1 概述 [过程控制及其MATLAB实现(第2版)]
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如锅炉燃烧中空气量随燃料量的随机变化而变化，以保证燃料的充分燃烧
第一章 概述--过程控制
按参数性质分类： 集中参数控制系统、分布参数控制系统
按控制算法分类： 简单控制系统、复杂控制系统、先进或高级控制 系统
按控制器形式分类： 常规仪表过程控制系统、计算机过程控制系统
第一章 概述--过程控制
第一章 概述--过程控制
1.4 过程控制的进展
1.4.1 过程控制装置的进展 1.4.2 过程控制策略与算法的进展
1.4.1 过程控制装置的进展
二十世纪40年代以前
手工操作状态
二十世纪50年代前后
基地式仪表和部分组合 仪表（仪表控制和局部 自动化）
多用气动仪表进行测量 与控制
1.4.1 过程控制装置的进展
二十世纪60年代
气动、电动单元组合仪表 “组合”
• 检测、显示、调节和操作等单元仪表的组合 • 气动单元组合仪表以0.02~0.1MPa为标准信号 • 电动单元组合仪表以0～10mA标准信号
（DDZⅡ型仪表）
1.4.1 过程控制装置的进展
二十世纪60年代中期
LT 表示液位变送器 控制
器
检测/ 变送
保护
LC 表示液位控制器
装置
被测 变量
L 液位 F 流量 P 压 T 温度
仪表 功能
T 变送 C 控制 I 指示 R 记录 A 报警
执行 机构
带控制点的工艺流程图 被控 对象
第一章 概述--过程控制
过程控制系统由以下几部分组成： 1．被控过程（或对象）； 2．用于生产过程参数检测的检测与变送仪表； 3．控制器； 4．执行机构； 5．报警、保护和连锁等其它部件.
标准信号为4~20mA的DDZⅢ型仪表 分布式计算机控制系统（集散系统）
DCS（Distributed Control System） 可编程序控制器（PLC）
80年代以来
DCS成为流行的过程控制系统 • 国外的DCS系统
– 美国的HONEYWELL、日本的横河YAKOGAWA、 德国的SIEMENS
自动化技术应用于石油化工
第一章 概述--过程控制 自动化技术的广泛应用
自动化技术应用于电力工业
第一章 概述--过程控制 自动化技术的广泛应用
自动化技术应用于轻工业
自动化技术的两个重要分支
自动化 技术
运动控制
过程控制
第一章 概述--过程控制 工业生产过程
物料
产品
生产过程
物理变化 化学变化 生化反应 物质能量的传递
第一章 概述--过程控制
r
u
控制器
执行机构
被控过程
y
检测与变送仪表 图1.1 过程控制系统基本结构图
第一章 概述--过程控制
1.2 过程控制系统的组成与特点
1.2.1 系统组成 1.2.2 过程控制系统特点
第一章 概述--过程控制
一、过程工业的特点
生产过程的连续性 复杂的大系统， 存在不确定性、时变性以及非
1.3 过程控制系统的性能指标
稳定性、准确性和快速性
定值控制系统在于恒定，要求克服干扰，使系 统的被控参数能稳、准、快地保持接近或等于 设定值。
随动（伺服）控制系统的主要目标是跟踪，即 稳、准、快地跟踪设定值。
第一章 概述--过程控制
y
r
y1
y3
0
ts
图1.4 过程控制系统阶跃响应曲线
过程控制策略与算法出现了三种类型： 简单控制 复杂控制 先进控制
第一章 概述--过程控制
简单控制——单回路PID控制
应用广泛，许多DCS和PLC系统均设有PID控 制算法软件，或PID控制模块。
复杂控制（50年代始）
串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制和 Smith预估控制等
线性等因素 生产环境恶劣，生产条件苛刻
高温、低温、高压、真空、易爆、有毒……
所以，工业过程控制的特点 强调实时性和整体性 全局优化的重要性 安全性要求
第一章 概述--过程控制
二、过程控制系统的特点
1. 被控过程的多样性 石油化工过程、钢铁生产中的冶炼过程…… 被控量的多样性：压力 温度 流量 液位 ……
2. 控制方案的多样性 系统硬件 调节仪表、控制器、执行机构（调节阀）、检测与变
送仪表
控制算法 PID控制、复杂控制、先进控制、智能控制等 软件设计
第一章 概述--过程控制
3. 被控过程属慢过程、多参数控制
连续工业过程大惯性和大滞后决定了被控过程为慢过程 被控量有压力、流量、液位、温度、成分等多个
2
p
y
r
y1
y3
0
ts
图1.4 过程控制系统阶跃响应曲线
y() t
在同样的振荡频率下，衰减比越大则调节时间 越短；当衰减比相同时，则振荡频率越高，调 节时间越短。
振荡频率在一定程度上也可作为衡量过程控制 系统快速性的指标。
第一章 概述--过程控制
1.4 过程控制的进展
1.4.1 过程控制装置的进展 1.4.2 过程控制策略与算法的进展
过程控制的任务
在充分了解生产过程的工艺流程和动静态特性的 基础上，应用控制理论对系统进行分析与综合， 以生产过程中物流变化信息量作为被控量，选用 适宜的技术手段和自动化装置，达到优质、高产、 低耗的控制目标。
过程控制的目标
安全性 越限、事故报警；连锁保护；故障预测与诊断；容错 稳定性 抑制干扰、保持生产过程的稳定运行 经济性 低成本、高效益、少能耗
第一章 概述--过程控制
1.2 过程控制系统的组成与特点
1.2.1 系统组成 1.2.2 过程控制系统特点
电加热锅炉控制方案
电加热器加 热水产生一定压 力的水蒸汽，并 通过上部的输汽 管供给用户或下 一个工序，为了 及时补充因蒸发 而不断减少的锅 炉水量，在锅炉 下部用水泵连续
地加入冷水。
电加热锅炉的简易流程图
4. 定值控制
被控参数的设定值为一个定值，减小或消除外界干扰，
使被控量尽量保持接近或等于设定值。
如蒸汽锅炉中的液位控制
第一章 概述--过程控制
5．过程控制多种分类方法 按被控参数分类：
温度、压力、流量、液位或物位控制系统、物性 控制系统、成分控制系统 按被控量数分类： 单变量过程控制系统、多变量过程控制系统 按设定值分类： 定值控制系统、随动（伺服）控制系统
流量、压力、温度、物位（液位）等
什么是过程控制
过程控制(Process Control)
是指石油、化工、电力、冶金、轻工等工业部 门以连续性物流为主要特征的生产过程的自动 控制。
主要解决
各种生产过程中的温度、压力、流量、液位(或 物位)、以及成分等参数的自动监测和控制问题。
1.1 过程控制的任务与目标
器数据通路 ) – CAN ( Controller Area Network，控制局域网络 ) – LonWorks ( Local Operating Network，局部操作网)
1.4.1 过程控制装置的进展
现场总线控制系统的硬件配置示意图
FCS结构与DCS结构之不同
1.4.1 过程控制装置的进展
1 概述
est
第一章 概述--过程控制
本章学习内容
1.1 过程控制的任务与目标 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 过程控制的进展
第一章 概述--过程控制
1.1 过程控制的任务与目标
自动化技术在工业领域的广泛应用
自动化技术应用于冶金工业
第一章 概述--过程控制 自动化技术的广泛应用
直接数字控制系统 DDC（Direct Digital Control）
计算机监控系统 SCC（Supervisory Computer Control）
• 采用中央仪表控制室对工业生产过程进行操作、监 视和控制
直接数字控制系统结构图
监督控制系统结构图
1.4.1 过程控制装置的进展
二十世纪70年代中期
减的百分数。
r
y1
y3
y1 y3
y1
0
ts
图1.4 过程控制系统阶跃响应曲线
y() t
衡量振荡过程衰减程度的另一种指标。
一般希望过程控制系统的衰减比η=4:1～10:1,相
当于衰减率Ψ=0.75到0.9。 若衰减率Ψ =0.75,大约振荡两个波系统进入稳态。
第一章 概述--过程控制
规模由小到大，结构由简单到复杂
手工操作 基地式气动仪表 电动、气动单元组合模拟仪表 集中式数字控制
集散控制 现场总线控制
分散化、网络化、智能化
第一章 概述--过程控制
1.4 过程控制的进展
1.4.1 过程控制装置的进展 1.4.2 过程控制策略与算法的进展
第一章 概述--过程控制
1.4.2 过程控制策略与算法的进展
第一章 概述--过程控制
炼铁过程
铁矿石
生铁
还原过程
炼铁过程
高炉物料流程及设备示意图
连续生产过程
高炉生产是连续生产过程
热风不断从风口鼓入 高炉下部的焦炭不断燃烧 矿石不断溶化而下降 炉料从炉顶一批批装入，使高炉内料柱
始终保持一定高度 冶炼好的铁水和炉渣定期或连续排出
其间涉及多种参数的控制
2.最大动态偏差和超调量
最大动态偏差是指在阶 y
跃响应中，被控参数偏离 r
y1
y3
其最终稳态值的最大偏差
量，表现在过渡过程开始
的第一个波峰（y1）。
0
ts
图1.4 过程控制系统阶跃响应曲线
y() t
最大动态偏差是衡量过程控制系统动态准确性的指标。 超调量为最大动态偏差占被控量稳态值的百分比。
电加热锅炉控制方案
人工液位调节
眼、脑、手 分别担负了 检测、运算 和执行三个 任务，来完 成测量、求 偏差、再控 制以纠正偏 差的全过程。
电加热锅炉控制方案
液位自动控制
由检测/变 送、控制 器、执行 器三个部 分组成的 自动化装 置完成液 位的自动 控制。
电加热锅炉控制方案 液位自动控制
先进过程控制（80年代始）
解耦控制、推断控制、预测控制、自适应控制 制等
专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法等 智能处理方法
第一章 概述--过程控制
本章小结
过程控制主要是指连续过程工业的控制，其被 控量是温度、压力、流量、液位（或物位）、 物理特性和化学成分。
过程控制系统一般由控制器（调节器）、执行 机构、用于生产过程参数检测与变送仪表、被 控过程（或对象）以及相关的报警、保护和连 锁等其它部件组成。
y() t
第一章 概述--过程控制
1．衰减比和衰减率
衰减比等于两个相邻 y 同向波峰值之比。
r
y1
y3
0
衡量振荡过程衰减程 度的指标。
y1
y3
ts 图1.4 过程控制系统阶跃响应曲线
y() t
η<1 系统发散
第一章 概述--过程控制
衰减率是经过一个周 y
期以后，波动幅度衰
FCS（Fieldbus Control System） • 以现场总线（Fieldbus）为标准，实现以微处理器 为基础，进一步将控制功能分散，增强了系统的灵 活性和可靠性。
– FF ( Foundation Fieldbus，基金会现场总线 ) – Profibus ( Process Fieldbus ), 西门子公司为主 – HART ( Highway Addressable Remote Tranducer，可寻址远程传感
• 国内的DCS系统
– 北京的和利时、浙大中控
DCS
和 利 时 的 系 统
1.4.1 过程控制装置的进展
集散控制系统的基本结构
1.4.1 过程控制装置的进展
近年来
数字化智能变送器和智能化数字执行器
• 实现信息采集、显示、诊断、处理、传输以及优化 控制等功能；
• 便于调试、投运、维护和管理。 现场总线网络控制系统
第一章 概述--过程控制
本章小结
主要特点:被控过程的多样性、控制方案的多样 性、慢过程、参数控制以及定值控制。
y1 100 %
y()
第一章 概述--过程控制
3.余差
余差是指过渡过程结束后， y
被控量新的稳态值与设定
值的差值。
r
y1
y3
e() r y()
0
余差是过程控制系统稳态
准确性的衡量指标。
ts 图1.4 过程控制系统阶跃响应曲线
y() t
第一章 概述--过程控制
4.调节时间ts和振荡频率β
调节时间ts 是从过渡过
程开始到结束的时间。
理论上应该为无限长。 y
一般认为当被控量进入其 稳态值的5%范围内所需 r
y1
y3
时间就是调节时间.
y()
调节时间是过程控制 0
t ts
系统快速性的指标。
图1.4 过程控制系统阶跃响应曲线
第一章 概述--过程控制
振荡频率β是振荡周期的
倒数。
第一章 概述--过程控制
按参数性质分类： 集中参数控制系统、分布参数控制系统
按控制算法分类： 简单控制系统、复杂控制系统、先进或高级控制 系统
按控制器形式分类： 常规仪表过程控制系统、计算机过程控制系统
第一章 概述--过程控制
第一章 概述--过程控制
1.4 过程控制的进展
1.4.1 过程控制装置的进展 1.4.2 过程控制策略与算法的进展
1.4.1 过程控制装置的进展
二十世纪40年代以前
手工操作状态
二十世纪50年代前后
基地式仪表和部分组合 仪表（仪表控制和局部 自动化）
多用气动仪表进行测量 与控制
1.4.1 过程控制装置的进展
二十世纪60年代
气动、电动单元组合仪表 “组合”
• 检测、显示、调节和操作等单元仪表的组合 • 气动单元组合仪表以0.02~0.1MPa为标准信号 • 电动单元组合仪表以0～10mA标准信号
（DDZⅡ型仪表）
1.4.1 过程控制装置的进展
二十世纪60年代中期
LT 表示液位变送器 控制
器
检测/ 变送
保护
LC 表示液位控制器
装置
被测 变量
L 液位 F 流量 P 压 T 温度
仪表 功能
T 变送 C 控制 I 指示 R 记录 A 报警
执行 机构
带控制点的工艺流程图 被控 对象
第一章 概述--过程控制
过程控制系统由以下几部分组成： 1．被控过程（或对象）； 2．用于生产过程参数检测的检测与变送仪表； 3．控制器； 4．执行机构； 5．报警、保护和连锁等其它部件.
标准信号为4~20mA的DDZⅢ型仪表 分布式计算机控制系统（集散系统）
DCS（Distributed Control System） 可编程序控制器（PLC）
80年代以来
DCS成为流行的过程控制系统 • 国外的DCS系统
– 美国的HONEYWELL、日本的横河YAKOGAWA、 德国的SIEMENS
自动化技术应用于石油化工
第一章 概述--过程控制 自动化技术的广泛应用
自动化技术应用于电力工业
第一章 概述--过程控制 自动化技术的广泛应用
自动化技术应用于轻工业
自动化技术的两个重要分支
自动化 技术
运动控制
过程控制
第一章 概述--过程控制 工业生产过程
物料
产品
生产过程
物理变化 化学变化 生化反应 物质能量的传递
第一章 概述--过程控制
r
u
控制器
执行机构
被控过程
y
检测与变送仪表 图1.1 过程控制系统基本结构图
第一章 概述--过程控制
1.2 过程控制系统的组成与特点
1.2.1 系统组成 1.2.2 过程控制系统特点
第一章 概述--过程控制
一、过程工业的特点
生产过程的连续性 复杂的大系统， 存在不确定性、时变性以及非
1.3 过程控制系统的性能指标
稳定性、准确性和快速性
定值控制系统在于恒定，要求克服干扰，使系 统的被控参数能稳、准、快地保持接近或等于 设定值。
随动（伺服）控制系统的主要目标是跟踪，即 稳、准、快地跟踪设定值。
第一章 概述--过程控制
y
r
y1
y3
0
ts
图1.4 过程控制系统阶跃响应曲线
过程控制策略与算法出现了三种类型： 简单控制 复杂控制 先进控制
第一章 概述--过程控制
简单控制——单回路PID控制
应用广泛，许多DCS和PLC系统均设有PID控 制算法软件，或PID控制模块。
复杂控制（50年代始）
串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制和 Smith预估控制等
线性等因素 生产环境恶劣，生产条件苛刻
高温、低温、高压、真空、易爆、有毒……
所以，工业过程控制的特点 强调实时性和整体性 全局优化的重要性 安全性要求
第一章 概述--过程控制
二、过程控制系统的特点
1. 被控过程的多样性 石油化工过程、钢铁生产中的冶炼过程…… 被控量的多样性：压力 温度 流量 液位 ……
2. 控制方案的多样性 系统硬件 调节仪表、控制器、执行机构（调节阀）、检测与变
送仪表
控制算法 PID控制、复杂控制、先进控制、智能控制等 软件设计
第一章 概述--过程控制
3. 被控过程属慢过程、多参数控制
连续工业过程大惯性和大滞后决定了被控过程为慢过程 被控量有压力、流量、液位、温度、成分等多个
2
p
y
r
y1
y3
0
ts
图1.4 过程控制系统阶跃响应曲线
y() t
在同样的振荡频率下，衰减比越大则调节时间 越短；当衰减比相同时，则振荡频率越高，调 节时间越短。
振荡频率在一定程度上也可作为衡量过程控制 系统快速性的指标。
第一章 概述--过程控制
1.4 过程控制的进展
1.4.1 过程控制装置的进展 1.4.2 过程控制策略与算法的进展
过程控制的任务
在充分了解生产过程的工艺流程和动静态特性的 基础上，应用控制理论对系统进行分析与综合， 以生产过程中物流变化信息量作为被控量，选用 适宜的技术手段和自动化装置，达到优质、高产、 低耗的控制目标。
过程控制的目标
安全性 越限、事故报警；连锁保护；故障预测与诊断；容错 稳定性 抑制干扰、保持生产过程的稳定运行 经济性 低成本、高效益、少能耗
第一章 概述--过程控制
1.2 过程控制系统的组成与特点
1.2.1 系统组成 1.2.2 过程控制系统特点
电加热锅炉控制方案
电加热器加 热水产生一定压 力的水蒸汽，并 通过上部的输汽 管供给用户或下 一个工序，为了 及时补充因蒸发 而不断减少的锅 炉水量，在锅炉 下部用水泵连续
地加入冷水。
电加热锅炉的简易流程图
4. 定值控制
被控参数的设定值为一个定值，减小或消除外界干扰，
使被控量尽量保持接近或等于设定值。
如蒸汽锅炉中的液位控制
第一章 概述--过程控制
5．过程控制多种分类方法 按被控参数分类：
温度、压力、流量、液位或物位控制系统、物性 控制系统、成分控制系统 按被控量数分类： 单变量过程控制系统、多变量过程控制系统 按设定值分类： 定值控制系统、随动（伺服）控制系统
流量、压力、温度、物位（液位）等
什么是过程控制
过程控制(Process Control)
是指石油、化工、电力、冶金、轻工等工业部 门以连续性物流为主要特征的生产过程的自动 控制。
主要解决
各种生产过程中的温度、压力、流量、液位(或 物位)、以及成分等参数的自动监测和控制问题。
1.1 过程控制的任务与目标
器数据通路 ) – CAN ( Controller Area Network，控制局域网络 ) – LonWorks ( Local Operating Network，局部操作网)
1.4.1 过程控制装置的进展
现场总线控制系统的硬件配置示意图
FCS结构与DCS结构之不同
1.4.1 过程控制装置的进展
1 概述
est
第一章 概述--过程控制
本章学习内容
1.1 过程控制的任务与目标 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 过程控制的进展
第一章 概述--过程控制
1.1 过程控制的任务与目标
自动化技术在工业领域的广泛应用
自动化技术应用于冶金工业
第一章 概述--过程控制 自动化技术的广泛应用
直接数字控制系统 DDC（Direct Digital Control）
计算机监控系统 SCC（Supervisory Computer Control）
• 采用中央仪表控制室对工业生产过程进行操作、监 视和控制
直接数字控制系统结构图
监督控制系统结构图
1.4.1 过程控制装置的进展
二十世纪70年代中期
减的百分数。
r
y1
y3
y1 y3
y1
0
ts
图1.4 过程控制系统阶跃响应曲线
y() t
衡量振荡过程衰减程度的另一种指标。
一般希望过程控制系统的衰减比η=4:1～10:1,相
当于衰减率Ψ=0.75到0.9。 若衰减率Ψ =0.75,大约振荡两个波系统进入稳态。
第一章 概述--过程控制
规模由小到大，结构由简单到复杂
手工操作 基地式气动仪表 电动、气动单元组合模拟仪表 集中式数字控制
集散控制 现场总线控制
分散化、网络化、智能化
第一章 概述--过程控制
1.4 过程控制的进展
1.4.1 过程控制装置的进展 1.4.2 过程控制策略与算法的进展
第一章 概述--过程控制
1.4.2 过程控制策略与算法的进展
第一章 概述--过程控制
炼铁过程
铁矿石
生铁
还原过程
炼铁过程
高炉物料流程及设备示意图
连续生产过程
高炉生产是连续生产过程
热风不断从风口鼓入 高炉下部的焦炭不断燃烧 矿石不断溶化而下降 炉料从炉顶一批批装入，使高炉内料柱
始终保持一定高度 冶炼好的铁水和炉渣定期或连续排出
其间涉及多种参数的控制
2.最大动态偏差和超调量
最大动态偏差是指在阶 y
跃响应中，被控参数偏离 r
y1
y3
其最终稳态值的最大偏差
量，表现在过渡过程开始
的第一个波峰（y1）。
0
ts
图1.4 过程控制系统阶跃响应曲线
y() t
最大动态偏差是衡量过程控制系统动态准确性的指标。 超调量为最大动态偏差占被控量稳态值的百分比。
电加热锅炉控制方案
人工液位调节
眼、脑、手 分别担负了 检测、运算 和执行三个 任务，来完 成测量、求 偏差、再控 制以纠正偏 差的全过程。
电加热锅炉控制方案
液位自动控制
由检测/变 送、控制 器、执行 器三个部 分组成的 自动化装 置完成液 位的自动 控制。
电加热锅炉控制方案 液位自动控制
先进过程控制（80年代始）
解耦控制、推断控制、预测控制、自适应控制 制等
专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法等 智能处理方法
第一章 概述--过程控制
本章小结
过程控制主要是指连续过程工业的控制，其被 控量是温度、压力、流量、液位（或物位）、 物理特性和化学成分。
过程控制系统一般由控制器（调节器）、执行 机构、用于生产过程参数检测与变送仪表、被 控过程（或对象）以及相关的报警、保护和连 锁等其它部件组成。
y() t
第一章 概述--过程控制
1．衰减比和衰减率
衰减比等于两个相邻 y 同向波峰值之比。
r
y1
y3
0
衡量振荡过程衰减程 度的指标。
y1
y3
ts 图1.4 过程控制系统阶跃响应曲线
y() t
η<1 系统发散
第一章 概述--过程控制
衰减率是经过一个周 y
期以后，波动幅度衰
FCS（Fieldbus Control System） • 以现场总线（Fieldbus）为标准，实现以微处理器 为基础，进一步将控制功能分散，增强了系统的灵 活性和可靠性。
– FF ( Foundation Fieldbus，基金会现场总线 ) – Profibus ( Process Fieldbus ), 西门子公司为主 – HART ( Highway Addressable Remote Tranducer，可寻址远程传感
• 国内的DCS系统
– 北京的和利时、浙大中控
DCS
和 利 时 的 系 统
1.4.1 过程控制装置的进展
集散控制系统的基本结构
1.4.1 过程控制装置的进展
近年来
数字化智能变送器和智能化数字执行器
• 实现信息采集、显示、诊断、处理、传输以及优化 控制等功能；
• 便于调试、投运、维护和管理。 现场总线网络控制系统
第一章 概述--过程控制
本章小结
主要特点:被控过程的多样性、控制方案的多样 性、慢过程、参数控制以及定值控制。
y1 100 %
y()
第一章 概述--过程控制
3.余差
余差是指过渡过程结束后， y
被控量新的稳态值与设定
值的差值。
r
y1
y3
e() r y()
0
余差是过程控制系统稳态
准确性的衡量指标。
ts 图1.4 过程控制系统阶跃响应曲线
y() t
第一章 概述--过程控制
4.调节时间ts和振荡频率β
调节时间ts 是从过渡过
程开始到结束的时间。
理论上应该为无限长。 y
一般认为当被控量进入其 稳态值的5%范围内所需 r
y1
y3
时间就是调节时间.
y()
调节时间是过程控制 0
t ts
系统快速性的指标。
图1.4 过程控制系统阶跃响应曲线
第一章 概述--过程控制
振荡频率β是振荡周期的
倒数。