页数：54页文件大小：153.6 KB来源： 过程控制ppt课件
本课件为课程绪论，沿概念界定、任务要求、系统组成与分类、控制特点与发展概况逐层展开，厘清过程控制与一般自动控制的区别，并以发电厂过热蒸汽温度、转炉供氧量与集散控制系统三个实例说明过程控制系统的构成。
过程控制课程封面
过程控制课程封面页，标注课程名称与授课层次，为全套课件的开篇页。
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课程名称：过程控制授课对象：电气工程及自动化专业先修课程：电子技术基础检测与信号处理技术自动控制理论主要教材及参考书：邵裕森，《过程控制工程》（第2版），机械工业出版社
本章主要内容
1.工业自动化：利用各种自动化装置对工厂或企业的生产设备或生产过程进行的自动监测,自动调节,自动控制,自动显示及管理等。工业自动化涉及的范围极广，可分为：生产过程自动化、电气传动自动化、电力系统自动化、生产管理自动化、楼宇自动化等等。生产过程自动化是其中的重要分支。它主要针对温度、压力、流量、液位（或物位），成分和物性等参数的控制问题进行研究。
何谓过程:将原料(物质)接收过来,利用能源进行诸如加热、冷却等处理,使其发生化学的或物理的变化,最终生产出所需要的物质或能源的系统。3.过程控制：为了按所希望的效率，质量和产量生产出产品，将过程内各部分的变量控制在所希望的值．即完成对诸如温度，压力，流量，液位（物位）等参数量的生产过程的自动调节。
过程控制的任务：在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性基础上，根据生产工艺的要求，应用控制理论对系统进行分析和综合，最后采用适宜的技术手段加以实现。值得指出的是，为适应当前生产对控制的要求愈来愈高的趋势，必须充分注意现代控制技术在过程控制中的应用，因此可以说，过程控制是控制理论、工艺知识、计算机技术和仪器仪表等知识相结合而构成的一门应用科学。
过程控制系统通常是指工业生产过程中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、成分、粘度、湿度和pH值(酸碱度或氢离子浓度)等这样一些过程变量的系统。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)
例1发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统
每种锅炉与汽轮机组都有一个规定的运行温度，在这个温度下运行，机组的效率最高。如果过热蒸汽的温度过高，会使汽轮机的寿命大大缩短；如果温度过低，当过热蒸汽带动汽轮机作功时，会使部分过热蒸汽变成小水滴，小水滴冲击汽轮机叶片，会造成生产事故。所以必须对过热蒸汽的温度进行控制。
过热蒸汽温度控制系统控制流程图
控制过程：本系统采用DDZ-Ⅲ型电动单元组合仪表。系统中过热蒸汽温度采用热电阻温度计1来测量，并经温度变送器2（TT)将测量信号送至调节器（TC)3的输入端，与过热蒸汽温度的给定值进行比较得到其偏差，调节器按此输入偏差以某种控制规律进行运算后输出控制信号，以控制调节阀4的开度，从而改变减温水流量大小，达到控制过热蒸汽温度的目的。
过热蒸汽温度控制系统框图
过热蒸汽温度控制系统框图，标注被控参数、扰动作用、操纵变量、控制作用与给定值等信号。
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例2转炉供氧量控制系统转炉是炼钢工业生产过程中的一种重要设备。熔融的铁水装入转炉后，可以通过氧枪供给转炉一定的氧气量，在氧气的作用下，铁水中的碳逐渐氧化燃烧，从而使铁水中的含碳量不断地降低，控制吹氧量和吹氧时间就可以控制冶炼钢水的含碳量，于是就可以获得不同品种的钢。
转炉供氧量控制系统控制流程图14采用节流装置1来测量氧气流量，并送至流量变送器(FT)2，再经开方器3后作为流量调节器(FC)4的测量值，其测量值与供氧量的给定值进行比较得到偏差，调节器按此偏差输入信号以PID某种控制规律进行运算并输出控制信号去控制调节阀5的开度，从而改变供氧量的大小，以满足生产工艺要求。控制过程：
转炉供氧量控制系统框图控制系统均由测量元件、变送器、调节器、调节阀和被控过程等环节构成。如果把测量元件、变送器、调节器和调节阀统称为过程检测控制仪表，则一个简单的过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表两部分组成的。
计算机过程控制系统框图
计算机过程控制系统框图，说明用计算机代替模拟调节器实现自动控制。
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集散控制系统基本组成
集散控制系统基本组成框图，列出过程输入输出接口、过程控制单元、数据高速通路等五部分。
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(1)过程输入—输出接口：它是带有微处理器的智能装置，主要用于采集过程信息(模拟量和数字量)，故又称其为数据采集站。它能完成数据采集与预处理，对实时数据作进一步的加工，提供CRT操作站的显示与打印。同时，在有管理计算机的情况下，它可以用模拟量与开关量的方式向过程终端输出计算机的控制指令。
(2)过程控制单元(基本控制器，控制站)：它相当于若干台常规调节器，能完成常规调节器的全部运算与控制功能，通过软件组态能灵活地构成满足各种不同控制要求的复杂控制系统。它接受现场的各种信号，并进行转换，再通过内部微处理器进行各种运算处理，输出转换为DC4—20mA或接点信号，去操作各类执行器，实现自动控制。过程控制单元是集散控制系统的核心。
(5)管理计算机(—上位机)：它通过数据通信总线和系统中各智能单元，采集各种数据信息，并综合下达诸如设定值(SPC)等各种高级命令。它可以进行集中管理与最优控制，实现信息—控制—管理一体化。通常管理计算机还有可能供用户进一步开发高级语言软件，可完成有关工艺参数间复杂的运算和数据分析工作等。
被控对象需要实现控制的设备，机器或生产过程。如加热器，蒸馏塔，反应器或传输物料的管路，储存物料的槽、罐等。1被控量对象内要求进行控制的参量。即y(t)，过热蒸汽的温度。是过程的输出信号。2操纵量（控制参数）一般是由工艺决定的，如加热器的温度、燃油量、出口温度等．受执行器（调节阀）操纵，用以使被控制量获得有效控制的量（调节阀输出，过程的输入）。
干扰量与检测变送器
干扰量与检测元件变送器说明，列出各类传感器及1~5VDC、4~20mADC标准信号。
作用于对象并能引起被控量变化的各种因素
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控制器(调节器）将测量值与事先设定的给定值比较，产生偏差信号。根据偏差信号自动地进行运算，并将结果输出到执行机构上，以达到自动调节的目的。1设定值：采用标准信号。2测量值：要求与被控量具有对应关系的标准信号。3偏差量：正偏差或负偏差4.执行器（调节阀）（过程自动化中用的执行器均为调节阀）调节阀由执行机构和调节机构组成。
按被控量分类：温度控制系统压力控制系统流量控制系统液位控制系统等2.按完成的功能分类：比值控制系统（特殊的多变量控制）分程控制系统（一个调解器带几个阀）选择性控制系统（非线性切换控制）
按调节器控制规律分类：比例（P）控制系统比例积分(PI)控制系统比例积分微分（PID）控制系统4.按被控制量的多少分类：单变量控制系统多变量控制系统
按系统的结构分类
按系统结构分类页，列出反馈、前馈、复合、单回路与串级五类控制系统。
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（1）反馈控制系统它是过程控制系统中的一种最基本的控制结构形式。反馈控制系统是根据系统被控量的偏差进行工作的，偏差值是控制的依据，最后达到消除或减小偏差的目的。如过热蒸汽温度控制系统就是一个反馈控制系统。另外，反馈信号也可能有多个，从而可以构成多个闭合回路，称其为多回路控制系统。
前馈控制框图（2）前馈控制系统前馈控制系统直接根据扰动量的大小进行工作，扰动是控制的依据。由于它没有被控量的反馈，所以也称为开环控制系统。扰动f(t)是引起被控量y(t)变化的原因，前馈调节器FFC是根据扰动f(t)进行工作的，可能及时克服扰动对被控量y(t)的影响。但是，由于前馈控制是一种开环控制，最终不能检查控制的精度，因此，在实际工业生产过程自动化中是不能单独应用的。
（3）前馈—反馈控制系统(复合控制系统)开环的前馈控制的最主要的优点是能针对主要扰动及时迅速地克服其对被控参数的影响；对于其余次要扰动，则利用反馈控制予以克服，使控制系统在稳态时能准确地使被控量控制在给定值上。前馈—反馈控制系统
按给定信号的特点分类：定值控制系统程序控制系统随动控制系统（1）定值控制系统：就是系统被控量的给定值保持在规定值不变，或在小范围附近不变。定值控制系统是过程控制中应用最多的一种控制系统，因为在工业生产过程中大多要求系统被控量的给定值保持在某一定值，或在某很小范围内不变。例如过热蒸汽温度控制系统、转炉供氧量控制系统均为一个定值控制系统。
（2）程序控制系统：它是被控量的给定值按预定的时间程序变化工作的。控制的目的就是使系统被控量按工艺要求规定的程序自动变化。例如同期作业的加热设备(机械、冶金工业中的热处理炉)，一般工艺要求加热升温、保温和逐次降温等程序，给定值就按此程序自动地变化，控制系统按此给定程序自动工作，达到程序控制的目的。
（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。其主要作用是克服一切扰动，使被控量快速跟随给定值而变化。例如在加热炉燃烧过程的自动控制中，生产工艺要求空气量跟随燃料量的变化而成比例地变化，而燃料量是随生产负荷而变化的，其变化规律是任意的。随动控制系统就要使空气量跟随燃料量的变化自动控制空气量的大小，达到加热炉的最佳燃烧。
连续生产过程的自动控制——被控量需定量控制且连续可调过程控制一般是指连续生产过程的自动控制，其被控量需定量地控制，而且应是连续可调的。若控制动作在时间上是离散的（如采样控制系统等），但是其被控量需定量控制，也归入过程控制。
系统由检测与仪表组成过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表（包括电动仪表和气动仪表，模拟仪表和智能仪表）和电子计算机（看作一台仪表）等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动监测、自动监督、自动控制。一个过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表两部分组成的。过程检测控制仪表包括检测元件、变送器、调节器（包括计算机）、调节阀等。过程控制系统的设计是根据工业过程的特性和工艺要求，通过选用过程检测控制仪表构成系统，在通过PID参数的整定，实现对生产过程的最佳控制。
被控过程（对象）是非电量的在现代工业生产过程中，工业过程很复杂。因此过程控制中的被控过程是多种多样的。诸如石油化工过程中的精馏塔、化学反应器、流体传输设备；热工过程中的锅炉、热交换器；冶金过程中的转炉、平炉；机械工业中的热处理炉等。涉及石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、制药等行业。在这些生产过程中，往往采用一些物理量和化学量（如温度、压力、流量、液位、成分、pH值等等）来表征其生产过程是否正常，因此需要对上述过程参数进行自动检测和自动控制，故过程控制多为非电量控制。
控制过程多为慢过程的参量控制由于被控过程具有大惯性、大滞后（大时延）等特性，因此决定了过程控制的控制过程多数为慢过程。它们的动态特性多数具有大惯性、大滞后、非线性特性。有些机理复杂（如发酵、生化过程等）的过程至今尚未被人们所认识，所以很难用目前过程辨识方法建立起精确的数学模型，因此设计能适应各种过程的控制系统并非易事。
控制方案丰富过程控制系统的设计是以被控过程的特性为依据的。由于工业过程的复杂、多变，因此其特性多半属多变量、分布参数、大惯性、大滞后和非线性等等。为了满足上述特点与工艺要求，过程控制中的控制方案是十分丰富的。通常有单变量控制系统，也有多变量控制系统；有仪表过程控制系统，也有计算机集散控制系统；有复杂控制系统，也有满足特定要求的控制系统。
回顾自动化技术发展的历史，可以看到它与生产过程本身的发展有着密切的关系，是一个从简单形式到复杂形式，从局部自动化到全局自动化，从低级智能到高级智能的发展过程。自动化在工业生产中的作用，大致经历了三个阶段。
50年代前后为自动化发展的第一阶段在这一时期中，理论基础是用传递函数进行数学描述，以根轨迹法和频率法作为分析和综合系统基本方法的经典控制理论，因而带有明显的依靠手工和经验进行分析和综合的色彩，在设计过程中，一般是将复杂的生产过程人为地分解为若干个简单过程。最终实现单输入单输出的控制系统.
60年代十年，工业自动化发展的第二个阶段自60年代来，随着工业生产的不断发展，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，从此开始了过程控制的第二个阶段。开始大量采用气动和电动单元组合仪表；开发和应用了各种复杂的过程控制系统；过程控制由单变量系统转向多变量系统。
70年代进入第三个阶段70年代以来，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及其性价比大大提高，尤其是工业计算机采用了冗余技术和软硬件的自诊断措施，使其满足了工业控制的应用要求。过程控制发展到现代过程控制的新阶段。
集散控制系统集散控制系统（DCS）是把自动化技术、计算机技术、通信技术、故障诊断技术、冗余技术和图形显示技术融为一体的装置。这种系统在结构上是分散的，就是将计算机分装到工段或装置，这不仅使系统危险分散，消除了全局性的故障点，提高了系统的可靠性，同时能方便灵活地实现各种新型的控制规律和算法。这种系统由于是分级的，因此便于实现现代化的最佳管理，并使自动生产过程自动化开始进入控制管理一体化的新模式。
现代自动化技术的新阶段—计算机时代
过程控制的概念有了很大的发展，它不仅包括数据采集与管理、基本过程控制，而且包括先进的管理系统、调度和优化等。柔性化、分散化和集成化的综合自动化系统，已被应用于实际工业过程。
目前，世界各工业发达国家，正集中全力进行工厂综合自动化技术的研究。所谓综合自动化，就是在自动化技术、信息技术、计算机控制和各种生产加工技术的基础上，从生产过程的全局出发，通过生产过程所需的各种信息的继承，把控制、优化、调度、管理、经营、决策融为一体，形成一个能适应各种生产环境和市场需求、多变性的、总体最优的高质量、高效益、高柔性的管理生产系统。
从工业自动化发展的历程，可以得到如下结论：（1）工业自动化的发展与工业生产过程本身的发展有着极为密切的联系。工业生产本身的发展，诸如工艺流程的变革，设备的更新换代，生产规模的不断扩大等促进了自动化的进程，而工业自动化在控制理论和技术工具方面的新成就又保证了现代工业生产在安全平稳的前提下进行正常运行，充分发挥设备的潜力，提高生产率，获得最大限度的经济和社会效益
（2）工业自动化已进入计算机时代，进入所谓的计算机集成过程系统（ComputerIntegratedProductionSystems,CIPS）的时代。可是，当前面对琳琅满目的计算机系统，尽管已有许多现成的先进控制理论，却缺乏行之有效的控制方法去满足工业生产不断提出的高要求，因此，加强控制理论与生产实际密切结合，注意引入智能控制、专家系统。逐步形成不同形式的既简单又实用的控制结构和算法，是控制理论工程化的任务，是今后过程控制的主要研究内容。
课程的任务过程控制是控制理论、生产工艺、计算机技术和仪器仪表知识等相结合的一门综合性应用科学。本课程的任务是在了解、熟悉、掌握生产工艺流程与生产过程的静态和动态特性的基础上，根据工艺要求，应用控制理论、现代控制技术，分析、设计、整定过程控制系统《过程控制》课程是以工程控制系统为主体，以过程检测控制仪表为工具，仪表与系统密切联系，相互依存。
第三章简单过程控制系统
第四章复杂过程控制系统
本章思考问题
第一章思考题页，要求回答过程控制系统的组成及其分类、过程控制的特点两个问题。
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