过程控制系统基本概念

第一章绪论本章提要1.过程控制系统的基本概念2.过程控制的发展概况3.过程控制系统的组成4.过程控制的特点及分类5.衡量过程控制系统的质量指标授课内容第一节过程控制的发展概况1.基本概念过程控制系统-----指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及PH值(氢离子浓度)等这样一些过程变量时的系统。

(P3) 过程控制-----指工业部门生产过程的自动化。

(P3)2.过程控制的重要性z进入90年代以来自动化技术发展很快，是重要的高科技技术。

过程控制是自动化技术的重要组成部分。

在现代工业生产过程自动化电过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。

3.过程控制的发展概况z19世纪40年代前后(手工阶段)：手工操作状态，凭经验人工控制生产过程，劳动生产率很低。

z19世纪50年代前后(仪表化与局部自动化阶段)：过程控制发展的第一个阶段，一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。

主要特点：检测和控制仪表-----采用基地式仪表和部分单元组合仪表(多数是气动仪表)；过程控制系统结构------单输入、单输出系统；被控参数------温度、压力、流量和液位参数；控制目的------保持这些参数的稳定，消除或者减少对生产过程的主要扰动；理论-----频率法和根轨迹法的经典控制理论，解决单输入单输出的定值控制系统的分析和综合问题。

z19世纪60年代(综合自动化阶段)：过程控制发展的第二个阶段，工厂企业实现车间或大型装置的集中控制。

主要特点：检测和控制仪表-----采用单元组合仪表(气动、电动)和组装仪表，计算机控制系统的应用，实现直接数字控制(DDC)和设定值控制(SPC)；过程控制系统结构------多变量系统，各种复杂控制系统，如串级、比值、均匀控制、前馈、选择性控制系统；控制目的------提高控制质量或实现特殊要求；理论-----除经典控制理论，现代控制理论开始应用。

过程控制基本概念自动控制技术在工业、农业、国防和科学技术现代化中起着十分重要的作用，自动控制水平的高低也是衡量一个国家科学技术先进与否的重要标志之一。

随着国民经济和国防建设的发展，自动控制技术的应用日益广泛，其重要作用也越来越显著。

生产过程自动控制（简称过程控制）-------自动控制技术在石油、化工、电力、冶金、机械、轻工、纺织等生产过程的具体应用，是自动化技术的重要组成部分。

§1.1 过程控制的发展概况及特点一、过程控制的发展概况在过程控制发展的历程中，生产过程的需求、控制理论的开拓和控制技术工具和手段的进展三者相互影响、相互促进，推动了过程控制不断的向前发展。

纵观过程控制的发展历史，大致经历了以下几个阶段：20世纪40年代：手工操作状态，只有少量的检测仪表用于生产过程，操作人员主要根据观测到的反映生产过程的关键参数，用人工来改变操作条件，凭经验去控制生产过程。

20世纪40年代末～50年代：过程控制系统：多为单输入、单输出简单控制系统过程检测：采用的是基地式仪表和部分单元组合仪表（气动Ⅰ型和电动Ⅰ型）；部分生产过程实现了仪表化和局部自动化控制理论：以反馈为中心的经典控制理论20世纪60年代：过程控制系统：串级、比值、均匀、前馈和选择性等多种复杂控制系统。

自动化仪表：单元组合仪表（气动Ⅱ型和电动Ⅱ型）成为主流产品60年代后期，出现了专门用于过程控制的小型计算机，直接数字控制系统和监督计算机控制系统开始应用于过程控制领域。

控制理论：出现了以状态空间方法为基础，以极小值原理和动态规划等最优控制理论为基本特征的现代控制理论,传统的单输入单输出系统发展到多输入多输出系统领域，、型、型20世纪70～80年代：微电子技术的发展，大规模集成电路制造成功且集成度越来越高（80年代初一片硅片可集成十几万个晶体管，于是32位微处理器问世），微型计算机的出现及应用都促使控制系统发展。

过程控制系统：最优控制、非线性分布式参数控制、解耦控制、模糊控制自动化仪表：气动Ⅲ型和电动Ⅲ型，以微处理器为主要构成单元的智能控制装置。

PID控制算法（PID控制原理与程序流程）⼀、PID控制原理与程序流程(⼀)过程控制的基本概念过程控制――对⽣产过程的某⼀或某些物理参数进⾏的⾃动控制。

1、模拟控制系统图5-1-1 基本模拟反馈控制回路被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进⾏⽐较，得到偏差，模拟调节器依⼀定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执⾏器作⽤于过程。

控制规律⽤对应的模拟硬件来实现，控制规律的修改需要更换模拟硬件。

2、微机过程控制系统图5-1-2 微机过程控制系统基本框图以微型计算机作为控制器。

控制规律的实现，是通过软件来完成的。

改变控制规律，只要改变相应的程序即可。

3、数字控制系统DDC图5-1-3 DDC系统构成框图DDC(Direct Digital Congtrol)系统是计算机⽤于过程控制的最典型的⼀种系统。

微型计算机通过过程输⼊通道对⼀个或多个物理量进⾏检测，并根据确定的控制规律(算法)进⾏计算，通过输出通道直接去控制执⾏机构，使各被控量达到预定的要求。

由于计算机的决策直接作⽤于过程，故称为直接数字控制。

DDC系统也是计算机在⼯业应⽤中最普遍的⼀种形式。

(⼆)模拟PID调节器1、模拟PID控制系统组成图5－1－4 模拟PID控制系统原理框图2、模拟PID调节器的微分⽅程和传输函数PID调节器是⼀种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的⽐例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进⾏控制。

a、PID调节器的微分⽅程式中b、PID调节器的传输函数a、⽐例环节：即时成⽐例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差⼀旦产⽣，调节器⽴即产⽣控制作⽤以减⼩偏差。

b、积分环节：主要⽤于消除静差，提⾼系统的⽆差度。

积分作⽤的强弱取决于积分时间常数TI，TI越⼤，积分作⽤越弱，反之则越强。

c、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太⼤之前，在系统中引⼊⼀个有效的早期修正信号，从⽽加快系统的动作速度，减⼩调节时间。

过程控制系统知识点总结）一、概论1、过程控制概念：五大参数。

过程控制的定义：工业中的过程控制是指以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制。

2、简单控制系统框图。

控制仪表的定义：接收检测仪表的测量信号，控制生产过程正常进行的仪表。

主要包括：控制器、变送器、运算器、执行器等，以及新型控制仪表及装置。

控制仪表的作用：对检测仪表的信号进行运算、处理，发出控制信号，对生产过程进行控制。

3、能将控制流程图（工程图、工程设计图册）转化成控制系统框图。

4、DDZ -Ⅲ型仪表的电压信号制，电流信号制。

QDZ-Ⅲ型仪表的信号制。

它们之间联用要采用电气转换器。

5、电信号的传输方式，各自特点。

电压传输特点：1). 某台仪表故障时基本不影响其它仪表； 2). 有公共接地点；3). 传输过程有电压损耗，故电压信号不适宜远传。

电流信号的特点：1).某台仪表出故障时，影响其他仪表；2).无公共地点。

若要实现仪表各自的接地点,则应在仪表输入、输出端采取直流隔离措施。

6、变送器有四线制和二线制之分。

区别。

1、四线制：电源与信号分别传送，对电流信号的零点及元件的功耗无严格要求。

2、两线制：节省电缆及安装费用，有利于防爆。

活零点，两条线既是信号线又是电源线。

7、本安防爆系统的2个条件。

1、在危险场所使用本质安全型防爆仪表。

2、在控制室仪表与危险场所仪表之间设置安全栅，以限制流入危险场所的能量。

第一个字母：参数类型 T ——温度（Temperature ） P ——压力（Pressure ） L ——物位（Level ） F ——流量（Flow ） W ——重量（Weight ） 第二个字母：功能符号 T ——变送器（transmitter ） C ——控制器（Controller ） I ——指示器（Indicator ） R ——记录仪（Recorder ） A ——报警器（Alarm ）加热炉8、安全栅的作用、种类。

S10过程控制系统的基本概念1、过程控制仪表与装置的分类及特点按能源形式分类：可分为电动、气动、液动和机械式；按信号类型分类：模拟式和数字式（数字式调节器、工业控制计算机（IPC）、集散型控制系统DCS、现场总线控制系统FCS）两大类；按结构形式分类：单元组合式控制（变送单元、转换单元、调节单元、运算单元、显示单元、给定单元、执行单元、辅助单元）仪表、基地式控制仪表、集散系统（DCS系统是一种以微型计算机为核心的计算机控制装置。

其基本特点是分散控制、集中管理。

）、现场总线控制系统（FCS系统是基于现场总线技术的一种新型计算机控制装置。

其特点是现场控制和双向数字通讯）2、信号制即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值。

目的：达到通用性和相互兼容性的要求，以便不同系列或不同厂家生产的仪表能够共同使用在同一控制系统中，实现系统的功能3单元组合仪表可分为：变送单元：它能将各种被测参数，如温度，压力，流量，液位等变换成相应的标准统一信号（4-20mA，0-10mA或20-100kPa）传送到接收仪表，以供指示、记录或控制。

执行单元:它按照调节器输出的控制信号或手动操作信号，操作执行元件，改变控制变量的大小。

调节单元:它将测量信号与给定信号进行比较，按偏差控制执行器的动作，使测量值与给定值相等。

(品种有：P、PI、、PD、PID)转换单元:将电压，频率等电信号转换为标准统一信号，或者进行标准统一信号之间的转换。

运算单元:它将几个标准统一信号进行加、减、乘、除、开方、平方等运算，适用于多种参数综合控制、配比控制、流量信号的温度压力水补偿计算等。

显示单元:它对各种被测参数进行指示、记录、报警和积算，供操作人员监视控制系统工况之用。

给定单元:输出标准统一信号，作为被控变量的给定值送到调节单元，实现定值控制。

其输出信号可以供给其它仪表作为参考基准值。

辅助单元:辅助单元是为了满足自动控制系统某些要求而增设的仪表（操作器、阻尼器、限幅器、安全栅等）。

过程控制系统的概念及组成
过程控制系统是一种能够对实时运行的工业过程进行控制和监测的系统，能够确保工
业过程的稳定运行和质量的保证。

其主要功能是收集、处理、传输和控制信息，以实现对
工业过程的控制。

过程控制系统主要由控制模块、执行元件和信号设备等多种组件构成。

控制模块包括控制器和计算机等硬件和软件系统，是过程控制的核心部分，主要负责
处理传感器和执行元件反馈的数据，将其转换为控制指令，并向执行元件发出控制信号，
从而保证工业过程的正常运行。

计算机控制系统主要采用全自动控制，电子计算机能处理
大量复杂的信息，通过汇集、整理、分析大量数据，对控制系统进行优化。

执行元件是控制模块转换的控制指令的执行设备，包括电动执行机构、气动执行机构、液动执行机构和手动执行机构等，它们通过对工业过程中传递的能量进行定量调节，对过
程进行控制，实现对工业过程的调节和控制。

信号设备包括收集和处理过程信息的各种传感器和执行元件，如温度传感器、压力传
感器、液位传感器、流量传感器、电动执行机构和液压执行机构等。

以及各种报警装置、
显示设备、操作面板等，用来监控和调节工业过程的各项参数和指标。

过程控制系统在实际工业生产中应用广泛，可以有效提高工业过程的响应速度、自动
化程度和稳定性，使工业生产更加安全、高效、环保和经济。

过程控制系统的发展，将有
助于促进工业生产的转型和升级，实现智能化制造。