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1、08239工业过程与过程控制目 录第一章 绪论1第一节 过程控制概述1第二节 自动化仪表概述13第二章 过程参数的检测与变送19第一节 参数检测与变送概述20第二节 温度的检测与变送32第三节 压力的检测与变送53第四节 流量的检测与变送70第五节 物位的检测与变送79第六节 成分的检测与变送86第三章 过程控制仪表99第一节 过程控制仪表概述99第二节 DDZ-型模拟式调节器101第三节 数字式控制器119第四节 执行器128第五节 安全栅148第四章 被控过程的数学模型153第一节 过程建模的基本概念153第二节 解析法建立过程的数学模型161第三节 试验法建立过程的数学模型172第五章
2、简单控制系统的设计201第一节 简单控制系统设计概述201第二节 控制方案的确定206第三节 调节器的参数整定221第四节 单回路控制系统设计实例239第六章 常用高性能过程控制系统246第一节 串级控制系统246第二节 前馈控制系统265第三节 大滞后过程控制系统273第七章 实现特殊工艺要求的过程控制系统283第一节 比值控制系统283第二节 均匀控制系统295第三节 分程控制系统299第四节 自动选择性控制系统306第八章 复杂过程控制系统312第一节 多变量解耦控制系统312第二节 适应过程参数变化的控制系统328第三节 推理控制系统337第四节 预测控制系统347第九章 基于网络的过
3、程计算机控制系统366第一节 集散控制系统367第二节 基于现场总线的过程控制系统401第十章 典型生产过程控制与工程设计413第一节 典型生产过程控制413第二节 过程控制系统的工程设计427I第一章 绪论第一节 过程控制概述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。从控制的角度，通常将工业生产过程分为三类，即连续型、离散型和混合型。过程控制主要是针对连续型生产过程采用的一种控制方法。连续型生产过程的主要特征通常表现为：呈流动状态的各种原材料在生产过程中，经过传
4、热、传质或物理、化学变化等，大多会发生相变或分子结构的变化，从而产生新的产品。在这个变化过程中，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。知识点1 过程控制的特点、任务及要求（一）过程控制的特点（1）系统由被控过程与系列化生产的自动化仪表组成过程控制的任务和要求由过程控制系统加以实现，而自动化仪表则是过程控制系统的重要组成部分。在过程控制系统中，先由检测仪表将生产过程中的工艺参数转换为电信号或气压信号，并由显示仪表显示或记录，以便反映生产过程的状况。与此同时，还将检测的信号通过某种变换或运算传送给控制仪表，以便实现对生产过程的自动控制，使
5、工艺参数符合预期要求。随着生产过程自动化要求的不断提高、过程控制规模的不断扩大和复杂程度的不断增加，自动化仪表的品种与规格、功能与质量也在不断完善。但不管自动化仪表及其技术如何发展，其共同特点是：为实现过程控制系统的不同构成和相应的功能，它们都是工业上生产的系列化仪表。（2）被控过程复杂多样，通用控制系统难以设计被控过程是指通过一定物质流或能量流的工艺设备。在工业生产中，由于生产的规模、工艺要求和产品的种类各不相同，因而导致被控过程的结构形式、动态特性也复杂多样。当生产过程在较大工艺设备中进行时，它们的动态特性通常具有惯性大、时延长、变量多等特点，而且还常常伴有非线性与时变特性。例如，热力传递
6、过程中的锅炉、热交换器、核反应堆，金属冶炼过程中的电弧炉，机械加工过程中的热处理炉，石油化工过程中的精馏塔、化学反应器以及流体输送设备等，它们的内部结构与工作机理都比较复杂，其动态特性也各不相同，有时很难用机理解析的方法求得其精确的数学模型，所以要想设计出能适应各种过程的通用控制系统是比较困难的。（3）控制方案丰富多彩，控制要求越来越高由于被控过程的复杂多样，控制方案越来越丰富多彩，对控制功能的要求也越来越高。许多生产过程，既存在单输/单输出的自治过程，也有多输/多输出的相互耦合过程；在控制方案上，既有常规的PID控制，也有先进的过程控制（APC），如自适应控制、预测控制、推理控制、补偿控制、
7、非线性控制、智能控制、分布参数控制等。（4）控制过程大多属于慢变过程与参量控制由于被控过程大多具有大惯性、大时延（滞后）等特点，因而决定了控制过程是一个慢变过程。此外，在诸如石油、化工、冶金、电力、轻工、建材、制药等生产过程中，常常用一些物理量（如温度、压力、流量、物位、成分等）来表征生产过程是否正常、产品质量是否合格，对它们的控制多半属于参量控制。（5）定值控制是过程控制的主要形式在目前大多数过程控制中，其设定值是恒定不变或在很小范围内变化，控制的主要目的是尽可能减小或消除外界干扰对被控参数的影响，使生产过程稳定，以确保产品的产量和质量。因此，定值控制是过程控制的主要形式。（二）过程控制的要
8、求、任务及功能（1）过程控制的要求与任务工业生产对过程控制的要求尽管很多，但归纳起来主要有三个方面，即安全性、稳定性和经济性。安全性是指在整个生产过程中，要确保人身和设备的安全，这是最重要也是最基本的要求。为达此目的，通常采用参数越限报警、联锁保护等措施加以实现。随着工业生产过程的连续化和大型化，上述措施已不能满足要求，还必须设计在线故障诊断系统和容错控制系统等来进一步提高生产运行的安全性。稳定性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，这也是过程控制能够正常运行的基本保证。经济性是指要求生产成本低且效率高，这也是现代工业生产所追求的目标。为此，过程控制的任务是指在了解、掌握工
9、艺流程和被控过程的静态与动态特性的基础上，应用控制理论分析和设计符合上述三项要求的过程控制系统，并采用适宜的技术手段加以实现。因此，过程控制是集控制理论、工艺知识、自动化仪表与计算机等为一体的综合性应用技术。（2）过程控制的功能符合现代大工业生产的过程控制功能结构如图1-1所示。图中各层的具体功能简述如下：测量、变送与执行功能。测量、变送与执行功能是由测量变送装置和执行装置实现的。操作安全与环境保护功能。实现该功能的设备主要包括非正常工况下的报警系统、自动选择性系统（亦称软保护）和实现紧急停车环境保护的继电保护系统（亦称硬保护）。常规控制或高级控制功能。该功能首先采用常规的PID反馈控制和前馈
10、补偿控制使温度、压力、流量、物位、成分等工艺参数运行在或接近于它们的设定值。若常规控制不能满足控制要求时，则可采用更为先进的控制技术如自适应控制、预测控制、推理控制、补偿控制、智能控制以及多变量约束控制等加以实现。实时优化功能。该功能是为实现最优操作工况而设计的。决策管理与计划调度功能。过程控制系统的最高功能是决策管理与计划调度。（三）过程控制系统设计概述过程控制系统的设计是过程控制的主要内容，也是本门课程学习的重点。现以加热炉过程控制系统的设计为例进行简要叙述，更详细的内容将在后续各章中讨论。图1-2所示为加热炉过程控制系统流程图。对它的设计步骤简述如下：（1）确定控制目标对图1-2所示的加
11、热炉，存在几个不同的控制目标，即：在安全运行的条件下，保证热油出口温度稳定。在安全运行的条件下，保证热油出口温度和烟道气含氧量稳定。在安全运行的条件下，既要保证热油出口的温度稳定，还要使加热炉热效率最高。显然，为了实现上述不同的控制目标应采用不同的控制方案，这是需要首先确定的。（2）选择被控参数被控参数也称被控量或系统的输出。无论采用什么控制方案，均需要通过某些参数的检测来控制或监视生产过程。在该加热炉的加热过程中，当热油出口温度、烟道气含氧量、燃油压力等参数能够被检测时，均可以选作被控参数。在过程控制中，被控参数的选择是体现控制目标的前提条件。（3）选择控制量控制量也称控制介质。一般情况下，
12、控制量是由生产工艺规定的，一个被控过程通常存在一个或多个可供选择的控制量。在上述加热炉过程控制中，是以燃油的流量作为控制量控制热油的出口温度，还是以冷油的入口流量控制热油的出口温度，需要认真加以选择；还有，是用烟道挡板的开度为控制量控制烟气中的含氧量，还是用炉膛入口处送风挡板的开度控制烟气中的含氧量，也同样需要认真选择，它的确定决定了被控过程的性质。（4）确定控制方案控制方案与控制目标有着密切的关系。在加热炉控制中，如果只要求实现第一个控制目标，则只要采用简单控制方案即可满足要求；但当燃油的压力变化既频繁又剧烈，且要确保热油出口温度有较高的控制精度时，则要采用较为复杂的控制方案；如要实现第二个
13、控制目标，则在对热油出口温度控制的基础上，还要再增设一个烟气含氧量成分控制系统，方可完成控制任务；如果一方面要求热油出口温度有较高的控制精度，另一方面又要求有较高的热效率，此时若仍采用两个简单控制系统的控制方案已不能满足要求，因为此时的加热过程已变成多输/多输出的耦合过程（即MIMO过程），要实现对该过程的控制目标，必须采用多变量解耦控制方案；对第三个控制目标，除了要对温度和含氧量分别采用定值控制方案外，还要随时调整含氧量的设定值以保证加热炉热效率最高。为达此目的，必须建立燃烧过程的数学模型，采用最优控制，结果使控制方案变得更加复杂。总而言之，控制方案的确定，随控制目标和控制精度要求的不同而有
14、所不同，它是控制系统设计的核心内容之一。（5）选择控制策略被控过程决定控制策略。对比较简单的被控过程，在大多数情况下，只需选择常规PID控制策略即可达到控制目的；对比较复杂的被控过程，则需要采用高级过程控制策略，如模糊控制、推理控制、预测控制、解耦控制、自适应控制策略等。这些控制策略（也称控制算法）涉及许多复杂的计算，所以只能借助于计算机才能实现。控制策略的合理选择也是系统设计的核心内容之一。（6）选择执行器在确定了控制方案和控制策略之后，就要选择执行器。目前可供选择的商品化执行器有气动和电动两种，尤以气动执行器的应用最为广泛。这里关键的问题也是容易被人们忽视的问题是，如何根据控制量的工艺条件
15、和对流量特性的要求选择合适的执行器。（7）设计报警和联锁保护系统报警系统的作用在于及时提醒操作人员密切注视生产中的关键参数，以便采取措施预防事故的发生。对于关键参数，应根据工艺要求设定其高、低限值。联锁保护系统的作用是当生产一旦出现事故时，为确保人身与设备的安全，要迅速使被控过程按预先设计好的程序进行操作以便使其停止运转或转入“保守”运行状态。正确设计报警系统和联锁保护程序是保证生产安全的重要措施。（8）系统的工程设计过程控制系统的工程设计是指用图样资料和文件资料表达控制系统的设计思想和实现过程，并能按图样进行施工。设计文件和图样一方面要提供给上级主管部门，以便对该建设项目进行审批，另一方面则作为施工建设单位进行施工安装的主要依据。因此，工程设计既是生产过程自动化项目建设中的一项极其重要的环节，也是对学生强化工程实践、运用“过程控制工程”的知识进行全面综合训练的重要环节。（9）系统投运、调试和整定调节器的参数在完成工程设计、控制系统安装之前，应按照控制方案的要求检查和调试各种控制仪表和设备的运行状况，然后进行系统安装与调试，最后进行调节器的参数整定，使控制系统运行在最优（或次优）状态。建立过程的数学模型，也是
