过程控制系统与其应用 居滋培

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1、普通高等教育智能建筑规划教材,过程控制系统及其应用主编： 上海理工大学 居滋培 副主编： 重庆大学 左为恒 编者： 上海理工大学 许伟明 王芳卿 机械工业出版社 CHINA MACHINE PRESS,内 容 提 要,本教材是培养该专业的学生以自动控制为基础，能以自动化仪表或以工业控制计算机构成过程控制系统及有关的电气自动控制系统，并能进行工程设计、安装、调试，从而对过程控制系统有更全面的认识。本书重点讲解过程控制系统的电气设计以及自动控制的实现，如何进行控制参数的工程调试及整定，即从应用的角度出发，使学生在学习过程中，对过程控制系统的构成，设计和应用有一个全面的理解。对检测仪表和过程控制仪表

2、本书也作较全面的介绍。本书偏重实用性的训练，使学生能学到一定的实际系统的设计、使用、调试的知识。本书还单列一章介绍工程实例。计算机过程控制系统和监控网络系统已广泛应用于众多行业和领域，因此本书也加强了该部分的有关内容。,目录,第一章 过程控制的基本概念 第一节 过程控制的发展概况 第二节 过程控制系统的组成一、被控对象二、 传感器和变送器三、 控制器四、 执行器五、 控制阀 第三节 过程控制的分类一、各种分类方法二、设定值分类 第四节 生产对过控制的要求和指标一、生产对过程控制的要求二、过程控制系统的品质指标,第二章 过程检测仪表,第一节自动化仪表基本品质指标 一、仪表测量过程的测量误差及表示

3、二、检测仪表的基本技术性能指标 第二节 温度检测仪表一、概述二、热电偶温度计三、热电阻温度计四、光辐射测温方法,第三节 压力(差压)检测仪表一、概述二、弹性式压力测量元件三、压力（压差）变送器第四节 流量检测仪表一、 差压式流量计二、电磁流量计三、涡街流量计四、超声波流量计五、质量流量计 第五节 物位检测仪表一、物位仪表种类二、静压式液位变送器三、超声波液位计 习题,第三章 过程通道信号处理及调节仪表,第一节 温度变送器一、概述二、放大单元工作原理三、热电偶温度变送器量程单元四、变送器的信号调试方法五、DBW型温度变送器的型号表示六、DCW型温度变送器 第二节 DDZ-型全刻度指示调节器一、概

4、述二、基型调节器的工作原理三、可编程序数字调节器,第四章 执行器,第一节 电动执行器一、概述二、电动执行单元组成及工作原理 第二节 气动执行机构一、控制阀概述二、控制阀的选择三、阀门定位器,第五章 过程控制对象的动态特性,第一节 有自平衡对象的动态特性一、单容对象的动态特性二、多容对象的动态特性三、具有纯滞后对象的动态特性 第二节 无自平衡能力对象的动态特性一、单容对象的动态特性二、双容对象的动态特性 第三节 时域法辨识对象的动态特性一、阶跃响应曲线的测定二、由阶跃响应曲线求对象的传递函数,第六章 单回路控制系统,第一节 系统组成和设计概述一、单回路控制系统的组成二、单回路控制系统的设计概述

5、第二节 控制量和操纵量的选择一、被控量的选择二、操纵量的选择三、过程静态特性分析四、过程动态特性分析,第三节 比例、积分、微分控制及控制器的选型一、比例、积分、微分控制二、控制器的选型三、控制器的正反作用选择 第四节 控制器的参数整定一、过渡过程参数整定法二、经验法三、稳定边界法四、衰减曲线法五、响应曲线法六、衰减频率特性法,第七章 复杂控制系统,第一节 串级控制系统一、串级控制系统的概念二、串级控制系统的工作特性及特点三、串级控制系统的应用范围四、串级控制系统的设计五、串级控制系统的投运与整定 第二节 前馈及复合控制一、前馈及复合控制的基本概念二、前馈控制系统的几种典型结构形式三、前馈控制规

6、律的实施四、前馈控制系统的参数整定五、前馈控制系统的选用原则,第三节 大时延控制原则一、概述二、常规控制方案三、采样控制方案四、Smith预估补偿方案 第四节 比值控制系统一、基本概念二、常见的比值控制方案三、比值控制系统设计中的几个问题四、比值控制系统的参数整定,第八章 计算机过程控制系统,第一节 计算机控制技术概述一、概述二、过程计算机控制系统的组成三、过程计算机控制系统的分类 第二节 过程输入输出通道基本原理一、AI（Analog Input）通道二、AI（Analog onput）通道三、DI（Digital Input）、DO（Digital Output）通道 第三节 过程计算机常

7、规控制技术,第四节 闭环控制系统的仿真算法一、A/D单元的离散描述二、D/A保持器的传递函数三、离散闭环控制系统数字仿真编程的递推求解法四、采样周期T的确定需注意的问题 第五节 工业控制组态软件一、概述二、组态软件的系统结构与功能 第六节 集散控制系统（DCS）一、集散控制系统在工业中的应用二、集散控制系统的结构与功能三、集散控制系统发展 第七节 现场总线技术一、现场总线技术及其产生的背景二、现场总线的工作原理三、现场总线的技术特点四、几种典型的现场总线,第九章 过程自动化控制系统的应用实例,第一节 恒压供水控制系统一、概述二、恒水压控制装置三、其他方案 第二节 楼宇设备管理和监控系统一、概述

8、二、系统的组成及工作原理三、系统软件四、系统的特点 第三节 变风量空调系统一、变风量空调系统概述二、变风量空调系统的自动控制参考文献,第一章 过程控制的基本概念,第一节 过程控制的发展概况 第二节 过程控制系统的组成 第三节 过程控制的分类 第四节 生产对过程控制的要求和指标,第一节 过程控制的发展概况,自20世纪50年代以来，由于计算机技术的发展，带来了自动化发展的惊人成就。自动化的发展首先从工业生产领域开始，而工业自动化的发展又与工业生产过程本身的发展有着密切的联系。随着生产从简单到复杂，从局部到全局，从低级到智能的发展，工业生产自动化也经历了一个不断发展的过程。第一阶段第二阶段第三阶段,

9、第一阶段，以经典控制理论为基本方法，即用传递函数进行数学描述，对系统进行分析的基本方法为根轨道法和频率法。在这个阶段，对系统的一般处理方法是将一个复杂过程分解为若干个简单的过程，然而采用单输入、单输出的控制系统。在这个阶段的控制目标主要是保持整个生产的正常平稳和安全，自动化水平处于比较低级的阶段，实现控制的手段主要是单个传感器、控制器和执行器。,第二阶段，由于生产过程向着大型化、连续性方向发展，原有简单控制的模式已不能满足要求。现代控制理论，为新的控制技术提供了理论基础。以状态空间为分析基础，包括以最小二乘法为基础的系统辨识，以极大值原理和动态规划为基础的优化控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最优

10、估计三个部分。因此使分析系统的方法从外部现象深入到揭示系统的内在规律，从局部控制发展到了全局最优控制。而自动控制的工具也产生了直接数字控制（Direct Digital Control ,DDC）和监督计算机控(Supervisory Computer Control ,SCC)。,第三个阶段最大成就就是大规模集成电路和微处理器的产生，这大大加速了工业计算机的商品化和计算机技术的普及和发展。为了满足工业计算机可靠性和灵活性的需要，作为一种全新的工业控制工具，集散控制系统产生了（Distributed Control Systems, DCS）。它是集计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术

11、于一体的计算机系统。而另一方面，控制理论和其它学科相互渗透，从而形成了以大系统理论和智能控制理论为代表的所谓第三代控制理论。,20世纪80年代以后计算机技术产生了突飞猛进的发展，并以计算机为工具产生了信息技术和网络技术。它在自动化技术领域产生极大的影响和推动作用，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了以网络集成化系统为基础的企业信息控制管理系统。而自动化的实现工具也由DCS系统发展到了现场总线控制系统（Fieldbus Control System FCS）。,第二节 过程控制系统的组成,过程控制通常用于各工业部门生产过程的自动化，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

12、这样一些过程变量时的系统。下面以供热锅炉液位控制系统为例，介绍过程控制系统的组成。,锅炉是整个供热系统中最重要的设备。锅炉在工作时必须将水位保持在一定的高度，水位过低，锅炉有可能烧干而酿成事故，如果水位过高，产生的蒸汽含水量太高，不成为过热蒸汽，造成供热管道积水。因此必须根据锅炉蒸汽负荷的大小调整锅炉的给水量，使水位始终维持在允许的范围内。锅炉水位控制：人工方法锅炉水位控制：自动控制,锅炉水位控制的人工方法是靠人眼观察玻璃液位计，根据水位的变化，凭经验而去改变供水阀门的开度，使水位保持在规定的位置上(见图1-1 a)。,锅炉水位控制的自动控制，则用仪表作为控制工具来代替人眼和手，使水位保持在规

13、定范围内（见图1-1b）。水位的变化首先由液位变送器测量得到，并转换成规定的信号输入到控制器中，控制器将输入的信号和水位的设定的标准值信号相比较，当二者的偏差超出规定的范围时，它将经运算后发出控制命令，通过执行器改变阀门的开度以增减给水量，从而达到锅炉水位的平衡。这样就实现了水位的自动控制。,从以上例子中可以看出，要实现水位控制需要以下装置： 1）测量水位变化的传感器或变送器。 2）能将水位测量值和水位设定值进行比较并进 行控制运算的控制器。 3）设定水位的定值器（可能包括在控制器内）。 4）执行控制命令的执行器。 5）调节给水量的调节阀。,这些装置和被控对象锅炉本身组成了一个过程控制系统，见

14、图1-2所示。 扰动d设定值r 偏差值e u a q 控制量y,检测元件，变送器,图1-2 过程控制系统原理方框图,+,-,过程控制系统中应该包括以下几个部分： 一、被控对象 二、传感器和变送器 三、控制器 四、执行器 五、调节阀,一、被控对象被控对象是指生产过程被控制的工艺设备或装置。例如上述例子中的锅炉。当被控对象中所需控制的参数仅有一个（例如锅炉的水位控制），则工艺设备与被控对象的特性是一致的。当工艺设备的被控参数二个以上（例如锅炉水位控制实际上决定于给水量，蒸汽流量和压力等参数），则往往会使其特性相互制约，这时应有一套可能是互相关联的控制系统，这样的工艺设备作为被控对象，应对其中不同的

15、过程作不同的分析。,二、传感器和变送器按生产工艺要求，被控对象的有关控制参数应通过自动检测以获得可靠的信息。信息的获得依靠传感器或变送器来完成。被控的工艺参数一般为非电量物理量，通过传感器将其变成相对应的电信号。而变送器还会将此信号转换为标准信号。目前的标准电信号主要有二种，一种为型的标准电信号，即0-10mA 直流电流信号，另一种为型的电信号，是4-20mA的直流电流信号或1-5V的直流电压信号。也可转换成1.961049.8104 Pa的标准气压信号。传感器或变送器的输出也就是被控量的测定值z。,三、控制器扰动：使被控量发生变化的任何作用称为扰动。 内扰：在控制通道内，在控制阀未动情况下，由于通道内质量或能量等因素变化造成的扰动称为内扰。 外扰：而其他来自外部的影响统称为外扰。扰动一经产生，控制器发出控制命令对系统实行控制。工艺要求规定的被控量的参数值称为设定值r。在系统中，传感器或变送器的测量值z反馈到输入端和设定值r比较，从而得到了一个偏差值e，当 r时称为负偏差， r时称为正偏差。控制器根据e的大小，根据控制器规定的控制算法进行运算，输出一个相对应的控制信号u去推动执行器。,