Process Control
过程控制清华大学自动化系主讲教师：王京春辅导教师：夏晓华周强、顾键课 程 内 容
绪论
– 过程控制的基本概念
– 生产过程自动化发展概况和趋势
– 过程控制的任务和要求
第一篇 简单控制系统
– 生产过程的动态特性
– 比例积分微分控制及调节过程
– 简单控制系统的整定
– 调节阀的选择与计算
第二篇 复杂控制系统
– 串级控制系统与比值控制系统
– 利用补偿原理提高系统的控制品质
– 解耦控制
第三篇 高等过程控制系统
– 推理控制
– 预测控制
– 自适应控制课 程 内 容绪论 过程控制概述一,什么是过程控制二,过程控制的发展三,简单过程控制系统的基本构成四,常用术语五,过程控制系统的任务六,过程控制系统的设计示例分析一、什么是过程控制
1、什么是过程（ Process） --生产过程
连续过程 (Continuous Process)
批量（间歇）过程 (Batch Process)
离散过程 (Discrete Process)
流程工业 (Flow Manufacturing Industry)
离散制造业 (Discrete Industry)
一般工业生产
历经一段时间
伴随物质能量变化
2、过程（ Process）的特点
3、过程控制
运动控制 (Motion Control)
离散过程
过程控制 (Process Control)
连续过程
针对 连续或半连续（间歇） 过程中的 温度
,压力,流量,液（物）位,化学成分 （
如含氧量）,物性参数 （如粘度、融溶指数）等变量而实现的自动控制系统，称为过程控制。
温度
压力
流量
液位
成分（氧含量，产品组份等）
物性（粘度，干点，冰点等）
4、被控参数种类
5、所涉及的应用领域
石油化工：输油，炼油，乙烯，
合成橡胶，合成氨
电力：火电厂
冶金：冶金加热炉，热处理炉
生化：啤酒，制药
轻工：食品，漂染
环境：水处理，大气监测
其它：农业，养殖业
6、控制内容
自动检测：传感,测量
监视：人机界面,显示仪表,屏幕监视器
自动调节：控制器,调节器
顺序控制：可编程控制器
自动保护：报警,连锁保护
装置级甚至厂级生产过程的平稳控制
控制手段：各种类型的计算机系统二、过程控制的发展
被控对象（过程和设备）、控制理论、控制工具的交替发展与相互促进汇成过程控制发展的主旋律（见下表）
历经从简单到复杂，从单变量到多变量，从单一回路到整个装置甚至是全厂，从单一控制到综合自动化等等的变化过程时间 生产过程 控制理论 控制工具五十年代 批量小型单设备古典控制理论 就地仪表，单回路六十年代 连续化生产 现代控制理论 电动气动单元组合仪表,DDC,
专用数字控制仪七十年代 大型化，多装置连续化智能控制，多变量控制，优化理论与技术微型机,DCS,
现场总线八 十 年代，九十年代规模更大，适应能力更强系统，信息，
控制和人工智能等领域的交叉,CIM S,
管控一体化分 散 式 控 制 网络，现场总线技术逐步成熟，系统集成技术
复杂控制系统的实例
– 福建炼油厂：年处理量为 250万吨原油,“
九五,期间改造为 1000万吨；十个装置：常减压、重油催化裂化、焦化、催化重整、加氢精制、脱硫、催化氧化脱硫醇、分馏、硫磺回收； 2100个测点,540个回路；
– 大型石化骨干生产系统控制及计算机应用技术：模型辨识器和多变量预估控制器：目前规模,50X50,未来规模 300X300,甚至无限维；
– 现场总线技术网络化的控制系统 ----现场总线三、简单过程控制系统的基本构成
简单温度控制系统示例（开环和闭环）
HX-1
V--1
TC1
TC2
基本组成部分被控过程测量变送控制器执行机构单回路反馈控制系统框图控制器测量变送被控过程调节阀给定值r +
偏差e
阀门开度信号 调节量参数测量值外部干扰
-
被控参数前馈控制系统框图
+
é è?
± 2? êy
四,常用术语
被控过程
被控参数（被调量）
设定值（给定值）
偏差（误差）
调节量（控制量）
干扰（扰动）
基本扰动（控制量）
外部扰动
调节通道
干扰通道
定值控制
随动控制
程序控制
反馈控制
前馈控制
推理控制几个常用的专用英文名词
DDC,Direct Digital Control
DCS,Distributed Control System
CIMS,Computer Integrated
Manufacturing System
CIPS,Computer Integrated Process
(Production) System
3C,Computer Control Communication
3M,Manufacturing Management
Marketing
五,过程控制系统的任务与设计
目标任务,保证生产过程的安全性,使操作压力、温度等在规定的许可范围保障人身、设备、过程安全稳定性,保证连续生产过程的平稳操作，
各参数维持在允许的波动范围经济性,提高产品的产量、质量降低原、材料与能源消耗，降低成本
要求：
抑制 外部干扰 对过程参数的影响确保 连续 过程的 稳定生产工况达到 最优 （ 次优 ）
自控系统设计初步
控制系统设计的基本出发点物料平衡；能量平衡；质量指标；经济指标
控制系统设计步骤确定控制目标,满足平衡关系或某项指标选择被控参数,直接可测，间接可测选择调节量,用以控制被控参数的介质确定控制系统结构,单回路 串级 前馈 反馈确定控制算法,PID，模糊，自适应，优化，预测选择控制系统的组成硬件,传感测量控制仪表，
调节阀，计算机及其接口系统集成功能模型分层
经营决策 Marketing & Decision
信息管理 Information Management
计划调度 Planning & Scheduling
过程监控 SCC（ Supervisory Computer Control)
现场控制 FCS（ Field Control System）
被控生产过程 Processes
六、控制系统设计示例分析
－－锅炉控制系统设计按物料平衡 汽包水位、炉膛压力按能量平衡 汽包压力 燃烧控制按质量指标 蒸汽温度按经济指标 烟气含氧量单回路反馈控制三冲量（前馈反馈）
比值、串级、交叉限制
°ü
±
÷
÷·
ú
AF
B
W
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p d
H
W s
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MW
÷
÷
大型单元机组生产流程示意图大型单元机组生产流程控制系统
单元机组出力控制系统
– 锅炉跟踪方式（两个单回路）
– 汽机跟踪方式（两个单回路）
– 机炉协调方式（复合系统）
锅炉燃烧过程控制
– 燃料量控制系统（串级控制）
– 送风控制系统（比值串级）
– 负压控制系统（前馈反馈控制）
大型单元机组生产流程控制系统
锅炉汽包水位控制
– 汽包水位的三冲量控制系统（比值前馈）
– 汽包水位串级控制系统
过热蒸汽的温度控制
– 具有导前微分信号的汽温控制系统（双信号）
– 汽温串级控制系统实验安排序号 周次 日期 实验安排
1 3 Mat l ab 及 Si m u l i nk 使用实验一 动态特性
2 7 实验二 PID
实验四 二阶系统
3 9 实验五 调节器参数影响实验六 单回路整定
4 12 实验七 串级控制系统
5 15 实验八 前馈――反馈控制
6* 实验十一 解耦控制系统
教材过程控制 金以慧 清华大学出版社过程控制仿真实验 实验指示书
参考书化工过程控制,理论与工程,（美）史蒂芬拿不勒斯著，吴惕华译，化学工业出版社,1988，
TQ021.8 11
过程控制工程，蒋慰孙，俞金寿编著，烃加工出版社,1988,TQ021.8 9
过程控制系统，欣斯基 (Shinskey,F.G.)著，方崇智译，化学工业出版社,1982.4,TP273 25
相关杂志习题
P16图 1.10
为图 1.10的加热器设计一个出口水温的反馈控制系统，指出它的被调量、调节量、干扰因素。
若冷水量波动较大，再为它设计一个前馈控制系统
过程控制清华大学自动化系主讲教师：王京春辅导教师：夏晓华周强、顾键课 程 内 容
绪论
– 过程控制的基本概念
– 生产过程自动化发展概况和趋势
– 过程控制的任务和要求
第一篇 简单控制系统
– 生产过程的动态特性
– 比例积分微分控制及调节过程
– 简单控制系统的整定
– 调节阀的选择与计算
第二篇 复杂控制系统
– 串级控制系统与比值控制系统
– 利用补偿原理提高系统的控制品质
– 解耦控制
第三篇 高等过程控制系统
– 推理控制
– 预测控制
– 自适应控制课 程 内 容绪论 过程控制概述一,什么是过程控制二,过程控制的发展三,简单过程控制系统的基本构成四,常用术语五,过程控制系统的任务六,过程控制系统的设计示例分析一、什么是过程控制
1、什么是过程（ Process） --生产过程
连续过程 (Continuous Process)
批量（间歇）过程 (Batch Process)
离散过程 (Discrete Process)
流程工业 (Flow Manufacturing Industry)
离散制造业 (Discrete Industry)
一般工业生产
历经一段时间
伴随物质能量变化
2、过程（ Process）的特点
3、过程控制
运动控制 (Motion Control)
离散过程
过程控制 (Process Control)
连续过程
针对 连续或半连续（间歇） 过程中的 温度
,压力,流量,液（物）位,化学成分 （
如含氧量）,物性参数 （如粘度、融溶指数）等变量而实现的自动控制系统，称为过程控制。
温度
压力
流量
液位
成分（氧含量，产品组份等）
物性（粘度，干点，冰点等）
4、被控参数种类
5、所涉及的应用领域
石油化工：输油，炼油，乙烯，
合成橡胶，合成氨
电力：火电厂
冶金：冶金加热炉，热处理炉
生化：啤酒，制药
轻工：食品，漂染
环境：水处理，大气监测
其它：农业，养殖业
6、控制内容
自动检测：传感,测量
监视：人机界面,显示仪表,屏幕监视器
自动调节：控制器,调节器
顺序控制：可编程控制器
自动保护：报警,连锁保护
装置级甚至厂级生产过程的平稳控制
控制手段：各种类型的计算机系统二、过程控制的发展
被控对象（过程和设备）、控制理论、控制工具的交替发展与相互促进汇成过程控制发展的主旋律（见下表）
历经从简单到复杂，从单变量到多变量，从单一回路到整个装置甚至是全厂，从单一控制到综合自动化等等的变化过程时间 生产过程 控制理论 控制工具五十年代 批量小型单设备古典控制理论 就地仪表，单回路六十年代 连续化生产 现代控制理论 电动气动单元组合仪表,DDC,
专用数字控制仪七十年代 大型化，多装置连续化智能控制，多变量控制，优化理论与技术微型机,DCS,
现场总线八 十 年代，九十年代规模更大，适应能力更强系统，信息，
控制和人工智能等领域的交叉,CIM S,
管控一体化分 散 式 控 制 网络，现场总线技术逐步成熟，系统集成技术
复杂控制系统的实例
– 福建炼油厂：年处理量为 250万吨原油,“
九五,期间改造为 1000万吨；十个装置：常减压、重油催化裂化、焦化、催化重整、加氢精制、脱硫、催化氧化脱硫醇、分馏、硫磺回收； 2100个测点,540个回路；
– 大型石化骨干生产系统控制及计算机应用技术：模型辨识器和多变量预估控制器：目前规模,50X50,未来规模 300X300,甚至无限维；
– 现场总线技术网络化的控制系统 ----现场总线三、简单过程控制系统的基本构成
简单温度控制系统示例（开环和闭环）
HX-1
V--1
TC1
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基本组成部分被控过程测量变送控制器执行机构单回路反馈控制系统框图控制器测量变送被控过程调节阀给定值r +
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阀门开度信号 调节量参数测量值外部干扰
-
被控参数前馈控制系统框图
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± 2? êy
四,常用术语
被控过程
被控参数（被调量）
设定值（给定值）
偏差（误差）
调节量（控制量）
干扰（扰动）
基本扰动（控制量）
外部扰动
调节通道
干扰通道
定值控制
随动控制
程序控制
反馈控制
前馈控制
推理控制几个常用的专用英文名词
DDC,Direct Digital Control
DCS,Distributed Control System
CIMS,Computer Integrated
Manufacturing System
CIPS,Computer Integrated Process
(Production) System
3C,Computer Control Communication
3M,Manufacturing Management
Marketing
五,过程控制系统的任务与设计
目标任务,保证生产过程的安全性,使操作压力、温度等在规定的许可范围保障人身、设备、过程安全稳定性,保证连续生产过程的平稳操作，
各参数维持在允许的波动范围经济性,提高产品的产量、质量降低原、材料与能源消耗，降低成本
要求：
抑制 外部干扰 对过程参数的影响确保 连续 过程的 稳定生产工况达到 最优 （ 次优 ）
自控系统设计初步
控制系统设计的基本出发点物料平衡；能量平衡；质量指标；经济指标
控制系统设计步骤确定控制目标,满足平衡关系或某项指标选择被控参数,直接可测，间接可测选择调节量,用以控制被控参数的介质确定控制系统结构,单回路 串级 前馈 反馈确定控制算法,PID，模糊，自适应，优化，预测选择控制系统的组成硬件,传感测量控制仪表，
调节阀，计算机及其接口系统集成功能模型分层
经营决策 Marketing & Decision
信息管理 Information Management
计划调度 Planning & Scheduling
过程监控 SCC（ Supervisory Computer Control)
现场控制 FCS（ Field Control System）
被控生产过程 Processes
六、控制系统设计示例分析
－－锅炉控制系统设计按物料平衡 汽包水位、炉膛压力按能量平衡 汽包压力 燃烧控制按质量指标 蒸汽温度按经济指标 烟气含氧量单回路反馈控制三冲量（前馈反馈）
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大型单元机组生产流程示意图大型单元机组生产流程控制系统
单元机组出力控制系统
– 锅炉跟踪方式（两个单回路）
– 汽机跟踪方式（两个单回路）
– 机炉协调方式（复合系统）
锅炉燃烧过程控制
– 燃料量控制系统（串级控制）
– 送风控制系统（比值串级）
– 负压控制系统（前馈反馈控制）
大型单元机组生产流程控制系统
锅炉汽包水位控制
– 汽包水位的三冲量控制系统（比值前馈）
– 汽包水位串级控制系统
过热蒸汽的温度控制
– 具有导前微分信号的汽温控制系统（双信号）
– 汽温串级控制系统实验安排序号 周次 日期 实验安排
1 3 Mat l ab 及 Si m u l i nk 使用实验一 动态特性
2 7 实验二 PID
实验四 二阶系统
3 9 实验五 调节器参数影响实验六 单回路整定
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5 15 实验八 前馈――反馈控制
6* 实验十一 解耦控制系统
教材过程控制 金以慧 清华大学出版社过程控制仿真实验 实验指示书
参考书化工过程控制,理论与工程,（美）史蒂芬拿不勒斯著，吴惕华译，化学工业出版社,1988，
TQ021.8 11
过程控制工程，蒋慰孙，俞金寿编著，烃加工出版社,1988,TQ021.8 9
过程控制系统，欣斯基 (Shinskey,F.G.)著，方崇智译，化学工业出版社,1982.4,TP273 25
相关杂志习题
P16图 1.10
为图 1.10的加热器设计一个出口水温的反馈控制系统，指出它的被调量、调节量、干扰因素。
若冷水量波动较大，再为它设计一个前馈控制系统
