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现代过程控制技术的发展与应用 纪志祥 0 引言 1. 生产过程 生产过程：指物料经过若干加工步骤而成为产品的过程。 生产过程的总目标:是在可能获得的原料和能源条件下，以最经济的途径将原物料加工成预期的合格产品。为了达到目标，必须对生产过程进行监视与控制。 生产过程的种类：连续、离散和间歇生产过程。其中，连续过程工业所占的比重最大，涉及石油、化工、冶金、电力、轻工、纺织、医药、建材、食品等工业部门。 2、过程控制的任务 过程控制：指对连续生产过程的自动控制。 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，实现生产过程的控制目标。 控制过程目标体现： (1)安全性 在整个生产过程中，确保人身和设备安全是最重要和最基本的要求。 (2)稳定性 指系统抑制外部干扰、保持生产过程长期稳定运行的能力。 (3)经济性 在满足以上两个基本要求的基础上，低成本高效益是过程控制的另—目标。 3. 过程控制系统的组成与特点 组成：被控对象＋控制设备或装置=过程控制系统 即：为实现对某个工艺参数的自动控制，由相互联系、的一些仪表、装置及工艺对象构成的 一个整体。 过程控制的特点： 控制对象复杂、控制要求多样 控制方案丰富 控制对象大多属于慢过程 大多数工艺要求定值控制 大多使用标准化的检测、控制仪表及装置 4. 过程控制系统的分类及要求 分类： 按被控参数分类：温度、压力、流量、液位或物位、成分 按被控量数分类：单变量、多变量 按设定值分类：定值、随动(伺服)、程序 按参数性质分类：集中参数、分布参数 按控制算法分类：简单、复杂、先进或高级 按控制器形式分类：常规仪表、计算机控制系统 要求 概括为准确性、稳定性和快速性 一、 过程控制的发展与现状 过程控制的发展历程，就是过程控制装置与系统及控制策略与算法的发展历程。 1. 过程控制装置的变化 手工操作： 20世纪40年代以前，工业生产处于手工操作状态，操作工人通过对火候、冷热、色泽、形状等的观察来调整生产过程。（经验） 仪表控制和局部自动化： 20世纪50年代前后，一些企业实现了仪表控制和局部自动化。主要采用的是基地式仪表和部分组合仪表，以气动和液动做能源 自动化仪表安装在现场生产设备上 只具备简单的测控功能 在现场察看仪表及采取相应操作 大多数为SISO 适用于小规模、局部过程控制。 单元组合仪表和组装仪表： 20世纪60年代随着电子技术的迅速发展，开始采用单元组合仪表(包括气动与电动)以及组装仪表，以适应比较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统的需要。此时出现了以4—20mA和0一10mA电动模拟信号为统一标准信号的电动模拟控制系统。 与此同时，计算机开始用于过程控制领域。60年代中期，出现了用计算机实现的直接数字控制(DDC系统)和计算机监控系统(SCC系统)。 生产集中控制与管理 控制仪表集中在控制室，生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，送往控制室。 操作人员可以在控制室监控生产流程各处的状况。 适用于生产规模较大的多回路控制系统。 单元组合式仪表与组装式仪表（后期DDC危险高度集中，风险加大。未得到广泛应用。） DCS 和PLC： 20世纪70年代中期，一些厂家推出了分布式计算机控制系统DCS,又称集散系统和可编程序控制器(PLC)，将工业自动化向前推进了一大步。 80年后，一方面分布式计算机控制系统DCS成为流行的过程控制系统；另一方面，兼顾连续控制和逻辑控制／顺序控制功能的复合控制系统HCS得到发展。它可以是基于DCS而增添逻辑顺序功能的系统，也可以是基于PLC而增添连续控制功能的系统。 基于现场总线的计算机控制系统： 自从进人20世纪90年代，基于现场总线的计算机控制系统逐步走向实用化。正在成为提高上业生产过程经济效益的关键手段 2. 过程控制策略与算法的进展 策略与算法的理论基础: 经典控制理论、现代控制理论及人工智能 简单控制:通常将单回路PID控制称为简单控制。 它一直是过程控制的主要手段。占工业控制的巨大多数，目前，PID控制应用仍然十分广泛。在许多DCS和PLC系统中，均设有PID控制算法软件，或PID控制模块。 复杂控制:从20世纪50年代开始，过程控制界逐渐发展了串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制和smith预估控制等控制策略与算法，称之为复杂控制。 它们在很大程度上满足了复杂过程工业的一些特殊控制要求。它们仍然以经典控制理论为基础，但是结构与应用上各有特色，而且目前仍在继续改进与发展。 先进过程控制：