工业过程控制技术实践教程 第1章

《工业过程控制技术》课程设计指导书广东工业大学自动化学院二００六年十月课程要求课程的性质和目的《工业过程控制技术课程设计与实践》是完成《自动控制原理》、《自动控制系统》、《过程控制技术》、《电器与PLC》、《自动化仪表》、《DCS分布式控制》、《计算机控制》等理论与实验教学之后，为自动化专业本科生开设的一门综合性的专业课程，是较为重要的实践性教学环节。

学生通过借助“THSA—1型过程控制综合自动化系统实验平台”对一个实用工业过程控制系统的设计、安装、调试完成系统设计与开发，提高学生工程意识和实践技能，达到素质和创新能力进一步提升。

课程教学内容本课程为实践性教学环节，包含理论设计和实践调试两部分，强调理论必须联系实际、理论与实际相结合。

1、理论设计：根据所学的理论知识和实践技能设计一个实用的控制系统，包括系统的主电路和控制电路。

选择变送器、控制器、执行器等，画出系统电气原理图。

2、调试实践：根据设计题目，要求完成单元电路安装、系统组装、单元及系统调试等。

3、设计题目：单容水箱液位定值控制系统串级控制系统比值控制系统前馈—反馈水箱控制系统课程教学要求理论设计每个同学根据题目，自己独立完成课程设计内容，每人都要提交一份设计说明书。

实践部分按每个教学班分为若干小组，每个小组2－3人，每组根据实验室提供的设备和实验教师的设计要求，设计并制作、调试一个完整的自动控制系统或实验装置。

在实验室进行实际操作并调试通过。

选修课程本课程为自动化专业的主打课程之一。

先修课程为《自动控制系统》、《过程控制系统》、《自动化仪表》、《计算机控制》、《电器与可编程序控制器》、《自动控制原理》等。

学好本课程可为今后的毕业设计，毕业后的继续教育、科学研究、技术开发打下良好基础。

教材与参考书[1]自编《工业过程控制技术课程设计与实践》指导书[2]陈伯时编，《电力拖动自动控制系统》第三版，机械工业出版社，2003年8月[3]林德杰等编，《过程控制仪表与控制系统》，机械工业出版社，2004年6月设计实践内容水箱控制系统水箱结构本实验系统结构图和方框图如图1所示。

1.1 工业过程控制的组成、特点、任务第1章绪论哈尔滨工程大学自动化学院工业过程控制运动控制：运动体控制，如船舶、飞行器、机器人控制。

自动化领域两个重要分支：工业过程控制：连续生产过程中工艺参数控制。

工业过程控制？工业过程控制主要是对工业生产过程中关键工艺参数进行控制，以确保产品质量和生产安全，并使生产过程按最优化目标自动进行。

通常是对生产过程中的温度、压力、流量、液位、成分和物性等连续生产过程工艺参数进行控制，使其保持为定值或按一定规律变化。

减温水减温器过热蒸汽烟筒炉膛锅筒过热器TTTC1234一、过程控制系统组成第1章绪论图1 发电厂锅炉过热蒸汽温度控制工艺流程图被控过程测量变送器e(t)+_控制器执行器（调节阀）r(t)u(t)q(t)D(t)y(t)z(t)•过热蒸汽温度控制系统是由测量变送器、控制器（调节器）、执行器（调节阀)、被控过程等环节组成。

二、过程控制特点工业生产过程是呈流动状态的各种原材料在生产过程中，进行着物理化学反应、物质能量的转换或传递。

有关工艺参数是决定产品产量和质量的关键因素，它们不仅受生产过程内部条件的影响，也受外界条件的影响，这就增加了对过程工艺参数进行控制的复杂性和特殊性，从而也决定了过程控制的特点、任务及要求与一般自动控制有所不同。

被控过程多属于慢过程由过程检测、变送和控制仪表、执行装置等组成工业生产过程控制方案及实施手段的多样性工业生产过程控制系统分为随动控制和定值控制具有非线性、时变、时滞及不定性过程控制特点二、过程控制特点过程控制的要求稳定性的要求是指系统具有抑制外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力。

安全性是指整个生产过程中，确保人身和设备的安全，这是最重要的也是最基本的要求。

稳定性安全性经济性经济性，旨在生产同样质量和数量产品所消耗的能量和原材料最少，也就是要求生产成本低而效率高。

三、过程控制的要求四、过程控制任务工业生产过程控制的任务：就是在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上，根据上述三项要求，应用理论对控制系统进行分析和设计，最后采用适宜的技术手段加以实现。

《工业过程控制》课程教学大纲课程名称：工业过程控制课程代码：ELEA2022英文名称：Process Control课程性质：专业选修课程学分/学时：2学分/36学时开课学期：第6学期适用专业：电气工程及其自动化先修课程：自动控制原理、检测技术与仪表、单片机原理与应用、信号与系统后续课程：无开课单位：机电工程学院课程负责人：大纲审核人：余雷一、课程性质和教学目标（在人才培养中的地位与性质及主要内容，指明学生需掌握知识与能力及其应达到的水平）课程性质：工业过程控制是电气工程及其自动化专业的一门选修课程。

本课程针对该专业的特点，专注于过程控制的研究性学习，旨在为从事石油、化工、冶金、电力、轻工、纺织、医药、建材、食品等行业的温度、压力、流量、液位、成分等过程变量的过程控制系统的研发与生产工作，积累基本的自动化技术及其应用的理论基础和工程实践知识。

教学目标：过程控制技术是工业部门生产过程的自动化技术，过程控制系统设计是根据工业过程的特性和工艺要求，通过选用过程检测控制仪表构成反馈系统，再通过控制器参数整定，实现对生产过程的最佳控制，从而提高产品数量与质量、节能降耗与保护环境、增长经济效益与社会效益。

本课程的主要内容包括：（1）工业过程控制的特征；（2）生产工艺设备过程建模、过程变量检测与变送、控制器（调节器）和执行器（调节阀）；（3）过程控制系统的控制方案设计和工程设计要点、检测控制仪表的选择要求、直接数字控制技术、控制器参数的工程整定方法、串级控制及其工作特点；（4）复杂控制方式：前馈控制、大滞后补偿控制、比值控制、均匀控制、分程控制、选择性控制、多变量解耦控制；（5）计算机过程控制系统、液位控制系统演示实验。

通过上述相关内容的学习，将努力使学生掌握过程控制系统分析、设计和优化的基本原理和方法，为从事其工程技术的设计与制造、安装与调试、安全与维护等具备工程师素养而打下坚实的基础。

本课程的具体教学目标如下：1.掌握过程控制的特征以及过程控制系统中的四个基本单元的特性，包括过程建模方法、各种过程参数检测变送的原理与功能、量程与精度、选用与安装；电动调节阀和气动调节阀的工作原理；以及控制器在过程控制系统中的作用。

第一章控制系统的组成及认识实验第一节、现场总线控制系统（FCS）的组成与认识实验一、系统简介本现场总线控制系统是基于PROFIBUS和工业以太网通讯协议、在传统过程控制实验装置的基础上升级而成的新一代过程控制系统。

整个实验装置分为上位控制系统和控制对象两部分，上位控制系统流程图如图1-1所示：图1-1 上位控制系统流程图控制对象总貌图如图1-2所示。

图1-2 控制对象总貌图二、系统组成本实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。

系统动力支路分两路：一路由三相（380V交流）磁力驱动泵、气动调节阀、直流电磁阀、PA电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。

1、被控对象被控对象由不锈钢储水箱、上、中、下三个串接圆筒形有机玻璃水箱、4.5Kw 电加热锅炉(由不锈钢锅和锅炉夹套构成)、冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管路组成。

水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。

上、中、下水箱采用淡蓝色圆筒型有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直能接观察到液位的变化和记录结果。

上、中水箱尺寸均为：d=25cm,h=20 cm；下水箱尺寸为：d=35cm,h=20 cm。

每个水箱有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。

储水箱尺寸为：长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝。

储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。

模拟锅炉：此锅炉采用不锈钢制成，由加热层（内胆）和冷却层（夹套）组成。

做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。

冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。

盘管：长37米（43圈），可做温度纯滞后实验，在盘管上有两个不同的温度检测点，因而有两个不同的滞后时间。

在实验过程中根据不同的实验需要选择不同的滞后时间。

盘管出来的水既可以回流到锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计完成流量滞后实验。

《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。

第1章（P15）（1）简述过程控制的特点。

Q：1）系统由被控过程与系列化生产的自动化仪表组成；2）被控过程复杂多样，通用控制系统难以设计；3）控制方案丰富多彩，控制要求越来越高；4）控制过程大多属于慢变过程与参量控制；5）定值控制是过程控制的主要形式。

（2）什么是过程控制系统？试用框图表示其一般组成。

Q：1）过程控制是生产过程自动化的简称。

它泛指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，是自动化技术的重要组成部分。

过程控制通常是对生产过程中的温度、压力、流量、液位、成分和物性等工艺参数进行控制，使其保持为定值或按一定规律变化，以确保产品质量和生产安全，并使生产过程按最优化目标自动进行。

2）组成框图：（3）)单元组合式仪表的统一信号是如何规定的？Q：各个单元模块之间用统一的标准信号进行联络。

1）模拟仪表的信号：气动0.02~0.1MPa、电动Ⅲ型：4~20mADC或1~5V DC。

2）数字式仪表的信号：无统一标准。

（4）试将图1-2加热炉控制系统流程图用框图表示。

Q：是串级控制系统。

方块图：（5）过程控制系统的单项性能指标有哪些？各自是如何定义的？Q：1）最大偏差、超调量、衰减比、余差、调节时间、峰值时间、振荡周期和频率。

2）略（8）通常过程控制系统可分为哪几种类型？试举例说明。

Q：1）按结构不同，分为反馈控制系统、前馈控制系统、前馈-反馈复合控制系统；按设定值不同，分为定值控制系统、随动控制系统、顺序控制系统。

2）略（10）只要是防爆仪表就可以用于有爆炸危险的场所吗？为什么？Q：1）不是这样。

2）比如对安全火花型防爆仪表，还有安全等级方面的考虑等。

（11）构成安全火花型防爆系统的仪表都是安全火花型的吗？为什么？Q：1）是。

2）这是构成安全火花型防爆系统的一个条件。

2、综合练习题（1）简述图1-11所示系统的工作原理，画出控制系统的框图并写明每一框图的输入/输出变量名称和所用仪表的名称。

第一章：1.过程控制定义 ：所谓过程控制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。

2.通常把原材料转变成产品并具有一定生产规模的过程叫做工业生产过程。

连续生产过程中自动控制系统的被控参数往往是温度、压力、流量、物位和成分等变量。

3.球磨给矿过程控制示意图 球磨给矿过程控制方框图4.硫酸工艺流程压力控制方框图5.过程控制目的：目的：抑制外界扰动的影响，确保过程的稳定性，使生产过程的工况最优化。

具体来说：保证质量；提高产量；节能降耗；安全运行；保护环境；改善劳动条件；提高管理水平等 。

6.过程控制系统组成：1.被控过程，指运行中的多种多样的工艺生产设备；2.过程检测控制仪表，包括：测量变送；控制器、执行器。

7. 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) 8.过程控制的主要特点：被控过程形形色色；控制过程多属缓慢过程和参量控制形式；控制方案的多样性，有单回路（50%以上）、串级（20%以上）、前馈-反馈、比值、均匀、分程、选择性、时滞、数字和计算机过程控制系统等； 定值控制是主要控制形式。

9.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 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。

反馈信号可能有多个，从而可以构成多回路控制系统（如串级控制系统）。

前馈控制系统：扰动量的大小是控制的依据，控制“及时”。

属于开环控制系统，在实际生产中不能单独采用。

复合控制系统（前馈-反馈控制系统） ：充分发挥了前馈和反馈的各自优点。

10.过程控制系统的性能评价：一个性能良好的过程控制系统，在受到外来扰动作用或给定值发生变化后，应能迅速、平稳、准确地达到或趋近给定值。