淺談過程控制及其應用

張有為+孫鵬

摘 要：簡要概括過程控制經歷的三個發展階段，即基于經典控制理論、現代控制理論和多學科交叉的過程控制，并根據結構特點對過程控制其展開分析，介紹了過程控制在社會生活中的應用。

關鍵詞：過程控制；發展階段；前饋；反饋；應用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.194

過程控制是指在進行生產制造的階段中，運用一系列技術對厚度、壓力、物位、濕度、流量和溫度等重要變量進行控制，在保證整個系統安全性和穩定性的前提下，使其盡可能達到最佳狀態，給整個工業生產過程帶來一定的經濟效益。工業革命以來，生產力得到了突飛猛進的發展，為了跟隨時代發展的潮流，提高競爭力，各國都在不斷提高信息處理、自動控制等方面水平提高生產質量，降低生產成本以獲得最大效益。

本文通過對過程控制的發展、結構特點及某些應用進行介紹，進一步說明過程控制在當今生產及生活中的各個領域起到的重要作用。

1 過程控制的發展

1.1 第一階段——經典控制理論

大約在20世紀30年代，形成了經典控制理論。這個時期，過程控制水平相對來說比較低，主要通過使用常規儀表，解決單輸入與單輸出系統的設計，研究線性定常系統。但是，經典控制理論雖能解決單變量的簡單系統，但由于控制水平較為簡單，不能有效完成多變量系統和時變系統的控制，這是它明顯的局限性。

1.2 第二階段——現代控制理論

20世紀50年代末，隨著先進控制工具的誕生，以及智能控制、計算機技術、魯棒控制等先進理論的飛速發展，現代控制理論應運而生。現代控制理論包括以下五個分支——線性系統理論、建模和系統辨識、最優濾波理論、最優控制和自適應控制[1]。現代控制理論研究對象已不局限于線性的、單變量的、連續的、定常的系統，而是拓展成非線性的、多變量的、離散的、時變的系統。這使它可以實現高產、低耗等效果，但基于嚴格的數學模型也使得現代控制理論在處理日益復雜的被控對象以及多目標和時變性的控制任務時仍然有些力不從心。

1.3 第三階段——多學科交叉

隨著環境及控制任務的日益復雜，在當時的控制理論不能很好的滿足控制要求的背景下，20世紀中后期，智能控制的概念和理論誕生了。它采用人工智能、通信技術、認知科學、計算機科學等學科分支，將研究問題和研究方法重組，可以更加方便高效的解決更加復雜的問題。而在控制工具方面，出現了一種新的控制系統—現場總線系統[2-3]。經過進一步研究，科學家們發現，將信號處理技術、通信技術和計算機技術進行交叉的高級控制有著更為重要的意義，所以產生了計算機集成過程系統[4]。

隨著科學技術的迅速發展，伴隨了各學科相互交叉，融會貫通，經過不斷探索和進一步驗證，過程控制方法將會得到全面的發展和完善。

2 過程控制的分析

過程控制系統的種類有很多，其控制原理和可實現的功能各不相同，下面按系統的結構特點對過程控制進行分析。

2.1 前饋控制

前饋控制的概念是先對設定值的變化或外界干擾進行檢測，按照其信號控制被控對象，使被控量維持在特定值上，信號流只是單向傳遞，被控量對整個系統沒有任何影響。

顧名思義，前饋控制發生在整個進程開始之前，是未來的導向。前饋控制屬于開環控制，控制及時，不易造成沖突，但是資源投入較大，不能隨時跟蹤被測量的變化，如果最終沒有消除偏差，系統也無法獲得信息進行校正。

2.2 反饋控制

反饋控制也稱為閉環控制，反饋控制系統的定義是有被控量反饋的過程控制系統。反饋控制系統由控制裝置，被控對象（或過程）和測量元件組成。從系統的信號流向看，被控量經測量元件檢測并傳遞，與輸入量進行比較，產生偏差，再經控制裝置處理，按照與偏差極性相反的方向改變輸入量，將調節的作用饋送給被控對象，整個過程構成了一個閉合通道。

反饋控制的特點是，當內部或外界環境產生干擾時，由于結構參數的變化會對被控對象造成一定的影響使之出現偏差，此時，系統便會利用偏差去修正偏差，恢復到干擾之前的狀態，以此保持系統的穩定性。

與前饋控制相比，反饋控制的突出優點是，當干擾作用于被控對象，使被控量偏離規定值時，系統便會產生相應的動作去消除偏差。但由于引進了反饋回路，使構造變得更加困難。另外，調節作用始終落后于干擾、控制系統的精度與穩定性之間的矛盾也是反饋調節的缺點[5]。

2.3 前饋—反饋復合控制

為了保證系統的穩定性，提高控制品質，我們將前饋控制和反饋控制相結合，優勢互補，提高了系統的整體性能。前饋—反饋復合控制增強了對擾動的抑制，提高了對變化的跟蹤能力，使系統的控制品質得到了更好的提升。

3 過程控制的應用

中央空調系統目前采用的控制方式為PID控制，冬季調節熱水管上的電動調節閥，調節閥的開度大小來實現冷（熱）水量的調節，以達到控制溫度的目的。為了簡化控制過程，方便管理，將溫度傳感器放置于空調機組總回風管道中，因為回風溫度與室溫有所差別，其回風控制的溫度設定值，在夏季應高于要求的室溫（0.5～1.0）℃，在冬季應低于要求的室溫（0.5～1.0）℃。

現場監控站監測空調機組的工作狀態對象有過濾器阻塞，當過濾器阻塞時報警，可以知道過濾器是否需要更換，調節冷熱水閥門的開度大小，以達到調節室內溫度的目的，送風機和回風機啟停，調節新風、回風和排風閥的開度大小，改變新風和回風比例，在保證衛生要求下降低能耗，來節約運行費用，檢測回風機與送風機兩側的壓強差，以得知風機的工作狀態，檢測新風、回風與送風的溫度和濕度，因為回風近似反映被調對象的平均狀態，所以用回風溫濕度作為控制參數。依據設定的空調機組工作參數和以上監測的狀態數據，現場控制站通過反饋控制送風機與回風機的啟停，新風與回風的比例調節，盤管冷、熱水的流量，來保證空調區域內空氣的溫度和濕度既能在設定范圍內滿足舒適性要求，同時也可以使空調機組以比較低的能量消耗方式運行。

參考文獻：

[1]謝克明.現代控制理論[M].北京：清華大學出版社，2007（04）.

[2]王錦標.現場總線和現場總線控制系統[J].化工自動化及儀表，1997，24（02）：3-8.

[3]王錦標.現場總線和現場總線控制系統（續）[J].化工自動化及儀表，1997，24（03）：3-7.

[4]金以慧等.過程控制的發展與展望[J].控制理論與應用，1997，14（02）：145-151.

[5]劉文定等.自動控制原理[M].北京：電子工業出版社，2013（01）.