21世纪全国高等院校自动化系列实用规划教材 过程控制与自动化仪表 主编张井岗 副主编许建平佟威刘红丽 参编王海稳邵雪卷 北大淳出版社 PEKING UNIVERSITY PRESS
21 世纪全国高等院校自动化系列实用规划教材 过程控制与自动化仪表 主 编 张井岗 孙红雨 段 锦 副主编 许建平 佟 威 刘红丽 郑洪江 参 编 王海稳 邵雪卷 审 曹茂 参 编 胡军安 参参
前言 本书是北京大学出版社《21世纪全国高等院校自动化系列实用规划教材》之一,经过 205年5月在西安召开的组稿会和2005年8月在长春工业大学召开的审稿会研讨,最终 确定了参与编写的单位和编写大纲。 过程控制与自动化仪表是一门与工业生产过程联系十分密切的课程。伴随着现代科技 进步,过程控制技术得到了迅速发展,出现了很多先进的自动化成套设备及装置,例如集 散控制系统(DCS)、现场总线(FB)、可编程逻辑器件(PLC等,生产过程控制逐渐由常规仪 表控制向计算机控制发展,常规PID控制向先进过程控制(APC优化控制发展,生产过程 自动化水平迅速从局部自动化向综合自动化发展。本书第1章绪论主要讲述过程控制系统 的特点、组成及分类。第2章简单控制系统介绍了过程控制系统的典型结构,过渡过程的 基本形式、品质指标及对象特性,调节器基本控制规律及单回路控制系统的设计。第3章 检测与控制仪表介绍了过程参数和单元组合仪表。第4章复杂控制系统介绍了串级、均匀、 比值、前馈、分程和选择性控制系统等各种复杂系统的特性、设计方法以及参数整定方法 等。第5章先进控制系统介绍了解耦控制、内模控制、预测控制、软测量、推断控制及稳 态优化控制。第6章过程控制系统的应用实例,对精馏塔控制系统、锅炉控制系统、传热 设备控制系统、化学反应器的控制、生化过程的控制和冶金过程的控制进行了分析和讨论。 本书在内容上既介绍了典型的传统控制方法和装置,以使学生建立基本的概念,使知 识能渐进衔接;同时又介绍了新技术、新方法,使知识结构适应现代科学技术发展和生产 的需要。本课程的工程实践性强,因此本书在编写过程中特别注重学生能力的培养和知识 的应用。在编写时专门开设第6章“过程控制系统的应用实例”。在本书的教学中配以相 应的实验,力求理论和实践的密切结合。本书每章附有与内容相关的思考题与习题,以帮 助学生消化和巩固上课学习的内容 本书由太原科技大学张井岗教授主编,编写了第1章并同时审阅了全书,第2章由西 安建筑科技大学佟威老师编写,第3章由武汉理工大学刘红丽老师编写,第4章由吉林工 程技术师范学院许建平老师编写,第5章由太原科技大学王海稳老师编写,第6章由太原 科技大学邵雪卷老师编写。江南大学的杨慧中教授对本书早期的组稿和大纲的制定做了大 量的工作,在此表示衷心的感谢! 尽管全体编者都尽了很大努力,但由于水平有限,疏漏之处在所难免,在此恳请广大 专家和读者给予批评和指正。 编者 2007年6月
前 言 本书是北京大学出版社《21世纪全国高等院校自动化系列实用规划教材》之一，经过 2005 年 5 月在西安召开的组稿会和 2005 年 8 月在长春工业大学召开的审稿会研讨，最终 确定了参与编写的单位和编写大纲。 过程控制与自动化仪表是一门与工业生产过程联系十分密切的课程。伴随着现代科技 进步，过程控制技术得到了迅速发展，出现了很多先进的自动化成套设备及装置，例如集 散控制系统(DCS)、现场总线(FB)、可编程逻辑器件(PLC)等，生产过程控制逐渐由常规仪 表控制向计算机控制发展，常规 PID 控制向先进过程控制(APC)优化控制发展，生产过程 自动化水平迅速从局部自动化向综合自动化发展。本书第 1 章绪论主要讲述过程控制系统 的特点、组成及分类。第 2 章简单控制系统介绍了过程控制系统的典型结构，过渡过程的 基本形式、品质指标及对象特性，调节器基本控制规律及单回路控制系统的设计。第 3 章 检测与控制仪表介绍了过程参数和单元组合仪表。第 4 章复杂控制系统介绍了串级、均匀、 比值、前馈、分程和选择性控制系统等各种复杂系统的特性、设计方法以及参数整定方法 等。第 5 章先进控制系统介绍了解耦控制、内模控制、预测控制、软测量、推断控制及稳 态优化控制。第 6 章过程控制系统的应用实例，对精馏塔控制系统、锅炉控制系统、传热 设备控制系统、化学反应器的控制、生化过程的控制和冶金过程的控制进行了分析和讨论。 本书在内容上既介绍了典型的传统控制方法和装置，以使学生建立基本的概念，使知 识能渐进衔接；同时又介绍了新技术、新方法，使知识结构适应现代科学技术发展和生产 的需要。本课程的工程实践性强，因此本书在编写过程中特别注重学生能力的培养和知识 的应用。在编写时专门开设第 6 章“过程控制系统的应用实例”。在本书的教学中配以相 应的实验，力求理论和实践的密切结合。本书每章附有与内容相关的思考题与习题，以帮 助学生消化和巩固上课学习的内容。 本书由太原科技大学张井岗教授主编，编写了第 1 章并同时审阅了全书，第 2 章由西 安建筑科技大学佟威老师编写，第 3 章由武汉理工大学刘红丽老师编写，第 4 章由吉林工 程技术师范学院许建平老师编写，第 5 章由太原科技大学王海稳老师编写，第 6 章由太原 科技大学邵雪卷老师编写。江南大学的杨慧中教授对本书早期的组稿和大纲的制定做了大 量的工作，在此表示衷心的感谢！ 尽管全体编者都尽了很大努力，但由于水平有限，疏漏之处在所难免，在此恳请广大 专家和读者给予批评和指正。 编 者 2007 年 6 月
目录 第1章绪论… 第3章检测与控制仪表 1过程控制概述 3.1概述 12当前控制系统的发展的趋势. 3.1.1测量误差 13过程控制系统的组成及分类 3.12仪表的主要性能指标 1.3.1过程控制系统的组成 3.1.3仪表防爆的基本知识 13.2过程控制系统的分类 3.2过程参数检测 14过程控制的要求 3.21温度测量 思考题与习题 3.22压力的检测 第2章简单控制系统 10 3.23流量的检 2.1典型结构和控制指标 3.24液位检测仪表… 2.1.1典型结构 3.25成分分析仪表 3.3单元组合仪表 2.1.2过渡过程的基本形式 2.1.3控制指标 3477 33.1单元组合仪表的信号传输 22过程动态特性与建模 方式及信号制 221过程特性的基本类型 332变送单元 222过程建模 3.3.3控制器单元 22.3对象各环节特性对控制 334执行单元 品质的 思考题与习题 23控制器基本控制规律 35第4章复杂控制系统……218 2.3.IPD控制算法 41串级控制系统 2.3.2离散PID控制算法 4.1.1串级控制系统的 24单回路控制系统的设计 原理和结构 24.1检测信号的获取 4.1.2串级控制系统的特点分析…20 与处理加工 57 4.1.3串级控制系统的设计 242执行器的若干问题 4.14串级控制系统的投运和 2.4.3系统被控变量的选择 参数整定 244操纵变量的选择. 4.1.5串级控制系统的 24.5控制器参数整定 工业应用 思考题与习题 42均匀控制系统
目 录 第 1 章 绪论....................................................... 1 1.1 过程控制概述 ........................................ 1 1.2 当前控制系统的发展的趋势................. 3 1.3 过程控制系统的组成及分类................. 5 1.3.1 过程控制系统的组成................. 5 1.3.2 过程控制系统的分类................. 7 1.4 过程控制的要求 .................................... 8 思考题与习题 ................................................. 9 第 2 章 简单控制系统.................................. 10 2.1 典型结构和控制指标........................... 10 2.1.1 典型结构 .................................. 10 2.1.2 过渡过程的基本形式............... 13 2.1.3 控制指标 .................................. 14 2.2 过程动态特性与建模........................... 17 2.2.1 过程特性的基本类型............... 17 2.2.2 过程建模 .................................. 20 2.2.3 对象各环节特性对控制 品质的影响 .............................. 33 2.3 控制器基本控制规律........................... 35 2.3.1 PID 控制算法........................... 35 2.3.2 离散 PID 控制算法 .................. 45 2.4 单回路控制系统的设计....................... 57 2.4.1 检测信号的获取 与处理加工 .............................. 57 2.4.2 执行器的若干问题................... 61 2.4.3 系统被控变量的选择............... 72 2.4.4 操纵变量的选择....................... 73 2.4.5 控制器参数整定....................... 73 思考题与习题 ............................................... 79 第 3 章 检测与控制仪表.............................. 81 3.1 概述 ...................................................... 82 3.1.1 测量误差................................... 82 3.1.2 仪表的主要性能指标............... 83 3.1.3 仪表防爆的基本知识............... 86 3.2 过程参数检测....................................... 87 3.2.1 温度测量................................... 88 3.2.2 压力的检测............................. 107 3.2.3 流量的检测............................. 114 3.2.4 液位检测仪表......................... 125 3.2.5 成分分析仪表......................... 132 3.3 单元组合仪表..................................... 140 3.3.1 单元组合仪表的信号传输 方式及信号制......................... 141 3.3.2 变送单元................................. 146 3.3.3 控制器单元............................. 167 3.3.4 执行单元................................. 191 思考题与习题 ............................................. 217 第 4 章 复杂控制系统 ................................ 218 4.1 串级控制系统..................................... 218 4.1.1 串级控制系统的 原理和结构............................. 218 4.1.2 串级控制系统的特点分析..... 220 4.1.3 串级控制系统的设计............. 223 4.1.4 串级控制系统的投运和 参数整定................................. 225 4.1.5 串级控制系统的 工业应用................................. 226 4.2 均匀控制系统..................................... 228
过程控制与自动化仪表 42.1基本原理与结构 .228 5.14解耦控制系统实现中 42.2控制器参数整定 的问题 42.3需要说明的几个问题 5.2纯滞后补偿和内模控制 4.3比值控制系统. 521 Smithe(史密斯)预估 4.3.1基本原理和结构 补偿控制 4.3.2比值系数的确定 522内模控制 43.3比值控制系统的设计及设计 523内模控制的应用 293 中的有关问题 237 5.3预测控制系统 4.34比值控制系统的 5.31预测控制的发展 其他问题 238 5.32预测控制的原理 4.3.5工业应用举例 .238 53.3预测控制的良好性质31 44前馈控制系统 534实施预测控制系统时 44.1前馈控制系统的基本概念239 的注意问题 44.2前馈控制系统的几种 5.3.5预测控制系统的稳定性和 主要结构形式 稳健性 44.3前馈控制的选用与稳定性….246 536预测控制软件包的 444前馈控制系统的工程整定….247 发展历程 44.5前馈控制系统的工业应用.249 5.37预测控制的应用概况 45分程控制系统 538预测控制发展方向……1310 4.5.1分程控制基本原理与 54软测量和推断控制系统.… 系统结构 54.1软测量技术的产生 311 4.5,2分程控制系统设计和实施中 542软测量方法的研究现状…311 的一些问题 543软测量技术的基本过程…311 4.5.3分程控制系统的 544软测量模型的建立 工业应用示例 55 54.5软测量模型的在线校正 46选择性控制系统 257 546软测量技术工业应用 46.1选择性控制系统 547软测量技术研究的方向 原理和结构…25 548推断控制 4.62选择性控制系统设计和 5.5稳态优化控制系统 实施中的一些问题 5.5.1基于传统模型的 46.3选择性控制工业应用举例261 稳态优化方法 思考题与习题 5.52基于非传统模型的 第5章先进控制系统 268 稳态优化方法…… 思考题与习题 5.1系统关联与解耦控制 51.1系统耦合及对控制过程 第6章过程控制系统的应用实例 的影响 6.1精馏塔的控制 5.1.2相对增益 6.1.1精馏原理 5.1.3解耦控制设计方法 6.12精馏塔的控制要求
·VI· 过程控制与自动化仪表 ·VI· 4.2.1 基本原理与结构......................228 4.2.2 控制器参数整定......................232 4.2.3 需要说明的几个问题..............233 4.3 比值控制系统 .....................................233 4.3.1 基本原理和结构......................233 4.3.2 比值系数的确定......................237 4.3.3 比值控制系统的设计及设计 中的有关问题..........................237 4.3.4 比值控制系统的 其他问题 .................................238 4.3.5 工业应用举例..........................238 4.4 前馈控制系统 .....................................239 4.4.1 前馈控制系统的基本概念......239 4.4.2 前馈控制系统的几种 主要结构形式..........................242 4.4.3 前馈控制的选用与稳定性......246 4.4.4 前馈控制系统的工程整定......247 4.4.5 前馈控制系统的工业应用......249 4.5 分程控制系统 .....................................252 4.5.1 分程控制基本原理与 系统结构 .................................252 4.5.2 分程控制系统设计和实施中 的一些问题 .............................254 4.5.3 分程控制系统的 工业应用示例..........................255 4.6 选择性控制系统 .................................257 4.6.1 选择性控制系统 原理和结构 .............................257 4.6.2 选择性控制系统设计和 实施中的一些问题..................259 4.6.3 选择性控制工业应用举例......261 思考题与习题 ..............................................261 第 5 章 先进控制系统.................................268 5.1 系统关联与解耦控制.........................269 5.1.1 系统耦合及对控制过程 的影响 .....................................269 5.1.2 相对增益 .................................271 5.1.3 解耦控制设计方法..................276 5.1.4 解耦控制系统实现中 的问题..................................... 283 5.2 纯滞后补偿和内模控制.................... 285 5.2.1 Smith(史密斯)预估 补偿控制................................. 286 5.2.2 内模控制................................. 290 5.2.3 内模控制的应用..................... 293 5.3 预测控制系统..................................... 295 5.3.1 预测控制的发展..................... 295 5.3.2 预测控制的原理..................... 296 5.3.3 预测控制的良好性质............. 301 5.3.4 实施预测控制系统时 的注意问题............................. 301 5.3.5 预测控制系统的稳定性和 稳健性..................................... 302 5.3.6 预测控制软件包的 发展历程................................. 303 5.3.7 预测控制的应用概况............. 308 5.3.8 预测控制发展方向................. 310 5.4 软测量和推断控制系统..................... 310 5.4.1 软测量技术的产生................. 311 5.4.2 软测量方法的研究现状......... 311 5.4.3 软测量技术的基本过程......... 311 5.4.4 软测量模型的建立................. 313 5.4.5 软测量模型的在线校正......... 318 5.4.6 软测量技术工业应用............. 318 5.4.7 软测量技术研究的方向......... 319 5.4.8 推断控制................................. 320 5.5 稳态优化控制系统............................. 323 5.5.1 基于传统模型的 稳态优化方法......................... 324 5.5.2 基于非传统模型的 稳态优化方法......................... 328 思考题与习题 ............................................. 330 第 6 章 过程控制系统的应用实例 ......... 332 6.1 精馏塔的控制..................................... 332 6.1.1 精馏原理................................. 332 6.1.2 精馏塔的控制要求................. 333
VII· 6.1.3精馏塔的干扰因素 643化学反应速度 6.14精馏塔的基本关系. 及其影响因素 6.1.5精馏塔被控变量的选择…….336 644化学平衡及其影响因素…378 6.1.6精馏塔的基本控制方案….338 64.5化学反应器的控制 6.1.7复杂控制在精馏塔中 6.5生化过程的控制 的应用 6.51生化反应过程的衡算关系…386 6.1.8精馏塔的先进控制 6.52细胞生长的动力学模型…387 6.2锅炉设备的控制 349 653氧传递模型 621锅炉汽包水位的控制 .350 6.54生化过程的参数检测 622锅炉燃烧系统的控制 357 6.55生化过程的控制 623过热蒸汽系统的控制 66冶金过程的控制 6.3传热设备的控制 66.1高炉炼铁生产过程的控制…393 6.31传热设备的类型 361 662转炉炼钢过程的控制 632传热设备的控制要求 663初轧生产过程的控制 633一般传热设备的控制 362 思考题与习题 397 634蒸发器的控制 369附录常用管道仪表流程图 6.4化学反应器的控制 设计符号 64.1化学反应器的类型 642化学反应器的控制要求…374参考文献…42
目 录 ·VII· ·VII· 6.1.3 精馏塔的干扰因素..................334 6.1.4 精馏塔的基本关系..................335 6.1.5 精馏塔被控变量的选择..........336 6.1.6 精馏塔的基本控制方案..........338 6.1.7 复杂控制在精馏塔中 的应用 .....................................342 6.1.8 精馏塔的先进控制..................344 6.2 锅炉设备的控制 ................................349 6.2.1 锅炉汽包水位的控制..............350 6.2.2 锅炉燃烧系统的控制..............357 6.2.3 过热蒸汽系统的控制..............360 6.3 传热设备的控制 ................................361 6.3.1 传热设备的类型......................361 6.3.2 传热设备的控制要求..............362 6.3.3 一般传热设备的控制..............362 6.3.4 蒸发器的控制..........................369 6.4 化学反应器的控制 ............................372 6.4.1 化学反应器的类型..................372 6.4.2 化学反应器的控制要求..........374 6.4.3 化学反应速度 及其影响因素......................... 375 6.4.4 化学平衡及其影响因素......... 378 6.4.5 化学反应器的控制................. 379 6.5 生化过程的控制................................. 385 6.5.1 生化反应过程的衡算关系..... 386 6.5.2 细胞生长的动力学模型......... 387 6.5.3 氧传递模型............................. 388 6.5.4 生化过程的参数检测............. 389 6.5.5 生化过程的控制..................... 391 6.6 冶金过程的控制................................. 392 6.6.1 高炉炼铁生产过程的控制..... 393 6.6.2 转炉炼钢过程的控制............. 394 6.6.3 初轧生产过程的控制............. 395 思考题与习题 ............................................. 397 附录 常用管道仪表流程图 设计符号.............................................. 399 参考文献............................................................ 402
第1章绪论 1.1过程控制概述 自20世纪90年代以来,计算机技术产生了突飞猛进的发展,并以计算机为工具产生 了信息技术和网络技术。它在自动化技术领域中产生极大的影响和推动作用,自动化技术 发展很快,并获得了惊人的成就,逐步形成了以网络集成化系统为基础的企业信息控制管 理系统。而自动化的实现工具也由集散控制系统( Distributed Control Systems,DCS)发展到 了现场总线控制系统( Fieldbus Control System,FCS)。自动化技术已在工业生产、科学技术 和人们生活的各个领域中起到了关键的作用。已成为我国高科技的重要组成部分,在工业 生产和国民经济各行业发挥着重要的作用。自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平高 低的一个重要标志。 自动化技术的发展首先从工业生产领域开始,而工业自动化的发展又与工业生产过程 本身的发展有着密切的联系。随着生产从简单到复杂,从局部到全局,从低级到智能的发 展,工业生产自动化也经历了一个不断发展的过程 第一阶段:20世纪50年代以前。这个阶段以经典控制理论为基本方法,以传递函数 为基础,采用根轨迹法和频率法对系统进行分析。经典控制理论最辉煌的成果之一便是PD 控制规律。PID控制规律原理简单,易于实现,对没有时间延迟的单回路控制系统极为有 效。到目前为止,在工业过程控制中,很多系统仍使用PID控制规律。在这个阶段,对系 统的一般处理方法是将一个复杂过程分解为若干个简单的过程,然后采用单输入、单输出 的控制系统,完成既定任务。自动化水平处于比较低级的阶段,理论上也尚不完整,从而 促进了现代控制理论的发展。实现控制的手段主要是单个传感器、控制器和执行器。 第二阶段:20世纪60年代以后,由于生产的发展,生产过程向着大型化、连续性方 向发展,而控制对象的要求也日趋复杂,原有简单控制的模式已不能满足要求,为适应工 业生产控制的要求,一些复杂的控制系统得到开发,并在实践中获得了良好的控制效果。 而在这个阶段,人们研究出了现代控制理论,这为新的控制技术提供了理论基础。它以状 态空间为分析基础,包括以最小二乘法为基础的系统辨识,以极小值原理和动态规划为基 础的优化控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最优估计三个部分。因此使分析系统的方法从 外部现象深入到揭示系统的内在规律,从局部控制发展到了全局最优控制。现代控制理论 在航天、航空和制导等领域取得了辉煌的成果。而自动控制的工具也产生了直接数字控制 ( Direct Digital Control,DDC)和监督计算机控制( Supervisory Computer Control,SCC)。但是, 在工业生产过程控制领域,现代控制理论却并未能发挥作用 第三阶段:20世纪70年代以后,为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,逐步形成了大系统理论( Mohammad,1983)。其核心思想是系统 的分解与协调,多级递阶优化与控制时应用大系统的典范。实际上,除了高维线性系统外, 大系统理论仍未突破现代控制理论的基本思想与框架,对其他复杂系统仍然束手无策。同
第 1 章 绪 论 1.1 过程控制概述 自 20 世纪 90 年代以来，计算机技术产生了突飞猛进的发展，并以计算机为工具产生 了信息技术和网络技术。它在自动化技术领域中产生极大的影响和推动作用，自动化技术 发展很快，并获得了惊人的成就，逐步形成了以网络集成化系统为基础的企业信息控制管 理系统。而自动化的实现工具也由集散控制系统(Distributed Control Systems，DCS)发展到 了现场总线控制系统(Fieldbus Control System，FCS)。自动化技术已在工业生产、科学技术 和人们生活的各个领域中起到了关键的作用。已成为我国高科技的重要组成部分，在工业 生产和国民经济各行业发挥着重要的作用。自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平高 低的一个重要标志。 自动化技术的发展首先从工业生产领域开始，而工业自动化的发展又与工业生产过程 本身的发展有着密切的联系。随着生产从简单到复杂，从局部到全局，从低级到智能的发 展，工业生产自动化也经历了一个不断发展的过程。 第一阶段：20 世纪 50 年代以前。这个阶段以经典控制理论为基本方法，以传递函数 为基础，采用根轨迹法和频率法对系统进行分析。经典控制理论最辉煌的成果之一便是 PID 控制规律。PID 控制规律原理简单，易于实现，对没有时间延迟的单回路控制系统极为有 效。到目前为止，在工业过程控制中，很多系统仍使用 PID 控制规律。在这个阶段，对系 统的一般处理方法是将一个复杂过程分解为若干个简单的过程，然后采用单输入、单输出 的控制系统，完成既定任务。自动化水平处于比较低级的阶段，理论上也尚不完整，从而 促进了现代控制理论的发展。实现控制的手段主要是单个传感器、控制器和执行器。 第二阶段：20 世纪 60 年代以后，由于生产的发展，生产过程向着大型化、连续性方 向发展，而控制对象的要求也日趋复杂，原有简单控制的模式已不能满足要求，为适应工 业生产控制的要求，一些复杂的控制系统得到开发，并在实践中获得了良好的控制效果。 而在这个阶段，人们研究出了现代控制理论，这为新的控制技术提供了理论基础。它以状 态空间为分析基础，包括以最小二乘法为基础的系统辨识，以极小值原理和动态规划为基 础的优化控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最优估计三个部分。因此使分析系统的方法从 外部现象深入到揭示系统的内在规律，从局部控制发展到了全局最优控制。现代控制理论 在航天、航空和制导等领域取得了辉煌的成果。而自动控制的工具也产生了直接数字控制 (Direct Digital Control，DDC)和监督计算机控制(Supervisory Computer Control，SCC)。但是， 在工业生产过程控制领域，现代控制理论却并未能发挥作用。 第三阶段：20 世纪 70 年代以后，为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，逐步形成了大系统理论(Mohammad，1983)。其核心思想是系统 的分解与协调，多级递阶优化与控制时应用大系统的典范。实际上，除了高维线性系统外， 大系统理论仍未突破现代控制理论的基本思想与框架，对其他复杂系统仍然束手无策。同
过程控制与自动化仪表 时,基于专家知识的专家系统、模糊控制、人工神经网络控制、学习控制和基于信息论的 智能控制应运而生,并在很多领域得到了广泛的应用。这个阶段工业领域的一个最大成就 是大规模集成电路和微处理器的产生,这大大加速了工业计算机的商品化和计算机技术的 普及和发展。为了满足工业计算机可靠性和灵活性的需要,作为一种全新的工业控制工具 DCS产生了。它是集计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术于一体的计算机系 统。而另一方面,控制理论和其他学科相互渗透,从而形成了以大系统理论和智能控制理 论为代表的所谓第三代控制理论。直到现在,尽管它还处于发展和完善过程中,但已受到 极大的重视和关注,也取得了很大的进展。 20世纪80年代以后的十几年里,出现了两级优化与控制,在DCS的基础上实现了先 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,构成两级计 算机优化与控制。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 算机网络构成的计算机集成过程系统( Computer Integrated Process System,CIPS)。而自动化 的实现工具也由DCS发展到了现场总线控制系统( Fieldbus Control System,FCS) 过程控制( process control)技术是自动化技术的重要组成部分,通常是指石油、化工、 纺织、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产 过程自动化,与其他自动控制系统比较,过程控制具有以下特点: 1.被控过程复杂多样 工业生产是多种多样的,生产过程本身大多比较复杂,规模大小不同,生产的产品千 差万别,因此过程控制的被控过程也多种多样。生产过程中充斥着物理变化、化学反应、 生化反应,还有物质和能量的转换和传递,生产过程的复杂性决定了对它进行控制的艰难 程度。有的生产过程进行得很缓慢,有的则进行得非常迅速,这就为对象的辨识带来困难 不同生产过程要求控制的参数不同,或虽然相同,但要求控制的品质完全不一样。不同过 程参数的变化规律各异,参数之间相互影响,对过程的影响作用也极不一致,要正确描述 这样复杂多样的对象特性还不完全可能,至今仍只能用适当简化的方法来近似处理。虽然 理论上有适应不同对象的控制方法和系统,出于对象特性辨识的困难,要设计出能适应各 种过程的控制系统至今仍不容易。由于被控过程的多样性,使过程控制系统明显地区别于 运动控制系统。 2.对象动态特性存在滞后和非线性 生产过程大多是在庞大的生产设备内进行,例如,热工过程中的锅炉、换热器、动力 核反应堆等,对象的储存能力大,惯性也较大,设备内介质的流动或热量传递都存在一定 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)对象的质量或能量发 生变化时,由于存在容量、惯性和阻力,被控参数不可能立即产生响应,这种现象称为滞 后。滞后的大小决定于生产设备的结构和规模,并同研究它的流入量与流出量的特性有关 生产设备的规模越大,物质传输的距离越长,热量传递的阻力越大,造成的滞后就越大 般来说,热工过程大多具有较大的滞后,它对任何信号的响应都会延迟一些时间,使输 出输入之间产生相移,容易引起反馈回路产生振荡,对自动控制会产生十分不利的影响 对象动态特性大多是随负荷变化而变的,即当负荷改变时,其动态特性有明显的不同 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,就难以得到满意的控制
·2· 过程控制与自动化仪表 ·2· 时，基于专家知识的专家系统、模糊控制、人工神经网络控制、学习控制和基于信息论的 智能控制应运而生，并在很多领域得到了广泛的应用。这个阶段工业领域的一个最大成就 是大规模集成电路和微处理器的产生，这大大加速了工业计算机的商品化和计算机技术的 普及和发展。为了满足工业计算机可靠性和灵活性的需要，作为一种全新的工业控制工具， DCS 产生了。它是集计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术于一体的计算机系 统。而另一方面，控制理论和其他学科相互渗透，从而形成了以大系统理论和智能控制理 论为代表的所谓第三代控制理论。直到现在，尽管它还处于发展和完善过程中，但已受到 极大的重视和关注，也取得了很大的进展。 20 世纪 80 年代以后的十几年里，出现了两级优化与控制，在 DCS 的基础上实现了先 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，构成两级计 算机优化与控制。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 算机网络构成的计算机集成过程系统(Computer Integrated Process System，CIPS)。而自动化 的实现工具也由 DCS 发展到了现场总线控制系统(Fieldbus Control System，FCS)。 过程控制(process control )技术是自动化技术的重要组成部分，通常是指石油、化工、 纺织、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产 过程自动化，与其他自动控制系统比较，过程控制具有以下特点： 1. 被控过程复杂多样 工业生产是多种多样的，生产过程本身大多比较复杂，规模大小不同，生产的产品千 差万别，因此过程控制的被控过程也多种多样。生产过程中充斥着物理变化、化学反应、 生化反应，还有物质和能量的转换和传递，生产过程的复杂性决定了对它进行控制的艰难 程度。有的生产过程进行得很缓慢，有的则进行得非常迅速，这就为对象的辨识带来困难。 不同生产过程要求控制的参数不同，或虽然相同，但要求控制的品质完全不一样。不同过 程参数的变化规律各异，参数之间相互影响，对过程的影响作用也极不一致，要正确描述 这样复杂多样的对象特性还不完全可能，至今仍只能用适当简化的方法来近似处理。虽然 理论上有适应不同对象的控制方法和系统，出于对象特性辨识的困难，要设计出能适应各 种过程的控制系统至今仍不容易。由于被控过程的多样性，使过程控制系统明显地区别于 运动控制系统。 2. 对象动态特性存在滞后和非线性 生产过程大多是在庞大的生产设备内进行，例如，热工过程中的锅炉、换热器、动力 核反应堆等，对象的储存能力大，惯性也较大，设备内介质的流动或热量传递都存在一定 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)对象的质量或能量发 生变化时，由于存在容量、惯性和阻力，被控参数不可能立即产生响应，这种现象称为滞 后。滞后的大小决定于生产设备的结构和规模，并同研究它的流入量与流出量的特性有关。 生产设备的规模越大，物质传输的距离越长，热量传递的阻力越大，造成的滞后就越大。 一般来说，热工过程大多具有较大的滞后，它对任何信号的响应都会延迟一些时间，使输 出/输入之间产生相移，容易引起反馈回路产生振荡，对自动控制会产生十分不利的影响。 对象动态特性大多是随负荷变化而变的，即当负荷改变时，其动态特性有明显的不同。 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，就难以得到满意的控制
第1章绪论 结果 大多数生产过程都具有非线性特性,弄清非线性产生的原因及非线性的实质是极为重 要的。对于一个不熟悉的生产过程,应先拟定合理的试验方案,并认真地进行反复的试验 和估算,才能达到分析了解非线性的目的。但决不能盲目地进行试验,以免得出含混不清 的错误结果,把非线性对象错当成线性对象来处理。 3.过程控制方案丰富多样 由于工业过程的复杂性和多样性,决定了过程控制系统的控制方案的多样性。为了满 足生产过程中越来越高的要求,过程控制方案也越来越丰富。通常有单变量控制系统,也 有多变量控制系统;有常规仪表过程控制也由计算机集散控制系统;有提高控制品质的控 制系统也有实现特殊工艺要求的控制系统;有传统的PID控制,也有先进控制系统,例如 自适应控制、预测控制、解耦控制、推断控制和模糊控制等 4.控制系统分为随动控制和定值控制 定值控制是过程控制的一种主要控制形式,在多数过程控制系统中,设定值是保持恒 定的或在很小的范围内变化,它们都采用一些过程变量,例如温度、压力、流量、成分等 作为被控变量,过程控制的主要目的在于减小或消除外界干扰对被控变量的影响,使被控 变量能够稳定在设定值或其附近,使工业达到优质、高产、低消耗与生产持续稳定的目标 5.过程控制系统有规范化的过程检测控制仪表组成 过程控制系统由过程检测、变送和控制仪表、执行装置的组成,通过各种类型的仪 表完成对过程变量的检测、变送和控制,并经执行装置作用于生产过程。传统的简单过 程控制系统是由过程检测控制仪表(包括测量元件、变送器、调节器和执行器)组成和被控 过程连接部分组成,从过程控制的基本组成来看,过程控制系统总是包括对过程变量的 检测变送、对信号的控制运算和输出到执行装置,完成所需操纵变量的改变,从而达到 所需的控制指标。 控制方案的确定、控制系统的设计、控制参数的整定都要以对象的特性为依据,而对 象的特性又如上述那样复杂而难以充分地认识,要完全通过理论计算进行控制系统设计与 控制参数的整定,至今仍不可能。目前已设计出各种各样的控制系统,都是通过必要的理 论论证和计算,并且经过长期的运行、试验、分析、总结起来的,只要采用现场调整的方 法得当,可望得到相当满意的控制效果。 1.2当前控制系统的发展的趋势 1.生产装置实施先进控制成为发展主流 早期的简单控制由于受到经典控制理论和常规仪表的限制,对工业过程中存在的耦合 性、非线性和时变性等难以解决。尽管在20世纪70年代以后,许多生产装置采用了DCS 但由于当时的理论和技术原因,控制水平仍停留在单回路PID控制、连锁保护控制等。随 着企业提出的高柔性、高效益的要求,上述控制方案已经不能适应,以多变量预测控制为
第 1 章 绪 论 ·3· ·3· 结果。 大多数生产过程都具有非线性特性，弄清非线性产生的原因及非线性的实质是极为重 要的。对于一个不熟悉的生产过程，应先拟定合理的试验方案，并认真地进行反复的试验 和估算，才能达到分析了解非线性的目的。但决不能盲目地进行试验，以免得出含混不清 的错误结果，把非线性对象错当成线性对象来处理。 3. 过程控制方案丰富多样 由于工业过程的复杂性和多样性，决定了过程控制系统的控制方案的多样性。为了满 足生产过程中越来越高的要求，过程控制方案也越来越丰富。通常有单变量控制系统，也 有多变量控制系统；有常规仪表过程控制也由计算机集散控制系统；有提高控制品质的控 制系统也有实现特殊工艺要求的控制系统；有传统的 PID 控制，也有先进控制系统，例如 自适应控制、预测控制、解耦控制、推断控制和模糊控制等。 4. 控制系统分为随动控制和定值控制 定值控制是过程控制的一种主要控制形式，在多数过程控制系统中，设定值是保持恒 定的或在很小的范围内变化，它们都采用一些过程变量，例如温度、压力、流量、成分等 作为被控变量，过程控制的主要目的在于减小或消除外界干扰对被控变量的影响，使被控 变量能够稳定在设定值或其附近，使工业达到优质、高产、低消耗与生产持续稳定的目标。 5. 过程控制系统有规范化的过程检测控制仪表组成 过程控制系统由过程检测、变送和控制仪表、执行装置的组成，通过各种类型的仪 表完成对过程变量的检测、变送和控制，并经执行装置作用于生产过程。传统的简单过 程控制系统是由过程检测控制仪表(包括测量元件、变送器、调节器和执行器)组成和被控 过程连接部分组成，从过程控制的基本组成来看，过程控制系统总是包括对过程变量的 检测变送、对信号的控制运算和输出到执行装置，完成所需操纵变量的改变，从而达到 所需的控制指标。 控制方案的确定、控制系统的设计、控制参数的整定都要以对象的特性为依据，而对 象的特性又如上述那样复杂而难以充分地认识，要完全通过理论计算进行控制系统设计与 控制参数的整定，至今仍不可能。目前已设计出各种各样的控制系统，都是通过必要的理 论论证和计算，并且经过长期的运行、试验、分析、总结起来的，只要采用现场调整的方 法得当，可望得到相当满意的控制效果。 1.2 当前控制系统的发展的趋势 1. 生产装置实施先进控制成为发展主流 早期的简单控制由于受到经典控制理论和常规仪表的限制，对工业过程中存在的耦合 性、非线性和时变性等难以解决。尽管在 20 世纪 70 年代以后，许多生产装置采用了 DCS， 但由于当时的理论和技术原因，控制水平仍停留在单回路 PID 控制、连锁保护控制等。随 着企业提出的高柔性、高效益的要求，上述控制方案已经不能适应，以多变量预测控制为
过程控制与自动化仪表 代表的先进控制策略的提出和成功应用以后,先进控制受到了过程工业界的普遍关注。先 进过程控制( Advanced Process Control,APC)是指一类在动态环境中,基于模型、充分借助 计算能力,为工厂获得最大利润而实施的一类运行和技术策略。这种新的控制策略实施后, 系统运行在最佳工况,实现所谓“卡边生产”。据资料报道,一个投资163万美元的乙烯 装置实施先进控制后,预期每年可获得效益600万美元。目前,国内许多大企业纷纷投资, 在装置自动化系统中实施先进控制。国外许多控制软件公司和DCS生产商都在竞相开发先 进控制和优化控制的商品化工程软件包,西方国家有一定规模的先进控制软件公司大约有 45家,推出APC软件312种,全世界应用APC的项目有数千项,APC软件应用年增长率 达到30%左右。先进控制策略主要有解耦控制、时滞补偿控制、差拍控制、多变量预测控 制、自适应控制、软测量技术及推断控制、稳健控制、专家控制、模糊推理和神经网络等 智能控制,尤其智能控制已成为开发、研究和应用的热点。 2.过程优化受到工业界的普遍关注 在过程控制中,过程优化已受到了普遍的关注。通常,在连续过程工业中,往往上游 装置的部分产品是下游装置的原料,整个生产过程存在装置间的物流分配、物料平衡和能 量平衡等一系列问题。借助过程优化可使得整个生产过程获得很大的经济效益和社会效益。 过程优化主要寻找最佳的工艺参数设定值,使生产过程获得最大的经济效益,这也称之为 稳态过程优化。稳态过程优化方法按实施方法可分为离线优化和在线优化两种。离线优化 利用过程数学模型,在约束条件下求得最优工艺参数,提供给操作者作为操作指导信息, 而不直接参与控制实施,因而实时性要求低,容易实现,目前应用较多。在线优化由计算 机自动定期收集过程数据,完成模型参数更新、校正约束条件,通过求解寻找最优操作点 并将最优操作参数下传给控制系统,由控制系统对最优操作点进行跟踪。在线优化对算法 实时性要求高,工业现场实时条件下的模型更新、约束校正都较难实施,但真正投入运行 可保证可观的经济效益。随着稳态过程优化的深入研究,直接影响过程动态品质的最优动 态控制也显示出其重要性。 生产过程优化是在各种操作条件下,求取目标函数的最优值,通常是复杂的非线性优 化问题。应用传统优化理论往往会遇到困难。在过程优化中,由于系统的复杂性,求全局 最优值十分困难,而且实际过程并不一定要求最优值,而只要求得到“优化区域”或“满 意解”就可以满足要求。在过程优化中,有许多是受工艺限制的。最近有人提出把工艺设 计与控制整体考虑,在工艺设计的同时,考虑到控制的实施方案及效果,就可以在工艺设 计阶段消除那些可能导致控制困难的因素,这种方法正在受到人们的关注。 3.传统的DCS正在走向国际统一标准的开放式系统 1975年诞生了第一套分布式工业控制计算机系统,历经近20年,随着综合自动化的 潮流和计算机技术的发展,一些主要的DCS生产商推出现场总线( (fieldbus控制系统,它被 公认为具有时代特点的新一代分布式计算机控制系统,它有开放性、智能化现场仪表、现 场仪表采用数字信号传输、彻底的分散性等主要特点,具备了上述特点使得现场总线采用 同一种国际标准的通信协议,不同厂家的产品可方便地互连,可与局域网相连,除了一般 现场控制、检测仪表功能以外,还具有诊断、自补偿、现场组态、现场校验、提高传输可 靠性,节约传输线的投资,简单控制回路基本分散在现场实现,关键数字信号进中央控制
·4· 过程控制与自动化仪表 ·4· 代表的先进控制策略的提出和成功应用以后，先进控制受到了过程工业界的普遍关注。先 进过程控制(Advanced Process Control，APC)是指一类在动态环境中，基于模型、充分借助 计算能力，为工厂获得最大利润而实施的一类运行和技术策略。这种新的控制策略实施后， 系统运行在最佳工况，实现所谓“卡边生产”。据资料报道，一个投资 163 万美元的乙烯 装置实施先进控制后，预期每年可获得效益 600 万美元。目前，国内许多大企业纷纷投资， 在装置自动化系统中实施先进控制。国外许多控制软件公司和 DCS 生产商都在竞相开发先 进控制和优化控制的商品化工程软件包，西方国家有一定规模的先进控制软件公司大约有 45 家，推出 APC 软件 312 种，全世界应用 APC 的项目有数千项，APC 软件应用年增长率 达到 30%左右。先进控制策略主要有解耦控制、时滞补偿控制、差拍控制、多变量预测控 制、自适应控制、软测量技术及推断控制、稳健控制、专家控制、模糊推理和神经网络等 智能控制，尤其智能控制已成为开发、研究和应用的热点。 2. 过程优化受到工业界的普遍关注 在过程控制中，过程优化已受到了普遍的关注。通常，在连续过程工业中，往往上游 装置的部分产品是下游装置的原料，整个生产过程存在装置间的物流分配、物料平衡和能 量平衡等一系列问题。借助过程优化可使得整个生产过程获得很大的经济效益和社会效益。 过程优化主要寻找最佳的工艺参数设定值，使生产过程获得最大的经济效益，这也称之为 稳态过程优化。稳态过程优化方法按实施方法可分为离线优化和在线优化两种。离线优化 利用过程数学模型，在约束条件下求得最优工艺参数，提供给操作者作为操作指导信息， 而不直接参与控制实施，因而实时性要求低，容易实现，目前应用较多。在线优化由计算 机自动定期收集过程数据，完成模型参数更新、校正约束条件，通过求解寻找最优操作点， 并将最优操作参数下传给控制系统，由控制系统对最优操作点进行跟踪。在线优化对算法 实时性要求高，工业现场实时条件下的模型更新、约束校正都较难实施，但真正投入运行 可保证可观的经济效益。随着稳态过程优化的深入研究，直接影响过程动态品质的最优动 态控制也显示出其重要性。 生产过程优化是在各种操作条件下，求取目标函数的最优值，通常是复杂的非线性优 化问题。应用传统优化理论往往会遇到困难。在过程优化中，由于系统的复杂性，求全局 最优值十分困难，而且实际过程并不一定要求最优值，而只要求得到“优化区域”或“满 意解”就可以满足要求。在过程优化中，有许多是受工艺限制的。最近有人提出把工艺设 计与控制整体考虑，在工艺设计的同时，考虑到控制的实施方案及效果，就可以在工艺设 计阶段消除那些可能导致控制困难的因素，这种方法正在受到人们的关注。 3. 传统的 DCS 正在走向国际统一标准的开放式系统 1975 年诞生了第一套分布式工业控制计算机系统，历经近 20 年，随着综合自动化的 潮流和计算机技术的发展，一些主要的 DCS 生产商推出现场总线(fieldbus)控制系统，它被 公认为具有时代特点的新一代分布式计算机控制系统，它有开放性、智能化现场仪表、现 场仪表采用数字信号传输、彻底的分散性等主要特点，具备了上述特点使得现场总线采用 同一种国际标准的通信协议，不同厂家的产品可方便地互连，可与局域网相连，除了一般 现场控制、检测仪表功能以外，还具有诊断、自补偿、现场组态、现场校验、提高传输可 靠性，节约传输线的投资，简单控制回路基本分散在现场实现，关键数字信号进中央控制
第1章绪论 室,中央控制室主要完成信息管理、先进控制和优化。 4.综合自动化系统是发展趋势 过程工业自动化在20世纪90年代以前仍是“自动化孤岛模式”。20世纪90年代后, 国内外许多企业在国际市场激烈竞争的刺激下,特别是过程工业还受到保护环境的巨大压 力。节能降耗、少投入多产出的高效生产和减少污染的清洁生产成为企业的生产模式,企 业把提高综合自动化水平作为挖潜増效、提高竞争能力的重要途径。集常规控制、先进控 制、过程优化、生产调度、企业管理、经营决策等功能于一体的综合自动化系统成了当前 自动化发展的趋势。综合自动化系统就是在计算机通信网络和分布式数据库的支持下,实 现信息与功能的集成,进而充分调动人的因素的经营系统、技术系统及组织系统( humanware) 的集成,最终形成一个能适应生产环境不确定性、市场需求多变性的全局优化的高质量 高效益、高柔性的智能生产系统。 1.3过程控制系统的组成及分类 131过程控制系统的组成 过程控制系统通常是指工业生产过程中自动控制系统的被控变量是温度、压力、流量 液位、成分、黏度、温度和pH值(酸碱度或氢离子浓度)等一些过程变量的系统。常规的过 程控制系统框图如图1.1所示。 设定值偏差值g控制变量位移量变a操纵变量 被控变量 控制器 执行器 控制器被控对象 检测变送器 图11过程控制系统框图 1.被控对象 被控对象是指被控制的生产设备或装置,常见的被控对象有加热炉、锅炉、分馏塔、 反应釜、干燥炉、压缩机等生产设备,或储存物料的槽、罐以及传送物料的管段等。当生 产工艺过程中需要控制的参数只有一个,如锅炉的水位控制,则生产设备与被控对象是 致的;当生产设备的被控参数不止一个,如果锅炉的水位控制实际上取决于给水量、压力 和蒸汽流量等参数,其特性互不相同,应各有一套可能是互相关联的控制系统,此类生产 设备被控对象就不止一个,应对其中的不同过程分别作不同的分析及处理。 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,一般都需用不同的传感器进行自动检测以获 得可靠的信息,才能了解生产过程进行的状态,需要进行自动控制的参数称为被控变量
第 1 章 绪 论 ·5· ·5· 室，中央控制室主要完成信息管理、先进控制和优化。 4. 综合自动化系统是发展趋势 过程工业自动化在 20 世纪 90 年代以前仍是“自动化孤岛模式”。20 世纪 90 年代后， 国内外许多企业在国际市场激烈竞争的刺激下，特别是过程工业还受到保护环境的巨大压 力。节能降耗、少投入多产出的高效生产和减少污染的清洁生产成为企业的生产模式，企 业把提高综合自动化水平作为挖潜增效、提高竞争能力的重要途径。集常规控制、先进控 制、过程优化、生产调度、企业管理、经营决策等功能于一体的综合自动化系统成了当前 自动化发展的趋势。综合自动化系统就是在计算机通信网络和分布式数据库的支持下，实 现信息与功能的集成，进而充分调动人的因素的经营系统、技术系统及组织系统(humanware) 的集成，最终形成一个能适应生产环境不确定性、市场需求多变性的全局优化的高质量、 高效益、高柔性的智能生产系统。 1.3 过程控制系统的组成及分类 1.3.1 过程控制系统的组成 过程控制系统通常是指工业生产过程中自动控制系统的被控变量是温度、压力、流量、 液位、成分、黏度、温度和 pH 值(酸碱度或氢离子浓度)等一些过程变量的系统。常规的过 程控制系统框图如图 1.1 所示。 图 1.1 过程控制系统框图 1. 被控对象 被控对象是指被控制的生产设备或装置，常见的被控对象有加热炉、锅炉、分馏塔、 反应釜、干燥炉、压缩机等生产设备，或储存物料的槽、罐以及传送物料的管段等。当生 产工艺过程中需要控制的参数只有一个，如锅炉的水位控制，则生产设备与被控对象是一 致的；当生产设备的被控参数不止一个，如果锅炉的水位控制实际上取决于给水量、压力 和蒸汽流量等参数，其特性互不相同，应各有一套可能是互相关联的控制系统，此类生产 设备被控对象就不止一个，应对其中的不同过程分别作不同的分析及处理。 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，一般都需用不同的传感器进行自动检测以获 得可靠的信息，才能了解生产过程进行的状态，需要进行自动控制的参数称为被控变量