绪论自动化技术是当今举世瞩目的高技术之一，也是中国今后重点发展的一个高科技领域。
自动化技术的研究开发和应用水平是衡量一个国家发达程度的重要标志，也是现代化社会的一大标志。
自动化技术的进步推动了工业生产的飞速发展，在促进产业革命中起着十分重要的作用。
特别是在石油、化工、冶金、电力、轻工等部门，由于采用了自动化仪表和集中控制装置，促进了连续生产过程自动化的发展，大大地提高了劳动生产率，获得了巨大的社会效益和经济效益。
自动化是提高社会生产力的有力工具之一。
实现生产过程自动化的目的如下。
(1)加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。
在人工操作的生产过程中，由于人的五官、手、脚，对外界的观察与控制其精确度和速度是有一定限度的。
而且由于体力关系，人直接操纵设备功率也是有限的。
如果用自动化装置代替人的操纵，则以上情况可以得到改善，并且通过自动控制系统，使生产过程在最佳条件下进行，从而可以大大加快生产速度，降低能耗，实现优质高产。
(2)减轻劳动强度，改善劳动条件。
多数生产过程是在高温、高压或低温、低压下进行，还有的是易燃、易爆或有毒、有腐蚀性、有刺激性气味的场所，实现了生产过程自动化，工人只要对自动化装置的运转进行监视，而不需要再直接从事大量而又危险的操作。
(3)能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用能力的目的。
如离心式压缩机，往往由于操作不当引起喘振而损坏机体；聚合反应釜，往往因反应过程中温度过高而影响生产。
假如对这些设备进行必要的自动控制，就可以防止或减少事故的发生。
(4)生产过程自动化的实现，能根本改变劳动方式，提高工人文化技术水平，为逐步地消灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。
从生产过程自动化的发展情况来看，首先是应用一些自动检测仪表来监视生产。
在20世纪40年代以前，绝大多数生产处于手工操作状况，操作工人根据反映主要参数的仪表指示情况，用人工来改变操作条件，生产过程单凭经验进行。
对于那些连续生产的工厂，在进出物料彼此联系中装设了大的贮槽，起着克服干扰影响及稳定生产的作用，显然生产是低效率的，花在设备上的庞大投资也是浪费的。
20世纪50年代到60年代，人们对生产过程各种单元操作进行了大量的开发工作，使得生产过程朝着大规模、高效率、连续生产、综合利用方向迅速发展。
因此，要使这类工厂生产运行正常，必须要有性能良好的自动控制系统和仪表。
此时，在实际生产中应用的自动控制系统主要是温度、压力、流量和液位四大参数的简单控制，同时，串级、比值、多冲量等复杂控制系统也得到了一定程度的发展。
所应用的自动化技术工具主要是基地式气动、电动仪表及单元组合式仪表。
此时期由于还不能深入了解生产对象的动态特性，因此，应用半经验、半理论的设计准则和整定方式，对自动控制系统设计和参数整定起了相当重要的作用，解决了许多实际问题。
20世纪70年代以来，生产过程自动化技术又有了新的发展。
在自动化技术工具方面，仪表的更新非常迅速，特别是计算机在自动化中发挥越来越重要的作用，这对常规仪表产生了一系列的影响，促进常规仪表不断变革，以满足生产过程中对能量利用、产品质量等各方面越来越高的要求。
在自动控制系统方面，由于控制理论和控制技术的发展，给自动控制系统的发展创造了各种有利条件，各种新型控制系统相继出现，控制系统的设计与整定方法也有了新的发展。
近年来，现代自动化技术已经不只是局限于对生产过程中重要参数的自动控制了。
概括地说，现代自动化技术主要具有以下一些特点：现代自动化技术已发展为综合自动化，其应用的领域和规模越来越大，控制与管理一体化的系统已提到议事日程，因此，其社会、经济效益也越来越大；自动化技术显示了知识密集化、高技术集成化的特点，它是信息技术、仪器科学与技术、管理科学等相结合的现代高技术，在发展自动化技术的过程中，软设备所起的作用日益被重视；自动化过程中的智能化程度日益增加，各种智能仪表不断出现，控制的精度越来越高，控制的方式日益多样化，自动化技术已经不仅仅是减轻和代替了人们的体力劳动，而且也在很大程度上代替了人们的脑力劳动。
由于现代自动化技术的发展，在石油、化工、冶金、电力、轻工等行业，生产工艺、设备、控制与管理已逐渐成为一个有机的整体，因此，一方面，从事生产过程控制的技术人员必须深入了解和熟悉生产工艺与设备；另一方面，石油、化工、冶金、电力、轻工等工艺技术人员必须具有相应的自动控制的知识。
现在，越来越多的工艺技术人员认识到：学习仪表与自动化方面的知识，对于管理与开发现代自动化生产过程是十分重要的。
通过仪表与自动化课程的学习，应能了解生产过程自动化的基本知识，理解自动控制系统的组成、基本原理及各环节的作用；能根据工艺要求，与自动控制设计人员共同讨论和提出合理的自动控制方案；能在工艺设计或技术改造中，与自动控制设计人员密切合作，综合考虑工艺与控制两个方面，并为自动控制设计人员提供正确的工艺条件与数据；能了解生产对象的基本特性及其对控制过程的影响；能了解基本控制规律及其控制器参数与被控过程的控制质量之间的关系；能了解主要工艺参数(温度、压力、流量及物位)的基本测量方法和仪表的工作原理及其特点；在生产控制、管理和调度中，能正确地选用和使用常见的测量仪表和控制装置，使它们充分发挥作用；能在生产开、停车过程中，初步掌握自动控制系统的投运及控制器的参数整定；能在自动控制系统运行过程中，发现和分析出现的一些问题和现象，以便提出正确的解决办法；能在处理各类技术问题时，应用一些控制论、系统论、信息论的观点来分析思考，寻求考虑整体条件、考虑事物间相互关联的综合解决方法。
生产过程自动化是一门综合性的技术学科。
它应用自动控制学科、仪器仪表学科及计算机学科的理论与技术服务于各类生产过程，特别是石油、化工等连续生产工过程。
然而，石油、化学工程本身又是一门覆盖面很广的学科，石油、化工过程有其自身的规律，而石油、化工工艺更是类型纷繁。
对于熟悉石油、化学工程学科的人员，如能再学习和掌握一些检测技术和控制系统方面的知识，必能在推进石油、化工自动化事业中，起到事半功倍的作用。
第1章自动控制系统基本概念1.1 仪表及自动化发展状况20世纪40年代开始形成的控制理论被称为“20世纪上半叶三大伟绩之一”，在人类社会的各个方面有着深远的影响。
控制理论与其他任何学科一样，源于社会实践和科学实践。
在自动化的发展中，有两个明显的特点：第一，任务的需要、理论的开拓与技术手段的进展三者相互推动，相互促进，显示了一幅交错复杂，但又轮廓分明的画卷，三者间表明出清晰的同步性；第二，自动化技术是一门综合性的技术，控制论更是一门广义的学科，在自动化的各个领域，移植和借鉴起了交流汇合的作用。
自动化技术的前驱，可以追溯到我国古代，如指南车的出现。
至于工业上的应用，一般以瓦特的蒸汽机调速器作为正式起点。
工业自动化的萌芽是与工业革命同时开始的。
这时候的自动化装置是机械式的，而且是自力型的。
随着电动、液动和气动这些动力源的应用，电动、液动和气动的控制装置开创了新的控制手段。
到第二次世界大战前后，控制理论有了很大发展。
电信事业的发展导致了Nyquist (1932)频率域分析技术和稳定判据的产生。
Bode(1945)的进一步研究开发了易于实际应用的Bode图。
1948年，Evans提出了一种易于工程应用的求解闭环特征方程根的简单图解方法—根轨迹分析方法。
至此，自动控制技术开始形成一套完整的，以传递函数为基础，在频率域对单输入单输出(SISO)控制系统进行分析与设计的理论，这就是今天所谓的古典控制理论。
古典控制理论最辉煌的成果之一要首推PID控制规律。
PID控制原理简单，易于实现，对无时间延迟的单回路控制系统极为有效，直到目前为止，在工业过程控制中有80％~90％的系统还使用PID控制规律。
经典控制理论最主要的特点是：线性定常对象、单输入单输出、完成镇定任务。
即便对这些极简单对象的描述及控制任务，理论上也尚不完整，从而促使现代控制理论的发展。
20世纪60年代，控制理论迅猛发展，这是以状态空间方法为基础，以极小值原理(Pontryagin，1962)和动态规划方法(Bellman，1963)等最优控制理论为特征的，而以采用Kalman滤波器的随机干扰下的线性二次型系统（LOG）（Kalman，1960）宣告了时域方法的完成。
现代控制理论在航天、航空、制导等领域取得了辉煌的成果。
现代控制理论中首先得到透彻研究的是多输入多输出系统，其中特别重要的是对描述控制系统本质的基本理论的建立，如可控性、可观性、实现理论、典范型、分解理论等，使控制由一类工程设计方法提高成为一门新的科学。
为了扩大现代控制理论的适用范围，相继产生和发展了系统辨识与估计、随机控制、自适应控制以及鲁棒控制等各种理论分支，使控制理论的内容越来越丰富。
现代控制理论虽然在航天、航空、制导等领域取得了辉煌的成果，但对于复杂的工业过程却显得无能为力。
从20世纪70年代开始，为了解决大规模复杂系统的优化与控制问题，现代控制理论和系统理论相结合，逐步发展形成了大系统理论(Mohammad，1983)。
其核心思想是系统的分解与协调，多级递阶优化与控制(Mesarovie，1970)正是应用大系统理论的典范，实际上，大系统理论仍未突破现代控制理论的基本思想与框架，除了高维线性系统之外，它对其他复杂系统仍然束手无策。
对于含有大量不确定性和难于建模的复杂系统，基于知识的专家系统、模糊控制、人工神经网络控制、学习控制和基于信息论的智能控制等应运而生，它们在许多领域都得到了广泛的应用。
从自动控制系统结构来看，已经历了四个阶段。
20世纪50年代是以基地式控制器等组成的控制系统，像自力式温度控制器、就地式液位控制器等，它们功能往往限于单回路控制，时至今日，这类控制系统仍没有淘汰，而且还有了新的发展，但所占的比重大为减少。
20世纪60年代出现单元组合仪表组成的控制系统，单元组合仪表有电动和气动两大类。
所谓单元组合，就是把自动控制系统仪表按功能分成若干单元，依据实际控制系统结构的需要进行适当的组合。
因此单元组合仪表使用方便、灵活。
单元组合仪表之间用标准统一信号联系。
气动仪表（QDZ系列）为20～100kPa气压信号。
电动仪表信号为0～10mA直流电流信号（DDZ—Ⅱ系列）和4～20mA直流电流信号（DDZ—Ⅲ系列）。
单元组合仪表已延续30多年，目前国内还广泛应用。
由单元组合仪表组成的控制系统，控制策略主要是PID控制和常用的复杂控制系统（例如串级、均匀、比值、前馈、分程和选择性控制等）。
20世纪70年代出现了计算机控制系统，最初是直接数字控制(DDC)实现集中控制，代替常规控制仪表。
由于集中控制的固有缺陷，未能普及与推广就被集散控制系统（DCS）所替代。
