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