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过程控制的发展_工业自动化控制_控制系统

1前言

过程控制是工业自动化的重要分支。几十年来，工业过程控制取得了惊

人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程

改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作

用。

2发展过程

在现代工业控制中,过程控制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪

30年代就已有应用。过程控制技术发展至今天,在控制方式上经历了从人工控

制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发

展阶段,它们是：分散控制阶段,集中控制阶段和集散控制阶段。

从过程控制采用的理论与技术手段来看，可以粗略地把它划为三个阶段：

开始到70年代为第一阶段，70年代至90年代初为第二阶段，90年代初为第

三阶段开始。其中70年代既是古典控制应用发展的鼎盛时期，又是现代控制应

用发展的初期，90年代初既是现代控制应用发展的繁荣时期，又是高级控制发

展的初期。第一阶段是初级阶段，包括人工控制，以古典控制理论为主要基础，

采用常规气动、液动和电动仪表，对生产过程中的温度、流量、压力和液位进行

控制，在诸多控制系统中，以单回路结构、PID策略为主，同时针对不同的对象

与要求，创造了一些专门的控制系统，如：使物料按比例配制的比值控制，克服

大滞后的Smith预估器，克服干扰的前馈控制和串级控制等等，这阶段的主要

任务是稳定系统，实现定值控制。这与当时生产水平是相适应的。

第二阶段是发展阶段，以现代控制理论为主要基础，以微型计算机和高

档仪表为工具，对较复杂的工业过程进行控制。这阶段的建模理论、在线辨识和

实时控制已突破前期的形式，继而涌现了大量的先进控制系统和高级控制策略，

如克服对象特性时变和环境干扰等不确定影响的自适应控制，消除因模型失配而

产生不良影响的预测控制等。这阶段的主要任务是克服干扰和模型变化，满足复

杂的工艺要求，提高控制质量。1975年，世界上第一台分散控制系统在美国

Honeywell公司问世，从而揭开了过程控制崭新的一页。分散控制系统也叫集散

控制系统，它综合了计算机技术、控制技术、通信技术和显示技术，采用多层分

级的结构形式,按总体分散、管理集中的原则，完成对工业过程的操作、监视、

控制。由于采用了分散的结构和冗余等技术，使系统的可靠性极高，再加上硬件

方面的开放式框架和软件方面的模块化形式，使得它组态、扩展极为方便，还有

众多的控制算法(几十至上百种)、较好的人—机界面和故障检测报告功能。经

过20多年的发展，它已日臻完善，在众多的控制系统中，显示出出类拔萃的风

范，因此，可以毫不夸张地说，分散控制系统是过程控制发展史上的一个里程碑。

第三阶段是高级阶段，目前正在来到。

3过程控制策略与算法的进展

几十年来，过程控制策略与算法出现了三种类型：简单控制、复杂控制

与先进控制。

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。

PID控制以经典控制理论为基础，主要用频域方法对控制系统进行分析与综合。

目前，PID控制仍然得到广泛应用。在许多DCS和PLC系统中，均没有PID控制

算法软件，或PID控制模块。

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，但是在结构与应用上各有特色，而且在目前仍在继续改进与发展。

20世纪70年代中后期，出现了以DCS和PLC为代表的新型计算机控制

装置，为过程控制提供了强有力的硬件与软件平台。

从20世纪80年代开始，在现代控制理论和人工智能发展的理论基础上，

针对工业过程控制本身的非线性、时变性、耦合性和不确定性等特性，提出了许

多行之有效的解决方法，如解耦控制、推断控制、预测控制、模糊控制、自适应

控制、人工神经网络控制等，常统称为先进过程控制。近十年来，以专家系统、

模糊逻辑、神经网络、遗传算法为主要方法的基于知识的智能处理方法已经成为

过程控制的一种重要技术。先进过程控制方法可以有效地解决那些采用常规控制

效果差，甚至无法控制的复杂工业过程的控制问题。实践证明，先进过程控制方

法能取得更高的控制品质和更大的经济效益，具有广阔