0.1 過程控制的定義和任務

1. 過程控制的基本概念

（1）自動控制。在沒有人的直接參與下，利用控制裝置操縱生產機器、設備或生產過程，使表征其工作狀態的物理參數（狀態變量）盡可能地接近人們的期望值（即設定值）的過程，稱為自動控制。

（2）過程控制。對生產過程所進行的自動控制，稱為過程控制。也可采用前面的表述方法：凡是采用模擬或數字控制方式對生產過程的某一或某些物理參數進行的自動控制統稱為過程控制。

（3）過程控制系統。為了實現過程控制，以控制理論和生產要求為依據，采用模擬儀表、數字儀表或微型計算機等構成的控制總體，稱為過程控制系統。

2. 過程控制的研究對象與任務

過程控制是自動控制學科的一門分支學科，是對過程控制系統進行的分析與綜合。在這里，“綜合”主要是指方案設計。有關過程控制系統的設計內容和步驟將在第2章、第8章中予以專門介紹。

3. 過程控制的目的

生產過程中，對各個工藝過程的物理量（或稱工藝變量）有著一定的控制要求。有些工藝變量直接表征生產過程，對產品的數量與質量起著決定性的作用。例如，精餾塔的塔頂或塔釜溫度，一般在操作壓力不變的情況下必須保持一定，才能得到合格的產品；加熱爐出口溫度的波動不能超出允許范圍，否則將影響后一工段的效果；化學反應器的反應溫度必須保持平穩，才能使效率達到指標。有些工藝變量雖不直接影響產品的質量和數量，然而保持其平穩卻是使生產獲得良好控制的前提。例如，用蒸汽加熱反應器或再沸器，如果在蒸汽總壓波動劇烈的情況下，要把反應溫度或塔釜溫度控制好將極為困難；中間儲槽的液位高度與氣柜壓力，必須維持在允許的范圍之內，才能使物料平衡，保持連續的均衡生產。有些工藝變量是決定安全生產的因素。例如，鍋爐汽包的水位、受壓容器的壓力等，不允許超出規定的限度，否則將威脅生產安全。還有一些工藝變量直接鑒定產品的質量。例如，某些混合氣體的組成、溶液的酸堿度等。近二十幾年來，工業生產規模的迅猛發展，加劇了對人類生存環境的污染，因此，減小工業生產對環境的影響也已納入了過程控制的目標范圍。

綜上所述，過程控制的主要目標應包括以下幾個方面：

① 保障生產過程的安全和平穩；

② 達到預期的產量和質量；

③ 盡可能地減少原材料和能源損耗；

④ 把生產對環境的危害降低到最小程度。

由此可見，生產過程自動化是保持生產穩定、降低消耗、降低成本、改善勞動條件、促進文明生產、保證生產安全和提高勞動生產率的重要手段，是20世紀科學與技術進步的特征，是工業現代化的標志之一。

如圖0.1所示是工業生產中常見的鍋爐汽包示意圖。

鍋爐是生產蒸汽的設備，幾乎是工業生產中不可缺少的設備。保持鍋爐汽包內的液（水）位高度在規定范圍內是非常重要的，若水位過低，則會影響產汽量，且鍋爐易燒干而發生事故；若水位過高，生產的蒸汽含水量高，會影響蒸汽質量，這些都是危險的。因此，對汽包液位嚴加控制是保證鍋爐正常生產必不可少的措施，其液位是一個重要的工藝參數。

如果一切條件（包括給水流量、蒸汽量等）都近乎恒定不變，只要將進水閥置于某一適當開度，則汽包液位就能保持在一定高度。但實際生產過程中這些條件是變化的，如進水閥前的壓力變化、蒸汽流量的變化等。此時若不進行控制（即不去改變閥門開度），則液位將偏離規定的高度。因此，為保持汽包液位恒定，操作人員應根據液位高度的變化情況，控制進水量。

在此，工藝所要求的汽包液位高度稱為設定值；所要求控制的液位參數稱為被控變量或輸出變量；那些影響被控變量使之偏離設定值的因素統稱為擾動作用，如給水量、蒸汽量的變化等（設定值和擾動作用都是系統的輸入變量）；用以使被控變量保持在設定值范圍內的作用稱為控制作用。

為了保持液位為定值，手工控制時主要有三步：

① 觀察被控變量的數值，即汽包的液位；

② 把觀察到的被控變量值與設定值加以比較，根據兩者的偏差大小或隨時間變化的情況，做出判斷并發出命令；

③ 根據命令操作給水閥，改變進水量，使液位回到設定值。

如采用檢測儀表和自動控制裝置來代替手工控制，就成為自動控制系統。

現以如圖0.2所示的鍋爐汽包液位過程控制系統為例，說明過程控制系統的原理。當系統受到擾動作用后，被控變量（液位）發生變化，通過檢測儀表得到其測量值z；在自動控制裝置（液位控制器LC）中，將測量值z與設定值x比較，得到偏差e=z-x；經過運算后，發出控制信號，這一信號作用于執行器（在此為控制閥），改變給水量，以克服擾動的影響，使被控變量回到設定值。這樣就完成了所要求的控制任務。這些自動控制裝置和被控的工藝對象就組成了一個過程控制系統。

通常，設定值是系統的輸入變量，而被控變量是系統的輸出變量。輸出變量通過適當的檢測儀表，又送回輸入端，并與輸入變量相比較，因此稱為反饋。兩者相加稱為正反饋，兩者相減稱為負反饋。輸出變量與輸入變量相比較所得的結果叫做偏差，控制裝置根據偏差的方向、大小或變化情況進行控制，使偏差減小或消除。發現偏差，然后去除偏差，這就是反饋控制的原理。利用這一原理組成的系統稱為反饋控制系統，通常也稱為自動控制系統。在一個過程控制系統中，實現自動控制的裝置可以各不相同，但反饋控制的原理卻是相同的。由此可見，有反饋存在和按偏差進行控制，是過程控制系統最主要的特點。

4. 過程控制的特點

生產過程的自動控制，一般是要求保持過程進行中的有關參數為一定值或按一定規律變化。顯然，過程參數的變化，不但受外界條件的影響，它們之間往往也相互影響，這就增加了某些參數自動控制的復雜性和難度。過程控制有如下特點。

（1）被控對象的多樣性。工業生產各不相同，生產過程本身大多比較復雜，生產規模也可能差異很大，這就給對被控對象的認識帶來困難。不同生產過程要求控制的參數各異，且被控參數一般不止一個，這些參數的變化規律不同，引起參數變化的因素也不止一個，并且往往互相影響，所以想正確描繪這樣復雜多樣的對象特性是不可能的，至今也只能對簡單的對象特性有明確的認識，對那些復雜多樣的對象特性，還只能采用簡化的方法來近似處理。雖然理論上有適應不同情況的控制方法，但由于對象特性辨識困難，要設計出適應不同對象的控制系統至今仍非易事。

（2）對象存在滯后。由于熱工生產過程大多在比較龐大的設備內進行，對象的儲存能力大，慣性也較大，內部介質的流動與熱量轉移都存在一定的阻力，并且往往具有自動轉向平衡的趨勢，因此當流入或流出對象的物質或能量發生變化時，由于存在容量、慣性和阻力，被控參數不可能立即反映出來。滯后的大小決定于生產設備的結構與規模，并同其流入量與流出量的特性有關。顯然，生產設備的規模越大，物質傳遞的距離越長，熱量傳遞的阻力越大，造成的滯后就越大。一般說來，熱工過程中大多是具有較大滯后的對象，對自動控制十分不利。

（3）對象特性的非線性。對象特性往往是隨負荷變化的。當負荷不同時，其動態特性有明顯的差別，即具有非線性特性。如果只以較理想的線性對象的動態特性作為控制系統的設計依據，則難以達到控制目的。

（4）控制系統比較復雜。由于生產安全上的考慮，生產設備的設計制造都力求使各種參數穩定，不會產生振蕩，所以作為被控對象就具有非振蕩環節的特性。熱工對象往往具有自動趨向平衡的能力，即被控量發生變化后，對象本身能使被控量逐漸穩定下來，這種對象就具有慣性環節的特性。也有無自動趨向平衡能力的對象，被控量會一直變化而不能穩定下來，這種對象就具有積分特性。

由于對象的特性不同，其輸入與輸出量可能不止一個，控制系統的設計在于適應這些不同的特點，以確定控制方案和控制器的設計或選型，以及控制器特性參數的計算與設定。這些都要以對象的特性為依據，而對象的特性正如上述那樣復雜且難以充分認識，所以要完全通過理論計算進行系統設計與整定至今仍不可能。目前已設計出的各種各樣的控制系統（如簡單的位式控制系統、單回路及多回路控制系統，以及前饋控制、計算機控制系統等），都是通過必要的理論計算，采用現場調整的方法達到過程控制的目的的。