控制理论及控制工程专题讲座

1、控制理论与控制工程专题工业过程控制系统及应用2022年5月1日星期日Industrial Process Contral System2 教学内容工业控制网络技术工业控制网络技术工业控制系统工业控制系统工业控制组态软件工业控制组态软件工业控制数据交换标准工业控制数据交换标准2022年5月1日星期日Industrial Process Contral System3 工业控制系统 按照工业生产过程所使用的原材料和产成品的形态，可将工业生产按照工业生产过程所使用的原材料和产成品的形态，可将工业生产分为三种典型的过程：连续过程（分为三种典型的过程：连续过程（Continuous ProcessCon

2、tinuous Process）、离散过程）、离散过程（Discrete ProcessDiscrete Process）和批量过程（）和批量过程（Batch ProcessBatch Process）。）。工业控制系统概述工业控制系统概述 连续过程：连续过程：指工业生产过程所使用的原材料及其产成品为不可以计指工业生产过程所使用的原材料及其产成品为不可以计数的流体，如液体、气体等。这样的物料需要使用容器或管道进行输送，数的流体，如液体、气体等。这样的物料需要使用容器或管道进行输送，其计量也不可以计数，只能采用适当的计量单位，如立方米、千克等。其计量也不可以计数，只能采用适当的计量单位，如立方米

3、、千克等。 这类过程的输入、输出变量为时间连续和幅度连续的量，其生产方这类过程的输入、输出变量为时间连续和幅度连续的量，其生产方式也是连续不断的。生产过程一旦建立，就可以连续地将原材料加工为式也是连续不断的。生产过程一旦建立，就可以连续地将原材料加工为产成品，其过程的输入产成品，其过程的输入/ /输出和排放遵循物质不灭和能量守恒定律。输出和排放遵循物质不灭和能量守恒定律。 连续过程的变量一般是温度、压力、流量、质量及液位等。连续过程的变量一般是温度、压力、流量、质量及液位等。2022年5月1日星期日Industrial Process Contral System4 工业控制系统工业控制系统概

4、述工业控制系统概述 石油炼制、化肥等生产过程都是连续过程。以连续过程为主要特征石油炼制、化肥等生产过程都是连续过程。以连续过程为主要特征的生产行业被习惯性地称为流程工业。在国际上，过程控制（的生产行业被习惯性地称为流程工业。在国际上，过程控制（Process Process ControlControl）和过程自动化（）和过程自动化（Process AutomationProcess Automation）指的一般都是连续过）指的一般都是连续过程。程。 离散过程：离散过程：工业过程所使用的原材料和产成品都是工业过程所使用的原材料和产成品都是“固态固态”的、按的、按件计量的，其过程的输入、输出变

5、量为时间离散和幅度离散的量，如产件计量的，其过程的输入、输出变量为时间离散和幅度离散的量，如产品的数量、位置、开关的状态等。品的数量、位置、开关的状态等。 例如，玩具的主要生产过程可以看成是一个离散过程。以离散过程例如，玩具的主要生产过程可以看成是一个离散过程。以离散过程为主要特征的生产行业被习惯性地称为制造业。面向制造业的自动化系为主要特征的生产行业被习惯性地称为制造业。面向制造业的自动化系统一般称为工厂自动化（统一般称为工厂自动化（Factory AutomationFactory Automation）。）。2022年5月1日星期日Industrial Process Contral S

6、ystem5 工业控制系统工业控制系统概述工业控制系统概述 批量过程：批量过程：是一种周期性重复的生产过程即利用同样的生产装置，是一种周期性重复的生产过程即利用同样的生产装置，在不同的时间段，根据不同的配方和生产工艺生产出不同产品。在不同的时间段，根据不同的配方和生产工艺生产出不同产品。 这类过程的特点是连续过程和离散过程交替进行，配方的切换和生这类过程的特点是连续过程和离散过程交替进行，配方的切换和生产工艺的改变是离散过程，而在确定了配方和生产工艺后的生产过程又产工艺的改变是离散过程，而在确定了配方和生产工艺后的生产过程又是一个连续过程。是一个连续过程。 一个完整的生产过程，一般都是连续过程

7、和离散过程的混合体。一个完整的生产过程，一般都是连续过程和离散过程的混合体。 例如，在啤酒的生产过程中，发酵过程是一个连续过程，但啤酒最例如，在啤酒的生产过程中，发酵过程是一个连续过程，但啤酒最后灌装成瓶的过程又是离散过程。针对这类过程的控制，被称为混合控后灌装成瓶的过程又是离散过程。针对这类过程的控制，被称为混合控制（制（Hybrid ControlHybrid Control） 大部分制药、食品、饮料的生产过程都是批量过程。大部分制药、食品、饮料的生产过程都是批量过程。2022年5月1日星期日Industrial Process Contral System6 工业控制系统工业控制系统概述

8、工业控制系统概述一、控制系统的基本组成：一、控制系统的基本组成： 在一个控制系统中，必不可少的组成部分有三个；被控对象在一个控制系统中，必不可少的组成部分有三个；被控对象( (即生即生产过程产过程) )、控制设备或装置、人。、控制设备或装置、人。 人是起主导作用的：人是起主导作用的：生产过程是为满足人的需求而建立的，生产的生产过程是为满足人的需求而建立的，生产的程序、步骤及工艺等是人设计的。在整个生产过程中，要进行哪些控制、程序、步骤及工艺等是人设计的。在整个生产过程中，要进行哪些控制、如何进行控制及控制的方法是什么，都是由人决定的。如何进行控制及控制的方法是什么，都是由人决定的。 被控对象是

9、实施生产过程的主体：被控对象是实施生产过程的主体：不论何种控制装置，其控制作用不论何种控制装置，其控制作用都是围绕生产过程发生的。如果离开了生产过程，控制装置就失去了存都是围绕生产过程发生的。如果离开了生产过程，控制装置就失去了存在的意义。因此，控制装置是从属于生产过程的，但对生产过程又产生在的意义。因此，控制装置是从属于生产过程的，但对生产过程又产生着巨大的反作用力，使得完成生产过程的主体，如发电机、锅炉、化工着巨大的反作用力，使得完成生产过程的主体，如发电机、锅炉、化工反应装置等能够更加安全、高效、稳定及可靠地运行。反应装置等能够更加安全、高效、稳定及可靠地运行。2022年5月1日星期日I

10、ndustrial Process Contral System7 工业控制系统工业控制系统概述工业控制系统概述 控制装置是控制系统的核心：控制装置是控制系统的核心：所有控制作用都是由控制装置实现的，所有控制作用都是由控制装置实现的，一个控制系统能否顺利地实现其控制目标，完成复杂的控制功能，主要一个控制系统能否顺利地实现其控制目标，完成复杂的控制功能，主要看控制装置是否稳定可靠并具有优异的性能。看控制装置是否稳定可靠并具有优异的性能。 由于控制装置的重要性，在很多场合，人们不再以被控对象、控制由于控制装置的重要性，在很多场合，人们不再以被控对象、控制装置和人这三部分的总和作为控制系统的定义，而

11、是直接将控制装置定装置和人这三部分的总和作为控制系统的定义，而是直接将控制装置定义为控制系统，即认为控制系统是由围绕实施控制所必须的测量、计算义为控制系统，即认为控制系统是由围绕实施控制所必须的测量、计算及执行等各个环节所组成的。及执行等各个环节所组成的。 这实际上是对直接控制系统的定义，而有人参与的控制则被定义为这实际上是对直接控制系统的定义，而有人参与的控制则被定义为监督控制系统。监督控制系统。 直接控制系统定义为以下三个要素的集合：直接控制系统定义为以下三个要素的集合： 1 1、测量方法和测量装置；、测量方法和测量装置；2022年5月1日星期日Industrial Process Con

12、tral System8 工业控制系统工业控制系统概述工业控制系统概述 2 2、控制方法、控制方法( (包括算法包括算法) )和运算处理装置；和运算处理装置； 3 3、执行方法和执行装置。、执行方法和执行装置。 在这三个要素中，方法是软件（这里的软件是指解决方案，而不是在这三个要素中，方法是软件（这里的软件是指解决方案，而不是指程序代码），虽然软件是无形的，但它是控制系统的主宰，决定了控指程序代码），虽然软件是无形的，但它是控制系统的主宰，决定了控制系统的功能和性能。各种装置则是硬件，是实现方法的手段。所有有制系统的功能和性能。各种装置则是硬件，是实现方法的手段。所有有关软件和硬件的结合，构成

13、了控制系统的各个组成部分。关软件和硬件的结合，构成了控制系统的各个组成部分。二、测量方法和测量装置二、测量方法和测量装置 被控对象有其自身的运行状态，这些状态是生产过程的表征。控制被控对象有其自身的运行状态，这些状态是生产过程的表征。控制系统将通过测量被控对象的运行状态来了解生产过程。系统将通过测量被控对象的运行状态来了解生产过程。 一个被控对象能够被测量（即通过可行的方法进行测量，并通过测量数据一个被控对象能够被测量（即通过可行的方法进行测量，并通过测量数据准确及时地判断出被控对象的状态准确及时地判断出被控对象的状态) )的难易程度，称为该被控对象的可测性。的难易程度，称为该被控对象的可测性

14、。2022年5月1日星期日Industrial Process Contral System9 工业控制系统工业控制系统概述工业控制系统概述 表征生产过程状态的量有很多种，如温度、湿度、压力、流量、液表征生产过程状态的量有很多种，如温度、湿度、压力、流量、液位、密度、电流、电压、功率、速度、位置等。这些量都被称为过程量。位、密度、电流、电压、功率、速度、位置等。这些量都被称为过程量。 1 1、模拟量、模拟量 模拟量是表达物理过程或物理设备量值的一种连续变化的量，其数模拟量是表达物理过程或物理设备量值的一种连续变化的量，其数值随时间变化而变化，表现为一个时间的函数。值随时间变化而变化，表现为一个

15、时间的函数。 模拟量最大的特点是连续性，即在其随时间变化的曲线上的任意点模拟量最大的特点是连续性，即在其随时间变化的曲线上的任意点均可求导，不存在拐点。均可求导，不存在拐点。 这个特点的物理意义是：这类物理量的变化是一个渐变的过程，无这个特点的物理意义是：这类物理量的变化是一个渐变的过程，无论该物理量的变化有多快，都会有一个过渡过程，其取值可有无穷多个。论该物理量的变化有多快，都会有一个过渡过程，其取值可有无穷多个。 一般来说，过程量可分为模拟量和开关量两大类。一般来说，过程量可分为模拟量和开关量两大类。2022年5月1日星期日Industrial Process Contral System

16、10 工业控制系统工业控制系统概述工业控制系统概述 温度、湿度、压力、流量、液体、密度、重量、体积、电流、电压、温度、湿度、压力、流量、液体、密度、重量、体积、电流、电压、功率、速度、位置及亮度等量都被归类于模拟量。功率、速度、位置及亮度等量都被归类于模拟量。 模拟量还可细分为两种：瞬时量和累积量。模拟量还可细分为两种：瞬时量和累积量。 瞬时量瞬时量( (或瞬时值或瞬时值) )是指该物理量在测量的时刻所具有的值，这个时是指该物理量在测量的时刻所具有的值，这个时刻一旦过去，该物理量的值就会改变。如：温度、压力等物理量。刻一旦过去，该物理量的值就会改变。如：温度、压力等物理量。 累积量则表明该物理

17、量随时间的前进而不断增长的积累，是某瞬时累积量则表明该物理量随时间的前进而不断增长的积累，是某瞬时量对时间的积分。如：液体的体积，是流量和时间的乘积量对时间的积分。如：液体的体积，是流量和时间的乘积( (在流量恒定在流量恒定条件下条件下) )；电能（在工程上称之为电度）是电功率与时间的乘积（在电；电能（在工程上称之为电度）是电功率与时间的乘积（在电功率恒定条件下）等等。功率恒定条件下）等等。 测量是控制系统感知被控对象运行状态的重要环节，一般通过敏感测量是控制系统感知被控对象运行状态的重要环节，一般通过敏感元件或检测元件来实现测量。如压力传感器、温度传感器等。元件或检测元件来实现测量。如压力传

18、感器、温度传感器等。2022年5月1日星期日Industrial Process Contral System11 工业控制系统工业控制系统概述工业控制系统概述 传感器一般使用物理或化学原理来感知各种状态，其输出一般是一传感器一般使用物理或化学原理来感知各种状态，其输出一般是一个可以被控制系统的核心部件个可以被控制系统的核心部件-运算处理装置所处理的信号。运算处运算处理装置所处理的信号。运算处理装置将这些不同的物理、化学量，通过变送器予以变换，形成符合一理装置将这些不同的物理、化学量，通过变送器予以变换，形成符合一定标准的统定标准的统信号（电压或电流及气压），一般称之为测量值。信号（电压或电流

19、及气压），一般称之为测量值。 2 2、开关量、开关量 开关量是一种表示物理过程或设备所处状态的量，也可直接称之为开关量是一种表示物理过程或设备所处状态的量，也可直接称之为状态量。典型的开关量只有两个取值，如电力开关的分与合、截断阀门状态量。典型的开关量只有两个取值，如电力开关的分与合、截断阀门的通与断等。的通与断等。 这类物理量也可有多个取值，如具有多个绕组抽头的电力变压器当这类物理量也可有多个取值，如具有多个绕组抽头的电力变压器当前的分接头位置。尽管可以有多个取值，但开关量取值的数量是有限的，前的分接头位置。尽管可以有多个取值，但开关量取值的数量是有限的，这点与模拟量有着本质的不同。这点与模

20、拟量有着本质的不同。2022年5月1日星期日Industrial Process Contral System12 工业控制系统工业控制系统概述工业控制系统概述 在控制系统中，各种开关量也需要转换成标准信号，一般用电平的在控制系统中，各种开关量也需要转换成标准信号，一般用电平的高或低表达不同的状态。高或低表达不同的状态。 在工程上，对于开关量的测量是通过继电器接点、行程开关等装置在工程上，对于开关量的测量是通过继电器接点、行程开关等装置实现的。实现的。 3 3、SOESOE量量 SOESOE是是Sequence of EventSequence of Event的缩写。它是一种特殊的开关量，这

21、种开的缩写。它是一种特殊的开关量，这种开关量仅在现场设备的状态出现变化时产生，其中不仅要表示出现场设备关量仅在现场设备的状态出现变化时产生，其中不仅要表示出现场设备改变后的状态，还要记录该状态出现改变的准确时间，一般要精确到毫改变后的状态，还要记录该状态出现改变的准确时间，一般要精确到毫秒。秒。 SOESOE的作用是当现场设备因某种原因（一般是出现某种故障时）产的作用是当现场设备因某种原因（一般是出现某种故障时）产生了一系列状态变化，如联锁保护装置的动作，在事后分析故障原因时生了一系列状态变化，如联锁保护装置的动作，在事后分析故障原因时2022年5月1日星期日Industrial Proces

22、s Contral System13 工业控制系统工业控制系统概述工业控制系统概述要找出动作的顺序，以确定引起故障的第一原因是什么，其后联锁动作要找出动作的顺序，以确定引起故障的第一原因是什么，其后联锁动作过程又是怎样的。这对故障分析是一种非常有用的数据。过程又是怎样的。这对故障分析是一种非常有用的数据。 4 4、脉冲量、脉冲量 脉冲量实际上是一种用特殊方法进行测量的模拟量，一般用来表示脉冲量实际上是一种用特殊方法进行测量的模拟量，一般用来表示某个量的累积值。能够发出脉冲量的测量装置通过对被测物理量进行时某个量的累积值。能够发出脉冲量的测量装置通过对被测物理量进行时间上的累计，在到达间上的累计

23、，在到达个计量单位时便发出一个脉冲，通过计数器对脉个计量单位时便发出一个脉冲，通过计数器对脉冲的数量进行累加，以得到该物理量的累计值。冲的数量进行累加，以得到该物理量的累计值。三、控制方法和运算处理装置三、控制方法和运算处理装置 控制系统是根据不同被控对象的特点来实施控制的。控制系统是根据不同被控对象的特点来实施控制的。 对于连续过程，一般使用模拟调节仪表和对于连续过程，一般使用模拟调节仪表和DCSDCS实施控制；实施控制； 对于离散过程，一般使用继电器和对于离散过程，一般使用继电器和PLCPLC实施控制；实施控制；2022年5月1日星期日Industrial Process Contral

24、System14 工业控制系统工业控制系统概述工业控制系统概述 对于批量过程或混合过程，则采用各种控制设备相结合以实施控制。对于批量过程或混合过程，则采用各种控制设备相结合以实施控制。 1 1、对连续过程的控制、对连续过程的控制 对于连续过程的控制一般称之为过程控制或流程控制，它是一种连对于连续过程的控制一般称之为过程控制或流程控制，它是一种连续调节性质的控制。调节是控制的一种，特指通过反馈的方法对连续变续调节性质的控制。调节是控制的一种，特指通过反馈的方法对连续变化的对象进行连续的控制。调节的过程并没有明显的起点和终点，它所化的对象进行连续的控制。调节的过程并没有明显的起点和终点，它所关心的

25、是受控对象对目标值的允许偏差及进行测量和控制的周期，这两关心的是受控对象对目标值的允许偏差及进行测量和控制的周期，这两个参数是连续过程调节的两个最基本的要素。个参数是连续过程调节的两个最基本的要素。 除了这两大要素外，连续过程调节最重要的要素是调节控制算法，除了这两大要素外，连续过程调节最重要的要素是调节控制算法，如经典的如经典的PIDPID调节、现代的模糊控制等。调节、现代的模糊控制等。 根据调节控制算法进行计算，是控制系统最核心的功能，计算功能根据调节控制算法进行计算，是控制系统最核心的功能，计算功能由控制器、调节器或运算器完成。由控制器、调节器或运算器完成。2022年5月1日星期日Ind

26、ustrial Process Contral System15 工业控制系统工业控制系统概述工业控制系统概述 2 2、对离散过程的控制、对离散过程的控制 对于离散过程的控制以状态控制为主，一般称之为程序控制或逻辑对于离散过程的控制以状态控制为主，一般称之为程序控制或逻辑控制。这是一种对非连续对象、非连续过程的控制。控制。这是一种对非连续对象、非连续过程的控制。 而非连续过程则由一组非连续对象按照工序的要求组合在一起，以而非连续过程则由一组非连续对象按照工序的要求组合在一起，以完成一个比较复杂的动作或任务，这样的过程有很明显的起点和终点。完成一个比较复杂的动作或任务，这样的过程有很明显的起点和

27、终点。控制过程和动作过程是完全对应的。对非连续过程的控制是一种顺序控控制过程和动作过程是完全对应的。对非连续过程的控制是一种顺序控制或程序控制，是根据各个被控对象的动作时间、动作顺序和逻辑关系制或程序控制，是根据各个被控对象的动作时间、动作顺序和逻辑关系进行的控制。进行的控制。 对非连续对象进行控制，实际上就是按照一定的方式改变被控对象对非连续对象进行控制，实际上就是按照一定的方式改变被控对象的状态或位置，如某个电力开关的合闸或分闸。的状态或位置，如某个电力开关的合闸或分闸。2022年5月1日星期日Industrial Process Contral System16 工业控制系统工业控制系统

28、概述工业控制系统概述 3 3、连续控制和离散控制的比较、连续控制和离散控制的比较 表表1 1 连续控制和离散控制的比较连续控制和离散控制的比较2022年5月1日星期日Industrial Process Contral System17 工业控制系统工业控制系统概述工业控制系统概述 4 4、对批量过程或混合过程的控制、对批量过程或混合过程的控制 批次控制结合了过程控制和程序控制这两种控制类型，适用于在同批次控制结合了过程控制和程序控制这两种控制类型，适用于在同一条生产线上通过装置连接、组合的改变，工艺流程的改变和工艺参数一条生产线上通过装置连接、组合的改变，工艺流程的改变和工艺参数的调整生产不

29、同品种产品的生产控制。的调整生产不同品种产品的生产控制。 其工作过程为：首先通过程序控制确定生产流程和工艺参数，然后其工作过程为：首先通过程序控制确定生产流程和工艺参数，然后转入过程控制；当一个完整的过程完成后，再次转入程序控制，形成下转入过程控制；当一个完整的过程完成后，再次转入程序控制，形成下一个批次的生产流程和工艺参数，如此反复。一个批次的生产流程和工艺参数，如此反复。 实际上批次控制是一种混合控制，是将过程控制和程序控制结合在实际上批次控制是一种混合控制，是将过程控制和程序控制结合在一起的控制系统。一起的控制系统。2022年5月1日星期日Industrial Process Contr

30、al System18 工业控制系统工业控制系统概述工业控制系统概述四、控制的执行方法和执行装置四、控制的执行方法和执行装置 由计算机输出的控制指令需要通过各种不同的执行机构来作用于被由计算机输出的控制指令需要通过各种不同的执行机构来作用于被控对象的可操作部分和可调节部分。这些执行机构称为执行装置或执行控对象的可操作部分和可调节部分。这些执行机构称为执行装置或执行单元，如气动阀、电磁阀、控制电机及继电器等。单元，如气动阀、电磁阀、控制电机及继电器等。 执行装置将运算处理装置输出的控制指令转换为被控对象可接受的执行装置将运算处理装置输出的控制指令转换为被控对象可接受的动作，以改变被控对象的运行状

31、态。动作，以改变被控对象的运行状态。 运算处理装置的输出也可分为模拟量和开关量两大类：模拟量输出运算处理装置的输出也可分为模拟量和开关量两大类：模拟量输出用于对被控对象进行连续调节，如调整阀门的开度用于对被控对象进行连续调节，如调整阀门的开度( (百分比百分比) )以控制流量以控制流量等等；开关量控制则用于改变被控对象的状态或工况，如通过电力开关等等；开关量控制则用于改变被控对象的状态或工况，如通过电力开关的分的分/ /合以改变电网的接线方式等等。合以改变电网的接线方式等等。2022年5月1日星期日Industrial Process Contral System19 工业控制系统工业控制系统

32、概述工业控制系统概述 另一类控制方式称为乒乓控制，即采用开关量作为运算处理装置的另一类控制方式称为乒乓控制，即采用开关量作为运算处理装置的输出量，通过控制开关量处于不同状态的时间比例，达到控制模拟量的输出量，通过控制开关量处于不同状态的时间比例，达到控制模拟量的目的。如一个电加热炉，可通过改变接通电源时间和关断电源时间的比目的。如一个电加热炉，可通过改变接通电源时间和关断电源时间的比例来控制加热温度，接通电源的时间长，温度提高；缩短接通电源的时例来控制加热温度，接通电源的时间长，温度提高；缩短接通电源的时间，温度降低。间，温度降低。五、控制系统各要素的关系五、控制系统各要素的关系设定值设定值被

33、控对象被控对象检测装置检测装置执行装置执行装置运行处理运行处理装置装置控制动作控制动作过程量过程量测量值测量值控制指令控制指令控制系统控制系统图图1 1 控制系统各要素的关系控制系统各要素的关系2022年5月1日星期日Industrial Process Contral System20 工业控制系统工业控制系统概述工业控制系统概述 人的主导作用：设定值、控制算法、控制系统数学模型等。人的主导作用：设定值、控制算法、控制系统数学模型等。六、控制系统的人机界面六、控制系统的人机界面 人机界面包括了测量值的显示，计算参数的显示，人工操作设备（如按钮、人机界面包括了测量值的显示，计算参数的显示，人工

34、操作设备（如按钮、调节手柄）等，还有对运算处理装置进行设定和控制算法预置的设备等。调节手柄）等，还有对运算处理装置进行设定和控制算法预置的设备等。控制系统控制系统被控对象被控对象检测装置检测装置执行装置执行装置运行处理运行处理装置装置控制动作控制动作过程量过程量测量值测量值控制指令控制指令设定值设定值控制算控制算法法人机界面人机界面人人图图2 2 完整的控制系统所有的组成部分完整的控制系统所有的组成部分2022年5月1日星期日Industrial Process Contral System21 工业控制系统DCSDCS控制系统简述控制系统简述 DCSDCS是是Distributed Cont

35、rol SystemDistributed Control System的缩写，直译为的缩写，直译为“分布式控制分布式控制系统系统”。DCSDCS的主要用途是进行控制，而系统的结构则是分布式的，是的主要用途是进行控制，而系统的结构则是分布式的，是一种分布结构的控制系统一种分布结构的控制系统, ,又称又称“集散控制系统集散控制系统”。一、控制系统的发展一、控制系统的发展 后图所列是各类控制系统的发展过程。从中可以看到，整个控制系后图所列是各类控制系统的发展过程。从中可以看到，整个控制系统的发展是沿着三条主线展开的。统的发展是沿着三条主线展开的。 第一条主线是对离散系统的控制，即逻辑控制或程序控制

36、；第一条主线是对离散系统的控制，即逻辑控制或程序控制； 第二条主线是第二条主线是SCADASCADA系统，其早期是遥测遥控系统；系统，其早期是遥测遥控系统； 第三条主线是对连续过程的控制系统。第三条主线是对连续过程的控制系统。2022年5月1日星期日Industrial Process Contral System22 工业控制系统DCSDCS控制系统简述控制系统简述图图3 3 各类控制系统的发展过程各类控制系统的发展过程2022年5月1日星期日Industrial Process Contral System23 工业控制系统DCSDCS控制系统简述控制系统简述二、仪表控制系统的基本概念二、

37、仪表控制系统的基本概念 仪表控制系统（指由模拟式仪表组成的控制系统）最主要的功能是仪表控制系统（指由模拟式仪表组成的控制系统）最主要的功能是进行回路控制。进行回路控制。 所谓回路控制是指那种对最小过程单元进行的闭环控制或调节。这所谓回路控制是指那种对最小过程单元进行的闭环控制或调节。这些控制有些控制有1 12 2个现场输入个现场输入( (测量值测量值) )和和1 1个现场输出个现场输出( (控制量控制量) )，在现场输，在现场输入和现场输出之间有计算单元入和现场输出之间有计算单元( (即控制器即控制器) )，另外还有一个给定值输入，另外还有一个给定值输入，用于设定控制目标。参见后图。用于设定控

38、制目标。参见后图。 回路控制的作用是保证被控对象的一个最基本的运行单元能够按照回路控制的作用是保证被控对象的一个最基本的运行单元能够按照预定的参数正常运行。控制器的输入有两个：设定值和测量值。其基本预定的参数正常运行。控制器的输入有两个：设定值和测量值。其基本特征就是根据两者的偏差在系统中形成反馈而进行的控制。特征就是根据两者的偏差在系统中形成反馈而进行的控制。2022年5月1日星期日Industrial Process Contral System24 工业控制系统DCSDCS控制系统简述控制系统简述 回路控制的功能框图如下：回路控制的功能框图如下： 回路控制的复杂性在于控制算法。为了实现快

39、速准确的控制，必须回路控制的复杂性在于控制算法。为了实现快速准确的控制，必须对被控对象的动态特性进行透彻的分析，并且对控制输出施加到被控对对被控对象的动态特性进行透彻的分析，并且对控制输出施加到被控对象后所引起的数值变化和时间响应性归纳出正确的数学模型。象后所引起的数值变化和时间响应性归纳出正确的数学模型。图图4 4 回路控制的功能框图回路控制的功能框图2022年5月1日星期日Industrial Process Contral System25 工业控制系统DCSDCS控制系统简述控制系统简述 示例：示例：储液罐液位控制储液罐液位控制 在注重控制算法研究同时，在控制系统的实际实施过程还要进行

40、参在注重控制算法研究同时，在控制系统的实际实施过程还要进行参数整定，从而实现预期的控制结果。数整定，从而实现预期的控制结果。图图5 5 储液罐液位控制储液罐液位控制2022年5月1日星期日Industrial Process Contral System26 工业控制系统DCSDCS控制系统简述控制系统简述三、早期的仪表控制系统三、早期的仪表控制系统基地式仪表基地式仪表 所谓基地式仪表，是指控制系统所谓基地式仪表，是指控制系统( (即仪表即仪表) )与被控对象在机械结构上与被控对象在机械结构上是结合在一起的，而且仪表各个部分，包括检测、计算、执行及简单的是结合在一起的，而且仪表各个部分，包括检

41、测、计算、执行及简单的人机界面等都做成一个整体，就地安装在被控对象之上。人机界面等都做成一个整体，就地安装在被控对象之上。 基地式仪表一般只针对单一运行参数实施控制，其输入、输出都围基地式仪表一般只针对单一运行参数实施控制，其输入、输出都围绕着一个单一的控制目标，计算也主要为控制某个重要参数，控制功能绕着一个单一的控制目标，计算也主要为控制某个重要参数，控制功能也是单也是单的。这种控制被称为单一回路控制，简称单回路控制。的。这种控制被称为单一回路控制，简称单回路控制。四、近代仪表控制系统四、近代仪表控制系统单元式组合仪表单元式组合仪表 这类仪表将测量、控制计算、执行及显示、设定、记录等功能分别

42、这类仪表将测量、控制计算、执行及显示、设定、记录等功能分别由不同的单元实现，互相之间采用某种标准的物理信号实现连接。并可由不同的单元实现，互相之间采用某种标准的物理信号实现连接。并可根据控制功能的需求进行灵活的组合。根据控制功能的需求进行灵活的组合。2022年5月1日星期日Industrial Process Contral System27 工业控制系统DCSDCS控制系统简述控制系统简述 好处：仪表的功能大大加强了，能够适应各种不同的应用需求，而好处：仪表的功能大大加强了，能够适应各种不同的应用需求，而且其功能的实现不再受安装位置的限制。可以把检测单元和执行单元安且其功能的实现不再受安装位

43、置的限制。可以把检测单元和执行单元安装在现场，而将控制、显示及记录设定等单元集中起来放在中心控制室装在现场，而将控制、显示及记录设定等单元集中起来放在中心控制室内，这样，生产设备的操作人员足不出户就可以迅速掌握整个生产设备内，这样，生产设备的操作人员足不出户就可以迅速掌握整个生产设备的运行状态并可以直接对现场设备实施操作和调节等。的运行状态并可以直接对现场设备实施操作和调节等。 单元式组合仪表有两大类。单元式组合仪表有两大类。 气动单元组合仪表：气动单元组合仪表：以经过干燥净化的压缩空气作为动力并以气压以经过干燥净化的压缩空气作为动力并以气压传递现场信号，其规范为传递现场信号，其规范为2020

44、100kPa100kPa。 气动单元组合仪表主要有七种单元：变送单元气动单元组合仪表主要有七种单元：变送单元(B)(B)、调节单元、调节单元(T)(T)、显示单元显示单元(X)(X)、计算单元、计算单元(J)(J)、给定值单元、给定值单元(G)(G)、辅助单元、辅助单元(F)(F)和转换单元和转换单元(Z)(Z)。2022年5月1日星期日Industrial Process Contral System28 工业控制系统DCSDCS控制系统简述控制系统简述 这些单元经过适当的连接及组合，就可以实现较复杂、规模较大的这些单元经过适当的连接及组合，就可以实现较复杂、规模较大的控制。控制。 优点：防

45、爆，可以用于易燃易爆的场合，而且压缩气体提供的动力优点：防爆，可以用于易燃易爆的场合，而且压缩气体提供的动力可以直接驱动如气动阀门等现场设备，方便、可靠；具有很强的抗干扰可以直接驱动如气动阀门等现场设备，方便、可靠；具有很强的抗干扰性。性。 缺点：需要洁净干燥的气源；气体的传输路径要敷设气路管道，为缺点：需要洁净干燥的气源；气体的传输路径要敷设气路管道，为了防腐蚀和防泄漏，需要采用成本很高的铜制管线或不锈钢管线，还需了防腐蚀和防泄漏，需要采用成本很高的铜制管线或不锈钢管线，还需要加工精度非常高的连接件，设备及运行成本高。要加工精度非常高的连接件，设备及运行成本高。 电动单元组合仪表：电动单元组

46、合仪表：由直流电源提供运行动力并以直流电信号（电由直流电源提供运行动力并以直流电信号（电流或电压）传递现场信号的值。其信号规范有两种，一种为流或电压）传递现场信号的值。其信号规范有两种，一种为0 010 mA10 mA，如，如，DDZ IIDDZ II系列。另一种为系列。另一种为4 420 mA20 mA，如，如，DDZ IIIDDZ III系列。系列。2022年5月1日星期日Industrial Process Contral System29 工业控制系统DCSDCS控制系统简述控制系统简述 电动单元组合仪表主要有八种单元：变送单元电动单元组合仪表主要有八种单元：变送单元(B)(B)、调节

47、单元、调节单元(T)(T)、显示单元显示单元(X)(X)、计算单元、计算单元(J)(J)、给定值单元、给定值单元(G)(G)、辅助单元、辅助单元(F)(F)、转换单元、转换单元(Z)(Z)和执行单元（和执行单元（K K）。）。 电动单元组合仪表比气动单元组合仪表更加轻便灵活，功能也更加电动单元组合仪表比气动单元组合仪表更加轻便灵活，功能也更加齐全，因此一经推出就迅速得到了广泛的应用。齐全，因此一经推出就迅速得到了广泛的应用。 电动单元组合仪表的控制执行机构为电磁阀、各种控制电机和继电电动单元组合仪表的控制执行机构为电磁阀、各种控制电机和继电器等用电磁原理设计的设备或装置。器等用电磁原理设计的设

48、备或装置。 真正的控制系统是从单元式组合仪表出现后才逐步形成的。真正的控制系统是从单元式组合仪表出现后才逐步形成的。 基地式仪表只能实现分立的、单个回路的、各种控制回路之间无任基地式仪表只能实现分立的、单个回路的、各种控制回路之间无任何联系的控制，因此谈不上形成系统。何联系的控制，因此谈不上形成系统。2022年5月1日星期日Industrial Process Contral System30 工业控制系统DCSDCS控制系统简述控制系统简述 单元式组合仪表可以通过不同单元的组合，不仅能完成单个回路的单元式组合仪表可以通过不同单元的组合，不仅能完成单个回路的控制，还能够实现串级控制、复合控制等

49、复杂的、涉及几个回路互动的控制，还能够实现串级控制、复合控制等复杂的、涉及几个回路互动的控制功能，而且，由于单元式组合仪表有能力将显示、操作记录及设定控制功能，而且，由于单元式组合仪表有能力将显示、操作记录及设定等单元集中安装在控制室内，使得操作员可以随时掌握生产过程的全貌等单元集中安装在控制室内，使得操作员可以随时掌握生产过程的全貌并据此实施操作控制，因此，这样就构成了一个完整的控制系统。并据此实施操作控制，因此，这样就构成了一个完整的控制系统。 作为现代控制系统的主要特点，在于系统是由现场的回路控制部分作为现代控制系统的主要特点，在于系统是由现场的回路控制部分（一次仪表），集中控制室中的人

50、机界面（二次仪表）和连接这两部分（一次仪表），集中控制室中的人机界面（二次仪表）和连接这两部分的信号电缆三大部分所组成的。的信号电缆三大部分所组成的。 从基地式仪表发展到单元式组合仪表，从控制装置发展到控制系统，从基地式仪表发展到单元式组合仪表，从控制装置发展到控制系统，根本原因是信号传输的出现。即：信号的传输技术造成了功能上的分工根本原因是信号传输的出现。即：信号的传输技术造成了功能上的分工与配合，使控制装置演变成了控制系统。与配合，使控制装置演变成了控制系统。2022年5月1日星期日Industrial Process Contral System31 工业控制系统DCSDCS控制系统简述

51、控制系统简述 不论是气动单元组合仪表还是电动单元组合仪表，其调节、计算单不论是气动单元组合仪表还是电动单元组合仪表，其调节、计算单元都是采用模拟原理实现的。元都是采用模拟原理实现的。 以电动单元组合仪表为例，其控制算法如比例、积分、微分等调节以电动单元组合仪表为例，其控制算法如比例、积分、微分等调节规律，均利用电容、电感、电阻等元件的电气规律模拟实现。规律，均利用电容、电感、电阻等元件的电气规律模拟实现。 这些方法均有较大的局限性：这些方法均有较大的局限性： 其一：是计算精度不高。其精度受元件参数的精度或加工精度的影响较大，其一：是计算精度不高。其精度受元件参数的精度或加工精度的影响较大，而且

52、随着时间的推移、环境的变化和机件的磨损，各种参数会发生变化，造成而且随着时间的推移、环境的变化和机件的磨损，各种参数会发生变化，造成控制精度的下降。控制精度的下降。 其二：以模拟方式实现的计算，其动态范围也受到较大的限制。如果在控其二：以模拟方式实现的计算，其动态范围也受到较大的限制。如果在控制回路中需要一个较大的滞后环节，实现起来是非常困难的，因此单元式组合制回路中需要一个较大的滞后环节，实现起来是非常困难的，因此单元式组合仪表的控制回路绝大多数是经典仪表的控制回路绝大多数是经典PIDPID控制，很少有更高级的控制算法。控制，很少有更高级的控制算法。2022年5月1日星期日Industria

53、l Process Contral System32 工业控制系统DCSDCS控制系统简述控制系统简述五、数字式单回路调节器五、数字式单回路调节器SLCSLC 数字式单回路调节器数字式单回路调节器SLCSLC（Single Loop ControllerSingle Loop Controller）以微处理器）以微处理器为核心，主要完成控制计算的功能。其最主要的用途是代替单元式组合为核心，主要完成控制计算的功能。其最主要的用途是代替单元式组合仪表的计算、显示及给定值等单元，而检测、执行等功能仍然由常规的仪表的计算、显示及给定值等单元，而检测、执行等功能仍然由常规的单元完成，以这种方式组成的系统

54、是一种模拟式和数字式混合模式的系单元完成，以这种方式组成的系统是一种模拟式和数字式混合模式的系统。统。 微处理器采用数字方式进行控制计算，其计算的能力大大加强，可微处理器采用数字方式进行控制计算，其计算的能力大大加强，可以实现相当复杂或难度很高的控制计算。而且数字化的处理具有数字通以实现相当复杂或难度很高的控制计算。而且数字化的处理具有数字通信功能，因此可以被用来方便地实现如串级控制、复合控制等较复杂的信功能，因此可以被用来方便地实现如串级控制、复合控制等较复杂的控制功能。控制功能。 SLCSLC发展很快，后来又在单回路调节器的基础上发展了多回路调节器。发展很快，后来又在单回路调节器的基础上发

55、展了多回路调节器。2022年5月1日星期日Industrial Process Contral System33 工业控制系统DCSDCS控制系统简述控制系统简述 尽管尽管SLCSLC在内部采用了数字技术，以微处理器为核心构成系统，但在内部采用了数字技术，以微处理器为核心构成系统，但在形式上还是沿用了单元式组合仪表的构造，仍然是以一个单元的方式在形式上还是沿用了单元式组合仪表的构造，仍然是以一个单元的方式安装在仪表面板上，所不同的是安装在仪表面板上，所不同的是SLCSLC的显示多采用数字式的显示，即用的显示多采用数字式的显示，即用数码管直接显示出测量值或控制值、设定值等。数码管直接显示出测量值

56、或控制值、设定值等。六、计算机控制系统六、计算机控制系统 1 1、监视系统（、监视系统（Monitoring ControlMonitoring Control，MSMS） 19581958年年9 9月，在美国路易斯安娜州的一座发电厂内安装了第一台用月，在美国路易斯安娜州的一座发电厂内安装了第一台用于现场状态监视的计算机。它的作用是将一些现场检测仪表的数据采集于现场状态监视的计算机。它的作用是将一些现场检测仪表的数据采集到一起，然后在计算机的显示屏上进行显示，以供操作人员在中央控制到一起，然后在计算机的显示屏上进行显示，以供操作人员在中央控制室内观察发电厂的运行参数，实现了多台检测控制仪表的集

57、中监视功能。室内观察发电厂的运行参数，实现了多台检测控制仪表的集中监视功能。2022年5月1日星期日Industrial Process Contral System34 工业控制系统DCSDCS控制系统简述控制系统简述 2 2、监督控制系统（、监督控制系统（Set Point ControlSet Point Control，SPCSPC） 19591959年年3 3月，在美国得克萨斯州的一个炼油厂投运了另一套计算机月，在美国得克萨斯州的一个炼油厂投运了另一套计算机系统。该系统不仅可以显示现场仪表的检测数据，而且可以设定或改变系统。该系统不仅可以显示现场仪表的检测数据，而且可以设定或改变现场

58、控制仪表的给定值。其根据偏差实施控制的仍然由控制仪表完成。现场控制仪表的给定值。其根据偏差实施控制的仍然由控制仪表完成。 3 3、直接数字控制系统（、直接数字控制系统（Direct Digital ControlDirect Digital Control， DDC DDC） 19601960年年4 4月，在美国肯塔基州的月，在美国肯塔基州的个化工厂投运的另一套计算机系个化工厂投运的另一套计算机系统，除了完成现场检测数据的监视和设定值的功能外，还可以实际完成统，除了完成现场检测数据的监视和设定值的功能外，还可以实际完成控制计算并实际输出控制量。控制计算并实际输出控制量。 DDCDDC与单元式组

59、合仪表所构成的控制系统的区别：与单元式组合仪表所构成的控制系统的区别： 仪表系统的控制回路完全是分立的，每个控制回路均有自己的一套仪表系统的控制回路完全是分立的，每个控制回路均有自己的一套设备，包括测量、控制计算及控制量的输出等。设备，包括测量、控制计算及控制量的输出等。2022年5月1日星期日Industrial Process Contral System35 工业控制系统DCSDCS控制系统简述控制系统简述 DDCDDC则利用计算机强大的计算处理能力将所有回路的控制计算工作则利用计算机强大的计算处理能力将所有回路的控制计算工作集中完成。由于这种集中处理方式，相应的过程量输入输出也都集中连

60、集中完成。由于这种集中处理方式，相应的过程量输入输出也都集中连接到计算机上，而无法明确区分哪些量是属于哪个控制回路的。接到计算机上，而无法明确区分哪些量是属于哪个控制回路的。 DDCDDC将所有控制回路的计算处理集中在一起的方法比较有利于复杂将所有控制回路的计算处理集中在一起的方法比较有利于复杂控制功能的实现，如复合控制及多个回路协调控制等，但也同时带来了控制功能的实现，如复合控制及多个回路协调控制等，但也同时带来了安全性和计算能力的问题。安全性和计算能力的问题。 所有回路都集中在计算机中进行计算处理，因此计算机成为整个系所有回路都集中在计算机中进行计算处理，因此计算机成为整个系统可靠性的统可