浅谈过程控制及其应用

摘 要：简要概括过程控制经历的三个发展阶段，即基于经典控制理论、现代控制理论和多学科交叉的过程控制，并根据结构特点对过程控制其展开分析，介绍了过程控制在社会生活中的应用。

关键词：过程控制；发展阶段；前馈；反馈；应用

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.12.194

过程控制是指在进行生产制造的阶段中，运用一系列技术对厚度、压力、物位、湿度、流量和温度等重要变量进行控制，在保证整个系统安全性和稳定性的前提下，使其尽可能达到最佳状态，给整个工业生产过程带来一定的经济效益。工业革命以来，生产力得到了突飞猛进的发展，为了跟随时展的潮流，提高竞争力，各国都在不断提高信息处理、自动控制等方面水平提高生产质量，降低生a成本以获得最大效益。

本文通过对过程控制的发展、结构特点及某些应用进行介绍，进一步说明过程控制在当今生产及生活中的各个领域起到的重要作用。

1 过程控制的发展

1.1 第一阶段――经典控制理论

大约在20世纪30年代，形成了经典控制理论。这个时期，过程控制水平相对来说比较低，主要通过使用常规仪表，解决单输入与单输出系统的设计，研究线性定常系统。但是，经典控制理论虽能解决单变量的简单系统，但由于控制水平较为简单，不能有效完成多变量系统和时变系统的控制，这是它明显的局限性。

1.2 第二阶段――现代控制理论

20世纪50年代末，随着先进控制工具的诞生，以及智能控制、计算机技术、鲁棒控制等先进理论的飞速发展，现代控制理论应运而生。现代控制理论包括以下五个分支――线性系统理论、建模和系统辨识、最优滤波理论、最优控制和自适应控制[1]。现代控制理论研究对象已不局限于线性的、单变量的、连续的、定常的系统，而是拓展成非线性的、多变量的、离散的、时变的系统。这使它可以实现高产、低耗等效果，但基于严格的数学模型也使得现代控制理论在处理日益复杂的被控对象以及多目标和时变性的控制任务时仍然有些力不从心。

1.3 第三阶段――多学科交叉

随着环境及控制任务的日益复杂，在当时的控制理论不能很好的满足控制要求的背景下，20世纪中后期，智能控制的概念和理论诞生了。它采用人工智能、通信技术、认知科学、计算机科学等学科分支，将研究问题和研究方法重组，可以更加方便高效的解决更加复杂的问题。而在控制工具方面，出现了一种新的控制系统―现场总线系统[2-3]。经过进一步研究，科学家们发现，将信号处理技术、通信技术和计算机技术进行交叉的高级控制有着更为重要的意义，所以产生了计算机集成过程系统[4]。

随着科学技术的迅速发展，伴随了各学科相互交叉，融会贯通，经过不断探索和进一步验证，过程控制方法将会得到全面的发展和完善。

2 过程控制的分析

过程控制系统的种类有很多，其控制原理和可实现的功能各不相同，下面按系统的结构特点对过程控制进行分析。

2.1 前馈控制

前馈控制的概念是先对设定值的变化或外界干扰进行检测，按照其信号控制被控对象，使被控量维持在特定值上，信号流只是单向传递，被控量对整个系统没有任何影响。

顾名思义，前馈控制发生在整个进程开始之前，是未来的导向。前馈控制属于开环控制，控制及时，不易造成冲突，但是资源投入较大，不能随时跟踪被测量的变化，如果最终没有消除偏差，系统也无法获得信息进行校正。

2.2 反馈控制

反馈控制也称为闭环控制，反馈控制系统的定义是有被控量反馈的过程控制系统。反馈控制系统由控制装置，被控对象（或过程）和测量元件组成。从系统的信号流向看，被控量经测量元件检测并传递，与输入量进行比较，产生偏差，再经控制装置处理，按照与偏差极性相反的方向改变输入量，将调节的作用馈送给被控对象，整个过程构成了一个闭合通道。

反馈控制的特点是，当内部或外界环境产生干扰时，由于结构参数的变化会对被控对象造成一定的影响使之出现偏差，此时，系统便会利用偏差去修正偏差，恢复到干扰之前的状态，以此保持系统的稳定性。

与前馈控制相比，反馈控制的突出优点是，当干扰作用于被控对象，使被控量偏离规定值时，系统便会产生相应的动作去消除偏差。但由于引进了反馈回路，使构造变得更加困难。另外，调节作用始终落后于干扰、控制系统的精度与稳定性之间的矛盾也是反馈调节的缺点[5]。

2.3 前馈―反馈复合控制

为了保证系统的稳定性，提高控制品质，我们将前馈控制和反馈控制相结合，优势互补，提高了系统的整体性能。前馈―反馈复合控制增强了对扰动的抑制，提高了对变化的跟踪能力，使系统的控制品质得到了更好的提升。

3 过程控制的应用

中央空调系统目前采用的控制方式为PID控制，冬季调节热水管上的电动调节阀，调节阀的开度大小来实现冷（热）水量的调节，以达到控制温度的目的。为了简化控制过程，方便管理，将温度传感器放置于空调机组总回风管道中，因为回风温度与室温有所差别，其回风控制的温度设定值，在夏季应高于要求的室温（0.5～1.0）℃，在冬季应低于要求的室温（0.5～1.0）℃。

现场监控站监测空调机组的工作状态对象有过滤器阻塞，当过滤器阻塞时报警，可以知道过滤器是否需要更换，调节冷热水阀门的开度大小，以达到调节室内温度的目的，送风机和回风机启停，调节新风、回风和排风阀的开度大小，改变新风和回风比例，在保证卫生要求下降低能耗，来节约运行费用，检测回风机与送风机两侧的压强差，以得知风机的工作状态，检测新风、回风与送风的温度和湿度，因为回风近似反映被调对象的平均状态，所以用回风温湿度作为控制参数。依据设定的空调机组工作参数和以上监测的状态数据，现场控制站通过反馈控制送风机与回风机的启停，新风与回风的比例调节，盘管冷、热水的流量，来保证空调区域内空气的温度和湿度既能在设定范围内满足舒适性要求，同时也可以使空调机组以比较低的能量消耗方式运行。

参考文献：

[1]谢克明.现代控制理论[M].北京：清华大学出版社，2007（04）.

[2]王锦标.现场总线和现场总线控制系统[J].化工自动化及仪表，1997，24（02）：3-8.

[3]王锦标.现场总线和现场总线控制系统（续）[J].化工自动化及仪表，1997，24（03）：3-7.

[4]金以慧等.过程控制的发展与展望[J].控制理论与应用，1997，14（02）：145-151.

[5]刘文定等.自动控制原理[M].北京：电子工业出版社，2013（01）.