华北电力大学过程控制第一部分绪论
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顺序控制 华电第一章
第二节 PLC概述 一、PLC的发展简史 1968年，美国通用汽车公司提出招标要求。 1）编程简单，可在现场修改程序； 2）维护方便，最好是插件式； 3）可靠性高于继电器控制柜； 4）体积小于继电器控制柜； 5）可将数据直接送入管理计算机； 6）在成本上可与继电器控制竞争； 7）输入可以是交流115V（美国电网电压为110V）； 8）输出为交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀； 9）在扩展时，原系统只需作很小变更； 10）用户程序至少能扩展到4K以上。 1969年，美国数字设备公司按招标要求完成了研制工作。
七、PLC的发展趋势
向网络化、高可靠性、多功能方向发展
网络化
PK 分散控制系统
可靠性
向小型化、低成本、简单易用方向发展 向控制与管理功能一体化方向发展 向编程语言标准化方向发展
第二节 PLC的基本构成及工作原理
一、PLC的基本构成
软件 系统程序 系统
用户程序
编程器
存储器
基本 单元
The first PLC was installed at General Motors Oldsmobile plant and at the Lanids Company in Landis, Pennsylvania in 1970. Mr. Morley is shown at right with the first PLC.
三、PLC主要生产厂家：
1.美国的PLC： 如罗克韦尔(Rockwell)公司（包括 AB公司）
产品，通用电气（GE）产品。
2.欧洲的PLC： 如西门子（Siemens)公司产品，施耐德
(Schneider)公司的产品。
3.日本的PLC： 如欧姆龙（OMRON）公司的产品，三
过程控制_第一章
计算机过程控制系统
计算机过程控制系统框图
计算机代替模拟调节 器 计算机过程控 制系统
25
1.3
过程控制系统的组成
例4 集散控制系统（DCS)
(1)过程输入－输出接口 (2)过程控制单元 (3)数据高速通路 (4)CRT操作站 (5)管理计算机(－上位机)
集散控制系统基本组成框图
26
1.3
过程控制系统的组成
18
1.3
4—调节阀
过程控制系统的组成
3—温度调节器 2— 温度变送器 1—热电阻
饱和蒸汽
加温
过热蒸汽温度控制系统控制流程图
19
1.3 过程控制系统的组成
控制过程：
本系统采用DDZ-Ⅲ 型电动单元组合仪表。系统中过
热蒸汽温度采用热电阻温度计1来测量，并经温度变送 器2（TT)将测量信号送至调节器（TC)3的输入端，与过 热蒸汽温度的给定值进行比较得到其偏差，调节器按此 输入偏差以某种控制规律进行运算后输出控制信号，以 控制调节阀4的开度，从而改变减温水流量大小，达到 控制过热蒸汽温度的目的。
课程名称：过程控制 授课对象：电气工程及自动化专业 先修课程：电子技术基础 检测与信号处理技术 自动控制理论 主要教材及参考书： 邵裕森，《过程控制工程》（第2版）， 机械工业出版社，2004
第一章
本章主要内容
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 过程控制的基本概念 过程控制的任务 过程控制系统的组成 过程系统的分类 过程控制的特点 过程控制的发展状况 课程内容简介
33
1.4
过程控制系统的分类
过程控制系统有多种分类方法。按所控制的 参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流 量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来 分，有模拟控制系统与数字控制系统；按照控制 器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制 系统等。
过程控制知识点总结
过程控制知识点总结第一篇：过程控制知识点总结绪论气动控制：仪表信号的传输标准：0.02-0.1Mpa 电动控制：DDZ-2信号的传输标准：0-10mADCDDZ-3信号的传输标准：4-20mADC 计算机控制:DCS、PLC（模拟量4-20mA、1-5V）FCS（标准协议）稳定性指标：衰减比（衰减率）准确性指标：残余偏差，最大动态偏差，超调量快速性指标：调节时间（振荡频率）第一章1、被控对象：即被控制的生产设备或装置被控变量－被控对象需控制的变量2、执行器：直接用于控制操纵变量变化。
执行器接收到控制器的输出信号，通过改变执行器节流件的流通面积来改变操纵变量。
常用的是控制阀。
3、控制器（调节器）：按一定控制规律进行运算，将结果输出至执行器。
4、测量变送器：用于检测被控量，并将检测到的信号转换为标准信号输出。
稳态：系统不受外来干扰，同时设定值保持不变，因而被调量也不会随时间变化，整个系统处于稳定平衡的工况动态：系统受外来干扰或设定值改变后，被控量随时间变化，系统处于未平衡状态。
过度过程：从一个稳态到达另一个稳态的过程。
过渡过程的形式：非周期过程（单调发散和单调衰减）；振荡过程（发散、等幅振荡、衰减振荡）评价控制系统的性能指标：稳定性、准确性、快速性稳定性：稳定性是指系统受到外来作用后，其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。
准确性：理想情况下，当过渡过程结束后，被控变量达到的稳态值（即平衡状态）应与设定值一致。
快速性：快速性是通过动态过程持续时间的长短来表征的。
多数工业过程的特性可分为下列四种类型：自衡的非振荡过程；无自衡的非振荡过程；有自衡的振荡过程具有反向特性的过程放大系数K对系统的影响：控制通道（放大系数越大，控制作用对扰动的补偿能力强，有利于克服扰动的影响，余差就越小）。
扰动通道（当扰动频繁出现且幅度较大时，放大系数大，被控变量的波动就会很大，使得最大偏差增大；）滞后时间τ对系统的影响：控制通道（滞后时间越大，控制质量越差）扰动通道（扰动通道中存在容量滞后，可使阶跃扰动的影响趋于缓和，对控制系统是有利的）工业过程动态特性的特点（1）对象的动态特性是不振荡的（2）对象动态特性有迟延。
华电电力系统自动化第1讲_绪论自动装置
自动装置
微型计算机系统 工业控制计算机系统 集散控制系统 现场总线控制系统
自动化系统
EMS DMS …
2021/4/28
North China Electric Power University
26/43
自动装置硬件组成形式
1、微型计算机系统
对于控制功能单一的自动装置,其输入输出的电气量较少, 适于采用微型计算机系统,如同步发电机自动并列装置.
△f≤±0.2Hz 不正常状态：正常运行条件受到破坏，但还未发生
故障。等约束条件满足，部分不等约束条件不满足。
故障状态（继电保护考虑，本课程不考虑。）
2021/4/28
North China Electric Power University
12/43
电力系统状态——不正常运行状态
不正常运行状态：正常运行条件受到破坏，但 还未发生故障。等约束条件满足，部分不等约 束条件不满足。
暂态电能质量 稳态电能质量: 电压偏差、频率偏差,波形畸变（谐波）,三
相不平衡度,电压波动闪变
2021/4/28
North China Electric Power University
20/43
电力系统自动化的发展阶段(1)
1、手工阶段
电力工业萌芽阶段，电厂小，就近供电。在发电 机、开关设备旁就近监视设备和手工调节操作。
2021/4/28
North China Electric Power University
11/43
电力系统特点和工作状态
特点：电能无法大容量存储，生产消耗几乎同时。 正常工作状态:
电力系统的电压和频率电流等都在允许的范围以内，能够 保持长期安全工作的状态。
等约束（PQ平衡）和不等约束条件(IUS等)都满足 最关键的指标：Ue±10%,
微型计算机系统 工业控制计算机系统 集散控制系统 现场总线控制系统
自动化系统
EMS DMS …
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自动装置硬件组成形式
1、微型计算机系统
对于控制功能单一的自动装置,其输入输出的电气量较少, 适于采用微型计算机系统,如同步发电机自动并列装置.
△f≤±0.2Hz 不正常状态：正常运行条件受到破坏，但还未发生
故障。等约束条件满足，部分不等约束条件不满足。
故障状态（继电保护考虑，本课程不考虑。）
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电力系统状态——不正常运行状态
不正常运行状态：正常运行条件受到破坏，但 还未发生故障。等约束条件满足，部分不等约 束条件不满足。
暂态电能质量 稳态电能质量: 电压偏差、频率偏差,波形畸变（谐波）,三
相不平衡度,电压波动闪变
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电力系统自动化的发展阶段(1)
1、手工阶段
电力工业萌芽阶段，电厂小，就近供电。在发电 机、开关设备旁就近监视设备和手工调节操作。
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电力系统特点和工作状态
特点：电能无法大容量存储，生产消耗几乎同时。 正常工作状态:
电力系统的电压和频率电流等都在允许的范围以内，能够 保持长期安全工作的状态。
等约束（PQ平衡）和不等约束条件(IUS等)都满足 最关键的指标：Ue±10%,
过程控制 绪论
控制系统的调试和投用：控制系统安装完毕后，
按控制要求检查和调整各控制仪表和设备的工作状况 (包括控制器参数的在线整定)，依次将其投入运行。
举例：精馏塔控制系统
控制目标
TC
CV、MV选择
FC LC
进料
精 馏 塔
FC LC
控制方案
塔顶产品
控制算法
塔底产品
加热蒸汽
控制系统 调试与投用
常用控制算法
PID类（包括：单回路PID、串级、前馈、均匀、
控制系统的设计与实施（续）
调节阀的选择：根据被控变量与操作变量的工艺条
件及对象特性，选择合适大小与流量特性的调节阀；
控制算法的选择：依据控制方案选择合适的控制算
法。通常对于SISO系统，PID控制算法能满足大部分 情况；而对于MIMO系统，可采用的控制算法很多， 但一般都需要对象模型，仅适用于计算机控制系统。
选择被控变量：选择与控制目标直接或间接相关的
可测量参数作为控制系统的被控变量；
选择操作变量：从所有可操作变量中选择合适的操
作变量，要求对被控变量的调节作用尽可能大而快；
确定控制方案：当被控变量与操作变量多于1个时，
既可以直接用MIMO（多输入多输出）控制方案；也 可以将系统分解成几个SISO（单输入单输出）子系统 再进行设计（当然这里存在最佳分解问题）。
比值、分程、选择或超驰控制等）， 特点：主要适用于SISO系统、基本上不需要对 象的动态模型、结构简单、在线调整方便。
APC类（先进控制方法，包括：解耦控制、内
模控制、预测控制、自适应控制等）， 特点：主要适用于MIMO或大纯滞后SISO系统、 需要动态模型、结构复杂、在线计算量大。
自动化控制课件--过程控制.ppt
Ka[1 T1 T2 T1
t
e T1
T2 T2 T1
t
e ] T2
典型的阶跃响应曲线
qi
a t
h2 (t)
不相关 双容
2-5
自衡过程单容、双容及纯滞后对 象数学模型
Wo
(s)
Ko To S
1
Wo (s)
Ko (To S 1)
e s
Wo
(s)
(T1s
Ko 1)(T2 S
1)
Wo
(s)
3、程序控制系统
其给定值按预定的时间程序来变化。如机械工业 中的退火炉的温度控制系统，其给定值是按升温、 保温、 逐次降温等程序变化的。家用电器中应用定 值控制系统的也很多，如电脑控制的洗衣机、电饭煲 等。
§1-6 控制系统的质量指标
过程控制系统的评价指标可概括为：
系统必须是稳定的； （平稳） 系统应能提供尽可能好的稳态调节；（准确） 系统应能提供尽可能好的过渡过程。（迅速）
过程控制系统
第一章 绪论
1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
§1-1 课程的性质和教学安排
1、过程控制的概念
凡是采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或 某些物理变量进行的自动控制通称为过程控制。(另有电 力拖动控制方向)
2、过程控制是自动化专业的主要内容之一
(1)、从专业特点看
返回
(2)、从实际应用看
– 经过调节作用后，被控变量处于稳定范围时的特性。
输 入 量
0 t0
时间t
飞升曲线的四种形式
y
0
t0
t
1. 非周期衰减过程
y
0
t0
t
3. 等幅振荡过程
过程控制第一章
操纵 变量
给定 值
1.2.2 过程控制系统的分类：
1.按系统的开环和闭环分类 （1）开环控制系统
系统的被控量对系统的控制作用没影响，结构简单，没有 闭合回路，控制精度取决于系统各组成环节的精度。 有干扰时无法自动补偿，精度不能保证。只适用于输入和 输出关系已知，且不存在干扰或干扰很弱的场合。
态值上下振荡的次数；
上升时间tr：该时间是指系统的输出量第一次到达输出稳态 值所对应的时刻。对于无振荡的系统，常把输出量从输出稳 态值的10%到输出稳态值的 90%所对应的时间叫为上升时间；
延迟时间：响应曲线首次达到静态值的一半所需的时间， 记为td;
衰减比N：第一个波峰与第二个波峰之比，是反应过程稳定 性的一个指标。N>1为衰减振荡，N=1为等幅振荡，N<1为 发散振荡。 振荡周期T：从第一个波峰到第二个波峰的时间。 T的倒数为振荡频率，T越短。快速性越好。
被控对象中要求保持 设定值的工艺参数
除操纵变量外，作用于被 控对象并引起被控变量变 化的因素 给定值与实际值 蒸汽复合负荷的变化 之差 冷却水温度的变化
扰动 量
偏 差
被控 对象 锅炉汽包
被控变量 锅炉给水量 汽包的期望水位 的预定值 受控制器操纵，用以克服扰 动的影响使被控量保持设定 值的物料量或能量
过程控制
第一章 绪论
课程考核
平时成绩（占40% ）：出勤+课堂提 问+作业；
大作业（占60% ）。
先修课程：自动控制原理
第一章 绪论
人工控制与自动控制：
1.1 概述--过程控制及发展历史
一、什么是过程控制？
过程（工业生产过程）：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。 工业生产过程可分为： 连续生产过程和离散生产过程。 连续生产过程、离散生产过程和间歇生产过程 （批量生产过程）。
过程控制第1章_绪论
36
§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，
21
二、过程控制系统的分类
41
§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。
42
§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：
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学习要求：
绪论： 建立过程控制系统的基本概念，了解 现状及发展趋势
第一篇： 要求建立简单控制系统的基本概念； 理解控制系统的品质指标，生产过程被控对象动态特 性的特点，调节规律及调节参数变化对调节过程的影 响，调节阀的结构和工作流量特性；掌握由阶跃响应 曲线建立被控对象动态特性的方法和简单控制系统的 工程整定方法
第二篇：要求建立串级控制、比值控制、前馈控 制、大迟延系统和解耦控制的基本概念，理解这 些控制的基本特点和设计原理，掌握这些控制系 统的基本设计方法和基本整定方法 第十章： 要求了解火电厂热工控制基本组成，掌 握负荷控制、燃烧控制、给水控制及汽温控制的 常规设计方法。
参考书：
1 热工自动控制系统 中国电力出版社，李遵基， 1999年
水位H
定值+
-
控制器
（广义过程）
被 调 量
执行器 调节阀 对象
给水 流量
给定值
控制器
测量变送器
被调量
广义被控对象
名词术语
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。 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） 表征生产过程是否正常运行并需要加以调衡状态的过程，称为控制（调节）
9．系统工艺流程图：包括被控对象和控制设备的控制 系统示意图 10．控制系统结构方框图：不包括被控对象，描述控 制系统结构和控制功能的方框图 11．控制系统原理图：用传递函数描述控制系统的方 框图
过程控制的发展经历了三个阶段： 50年代：经典控制理论，简单系统，基地式气动仪表。 60—70年代：现代控制理论，以状态空间分析为基础， 揭示系统内在的规律性，为高水平的自动化奠定了基础， 电动单元组合仪表及早期的直接数字控制DDC（计算机 仪表）。 70年代—20世纪末：智能控制理论，将控制理论与其它 学科相互交叉、渗透和结合，DCS集散控制系统 21世纪：计算机网络技术的应用使控制设备之间的连接 更加简便——现场总线开始应用。
本课程学习内容：
1. 过程控制系统的基本要求 2. 生产过程的动态特性常用描述方法及特点 3. 调节器的动态规律及对控制系统的控制作用 4. 简单控制系统分析和设计方法 5. 串级控制、前馈——反馈控制、比值控制 6. 多变量控制系统 7. 火电厂热工控制系统实例分析
饱和蒸汽 水位H
过热蒸汽
给水 流量
过程控制
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并具有一
定生 产规模的过程。
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）。
工业生产过程的目标
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
原材料
合格产品
干扰
测量 变送器
控制器 （PID)
执行器
饱和蒸汽 水位H
过热蒸汽
给水流量
测量 变送器
控制器 （PID)
执行器
饱和蒸汽 水位H
过热蒸汽
被调量
给水流量
测量 变送器
控制器 （PID)
执行器
饱和蒸汽 水位H
过热蒸汽
给水流量
调节量
测量 变送器
控制器 （PID)
执行器
饱和蒸汽 水位H
过热蒸汽
调节阀
给水流量
给定值+
过程控制系统的设计与实现步骤：
确定控制目标
选择测量参数（被调量）
选择操作量（调节量） 测量
确定控制方案
变送器
选择控制算法
选择执行器
控制器 （PID)
设计报警和连锁保护系统
控制系统的调试和投运
执行器
饱和蒸汽 水位H
给水流量
过热蒸汽
学习本课程的目的：
建立过程控制系统的基本概念，掌握分析系统和设计系 统的基本方法。对典型系统能够分析和设计。
2 过程控制工程（第二版） 中国石化出版社，蒋 慰孙、俞金寿编著，1999年
3 工业过程控制工程 化学工业出版社，王树青等， 2003年
答疑方式及安排
1 课间答疑 2 每周三下午4：30以后 3 邮件答疑E-mail：
汽包炉汽水生产过程
测量 变送器
控制器 （PID)
执行器
饱和蒸汽
过热蒸汽
广义被控对象
控制
产品？
过程控制主要是指连续过程工业的过程控制
过程控制
教 材：
过程控制 清华大学出版社，金以慧，1993年
教学内容：
绪论 第一篇 简单控制系统 第二篇 复杂控制系统 第十章 火电厂热工过程控制系统
学习目的：
通过本课程的学习，建立过程控制系统的 基本概念，掌握分析系统和设计系统的基本方 法。达到对典型系统能够分析和设计的能力。
4．给定值 按生产要求被调量必须维持的希望值（简称给定
值）。 5．调节机构
6．控制量（调节量） 由操作者或调节机构(阀门、挡板等)改变的输入物
理量，用以控制被调量的变化。称为控制量。 7．扰动
引起被调量偏离平衡状态的各种原因称为扰动。
8．控制过程（调节过程） 原来处于平衡状态的生产过程，一旦受到扰动作用，
生产过程对过程控制的要求：
安全性——（要求在整个生产过程中确保人身和设备的安全） 经济性——（要求在生产同样质量和数量产品所的能量的原材料最少） 稳定性——（要求系统具有抑制外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力）
过程控制的任务：
应用控制理论对控制系统进行分析和综合，采用适宜的技 术手段使系统实现安全性、经济性和稳定性的要求。
-
控制器
扰动2
扰动1
执行器 调节阀
对象
被调量
测量变送器
给定值
控制器
广义被控对象
被调量
新平衡 状态
原平衡 状态
控制过程 （调节过程）
测量
ΔP I
变送器
PID 控制器
（PID) Kv
执行器 F(x)
控制系统结构图
给定值
控制器
被调量
广义被控对象
r+ -
Gc(s)
y
Gp(s)
控制系统原理图