浙大工业过程控制--1.绪论资料
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1 浙大过程控制与自动化仪表课件1
检测与过程控制技术姚维博士浙江大学电气自动化研究所课程主要内容过程参数检测与变送：温度、压力、流量、液位 过程控制仪表：执行器单回路控制系统设计常用高性能过程控制系统：串级、前馈实现特殊要求的过程控制系统参考书过程控制与自动化仪表，侯志林主编过程控制及仪表（修订版），邵裕森主编过程控制系统及仪表，邵裕森、巴筱云主编检测和控制仪表普通采用基地式仪表和部分单元组合式仪表，且多数为气动仪表；被控参数主要是温度、压力、流量、液位； 控制目的是保持工艺参数的稳定，消除或减少生产过程的扰动；控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论；过程控制系统的结构大多数是单输入单输出系统。
50年代（仪表化和局部自动化—过程控制第一阶段）60年代（综合自动化阶段—过程控制第二阶段） 仪表方面大量采用单元组合仪表，并出现了组装仪表以适应较复杂的模拟和逻辑控制的需要；计算机控制系统开始应用于过程控制领域，实现了DDC和SCC控制；为提高控制质量和实现特殊控制要求，出现了串级、前馈、比值、均匀、选择等复杂控制系统；理论方面除了经典控制理论外，出现了现代控制理论；系统由单变量系统转向多变量系统，以解决实际生产过程中的更为复杂的问题。
1962年，英国帝国工业公司（ICI）安装了Ferranti Argus计算机控制系统替代全部模拟控制仪表，功能保持不变，这是集中式计算机控制系统应用的开端。
集中式过程计算机控制系统的发展经历了直接数字控制DDC、集中型计算机控制系统和分层计算机控制系统。
9集中型计算机控制系统它把几十个甚至几百个控制回路以及上千个过程变量的显示、操作和控制集中在单一计算机实现，即在一台计算机上实现过程监视、数据采集、数据处理、数据存储、报警、过程控制等功能。
此外，还可实现生产调度和工厂管理部分功能。
与常规模拟仪表控制系统相比具有以下优点：控制功能齐全，可实现模拟仪表难以实现的部分功能和先进控制、联锁等复杂控制；由于单一计算机高度集中，便于信息分析和综合，易实现整个系统的最优控制；用CRT来代替大量的模拟仪表盘，简洁明了。
过程控制系统 第1章
1.1控制理论与过程控制系统的发展状况（续）
1970年左右起，为了解决大规模复杂系统的 优化与控制问题，现代控制理论和系统理论相 结合，逐步发展形成了大系统理论 （Mohammad，1983）。
核心思想是系统的分解与协调，多级递阶优化与
控制（Mesarovie，1970）正是应用大系统理论的 典范。 大系统理论仍未突破现代控制理论的基本思想与 框架，除了高维线性系统之外，它对其它复杂系 统仍然束手无策。
③操纵变量：受控制器操 纵的用以克服干扰的影 响，使被控变量保持设 定值的物料量或能量 （流过控制阀介质的流 量）。 ④扰动：除操纵变量外， 作用于被控过程并引起 被控变量变化的因素 （使被控变量偏离
图7-4 锅炉汽包水位控制
操纵变量：水的流量 扰动：水压力、蒸汽压力
⑤设定值：工艺参数 所要求保持的数值 ⑥偏差：被控变量设 定值与实际值之差
蒸汽 汽 包
给水
操作人员所进行的工作有三方面:
①检测
用眼睛观察玻璃管液位计液位的高 低,并通过神经系统告诉大脑. 大脑根据眼睛看到的液位高度 , 加以思考分析 , 然后根据操作经 验,经思考决策后发出命令。 根据大脑发出的命令 , 通过双手去 改变阀门开度.
②运算、命令 ③执行
2 自动控制
自动化装置的三个部分分别是 ： ①测量元件与变送器
控制变压器活动触点的位 置即改变了输入电压，则 通过电阻丝的电流将产生 变化，使恒温箱得到不同 的温度。 被控变量是恒温箱的温度， 经热电偶测量并与设定值 比较后，其偏差经过放大 器放大，控制电动机的转 向，然后经过传动装置， 移动变压器的活动触点位 置。结果使偏差减少，直 到温度达到给定值为止。
随动控制系统
1.2.4 控制系统的分类
第一章(绪论)控制工程概论
第一章 绪论
[例]
第一章 绪论
一. 控制系统的基本控制方式：
[例]
属于
开环
控制
方式
原理方框图
输入量
ui
uo
输出量ω
给定电位计
放大器
电动机及负载
第一章 绪论
一. 控制系统的基本控制方式：
[例]
属于
闭环
控制
方式
输入量
ur 给定电位计
△u
uo
放大器
e
输出量ω 电动机及负载
测速发电机
第一章 绪论
[例]
用于船舶推 进器中的离 心式调速器
第一章 绪论
四. 控制系统举例——定值控制系统
用于船舶推进器 的电子式调速器
第一章 绪论
四. 控制系统举例——定值控制系统
直 流 调 速 系 统
第一章 绪论
四. 控制系统举例——定值控制系统
第一章 绪论
四. 控制系统举例
(二) 随动系统 随动系统的输入信号是一个随时间任意变化 的函数（事先无法预测其变化规律），系统的任 务是在有扰动的情况下，保证输出量以一定的精 度跟随输入信号的变化而变化。在这种系统中， 输出量通常是机械位移、速度或加速度。随动系 统也称为自动跟踪系统(或伺服系统)。
第一章 绪论
作业：P16 1-5
N
பைடு நூலகம்
Hi
Ho
浮子、联杆
进水阀
水箱
第一章 绪论
作业：P16 1-5
N
Hi
Ho
浮子、联杆
电位计
电机
进水阀
水箱
第一章 绪论
作业：P16 1-6
ωi
飞锤、弹簧
[例]
第一章 绪论
一. 控制系统的基本控制方式：
[例]
属于
开环
控制
方式
原理方框图
输入量
ui
uo
输出量ω
给定电位计
放大器
电动机及负载
第一章 绪论
一. 控制系统的基本控制方式：
[例]
属于
闭环
控制
方式
输入量
ur 给定电位计
△u
uo
放大器
e
输出量ω 电动机及负载
测速发电机
第一章 绪论
[例]
用于船舶推 进器中的离 心式调速器
第一章 绪论
四. 控制系统举例——定值控制系统
用于船舶推进器 的电子式调速器
第一章 绪论
四. 控制系统举例——定值控制系统
直 流 调 速 系 统
第一章 绪论
四. 控制系统举例——定值控制系统
第一章 绪论
四. 控制系统举例
(二) 随动系统 随动系统的输入信号是一个随时间任意变化 的函数（事先无法预测其变化规律），系统的任 务是在有扰动的情况下，保证输出量以一定的精 度跟随输入信号的变化而变化。在这种系统中， 输出量通常是机械位移、速度或加速度。随动系 统也称为自动跟踪系统(或伺服系统)。
第一章 绪论
作业：P16 1-5
N
பைடு நூலகம்
Hi
Ho
浮子、联杆
进水阀
水箱
第一章 绪论
作业：P16 1-5
N
Hi
Ho
浮子、联杆
电位计
电机
进水阀
水箱
第一章 绪论
作业：P16 1-6
ωi
飞锤、弹簧
工业生产过程控制讲义(ppt 29页)
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。
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。
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
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：maping2067@
汽包炉汽水生产过程
测量 变送器
工业过程控制-第1章.资料讲解
1.4 过程控制系统的分类
6. 按给定信号分类
定值控制系统 程序（顺序）控制系统 随动控制系统 （3）随动控制系统： 它是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。主 要作用是克服一切扰动，使被控量快速跟随给定值变化。 例如：加热炉燃烧过程，生产工艺要求空气量随燃料量的 变化而成比例的变化，而燃料量是随生产负荷而变化，其变 化规律是任意的。随动控制系统就是要使空气量跟随燃料量 的变化自动控制空气量的大小，达到加热炉最佳燃烧。
经济性：能量和原材料消耗 稳定可靠性：可以连续、稳定的生产
3、过程控制系统的设计
确定设计目标 - 保证出口温度 - 保证烟气含氧量 - 保证燃烧效率
过程控制系统的设计
选择测量参数 - 出口温度 - 烟气含氧量
- 炉膛负压 - 燃油压力 - 热效率（软测量）
过程控制系统的设计
选择操作量
例如：发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统 转炉供氧量控制系统 集散控制系统（DCS）
1.3 过程控制系统的组成
例1 发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统 • 锅炉是电力、冶金、石油化工等工业部门不可缺少的动力设
备，其产品是蒸汽。发电厂从锅炉汽包中出来的饱和蒸汽经 过过热器继续加热成为过热蒸汽。过热蒸汽的温度是火力发 电厂生产工艺的重要参数。 • 过热蒸汽温度控制是保证汽轮机组（发电设备）正常运行的 重要条件。通常过热蒸汽的温度控制在460℃左右，推动汽 轮机做功。
y(t p ) r
y()
B1
B2
5%
φ =(B1-B2)/B2
y(0)
tp ts
t
1.5 过程控制系统的性能指标
d.最大动态偏差及超调量—被控参数偏离给定值程度
人工操作与自动控制比较图（液位控制）
工业过程控制工程课件第一章工业过程控制工程绪论
生产过程的优化操作与控制 （一个生产过程的优化操作点往往是时变的，因此，针对
工业生产过程具体情况，进行连续寻优是十分重要的 。）
1.2.2 影响工业生产过程稳定因素
在生产过程中，产品的质量、产量和产 率等都会随着生产过程的各种扰动（干扰） 和生产过程工艺设备等特性的改变而波动。 工业生产过程的扰动作用使得生产过程 操作不稳定，从而影响工厂 生产过程的经 济效益，扰动主要来自下述几个方面。
本征不稳定性：有些工业生产过程，如化学反应过程或生 化反应过程，在某些操作范围内系统本身是不稳定的。如 果过程进入不稳定的操作区域，其过程变量的变化，如化 学反应温度与压力，在某些时候，系统可能会进人循环振 荡而不稳定。 耦合特性：工业生产过程中输入和输出之间的关系通常是 很复杂的，各变量之间可能具有很强的耦合性。一个输入 可能会同时改变几个输出，反过来，一个输出可能会受到 多个输人的影响。 执行器特性：作为一个自动控制系统，由测量环节、被控 过程和执行器三部分组成，执行器的特性，直接影响到控 制系统的品质。
信号的测量问题：工业生产过程的物料与能量流都是在密 闭的管道与容器中传递、反应或分离，而有些物料又具有 易燃、易爆、腐蚀和毒性。工业生产过程的变量很难在线 测量，有些可能测不准，噪声大且不可靠，而有些变量至 今还无法在线测量，特别是那些物料性质和产品质量的参 数，只能通过取样送实验室化验分析才能获得。随着在线 质量（成分）分析仪的逐步使用，使得原来不可测的变量 变成可测量，然而，在线分析仪满足不了千变万化的工业 生产过程的需求。为了解决这一问题，人们寻求用间接的 方法来测量不可测的变量，通常称为软测量技术或叫推断 测量的方法，即利用可测量的变量和相关模型，计算出不 可测量的变量。对于负反馈控制来说完全依赖于工业生产 过程信号测量的准确性。
过程控制第一章 绪论
调节器
执行器
被控对象
检测变送器
过程计算机控制系统的组成
f (t )
x(t )
y (t )
调节器
D/A A/D
执行器
被控对象
检测变送器 生产过程
计算机
返回
§1.3 过程控制的特点及系统分类
一、过程控制的特点
1、被控对象的多样性
2、对象特性的难辨性
白色系统、黑色系统、灰色系统
3、普遍存在滞后
4、特性往往具有非线性、大惯性
4、控制方案的确定 对于目标⑴： a: 温度单回路控制系统
b: 温度流量串级控制系统
对于目标⑵ ：
a: 温度单回路和烟气含氧
量单回路控制系统 b: 将系统看作MIMO进行建模 对于目标⑶： 与目标⑵中a方案类似，但 烟气含氧量的控制属于随 动系统 ORC：氧气流量控制器 TRC：温度控制器 PC：燃料压力控制器
产率重要手段，在社会生产的各个行业起着极其重 要的作用。其发展经历了以下几个阶段： 1、局部自动化阶段（50年代） 2、过程计算机控制系统阶段（60年代） 3、集中控制、多参数控制阶段（70年代） 4、集散控制阶段（80年代以后）
浙大中控DCS JX-3000XP
西门子自动化与驱动集团(A&D)
tp
二、静态质量指标
1、余差（静态偏差） 被控参数稳态值与期 望值之差，用C表示
返回
对于目标⑴： 热油出口温度 对于目标⑵ ：
热油出口温度、烟气含氧量
对于目标⑶：
热油出口温度、加热炉热
效率（烟气含氧量、排烟 温度、一氧化碳） ORC：氧气流量控制器 TRC：温度控制器 PC：燃料压力控制器
3、操作量的选择 对于目标⑴： 燃油流量 或 原油流量 对于目标⑵ ： 燃油流量 或 原油流量、 氧气流量（烟道挡板、送 风挡板） 对于目标⑶： 燃油流量 或 原油流量、 氧气流量（烟道挡板、送 风挡板） ORC：氧气流量控制器 TRC：温度控制器 PC：燃料压力控制器
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）。
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一般的单回路控制系统
设定值 ysp
+
_
偏差 e
控制器 Gc (s)
控制变量 u
扰动 D
执行器 Gv (s)
操纵变量 q
被控对象
干扰通道 GD (s)
+ 控制通道 +
Gp (s)
被控变量 y
测量值 ym
测量变送 Gm (s)
被控变量：温度、压力、流量、液位或料位、成分与 物性等六大参数；
2020/11/9
《过程控制工程》绪论 “Process Control Engineering”
戴连奎 浙江大学智能系统与决策研究所
2020/11/9
工业过程控制
教学要求
了解控制系统的设计目的，掌握控制系 统方块图描述法
掌握过程对象的建模方法 掌握PID类常规控制策略，能够结合具体
的工业过程设计合理的控制方案 掌握控制系统的分析方法 了解先进控制算法，掌握其设计思想、
出水
Qo(t)
控制阀
液体贮罐
干扰 通道
+ 控制 + 通道
被控变量 h(t)
测量值 hm(t)
液位传感 测量变送器
问题：指出每一条连接线所对应的变量信号的物理 意义与单位，以及每一个方块所表示的意义？
2020/11/9
工业过程控制
热交换器的温度控制系统
Tsp
蒸汽
u(t)
TC
RV
Tm
T 凝液
RF , Ti 进料
2020/11/9
工业过程控制
热交换器温度控制系统方块图
扰动 RF (t), Ti (t)
设定值 Tsp
偏差 e(t)
+_
温度 控制器
控制信号
u(t)
蒸汽
控制阀
蒸汽量 RV (t)
测量值 Tm(t)
温度测量 变送器
热交换器
干扰 通道
+ 控制 + 通道
被控变量 T(t)
2020/11/9
工业过程控制
2020/11/9
工业过程控制
控制系统的由来
Qi
传感测量器：液位计+人眼 控制器：大脑 执行机构：手+手动阀
h
LC
hsp
Qo
差压传感变送器 电动调节器 自动调节阀
2020/11/9
工业过程控制
液位控制系统的组成与方块图
设定值 hsp
偏差 e(t)
+_
液位 控制器
扰动 Qi(t)
控制信号
操纵变量
u(t)
答疑：周一下午2:30-5:00; 地点：工控所老
楼403（助教：覃旭松）
2020/11/9
工业过程控制
本章要求
了解控制系统的设计目的 结合具体对象，掌握单回路控制系统的方
块图描述法，并掌握方块图中线与方框图 的物理意义 掌握过程控制中的常用术语（中英文） 了解控制系统的主要分类与设计过程 能够结合具体对象，了解控制系统的组成
工业过程控制
过程控制系统的重要术语
被控变量/受控变量/过程变量
（Controlled Variable - CV, Process Variable - PV）
设定值/给定值
(Setpoint - SP, Setpoint Value - SV )
操纵变量/操作变量 (Manipulated Variable, MV) 扰动/扰动变量 (Disturbance Variable, DV)
2020/11/9
工业过程控制
前馈与反馈控20/11/9
Tsp
u(t)
前馈
控制器
RF
Ti
Tsp
蒸汽
u(t)
TC
RV
Tm
进料
T
凝液
蒸汽
Tsp
u(t) 前馈/反馈
RV
控制器
Tm
RF
Ti
凝液
T
进料
凝液 工业过程控制
RF , Ti 进料
控制系统的分类（续）
开关量控制（Switch Control）与连续量控制 （Continuous Control） 举例：空调器的控制
对控制器而言，测量/测量信号 (Measurement ) ，控 制/控制信号/控制变量（Control Variable ）
2020/11/9
工业过程控制
控制系统的目标
过程控制系统的目标：
在扰动存在的情况下，通过调节操纵变量使被 控变量保持在其设定值。
应用过程控制系统的主要原因：
（1）安全性：确保生产过程中人身与设备的安全，保 护或减少生产过程对环境的影响； （2）稳定性：确保产品质量与产量的长期稳定，以抑 制各种外部干扰； （3）经济性：实现效益最大化或成本最小化。
概念、特点及适用场合
2020/11/9
工业过程控制
课程考核与参考资料
考核：平时成绩 50%，包括出勤、平时练
习、综合练习等；期末考试（闭卷）50%
主要参考资料：
1、王树青等编著，工业过程控制工程. 北京： 化学工业出版社，2002.12
2、金以慧主编，过程控制. 北京：清华大学 出版社，1993.04
2020/11/9
工业过程控制
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。
定性的要求，针对具体工业对象确定控制目标；
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）。
2020/11/9
工业过程控制
控制系统的分类
定值控制（Regulatory Control, “调节控制”） 与伺服控制（Servo Control, “跟踪控制”） 对照举例：连续过程与间歇过程（Batch Processes）或飞行控制。
前馈控制（Feedforward Control）与反馈控制 （Feedback Control） 对照举例：热交换器的出口温度控制。
连续时间控制（Continuous-Time Control）与 离散时间控制（Discrete-Time Control, 也称 “采样控制”/“数字控制”） 举例：计算机控制系统
多变量控制与单变量多回路控制 线性控制与非线性控制等
2020/11/9
工业过程控制
控制系统的设计与实施
确定控制目标：依据生产过程安全性、经济性与稳
控制系统的调试和投用：控制系统安装完毕后，