
过程控制技术在自动生 产线中的应用

一、过程控制的定义和任务 1、过程控制的基本概念 (1)自动控制。在没有人的直接参与下,利用控制装置操纵 生产机器、设备或生产过程,使表征其工作状态的物理参数(状 态变量)尽可能接近人们的期望值(即设定值)的过程,称为自动 控制。 (2)过程控制。对生产过程所进行的自动控制,称为过程控 制。或者说凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或 某些物理参数进行的自动控制统称为过程控制。 (3)过程控制系统。为了实现过程控制,以控制理论和生产 要求为依据,采用模拟仪表、 数字仪表或微型计算机等构成的 控制总体,称为过程控制系统

2、过程控制的目的 生产过程中,对各个工艺过程的物理量或称工艺变 量有着一定的控制要求。有些工艺变量直接表征生产过程, 对产品的产量与质量起着决定性的作用。例如,精馏塔的塔顶 或塔釜温度,一般在操作压力不变的情况下必须保持一定,才 能得到合格的产品;加热炉出口温度的波动不能超出允许范围, 否则将影响后一工段的效果;化学反应器的反应温度必须保持 平稳,才能使效率达到指标。有些工艺变量虽不直接影响产品 的质量和产量,然而保持其平稳却是使生产获得良好控制的前 提。例如,用蒸汽加热反应器或再沸器,如果在蒸汽总压波动 剧烈的情况下,要把反应温度或塔釜温度控制好将极为困难; 中间储槽的液位高度与气柜压力,必须维持在允许的范围之内, 才能使物料平衡,保持连续的均衡生产。有些工艺变量是决定 安全生产的因素。例如,锅炉汽包的水位、受压容器的压力等, 不允许超出规定的限度,否则将威胁生产安全。还有一些工艺 变量直接鉴定产品的质量。例如,某些混合气体的组成、溶液 的酸碱度等

近二十几年来,工业生产规模的迅猛发展,加剧了对人 类生存环境的污染,因此,减小工业生产对环境的影响也己纳 入了过程控制的目标范围。综上所述,过程控制的主要目标应 包括以下几个方面: ①保障生产过程的安全和平稳; ②达到预期的产量和质量; ③尽可能地减少原材料和能源损耗; ④把生产对环境的危害降低到最小程度。 由此可见,生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、 降低成本、改善劳动条件、促进文明生产、保证生产安全和提 高劳动生产率的重要手段,是20世纪科学与技术进步的特征, 是工业现代化的标记之一

二、控制系统的基本形式 控制系统一般有两种基本控制方式,通常按照控制系统是 否设有反馈环节来对其进行分类。不设反馈环节的,称为开环 控制系统;设有反馈环节的,称为闭环控制系统。这里所说的 “环”,是指由反馈环节构成的回路。下面介绍这两种控制系统 的控制特点。 1、开环控制系统 若系统的输出信号对控制作用没有影响,则称为开环控制系 统,即系统的输出信号不反馈到输入端,不形成信号传递的闭 合环路。 在开环控制系统中,控制装置与被控对象之间只有顺向作 用而无反向联系。如图6-2所示的数控加工机床中广泛应用的精 密定位控制系统,是一个没有反馈环节的开环控制系统

图 6-2 精密定位控制系统方框图 此系统结构比较简单,但不能保证消除误差,图中步进 电机是一种由“脉冲数”控制的电机,只要输入一个脉冲,电 机就转过一定角度,称为“一步”。所以根据工作台所需要移 动的距离,输入端给予一定的脉冲。如果因为外界扰动,步 进电机多走或少走了几步,系统并不能“察觉”从而造成误差 。 开环控制系统的原理方框图如图6-3所示。 图6-3开环控制系统原理方框图

由此可见,由于开环控制方式不需要对被控变量进 行测量,只根据输入信号进行控制,所以开环控制方式的特点 是:无反馈环节,系统结构和控制过程均很简单,容易构成; 操作方便,成本比相应的闭环系统低。由于不测量被控变量, 也不与设定值比较,所以系统受到扰动作用后,被控变量偏离 设定值,且无法消除偏差,因此开环控制的缺点是抗扰动能力 差、控制精度不高。 故一般情况下开环控制系统只能适用于对控制性能要求较 低的场合,其具体应用原则如下:当不易测量被控变量或在经 济上不允许时,采用开环控制比较合适;在输出量和输入量之 间的关系固定,且内部参数或外部负载等扰动因素不大(或这些 扰动因素产生的误差可以预先确定并能进行补偿)的情况下,也 应尽量采用开环控制系统。但是当系统中存在无法预计的扰动 因素、并且对控制性能要求较高时,开环控制系统便无法满足 技术要求,这时就应考虑采用闭环控制系统

2、闭环控制系统 凡是系统的输出信号对控制作用有直接影响的控制 系统,就称为闭环控制系统。在闭环控制系统中,系统的输出 信号通过反馈环节返回到输入端,形成闭合环路,故又称为反 馈控制系统。图6-4中的锅炉汽包液位自动控制系统就是一个具 有反馈环节的闭环控制系统的原理方框图。 图6-4锅炉汽包液位闭环控制系统原理方框图

从图6-4中可以看出,为使被控变量稳定在工艺要求的设定 值附近,闭环控制系统均采用负反馈方式。在一个负反馈控制 系统中,将被控变量通过反馈环节送回输入端,与设定值进行 比较,根据偏差控制被控变量,从而实现控制作用。因此,“采 用负反馈环节,按偏差进行控制”是闭环控制系统在结构上的最 大特点。不论什么原因引起被控变量偏离设定值,只要出现偏 差,就会产生控制作用,使偏差减小或消除,达到被控变量与 设定值一致的目的,这是闭环控制的优点。这一优点使得闭环 控制系统具有较高的控制精度和较强的抗扰动能力,因此,在 实现对生产过程进行自动控制的过程控制系统中,均采用闭环 控制

闭环控制需要增加检测、反馈比较、控制器等部件,这会 使系统较为复杂、成本提高。特别需要指出的是,闭环控制会 带来使系统的稳定性变差甚至造成不稳定的副作用。这是由于 闭环控制系统按偏差进行控制,所以尽管扰动已经产生,但在 尚未引起被控变量变化之前,系统是不会产生控制作用的,这 就使控制不够及时。此外,如果系统内部各环节配合不当,则 会引起剧烈振荡,甚至会使系统失去控制。这些是闭环控制系 统的缺点,在自动控制系统的设计和调试过程中应加以注意