1.2 过程控制系统的组成与特点
第3讲
1.2.1 过程控制系统的组成
在生产过程中有各种各样的控制系统，图1-2所示为简单控制系统带测控点的工艺流程图。
图1-2中的管道仪表流程图（P&ID），也称为带测控点的工艺流程图，由于省略了仪表位号中的回路编号，故以下在不引起混淆的情况下，将其简称为系统图。
在这些控制系统中，对生产设备都有一个需要进行控制的过程变量，如温度、压力和液位等，这些需要进行控制的过程变量也称为被控变量。在系统工作时，被控变量常常偏离其所要求的理想值（设定值）。被控变量偏离设定值的原因是由于过程生产中存在干扰，如蒸汽压力、泵的转速、进料量的变化等。为了使这些被控变量与其设定值保持一致，需要有一种控制器，它将被控变量的测量值与设定值进行比较得出偏差信号，并按某种预定的控制规律进行运算，给出控制信号，用于改变某些变量，使得被控变量与其设定值相等。过程控制中用于调节的变量，如蒸汽流量、回流流量和出料流量等被称为操作变量、操纵变量或控制变量。在系统中，用于测量、变换和传送被控变量信号的仪表称为检测变送仪表。用于实施控制命令的设备称为执行器。
图1-2 简单控制系统带测控点的工艺流程图
由此可见，过程控制系统一般由被控过程（也称被控对象）、检测变送仪表、执行器和控制器（也称调节器）等环节组成。
（1）被控过程
被控过程也称被控对象，是指被控制的生产设备或装置。工业生产中的各种反应器、换热器、泵、塔器和压缩机及各种容器、储槽都是常见的被控对象，甚至一段管道也可以是一个被控对象。在复杂的生产设备中，经常有多个变量需要控制。例如，锅炉系统中的液位、压力和温度等均可作为被控参数；又比如，反应塔系统中的液位、进出流量和某一层塔板的温度等也可作为被控参数，这时一个装置中就存在多个被控对象和多个控制系统。对这样的复杂系统，被控对象就不一定是生产设备的整个装置，只有该装置的某一个与控制有关的相应部分才是某一个控制系统的被控对象。
（2）检测变送仪表
检测变送仪表（又称为测量变送装置或测量变送器）一般由测量元件和变送单元组成。其作用是测量被控变量，并按一定算法将其转换为标准信号输出作为测量值，即把被控变量转化为其测量值。例如，用热电阻或热电偶测量温度，并将其测量信号通过变送器转换为统一的气压信号（0.02～0.1MPa）、直流电流信号（0～10mA或4～20mA）或直流电压信号（1～5V）。
（3）执行器
在过程控制系统中，常用的执行器有电动调节阀和气动调节阀等，其中以气动薄膜调节阀最为常用。另外，在特定的应用中，调功装置和变频器等也常作为执行器的一个执行部件。执行器接收控制器送来的控制信号，直接改变操作变量；操作变量是被控对象的一个输入变量，通过操作这个变量可克服扰动对被控变量的影响，操作变量通常是执行器控制的某一工艺变量。
在过程控制系统中，往往把被控对象、检测变送仪表和执行器三部分串联在一起，统称为广义被控对象。
（4）控制器
控制器也称调节器，它将被控变量的测量值与设定值进行比较得出偏差信号，并按某种预定的控制规律进行运算，给出控制信号去操纵执行器。
（5）报警、保护和联锁等其他部件
在过程控制系统中，为防止控制系统本身某些部件故障或其他原因引起控制失常，通常还要采用必要的报警及保护装置。对于正常的开/停车及为了避免事故的扩大，系统还需要设置必要的联锁逻辑及部件。
1.2.2 过程控制系统的特点
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。
工业生产过程通常会发生物理或化学变化，伴随着物质或能量的转换与传递，往往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。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。
2．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，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。
（2）控制方案的多样性
由工业生产过程的特点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单元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的，这样的系统也称为常规仪表过程控制系统。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。从控制方法的角度来看，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。
（3）被控过程属慢过程，且多属于参数控制
过程控制系统中，为了连续、稳定的生产，经常涉及大量的物料及能量储存，尤其是随着生产规模的日益扩大，这种能量及物料储存的装置也日益增大，这直接导致了过程对象常常是一些缓慢的过程，也就是说，过程对象常常是一些有纯滞后或大时间常数的过程。例如，隧道窑由于蓄热能力很强，导致以喷嘴燃料量为输入，窑道中心温度为输出对象的时间常数往往要达到小时甚至天的数量级。
由于过程控制涉及的系统是靠连续的物理或化学变化达到生产目的的，期间涉及大量的传热、传质及复杂的物理和化学变化，通常这些过程不是由一两个参数决定的。因此，过程控制系统往往是多参数的，且这些参数是互相影响的。
（4）定值控制是过程控制的主要形式
为了确保安全、平稳、高效的运行，大多数过程控制系统面对的生产会要求某些参数的稳定，也即要求被控参数为某一定值。因此，大多数过程控制系统属于定值控制系统。定值控制系统的特点是系统对给定的跟踪能力的要求低于运动控制系统，但要求较高的抗干扰能力。
（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。