過程控制系統ProcessControlSystem內蒙古工業大學電力學院自動化系張計科本章主要內容1-1過程控制系統的組成1-2過程控制系統的分類1-3過程控制系統的特點1-4過程控制系統的發展歷史1-5過程控制系統的性能指標1-6控制工藝圖的組成及符號解釋傳感測量器：液位計+人眼控制器：大腦執行機構：手+手動閥差壓傳感變送器電動調節器自動調節閥1-1過程控制系統的組成H:液位P:壓力F:流量T:溫度1-1過程控制系統的組成液位控制系統熱交換器的溫度控制系統1-1過程控制系統的組成一般的單回路控制系統1-1過程控制系統的組成被控對象：工藝參數需要控制的生產過程設備或機器等。

如水箱、熱交換器。一般的單回路控制系統常見的被控變量：溫度、壓力、流量、液位或料位、成分與物性等六大參數；1-1過程控制系統的組成被控變量/受控變量/過程變量（ControlledVariable-CV,ProcessVariable-PV）：被控對象中要求保持設定值的工藝參數。如液位、蒸汽溫度。一般的單回路控制系統1-1過程控制系統的組成操縱變量/操作變量(ManipulatedVariable,MV)：受控制器操縱，用以克服擾動的影響使被控變量保持設定值的物料量或能量。如液體流出流量、蒸汽流量。擾動/擾動變量(DisturbanceVariable,DV)：除操縱變量之外，作用于被控對象并引起被控變量變化的因素。如液體流入流量、進料量。一般的單回路控制系統1-1過程控制系統的組成設定值/給定值(Setpoint-SP,SetpointValue-SV)：被控變量的預定值。如水箱的期望液位、蒸汽的期望溫度。控制/控制信號/控制變量（ControlVariable）：作用于執行機構以引起操縱變量變化的變量。如閥門開度。一般的單回路控制系統1-1過程控制系統的組成測量/測量信號/測量值(Measurement，MeasurementValue)：從工業現場對被控變量通過測量和變送后得到的信號值，即被控變量的測量值。偏差/誤差（Deviation，Error）：被控變量給定值與實際值之差。通常把給定值與測量值之差作為偏差。1-2過程控制系統的分類

自動控制系統有多種分類方法，站在不同的角度分類不同。分類特征控制方式特點按控制方式分開環控制按給定值操縱、按干擾補償閉環控制按偏差調節復合控制閉環反饋為主，開環補償為輔按給定值變化規律分恒值系統保持輸出恒定隨動系統輸出跟隨輸入變化程序控制系統輸出按照預先設定好的程序變化按被控變量分溫度控制系統以溫度為被控量壓力控制系統以壓力為被控量流量控制系統以流量為被控量…………液位控制系統以液位為被控量按系統性能分線性/非線性系統線性系統滿足疊加原理連續/離散性系統離散系統中包含數字量定常/時變性系統時變系統參數隨時間變化1-3過程控制系統的特點

1.生產過程的連續性

2.被控對象的多樣性

3.被控對象多屬慢過程且多屬參數控制

4.控制方案多樣性

5.定值控制是過程控制的主要形式1.手工操作階段（20世紀40年代以前）觀察火候、冷熱、色澤、形狀等

明宋應星《天工開物》:“若造熟鐵,則生鐵流出時……其柳棍每炒一次燒折二三寸,再用則又更之。炒過稍冷之時,或有就塘內斬劃成方塊者,或有提出揮椎打圓后貨者。古代冶煉圖1-4過程控制系統的發展歷史1-4過程控制系統的發展歷史2.簡單儀表化階段（20世紀40年代中期－50年代）部分企業實現了儀表控制和局部自動化特點：采用基地式儀表和部分組合儀表；1-4過程控制系統的發展歷史被控參數：溫度、壓力、流量、液位；控制系統結構：SISO

；

理論基礎：經典控制理論。50年代中期，人們開始研究將計算機用于工業過程控制!2.簡單儀表化階段（20世紀40年代中期－50年代）1-4過程控制系統的發展歷史1956年3月，TRW(ThomsonRomaWoolrige)航天工業公司和德克薩柯(Texaco)公司針對德克薩斯州的PortArthur(波特.阿瑟)煉油廠的一臺聚合裝置聯合研究出一個采用RW-300計算機控制該聚合裝置的計算機控制系統。RW-300Computer2.簡單儀表化階段（20世紀40年代中期－50年代）1-4過程控制系統的發展歷史1959年3月12日，系統在線運行。?控制26個流量、72個溫度、3個壓力、3個成分?使反應器壓力最小，確定5個反應器進料量的最優分配，根據催化作用控制熱水流量和確定最優循環2.簡單儀表化階段（20世紀40年代中期－50年代）1-4過程控制系統的發展歷史3.單元組合儀表化階段（20世紀60年代）特點：企業界大量使用單元組合儀表及組裝儀表，出現了以4～20mA和0～10mA為統一信號的電動模擬控制系統；1-4過程控制系統的發展歷史3.單元組合儀表化階段（20世紀60年代）控制策略：主要是PID控制以及串級、均勻、比值、分程和選擇性等常規復雜控制策略；現代控制理論產生并在某些尖端領域取得驚人成就；

在60年代中、后期，已出現用計算機代替模擬調節器的直接數字控制DDC和由計算機確定模擬調節器或DDC回路最優設定值的監督控制SCC！控制系統結構：MIMO

；

被控參數：多樣化；1-4過程控制系統的發展歷史3.單元組合儀表化階段（20世紀60年代）FerrantiArgus

Computer1962年，英國帝國化學工業公司(ImperialChemicalIndustries,Ltd）用一臺名為FerrantiArgus的計算機代替原來過程控制中的全部模擬儀表，計算機直接測量224個變量和控制129個閥門。1-4過程控制系統的發展歷史4.計算機控制階段（20世紀70年代至80年代）特點：適合工業自動化的商品化系列控制計算機出現；DCS出現；DCS、PLC、工業PC等已成為控制裝置主流。現代控制理論向縱深發展，開始在過程控制中應用。氣動Ⅲ型和電動Ⅲ型；1-4過程控制系統的發展歷史5.綜合自動化及先進控制階段（20世紀90年代至今）特點：集常規控制、先進控制、過程優化、生產調度、企業管理、經營決策等功能于一體；在計算機通信網絡和分布式數據庫的支持下，實現信息與功能的集成；

形成一個能適應生產環境不確定性和市場需求多變性的全局優化的高質量、高效益、高柔性的智能生產系統。充分調動人的因素的經營系統、技術系統及組織系統。1-5過程控制系統的性能指標穩：1、工業過程對控制的要求準：快：可靠：1-5過程控制系統的性能指標穩：動態過程的振蕩傾向和系統重新恢復平衡工作狀態的能力。過程2過程11、工業過程對控制的要求1-5過程控制系統的性能指標準：系統過渡到新的平衡工作狀態后或系統受到擾動后重新恢復平衡后，最終保持的精度，反映了動態后期的性能。最大偏差05101520250.00.20.40.60.81.01.21.41.6

h(t)t平衡點1、工業過程對控制的要求1-5過程控制系統的性能指標快：動態過程進行的時間長短，過程時間持續很長，將使系統長時間出現大偏差，同時也說明系統響應很遲鈍，難以復現快速變化的信號。過程2過程11、工業過程對控制的要求1-5過程控制系統的性能指標

1.穩定性?分析方法

直接求根：

判據:

應用雙線性變換(w變換)勞斯穩定判據

朱利穩定判據

?衡量指標

相角裕度幅值裕度2、指標1-5過程控制系統的性能指標2.能控性與能觀性3.動態指標

常用指標:

s域－

上升時間調節時間超調量

z域－閉環主導極點

1-5過程控制系統的性能指標4.穩態指標

穩態誤差5.積分型指標1-6控制工藝圖的組成及符號解釋被控量的測量點，本例指反應器內反應溫度儀表圈，代表廣義上的儀表（可以不止一種類型的儀表）1-6控制工藝圖的組成及符號解釋儀表圈，代表廣義上的儀表（可以不止一種類型的儀表）TRC_101順序號（一般兩位數字，也可三位數字）工序號（一般一位數字，也可兩位數字）儀表功能字母代號，C（Control）控制，R（Record）記錄，A（Alarm）報警，I（Indicate）顯示被測變量字母代號，