过程控制概述

过程控制系统李国勇编著

电子工业出版社2目录1.1过程控制的要求与任务1.2过程控制系统的组成与特点1.3过程控制系统的性能指标1.4过程控制系统的设计1.5过程控制的发展与趋势本章小结

第1章

概述3

生产过程是指物料经过若干加工步骤而成为产品的过程。该过程中通常会发生物理化学反应、生化反应、物质能量的转换与传递等等，或者说生产过程表现为物流变化的过程。伴随物流变化的信息包括体现物流性质（物理特性和化学成分）的信息和操作条件（温度、压力、流量、液位或物位等）的信息。1.1过程控制的要求与任务4

生产过程的总目标，应该是在可能获得的原料和能源条件下，以最经济的途径将原物料加工成预期的合格产品。为了达到该目标，必须对生产过程进行监视与控制。5

对生产过程所进行的控制，称为过程控制，它是自动控制学科的一个重要分支。过程控制一般是指工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制。它主要针对所谓六大参数，即温度、压力、流量、液位(或物位)、成分和物性等参数的控制问题，它能覆盖许多工业部门，诸如石油、化工、冶金、炼焦、造纸、建材、轻工、纺织、陶瓷、食品及电力等等，因而，过程控制在国民经济中占有极其重要的地位。6

为了实现过程控制，以控制理论和生产要求为依据，采用模拟仪表、数字仪表或计算机等构成的控制总体，称为过程控制系统。图1-1转炉供氧控制系统7

图1-1表示转炉供氧量控制系统。转炉是炼钢工业生产过程中的一种重等要设备。熔融的铁水装入转炉后，通过氧枪供给一定的氧。其目的是使铁水中的碳氧化燃烧，以不断降低铁水中的含碳量。控制吹氧量和吹氧时间，可以获得不同品种的钢产品。由图1-1可见，从节流装置1采集到的氧气流量，送入流量变送器FT，再经过开方器2，其结果送到流量控制器FC，流量控制器FC根据氧气流量的测量值与其设定值的偏差，按照一定的控制算法输出控制信号，去控制调节阀3的开度，从而改变供氧量的大小，以满足生产工艺的要求。8

通常，将系统中被控制的物理量称为被控变量，而被控变量所要求的理想值称为设定值或给定值。设定值是系统的输入变量，被控变量是系统的输出变量。9

过程控制系统一般有如下两种运行状态。一种是稳态，此时系统没有受到任何外来干扰，同时设定值保持不变，因而被控变量也不会随时间变化，整个系统处于稳定平衡的工况。另一种是动态，当系统受到外来干扰的影响或者在改变了设定值后，原来的稳态遭到破坏，系统中各组成部分的输入输出变量都相继发生变化，尤其是被控变量也将偏离原稳态值而随时间变化，这时就称系统处于动态。经过一段调整时间后，如果系统是稳定的，被控变量将会重新达到新设定值或其附近，系统又恢复稳定平衡工况。10过渡过程：从一个稳态到达另一稳态的过程。系统经常处于动态过程。评价一个过程控制系统的工作质量，只看稳态是不够的，还应考核它在动态过程中被控变量随时间变化的情况。

工业生产对过程控制的要求是多方面的，最终可以归纳为安全性、稳定性和经济性。（1）安全性确保人身和设备安全是最重要和最基本的要求。（2）稳定性

稳定性是指系统抑制外部干扰、保持生产过程长期稳定运行的能力。在外部干扰下，过程控制系统应该使生产过程参数与状态产生的变化尽可能的小，以消除或减小外部干扰造成的影响。（3）经济性11

因此，过程控制的任务是在充分了解、掌握生产过程的工艺流程和动静态特性的基础上，根据上述三项要求，应用理论对控制系统进行分析与综合，以生产过程中物流变化信息量作为被控变量，选用适宜的技术手段，实现生产过程的控制目标。过程模型化过程控制主要是指连续过程工业控制。121.2过程控制系统的组成与特点1.2.1过程控制系统组成在生产过程中有各种各样的控制系统，图1-2所示为几个简单控制系统的示例。

图1-213

过程控制系统一般由被控过程（或称被控对象）、测量变送装置、执行器和控制器（或称调节器）等环节组成。（1）被控过程（2）测量变送装置信号制（国际标准）：气压信号0.02-0.1MPa,直流电流信号4-20mA,直流电压信号1-5V.下限不为零称之为活零点，有助于实现微机控制系统的自检；上限不能太大，有助于系统的防爆。（3）执行器广义被控对象。（4）控制器（5）报警、保护和连锁保护等其他部件141.2.2过程控制系统特点

1.工业生产过程的特点由于过程控制主要是指连续工业生产过程的控制，故工业生产过程的特点主要指连续工业生产过程的特点。15

工业生产过程伴随着物理化学反应、生化反应、物质能量的转换与传递，是一个十分复杂的大系统，存在不确定性、时变性以及非线性等因素。因此，过程控制的难度是显而易见的，要解决过程控制问题必须采用有针对性的特殊方法与途径。工业生产过程常常处于恶劣的生产环境中，同时常常要求苛刻的生产条件，如高温、高压、低温、真空、易燃、易爆或有毒等等。因此，生产设备与人身的安全性特别重要。由连续生产的特征可知，工业生产过程更强调实时性和整体性。协调复杂的耦合与制约因素，求得全局优化，也是十分重要的。

162.过程控制系统的特点(1)被控过程的多样性工业生产过程涉及到各种工业部门，其物料加工成的产品是多样的。同时，生产工艺各不相同，如：石油化工过程、冶金工业中的冶炼过程、核工业中的动力核反应过程等等，这些过程的机理不同，甚至执行机构也不同。因此，过程控制系统中的被控对象（包括被控变量）是多样的，明显地区别于运动控制系统。17(2)控制方案的多样性由工业生产过程的特点以及被控过程的多样性决定了过程控制系统的控制方案必然是多样的。这种多样性包含系统硬件组成和控制算法以及软件设计。对于图1-1和图1-2所示的简单过程控制系统，早期的控制器采用的是模拟调节仪表，如果将控制器、执行器和检测元件与变送器统称为常规检测控制仪表，则一个简单的过程控制系统可以被认为是由被控过程和常规检测控制仪表两部分组成，这样的系统也称之为常规仪表过程控制系统。18

随着现代工业生产的发展，工业过程越来越复杂，对过程控制的要求也越来越高，传统的模拟式过程检测控制仪表已经不能满足控制要求，因而采用计算机作为控制器组成计算机过程控制系统。从控制方法的角度看，有单变量过程控制系统，也有多变量过程控制系统。同时，控制算法多种多样，有PID控制、复杂控制，也有包括智能控制的先进控制方法等等。19(3)被控过程属慢过程，且多属参数控制

连续工业生产过程大惯性和大滞后的特点决定了被控过程为慢过程。20(4)定值控制是过程控制的主要形式在多数工业生产过程中，被控参数的设定值为一个定值，定值控制的主要任务在于如何减小或消除外界干扰，使被控变量尽量保持接近或等于设定值，使生产稳定。

21(5)过程控制系统有多种分类方法①按被控参数分类：可分为温度过程控制系统、压力过程控制系统、流量过程控制系统、液位或物位过程控制系统、物性过程控制系统和成分过程控制系统等；②按被控变量数分类：可分为单变量过程控制系统和多变量过程控制系统；③按设定值分类：可分为定值过程控制系统、随动（伺服）过程控制系统和程序过程控制系统；④按参数性质分类：可分为集中参数过程控制系统和分布参数过程控制系统；⑤按控制算法分类：可分为简单过程控制系统、复杂过程控制系统和先进或高级过程控制系统；⑥按控制器形式分类：可分为常规仪表过程控制系统和计算机过程控制系统。

221.3过程控制系统的性能指标工业生产过程对控制的要求，可以概括为准确性、稳定性和快速性。另外，定值控制系统和随动（伺服）控制系统对控制的要求既有共同点，也有不同点。定值控制系统在于恒定，即要求克服干扰，使系统的被控参数能稳、准、快地保持接近或等于设定值。而随动（伺服）控制系统的主要目标是跟踪，即稳、准、快地跟踪设定值。根据过程控制的特点，主要讨论定值控制的性能指标。图1-3为一个过程控制系统的阶跃响应曲线。

23图1-3过程控制系统的阶跃响应曲线24一、稳态与动态

1、稳态—把被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的稳态（静态）。当自动控制系统的输入和输出均恒定不变时，系统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个环节也都处于稳定状态，但生产还在进行，物料和能量仍然有进有出，只是平稳进行没有改变就是了。

静态特性—静态时系统各环节的输入输出关系。

静态静态动态ty25静态静态动态ty2、动态—把被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。即控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过渡过程。当干扰破坏了系统的平衡时，被控变量就会发生变化，而控制器、控制阀等自动化装置就要产生控制作用来使系统恢复平衡。动态特性—在动态过程中系统各环节的输入输出变化关系。26二、控制系统的过渡过程控制系统的输入变化后，系统从原来的平衡状态，经过动态过程到达新的平衡状态的动态历程称为系统的过渡过程。系统的过渡响应受内部和外部两种因素的影响。给定值被控量干扰f

控制器

传感器执行器被控对象

+e实测值－271、内部因素：系统特性系统的特性是由系统中各环节的特性和系统的结构所决定的。

2、外部因素：输入信号在系统特性一定的情况下，被控变量随时间的变化规律取决于系统的输入信号。生产中，出现的干扰信号是随机的。但在分析和设计控制系统时，为了充分体现系统的特性和分析方便，常选择一些特定的输入信号，其中常用的是阶跃信号和正弦信号。28

阶跃信号的输入突然，对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种干扰，那么对其它比较缓和的干扰也能很好地克服。阶跃信号的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。故更多使用阶跃信号。如图，输入信号在t=0时，阶跃上升幅度为A，其后保持。表达为

f(t)=

A(t)Atf（t）29

在阶跃输入的扰动作用下，定值控制系统过渡过程有四种形式：①单调衰减过程被控变量在给定值的一侧作单调变化，最后稳定在某一数值上。②振荡衰减过程被控变量上下波动，但幅度逐渐减少，最后稳定在某一数值上。①t0θa②0θa30③等幅振荡过程被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变。

④振荡发散过程被控变量来回波动，且波动幅度逐渐变大，离给定值越来越远。④t0θa③θa0t过渡过程的分类（1）稳定的过渡过程单调衰减过程和振荡衰减过程是稳定的过渡过程。被控变量经过一段时间后，逐渐趋向原来的或新的平衡状态。振荡衰减过程的过渡时间较短，经常采用。单调衰减过程的过渡过程较慢，被控变量长时间地偏离给定值，一般不采用，只是在生产上不允许被控变量有波动的情况下才采用。31（2）不稳定过渡过程发散振荡过程中，被控变量不但不能达到平衡状态，而且逐渐远离给定值，它将导致被控变量超越工艺允许范围，这是生产上所不允许的。（3）临界过渡过程处于稳定与不稳定之间，一般也认为是不稳定过程，生产上一般不采用。只是某些控制要求不高的场合，如位式控制时，只能达到这种效果。32

33阶跃响应分给定阶跃响应和干扰阶跃响应两类。其阶跃响应曲线有所不同，但反映的控制系统的性能指标是一致的。34干扰阶跃响应和给定阶跃响应的区别：给定值被控变量干扰f

控制器

传感器执行器被控对象+e实测值－干扰阶跃响应t0y35给定值被控变量干扰f

控制器

传感器执行器被控对象+e实测值－给定阶跃响应0ty361.3.1.系统阶跃响应的单项性能指标单项性能指标包含了对控制系统的稳定性、准确性和快速性三方面的评价。

控制性能指标有单项指标和综合指标两类单项性能指标以控制系统被控变量过渡过程的单项特征量作为性能指标，而偏差积分性能指标则是一种综合性指标。由于在多数情况下，都希望得到衰减振荡过程，所以以衰减振荡的过渡过程形式为例，讨论控制系统的性能指标。371）衰减比n和衰减率ψ设第一个波振幅为y1、第三个波振幅为y3图1.3闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy(∞)TpTSTt38衰减比n和衰减率ψ

是表示系统稳定程度的指标。n大于1，则系统是稳定的。随着n的增大，过渡过程逐渐由衰减振荡趋向于单调过程。试验证明：衰减比在4:1到10:1之间时，过渡过程的衰减程度合适，过渡过程较短。衰减比n与衰减率ψ之间有简单的对应关系：n=4:1~10:1就相当于ψ

=75%～90%yry1y3Cy(∞)TpTSTt39最大动态偏差是控制系统动态准确性指标。2）最大动态偏差A和超调量σ

最大动态偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。即:A=ymax-r

图1.3闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy(∞)TpTSTtA40

有时也采用超调量σ来表示被控参数偏离设定值的程度，σ的定义是第一个波振幅与最终稳态值y(∞)之比。即图1.3闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy(∞)TpTSTt413）余差C

过渡过程结束后，被控参数的稳态值y(∞)与设定值之间的残余偏差叫做余差，也称静差。是衡量控制系统稳态准确性的指标。C=

y(∞)-r图1.3闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy(∞)TpTSTt424）调节时间Ts和振荡频率ω

Ts是指从过渡过程开始到过渡过程结束所需的时间。当被控参数与稳态值间的偏差进入稳态值的±5%（或±2%）范围内，就认为过渡过程结束。图1.3闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3y(∞)TpTSTt43过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期T

，其倒数称为振荡频率

f=1/T图1.3闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3y(∞)TpTSTt调节时间和振荡频率是衡量控制系统快速性的指标。44

另外还有峰值时间Tp（又称上升时间），是指过渡过程开始，至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。也是衡量控制系统快速性的指标。图1.3闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy(∞)TpTSTt45

[例]某换热器的温度控制系统给定值为200℃。

在阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示。试求最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间。

解：最大偏差A=230-200=30℃余差C=205-200=5℃衰减比n=y1:

y3=25:5=

5:146振荡周期

T

=20–5

=15（min）设被控变量进入稳态值的土2％，就认为过渡过程结束，则误差区域=205×（±2％）＝±4.1℃在新稳态值（205℃）两侧以宽度为±4.1℃画一区域（阴影线）。曲线进入时间点Ts=22min47

控制系统的单项品质指标小结稳定性

衰减比n=4:1~10:1最佳

准确性

余差C小好最大偏差A

小好快速性

过渡时间Ts短好

振荡周期T短好各品质指标之间既有联系、又有矛盾。例如，过分减小最大偏差，会使过渡时间变长。因此，应根据具体工艺情况分清主次，对生产过程有决定性意义的主要品质指标应优先予以保证。482.系统阶跃响应的综合性能指标——偏差积分单项指标虽然清晰明了，但如何统筹考虑比较困难。而偏差幅度和偏差存在的时间都与偏差积分有关，因此用偏差积分一个指标，就可以全面反映控制系统的品质。图1.3闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy(∞)TpTSTt49tyrCy(∞)yrCy(∞)t偏差积分的原始定义：IE=∫e(t)dt∞0偏差的定义存在分歧：

e(t)=y(t)-y(∞)

不能表达余差

e(t)=y(t)-y(r)

如有余差则积分无穷大50偏差积分指标有以下几种形式：①偏差积分IE（IntegralofError）图1.3闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy(∞)TpTSTt缺点：不能保证系统是衰减振荡。51②绝对偏差积分IAE

（IntegralAbsolutevalueofError）图1.3闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy(∞)TpTSTt

排除了正负偏差抵消的可能。52图1.3闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy(∞)TpTSTt

③平方偏差积分ISE（IntegralofSquaredError）对大偏差敏感53④时间与绝对偏差乘积积分ITAE

（IntegralofTimemultipliedbytheAbsolutevalueofError）

对调节时间敏感图1.3闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy(∞)TpTSTt

54

采用不同的积分公式意味着估计整个过渡过程优良程度时的侧重点不同。例如ISE着重于抑制过渡过程中的大误差，而ITAE则着重惩罚过渡过程拖得过长。人们可以根据生产过程的要求，特别是结合经济效益的考虑加以选用。误差积分指标有一个缺点，它们并不能都保证控制系统具有合适的衰减率，而后者则是人们首先关注的。特别是，一个等幅振荡过程是人们不能接受的，然而它的

IE却等于零，显然极不合理。为此，通常的做法是首先规定衰减率的要求。在这个前提下，系统仍然可能有一些灵活的余地，这时再考虑使误差积分为最小。

551.4过程控制系统的设计过程控制系统的设计是过程控制工程设计的一个重要环节，设计的正确与否，直接影响到工程能否投入正常运行。因此要求过程控制专业人员必须根据生产过程的特点、工艺对象的特性和生产操作的规律，正确运用过程控制理论，合理选用自动化技术工具，才能设计出技术先进、经济合理、符合生产要求的控制系统。

561.4.1过程控制系统设计的基本步骤过程控制的目标与任务是通过对过程控制系统的设计与实现来完成的。过程控制系统的设计作为工程设计的一个环节，其具体设计步骤为：

（1）根据工艺要求和控制目标确定系统变量；（2）建立数学模型；（3）确定控制方案；（4）选择硬件设备；（5）选择控制算法，进行控制器设计；（6）软件编程。系统设计完成后，先进行设备安装、调试与整定，再投入运行。

571.4.2确定控制变量与控制方案1．确定控制目标前面所述的过程控制目标定性地说明了过程控制的一般目标，即所设计出的系统需确保生产过程的稳定性、安全性和经济性。

控制系统的设计是为工艺生产服务的，因此它与工艺流程设计、工艺设备设计以及设备选型等有密切关系。现代工业生产过程的类型很多，生产装置日趋复杂化、大型化，这就需要更复杂更可靠的控制装置来保证生产过程的正常运行。因此，对于具体系统，过程控制设计人员必须熟悉生产工艺流程、操作条件、设备性能、产品质量指标等，并与工艺人员一起研究各操作单元的特点以及整个生产装置工艺流程特性，确定保证产品质量和生产安全的关键参数。

58(1)被控变量在定性地确定目标以后，通常需要用工业过程的被控变量来定量地表示控制目标。选择被控变量是设计控制系统中的关键步骤，对于提高产品的质量和产量、稳定生产、节能环保、改善劳动条件都是非常重要的。如果被控变量选择的不合适，则系统不能很好地控制，先进的生产设备和控制仪表就不能很好地发挥作用。

被控变量也是工业过程的输出变量，选择的基本原则为：①选择对控制目标起重要影响的输出变量作为被控变量；②选择可直接控制目标质量的输出变量作为被控变量；

59③在以上前提下，选择与控制变量之间的传递函数比较简单、动态和静态特性较好的输出变量作为被控变量；④有些系统存在控制目标不可测的情况，则可选择其他能够可靠测量，且与控制目标有一定关系的输出变量，作为辅助被控变量。

60(2)控制变量控制变量为可由操作者或控制机构调节的变量，选择的基本原则为：①选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为控制变量；②在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于控制；③在①的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，使控制的动态响应较快；④在复杂系统中，存在多个控制回路，即存在多个控制变量和多个被控变量。所选择的控制变量对相应的被控变量有直接影响，而对其他输出变量的影响应该尽可能的小，以便使不同控制回路之间的影响比较小。

612．确定控制方案工业过程的控制目标以及被控变量和控制变量确定以后，控制方案就可以确定了。控制方案应该包括控制结构和控制规律。控制方案的选取是控制系统设计中最重要的部分之一，它们决定了整个控制系统中信息所经过的运算处理，也就决定了控制系统的基本结构和基本组成，所以对控制质量起决定性的影响。

(1)控制结构在控制结构上，从系统方面来说，要考虑选取常规仪表控制系统，还是计算机控制系统；在系统回路上，是选取单回路简单控制系统，还是多回路复杂控制系统；在系统反馈方式上，是选取反馈控制系统、前馈控制系统，还是复合控制系统。

62（2）控制规律在控制结构确定以后，需要首先选择合适的控制算法，如简单PID控制、复杂控制或先进控制等算法，然后根据控制规律进行控制器设计。

631.4.3过程控制系统硬件选择根据过程控制的输入输出变量以及控制要求，可以选定系统硬件，包含控制器、测量仪表与传感器、执行器和报警、保护、连锁等部件。过程控制系统硬件选择的原则是保证控制目标和控制方案的实施。

1．控制器简单的工业过程控制系统可以选择PID控制器作为控制器，对于比较复杂的系统需要用计算机控制。目前常用的计算机过程控制系统有单片机系统、工控机（或微型计算机）系统、DCS（集散控制系统）、PLC（可编程序控制器）系统或FCS（现场总线网络控制系统）等。

642．测量仪表和传感器的选型在自动控制系统中，检测部件的作用相当于人的感觉器官，它直接感受被测参数的变化，提取被测信息，转换成标准信号供显示和作为控制的依据。检测部件一般宜采用定型产品，设计过程控制系统时，根据控制方案选择测量仪表和传感器。其选型原则是：

(1)可靠性原则可靠性是指产品在一定的条件下，能长期而稳定地完成规定功能的能力。可靠性是测量仪表和传感器的最重要的选型原则。

65(2)实用性原则

实用性是指完成具体功能要求的能力和水平。根据工艺要求考虑实用性，既要保证功能的实现，又应考虑经济性，并非功能越强越好。

(3)先进性原则随着自动化技术的飞速发展，测量仪表和传感器的技术更新周期越来越短，而价格却越来越低。在可能的条件下，应该尽量采用先进的设备。661.5过程控制的发展与趋势过程控制的发展历程，就是过程控制装置（自动化仪表）与系统的发展历程。1.5.1过程控制装置与系统的发展过程1．局部自动化阶段（20世纪50～60年代）自动化仪表安装在现场生产设备上，只具备简单的测控功能。适用于小规模、局部过程控制。67特点：自动化仪表划分成各种标准功能单元，按需要可以组合成各种控制系统。控制仪表集中在控制室，生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，送往控制室。操作人员可以在控制室监控生产流程各处的状况。适用于生产规模较大的多回路控制系统。2．模拟单元仪表控制阶段（20世纪60～70年代）68巴基斯坦贾姆肖罗电厂

3．集散控制阶段（20世纪70年代中期至今）计算机的出现，大大简化了控制功能的实现。最初，人们设想用一台计算机取代所有回路的控制仪表，实现直接数字控制（DDC，DirectDigitalControl）

。但DDC系统的故障危险高度集中，一旦计算机出现故障，就会造成所有控制回路瘫痪，使生产过程风险加大。因此，DDC系统并未得到广泛应用。69

7080年代初，随着计算机性能提高、体积缩小，出现了内装CPU的数字控制仪表。基于“集中管理，分散控制”的理念，在数字控制仪表和计算机与网络技术基础上，开发了集中、分散相结合的集散型控制系统（DCS，DistributedControlSystem）。

DCS系统实行分层结构，将控制故障风险分散、管理功能集中。得到广泛应用。7172随着CPU进入检测仪表和执行器，自动化仪表彻底实现了数字化、智能化。控制系统也出现了由