过程控制 绪论

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。
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。
设定值 hsp + _
偏差 e(t)
液位 控制器
控制信号 u(t)
出水 控制阀
操纵变量 Qo(t)
测量值 hm(t)
液位传感 测量变送器
一般的单回路控制系统
被控对象 扰动 D 干扰通道 GD (s) 偏差 e 控制器 Gc (s) 控制变量 u 操纵变量 q 执行器 Gv (s) 设定值 ysp 被控变量 y
控制变量的选择原则


所选控制变量必须是可控的。 所选控制变量应是通道放大倍数比较大者，最 好大于扰动通道的放大倍数。 所选控制变量应使扰动通道时间常数越大越好， 而控制通道时间常数适当小一些为好，但不宜 过小。 所选控制变量其通道滞后时间应越小越好。 所选控制变量应尽量使干扰点远离被控变量而 靠近控制阀。 考虑工艺合理性。
《过程控制工程》绪论
课程性质



过程控制是自动化的一门分支学科，其研究任 务是对过程控制系统进行分析与设计 。 目的就是将在此之前学习的自动化和与其相关 的理论课程和技术课程同实际被控过程有机的 结合起来，用已学过的理论完成对生产过程系 统的有效控制。 控制理论中讲过的这些方法在应用于实际系统 中需要考虑的问题是过程控制这门课的主要任 务。

控制系统的调试和投用：控制系统安装完毕后，
按控制要求检查和调整各控制仪表和设备的工作状况 (包括控制器参数的在线整定)，依次将其投入运行。
举例：精馏塔控制系统
控制目标
TC
CV、MV选择
FC LC
进料
精 馏 塔
FC LC
控制方案
塔顶产品
控制算法
塔底产品
加热蒸汽
控制系统 调试与投用
常用控制算法

PID类（包括：单回路PID、串级、前馈、均匀、
设计单回路控制系统需分析的几 个问题



如何正确的选择被控变量和控制变量。 如何正确选择控制阀的开、闭形式及其 流量特性。 如何正确选择控制器的控制规律及正反 作用。 如何正确选择测量变送装置。 系统关联性分析。
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
定性的要求，针对具体工业对象确定控制目标；
控制在哪里实现的？
现场调节 现场 显示 传感器、现场 显示和阀门 都在生产现场
中央控制室
电缆，可能有几百米长 中央控制室中进行变量显示、 计算以及操纵阀门
工艺过程控制流程图
Qi
h
LC
hsp Qo
(1)图形符号——检测点
一般是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点
ATTENTION 管道、仪表流程图的图形符号不是 完全标准一致的，国内与国外、不同设 必要时也可以用象形或图形符号表示 计单位之间、甚至不同设计人员之间， 有些方面会有不同的标注习惯，一般来 (2)图形符号——连线 通用的仪表信号线均以细实线表示 说P&ID图会有图例给出。
比值、分程、选择或超驰控制等）， 特点：主要适用于SISO系统、基本上不需要对 象的动态模型、结构简单、在线调整方便。

APC类（先进控制方法，包括：解耦控制、内
模控制、预测控制、自适应控制等）， 特点：主要适用于MIMO或大纯滞后SISO系统、 需要动态模型、结构复杂、在线计算量大。
过程控制与其它相关学科

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）。
被控变量的选择原则



应当尽量选择质量指标参数作为被控变量。 当不能选择质量指标作被控变量时，应当选择 一个与产品质量指标有单值对应关系的间接指 标参数作为被控变量。 所选择的间接指标参数应有足够大的灵敏度， 以便反映产品只量到变化。 选择被控变量时须考虑到工艺的合理性和国内 外仪表生成的现状。
同一个检测点，有两个 或多个测量，可用两个 或多个相切的圆表示
仪表符号除了图形之外，圆圈之中还应有一串有字母和数字组成的代号 称为“仪表位号”。例如：
PIC－207
TRC－210 指示 控制
……
(4)字母代号
字母编号写在圆圈的上半部 第一位字母表示被测变量 后继字母表示仪表的功能
ห้องสมุดไป่ตู้压力
PIC－207
本课程的教学要求





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 了解先进控制算法，掌握其设计思想、 概念、特点及适用场合 了解控制系统的设计与实施
本章要求


了解控制系统的组成 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 了解控制系统的主要分类 了解控制系统的设计与实施
控制原理 与方法 最优化 方法与技术
系统仿真 技术
控制工程
计算机 与网络技术
化工原理 与对象机理
测量与控制 仪表
控制系统的由来
Qi
LC
h
hsp Qo
传感测量器：液位计+人眼 控制器：大脑 执行机构：手+手动阀
差压传感变送器 电动调节器 自动调节阀
控制系统的基本组成
期望值
控制器
末端 执行器 输入
传感器
过程
输出
控制在哪里实现的？
现场调节 现场 显示
传感器、现场 显示和阀门 都在生产现场 电缆，可能有几百米长 中央控制室中进行变量显示、 计算以及操纵阀门
(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) 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 ）
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。
+
控制通道 Gp (s)
+
+
_ 测量值 ym
测量变送 Gm (s)
被控变量：温度(T)、压力(P)、流量(F)、液位或料位 (L)、成分与物性等六大参数。
热交换器温度控制系统方块图
Tsp
TC
蒸汽 u(t) RV
问题：画出热交换器温度 控制系统的方块图。
RF , Ti
Tm
T 凝液
设定值 Tsp + _ 偏差 e(t)
前馈与反馈控制系统举例
蒸汽 RV Tm RF T 凝液 进料 Ti u(t) Tsp 前馈 控制器
Tsp
TC
蒸汽 u(t) RV
Tm RF , Ti T 凝液 进料
前馈控制
反馈控制
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：热水器的控制 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
进料
扰动 RF (t), Ti (t) 热交换器 干扰 通道 控制 通道 + + 被控变量 T(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
过程控制系统的重要术语

被控变量/受控变量
（Controlled Variable - CV）

设定值/给定值
(3)图形符号——仪表符号
例如，国内设计院一般较少用多个 圆相切的形式来表示复合仪表，而国外 则更常见。
集中 仪表 盘面 安装 仪表 就地 仪表 盘面 安装 仪表 集中 仪表 盘后 安装 仪表 就地 仪表 盘后 安装 仪表
仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm
就地 安装 仪表
就地 安装 仪表 嵌在 管道 中
第2工段 仪表序号为07
(5)数字代号
数字编号写在圆圈的下半部 第一位数字表示段号 后续数字(二位或三位数字)表示仪表序号。
实际工艺过程流程图举例
液位控制系统的方块图
Qi h
LC
hsp Qo
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？
扰动 Qi(t) 液体贮罐 干扰 通道 控制 通道 + + 被控变量 h(t)