自动控制理论_5.1 过程控制(图文教程)

5.1 过程控制

    在工业生产中，有一类按照一定的工艺流程（或程序）进行连续不间断的生产的工业生产过程，例如电力、石油、化工、冶金等，这些工业在经济发展中占有举足轻重的地位，我们称之为连续过程工业。与其他工业（称为离散过程工业或间断过程工业）相比，连续过程工业的控制问题有其完全不同的特点，形成了控制技术中的一个分支，称为生产过程控制或过程控制。
过程控制的任务，就是要经过自动化技术，提高产品的质量和产量，节能降耗，降低成本，减少污染，提高劳动生产率，增强企业对市场需求的适应性。

过程控制主要有以下几个特点：
（1）连续工业生产过程是与化学反应、生化反应、物理反应、相变过程、能量的转换过程、传热传质过程等复杂的反应或过程相伴随的。这些过程或反应的进行，必须满足一定的内部和外部条件。满足这些条件，并且使这些条件保持稳定，生产过程就能正常、稳定地进行，产品的产量和质量就能得到保证。所以，过程控制主要是对决定生产过程是否正常进行控制，以保证整个生产过程的正常进行。过程控制中最常见的就是压力控制、流量控制、温度控制、液位或料位控制、成分控制、PH值控制等，这些控制多数都是定值调节。随着大规模生产的需求及科学技术的发展，更多的参数将被纳入到控制的范围之内。过程控制在生产中的地位将变得更加重要。
（2）连续生产过程工业是一个庞大的工业系统，设备多样化，工作机理各不相同，因而被控对象形式复杂多变，具有惯性大、延时大、时变、非线性、多变量相互耦合等特点，很难得出其精确的动态数学模型，因而控制难度较大。
（3）由于生产过程工艺复杂，要求高，过程控制的监测系统多，控制系统多，控制方案多，控制系统间既独立又相互影响。所以必须合理协调各控制系统间相互关联、相互制约的关系，从整个生产过程的全局出发，求得整个生产过程的最优。
（4）连续生产过程的生产条件和环境往往比较特殊，如高温高压、低温真空、易燃易爆、有毒、存在放射性等。因而必须依靠自动化技术，在正常生产、非正常工况、事故工况下，都能确保人员安全以及部队环境造成污染。
（5）连续过程工业设备多，结果复杂，所以干扰因素也多，干扰的形式较复杂。这就要求过程控制的各个控制系统具有较强的抗干扰能力，快去克服扰动因素对生产的影响。
（6）尽管连续生产过程工业部门间有时差别很大，如电力和化工，但由于被控参数相似或相同，过程控制系统中，不少控制系统在工作原理，系统组成上都有许多的相似甚至完全相同的特点。由于这个原因，过程控制系统的自动化装置都是标准化仪表，如控制器、测量变送器、执行器、记录仪等。所以过程控制又被人们称为自动化仪表控制。仪表的合理选型及调整也是过程控制的一项重要工作。

过程控制的发展及控制理论及技术、仪表技术、计算机技术、电子与微电子技术以及连续生产过程工业本省的技术等多种学科与技术的发展有着紧密的关系。在初期阶段，生产规模小，设备少，工艺简单，生产过程的控制主要靠一些简单的测量仪表，由人工操作来完成。接着，一些简单的自动控制系统由水位控制，流量控制等相继问世。到了20世纪50年代、60年代，随着连续生产过程工业向大规模、高效率的发展，没有自动监测和自动控制的参与，生产过程就不能正常进行。因此，自动化技术便获得了较迅速的发展。自动化仪表形成了标准化系列，出现了以单元仪表为代表的具有明显不同特点的若干代产品。自动控制系统由简单回路发展到了复杂控制系统。控制方式有基地是逐步发展到集中控制方式。这个时期控制的目标是保证生产品文、正常地进行，减少事故。 20世纪70年代，生产过程自动化的水平有了更大的提高。分布式计算机控制系统的出现，标志着过程控制进入了一个计算机的新时代。自动化仪表的技术更新无毒也明显加快。特别是智能化仪表的出现，使过程控制达到了一个新的水平。20世纪80年代后期发展起来的现场总线控制系统比分布式计算机控制系统有了更大的进步。它集计算机技术、控制技术、网络技术、通信技术于一身，给过程控制带来了又一场革命，过程控制进入计算机时代，为最优控制、智能控制等先进控制方式的应用创造了条件。过程控制的目标也已经由过去的维持生产变为优质高产、低消耗低污染。随着生产力的发展，世界市场的激烈竞争，高质量、高效益、高节能、低成本及市场的高度适应性将成为过程控制进一步追求的目标。实现连续生产过程工业的生产、管理、产品更新与技术发展的综合自动化，是过程控制的必然发展趋势。

    20世纪50年代、60年代，过程控制的理论基础是以传递函数分析法为中心的经典控制理论。整个生产过程被分解为若干互不相关的分过程，对每个分过程用单输入单输出控制系统进行控制，很少考虑控制系统间的相互联系。这只是一种局部控制。由于生产过程向大规模、连续化、高效率方向的发展，也是生产过程多变量的耦合，非线性等特点变得突出起来。一状态空间分析法为基础的现代控制理论，在过程控制中逐步获得了广泛的应用。过程控制由局部控制逐步发展到全局控制及全局的最优控制；有单变量控制发展到多变量控制；由线性系统控制发展到非线性系统的控制。但是， 递函数、状态空间表达式都是可得到的数学模型。所以，经典控制理论和现代控制理论都是基于模型的控制理论。而过程控制的对象的数学模型常常是未知的或非常粗糙的，在有些情况下，由于生产条件变化等原因还会使模型的参数甚至于模型的结构发生变化。过程控制中遇到的高度非线性问题，复杂的控制任务的实现等，采用传统的基于模型的控制理论去解决，也有较大的难度。控制理论与其他学科的相互渗透，相互交叉，使控制理论发展到了一个更高级的阶段：智能控制阶段。也有不少人认为智能控制是一个新兴的交叉学科。智能控制系统是具有一定智能行为的系统。对于一个输入问题，系统能国根据输入任务，反馈信息，产生合适的决策和控制作用，最终能得出一个合适的求解问题的响应。专家控制系统、神经网络空时系统、模糊逻辑控制系统、学习控制系统等都是智能控制的组成部分。智能控制的理论和技术还在发展中。智能控制在过程控制中的应用将会大大促进连续生产过程工业的发展。