A 过程控制系统
此部分的主要目的是满足读者对自动过程控制的需要和激励读者来学习。自动过程控制与持续过程变量、温度、压力、流量、成分和期望操作值一类的量有关。正如我们在后续的章节中所看到的，过程本身是动态的。变化不断发生，并且如果激励未加入，重要的过程变量——与安全有关的变量、产品质量和生产率——将不能获得期望值。
为了强化概念，让我们来考虑一个过程流通过浓缩流加热的热变换器，其过程框图如图4-1A-1
此单元的目的是把一过程流从某一入口温度Ti(t)加热到某一期望出口温度T(t)。如前所述，热介质是浓缩流。
只要对周围环境没有热损失，过程流所获得的能量等同于浓缩流释放的热量。也就是说，热变换器和管子均绝缘。在这种情况下，释放的热量就是浓缩流浓缩的潜热。
在此过程中，有许多变量可变化，从而造成出口温度偏离期望值。如果发生此情况，激励必须加入以更正此偏差。也就是说，激励将控制出口温度以维持其期望值。
完成此目的的一种方法是首先测量温度T(t)，然后与期望值比较，基于此比较值，确定以什么来更正偏差。浓缩流的流量可用于更正偏差。也就是说，如果温度高于期望值，那么到热变换器的浓缩流的流量（能量）可调节减少。如果温度低于期望值，那么到热变换器的浓缩流的流量（能量）可调节增加。所有这些均可由操作者人工完成，并且如果过程简单明了，这将不成问题。然而，在大多数过程控制工厂中，均有数百个变量必须
保持期望值，那么更正过程将需要大量的操作人员。因此，我们希望自动的完成此控制。这就是说，我们需要一些不用操作人员介入就可控制这些变量的设备。这就是我们所说的自动过程控制。
为完成此目的，必须设计和实现控制系统。一种可能的控制系统和其基本元件如图4-1A-2所示。
首先是测量过程流的出口温度，完成此任务的是传感器（热电偶、阻抗温度仪、*系统温度计、电热调节器等）。传感器会与热敏电偶相连，热敏电偶从传感器采一输出点，并把其转换为足够强的信号传递给一控制器。控制器接受与温度相关的信号，并与期望值相比较。依赖于此比较值，控制器可确定怎样保持温度在期望值。基于此决定，控制器给终端控制元件传送另一信号，其反过来操作流量。
前面的段落介绍了控制系统的四个基本元件。它们是：
传感器，通常称为主要元件。
热敏电偶，通常称为次要元件。
控制器，控制系统的“脑”。
终端控
制系统，经常为控制阀但不总是。一般其它终端控制元件为可变的速度泵、传送机和电动机。
这些元件的重要性在于它们执行的是在每一个控制系统中所必须的三个基本操作。这些操作是：
测量（M ）：传感器和热偶电阻的组合元件经常测量被控变量。
设定（D ）：基于测量值，控制器决定怎样维持变量在期望值。
执行（A ）：作为控制器决定后的结果，系统必须采取一定的措施，通常有终端控制元件完成。
如上所述，在每一个控制系统中这三个基本操作：M、D和A都会存在。在某些系统中，决定-执行操作相当简单，而在另一些系统中操作很复杂。工程人员设计控制系统时必须确保采取的措施要影响控制变量，也就是说，采取的措施要影响测量值。否则，系统是不可控的且有可能弊大于利。
B 过程控制的基本要素
自动过程控制的重要术语
目前，定义一些用于自动过程控制领域的术语是必要的。第一个术语是被控量，此变量必须维持或控制在某一期望值。在前面的例子中，过程出口温度T(t)是被控量。第二个术语是参考点，即被控量的期望值。操纵量是用于维持被控量处于期望值的变量，在上例中，流量是操纵量。最后，造成被控量偏离参考点的任何变量被定义为扰动或干扰。在大多数过程中存在许多不同
的扰动。在图4-1A-2所示的热变换器的例子中，入口过程温度Ti(t)、过程流量q(t)、流能量的质量、周围环境、过程流体成分、阻塞等均可能是扰动。在这里重要的是理解在过程控制工业中，大多数情况下，正是因为扰动的存在才需要自动过程控制。如果没有扰动，设计-操作情况将盛行，并且将没有必要不断监测过程。
下面的附加术语也很重要。开环指的是控制器与过程开断的情况。也就是说，控制器并不决定怎样维持控制量在参考点。在开环控制中的另一个例子是控制器采取的措施（A）不能影响测量（M）。的确，这是控制系统设计的一个重大缺陷。闭环控制指的是控制器与过程连接，参考点与被控量比较并决定更正措施的情况。
基于这些术语的定义，自动过程控制系统的对象可陈述如下：自动过程控制系统的对象是尽管有扰动存在，也可利用操作量来维持被控量在其设置值。
调节和伺服系统
在一些过程中，由于扰动，被控量偏离恒定的参考点。调节控制指的是设计的系统补偿扰动。在另一些情况中，最重要的扰动是参考点本身，也就是说，参考点可能是时间的函数（典型的是成批处理），因此被控量必须随参考点变化。伺服控制指的是控制设计
的系统达到此目的。
在过程控制工业中，调节控制远远比伺服控制更为普遍。然而，设计这两种控制的基本方法基本是一样的。因此自动过程控制中的很多原理对两者都适用。
传输信号
现在解释几个用于控制系统仪表间通讯的信号。目前，用于过程工业的信号主要有三类，气动信号或气压通常在3到15表压，6到30表压或3到27表压的信号也较常用到。在管系和仪表图（P&ID）中气压信号的一般表示符号为 。电力或电子符号
通常在4到20毫安，10到50毫安的符号也常用到，此符号在P&ID中的一般表示符号为--------。越来越普遍的第三类符号是数字的或抽象的符号（零一）。基于大型计算机、小型计算机和微处理器的过程控制系统的应用是强迫增强此类信号的应用。经常需要把一类信号变换为另一类信号，这由传感器完成。例如，可能需要把一个电信号，单位为毫安变换成一个气动信号，单位为表压，这由电流（I）-气动（P）传感器（I/P）。框图如图4-1B-1所示。
输入信号在4到20毫安之间，输出信号在3到15表压之间。其他传感器还有：气动-电流传感器（P/I），电压-气动传感器（E/P），气动-电压传感器（P/E）等等。
过程控制所需背景
为使自动过程控制在实际中成功应用，工程师首先必须理解过程工程的原理，因此本单元假设读者熟悉热力学、流体流、热传送、分断过程、响应过程等的过程工程的基本原理。
为了学习过程自动控制，理解怎样处理动态性能也是非常重要的，因此需要建立一套描述不同过程的方程，这就叫做建模。为了做到这一点，需要前面段落提到的基本原理知识和不同方程式的数学知识。在过程控制中，拉普拉斯变换应用非常广泛。这在很大程度上简化了微分方程的求解、过程的动态分析和其控制系统。
学习和实践过程控制的另一个重要“工具”是计算机仿真。
建立描述过程的很多方程式本身是非线形的，因此，求解最精确的方法是运用数字方法，即计算机求解。过程模型的计算机求解被称为仿真。