1.1 过程控制系统概述

1.1.1 系统结构

过程控制系统在实际中应用非常普遍，下面以一个工业锅炉水位控制系统为例来说明过程控制系统的组成。

锅炉是生产蒸汽的设备，保持锅炉锅筒内的水位在一定范围内是非常重要的，如果水位过低，锅炉可能被烧干；水位过高，生产的蒸汽含水量大，而且水还可能溢出。这些状况都相当危险，因此水位控制是保证正常运行的必要条件。

当锅炉的给水量与蒸汽的蒸发量保持平衡时，锅炉的水位才不变。如果锅炉的给水量变化或蒸发量变化，水位就会产生变化，因此必须观察水位变化以调整给水量，使它跟随蒸汽负荷的大小而相应变化，以保持水位在规定的范围内变化。

采用自动控制时，水位变化量Δh由水位计检测并经液位变送器转换为统一的标准信号后送到控制器，控制系统将Δh与水位设定值进行比较和运算后发出控制命令，由执行器改变阀门的开度，相应地增减给水量，以保持给水量与蒸汽量之间的平衡，这就是锅炉水位自动控制的原理，如图1.1所示。

由此可见，实现锅炉水位控制需要这样一些设备：检测水位变化的传感器与变送器、比较水位变化并进行控制运算的控制器、实施控制命令的执行器、改变给水量的控制阀等。在此基础上再加上一些其他必要的辅助装置，就可构成常规仪表过程控制系统，如图1.2所示。

典型的过程控制系统由被控对象、传感器和变送器、控制器、执行器、控制阀等几部分组成。

1.被控对象

被控对象指被控制的生产设备或装置，如上述进行水位控制的锅炉。常见的被控对象有锅炉、加热炉、分馏塔、反应釜、干燥炉、压缩机、旋转窑等生产设备，或存储物料的槽、罐或传送物料的管段等。

如果生产工艺过程中需要控制的参数只有一个，如电阻加热炉炉温控制的被控量只有炉温一个参数，则生产设备与被控对象是一致的；如果需要控制的参数不止一个，其特性互不相同，各有一套可能是互相关联的控制系统，这样的生产设备其被控对象就不止一个，应该对其中的不同过程分别作不同的分析和处理。

使被控量发生变化的任何作用称为扰动，在控制通道内在控制阀未动作的情况下，由于通道内质量或能量等因素变化造成的扰动称为内扰，上述锅炉水位控制中给水压力变化引起水位波动就是内扰；其他来自外部的影响统称为外扰，上述锅炉水位控制中蒸汽负荷变化而引起水位波动就是外扰。

2.传感器和变送器

反映生产过程的工艺参数大多不止一个，一般都需要用不同的传感器进行检测，才能了解生产过程进行的状态，以获得可靠的控制信息。需要进行自动控制的参数称为被控量，上例中的锅炉锅筒中的水位就是被控量，被控量往往就是对象的输出量。

如果系统只有一个被控量则只有一个控制回路，称为单回路控制系统，也称为单变量控制系统。如果系统不止一个被控量则不止一个控制回路，称为多回路控制系统，也称为多变量控制系统。

一个生产设备需要控制的回路数不一定和它的过程参数数目完全相同，因为有些参数并不需要进行自动控制，进行检测和显示就可以了。

被控量由传感器进行检测，其输出必须采用变送器转换为统一的标准电信号，传感器或变送器的输出就是被控量的测定值z。

3.控制器

控制器也称调节器，它接收传感器或变送器送来的信息——被控量，当其符合生产工艺要求时，控制器的输出保持不变，否则控制器的输出发生变化，对系统施加控制作用。无论是内扰还是外扰，一经产生，控制器就发出控制命令，对系统施加控制作用，使被控量回到设定值。

按生产工艺要求给被控量规定一个参考值称为设定值 r，这就是经过控制系统的自动控制作用被控量应保持的正常参数值。

在过程控制系统中，被控量的测量值z由系统的输出端反馈到系统的输入端，与设定值r比较后得到偏差值e=r-z就是控制器的输入信号，当r＞z时称e为正偏差，当r＜z时称e为负偏差。

4.执行器

被控量的测量值与设定值在控制器内进行比较后得到的偏差大小，由控制器按规定的控制规律（PID等）进行运算后，发出相应的控制信号去推动执行器，该控制信号是控制器的输出量，称为控制量u。

5.控制阀

由控制器发出的控制信号，通过执行器产生的位移量a 驱动控制阀门，以改变输入对象的操纵量 q，使被控量受到控制。控制阀是控制系统的终端部件。阀门的输出特性决定于阀门本身的结构，有的与输入信号呈线性关系，有的则呈对数或其他曲线关系。

控制器有正、反控制作用之分，控制器的正作用是指被控量增大时，控制器的输出增大；控制器的反作用则使被控量增大时输出减小。在前述锅炉水位控制中，如采用气关式阀门，控制器应取正作用。采用气开式阀门时则应取反作用。同样，控制器正、反控制作用的选择应视实际情况而定，也不能一概而论。

通常，一个完整的过程控制系统，除自动控制回路外，应备有一套手动控制回路，以便在自动控制系统因故障而失效后，或在某些紧急情况下对系统进行手动控制。另外还应有一套必要的信号显示、通信、联络、联锁，以及自动保护等设施，才能充分保证生产过程的顺利进行和保障人身与设备的安全。

控制器是根据被控量测量值的变化与设定值进行比较得出的偏差值，对被控对象进行控制的。对象的输出信号即控制系统的输出，通过传感器与变送器的作用，将输出信号反馈到系统的输入端，构成一个闭环控制回路，简称闭环。

如果系统的输出信号只是被检测和显示，并不反馈到系统的输入端，则是一个没有闭合的开环控制系统，简称开环。开环系统只按对象的输入量变化进行控制，即使系统是稳定的，其控制品质也较低。

在闭环控制回路中可能有两种形式的反馈，即正反馈与负反馈。

（1）正反馈

正反馈的作用会扩大不平衡量，是不稳定的。如采用正反馈去控制室内温度，当温度超过设定值时，系统会增加热量，其作用使室温升高；当温度低于设定值时，它又减小热量，使室温进一步降低。具有正反馈的控制回路，总是将被控量锁定在高端或低端的极值状态下，这种性质不符合控制目的。

（2）负反馈

负反馈的作用与正反馈相反，总是力求恢复到平衡温度，即保持在规定的设定值范围内。具有负反馈（包括前馈）作用的回路，一般称为反馈控制系统，这种系统能密切监视和控制被控对象输出量的变化，抗干扰能力强，能有效地克服对象特性变化的影响，有一定的自适应能力，因而控制品质较高，是应用最广，研究也最多的控制系统。

1.1.2 系统特点

过程控制在实际中有着各种各样的应用，具体的过程控制系统也不尽相同，但概括起来，过程控制系统主要具有以下特点：

1.系统由过程检测控制仪表组成

过程控制通过各种检测仪表、控制器等自动化设备和技术工具，对整个生产过程进行自动检测和自动控制。

2.被控过程具有多样性

实际生产过程中，由于生产规模不同、工艺要求各异、产品品种多样，因此被控过程具有多样性。

3.控制方案具有多样性

由于被控过程具有多样性，而且被控过程也各有特点，例如有多变量过程、大惯性过程、大滞后过程等，因此要求相应的控制方案具有多样性。通常有单变量控制系统，也有多变量控制系统；有计算机集散控制系统，也有现场总线控制系统；有提高控制品质的控制系统，也有实现特定要求的控制系统。

4.被控过程多属慢过程，控制目标多为过程参数

从前面可以看出，被控过程具有大惯性、大滞后等特点，所以过程控制的控制过程是一个慢过程。实际中，通常是对表征其生产过程的温度、压力、流量、液位（物位）、成分、PH等过程参数进行自动检测和自动控制。

5.给定值控制是主要的控制形式

实际生产过程中，过程控制的主要目的是减小和消除扰动对被控参数的影响，通常按被控量的给定值进行控制，所以给定值控制是主要的控制形式。

1.1.3 系统分类

过程控制系统分类的方法很多，通常按照系统的结构特点和给定值特点来分类，下面分别进行介绍。

按系统的结构特点进行分类，过程控制系统可以分为反馈控制系统、前馈控制系统和复合控制系统。

1.反馈控制系统

反馈控制系统是根据系统被控量与给定位的偏差进行工作的，最后达到消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。反馈控制系统通常称闭环控制系统，是过程控制系统中最基本的。

2.前馈控制系统

前馈控制系统是直接根据扰动量的大小进行工作的，扰动是控制的依据。不构成闭合回路，故也称为开环控制系统。前馈控制由于无法检查控制的效果，因此在实际生产过程中很少单独应用，尤其是在复杂过程中。

3.复合控制系统

复合控制系统也就是通常所指的前馈-反馈控制系统，它是反馈控制和前馈控制的结合，具有两者的优点。前馈控制的主要优点是能针对主要扰动迅速及时克服对被控量的影响；反馈控制的主要优点是克服其他扰动，使系统在稳态时能准确地使被控量控制在给定值上，因此构成的复合控制系统可以提高控制质量。

按系统的给定值的特点进行分类，过程控制系统可以分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。

1.恒值控制系统

系统的被控量（温度、压力、流量、液位、成分等）的给定值保持在某一恒值（或在某一很小范围内不变）。

2.随动控制系统

系统的被控量的给定值随时间任意地变化，因此控制的作用是克服扰动，使被控量及时跟踪给定值变化。

3.程序控制系统

系统的被控量的给定值是按预定的时间程序而变化的，控制的目的是使被控量按规定的程序自动变化。