2014过程控制及仪表第八章概述
第八章先进过程控制系统
预测步长：优化所顾及的时段
J =
ω i [ y p ( k + i ) y r ( k + i )]2 ∑
i =1
P
非负加权系数，表示未来各采样时刻 的偏差在目标函数J中所占的比重
8.1 预测控制---控制算法
当P和L不等于1时，选取目标函数为：
J = YP (k ) Yr (k )
+ U 2 (k ) Q
预测长度P、控制长度L等参数的选取会对算法性能产生影响 1）预测长度P要求必须覆盖整个响应曲线的主要部分。P值大，预 测控制系统的鲁棒性越强，但动态响应变差，计算量和存储容量也 相应增大；P值大，对干扰的鲁棒性变差。通常，选取P=2L。 2）控制长度L值大，控制灵敏度高，系统稳定性和鲁棒性变差，计 算量和存储容量也相应增大；L值小，控制机动性差，控制灵敏度 差。通常，选取L在10以下。 3）控制加权矩阵R和误差加权矩阵Q应该同时加以考虑。R用于降低 控制作用的波动，使控制作用平稳变化。通常，R取较小的数值。
a1 0 0 aN aN1 a3 a2 a a 0 0 a a a 1 N 4 3 A2 = 2 A = 1 aP aP1 a1 P×P 0 0 aN aP+1P×(N1)
阶跃响应曲线
8.1 预测控制---预测模型
预测模型依赖于过程的内部特性，而与过程在k时刻的实际输出无 关，所以是基于非参数模型的开环预测模型。 采用反馈修正的方法对上述开环预测模型进行修正。
A( q 1 ) = I + A1q 1 + A2 q 2 + + An q n , Ai ∈ R n×n
B ( q 1 ) = B0 + B1 q 1 + B2 q 2 + + Bm q m , Bi ∈ R n× n
第八章控制系统工程设计 过程控制系统课件
第八章 控制系统工程设计
8.1.3 自控系统工程设计的方法
接到一个工程项目后，在进行自控系统的工程设计时，一般应按照 以下所述的方法来完成。
（1）熟悉工艺流程 熟悉工艺流程是自控设计的第一步。自控设计人员对工艺流程熟悉
和了解的深度将决定设计的好坏与成败。在此阶段还需收集工艺中有关的 物性参数和重要数据。
而文字资料则是对设计第八章控制系统工程设计表81被测变量和仪表功能的字母代号首位字母后继字母被测变量修饰词读出功能输出功能修饰词a分析报警b喷嘴火焰供选用供选用供选用c电导率控制d密度差e电压电动势检测元件f流量比分数g供选用视镜观察h手动高i电流指示j功率扫描第八章控制系统工程设计自动手动操作器k时间时间程序变化速率l物位指示灯低m水分或湿度瞬动中中间n供选用供选用供选用供选用oo供选用节流孔p压力真空连接或测试点q数量积算累计r核辐射记录s速度频率安全开关联锁第八章控制系统工程设计t温度传送变送u多变量多功能多功能多功能v振动机械监视阀风门百叶窗w重量或力套管x未分类x轴未分类未分类未分类y供选用y轴继动器继电器计算器转换器z位置尺寸z轴驱动器执行元件第八章控制系统工程设计对于表81中所涉及的内容简要说明如下
第八章 控制系统工程设计
8.1.1 工程设计的基本任务和设计步骤
1．基本任务与设计宗旨 自控系统工程设计的基本任务是：依据生产工艺的要求， 以企业经济效益、安全、环境保护等指标为设计宗旨，对生产 工艺过程中的温度、压力、流量、物位、成分及火焰、位置、 速度等各类质量参数进行自动检测、反馈控制、顺序控制、程 序控制、人工遥控及安全保护（如自动信号报警与联锁保护系 统等）等方面的设计，并进行与之配套的相关内容（如控制室、 配电、气源，以及水、蒸汽、原料、成品计量等）的辅助设计。 在实际工作中，必须按照国家的经济政策，结合工艺特点 进行精心设计。一切设计既要注意厂情，又要符合国情，严格 以科学的态度执行相关技术标准和规定，在此基础上建树设计 项目的特色。总之，工程设计的宗旨应切合实际、技术上先进、 系统安全可靠、经济投入/效益比要小。
《自动化仪表及过程控制》课程教学大纲
《自动化仪表及过程控制》课程教学大纲英文名称：Automatic Instruments and Process Control 课程编号：适用专业：自动化学时： 54 学分： 3课程类别：专业方向课课程性质：限选课一、课程的性质和目的《自动化仪表及过程控制》是自动化专业的重要专业课。
本课程在系统简明地阐述常用过程量测控仪表和计算机控制系统基本原理和基本知识的基础上，同时介绍自动调节系统设计和整定的基础知识，通过本课程的学习，使学生掌握生产过程控制的基础知识和基本应用技术。
二、课程教学内容概述主要内容：1、自动化仪表的概念及其发展；2、DDZ仪表及其控制系统；3、自动化仪表的基本性能指标。
第一章检测仪表基本内容和要求：1、了解温度测量的概念和工业上常用的测量方法；2、掌握热电偶的测温原理及其应用；3、掌握热电阻的测温原理及其应用；4、理解温度变送器的基本结构；5、了解工业生产中压力参数的概念和常用压力测量原理；6、理解压力式、力平衡式、位移式和固态测压元件及其变送器的工作原理；7、理解节流式、容积式流量测量的基本原理及其应用。
8、理解涡轮、电磁、漩涡等流量测量方法的应用；9、理解浮力式、静压式、电容式、超声式等常用液位测量原理；10、了解成分分析仪表的基本概念。
教学重点：1、常用温度仪表、压力仪表、液位仪表、流量仪表和成分仪表的工作原理及其应用。
2、分度表，分度号，热电偶的冷端延伸和冷端补偿，热电阻的三线制；3、差动电容压力变送器工作原理；4、差压流量计的流量公式；5、差压变送器的零点迁移原理。
第二章调节器基本内容和要求：1、重点掌握PID调节规律的原理及其应用；2、理解PID模拟电路的结构原理；了解二位式和连续调节仪表应用的基础知识；3、理解数字PID算法基本表达式及其原理；4、简单了解工业现场常用模拟和数字调节器的基本结构及其应用。
PID调节规律的原理及其应用；第三章集散控制系统和现场总线控制系统基本内容和要求：1、了解单回路可编程调节器的概念2、了解DCS系统的基本概念；3、理解DCS系统的结构特点及其组成；4、理解DCS控制站和操作站的功能；5、了解FCS系统的基本概念；第四章执行器和防爆栅基本要求1、熟炼掌握气动调节阀的基本结构、原理及其应用等基本概念；2、熟悉调节器流量特性的定义及其应用；3、理解和掌握气动执行器气开/气关的形式及其选择原则；4、了解电动执行器及电气转换器的基本原理；5、简单了解工业控制系统防爆的基本概念。
自动化仪表及过程控制
第一章绪论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●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.集散控制系统(DCS)✧集散控制系统-----是集计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术为一体的装置。
系统在结构上是分散的(生产过程是分散系统)，但过程控制的监视、管理是集中的。
●优点：将计算机分布到车间或装置。
使系统的危险分散，提高了系统的可靠性，能方便灵活地实现各种新型的控制规律与算法，实现最佳管理。
●集散控制系统的结构原理框图：●集散控制系统的结构组成：1)过程输入-输出接口：又叫数据采集站，数据采集与预处理，对实时数据进一步的加工，操作站的显示与打印。
2)过程控制单元：又称基本控制器，是集散控制系统的核心。
不同的集散控制系统其差别较大。
3)CRT操作站：是集散控制系统的人-机接口装置。
执行监控操作、系统组态、编程、动态流程图显示以及部分生产管理。
4)高速数据通路：实现集散控制系统各处理机之间数据传送。
5)管理(上位)计算机：进行集中管理与最佳控制，实现信息-控制-管理一体化。
第二节过程控制系统及其组成1.过程控制系统组成由测量元件、变送器、调节器、调节阀、被控过程等环节构成。
一个简单的过程控制系统＝被控过程＋过程检测控制仪表（测量元件、变送器、调节器和调节阀）2.过程控制系统实例1（发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统）过热蒸汽的温度是生产工艺的重要参数3.过程控制系统实例2（PH控制系统）第三节过程控制的特点及系统分类1. 过程控制系统特点系统由过程检测控制仪表组成被控过程的多样性生产规模不同、工艺要求各异、产品品种多样。
过程控制仪表与装置
【适合场合】：对象滞后大，负荷变化大但不频繁，控制要求
刘高玉场长合，如反应器温度控制或成份控制等。
PID控制规律特点及合用场合
P
PI
PD
PID
(1)速度快
特 (2)有静差 点
(1)存在滞后， (1)超前控制， ❖结合P、I
控制不及时 减小动态偏
、D旳优点
(2)无静差 差
刘玉长
七、模拟控制器
DDZ-Ⅲ型控制器。
刘玉长
刘玉长
八、数字控制器
(一)概述 数字控制器是在模拟控制仪表旳基础上采用
数字技术和微电子技术发展起来旳新型控制器。 其构造与微型计算机十分相同，只是在功能上以 过程控制为主。
数字控制器分为：(1)单回路或多回路控制器； (2)可编程序逻辑控制器(PLC)；(3)工业控制计算 机(IPC)；(4)集散控制系统(DCS)；(5)现场总线控 制系统(FCS)。 本节仅简朴简介单(或多)回路控制
控制器旳输出信号y与输入偏差信号e(=PV-SP)之间随时间变 化旳规律y=f(e)叫做控制器旳控制规律，也称之为控制器旳特征。
不同旳控制规律适应不同旳生产要求。要选用合适旳控制规 律，首先必须了解控制规律旳特点与合用条件，根据工艺指标旳
刘要玉求，长结合详细对象特征，才干做出正确旳选择。
一、双位控制
(三)速度式PID控制算式
v (n) = u(k) / TS
刘玉长
增量式PID控制算式特点
与位置式PID相比，增量式PID算法有下列优点： (1)位置式PID算法每次输出与整个过去状态有关，计算式中
要用到过去误差旳累加值∑ej，这么轻易产生较大旳累积 计算误差。而增量式PID只需计算增量，计算误差或精度 不足时对控制量旳计算影响较小； (2)控制从手动切换到自动时，位置式PID算法必须首先将计 算机旳输出值置为原始阀门开度u0，才干确保无冲击切换。 假如采用增量算法，则因为公式中不出现u0项，这易于实 现手动到自动旳无冲击切换。所以在实际控制中，增量 式PID算法要比位置式PID算法应用更为广泛。
第八章 化工过程控制方案解读
11
第一节 流体输送设备的自动控制
1.直接控制流量
对于低压的离心式鼓风机，一般可在其出口直 接用控制阀控制流量。由于管径较大，执行器可采 用蝶阀。其余情况下，为了防止出口压力过高，通 常在入口端控制流量。因为气体的可压缩性，所以 这种方案对于往复式压缩机也是适用的。
为了减少阻力损失，对大型压缩机，往往不用 控制吸入阀的方法，而用调整导向叶片角度的方法。
4
第一节 流体输送设备的自动控制
2.控制泵的转速
图8-3中曲线1、2、3表示 转速分别为 n1 、 n2 、 n3 时的流 量特性，且有n1＞n2＞n3。 该方案从能量消耗的角度 来衡量最为经济，机械效率较 高，但调速机构一般较复杂， 所以多用在蒸汽透平驱动离心 泵的场合，此时仅需控制蒸汽 量即可控制转速。
Q KFtm
整理后，得
G2c2 t2 t1 G2c2 T1 T2 KFtm
KFt m t2 t1 G2c2
移项后改写为
19
第二节 传热设备的自动控制
如果载热体本身压力 不稳定，可另设稳压系统， 或者采用以温度为主变量、 流量为副变量的串级控制 系统。
图8-13 换热器串级控制系统
图8-14 用载热体旁路控 制温度
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第二节 传热设备的自动控制
3.控制被加热流体自身流量
只能用在工艺介 质的流量允许变化 的场合。
图8-15 用介质自身流量调温度
22
第二节 传热设备的自动控制
4. 控制被加热流体自身流量的旁路
当被加热流体的总流 量不允许控制，而且换热 器的传热面积有余量时 ， 可将一小部分被加热流体 由旁路直接流到出口处 ， 使冷热物料混合来控制温 度。
复杂过程控制系统
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过程控制及仪表
2．相对增益
在多变量过程控制系统中，虽然变量间相互关联，然而 总有一个操纵变量对某一被控变量旳影响是最基本旳， 对其他被控变量旳影响是次要旳，这就是操纵变量与被 控变量间旳搭配关系，也就是常说旳变量配对。
相对增益便是用来衡量一种选定旳操纵变量与其配正 确被控变量间相互影响旳尺度。
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过程控制及仪表
该系统中被控变量有两个，分别是塔顶温度T1 和塔底 温度T2；操作变量也有两个，即加热蒸汽流量Q2和回流 Q3。
T1C为塔顶温度控制器，其输出P1控制回流控制阀， 控制塔顶旳回流量，实现对塔顶温度T1旳控制。
T2C为塔底温度控制器，其输出P2控制再沸器加热蒸 汽控制阀，控制加热蒸汽流量Q2，实现对塔底温度T2旳 控制。
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过程控制及仪表
2．教授系统旳特点
教授系统经过移植到计算机内旳相应知识，模拟人类教 授旳推理决策过程。这一人工智能处理措施与常规旳软 件程序相比，具有如下旳明显特征：
1）教授系统是一种知识信息处理系统。 2）教授系统具有高度灵活旳问题求解能力。
3）教授系统具有启发性和透明性。
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过程控制及仪表
根据其设计原理和构造旳不同，主要涉及： 增益调度自适应控制; 模型参照自适应控制系统; 自校正控制系统等。
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过程控制及仪表
1．增益调度自适应控制
这是一种最为简朴旳自适应控制系统，主要经过监测 过程旳运营条件来变化控制器旳参数，以此补偿系统 受环境等条件变化而造成对象参数变化旳影响，故称 为增益调度自适应控制。
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过程控制及仪表
过程控制系统教学大纲精选全文完整版
可编辑修改精选全文完整版教学大纲英文课程名称：Process Control课程编号：0201508总学时：48 （其中理论课学时：44 实验学时：4）总学分：3先修课程：微机原理与接口技术、自动控制理论Ⅰ、检测仪表及检测技术适用专业：自动化开课单位：电子信息与控制工程学院自动化教研室执笔人：张新荣审校人：刘星萍一、课程教学内容第一章绪论第一节过程控制系统的组成及其分类简单控制系统的组成；控制系统按照给定信号分类；按照控制结构分类。
第二节过程控制系统的特点第三节过程控制系统的质量指标第四节过程控制系统的发展概况自动化控制系统的几个发展时期的时间。
第二章被控过程的数学模型第一节概述建立被控过程数学模型的目的；被控过程数学模型的类型。
第二节解析法建立过程的数学模型单容水槽过程、双容水槽过程数学模型机理建模方法；液阻、液容的概念；阶跃响应曲线特点；有时延单容水槽过程、有时延双容水槽过程数学模型；多容过程数学模型。
第三节响应曲线辨识过程的数学模型由对象阶跃响应曲线用作图法及两点法确定对象的传递函数。
第三章变送单元第一节概述变送的基本概念。
各种差压变送器结构、原理、特点。
第三节温度变送器温度变送器组成、工作原理及线性化原理。
第七节微型化、数字化和智能化变送器变送器的发展趋势；各种微型化、数字化和智能化变送器的结构、原理。
第四章调节单元概述调节器基本概念；PID控制规律；各控制规律的特点；参数改变对控制质量的影响。
第一节 DDZ—Ⅲ型调节器DDZ-Ⅲ型调节器输入部分；PI部分；PD部分；硬手动；软手动电路；输出部分工作原理。
第二节改进型调节器抗积分饱和调节器；微分先行PID调节器；比例微分先行PID调节器。
第三节数字式调节器数字式调节器组成、特点、应用。
第五章执行单元第一节概述执行器的作用；执行器的分类。
第二节电动执行机构电动执行机构结构、工作原理。
第三节气动执行机构气动执行机构结构、工作原理、作用形式。
第四节气动薄膜调节阀调节阀的工作原理；调节阀的分类；调节阀的选择。