过程控制系统

过程控制系统
(ProcessContro1System)
总学时：40学时理论40学时
学分：2.5
课程主要内容：
《过程控制系统》课程是电气工程与自动化专业的一门专业主干课程，具有很强的实践性。

主要内容包括单回路控制系统的方案设计、调节参数整定以及控制系统的投运：为提高控制品质或满足特殊操作要求的复杂过程控制系统及应用中的有关问题;对典型案例的学习，掌握对各典型单元操作静、动态特性的分析方法，和与之相匹配的典型控制方案的设计等三大部分。

通过本课程的学习，要使学生在掌握控制理论和过程检测与控制仪表等知识的基础上，用工程处理的方法去解决控制系统的分析、设计与研究方面的问题。

先修课程：自动控制理论、微机原理、过程检测与控制仪表、微机控制等。

适用专业：电气工程与自动化
教材：
邵裕森.过程控制工程.北京：机械工业出版社，2006年1月。

教学弁考书：
[1]金以慧.过程控制.北京：清华大学出版社，1993年4月。

[2]蒋慰孙.过程与控制.北京：化学工业出版社，1996年10月。

[3]邵裕森.过程控制及仪表（修订版）.上海：上海交大出版社，1995年3月。

过程控制系统PCS(ProcessContro1System)的介绍及应用过程控制系统(ProcessContro1System,PCS)是在自动化技术的支持下对生产过程进行实时监测、控制和优化的一种系统。

PCS通过传感器、执行器、计算机和网络等技术手段，对现场各种参数进行实时监测、分析和控制，以确保产品质量、提高生产效率和降低成本。

以下是PCS的介绍及应用。

1.过程控制系统的基础功能核心模块：输入模块、控制模块和输出模块这三个模块是过程控制系统的基础。

其中输入模块主要负责采集现场的数据，如温度、压力、流量等；控制模块则对这些数据进行处理、分析，并制定相应的控制策略；输出模块则将控制信号传送给执行器，如阀门、电机等，来实现对生产过程的控制。

2.过程控制系统的应用2.1化工行业化工行业中存在许多高危作业环节，PCS可以帮助企业降低生产事故风险。

例如，作为一个严格遵循生产规范要求的工业领域，PCS能够在化学反应过程中确保反应的安全性，从而防止不必要的人员伤害和财产损失。

3.2石油行业在石油工业中，过程控制系统也发挥着至关重要的作用。

由于石油生产环境复杂，PCS可以通过对石油采集、加工、储存等环节的实时监测，精准掌握各个环节的生产数据，提高生产效率和节约成本。

4.3电力行业电力行业是一个需要高度自动化技术支持的领域，PCS通常被用来监测、控制和优化发电机组的运行状态。

例如，在燃气发电机组中，使用PCS能够实现自动控制温度、压力和电压等参数，以提高发电效率和减少排放。

5.4制药行业制药行业需要严格遵守安全、卫生、环保等法规标准，PCS在制药过程中的应用非常重要。

例如，通过对药品生产过程进行实时监测和控制，PCS能够确保药品的生产量和质量达到最佳效果，同时满足药品的安全标准。

6.5食品行业食品行业也是PCS的一个重要应用领域。

在生产食品过程中，PCS可以对温度、湿度、氧气等多项参数进行实时监测和控制，提高食品的生产效率和质量，并且确保生产过程符合卫生安全标准。

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T c。

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。

当输入气压信号增加时推杆向下移动的叫正作用式执行机构。

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. 在热工生产过程中, 内部介质的流动和热量转移都存在一定的阻力, 因此对象一般均存在滞后性. 由自动控制理论可知, 如系统中某一环节具有较大的滞后特性, 将对系统的稳定性和动态质量指标带来不利的影响, 增加控制的难度.3. 被控对象一般具有非线性特点.当被控对象具有的非线性特性较明显而不能忽略不计时, 系统为非线性系统, 必需用非线性理论来设计控制系统, 设计的难度较高. 如将具有明显的非线性特性的被控对象经线性化处理后近似成线性对象, 用线性理论来设计控制系统, 由于被控对象的动态特性有明显的差别, 难以达到理想的控制目的.4. 控制系统比较复杂.控制系统的复杂性表现之一是其运行现场具有较多的干扰因素. 基于生产安全上的考虑, 应使控制系统具有很高的可靠性.由于以上特点, 要完全通过理论计算进行系统设计与控制器的参数整定至今乃存在相当的困难, 一般是通过理论计算与现场调整的方法, 达到过程控制的目的.二﹑过程控制系统的组成过程控制系统的组成, 一般可用如下框图表示被控参数（变量）y(t ) ;控制（操纵）参数（变量）q(t) ;扰动量f(t) ;给定值r(t) ;当前值z(t); 偏差e(t) ;控制作用u(t)三、过程控制系统的分类按系统的结构特点来分反馈控制系统，前馈控制系统，复合控制系统（前馈-反馈控制系统）按给定值信号的特点来分定值控制系统，随动控制系统1.反馈控制系统偏差值是控制的依据，最后达到减小或消除偏差的目的。

过程控制系统的组成
过程控制系统通常由以下组成部分构成：
1. 传感器和执行器：传感器用于感知物理量，如温度、湿度、压力、流量、浓度等，执行器用于实现相应控制动作，如电机、阀门、变压器、分离器等。

2. 控制器：控制器是过程控制系统中的核心部分，负责接收传感器的数据，根据预设的控制算法进行计算，产生控制信号并通过执行器实现控制。

3. 数据采集与处理系统：数据采集与处理系统主要负责传感器数据采集、信号调节、滤波处理、数据存储等工作。

4. 人机界面：人机界面是实现人机交互的部分，用于实时监测和控制过程控制系统的运行状态，包括显示、控制、报警等功能。

5. 通信网络：通信网络用于实现过程控制系统与其他系统之间的数据传输和通信，如PLC、DCS、SCADA等系统。

6. 电源与安全装置：电源与安全装置负责过程控制系统的电源供应和安全保障，如UPS电源、防爆设备、保护开关等。

过程控制系统第一章&第二章1.过程控制系统：为了实现过程控制，以控制理论和生产要求为依据，采用模拟仪表、数字仪表或计算机构成的总体，称为过程控制系统。

2.过程控制系统的组成：系统输出、受控过程的输入、外部扰动、受控过程、广义过程、控制器。

3.过程控制系统的分类：a)按过程控制系统的结构特点来分类i.反馈控制系统 ii.前馈控制系统 iii. 前馈-反馈控制系统b)按给定信号的特点来分类i. 定制控制系统 ii. 程序控制系统 iii. 随动控制系统4.过程建模数学模型a). 机理建模法 b). 实验建模法5.过程输入量与输出量之间的信号联系，称为“通道”；控制作用与受控参数之间的信号联系，称为“控制通道”；扰动作用与受控参数之间信号联系，称为“扰动通道”。

6.自衡特性：在扰动作用破坏平衡工况后，被控过程在没有外部干预的情况下自动恢复平衡的特性。

表示。

7.有自衡能力的单容过程的数学模型，都可用传递函数G(s)=&'()*8.题2-4、2-6（P29）什么是过程的自平衡能力？第三章1.一次仪表：测量体将被测参数成比例地转换为另一便于计量的物理量，所用的仪表叫做一次仪表。

2.二次仪表：显示被计量的物理量的仪表。

3.准确度等级：任何自动化仪表均有一定误差。

常用仪表精度等级：0.1、0.2、0.35、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等（工业常用0.5~4.0）。

4.热电偶测温计a)测温原理：热电效应b)补偿导线：用两根不同的金属丝，它在0----100摄氏度温度范围和所连接的热电偶具有相同的热电性能，其材料是廉价金属，用它将热电偶的冷端延伸出来。

c)冷端补偿：为了消除冷端温度变化对测量精度的影响。

i.计算矫正法 ii. 补偿电桥桥5.热电阻温度计a)工作原理：利用导体或半导体的电阻值随温度变化的性质来测量温度的。

b)特点：性能稳定、测量精度高、测量范围宽、同时还不需要冷端温度补偿，一般可在—270~900ºC 范围内使用。

过程控制系统的组成和分类过程控制系统（Process Control System）由一系列硬件和软件组成，它们协同工作以监测和控制制造过程中的各种变量。

控制系统通常包括传感器、执行器、控制器、通信设备和操作界面等组件。

过程控制系统主要分为以下几类：1.基于PLC的控制系统可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一种数字化的工业控制器，以逻辑操作实现自动化控制，广泛应用于制造业中。

PLC控制系统通常由多个可编程控制器、I/O模块、通信模块等构成，具有模块化、可扩展、高可靠性等特点。

2.集散式控制系统（DCS）集散式控制系统（Distributed Control System，DCS）是一种大型工业控制系统，通常由多个分布式控制节点、多个I/O模块、通信网络等组件构成。

DCS控制系统能够方便地实现过程控制和数据采集，适用于需要实现复杂控制的生产工艺。

3.计算机集成制造系统（CIM）计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing，CIM）是一种将计算机技术与制造工艺相结合的控制系统。

CIM控制系统包含了计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助工艺计划（CAPP）等多个模块，实现了制造流程的自动化、信息化和集成化控制。

4.人机交互控制系统（HMI）人机交互控制系统（Human Machine Interface，HMI）主要由操作终端和控制器组成。

HMI控制系统通过触摸屏、鼠标、键盘等设备提供操作界面，方便操作人员对制造过程进行控制和监测。

HMI控制系统适用于制造过程的小批量生产和多品种生产。

总而言之，过程控制系统的组成和分类十分丰富，不同类型的控制系统适合不同的工业生产场景。

随着人工智能、物联网等技术的发展，过程控制系统的应用也将不断发展和创新。

过程控制系统的分类
根据处理的对象和过程的性质，过程控制系统可以分为以下几类：
1.工艺过程控制系统：用于控制各种工艺过程的系统，如炼油、化工、冶金等。

该系统涉及到大量的物理和化学变化，需要对流量、压力、温度、浓度等参数进行实时监测和控制。

2.环境控制系统：用于控制环境中的水质、空气质量、噪声、辐射等，保障环境质量。

该系统需要对环境参数进行实时监测，并对污染源、噪声源等进行控制。

3.电力控制系统：用于控制电力生产、输送、分配等过程的系统。

该系统需要对电力质量、负荷、电压等进行实时监测和控制。

4.交通运输控制系统：用于实现交通运输的安全、顺畅、高效，包括交通信号控制、公共交通调度、路况监测等。

5.安防控制系统：用于保障人身和财产安全，包括监控、报警、门禁等。

6.医疗卫生控制系统：用于医院、诊所等医疗卫生机构中对患者、药品、设备等进行监管和控制。

7.其他控制系统：如水利控制系统、气象控制系统、火灾控制系统等，根据控制
对象和过程的性质而定。