过程控制系统设计概论
第1章 过程控制系统概述ppt课件
三、过程控制系统的分类
１. 按结构特点分类 (１) 反馈控制系统 (２) 前馈控制系统
(３) 前馈—反馈控制系统（复合控制系统）
２. 按给定信号的特点分类 (１) 定值控制系统
(２) 程序控制系统 (３) 随动控制系统
(１) 方框图中每一个方框表示一个具体的实物。 (２) 方框之间带箭头的线段表示它们之间的信号联系，与 工艺设备间物料的流向无关。 (３) 比较点不是一个独立的元件，而色色 ２. 控制过程多属缓慢过程和参量控制形式 ３. 控制方案多种多样 ４. 定值控制是过程控制的一种主要控制形式
要求学生能应用控制理论和工程处理方法，掌握 过程控制系统控制方案的分析、设计和工程实施能 力。
§１—２ 过程控制系统的组成、特征及分类
一、过程控制系统的组成
１. 常用术语（见表１—２—１）
２. 方框图
方框图是控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的 图解表示，是控制系统进行理论分析、设计中常用到的一种形 式。每一个方框表示系统中的一个组成部分（也称为环节）， 方框内填入表示其自身特性的数学表达式或文字说明。
学习目标
１. 了解过程控制的发展历程和发展方向。 ２. 了解本课程的地位和性质。 ３. 掌握过程控制的定义，弄清过程控制的目的。 ４. 掌握过程控制系统的组成和特点。 ５. 掌握过程控制系统的分类以及相互之间的区别。
§1—1 绪论
一、过程控制概述
1．定义 过程控制系统是以表征生产过程的参量为被控制量，使 之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里 “过程” 是指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。表征过程的主要参量有温度、压力、 流量、液位、成分和浓度等。过程控制系统的任务就是通 过对过程参量的控制，使生产过程中产品的产量增加、质 量提高、能耗减少，实现工业生产过程自动化。
过程控制系统概述
过程控制系统概述杨峰电信学院06自动化3班学号：40604010321所谓过程控制（Process Control）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﹑过程控制的特点随着生产过程的连续化﹑大型化和不断强化, 随着对过程内在规律的进一步了解,以及仪表﹑计算机技术的不断发展, 生产过程控制技术近年来发展异常迅速.所谓生产过程自动化, 一般指工业生产中(如石油﹑化工﹑冶金﹑炼焦﹑造纸﹑建材﹑陶瓷及热力发电等)连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制.凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数(如温度﹑压力﹑流量等)进行的自动控制统称为过程控制.生产过程的自动控制, 一般要求保持过程进行中的有关参数为一定值或按一定规律变化. 由于被控参数不但受内﹑外界各种条件的影响, 而且各参数之间也会相互影响, 这就给对某些参数进行自动控制增加了复杂性和困难性. 除此之外, 过程控制尚有如下一些特点:1. 被控对象的多样性.对生产过程进行有效的控制, 首先得认识被控对象的行为特征, 并用数学模型给以表征, 这叫对象特性的辨识. 由于被控对象多样性这一特点, 就给辨识对象特性带来一定的困难.2. 被控对象存在滞后.由于生产过程大多在比较庞大的设备内进行, 对象的储存能力大, 惯性也大. 在热工生产过程中, 内部介质的流动和热量转移都存在一定的阻力, 因此对象一般均存在滞后性. 由自动控制理论可知, 如系统中某一环节具有较大的滞后特性, 将对系统的稳定性和动态质量指标带来不利的影响, 增加控制的难度.3. 被控对象一般具有非线性特点.当被控对象具有的非线性特性较明显而不能忽略不计时, 系统为非线性系统, 必需用非线性理论来设计控制系统, 设计的难度较高. 如将具有明显的非线性特性的被控对象经线性化处理后近似成线性对象, 用线性理论来设计控制系统, 由于被控对象的动态特性有明显的差别, 难以达到理想的控制目的.4. 控制系统比较复杂.控制系统的复杂性表现之一是其运行现场具有较多的干扰因素. 基于生产安全上的考虑, 应使控制系统具有很高的可靠性.由于以上特点, 要完全通过理论计算进行系统设计与控制器的参数整定至今乃存在相当的困难, 一般是通过理论计算与现场调整的方法, 达到过程控制的目的.二﹑过程控制系统的组成过程控制系统的组成, 一般可用如下框图表示被控参数（变量）y(t ) ;控制（操纵）参数（变量）q(t) ;扰动量f(t) ;给定值r(t) ;当前值z(t); 偏差e(t) ;控制作用u(t)三、过程控制系统的分类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。
过程控制过程控制过程控制过程控制系统设计系统设计系统设计系统设计
搅拌釜式反应器（ 基于 PCS7 的带搅拌釜式反应器（CSTR）系统的 ）系统的 过程控制系统设计 过程控制系统设计摘要： 摘要：带搅拌釜式反应器（CSTR）系统是一种常见的化工设备，工业生产时，一些很重 要的过程参数如进料流量、反应温度、反应物液位、反应压力等都需要加以控制。
本文针对 釜式反应器的工艺特点和控制要求，给出了一套基于 PCS 7 的控制方案。
在控制算法上，综 合应用了串级控制、 前馈控制、 变比值控制等多种控制方式。
尤其是对反应器升温曲线控制， 考虑到常规 PID 控制器的控制效果不佳， 本文给出了模糊 PID 控制器的控制方案。
MATLAB 仿真结果表明，模糊 PID 控制器较传统 PID 有更好的控制效果。
此外，本文还给出了控制 系统相应的硬件配置、网络拓扑结构，以及各控制回路在西门子 PCS7 环境下的实施框图。
关键词： 关键词：CSTR，PCS7，过程控制 ， ，Design of Process Control System Based on PCS7 of Continuous Stirred-Tank Reactor SystemAbstract：CSTR system is widely used in chemical production and some crucial parameters as ： feed flow, reaction temperature, reactant liquid level must be controlled. In this paper, an integrated control system based on Siemens PCS7 is designed according to the system characteristic and control requirement, which synthetically uses cascade control, feed-forward control, changing ratio control. Especially considering PID control may not be effective as object is reaction temperature with notable delay, fuzzy PID control is proposed and then simulated by MATLAB. The result demonstrates that it really improved the control effect. Then specific hardware configuration, network structure and software configuration is also given in order to carry out the system by Siemens PCS7. Keywords: CSTR，PCS7，process control ， ，1 引言反应器是任何化学品生产过程中的关键设备，决定了化工产品的品质、品种和生产能 力。
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（一）确定控制变量与控制方案
2、操纵变量的选择 选择时考虑：
（1）工艺合理性 （2）被控对象的特性
操纵变量
q
干 扰
ƒ
对象
被控变量
y
（a）使被控对象控制通道的放大倍数较大，时 间常数较小，纯滞后越小越好；
（b）使被控对象干扰通道的放大倍数尽可能小， 时间常数越大越好
阻力越大，C值越小
CF
P
C的大小反映调节阀流量F的大小， 故习惯称为流通能力
C的定义：调节阀全开，阀两端压差为100Kpa，介质密度
为1g/cm3时，每小时流过调节阀的流量（m3/h）。
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1、有关的系数 （1）阻塞流
当阀前压力一定，通过阀的流量随阀前后差压的增大而增 大，到达临界状态时，流量不随△P变化，为最大流量的流 动状况。 阻塞流的流量与差压的关系不遵循流量方程。
第4章 工程设计
4.1 概述 4.2 工程设计步骤 4.3 工程设计内容 4.3.1 确定控制变量与控制方案 4.3.2 硬件选择 4.3.3节流元件计算 4.3.4 调节阀选择 4.3.5 计算举例
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4.1概述
4.1.1工程设计的定义
把生产过程自动化的各种控制方案，用设 计图纸资料和设计文件资料表达出来的全 部工作。
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4.1.2自控工程设计的基本任务
从我国的实际情况出发，结合本厂的特点，确定 生产过程自动化水平。
根据工艺要求，确定各种检测参数。 主要控制参数的控制系统的设计。 工艺生产过程必要的信号报警和联锁保护设计。 控制室、仪表盘的设计。 仪表车间的设计。
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4.1.3对工程设计人员的要求
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❖ 命题
▪ 确定所要求取的参数——流量、孔径、压差
❖ 从层流到紊流的分界线取决于
▪ 流量、流体的密度、粘度和管道内径
❖ 雷诺数Re
▪ Re〈2300 层流 ▪ Re〉4000 紊流
46微米厚的液晶层的流动。 当电场强度平缓增加时 •层流（右上） •弱的湍流（左下） •方格状对流（右下） 下侧两图混沌→湍流
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3 过程控制系统设计
(2) 雷诺数Re（续）
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3 过程控制系统设计
(3) 推断控制 当被控变量不能直接测量使用，利用辅助变 量的测量值来调节控制变量，使不可测的被控变 量保持在预期值。
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3 过程控制系统设计
3.3 过程控制系统硬件选择
根据过程控制的输入输出变量以及控制要求，可
以选定系统硬件，包含：
保护
❖ 控制装置
装置
❖ 测量仪表、传感器 ❖ 执行机构
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3 过程控制系统设计
3.3.2 测量仪表和传感器的选型原则
❖ 检测部件一般宜采用定型产品，设计过程控 制系统时，根据控制方案选择测量仪表和传 感器
❖ 选型原则：
▪ 可靠性 ▪ 实用性 ▪ 先进性
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3 过程控制系统设计
3.4 流量计选择
3.4.1 流量计算有关的基本概念
(1) 流量Q 流体在单位时间内流过管道或设备某处横断面 的数量成为流量。
ε 可膨胀系数
a 节流装置开孔截面积
ρ1 流体流过节流装置前的密度
Δp 节流元件前后压力差
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3 过程控制系统设计
过程控制系统第1章-过程控制系统概述课件
2.自动化仪表的发展
自动化仪表是一种“信息机器”，其主要功能是信息形式的转换 和表达，将输入信号转换成输出信号。信号可以按时间域或频 率域表达，信号的传输则可调制成连续的模拟量或断续的数字 量形式。自动化仪表的发展一直适应着工业的需要，经历了自 力式、基地式、单元组合式、智能式和总线式几个发展阶段。 按照工作能源的不同，单元组合仪表还可分为电动单元组合仪 表(DDZ)和气动单元组合仪表(QDZ)两大类，它们都经历了Ⅰ型、 Ⅱ型、Ⅲ型3个阶段。智能仪表就是在普通的模拟仪表基础上增 加微处理器电路而形成的仪表。这里所谓的“智能”，是指现场 仪表具有普通模拟仪表拥有的信号变换、补偿、驱动等常规功 能以外，还具有一定的拟人智能的特性或功能，例如自适应、 自学习、自校正、自诊断和自组织等。
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1.传递函数
图1-13 环节的输入-输出关系
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2.框图变换 (1)框图的基本元素 (2)框图运算法则 (3)复杂框图的化简及应用
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2.框图变换
图1-14 简单控制系统框图
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(1)框图的基本元素 构成控制系统框图的基本元素包括信息、分支点、汇合点和 环节。 1)信息 2)分支点 3)汇合点 4)环节
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1.控制理论的发展
自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学，它的发展 初期是以反馈理论为基础的自动调节原理。根据自动控制技术 发展的不同阶段，自动控制理论相应经历了从经典控制理论、 现代控制理论，到控制论、信息论、系统论等学科交叉的若干 发展阶段。 经典控制理论是指在20世纪40年代到50年代末期所形成的理论 体系，它主要是研究单输入单输出(SISO)线性定常系统的分析 和设计，其理论基础是描述系统输入-输出关系的传递函数，解 决SISO系统的稳定性问题。
过程控制系统设计
过程控制系统设计过程控制系统是指在工业生产中对生产过程进行监控、调节和控制的系统。
它是工业自动化的核心部分，直接关系到生产的稳定性、效率和质量。
因此，过程控制系统的设计非常重要，下面将从几个方面对过程控制系统的设计进行探讨。
首先，过程控制系统的设计需要确定控制目标和要求。
根据生产过程的特点和目标，确定系统的控制方式、控制参数和控制精度等指标。
例如，在化工生产中，常采用PID控制器进行温度、压力、流量等参数的控制，而在电力系统中，常采用分布式控制系统（DCS）进行电流、电压和功率的控制。
控制目标和要求的明确可以为后续的系统设计提供指导。
其次，过程控制系统的设计需要考虑传感器与执行器的选择和布置。
传感器的选择和布置将直接影响到系统对生产过程的感知能力和控制精度。
传感器应能准确、稳定地测量相关物理量，并能与控制系统进行数据交互。
同时，传感器的布置要考虑到实际生产过程的特点，尽可能地覆盖全部关键位置，以获得全面的数据信息。
类似地，执行器的选择和布置也需要根据实际情况进行决策，以实现对生产过程的精确控制。
其次，过程控制系统的设计需要考虑系统的可靠性和安全性。
作为一个关键系统，过程控制系统在设计时必须考虑到可能出现的各种故障情况，并采取相应的措施进行容错和备份。
例如，可以使用冗余设计，即在系统中引入多个备用组件，以备份主要组件的工作。
此外，还需考虑到系统的安全性，采取相应的措施防止非法操作和恶意攻击，确保生产过程的安全运行。
最后，过程控制系统的设计需要进行系统的集成和优化。
传感器、执行器、控制器以及相关的软件和通信设备需要在设计和实施阶段进行集成，确保各个组件之间的正常通信和协作。
同时，在系统实施后，还需对系统进行优化和调整，以满足实际生产过程的要求。
通过对系统的数据进行分析和处理，可以发现问题和改进的空间，提高生产过程的效率和质量。
综上所述，过程控制系统的设计是一个复杂而重要的过程。
需要明确控制目标和要求，选择合适的传感器和执行器，考虑系统的可靠性和安全性，并进行系统的集成和优化。
过程控制系统概述
2.试验辨识法
先给被控过程人为地 施加一个输入作用，然后 记录过程的输出变化量， 得到一系列试验数据或曲 线，最后再根据输入－输 出试验数据确定其模型的 结构（包括模型形式、阶 次与纯滞后时间等）与模 型的参数。
主要步骤
3.混合法
机理演绎法与试验辩识法的相互交替使用的一种方法 精品文档
锅炉汽包水位的变化过程为典型的具有反向特性的过程
在给水量阶跃增大而燃料量和蒸汽负荷不变的情况下，由于蒸发率的 降低，于是刚开始时水位会下降，然后才逐渐上升。
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3.1.3 过程(guòchéng)建模方 法
1.机理(jī lǐ)演绎法 根据被控过程的内部机理，运用已知的静态或动态平衡关系，用数学解析的方法求取被控过
3 过程控制系统(kònɡ zhì xì tǒnɡ)概述
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主要 (zhǔyào)内 3容.1 被控过程的数学模型
3.2 简单(jiǎndān) 控制系统 3.3 常用高性能控制系统
3.4 实现特殊工艺要求的控制系统
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3.1 被控过程的数学模型
3.1.1 被控过程(guòchéng)的数学模型及 其作用 被控(bèi kònɡ)过程的数学模型是指过程的输入变量与输出变量之间定量关系的描述。
衰减振荡的传递函数一般可表示为
Ke s
G(s) (T 2s2 2Ts 1) 精品文档
(0 1)
• 具有(jùyǒu)反向特性的过 程
对过程(guòchéng)施加一阶跃输入信号，若在开始一段时间内，过程(guòchéng)输出先降 后升或先升后降，即出现相反的变化方向，则其为具有反向特性的被控过程(guòchéng)。
（a）
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3.1 过程控制设计概述
QSVP-16N智能电动单座调节阀 主要技术参数： 执行机构 型式：智能型直行程执行机构 输入信号：0~10mA
4~20mADC 0~5VDC 1~5VDC 输入阻抗：250Ω 500Ω
本章小结
1. 过程控制系统设计的步骤与方法，根据生产工艺 要求，如何选择被控变量和控制变量，以及仪表 选型的基本原则。
3.1 过程控制设计概述
二、确定控制变量与控制方案
控制变量
被控变量 输入变量
控制方案
控制结构 控制算法
反馈控制 前馈控制
3.1 过程控制设计概述
二、确定控制变量与控制方案
3.1 过程控制设计概述
二、确定控制变量与控制方案
3.1 过程控制设计概述
三、过程控制系ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ硬件选择
根据过程控制的输入输出变量以及控制要求， 可以选定系统硬件，包含控制装置、测量仪表、 传感器、执行机构和报警、保护、连锁等部件。
3.1 过程控制设计概述
二、确定控制变量与控制方案
根据稳定性、安全性和经济性原则确定控制目标
在定性地确定目标以后，需要用工业过程的 被控变量来定量地表示控制目标。被控变量也是 工业过程的输出变量。
工业过程的控制目标以及输入输出变量确定以 后，控制方案就可以确定了 。控制方案包括控制 结构和控制算法。
设定值
4~20mA
控制器
执行机构
流量
控制对象
液位
(仪表)
(调节阀)
(水箱)
4~20mA 测量装置 (压力传感器)
RS485
3.1
过程控制设计概述
当被测介质（液 体）的压力作用于传 感器时，压力传感器 将压力信号转换成电 信号，经归一化差分 放大和输出放大器放 大 ， 最 后 经 V/A电 压 电流转换器转换成与 被测介质（液体）的 液位压力成线性对应 关系的4~20mA标准电 流输出信号。
第3章 过程控制系统设计
3.1 过程控制设计概述 3.2 节流元件（流量计）计算 3.3 调节阀选择
3.1 过程控制设计概述
一、过程控制系统设计步骤
1．根据工艺要求和控制目标确定系统变量 2．建立数学模型 3．确定控制方案 4．选择硬件设备 5．选择控制算法，进行控制器设计 6．软件设计 7. 设备安装、调试与整定、运行
3.1 过程控制设计概述
三、过程控制系统硬件选择 测量仪表和传感器的选型
检测部件一般宜采用定型产品，设计过程 控制系统时，根据控制方案选择测量仪表和传 感器。
选型原则
可靠性原则 实用性原则 先进性原则
标准信号
0-10mA电流信号 4-20mA电流信号 0-5V直流电压信号 0-10V直流电压信号
3.1 过程控制设计概述
2. 流量测量和计算有关的基本原理与概念，流量计 类型，节流装置的取压方式，以及标准节流装置 的一种计算方法。
本章小结
3. 调节阀的几种典型特性，调节阀口径计算中 有关的基本概念，调节阀口径计算方法和验 算方法。
4. 步进加热炉流量控制系统的组成，给出了一 个标准孔板和蝶阀计算的实例。
简单的过程控制系统可以选择单回路控制器， 对于比较复杂的系统需要用计算机控制。
3.1 过程控制设计概述
三、过程控制系统硬件选择 控制装置的选择
用于过程控制的计算机控制设备多采用DCS （集散控制系统）或PLC（可编程序控制器）。
模拟量控制回路较多，开关量较少的过程控 制系统宜采用DCS控制；模拟量控制回路较少， 开关量较多的过程控制系统宜采用PLC控制。