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

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借生产实践经验，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，如图1-4所示。

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4～20mA直流电流信号（DDZ-Ⅲ系列）。由于电流信号便于远距离传送，因而实现了集中监控与集中操纵的控制系统，对提高设备效率和强化生产过程有所促进，适应了工业生产设备日益大型化与连续化发展的需要。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数十年，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4～20mA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，直接数字控制系统如图1-5所示。

但由于集中控制的固有缺陷，未能普及与推广就被分布式控制系统（DCS）所替代，如图1-6所示。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。

4．综合自动化阶段

20世纪80年代以后出现了二级优化控制，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）相结合的方式，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，即实现了由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控制系统（FCS），如图1-7所示。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。

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，也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。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，也称为过程工业的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。

在控制装置发展的同时，高新技术的发展和新材料的应用也促进了工业仪表的发展。数字化、多变量和专用集成电路（ASIC）的广泛应用，产生出许多智能传感器和执行器。它们不仅可检测有关过程变量，还能提供仪表状态和诊断的信息，而且具有通信功能，便于调试、投入运行、维护和管理。一些重要的生产过程逐渐采用技术先进的在线分析仪器，如近红外、质谱、色谱、专用生化过程传感器等。各种光、机、电传感技术及厚膜电路等先进加工工艺的广泛应用，使工业仪表显得异彩纷呈。

过程工业自动化与信息技术有着不解之缘。近年来，以太网技术逐渐渗入到工业自动化领域。随着高速以太网的到来，智能以太网交换机的使用和耐工业环境（防尘、防潮、防爆、耐腐蚀、抗电磁干扰等）以太网器件的面市，工业以太网将会更加广泛地在工业自动化中得到应用，从而使过程控制系统更为灵活、方便和经济。

1.5.2　过程控制策略

数十年来，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，但是在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仪表控制效果差，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。