1、2目目 錄錄1.1 過程控制的要求與任務1.2 過程控制系統的組成與特點1.3 過程控制系統的性能指標1.4 過程控制系統的設計1.5 過程控制的發展與趨勢本章小結 3 生產過程是指物料經過若干加工步驟而成為產品的過程。該過程中通常會發生物理化學反應、生化反應、物質能量的轉換與傳遞等等，或者說生產過程表現為物流變化的過程。伴隨物流變化的信息包括體現物流性質（物理特性和化學成分）的信息和操作條件（溫度、壓力、流量、液位或物位等）的信息。 1.1 過程控制的要求與任務過程控制的要求與任務4 生產過程的總目標，應該是在可能獲得的原料和能源條件下，以最經濟的途徑將原物料加工成預期的合格產品。為了達到該

2、目標，必須對生產過程進行監視與控制。 5 對生產過程所進行的控制，稱為過程控制，它是自動控制學科的一個重要分支。過程控制一般是指工業生產中連續的或按一定程序周期進行的生產過程的自動控制。它主要針對所謂六大參數，即溫度、壓力、流量、液位(或物位)、成分和物性等參數的控制問題，它能覆蓋許多工業部門，諸如石油、化工、冶金、煉焦、造紙、建材、輕工、紡織、陶瓷、食品及電力等等，因而，過程控制在國民經濟中占有極其重要的地位。 6 為了實現過程控制，以控制理論和生產要求為依據，采用模擬儀表、數字儀表或計算機等構成的控制總體，稱為過程控制系統。圖1-1 轉爐供氧控制系統7 圖1-1表示轉爐供氧量控制系統。轉爐

3、是煉鋼工業生產過程中的一種重等要設備。熔融的鐵水裝入轉爐后，通過氧槍供給一定的氧。其目的是使鐵水中的碳氧化燃燒，以不斷降低鐵水中的含碳量。控制吹氧量和吹氧時間，可以獲得不同品種的鋼產品。由圖1-1可見，從節流裝置1采集到的氧氣流量，送入流量變送器FT，再經過開方器2，其結果送到流量控制器FC，流量控制器FC根據氧氣流量的測量值與其設定值的偏差，按照一定的控制算法輸出控制信號，去控制調節閥3的開度，從而改變供氧量的大小，以滿足生產工藝的要求。 8 通常，將系統中被控制的物理量稱為被控變量，而被控變量所要求的理想值稱為設定值或給定值。設定值是系統的輸入變量，被控變量是系統的輸出變量。9 過程控制系

4、統一般有如下兩種運行狀態。一種是穩態，此時系統沒有受到任何外來干擾，同時設定值保持不變，因而被控變量也不會隨時間變化，整個系統處于穩定平衡的工況。另一種是動態，當系統受到外來干擾的影響或者在改變了設定值后，原來的穩態遭到破壞，系統中各組成部分的輸入輸出變量都相繼發生變化，尤其是被控變量也將偏離原穩態值而隨時間變化，這時就稱系統處于動態。經過一段調整時間后，如果系統是穩定的，被控變量將會重新達到新設定值或其附近，系統又恢復穩定平衡工況。 10 工業生產對過程控制的要求是多方面的，最終可以歸納為安全性、穩定性和經濟性。（1）安全性安全性（2）穩定性穩定性（3）經濟性經濟性11 因此，過程控制的任務

5、是在充分了解、掌握生產過程的工藝流程和動靜態特性的基礎上，根據上述三項要求，應用理論對控制系統進行分析與綜合，以生產過程中物流變化信息量作為被控變量，選用適宜的技術手段，實現生產過程的控制目標。121.2 過程控制系統的組成與特點1.2.1 過程控制系統組成過程控制系統組成 在生產過程中有各種各樣的控制系統，圖1-2所示為幾個簡單控制系統的示例。 圖1-213 過程控制系統一般由被控過程（或稱被控對象）、測量變送裝置、執行器和控制器（或稱調節器）等環節組成。 （1）被控過程（2）測量變送裝置（3）執行器（4）控制器（5）報警、保護和連鎖等其他部件141.2.2 過程控制系統特點過程控制系統特點

6、 1. 工業生產過程的特點工業生產過程的特點 由于過程控制主要是指連續工業生產過程的控制，故工業生產過程的特點主要指連續工業生產過程的特點。15 工業生產過程伴隨著物理化學反應、生化反應、物質能量的轉換與傳遞，是一個十分復雜的大系統，存在不確定性、時變性以及非線性等因素。因此，過程控制的難度是顯而易見的，要解決過程控制問題必須采用有針對性的特殊方法與途徑。工業生產過程常常處于惡劣的生產環境中，同時常常要求苛刻的生產條件，如高溫、高壓、低溫、真空、易燃、易爆或有毒等等。因此，生產設備與人身的安全性特別重要。 由連續生產的特征可知，工業生產過程更強調實時性和整體性。協調復雜的耦合與制約因素，求得全

7、局優化，也是十分重要的。 162. 過程控制系統的特點過程控制系統的特點(1) 被控過程的多樣性 工業生產過程涉及到各種工業部門，其物料加工成的產品是多樣的。同時，生產工藝各不相同，如：石油化工過程、冶金工業中的冶煉過程、核工業中的動力核反應過程等等，這些過程的機理不同，甚至執行機構也不同。因此，過程控制系統中的被控對象（包括被控變量）是多樣的，明顯地區別于運動控制系統。 17(2) 控制方案的多樣性 由工業生產過程的特點以及被控過程的多樣性決定了過程控制系統的控制方案必然是多樣的。這種多樣性包含系統硬件組成和控制算法以及軟件設計。對于圖1-1和圖1-2所示的簡單過程控制系統，早期的控制器采用

8、的是模擬調節儀表，如果將控制器、執行器和檢測元件與變送器統稱為常規檢測控制儀表，則一個簡單的過程控制系統可以被認為是由被控過程和常規檢測控制儀表兩部分組成，這樣的系統也稱之為常規儀表過程控制系統。18 隨著現代工業生產的發展，工業過程越來越復雜，對過程控制的要求也越來越高，傳統的模擬式過程檢測控制儀表已經不能滿足控制要求，因而采用計算機作為控制器組成計算機過程控制系統。從控制方法的角度看，有單變量過程控制系統，也有多變量過程控制系統。同時，控制算法多種多樣，有PID控制、復雜控制，也有包括智能控制的先進控制方法等等。19(3) 被控過程屬慢過程，且多屬參數控制 連續工業生產過程大慣性和大滯后的

9、特點決定了被控過程為慢過程。被控過程是物流變化的過程，伴隨物流變化的信息（物性、成分、溫度、壓力、流量、液位或物位）表征為被控過程狀態的參數，也是過程控制系統的被控變量。 20(4) 定值控制是過程控制的主要形式 在多數工業生產過程中，被控參數的設定值為一個定值，定值控制的主要任務在于如何減小或消除外界干擾，使被控變量盡量保持接近或等于設定值，使生產穩定。 21(5) 過程控制系統有多種分類方法 按被控參數分類：可分為溫度過程控制系統、壓力過程控制系統、流量過程控制系統、液位或物位過程控制系統、物性過程控制系統和成分過程控制系統等； 按被控變量數分類：可分為單變量過程控制系統和多變量過程控制系

10、統； 按設定值分類：可分為定值過程控制系統、隨動（伺服）過程控制系統和程序過程控制系統； 按參數性質分類：可分為集中參數過程控制系統和分布參數過程控制系統； 按控制算法分類：可分為簡單過程控制系統、復雜過程控制系統和先進或高級過程控制系統； 按控制器形式分類：可分為常規儀表過程控制系統和計算機過程控制系統。 221.3 過程控制系統的性能指標 工業生產過程對控制的要求，可以概括為準確性、穩定性和快速性。另外，定值控制系統和隨動（伺服）控制系統對控制的要求既有共同點，也有不同點。定值控制系統在于恒定，即要求克服干擾，使系統的被控參數能穩、準、快地保持接近或等于設定值。而隨動（伺服）控制系統的主要

11、目標是跟蹤，即穩、準、快地跟蹤設定值。根據過程控制的特點，主要討論定值檢測的性能指標。圖1-3為一個過程控制系統的階躍響應曲線。23圖1-3 過程控制系統的階躍響應曲線241.3.1 單項性能指標單項性能指標1. 衰減比和衰減率衰減比和衰減率 衰減比是衡量一個振蕩過程的衰減程度的指標，它等于系統階躍響應曲線兩個相鄰的同向波峰值之比，如圖1-3中所示，即衰減比可表示為31yyn 25 衡量振蕩過程衰減程度的另一種指標是衰減率，它是指每經過一個周期以后，波動幅度衰減的百分數，即衰減率可表示為 %100131yyy262. 最大動態偏差和超調量最大動態偏差和超調量 最大動態偏差是指設定值階躍響應中，

12、過渡過程開始后第一個波峰超過其新穩態值的幅度，如圖1-3中的。 最大動態偏差占被控變量穩態變化幅度的百分數稱為超調量。對于二階振蕩過程而言，超調量與衰減率有嚴格的對應關系，即超調量可表示為)(1yyM273. 殘余偏差殘余偏差 殘余偏差是指過渡過程結束后，被控變量新的穩態值與新設定值r之間的差值，它是控制系統穩態準確性的衡量指標。284. 調節時間和振蕩頻率調節時間和振蕩頻率 調節時間是從過渡過程開始到結束所需的時間。理論上它需要無限長的時間，但一般認為當被控變量已進入其穩態值的5范圍內，就算過渡過程已經結束。因此，調節時間就是從擾動開始到被控變量進入新穩態值的5范圍內的這段時間，在圖中以表示

13、。調節時間是衡量控制系統快速性的一個指標。291.3 過程控制系統的性能指標 工業生產過程對控制的要求，可以概括為準確性、穩定性和快速性。另外，定值控制系統和隨動（伺服）控制系統對控制的要求既有共同點，也有不同點。定值控制系統在于恒定，即要求克服干擾，使系統的被控參數能穩、準、快地保持接近或等于設定值。而隨動（伺服）控制系統的主要目標是跟蹤，即穩、準、快地跟蹤設定值。根據過程控制的特點，主要討論定值檢測的性能指標。圖1-3為一個過程控制系統的階躍響應曲線。301.3.2 綜合性能指標綜合性能指標 也稱為誤差積分指標。它是過渡過程中被調量偏離其新穩態值的誤差沿時間軸的積分。無論是誤差幅度大或是時

14、間拖長都會使誤差積分增大，因此它是一類綜合指標，希望它愈小愈好。誤差積分可以有各種不同的形式，常用的有以下幾種： 31 (l)誤差積分(IE) (2)絕對誤差積分(IAE) (3)平方誤差積分(ISE) (4)時間與絕對誤差乘積積分(ITAE) 以上各式中， ，見圖1.3。 0)( dtteIE0)(dtteIAE02)( dtteISE0)(dttetITAE)()()(ytyte32 采用不同的積分公式意味著估計整個過渡過程優良程度時的側重點不同。例如 ISE著重于抑制過渡過程中的大誤差，而 ITAE則著重懲罰過渡過程拖得過長。人們可以根據生產過程的要求，特別是結合經濟效益的考慮加以選用。

15、 誤差積分指標誤差積分指標有一個缺點缺點，它們并不能都保證控制系統具有合適的衰減率，而后者則是人們首先關注的。特別是，一個等幅振蕩過程是人們不能接受的，然而它的 IE卻等于零，顯然極不合理。為此，通常的為此，通常的做法是首先規定衰減率的要求。在這個前提下，系統做法是首先規定衰減率的要求。在這個前提下，系統仍然可能有一些靈活的余地，這時再考慮使誤差積分仍然可能有一些靈活的余地，這時再考慮使誤差積分為最小為最小。 331.4 過程控制系統的設計 過程控制系統的設計是過程控制工程設計的一個重要環節，設計的正確與否，直接影響到工程能否投入正常運行。因此要求過程控制專業人員必須根據生產過程的特點、工藝對

16、象的特性和生產操作的規律，只有正確運用過程控制理論，合理選用自動化技術工具，才能設計出技術先進、經濟合理、符合生產要求的控制系統。341.4.1 過程控制系統設計的基本步驟過程控制系統設計的基本步驟 過程控制的目標與任務是通過對過程控制系統的設計與實現來完成的。過程控制系統的設計作為工程設計的一個環節，其具體設計步驟為： （1）根據工藝要求和控制目標確定系統變量； （2）建立數學模型； （3）確定控制方案； （4）選擇硬件設備； （5）選擇控制算法，進行控制器設計； （6）軟件編程。 系統設計完成后，先進行設備安裝、調試與整定，再投入運行。351.4.2 確定控制變量與控制方案確定控制變量與控

17、制方案1確定控制目標 前面所述的過程控制目標定性地說明了過程控制的一般目標，即所設計出的系統需確保過程的穩定性、安全性和經濟性。 控制系統的設計是為工藝生產服務的，因此它與工藝流程設計、工藝設備設計以及設備選型等有密切關系。現代工業生產過程的類型很多，生產裝置日趨復雜化、大型化，這就需要更復雜更可靠的控制裝置來保證生產過程的正常運行。因此，對于具體系統，過程控制設計人員必須熟悉生產工藝流程、操作條件、設備性能、產品質量指標等，并與工藝人員一起研究各操作單元的特點以及整個生產裝置工藝流程特性，確定保證產品質量和生產安全的關鍵參數。 36(1) 被控變量被控變量 被控變量也是工業過程的輸出變量，選

18、擇的基本原則為： 選擇對控制目標起重要影響的輸出變量作為被控變量； 選擇可直接控制目標質量的輸出變量作為被控變量； 在以上前提下，選擇與控制變量之間的傳遞函數比較簡單、動態和靜態特性較好的輸出變量作為被控變量； 有些系統存在控制目標不可測的情況，則可測量其他能夠可靠測量，且與控制目標有一定關系的輸出變量，作為輔助被控變量。37(2) 控制變量控制變量 控制變量為可由操作者或控制機構調節的變量，選擇的基本原則為： 選擇對所選定的被控變量影響較大的輸入變量作為控制變量； 在以上前提下，選擇變化范圍較大的輸入變量作為控制變量，以便易于控制； 在的基礎上選擇對被控變量作用效應較快的輸入變量作為控制變量

19、，使控制的動態響應較快； 在復雜系統中，存在多個控制回路，即存在多個控制變量和多個被控變量。所選擇的控制變量對相應的被控變量有直接影響，而對其他輸出變量的影響應該盡可能的小，以便使不同控制回路之間的影響比較小。 382確定控制方案 工業過程的控制目標以及輸出變量和控制變量確定以后，控制方案就可以確定了。控制方案應該包括控制結構和控制規律。控制方案的選取是控制系統設計中最重要的部分之一，它們決定了整個控制系統中信息所經過的運算處理，也就決定了控制系統的基本結構和基本組成，所以對控制質量起決定性的影響。 (1) 控制結構 在控制結構上，從系統方面來說，要考慮選取常規儀表控制系統，還是計算機控制系統

20、；在系統回路上，是選取單回路簡單控制系統，還是多回路復雜控制系統；在系統反饋方式上，是選取反饋控制系統、前饋控制系統，還是復合控制系統。 39（2）控制規律 在控制結構確定以后，需要首先選擇合適的控制算法，如簡單PID控制、復雜控制或先進控制等算法，然后根據控制規律進行控制器設計。401.4.3 過程控制系統硬件選擇過程控制系統硬件選擇 根據過程控制的輸入輸出變量以及控制要求，可以選定系統硬件，包含控制器、測量儀表、傳感器、執行器和報警、保護、連鎖等部件。 過程控制系統硬件選擇的原則是保證控制目標和控制方案的實施。 1控制器控制器 簡單的工業過程控制系統可以選擇PID控制器作為控制器，對于比較

21、復雜的系統需要用計算機控制。目前常用的計算機過程控制系統有單片機系統、工控機（或微型計算機）系統、DCS（集散控制系統）、PLC（可編程序控制器）系統或FCS（現場總線網絡控制系統）等。 41 2測量儀表和傳感器的選型 在自動控制系統中，檢測部件的作用相當于人的感覺器官，它直接感受被測參數的變化，提取被測信息，轉換成標準信號供顯示和作為控制的依據。檢測部件一般宜采用定型產品，設計過程控制系統時，根據控制方案選擇測量儀表和傳感器。其選型原則是： (1) 可靠性原則 可靠性是指產品在一定的條件下，能長期而穩定地完成規定功能的能力。可靠性是測量儀表和傳感器的最重要的選型原則。 42 (2) 實用性原

22、則 實用性是指完成具體功能要求的能力和水平。根據工藝要求考慮實用性，既要保證功能的實現，又應考慮經濟性，并非功能越強越好。 (3) 先進性原則 隨著自動化技術的飛速發展，測量儀表和傳感器的技術更新周期越來越短，而價格卻越來越低。在可能的條件下，應該盡量采用先進的設備。431.5 過程控制的發展與趨勢 隨著過程控制技術應用范圍的擴大和應用層次的深入，以及控制理論與技術的進步和自動化儀表技術的發展，過程控制技術經歷了一個由簡單到復雜，從低級到高級并日趨完善的過程。441.5.1 過程控制裝置的進展過程控制裝置的進展 從系統結構來看，過程控制系統的發展大致經歷了以下四個階段。 1基地式控制階段（初級

23、階段）基地式控制階段（初級階段） 20世紀50年代，生產過程自動化主要是憑生產實踐經驗，局限于一般的控制元件及機電式控制儀器，采用比較笨重的基地式儀表（如自力式溫度控制器、就地式液位控制器等），實現生產設備就地分散的局部自動控制。在設備與設備之間或同一設備中的不同控制系統之間，沒有或很少有聯系，其功能往往限于單回路控制。過程控制的目的主要是幾種熱工參數（如溫度、壓力、流量及液位）的定值控制，以保證產品質量和產量的穩定。時至今日，這類控制系統仍沒有被淘汰，而且還有了新的發展，但所占的比重大為減少。45 2單元組合儀表自動化階段單元組合儀表自動化階段 20世紀60年代出現了單元組合儀表組成的控制系

24、統，單元組合儀表有電動和氣動兩大類。所謂單元組合，就是把自動控制系統儀表按功能分成若干單元，依據實際控制系統結構的需要進行適當的組合。因此單元組合儀表使用方便、靈活。單元組合儀表之間用標準統一信號聯系。氣動儀表（QDZ系列）信號為0.020.1MPa氣壓信號。電動儀表信號為010mA直流電流信號（DDZ-II系列）和420 mA直流電流信號（DDZ-III系列）。46 3計算機控制的初級階段計算機控制的初級階段 20世紀70年代出現了計算機控制系統，最初是采用單臺計算機的直接數字控制系統（DDC）實現集中控制，代替常規的控制儀表。但由于集中控制的固有缺陷，未能普及與推廣就被集散控制系統（DCS

25、）所替代。DCS在硬件上將控制回路分散化，數據顯示、實時監督等功能集中化，有利于安全平穩生產。 47 4綜合自動化階段綜合自動化階段 20世紀80年代以后出現二級優化控制，在DCS的基礎上實現先進控制和優化控制。在硬件上采用上位機和 DCS（或電動單元組合儀表）相結合，構成二級計算機優化控制。隨著計算機及網絡技術的發展，DCS出現了開放式系統，實現多層次計算機網絡構成的管控一體化系統(CIPS)。同時，以現場總線為標準，實現以微處理器為基礎的現場儀表與控制系統之間進行全數字化、雙向和多站通信的現場總線網絡控制系統(FCS)。FCS將對控制系統結構帶來革命性變革，開辟控制系統的新紀元。 48 當

26、前自動控制系統發展的一些主要特點是：生產裝置實施先進控制成為發展主流；過程優化受到普遍關注。傳統的DCS正在走向國際統一標準的開放式系統；綜合自動化系統（CIPS）是發展方向。綜合自動化系統，就是包括生產計劃和調度、操作優化。先進控制和基層控制等內容的遞階控制系統，亦稱管理控制一體化系統（簡稱管控一體化系統）。這類自動化是靠計算機及其網絡來實現的，因此也稱為計算機集成過程系統（CIPS）。這里，“計算機集成”指出了它的組成特征，“過程系統”指明了它的工作對象，正好與計算機集成制造系統（CIMS）相對應，有人也稱之為過程工業的CIMS。可以認為，綜合自動化是當代工業自動化的主要潮流。它以整體優化為目標，以計算機為主要技術工具，以生產過程的管理和控制的自動