淺談過程控制及其應(yīng)用

張有為+孫鵬

摘 要：簡要概括過程控制經(jīng)歷的三個發(fā)展階段，即基于經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和多學科交叉的過程控制，并根據(jù)結(jié)構(gòu)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(yīng)用。

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

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

過程控制是指在進行生產(chǎn)制造的階段中，運用一系列技術(shù)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(tǒng)安全性和穩(wěn)定性的前提下，使其盡可能達到最佳狀態(tài)，給整個工業(yè)生產(chǎn)過程帶來一定的經(jīng)濟效益。工業(yè)革命以來，生產(chǎn)力得到了突飛猛進的發(fā)展，為了跟隨時代發(fā)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(chǎn)質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本以獲得最大效益。

本文通過對過程控制的發(fā)展、結(jié)構(gòu)特點及某些應(yīng)用進行介紹，進一步說明過程控制在當今生產(chǎn)及生活中的各個領(lǐng)域起到的重要作用。

1 過程控制的發(fā)展

1.1 第一階段——經(jīng)典控制理論

大約在20世紀30年代，形成了經(jīng)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(guī)儀表，解決單輸入與單輸出系統(tǒng)的設(shè)計，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單系統(tǒng)，但由于控制水平較為簡單，不能有效完成多變量系統(tǒng)和時變系統(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(shù)、魯棒控制等先進理論的飛速發(fā)展，現(xiàn)代控制理論應(yīng)運而生?，F(xiàn)代控制理論包括以下五個分支——線性系統(tǒng)理論、建模和系統(tǒng)辨識、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、時變的系統(tǒng)。這使它可以實現(xiàn)高產(chǎn)、低耗等效果，但基于嚴格的數(shù)學模型也使得現(xiàn)代控制理論在處理日益復(fù)雜的被控對象以及多目標和時變性的控制任務(wù)時仍然有些力不從心。

1.3 第三階段——多學科交叉

隨著環(huán)境及控制任務(wù)的日益復(fù)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(shù)、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(fù)雜的問題。而在控制工具方面，出現(xiàn)了一種新的控制系統(tǒng)—現(xiàn)場總線系統(tǒng)[2-3]。經(jīng)過進一步研究，科學家們發(fā)現(xiàn)，將信號處理技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)進行交叉的高級控制有著更為重要的意義，所以產(chǎn)生了計算機集成過程系統(tǒng)[4]。

隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，伴隨了各學科相互交叉，融會貫通，經(jīng)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(fā)展和完善。

2 過程控制的分析

過程控制系統(tǒng)的種類有很多，其控制原理和可實現(xiàn)的功能各不相同，下面按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(shè)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(tǒng)沒有任何影響。

顧名思義，前饋控制發(fā)生在整個進程開始之前，是未來的導(dǎo)向。前饋控制屬于開環(huán)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(tǒng)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(huán)控制，反饋控制系統(tǒng)的定義是有被控量反饋的過程控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)由控制裝置，被控對象（或過程）和測量元件組成。從系統(tǒng)的信號流向看，被控量經(jīng)測量元件檢測并傳遞，與輸入量進行比較，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象，整個過程構(gòu)成了一個閉合通道。

反饋控制的特點是，當內(nèi)部或外界環(huán)境產(chǎn)生干擾時，由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化會對被控對象造成一定的影響使之出現(xiàn)偏差，此時，系統(tǒng)便會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)點是，當干擾作用于被控對象，使被控量偏離規(guī)定值時，系統(tǒng)便會產(chǎn)生相應(yīng)的動作去消除偏差。但由于引進了反饋回路，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[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)勢互補，提高了系統(tǒng)的整體性能。前饋—反饋復(fù)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(tǒng)的控制品質(zhì)得到了更好的提升。

3 過程控制的應(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)熱水管上的電動調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥的開度大小來實現(xiàn)冷（熱）水量的調(diào)節(jié)，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(diào)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(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)場監(jiān)控站監(jiān)測空調(diào)機組的工作狀態(tài)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(diào)節(jié)冷熱水閥門的開度大小，以達到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的目的，送風機和回風機啟停，調(diào)節(jié)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(wèi)生要求下降低能耗，來節(jié)約運行費用，檢測回風機與送風機兩側(cè)的壓強差，以得知風機的工作狀態(tài)，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(diào)對象的平均狀態(tài)，所以用回風溫濕度作為控制參數(shù)。依據(jù)設(shè)定的空調(diào)機組工作參數(shù)和以上監(jiān)測的狀態(tài)數(shù)據(jù)，現(xiàn)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(diào)節(jié)，盤管冷、熱水的流量，來保證空調(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，同時也可以使空調(diào)機組以比較低的能量消耗方式運行。

參考文獻：

[1]謝克明.現(xiàn)代控制理論[M].北京：清華大學出版社，2007（04）.

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

[3]王錦標.現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（續(xù)）[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(fā)展與展望[J].控制理論與應(yīng)用，1997，14（02）：145-151.

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