简单控制系统指的是单输入--单输出(Single-InputSingle-Output,SlSO)的线性控制系统，是控制系统的基本形式。其特点是结构简单，而且具有相当广泛的适应性。
1.简单控制系统的组成
在化工生产过程中有各种控制系统，下图几个简单控制系统的示例。下图中用TT，PT，LT和FT分别表示温度、压力、液位变送器和流量变送器，用TCPC，LC和FC表示相应的控制器，图中的执行器都用控制阀表示。
在这些控制系统中都有一个需要控制的过程变量，例如图中的温度、压力、液位、流量等，这些需要控制的变量称为被控变量。为了使被控变量与希望的设定值保持一致，需要有一种控制手段。例如，图中的蒸汽流量、回流流量和出料流量等，这些用于调节的变量称为操纵变量或操作变量。被控变量偏离设定值的原因是由于过程中存在扰动。例如，蒸汽压力、泵的转速、进料量的变化等。
在这些控制系统中，检测元件和变送器将被控变量的检测转换为标准信号，当系统受到扰动影响时，检测信号与设定值之间就有偏差，因此，检测变送信号在控制器中与设定值比较，其偏差值按一定的控制规律运算，并输出信号驱动执行机构改变操纵变量，使被控变量回复到设定值。
可见，简单控制系统由检测变送单元、控制器、执行器和被控对象组成。
检测元件和变送器用于检测被控变量，并将检测到的信号转换为标准信号输出。例如，热电阻或热电偶和温度变送器、压力变送器和液位变送器、流量变送器等。
控制器用于将检测变送单元的输出信号与设定值信号进行比较，按一定的控制规律对其偏差信号进行运算，运算结果输出到执行器。
执行器是控制系统环路中的最终元件，直接用于控制操纵变量变化。执行器接收控制器的输出信号，通过改变执行器节流件的流通面积来改变操纵变量。它可以是气动薄膜控制阀、带电气阀门定位器的电动控制阀等。执行器也可用变频调速电机等实现。被控对象是需要控制的设备，如换热器、泵液位储罐和管道等。
简单控制系统的框图如图3-2所示
2.简单控制系统的设计
2.1控制系统设计概述
首先，要求自动控制系统设计人员在掌握较为全面的自动化专业知识的同时，也要尽可能多地熟悉所要控制的工艺装置对象；其次，要求自动化专业技术人员与工艺专业技术人员进行必要的交流，共同确定自动化方案;再次，自动化技术人员要切忌盲目追求控制系统的先进性和所用仪表及装置的先进性；最后，设计一定要遵守有关的标准、行规，按科学合理的程序进行。
2.2基本内容
2.2.1确定控制方案
首先要确定整个系统的自动化水平，然后才能进行各个具体控制系统方案的讨论确定。对于比较大的控制系统工程，更要从实际情况出发，反复多方论证以避免大的失误。控制系统的方案设计是整个设计的核心，是关键的第一步。要通过广泛的调研和反复的论证来确定控制方案，它包括被控变量的选择与确认、操纵变量的选择与确认、检测点的初步选择、绘制出带控制点的工艺流程图和编写初步控制方案设计说明书等等。
2.2.2仪表及装置的选型
2.3基本步骤
2.3.1初步设计。初步设计的主要目的是上报审批，并为订货做准备。
2.3.2施工图设计。在项目和方案获批后，为工程施工提供有关内容详细的设计资料。
2.3.4参与施工和试车。设计代表应该到现场配合施工，并参加试车和考核。
2.4被控变量的选择
被控变量的选择是控制系统设计中的关键问题。在实践中，该变量的选择以工艺人员为主，自控人员为辅，因为对控制的要求是从工艺角度提出的。但自动化专业人员也应多了解工艺，多与工艺人员沟通，从自动控制的角度提出建议。工艺人员与自控人员之间的相互交流与合作，有助于选择好控制系统的被控变量。
在过程工业装置中，为了实现预期的工艺目标，往往有许多个工艺变量或参数可以被选择作为被控变量，也只有在这种情况下，被控变量的选择才是重要的问题。在多个变量中选择被控变量应遵循下列原则:
2.4.1尽量选择能直接反映产品质量的变量作为被控变量；
2.4.2所选被控变量能满足生产工艺稳定、安全、高效的要求；
2.4.3必须考虑自动化仪表及装置的现状。
2.5操纵变量的选择
在选定被控变量之后，要进一步确定控制系统的操纵变量(或调节变量)。实际上被控变量与操纵变量是放在一起综合考虑的。操纵变量的选取应遵循下列原则。
2.5.1操纵变量必须是工艺上允许调节的变量;
2.5.2操纵变量应该是系统中所有被控变量的输入变量中对被控变量影响最大的一个。
2.5.3不宜选择代表生产负荷的变量作为操纵变量，以免产量受到波动。
二、复杂控制系统
所谓“复杂”是相对于“简单”而言。通常指由两个或两个以上的检测变送器、调节器和执行器所组成的多回路的，或控制要求特殊的;或控制规律不同于PID的控制系统。复杂控制系统的种类较多，常使用的有串级、均匀、比值、前馈、选择性、分程控制系统等。
1.串级控制系统
1.1串级控制系统的基本概念
串级控制系统是在简单控制系统的基础上发展起来的。当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，采用简单控制系统往往控制质量较差，满足不了工艺上的要求，这时，可考虑采用串级控制系统。
1.1.1下面以管式加热炉温度控制系统为例说明串级控制系统的结构及其工作原理
炼油厂管式加热炉温度控制系统如图3-4所示。管式加热炉是石油工业生产中常用的设备之一。工艺要求原料油的出口温度保持为某一定值，所以选择原料油的出口温度为被控变量。根据原料油的出口温度的变化来控制燃料阀门的开度，即通过改变燃料量使原料油的出口温度保持在工艺所规定的数值上，这就是一个简单控制系统。
在实际生产过程中，特别是当加热炉的燃料压力或燃料本身的热值有较大波动时，上述简单控制系统的控制质量往往很差，原料油的出口温度波动较大，难以满足生产工艺的要求。
因为当燃料压力或燃料本身的热值变化后，首先影响炉膛的温度，然后通过传热过程才能逐渐影响原料油的出口温度，这个通道容量滞后很大，反应缓慢，而温度控制器TC是根据原料油的出口温度与给定值的偏差工作的。所以，当干扰作用于对象后，并不能较快地通过控制作用克服干扰对被控变量的影响。当生产工艺对原料油的出口温度要求非常严格时，上述简单控制系统是难以满足要求的。
为了解决管式加热炉原料油出口温度的控制问题，在生产实践中，往往是根据炉膛温度的变化，先改变燃料量，然后再根据原料油的出口温度与给定值的偏差，进一步改变燃料量，以保持原料油的出口温度恒定。这样就构成了以原料油的出口温度为主要被控变量的炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统，管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统如图3-5所示。
在稳定工况下，原料油的出口温度和炉膛温度都处于相对稳定状态，控制燃料油的阀门保持在一定的开度。假定在某一时刻，燃料油的压力或燃料本身的热值发生变化，这个干扰首先使炉膛温度02发生变化，它的变化促使温度控制器TC进行工作，改变燃料的加入量，从而使炉膛温度与其给定值的偏差随之减小。与此同时，由于炉膛温度的变化，或原料油的流量或入口温度发生变化，会使原料油的出口温度0,发生变化，0的变化通过温度控制器TC不断地去改变温度控制器TC的给定值。这样两个控制器协同工作，直到原料油的出口温度0,重新稳定到给定值时，控制过程才结束。
管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统的方框图如图3-6所示。根据信号传递的关系，图中将管式加热炉分为两部分。一部分为受热管道，图中标为温度对象1，它的输出变量为原料油的出口温度01;另一部分为炉膛及燃烧装置，图中标为温度对象2，它的输出变量为炉膛温度02;干扰F2表示燃料油的压力、组分等的变化，它通过温度对象2首先影响炉膛温度02，然后再通过温度对象1影响原料油的出口温度。干扰F1表示原料油的流量、人口温度等的变化，它通过温度对象1直接影响原料油的出口温度01。
在上述控制系统中，有两个控制器T1C和T2C，分别接收来自对象不同部位的测量信号01和02。其中一个控制器T1C的输出作为另一个控制器T2C的给定值，而后者的输出去控制执行器以改变操纵变量。从系统的结构上看，这两个控制器是串接工作的，因此，这样的系统称为串级控制系统。
1.1.2在系统特性上，串级控制系统由于引入了副回路，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制的作用，从而可以有效地克服滞后，提高了控制质量。
1.1.3串级控制系统由于增加了副回路，因此具有一定的自适应能力，可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。
1.2串级控制系统的适用场合
简单控制系统和串级控制系统各有其特点，在系统设计时的指导思想是:如果采用简单控制系统能够满足生产要求，就不要采用串级控制系统。同时，串级控制系统也并不是到处都适用，它也有自己的应用场合。
1.2.2应用于纯滞后较大的过程
当过程纯滞后较大，简单控制系统不能满足工艺要求时，有时可以用串级控制系统来改善系统的控制质量，因为采用串级控制系统后，就可以在离控制阀较近、纯滞后较小的地方，选择一个辅助参数为副变量，构成一个纯滞后较小的副回路。当干扰作用于副回路时，在它通过纯滞后较大的主过程去影响主变量之前，由副回路实现对主要干扰的控制从而克服纯滞后的影响，副回路纯滞后小，控制及时，可以大大减小干扰对主变量的影响。
1.2.3应用于干扰变化激烈的过程
串级控制系统的副回路对于进入其中的干扰具有较强的校正能力。所以，在系统设计时，只要将变化激烈而且幅度大的干扰包围在副回路之中，就可以大大减小这种变化激烈而且幅度大的干扰对主变量的影响。
1.2.5应用于非线性的过程
在过程控制中，过程特性一般都是非线性的。当负荷变化时，过程特性会发生变化即会引起工作点的移动。这种特性的变化，可以通过选择控制阀特性来补偿，使得广义过程特性在整个工作范围内保持不变。采用串级控制系统，由于它能适应负荷和操作条件的变化，自动调整副控制器的给定值，从而改变控制阀的开度，使系统运行在新的工作点。最终使主变量保持平稳，从而达到工艺上的要求。
串级控制系统的工业应用范围虽然较广，但是必须根据工业生产的具体情况，充分利用串级控制系统的优点，才能收到预期的效果。
2.均匀控制系统
均匀控制系统具有使控制变量与被控变量在一定范围内缓慢地变化的特殊功能。在定值控制系统中，为了保持被控变量恒定，控制变量的幅度可以较大地变化，而在均匀控制系统中，控制变量与被控变量通常是同样重要的。控制的目的是使两者在干扰作用下缓慢而均匀地变化。
2.1均匀控制系统的基本概念
在连续生产过程中，前一设备的出料往往是后一设备的进料。随着生产的不断强化，前后生产过程的联系也越来越紧密这就要求我们在设计控制系统时应有全局观念。连续精馏的多塔分离过程如图3-7所示。图中甲塔的出料为乙塔的进料，对于甲塔来说，为了稳定操作需保持塔釜液位稳定，因此，必然频繁地改变塔底的排出量，这样就使塔釜失去了缓冲作用。对于乙塔来说，从稳定操作要求出发，希望进料量尽量不变或少变，这样甲、乙两塔间的供求关系就出现了矛盾。
为了解决前后工序供求之间的矛盾，达到前后兼顾协调操作，使液位和流量均匀变化为此设计的控制系统称为均匀控制系统。
均匀控制系统通常是对液位和流量两个变量同时兼顾，通过均匀控制，使两个互相矛盾的变量达到下列要求。
2.1.1两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化的。
因为均匀控制是指前后设备料供求之间的均匀，所以，表征前后供求矛盾的两个变量都不应该稳定在某一固定数值。在图3-8(a)中把液位控制成比较平稳的直线，下一设备的进料量就会有很大的波动，这样的控制过程只不过是液位的定值控制，而不是均匀控制。在图3-8(b)中把后一设备的进料量控制成比较平稳的直线，就会导致前一设备的液位有很大的波动，所以，该控制过程可看作是流量的定值控制。只有图3-8(c)中所示的液位和流量的控制曲线才符合均匀控制的要求，液位和流量都有一定程度的波动，但是波动都比较缓慢。
2.1.2前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内波动。
在图3-7中，甲塔塔釜液位的变化不能超出规定的上下限，乙塔的进料流量也不能超出它所能承受的最大负荷或低于最小处理量。在设计均匀控制系统时必须满足这两个限制条件。
2.2均匀控制方案
实现液位和流量的均匀控制主要有简单均匀控制、串级均匀控制以及双冲量均匀控制三种控制方案，这里简单介绍简单均匀控制和串级均匀控制两种控制方案。
2.2.1简单均匀控制
简单均匀控制采用单回路控制系统的结构形式，从系统的结构形式上看，它与简单的液位定值控制系统没有什么不同，但是系统设计的目的不同。液位定值控制系统是通过改变排出流量以维持液位的稳定，而简单均匀控制系统是为了协调液位与排出流量之间的关系，允许它们在各自所允许的范围内缓慢而均匀。
简单均匀控制系统是通过控制器的参数整定来实现均匀控制的要求的。简单均匀控制系统中的控制器一般都采用纯比例控制规律，比例度的整定不能按4:1(或10:1)衰减振荡过程来整定，而是将比例度整定得很大，以保证当液位变化时，控制器的输出变化很小，排出流量缓慢而均匀地变化。有时为了防止连续出现同向干扰时被控变量超出工艺规定的上下限范围，可适当引入积分作用。
简单均匀控制系统结构简单，操作方便，成本低，但控制质量差，适用于干扰小控制要求较低的场合。
2.2.2串级均匀控制
简单均匀控制方案虽然结构简单，但有局限性。当塔内压力或排出端压力变化时，即使控制阀的开度不变，流量也会随控制阀前后压差的变化而改变，等到流量的变化影响到液位变化后，液位控制器才进行控制，显然控制是不及时的。为了克服这一缺点，可在原控制方案的基础上增加一个流量副回路。
从系统的结构形式上看，它与串级控制系统是相同的。由于增加了一个流量副回路可以及时克服塔内压力或排出端压力变化所引起的流量变化。但是，由于设计这一控制系统的目的是为了协调液位和流量这两个变量的关系，使它们在各自所允许的范围内缓慢而均匀地变化，所以，本质上还是均匀控制。
串级均匀控制系统的主、副控制器一般都采用纯比例控制规律，只是在要求较高时为了防止偏差过大而超过允许的范围，才引入适当的积分作用。
3.比值控制系统
某些生产过程的控制任务比较特殊，为了满足这类生产过程的控制要求，应设计一种能够满足某些特定要求的控制系统。
3.1比值控制的基本概念
在现代工业生产过程中，常常要求两种或多种物料流量成一定比例关系，如果一旦比例失调，就会影响产品质量，甚至会造成生产事故。
实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。通常为流量比值控制系统。
在比值控制系统中，需要保持比值关系的两种物料必有一种处于主导地位，这种物料称为主物料或主流量，用Q1表示。另一种物料随主流量的变化而变化，因此称为从物料或副流量，用Q2表示。
比值控制系统就是要实现副流量Q2和主流量Q1成一定的比例关系，满足如下美系式
K=Q2/Q1
式中:K-副流量与主流量的流量比值。
3.2比值控制方案
比值控制系统主要有以下几种方案。
3.2.1开环比值控制系统
开环比值控制系统是最简单的比值控制方案，开环比值控制系统的示意图如图3-10所示。在稳定工况下，两种物料的流量应满足Q2=KQ,的要求。
开环比值控制系统的方框图如图3-11所示。从图3-11中可以看到，该系统的测量信号取自主流量Q,而控制器的输出控制的是从物料的流量Q2，系统没有构成闭环，所以，该系统是一个开环控制系统。
3.2.2单闭环比值控制系统
单闭环比值控制系统是为了克服开环比值控制方案的不足，在开环比值控制系统的基础上，通过增加一个副流量的闭环控制系统而组成的，单闭环比值控制系统的示意图和方框图如图3-12所示和图3-13所示。
从图3-13中可以看到，单闭环比值控制系统与串级控制系统的结构形式类似，但两者是不同的。单闭环比值控制系统中的主流量Q1类似于串级控制系统中的主变量，但主流量Q1并没有构成闭环，副流量Q2的变化并不会影响到主流量Q1，尽管控制系统中也有两个控制器，但只有一个闭环，这是两者的根本区别。
单闭环比值控制系统不但能实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且还能克服副流量本身干扰对流量比值的影响，因此主、副流量的比值精度较高。另外，这种控制方案结构简单，实施起来也较为方便，所以，在生产上得到广泛应用。
单闭环比值控制系统虽然能保持两种物料量的比值一定，但由于主流量是不受控制的当主流量变化时，总的物料量就会跟着变化。
3.2.3双闭环比值控制系统
双闭环比值控制系统是为了克服单闭环比值控制系统的主流量不受控制，生产负荷在较大范围内波动的不足而设计的。它是在单闭环比值控制系统的基础上，增加了主流量控制回路而构成的。双闭环比值控制系统的示意图如图3-14所示。从图中可以看到，当主流量Q1变化时，一方面通过主流量控制器F2C对它进行控制，另一方面通过比值控制器K后作为副流量控制器F2C的给定值，使副流量跟随主流量的变化而变化。
双闭环比值控制系统的缺点是结构比较复杂，使用的仪表较多，投资较大，系统调整较麻烦。双闭环比值控制系统主要适用于主流量干扰频繁、工艺上不允许负荷有较大波动或工艺上经常需要提降负荷的场合。
3.2.4变比值控制系统
上面介绍的几种控制方案都是属于定比值控制系统，控制的目的是要保持主、从物料的比值关系为定值。但是有些化学反应过程要求两种物料的比值能灵活地随第三变量的需要而加以调整，这样就出现了一种变比值控制系统。
变换炉的半水煤气与水蒸气比值控制系统的示意图如图3-16所示。在变换炉的生产过程中，半水煤气与水蒸气的量需要保持一定的比值关系，但其比值系数要能随一段触媒层温度的变化而变化，这样才能在较大负荷变化时获得较好的控制效果。变换炉的半水煤气与水蒸气比值控制系统的方框图如图3-17所示。
由图3-17可见，从系统的结构来看，这个控制系统实际上是一个串级控制系统。
4.前馈控制系统
前馈控制是改善和克服反馈控制不及时的另一种控制方法。它是利用补偿原理，采用开环结构，按扰动作用的大小进行控制。
前馈控制相对于反馈控制来说，控制作用及时，对扰动的影响理论上可以完全补偿，使用恰当可大大提高控制质量。
4.1前馈控制与反馈控制的几点不同
(1)系统检测信号的不同:反馈控制检测的是被控变量;前馈控制检测的是扰动量。
(2)系统控制的依据不同:反馈控制依据是偏差大小;前馈控制的依据是扰动量的大小。
(3)控制模式不同:反馈控制采用常规的PID控制调节器;前馈控制采用的是引入补偿装置对扰动量进行补偿校正。
5.选择性控制系统
凡是在自动控制系统中引入了选择器并按照工艺过程限制条件的逻辑关系工作的系统都称为选择性控制系统。其工作状况是:当生产过程趋向限制条件时，选择器自动选择个取代调节器取代正常工作状况下的调节器，通过取代调节器的控制作用，使生产过程脱离危险状态，生产操作重新回到安全范围后，取代调节器自动退出，转为备用状态，正常调节器恢复工作。
锅炉蒸汽压力选择性控制系统的工作过程：
上图中的LS为低值选择器，正常情况下b 当蒸汽压力大幅降低，调节阀开度过大，阀后压力接近“脱火”压力时，此时a 上图为反应器热点极值选择性控制系统。在固定床反应器中，为了防止温度过高烧坏触媒，在反应器的四个不同部位设置了温度检测点。各温度变送器的输出端引入高值选择器，选出其中最高的信号值作为调节器控制冷却剂调节阀的依据。这样，系统将按反应器的最高温度控制冷却剂流量，从而保证了反应器触媒层的安全。 6.分程控制系统 一个调节器的输出同时送往两个或更多个调节阀，每个调节阀在调节其输出信号的某段范围内做全行程动作，以满足工艺生产的特殊要求，这样的控制系统称为分程控制系统 6.1分程控制系统应用的场合: (1)适应生产中需用多种物料或多种手段控制的场合； (2)扩大调节阀的可调范围，满足不同负荷下的控制要求； (3)用于满足工艺操作的特殊要求，保证生产安全。 上图是储罐氮封分程控制系统。为了防止这些石油产品氧化变质或引起爆炸，常采用灌顶充氮气的办法，使之与外界空气隔绝。实行氮封的技术要求是，要始终保持储罐内氮气的压力为微正压。储罐内物料量的变化，将引起罐顶密封压力的变化。罐内压力过高或过低都是不允许的。 氮封分程控制系统的工作过程: 图中的调节器是反作用的，阀A为气开阀;阀B为气关阀，它们的分程特性如图所示储罐压力升高时，测量值增大，压力调节器的输出下降，A阀关闭，B阀打开，通过排出多余的氮气降低罐内压力;反之，B阀关闭，A阀打开，向罐内补充氮气，提高罐内的压力。