1.1 過(guò)程控制系統(tǒng)概述

1.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

過(guò)程控制系統(tǒng)在實(shí)際中應(yīng)用非常普遍，下面以一個(gè)工業(yè)鍋爐水位控制系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)明過(guò)程控制系統(tǒng)的組成。

鍋爐是產(chǎn)生蒸汽的設(shè)備，保持鍋爐鍋筒內(nèi)的水位在一定范圍內(nèi)是非常重要的，如果水位過(guò)低，鍋爐可能被燒干；水位過(guò)高，生產(chǎn)的蒸汽含水量大，而且水還可能溢出。這些狀況都相當(dāng)危險(xiǎn)，因此水位控制是保證正常運(yùn)行的必要條件。

當(dāng)鍋爐的給水量與蒸汽的蒸發(fā)量保持平衡時(shí)，鍋爐的水位才不變。如果鍋爐的給水量變化或蒸發(fā)量變化，水位就會(huì)產(chǎn)生變化，因此必須觀(guān)察水位變化以調(diào)整給水量，使它跟隨蒸汽負(fù)荷的大小而相應(yīng)變化，以保持水位在規(guī)定的范圍內(nèi)變化。

采用自動(dòng)控制時(shí)，水位變化量Δh由水位計(jì)檢測(cè)并經(jīng)液位變送器轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后送到控制器，控制系統(tǒng)將Δh與水位設(shè)定值進(jìn)行比較和運(yùn)算后發(fā)出控制命令，由執(zhí)行器改變閥門(mén)的開(kāi)度，相應(yīng)地增減給水量，以保持給水量與蒸汽量之間的平衡，這就是鍋爐水位自動(dòng)控制的原理，如圖1.1所示。

由此可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)鍋爐水位控制需要這樣一些設(shè)備：檢測(cè)水位變化的傳感器與變送器、比較水位變化并進(jìn)行控制運(yùn)算的控制器、實(shí)施控制命令的執(zhí)行器、改變給水量的控制閥等。在此基礎(chǔ)上再加上一些其他必要的輔助裝置，就可構(gòu)成常規(guī)儀表過(guò)程控制系統(tǒng)，如圖1.2所示。

典型的過(guò)程控制系統(tǒng)由被控對(duì)象、傳感器和變送器、控制器、執(zhí)行器、控制閥等幾部分組成。

1.被控對(duì)象

被控對(duì)象是指被控制的生產(chǎn)設(shè)備或裝置，如上述進(jìn)行水位控制的鍋爐。常見(jiàn)的被控對(duì)象有鍋爐、加熱爐、分餾塔、反應(yīng)釜、干燥爐、壓縮機(jī)、旋轉(zhuǎn)窯等生產(chǎn)設(shè)備，或存儲(chǔ)物料的槽、罐或傳送物料的管段等。

如果生產(chǎn)工藝過(guò)程中需要控制的參數(shù)只有一個(gè)，如電阻加熱爐爐溫控制的被控量只有爐溫一個(gè)參數(shù)，則生產(chǎn)設(shè)備與被控對(duì)象是一致的；如果需要控制的參數(shù)不止一個(gè)，其特性互不相同，各有一套可能是互相關(guān)聯(lián)的控制系統(tǒng)，這樣的生產(chǎn)設(shè)備其被控對(duì)象就不止一個(gè)，應(yīng)該對(duì)其中的不同過(guò)程分別作不同的分析和處理。

使被控量發(fā)生變化的任何作用稱(chēng)為擾動(dòng)，在控制通道內(nèi)在控制閥未動(dòng)作的情況下，由于通道內(nèi)質(zhì)量或能量等因素變化造成的擾動(dòng)稱(chēng)為內(nèi)擾，上述鍋爐水位控制中給水壓力變化引起水位波動(dòng)就是內(nèi)擾；其他來(lái)自外部的影響統(tǒng)稱(chēng)為外擾，上述鍋爐水位控制中蒸汽負(fù)荷變化而引起水位波動(dòng)就是外擾。

2.傳感器和變送器

反映生產(chǎn)過(guò)程的工藝參數(shù)大多不止一個(gè)，一般都需要用不同的傳感器進(jìn)行檢測(cè)，才能了解生產(chǎn)過(guò)程的狀態(tài)，以獲得可靠的控制信息。需要進(jìn)行自動(dòng)控制的參數(shù)稱(chēng)為被控量，上例中的鍋爐鍋筒中的水位就是被控量，被控量往往就是對(duì)象的輸出量。

如果系統(tǒng)只有一個(gè)被控量則只有一個(gè)控制回路，稱(chēng)為單回路控制系統(tǒng)，也稱(chēng)為單變量控制系統(tǒng)。如果系統(tǒng)不止一個(gè)被控量則不止一個(gè)控制回路，稱(chēng)為多回路控制系統(tǒng)，也稱(chēng)為多變量控制系統(tǒng)。

一個(gè)生產(chǎn)設(shè)備需要控制的回路數(shù)不一定和它的過(guò)程參數(shù)數(shù)目完全相同，因?yàn)橛行﹨?shù)并不需要進(jìn)行自動(dòng)控制，進(jìn)行檢測(cè)和顯示就可以了。

被控量由傳感器進(jìn)行檢測(cè)，其輸出必須采用變送器轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，傳感器或變送器的輸出就是被控量的測(cè)定值z。

3.控制器

控制器也稱(chēng)調(diào)節(jié)器，它接收傳感器或變送器送來(lái)的信息——被控量，當(dāng)其符合生產(chǎn)工藝要求時(shí)，控制器的輸出保持不變，否則控制器的輸出發(fā)生變化，對(duì)系統(tǒng)施加控制作用。無(wú)論是內(nèi)擾還是外擾，一經(jīng)產(chǎn)生，控制器就發(fā)出控制命令，對(duì)系統(tǒng)施加控制作用，使被控量回到設(shè)定值。

按生產(chǎn)工藝要求給被控量規(guī)定一個(gè)參考值稱(chēng)為設(shè)定值r，這就是經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制作用被控量應(yīng)保持的正常參數(shù)值。

在過(guò)程控制系統(tǒng)中，被控量的測(cè)量值z由系統(tǒng)的輸出端反饋到系統(tǒng)的輸入端，與設(shè)定值r比較后得到偏差值e=r-z就是控制器的輸入信號(hào)，當(dāng)r>z時(shí)稱(chēng)e為正偏差，當(dāng)r<z時(shí)稱(chēng)e為負(fù)偏差。

4.執(zhí)行器

被控量的測(cè)量值與設(shè)定值在控制器內(nèi)進(jìn)行比較后得到的偏差大小，由控制器按規(guī)定的控制規(guī)律（PID等）進(jìn)行運(yùn)算后，發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)去推動(dòng)執(zhí)行器，該控制信號(hào)是控制器的輸出量，稱(chēng)為控制量u。

5.控制閥

由控制器發(fā)出的控制信號(hào)，通過(guò)執(zhí)行器產(chǎn)生的位移量a驅(qū)動(dòng)控制閥門(mén)，以改變輸入對(duì)象的操縱量q，使被控量受到控制。控制閥是控制系統(tǒng)的終端部件。閥門(mén)的輸出特性決定于閥門(mén)本身的結(jié)構(gòu)，有的與輸入信號(hào)呈線(xiàn)性關(guān)系，有的則呈對(duì)數(shù)或其他曲線(xiàn)關(guān)系。

控制器有正、反控制作用之分，控制器的正作用是指被控量增大時(shí)，控制器的輸出增大；控制器的反作用則是指被控量增大時(shí)，控制器的輸出減小。在前述鍋爐水位控制中，如采用氣關(guān)式閥門(mén)，控制器應(yīng)取正作用。采用氣開(kāi)式閥門(mén)時(shí)則應(yīng)取反作用。同樣，控制器正、反控制作用的選擇應(yīng)視實(shí)際情況而定，也不能一概而論。

通常，一個(gè)完整的過(guò)程控制系統(tǒng)，除自動(dòng)控制回路外，應(yīng)備有一套手動(dòng)控制回路，以便在自動(dòng)控制系統(tǒng)因故障而失效后，或在某些緊急情況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)控制。另外還應(yīng)有一套必要的信號(hào)顯示、通信、聯(lián)絡(luò)、聯(lián)鎖，以及自動(dòng)保護(hù)等設(shè)施，才能充分保證生產(chǎn)過(guò)程的順利進(jìn)行和保障人身與設(shè)備的安全。

控制器是根據(jù)被控量測(cè)量值的變化與設(shè)定值進(jìn)行比較得出的偏差值，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的。對(duì)象的輸出信號(hào)即控制系統(tǒng)的輸出，通過(guò)傳感器與變送器的作用，將輸出信號(hào)反饋到系統(tǒng)的輸入端，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制回路，簡(jiǎn)稱(chēng)閉環(huán)。

如果系統(tǒng)的輸出信號(hào)只是被檢測(cè)和顯示，并不反饋到系統(tǒng)的輸入端，則是一個(gè)沒(méi)有閉合的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)開(kāi)環(huán)。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)只按對(duì)象的輸入量變化進(jìn)行控制，即使系統(tǒng)是穩(wěn)定的，其控制品質(zhì)也較低。

在閉環(huán)控制回路中可能有兩種形式的反饋，即正反饋與負(fù)反饋。

（1）正反饋

正反饋的作用會(huì)擴(kuò)大不平衡量，是不穩(wěn)定的。如采用正反饋去控制室內(nèi)溫度，當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)增加熱量，其作用使室溫升高；當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，它又減小熱量，使室溫進(jìn)一步降低。具有正反饋的控制回路，總是將被控量鎖定在高端或低端的極值狀態(tài)下，這種性質(zhì)不符合控制目的。

（2）負(fù)反饋

負(fù)反饋的作用與正反饋相反，總是力求恢復(fù)到平衡溫度，即保持在規(guī)定的設(shè)定值范圍內(nèi)。具有負(fù)反饋（包括前饋）作用的回路，一般稱(chēng)為反饋控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能密切監(jiān)視和控制被控對(duì)象輸出量的變化，抗干擾能力強(qiáng)，能有效地克服對(duì)象特性變化的影響，有一定的自適應(yīng)能力，因而控制品質(zhì)較高，是應(yīng)用最廣、研究也最多的控制系統(tǒng)。

1.1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

過(guò)程控制在實(shí)際中有著各種各樣的應(yīng)用，具體的過(guò)程控制系統(tǒng)也不盡相同，但概括起來(lái)，過(guò)程控制系統(tǒng)主要具有以下特點(diǎn)。

1.系統(tǒng)由過(guò)程檢測(cè)控制儀表組成

過(guò)程控制通過(guò)各種檢測(cè)儀表、控制器等自動(dòng)化設(shè)備和技術(shù)工具，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制。

2.被控過(guò)程具有多樣性

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于生產(chǎn)規(guī)模不同、工藝要求各異、產(chǎn)品品種多樣，因此被控過(guò)程具有多樣性。

3.控制方案具有多樣性

由于被控過(guò)程具有多樣性，而且被控過(guò)程也各有特點(diǎn)，例如有多變量過(guò)程、大慣性過(guò)程、大滯后過(guò)程等，因此要求相應(yīng)的控制方案具有多樣性。通常有單變量控制系統(tǒng)，也有多變量控制系統(tǒng)；有計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)，也有現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)；有提高控制品質(zhì)的控制系統(tǒng)，也有實(shí)現(xiàn)特定要求的控制系統(tǒng)。

4.被控過(guò)程多屬慢過(guò)程，控制目標(biāo)多為過(guò)程參數(shù)

從前面可以看出，被控過(guò)程具有大慣性、大滯后等特點(diǎn)，所以過(guò)程控制的控制過(guò)程是一個(gè)慢過(guò)程。實(shí)際中，通常是對(duì)表征其生產(chǎn)過(guò)程的溫度、壓力、流量、液位（物位）、成分、pH等過(guò)程參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制。

5.給定值控制是主要的控制形式

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，過(guò)程控制的主要目的是減小和消除擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響，通常按被控量的給定值進(jìn)行控制，所以給定值控制是主要的控制形式。

1.1.3 系統(tǒng)分類(lèi)

過(guò)程控制系統(tǒng)分類(lèi)的方法很多，通常按照系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和給定值特點(diǎn)來(lái)分類(lèi)，下面分別進(jìn)行介紹。

按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)，過(guò)程控制系統(tǒng)可以分為反饋控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)。

1.反饋控制系統(tǒng)

反饋控制系統(tǒng)是根據(jù)系統(tǒng)被控量與給定位的偏差進(jìn)行工作的，最后達(dá)到消除或減小偏差的目的，偏差值是控制的依據(jù)。反饋控制系統(tǒng)通常稱(chēng)閉環(huán)控制系統(tǒng)，是過(guò)程控制系統(tǒng)中最基本的系統(tǒng)。

2.前饋控制系統(tǒng)

前饋控制系統(tǒng)是直接根據(jù)擾動(dòng)量的大小進(jìn)行工作的，擾動(dòng)是控制的依據(jù)，不構(gòu)成閉合回路，故也稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。前饋控制由于無(wú)法檢查控制的效果，因此在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中很少單獨(dú)應(yīng)用，尤其是在復(fù)雜過(guò)程中。

3.復(fù)合控制系統(tǒng)

復(fù)合控制系統(tǒng)也就是通常所指的前饋-反饋控制系統(tǒng)，它是反饋控制和前饋控制的結(jié)合，具有兩者的優(yōu)點(diǎn)。前饋控制的主要優(yōu)點(diǎn)是能針對(duì)主要擾動(dòng)迅速及時(shí)克服對(duì)被控量的影響；反饋控制的主要優(yōu)點(diǎn)是克服其他擾動(dòng)，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)能準(zhǔn)確地使被控量控制在給定值上，因此構(gòu)成的復(fù)合控制系統(tǒng)可以提高控制質(zhì)量。

按系統(tǒng)的給定值的特點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)，過(guò)程控制系統(tǒng)可以分為恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。

1.恒值控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的被控量（溫度、壓力、流量、液位、成分等）的給定值保持在某一恒值（或在某一很小范圍內(nèi)不變）。

2.隨動(dòng)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的被控量的給定值隨時(shí)間任意地變化，因此控制的作用是克服擾動(dòng)，使被控量及時(shí)跟蹤給定值變化。

3.程序控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的被控量的給定值是按預(yù)定的時(shí)間程序而變化的，控制的目的是使被控量按規(guī)定的程序自動(dòng)變化。