第1章绪论过程控制（Processcontrol）是指连续/间歇生产过程的自动控制。石油、化工、电力、水利、冶金、轻工、纺织、
制药、建材、核能、环境工程等许多领域的自动控制系统，都属于过程控制系统。化工厂炼油厂发电厂水电站炼钢生产轧钢生产过程控制技术与我们
的日程生活密切相关，直接或间接地影响着我们每时每刻生活的方方面面。放眼看去，我们使用和目力所及的几乎所有都与过程控制技术存在直接、
间接联系。食衣住药+医行新冠肺炎医院隔离病房负压控制风流示意图N95防护口罩生产线通风口布置医用空气净化过滤材料生产线连续生产过程
的特征是：生产过程中的各种物料（固体、液体、气体或多相混合物流），在连续（或间歇）的流动与传输过程中，进行持续的物理、化学反应，能
量与物质（物料）的转换或传递，并获得期望品质的（物质、能量、服务）产品。换热新风下面以图1人工控制室内温度控为例，简单说明过程控制
的基本工作原理。恒温室送风回风阀门温度计回风图1室温人工控制示意图假设在冬季，通过热水加热器，将送风加热后不断送往恒温室。为保
证恒温室温度满足要求，操作人员必须一直观察温度计指示值、随时进行判断并决定如何操作阀门，进行实际操作以满足恒温要求。人的作用可分
为三部分：眼看→脑想→手动操作，并持续循环进行。人工控制受个人经验和注意力难以持久、容易疲劳等限制，难以保证对室温精确控制和长
期平稳控制。如果用检测仪表、控制仪表、自动操作装置代替人的工作，就构成图2所示的温度控制系统。4M回水用温度变送器（含传感器
）将室内温度转换成控制器可接受的标准信号—替代人工系统的眼看；控制器将输入的实测温度信号和要求（给定）值进行比较（相减求偏差),
并按偏差值进行判断、计算出控制量（信号）—替代人工系统的脑想；换热器送风恒温室13TC2回风TT热水图2室温自动控制系统示意图1
—换热器；3—控制器；2—传感变送器；4—执行器将人工阀门换成自动调节阀，按控制量（信号）自动改变调节阀开度，控制热水流量大小—
替代人工系统的手动操作。自动控制系统按设计好的方案自动进行检测、控制计算与控制操作。如果系统方案设计合理，检测仪表、控制装置选择
、安装正确，控制器参数整定、系统调试无误，就可以做到室温精确和持续平稳的自动控制。图2为由自动化仪表代替人工观测、判断与手动操作
所构成的室温自动控制系统流程图。过程控制系统的定义：为实现对某个（连续或间歇）工艺参数的自动控制，由相互联系、制约的检测仪表、控
制仪表、控制操作装置及被控过程（对象/设备）构成的一个整体控制系统。因此可以认为：在讨论过程控制系统工作原理时，为了清楚地
表示自动控制系统各组成部分的作用及相互关系，通常采用控制原理框图来表示控制系统。过程控制系统=检测和控制仪表/装置+被控(对象)
过程干扰fe空气加热器及房间+控制器调节阀室温给定值－被控参数（室温）室温实测值温度变送器如图2的室温控制系统，是由温度变
送器(含传感器)、控制器、自动调节阀（以上为仪表和控制装置部分）和加热器及房间组成（控制对象或被控过程部分），控制系统框图可表示如
下。干扰fe+控制器执行器被控对象给定值－被控变量过程实测值（标准信号）变送器用通用名称表示为如下框图：被控对象/工艺过
程过程控制系统原理方框图自动化仪表与自动化装置过程控制系统的主要任务是：对生产过程中的重要（被控）参数（温度、压力、流量、物位、
成分、湿度等）进行控制，使其按工艺要求保持恒定或按规定规律变化。1.1过程控制的特点由于过程控制系统被控过程（对象）、被控参
数、控制目标和要求的多样性，过程控制系统具有以下特点：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1.2过程控制的发展概况过程控制发展历程是过程控制装置（自动化仪表、装置）与过程控
制系统的发展历程。1.2.1过程控制装置与系统的发展过程1．局部自动化阶段（20世纪50～60年代）自动化仪表安装在现场生产设备
上，只具备简单的检测、控制和安全保护功能。适用于小规模、局部过程、设备控制。2．模拟单元仪表控制阶段（20世纪60～70年代）主要
特点根据仪表/装置功能，将其划分为各种标准功能单元的自动化仪表，按照控制需要可以组合成满足各种要求的过程控制系统。控制仪表集中在控
制室，生产现场各处的参数通过统一的标准模拟信号，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
生产过程控制。数字仪表DDZ-Ⅱ电动仪表架装仪表DDZ－Ⅲ型仪表盘装仪表3．集散控制阶段（20世纪70年代中期至今）计算机的出现，
为控制功能的实现与提升提供了便捷的技术途径。有远见的过程控制专业人士立即关注计算机在控制领域的应用。开始人们设想用一台计算机取代所
有回路的控制仪表，实现多回路控制。早期用计算机控制尽可能多回路的系统设计思想，将会导致故障危险高度集中，尤其是一旦计算机系统出现故
障，就有可能造成所有控制回路瘫痪，生产过程风险太大。因此，早期计算机控制的设想基本未付诸实际工业应用。80年代初，随着计算机
性能提高、体积大幅度减小，尤其是高新能微处理器的面世，很快出现了内装CPU的数字控制仪表。基于“集中管理，分散控制”的理念
，在数字控制仪表和计算机与网络技术基础上，1975年美国Honeywell率先开发了第一套集中管理/操作、分散控制相结合的集散控制
系统（DCS，DistributedControlSystem）TDC-2000。DCS实行分层结构，将控制系统故障
风险分散、管理功能集中。其强大的控制功能和优异性能很快得到广泛应用，成为大型生产过程主流控制技术。随着CPU进入检测仪表和执行器等
现场仪表，自动化仪表实现了数字化、网络化。控制系统也出现了由数字化、智能仪表构成的现场总线控制系统（FCS，FieldbusC
ontrolSystem)。FCS系统把控制功能彻底下放到生产现场，依靠现场智能仪表实现生产过程的检测、控制。而用开放的、
标准化的通信网络——现场总线，将分散在现场的控制系统的通信连接起来，实现信息共享和集中管理。将DCS结构体系优点与FCS网络化体系
相结合，也是开发商和用户欢迎的一种控制系统网络架构。1.2.2过程控制策略与算法发展伴随着自动化仪表、装置与DCS、FCS的发展
，过程控制策略与算法也经历了由简单到复杂、由常规到高级/先进的发展历程。以经典控制理论为基础的PID（Proportional
,IntegralandDerivative）控制算法（1942提出），由单回路控制发展出的串级控制、前馈控制、比值控制、均
匀控制、Smith预估控制、选择性控制、解耦控制等复杂控制方案和控制策略，为满足大型、复杂生产过程对工艺参数动态性能、控制精度、生
产安全的高要求，以及各种复杂工艺的特殊控制需求，提供了可行的控制系统解决方案。PID控制和这些控制方案仍在广泛应用，并不断得到改进
、完善和发展，显示出强大的适应性和生命力。随着现代控制理论和人工智能技术的发展，针对生产过程本身存在非线性、时变性、不确定性、控
制变量之间强耦合等特性，提出了许多可行的控制策略与方法，如自适应控制、模糊控制、预测控制、推断控制、仿人控制、解耦控制等，一般将这
这些控制方法统称为先进过程控制/高等过程控制（APC，AdvancedProcessControl）。近年来，以专家系统、
模糊逻辑、神经网络、遗传算法等为主要途径的基于知识的智能控制处理方法已经成为先进过程控制的重要方法。先进过程控制方法的日趋完善和成
熟，为有效地解决那些采用传统控制效果差，甚至无法控制的复杂过程的自动控制问题，以及生产过程优化提供了有力的支持。应用实践表明，先进
控制方法能取得更高的控制品质和更好的经济效益，具有很好的应用与发展前景。1.2.3现代过程控制技术的特点及发展趋势1.2.3.1
现代过程控制技术的主要特点1、控制功能综合化控制与管理一体化已成为趋势，其应用领域和系统规模越来越大。2、技术密集化、系统集成化
过程控制是控制技术、通讯技术、计算机技术和人工智能相结合的产物。3、系统的智能化程度日益提高控制智能化使系统控制精度越来越高，
控制系统功能持续增强，控制手段日益丰富，自动控制应用领域不断扩大。1.2.3.2过程控制的发展趋势过程装备、流程工艺的持续进步和精
细化、高效率、高品质、低排放的现代流程工业发展，对过程控制技术进步的需求持续旺盛；过程控制理论与过程控制仪表、装置与系统技术一直是
控制理论和工业自动化领域关注的热点，其理论和技术成果为过程控制技术进步的提供了理论与技术基础；人工智能、大数据等新成果和计算机技术
、通信与网络技术、电子技术不断进步，为过程控制技术的持续、快速发展提供了有力支持。1.先进过程控制技术快速发展以智能控制、预测控
制为代表的先进过程控制技术在过程领域成功运用，使先进过程控制受到工业界普遍关注。控制软件公司、DCS生产商竞相开发先进控制工程软件
包，如美国DMC公司的DMC，Setpoint公司的IDCOM-M、SMCA，HoneywellProfimatics公司的RM
PCT，Aspen公司的DMCPLUS，法国Adersa公司的PFC，加拿大TreiberControls公司的OPC等，成功应
用于重要过程装置并取得显著经济效益。目前比较成熟的先进控制策略有多变量预测控制、推理控制及软测量技术、自适应控制、鲁棒控制、智能控
制(专家控制、模糊控制和神经网络控制)等。2.生产全流程控制优化连续流程工业生产中，子过程之间存在物流分配、物料平衡和能量平衡
等问题，通过全流程控制优化可以获得更好效益。静态优化寻找最佳工艺参数设定值以获得最大经济效益，即过程稳态优化。动态优化随着研究深人
，动态过程最优控制重要性凸显。对于实际过程，并不一定要求动态最优，能求出“优化区间”或“满意解”就能满足要求。控制优化受到工艺限
制。将工艺设计与控制优化整体考虑，在工艺设计阶段就考虑控制方案及运行效果预判，并兼顾过程控制优化的设计方法日益受到重视。3.生产过
程控制、资源管理与经营决策信息集成复杂过程工业生产全流程由多个生产子过程（工序）共同构成全流程生产线，将原料加工为半成品材料或者
产品，并实现产品质量、成本控制与效益优化的综合目标。复杂过程工业的控制、运行与管理大多采用企业资源计划(ERPEnterpris
eresourceplanning)、制造执行系统(MESManufacturingexecutionsystems)
和过程控制系统(PCSProcesscontrolsystem)三层结构来实现。ERP根据企业经营决策总目标，对物料/能量
流、资金流、信息流的管理、决策，输出生产控制(生产计划)、物流管理(分销、采购、库存管理)和财务管理(会计核算、财务管理)优
化配置结果；MES提供生产计划、生产调度、质量管理、能源管理、设备管理、生产指标监视、优化决策等功能；PCS主要实现各个装置/
设备/单元的过程回路控制、逻辑控制与生产过程监控等。通过计算机、通信网络和生产/制造过程控制的综合平台，实现过程自动控制（PCS
）,生产经营与管理信息系统（ERP、MES）有机融合,最终实现，使过程生产与控制系统的必然需求和发展趋势。复杂生产过程资源计划
、管理、调度、过程控制的全流程一体化信息系统的几种系统架构如下图所示。计划经济时代，国内自动化仪表归属重工业部门，西安仪表厂、四川
仪表公司、上海仪表公司是当时国内著名的三大仪表生产企业。国内现在有影响力有浙江中控（SUPCON）、和利时（HollySys
）、上海新华等。国外著名仪表与控制系统企业有Honeywell、Foxboro、Rosemount、Emerson、Siem
ens、YOKOGAWA（横河）、ABB、Rockwell、Schneider、E+H（Endress+Hause）等公司
。工业自动化仪表的部分品种1.3过程控制系统分类及其性能指标1.3.1过程控制系统的分类过程控制系统有多种分类方法。按所控制的参
数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与数字控制系统；按照控制器类型
来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统等。在进行控制原理分析时，常用的分类方法是按设定值的形式或系统的结构特点分类。干扰fe
+控制器执行器被控对象给定值－被控参数被控参数实测值变送器1.按控制系统设定值的形式分类1）定值控制系统——设定值保持不变的控
制系统。2）随动控制系统——设定值跟随其他参数变化按一定规律的控制系统。3）程序控制系统——设定值按预定时间程序或控制逻辑变
化的控制系统。干扰fe+控制器执行器被控对象给定值－被控参数实测值变送器2.按控制系统的结构特点分类1）反馈控制系统（闭环
控制系统）将被控参数检测值输入到控制器，形成闭环，即具有被控参数（负）反馈的控制系统，如下图所示。反馈（闭环）控制系统原理框图反
馈控制是过程控制系统最基本的结构形式扰动检测值扰动f被控参数被控对象前馈控制器执行器开环（前馈/补偿）控制系统原理框图2）前馈
控制系统（开环控制系统）控制系统按扰动量大小进行控制，没有被控参数（负）反馈，也不将被控变量引入到控制器输入端，一般不对被控参数
进行检测（因此无法评判控制效果）。前馈控制系统基本原理如下图所示。扰动f控制器2变送器2e++控制器1执行器被控对象+给定值
－被控参数被控参数实测值变送器13）复合（前馈+反馈）控制系统前馈与反馈相结合，综合各自的优势。基本的系统结构如下图所示前馈
-反馈复合控制系统原理框图3.按系统的结构复杂程度分类简单控制系统——只有一个反馈控制回路的控制系统，也称单回路控制系统，如前面
的反馈控制系统就属于简单控制系统。复杂控制系统——在单回路控制系统不能满足要求的情况下，为提高控制精度和品质，或满足特殊的工艺要求
所设计的各种控制系统统称为复杂控制，如前面的复合（前馈+反馈）控制系统就属于复杂控制系统。复杂控制系统有多种结构、类型，有关内容
将在第七章进行深入讨论。yt01.3.2过程控制系统的性能指标当被控对象/过程受到干扰、被控参数发生变化偏离设定值时，控制系统发挥
作用、抵制干扰、纠正被控参数偏差的过程，反映了控制系统性能的优劣。要判定、评价控制系统性能的优略，必须要有评价控制系统的性能指标。
控制系统的性能指标是根据工艺对控制的要求来制定的，概括为稳定性、准确性和快速性。yt静态动态静态1.3.2.1稳态与动态1、稳
态—对于定值控制，把被控变量不随时间变化的平衡状态称为控制系统(过程)的稳态（静态）。当自动控制系统的输入（干扰或扰动）恒定不变
时，系统处于一种稳定的平衡状态，系统中各个环节也都处于稳定状态，但生产还在进行，物料和能量仍然有进有出，只是平稳进行没有变化而已
。静态特性—系统稳态时各环节的输入输出关系。yt静/稳态动态静/稳态2、动态—把系统变量脱离平稳状态随时间变化的不平衡状态称
为系统的动态。控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程即为动态过程。当系统受到扰动或干扰，脱离平衡状态，变量发生变化，控制
器、控制阀等自动化装置随即产生控制作用，使系统恢复到平衡状态。动态特性—系统在动态过程中，各环节的输入输出变化关系。1.3.2.2
控制系统的过渡过程控制系统的输入（扰动或干扰）变化后，动态稳定系统从原来的平衡状态，经过动态过程到达新平衡状态的动态历程称为系统
的过渡过程。干扰fe+执行器控制器被控过程－给定值被控参数被控参数实测值传感器系统的过渡过程响应受内部和外部两种因素影响。
内部因素-—系统特性系统的特性由系统中各环节的特性和系统的结构所决定的。外部因素-—输入信号在系统特性一定的情况下，被控变量
随时间的变化规律取决于系统的输入信号的特征。在实际生产过程，出现的干扰/扰动信号通常是随机的。但在分析和设计控制系统时，为了充分
反映系统的特性和分析方便，常选择一些特定输入信号，其中常用的是阶跃信号和正弦信号。阶跃信号的变化突然，对被控变量的影响大而且剧烈。
如果一个控制系统能够有效地克服这种干扰的影响，那么对其它比较平缓的干扰也能很好地克服。阶跃信号的形式简单，容易实现，便于分析、实验
和计算。故更多使用阶跃信号。如图，输入信号在t=0时，阶跃上升幅度为A，其后保持不变，可表示为f(t)At0f(t)
=Au(t)y②在阶跃输入的扰动作用下，定值控制系统过渡过程有四种形式：y①单调衰减过程被控参数在稳态值一侧作单调
变化，最后稳定在某一数值上。②振荡衰减过程被控参数在稳态值上下波动，但幅度逐渐减少，最后稳定在某一数值上。ty0①ty0yty
③t④③等幅振荡过程被控参数在稳态值附近来回波动，且波动幅度保持不变。④振荡发散过程被控参数来回波动，且波动幅度逐渐变大，离
稳态值越来越远。y0y0y过渡过程的分类（1）稳定过渡过程单调过程和衰减振荡过程是稳定的过渡过程。被控参数偏离稳态值一段时
间后，逐渐返回原来或达到新稳定状态。衰减振荡过渡过程时间较短，实际中经常采用。单调过渡过程较慢、时间较长，被控参数长时间偏离
稳态值，实际控制系统一般不采用，只是在生产上不允许被控变量有波动的情况下才采用。ytty0y0ytyt（2）不稳定过渡过程发散
振荡过程，被控参数不能返回原来平衡状态，也无法达到新稳态，而逐渐远离稳态值，它将导致被控参数超出工艺允许范围，这是生产中不允许的。
（3）临界过渡过程处于稳定与不稳定之间，一般工程上认为是不稳定的，实际生产中很少采用(只在某些要求不高，如液位控制时可采用，但
在家电等简单控制中较为常用)。y0y01.3.2.3控制系统的性能指标对控制系统的性能评价，一般根据生产工艺对控制过程和稳态结果
的要求进行评判。过渡过程曲线是评价控制系统品质的样本。最典型的控制性能测试是给系统输入一个阶跃扰动，观察其阶跃响应过程的特征。
阶跃响应分给定阶跃响应和干扰阶跃响应两类。其阶跃响应曲线有所不同，但反映的控制系统的动态性能指标是一致的（这是因为系统特征方程相同
，即二者传递函数的分母相同）。y被控参数的阶跃干扰/扰动动态响应t干扰fe+控制器执行器被控对象给定值－被控参数被控参数实测
值传感器干扰/扰动阶跃输入响应和给定阶跃输入响应的区别y0被控参数给定值阶跃变化的动态响应yt干扰fe+控制器执行器被控对象
给定值－被控参数被控参数实测值传感器y0常用控制系统性能指标：①单项性能指标；②综合性能指标。单项性能指标以控制系统过渡过
程的单项特征量作为衡量控制系统某一性能的指标，而偏差积分性能指标则是一种能反映控制系统综合性能的指标。实际的生产过程中，大多数情况
下希望控制系统呈现快速收敛的衰减振荡过程！常以图1-3所示的衰减振荡过渡过程形式为例，讨论系统的控制品质指标。1.控制系统阶跃输
入响应的单项性能指标单项性能指标包含了对控制系统的稳定性、快速性和准确性三方面的评价。yy3Cy1ry(∞)TpTtTS图1-
3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线1）衰减比n和衰减率ψ设第一个上升波幅度为y1、第三个上升波幅度为y3
y0yy3y1Cry(∞)TpTtTS衰减比n和衰减率ψ是表示系统稳定程度的指标。n大于1，系统动态稳定。随着n增大，过渡过
程逐渐由衰减振荡趋向于单调衰减过程。工程实践表明：衰减比在4:1~10:1之间时，过渡过程的衰减程度比较合适，过渡过程时间较短
。衰减比n与衰减率ψ之间有简单的对应关系：n=4:1~10:1，相当于ψ=75%～90%。y0图1-3（闭环）
控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线yy3ACy1ry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动
）的响应曲线2）最大动态偏差A和超调量σ最大动态偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。即:A=ymax-r最大动态偏差
是衡量控制系统动态准确性指标。y0yy3Cy1ry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应
曲线有时也采用超调量σ来表示被控参数偏离设定值的程度，σ的定义是第一个波振幅y1与最终稳态值y(∞)之比。即y0yy3Cy1r
y(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线3）余差C过渡过程结束后，被控参数的稳态值y(
∞)与设定值之间的残余偏差叫做余差，也称静差，是衡量控制系统稳态准确性的指标。C=y(∞)-ry0yy3Cy1ry(∞)Tp
TtTS图（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线4）调节时间Ts和振荡频率ωTS是指从扰动出现、过渡过程开始到过渡
过程结束所需的时间。当被控参数与稳态值间偏差进入稳态值的±5%（或±2%）范围内时，工程上就认为过渡过程已经结束。y0yy3Cy
1ry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线调节时间TS和振荡频率f是衡量控制系统快速性
的指标。过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期T，其倒数称为振荡频率f=1/Ty0yy3Cy1ry(
∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线另外还有峰值时间Tp（又称上升时间），是指从过渡过
程开始至被控参数到达第一个波峰所需要的时间，也是衡量控制系统快速性的指标。y0【例】某换热器温度控制系统给定值为200℃。在阶
跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示。试求最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡过程时间。解：按照各单项指标定义，依据阶跃响应（过
渡过程）曲线数据，可计算出：最大偏差A=230-200=30℃余差C=205-200=5℃衰减比n=y1:y
3=25:5=5:1振荡周期T=20–5=15（min）设被控参数进入稳态值的±2％，就认为过渡过程结束，则
误差区域=205×（±2％）＝±4.1℃。在新稳态值（205℃）两侧以宽度为±4.1℃，画一区域（阴影线）。曲线进入时间点为T
s=22min。调节时间TS=22（min）控制系统单项性能指标小结稳定性衰减比n=4:1~10:1满足工程要
求准确性余差C尽可能小最大偏差A尽可能小快速性过渡时间Ts尽可能短振荡周期T尽可能短各单向性能指标之间既有联
系、又有矛盾。例如，过分减小最大偏差，会使过渡时间变长。因此，应根据具体工艺情况分清主次，对生产过程有决定性意义的主要指标应优先予
以保证。yy1y3Cry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线2.系统阶跃响应的综合性能
指标——偏差积分单项指标直观、明了，但如何统筹考虑有时则比较困难。而偏差积分与偏差幅度和偏差存在时间密切相关，因此用偏差积分一个
指标，就可能全面反映控制系统的动态品质。y0∞偏差积分的原始定义：IE=∫e(t)dt0yyCCrry(∞)y(∞)t这里
偏差的定义存在分歧，如e(t)=y(t)-y(∞)不能表达余差；e(t)=y(t)-r如有余差则积分无穷
大。ty0y0yy1y3Cry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线偏差积分指标有以下几
种形式：①偏差积分IE（IntegralofError，e(t)=y(t)-y(∞)）不能保证系统是衰减振荡！I
Ey0yy1y3Cry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线②绝对偏差积分IAE（In
tegralAbsolutevalueofError）排除了正负偏差抵消的可能。IAEy0yy1y3Cry(∞)TpTtT
S图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线③平方偏差积分ISE（IntegralofSquaredEr
ror）ISE对大偏差敏感！y0yy1y3Cry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线
④时间与绝对偏差乘积积分ITAE（IntegralofTimemultipliedbytheAbsolutevalu
eofError）ITAE对晚出现偏差敏感！y0干扰fe+被控参数控制器执行器被控对象－给定值实测值传感器1.3.
2.4影响过程控制系统性能指标的主要因素过程控制系统可概括为两大部分:检测/控制仪表（装置）和被控（对象）过程。控制系统性能取决
于系统结构和各环节的特性，主要取决于被过程控(对象)的动态特性。通过本课程学习，能够掌握仪表选型、控制方案设计、控制算法设计、参
数整定的基本方法，充分发挥被控(对象)过程的潜能，并获得良好的系统性能(品质)指标。检测/控制仪表(装置)被控过程期望所设计过
程控制系统能够达到预定目标性能，首先要正确选择被控参数、控制变量，并进行仪表与设备选型和控制器参数整定。从下一章开始，对组成自动控
制系统的各个环节：测量与变送装置(第2章)、控制器（第3章）和执行器/安全栅（第4章）、被控过程建模（第5章）进行讨论。在掌握各环
节作用、功能和特性后，第6章讨论简单控制系统设计和参数整定，第7章讨论复杂控制系统设计，第8章简单介绍先进控制的内容，第9章简单介
绍DDC、DCS、PLC及现场总线技术，第10章分析2个典型过程控制系统的应用实例。通过以上内容学习，达到以下目标了解和掌握工艺参
数的基本测量方法和测量仪表、控制仪表、执行机构与安全栅工作原理，能正确选择、使用自动化仪表；能够建立简单被控过程数学模型。理解自动
控制系统工作原理及各环节的作用，能设计合理的（简单/复杂）自动控制方案。掌握基本控制规律及其控制器参数对被控过程的影响，能对自动控
制系统进行调试和维护。第1章绪论过程控制（Processcontrol）是指连续/间歇生产过程的自动控制。石油、化工
、电力、水利、冶金、轻工、纺织、制药、建材、核能、环境工程等许多领域的自动控制系统，都属于过程控制系统。化工厂炼油厂发电厂水电站炼
钢生产轧钢生产过程控制技术与我们的日程生活密切相关，直接或间接地影响着我们每时每刻生活的方方面面。放眼看去，我们使用和目力所及的几
乎所有都与过程控制技术存在直接、间接联系。食衣住药+医行新冠肺炎医院隔离病房负压控制风流示意图N95防护口罩生产线通风口布置医用空
气净化过滤材料生产线连续生产过程的特征是：生产过程中的各种物料（固体、液体、气体或多相混合物流），在连续（或间歇）的流动与传输过程
中，进行持续的物理、化学反应，能量与物质（物料）的转换或传递，并获得期望品质的（物质、能量、服务）产品。换热新风下面以图1人工控制
室内温度控为例，简单说明过程控制的基本工作原理。恒温室送风回风阀门温度计回风图1室温人工控制示意图假设在冬季，通过热水加热器，
将送风加热后不断送往恒温室。为保证恒温室温度满足要求，操作人员必须一直观察温度计指示值、随时进行判断并决定如何操作阀门，进行实际操
作以满足恒温要求。人的作用可分为三部分：眼看→脑想→手动操作，并持续循环进行。人工控制受个人经验和注意力难以持久、容易疲劳等
限制，难以保证对室温精确控制和长期平稳控制。如果用检测仪表、控制仪表、自动操作装置代替人的工作，就构成图2所示的温度控制系统。
4M回水用温度变送器（含传感器）将室内温度转换成控制器可接受的标准信号—替代人工系统的眼看；控制器将输入的实测温度信号和要求（
给定）值进行比较（相减求偏差),并按偏差值进行判断、计算出控制量（信号）—替代人工系统的脑想；换热器送风恒温室13TC2回风TT热
水图2室温自动控制系统示意图1—换热器；3—控制器；2—传感变送器；4—执行器将人工阀门换成自动调节阀，按控制量（信号）自动改
变调节阀开度，控制热水流量大小—替代人工系统的手动操作。自动控制系统按设计好的方案自动进行检测、控制计算与控制操作。如果系统方案
设计合理，检测仪表、控制装置选择、安装正确，控制器参数整定、系统调试无误，就可以做到室温精确和持续平稳的自动控制。图2为由自动化
仪表代替人工观测、判断与手动操作所构成的室温自动控制系统流程图。过程控制系统的定义：为实现对某个（连续或间歇）工艺参数的自动控制
，由相互联系、制约的检测仪表、控制仪表、控制操作装置及被控过程（对象/设备）构成的一个整体控制系统。因此可以认为：在讨论过
程控制系统工作原理时，为了清楚地表示自动控制系统各组成部分的作用及相互关系，通常采用控制原理框图来表示控制系统。过程控制系统=检
测和控制仪表/装置+被控(对象)过程干扰fe空气加热器及房间+控制器调节阀室温给定值－被控参数（室温）室温实测值温度变送器
如图2的室温控制系统，是由温度变送器(含传感器)、控制器、自动调节阀（以上为仪表和控制装置部分）和加热器及房间组成（控制对象或被控
过程部分），控制系统框图可表示如下。干扰fe+控制器执行器被控对象给定值－被控变量过程实测值（标准信号）变送器用通用名称表
示为如下框图：被控对象/工艺过程过程控制系统原理方框图自动化仪表与自动化装置过程控制系统的主要任务是：对生产过程中的重要（被控
）参数（温度、压力、流量、物位、成分、湿度等）进行控制，使其按工艺要求保持恒定或按规定规律变化。1.1过程控制的特点由于过程
控制系统被控过程（对象）、被控参数、控制目标和要求的多样性，过程控制系统具有以下特点：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1.2过程控制的发展概况过程控制发展历程是过程控制
装置（自动化仪表、装置）与过程控制系统的发展历程。1.2.1过程控制装置与系统的发展过程1．局部自动化阶段（20世纪50～60年
代）自动化仪表安装在现场生产设备上，只具备简单的检测、控制和安全保护功能。适用于小规模、局部过程、设备控制。2．模拟单元仪表控制阶
段（20世纪60～70年代）主要特点根据仪表/装置功能，将其划分为各种标准功能单元的自动化仪表，按照控制需要可以组合成满足各种要求
的过程控制系统。控制仪表集中在控制室，生产现场各处的参数通过统一的标准模拟信号，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生产过程控制。数字仪表DDZ-Ⅱ电动仪表架装仪表DDZ－Ⅲ型仪表盘装仪表3．集散控制阶段（20世纪
70年代中期至今）计算机的出现，为控制功能的实现与提升提供了便捷的技术途径。有远见的过程控制专业人士立即关注计算机在控制领域的应用
。开始人们设想用一台计算机取代所有回路的控制仪表，实现多回路控制。早期用计算机控制尽可能多回路的系统设计思想，将会导致故障危险高度
集中，尤其是一旦计算机系统出现故障，就有可能造成所有控制回路瘫痪，生产过程风险太大。因此，早期计算机控制的设想基本未付诸实际工业
应用。80年代初，随着计算机性能提高、体积大幅度减小，尤其是高新能微处理器的面世，很快出现了内装CPU的数字控制仪表。基于
“集中管理，分散控制”的理念，在数字控制仪表和计算机与网络技术基础上，1975年美国Honeywell率先开发了第一套集中管理
/操作、分散控制相结合的集散控制系统（DCS，DistributedControlSystem）TDC-2000。D
CS实行分层结构，将控制系统故障风险分散、管理功能集中。其强大的控制功能和优异性能很快得到广泛应用，成为大型生产过程主流控制技术。
随着CPU进入检测仪表和执行器等现场仪表，自动化仪表实现了数字化、网络化。控制系统也出现了由数字化、智能仪表构成的现场总线控制系统
（FCS，FieldbusControlSystem)。FCS系统把控制功能彻底下放到生产现场，依靠现场智能仪表实现生
产过程的检测、控制。而用开放的、标准化的通信网络——现场总线，将分散在现场的控制系统的通信连接起来，实现信息共享和集中管理。将DC
S结构体系优点与FCS网络化体系相结合，也是开发商和用户欢迎的一种控制系统网络架构。1.2.2过程控制策略与算法发展伴随着自动化
仪表、装置与DCS、FCS的发展，过程控制策略与算法也经历了由简单到复杂、由常规到高级/先进的发展历程。以经典控制理论为基础的P
ID（Proportional,IntegralandDerivative）控制算法（1942提出），由单回路控制发展出的
串级控制、前馈控制、比值控制、均匀控制、Smith预估控制、选择性控制、解耦控制等复杂控制方案和控制策略，为满足大型、复杂生产过程
对工艺参数动态性能、控制精度、生产安全的高要求，以及各种复杂工艺的特殊控制需求，提供了可行的控制系统解决方案。PID控制和这些控制
方案仍在广泛应用，并不断得到改进、完善和发展，显示出强大的适应性和生命力。随着现代控制理论和人工智能技术的发展，针对生产过程本身
存在非线性、时变性、不确定性、控制变量之间强耦合等特性，提出了许多可行的控制策略与方法，如自适应控制、模糊控制、预测控制、推断控制
、仿人控制、解耦控制等，一般将这这些控制方法统称为先进过程控制/高等过程控制（APC，AdvancedProcessCont
rol）。近年来，以专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法等为主要途径的基于知识的智能控制处理方法已经成为先进过程控制的重要方法
。先进过程控制方法的日趋完善和成熟，为有效地解决那些采用传统控制效果差，甚至无法控制的复杂过程的自动控制问题，以及生产过程优化提供
了有力的支持。应用实践表明，先进控制方法能取得更高的控制品质和更好的经济效益，具有很好的应用与发展前景。1.2.3现代过程控制技
术的特点及发展趋势1.2.3.1现代过程控制技术的主要特点1、控制功能综合化控制与管理一体化已成为趋势，其应用领域和系统规模越来
越大。2、技术密集化、系统集成化过程控制是控制技术、通讯技术、计算机技术和人工智能相结合的产物。3、系统的智能化程度日益提高控
制智能化使系统控制精度越来越高，控制系统功能持续增强，控制手段日益丰富，自动控制应用领域不断扩大。1.2.3.2过程控制的发展趋势
过程装备、流程工艺的持续进步和精细化、高效率、高品质、低排放的现代流程工业发展，对过程控制技术进步的需求持续旺盛；过程控制理论与过
程控制仪表、装置与系统技术一直是控制理论和工业自动化领域关注的热点，其理论和技术成果为过程控制技术进步的提供了理论与技术基础；人工
智能、大数据等新成果和计算机技术、通信与网络技术、电子技术不断进步，为过程控制技术的持续、快速发展提供了有力支持。1.先进过程控制
技术快速发展以智能控制、预测控制为代表的先进过程控制技术在过程领域成功运用，使先进过程控制受到工业界普遍关注。控制软件公司、DC
S生产商竞相开发先进控制工程软件包，如美国DMC公司的DMC，Setpoint公司的IDCOM-M、SMCA，Honeywell
Profimatics公司的RMPCT，Aspen公司的DMCPLUS，法国Adersa公司的PFC，加拿大TreiberCon
trols公司的OPC等，成功应用于重要过程装置并取得显著经济效益。目前比较成熟的先进控制策略有多变量预测控制、推理控制及软测量技
术、自适应控制、鲁棒控制、智能控制(专家控制、模糊控制和神经网络控制)等。2.生产全流程控制优化连续流程工业生产中，子过程之间
存在物流分配、物料平衡和能量平衡等问题，通过全流程控制优化可以获得更好效益。静态优化寻找最佳工艺参数设定值以获得最大经济效益，即过
程稳态优化。动态优化随着研究深人，动态过程最优控制重要性凸显。对于实际过程，并不一定要求动态最优，能求出“优化区间”或“满意解”就
能满足要求。控制优化受到工艺限制。将工艺设计与控制优化整体考虑，在工艺设计阶段就考虑控制方案及运行效果预判，并兼顾过程控制优化的
设计方法日益受到重视。3.生产过程控制、资源管理与经营决策信息集成复杂过程工业生产全流程由多个生产子过程（工序）共同构成全流程生
产线，将原料加工为半成品材料或者产品，并实现产品质量、成本控制与效益优化的综合目标。复杂过程工业的控制、运行与管理大多采用企业资源
计划(ERPEnterpriseresourceplanning)、制造执行系统(MESManufacturingex
ecutionsystems)和过程控制系统(PCSProcesscontrolsystem)三层结构来实现。ERP根据
企业经营决策总目标，对物料/能量流、资金流、信息流的管理、决策，输出生产控制(生产计划)、物流管理(分销、采购、库存管理)和财
务管理(会计核算、财务管理)优化配置结果；MES提供生产计划、生产调度、质量管理、能源管理、设备管理、生产指标监视、优化决策等
功能；PCS主要实现各个装置/设备/单元的过程回路控制、逻辑控制与生产过程监控等。通过计算机、通信网络和生产/制造过程控制的综
合平台，实现过程自动控制（PCS）,生产经营与管理信息系统（ERP、MES）有机融合,最终实现，使过程生产与控制系统的必然需求
和发展趋势。复杂生产过程资源计划、管理、调度、过程控制的全流程一体化信息系统的几种系统架构如下图所示。计划经济时代，国内自动化仪表
归属重工业部门，西安仪表厂、四川仪表公司、上海仪表公司是当时国内著名的三大仪表生产企业。国内现在有影响力有浙江中控（SUPCON
）、和利时（HollySys）、上海新华等。国外著名仪表与控制系统企业有Honeywell、Foxboro、Rosemo
unt、Emerson、Siemens、YOKOGAWA（横河）、ABB、Rockwell、Schneider、E+H（En
dress+Hause）等公司。工业自动化仪表的部分品种1.3过程控制系统分类及其性能指标1.3.1过程控制系统的分类过程控制
系统有多种分类方法。按所控制的参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系
统与数字控制系统；按照控制器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统等。在进行控制原理分析时，常用的分类方法是按设定值的形式或
系统的结构特点分类。干扰fe+控制器执行器被控对象给定值－被控参数被控参数实测值变送器1.按控制系统设定值的形式分类1）定
值控制系统——设定值保持不变的控制系统。2）随动控制系统——设定值跟随其他参数变化按一定规律的控制系统。3）程序控制系统——设
定值按预定时间程序或控制逻辑变化的控制系统。干扰fe+控制器执行器被控对象给定值－被控参数实测值变送器2.按控制系统的结
构特点分类1）反馈控制系统（闭环控制系统）将被控参数检测值输入到控制器，形成闭环，即具有被控参数（负）反馈的控制系统，如下图所示
。反馈（闭环）控制系统原理框图反馈控制是过程控制系统最基本的结构形式扰动检测值扰动f被控参数被控对象前馈控制器执行器开环（前馈
/补偿）控制系统原理框图2）前馈控制系统（开环控制系统）控制系统按扰动量大小进行控制，没有被控参数（负）反馈，也不将被控变量引入
到控制器输入端，一般不对被控参数进行检测（因此无法评判控制效果）。前馈控制系统基本原理如下图所示。扰动f控制器2变送器2e+
+控制器1执行器被控对象+给定值－被控参数被控参数实测值变送器13）复合（前馈+反馈）控制系统前馈与反馈相结合，综合各自的优
势。基本的系统结构如下图所示前馈-反馈复合控制系统原理框图3.按系统的结构复杂程度分类简单控制系统——只有一个反馈控制回路的控制
系统，也称单回路控制系统，如前面的反馈控制系统就属于简单控制系统。复杂控制系统——在单回路控制系统不能满足要求的情况下，为提高控制
精度和品质，或满足特殊的工艺要求所设计的各种控制系统统称为复杂控制，如前面的复合（前馈+反馈）控制系统就属于复杂控制系统。复杂控
制系统有多种结构、类型，有关内容将在第七章进行深入讨论。yt01.3.2过程控制系统的性能指标当被控对象/过程受到干扰、被控参数发
生变化偏离设定值时，控制系统发挥作用、抵制干扰、纠正被控参数偏差的过程，反映了控制系统性能的优劣。要判定、评价控制系统性能的优略，
必须要有评价控制系统的性能指标。控制系统的性能指标是根据工艺对控制的要求来制定的，概括为稳定性、准确性和快速性。yt静态动态静态1
.3.2.1稳态与动态1、稳态—对于定值控制，把被控变量不随时间变化的平衡状态称为控制系统(过程)的稳态（静态）。当自动控制
系统的输入（干扰或扰动）恒定不变时，系统处于一种稳定的平衡状态，系统中各个环节也都处于稳定状态，但生产还在进行，物料和能量仍然有
进有出，只是平稳进行没有变化而已。静态特性—系统稳态时各环节的输入输出关系。yt静/稳态动态静/稳态2、动态—把系统变量脱离
平稳状态随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程即为动态过程。当系统受到扰动或干扰，
脱离平衡状态，变量发生变化，控制器、控制阀等自动化装置随即产生控制作用，使系统恢复到平衡状态。动态特性—系统在动态过程中，各环节的
输入输出变化关系。1.3.2.2控制系统的过渡过程控制系统的输入（扰动或干扰）变化后，动态稳定系统从原来的平衡状态，经过动态过程
到达新平衡状态的动态历程称为系统的过渡过程。干扰fe+执行器控制器被控过程－给定值被控参数被控参数实测值传感器系统的过渡过
程响应受内部和外部两种因素影响。内部因素-—系统特性系统的特性由系统中各环节的特性和系统的结构所决定的。外部因素-—输入信号
在系统特性一定的情况下，被控变量随时间的变化规律取决于系统的输入信号的特征。在实际生产过程，出现的干扰/扰动信号通常是随机的。但
在分析和设计控制系统时，为了充分反映系统的特性和分析方便，常选择一些特定输入信号，其中常用的是阶跃信号和正弦信号。阶跃信号的变化突
然，对被控变量的影响大而且剧烈。如果一个控制系统能够有效地克服这种干扰的影响，那么对其它比较平缓的干扰也能很好地克服。阶跃信号的形
式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。故更多使用阶跃信号。如图，输入信号在t=0时，阶跃上升幅度为A，其后保持不变，可
表示为f(t)At0f(t)=Au(t)y②在阶跃输入的扰动作用下，定值控制系统过渡过程有四种形式：y①单调衰减
过程被控参数在稳态值一侧作单调变化，最后稳定在某一数值上。②振荡衰减过程被控参数在稳态值上下波动，但幅度逐渐减少，最后稳定在
某一数值上。ty0①ty0yty③t④③等幅振荡过程被控参数在稳态值附近来回波动，且波动幅度保持不变。④振荡发散过程被控参数
来回波动，且波动幅度逐渐变大，离稳态值越来越远。y0y0y过渡过程的分类（1）稳定过渡过程单调过程和衰减振荡过程是稳定的过
渡过程。被控参数偏离稳态值一段时间后，逐渐返回原来或达到新稳定状态。衰减振荡过渡过程时间较短，实际中经常采用。单调过渡过程较慢
、时间较长，被控参数长时间偏离稳态值，实际控制系统一般不采用，只是在生产上不允许被控变量有波动的情况下才采用。ytty0y0yt
yt（2）不稳定过渡过程发散振荡过程，被控参数不能返回原来平衡状态，也无法达到新稳态，而逐渐远离稳态值，它将导致被控参数超出工
艺允许范围，这是生产中不允许的。（3）临界过渡过程处于稳定与不稳定之间，一般工程上认为是不稳定的，实际生产中很少采用(只在某些
要求不高，如液位控制时可采用，但在家电等简单控制中较为常用)。y0y01.3.2.3控制系统的性能指标对控制系统的性能评价，一般
根据生产工艺对控制过程和稳态结果的要求进行评判。过渡过程曲线是评价控制系统品质的样本。最典型的控制性能测试是给系统输入一个阶跃扰
动，观察其阶跃响应过程的特征。阶跃响应分给定阶跃响应和干扰阶跃响应两类。其阶跃响应曲线有所不同，但反映的控制系统的动态性能指标是
一致的（这是因为系统特征方程相同，即二者传递函数的分母相同）。y被控参数的阶跃干扰/扰动动态响应t干扰fe+控制器执行器被控
对象给定值－被控参数被控参数实测值传感器干扰/扰动阶跃输入响应和给定阶跃输入响应的区别y0被控参数给定值阶跃变化的动态响应yt干
扰fe+控制器执行器被控对象给定值－被控参数被控参数实测值传感器y0常用控制系统性能指标：①单项性能指标；②综合性能指标
。单项性能指标以控制系统过渡过程的单项特征量作为衡量控制系统某一性能的指标，而偏差积分性能指标则是一种能反映控制系统综合性能的指
标。实际的生产过程中，大多数情况下希望控制系统呈现快速收敛的衰减振荡过程！常以图1-3所示的衰减振荡过渡过程形式为例，讨论系统的控
制品质指标。1.控制系统阶跃输入响应的单项性能指标单项性能指标包含了对控制系统的稳定性、快速性和准确性三方面的评价。yy3Cy
1ry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线1）衰减比n和衰减率ψ设第一个上升波幅度为
y1、第三个上升波幅度为y3y0yy3y1Cry(∞)TpTtTS衰减比n和衰减率ψ是表示系统稳定程度的指标。n大于1，
系统动态稳定。随着n增大，过渡过程逐渐由衰减振荡趋向于单调衰减过程。工程实践表明：衰减比在4:1~10:1之间时，过渡过程的衰
减程度比较合适，过渡过程时间较短。衰减比n与衰减率ψ之间有简单的对应关系：n=4:1~10:1，相当于ψ=75%～90
%。y0图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线yy3ACy1ry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）
控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线2）最大动态偏差A和超调量σ最大动态偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。即:A=
ymax-r最大动态偏差是衡量控制系统动态准确性指标。y0yy3Cy1ry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系
统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线有时也采用超调量σ来表示被控参数偏离设定值的程度，σ的定义是第一个波振幅y1与最终稳态值y
(∞)之比。即y0yy3Cy1ry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线3）余差C过渡
过程结束后，被控参数的稳态值y(∞)与设定值之间的残余偏差叫做余差，也称静差，是衡量控制系统稳态准确性的指标。C=y(∞)-
ry0yy3Cy1ry(∞)TpTtTS图（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线4）调节时间Ts和振荡频率ωTS是
指从扰动出现、过渡过程开始到过渡过程结束所需的时间。当被控参数与稳态值间偏差进入稳态值的±5%（或±2%）范围内时，工程上就认为
过渡过程已经结束。y0yy3Cy1ry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线调节时间TS
和振荡频率f是衡量控制系统快速性的指标。过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期T，其倒数称为振荡频率f=
1/Ty0yy3Cy1ry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线另外还有峰值时间T
p（又称上升时间），是指从过渡过程开始至被控参数到达第一个波峰所需要的时间，也是衡量控制系统快速性的指标。y0【例】某换热器温
度控制系统给定值为200℃。在阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示。试求最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡过程时间。解：按照
各单项指标定义，依据阶跃响应（过渡过程）曲线数据，可计算出：最大偏差A=230-200=30℃余差C=205-200
=5℃衰减比n=y1:y3=25:5=5:1振荡周期T=20–5=15（min）设被控参数进入稳态值
的±2％，就认为过渡过程结束，则误差区域=205×（±2％）＝±4.1℃。在新稳态值（205℃）两侧以宽度为±4.1℃，画一区域
（阴影线）。曲线进入时间点为Ts=22min。调节时间TS=22（min）控制系统单项性能指标小结稳定性衰减比n
=4:1~10:1满足工程要求准确性余差C尽可能小最大偏差A尽可能小快速性过渡时间Ts尽可能短振荡周期T
尽可能短各单向性能指标之间既有联系、又有矛盾。例如，过分减小最大偏差，会使过渡时间变长。因此，应根据具体工艺情况分清主次，对生产过
程有决定性意义的主要指标应优先予以保证。yy1y3Cry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响
应曲线2.系统阶跃响应的综合性能指标——偏差积分单项指标直观、明了，但如何统筹考虑有时则比较困难。而偏差积分与偏差幅度和偏差存在
时间密切相关，因此用偏差积分一个指标，就可能全面反映控制系统的动态品质。y0∞偏差积分的原始定义：IE=∫e(t)dt0y
yCCrry(∞)y(∞)t这里偏差的定义存在分歧，如e(t)=y(t)-y(∞)不能表达余差；e(t)=y
(t)-r如有余差则积分无穷大。ty0y0yy1y3Cry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动
）的响应曲线偏差积分指标有以下几种形式：①偏差积分IE（IntegralofError，e(t)=y(t)-y(∞
)）不能保证系统是衰减振荡！IEy0yy1y3Cry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应
曲线②绝对偏差积分IAE（IntegralAbsolutevalueofError）排除了正负偏差抵消的可能。IAEy0
yy1y3Cry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线③平方偏差积分ISE（Integr
alofSquaredError）ISE对大偏差敏感！y0yy1y3Cry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对
设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线④时间与绝对偏差乘积积分ITAE（IntegralofTimemultipliedbyt
heAbsolutevalueofError）ITAE对晚出现偏差敏感！y0干扰fe+被控参数控制器执行器被控对象
－给定值实测值传感器1.3.2.4影响过程控制系统性能指标的主要因素过程控制系统可概括为两大部分:检测/控制仪表（装置）和被
控（对象）过程。控制系统性能取决于系统结构和各环节的特性，主要取决于被过程控(对象)的动态特性。通过本课程学习，能够掌握仪表选型
、控制方案设计、控制算法设计、参数整定的基本方法，充分发挥被控(对象)过程的潜能，并获得良好的系统性能(品质)指标。检测/控制仪
表(装置)被控过程期望所设计过程控制系统能够达到预定目标性能，首先要正确选择被控参数、控制变量，并进行仪表与设备选型和控制器参数
整定。从下一章开始，对组成自动控制系统的各个环节：测量与变送装置(第2章)、控制器（第3章）和执行器/安全栅（第4章）、被控过程建
模（第5章）进行讨论。在掌握各环节作用、功能和特性后，第6章讨论简单控制系统设计和参数整定，第7章讨论复杂控制系统设计，第8章简单
介绍先进控制的内容，第9章简单介绍DDC、DCS、PLC及现场总线技术，第10章分析2个典型过程控制系统的应用实例。通过以上内容学
习，达到以下目标了解和掌握工艺参数的基本测量方法和测量仪表、控制仪表、执行机构与安全栅工作原理，能正确选择、使用自动化仪表；能够建
立简单被控过程数学模型。理解自动控制系统工作原理及各环节的作用，能设计合理的（简单/复杂）自动控制方案。掌握基本控制规律及其控制器
参数对被控过程的影响，能对自动控制系统进行调试和维护。yy1y3Cry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变
化（扰动）的响应曲线④时间与绝对偏差乘积积分ITAE（IntegralofTimemultipliedbytheAbs
olutevalueofError）ITAE对晚出现偏差敏感！y0干扰fe+被控参数控制器执行器被控对象－给定值实测
值传感器1.3.2.4影响过程控制系统性能指标的主要因素过程控制系统可概括为两大部分:检测/控制仪表（装置）和被控（对象）过
程。控制系统性能取决于系统结构和各环节的特性，主要取决于被过程控(对象)的动态特性。通过本课程学习，能够掌握仪表选型、控制方案设
计、控制算法设计、参数整定的基本方法，充分发挥被控(对象)过程的潜能，并获得良好的系统性能(品质)指标。检测/控制仪表(装置)被
控过程期望所设计过程控制系统能够达到预定目标性能，首先要正确选择被控参数、控制变量，并进行仪表与设备选型和控制器参数整定。从下一
章开始，对组成自动控制系统的各个环节：测量与变送装置(第2章)、控制器（第3章）和执行器/安全栅（第4章）、被控过程建模（第5章）
进行讨论。在掌握各环节作用、功能和特性后，第6章讨论简单控制系统设计和参数整定，第7章讨论复杂控制系统设计，第8章简单介绍先进控制
的内容，第9章简单介绍DDC、DCS、PLC及现场总线技术，第10章分析2个典型过程控制系统的应用实例。通过以上内容学习，达到以下
目标了解和掌握工艺参数的基本测量方法和测量仪表、控制仪表、执行机构与安全栅工作原理，能正确选择、使用自动化仪表；能够建立简单被控过
程数学模型。理解自动控制系统工作原理及各环节的作用，能设计合理的（简单/复杂）自动控制方案。掌握基本控制规律及其控制器参数对被控过
程的影响，能对自动控制系统进行调试和维护。第1章绪论过程控制（Processcontrol）是指连续/间歇生产过程的
自动控制。石油、化工、电力、水利、冶金、轻工、纺织、制药、建材、核能、环境工程等许多领域的自动控制系统，都属于过程控制系统。化工厂
炼油厂发电厂水电站炼钢生产轧钢生产过程控制技术与我们的日程生活密切相关，直接或间接地影响着我们每时每刻生活的方方面面。放眼看去，我
们使用和目力所及的几乎所有都与过程控制技术存在直接、间接联系。食衣住药+医行新冠肺炎医院隔离病房负压控制风流示意图N95防护口罩生
产线通风口布置医用空气净化过滤材料生产线连续生产过程的特征是：生产过程中的各种物料（固体、液体、气体或多相混合物流），在连续（或间
歇）的流动与传输过程中，进行持续的物理、化学反应，能量与物质（物料）的转换或传递，并获得期望品质的（物质、能量、服务）产品。换热新
风下面以图1人工控制室内温度控为例，简单说明过程控制的基本工作原理。恒温室送风回风阀门温度计回风图1室温人工控制示意图假设在冬
季，通过热水加热器，将送风加热后不断送往恒温室。为保证恒温室温度满足要求，操作人员必须一直观察温度计指示值、随时进行判断并决定如何
操作阀门，进行实际操作以满足恒温要求。人的作用可分为三部分：眼看→脑想→手动操作，并持续循环进行。人工控制受个人经验和注意力
难以持久、容易疲劳等限制，难以保证对室温精确控制和长期平稳控制。如果用检测仪表、控制仪表、自动操作装置代替人的工作，就构成图2所
示的温度控制系统。4M回水用温度变送器（含传感器）将室内温度转换成控制器可接受的标准信号—替代人工系统的眼看；控制器将输入的
实测温度信号和要求（给定）值进行比较（相减求偏差),并按偏差值进行判断、计算出控制量（信号）—替代人工系统的脑想；换热器送风恒温室
13TC2回风TT热水图2室温自动控制系统示意图1—换热器；3—控制器；2—传感变送器；4—执行器将人工阀门换成自动调节阀，按
控制量（信号）自动改变调节阀开度，控制热水流量大小—替代人工系统的手动操作。自动控制系统按设计好的方案自动进行检测、控制计算与控
制操作。如果系统方案设计合理，检测仪表、控制装置选择、安装正确，控制器参数整定、系统调试无误，就可以做到室温精确和持续平稳的自动控
制。图2为由自动化仪表代替人工观测、判断与手动操作所构成的室温自动控制系统流程图。过程控制系统的定义：为实现对某个（连续或间歇
）工艺参数的自动控制，由相互联系、制约的检测仪表、控制仪表、控制操作装置及被控过程（对象/设备）构成的一个整体控制系统。因此可
以认为：在讨论过程控制系统工作原理时，为了清楚地表示自动控制系统各组成部分的作用及相互关系，通常采用控制原理框图来表示控制系统
。过程控制系统=检测和控制仪表/装置+被控(对象)过程干扰fe空气加热器及房间+控制器调节阀室温给定值－被控参数（室温）室温
实测值温度变送器如图2的室温控制系统，是由温度变送器(含传感器)、控制器、自动调节阀（以上为仪表和控制装置部分）和加热器及房间
组成（控制对象或被控过程部分），控制系统框图可表示如下。干扰fe+控制器执行器被控对象给定值－被控变量过程实测值（标准信号）
变送器用通用名称表示为如下框图：被控对象/工艺过程过程控制系统原理方框图自动化仪表与自动化装置过程控制系统的主要任务是：对生
产过程中的重要（被控）参数（温度、压力、流量、物位、成分、湿度等）进行控制，使其按工艺要求保持恒定或按规定规律变化。1.1过程
控制的特点由于过程控制系统被控过程（对象）、被控参数、控制目标和要求的多样性，过程控制系统具有以下特点：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1.2过程控制的发展概况过程控
制发展历程是过程控制装置（自动化仪表、装置）与过程控制系统的发展历程。1.2.1过程控制装置与系统的发展过程1．局部自动化阶段（2
0世纪50～60年代）自动化仪表安装在现场生产设备上，只具备简单的检测、控制和安全保护功能。适用于小规模、局部过程、设备控制。2
．模拟单元仪表控制阶段（20世纪60～70年代）主要特点根据仪表/装置功能，将其划分为各种标准功能单元的自动化仪表，按照控制需要可
以组合成满足各种要求的过程控制系统。控制仪表集中在控制室，生产现场各处的参数通过统一的标准模拟信号，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生产过程控制。数字仪表DDZ-Ⅱ电动仪表架装仪表DDZ－Ⅲ型仪表盘装仪表3．集
散控制阶段（20世纪70年代中期至今）计算机的出现，为控制功能的实现与提升提供了便捷的技术途径。有远见的过程控制专业人士立即关注计
算机在控制领域的应用。开始人们设想用一台计算机取代所有回路的控制仪表，实现多回路控制。早期用计算机控制尽可能多回路的系统设计思想，
将会导致故障危险高度集中，尤其是一旦计算机系统出现故障，就有可能造成所有控制回路瘫痪，生产过程风险太大。因此，早期计算机控制的设
想基本未付诸实际工业应用。80年代初，随着计算机性能提高、体积大幅度减小，尤其是高新能微处理器的面世，很快出现了内装CPU的数
字控制仪表。基于“集中管理，分散控制”的理念，在数字控制仪表和计算机与网络技术基础上，1975年美国Honeywell率先
开发了第一套集中管理/操作、分散控制相结合的集散控制系统（DCS，DistributedControlSystem）T
DC-2000。DCS实行分层结构，将控制系统故障风险分散、管理功能集中。其强大的控制功能和优异性能很快得到广泛应用，成为大型生
产过程主流控制技术。随着CPU进入检测仪表和执行器等现场仪表，自动化仪表实现了数字化、网络化。控制系统也出现了由数字化、智能仪表构
成的现场总线控制系统（FCS，FieldbusControlSystem)。FCS系统把控制功能彻底下放到生产现场，依
靠现场智能仪表实现生产过程的检测、控制。而用开放的、标准化的通信网络——现场总线，将分散在现场的控制系统的通信连接起来，实现信息共
享和集中管理。将DCS结构体系优点与FCS网络化体系相结合，也是开发商和用户欢迎的一种控制系统网络架构。1.2.2过程控制策略与算
法发展伴随着自动化仪表、装置与DCS、FCS的发展，过程控制策略与算法也经历了由简单到复杂、由常规到高级/先进的发展历程。以经
典控制理论为基础的PID（Proportional,IntegralandDerivative）控制算法（1942提出），
由单回路控制发展出的串级控制、前馈控制、比值控制、均匀控制、Smith预估控制、选择性控制、解耦控制等复杂控制方案和控制策略，为满
足大型、复杂生产过程对工艺参数动态性能、控制精度、生产安全的高要求，以及各种复杂工艺的特殊控制需求，提供了可行的控制系统解决方案。
PID控制和这些控制方案仍在广泛应用，并不断得到改进、完善和发展，显示出强大的适应性和生命力。随着现代控制理论和人工智能技术的发
展，针对生产过程本身存在非线性、时变性、不确定性、控制变量之间强耦合等特性，提出了许多可行的控制策略与方法，如自适应控制、模糊控制
、预测控制、推断控制、仿人控制、解耦控制等，一般将这这些控制方法统称为先进过程控制/高等过程控制（APC，AdvancedPr
ocessControl）。近年来，以专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法等为主要途径的基于知识的智能控制处理方法已经成为先
进过程控制的重要方法。先进过程控制方法的日趋完善和成熟，为有效地解决那些采用传统控制效果差，甚至无法控制的复杂过程的自动控制问题，
以及生产过程优化提供了有力的支持。应用实践表明，先进控制方法能取得更高的控制品质和更好的经济效益，具有很好的应用与发展前景。1.
2.3现代过程控制技术的特点及发展趋势1.2.3.1现代过程控制技术的主要特点1、控制功能综合化控制与管理一体化已成为趋势，其应
用领域和系统规模越来越大。2、技术密集化、系统集成化过程控制是控制技术、通讯技术、计算机技术和人工智能相结合的产物。3、系统的智能
化程度日益提高控制智能化使系统控制精度越来越高，控制系统功能持续增强，控制手段日益丰富，自动控制应用领域不断扩大。1.2.3.
2过程控制的发展趋势过程装备、流程工艺的持续进步和精细化、高效率、高品质、低排放的现代流程工业发展，对过程控制技术进步的需求持续旺
盛；过程控制理论与过程控制仪表、装置与系统技术一直是控制理论和工业自动化领域关注的热点，其理论和技术成果为过程控制技术进步的提供了
理论与技术基础；人工智能、大数据等新成果和计算机技术、通信与网络技术、电子技术不断进步，为过程控制技术的持续、快速发展提供了有力支
持。1.先进过程控制技术快速发展以智能控制、预测控制为代表的先进过程控制技术在过程领域成功运用，使先进过程控制受到工业界普遍关注
。控制软件公司、DCS生产商竞相开发先进控制工程软件包，如美国DMC公司的DMC，Setpoint公司的IDCOM-M、SMCA，
HoneywellProfimatics公司的RMPCT，Aspen公司的DMCPLUS，法国Adersa公司的PFC，加拿大T
reiberControls公司的OPC等，成功应用于重要过程装置并取得显著经济效益。目前比较成熟的先进控制策略有多变量预测控制
、推理控制及软测量技术、自适应控制、鲁棒控制、智能控制(专家控制、模糊控制和神经网络控制)等。2.生产全流程控制优化连续流程工
业生产中，子过程之间存在物流分配、物料平衡和能量平衡等问题，通过全流程控制优化可以获得更好效益。静态优化寻找最佳工艺参数设定值以获
得最大经济效益，即过程稳态优化。动态优化随着研究深人，动态过程最优控制重要性凸显。对于实际过程，并不一定要求动态最优，能求出“优化
区间”或“满意解”就能满足要求。控制优化受到工艺限制。将工艺设计与控制优化整体考虑，在工艺设计阶段就考虑控制方案及运行效果预判，
并兼顾过程控制优化的设计方法日益受到重视。3.生产过程控制、资源管理与经营决策信息集成复杂过程工业生产全流程由多个生产子过程（工
序）共同构成全流程生产线，将原料加工为半成品材料或者产品，并实现产品质量、成本控制与效益优化的综合目标。复杂过程工业的控制、运行与
管理大多采用企业资源计划(ERPEnterpriseresourceplanning)、制造执行系统(MESManufa
cturingexecutionsystems)和过程控制系统(PCSProcesscontrolsystem)三层结构
来实现。ERP根据企业经营决策总目标，对物料/能量流、资金流、信息流的管理、决策，输出生产控制(生产计划)、物流管理(分销、采
购、库存管理)和财务管理(会计核算、财务管理)优化配置结果；MES提供生产计划、生产调度、质量管理、能源管理、设备管理、生产
指标监视、优化决策等功能；PCS主要实现各个装置/设备/单元的过程回路控制、逻辑控制与生产过程监控等。通过计算机、通信网络和生
产/制造过程控制的综合平台，实现过程自动控制（PCS）,生产经营与管理信息系统（ERP、MES）有机融合,最终实现，使过程生产
与控制系统的必然需求和发展趋势。复杂生产过程资源计划、管理、调度、过程控制的全流程一体化信息系统的几种系统架构如下图所示。计划经济
时代，国内自动化仪表归属重工业部门，西安仪表厂、四川仪表公司、上海仪表公司是当时国内著名的三大仪表生产企业。国内现在有影响力有浙江
中控（SUPCON）、和利时（HollySys）、上海新华等。国外著名仪表与控制系统企业有Honeywell、Foxbo
ro、Rosemount、Emerson、Siemens、YOKOGAWA（横河）、ABB、Rockwell、Schneide
r、E+H（Endress+Hause）等公司。工业自动化仪表的部分品种1.3过程控制系统分类及其性能指标1.3.1过程控
制系统的分类过程控制系统有多种分类方法。按所控制的参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方
式来分，有模拟控制系统与数字控制系统；按照控制器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统等。在进行控制原理分析时，常用的分类方
法是按设定值的形式或系统的结构特点分类。干扰fe+控制器执行器被控对象给定值－被控参数被控参数实测值变送器1.按控制系统设
定值的形式分类1）定值控制系统——设定值保持不变的控制系统。2）随动控制系统——设定值跟随其他参数变化按一定规律的控制系统。3
）程序控制系统——设定值按预定时间程序或控制逻辑变化的控制系统。干扰fe+控制器执行器被控对象给定值－被控参数实测值变送器
2.按控制系统的结构特点分类1）反馈控制系统（闭环控制系统）将被控参数检测值输入到控制器，形成闭环，即具有被控参数（负）反馈的
控制系统，如下图所示。反馈（闭环）控制系统原理框图反馈控制是过程控制系统最基本的结构形式扰动检测值扰动f被控参数被控对象前馈控
制器执行器开环（前馈/补偿）控制系统原理框图2）前馈控制系统（开环控制系统）控制系统按扰动量大小进行控制，没有被控参数（负）反馈
，也不将被控变量引入到控制器输入端，一般不对被控参数进行检测（因此无法评判控制效果）。前馈控制系统基本原理如下图所示。扰动f控
制器2变送器2e++控制器1执行器被控对象+给定值－被控参数被控参数实测值变送器13）复合（前馈+反馈）控制系统前馈与反馈
相结合，综合各自的优势。基本的系统结构如下图所示前馈-反馈复合控制系统原理框图3.按系统的结构复杂程度分类简单控制系统——只有一
个反馈控制回路的控制系统，也称单回路控制系统，如前面的反馈控制系统就属于简单控制系统。复杂控制系统——在单回路控制系统不能满足要求
的情况下，为提高控制精度和品质，或满足特殊的工艺要求所设计的各种控制系统统称为复杂控制，如前面的复合（前馈+反馈）控制系统就属于复
杂控制系统。复杂控制系统有多种结构、类型，有关内容将在第七章进行深入讨论。yt01.3.2过程控制系统的性能指标当被控对象/过程
受到干扰、被控参数发生变化偏离设定值时，控制系统发挥作用、抵制干扰、纠正被控参数偏差的过程，反映了控制系统性能的优劣。要判定、评价
控制系统性能的优略，必须要有评价控制系统的性能指标。控制系统的性能指标是根据工艺对控制的要求来制定的，概括为稳定性、准确性和快速性
。yt静态动态静态1.3.2.1稳态与动态1、稳态—对于定值控制，把被控变量不随时间变化的平衡状态称为控制系统(过程)的稳态（
静态）。当自动控制系统的输入（干扰或扰动）恒定不变时，系统处于一种稳定的平衡状态，系统中各个环节也都处于稳定状态，但生产还在进
行，物料和能量仍然有进有出，只是平稳进行没有变化而已。静态特性—系统稳态时各环节的输入输出关系。yt静/稳态动态静/稳态2、
动态—把系统变量脱离平稳状态随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程即为动态过程。当
系统受到扰动或干扰，脱离平衡状态，变量发生变化，控制器、控制阀等自动化装置随即产生控制作用，使系统恢复到平衡状态。动态特性—系统在
动态过程中，各环节的输入输出变化关系。1.3.2.2控制系统的过渡过程控制系统的输入（扰动或干扰）变化后，动态稳定系统从原来的平
衡状态，经过动态过程到达新平衡状态的动态历程称为系统的过渡过程。干扰fe+执行器控制器被控过程－给定值被控参数被控参数实测值
传感器系统的过渡过程响应受内部和外部两种因素影响。内部因素-—系统特性系统的特性由系统中各环节的特性和系统的结构所决定的。外
部因素-—输入信号在系统特性一定的情况下，被控变量随时间的变化规律取决于系统的输入信号的特征。在实际生产过程，出现的干扰/扰动
信号通常是随机的。但在分析和设计控制系统时，为了充分反映系统的特性和分析方便，常选择一些特定输入信号，其中常用的是阶跃信号和正弦信
号。阶跃信号的变化突然，对被控变量的影响大而且剧烈。如果一个控制系统能够有效地克服这种干扰的影响，那么对其它比较平缓的干扰也能很好
地克服。阶跃信号的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。故更多使用阶跃信号。如图，输入信号在t=0时，阶跃上升幅度为A
，其后保持不变，可表示为f(t)At0f(t)=Au(t)y②在阶跃输入的扰动作用下，定值控制系统过渡过程有四种
形式：y①单调衰减过程被控参数在稳态值一侧作单调变化，最后稳定在某一数值上。②振荡衰减过程被控参数在稳态值上下波动，但幅度
逐渐减少，最后稳定在某一数值上。ty0①ty0yty③t④③等幅振荡过程被控参数在稳态值附近来回波动，且波动幅度保持不变。④振
荡发散过程被控参数来回波动，且波动幅度逐渐变大，离稳态值越来越远。y0y0y过渡过程的分类（1）稳定过渡过程单调过程和衰
减振荡过程是稳定的过渡过程。被控参数偏离稳态值一段时间后，逐渐返回原来或达到新稳定状态。衰减振荡过渡过程时间较短，实际中经常采用
。单调过渡过程较慢、时间较长，被控参数长时间偏离稳态值，实际控制系统一般不采用，只是在生产上不允许被控变量有波动的情况下才采用
。ytty0y0ytyt（2）不稳定过渡过程发散振荡过程，被控参数不能返回原来平衡状态，也无法达到新稳态，而逐渐远离稳态值，它
将导致被控参数超出工艺允许范围，这是生产中不允许的。（3）临界过渡过程处于稳定与不稳定之间，一般工程上认为是不稳定的，实际生产
中很少采用(只在某些要求不高，如液位控制时可采用，但在家电等简单控制中较为常用)。y0y01.3.2.3控制系统的性能指标对控制
系统的性能评价，一般根据生产工艺对控制过程和稳态结果的要求进行评判。过渡过程曲线是评价控制系统品质的样本。最典型的控制性能测试是
给系统输入一个阶跃扰动，观察其阶跃响应过程的特征。阶跃响应分给定阶跃响应和干扰阶跃响应两类。其阶跃响应曲线有所不同，但反映的控制
系统的动态性能指标是一致的（这是因为系统特征方程相同，即二者传递函数的分母相同）。y被控参数的阶跃干扰/扰动动态响应t干扰f
e+控制器执行器被控对象给定值－被控参数被控参数实测值传感器干扰/扰动阶跃输入响应和给定阶跃输入响应的区别y0被控参数给定值阶跃
变化的动态响应yt干扰fe+控制器执行器被控对象给定值－被控参数被控参数实测值传感器y0常用控制系统性能指标：①单项性能
指标；②综合性能指标。单项性能指标以控制系统过渡过程的单项特征量作为衡量控制系统某一性能的指标，而偏差积分性能指标则是一种能反映
控制系统综合性能的指标。实际的生产过程中，大多数情况下希望控制系统呈现快速收敛的衰减振荡过程！常以图1-3所示的衰减振荡过渡过程形
式为例，讨论系统的控制品质指标。1.控制系统阶跃输入响应的单项性能指标单项性能指标包含了对控制系统的稳定性、快速性和准确性三方
面的评价。yy3Cy1ry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线1）衰减比n和衰减率ψ
设第一个上升波幅度为y1、第三个上升波幅度为y3y0yy3y1Cry(∞)TpTtTS衰减比n和衰减率ψ是表示系统稳定程
度的指标。n大于1，系统动态稳定。随着n增大，过渡过程逐渐由衰减振荡趋向于单调衰减过程。工程实践表明：衰减比在4:1~10:1
之间时，过渡过程的衰减程度比较合适，过渡过程时间较短。衰减比n与衰减率ψ之间有简单的对应关系：n=4:1~10:1，相当于ψ
=75%～90%。y0图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线yy3ACy1ry(∞)TpTtT
S图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线2）最大动态偏差A和超调量σ最大动态偏差表示系统瞬间偏离给定值的
最大程度。即:A=ymax-r最大动态偏差是衡量控制系统动态准确性指标。y0yy3Cy1ry(∞)TpTtTS图1-
3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线有时也采用超调量σ来表示被控参数偏离设定值的程度，σ的定义是第一个波振
幅y1与最终稳态值y(∞)之比。即y0yy3Cy1ry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线3）余差C过渡过程结束后，被控参数的稳态值y(∞)与设定值之间的残余偏差叫做余差，也称静差，是衡量控制系统稳态准确性的指标。C=y(∞)-ry0yy3Cy1ry(∞)TpTtTS图（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线4）调节时间Ts和振荡频率ωTS是指从扰动出现、过渡过程开始到过渡过程结束所需的时间。当被控参数与稳态值间偏差进入稳态值的±5%（或±2%）范围内时，工程上就认为过渡过程已经结束。y0yy3Cy1ry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线调节时间TS和振荡频率f是衡量控制系统快速性的指标。过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期T，其倒数称为振荡频率f=1/Ty0yy3Cy1ry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线另外还有峰值时间Tp（又称上升时间），是指从过渡过程开始至被控参数到达第一个波峰所需要的时间，也是衡量控制系统快速性的指标。y0【例】某换热器温度控制系统给定值为200℃。在阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示。试求最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡过程时间。解：按照各单项指标定义，依据阶跃响应（过渡过程）曲线数据，可计算出：最大偏差A=230-200=30℃余差C=205-200=5℃衰减比n=y1:y3=25:5=5:1振荡周期T=20–5=15（min）设被控参数进入稳态值的±2％，就认为过渡过程结束，则误差区域=205×（±2％）＝±4.1℃。在新稳态值（205℃）两侧以宽度为±4.1℃，画一区域（阴影线）。曲线进入时间点为Ts=22min。调节时间TS=22（min）控制系统单项性能指标小结稳定性衰减比n=4:1~10:1满足工程要求准确性余差C尽可能小最大偏差A尽可能小快速性过渡时间Ts尽可能短振荡周期T尽可能短各单向性能指标之间既有联系、又有矛盾。例如，过分减小最大偏差，会使过渡时间变长。因此，应根据具体工艺情况分清主次，对生产过程有决定性意义的主要指标应优先予以保证。yy1y3Cry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线2.系统阶跃响应的综合性能指标——偏差积分单项指标直观、明了，但如何统筹考虑有时则比较困难。而偏差积分与偏差幅度和偏差存在时间密切相关，因此用偏差积分一个指标，就可能全面反映控制系统的动态品质。y0∞偏差积分的原始定义：IE=∫e(t)dt0yyCCrry(∞)y(∞)t这里偏差的定义存在分歧，如e(t)=y(t)-y(∞)不能表达余差；e(t)=y(t)-r如有余差则积分无穷大。ty0y0yy1y3Cry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线偏差积分指标有以下几种形式：①偏差积分IE（IntegralofError，e(t)=y(t)-y(∞)）不能保证系统是衰减振荡！IEy0yy1y3Cry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线②绝对偏差积分IAE（IntegralAbsolutevalueofError）排除了正负偏差抵消的可能。IAEy0yy1y3Cry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线③平方偏差积分ISE（IntegralofSquaredError）ISE对大偏差敏感！y0yy1y3Cry(∞)TpTtTS图1-3（闭环）控制系统对设定值阶跃变化（扰动）的响应曲线④时间与绝对偏差乘积积分ITAE（IntegralofTimemultipliedbytheAbsolutevalueofError）ITAE对晚出现偏差敏感！y0干扰fe+被控参数控制器执行器被控对象－给定值实测值传感器1.3.2.4影响过程控制系统性能指标的主要因素过程控制系统可概括为两大部分:检测/控制仪表（装置）和被控（对象）过程。控制系统性能取决于系统结构和各环节的特性，主要取决于被过程控(对象)的动态特性。通过本课程学习，能够掌握仪表选型、控制方案设计、控制算法设计、参数整定的基本方法，充分发挥被控(对象)过程的潜能，并获得良好的系统性能(品质)指标。检测/控制仪表(装置)被控过程期望所设计过程控制系统能够达到预定目标性能，首先要正确选择被控参数、控制变量，并进行仪表与设备选型和控制器参数整定。从下一章开始，对组成自动控制系统的各个环节：测量与变送装置(第2章)、控制器（第3章）和执行器/安全栅（第4章）、被控过程建模（第5章）进行讨论。在掌握各环节作用、功能和特性后，第6章讨论简单控制系统设计和参数整定，第7章讨论复杂控制系统设计，第8章简单介绍先进控制的内容，第9章简单介绍DDC、DCS、PLC及现场总线技术，第10章分析2个典型过程控制系统的应用实例。通过以上内容学习，达到以下目标了解和掌握工艺参数的基本测量方法和测量仪表、控制仪表、执行机构与安全栅工作原理，能正确选择、使用自动化仪表；能够建立简单被控过程数学模型。理解自动控制系统工作原理及各环节的作用，能设计合理的（简单/复杂）自动控制方案。掌握基本控制规律及其控制器参数对被控过程的影响，能对自动控制系统进行调试和维护。 |
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