0.2 過程控制的發展與趨勢

0.2.1 自動控制理論的發展歷程

20世紀40年代開始形成的控制理論被稱為“20世紀上半葉三大偉績之一”，在人類社會的各個方面有著深遠的影響。與其他學科一樣，控制理論源于社會實踐和科學實踐。在自動化的發展中，有兩個明顯的特點：第一，任務的需要、理論的開拓與技術手段的進展三者相互推動，相互促進，顯示了一幅交錯復雜但又輪廓分明的畫卷，三者間顯示出清晰的同步性；第二，自動化技術是一門綜合性的技術，控制論更是一門廣義的學科，在自動化的各個領域，移植和借鑒起到了交流匯合的作用。

自動化技術的前驅，可以追溯到我國古代，如指南車的出現。至于工業上的應用，一般以瓦特的蒸汽機調速器作為正式起點。工業自動化的萌芽是與工業革命同時開始的，這時的自動化裝置是機械式的，而且是自力型的。隨著電動、液動和氣動這些動力源的應用，電動、液動和氣動的控制裝置開創了新的控制手段。

有人把直到20世紀30年代末這段時期的控制理論稱為第一代控制理論。第一代控制理論分析的主要問題是穩定性，主要的數學方法是微分方程解析方法。這時候的系統（包括過程控制系統）是簡單控制系統，儀表是基地式、大尺寸的，滿足當時的需要。

到第二次世界大戰前后，控制理論有了很大發展。Nyquist（1932）和Bode（1945）頻域法分析技術及穩定判據、Evans根軌跡分析方法的建立，使經典控制理論發展到了成熟的階段，這是第二代控制理論。至此，自動控制技術開始形成一套完整的，以傳遞函數為基礎，在頻域對單輸入、單輸出（SISO）控制系統進行分析與設計的理論，這就是今天所謂的古典控制理論。古典控制理論最輝煌的成果之一要首推PID控制規律。PID控制原理簡單，易于實現，對無時間延遲的單回路控制系統極為有效。目前，工業過程控制中80%

90%的系統還使用PID控制規律。經典控制理論最主要的特點是：線性定常對象，單輸入、單輸出，完成定值控制任務。即便對這些極簡單對象的描述及控制任務，理論上也尚不完整，從而促使現代控制理論的發展。

從20世紀50年代開始，隨著工業的發展、控制需求的提高，除了簡單控制系統以外，各種復雜控制系統也發展起來了，而且取得了顯著的功效。為適應多種結構系統的需要，在控制器方面，單元組合式儀表應運而生。在20世紀60~70年代的相當長的一段時期內，氣動單元組合儀表（QDZ）和電動單元組合儀表（DDZ）是控制儀表的主流。

20世紀60年代，現代控制理論迅猛發展，它是以狀態空間方法為基礎、以極小值原理和動態規劃等最優控制理論為特征的，而以在隨機干擾下采用Kalman濾波器的線性二次型系統（LQG）設計方法宣告了時域方法的完成，這是第三代控制理論。第三代控制理論在航天、航空、制導等領域取得了輝煌的成果，在過程控制領域也有所移植。

從20世紀70年代開始，為了解決大規模復雜系統的優化與控制問題，現代控制理論和系統理論相結合，逐步發展形成了大系統理論。其核心思想是系統的分解與協調。多級遞階優化與控制正是應用大系統理論的典范。實際上，大系統理論仍未突破現代控制理論的思想與框架，除了高維線性系統之外，它對其他復雜控制系統仍然束手無策。對于含有大量不確定性和難于建模的復雜系統，基于知識的專家系統、模糊控制、人工神經網絡控制、學習控制和基于信息論的智能控制等應運而生，它們在許多領域都得到了廣泛的應用。

0.2.2 過程控制系統的發展與趨勢

從系統結構來看，過程控制已經經歷了四個階段。

1. 基地式控制階段（初級階段）

20世紀50年代，生產過程自動化主要是憑生產實踐經驗，局限于一般的控制元件及機電式控制儀器，采用比較笨重的基地式儀表（如自力式溫度控制器、就地式液位控制器等），實現生產設備就地分散的局部自動控制。在設備與設備之間或同一設備中的不同控制系統之間，沒有或很少有聯系，其功能往往限于單回路控制。過程控制的目的主要是幾種熱工參數（如溫度、壓力、流量及液位）的定值控制，以保證產品質量和產量的穩定。時至今日，這類控制系統仍沒有被淘汰，而且還有了新的發展，但所占的比重大為減小。

2. 單元組合儀表自動化階段

20世紀60年代出現了單元組合儀表組成的控制系統，單元組合儀表有電動和氣動兩大類。所謂單元組合，就是把自動控制系統儀表按功能分成若干單元，依據實際控制系統結構的需要進行適當的組合，因此單元組合儀表使用方便、靈活。單元組合儀表之間用標準統一的信號聯系，氣動儀表（QDZ系列）為20~100kPa氣壓信號，電動儀表為0~10mA直流電流信號（DDZ—Ⅱ系列）和4~20mA直流電流信號（DDZ—Ⅲ系列）。由于電流信號便于遠距離傳送，因而實現了集中監控與集中操縱的控制系統，對提高設備效率和強化生產過程有所促進，適應了工業生產設備日益大型化與連續化發展的需要。隨著儀表工業的迅速發展，對過程控制對象特性的認識、對儀表及控制系統的設計計算方法等都有了較大的進步。但從設計構思來看，過程控制仍處于各控制系統互不關聯或關聯甚少的定值控制范疇，只是控制的品質有了較大的提高。單元組合儀表已延續了幾十年，目前國內還廣泛應用。由單元組合儀表組成的控制系統，其控制策略主要是PID控制和常用的復雜控制系統（如串級、均勻、比值、前饋、分程和選擇性控制等）。

3. 計算機控制的初級階段

20世紀70年代出現了計算機控制系統，最初是直接數字控制（DDC）實現集中控制，代替常規的控制儀表。但由于集中控制的固有缺陷，未能普及與推廣就被集散控制系統（DCS）所替代。DCS在硬件上將控制回路分散化，數據顯示、實時監督等功能集中化，有利于安全平穩的生產。就控制策略而言，DCS仍以簡單的PID控制為主，再加上一些復雜的控制算法，并沒有充分發揮計算機的功能。

4. 綜合自動化階段

20世紀80年代以后出現了二級優化控制，在DCS的基礎上實現先進控制和優化控制。在硬件上采用上位機和DCS（或電動單元組合儀表）相結合，構成二級計算機優化控制。隨著計算機及網絡技術的發展，DCS出現了開放式系統，實現多層次計算機網絡構成的管控一體化系統（CIPS）。同時，以現場總線為標準，實現以微處理器為基礎的現場儀表與控制系統之間進行全數字化、雙向和多站通信的現場總線網絡控制系統（FCS）。FCS將對控制系統結構帶來革命性變革，開辟控制系統的新紀元。

當前自動控制系統發展的一些主要特點是：生產裝置實施先進控制成為發展主流；過程優化受到普遍關注；傳統的DCS正在走向國際統一標準的開放式系統；綜合自動化系統（CIPS）是發展方向。

綜合自動化系統，就是包括生產計劃和調度、操作優化、先進控制和基層控制等內容的遞階控制系統，亦稱管理控制一體化系統（簡稱管控一體化系統）。這類自動化系統是靠計算機及其網絡來實現的，因此也稱為計算機集成過程系統（CIPS）。這里，“計算機集成”指出了它的組成特征，“過程系統”指明了它的工作對象，正好與計算機集成制造系統（CIMS）相對應，有人也稱之為過程工業的CIMS。

可以認為，綜合自動化是當代工業自動化的主要潮流。它以整體優化為目標，以計算機為主要技術工具，以生產過程的管理和控制的自動化為主要內容，將各個自動化“孤島”綜合集成為一個整體的系統。