典型的过程控制系统实例
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。
dcs控制系统实例
dcs控制系统实例DCS（分布式控制系统）是一种用于监视和控制工业过程的自动化系统，具有分布式、网络化、可靠性高等特点。
它由中央处理器、输入输出模块、通信网络、工作站和操作站等组成，广泛应用于石油、化工、电力、冶金等领域的过程控制系统中。
下面我们将以炼油厂的DCS控制系统升级为例，介绍DCS控制系统的一次质变。
一、项目背景炼油厂为了提高生产自动化水平和生产效率，决定对现有的过程控制系统进行升级改造。
原有系统由于采用传统的集中控制系统，存在设计不合理、维护困难、可靠性差等问题，严重影响了生产稳定运行。
为了解决这些问题，炼油厂决定采用DCS控制系统进行一次全面的质变。
二、系统升级方案1.系统结构升级：原有的集中控制系统改为分布式控制系统，采用单一主控制台和多个分散的操作站，中心控制室与现场操作站之间通过通信网络连接，架构更加灵活可靠。
2.硬件设备更新：将原有的老旧IO模块、控制器等设备进行全面更换，采用新型的高性能硬件设备，提升数据采集和处理能力，并兼容新旧设备的接口。
3.通信网络升级：将原有的串行通信方式改为以太网通信，提高数据传输速度和稳定性，同时支持远程监控和维护。
4.软件系统升级：进行DCS软件系统的全面升级，采用新一代的DCS 软件平台，具备更强大的数据处理和分析功能，支持更丰富的控制策略和算法，并提供更友好的界面和操作方式。
5.数据集中管理：将原有的分散数据存储方式改为集中式数据库，提供更高效的数据管理和查询功能，方便历史数据的分析和决策支持。
三、实施过程1.需求确认与系统设计：与炼油厂相关工程师和技术人员进行详细沟通，了解需求和问题，并根据需求设计出相应的DCS控制系统方案。
2.硬件设备采购和更换：按照设计方案，采购新的硬件设备，同时对现有的硬件设备进行更换和调试，并进行接口适配和测试。
3.软件系统开发和调试：根据需求和设计方案，进行DCS软件系统的开发和调试，包括控制逻辑、监视界面、报警系统等。
过程控制
第6章 过程控制系统的应用实例6.1 精馏塔的控制精馏是石油化工、炼油生产过程中的一个十分重要的环节，其目的是将混合物中各组分分离出来，达到规定的纯度。
精馏过程的实质就是迫使混合物的气、液两相在塔体中作逆向流动，利用混合液中各组分具有不同的挥发度，在互相接触的过程中，液相中的轻组分逐渐转入气相，而气相中的重组分则逐渐进入液相，从而实现液体混合物的分离。
一般精馏装置由精馏塔、再沸器、冷凝器、回流罐等设备组成，如图6.1所示。
图6.1 简单精馏控制示意图进料流量F从精馏塔中段某一塔板上进入塔内，这块塔板称为进料板。
进料板将精馏塔分为上下两段，进料板以上部分称为精馏段，进料板以下部分称为提馏段。
溶液中组分的数目可以是两个或两个以上。
实际工业生产中，只有两个组分的溶液不多，大量需要分离的溶液往往是多组分溶液。
多组分溶液的精馏在基本原理方面和两组分溶液的精馏是一样的。
本节只讨论两组分溶液的精馏。
6.1.1 精馏原理在恒定压力下，单组分液体在沸腾时虽然继续加热，其温度却保持不变，即单组分液体的沸点是恒定的。
对于两组分的理想溶液来说，在恒定压力下，其沸点却是可变的。
例如对于A、B两种混合物的分馏，纯A的沸点是140℃，纯B的沸点是175℃。
如果两组分的混合比发生变化，混合溶液的沸点也随之发生变化，如图6.2中的液相曲线所示。
第6章 过程控制系统的应用实例·333··333·150140160170180020406080100100806040200A ：B ：组分/(％)温度/℃图6.2 A 、B 两组分混合物温度-浓度曲线设原溶液中A 占20%，B 占80%，此混合液的沸点是164.5℃，加热使混合液体沸腾。
这时，与液相共存的气相组分比是A 占45.8%，B 占54.2%。
这些气体单独冷凝后所形成的混合液体中，A 占45.8%，B 占54.2%；如果使此冷凝后的混合液体沸腾，其沸点是154.5℃。
自动化仪表及过程控制第一章绪论(doc 8页)
自动化仪表及过程控制第一章绪论(doc 8页)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●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●●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。
✧前馈控制-----按扰动来控制，在扰动可测的情况下，可以地提高控制质量。
✧选择性控制-----在生产过程遇到不正常工况或被控量达到安全极限事，自动实现的保护性控制。
●19世纪70年代以来(全盘自动化阶段)：发展到现代过程控制的新阶段，这是过程控制发展的第三个阶段。
主要特点：检测和控制仪表-----新型仪表、智能化仪表、微型计算机；过程控制系统结构-------由单多变量系统，由PID控制规律特殊控制规律，由定值控制最优控制、自适应控制，由仪表控制系统智能化计算机分布式控制系统；理论-----现代控制理论过程控制领域，如状态空间分析，系统辨识与状态估计，最优滤波与预报。
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。
PID控制原理详解及实例说明
PID控制原理详解及实例说明5.1 PID控制原理与程序流程5.1.1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。
一、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。
二、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。
三、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。
5.1.2 模拟PID 调节器一、模拟PID 控制系统组成图5－1－4 模拟PID 控制系统原理框图 二、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。
1、PID 调节器的微分方程 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=⎰tDIP dt t de T dt t e T t e K t u 0)()(1)()( 式中 )()()(t c t r t e -= 2、PID 调节器的传输函数 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡++==S T S T K S E S U S D D I P 11)()()( 三、PID 调节器各校正环节的作用1、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。
第六章典型过程控制系统应用方案案例
按照图 6-5 分析可知，乳液直接进入干燥器，滞后最小，对于 干燥温度的校正作用最灵敏， 而且干扰进入装置最靠近调节阀 1， 似 乎控制方案最佳。但是，乳液流量即为生产负荷，一般要求能保证 产量稳定。若作为控制参数，则在工艺上不合理。所以不宜选乳液 流量为控制参数，该控制方案不能成立。 再对图 6-6 进行分析，可以发现，调节旁路空气流量与热风量 混合后，再经过较长的风管进行干燥器。如图 6-5 所示方案相比， 由于混合空气传输管道长， 存在管道传输滞后,故控制通道时间滞后 教大，对于干燥温度校正作用的灵敏度要差一些。若按照图 6-7 所 示调节换热器的蒸汽流量，以改变空气的温度，则由于换热器通常 为一双容过程，时间常数较大，控制通道的滞后最大，对干燥温度 的校正作用灵敏度最差。显然，选择旁路空气量作为控制参数的方 案最佳。 （1） 过程检测控制仪表的选用 根据生产工艺和用户的要求， 选用电动单元组合仪表（DDZ–Ⅲ型）
6.1 热交换器温度反馈-----静态前馈控制系统
6.2 单回路控制系统的应用
6.3 计算机数字控制的典型实例 6.4 流体输送设备的控制 6.5 反应器的控制 附录:思考题与习题
6.1 热交换器温度反馈——静态前馈控制系统 6.1.1 生产过程对系统设计的要求
在氮肥生产过程中有一个变换工段 ,把煤气发生炉来的一氧化 碳同水蒸汽的混合物转换成生产合成氨的原料七,在转换过程中释放 大量的热,使变换气体温度升高,变换气体在送至洗涤塔之前需要降 温,而进变换炉的混合物需要升温,因此通常利用变换气体来加热一 氧化碳与水蒸气的混合气体,这种冷热介质的热量交换是通过热交换 器来完成的。在许多工业生产过程中都用到热交换器设备，对热交 换器设备的控制就显得非常重要。 热交换器主要的被控制量是冷却介质出热交换器的温度。 图 6-1 表示一个进出热交换器的典型参数。其中加热介质是工厂生产过程 中产生的废热热源(成品、半成品或废气、废液),为了节省能量,这部 分热量要求最大限度的加以利用。所以通常不希望对其流量进行调 节,而被加热介质的温度一般是通过调节加热介质的流量来实现的。
第6章过程控制系统的应用实例-Read
第6章 过程控制系统的应用实例6.1 精馏塔的控制精馏是石油化工、炼油生产过程中的一个十分重要的环节，其目的是将混合物中各组分分离出来，达到规定的纯度。
精馏过程的实质就是迫使混合物的气、液两相在塔体中作逆向流动，利用混合液中各组分具有不同的挥发度，在互相接触的过程中，液相中的轻组分逐渐转入气相，而气相中的重组分则逐渐进入液相，从而实现液体混合物的分离。
一般精馏装置由精馏塔、再沸器、冷凝器、回流罐等设备组成，如图6.1所示。
图6.1 简单精馏控制示意图进料流量F从精馏塔中段某一塔板上进入塔内，这块塔板称为进料板。
进料板将精馏塔分为上下两段，进料板以上部分称为精馏段，进料板以下部分称为提馏段。
溶液中组分的数目可以是两个或两个以上。
实际工业生产中，只有两个组分的溶液不多，大量需要分离的溶液往往是多组分溶液。
多组分溶液的精馏在基本原理方面和两组分溶液的精馏是一样的。
本节只讨论两组分溶液的精馏。
6.1.1 精馏原理在恒定压力下，单组分液体在沸腾时虽然继续加热，其温度却保持不变，即单组分液体的沸点是恒定的。
对于两组分的理想溶液来说，在恒定压力下，其沸点却是可变的。
例如对于A、B两种混合物的分馏，纯A的沸点是140℃，纯B的沸点是175℃。
如果两组分的混合比发生变化，混合溶液的沸点也随之发生变化，如图6.2中的液相曲线所示。
第6章 过程控制系统的应用实例·333··333·150140160170180020406080100100806040200A ：B ：组分/(％)温度/℃图6.2 A 、B 两组分混合物温度-浓度曲线设原溶液中A 占20%，B 占80%，此混合液的沸点是164.5℃，加热使混合液体沸腾。
这时，与液相共存的气相组分比是A 占45.8%，B 占54.2%。
这些气体单独冷凝后所形成的混合液体中，A 占45.8%，B 占54.2%；如果使此冷凝后的混合液体沸腾，其沸点是154.5℃。
过程控制第六章大时滞过程控制系统
Y (s)
图6-5 PID控制方案
过程控制系统
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6.2 常规控制方案
因此，实际上微分环节不能真正起到对被控参数变化速度进行校正的目的，克 服动态超调的作用是有限的。如果将微分环节更换一个位置，如图6-6所示，则微分 作用克服超调的能力就大不相同了。这种控制方案称为微分先行控制方案。
F (s)
X (s)
F (s)
X (s)
K C (1
1
TI s
)
W0 ( s )e s
Y (s)
TD s
图6-7 中间微分反馈控制方案
过程控制系统
13
6.2 常规控制方案
3. 常规控制方案比较
图6-8给出了分别用PID、中间微分反馈和微分先行三种方法进行控制的 仿真结果。从图中可看出，中间微分反馈与微分先行控制方案虽比PID方法的 超调量要小，但仍存在较大的超调，响应速度均很慢，不能满足高控制精度 的要求。 y PID
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6.2 常规控制方案
微分先行控制方案的闭环传递函数如下：
1）给定值作用下
KC (TI s 1)es Y ( s) X (s) TI sW01 (s) KC (TI s 1)(TD s 1)es
（6-1）
2）在扰动作用下
Y ( s) TI se s F (s) TI sW01 (s) KC (TI s 1)(TD s 1)es
（6-2）
过程控制系统
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6.2 常规控制方案
而图6-5所示的PID控制方案的闭环传递函数分别为
KC (TI s 1)(TD s 1)es Y ( s) X (s) TI sW01 (s) KC (TI s 1)(TD s 1)es
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Rt0——温度为t0(通常为0℃)时的电阻值； α——电阻的温度系数。 可见，由于温度的变化，导致了金属导体电阻的变化，这样只要设法 测出电阻值的变化，就可达到温度测量的目的。
虽然大多数金属导体的电阻值随温度的变化而变化，但是它们 并不都能作为测温用的热电阻。作为热电阻的材料一般要求是：电 阻温度系数小、电阻率要大、热容量要小；在整个测温范围内，应 具有稳定的物理、化学性质和良好的重复性；并要求电阻值随温度 的变化呈线性关系。但是，要完全符合上述要求的热电阻材料实际 上是有困难的。
流量控制系统结构图
上、下水箱液位串级控制系统
图为一液位串级控制系统的方框图）。这种系统具有2个调节器，主、副两个 被控对象，2个调节器分别设臵在主、副回路中。设在主回路的调节器称为主调 节器，设在副回路的调节器称为副调节器。两个调节器串联连接，主调节器的输 出作为副回路的给定量，副调节器的输出去控制执行元件。主对象的输出为系统 的被控制量h2，副对象的输出h1是一个辅助的被控变量。
流量控制系统方框图
负反馈控制系统的一个主要优点是输出量（被控制量） 经检测元件检测后反馈到系统的输入端与给定值相比 较，所得的偏差信号经调节器处理后变成一个对被控 过程控制的信号，从而实现被控制量排除系统内外扰 动的影响而保持基本不变的目的。
流量控制系统与液位控制系统一样，它的控制质 量完全取决于所用调节器的结构和参数。比例调 节器是调节比例度δ来实现对系统的控制。一般 言之，δ越小，系统的余差也越小，但超调量等 动态性能指标变差。反之，δ越大，系统的余差 也越大，系统的动态过程缓慢，超调量变小。比 例积分（PI）调节器产生的控制作用有2 个部分： 与偏差成比例部分和偏差的积分部分。由于积分 的作用，可使系统无余差产生，但积分时间常数 不能太小，否则会使系统的动态性能变差，甚至 会不稳定。 比例积分微分（PID）调节器既可以 实现系统无余差，又能改善系统的稳定度和响应 的快速性，其可调参数有3 个：δ、Ti 和Td。
图4-1、V0与Vmin、Vmax、Vi关系图
图4-2、位式控制系统的方块图
由图4-1可见，V0与Vi的关系不仅有死区存在，而且还有回环，因而图 4-2所示的系统实质上是一个典型的非线性控制系统。执行器只有“开” 或“关”两种极限工作状态，故称这种控制器为两位调节器。
该系统的工作原理是：
当被控制的水温T减小到小于设定下限值时，即Vi≤Vmin时，调节器 的输出为V0（5V），执行元件（固态继电器）接通，使电热丝接通 220V电源加热（如图4-3所示）。
随着水温T的升高，Vi也不断增大，当增大到大于设定上限值时，即 Vi≥Vmax时，则两位调节器的输出V0由5V降到0V，此时固态继电器释 放，切断电热丝的供电。
由于这种控制方式具有冲击性，易损坏元器件，故只是在对控制质量 要求不高的系统才使用。
基于智能仪表温度连续控制系统
工作原理：与AI-708基本相同，不同的是 AI-818输出的是0-5V连续的的电压信号， 然后去控制单相移相调压模块的输出电 压，当智能仪表输出0V电压时，单相移 相调压模块没有输出；当智能仪表输出 5V电压时，单相移相调压模块输出220V 电压。所以，当智能仪表的控制信号从05V线性变化时单相移相调压模块的输出 电压也从0V-220V变化，Pt100把实时检测 到的温度值变换为电压信号输出到AI-818 的输入端作为反馈信号。
在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主 调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择 控制规律的基本出发点。
主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要 求无余差，因此，主调节器应选PI或PID控制规律。副参数的 设臵是为了保证主参数的控制质量，允许在一定范围内变化， 允许有余差，因此副调节器只要选P控制规律就可以了。一般 不引入积分控制规律。因为副参数允许有余差，而且副调节器 的放大系数较大，控制作用强，余差小，若采用积分规律，会 延长控制过程，减弱副回路的快速作用。一般也不引入微分控 制规律，因为副回路本身起着快速作用，再引入微分规律会使 调节阀动作过大，对控制不利。
P上的PLC软件开发环境，可以开发出PLC应用程序；开发完成 后，下载到PLC中；界面可以开发触摸屏软件，下载到触摸屏，然后启动 PLC和触摸屏即可。
典型的控制系统实例
温度位式控制系统 基于智能仪表温度连续控制系统 双容水箱液位PID控制系统 上、下水箱液位串级控制系统 PLC上、下水箱液位串级控制
温度位式控制系统
一、实验目的 1、了解二位式温度控制系统的结构与组成。 2、掌握位式控制系统的工作原理及其调试方法。
三、实验原理 1、 温度传感器 温度测量通常采用热电阻元件（感温元件）。它是利用金属导体的电 阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。其电阻值与温度间的关 系式为：
根据具体情况，目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜。本装 臵使用的是铂电阻元件PT100，并通过温度变送器将电阻值的变化转 换为电压信号。
在0~650℃的温度范围内，铂电阻与温度的关系为， Rt＝Rt0(1+At+Bt2+Ct3)
式中 Rt——温度为t(如室温20℃)时的电阻值； Rt0——温度为t0(通常为0℃)时的电阻值；
双容水箱液位PID控制系统
双容水箱液位PID控制系统
双容水箱液位PID控制系统
流量PID控制系统
涡轮流量计
它主要由壳体、前导向架、 叶轮、后导向架、压紧圈和 带放大器的磁电感应转换器 等组成。当被测流体流经传 感器时，传感器的叶轮借助 于流体的动能而产生旋转， 叶轮周期性的改变磁电感应 系数中的磁阻值，从而使通 过线圈的磁通量周期性的发 生变化而产生电脉冲信号， 并经放大器放大后传送至相 应的流量积算仪表，进行量 或总量的计量。
一步整定法整定系统
（1）、先将主、副调节器均臵于纯比例P调节，并将副调节器 的比例度δ调到30%左右。 （2）、将主调节器臵于手动，副调节器臵于自动，通过改变主 调节器的手动输出值使下水箱液位达到设定值。 （3）、将主调节器臵于自动，调节比例度δ，使输出响应曲线 呈4:1衰减，记下δs和Ts，据此查表求出主调节器的δ和Ti值。
A、B、C是常数，一般A=3.90802*10－31/℃，B=-5.802*10－71/℃， C=-4.2735*10－121/℃。
二位控制是位式控制规律中最简单的一种控制规律，实际中常用。 本实验的 被控对象是锅炉 被控制量是复合水箱内套中的水温T 温度变送器把被控制量T转变为反馈电压Vi，它与二位调节器设定的上 限输入Vmax 和下限输入Vmin比较，从而决定二位调节器的输出信号； 调节器的输出电压V0（5V）作为执行元件的控制信号。 V0与Vmin和Vmax 的关系如图4-1所示，图4-2为位式控制系统的方块图。