过程控制系统基本概念
自动化仪表及过程控制
第一章绪论本章提要1.过程控制系统的基本概念2.过程控制的发展概况3.过程控制系统的组成4.过程控制的特点及分类5.衡量过程控制系统的质量指标授课内容第一节过程控制的发展概况1.基本概念过程控制系统-----指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及PH值(氢离子浓度)等这样一些过程变量时的系统。
(P3) 过程控制-----指工业部门生产过程的自动化。
(P3)2.过程控制的重要性z进入90年代以来自动化技术发展很快，是重要的高科技技术。
过程控制是自动化技术的重要组成部分。
在现代工业生产过程自动化电过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。
3.过程控制的发展概况z19世纪40年代前后(手工阶段)：手工操作状态，凭经验人工控制生产过程，劳动生产率很低。
z19世纪50年代前后(仪表化与局部自动化阶段)：过程控制发展的第一个阶段，一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。
主要特点：检测和控制仪表-----采用基地式仪表和部分单元组合仪表(多数是气动仪表)；过程控制系统结构------单输入、单输出系统；被控参数------温度、压力、流量和液位参数；控制目的------保持这些参数的稳定，消除或者减少对生产过程的主要扰动；理论-----频率法和根轨迹法的经典控制理论，解决单输入单输出的定值控制系统的分析和综合问题。
z19世纪60年代(综合自动化阶段)：过程控制发展的第二个阶段，工厂企业实现车间或大型装置的集中控制。
主要特点：检测和控制仪表-----采用单元组合仪表(气动、电动)和组装仪表，计算机控制系统的应用，实现直接数字控制(DDC)和设定值控制(SPC)；过程控制系统结构------多变量系统，各种复杂控制系统，如串级、比值、均匀控制、前馈、选择性控制系统；控制目的------提高控制质量或实现特殊要求；理论-----除经典控制理论，现代控制理论开始应用。
过程控制基本概念
过程控制基本概念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）-------自动控制技术在石油、化工、电力、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。
§1.1 过程控制的发展概况及特点一、过程控制的发展概况在过程控制发展的历程中，生产过程的需求、控制理论的开拓和控制技术工具和手段的进展三者相互影响、相互促进，推动了过程控制不断的向前发展。
纵观过程控制的发展历史，大致经历了以下几个阶段：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，操作人员主要根据观测到的反映生产过程的关键参数，用人工来改变操作条件，凭经验去控制生产过程。
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过程检测：采用的是基地式仪表和部分单元组合仪表（气动Ⅰ型和电动Ⅰ型）；部分生产过程实现了仪表化和局部自动化控制理论：以反馈为中心的经典控制理论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Ⅱ型和电动Ⅱ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，、型、型20世纪70～80年代：微电子技术的发展，大规模集成电路制造成功且集成度越来越高（80年代初一片硅片可集成十几万个晶体管，于是32位微处理器问世），微型计算机的出现及应用都促使控制系统发展。
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Ⅲ型和电动Ⅲ型，以微处理器为主要构成单元的智能控制装置。
PID控制算法（PID控制原理与程序流程）
PID控制算法（PID控制原理与程序流程）⼀、PID控制原理与程序流程(⼀)过程控制的基本概念过程控制――对⽣产过程的某⼀或某些物理参数进⾏的⾃动控制。
1、模拟控制系统图5-1-1 基本模拟反馈控制回路被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进⾏⽐较，得到偏差，模拟调节器依⼀定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执⾏器作⽤于过程。
控制规律⽤对应的模拟硬件来实现，控制规律的修改需要更换模拟硬件。
2、微机过程控制系统图5-1-2 微机过程控制系统基本框图以微型计算机作为控制器。
控制规律的实现，是通过软件来完成的。
改变控制规律，只要改变相应的程序即可。
3、数字控制系统DDC图5-1-3 DDC系统构成框图DDC(Direct Digital Congtrol)系统是计算机⽤于过程控制的最典型的⼀种系统。
微型计算机通过过程输⼊通道对⼀个或多个物理量进⾏检测，并根据确定的控制规律(算法)进⾏计算，通过输出通道直接去控制执⾏机构，使各被控量达到预定的要求。
由于计算机的决策直接作⽤于过程，故称为直接数字控制。
DDC系统也是计算机在⼯业应⽤中最普遍的⼀种形式。
(⼆)模拟PID调节器1、模拟PID控制系统组成图5－1－4 模拟PID控制系统原理框图2、模拟PID调节器的微分⽅程和传输函数PID调节器是⼀种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的⽐例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进⾏控制。
a、PID调节器的微分⽅程式中b、PID调节器的传输函数a、⽐例环节：即时成⽐例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差⼀旦产⽣，调节器⽴即产⽣控制作⽤以减⼩偏差。
b、积分环节：主要⽤于消除静差，提⾼系统的⽆差度。
积分作⽤的强弱取决于积分时间常数TI，TI越⼤，积分作⽤越弱，反之则越强。
c、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太⼤之前，在系统中引⼊⼀个有效的早期修正信号，从⽽加快系统的动作速度，减⼩调节时间。
过程控制系统 (2)
图7-1 定值控制系统阶跃响应过渡过程曲线
7.2 过程参数的检测与变送
在化工生产过程中，为了有效地进行生产操作和自动控制， 需要对工艺生产中的压力、流量、液位、温度等参数进行 测量。用来测量这些参数的仪表称为检测仪表，经常与变 送器配合使用。
将上述数据代入，得
EK (800,30) EK (800,0) EK (30,0) 32.074mV
例7-2 今用一只S型热电偶测温，已知冷端温度 t0 30C 测得热电势 Es (t,t0) 14.195mV
t 求被测介质的实际温度
解 由相应的分度表可知：
Es (30,0) 0.173mV
7.1.4 过程控制系统的性能指标
控制性能良好的过程控制系统，在受到外来干扰作用或者 给定值发生变化后，应能够平稳、迅速、准确地回到给定 值上。
在衡量一个控制方案时，必须给出相应的性能指标。 控制性能指标是根据生产工艺过程的实际需要确定的，过
渡过程是衡量控制系统性能指标的依据，一般采用定值控 制系统阶跃响应过渡过程曲线来讨论控制系统的性能指标。
数据代入变换，得
Es (t,0) Es (t,30) Es (30,0) 14.195 0.173 14.368(mV )
再由附录可以查得l4.368mV对应的温度t为1400℃。
工业常用的热电偶有铂铑 10
铂热电偶，分度号为S；镍铬一镍硅热电偶，分度号为K；镍铬一康铜热电 偶，分度号为E，选用时根据要求而定。
(3)利用热阻效应测温，它利用导体或半导体的电阻随温 度变化的性质制成。
(4)利用热辐射原理测温，利用物体辐射能随温度变化而 变化的性质制成，属于非接触式温度计.
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
过程控制第1章_绪论
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§1-3 方块图与流程图
反馈： 闭环控制系统中，输出变量（或信号）沿着回路中的 信号流动方向总会返回到系统的输入端，与给定值进 行比较。这种把系统（或方块）的输出信号引回到系 统输入端的做法叫做反馈。
若反馈信号（被控变量测量值z）与给定值信号的方 向相反，即反馈信号z 取负值，则叫做负反馈。 测量信号与给定值信号方向相同，则叫做正反馈。 闭环控制系统是靠负反馈来达到控制的目的。 例：储槽液位控制系统；炉温控制系统
1
一、生产过程及其特点 连续生产过程主要有以下几种形式： 1 ．传热过程 通过冷热物流之间的热量传递，达到控制介质温 度、改变介质相态或回收热量的目的。典型设备：换 热器 2 ．燃烧过程 通过燃料与空气混合后燃烧为生产过程提供动力 和热源。典型设备：加热炉
2
一、生产过程及其特点 3 ．化学过程 由两种或几种物料化合成一种或多种更有价值的 产品的反应过程。典型设备：反应器
按被控变量的名称分类 温度，压力，流量，液位，成分等控制系统
按被控变量的数量分类 单变量控制系统，多变量控制系统
按控制器的控制规律分类 比例P控制系统，比例积分PI控制系统，比例微积分PID 控制系统 按控制系统的结构分类 反馈控制系统，前馈控制系统，前馈-反馈控制系统，
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二、过程控制系统的分类
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§1-3 方块图与流程图
图1-7 液体贮槽的工艺控制流程图
图中所示，工艺控制流程图主要是由工艺设备、 管道、元件以及构成控制系统的仪表符号及信号线等 图形符号组成。
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§1-3 方块图与流程图 仪表图形符号： 仪表图形符号可用来表达工业自动化仪表所 处理的被测变量和功能，还可以表示仪表或元件 的名称。 仪表图形符号是直径为12mm的细实圆圈， 并在其中标有仪表位号。 仪表位号由字母代号和数字编号组成，如下例所示：
过程控制系统 复习总结!
过程控制系统知识点总结）一、概论1、过程控制概念：五大参数。
过程控制的定义：工业中的过程控制是指以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制。
2、简单控制系统框图。
控制仪表的定义：接收检测仪表的测量信号，控制生产过程正常进行的仪表。
主要包括：控制器、变送器、运算器、执行器等，以及新型控制仪表及装置。
控制仪表的作用：对检测仪表的信号进行运算、处理，发出控制信号，对生产过程进行控制。
3、能将控制流程图（工程图、工程设计图册）转化成控制系统框图。
4、DDZ -Ⅲ型仪表的电压信号制，电流信号制。
QDZ-Ⅲ型仪表的信号制。
它们之间联用要采用电气转换器。
5、电信号的传输方式，各自特点。
电压传输特点：1). 某台仪表故障时基本不影响其它仪表； 2). 有公共接地点；3). 传输过程有电压损耗，故电压信号不适宜远传。
电流信号的特点：1).某台仪表出故障时，影响其他仪表；2).无公共地点。
若要实现仪表各自的接地点,则应在仪表输入、输出端采取直流隔离措施。
6、变送器有四线制和二线制之分。
区别。
1、四线制：电源与信号分别传送，对电流信号的零点及元件的功耗无严格要求。
2、两线制：节省电缆及安装费用，有利于防爆。
活零点，两条线既是信号线又是电源线。
7、本安防爆系统的2个条件。
1、在危险场所使用本质安全型防爆仪表。
2、在控制室仪表与危险场所仪表之间设置安全栅，以限制流入危险场所的能量。
第一个字母：参数类型 T ——温度（Temperature ） P ——压力（Pressure ） L ——物位（Level ） F ——流量（Flow ） W ——重量（Weight ） 第二个字母：功能符号 T ——变送器（transmitter ） C ——控制器（Controller ） I ——指示器（Indicator ） R ——记录仪（Recorder ） A ——报警器（Alarm ）加热炉8、安全栅的作用、种类。
基本过程控制系统
给定值
基本过程控制系统 名词术语
给定值
控制 广义被控对象
被调量
1．生产过程（被控对象）
生产设备以及所发生的物理和化学变化的过程。
被置于控制系统中过程称为被控对象 2．控制系统 控制仪表和生产过程通过信号的传递互相联系起来就构成控 制系统。 3．被调量（被控制量）
基本过程控制系统
给定值+ 控制器 测量变送器 执行器 调节阀
TI：积分时间 TD：微分时间 KD：微分增益
实际PID
基本过程控制系统 2．PID调节的优点
原理简单（适用和实现方便）
鲁棒性强（对过程参数变化不敏感） 3．调节器偏差的定义 按仪表制造业的规定： 调节器偏差=测量值-给定值，即 工业调节器的基本构成
r + y 反
e(t) = y(t) - r(t)
基本过程控制系统
火力发电厂热工过程控制
基本过程控制系统
什么是过程控制？
工业生产过程 指原材料经过若干加工步骤转变成产品的过程。 工业生产过程可分为： 连续生产过程 离散生产过程 间歇生产过程（批量生产过程）。
基本过程控制系统 工业生产的目标 在可能获得的原料和能源条件下，以最经济的途径将原材 料加工成预期的合格产品。 理想条件
正
-1 1 u
|PID|
设置正反作用开关的目的：使控制系统构成闭环负反馈系统
基本过程控制系统
K= y Δμ 0
T
τ 的作图法
Y
b
Y∞
τ
T
t
c
基本过程控制系统
Ke-τs （2）确定 G(s) = 参数的两点法 Ts + 1 y(t) * y t = • 将响应曲线标幺 y()
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任课教师：黄学章、张建智
08.10.2020
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前言
❖ 课程简介及课程内容 ❖ 课程的重要性 ❖ 教学团队 ❖ 课程安排 ❖ 参考文献 ❖ 考核办法
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课程简介及课程内容
❖ 过程控制仪表+过程控制系统 （Process Control Instrument and System）
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教学团队
❖ 任课教师：黄学章；张建智；宋彦坡 ❖ 联系方式：
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课程安排
❖ 请参考教学日历（40学时）
❖ 绪论（4学时）+过程控制仪表（8学时）+过 程控制系统（14学时）+计算机控制系统（4 学时）+工程应用（6学时）+机动（2学时）+ 复习（2学时）
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参考文献
[1] 刘玉长主编，自动检测和过程控制，第四版，冶金工业出版社，2010 [2] 周泽魁主编，控制仪表与计算机控制装置，化学工业出版社，2002 [3] 何衍庆、俞金寿主编，工业生产过程控制，化学工业出版社，2004 [4] 潘永湘主编，过程控制与自动化仪表第2版，机械工业出版社，2007 [5] 曹润生等编，过程控制仪表，浙江大学出版社，1987 [6] 徐春山主编，过程控制仪表，冶金工业出版社，1995. [7] 吴勤勤主编，控制仪表及装置，第二版，化学工业出版社，2002 [8] 方康玲主编，过程控制系统，武汉理工大学出版社，2002 [9] 王骥程、祝和云主编，化工过程控制工程，化工出版社，1981 [10] 向婉成主编，过程控制调节装置，机械工业出版社，1987 [11] 涂植英等主编,过程控制系统, 机械工业出版社，1988 [12] 金以慧主编，过程控制，清华大学出版社，1993.4 [13] 孟华主编，工业过程检测与控制，北京航空航天大学出版社，2002 [14] 俞金寿、蒋慰孙编著，过程控制工程，电子工业出版社，2007 [15] 林德杰主编，过程控制仪表及控制系统，机械工业出版社，2004 [16] 侯志林，过程控制与自动化仪表，机械工业出版社，2007
炉墙
省 煤
热空气 送往炉膛
器 空气预热器
给水
冷空气
烟气 (经引风机送往烟囱)
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锅炉设备的三大控制系统
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
主要控制系统：（1）锅炉汽包水位的控制；
（2）锅炉燃烧系统的控制；
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变 送 器
执 行 器
调 节 器
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水槽液位控制
F1
F1
L C
F2
工作过程：
F1增加 → L增加 → 变送器输出信号增加 → 偏差（测 量值-设定值）为正、增加 → 控制器输出增加 →阀开 度增加 → F2增加 → L降低；
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1.1.1 过程控制系统
例2：锅炉汽包水位控制
汽包
❖ 课程简介：本课程为专业基础课，具有较高的理论性与实践性。 其目的和任务是通过本课程的学习，学生将掌握单回路和常见复 杂过程控制系统的组成、工作过程、特点以及应用等知识，为毕 业设计及将来学习和工作打下过程控制的专业基础。
❖ 主要内容： ①过程控制仪表与装置：包括过程控制仪表的组成与分类、控制 器（可编程调节器）与控制规律、变送器、执行机构与调节阀等； ②过程控制系统：包括过程控制系统的组成、单回路过程控制系 统的设计、要求和参数整定；常用复杂过程控制系统的原理和特 点，以及设计和应用。此外，还要了解计算机控制系统（PLC)、 先进的过程控制系统和智能控制系统，以及各类过程控制系统在 工业生产过程中的实际应用。
❖ 本课程是培养学生综合应用所学知识设计工业生产过程 控制系统的专业课，具有很强实践性。
❖ 涉及的学科面广，是一门与材料科学、计算机技术、信 息技术密切相关的快速发展的学科。
❖ 与专业方向相关：热能工程；电厂动力；内燃机；制冷 与低温工程；环境与设备工程；热工自动化；新能源科 学与工程。
❖ 与学术研究相关：热工过程与设备的计算机仿真与优化； 节能与环保新技术；热工过程检测；诊断与智能决策； 现代热物性测试技术；新型制冷系统与装置；空调系统 与设备节能新技术；CFD建筑能耗分析与管理研究；建 筑室内外空气品质及其控制。
蒸汽 玻璃管液位计
省煤器
给水 （a）手动控制
汽包
蒸汽 LT LC
省煤器 （b）自动控制
给水
锅炉汽包液位控制
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1.1.1 过程控制系统
锅炉
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14
锅炉
1.1.1 过程控制系统
汽 包
热空气 燃料
炉 膛燃料嘴负荷设备源自调节阀DPM 减温器
过热蒸汽送 负荷设备
过热器
（3）过热蒸汽系统的控制。 16
1.1.1 过程控制系统
例2：锅炉汽包水位控制
汽包
蒸汽 玻璃管液位计
省煤器
给水 （a）手动控制
汽包
蒸汽 LT LC
省煤器 （b）自动控制
给水
锅炉汽包液位控制
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1.1.1 过程控制系统
例3：加热炉的温度控制
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08.10.2020
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相关课程
前期课程
•计算机应用基础 •计算机程序设计
•流体力学 •传热学
•工程热力学 •自动控制原理 •热工测试技术
Text
热工过程 控制工程
后续课程
•计算机控制技术 •内燃机电控技术 •数据采集与处理技术 •工程数据分析方法
•课程设计 •毕业设计
08.10.2020
4
课程的重要性
08.10.2020
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考核办法
❖ 平时成绩(30%)＋期末笔试(70%) ❖ 平时成绩：考勤（5分/次）
作业（5分/次） 回答问题（5分/次） 课堂秩序（5分/次） ❖ 考勤有4次未到者或平时成绩不及格者，取消考试资格
附加题：1、教室照明节电自动控制系统设计
2、校园厕所节水自动控制系统设计
3、公交车实时信息预报系统的研究和设计
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第一章 过程控制系统的基本概念
1.1 过程控制系统的组成与分类 1.2 过程控制系统的过渡过程和品质指标 1.3 被控对象特性 1.4 被控过程的数学模型
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1.1.1 过程控制系统
例1：水槽液位控制
进
进
料
料
口
口
玻璃管液位计
H 出 料 口
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