1过程控制系统的基本概念

2020/1/211过程控制仪表与系统任课教师：黄学章、张建智、宋彦坡2020/1/212前言本课程的重要性课程主要内容课程安排参考文献考核办法2020/1/213任课教师自我介绍任课教师简介：黄学章；张建智；宋彦坡联系方式：[e-mail]请各班班长或各班选出一名科代表在课后留下联系方式，以便通知各项事宜。2020/1/214课程重要性本课程是培养学生综合应用所学知识设计工业生产过程控制系统的专业课，具有很强实践性。涉及的学科面广，是一门与材料科学、计算机技术、信息技术密切相关的快速发展的学科。与专业方向相关：热能工程；电厂动力；内燃机；制冷与低温工程；环境与设备工程；热工自动化；新能源科学与工程。与学术研究相关：热工过程与设备的计算机仿真与优化；节能与环保新技术；热工过程检测；诊断与智能决策；现代热物性测试技术；新型制冷系统与装置；空调系统与设备节能新技术；CFD建筑能耗分析与管理研究；建筑室内外空气品质及其控制。2020/1/215课程主要内容过程控制仪表+过程控制系统（ProcessControlInstrumentandSystem）课程简介：本课程为专业基础课，具有较高的理论性与实践性。其目的和任务是通过本课程的学习，学生将掌握单回路和常见复杂过程控制系统的组成、工作过程、特点以及应用等知识，为毕业设计及将来学习和工作打下过程控制的专业基础。主要内容：①过程控制仪表与装置：包括过程控制仪表的组成与分类、控制器（可编程调节器）与控制规律、变送器、执行机构与调节阀等；②过程控制系统：包括过程控制系统的组成、单回路过程控制系统的设计、要求和参数整定；常用复杂过程控制系统的原理和特点，以及设计和应用。此外，还要了解计算机控制系统（PLC)、先进的过程控制系统和智能控制系统，以及各类过程控制系统在工业生产过程中的实际应用。2020/1/216课程安排请参考教学日历（40学时）绪论（4学时）+过程控制仪表（8学时）+过程控制系统（14学时）+计算机控制系统（4学时）+工程应用（6学时）+机动（2学时）+复习（2学时）2020/1/217参考文献[1]刘玉长主编，自动检测和过程控制，第四版，冶金工业出版社，2010[2]周泽魁主编，控制仪表与计算机控制装置，化学工业出版社，2002[3]吴勤勤主编，控制仪表及装置，第二版，化学工业出版社，2002[4]林德杰主编，过程控制仪表及控制系统，机械工业出版社，2004[5]曹润生等编，过程控制仪表，浙江大学出版社，1987[6]徐春山主编，过程控制仪表，冶金工业出版社，1995.[7]何衍庆、俞金寿主编，工业生产过程控制，化学工业出版社，2004[8]方康玲主编，过程控制系统，武汉理工大学出版社，2002[9]王骥程、祝和云主编，化工过程控制工程，化工出版社，1981[10]向婉成主编，过程控制调节装置，机械工业出版社，1987[11]涂植英等主编,过程控制系统,机械工业出版社，1988[12]金以慧主编，过程控制，清华大学出版社，1993.4[13]孟华主编，工业过程检测与控制，北京航空航天大学出版社，2002[14]俞金寿、蒋慰孙编著，过程控制工程，电子工业出版社，2007[15]潘永湘主编，过程控制与自动化仪表第2版，机械工业出版社，2007[16]侯志林，过程控制与自动化仪表，机械工业出版社，20072020/1/218过程控制网络资源中国工控网：MATLAB大观圆：；PAControl(过程自动化控制)：控制工程：工业控制技术国家重点实验室：中国自动化在线：platform.automation-online.com.cn/magazine.asp2020/1/219考核办法平时成绩(30%)＋期末笔试(70%)平时成绩：考勤（5分/次）作业（5分/次）回答问题（5分/次）课堂秩序（5分/次）考勤有4次未到者，取消考试资格违反课堂纪律不听劝告者，取消考试资格平时成绩不及格者，总评成绩不及格2020/1/21101.1过程控制系统的组成与分类1.2过程控制系统的过渡过程和品质指标1.3被控对象特性1.4被控过程的数学模型第一章过程控制系统的基本概念2020/1/2111进料口出料口H玻璃管液位计进料口执行器变送器调节器1.1.1过程控制系统例1：水槽液位控制2020/1/2112水槽液位控制F1LC工作过程：F1增加→L增加→变送器输出信号增加→偏差（测量值-设定值）为正、增加→控制器输出增加→阀开度增加→F2增加→L降低；F22020/1/21131.1.1过程控制系统例2：锅炉汽包水位控制（a）手动控制（b）自动控制蒸汽汽包省煤器给水LTLC蒸汽汽包省煤器给水玻璃管液位计锅炉汽包液位控制2020/1/21141.1.1过程控制系统锅炉2020/1/21151.1.1过程控制系统锅炉热空气燃料燃料嘴炉膛汽包过热器减温器PMD负荷设备调节阀过热蒸汽送负荷设备炉墙省煤器热空气送往炉膛给水空气预热器冷空气烟气(经引风机送往烟囱)2020/1/2116锅炉设备的三大控制系统给水量减温水燃料量送风量引风量水位蒸汽温度蒸汽压力过剩空气炉膛负压负荷锅炉设备主要控制系统：（1）锅炉汽包水位的控制；（2）锅炉燃烧系统的控制；（3）过热蒸汽系统的控制。2020/1/21171.1.1过程控制系统例2：锅炉汽包水位控制（a）手动控制（b）自动控制蒸汽汽包省煤器给水LTLC蒸汽汽包省煤器给水玻璃管液位计锅炉汽包液位控制2020/1/2118例3：加热炉的温度控制1.1.1过程控制系统2020/1/21191.1.2过程控制系统的组成例：加热炉的控制过程——工艺流程2020/1/2120工作原理：燃油量增加→T2增大→T1增大→变送器输出信号增加→偏差（测量值-设定值）为正、增加→控制器输出减小（反作用）→阀开度减小→燃油量降低讨论：分析原油量减少的控制过程；加热炉温度控制2020/1/21211.1.2控制系统组成简单控制系统由检测变送单元、控制器、执行器和被控对象组成。被控对象：是指某些被控制的装置或设备。例如加热炉、高炉、沸腾炉、回转窑以及贮藏物料的槽罐或输送物料的管段等。检测元件和变送器：用于检测被控变量，并将检测到的信号转换为标准信号输出。控制器：用于将检测变送单元的输出信号与设定值信号进行比较，按一定的控制规律对其偏差信号进行运算，运算结果输出到执行器。执行器：执行器接收控制器的输出信号，通过改变执行器节流件的流通面积来改变操纵变量。2020/1/2122控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值1.1.3控制系统方框图例：加热炉的控制过程——方框图2020/1/2123控制系统框图控制装置执行器过程+r(t)e(t)_检测元件、变送器比较机构控制器q(t)被控变量c(t)扰动f(t)广义对象测量值y(t)闭环控制系统的组成u(t)注意几个变量的区别：被控变量c、给定值（或设定值）r、测量值y、操纵变量（或控制变量）q、干扰（或外界扰动）f、偏差信号e、控制信号u、闭环系统、开环系统、反馈。2020/1/2124流量测量物位与厚度检测压力测量温度测量检测技术基础温度测量压力测量应变与厚度检测流量测量物位与厚度检测过程成分检测显示仪表控制器被控对象测量变送装置+－SP执行器检测仪表2020/1/2125铠装热电偶带热电偶-热电阻双金属温度计隔爆式双金属温度计温度测量2020/1/2126电接点压力表耐振压力表隔膜式耐振压力表压力测量2020/1/2127电磁流量计涡街流量计浮子流量计流量测量2020/1/2128物位测量锅炉磁力水位仪射频导纳物位计电动浮筒液位计2020/1/2129成分测量TP-HW2000红外碳硫分析仪红外线气体分析器二氧化碳/温度检测仪2020/1/2130控制器被控对象测量变送装置+－SP执行器变送器压力变送器一体式温度变送器扩散硅液位变送器2020/1/2131控制器被控对象测量变送装置+－SP执行器控制器数字调节器模拟调节器2020/1/2132控制器被控对象测量变送装置+－SP执行器执行器电动调节阀电动调节蝶阀直行程电动执行器2020/1/2133复杂过程控制系统控制器被控对象测量变送装置+－SP执行器过程控制系统实验装置1、控制系统的被控量包含了温度、压力、流量、液位四大热工参数。2、执行器中既有仪表类执行器，又有交流变频器、加热控制器、加热器等电力拖动类执行器。3、该装置是一个微型的锅炉加热、给排水系统，是模拟了工业现场的小型工厂，具有真实可靠性和直观性。4、通过工业总线，上位机可对装置进行实时监测控制。5、可提供监控图形画面。2020/1/2134过程控制实验装置监控画面2020/1/2135计算机过程控制系统DCS控制系统IFIX组态软件2020/1/21361.1.4过程控制系统的分类（一）按系统的结构特点分类：1、反馈控制系统2、前馈控制系统3、前馈-反馈控制系统（二）按给定值信号的特点分类1、定值控制系统2、随动控制系统3、程序控制系统2020/1/21371.1.4过程控制系统的分类定值控制系统：所谓定值就是设定值恒定，不随时间而变。生产过程中往往要求控制系统的被控量保持在某一定值不变；当被控量波动时，控制器动作，使被控量回复至设定值(或接近设定数值)。大多数生产过程的自动控制，都是定值控制系统。上述锅炉汽包水位的自动控制，就是一种定值控制系统。在定值控制系统中，有简单的控制系统，又有复杂的控制系统。2020/1/21381.1.4过程控制系统的分类程序控制系统在此系统中，设定值在时间上按一定程序变化，被控量在时间上也按一定程序变化。例如某些热处理炉温度的自动控制，需要采用程序控制系统，因为工艺要求有一定的升温、保温、降温时间，如图所示。其中0-1-2线段是升温曲线，2-3线段是保温时间，3-4-5线段是降温曲线；通过系统中的程序设定装置，可使设定值按工艺要求的预定程序变化，从而使被控量也跟随设定值的程序变化。t01234T52020/1/21391.1.4过程控制系统的分类随动控制系统在随动系统中，设定值随时间不断的变化，而且预先不知道它的变化规律，但要求系统的输出即被控量跟着变化，而且希望被控量随设定值的变化即快又准。例如在燃料燃烧过程中，空气与燃料量之间的比值是有一定要求的，但是燃料量需要多少，则随生产情况而定，而且预先不知道它的变化规律。在这里燃料需要量相当于设定值，它随温度的变化而变化，故这样的系统称为随动控制系统。在这样的随动控制系统中，由于空气量的变化必须随着燃料量按一定比值而变，因此又称为比值控制系统，比值控制系统是工业中较常见的随动系统形式。2020/1/21401.1.4过程控制仪表与装置的分类按能源形式分类按信号类型分类按结构形式分类2020/1/2141按能源形式分类可分为电动、气动、液动和机械式等。工业上普遍使用电动和气动控制仪表。表1-1电动控制仪表和气动控制仪表的比较电动控制仪表气动控制仪表能源电源（220VAC）（24VDC）气源（140kPa）传输信号电信号（电流、电压或脉冲）气压信号构成电子元器件（电阻、电容、电子放大器、集成电路等）气动元件（气阻、气容、气动放大器等）接线导线，印刷电路板导管，管路板2020/1/2142电动仪表信号标准的使用1、一般现场与控制室仪表之间采用直流电流信号为什么?2020/1/2143电动仪表信号标准的使用1、现场与控制室仪表之间采用直流电流信号优点：直流信号比交流信号干扰少（交流