+
+
受控变量 y
+
测量值 z
扰动变量 (Disturbance Variable, DV)
• 导致被控变量偏离设定值的输入变量 • 如蒸汽加热器温度控制系统，扰动变量：蒸汽阀前压力、工艺 介质进料流量、进料温度和组成等
43
过程控制系统的组成
受控对象 扰动 D 干扰通道 GD (s) 设定值 r 偏差 e _ 测量变送 Gm (s) 控制器 Gc (s) 控制变量 u 执行器 Gv (s) 操纵变量 q 控制通道 Gp (s)
已成为控制装置的主流。
控制理论：形成了大系统理论和智能控制理论，模糊控制，专家
系统控制
22
过程控制系统的发展状况
20世纪90年代至今：信息技术飞速发展 过程控制系统：管控一体化现场，综合自动化是当今生产过程控 制的发展方向。 自动化仪表：总线控制系统的出现，引起过程控制系统体系结构和 功能结构上的重大变革。现场仪表的数字化和智能化，形成了 真正意义上的全数字过程控制系统。各种智能仪表、变送器、 无纸纪录仪 控制理论：人工智能、神经网络控制
简单控制系统分析 与设计(3学时)
设定值
过程对象特性 (3学时) 执行器
检测变送器和 执行器(3学时) 被控对象
控制器设计 （6学时）
控制器
被控变量
测量变送器
模块2：复杂控制系统 （Complex Control）- 18学时
简 单 控 制
串级控制(3学时) 均匀控制(3学时) 前馈控制(3学时) 选择控制(3学时) 比值控制(3学时) 分程控制(3学时)
+
+
受控变量 y
+
测量值 z
基本组成：被控对象、测量变送单元、控制器、执行器
44
练习– 泵流量控制系统设计
工艺要求：为保证平稳生产，希望流体的输送量保持恒定。
调节原理：通过调节控制阀的开启度，以改变相关管路的阻力 系数，以控制管道流量。 试设计一个流量控制系统。
45
控制系统设计
(1) 确定被控参数（即测量变量）PV
执行器
蒸汽
温度控制器
(3) 操纵变量： 蒸汽流量Rv (4) 扰动变量： 蒸汽阀前压力、物料进料 流量 RF、进料温度Ti 等
温度检测/变送器
物料
冷凝水
34
例2- 典型温度控制系统
典型温度控制系统组成：
• 加热器（加热炉）
• 温度测量变送器 (TT) • 温度控制器 (TC)
蒸汽
调节阀
温度控制器
• 控制阀
15
催化裂化装置- 精馏塔
冷凝器 塔顶产品
原料 精 馏 塔
回流罐
回流泵
再 沸 器
塔底产品
精馏塔过程工艺
精馏塔过程控制设计
16
加热器（再沸器）
蒸 汽
TT
TC
再沸器
凝液
17
热工过程 – 火力发电厂
HP IP LP LP
G
发电机
电
烟气
汽轮机 蒸汽
除灰系统 省煤器 水 引风机
烟囱
煤 送风机 锅炉 一次风机
特点：设定值是固定不变的闭环控制系统称为定值控制系统。 作用：克服扰动的影响，使被控变量保持在工艺要求的数值上
随动控制系统
特点：设定值是一个未知的变化量的闭环控制系统称为随动控制系统。 作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化
程序控制系统
特点：设定值是变化的，且按一定时间程序变化的时间函数 作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化
复杂控制
模块3：典型单元操作的控制 （Control Systems of Typical Equipment）- 15学时
传热设备 （3学时） 锅炉设备 （6学时） 精馏塔 （6学时）
流体输送设备 （自学）
化学反应器 （自学）
4
参考书目
自动化仪表与过程控制
施仁 等
电子工业出版社
过程控制系统
俞金寿
给水调节阀 省煤器 W 给水 h 过热器 D 蒸汽
汽包
水 位 计
水 冷 壁
32
汽包锅炉自动调节
给水 w
h
蒸汽 D
测量单元
执行单元
调节单元
给定单元
汽包锅炉给水自动调节示意图
33
例2- 蒸汽加热器控制系统分析设计
• 控制目标：保持物料出口温度恒定
(1) 被控变量： 物料出口温度 T (2) 设定值： 期望温度 Tsp
执行器
36
37
38
过程控制系统基本术语
受控对象 扰动 D 干扰通道 GD (s) 设定值 r 偏差 e _ 测量变送 Gm (s) 控制器 Gc (s) 控制变量 u 执行器 Gv (s) 操纵变量 q 控制通道 Gp (s)
+
+
受控变量 y
+
测量值 z
术语：被控变量、设定值、控制变量、操纵变量、扰动变量
温度检测/变送器
物料
冷凝水
35
简单控制系统的组成
过程控制系统
被控对象（被控过程） 检测元件和变送器 控制器（调节器） 被控制的生产设备或装置 检测被控变量，将检测信号转换为标准信号 将检测变送单元的输出信号与设定值进行比 较，求出它们之间的偏差,然后按照预先选 定的控制规律进行计算，将计算结果作为 控制信号送给执行装置 接受控制器的输出信号，直接推动 被控对象，改变操纵变量
最好是直接代表生产过程的工艺质量参数 可测间接变量 如化学反应器输出物料成分
与生产过程工艺质量有单值关系 灵敏度高、代价小 如化学反应器温度
(2) 确定控制量MV
工艺上易于控制、灵敏度高、对被控参数反应迅速、符合工艺要求
23
过程控制系统分类
自动检测系统：检测、显示、记录、报警 按功能分
自动控制系统：检测、控制、显示、记录、报警
自动操作系统：顺序控制 开环控制系统
按结构分
闭环控制系统 定值控制系统
按给定类型分
随动控制系统 程序控制系统
24
过程控制系统分类
根据设定值分为定值控制系统，随动控制系统和程序控制系统。
定值控制系统
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被控变量
受控对象 扰动 D 干扰通道 GD (s) 设定值 r 偏差 e _ 测量变送 Gm (s) 控制器 Gc (s) 控制变量 u 执行器 Gv (s) 操纵变量 q 控制通道 Gp (s)
+
+
受控变量 y
+
测量值 z
被控变量(Controlled Variable, CV)
• 也称受控变量、过程变量(Process Variable, PV) • 被控对象需要维持在理想值的工艺参数，如液罐液位、热 交换 器工艺介质出口温度、泵出口压力、泵出口流量等。 • 常用被控变量：温度、压力/差压、液位/料位、流量、成分含量
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过程控制系统分类
简单单回路调节系统 串级调节系统 比值调节系统
按复杂程度分
前馈调节系统 均匀调节系统 分程调节系统 选择调节系统
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主要内容
• 控制系统概述 • 控制系统组成 • 控制系统描述
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例1- 水罐液位控制系统分析设计
• 控制目标：保持水罐液位恒定
(1) 被控变量： 水罐液位 h (2) 设定值： 期望液位 hsp (3) 操纵变量： 进水量Qi (4) 扰动变量： 出水量Qo
+
+
受控变量 y
+
测量值 z
操纵变量 (Manipulated Variable, MV)
• 执行器可控制、对被控变量有直接影响的物理量 • 常见为一些工艺介质流量，如蒸汽流量、出料流量、回流流量等
控制变量
• 控制器的输出电信号，即执行器的输入信号
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扰动变量
受控对象 扰动 D 干扰通道 GD (s) 设定值 r 偏差 e _ 测量变送 Gm (s) 控制器 Gc (s) 控制变量 u 执行器 Gv (s) 操纵变量 q 控制通道 Gp (s)
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工业过程
• 工业生产目标
在可能获得的原料和能源条件下，以最经济的途径将原 材料加工成预期的合格产品。
原材料
干扰
理想条件
合格产品
控制
产品？ 过程控制
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工业过程控制系统
原材料 能源
工业生产过程 （石油、化工、电力、 冶金、机械、纺织等）
产品 副产品、废弃物
• 生产目标
– 安全性
– 经济性 – 平稳性
Process Control System 过程控制系统
主讲：左 燕
课程特点
实际工业过程
分析
设计
应用
生产过程与工艺过程
过程控制系统
自动化仪表 与计算机
控制理论
2
课程目的
本次课程学习需要掌握以下内容 控制策略与参数整定 控制系统设计与投运 典型流程方案设计 面向实际应用的技术性课程
3
课程内容
模块1：简单控制系统 （Simple Control）- 15学时
在某些单元或设备上进行化学或物理反应，将原料转化 为产品的过程。 生产过程可分为：连续、离散、间歇生产过程
• 过程控制 (Process Control)
凡是采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或某些 物理参数进行的自动控制统称为过程控制。 过程控制系统中主要的被控物理量有： 温度(T)、压力(P)、流量(F)、液位(L)、成分等。
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设定值
受控对象 扰动 D 干扰通道 GD (s) 设定值 r 偏差 e _ 测量变送 Gm (s) 控制器 Gc (s) 控制变量 u 执行器 Gv (s) 操纵变量 q 控制通道 Gp (s)