1.4　过程控制系统的设计

过程控制系统设计的正确与否，直接影响到系统能否正常投入运行。因此要求过程控制专业人员必须根据生产过程的特点、工艺对象的特性和生产操作的规律进行设计。只有正确运用过程控制理论，合理选用自动化技术工具，才能设计出技术先进、经济合理、符合生产要求的控制系统。

过程控制的目标与任务是通过对过程控制系统的设计与实现来完成的，其具体设计步骤为：

①确定系统变量，建立被控对象的数学模型；

②确定控制方案；

③选择硬件设备；

④设计报警和联锁保护系统；

⑤系统调试和投运。

以上设计步骤完成后，先进行设备安装、软件编程、系统调试与参数整定，再投入运行。

1.4.1　确定系统变量

前面所述的过程控制目标定性地说明了过程控制的一般目标，即所设计出的系统需确保过程的稳定性、安全性和经济性。

控制系统的设计是为工艺生产服务的，因此它与工艺流程设计、工艺设备设计及设备选型等有密切关系。现代工业生产过程的类型很多，生产装置日趋复杂化、大型化，这就需要更复杂、更可靠的控制装置来保证生产过程的正常运行。因此，对于具体系统，过程控制设计人员必须熟悉生产工艺流程、操作条件、设备性能、产品质量指标等，并与工艺人员一起研究各操作单元的特点及整个生产装置工艺流程特性，确定保证产品质量和生产安全的关键参数。

系统变量包括被控变量、控制变量和扰动变量等，它根据系统控制目标和工艺要求确定。确定了系统变量后，便可以建立被控对象的数学模型。

（1）被控变量

在定性确定目标后，通常需要用工业过程的被控变量来定量地表示控制目标。选择被控变量是设计控制系统中的关键步骤，对于提高产品的质量和产量、稳定生产、节能环保、改善劳动条件等都是非常重要的。如果被控变量选择得不合适，则系统不能很好地控制，先进的生产设备和控制仪表就不能很好地发挥作用。被控变量也是工业过程的输出变量，选择的基本原则为：

①选择对控制目标起重要影响的输出变量作为被控变量；

②选择可直接控制目标质量的输出变量作为被控变量；

③在以上前提下，选择与控制变量之间的传递函数比较简单、动态和静态特性较好的输出变量作为被控变量；

④有些系统存在控制目标不可测的情况，则可选择其他能够可靠测量，且与控制目标有一定关系的输出变量，作为辅助被控变量。

（2）控制变量

当对象的被控变量确定后，接下来就是构成控制回路，选择合适的控制变量（也称为操作变量），以便被控变量在扰动作用下发生变化时，能够通过对控制变量的调整，使得被控变量迅速地返回原来的设定值上，从而保证生产的正常进行。控制变量为可由操作者或控制机构调节的变量，选择的基本原则为：

①选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为控制变量。

②在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于控制。

③在①的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，使控制的动态响应较快。

④在复杂系统中，存在多个控制回路，即存在多个控制变量和多个被控变量。所选择的控制变量对相应的被控变量有直接影响，而对其他输出变量的影响应该尽可能小，以便使不同控制回路之间的影响比较小。

确定了系统的控制变量后，便可以将其他影响被控变量的所有因素称为扰动变量。

1.4.2　确定控制方案

工业过程的控制目标及输出变量和控制变量确定后，控制方案就可以确定了。控制方案应该包括控制结构和控制规律。控制方案的选取是控制系统设计中最重要的部分之一，它们决定了整个控制系统中信息所经过的运算处理，也就决定了控制系统的基本结构和基本组成，所以对控制质量起决定性的影响。

（1）控制结构

在控制结构上，从系统方面来说，要考虑选取常规仪表控制系统，还是选取计算机控制系统；在系统回路上，是选取单回路简单控制系统，还是选取多回路复杂控制系统；在系统反馈方式上，是选取反馈控制系统、前馈控制系统，还是选取复合控制系统。

①反馈控制系统。反馈控制系统是一种典型的“基于偏差、消除偏差”的控制系统。这类控制系统的优点是结构简单，不必过于严格地考虑被控对象数学模型，不要求干扰可测。因此，即使在计算机控制迅速发展的今天，在高水平的自动化控制方案中，仍占控制回路的绝大多数，往往在85％～90％以上。其缺点是稳定性问题较严重。

②前馈控制系统。利用扰动量的直接测量值，调节控制变量，使被控变量保持在预期值。与反馈控制不同，它是一种基于扰动的开环控制。前馈控制本质上是针对系统存在比较显著、频繁的扰动时对系统干扰的一种补偿控制，以有效抑制扰动对被控变量的影响。其特点是需要针对干扰进行一对一的设计，无法消除其他干扰，且要求干扰可测和干扰通道模型准确，但没有稳定性问题。

③复合控制系统。复合控制系统也就是通常所指的前馈-反馈控制系统，它是反馈控制和前馈控制的结合，具有两者的优点。前馈控制的主要优点是能针对主要扰动及时克服其对被控变量的影响；反馈控制的主要优点是克服其他扰动，使系统在稳态时能准确地使被控变量控制在给定值上，因此构成的复合控制系统可以提高控制质量。

（2）控制策略

在控制结构确定后，需要首先选择合适的控制算法，如简单PID控制、复杂控制或先进控制等算法，然后根据控制规律进行控制器的设计，即进行软件编程和参数整定。

1.4.3　过程控制系统硬件选择

根据过程控制的输入/输出变量及控制要求，可以选定系统硬件，包含控制器、检测变送仪表和执行器等部件。

过程控制系统硬件选择的原则是保证控制目标和控制方案的实施。

1．控制器的选择

简单的工业过程控制系统可以选择单回路控制器或简单的显示调节仪作为控制器，对于比较复杂的系统需要用计算机控制。目前常用的计算机过程控制系统有单片机系统、工控机（或微型计算机）系统、DCS（分布式控制系统）、PLC（可编程序控制器）系统或FCS（现场总线控制系统）等。

2．检测变送仪表的选择

在自动控制系统中，检测变送仪表的作用相当于人的感觉器官，它直接感受被测参数的变化，提取被测信息，并将其转换成标准信号供显示和作为控制的依据。设计过程控制系统时，应根据控制方案选择检测变送仪表，一般宜采用定型产品。其选型原则如下所述。

（1）可靠性原则

可靠性是指产品在一定的条件下，能长期而稳定地完成规定功能的能力。可靠性是检测变送仪表的最重要的选型原则。

（2）实用性原则

实用性是指完成具体功能要求的能力和水平。根据工艺要求考虑实用性，既要保证功能的实现，又应考虑经济性，并非功能越强越好。

（3）先进性原则

随着自动化技术的飞速发展，检测变送仪表的技术更新周期越来越短，而价格却越来越低。在可能的条件下，应该尽量采用先进的设备。

由过程控制的任务可知，系统中常遇到的被测参数有温度、压力、流量、物位和成分等，这些检测变送仪表的工作原理和类型可参看相关书籍及手册。

3．执行器的选择

目前可供选择的商品化执行器或执行部件有调节阀、温控器和变频装置等。其中调节阀的选择最为复杂，且许多系统调节特性不好都是由于调节阀选型不当引起的，调节阀的选择将在第3章详细介绍。

1.4.4　设计安全保护系统

对于系统关键参数，应根据工艺要求规定其高/低报警限。当参数超出报警值时，应立即进行越限报警。报警系统的作用在于当系统关键参数超出其上/下限时，能及时提醒操作人员密切注意监视生产状况，以便采取措施减少事故的发生。联锁保护系统是指当生产出现严重事故时，为保证人身和设备的安全，使各个设备按一定次序紧急停止运行。这些针对生产过程而设计的报警和联锁保护系统是保证生产安全性的主要措施。

另外，过程控制所应用的对象和系统往往会有一定的危险性，如容易产生爆炸或者产生燃烧而导致火灾。那么，在面对这样的对象或系统时，除要求在易燃易爆的环境中所使用的控制器和变送器必须满足一定的安全要求外，还要求在易燃易爆的环境和安全环境之间增加称之为安全栅的隔离装置。

1.4.5　系统调试和投运

控制系统安装完毕后，就应该进行现场调试及试运行，按控制要求检查、整定和调整各控制仪表及设备的工作状况和参数，依次将全部控制系统投入运行，并经过一段时间的试运行，以考验控制系统的正确性和合理性。

另外，在设计过程中，还应对控制方案和实现方案所需经费进行比较和分析，采用既能满足要求又能在较短时间内收回成本的方案。

以上只是简单描述了过程控制系统从设计到实现的全过程。由此可见，对一个从事过程控制的技术人员来说，除掌握控制理论、计算机、仪器仪表知识及现代控制技术外，还要十分熟悉生产过程的工艺流程等。