《过程控制系统》第一章（ 2 ）

《过程控制系统》第一章（ 2 ）

1.31.3 过程控制系统概述

控制工程与其它相关学科

控制工程

控制原理与方法

最优化方法与技术

化工原理与对象机理

测量与控制仪表

计算机与网络技术

系统仿真技术

本课程的教学要求了解控制系统的设计目的，掌握控制系

统方块图描述法掌握过程对象的建模方法掌握 PID 类常规控制策略，能够结合具

体的工业过程设计合理的控制方案了解先进控制算法，掌握其设计思想、

概念、特点及适用场合了解控制系统的设计与实施

内容纲要控制系统的由来以及发展过程控制的目标过程控制中的常用术语控制系统的主要分类控制系统的设计与实施

控制系统的由来

LCh hsp

Qi

Qo

传感测量：液位计 + 人眼控制器：大脑执行机构：手 + 手动阀

差压传感变送器电动调节器自动调节阀

控制在日常生活中无处不在！

控制系统的目标过程控制系统的目标：

在扰动存在的情况下，通过调节操纵变量使被控变量保持在其设定值。

应用过程控制系统的主要原因：（ 1 ）安全性：确保生产过程中人身与设备的安全，保护或减少生产过程对环境的影响；（ 2 ）稳定性：确保产品质量与产量的长期稳定，以抑制各种外部干扰；（ 3 ）经济性：实现效益最大化或成本最小化。

举例：闪蒸分离过程

L1

A1

P1

T6

F1

T1

F2

T4

T2

F3

T3

T5

进料：甲烷

乙烷 (LK)丙烷丁烷戊烷

过程流体

蒸汽

汽相产品

液相产品

L. Key

P ≈ 1000 kPa

T ≈ 298 K

L1

A1

P1

T6

F1

T1

F2

T4

T2

F3

T3

T5

进料：甲烷


过程流体

蒸汽

汽相产品

液相产品

L. Key

PCS-14

S-15

控制目标安全性环保设备保

护稳定性产品质

量利润

分离器中过高的压力非常危险

L1

A1

P1

T6

F1

T1

F2

T4

T2

F3

T3

T5

进料：甲烷


过程流体

蒸汽

汽相产品

液相产品

L. Key

燃烧



量利润

不能将碳氢化合物释放到空气中

L1

A1

P1

T6

F1

T1

F2

T4

T2

F3

T3

T5

进料：甲烷


过程流体

蒸汽

汽相产品

液相产品

L. Key

LC



量利润

没有流体将会损坏泵

L1

A1

P1

T6

F1

T1

F2

T4

T2

F3

T3

T5

进料：甲烷


过程流体

蒸汽

汽相产品

液相产品

L. Key

FC

S-19



量利润

使物料的流速保持平稳

L1

A1

P1

T6

F1

T1

F2

T4

T2

F3

T3

T5

进料：甲烷


过程流体

蒸汽

汽相产品

液相产品

L. KeyAC



量利润

通过调节解热量来保证关键组分的含量

L1

A1

P1

T6

F1

T1

F2

T4

T2

F3

T3

T5

进料：甲烷


过程流体

蒸汽

汽相产品

液相产品

L. KeyAC

S-22



量利润

节约热能

控制系统的发展史

开大阀门还是逃命？

温度指示

手动操作

机械装置

气动设备

电动设备

数字计算

数字计算和通讯

冷却阀

由人直接根据指示来调节阀门

控制设备发展史手动操作

机械装置

气动设备

电动设备

数字计算

数字计算和通讯

浮子用来测量液位闸门的位置决定流量

支点的位置决定：闸门的变化 / 液位变化

怎样改变设定

值？

变量的值由装置的位置来表达


机械装置

气动设备

电动设备

数字计算

数字计算和通讯管道中的信号为 3-15psi 的气压气压改变阀门开度

怎样执行 PID计算？

变量大小与气压成比例(50 – 150℃ = 3 – 15psi) 。


机械装置

气动设备

电动设备

数字计算

数字计算和通讯电线中的信号为 4-20mA 的电流电流转变为气压来操纵阀门

怎样执行 PID计算？

变量大小与电流或电压成比例(50 – 150℃ = 4 – 20mA) 。

PID 的模拟计算

气动电动


机械装置

气动设备

电动设备

数字计算

数字计算和通讯电线中的信号为 4 - 20mA 的电流电流转变为气压来操纵阀门

采用电动信号传输进行数字计算

数字计算和通讯手动操作

机械装置

气动设备

电动设备

数字计算

数字计算和通讯电流转变为气压来操纵阀门

数字 PID

信号采用数字传输

信号在局域网中传输，传感器和阀门也可带有微处理器！

数字控制

A/D A/D D/A D/A

现场控制器

A/D A/D D/A D/A

现场控制器特殊目的处理器*信号采集*安全控制

操作站操作站多功能

计算机数字通讯

过程

……

……

* 监视*历史记录*优化

数字控制采用分布式网络结构为什么？

分布式网络结构

分布式结构的特点对过程控制的好处数个处理器并行运算控制计算比只用一个处理器快每个处理器只执行有限个控制器计算

控制系统更安全，因为一个处理器故障只影响有限个控制回路

最小系统只需要少量的设备系统可以很容易地进行扩展

每种处理器可以配不同的硬件和软件

可以根据具体的应用，比如控制、监视、操作等来选择硬件和软件

控制在哪里实现的？现场显示

现场调节

电缆，可能有几百米长

中央控制室中进行变量显示、计算以及操纵阀门

传感器、现场显示和阀门都在生产现场

控制在哪里实现的？

中央控制室

现场显示现场调节

电缆，可能有几百米长

中央控制室中进行变量显示、计算以及操纵阀门

传感器、现场显示和阀门都在生产现场

过程控制系统的重要术语

LCh hsp

Qi

Qo被控变量 - CV ( Controlled Variable)

设定值 - SP (Setpoint)

操纵变量 - MV (Manipulated Variable)

扰动变量 - DV (Disturbance Variable)

控制变量 - Control Variable

测量信号 - Measurement

控制系统的分类定值控制（ Regulatory Control, “调节控

制”）与伺服控制（ Servo Control, “跟踪控制”）对照举例：连续过程与间歇过程或飞行控制。

前馈控制（ Feedforward Control ）与反馈控制（ Feedback Control ）对照举例：热交换器的出口温度控制。

前馈与反馈控制系统举例

蒸汽

凝液

进料T

RV

RF

Tsp

Tm

u(t)

Ti

前馈控制器 TC

蒸汽

凝液

进料

Tsp

Tm

T

RV

RF , Ti

u(t)

前馈控制反馈控制

控制系统的分类（续）开关量控制（ Switch Control ）与连续量控制（ Continuous Control ）举例：热水器的控制

连续时间控制（ Continuous-Time Control）与离散时间控制（ Discrete-Time Control, 也称“采样控制” /“ 数字控制”）举例：计算机控制系统

多变量控制与单变量多回路控制线性控制与非线性控制等

控制系统的设计与实施确定控制目标：依据生产过程安全性、经济性与稳

定性的要求，针对具体工业对象确定控制目标；选择被控变量：选择与控制目标直接或间接相关的可测量参数作为控制系统的被控变量；

选择操作变量：从所有可操作变量中选择合适的操作变量，要求对被控变量的调节作用尽可能大而快；

确定控制方案：当被控变量与操作变量多于 1个时，既可以直接用 MIMO（多输入多输出）控制方案；也可以将系统分解成几个 SISO（单输入单输出）子系统再进行设计（当然这里存在最佳分解问题）。

控制系统的设计与实施（续）调节阀的选择：根据被控变量与操作变量的工艺条件及对象特性，选择合适大小与流量特性的调节阀；

控制算法的选择：依据控制方案选择合适的控制算法。通常对于 SISO 系统， PID 控制算法能满足大部分情况；而对于MIMO 系统，可采用的控制算法很多，但一般都需要对象模型，仅适用于计算机控制系统。

控制系统的调试和投用：控制系统安装完毕后，按控制要求检查和调整各控制仪表和设备的工作状况( 包括控制器参数的在线整定 ) ，依次将其投入运行。

举例：精馏塔控制系统

LC

TC

进料

LC

FC

FC

精馏塔

加热蒸汽塔底产品

塔顶产品

控制目标

CV、MV选择

控制系统调试与投用

控制方案

控制算法

常用控制算法 PID类（包括：单回路 PID 、串级、前馈、均匀、比值、分程、选择或超驰控制等），特点：主要适用于 SISO 系统、基本上不需要对象的动态模型、结构简单、在线调整方便。

APC类（先进控制方法，包括：解耦控制、内模控制、预测控制、自适应控制等），特点：主要适用于MIMO 或大纯滞后 SISO 系统、需要动态模型、结构复杂、在线计算量大。

思考题与习题

《过程控制系统 》 第一章（ 2 ）

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