第九章过程控制系统工程应用

《过程控制系统及应用》课程标准课程名称：过程控制系统及应用课程类别：专业方向课课程制定依据：《工业自动化仪表及应用专业人才培养方案》建议课时数：96学时适用专业：工业自动化仪表及应用专业(装配与调试方向)一、课程性质与设计思路（一）课程性质本课程是中等职业学校“工业自动化仪表及应用”专业的一门专业方向课程，适用于中等职业学校仪表类专业，是从事过程控制自动化仪表装置应用维护岗位工作的必修课程。

（二）课程任务通过教师的课堂讲授，学生课堂讨论、练习、实训等环节的参与，使学生获得过程控制系统的调试、运行及故障维修的基本知识和基本技能，培养学生分析问题和解决问题的能力，为学生顶岗实习和为胜任过程控制仪表系统的运行与故障维护岗位工作打下良好的基础。

（三）设计思路本课程的设计思路是以学生将来从事的职业岗位群所需要的相关知识和基本技能为依据确定课程目标，根据目标设计课程内容，内容由浅至深、先易后难、前后呼应，由简单控制系统到复杂的控制系统。

包含“安全常规”、“认识过程控制系统”、“液位单回路控制系统”、“压力单回路控制系统”、“流量单回路控制系统”、“换热器热出口温度和冷水流量串级控制系统”、“JX-300X控制系统在精馏塔控制中的应用”等项目，教学设计中，充分利用先进的教学设备与实训手段，按“认识设备”→“识读控制流程”→“项目实施”→“项目评估”的流程完成教学活动。

以应用性教学为主，注重培养学生的能力。

二、课程目标本课程是培养学生对过程控制系统应用与维护的能力。

立足这一目的，本课程结合岗位任务内容，按照工业自动化仪器仪表与装置装配工岗位能力要求制定知识目标、能力目标、情感态度目标，通过学习使学生养成自主学习习惯，掌握实际操作技能，培养良好的思维习惯和职业规范，锻炼学生的团队合作精神，为后期学习和就业打好基础。

（一）知识目标1.掌握过程控制的一般概念、组成、分类及主要性能指标。

2.掌握液位、压力、流量、温度过程控制系统的构成。

锅炉炉膛负压控制系统在社会各行各业的生产过程中，对各个工艺过程的工艺变量均有一定的控制要求，其中的一些工艺变量对产品的质量和数量直接起到了决定性的作用，是整个生产过程的表征。

在工艺过程控制系统工程设计中要求所设计的控制系统通过对这些工艺变量的监测与控制，在确保生产安全的前提下尽可能保证产品的质量、提高产品产量、降低生产能源的消耗、降低生产成本、改善工人的劳动条件，除此还需保证生产过程能够实现长期运行和尽可能减少对环境的污染。

控制系统的设计，首先，要求自动控制系统设计人员在掌握较为全面的自动化专业知识的同时，也要进可能的多熟悉所要控制的工艺装置对象。

其次，要求自动化专业技术人员与工艺专业技术人员进行必要的交流，共同讨论确定自动化方案。

第三，自动化专业技术人员要切忌盲目追求控制系统的先进性和所用仪表及装置的先进性，应该力求用最简单的控制方案满足工业要求。

第四，设计一定要遵循有关标准和规定，按照科学合理的程序行。

锅炉炉膛负压的控制与生产安全息息相关，安全方面主要是防止炉膛负压过高导致火焰外喷而引发事故，但炉膛负压过低将会降低燃料的利用率，送风量和引风量都直接影响到炉膛负压，而且在需要进行逻辑提量和逻辑减量及来至风机的干扰比较大时炉膛负压都会有较大的变化和波动。

因此，需要设置炉膛负压控制系统来对其进行控制，从而保证生产安全有效地进行。

本方案是以控制炉膛负压为目的的，固然可直接将此变量作为主被控变量，由于引风量直接影响炉膛负压，而且引风量是一个相对对立的变量，因此可以选择引风量作为操纵变量，只要能够实时地控制引风量就能够确保炉膛负压的稳定，由于气体流量和压力成平方关系，而且气体流量不易准确检测，因此可以通过对引风机入口烟气压力的控制间接地对引风量进行控制。

由于开环无法保持炉膛负压的稳定，需要应用闭环控制，即需引入反馈，但反馈具有一定的滞后性，即先检测到变化之后再进行控制，控制不够及时，所以需要引入具有超前性质的控制作用，因此需要引入前馈控制，考虑到来至引风机的干扰较大的情况，需要引入串级。

化学工程中的过程系统工程与控制技术化学工程是一个非常重要的学科领域，涵盖了诸多领域和行业，如制药、石油化工、能源等。

而过程系统工程和控制技术作为化学工程的重要支柱，在化学工程中起着举足轻重的作用。

过程系统工程是一门综合性学科，它研究的是将化学反应、传热、传质、动力学等过程有机地结合起来，形成一个可控制的整体系统，从而使整个过程的效率和经济性达到最优化。

在化学工程的实践中，过程系统工程可以确保生产过程的安全可靠性，提高产品的质量和产量。

过程系统工程通常包括流程优化、设备设计、能量管理、嵌入式系统等方面。

在化学工程中的控制技术是指通过各种控制手段，对化学工程过程进行监测、测量、控制，以实现对过程参数的精确控制和优化。

在过去的几十年里，随着计算机技术和自动化技术的快速发展，化学工程中的控制技术取得了巨大的进步和发展。

例如，现代化的化工厂往往配备有高级的自动控制系统，通过传感器、执行器和控制算法等设备，实现对化工过程中温度、压力、流量等参数的实时监测和控制。

化学工程中的过程系统工程与控制技术的应用非常广泛。

在制药工业中，过程系统工程可以对反应条件进行优化，以提高药物的合成效率和纯度。

而控制技术可以保证药物生产过程中的精确投药、精确调温等操作，从而确保药物的质量和一致性。

在石油化工领域，过程系统工程可以通过模拟和优化技术，提高炼油、裂解等工艺过程的能效和产率。

而控制技术可以对反应器的温度、压力等参数进行实时控制，保证工艺过程的安全和稳定。

此外，过程系统工程与控制技术也在能源领域发挥了重要的作用。

化学工程中的过程系统工程可以通过对燃烧和燃料转化等过程的优化，提高能源的利用效率和环保性。

而控制技术可以实现对能源设备和系统的智能化控制，提高能源设备的运行效率和稳定性。

总之，化学工程中的过程系统工程与控制技术是化学工程学科中非常重要的组成部分。

它们不仅为化学工程的发展提供了支撑和保障，也在现代化工生产中发挥着重要的作用。

过程控制系统教案一、教学目标1. 理解过程控制系统的概念及其重要性。

2. 掌握过程控制系统的分类和基本组成。

3. 了解过程控制系统的性能指标和应用领域。

4. 学会使用过程控制系统的基本工具和软件。

二、教学内容1. 过程控制系统的概念及其重要性1.1 定义及作用1.2 过程控制系统与自动控制系统的区别2. 过程控制系统的分类和基本组成2.1 连续过程控制系统2.2 离散过程控制系统2.3 开环控制系统与闭环控制系统2.4 过程控制系统的硬件和软件组成三、教学方法1. 讲授法：讲解过程控制系统的概念、分类和基本组成。

2. 案例分析法：分析实际应用中的过程控制系统案例，加深学生对过程控制系统的理解。

3. 实验法：安排实验室实践，让学生动手操作过程控制系统。

4. 小组讨论法：分组讨论过程控制系统的设计和应用，提高学生的团队协作能力。

四、教学资源1. 教材：过程控制系统相关教材。

2. 课件：制作精美的课件，辅助讲解过程控制系统相关知识。

3. 实验室设备：供学生进行实验操作的过程控制系统设备。

4. 网络资源：查找与过程控制系统相关的视频、案例等资源，用于课堂拓展。

五、教学评价1. 平时成绩：考察学生的课堂表现、发言和作业完成情况。

2. 实验报告：评估学生在实验室实践过程中的操作能力和分析问题能力。

4. 期末考试：设置相关试题，测试学生对过程控制系统的理解和掌握程度。

六、教学安排1. 课时：本课程共计32课时，包括理论讲授16课时，实验操作16课时。

2. 授课计划：第1-8课时：讲解过程控制系统的概念、分类和基本组成。

第9-16课时：分析过程控制系统的性能指标和应用领域。

第17-24课时：学习过程控制系统的设计方法和工具。

第25-32课时：实验室实践和案例分析。

七、教学注意事项1. 确保学生掌握基本概念和原理，避免过于深入的技术细节。

2. 注重理论与实践相结合，让学生在实际操作中巩固知识。

3. 鼓励学生提问和参与讨论，提高课堂互动性。

《过程控制系统及应用》课程标准课程代码：B0703313 B0703413 课程类别：必修课授课系（部）：自动化工程系学分学时：7.5 140学时一、课程定位与作用1．课程性质本课程是工业过程自动化技术专业学生在学习相关专业基础课后开设的一门专业必修课，是将控制理论及其工程应用紧密联系的一门课程，为后续《计算机控制技术》等课程奠定专业基础。

2．课程作用《过程控制系统及应用》是工业过程自动化技术专业的一门重要专业课，是理论与实践联系非常紧密的一门课程。

该课程的内容主要包括两部分：第一部分主要以传递函数为工具，采用时域分析法分析控制系统的一阶、二阶系统的动态响应指标。

第二部分主要介绍化工生产过程常用的单回路控制、串级控制、前馈控制、均匀控制、比值控制、分程控制、选择控制等控制方案的特点、结构、应用场合，以及各种控制方案的实施方法，如：控制规律的选择、PID参数的整定、系统投运方法。

通过本课程的学习，将控制理论和工程实施方法相结合，为学生从事控制系统的设计、调试、投运和维护打下良好的基础。

3. 与其他课程的关系本门课程需用到前期所学《高等数学》、《典型化工生产技术》、《大学物理》等课程的相关知识，同时为后续《计算机控制技术》、《安全仪表系统》、《交流调速系统》等课程的学习打下基础。

二、课程目标通过《过程控制系统及应用》课程的学习，使学生具备化工检测技术和控制系统方面的基本知识，为学习和掌握专业知识和职业技能打下基础。

1．知识目标（1）熟悉传递函数求系统响应的方法（2）掌握典型环节传递函数表达方法（3）掌握使用传递函数分析一阶、二阶系统动态指标的方法（4）掌握时域分析法求一阶、二阶系统动态指标的方法（5）掌握单回路控制方案的特点及方案设计方法（6）掌握串级、前馈、比值、分程、选择性、均匀控制方案的特点及工程实施方法（7）掌握单回路、串级控制方案系统的调试、投运方法（8）掌握单回路、串级控制方案系统的PID参数整定的方法（9）熟悉前馈、比值、分程、选择性、均匀控制系统的系统投运方法2．能力目标（1）能够使用MATLAB编程软件仿真、得到系统的动态响应曲线（2）能够使用时域分析法分析一阶、二阶系统的动态性能（3）能够根据工艺要求选择并实施简单控制、串级控制等系统的控制方案（4）能够选择合适的控制规律并完成PID参数的整定（5）能够完成控制系统的调试、投运（6）能够初步完成简单控制系统的设计3．素质目标（1）培养学生谦虚、好学的能力（2）培养学生勤于思考、做事认真的良好作风（3）培养学生团队协作能力（4）培养学生的质量意识、安全意识、环保意识及良好的职业道德三、课程设计1.设计基本理念以过控人员的工作任务作为切入口，根据工作对象、内容、手段与成果的要求，将基于学科知识系统的课程教学方式转换为基于工作过程的课程教学方式。

《过程控制》课程笔记第一章概论一、过程控制系统组成与分类1. 过程控制系统的基本组成过程控制系统主要由被控对象、控制器、执行器、检测仪表四个部分组成。

（1）被控对象：指生产过程中的各种设备、机器、容器等，它们是生产过程中需要控制的主要对象。

被控对象具有各种不同的特性，如线性、非线性、时变性等。

（2）控制器：控制器是过程控制系统的核心部分，它根据给定的控制策略，对检测仪表的信号进行处理，生成控制信号，驱动执行器动作，从而实现对被控对象的控制。

控制器的设计和选择直接影响控制效果。

（3）执行器：执行器是控制器与被控对象之间的桥梁，它接收控制器的信号，调节阀门的开度或者调节电机转速，从而实现对被控对象的控制。

执行器的响应速度和精度对控制系统的性能有很大影响。

（4）检测仪表：检测仪表用于实时测量被控对象的各项参数，如温度、压力、流量等，并将这些参数转换为电信号，传输给控制器。

检测仪表的准确性和灵敏度对控制系统的性能同样重要。

2. 过程控制系统的分类根据控制系统的结构特点，过程控制系统可以分为两大类：开环控制系统和闭环控制系统。

（1）开环控制系统：开环控制系统没有反馈环节，控制器根据给定的控制策略，直接生成控制信号，驱动执行器动作。

开环控制系统的优点是结构简单，成本低，但缺点是控制精度较低，容易受到外部干扰。

（2）闭环控制系统：闭环控制系统具有反馈环节，控制器根据检测仪表的信号，实时调整控制策略，生成控制信号，驱动执行器动作。

闭环控制系统的优点是控制精度高，抗干扰能力强，但缺点是结构复杂，成本较高。

二、过程控制系统性能指标1. 稳态误差：稳态误差是指系统在稳态时，输出值与设定值之间的差值。

稳态误差越小，表示系统的控制精度越高。

稳态误差可以通过调整控制器的参数来减小。

2. 动态性能：动态性能是指系统在过渡过程中，输出值随时间的变化规律。

动态性能指标包括上升时间、调整时间、超调量等。

动态性能的好坏直接影响到系统的响应速度和稳定性。

浅谈过程控制及其应用简要概括过程控制经历的三个发展阶段，即基于经典控制理论、现代控制理论和多学科交叉的过程控制，并根据结构特点对过程控制其展开分析，介绍了过程控制在社会生活中的应用。

标签：过程控制；发展阶段；前馈；反馈；应用过程控制是指在进行生产制造的阶段中，运用一系列技术对厚度、压力、物位、湿度、流量和温度等重要变量进行控制，在保证整个系统安全性和稳定性的前提下，使其尽可能达到最佳状态，给整个工业生产过程带来一定的经济效益。

工业革命以来，生产力得到了突飞猛进的发展，为了跟随时代发展的潮流，提高竞争力，各国都在不断提高信息处理、自动控制等方面水平提高生产质量，降低生產成本以获得最大效益。

本文通过对过程控制的发展、结构特点及某些应用进行介绍，进一步说明过程控制在当今生产及生活中的各个领域起到的重要作用。

1 过程控制的发展1.1 第一阶段——经典控制理论大约在20世纪30年代，形成了经典控制理论。

这个时期，过程控制水平相对来说比较低，主要通过使用常规仪表，解决单输入与单输出系统的设计，研究线性定常系统。

但是，经典控制理论虽能解决单变量的简单系统，但由于控制水平较为简单，不能有效完成多变量系统和时变系统的控制，这是它明显的局限性。

1.2 第二阶段——现代控制理论20世纪50年代末，随着先进控制工具的诞生，以及智能控制、计算机技术、鲁棒控制等先进理论的飞速发展，现代控制理论应运而生。

现代控制理论包括以下五个分支——线性系统理论、建模和系统辨识、最优滤波理论、最优控制和自适应控制[1]。

现代控制理论研究对象已不局限于线性的、单变量的、连续的、定常的系统，而是拓展成非线性的、多变量的、离散的、时变的系统。

这使它可以实现高产、低耗等效果，但基于严格的数学模型也使得现代控制理论在处理日益复杂的被控对象以及多目标和时变性的控制任务时仍然有些力不从心。

1.3 第三阶段——多学科交叉随着环境及控制任务的日益复杂，在当时的控制理论不能很好的满足控制要求的背景下，20世纪中后期，智能控制的概念和理论诞生了。

过程系统工程在化工生产中的应用在当今高度工业化的时代，化工生产对于推动社会经济发展和满足人们日常生活需求发挥着至关重要的作用。

而过程系统工程作为一门综合性的学科，已经成为提升化工生产效率、优化生产过程、保障生产安全以及实现可持续发展的关键技术手段。

过程系统工程，简单来说，是将系统工程的原理和方法应用于化工过程的设计、操作和控制，以实现最优的生产性能和经济效益。

它涵盖了从原材料的选择、工艺流程的设计、设备的选型和布置，到生产过程的监控、优化和故障诊断等多个方面。

在化工生产的初始阶段，即设计环节，过程系统工程发挥着不可或缺的作用。

通过运用各种建模和仿真技术，工程师们能够在计算机上模拟不同的工艺流程和操作条件，从而预测产品的产量、质量以及能源消耗等关键指标。

这使得在实际建设工厂之前，就能够对各种设计方案进行比较和评估，选择出最优的方案。

这种“虚拟实验”的方法大大降低了研发成本和风险，缩短了项目的开发周期。

例如，在设计一个化工厂的生产流程时，需要考虑众多因素，如反应的热力学和动力学特性、物料和能量的平衡、设备的尺寸和性能等。

过程系统工程可以将这些复杂的因素整合到一个数学模型中，通过求解这个模型，得到最佳的工艺流程和操作参数。

比如，对于一个化学反应过程，通过模型可以确定最佳的反应温度、压力、反应物浓度等条件，以提高反应的转化率和选择性，从而增加产品的产量和质量。

在化工生产的运行阶段，过程系统工程同样具有重要意义。

实时监测和控制生产过程中的各种参数，如温度、压力、流量、浓度等，对于保证产品质量的稳定性和生产的安全性至关重要。

基于过程系统工程的先进控制技术，如模型预测控制、自适应控制等，可以根据生产过程的变化及时调整操作参数，使生产过程始终处于最优状态。

此外，过程系统工程还能够帮助化工企业实现节能减排和资源的高效利用。

通过对整个生产系统进行能量分析和优化，可以发现能源浪费的环节，并采取相应的措施加以改进。

例如，通过优化换热网络，可以提高热能的回收利用率，降低能源消耗。

过程系统工程在化工中的应用在化工领域，过程系统工程扮演着至关重要的角色。

它就像是一位幕后的指挥家，精心协调着化工生产过程中的各个环节，以实现高效、安全和可持续的生产目标。

过程系统工程是一门综合性的学科，它融合了化学工程、系统工程、数学、计算机科学等多个领域的知识和方法。

其核心目标是通过对化工过程的系统分析、设计、优化和控制，提高化工生产的效率、降低成本、减少环境污染，并确保生产过程的安全性和可靠性。

在化工生产的早期阶段，过程系统工程就开始发挥作用。

通过对原料特性、产品需求和工艺条件的综合分析，设计出合理的工艺流程。

这可不是一件简单的事情，需要考虑众多因素，比如反应的可行性、物料和能量的平衡、设备的选型等等。

一个好的工艺流程设计能够为后续的生产打下坚实的基础，减少不必要的麻烦和浪费。

比如说，在设计一个化工厂的生产流程时，过程系统工程师需要考虑如何选择合适的原料，以确保其质量和供应的稳定性。

同时，还要根据产品的质量要求和市场需求，确定最佳的反应条件和工艺路线。

是采用连续生产还是间歇生产？是使用传统的工艺还是引入新的技术？这些都需要经过深思熟虑和详细的计算分析。

优化是过程系统工程在化工中应用的另一个重要方面。

随着市场竞争的加剧和资源环境的约束，化工企业越来越注重生产过程的优化。

过程系统工程可以通过建立数学模型，对生产过程中的各种参数进行优化，以达到提高产量、降低能耗、减少排放等目标。

以一个化工厂的精馏塔为例，通过优化塔板的数量、进料位置、回流比等参数，可以显著提高分离效果，降低能耗。

再比如，在化工生产的调度问题上，过程系统工程师可以运用优化算法，合理安排生产计划，使得设备的利用率最大化，减少库存成本和生产周期。

过程系统工程还在化工过程的控制方面发挥着关键作用。

化工生产过程往往具有复杂性和不确定性，容易受到外界因素的干扰。

为了确保生产过程的稳定运行和产品质量的一致性，需要建立有效的控制系统。

过程系统工程师可以利用先进的控制理论和技术，如 PID 控制、模型预测控制等，对生产过程进行实时监测和调控。