化工紡織百科：化工過(guò)程控制
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huagong guocheng kongzhi
化工過(guò)程控制
chemical process control
又稱過(guò)程控制，是化工生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的簡(jiǎn)稱。在50年代，曾采用化工自動(dòng)化一詞來(lái)概括化工生產(chǎn)過(guò)程的檢測(cè)和控制兩方面的內(nèi)容，近年來(lái)傾向于將檢測(cè)與控制分為兩個(gè)概念?；み^(guò)程控制主要是研討控制理論在化工生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用，包括各種自動(dòng)化系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)施、運(yùn)行，而不包括純理論的研究和儀表的設(shè)計(jì)、制造。需要著重指出的是，這里所述的化工過(guò)程屬于學(xué)科性的廣義化學(xué)工藝，而不是行政或部門的概念。所以，化工過(guò)程存在于化學(xué)工業(yè)、石油煉制工業(yè)、輕工、熱電、食品、漂染、冶煉等許多工業(yè)部門。
沿革 化工過(guò)程控制是一門較新學(xué)科，在40年代以前，雖然生產(chǎn)過(guò)程中已采用自動(dòng)化裝置，但其設(shè)計(jì)和運(yùn)行都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的，沒(méi)有系統(tǒng)的理論指導(dǎo)。直至40年代中期，才開始把在電工中已較成熟的經(jīng)典控制理論，初步應(yīng)用到工業(yè)控制中來(lái)。50年代早期，在生產(chǎn)上出現(xiàn)高度集中控制的自動(dòng)化裝置。到60年代，高等院?；は涤休^完整的教材，出現(xiàn)了控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和復(fù)雜的新型控制方案的文獻(xiàn)資料，以及以計(jì)算機(jī)為控制工具，利用現(xiàn)代控制理論，進(jìn)行多變量?jī)?yōu)化性質(zhì)的設(shè)計(jì)的研究論文和學(xué)術(shù)報(bào)告。但是，由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)的投資大，可靠性差，沒(méi)有在生產(chǎn)上發(fā)揮計(jì)算機(jī)控制的作用。直到70年代后期，微型計(jì)算機(jī)問(wèn)世，在經(jīng)濟(jì)性和可靠性方面都有很大進(jìn)展，在生產(chǎn)上發(fā)揮巨大的作用。同時(shí)，計(jì)算機(jī)善長(zhǎng)于邏輯判斷、程序時(shí)序性的工作，因此除控制外，信號(hào)報(bào)警、生產(chǎn)調(diào)度、安全管理、自動(dòng)開停等都可納入計(jì)算機(jī)程序。
控制的特點(diǎn) 化工過(guò)程控制與一般化工方法最大的區(qū)別是動(dòng)態(tài)和反饋。
動(dòng)態(tài) 在過(guò)程控制中把各種工藝衡算所依據(jù)的平衡狀態(tài)稱穩(wěn)態(tài)。但是，實(shí)際生產(chǎn)總是在穩(wěn)態(tài)附近波動(dòng)而變化的。當(dāng)生產(chǎn)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)干擾出現(xiàn)后，被控制的變量就會(huì)偏離穩(wěn)態(tài)，然后在控制作用下又逐步回至穩(wěn)態(tài)，這個(gè)偏離了穩(wěn)態(tài)又回復(fù)到穩(wěn)態(tài)的過(guò)程稱動(dòng)態(tài)過(guò)程。在很多情況下，回復(fù)過(guò)程是振蕩式的，可以回到原來(lái)起始的穩(wěn)態(tài)，也可以回到另一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)。多數(shù)控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)都是直接從這一動(dòng)態(tài)過(guò)程曲線出發(fā)而制定的。很多工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)也是按可能出現(xiàn)的最大偏離的動(dòng)態(tài)條件進(jìn)行，而不能都按穩(wěn)態(tài)計(jì)算進(jìn)行。生產(chǎn)中出現(xiàn)的控制措施不力、操作裕度有限等，往往是由于設(shè)計(jì)依據(jù)不當(dāng)所造成的。
反饋 自動(dòng)控制的成功和發(fā)展關(guān)鍵在于信息的反饋。在一個(gè)控制系統(tǒng)中，當(dāng)控制器采取控制措施后，如果能夠把控制效果的信息送回到控制器進(jìn)行比較，以決定下一步如何進(jìn)行校正。這種將控制效果信息送回到控制器的概念稱反饋;這種信息通路稱反饋回路。有反饋回路的稱閉環(huán)控制系統(tǒng);否則稱開環(huán)控制系統(tǒng)。采用反饋是提高控制質(zhì)量的關(guān)鍵措施，改變反饋的大小、形式或規(guī)律，對(duì)控制質(zhì)量有不同的影響，甚至可以將不可控的非穩(wěn)定系統(tǒng)改進(jìn)為控制質(zhì)量頗佳的穩(wěn)定系統(tǒng)。所以稱反饋是控制系統(tǒng)的心臟。
控制理論 過(guò)程控制理論有經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩種。經(jīng)典控制理論是以線性常系數(shù)微分方程描述系統(tǒng)為出發(fā)點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的。一般以獲得振蕩的動(dòng)態(tài)過(guò)程為原則,并規(guī)定動(dòng)態(tài)過(guò)程的一些特征為質(zhì)量指標(biāo):如動(dòng)態(tài)過(guò)程中超過(guò)新穩(wěn)態(tài)值的量為超調(diào)量;偏離原穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量為最大偏差;連續(xù)兩次偏差峰值之比為衰減比;偏差衰減到最大量的95%所需的時(shí)間為過(guò)渡時(shí)間;若振蕩后達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值與開始時(shí)的不相同，兩個(gè)穩(wěn)態(tài)值的差就稱余差。由于這些指標(biāo)不能直接表達(dá)為描述系統(tǒng)微分方程的組成部分，這一理論不能按數(shù)學(xué)方法直接設(shè)計(jì)理想的控制系統(tǒng)，需要一個(gè)湊試過(guò)程。但是，這種方法可以較嚴(yán)格地分析系統(tǒng)的控制質(zhì)量。從線性常系數(shù)微分方程式的性質(zhì)出發(fā)，得到兩種分析方法：即根軌跡法和頻率法。前者是按特征根隨控制強(qiáng)度變化的軌跡進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法;后者應(yīng)用輸入為正弦波時(shí)，穩(wěn)定后輸出也是同頻正弦波的性質(zhì)，用輸入和輸出幅值比及相位差來(lái)評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)品質(zhì)。這種輸入和輸出幅值比和相位差隨頻率變化的規(guī)律稱頻率特性，一般用頻率特性與質(zhì)量指標(biāo)的關(guān)系分析系統(tǒng)。因?yàn)橐粋€(gè)微分方程只有一個(gè)因變量，故經(jīng)典控制理論僅限于處理單變量的控制系統(tǒng)。
在60年代興起的現(xiàn)代控制理論，采用能表征微分方程組的矩陣方程式描述系統(tǒng)，并用函數(shù)的形式表達(dá)各種新的控制指標(biāo)，因而可以通過(guò)嚴(yán)格的運(yùn)算進(jìn)行系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)
若使系統(tǒng)設(shè)計(jì)得滿足一個(gè)控制指標(biāo)的極值(極大或極小)時(shí),就得到所謂的最優(yōu)控制。由于現(xiàn)代控制理論克服和補(bǔ)充了經(jīng)典控制理論中的很多缺陷，并能用于多變量系統(tǒng)，故在化工過(guò)程控制中得到了很好的應(yīng)用。應(yīng)用 在工藝成熟的生產(chǎn)過(guò)程中，化工過(guò)程控制是提高產(chǎn)量和質(zhì)量、節(jié)約原料和能源、改善勞動(dòng)強(qiáng)度和節(jié)省勞力等方面有力的手段。中國(guó)近年來(lái)在控制規(guī)律、控制方案、實(shí)施技術(shù)以及大規(guī)模的集中控制方面，從借用、開發(fā)、到創(chuàng)新都做了不少工作，有一定數(shù)量的成功典型，經(jīng)濟(jì)效益也比較顯著。近年來(lái)，還開始運(yùn)用數(shù)學(xué)模型方法，探討和推廣現(xiàn)代控制理論在化工過(guò)程控制中的應(yīng)用，已有一些創(chuàng)見性的成果。結(jié)合微型計(jì)算機(jī)的推廣應(yīng)用，不少項(xiàng)目開展了計(jì)算機(jī)控制和調(diào)度管理的研究，有些已經(jīng)取得了成功，使生產(chǎn)的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益都有較大的提高(見彩圖[天然氣化工廠的變壓吸附制氧試驗(yàn)裝置]