过程控制系统 ppt课件
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.
过程控制系统 (2)
未知驱动探索，专注成就专业
1
过程控制系统
简介
过程控制系统（Process Control System）是一种用于监控和控制生产过程的系统。它由多个硬件设备和软件组成，能够实时监测各种传感器和执行器的状态，并根据设定的规则和算法进行自动控制。过程控制系统广泛应用于工业生产、能源管理、环境监测等领域，能够提高生产效率、降低能源消耗、提升产品质量和安全性。
架构
过程控制系统通常由以下几个组件构成：
1. 传感器
传感器是过程控制系统的输入设备，用于实时监测和采集生产过程中的各种数据。常见的传感器包括温度传感器、压力传感器、流量传感器等。这些传感器将检测到的数据传输给控制系统进行处理和分析。 未知驱动探索，专注成就专业
2
2. 执行器
执行器是过程控制系统的输出设备，用于根据系统的控制策略执行操作。例如，根据温度传感器的数据，过程控制系统可以控制执行器来调节加热或冷却设备的操作，以维持所需的温度。
3. 控制器
控制器是过程控制系统的核心组件，负责接收传感器数据、计算控制策略，并通过执行器来实现控制。控制器可以是硬件控制器，如可编程逻辑控制器（PLC），也可以是软件控制器，如基于计算机的控制系统。
4. 监视界面
监视界面是过程控制系统的用户界面，用于显示实时数据、报警信息和操作状态，方便操作人员进行监控和操作。监视界面通常具有图形化界面，方便用户进行数据浏览、参数调整和报表生成等操作。 未知驱动探索，专注成就专业
3
5. 数据存储与分析
过程控制系统还需要具备数据存储和分析功能，以便后续的监测和分析。数据存储可以使用数据库或云存储等方式，分析可以使用数据挖掘、统计学等方法，以提供对生产过程的优化建议。
工作原理
过程控制系统的工作原理可分为以下几个步骤：
1. 传感器实时采集生产过程中的数据，如温度、压力、流量等。
2. 数据被传输到控制器，控制器将采集到的数据与设定的控制规则进行比较，并计算出相应的控制量。
过程控制系统
过程控制系统是指自动控制系统的被控量是温度、流量、压力、液位等这样一些过程变量的系统。
过程控制主要是温度、压力、流量、液位等四种参数的控制问题。
定值控制系统：将系统被控量的设定值保持某一定值（或在某一很小范围内不变）的控制系统称为定值控制系统。
随动控制系统：随动控制系统是被控量的设定值随着时间任意变化的控制系统。
程序控制系统：程序控制系统被控量的设定值是按预定的时间程序变化的。
过程控制系统的品质指标：
衰减比：第一、二两个周期的振幅B1与B2的比值，称为衰减比，既n=B1/B2
动态偏差：扰动发生后，被控量偏离稳定值或设定值的最大偏差称为动态偏差。
调整时间Tc：系统受到扰动后平衡状态被破坏，经控制器作用后，被控量返回到允许的范围之内。通常在稳定值的5%（或2%）以内，达到新的平衡状态所经历的时间，称为调整时间Tc。
静态偏差：经控制器控制以后，系统被控量将在规定的小范围内波动，被控量与最大稳定值或设定值之差称为静态偏差或残余偏差，简称余差。
热电偶基本定律有均质导体定律、中间温度定律和中间导体定律。
两线制是指现场变送器和控制室仪表联系仅用两根导线。 投运：就是通过适当的步骤使主、副控制器先经手动调整好参数
及工作状态，然后转到自然工作状态中。
冷端温度补偿：冷端温度冰浴法、计算修正法、补偿电桥法
软手动操作指的是调节器的输出电流与手动输入电压成积分关系。
硬手动操作指的是调节器的输出电流与手动输入电压成比例关系。
无平衡切换是指在自动、手动切换时，无需事先调平衡，可以随时切换至所需位置。
自平衡能力是当对象受到干扰后，平衡状态被破坏，不需要外加任何控制作用，能依靠对象自身达到新的平衡状态的能力。
当对象受到干扰作用后，平衡状态被破坏，不能依靠它自身能力达到平衡状态的性质，称为无自平衡能力。
无扰动切换是指在切换时调节器的输出不发生变化，对生产过程无扰动。
气动执行机构有正作用和反作用两种形式。
过程控制系统及工程课件
过程控制系统及工程课件
一、引言
过程控制系统是指用于监控、调节和控制工业过程的设备和技术的集合体。它在工业领域起着至关重要的作用，能够提高生产效率、确保产品质量并降低成本。本课件将介绍过程控制系统及工程的基本概念、主要组成部分和实际应用。 二、过程控制系统概述
2.1 过程控制系统定义
过程控制系统是指一组硬件设备、软件系统和控制策略，用于监测和操纵工业过程以满足特定的要求和性能指标。它通常包括传感器、执行器、控制器和人机界面等组成部分。
2.2 过程控制系统的作用和优势
过程控制系统在工业生产中发挥着重要作用，主要体现在以下几个方面： • 自动化控制：过程控制系统能够自动实现对工业过程的监控和控制，减少人工干预，提高生产效率和产品质量。
• 系统集成：过程控制系统能够集成不同的硬件设备和软件系统，实现协同工作，提高系统的可靠性和一体化程度。
• 数据采集与分析：过程控制系统能够采集大量的过程数据，并对其进行实时分析和处理，为决策提供支持，并优化生产过程。 • 故障诊断与预测：过程控制系统能够及时检测和诊断设备故障，并通过数据分析和模型预测，提前预防故障的发生，减少停机时间和维修成本。
2.3 过程控制系统的工程流程
过程控制系统的设计和实施需要遵循一定的工程流程，一般包括以下几个阶段：
• 系统需求分析：明确过程控制系统的功能需求和性能指标，制定详细的技术规格书。 • 系统设计与选择：根据需求分析结果，选择合适的硬件设备和软件系统，并进行系统设计和配置。
• 系统集成与调试：将选择的设备和系统进行集成，并进行调试和测试，确保各项功能正常运行。
• 系统运行与维护：系统正式投入使用后，需要进行运行和维护，包括数据采集、故障诊断和维修等工作。 三、过程控制系统组成
3.1 传感器
传感器是过程控制系统中的重要组成部分，用于将被控对象的物理量转换为可测量的信号。常见的传感器包括温度传感器、压力传感器、流量传感器等。
过程控制系统[1]
![过程控制系统[1]](https://360docs-1393072327.cos.ap-beijing.myqcloud.com/273c9496dd88d0d233d46adf.webp)
1.1 引言
1.2 自动控制系统的基本概念
1.3 自动控制系统的工作原理
1.3.1 开环控制系统
1.3.2 闭环控制系统
1.3.3 复合控制系统
1.4 控制系统举例
1.5 对控制系统的基本要求与典型输入信号
1.6 自动控制系统的分类
1.7 自动控制理论的发展简史
1.1 引言
信息化是当今时代发展的大趋势，代表着先进的生产力。信息化水平已经成为衡量一个国家发达程度的重要标志之一。为传统产业插上信息化翅膀的自动化技术是我国今后重点发展的一个工程技术领域。自动控制理论是实现自动化技术的重要基础。读者现在可能并不理解自动控制复杂的细节，但却从现代生活中的洗衣机、电冰箱、空调等生活用品中可以感受到自动控制给人们带来的便利。随着科学技术的发展，人们的生活对自动运行系统的依赖程度越来越大。随着物联网技术的发展，智能家居得到快速地推进。在不久的将来，回家前先发条短信，浴缸里就能自动放好洗澡水、电饭锅就开始自动做饭；家中开关只需一个遥控板就可全部控制，再也不用冬天冒寒下床关灯；家里漏气或漏水，手机短信会自动报警。无人驾驶的智能汽车是一种正在研制的新型高科技汽车，这种汽车不需要人去驾驶，人只舒服地坐在车上享受高科技的成果就行了。这些系统在不需要人工干预的情况下，自动执行某些功能的能力对人们的生活产生了巨大的影响，自动控制的成就令人类着迷和兴奋。 1.2 自动控制系统的基本概念
1.2.1 控制
所谓“控制”，其含义是使某个（或某些）量按照一定的规律变化。这个（或这些）量称做被控变量。
根据人们生产、生活和社会活动的需要，会要求各种各样的量按一定的规律变化。例如，在社会经济领域，人们要求国民生产总值、物价水平等按一定的规律增长，否则变会失控；在生态学方面，人们要求某个濒危物种的种群数量快速上升，要求某个有用的生物种群数量上升，达到一定数量后便保持稳定，不再增加。这些都是控制问题。在工业技术领域，大多是对各种物理量的控制。被控制的物理量主要包括运动学、电学、热学、声学等方面的量，如物体的位置、转角、线速度、角速度、线加速度、角加速度、力、力矩、电压、电流、温度、压力、流量、湿度等。下面通过一些例子来说明“控制”。
过程控制系统第1章 绪 论
仅供个人参考
不得用于商业用途 第1章 绪 论
1.1 过程控制概述
第一阶段：
20世纪50年代以前。这个阶段以经典控制理论为基本方法，以传递函数为基础，采用根轨迹法和频率法对系统进行分析。自动化水平处于比较低级的阶段，理论上也尚不完整，从而促进了现代控制理论的发展。
第二阶段：
For personal use only in study and research; not for commercial use
20世纪60年代以后，人们研究出了现代控制理论，它以状态空间为分析基础，包括以最小二乘法为基础的系统辨识，以极小值原理和动态规划为基础的优化控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最优估计三个部分。因此使分析系统的方法从外部现象深入到揭示系统的内在规律。
第三阶段：
20世纪70年代以后，为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，逐步形成了大系统理论、于专家知识的专家系统、模糊控制、人工神经网络控制、学习控制和基于信息论的智能控制，并在很多领域得到了广泛的应用。大规模集成电路和微处理器产生，为了满足工业计算机可靠性和灵活性的需要，作为一种全新的工业控制工具，DCS产生了。控制理论和其他学科相互渗透，仅供个人参考
不得用于商业用途 从而形成了以大系统理论和智能控制理论为代表的所谓第三代控制理论。
过程控制(process control )技术是自动化技术的重要组成部分，通常是指石油、化工、纺织、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动化，与其他自动控制系统比较，过程控制具有以下特点：
1. 被控过程复杂多样
工业生产是多种多样的，生产过程本身大多比较复杂，规模大小不同，生产的产品千差万别，因此过程控制的被控过程也多种多样。
2. 对象动态特性存在滞后
生产过程大多是在庞大的生产设备内进行，当流入(或流出)对象的质量或能量发生变化时，由于存在容量、惯性和阻力，被控参数不可能立即产生响应，这种现象称为滞后。生产设备的规模越大，物质传输的距离越长，热量传递的阻力越大，造成的滞后就越大。
过程控制系统基础知识
1 第一节 过程控制发展概况
过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、建材、原子能等工业部门生产过程的自动化。
40年代以后，工业生产过程自动化技术发展很快。尤其是近些年来，过程控制技术发展更为迅猛。纵观过程控制的发展历史，大致经历了如下几个阶段：
50年代前后，一些工厂企业的生产过程实现了仪表化和局部自动化。这是过程控制发展的第一个阶段。这个阶段的主要特点是：过程检测控制仪表普遍采用基地式仪表和部分单元组合式仪表(多数是气动仪表)，过程控制系统结构大多数是单输入、单输出系统；被控参效主要是温度、压力、流量和液位四种参数。控制的目的是保持这些过程参数的稳定，消除或减小主要扰动对生产过程的影响；过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论．主要解决单输人、单输出的定位控制系统约分析和综合问题。
自60年代来，随着工业生产酌不断发展，对过程控制提出了新的要求：随着电子技术的迅速发展，也为自动化技术工具的完善创造了条件．从此开始丁过程控制的第二个阶段。在仪表方面，开始大量采用气动和电动单元组合仪表。在过程控制理论方面，除了仍然采用经典控制理论解决实际工业生产过程中遇到的问题外．现代控制理论得到应用，为实现高水平的过程控制奠定了理论基础．从而过程控制由单变量系统转向多变量系统。但是。由于过程机理复杂，过程建模困难等等原因，现代控制理论一时还难以应用于实际工业生产过程。
70年代以来．过程控制得到很大发展。随着现代工业生产的迅猛发展．随着大规模集成电路制造成功与微处理器的相继问世．使功能丰富的计算机的可靠性大大提高、性能价格比又大大提高、尤其是工业控制机采用了冗余技术和软硬件的自诊断措施．使其满足工业控制的应用要求。随着微型计算机的开发、应用和普及．使生产过程自动化的发展达到了一个新的水平。过程控制发展到现代过程控制的新阶段:计算机时代。这是过程控制发展的第三个阶段。这一阶段纳主要特点是：对全工厂或整个工艺流程的集中控制、应用计算机系统进行多参数综合控制，或者由多台计算机对生产过程进行控制和经营管理。在自动化技术工具方面有了新的发展，诸如以微处理器为核心的智能单元组合仪表(包括可编程调节器和系列智能仪表)的开发和广泛应用；在线成分检测和数据处理的测量变送器的应用，在智能仪表方面，不仅产品品种增加，而且可靠性有了很大提高．适应了各种复杂控制系统的要求。
过程控制系统 2
1、过程控制系统中，有时将 控制器 、 执行器 和 测量变送环节 统称为过程仪表，故过程控制系统就由过程仪表和 被控过程 两部分组成。
2、仪表的精度等级又称 准确度级 ，级数越小，仪表的精度就越 高 。
3、过程控制主要是指连续生产过程，被控参数包括 温度 、 压力 、 流量 、 物位
和成分等变量。
4、工业生产中压力常见的表示方法有 绝对压力pa 、 表压力p 和负压(真空度)ap三种。
5、调节阀的流量特性有 直线流量特性 、 对数（等百分比）流量特性 、 抛物线流量特性 和快开流量特性四种。
6、时域法建模是试验建模中的一种，可分为 阶跃响应曲线 法和 矩形脉冲响应曲线 法。
7、对于滞后小，干扰作用频繁的系统，PID调节器不应采用 微分 作用。
8、分程控制根据调节阀的开闭形式分为两类，即 同向动作 和 异向动作 。
9、DCS的设计思想是 控制 分散、 管理 集中。
1、串级控制系统
答：串级控制系统，就是采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵调节阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果。
2、现场总线
答：现场总线，是指将现场设备（如数字传感器、变送器、执行器等）与工业过程控制单元、现场操作站等互连而成的计算机网络。具有全数字化、分散、双向传输等特点，是工业控制网络向现场级发展的产物。、
3、调节阀的流量特性
答：调节阀的流量特性指介质流过阀门的相对流量与相对开度之间的关系：
为相对流量，即调节阀某一开度的流量与全开流量之比；
为相对开度，即调节阀某一开度的行程与全行程之比。
1、简述执行器在过程控制系统中的作用。
答：执行器接受控制器输出的控制信号，转换成位移（直线位移或角位移）或速度，用于控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。
过程控制系统 3
过程控制系统
1. 生产过程是指物料经过若干加工步骤而生成为产品的过程
2. 对生产过程所进行的控制，成为过程控制
3. 工业六大参数：温度，压力，流量，液位，成分，物性
4. 工业对过程控制的要求为：安全性，稳定性，经济性
5. 过程控制系统的组成：被控过程（被控对象），测量变送装置，执行器和控制器（调节器）等环节组成
6. 过程控制系统的特点：（1）被控过程的多样性（2）控制方案的多样性（3）被控过程属慢过程，且多数参数控制（4）定值控制是过程控制的主要形式（5）过程控制系统有多种分类方法
7. 过程控制系统的单项性能指标：（1）衰减比：衰减比是衡量一个振荡过程的衰减程度的指标:（2）最大动态偏差和超调量：最大动态偏差是指设定值阶跃相应中，过渡过程开始后第一个波峰超过其新稳态值的幅度、最大动态偏差占被控变量稳态变化幅度的百分数成为超调量（3）残余偏差：过渡过程结束后，被控变量新的稳态值与新设定值r之间的差值（4）调节时间和振荡频率：调节时间是从过渡过程开始到结束所需的时间
8 综合性能指标；
9 建立过程控制数学模型的基本方法（1）机理法（2）实验法
10 测试法建模对象特性的实验测定方法（1）测定动态特性的时域法（2）测定动态特性的频域法（3）测定动态特性的统计相关法
11 调节阀按其所用能源分为：气动，电动，液动
12 气动执行机构有：薄膜式和活塞式
13 气动薄膜机构的正反作用：信号压力增加时，推杆向下移动的为正作用。信号压力增大时，推杆向上移动的为反作用
14 阀是一个局部阻力可变的节流元件。它由阀体，上阀盖组件，下伐盖组件和伐内件组成
15 阀按结构形式分为：直通单座阀，直通双座阀，角形阀，蝶阀，三通阀和隔膜阀
16 阀的气开，气关作用方式：气开:信号增大时，阀门开度增加。气关：信号压力增大阀反而关小
17 调节阀的流量系数：（1）按我国法定计量单位，流量系数c的定义为：温度为5-10摄氏度的水在给定行程下，阀两端的压差为100kPa,密度为1g/cm3时，每小时流经调节阀水量的立方米数，以Kv表示（2）有些国家的英制单位，C的定义为：温度为60摄氏度F的水，在给定行程下，阀两端压差为1Psi(磅/平方英寸)，密度为1g/cm3时，每分钟流经调节阀水量的加仑值，以符号Cv表示
知识领域17：过程控制系统(PCS)
知识领域17：过程控制系统（PCS）
内容简介
过程控制是自动化技术的重要方向。主要内容包括：过程控制系统的建模方法、各种简单和复杂控制系统、计算机过程控制技术、先进控制技术、数据通信及工业网络技术、分布式计算机控制系统、现场总线控制系统等。
知识单元 知识点 掌握程度
目前 修改
PCS1
过程建模与过程特性 被控过程的数学模型 对象数学模型动态特性的基本描述形式 熟练掌握
对象动态特性描述形式的转换方法 熟练掌握
机理建模方法 熟练掌握
实验建模方法 掌握
PCS2
简单控制系统 设计方法 系统设计原则与步骤，被控变量与控制变量的选择，控制方案的确定 熟练掌握
控制器及其参数整定 PID控制器原理* 熟练掌握
控制系统的性能指标* 熟练掌握
PID参数整定 熟练掌握
执行器的选型 调节阀的工作原理和流量方程式 熟练掌握
调节阀的流量特性 掌握
调节阀口径计算 掌握
调节阀选型 掌握
测量变送器的选型 传感器* 掌握
测量仪表 掌握
系统投运 控制系统的调试与投运 掌握 PCS3
复杂控制系统 串级控制系统* 工作原理及分析 熟练掌握
系统设计 熟练掌握
参数整定 掌握
前馈控制系统 前馈补偿器的设计与实现 掌握
前馈控制系统设计及参数整定 掌握
大迟延过程系统 常规控制方案的设计与实现 掌握
预估补偿控制方案的设计与实现 掌握
采样控制方案的设计与实现 掌握
特定要求的过程控制 比值控制系统 掌握
均匀控制系统 掌握
分程控制系统 掌握
选择性控制系统 掌握
多变量解耦控制 多变量控制系统的关联与分析，典型耦合结构，相对增益的概念与计算 掌握
常用解耦控制系统的设计与实现 了解
PCS4
先进控制技术 推理控制系统 推理控制器设计 了解
误差模型 掌握
多变量推理控制 了解
预测控制系统 预测控制模型 选修
控制算法 选修