過程控制系統(tǒng)李國勇編著

電子工業(yè)出版社2目錄1.1過程控制的要求與任務1.2過程控制系統(tǒng)的組成與特點1.3過程控制系統(tǒng)的性能指標1.4過程控制系統(tǒng)的設計1.5過程控制的發(fā)展與趨勢本章小結

第1章

概述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(fā)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(xiàn)為物流變化的過程。伴隨物流變化的信息包括體現(xiàn)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。為了達到該目標，必須對生產過程進行監(jiān)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(yè)生產中連續(xù)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(yè)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(xiàn)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(tǒng)。圖1-1轉爐供氧控制系統(tǒng)7

圖1-1表示轉爐供氧量控制系統(tǒng)。轉爐是煉鋼工業(yè)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?？刂拼笛趿亢痛笛鯐r間，可以獲得不同品種的鋼產品。由圖1-1可見，從節(jié)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(jié)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(tǒng)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(tǒng)的輸入變量，被控變量是系統(tǒng)的輸出變量。9

過程控制系統(tǒng)一般有如下兩種運行狀態(tài)。一種是穩(wěn)態(tài)，此時系統(tǒng)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(tǒng)處于穩(wěn)定平衡的工況。另一種是動態(tài)，當系統(tǒng)受到外來干擾的影響或者在改變了設定值后，原來的穩(wěn)態(tài)遭到破壞，系統(tǒng)中各組成部分的輸入輸出變量都相繼發(fā)生變化，尤其是被控變量也將偏離原穩(wěn)態(tài)值而隨時間變化，這時就稱系統(tǒng)處于動態(tài)。經過一段調整時間后，如果系統(tǒng)是穩(wěn)定的，被控變量將會重新達到新設定值或其附近，系統(tǒng)又恢復穩(wěn)定平衡工況。10過渡過程：從一個穩(wěn)態(tài)到達另一穩(wěn)態(tài)的過程。系統(tǒng)經常處于動態(tài)過程。評價一個過程控制系統(tǒng)的工作質量，只看穩(wěn)態(tài)是不夠的，還應考核它在動態(tài)過程中被控變量隨時間變化的情況。

工業(yè)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(wěn)定性和經濟性。（1）安全性確保人身和設備安全是最重要和最基本的要求。（2）穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是指系統(tǒng)抑制外部干擾、保持生產過程長期穩(wěn)定運行的能力。在外部干擾下，過程控制系統(tǒng)應該使生產過程參數與狀態(tài)產生的變化盡可能的小，以消除或減小外部干擾造成的影響。（3）經濟性11

因此，過程控制的任務是在充分了解、掌握生產過程的工藝流程和動靜態(tài)特性的基礎上，根據上述三項要求，應用理論對控制系統(tǒng)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(xiàn)生產過程的控制目標。過程模型化過程控制主要是指連續(xù)過程工業(yè)控制。121.2過程控制系統(tǒng)的組成與特點1.2.1過程控制系統(tǒng)組成在生產過程中有各種各樣的控制系統(tǒng)，圖1-2所示為幾個簡單控制系統(tǒng)的示例。

圖1-213

過程控制系統(tǒng)一般由被控過程（或稱被控對象）、測量變送裝置、執(zhí)行器和控制器（或稱調節(jié)器）等環(huán)節(jié)組成。（1）被控過程（2）測量變送裝置信號制（國際標準）：氣壓信號0.02-0.1MPa,直流電流信號4-20mA,直流電壓信號1-5V.下限不為零稱之為活零點，有助于實現(xiàn)微機控制系統(tǒng)的自檢；上限不能太大，有助于系統(tǒng)的防爆。（3）執(zhí)行器廣義被控對象。（4）控制器（5）報警、保護和連鎖保護等其他部件141.2.2過程控制系統(tǒng)特點

1.工業(yè)生產過程的特點由于過程控制主要是指連續(xù)工業(yè)生產過程的控制，故工業(yè)生產過程的特點主要指連續(xù)工業(yè)生產過程的特點。15

工業(yè)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(tǒng)，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(yè)生產過程常常處于惡劣的生產環(huán)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(xù)生產的特征可知，工業(yè)生產過程更強調實時性和整體性。協(xié)調復雜的耦合與制約因素，求得全局優(yōu)化，也是十分重要的。

162.過程控制系統(tǒng)的特點(1)被控過程的多樣性工業(yè)生產過程涉及到各種工業(yè)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(yè)中的冶煉過程、核工業(yè)中的動力核反應過程等等，這些過程的機理不同，甚至執(zhí)行機構也不同。因此，過程控制系統(tǒng)中的被控對象（包括被控變量）是多樣的，明顯地區(qū)別于運動控制系統(tǒng)。17(2)控制方案的多樣性由工業(yè)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(tǒng)的控制方案必然是多樣的。這種多樣性包含系統(tǒng)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(tǒng)，早期的控制器采用的是模擬調節(jié)儀表，如果將控制器、執(zhí)行器和檢測元件與變送器統(tǒng)稱為常規(guī)檢測控制儀表，則一個簡單的過程控制系統(tǒng)可以被認為是由被控過程和常規(guī)檢測控制儀表兩部分組成，這樣的系統(tǒng)也稱之為常規(guī)儀表過程控制系統(tǒng)。18

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產的發(fā)展，工業(yè)過程越來越復雜，對過程控制的要求也越來越高，傳統(tǒng)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(tǒng)。從控制方法的角度看，有單變量過程控制系統(tǒng)，也有多變量過程控制系統(tǒng)。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(xù)工業(yè)生產過程大慣性和大滯后的特點決定了被控過程為慢過程。20(4)定值控制是過程控制的主要形式在多數工業(yè)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(wěn)定。

21(5)過程控制系統(tǒng)有多種分類方法①按被控參數分類：可分為溫度過程控制系統(tǒng)、壓力過程控制系統(tǒng)、流量過程控制系統(tǒng)、液位或物位過程控制系統(tǒng)、物性過程控制系統(tǒng)和成分過程控制系統(tǒng)等；②按被控變量數分類：可分為單變量過程控制系統(tǒng)和多變量過程控制系統(tǒng)；③按設定值分類：可分為定值過程控制系統(tǒng)、隨動（伺服）過程控制系統(tǒng)和程序過程控制系統(tǒng)；④按參數性質分類：可分為集中參數過程控制系統(tǒng)和分布參數過程控制系統(tǒng)；⑤按控制算法分類：可分為簡單過程控制系統(tǒng)、復雜過程控制系統(tǒng)和先進或高級過程控制系統(tǒng)；⑥按控制器形式分類：可分為常規(guī)儀表過程控制系統(tǒng)和計算機過程控制系統(tǒng)。

221.3過程控制系統(tǒng)的性能指標工業(yè)生產過程對控制的要求，可以概括為準確性、穩(wěn)定性和快速性。另外，定值控制系統(tǒng)和隨動（伺服）控制系統(tǒng)對控制的要求既有共同點，也有不同點。定值控制系統(tǒng)在于恒定，即要求克服干擾，使系統(tǒng)的被控參數能穩(wěn)、準、快地保持接近或等于設定值。而隨動（伺服）控制系統(tǒng)的主要目標是跟蹤，即穩(wěn)、準、快地跟蹤設定值。根據過程控制的特點，主要討論定值控制的性能指標。圖1-3為一個過程控制系統(tǒng)的階躍響應曲線。

23圖1-3過程控制系統(tǒng)的階躍響應曲線24一、穩(wěn)態(tài)與動態(tài)

1、穩(wěn)態(tài)—把被控變量不隨時間變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）。當自動控制系統(tǒng)的輸入和輸出均恒定不變時，系統(tǒng)就處于一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)也都處于穩(wěn)定狀態(tài)，但生產還在進行，物料和能量仍然有進有出，只是平穩(wěn)進行沒有改變就是了。

靜態(tài)特性—靜態(tài)時系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出關系。

靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)ty25靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)ty2、動態(tài)—把被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動態(tài)。即控制系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過渡過程。當干擾破壞了系統(tǒng)的平衡時，被控變量就會發(fā)生變化，而控制器、控制閥等自動化裝置就要產生控制作用來使系統(tǒng)恢復平衡。動態(tài)特性—在動態(tài)過程中系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出變化關系。26二、控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的輸入變化后，系統(tǒng)從原來的平衡狀態(tài)，經過動態(tài)過程到達新的平衡狀態(tài)的動態(tài)歷程稱為系統(tǒng)的過渡過程。系統(tǒng)的過渡響應受內部和外部兩種因素的影響。給定值被控量干擾f

控制器

傳感器執(zhí)行器被控對象

+e實測值－271、內部因素：系統(tǒng)特性系統(tǒng)的特性是由系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的特性和系統(tǒng)的結構所決定的。

2、外部因素：輸入信號在系統(tǒng)特性一定的情況下，被控變量隨時間的變化規(guī)律取決于系統(tǒng)的輸入信號。生產中，出現(xiàn)的干擾信號是隨機的。但在分析和設計控制系統(tǒng)時，為了充分體現(xiàn)系統(tǒng)的特性和分析方便，常選擇一些特定的輸入信號，其中常用的是階躍信號和正弦信號。28

階躍信號的輸入突然，對被控變量的影響也最大。如果一個控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種干擾，那么對其它比較緩和的干擾也能很好地克服。階躍信號的形式簡單，容易實現(xiàn)，便于分析、實驗和計算。故更多使用階躍信號。如圖，輸入信號在t=0時，階躍上升幅度為A，其后保持。表達為

f(t)=

A(t)Atf（t）29

在階躍輸入的擾動作用下，定值控制系統(tǒng)過渡過程有四種形式：①單調衰減過程被控變量在給定值的一側作單調變化，最后穩(wěn)定在某一數值上。②振蕩衰減過程被控變量上下波動，但幅度逐漸減少，最后穩(wěn)定在某一數值上。①t0θa②0θa30③等幅振蕩過程被控變量在給定值附近來回波動，且波動幅度保持不變。

④振蕩發(fā)散過程被控變量來回波動，且波動幅度逐漸變大，離給定值越來越遠。④t0θa③θa0t過渡過程的分類（1）穩(wěn)定的過渡過程單調衰減過程和振蕩衰減過程是穩(wěn)定的過渡過程。被控變量經過一段時間后，逐漸趨向原來的或新的平衡狀態(tài)。振蕩衰減過程的過渡時間較短，經常采用。單調衰減過程的過渡過程較慢，被控變量長時間地偏離給定值，一般不采用，只是在生產上不允許被控變量有波動的情況下才采用。31（2）不穩(wěn)定過渡過程發(fā)散振蕩過程中，被控變量不但不能達到平衡狀態(tài)，而且逐漸遠離給定值，它將導致被控變量超越工藝允許范圍，這是生產上所不允許的。（3）臨界過渡過程處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定之間，一般也認為是不穩(wěn)定過程，生產上一般不采用。只是某些控制要求不高的場合，如位式控制時，只能達到這種效果。32

33階躍響應分給定階躍響應和干擾階躍響應兩類。其階躍響應曲線有所不同，但反映的控制系統(tǒng)的性能指標是一致的。34干擾階躍響應和給定階躍響應的區(qū)別：給定值被控變量干擾f

控制器

傳感器執(zhí)行器被控對象+e實測值－干擾階躍響應t0y35給定值被控變量干擾f

控制器

傳感器執(zhí)行器被控對象+e實測值－給定階躍響應0ty361.3.1.系統(tǒng)階躍響應的單項性能指標單項性能指標包含了對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準確性和快速性三方面的評價。

控制性能指標有單項指標和綜合指標兩類單項性能指標以控制系統(tǒng)被控變量過渡過程的單項特征量作為性能指標，而偏差積分性能指標則是一種綜合性指標。由于在多數情況下，都希望得到衰減振蕩過程，所以以衰減振蕩的過渡過程形式為例，討論控制系統(tǒng)的性能指標。371）衰減比n和衰減率ψ設第一個波振幅為y1、第三個波振幅為y3圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt38衰減比n和衰減率ψ

是表示系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標。n大于1，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。隨著n的增大，過渡過程逐漸由衰減振蕩趨向于單調過程。試驗證明：衰減比在4:1到10:1之間時，過渡過程的衰減程度合適，過渡過程較短。衰減比n與衰減率ψ之間有簡單的對應關系：n=4:1~10:1就相當于ψ

=75%～90%yry1y3Cy(∞)TpTSTt39最大動態(tài)偏差是控制系統(tǒng)動態(tài)準確性指標。2）最大動態(tài)偏差A和超調量σ

最大動態(tài)偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。即:A=ymax-r

圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTtA40

有時也采用超調量σ來表示被控參數偏離設定值的程度，σ的定義是第一個波振幅與最終穩(wěn)態(tài)值y(∞)之比。即圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt413）余差C

過渡過程結束后，被控參數的穩(wěn)態(tài)值y(∞)與設定值之間的殘余偏差叫做余差，也稱靜差。是衡量控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準確性的指標。C=

y(∞)-r圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt424）調節(jié)時間Ts和振蕩頻率ω

Ts是指從過渡過程開始到過渡過程結束所需的時間。當被控參數與穩(wěn)態(tài)值間的偏差進入穩(wěn)態(tài)值的±5%（或±2%）范圍內，就認為過渡過程結束。圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3y(∞)TpTSTt43過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的時間間隔叫振蕩周期T

，其倒數稱為振蕩頻率

f=1/T圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3y(∞)TpTSTt調節(jié)時間和振蕩頻率是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標。44

另外還有峰值時間Tp（又稱上升時間），是指過渡過程開始，至被控參數到達第一個波峰所需要的時間。也是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標。圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt45

[例]某換熱器的溫度控制系統(tǒng)給定值為200℃。

在階躍干擾作用下的過渡過程曲線如圖所示。試求最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間。

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

y3=25:5=

5:146振蕩周期

T

=20–5

=15（min）設被控變量進入穩(wěn)態(tài)值的土2％，就認為過渡過程結束，則誤差區(qū)域=205×（±2％）＝±4.1℃在新穩(wěn)態(tài)值（205℃）兩側以寬度為±4.1℃畫一區(qū)域（陰影線）。曲線進入時間點Ts=22min47

控制系統(tǒng)的單項品質指標小結穩(wěn)定性

衰減比n=4:1~10:1最佳

準確性

余差C小好最大偏差A

小好快速性

過渡時間Ts短好

振蕩周期T短好各品質指標之間既有聯(lián)系、又有矛盾。例如，過分減小最大偏差，會使過渡時間變長。因此，應根據具體工藝情況分清主次，對生產過程有決定性意義的主要品質指標應優(yōu)先予以保證。482.系統(tǒng)階躍響應的綜合性能指標——偏差積分單項指標雖然清晰明了，但如何統(tǒng)籌考慮比較困難。而偏差幅度和偏差存在的時間都與偏差積分有關，因此用偏差積分一個指標，就可以全面反映控制系統(tǒng)的品質。圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt49tyrCy(∞)yrCy(∞)t偏差積分的原始定義：IE=∫e(t)dt∞0偏差的定義存在分歧：

e(t)=y(t)-y(∞)

不能表達余差

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

如有余差則積分無窮大50偏差積分指標有以下幾種形式：①偏差積分IE（IntegralofError）圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt缺點：不能保證系統(tǒng)是衰減振蕩。51②絕對偏差積分IAE

（IntegralAbsolutevalueofError）圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt

排除了正負偏差抵消的可能。52圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt

③平方偏差積分ISE（IntegralofSquaredError）對大偏差敏感53④時間與絕對偏差乘積積分ITAE

（IntegralofTimemultipliedbytheAbsolutevalueofError）

對調節(jié)時間敏感圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt

54

采用不同的積分公式意味著估計整個過渡過程優(yōu)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。誤差積分指標有一個缺點，它們并不能都保證控制系統(tǒng)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，通常的做法是首先規(guī)定衰減率的要求。在這個前提下，系統(tǒng)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。

551.4過程控制系統(tǒng)的設計過程控制系統(tǒng)的設計是過程控制工程設計的一個重要環(huán)節(jié)，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(yè)人員必須根據生產過程的特點、工藝對象的特性和生產操作的規(guī)律，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(tǒng)。

561.4.1過程控制系統(tǒng)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(tǒng)的設計與實現(xiàn)來完成的。過程控制系統(tǒng)的設計作為工程設計的一個環(huán)節(jié)，其具體設計步驟為：

（1）根據工藝要求和控制目標確定系統(tǒng)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(tǒng)設計完成后，先進行設備安裝、調試與整定，再投入運行。

571.4.2確定控制變量與控制方案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(tǒng)需確保生產過程的穩(wěn)定性、安全性和經濟性。

控制系統(tǒng)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(xiàn)代工業(yè)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(tǒng)，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。

58(1)被控變量在定性地確定目標以后，通常需要用工業(yè)過程的被控變量來定量地表示控制目標。選擇被控變量是設計控制系統(tǒng)中的關鍵步驟，對于提高產品的質量和產量、穩(wěn)定生產、節(jié)能環(huán)保、改善勞動條件都是非常重要的。如果被控變量選擇的不合適，則系統(tǒng)不能很好地控制，先進的生產設備和控制儀表就不能很好地發(fā)揮作用。

被控變量也是工業(yè)過程的輸出變量，選擇的基本原則為：①選擇對控制目標起重要影響的輸出變量作為被控變量；②選擇可直接控制目標質量的輸出變量作為被控變量；

59③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(tài)和靜態(tài)特性較好的輸出變量作為被控變量；④有些系統(tǒng)存在控制目標不可測的情況，則可選擇其他能夠可靠測量，且與控制目標有一定關系的輸出變量，作為輔助被控變量。

60(2)控制變量控制變量為可由操作者或控制機構調節(jié)的變量，選擇的基本原則為：①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；②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；③在①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，使控制的動態(tài)響應較快；④在復雜系統(tǒng)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。

612．確定控制方案工業(yè)過程的控制目標以及被控變量和控制變量確定以后，控制方案就可以確定了?？刂品桨笐摪刂平Y構和控制規(guī)律?？刂品桨傅倪x取是控制系統(tǒng)設計中最重要的部分之一，它們決定了整個控制系統(tǒng)中信息所經過的運算處理，也就決定了控制系統(tǒng)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(tǒng)方面來說，要考慮選取常規(guī)儀表控制系統(tǒng)，還是計算機控制系統(tǒng)；在系統(tǒng)回路上，是選取單回路簡單控制系統(tǒng)，還是多回路復雜控制系統(tǒng)；在系統(tǒng)反饋方式上，是選取反饋控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)，還是復合控制系統(tǒng)。

62（2）控制規(guī)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(guī)律進行控制器設計。

631.4.3過程控制系統(tǒng)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(tǒng)硬件，包含控制器、測量儀表與傳感器、執(zhí)行器和報警、保護、連鎖等部件。過程控制系統(tǒng)硬件選擇的原則是保證控制目標和控制方案的實施。

1．控制器簡單的工業(yè)過程控制系統(tǒng)可以選擇PID控制器作為控制器，對于比較復雜的系統(tǒng)需要用計算機控制。目前常用的計算機過程控制系統(tǒng)有單片機系統(tǒng)、工控機（或微型計算機）系統(tǒng)、DCS（集散控制系統(tǒng)）、PLC（可編程序控制器）系統(tǒng)或FCS（現(xiàn)場總線網絡控制系統(tǒng)）等。

642．測量儀表和傳感器的選型在自動控制系統(tǒng)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(tǒng)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(wěn)定地完成規(guī)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。

65(2)實用性原則

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(xiàn)，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(fā)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。661.5過程控制的發(fā)展與趨勢過程控制的發(fā)展歷程，就是過程控制裝置（自動化儀表）與系統(tǒng)的發(fā)展歷程。1.5.1過程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展過程1．局部自動化階段（20世紀50～60年代）自動化儀表安裝在現(xiàn)場生產設備上，只具備簡單的測控功能。適用于小規(guī)模、局部過程控制。67特點：自動化儀表劃分成各種標準功能單元，按需要可以組合成各種控制系統(tǒng)?？刂苾x表集中在控制室，生產現(xiàn)場各處的參數通過統(tǒng)一的模擬信號，送往控制室。操作人員可以在控制室監(jiān)控生產流程各處的狀況。適用于生產規(guī)模較大的多回路控制系統(tǒng)。2．模擬單元儀表控制階段（20世紀60～70年代）68巴基斯坦賈姆肖羅電廠

3．集散控制階段（20世紀70年代中期至今）計算機的出現(xiàn)，大大簡化了控制功能的實現(xiàn)。最初，人們設想用一臺計算機取代所有回路的控制儀表，實現(xiàn)直接數字控制（DDC，DirectDigitalControl）

。但DDC系統(tǒng)的故障危險高度集中，一旦計算機出現(xiàn)故障，就會造成所有控制回路癱瘓，使生產過程風險加大。因此，DDC系統(tǒng)并未得到廣泛應用。69

7080年代初，隨著計算機性能提高、體積縮小，出現(xiàn)了內裝CPU的數字控制儀表?；凇凹泄芾?，分散控制”的理念，在數字控制儀表和計算機與網絡技術基礎上，開發(fā)了集中、分散相結合的集散型控制系統(tǒng)（DCS，DistributedControlSystem）。

DCS系統(tǒng)實行分層結構，將控制故障風險分散、管理功能集中。得到廣泛應用。7172隨著CPU進入檢測儀表和執(zhí)行器，自動化儀表徹底實現(xiàn)了數字化、智能化?？刂葡到y(tǒng)也出現(xiàn)了由