1.1　过程控制的要求与任务

第2讲

生产过程是指物料经过若干加工步骤而成为产品的过程。该过程中通常会发生物理化学反应、生化反应、物质能量的转换与传递等，或者说生产过程表现为物流变化的过程。伴随物流变化的信息包括体现物流性质（物理特性和化学成分）的信息和操作条件（温度、压力、流量、液位或物位等）的信息。生产过程的总目标，应该是在可能获得的原料和能源条件下，以最经济的途径将原物料加工成预期的合格产品。为了达到该目标，必须对生产过程进行监视与控制。

工业自动化涉及的范围极广，过程控制是其中最重要的一个分支。过程控制一般是指工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制，它涉及了许多工业部门，如电力、石油、化工、冶金、炼焦、造纸、建材、轻工、纺织、陶瓷及食品等。因而，过程控制在国民经济中占有极其重要的地位。过程控制主要针对六大参数，即温度、压力、流量、液位（或物位）、成分和物性等参数的控制问题。但进入20世纪90年代后，随着工业和相关科学技术的发展，过程控制已经发展到多变量控制，控制的目标也不再局限于传统的六大参数，尤其是复杂工业控制系统，它们往往把生产中最关心的诸如产品质量、生产效益、能量消耗、废物排放等作为控制指标来进行控制。

为了实现过程控制，以控制理论和生产要求为依据，采用模拟仪表、数字仪表或计算机等构成的控制总体，称为过程控制系统。其控制目标是人们对品质、效益、环境和能耗的总体要求。

图1-1所示为转炉供氧量控制系统图。转炉是炼钢工业生产过程中的一种重要设备。熔融的铁水装入转炉后，通过氧枪供给一定量的氧。其目的是使铁水中的碳氧化燃烧，以不断降低铁水中的含碳量。控制吹氧量和吹氧时间，可以获得不同品种的钢产品。由图1-1可见，从节流装置采集到的氧气流量，送入流量变送器FT，再经过开方器，其结果送到流量控制器FC，流量控制器FC根据氧气流量的测量值与其设定值的偏差，按照一定的控制算法输出控制信号，去控制调节阀的开度，从而改变供氧量的大小，以满足生产工艺的要求。

图1-1　转炉供氧量控制系统图

通常，将系统中被控制的物理量称为被控变量，而被控变量所要求的理想值称为设定值或给定值。设定值是系统的输入变量，被控变量是系统的输出变量。

过程控制系统一般有如下两种运行状态：一种是稳态，此时系统没有受到任何外来干扰，同时设定值保持不变，因而被控变量也不会随时间变化，整个系统处于稳定平衡的工况。另一种是动态，当系统受到外来干扰的影响或者在改变了设定值后，原来的稳态遭到破坏，系统中各组成部分的输入/输出变量都相继发生变化，尤其是被控变量也将偏离原稳态值而随时间变化，这时系统处于动态。经过一段调整时间后，如果系统是稳定的，被控变量将会重新达到新设定值或其附近，系统又恢复稳定平衡工况。这种从一个稳态到达另一个稳态的历程称为过渡过程。由于被控对象总是不时受到各种外来干扰的影响，设置控制系统的目的也正是为了克服这种扰动带来的影响，因此系统经常处于动态过程。显然，要评价一个过程控制系统的工作质量，只看稳态是不够的，还应该考核它在动态过程中被控变量随时间变化的情况。

工业生产对过程控制的要求是多方面的，最终可以归纳为安全性、稳定性和经济性。

（1）安全性

过程控制系统涉及许多危险、有害的工质。同时，过程控制系统正向着高容量、高参数的趋势发展，许多参数都工作在接近极限的状态。例如，电厂主蒸汽的温度、煤制油合成塔的压力、液化天然气的冷箱及储罐的温度等参数都工作在接近所使用钢材的极限状态。这些参数如果越线，将造成极大的人身及设备伤害。因此，在这些场合中，过程控制系统的首要任务就是通过把这些参数控制在合适的范围内来确保人身及设备的安全。

针对控制系统本身可能发生的故障，在过程控制系统中通常采用参数越限报警、事故报警和联锁保护等措施来保证测控仪表发生故障时生产过程的安全。采用在线故障预测与诊断、容错控制等措施可进一步提高生产过程的安全性。

另外，随着环境污染日趋严重，生态平衡屡遭破坏，现代企业必须把符合国家制定的环境保护法视为生产安全性的重要组成部分，保证各种三废排放指标在允许范围内，确保环境的安全。

（2）稳定性

稳定性指的是系统抑制外部干扰、保持生产过程长期稳定运行的能力。变化的（特别是恶劣的）工业运行环境、原料成分的变化、能源系统的波动等均有可能影响生产过程的稳定运行。在外部干扰下，过程控制系统应该使生产过程参数与状态产生的变化尽可能小，以消除或减小外部干扰可能造成的不良影响。

（3）经济性

在满足以上两个基本要求的基础上，低成本高效益是过程控制的另一个目标。为了达到这个目标，不仅需要对过程控制系统进行优化设计，还需要管控一体化，即以经济效益为目标的整体优化。

因此，过程控制的任务是在充分了解、掌握生产过程的工艺流程和动/静态特性的基础上，根据上述三项要求，应用理论对控制系统进行分析与综合，以生产过程中表现出来的各种状态信息作为被控变量，选用适宜的技术手段，实现生产过程的控制目标。

需要指出的是，随着生产的发展，安全性、稳定性和经济性的具体内容也在不断改变，要求也越来越高。为适应当前生产对控制的要求越来越高的趋势，必须充分注意现代控制技术在过程中的应用。其中，过程对象建模的研究和新型控制算法的研究起着举足轻重的作用，因为现代控制技术的应用在很大程度上取决于对过程静态和动态特性认识的深度。因此可以说，过程控制是控制理论、工艺知识、计算机技术和仪器仪表等知识相结合而构成的一门应用科学。

工业生产过程通常分为连续过程和间隙过程。连续过程是指整个生产过程是连续不间断进行的，一方面原料连续供应；另一方面产品源源不断地输出。例如，电力工业中电能的生产，石油工业中汽油等石化产品的生产等。至于间歇过程形式，无论其原料或者产品都是一批一批地加入或输出，所以又称为批量生产。例如，食品、酿造中的发酵，某些制药企业的微生物培养，油脂企业的酯化等。间歇生产的特点是中转环节多、切换频繁，也就是在生产过程中需要不断地切换操作，而且利用同一个装置却要生产出多种产品。所以，间歇过程的控制不仅需要不同的控制策略，也需要一系列逻辑操作工序来加以保证。过程控制中连续过程所占的比重最大，涉及石油、化工、冶金、电力、轻工、纺织、制药、建材和食品等工业部门。本书主要讨论连续过程的控制。