为了建立被控对象的数学模型，或者说要进行过程控制系统设计，必须首先确定系统的被控变量和操作（或控制）变量。下面从理论和应用角度出发，讨论被控变量和操作变量的选择原则。

1.被控变量的选择

被控变量的选择是控制系统设计的核心问题，被控变量选择的正确与否是决定控制系统有无价值的关键；对任何一个控制系统，总是希望其能够在稳定生产操作、增加产品产量、提高产品质量、保证生产安全及改善劳动条件等方面发挥作用，如果被控变量选择不当，配备再好的自动化仪表，使用再复杂、先进的控制规律也是无用的，都不能达到预期的效果。另外，对于一个具体的生产过程，影响其正常操作的因素往往有很多个，但并非所有的影响因素都要加以自动控制。所以，设计人员必须深入实际、调查研究、分析工艺，从生产过程对控制系统的要求出发，找出影响生产的关键变量作为被控变量。

1）被控变量的选择方法

生产过程中的控制大体上可以分为：物料平衡或能量平衡控制、产品质量或成分控制及限制条件的控制。毫无疑问，被控变量应是能表征物料和能量平衡、产品质量或成分及限制条件的关键状态变量。所谓“关键”变量，是指这样一些变量：它们对产品的产量或质量及安全具有决定性作用，而人工操作又难以满足要求；或者人工操作虽然可以满足要求，但是这种操作既紧张又频繁，劳动强度也很大。

根据被控变量与生产过程的关系，可将其分为两种类型的控制形式；直接参数控制与间接参数控制。

（1）选择直接参数作为被控变量。

能直接反映生产过程中产品的产量和质量，以及安全运行的参数称为直接参数。大多数情况下，被控变量的选择往往是显而易见的。对于以温度、压力、流量、液位为操作指标的生产过程，被控变量很明显就是温度、压力、流量、液位。这是很容易理解的，也无须多加讨论。例如，前面章节中所介绍过的锅炉汽包液位控制系统和换热器出口温度控制系统，其被控变量的选择即属于这种类型。

（2）选择间接参数作为被控变量。

质量指标是产品质量的直接反映，因此选择质量指标作为被控变量应是首先要进行考虑的。如果工艺上是按质量指标进行操作的，理应以产品质量作为被控变量进行控制，但是采用质量指标作为被控变量，必然要涉及产品成分或物性参数（如密度、黏度等）的测量问题，这就需要用到成分分析仪表和物性参数测量仪表。有关成分和物性参数的测量问题，目前国内外尚未给出很好的解决方案，其原因有2个：一是缺乏各种合适的检测手段；二是虽有直接参数可测，但信号微弱或测量滞后太大。

因此，当直接选择质量指标作为被控变量比较困难或不可能时，可以选择一种间接的指标，即间接参数作为被控变量。但是必须注意，所选用的间接指标必须与直接指标有单值的对应关系，并且还需具有足够大的灵敏度，即随着产品质量的变化，间接指标必须有足够大的变化。

2）被控变量的选择原则

在实践中，被控变量的选择以工艺人员为主，以自控人员为辅，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，有助于选择合适的控制系统被控变量。

在过程控制系统中，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。从多个变量中选择1个变量作为被控变量应遵循下列原则。

（1）被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般都是工艺过程中比较重要的变量。

（2）应尽量选择那些能直接反映生产过程的产品产量和质量，以及安全运行的直接参数作为被控变量。当无法获得直接参数信号，或其测量信号微弱（或滞后很大）时，可选择一个与直接参数有单值对应关系、且对直接参数的变化有足够灵敏度的间接参数作为被控变量。(www.daowen.com)

（3）选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内外仪表产品的现状。

2.操作变量的选择

工业过程的输入变量有：操作（或控制）变量和扰动变量。如果用μ（s）表示操作变量，而用D（s）表示扰动变量，那么，被控对象的输出Y（s）与输入之间的关系可表示为

式中：G o（s）为被控对象控制通道的传递函数，也简称为被控对象的传递函数；G d（s）为被控对象扰动通道的传递函数。

由式（5-1）可以看出，扰动作用与控制作用同时影响被控变量。不过，在控制系统中通过控制器正反作用方式的选择，使控制作用对被控变量的影响正好与扰动作用对被控变量的影响方向相反。这样，当扰动作用使被控变量发生变化而偏离设定值时，控制作用就可以抑制扰动的影响，把已经变化的被控变量重新拉回到设定值上来。

在生产过程中，扰动是客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操作变量是克服扰动的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。因此，正确选择一个可控性良好的操作（或控制）变量，可使控制系统有效克服扰动的影响，以保证生产过程平稳操作。

1）操作变量的选择方法

在过程控制系统中，把用来克服扰动对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为操作（或控制）变量，一般选系统中可以调整的物料量或能量参数。在石油化工生产过程中，遇到最多的操作变量则是介质的流量。

在一系统中，可作为操作变量的参数往往不只一个，因为能影响被控变量的外部输入因素往往有若干个。在这些因素中，有些是可控的，有些是不可控的，但并不是任何一个参数都可选为操作变量，组成可控性良好的控制系统。为此，设计人员要在熟悉和掌握生产工艺机理的基础上，认真分析生产过程中有哪些因素会影响被控变量发生变化，在诸多影响被控变量的输入因素中选择一个对被控变量影响显著，而且可控性良好的输入因素作为操作变量，而其他未被选中的所有输入因素则视为系统的扰动。

2）操作变量的选择原则

实际上被控变量与操作变量是放在一起综合考虑的。操作变量应具有可控性、工艺操作的合理性、生产的经济性。操作变量的选取应遵循下列原则。

（1）所选的操作变量必须是可控（即工艺上允许调节的变量）的，而且在控制过程中该变量变化的极限范围也是生产允许的。

（2）操作变量应该是系统中被控过程的所有输入因素中对被控变量影响最大的一个，控制通道的放大系数要适当大一些，时间常数适当小些，纯迟延时间应尽量小；所选的操作变量应尽量使扰动作用点远离被控变量而靠近调节阀。为减小其他扰动对被控变量的影响，应使扰动通道的放大系数尽可能小，时间常数尽可能大。

在选择操作变量时，除了从自动化角度考虑外，还需考虑到工艺的合理性与生产的经济性。一般来说，不宜选择生产负荷作为操作变量，以免产量受到波动。例如，对于换热器，通常选择载热体（蒸汽）流量作为操作变量。如果不控制载热体（蒸汽）流量，而是选择待加热的冷流体流量作为操作变量，理论上也可以使出口温度稳定，但冷流体流量是生产负荷指标，一般不宜进行控制。另外，从经济性考虑，应尽可能地降低物料与能量的消耗。

当被控变量和操作（或控制）变量选定后，便可利用第2章介绍的方法建立被控对象的数学模型。