第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述
　　教學(xué)要求
　　本章概要介紹過(guò)程控制系統(tǒng)的基本概念，重點(diǎn)介紹過(guò)程控制系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)和分類。學(xué)完本章后，應(yīng)能達(dá)到如下要求：
　　掌握過(guò)程控制的定義，弄清過(guò)程控制的目的；
　　掌握過(guò)程控制系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)；
　　掌握過(guò)程控制系統(tǒng)的分類以及相互之間的區(qū)別；
　　掌握過(guò)程控制的階躍響應(yīng)指標(biāo)，理解偏差積分性能指標(biāo)；
　　了解過(guò)程控制的發(fā)展歷程和發(fā)展方向；
　　了解本課程的地位和性質(zhì)。
　　1.1過(guò)程控制系統(tǒng)組成及特點(diǎn)
　　1.1.1過(guò)程控制認(rèn)識(shí)
　　所謂過(guò)程控制是指根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)，采用測(cè)量?jī)x表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和計(jì)算機(jī)等自動(dòng) 化工具，應(yīng)用控制理論，設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化。
　　通常把原材料轉(zhuǎn)變成產(chǎn)品并具有一定生產(chǎn)規(guī)模的過(guò)程叫做工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，它可分為連續(xù)（ 或批處理）生產(chǎn)過(guò)程（如化工、石油、冶金、發(fā)電、造紙、生物化工、輕工、水處理、制藥等 ）和離散制造過(guò)程（如機(jī)械加工、汽車制造等）。
　　本書討論的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程主要是指連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程，這些生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控參數(shù)往往是溫度、壓力、流量、物位和成分等變量。
　　下面通過(guò)一個(gè)具體例子來(lái)認(rèn)識(shí)一下過(guò)程控制。
　　例1.1過(guò)程控制認(rèn)識(shí)。
　　圖1.1（a）所示是礦石經(jīng)給礦機(jī)下礦后，由皮帶送往磨機(jī)的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，它是冶金行業(yè)選礦生產(chǎn)中的一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)。在生產(chǎn)過(guò)程中，要求控制礦石流量以保證產(chǎn)量穩(wěn)定。以前由人工控制給礦機(jī)的頻率來(lái)調(diào)節(jié)礦石流量，產(chǎn)量波動(dòng)較大。
　　圖1.1冶金行業(yè)選礦過(guò)程
　　礦石流量控制系統(tǒng)（a） 示意圖（b） 方框圖為穩(wěn)定礦量，在給礦機(jī)皮帶上安裝皮帶秤，礦量控制器根據(jù)設(shè)定的礦量（礦量給定）和皮帶秤的檢測(cè)信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)給礦機(jī)的頻率，保證產(chǎn)量穩(wěn)定。該控制系統(tǒng)示意圖如圖1.1（a）所示，根據(jù)自動(dòng)控制原理知識(shí)，該控制系統(tǒng)方框圖如圖1.1（b）所示。
　　這是一個(gè)以流量為被控參數(shù)的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)。通過(guò)給礦過(guò)程的自動(dòng)控制，可以穩(wěn)定產(chǎn)量，并為后續(xù)工藝質(zhì)量的控制提供基礎(chǔ)，而且該過(guò)程控制還可以減輕人工操作強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件等。
　　過(guò)程控制由來(lái)已久，早在20世紀(jì)中葉，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中就開始陸續(xù)引入過(guò)程控制。特別是近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及先進(jìn)控制理論的發(fā)展，過(guò)程控制已經(jīng)深入到工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)層面。
　　過(guò)程控制最根本的目的在于抑制外界擾動(dòng)的影響，確保生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程工況的最優(yōu)化。其實(shí)，隨著過(guò)程控制的不斷發(fā)展，過(guò)程控制在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的作用越來(lái)越大。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)過(guò)程控制可以達(dá)到保證質(zhì)量、提高產(chǎn)量、節(jié)能降耗、實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行、改善勞動(dòng)條件、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生和提高管理水平等多種目的和要求。
　　可見，過(guò)程控制是保證現(xiàn)代化工業(yè)企業(yè)安全、優(yōu)質(zhì)、低耗和高效生產(chǎn)的主要技術(shù)手段。實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制不僅可以給企業(yè)帶來(lái)優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能等直接的經(jīng)濟(jì)效益，還可以為企業(yè)和社會(huì)帶來(lái)間接的社會(huì)效益。
　　1.1.2過(guò)程控制系統(tǒng)組成
　　由圖1.1可知，過(guò)程控制系統(tǒng)一般由控制器、執(zhí)行器、被控過(guò)程和測(cè)量變送等環(huán)節(jié)組成，其一般性框圖如圖1.2所示。
　　圖1.2過(guò)程控制系統(tǒng)的一般性框圖
　　圖1.2也反映了自動(dòng)控制的本質(zhì)——反饋。基于反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制是過(guò)程控制的核心內(nèi)容。在過(guò)程控制中，圖1.2所示的系統(tǒng)也稱為單回路控制系統(tǒng)。在本書后面章節(jié)中，將先介紹該系統(tǒng)的各個(gè)組成環(huán)節(jié)，并在此基礎(chǔ)上介紹多種其他復(fù)雜控制系統(tǒng)。
　　圖1.2中，有以下幾個(gè)名詞術(shù)語(yǔ)：
　　1） 被控參數(shù)（變量）y（t）：被控過(guò)程內(nèi)要求保持設(shè)定數(shù)值的工藝參數(shù)。
　　2） 控制（操縱）參數(shù)（變量）q（t）：受控制器操縱，用以克服擾動(dòng)量的影響，使被控參數(shù)保持設(shè)定值的物料量或能量。
　　3） 擾動(dòng)量f（t）：除控制參數(shù)外，作用于被控過(guò)程并引起被控參數(shù)變化的各種因素。
　　4） 給定值r（t）：被控參數(shù)的設(shè)定值，一般用SP表示。
　　5） 當(dāng)前值z(mì)（t）：被控參數(shù)經(jīng)測(cè)量變送環(huán)節(jié)實(shí)際測(cè)量的值，一般用PV表示。
　　6） 偏差e（t）：被控參數(shù)的設(shè)定值與當(dāng)前實(shí)際值之差。
　　7） 控制作用u（t）：控制器的輸出量。
　　過(guò)程控制系統(tǒng)中，有時(shí)將控制器、執(zhí)行器和測(cè)量變送環(huán)節(jié)統(tǒng)稱為過(guò)程儀表。這樣，過(guò)程控制系統(tǒng)就由過(guò)程儀表和被控過(guò)程兩部分組成。
　　例1.2過(guò)程控制系統(tǒng)框圖。
　　在石油化工生產(chǎn)過(guò)程中，常常利用液態(tài)丙烯汽化來(lái)吸收裂解氣體熱量，使裂解氣體的溫度下降到規(guī)定數(shù)值。圖1.3是一個(gè)簡(jiǎn)化的丙烯冷卻器溫度控制系統(tǒng)，被冷卻的物料是乙烯裂解氣，其溫度要求控制在15±1.5℃。若溫度太高，冷卻后的氣體會(huì)含過(guò)多的水分；若溫度太低，乙烯裂解氣會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶析出，堵塞管道�，F(xiàn)請(qǐng)指出系統(tǒng)中被控過(guò)程、被控參數(shù)和控制參數(shù)，并畫出該控制系統(tǒng)的方框圖。圖中TT、TC是過(guò)程控制中的儀表位號(hào)，分別代表溫度檢測(cè)和溫度控制，參見附錄A。
　　圖1.3丙烯冷卻器溫度控制系統(tǒng)示意圖
　　解由上述工藝介紹可知，在丙烯冷卻器溫度控制系統(tǒng)中，被控過(guò)程為丙烯冷卻器；被控參數(shù)為乙烯裂解氣的出口溫度；控制參數(shù)為氣態(tài)丙烯的流量。
　　該系統(tǒng)方框圖如圖1.4所示。
　　圖1.4丙烯冷卻器溫度控制系統(tǒng)方框圖
　　需要注意的是，與示意圖不同，方框圖中箭頭的指向并不代表物料的實(shí)際流向。比如在本例示意圖中，氣態(tài)丙烯的流向是由丙烯冷卻器流出的。而在方框圖中，氣態(tài)丙烯作為控制參數(shù)，其信號(hào)的流向是指向丙烯冷卻器的。
　　例1.3過(guò)程控制系統(tǒng)組成。
　　例1.1中的被控過(guò)程是指給礦皮帶；測(cè)量變送是皮帶秤；執(zhí)行機(jī)構(gòu)是變頻器和給礦機(jī)。作為控制器，礦量控制器一般是由電子元件組成的數(shù)字調(diào)節(jié)器，或可編程序控制器（PLC）、工業(yè)計(jì)算機(jī)（IPC）等。
　　1.1.3過(guò)程控制的特點(diǎn)
　　同其他自動(dòng)控制系統(tǒng)相比，過(guò)程控制具有如下明顯特點(diǎn)。
　�。�1） 被控過(guò)程形形色色
　　由于生產(chǎn)規(guī)模大小不同，工藝要求各異，產(chǎn)品多種多樣，過(guò)程控制中被控過(guò)程的形式很多，比如化學(xué)反應(yīng)器、精餾塔、鍋爐、壓力容器以及像例1.1中的給礦設(shè)備和例1.2中的丙烯冷卻器等。
　�。�2） 控制過(guò)程多屬緩慢過(guò)程和參量控制形式
　　許多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程設(shè)備體積大，工藝反應(yīng)過(guò)程緩慢，具有大慣性大滯后等特點(diǎn)。通常是用一些物理量和化學(xué)量來(lái)表征其生產(chǎn)過(guò)程是否正常，因此需要對(duì)表征生產(chǎn)過(guò)程的溫度、壓力、流量、物位、成分等過(guò)程參量進(jìn)行控制，即過(guò)程控制多半為參量控制。
　�。�3） 控制方案多種多樣
　　由于被控過(guò)程的多樣性、復(fù)雜性，且控制要求各異，使得控制方案多種多樣，除最常見的單回路和串級(jí)控制外，還有前饋、比值、均勻、分程、超弛、閥位等多種過(guò)程控制系統(tǒng)。
　　在這些控制系統(tǒng)中，單回路控制約占總數(shù)的一半以上，串級(jí)控制約占20%左右。所以本書前幾章均以單回路控制為主線介紹，串級(jí)控制作為一章詳細(xì)介紹，其他控制系統(tǒng)將在第8章集中闡述。
　�。�4） 定值控制是過(guò)程控制的一種主要控制形式
　　在大部分工業(yè)生產(chǎn)中，控制的目的在于克服外界擾動(dòng)對(duì)被控過(guò)程的影響，使生產(chǎn)指標(biāo)或工藝參數(shù)保持在設(shè)定值不變，或只允許小范圍內(nèi)波動(dòng)。如例1.2中，乙烯裂解氣的溫度要求定值在15℃，只允許在±1.5℃范圍內(nèi)變化。
　　1.2過(guò)程控制系統(tǒng)分類及性能指標(biāo)
　　1.2.1過(guò)程控制系統(tǒng)的分類
　　按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)給定值的不同，過(guò)程控制系統(tǒng)有如下不同的分類方法。
　　1. 按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分
　　（1） 反饋控制系統(tǒng)
　　如前所述，反饋是過(guò)程控制的核心內(nèi)容，只有通過(guò)反饋才能實(shí)現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)的閉環(huán)控制， 所以這類系統(tǒng)是過(guò)程控制中使用最為普遍的。 反饋控制是根據(jù)系統(tǒng)被控參數(shù)與給定值的偏差進(jìn)行工作的，偏差是控制的依據(jù)，最后目的 是減小或消除偏差。反饋信號(hào)也可能有多個(gè)，從而可以構(gòu)成串級(jí)等多回路控制系統(tǒng)。
　　例1.4閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)。
　　圖1.5（a）所示為一列管式換熱器。工藝要求出口物料溫度保持恒定。經(jīng)分析，如果保持 物料入口流量和蒸汽流量基本恒定，則溫度的波動(dòng)將會(huì)減小到工藝允許的誤差范圍內(nèi)�，F(xiàn)分 別設(shè)計(jì)了物料入口流量和蒸汽流量?jī)蓚�(gè)控制系統(tǒng)，以保持出口物料溫度恒定。相應(yīng)的控制系 統(tǒng)方框圖如圖1.5（b）所示。
　　圖1.5列管式換熱器出口物料溫度控制系統(tǒng)
　�。╝） 示意圖（b） 方框圖
　　從方框圖可以看出，對(duì)于物料入口流量 和蒸汽流量而言，系統(tǒng)均為閉環(huán)控制系統(tǒng)。而對(duì)于出口物料溫度，并未經(jīng)過(guò)測(cè)量變送環(huán)節(jié)反 饋到系統(tǒng)輸入端，沒(méi)有形成閉環(huán)系統(tǒng)。故從“出料溫度”這個(gè)被控參數(shù)角度來(lái)說(shuō)，該控制系 統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng)。
　　開環(huán)控制系統(tǒng)不能自動(dòng)地“察覺(jué)”被控參數(shù)的變化情況，也不能判斷控制參數(shù)的校正作用 是否適合實(shí)際需要。
　�。�2） 前饋控制系統(tǒng)
　　前饋控制系統(tǒng)是根據(jù)擾動(dòng)量的大小進(jìn)行工作的，擾動(dòng)是控制的依據(jù)，屬于開環(huán)控制。前饋 控制系統(tǒng)方框圖如圖1.6所示。鑒于前饋控制的種種局限性，所以在實(shí)際生產(chǎn)中不能單獨(dú)采 用。關(guān)于前饋控制的內(nèi)容詳見8.1節(jié)。
　　圖1.6前饋控制系統(tǒng)方框圖
　�。�3） 前饋�卜答亸�(fù)合控制系統(tǒng)
　　為了充分發(fā)揮前饋和反饋的各自優(yōu)勢(shì)，可將兩者結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成前饋�卜答亸�(fù)合控制系統(tǒng) ，如圖1.7所示。這樣可提高控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性。關(guān)于前饋�卜答亸�(fù)合控制系統(tǒng)的 內(nèi)容見8.1節(jié)。
　　圖1.7前饋�卜答亸�(fù)合控制系統(tǒng)方框圖
　　2. 按給定值信號(hào)特點(diǎn)分
　�。�1）定值控制系統(tǒng)
　　定值控制系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用最多的一種過(guò)程控制系統(tǒng)。在運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)被控參數(shù) （如溫度、壓力、流量、物位、成分等）的給定值是固定不變的，有時(shí)只允許在規(guī)定的小范圍 內(nèi)變化。
　　（2）隨動(dòng)控制系統(tǒng)
　　一般意義上的隨動(dòng)控制系統(tǒng)是指位置隨動(dòng)系統(tǒng)，如火炮、導(dǎo)彈的位置跟蹤等。而在過(guò)程控 制中，隨動(dòng)控制系統(tǒng)是指被控參數(shù)的給定值隨時(shí)間任意變化的控制系統(tǒng)，它的主要作用是克 服一切擾動(dòng)，使被控參數(shù)隨時(shí)跟隨給定值。例如，在鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中，要求空氣量隨燃 料量的變化而變化，以保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性。此外，像第7章介紹的串級(jí)控制系統(tǒng)中的副回路 也屬于隨動(dòng)控制。
　　1.2.2過(guò)程控制的性能指標(biāo)
　　過(guò)程控制系統(tǒng)的性能是由組成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、被控過(guò)程與過(guò)程儀表（測(cè)量變送、執(zhí)行器和控制器）各環(huán)節(jié)特性所共同決定的。一個(gè)性能良好的過(guò)程控制系統(tǒng)，在受到外來(lái)擾動(dòng)作用或給定值發(fā)生變化后，應(yīng)能平穩(wěn)、準(zhǔn)確、迅速地回復(fù)（或趨近）到給定值上。過(guò)程控制系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)可概括如下：
　　1） 系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的。
　　2） 系統(tǒng)應(yīng)能提供盡可能好的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)（靜態(tài)指標(biāo)）。、
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