工业过程控制系统的综合与设计
过程控制系统与设计
1．汽包水位过程的动态特性 输入量有两个：一是给水流量（操作量），另一个为过热蒸汽流量（干扰量）。被控量为汽包
从工作过程看，给水经省煤气加热后送到汽包，经加热蒸发为气体，再经过热器后供使用。
水位。控制的基本思路是，通过维持汽包水位恒定，达到供给水与蒸发气体流量的平衡。给水
被控过程结构如图 10-3 所示。
10.2.2 汽包水位控制系统
使锅炉汽包水位处在一定范围是锅炉稳定而安全运行的基本要求。这是因为，如果汽包水 位过高，饱和蒸汽带水过多，水汽难分离，从而使过热管壁结垢，过热蒸汽温度因为传热阻力 增大而下降。如果该过热蒸汽作为汽轮机动力源，则蒸汽带水会损坏汽轮机叶片，进而影响运 行的安全性；如果汽包水位过低，则汽包水量较少，当负荷较大时，水的汽化速度快，因水量 供给不足，会使汽包内的水全部汽化，进而导致锅炉烧坏或爆炸。所以，汽包水位过高或过低， 都将产生较为严重的后果，必须将其控制在一个较为严格的范围之内。
（7）控制室与现场设备之间相关连接的设计：根据现场设备的位置，进行现场与控制室之 间仪表管线的配置。并画出相关的图纸和表格，例如，电缆表、管缆表、仪表伴热绝热表、配 线图、配管图、仪表电缆桥架布置图等。 （8）根据与控制相关的设备、材料的选用情况，编制有关设计文件：在进行仪表与控制设 备的设计、安装和使用中，可能会选用一些辅助设备和材料，需要根据施工要求，画出相关图 纸、编制相关材料表格。 （9）编写设计文件目录，归档编号等：整理设计文件，编制设计文件目录、仪表规定和施 工要求等工程设计文件，统一定制归档编号。 3. 工程安装与仪表调试 工程安装是保证系统正常工作的前提。工程安装是依据施工图纸，对控制系统进行装配与 调试。安装完毕后，需对照图纸逐项逐条检查核实，然后对每台仪表进行单独校验，接着对每 个控制回路进行校验，对控制器还需进行参数整定（属下面的内容），待各部分完成调试后， 还需进行整个系统进行联动校验。由于这部分内容实践性较强，需在现场实际操作才能获得具 体的技能。 4. 控制器参数整定 在控制方案正确、安装无误的情况下，需进行控制器参数整定，即通过调整控制器参数， 使系统运行在最佳的状态，并使各项指标满足要求。这是过程控制设计中重要的环节之一。如 果多次进行控制器参数整定，仍达不到预期的控制效果，此时应考虑控制方案是否合理，控制 器选择是否恰当等பைடு நூலகம்题。
过程控制系统综述-
所谓过程控制是指根据工业生产过程的特点，采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程自动化。
一﹑过程控制的特点及分类方法过程控制的特点是与其他自动化控制系统相比较而言的，大致可归纳如下：1.连续生产过程的自动控制。
2.过程控制系统由过程检测、控制仪表组成。
3.被控过程是多种多样的、非电量的。
4.过程控制的控制过程多属慢过程，而且多半为参量控制。
5.过程控制方案十分丰富。
6.定值控制是过程控制的一种常用形式。
7.被控对象的多样性：过程工业涉及到各种工业部门，其物料加工成的产品是多样的。
同时，生产工艺各不相同。
过程控制系统的分类方法很多，若按被控参数的名称来分，有温度、压力、流量、液位、pH等控制系统；按控制系统完成的功能来分，有比值、均匀、分程和选择性控制系统；按调节器的控制规律来分，有比例、比例积分、比例微分、比例积分微分控制系统；按被控量的多少来分，有单变量和多变量控制系统；按采用常规仪表和计算机来分，有仪表过程控制系统和计算机过程控制系统等。
但最基本的分类方法有以下两种：按系统的结构特点来分反馈控制系统，前馈控制系统，复合控制系统（前馈-反馈控制系统）按给定值信号的特点来分定值控制系统，随动控制系统1.反馈控制系统偏差值是控制的依据，最后达到减小或消除偏差的目的。
反馈信号可能有多个，从而可以构成多回路控制系统（如串级控制系统）。
2.前馈控制系统扰动量的大小是控制的依据，控制“及时”。
属于开环控制系统，在实际生产中不能单独采用。
3.闭环与开环控制系统反馈是控制的核心！只有通过反馈才能实现对被控参数的闭环控制！开环控制系统不能自动地“察觉”被控参数的变化情况，也不能判断控制参数的校正作用是否适合实际需要。
闭环控制系统在过程控制中使用最为普遍。
4.定值控制系统定值控制系统是工业生产过程中应用最多的一种过程控制系统。
在运行时，系统被控量（温度、压力、流量、液位、成份等）的给定值是固定不变的。
过程控制综合设计与优化
过程控制综合设计与优化第一章：引言随着产业的不断发展和生产过程的不断优化，过程控制综合设计和优化变得越来越重要。
过程控制综合设计和优化是一种综合性的理论，它包括了很多方面，包括设计、优化、控制、监控等等。
因此，在过程控制综合设计和优化方面进行深入的研究对于促进产业的发展具有十分重要的意义。
本文将从以下几个方面进行阐述：介绍过程控制综合设计和优化的背景和意义，分析过程控制综合设计和优化的关键技术，探讨过程控制综合设计和优化在实际生产环境中的应用，并对过程控制综合设计和优化进行未来展望。
第二章：过程控制综合设计和优化的关键技术2.1 过程模型建立及参数辨识过程模型建立及参数辨识是过程控制综合设计和优化的第一步，它是建立整个过程控制系统的基础。
在建立过程模型时，需要对整个生产过程进行系统建模，并通过系统辨识技术对模型参数进行辨识。
2.2 控制结构设计控制结构设计是过程控制综合设计和优化的第二步，它是设计整个过程控制系统的关键环节。
在控制结构设计时，需要根据过程模型建立出控制结构，以满足控制性能指标的要求。
2.3 控制器设计及优化控制器设计及优化是过程控制综合设计和优化的第三步，它是针对控制系统的最优化设计。
在控制器设计及优化时，需要综合考虑控制器的设计、控制策略的选择、参数调整等多个因素。
2.4 实时控制及运行管理实时控制及运行管理是过程控制综合设计和优化的第四步，它是过程控制系统的运行管理环节。
在实时控制及运行管理中，需要实时对生产过程进行数据采集，并对数据进行分析和处理，以及对生产过程进行实时监控和控制。
第三章：过程控制综合设计和优化在实际生产环境中的应用过程控制综合设计和优化在实际生产环境中应用十分广泛。
例如，过程控制综合设计和优化可以应用于化工、制药、电力、水处理等众多领域。
在化工行业中，过程控制综合设计和优化可以提高生产效率和质量，并减少能源消耗和环境污染。
在制药行业中，过程控制综合设计和优化可以提高药品的纯度和含量，并保证药品的稳定性和一致性。
化工过程控制系统的设计与实现
化工过程控制系统的设计与实现近年来，随着化工产业的迅猛发展，工业自动化技术得到广泛应用，化工过程控制系统已成为化工生产中不可或缺的一部分。
本文将探讨化工过程控制系统的设计与实现。
一、化工过程控制系统的概述化工过程控制系统是指利用先进的电子、自动控制技术，对各种化工生产过程进行监测、控制和管理的一种系统。
化工过程控制系统主要包括传感器、执行器、控制器、人机界面等部分。
其中，传感器用于采集化工生产过程的实时数据，执行器用于执行控制指令，控制器用于对数据进行实时处理，并产生相应的控制指令，人机界面则提供了方便的操作界面，使操作员能够对整个系统进行监测和控制。
二、化工过程控制系统的设计1. 系统功能分析在化工过程控制系统的设计过程中，首先需要进行系统功能分析。
这一步的目的是明确系统需要实现的功能，并将不同的功能分配给不同的子系统。
2. 设计方案选择根据系统功能分析的结果，设计方案选择是化工过程控制系统设计的重要步骤。
在这一步中，需要选择合适的硬件设备和软件平台，并确定系统的通信网络。
同时，还需要根据实际情况选择适用的控制算法和控制策略。
3. 系统拓扑设计系统拓扑设计是化工过程控制系统设计过程的下一步。
这一步的目的是将不同的子系统予以组织并建立相应的通信连接。
通常，化工过程控制系统的硬件包括传感器、执行器、控制器等组成，软件包括控制算法和控制策略。
在系统拓扑设计中，需要确定不同硬件和软件的组合方式，并建立相应的通信链路。
4. 系统接口设计在系统接口设计中，需要将不同的子系统与系统总线相连接，并确定数据传输协议。
同时，还需要制定数据传输格式以及相应的数据传输方式。
三、化工过程控制系统的实现1. 各子系统实现根据化工过程控制系统的设计方案，实现各个子系统的开发和调试工作。
其中，传感器和执行器的选择非常重要，需要适应化工生产环境中的高温、高压、易腐蚀等特殊条件。
2. 控制算法和控制策略的实现控制算法和控制策略是化工过程控制系统中最为关键的部分。
过程控制综合实验系统的设计与研究
置的价格 昂贵 ，更新换代 的周期很短。纵观从单回路调
节器、Ｐ Ｃ Ｃ ， Ｃ ， 自动控制装置基本上都是微处 Ｌ 到Ｄ Ｓ Ｆ Ｓ 理器＋上位机 的模式 。国内的中、小型企业比较多。近 年来多数技术改造项 目和新上项 目，控制装置较多地选 用了下位机＋工控机＋组态软件 的模式。由于过程控制 综合实验系统的开放性和发展性 的特点，结合我校的实 际和科研工作的需要，在此主要探讨一下单片机＋Ｐ 机 ｃ ＋组态软件的模式。（ ） ３ 上位机 以当前较为流行的工业 组态软件 Ｆ ｘ ． 为核心 ，辅以Ｖ ｕ ｌ ＋ ， ａ ｌ ｂ ｉ７ ０ ｉ ａ ｃ ＋ Ｍ ｔ ａ ｓ 等通用软件， 尽可能营造完善 的工业控制环境和教学研
卿 中 她 畚奢 备 目代＝ 装
阀，２ 个磁力驱动泵 （ 其中ｉ 台为三相变频输 出驱动 ）， ｉ 个变频器，ｉ 个电磁阀，１ 个三相 可调加热管 该实验
系统的物理模型设计合理、全面、直观性好 ，通过不同
的组合可 以模拟 大多数 实际工业现场过程 控制系统。 （） ２ 用于数据采集和数据通讯 的下位机 。控制装置的选
工业生产的成熟技术，体现高、新技术的应用和创新。 然而，过程控制综合实验系统的专业性强，技术工艺水
平要求高，同时生产过程的工艺、规模的差异较大 ，控 制装置更新周期很短，新技术层 出不穷，成本高昂……
诸如此类的原因，限制 了过程控制综合实验系统的开发 和应用。因此，如何根据 自身的条件开发和建设能够满 足教学和科研需要的综合性 的、开放性的过程控制综合 实验系统成 为一个亟待解决的重要课题。
硬件要求 比较高，且开发建设周期较长，对大多数学校 都不适合 。校企联合开发从理论上是一种较好的方案，
过程控制系统的设计与实现
过程控制系统的设计与实现随着工业自动化的不断提高和科技的不断发展，越来越多的企业和生产厂家开始采用过程控制系统，以提高生产效率和产品质量。
过程控制系统是指利用计算机、传感器等技术手段对工艺流程进行实时监测和控制的系统。
本文将着重讨论过程控制系统的设计与实现过程。
具体内容如下：一、需求分析进行过程控制系统的设计与实现，需要首先进行需求分析。
需求分析主要包括以下几个方面：1.生产需求：明确生产厂家的生产要求和目标，制定相应的生产计划。
2.设备要求：确定所需的硬件设备、软件系统及其规格和参数。
3.控制策略：根据生产需求和设备要求，确定相应的控制策略和规则。
4.安全性：保障系统的安全性和可靠性，防止系统被外界攻击或故障。
在需求分析阶段，我们需要与生产厂家充分沟通，了解其需求和要求，制定相应的控制方案，并确定相应的设计方向和目标。
二、系统设计在需求分析阶段完成后，需要对过程控制系统进行系统设计。
系统设计主要包括以下几个步骤：1.系统架构：确定过程控制系统的总体架构，包括硬件、软件和网络架构等。
2.功能设计：确定系统要实现的功能和特性，如控制、监测、报警等。
3.软件设计：设计系统所需要的软件，包括编写代码、测试程序、编写文档等。
4.硬件设计：根据系统架构和功能要求，设计硬件系统，选择合适的传感器、执行器、控制器等等。
5.集成测试：将软件、硬件、网络等各个部分进行集成测试，确保系统能够正常运行。
在系统设计阶段，需要充分考虑系统的可扩展性、灵活性和稳定性等要求。
三、系统实现系统实现是指将以上设计方案付诸实践的过程。
系统实现主要包括以下几个步骤：1.硬件搭建：根据设计方案，选择合适的硬件设备并进行搭建。
2.软件编码：根据设计方案，编写相应的代码并进行调试。
3.测试和调试：对已实现的系统进行测试和调试，确保系统能够正常运行。
4.安装和调试：将系统安装到实际生产环境中，并进行调试和实验，确保系统能够满足生产需求。
在系统实现阶段，需要根据系统设计方案进行具体实现，并进行现场实验和调试，确保系统能够正常运行。
工业过程控制系统设计与实现
工业过程控制系统设计与实现工业过程控制系统在现代工业生产中扮演着重要的角色，它是一种实现现代化自动化生产的关键技术之一。
随着科学技术的发展，工业过程控制系统逐渐成为工业企业中不可缺少的技术手段之一。
然而，工业过程控制系统设计与实现需要掌握一定的技术和知识，本文将就此进行探讨。
一、工业过程控制系统的概念工业过程控制系统是指将计算机技术与自动控制技术相结合，利用传感器、执行器、控制器等技术手段，对工业生产过程进行全面控制和管理的一种系统。
目的是提高企业生产效率、降低成本以及保证产品质量等。
二、工业过程控制系统的组成工业过程控制系统主要由以下几个部分组成：1、传感器：负责将实际物理量转换为电信号，并将其送至控制器。
2、控制器：负责根据对被控制对象的监测数据来进行计算和判断，并发出相应的控制信号，予以实现对被控对象的控制。
3、执行器：负责将控制信号转换为能够引起被控对象状态的控制动作，如通过振动、压力等方式对被控对象进行控制。
4、人机界面：通过人机交互界面，生产过程控制人员可以对整个过程进行实时监控和管理，以及根据生产需要进行各种数据分析、生产调度等操作。
三、工业过程控制系统的设计流程1、需求分析：在进行工业过程控制系统的设计之前，首先需要对所要控制的对象进行需求分析。
需要明确被控物体的控制需求及控制对象所需要完成的工作。
2、系统设计：在了解被控对象的需求后，需要进行系统设计，根据需求场景根据被控对象的运行状态、数据通信、数据处理、人机界面等方面进行设计。
3、硬件选型：根据需求分析、系统设计的要求，为系统选择合适的硬件设备，包括传感器、控制器、执行器、数据采集卡等。
4、系统实现：根据硬件选型，开始对系统进行实现，包括软硬件的编程、算法的设计等。
5、调试测试：对设计实现的系统进行进行调试和测试，检测系统是否能够达到控制要求，是否能够正常运行。
6、系统维护：当系统正式推广到生产中时，需要进行后期的维护和更新。
工业过程控制系统
工业过程控制系统工业过程控制系统（DCS）是一种用于监控和控制工业过程的综合性系统。
它通过采集和处理各种传感器和执行器的数据，实现对工业过程的自动控制和优化。
DCS通常由硬件设备和软件系统组成，包括传感器、执行器、控制器、计算机、通信网络等。
DCS提供了一种集中管理和控制工业过程的有效方式，包括制造业、电力、化工、石油和石化等行业。
它能够实时监测过程参数，如温度、压力、流量等，通过将这些数据传输给控制器，实现对过程的控制和调整。
此外，DCS还可以记录和存储过程数据，用于数据分析和故障诊断。
DCS的设计和实施需要考虑以下几个关键因素。
首先，系统需要具有高可靠性，以确保生产过程的稳定运行。
其次，数据传输和处理需要具有实时性，以确保对过程的快速响应。
此外，系统还需要具备开放性，以便与其他系统进行接口连接和数据交换。
DCS的硬件设备包括传感器和执行器。
传感器用于采集过程参数数据，如温度、压力、流量等。
执行器用于控制和调节过程中的各种操作，如阀门、泵等。
通过与传感器和执行器的连接，DCS可以实时获取和控制过程数据。
DCS的软件系统包括控制器和监控系统。
控制器是DCS的核心部分，用于实时计算和控制过程参数。
它可以根据设定的控制策略，对过程参数进行调整和优化。
监控系统用于显示和记录过程参数数据，以便操作人员进行监控和数据分析。
DCS的通信网络是实现各个硬件设备和软件系统之间数据传输的关键。
它通常采用现代网络技术，如以太网、无线网络等。
通过通信网络，DCS可以实现硬件设备之间的连接和数据交换，实现对过程的控制和监控。
DCS的优势主要体现在以下几个方面。
首先，它能够实现对工业过程的自动控制，提高生产效率和产品质量。
其次，DCS能够减少人工干预，降低操作和维护成本。
此外，DCS还可以记录和存储过程数据，用于数据分析和故障诊断，提高生产过程的稳定性和可靠性。
总之，DCS是一种重要的工业过程控制系统，它通过采集和处理传感器和执行器的数据，实现对工业过程的自动控制和优化。
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阅读文献
1. Luyben, W. L.; “Snowball Effect in Reactor/Separator Processes with Recycle，” Industrial & Engineering Chemistry Research, 33, 299 – 305 (1994).
多回路控制系统设计的三大步骤
• 基本物流的控制；
• 主要操作指标的控制； • 剩余变量的处理。
基本物流的控制
• 安全操作的根本;
• 产品质量控制的基础; • 对优化操作具有重要的影响。
物流控制的三种方式
• 顺物流控制方式;
• 逆物流控制方式; • 混合式控制方式。
B, D
B A
A, C
C
B
A+BC +D
控制系统的整定
• 塔顶浓度控制器参数整定
Tu = 132 minutes
临界增益：5.44，临界周期： 132 minutes 放大倍数：1.70，积分时间： 290.4 minutes
调节作用---进料组成的影响
调节作用---进料流量的影响
总结
• 本章概括地介绍了工业过程控制的基本方法 ，即多回路控制系统的综合与设计。
第七章: 控制系统的综合与设计
主要内容
• 全厂控制 (Plant-Wide Control)
• 多变量系统的控制方法; • 多回路控制系统的综合与分析;
• 多回路控制系统的设计策略; • 一个理想二元蒸馏塔的多回路控制。
全厂控制 (Plant-Wide Control)
• 决定操作与控制变量的选择与配对；
阅读文献
3. Luyben, W. L.; “Derivation of Transfer Functions for Highly Nonlinear Distillation Columns, ” Industrial & Engineering Chemistry Research, 26, 2490 – 2495 (1987).
汽液平衡计算
塔内气液平衡按下式计算： Pj = xA, jPAs + xB, jPBs yi, j = xi, jPis / Pj
饱和蒸汽压按下式计算： Ln Pis = Avp, i – Bvp, i/Tj A(Avp/Bvp) = 11.6531/3862 B(Avp/Bvp) = 12.3463/3862 (1) (2)
例子: 一个理想二元 蒸馏塔控制系统的综合与设计
• 给定一个二元精馏塔，分离由物质 A 和 B 组 成的混合物。进料流量为100 mol/s, 进料浓 度 是 A:B = 0.5:0.5 。 塔 顶 产 品 浓 度 为 0.95(A), 塔底产品浓度也为 0.95(B) 。操作 压力是9 bar。气化潜热为6944 cal/mol (满 足衡分子流假设)。塔板稳态滞液量为1 mol 。 冷 凝 器 和 再 沸 器 的 稳 态 液 量 分 别 为 30 mol。塔板水力学时间常数是8秒。
B, D
A
D
主要操作指标的控制
两种控制模式：
• 直接控制模式; • 间接控制模式(又称作推断控制或软测量技 术)。
多回路控制系统的综合与设计
需要解决的两个主要问题：
• 输入与输出变量的配对; • 控制器参数的整定;
输入与输出变量的配对
• 可采用 RGA 、MRI 与 CN 等动态特性与可 控性的判据进行。 • 最好采用动态的RGA 、MRI 与 CN等判据。
• 变量配对与控制器的整定是控制系统综合与 设计要解决的根本问题。
• 通过一个理想二元蒸馏塔 , 显示了多回路控 制系统综合与设计的基本特征。
作业
根据所给的理想二元蒸馏塔的操作目的, 进 行该过程控制系统的综合与设计，并进行 仿真分析。假定进料流量为100 mol/s, 进料 浓 度 是 A:B = 0.5:0.5 。 塔 顶 产 品 浓 度 为 0.95(A), 塔底产品浓度也为 0.95(B) 。操作 压力是9 bar。气化潜热为6944 cal/mol (满 足衡分子流假设)。塔板稳态滞液量为1 mol 。 冷 凝 器 和 再 沸 器 的 稳 态 液 量 分 别 为 30 mol。塔板水力学时间常数是8秒。
多回路控制系统的整定
两步法 (又称实验法)： (1) 对每个控制回路，均设置P控制方式。 通过调整控制器的增益，搜索临界增益 (Ultimate gain) 与 临 界 频 率 (Ultimate frequency) 。依次计算 Ziegler-Nichols 的参 数设置。 (2) 搜索一个公因子对全部回路进行如下调 整,以使得系统具有一个满意的衰减比。 Kc = Kzn/f, TI = Tzn*f
• 包括物流控制与产品质量控制； • 能显著影响系统控制系统的性能； • 能显著影响优化操作系统的性能。
多变量系统的控制方法
• 多变量控制理论与方法 (1) 充分协调变量之间的相互作用； (2) 需要精准的数学模型，鲁棒性较差。
• 多回路(Multi-Loop)控制方法 (1) 多变量控制的近似方法； (2) 不需要精准的数学模型，鲁棒性较高。
2. Finco, M. V., W. L., Luyben, and R. E. Polleck; “Control of Distillation Columns with Low Relative Volatilities,” Industrial Engineering and Chemistry Research, 28, 75 – 83 (1989).
(3)
理想二元蒸馏塔的结构
2
LCΒιβλιοθήκη XA=0.95 11 F=100 mol/s XF=0.5
21
LC
XB=0.95
简化动态模型的建立
输入与输出变量的配对
所得到的控制结构
控制系统的整定
• 塔底浓度控制器参数整定
Tu = 4.94 minutes
临界增益：206.5，临界周期： 4.94 minutes 放大倍数：64.53，积分时间： 10.87 minutes
多回路控制系统的整定
迭代法： 其基本规则是就时顺序整定各个回路， 且 整定一个就闭合一个。当所有回路均闭合 后，再从第一个回路进行整定， 直至得到 满意的闭环相应为止。
多余自由度的处理
• 如果系统还有多余的自由度，可依据它们 进行系统的稳态优化。 • 当然还要考虑这些多余的自由度对系统动 态特性与可控性的影响。