淺談過(guò)程控制及其應(yīng)用

張有為+孫鵬

摘 要：簡(jiǎn)要概括過(guò)程控制經(jīng)歷的三個(gè)發(fā)展階段，即基于經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和多學(xué)科交叉的過(guò)程控制，并根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)過(guò)程控制其展開(kāi)分析，介紹了過(guò)程控制在社會(huì)生活中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：過(guò)程控制；發(fā)展階段；前饋；反饋；應(yīng)用

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

過(guò)程控制是指在進(jìn)行生產(chǎn)制造的階段中，運(yùn)用一系列技術(shù)對(duì)厚度、壓力、物位、濕度、流量和溫度等重要變量進(jìn)行控制，在保證整個(gè)系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性的前提下，使其盡可能達(dá)到最佳狀態(tài)，給整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。工業(yè)革命以來(lái)，生產(chǎn)力得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，為了跟隨時(shí)代發(fā)展的潮流，提高競(jìng)爭(zhēng)力，各國(guó)都在不斷提高信息處理、自動(dòng)控制等方面水平提高生產(chǎn)質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本以獲得最大效益。

本文通過(guò)對(duì)過(guò)程控制的發(fā)展、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及某些應(yīng)用進(jìn)行介紹，進(jìn)一步說(shuō)明過(guò)程控制在當(dāng)今生產(chǎn)及生活中的各個(gè)領(lǐng)域起到的重要作用。

1 過(guò)程控制的發(fā)展

1.1 第一階段——經(jīng)典控制理論

大約在20世紀(jì)30年代，形成了經(jīng)典控制理論。這個(gè)時(shí)期，過(guò)程控制水平相對(duì)來(lái)說(shuō)比較低，主要通過(guò)使用常規(guī)儀表，解決單輸入與單輸出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，研究線性定常系統(tǒng)。但是，經(jīng)典控制理論雖能解決單變量的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，但由于控制水平較為簡(jiǎn)單，不能有效完成多變量系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)的控制，這是它明顯的局限性。

1.2 第二階段——現(xiàn)代控制理論

20世紀(jì)50年代末，隨著先進(jìn)控制工具的誕生，以及智能控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、魯棒控制等先進(jìn)理論的飛速發(fā)展，現(xiàn)代控制理論應(yīng)運(yùn)而生?，F(xiàn)代控制理論包括以下五個(gè)分支——線性系統(tǒng)理論、建模和系統(tǒng)辨識(shí)、最優(yōu)濾波理論、最優(yōu)控制和自適應(yīng)控制[1]?，F(xiàn)代控制理論研究對(duì)象已不局限于線性的、單變量的、連續(xù)的、定常的系統(tǒng)，而是拓展成非線性的、多變量的、離散的、時(shí)變的系統(tǒng)。這使它可以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、低耗等效果，但基于嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型也使得現(xiàn)代控制理論在處理日益復(fù)雜的被控對(duì)象以及多目標(biāo)和時(shí)變性的控制任務(wù)時(shí)仍然有些力不從心。

1.3 第三階段——多學(xué)科交叉

隨著環(huán)境及控制任務(wù)的日益復(fù)雜，在當(dāng)時(shí)的控制理論不能很好的滿足控制要求的背景下，20世紀(jì)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(shù)、認(rèn)知科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科分支，將研究問(wèn)題和研究方法重組，可以更加方便高效的解決更加復(fù)雜的問(wèn)題。而在控制工具方面，出現(xiàn)了一種新的控制系統(tǒng)—現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)[2-3]。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，將信號(hào)處理技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行交叉的高級(jí)控制有著更為重要的意義，所以產(chǎn)生了計(jì)算機(jī)集成過(guò)程系統(tǒng)[4]。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，伴隨了各學(xué)科相互交叉，融會(huì)貫通，經(jīng)過(guò)不斷探索和進(jìn)一步驗(yàn)證，過(guò)程控制方法將會(huì)得到全面的發(fā)展和完善。

2 過(guò)程控制的分析

過(guò)程控制系統(tǒng)的種類(lèi)有很多，其控制原理和可實(shí)現(xiàn)的功能各不相同，下面按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)過(guò)程控制進(jìn)行分析。

2.1 前饋控制

前饋控制的概念是先對(duì)設(shè)定值的變化或外界干擾進(jìn)行檢測(cè)，按照其信號(hào)控制被控對(duì)象，使被控量維持在特定值上，信號(hào)流只是單向傳遞，被控量對(duì)整個(gè)系統(tǒng)沒(méi)有任何影響。

顧名思義，前饋控制發(fā)生在整個(gè)進(jìn)程開(kāi)始之前，是未來(lái)的導(dǎo)向。前饋控制屬于開(kāi)環(huán)控制，控制及時(shí)，不易造成沖突，但是資源投入較大，不能隨時(shí)跟蹤被測(cè)量的變化，如果最終沒(méi)有消除偏差，系統(tǒng)也無(wú)法獲得信息進(jìn)行校正。

2.2 反饋控制

反饋控制也稱(chēng)為閉環(huán)控制，反饋控制系統(tǒng)的定義是有被控量反饋的過(guò)程控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)由控制裝置，被控對(duì)象（或過(guò)程）和測(cè)量元件組成。從系統(tǒng)的信號(hào)流向看，被控量經(jīng)測(cè)量元件檢測(cè)并傳遞，與輸入量進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差，再經(jīng)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(diào)節(jié)的作用饋送給被控對(duì)象，整個(gè)過(guò)程構(gòu)成了一個(gè)閉合通道。

反饋控制的特點(diǎn)是，當(dāng)內(nèi)部或外界環(huán)境產(chǎn)生干擾時(shí)，由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化會(huì)對(duì)被控對(duì)象造成一定的影響使之出現(xiàn)偏差，此時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)利用偏差去修正偏差，恢復(fù)到干擾之前的狀態(tài)，以此保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

與前饋控制相比，反饋控制的突出優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)干擾作用于被控對(duì)象，使被控量偏離規(guī)定值時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作去消除偏差。但由于引進(jìn)了反饋回路，使構(gòu)造變得更加困難。另外，調(diào)節(jié)作用始終落后于干擾、控制系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性之間的矛盾也是反饋調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)[5]。

2.3 前饋—反饋復(fù)合控制

為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高控制品質(zhì)，我們將前饋控制和反饋控制相結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高了系統(tǒng)的整體性能。前饋—反饋復(fù)合控制增強(qiáng)了對(duì)擾動(dòng)的抑制，提高了對(duì)變化的跟蹤能力，使系統(tǒng)的控制品質(zhì)得到了更好的提升。

3 過(guò)程控制的應(yīng)用

中央空調(diào)系統(tǒng)目前采用的控制方式為PID控制，冬季調(diào)節(jié)熱水管上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度大小來(lái)實(shí)現(xiàn)冷（熱）水量的調(diào)節(jié)，以達(dá)到控制溫度的目的。為了簡(jiǎn)化控制過(guò)程，方便管理，將溫度傳感器放置于空調(diào)機(jī)組總回風(fēng)管道中，因?yàn)榛仫L(fēng)溫度與室溫有所差別，其回風(fēng)控制的溫度設(shè)定值，在夏季應(yīng)高于要求的室溫（0.5～1.0）℃，在冬季應(yīng)低于要求的室溫（0.5～1.0）℃。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站監(jiān)測(cè)空調(diào)機(jī)組的工作狀態(tài)對(duì)象有過(guò)濾器阻塞，當(dāng)過(guò)濾器阻塞時(shí)報(bào)警，可以知道過(guò)濾器是否需要更換，調(diào)節(jié)冷熱水閥門(mén)的開(kāi)度大小，以達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的目的，送風(fēng)機(jī)和回風(fēng)機(jī)啟停，調(diào)節(jié)新風(fēng)、回風(fēng)和排風(fēng)閥的開(kāi)度大小，改變新風(fēng)和回風(fēng)比例，在保證衛(wèi)生要求下降低能耗，來(lái)節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用，檢測(cè)回風(fēng)機(jī)與送風(fēng)機(jī)兩側(cè)的壓強(qiáng)差，以得知風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，檢測(cè)新風(fēng)、回風(fēng)與送風(fēng)的溫度和濕度，因?yàn)榛仫L(fēng)近似反映被調(diào)對(duì)象的平均狀態(tài)，所以用回風(fēng)溫濕度作為控制參數(shù)。依據(jù)設(shè)定的空調(diào)機(jī)組工作參數(shù)和以上監(jiān)測(cè)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)控制站通過(guò)反饋控制送風(fēng)機(jī)與回風(fēng)機(jī)的啟停，新風(fēng)與回風(fēng)的比例調(diào)節(jié)，盤(pán)管冷、熱水的流量，來(lái)保證空調(diào)區(qū)域內(nèi)空氣的溫度和濕度既能在設(shè)定范圍內(nèi)滿足舒適性要求，同時(shí)也可以使空調(diào)機(jī)組以比較低的能量消耗方式運(yùn)行。

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