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