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1、1 机械工程学院机械工程学院 王卫国王卫国 13853112385 2 过程装备控制过程装备控制：是指在过程设备上，配上一些自动化装置以及是指在过程设备上，配上一些自动化装置以及 适合的自动控制系统，用它们来代替操作人员的（部分）直接劳适合的自动控制系统，用它们来代替操作人员的（部分）直接劳 动，使生产在不同程度上按照规定的要求自动地进行。动，使生产在不同程度上按照规定的要求自动地进行。 从工艺的眼光来看：从工艺的眼光来看：从工艺的眼光来看：从工艺的眼光来看： 用自动化装置来管理设备用自动化装置来管理设备用自动化装置来管理设备用自动化装置来管理设备 （生产过程），使之正常（生产过程），使之正
2、常（生产过程），使之正常（生产过程），使之正常 运行运行运行运行。 过程装备控制： 3 从控制的角度来看：从控制的角度来看：从控制的角度来看：从控制的角度来看： 所谓过程装备控制是使工艺参数保持在需要的值或者状态上，所谓过程装备控制是使工艺参数保持在需要的值或者状态上， 或者使生产过程按照一定的程序或者步骤运行或者使生产过程按照一定的程序或者步骤运行 保证生产过程运行在最佳状态。保证生产过程运行在最佳状态。 在生产过程中，利用自动化仪表装置在生产过程中，利用自动化仪表装置 来检测、显示、控制生产过程中的重来检测、显示、控制生产过程中的重 要工艺参数，自动地维持生产过程的要工艺参数，自动地维持生
3、产过程的 正常进行，当工艺参数受到外界干扰正常进行，当工艺参数受到外界干扰 的影响而偏离正常状态时，能自动地的影响而偏离正常状态时，能自动地 调回到规定的参数范围。调回到规定的参数范围。 4 任务任务: :对过程装备运行参数对过程装备运行参数-温度温度, ,压力压力, ,流量流量, ,液位液位, ,成分（物性）成分（物性） 等进行控制。等进行控制。 要求要求: :（怎样算好？满意？）（怎样算好？满意？） -稳定性稳定性 - -快速性快速性 - -准确性准确性 过程装备控制是包含过程装备控制是包含控制理论控制理论,工艺知识工艺知识,计算机技术和仪表计算机技术和仪表等构等构 成的一门综合性应用科学
4、成的一门综合性应用科学.它在现代过程装备生产过程中具有重要的它在现代过程装备生产过程中具有重要的 作用作用. 5 课程特点 课程内容涵面广：课程内容涵面广： 自动控制原理自动控制原理 检测技术检测技术 控制装置控制装置 计算机控制系统计算机控制系统 过程控制工程过程控制工程 内容以叙述性为主，理论推导较少内容以叙述性为主，理论推导较少 （本课程对非自动化工科专业的要求，带着几个（本课程对非自动化工科专业的要求，带着几个 问题学习）问题学习） 6 带着几个问题学习带着几个问题学习 自动控制究竟是一个什么自动控制究竟是一个什么自动控制究竟是一个什么自动控制究竟是一个什么“ “东西东西东西东西” ”
5、？不是名词解释不是名词解释不是名词解释不是名词解释 怎么样来构建一个自动控制回路？怎么样来构建一个自动控制回路？怎么样来构建一个自动控制回路？怎么样来构建一个自动控制回路？ 如何工程实施？如何工程实施？如何工程实施？如何工程实施？ 即使一个象空调器温度控制那么简单的自动控制回路的实施？即使一个象空调器温度控制那么简单的自动控制回路的实施？即使一个象空调器温度控制那么简单的自动控制回路的实施？即使一个象空调器温度控制那么简单的自动控制回路的实施？ 更复杂的控制回路如何工程实施？更复杂的控制回路如何工程实施？更复杂的控制回路如何工程实施？更复杂的控制回路如何工程实施？ 计算机控制是什么一回事？怎么
6、样来设计一个计算机控制系统？计算机控制是什么一回事？怎么样来设计一个计算机控制系统？计算机控制是什么一回事？怎么样来设计一个计算机控制系统？计算机控制是什么一回事？怎么样来设计一个计算机控制系统？ 7 Elements your final marks depend on： 1. Your attendance and classroom performance account for 10%; 2. Your homework accounts for 20%; 3. Your final examination mark accounts for 70%. 8 第1章 绪论 工业过程控制的
7、基本概念 1.1 过程特性 1.2 9 1.1 工业过程控制的基本概念 1.1.1 1.1.1 过程自动化及仪表发展概述过程自动化及仪表发展概述 20世纪世纪40年代前后年代前后(手工阶段手工阶段)： 手工操作状态，凭经验人工控制生产过程，劳动生产率很低。手工操作状态，凭经验人工控制生产过程，劳动生产率很低。 20世纪世纪50年代前后年代前后(仪表化与局部自动化阶段仪表化与局部自动化阶段)： 过程控制发展的第一个阶段，实现了仪表化和局部自动化。过程控制发展的第一个阶段，实现了仪表化和局部自动化。 主要特点主要特点-检测和控制仪表采用基地式仪表和部分单元组检测和控制仪表采用基地式仪表和部分单元组
8、 合仪表合仪表(多数是气动仪表多数是气动仪表)； 过程控制系统结构过程控制系统结构-单输入、单输出系统；单输入、单输出系统； 被控参数被控参数-温度、压力、流量和液位参数；温度、压力、流量和液位参数； 控制目的控制目的-保持这些参数的稳定，消除或者减少对生产过程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；的主要扰动； 理论理论-频率法和根轨迹法的经典控制理论，解决单输入单输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。出的定值控制系统的分析和综合问题。 10 2020世纪世纪6060年代年代( (综合自动化阶段综合自动化阶段) )： 检测和控制仪
9、表检测和控制仪表-采用单元组合仪表采用单元组合仪表( (气动、电动气动、电动) )和组装仪和组装仪 表，表， 实现直接数字控制实现直接数字控制(DDC)(DDC)和设定值控制和设定值控制 (SPC)(SPC)； 过程控制系统结构过程控制系统结构-多变量系统，各种复杂控制系统，如串级、多变量系统，各种复杂控制系统，如串级、 比值、均匀控制、前馈、选择性控制系比值、均匀控制、前馈、选择性控制系 统；统； 控制目的控制目的-提高控制质量或实现特殊要求；提高控制质量或实现特殊要求； 理论理论-除经典控制理论，现代控制理论开始应用；除经典控制理论，现代控制理论开始应用； 前馈控制前馈控制-按扰动来控制，
10、在扰动可测的情况下，可以提高控按扰动来控制，在扰动可测的情况下，可以提高控 制质量；制质量； 选择性控制选择性控制-在生产过程遇到不正常工况或被控量达到安全极在生产过程遇到不正常工况或被控量达到安全极 限时，自动实现的保护性控制。限时，自动实现的保护性控制。 11 2020世纪世纪7070年代以来年代以来( (全盘自动化阶段全盘自动化阶段) )： 发展到现代过程控制的新阶段，这是过程控制发展的第三个阶段。发展到现代过程控制的新阶段，这是过程控制发展的第三个阶段。 主要特点：主要特点： 检测和控制仪表检测和控制仪表-新型仪表、智能化仪表、微型计算机；新型仪表、智能化仪表、微型计算机； 过程控制系
11、统结构过程控制系统结构-由单由单 多变量系统，由多变量系统，由PIDPID控制规律控制规律 特特 殊控制规律，由定值控制殊控制规律，由定值控制 最优控制、自最优控制、自 适应控制，由仪表控制系统适应控制，由仪表控制系统 智能化计算智能化计算 机分布式控制系统；机分布式控制系统； 理论理论-现代控制理论应用到过程控制领域，如状态空间分析，现代控制理论应用到过程控制领域，如状态空间分析， 系统辨识与状态估计，最优滤波与预报。系统辨识与状态估计，最优滤波与预报。 12 集中型计算机控制系统集中型计算机控制系统 集散控制系统集散控制系统DCSDCS FCSFCSFCSFCS现场总线控制系统现场总线控制
12、系统现场总线控制系统现场总线控制系统 全盘自动化阶段全盘自动化阶段 集中型计算机控制系统（集中型计算机控制系统（2020世纪世纪7070年代年代） 初衷：初衷：初衷：初衷：由于当时的计算机体积庞大，价格非常昂贵，为了使计算机由于当时的计算机体积庞大，价格非常昂贵，为了使计算机 控制能与常规仪表控制相竞争，试图用一台计算机来控制尽控制能与常规仪表控制相竞争，试图用一台计算机来控制尽 可能多的控制回路。可能多的控制回路。 13 外设外设 过程控制计算机过程控制计算机 AI DI AO DO 被控过程（对象）被控过程（对象） 被控变量被控变量操作变量操作变量 输入子系统输入子系统输出子系统输出子系统
13、 优越性：优越性： 从表面上看从表面上看信息集中，集中型计算机控制可以实现信息集中，集中型计算机控制可以实现 各种更复杂控制功能；便于实现优化控制和优化各种更复杂控制功能；便于实现优化控制和优化 生产。生产。 问问 题：题：由于当时计算机总体性能低，容量小，由于当时计算机总体性能低，容量小，容易出现负荷过容易出现负荷过 载载， 控制集中直接导致控制集中直接导致危险集中危险集中，高度集中使系统变，高度集中使系统变 得十分得十分 “脆弱脆弱”。 14 集散控制系统集散控制系统DCS（2020世纪世纪8 80 0年代年代） 集散控制系统：集散控制系统：是集计算机技术、控制技术、通信技术和图形是集计算
14、机技术、控制技术、通信技术和图形 显示技术（显示技术（4C4C技术）为一体的装置。系统在结构上是分散的技术）为一体的装置。系统在结构上是分散的( (生产生产 过程是分散系统过程是分散系统) )，但过程控制的监视、管理是集中的。，但过程控制的监视、管理是集中的。 优点：优点：将计算机分布到车间或装置。使系统的危险分散，提高将计算机分布到车间或装置。使系统的危险分散，提高 系统的可靠性，方便灵活地实现各种新型的控制规律与算法，实现系统的可靠性，方便灵活地实现各种新型的控制规律与算法，实现 最佳管理。最佳管理。 控制分散控制分散控制分散控制分散 管理集中管理集中管理集中管理集中 15 控制层网络控制
15、层网络 管理层网络管理层网络 远程节点远程节点 Web服务器服务器 现场设备层现场设备层 操作站操作站 工程师站工程师站 16 现场总线控制系统现场总线控制系统FCS（2020世纪世纪9 90 0年代以来年代以来） 现场总线控制系统现场总线控制系统FCS(fieldbus control system) 是计算机网络技术、通信技术、控制技术和现代仪器仪表技术的最新是计算机网络技术、通信技术、控制技术和现代仪器仪表技术的最新 发展成果。它将具有数字通信能力的现场智能仪表连成网络系统，并发展成果。它将具有数字通信能力的现场智能仪表连成网络系统，并 同上一层监控级、管理级联系起来成为全分布式的新型控制网络。同上一层监控级、管理级联系起来成为全分布式的新型控制网络。 计算机集成过程控制计算机集成过程控制CIPS (computer intergrated process system) 以企业整体优化为目标（市场营销、生产计划调度、原材料选择、以企业整体优化为目标（市场营销、生产计划调度、原材料选择、 产品分配、成本管理、工艺过程控制与优化），以计算机和网络为产品分配、成本管理、工艺过程控制与优化），以计算机和网络为 主要技术实现管理与控制一体化。主要技术实现管理与控制一体化。 17 双向数据通信能力避免了反复进行双向数据通信能力避免了反复进行A/DA/D、D/AD/
