掌握过程控制基本概念才能理解过程控制技术

2016/10/18 14:26:27 人评论 次浏览 分类:过程控制  文章地址:http://yunrun.com.cn/tech/1093.html

在《宋极群谈自动控制与自动控制系统》介绍了自动控制和自动控制系统的概念,本文增加七个过程控制基本概念的基础知识,这非常有助于我们对自动化过程控制技术的理解。

1、被控量(controlled plant) 
被控量又称被控对象。在自动控制系统中,一般指被控制的设备或过程,如反应器、精馏设备的控制,或传热过程、燃烧过程的控制等。从定量分析和方案设计角度来看,控制对象只是被控设备或过程中影响对象输入、输出参数的部分因素,并不是设备的全部。例如:在精馏过程控制中,定回流控制系统的控制对象,只涉及设备的回流管道;塔釜液位控制系统的对象,只与塔釜有关。在简单控制系统中,工程上也可以把被控参数叫做对象,如流量控制、压力控制和温度控制等。

比如在温控系统中,我们要达到的目的是恒温,那么这里能使温度升高或降低的设备就是被控量。在有些时候,这个被控对象又不是某个可以确定的设备,这个很好理解,比如现在房价太高了,我们要抑制一下,房价就是被控对象,对于导致房价升高的始作俑者-热钱的炒作,也可以被称为被控对象,控制的方法就是增加资金流动的成本,降低资金的流动性。

2、扰动量(perturbation) 

干扰或破坏系统按预定规律运行的输入量,也称为扰动输入。例如,本来房价是按市场规律涨跌的,但是我们的专家们说了几话,使本来正常的市场被搅乱了(请注意乱,这个乱有两个方向,加速涨或者加速跌),这就是扰动,再比如,银行加息了,这是间接扰动,它增加了资金流动的成本,降低了投资利润率。凡是影响系统运行的输入,都称为扰动。有些扰动的结果是加速系统达到目的,称为正作用;有些是减慢系统达到目的,称为反作用。自动调节的目的就是控制设备的运行,来抵消或利用各种扰动,满足工艺要求。

3、给定值(specified value) 

根据生产的需要,我们给一些控制对象设定一个目标值,当这个被控对象达到目标值时才能生产出满足要求的产品,这个目标值就被称为给定值。比如阀门位置在20%时,给水量就能满足生产用水的需要,这里的20%就是给定值。在自动控制时,我们会制定某种控制方案,使阀门在20%开度附近波动,如果实际开度大了,系统就命令阀门关小一些,相反,如果实际开度小了,就命令阀门开大一些。由于工艺过程的变化,导致很多时候这个给定值是没有具体值的,这就需要控制方案来计算出给定值,因此它也不一定就是个定值。给定值通常与测量值做比较,看看偏差有多少,如果偏差在我们允许范围,就不去管它,如果超出允许范围,就要命令阀门去动作以消除偏差或者说使偏差回到允许范围内。

4、反馈 (feedback) 

通过测量装置将系统或元件的输出量反送到输入端,这个量就称为反馈。反馈的概念是最重要的,可以说自动控制的精髓就是反馈。怎么样理解呢?比如我们回家之后,进屋先开灯,之后干什么呢?有人说找个水果吃,在控制系统中,这样做的结果就很可能吃到的不是水果,而是碰了一鼻子灰。为什么呢,因为我们省略了一个重要的步骤,看看灯有没有亮!对于我们习以为常的东西,我们几乎不去考虑这样细微的问题(也许是人大脑的处理速度比计算机还要快),因为只要有电,我们的灯就是会亮的,谁也不会每天都重复这样愚笨的行为,打开灯,抬头看看亮没亮。请记住,计算机是最笨的,它仅仅是算得比较快,它的所有行为都是人教的,因此必须要教他检查一下开灯的结果,也就是灯亮了没有,依据这个结果我们再进行以后的动作。所以,灯亮了还是没亮这个开灯的结果就是反馈,如果计算机没有对此做出判断,就不能执行正确的动作,或者进入异常处理。

按反馈的信号极性分类,反馈可分为正反馈和负反馈。若反馈信号与输入信号极性相同或同相,则两种信号混合的结果将使放大器的净输入信号大于输出信号,这种反馈叫正反馈(positive feedback)。正反馈主要用于信号产生电路。反之,反馈信号与输入信号极性相反或变化方向相反(反相),则叠加的结果将使净输入信号减弱,这种反馈叫负反馈(negative feed-back)。自动调节系统通常采用负反馈技术以稳定系统的工作状态。

5、开环控制系统(open-loop control system) 
开环控制系统是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller) 的输出没有影响。在这种控制系统中,不依赖将被控量返送回来以形成任何闭环回路。有点绕嘴,可以简单理解为,只管做事,不看结果的处理方式。

6、闭环控制系统(closed-loop control system) 
闭环控制系统的特点是,系统被控对象的输出(被控量)会返送回来影响控制器的输出,形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈,若反馈信号与系统给定值信号相反,则称为负反馈;若极性相同,则称为正反馈。一般闭环控制系统(见图2-1)均采用负反馈,又称负反馈控制系统。
闭环控制系统的例子很多。上面讲的开灯的例子就是个闭环控制系统,如果没有眼睛,无法判断灯是否被打开,就没有了反馈回路,也就成了一个开环控制系统,这样就能一下子理解了两个概念。

7、过程控制系统(process control systems)
过程控制系统主要由控制器与被控对象组成、能够实现过程控制任务的系统。包括用于数据传输的网络结构、网络设备、用于测量的一次仪表及执行机构等。系统中的灵魂是控制方案,如人的思想一样,对于可能出现的问题做好处理程序,这样的控制系统才能称为自动的,至是智能的。当前一些产品只要加了单片机之类的控制芯片,就自称为智能设备,其实仅仅是拥有了一个简单的大脑,却没有教会它处理问题的思想。可见,面向行业应用的成熟控制方案才是自动控制系统的关键,因此在工作中我们就要着重了解工艺方法,最终形成自己的解决方案,这个问题我们将在后面的章节专门论述。

为了更好地制定控制方案,我们需要了解一下被控对象的一般特性:对于大多数生产过程对象,在系统开环控制下,控制信号U发生阶跃变化时,被控量会出现如图1(a)、图1(b)两种情况。一种情况是被控对象在受到阶跃扰动后经历了一个非周期过程,最后被控量达到新的平衡,如图1(a);另一种情况是,这个扰动造成了更大的扰动,导致系统无法恢复平衡,最终造成更大的反应,这种是破坏性的,如图1(b)。
被控对象的一般特征(1)
图1   被控对象的一般特征(1

下面以一个简单的水箱为例来说明。
图2中水箱的截面积A,流入水箱的水量为Q1,由流入侧控制阀1控制;流出量为Q2;控制阀2控制;水箱水位为h。设t0时刻前,水箱系统处于平衡状态,此时流入量Q1=Q2,水位稳定在h不变,流入侧控制阀1开度为U10。在t0时刻,控制阀1突然增加了开度,发生了阶跃△U,流入侧阀门1的开大使流入量阶跃增加如△Q1,此时流入水箱中的流量为Q1+△Q1,流出侧的阀门2开度不动。这样水箱的水位在t0时刻的不平衡流量△Q1的作用下开始上升,其上升速度与△Q1成正比。水位的上升使水箱液面对控制阀2的压力增加,导致流速增大,流出量Q2增加,设△Q2,而且随着水位的上升,△Q2越来越大,当水位上升到某个高度以后,经过控制阀2的流量的增加抵消了新增水位的压力差,水位将维持在新的高度不变,达到新的平衡。由阶跃响应曲线看出,水箱水位在受到流入侧的流入量的阶跃扰动后,开始上升速度较大,随后速度越来越小,最后变化速度为零。从这个特性来分析,单容水箱具有惯性,从受扰动后无需外部干预,水位依然能恢复到新的稳态值,因此称该对象具有自平衡能力。假设我们在开大阀门1的同时也开大阀门2,也就是说使输入的增量△Q1等于输出的增量△Q2,那么水位将维持在h不动,这就是利用输出阀门的增量来抵消了输入阀门的阶跃,当然了,输出的增量应该是足够快的,否则h也会产生一个波动。被控对象的一般特征(2)
图2  被控对象的一般特征(2
 
通过对以上过程控制基本概念的介绍及应用举例,大家可以看出来,根据被控对象的动态特性,制订出一个合适的规则,来完成自动控制的过程就是过程控制。

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