绪论
生产过程自动化，一般是指石油、化工、冶金、炼焦、造纸、建材、陶瓷及电力发电等工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制。凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。过程控制是自动控制学科的一个重要分支。
一、过程控制的定义和任务
1.过程控制的基本概念
(1)自动控制。在没有人的直接参与下，利用控制装置操纵生产机器、设备或生产过程，使表征其工作状态的物理参数(状态变量)尽可能接近人们的期望值(即设定值)的过程，称为自动控制。
(2)过程控制。对生产过程所进行的自动控制，称为过程控制。或者说凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。
(3)过程控制系统。为了实现过程控制，以控制理论和生产要求为依据，采用模拟仪表、数字仪表或微型计算机等构成的控制总体，称为过程控制系统。
2.过程控制的研究对象与任务
过程控制是自动化的一门分支学科，是对过程控制系统进行分析与综合。综合是指方案设计。
3.过程控制的目的
生产过程中，对各个工艺过程的物理量或称工艺变量有着一定的控制要求。有些工艺变量直接表征生产过程，对产品的产量与质量起着决定性的作用。例如，精馏塔的塔顶或塔釜温度，一般在操作压力不变的情况下必须保持一定，才能得到合格的产品：加热炉出口温度的波动不能超出允许范围，否则将影响后一工段的效果：化学反应器的反应温度必须保持平稳，才能使效率达到指标。有些工艺变量虽不直接影响产品的质量和产量，然而保持其平稳却是使生产获得良好控制的前提。例如，用蒸汽加热反应器或再沸器，如果在蒸汽总压波动剧烈的情况下，要把反应温度或塔釜温度控制好将极为困难：中间储槽的液位高度与气柜压力，必须维持在允许的范围之内，才能使物料平衡，保持连续的均衡生产。有些工艺变量是决定安全生产的因素。例如，锅炉汽包的水位、受压容器的压力等，不允许超出规定的限度，否则将威胁生产安全。还有一些工艺变量直接鉴定产品的质量。例如，某些混合气体的组成、溶液的酸碱度等。近二十几年来，工业生产规模的迅猛发展，加剧了对人类生存环境的污染，因此，减小工业生产对环境的影响也己纳入了过程控制的目标范围。综上所述，过程控制的主要目标应包括以下几个方面:
①保障生产过程的安全和平稳；
②达到预期的产量和质量；
③尽可能地减少原材料和能源损耗:
④把生产对环境的危害降低到最小程度。
由此可见，生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、降低成本、改善劳动条件、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段，是20世纪科学与技术进步的特征，是工业现代化的标记之一。
4.过程控制的特点
生产过程的自动控制，一般是要求保持过程进行中的有关参数为一定值或按一定规律
变化。显然，过程参数的变化，不但受外界条件的影响，它们之间往往也相互影响，这就增加了某些参数自动控制的复杂性和难度。过程控制有如下特点：
(1)被控对象的多样性
工业生产各不相同，生产过程本身大多比较复杂，生产规模也可能差异很大，这就给对被控对象的认
识带来困难。不同生产过程要求控制的参数各异，且被控参数一般不止一个，这些参数的变化规律不同，引起参数变化的因素也不止一个，并且往往互相影响，所以要正确描绘这样复杂多样的对象特性还不完全可能，至今也只能对简单的对象特性有明确的认识，对那些复杂多样的对象特性，还只能采用简化的方法来近似处理。虽然理论上有适应不同情况的控制方法，但由于对象特性辨识的困难，要设计出适应不同对象的控制系统至今仍非易事。
(2)对象存在滞后
由于生产过程大多在比较庞大的设备内进行，对象的储存能力大，惯性也较大，内部介质的流动与热量转移都存在一定的阻力，并且往往具有自动转向平衡的趋势，因此当流入或流出对象的物质或能量发生变化时，由于存在容量、惯性和阻力，被控参数不可能立即反映出来。滞后的大小决定于生产设备的结构与规模，并同其流入量与流出量的特性有关。显然，生产设备的规模愈大，物质传递的距离愈长，热量传递的阻力愈大，造成的滞后就愈大。一般来说，过程中大多是具有较大滞后的对象，对自动控制十分不利。
(3)对象特性的非线性
对象特性往往是随负荷而变的。当负荷不同时，其动态特性有明显的差别，即具有非线性特性。如果只以较理想的线性对象的动态特性作为控制系统的设计依据，则难以达到控制目的。
(4)控制系统比较复杂
由于生产安全上的考虑，生产设备的设计制造都力求使各种参数稳定，不会产生振荡，所以作为被控对象就具有非振荡环节的特性。对象往往具有自动趋向平衡的能力，即被控量发生变化后，对象本身能使被控量逐渐稳定下来，这种对象就具有惯性环节的特性。也有无自动趋向平衡能力的对象，被控量会一直变化而不能稳定下来，这种对象就具有积分特性。
由于对象的特性不同，其输入与输出量可能不止一个，控制系统的设计在于适应这些不同的特点，以确定控制方案和控制器的设计或选型，以及控制器特性参数的计算与设定。这些都要以对象的特性为依据，而对象的特性正如上述那样复杂且难以充分认识，所以要完全通过理论计算进行系统设计与整定至今仍不可能。目前己设计出的各种各样的控制系统(如简单的位式控制系统、单回路及多回路控制系统，以及前馈控制、计算机控制系统等)，都是通过必要的理论计算，采用现场调整的方法达到过程控制的目的的。
二、过程控制的发展与趋势
1．自动控制理论的发展历程
20世纪40年代开始形成的控制理论被称为"20世纪上半叶三大伟绩之一"，在人类社会的各个方面有着
深远的影响。与其他任何学科一样，控制理论源于社会实践和科学实践。在自动化的发展中，有两个明显的特点：第一，任务的需要、理论的开拓与技术手段的进展，三者相互推动，相互促进，显示了一幅交错复杂但又轮廓分明的画卷，三者间显出清晰的同性：第二，自动化技术是一门综合性的技术，控制论更是一门广义的学科，在自动化的各个领域，移植和借鉴起了交流汇合的作用。
自动化技术的前驱，可以追溯到我国古代，如指南车的出现。至于工业上的应用，一般以瓦特的蒸汽机调速器作为正式起点。工业自动化的萌芽是与工业革命同时开始的，这时的自动化装置是机械式的，而且是自力型的。随着电动、液动和气动这些动力源的应用，电
动、液动和气动的控制装置开创了新的控制手段。
直到20世纪30年代末这段时期的控制理论称为第一代控制理论。第一代控制理论分析的主要问题是稳定性，主要的数学方法是微分方程解析方法。这时的系统(包括过程控制系统)是简单控制系统，仪表是基地式、大尺寸的，满足当时的需要。
到第二次世界大战前后，控制理论有了很大发展。Nyquist (1932)和Bode (1945)频率域法分析技术及稳定判据、Evans根轨迹分析方法的建立，使经典控制理论发展到了成熟阶段，这是第二代控制理论。至此，自动控制技术开始形成一套完整的，以传递函数为基础，在频率域对单输入、单输出(SISO)控制系统进行分析与设计的理论，这就是今天所谓的古典控制理论。古典控制理论最辉煌的成
果之一要首推PID控制规律。PID控制原理简单，易于实现，对无时间延迟的单回路控制系统极为有效。目前，工业过程控制中80%~90%的系统还使用PID 控制规律。经典控制理论最主要的特点是线性定常对象，单输入、单输出，完成定值控制任务。
从20世纪50年代开始，随着工业的发展、控制需求的提高，除了简单控制系统以外，各种复杂控制系统也发展起来了，而且取得了显著的功效。为适应多种结构系统的需要，在控制器方面，单元组合仪表应运而生。在20世纪60~70年代，气动单元组合仪表(QDZ)和电动单元组合仪表(DDZ)是控制仪表的主流。
20世纪60年代，现代控制理论迅猛发展，它是以状态空间方法为基础、以极小值原理和动态规划等最优控制理论为特征，在随机干扰下采用Kalman滤波器的线性二次型系统(LQG)设计方法宣告了时域方法的完成，这是第三代控制理论。第三代控制理论在航天、航空、制导等领域取得了辉煌的成果，在过程控制领域也有所移植。
从20世纪70年代开始，为了解决大规模复杂系统的优化与控制问题，现代控制理论和系统理论相结合，逐步发展形成了大系统理论。其核心思想是系统的分解与协调。多级递阶优化与控制是应用大系统理论的典范。实际上，大系统理论仍未突破现代控制理论的思想与框架，除了高维线性系统之外，它对其他复杂控制系统仍然束手无策。对于含有大量不确定性和难于建模的复杂系统，基于知识的专
家系统、模糊控制、人工神经网络控制、学习控制和基于信息论的智能控制等应运而生，在许多领域都得到了广泛的应用。
2．过程控制系统的发展与趋势
从系统结构来看，过程控制已经经历了四个阶段。
（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。
（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。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)为2
0~100kP a气压信号。电动仪表信号为0~10 mA直流电流信号(DDZ- II系列)和4~20 mA直流电流信号(DDZ一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。由单元组合仪表组成的控制系统，其控制策略主要是PID控制和常用的复杂控制系统(如串级、均匀、比值、前馈、分程和选择性控制等〉。
（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，最初是直接数字控制(DDC)实现集中控制，代替常规的控制仪表。但由于集中控制的固有缺陷，未能普及与推广就被集散控制系统(DCS) 所替代。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。就控制策略而言， DCS仍以简单PID控制为主，再加上一些复杂的控制算法，并没有充分发挥计算机的功能和控制水平。
（4）综合自动化阶段
20世纪80年代以后出现二级优化控制，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，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，实现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
网络控制系统(FCS)。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，亦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)。
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"孤岛"综合集成为一个整体的系统。
（5）现场总线控制系统。现场总线控制系统是适应综合自动化发展需要而诞生的，它是仪表控制系统的革命。
现场总线是一种计算机的网络通信总线，是位于现场的多个总线仪表与远端的监控计算机装置间的通信系统。因此，从结构看，现场总线是底层控制通信网；从通信报文的长度看，它是短帧通信；从传输速率看，它有低速和高速两类；从传输范围看，它是局部通信网。
现场总线的技术特点如下。
·开放性现场总线是开放网络。符合现场总线通信协议的任何一个制造厂商的现场总线仪表产品都能方便地连接到现场总线通信网，符合通信标准的不同制造商的产品可以互换或替换，而不必考虑该产品是否是原制造商的产品。因此，用户可以购置不同制造商的现场总线产品，把它们集成在一个控制系统中，并进行信息的互相交换。
·智能化现场总线仪表把处理器引人仪表，使仪表本身成为网络的一个节点，并参与通信，这表明现场总线采用数字通信。在现场总线仪表中可完成原来需在分散过程控制装置或回路控制器中才能完成的各种运算和控制。因此，在现场就可以完成控制系统的各种基本功能要求，送控制室的数据全部是数字信号，保证了功能的自治性。
·互操作性互操作性包含设备的可互换性和可互操作性。可互换性指不同厂商的设备在功能上可以用同一功能的其他厂商同类设备互换。可互操作性指不同厂商的设备可互相通信，并能在各厂商的环境中完成其功能。
·环境适应性现场总线是专门为现场应用而设计的，因此，它能很好地适应现场的操作环境。表现为通信媒体可采用双绞线、同轴电缆和光缆等多种类型，对电磁干扰的抗扰性强，可实现本安回路、可总线供电等。
现场总线技术的发展也推动了现场总线仪表的发展。为满足现场总线通信的开放和互
操作性的要求，现场总线仪表应是智能仪表。它具有互操作性、互换性、可靠性、混合性、采用数字通信、智能化、分散性等特点。
现场总线控制系统把控制功能彻底分散到现场总线仪表，真正实现分散控制的功能。现场总线控制系统需要有类似Des中分散过程控制装置的控制软件，一些要进行人机信息交换的现场总线仪表还需有类似操作管理装置的人机接口及管理软件。现场总线控制系统软件包括现场总线组态软件、维护软件、仿真软件、现场设备管理软件和监控软件等。
