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绘画时间：2025/2/23

角色：宫本武藏 Fate/Sumurai Renment

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第1章   概    述

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

1.4 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，直接影响到系统能否投入正常运行。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，只有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。

 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 确定系统变量，建立被控对象的数学模型；    

② 确定控制方案；    

③ 选择硬件设备；    

④ 设计报警和连锁保护系统；    

⑤ 系统调试和投运。    

   以上设计步骤完成后，先进行设备安装、软件编程、系统调试与参数整定后，再投入运行。

1.4.1 确定系统变量

  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。

  系统变量包括被控变量、控制变量和扰动变量等，它根据系统控制目标和工艺要求确定。确定了系统变量后，便可以建立被控对象的数学模型。

(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、改善劳动条件等都是非常重要的。如果被控变量选择得不合适，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；    

③ 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，则可测量其他能够可靠测量，且与控制目标有一定关系的输出变量，作为辅助被控变量。

(2) 控制变量       当对象的被控变量确定之后，接下来就是如何构成控制回路，选择合适的控制变量（也称为操作变量），以便被控变量在扰动作用下发生变化时，能够通过对控制变量的调整，使得被控变量迅速地返回原来的设定值上，从而保证生产的正常进行。

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。

确定了系统的控制变量后，便可以将其他影响被控变量的所有因素均称为扰动变量。

1.4.2 确定控制方案      

工业过程的控制目标以及系统变量变量确定以后，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。

（2）控制策略      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。

1.4.3 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、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．控制器的选择        

简单的工业过程控制系统可以选择单回路控制器或简单的显示调节仪作为控制器，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。

2．检测变送仪表的选择      

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。

(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。

3．执行器的选择        

目前可供选择的商品化执行器或执行部件有调节阀、温控器和变频装置等。其中调节阀的选择最为复杂，且许多系统调节特性不好都是由于调节阀选型不当引起，调节阀的选择将在第3章详细介绍。

1.4.4 设计安全保护系统        

 对于系统关键参数，应根据工艺要求规定其高低报警限。当参数超出报警值时，应立即进行越限报警。报警系统的作用在于当系统关键参数超出其上下限时，能及时提醒操作人员密切注意监视生产状况，以便采取措施减少事故的发生。连锁保护系统是指当生产出现严重事故时，为保证人身和设备的安全，使各个设备按一定次序紧急停止系统运行。这些针对生产过程而设计的报警和连锁保护系统是保证生产安全性的主要措施。

另外，由于过程控制所应用的对象和系统往往会有一定的危险性，如容易产生爆炸或者产生燃烧而导致火灾。那么，在面对这样的对象或系统时，除了要求在易燃易爆的环境中所使用的控制器和变送器必须满足一定的安全要求外，同时还要求在易燃易爆的环境和安全环境之间增加称之为安全栅的隔离装置。

1.4.5 系统调试和投运        

控制系统安装完毕以后，就应该进行现场调试及试运行，按控制要求检查、整定和调整各控制仪表及设备的工作状况和参数，依次将全部控制系统投入运行，并经过一段时间的试运行，以考验控制系统的正确性和合理性。        另外，在设计过程中，还应对控制方案和实现方案所需经费进行比较和分析，采用既能满足要求又能在较短时间内收回成本的方案。

以上只是简单地描述了过程控制系统从设计到实现的全过程。由此可见，对一个从事过程控制的技术人员来说，除了掌握控制理论、计算机、仪器仪表知识以及现代控制技术之外，还要十分熟悉生产过程的工艺流程等。

1.5 过程控制的发展与趋势            

随着过程控制技术应用范围的扩大和应用层次的深入，以及控制理论与技术的进步和自动化仪表技术的发展，过程控制技术经历了一个由简单到复杂，从低级到高级并日趋完善的过程。

1.5.1 过程控制装置的进展      

从系统结构来看，过程控制系统的发展大致经历了以下四个阶段。  

  1．基地式控制阶段（初级阶段）    

20世纪50年代，生产过程自动化主要是凭生产实践经验，局限于一般的控制元件及机电式控制仪器，采用比较笨重的基地式仪表（如自力式温度控制器、就地式液位控制器等），实现生产设备就地分散的局部自动控制。在设备与设备之间或同一设备中的不同控制系统之间，没有或很少有联系，其功能往往限于单回路控制。过程控制的目的主要是几种热工参数（如温度、压力、流量及液位）的定值控制，以保证产品质量和产量的稳定。时至今日，这类控制系统仍没有被淘汰，而且还有了新的发展，但所占的比重大为减少。

2．单元组合仪表自动化阶段    

20世纪60年代出现了单元组合仪表组成的控制系统，单元组合仪表有电动和气动两大类。所谓单元组合，就是把自动控制系统仪表按功能分成若干单元，依据实际控制系统结构的需要进行适当的组合。因此单元组合仪表使用方便、灵活。单元组合仪表之间用标准统一信号联系。气动仪表（QDZ系列）信号为0.02～0.1MPa气压信号。电动仪表信号为0～10mA直流电流信号（DDZ-II系列）和4～20 mA直流电流信号（DDZ-III系列）。

单元组合仪表构成的调节系统

    随着仪表工业的迅速发展，对过程控制对象特性的认识、对仪表及控制系统的设计计算方法等都有了较快的进展。但从设计构思来看，单元组合仪表过程控制仍处于各控制系统互不关联或关联甚少的定值控制范畴，只是控制的品质有较大的提高。单元组合仪表已延续50多年，目前国内外还广泛应用，特别是随着单片机技术的发展，出现了很多型号的数显仪表，数显仪表的标准信号既可以为4～20 mA直流电流，也可以为1～5V直流电压。

3．计算机控制的初级阶段    

20世纪70年代出现了计算机控制系统，最初是采用单台计算机的直接数字控制系统（DDC）实现集中控制，代替常规的控制仪表。但由于集中控制的固有缺陷，未能普及与推广就被集散控制系统（DCS）所替代。DCS在硬件上将控制回路分散化，数据显示、实时监督等功能集中化，有利于安全平稳生产。

计算机集中控制系统

集散控制系统（DCS）

4．综合自动化阶段    

   20世纪80年代以后出现二级优化控制，在DCS的基础上实现先进控制和优化控制。在硬件上采用上位机和 DCS（或电动单元组合仪表）相结合，构成二级计算机优化控制。随着计算机及网络技术的发展，DCS出现了开放式系统，实现多层次计算机网络构成的管控一体化系统(CIPS)。同时，以现场总线为标准，实现以微处理器为基础的现场仪表与控制系统之间进行全数字化、双向和多站通信的现场总线网络控制系统(FCS)。FCS将对控制系统结构带来革命性变革，开辟控制系统的新纪元。

现场总线控制系统（FCS）

（现场总线+分布式）控制系统组成

 当前自动控制系统发展的一些主要特点是：生产装置实施先进控制成为发展主流；过程优化受到普遍关注。传统的DCS正在走向国际统一标准的开放式系统；综合自动化系统（CIPS）是发展方向。综合自动化系统，就是包括生产计划和调度、操作优化。先进控制和基层控制等内容的递阶控制系统，称管理控制一体化系统（简称管控一体化系统）。这类自动化是靠计算机及其网络来实现的，因此也称为计算机集成过程系统（CIPS），如图1-8所示。

生产制造管理信息系统——MMS

这里，“计算机集成”指出了它的组成特征，“过程系统”指明了它的工作对象，正好与计算机集成制造系统（CIMS）相对应，有人也称之为过程工业的CIMS。可以认为，综合自动化是当代工业自动化的主要潮流。它以整体优化为目标，以计算机为主要技术工具，以生产过程的管理和控制的自动化为主要内容，将各个自动化综合集成为一个整体的系统。

1.5.2 过程控制策略的进展      

  几十年来，过程控制策略与算法出现了三种类型：简单控制、复杂控制和先进控制。 通常将单回路PID控制称为简单控制，它一直是过程控制的主要手段。PID控制以经典控制理论为基础，主要用频域方法对控制系统进行分析设计与综合。目前，PID控制仍然得到广泛应用。在许多DCS和PLC系统中，均设有PID控制算法软件，或PID控制模块。

 从20世纪50年代开始，过程控制界逐渐发展了串级控制、前馈控制、Smith预估控制、比值控制、均匀控制、选择性控制和多变量解耦控制等策略与算法，称之为复杂控制。它们在很大程度上满足了复杂过程工业的一些特殊控制要求。它们仍然以经典控制理论为基础，但是结构与应用上各有特色，而且目前仍在继续改进与发展。

从20世纪80年代开始，在现代控制理论和人工智能发展的理论基础上，针对工业过程本身的非线性、时变性、耦合性和不确定性等特性，提出了许多行之有效的解决方法，如推理控制、预测控制、自适应控制、模糊控制和神经网络控制等，常统称为先进过程控制。近十年来，以专家系统、模糊逻辑、神经网络和遗传算法为主要方法的基于知识的智能处理方法已经成为过程控制的一种重要技术。先进控制方法可以有效地解决那些采用常规控制效果差，甚至无法控制的复杂工业过程的控制问题。实践证明，先进控制方法能取得更高的控制品质和更大的经济效益，具有广阔的发展前景。

附录:仪表位号

自动控制工程设计就是将实现生产过程自动化的内容，用设计图纸和文字资料进行表达的全部工作。带测控点的工艺流程图又称管道仪表流程图（Process and Instrument Drawing，P&ID)，它是在工艺物料流程图的基础上，用过程检测和控制系统的文字和图形符号描述的生产过程自动化内容的图纸，它的绘制是自动控制工程设计的核心内容，在自动控制工程设计的图纸上，按设计标准，均有统一的图例、符号。其中构成每个回路的工业自动化仪表（或元件）都用仪表位号来表示。

仪表位号一般由字母代号组合和回路编号两部分组成，如附录图1所示。

附录图1中仪表位号中字母代号部分的第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能，其具体内容见附录表1；回路的编号有工序号和顺序号组成，一般用三位至五位阿拉伯数字表示

 仪表位号按被测变量不同进行分类。即同一个装置（或工序）的同类被测变量的仪表位号中顺序编号是连续的，但允许中间有空号；不同被测变量的仪表位号不能连续编号。

 仪表位号在管道仪表流程图和系统图（回路编号可省略）中的标注方法是：字母代号填写在仪表圆圈的上半圆中；回路编号填写在下半圆中，如附录图2所示。其中附录图1(a)表示安装在集中仪表盘面上的位号为TRC-131的温度记录与控制仪表；附录图2(b)表示就地安装的位号为PI-1201的压力指示仪表。

本章小结      

过程控制主要是指连续过程工业的控制，其被控变量是温度、压力、流量、液位（或物位）、物理特性和化学成分。       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。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，以生产过程中物流变化信息量作为被控变量，选用适宜的控制手段，实现生产过程的控制目标。        过程控制系统一般由控制器、执行机构、检测与变送仪表、被控过程（或对象）以及相关的报警、保护和连锁等其他部件组成。