热炉的控制问题
被控变量：工艺介质的出口温度。 控制变量：燃料油或燃料气的流量。 主要干扰：
工艺介质的进料温度、流量、组分；燃料油/ 燃料气的压力、流量、成分（或热值）；燃 料油的雾化情况；空气充分情况；火嘴的阻 力，炉膛压力等。
控制变量
(1) 调载热体的流量；(2) 调节传热平均温差； (3) 调传热面积；(4) 将工艺介质分路，一路经换热， 另一路走旁路。
2021/2/20
工业过程控制
换热器的控制方案
蒸
汽
TC
氨 气
TC
LC
凝液
液 氨
2021/2/20
工业过程控制
换热器的控制方案(续)
蒸
汽
TC
载 热 体
TC 凝液
工艺 介质
2021/2/20
工业过程控制
内容
引 言 换热器的静态特性 换热器的动态特性 换热器的控制 加热炉的控制 锅炉设备的控制
2021/2/20
工业过程控制
换热器的静态特性
G1, T1o, c1
G2, T2i , c2
G1, T1i , c1
工艺介质
G2, T2o , c2 载热体
问题：针对逆流单程列管式热交换器，巳知入口 条件（G1, T1i, G2, T2i）,要求计算稳定条件下工艺 介质与载热体的出口温度（T1o, T2o）。其中c1, c2 分别为相应介质的比热。
2021/2/20
工业过程控制
加热炉的单回路控制
PC
TC
回油 燃料油
雾化蒸汽
PC
工艺介质 FC
2021/2/20
工业过程控制
加热炉的串级控制（一）
TC TC 燃料油
出料
TC
FC 进料
进料
燃料油
出料
2021/2/20
工业过程控制
加热炉的串级控制（二）
TC PC
进料 燃料油
出料
TC 进料
燃料油
出料
浙大工业过程控制15传热设备 控制
2021/2/20
工业过程控制
换热设备控制思考题
1、针对逆流单程列管式换热器，当两侧液体均 无相变时，试推导得到工艺介质出口温度与输 入条件之间的静态关系；
2、了解夹套式（集中参数系统）与套管式换热 器（分布参数系统）的动态模型建立方法；
3、掌握换热器的控制问题与常用的控制方案； 4、掌握加热炉出口温度的控制问题与串级方案。
0.6
x1 = 1.0
0.5
0.4
x1 = 2
严重非线性，若其它 0.3 0.2
x1 = 4
环节为线性，调节阀 0.1
需选用等百分数阀。
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
x2
2021/2/20
工业过程控制
换热器的控制问题
被控变量
(1) 被加热/冷却介质的出口温度（无相变）； (2) 加热/冷却所需的热量（有相变），如精馏塔底再 沸器的蒸发量。
2021/2/20
工业过程控制
热交换过程的热量平衡方程
假设工艺介质与载热体均无相变，而且没有热损 失。即
被加热物料得到的热量/单位时间 = 载热体放出的热量/单位时间
q1 c1G1(T1o T1i ) q2 c2G2 (T2o T2i )
q1 q2
2021/2/20
工业过程控制
热交换过程的传热速率方程
GL1
2021/2/20
工业过程控制
锅炉设备的工艺流程
汽 包
热空气 燃料
炉 膛
燃料嘴
2021/2/20
负荷设备 调节阀
D
PM 减温器
过热蒸汽送 负荷设备
过热器
炉墙
省 煤 器
工业过程控制
热空气 送往炉膛
空气预热器
给水
冷空气 烟气
(经引风机送往烟囱)
锅炉设备控制思考题
1、了解锅炉设备的控制问题与系统分解； 2、掌握汽包水位的对象特点与控制方案； 3、掌握锅炉设备燃料与空气逻辑变比值控制系
(T
T2i T1i
c1G1 KFm
1 2
1
c1G1 c2G2
2021/2/20
工业过程控制
热交换过程的静态特性分析
y T1o T1i T2i T1i
x1
G1c1 KFm
x2
G2c2 KFm
y1
y
1
x1
1 2
1
x1 x2
0.9
x1 = 0.5
0.8
0.7
统的分析与设计方法； 4、了解锅炉设备过热蒸汽温度的控制问题与常
用的控制方法。
2021/2/20
工业过程控制
锅炉设备的控制问题
负 荷
给水量 减温水 燃料量 送风量 引风量
锅炉设备
水位 蒸汽温度 蒸汽压力 过剩空气 炉膛负压
系统分解：（1）锅炉汽包水位的控制； （2）锅炉燃烧系统的控制； （3）过热蒸汽系统的控制。
2021/2/20
工业过程控制
催化裂化加热炉的控制系统
2021/2/20
去反应器
TC
PC
自分馏塔来 的回炼油
FC
原料油 FC
开关 PC
回油罐
PC 燃料油 去瓦斯罐
工业过程控制
干气 ( 热裂解气 )
加热炉的安全联锁保护系统
进料
BS GL2
出料
TC
PC
LS
燃料
LS：低选器； BS：火焰检测器； GL1：燃料气流量 过低联锁装置； GL2：进料流量过 低联锁装置。
2021/2/20
工业过程控制
汽包水位的控制问题
被控变量：汽包水位，用H (s)表示 控制变量：汽包给水量，用G (s)表示 主要干扰：
蒸汽负荷（蒸汽流量），用D (s)表示
通道对象：
非自衡、非最小相位、非线性等特性
2021/2/20
工业过程控制
汽包水位的对象特性
干扰通道特性
D
控制通道特性
q KFmTm
K 为传热系数；Fm 为传热面积； ΔTm 为传热壁两侧流体的平均温差.
对可若于取TT22逆对io 流数TT11单平oi 程均在换 值1/3热~器3 ，之间T，m则 可(T用2o l算nT术1iTT)22平io 均(TTT21近1ioi 似T1o )
Tm
(T2o
T1i ) (T2i 2