过程控制器从变送器接收过程变量数据，再根据控制算法向控制元件发出动作信号，从而影响被控过程。
##键术语。
首先是所谓的过程（Process），也就是我们希望监视和控制的物理系统。
为了便于说明，假设有一台换热器，它使用高温蒸汽，把热量传递给温度较低的液体。
换热器在化工行业中应用非常普遍。它可以把化学溶液维持在所需要的温度，使预期的混合、分离或化学反应能够正常进行。
一种非常常见的换热器结构是管壳式换热器（Shell-and-tube Heat Exchanger）。
在这种换热器中：
金属壳体构成化学溶液流动的通道；
壳体内部布置着许多较细的管子；
蒸汽或其他传热介质在这些管子中流动。
管内温度较高的蒸汽，把热能传递给换热器壳体内部、管束周围温度较低的过程流体。
〔图：管壳式换热器〕
在这个例子中，所谓的“过程”就是整个加热系统，其中包括：
需要加热的流体；
换热器本体；
提供所需热能的蒸汽。
为了稳定控制过程流体的出口温度，我们必须找到一种方法，对出口温度进行测量，并把测量结果转换成某种信号。
这样，其他负责采取控制动作的仪表才能读取和理解这个温度信息。
在仪表专业中，测量装置通常称为变送器（Transmitter）。
之所以叫变送器，是因为它能够把过程测量结果转换成信号，并将这个信号传送出去。
在过程仪表图中，变送器通常用一个小圆圈表示，圆圈内写有设备识别字母。
在这个例子中，圆圈内写着“TT”。
TT代表：
Temperature Transmitter，温度变送器。
〔图：温度变送器在过程图中的表示方法〕
变送器输出的信号，在图中由标记为“PV”的虚线表示。
这个信号代表被加热流体的出口温度，称为过程变量（Process Variable，PV）。
它类似于数学方程中的变量。
数学变量代表一道应用题中的某个数量；而在过程控制系统中，过程变量信号代表我们希望测量和控制的实际物理量。
为了控制这个过程变量，我们必须能够改变流经换热器的某种流量。
可以改变的流量包括：
过程流体的流量；
蒸汽流量；
或者同时改变两者。
一般而言，改变加热介质，也就是蒸汽的流量更为合理。
过程流体的流量通常应由整个生产过程的需求决定，而不应仅仅为了控制换热器温度而随意改变。
例如，假设这台换热器是炼油装置的一部分。
为了控制油品温度，调节蒸汽流量通常比调节油品流量更加合理。
这是因为，改变油品流量还会影响换热器上游和下游的其他过程变量。
理想情况下，无论以下条件如何变化，换热器温度控制系统都应尽量保持出口油温稳定：
入口油温发生变化；
油品流量发生变化；
换热器负荷发生变化。
调节进入换热器的蒸汽流量，一种方便的方法是使用控制阀。
在图中，这只阀门标记为“TV”。
TV代表：
Temperature Valve，温度控制阀。
从更一般的控制系统术语来说，控制阀称为最终控制元件（Final Control Element）。
除控制阀以外，还有其他类型的最终控制元件，例如：
伺服电机；
流量可调泵；
能够按要求改变某种物理量的其他机械装置。
不过，在工业过程控制中，控制阀最为常见，也可能是最容易理解的一种最终控制元件。
安装最终控制元件以后，蒸汽流量便成为操纵变量（Manipulated Variable）。
之所以叫操纵变量，是因为我们将直接改变或操纵这个量，以便控制过程变量。
〔图：通过操纵蒸汽流量控制过程变量〕
控制阀具有多种尺寸和结构形式。
有些阀门由人工操作。
这类阀门通常带有手轮或其他手动机构，操作人员转动手轮，便可以缩小或扩大管道内部的流通通道。
另一些阀门安装有：
信号接收装置；
阀门定位器；
自动执行机构。
这些装置可以根据控制信号的命令，把阀门移动到不同的开度位置。
控制信号通常是电信号，形式与各种变送器输出的信号类似。
这种结构使阀门能够接受远程控制。
操作人员或者计算机控制装置，不需要站在阀门旁边，也可以从远处改变操纵变量。
在前面的换热器图中，蒸汽控制阀带有电信号输入，该输入由标记为“控制信号”的虚线表示。
现在，我们来看换热器温度控制系统的最后一个组成部分：控制器（Controller）。
控制器的作用是读取温度变送器输出的过程变量信号，并判断控制阀应该打开到多大的程度，才能把过程变量维持在所希望的数值。
〔图：换热器温度控制系统中的控制器〕
在图中，中间写有“TC”的圆圈代表控制器。
TC代表：
Temperature Controller，温度控制器。
因为这个系统所控制的过程变量是过程流体的温度，所以使用温度控制器。
控制器通常是一台能够自动进行判断的计算机或电子装置。
它根据实际温度与预定目标温度之间的关系，自动决定是否需要：
增大控制阀开度；
减小控制阀开度；
或者保持当前阀门位置。
控制器的目标是把过程变量稳定在预先设定的目标值。
这个预先设定的目标值称为设定值（Setpoint，SP）。
请注意，在仪表图中，控制器的圆圈中央穿过一条实线，而变送器和控制阀的圆圈内部是空的。
按照ISA仪表符号标准：
空心圆圈表示安装在生产现场的仪表；
圆圈中央穿过一条实线，表示该仪表安装在主控制室内控制面板的正面。
因此，尽管图中三个仪表看起来彼此距离很近，实际安装位置可能相距很远。
温度变送器和控制阀必须安装在换热器附近，也就是安装在生产现场。
控制器则可以安装在距离换热器很远的主控制室内。
操作人员可以在安全、受保护的控制室中调整温度设定值，而不必直接进入生产现场。
前面介绍的各个部分，构成了一个反馈控制系统的基本要素。
过程是需要被控制的物理系统。
在这个例子中，过程就是换热器及其内部的流体和蒸汽加热系统。
过程变量是需要测量和控制的具体物理量。
在这个例子中，过程变量是过程流体的出口温度。
变送器负责测量过程变量，并输出一个与测量值相对应的信号。
控制器负责判断应该采取什么控制动作，使过程变量尽可能接近设定值。
最终控制元件是直接对过程施加控制作用的设备。
在这个例子中，最终控制元件是蒸汽控制阀。
操纵变量是控制系统为了影响过程变量而直接改变的量。
在这个例子中，操纵变量是蒸汽流量。
反馈控制可以被看成一个信息不断循环的“回路”。
信息传递路径如下：
变送器测量过程变量；
变送器把测量信号发送给控制器；
控制器根据过程变量和设定值作出判断；
控制器向最终控制元件发出控制信号；
最终控制元件改变操纵变量；
操纵变量影响实际过程；
过程变量随之发生变化；
变送器再次测量新的过程变量。
信息由变送器传到控制器，再传到最终控制元件，然后经过实际过程重新返回变送器，因此构成一个闭合的信息回路。
理想的过程控制回路不仅应把过程变量维持在稳定的设定值，还应能够在以下情况发生时继续保持控制：
设定值发生改变；
过程中的其他变量发生改变；
设备负荷发生变化；
外部干扰进入系统。
〔图：反馈控制回路的信息传递路径〕
这里用于控制过程的反馈形式，具体称为负反馈（Negative Feedback），也称为减弱反馈（Degenerative Feedback）。
“负”并不是指这种反馈不好，而是指控制系统的动作方向与过程变量的偏离方向相反。
假设某种因素使过程变量升高，控制系统就会自动采取行动，使过程变量重新下降到应该处于的位置。
反过来，如果过程变量下降到设定值以下，控制系统就会采取行动，使过程变量重新上升到设定值。
因此，无论过程变量相对于设定值向哪个方向偏离，控制系统都会采取相反方向的控制动作，试图使过程变量重新稳定在设定值上。
例如，假设进入换热器的未加热过程流体流量突然增大。
根据传热原理，换热器出口温度将会下降。
温度变送器检测到出口温度降低以后，会把这一变化报告给控制器。
控制器随后要求控制阀增加蒸汽流量，以补偿温度下降。
随着蒸汽流量增加，换热器提供的热量增多，过程变量便逐渐恢复到设定值。
理想情况下，一个设计合理且参数整定良好的控制回路，应当能够检测并补偿：
过程本身的变化；
外部负荷的变化；
设定值的变化。
最终结果是，使过程变量始终稳定在设定值附近。
未加热流体的流量，是一个非受控变量（Uncontrolled Variable），有时也称为自由变量（Wild Variable）。
因为当前控制系统没有能力直接影响这个流量。
这个流量也称为负荷（Load），因为它会对我们希望稳定的过程变量产生影响。
几乎所有受控系统中都存在负荷。
事实上，负荷变化正是大多数系统需要安装自动控制装置的主要原因。
回到换热器的例子，如果下面这些因素永远不会变化：
蒸汽温度；
过程流体流量；
入口流体温度；
蒸汽压力；
换热器传热状态；
那么，仅使用一只手动设定开度的蒸汽阀，也可能把换热器维持在合适的工作温度。
但是现实中的过程条件总是在变化，所以需要反馈控制系统不断自动补偿这些变化。
许多类型的过程都适合采用反馈控制。
例如，飞机的自动驾驶系统可以在侧风等外部负荷的影响下，使飞机保持稳定航向。
在这个系统中：
电子罗盘测量飞机航向；
航向是过程变量；
自动驾驶控制器读取实际航向；
方向舵是最终控制元件；
控制系统通过改变飞机的偏航方向来修正航向。
汽车的定速巡航系统，也是反馈控制系统的一个例子。
在汽车定速巡航系统中：
汽车速度是过程变量；
驾驶员设定的目标速度是设定值；
发动机节气门是最终控制元件。
定速巡航系统的目的是，在各种负荷影响下保持汽车速度恒定。
这些负荷可能包括：
上坡；
下坡；
逆风；
顺风；
道路表面不平。
其他反馈控制的例子还包括：
带自动压力控制的蒸汽锅炉；
带自动电压和频率控制的发电机；
带自动流量控制的供水或抽水系统。
这些系统都利用反馈控制，把某个过程变量维持在规定范围内。
现代技术几乎可以控制工业过程中任何能够被测量的物理量。
受控变量已经不再局限于传统的：
压力；
液位；
温度；
流量。
许多化学性质同样可以被测量和自动控制。
以市政供水和污水处理系统为例，为了最大限度地保障公众健康并减少环境影响，需要自动测量和控制多种化学指标。
例如，经过处理的污水在排入河流、海湾或海洋等大型水体之前，通常需要进行加氯消毒。
向水中加入氯，是为了杀死残留细菌，防止这些细菌进入自然水体后消耗水中的氧气。
如果加入的氯过少，就无法杀死足够数量的细菌。
残留细菌会造成较高的生化需氧量（Biological Oxygen Demand，BOD）。
细菌大量消耗水中的溶解氧，可能使水中的鱼类和其他生物因缺氧而死亡。
但是，如果加入的氯过多，氯本身又会对水生生物造成危害。
因此，水中的含氯量必须被精确控制在一个规定的设定值附近。
一旦溶解氯浓度过低或过高，控制系统都必须及时采取有效的纠正动作。
〔图：污水处理系统中的余氯反馈控制〕
在这个控制系统中，可以把各个量理解为：
水中余氯浓度：过程变量；
目标余氯浓度：设定值；
余氯分析仪：变送器；
加氯控制器：控制器；
加氯泵或调节阀：最终控制元件；
氯的加入量：操纵变量。
现在，我们已经了解了反馈控制系统的基本组成部分。
接下来，需要重点研究控制器内部使用的算法（Algorithm）。
控制器依靠控制算法，把过程变量维持在设定值附近。
在这里，所谓算法，是指控制器的以下输入与输出之间的数学关系：
输入包括：
过程变量PV；
设定值SP。
输出则是：
控制器输出信号；
最终形成的操纵变量。
控制算法决定控制器如何根据PV和SP，计算出适当的操纵变量。
控制算法既可以非常简单，也可以非常复杂。
在最常用的一类控制算法中，也就是所谓的PID算法中，需要使用微积分相关方法，根据各种输入信号组合，计算最终控制元件应当采取的适当动作。
PID分别代表：
P：比例，Proportional；
I：积分，Integral；
D：微分，Derivative。
后续课程将分别介绍这些控制作用。
过程是需要受到精确控制的物理系统。
过程变送器负责从实际过程中采集信息，并把测量信号传送给控制器。
控制器负责决定系统应当采取什么动作或作出什么响应。
最终控制元件接受控制器的命令，直接影响实际过程。
变量是系统中不断变化的量。有些变量可以由控制系统控制，有些变量则完全独立于控制系统。
控制算法是用于把过程变量维持在规定设定值附近的数学关系。
PID控制回路整定；
控制系统故障诊断；
RTD和热电偶电路及毫伏计算。
PID控制器整定不良造成的负面影响；
PID控制器整定；
PLC逻辑编程。
使用PID和反馈回路实现精密运动控制；
比例增益与比例带详解；
PID控制中的积分饱和处理方法。