过程控制系统典型类型分析
过程控制系统简单控制系统
控制系统设计基本内容
① 确定控制方案
调研,论证 包括被控变量的选择与确认﹑操纵变量的选择与确认﹑检测点
的初步选择、绘制出带控制点的工艺流程图和编写初步控制方 案设计说明书等等.
② 仪表及装置的选型
要考虑到供货方的信誉﹑产品的质量﹑价格﹑可靠性﹑精度﹑ 供货方便程度﹑技术支持﹑维护等因素.
说明 ：
框图中的各个信号都是增量.
各环节的增益有正、负之别.
通常将执行器、被控对象和检测变送环节合并为广义对象.
简单控制系统有控制通道和扰动通道两个通道：控制通道是操 纵变量作用到被控变量的通道.扰动通道是扰动作用到被控变量 的通道.
设定值保持不变的反馈控制系统称为定值控制系统
设定值是任意变化的反馈控制系统称为随动控制系统或伺服控 制系统.
④ 参与施工和试车 设计代表应该到现场配合施工,并参加试车和考核.
⑤ 设计回访 在生产装置正常运行一段时间后,应去现场了解情况,听取意见,总结经 验.
4.2.2 被控变量与操纵变量的选择
被控变量选择应遵循下列原则：
尽量选择能直接反映产品质量的变量作为被控变 量；
所选被控变量能满足生产工艺稳定﹑安全﹑高效 的要求
气体流量检测时,若检测点温度、压力与设计值不一致,因此需要 进行温度和压力的补偿；
精馏塔内介质成分与温度、塔压有关,正常操作时,塔压保持恒定, 可直接用温度进行控制,当塔压变化时,需要用塔压对温度进行补 偿等.
② 线性化
检测变送环节是根据有关的物理化学规律检测被 控变量的,它们有些存在非线性,例如,热电势与温度、 差压与流量等,这些非线性会造成控制系统的非线 性,因此,应对检测变送信号进行线性化处理.可以采 用硬件组成非线性环节实现,例如,采用开方器对差 压进行开方运算,也可用软件实现线性化处理.
过程控制分析题
（2）主要扰动可测，但对反馈控制又是不可控的参数。
（3）当控制系统的控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差，可考虑采用前馈或前馈——反馈控制系统，以提高控制质量。
06年
四、分析与应用题（本题28分，第1小题15分，第2小题13分）
一、分析与应用题（本题40分，每小题10分）
1、请判定图所示温度控制系统中，调节阀和调节器的作用型式。
（1）当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质，调节介质为过热蒸汽时；
（2）当物料为温度过高时易结焦或分解的介质，调节介质为过热蒸汽时；
（3）当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质，调节介质为待加热的软化水时；
⑤本例采用的是单冲量控制，结构简单，但当负荷变换较大时，会出现控制其输出误动作、控制不及时等缺陷。针对这些缺陷，可进一步改进控制系统以改进控制品质。如，考虑到蒸汽负荷波动的影响，可将蒸汽流量作为前馈信号，与汽包水位组成前馈-反馈控制系统，通常称为双冲量水位控制系统。或再考虑其他扰动因素，设计相应的多冲量控制系统。
双重控制系统是一个被控变量采用两个或两个以上的操众变量进行控制的控制系统。这类控制系统采用不止一个控制器，其中，一个控制器的输出作为另一个控制器的测量信号。
两者区别：双重控制系统主控制器的输出作为副控制器的测量，串级控制系统中作为副控制器的设定。因此，串级控制系统中两个控制回路是串联的，双重控制系统中两个控制回路是并联的。它们都具有急则治标，缓则治本的控制功能，但解决的问题不同。
对于DDZ-III型差压变送器，其输出信号为4-20mA，输入信号为差压，与流量的平方成比例。因此对于F1T和F2T，其输出信号分别为：
比值系数：K，=（I2-4）/（I1-4）
PLC、DSC、FCS三大控制系统的特点和差异
PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点和差异FCS是由PLC发展而来的；而在另一些行业，FCS又是由DCS发展而来的，所以FCS与PLC及DCS之间有着千丝万缕的联系，又存在着本质的差异。
本文试就PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点和差异作一分析，指出它们之间的渊源及发展方向。
摘要：本文对PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点和差异进行了分析，指出了三种控制系统之间的渊源及发展方向。
关键词：可编程序控制器（PLC）分散控制系统（DCS）现场总线控制系统（FCS）1.前言上世纪九十年代走向实用化的现场总线控制系统，正以迅猛的势头快速发展，是目前世界上最新型的控制系统。
现场总线控制系统是目前自动化技术中的一个热点，正受到国内外自动化设备制造商与用户越来越强烈的关注。
现场总线控制系统的出现，将给自动化领域带来又一次革命，其深度和广度将超过历史的任何一次，从而开创自动化的新纪元。
在有些行业，FCS是由PLC发展而来的；而在另一些行业，FCS又是由DCS 发展而来的，所以FCS与PLC及DCS之间有着千丝万缕的联系，又存在着本质的差异。
本文试就PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点和差异作一分析，指出它们之间的渊源及发展方向。
2．PLC、DCS、FCS三大控制系统的基本特点目前，在连续型流程生产自动控制（PA）或习惯称之谓工业过程控制中，有三大控制系统，即PLC、DCS和FCS。
它们各自的基本特点如下：2．1 PLC（1）从开关量控制发展到顺序控制、运送处理，是从下往上的。
（2）连续PID控制等多功能，PID在中断站中。
（3）可用一台PC机为主站，多台同型PLC为从站。
（4）也可一台PLC为主站，多台同型PLC为从站，构成PLC网络。
这比用PC机作主站方便之处是：有用户编程时，不必知道通信协议，只要按说明书格式写就行。
（5）PLC网格既可作为独立DCS/TDCS，也可作为DCS/TDCS的子系统。
PLC、DCS、FCS常见控制系统的根本区别在哪里
PLC、DCS、FCS常见控制系统的根本区别在哪里计算机和网络技术的飞速发展，引起了自动化控制系统结构的变革，一种世界上最新型的控制系统即现场总线控制系统（FieldbusControlSystem，FCS）在上世纪九十年代走向实用化，并正以迅猛的势头快速发展。
现场总线控制系统是目前自动化技术中的一个热点，正越来越受到国内外自动化设备制造商与用户的关注。
现场总线控制系统的出现，将给自动化领域在过程控制系统上带来又一次革命，其深度和广度将超过历史的任何一次，从而开创自动化的新纪元。
FCS可以说是第五代过程控制系统，是由PLC（ProgrammableController）或DCS （DistributedControlSystem）发展而来的。
FCS与PLC及DCS之间有千丝万缕的联系，又存在着本质的差异。
本文针对PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点、性能和差异作一分析。
1 PLC、DCS、FCS三大控制系统的基本特点目前，在连续型流程生产工业过程控制中，有三大控制系统，即PLC、DCS和FCS。
它们各自的基本特点如下：1.1PLC（1）从开关量控制发展到顺序控制、运算处理，是从下往上的。
（2）逻辑控制、定时控制、计数控制、步进(顺序)控制、连续PID控制、数据控制-PLC具有数据处理能力、通信和联网等多功能。
（3）可用一台PC机为主站，多台同型PLC为从站。
（4）也可一台PLC为主站，多台同型PLC为从站，构成PLC网络。
这比用PC 机作主站方便之处是：有用户编程时，不必知道通信协议，只要按说明书格式写就行。
（5）PLC网络既可作为独立DCS/TDCS，也可作为DCS/TDCS的子系统。
（6）主要用于工业过程中的顺序控制，新型PLC也兼有闭环控制功能。
1.2DCS（1）分散控制系统DCS与集散控制系统TDCS是集4C（Communication，Computer，Control、CRT）技术于一身的监控技术，是第四代过程控制系统。
DCS和PLC实现、设计案例分析
DCS和PLC实现、设计案例分析04083134 张晓辉一、DCS控制系统A）DCS控制系统：DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在国内自控行业又称之为集散控制系统。
即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。
它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。
在系统功能方面，DCS和集中式控制系统的区别不大，但在系统功能的实现方法上却完全不同。
首先，DCS的骨架—系统网络，它是DCS的基础和核心。
由于网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用，因此各厂家都在这方面进行了精心的设计。
对于DCS的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送。
这里所说的“确定”的时间限度，是指在无论何种情况下，信息传送都能在这个时间限度内完成，而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。
因此，衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率，即通常所说的每秒比特数（bps），而是系统网络的实时性，即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。
系统网络还必须非常可靠，无论在任何情况下，网络通信都不能中断，因此多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。
为了满足系统扩充性的要求，系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍。
这样，一方面可以随时增加新的节点，另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态，以确保系统的实时性和可靠性。
在系统实际运行过程中，各个节点的上网和下网是随时可能发生的，特别是操作员站，这样，网络重构会经常进行，而这种操作绝对不能影响系统的正常运行，因此，系统网络应该具有很强在线网络重构功能。
过程控制系统-第3章-简单系统-习题与解答
第3章习题与思考题3-1.简单控制系统由哪几部分组成？各部分的作用是什么？解答：简单控制系统由检测变送装置、控制器、执行器及被控对象组成。
检测变送装置的作用是检测被控变量的数值并将其转换为一种特定输出信号。
控制器的作用是接受检测装置送来的信号，与给定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果送往执行器。
执行器能自动地根据控制器送来的控制信号来改变操纵变量的数值，以达到控制被控变量的目的。
被控对象是指需要控制其工艺参数的生产设备或装置。
3-2.什么叫直接参数和间接参数？各使用在什么场合？解答：如果被控变量本身就是需要控制的工艺指标，则称为直接参数；如果被控变量本身不是需要控制的工艺指标，但与其有一定的间接对应关系时，称为间接参数。
在控制系统设计时，尽量采用直接参数控制，只有当被控变量无法直接检测，或虽能检测，但信号很微弱或滞后很大，才考虑采用间接参数控制。
3-3.被控变量的选择应遵循哪些原则？解答：被控变量的正确选择是关系到系统能否达到预期控制效果的重要因素，它选择的一般原则是：（1）被控变量应能代表一定的工艺操作指标或是反映工艺操作状态重要变量；（2）被控变量应是工艺生产过程中经常变化，因而需要频繁加以控制的变量；（3）被控变量应尽可能选择工艺生产过程的直接控制指标，当无法获得直接控制指标信号，或其测量或传送滞后很大时，可选择与直接控制指标有单值对应关系的间接控制指标；（4）被控变量应是能测量的，并具有较大灵敏度的变量；（5）被控变量应是独立可控的；（6）应考虑工艺的合理性与经济性。
3-4.操纵变量的选择应遵循哪些原则？解答：（1）操纵变量应是工艺上允许加以控制的可控变量；（2）操纵变量应是对被控变量影响诸因素中比较灵敏的变量，即控制通道的放大系数要大一些，时间常数要小一些，纯滞后时间要尽量小；（3）操纵变量的选择还应考虑工艺的合理性和生产的经济性。
3-5.简述选择调节器正、反作用的目的，如何选择?解答：其目的是使控制器、执行器、对象三个环节组合起来，能在控制系统中起负反馈作用。
化工仪表：过程控制系统的主要类型
化工仪表：过程控制系统的主要类型按系统功能---温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统、流量控制系统等；按系统性能--线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、定常系统和时变系统；按被控变量的数量---单变量控制系统和多变量控制系统；按采用的控制装置----常规仪表控制系统、计算机控制系统；按控制系统基本结构形式-----闭环控制系统和开环控制系统。
1、闭环控制系统闭环控制系统是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的控制系统。
闭环控制系统优点----不管任何扰动引起被控变量偏离设定值，都会产生控制作用去克服被控变量与设定值的偏差。
因此闭环控制系统有较高的控制精度和较好的适应能力，其应用范围非常广泛。
缺点---闭环控制系统的控制作用只有在偏差出现后才产生，当系统的惯性滞后和纯滞后较大时，控制作用对扰动的克服不及时，从而使其控制质量大大降低。
在闭环控制系统中，根据设定值的不同形式，又可分为定值控制系统，随动控制系统和程序控制系统。
（1）定值控制系统特点：设定值是固定不变作用：保证在扰动作用下使被控变量始终保持在设定值上b) 随动控制系统特点：设定值是一个未知的变化量作用：保证在各种条件下系统的输出（被控变量）以一定的精度跟随设定值的变化而变化。
（3）程序控制系统特点：设定值是一个按一定时间程序变化的时间函数作用：保证在各种条件下系统的输出（被控变量）以一定的精度跟随设定值的变化而变化。
如：机械行业的数控车床、间歇生产过程中化学反应器的温度控制等都属于这类控制系统。
程序控制系统可以看成是随动控制系统的特殊情况，其分析研究方法与随动控制系统相同。
3、开环控制系统开环控制系统-----控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的控制系统。
操纵变量可以通过控制对象去影响被控变量，但被控变量不会通过控制装置去影响操纵变量。
从信号传递关系上看，未构成闭合回路。
a) 按设定值进行控制控制方式的原理：需要控制的是被控对象中的被控变量，而测量的只是设定值。
过程控制
1.四大参数：压力，流量，液位，温度2.过程控制系统是以表征生产过程参数为被控变量，使之接近给定值（设定值）或保持在给定范围内的自动控制系统3.自动控制装置：测量元件与变送器，自动控制器，执行器4.从控制系统的基本结构分类：闭环控制系统，开环控制系统5.过程控制系统三种类型：定值【罐体液位】，随动【高炮防空】，程序控制系统【发酵温度】6.上述各种反馈系统中，各环节的传递信号都是时间的函数，因而统称为连续控制系统7.若系统中有一个或一个以上环节的传递信号是断续的为离散控制系统（计算机系统属于）8.系统中各环节输入输出特性是线性时为线性控制系统，反之非线性控制系统9.通常把被控变量不随时间变化的稳定状态称为系统的静态10.随时间变化的不稳定状态为系统的动态11.将一个过程控制系统在外部因素（干扰）作用下从原来有稳定状态过渡到另一个稳定状态的过程，称为过程控制系统的过渡过程12.在分析和设计控制系统时，为了安全和方便常选择一些定型的干扰形式验证系统的控制性能，常用的是阶跃干扰13.阶跃干扰作用下过度过程有以下形式：a发散振荡过程b等幅振荡过程c衰减振荡过程d非振荡衰减过程e非振荡发散过程14.最大偏差越小越好15.衰减比为4:1~10:1为宜16.被控变量所到达的新的稳定值与设定值之间的偏差叫余差17.余差y∞越小越好18.过渡时间就是从干扰开始作用之时起，直至被控变量进入5%的范围内且不再跃出时为止经历的时间19.一般希望振荡周期短一些好20.控制作用至被控变量的信号联系称为控制通道21.干扰作用至被控变量的信号联系称为干扰通道22.对象总的输出为控制通道输出与干扰通道输出之和23.描述对象特性的数学模型，按功能主要有参量模型和非参量模型两种形式24.对象的数学模型求取方法：机理建模，实验建模，混合建模25.所谓过程建模，又称机理演绎法或解析法，它是根据被控过程的内在机理，运用已知的静态和动态物料平衡，能量平衡等关系，用数学推理方法求取被控过程的数学模型26.时域法建模分为：阶跃响应曲线法，矩形脉冲响应曲线法、矩形脉冲波法、频率特性发。
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过程控制系统典型类型分析
摘要：本文主要介绍过程控制系统的典型控制类型，主要有单闭环控制系统、串级控制系统、前馈控制系统、开环比值控制系统、单闭环比值控制系双闭环比
值控制系统。
并对这些控制系统进行分析，说明适用环境与控制类型。
关键词：控制系统自动化过程控制
1.单闭环控制系统
单闭环控制系统就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较输出
与期望值之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。
在单闭环控制系统中
既存在由输入到输出的信号前向通道，又存在从输出到输入的反馈通路，两者组
成一个闭合的回路。
因此，单闭环控制系统是自动控制系统的主要形式。
单闭环控制系统适合控制变量单一的工艺过程，如室内温度的控制，被控对
象为加热器及房间，被控量是室内的温度。
图1 单闭环控制系统方框图
如室内温度的控制，被控对象为加热器及房间，被控量是室内的温度
2.串级控制系统
串级控制系统是由其结构上的特征而得名，它是由主、副两个控制器串接工
作的，主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，
以实现对变量的定值控制。
串级控制系统用于克服被控过程较大的容量滞后、较大的纯滞后，还能抑制变化剧烈且幅度大的扰动与克服被控过程的非线性。
如加热炉出口温度与炉膛温度的控制，被控对象为出口温度对象，被控量是出口温度。
图2 串级控制系统方框图
3.前馈控制系统
前馈控制的基本概念是测取进入过程的干扰，并对其信号产生适合的控制作用去改变操纵量，使受控变量维持在设定值上。
前馈控制系统只能克服可测不可控的扰动。
如换热器的静态前馈控制，被控对象为换热器，被控量为换热器出口温度。
图3 前馈控制系统及其方框图
4.比值控制系统
4.1开环比值控制系统
当系统处于稳定工作状态时，两物料的流量满足比值关系；当主动量受到干扰而发生变化时，系统通过比值器及设定值按比例去改变控制阀的开度，调节从动量使之与主动量仍保持原有的比例关系；当从动量受到外界干扰波动时，由于是开环控制，没有调节从动量自身波动的环节，也没有调整主动量的环节，故两
种物料的比值关系很难保持不变，系统对此无能为力。
开环比值控制是理解比例
控制工作机理的基础，在实际工程上很少应用。
适用于副流量较平稳的系统。
图4 开环比值控制系统及其方框图
4.3双闭环比值控制系统
双闭环比值控制系统是克服单闭环比值控制系统主流量不受控，生产负荷在
较大范围内波动的不足，在单闭环比值控制系统的基础上，增设了主流量控制回路，克服了主流量干扰的影响。
现实精确的流量比值关系，确保两物料总量基本
不变。
提降负荷比较方便，只需要缓慢主流量控制器的给定，就可以提降主流量，副流量自动跟踪提降，并保持比值不变。
常用于主流量干扰频繁或工艺上不允许负荷有较大的波动，或工艺上经常需
要升级负荷的场合。
图6 双闭环比值控制系统及其方框图
参考文献：
[1]刘祎，王玮，苏芳.工业大数据背景下企业现实数字化转型的案例研究[J].管理学刊，2020（1）：60-69.
[2]韩国强.工业过程控制技术展望[J].中国科技信息，2016(9):123-123.
[3]朱雪璇.工业过程控制自动化中智能控制的应用研究[J].无线互连网科技，2012（9）：121-121.
姓名：曹润熙（2001-）男，汉，河北晋州人，本科在读。
研究方向：自动化。