工业生产过程自动控制

　　为了使一个工业生产过程或一个企业良好、高效地运行，都离不开对整个生产过程物料、能源、人力等的管理、组织和运作。要达到目的，必须对工业生产过程的信息、数据进行实时的检测和控制。因此，生产调度、安全稳定地生产与操作等，都离不开自动化技术。其中生产过程是由有关的生产过程工艺设备如容器、泵、机器、管道等组成。不同的产品由不同的生产设备来生产，一般工业生产过程的设备是不变的，但是，由于腐蚀、老化等原因，这些设备需进行定期检修或更换。常规控制层是由生产过程工艺参数的测量变送仪表、仪器、自动执行机构如控制阀、电磁阀、电动执行器以及显示、记录、控制器(有时称调节器)等组成。先进控制层是由计算机(或DCS)和有关软件及控制算法等组成，该层的功能是实现常规控制层无法做到的多变量控制。优化层是由计算机和有关优化软件及优化算法等组成，它的功能是为先进控制层提供优化给定值、优化控制轨迹或生产方案控制。

　　1常规控制
　　
　　所谓常规控制是指有采用经典的PID(比例十积分十微分)控制算法或其他简单的控制算法，如双位控制、比例控制以及比较复杂的前馈控制、串级控制、比值控制等，使工业生产过程的被控变量，如温度、液面、压力、流量等关系安全运行的重要参数，在遭受到外来扰动情况下，稳定地维持在预设的给定值上。这种控制系统最典型的是单回路(单个参数的控制)负反馈控制系统(或叫反馈控制回路)，如图1—1所示。如果外来的扰动是可以测量的，则可组成如图1—2所示的单回路的反馈加前馈控制系统，这种系统只要前馈补偿器设计合理，前馈补偿作用完全可以抵消扰动对生产过程被控变量的影响。

 　　工业生产过程稳定控制是工业生产过程控制的基础，是安全生产的前提。一个工业生产过程只有常规控制层设计合理，运行正常，才能进行优化操作与控制。

　　2先进控制
　　
　　虽然传统PID控制系统对于一般工业生产过程都能满足控制要求，再加上这种控制方式比较简单，也容易操作，所以受到工业界的欢迎。但是，随着工业生产过程规模的扩大和复杂性的增加，对安全参数和过程被控变量的波动范围要求越来越严格，特别是对于那些危险性大、规模大、自动化程度高的工业生产过程，简单的PID控制系统已远远不能适应了。具体表现在单回路PID控制系统对于复杂的工业生产过程，其被控变量波动较大，难以实现边界控制。另一方面，对于多变量的工业生产过程，这种简单的控制方法不能实现多变量控制。
　　
　　自20世纪60年代发展起来的现代控制，在航空航天领域，取得了较好的应用以后，人们一起寻求各种现代控制算法，企图能在复杂的工业生产过程控制中应用，特别是在具有代表性的流体工业系统。经过30多年的努力，首先是基于模型的预测控制方式，于20世纪80年代在复杂的工业生产过程取得成功应用以后，从而形成了先进控制在工业生产过程中应用的新时代。尤其是大型化工、石油化工、钢铁、电站等生产运行过程的应用。成为改变和提升装置安全生产水平的根本性措施。
　　
　　先进控制(Advanced　Process　Control——APC)是对那些不同于常规单回路PID控制，并具有比常规PID控制更好控制效果的控制策略的统称，而非专指某种计算机控制算法。由于先进控制的内涵丰富，同时带有较好的时代特征，即用来处理那些采用常规控制无法控制的复杂工业过程。
　　
　　先进控制与常规(PID)控制的关系如图1—3所示。这种结构形成是在原来常规控制方案基础上，加上先进控制策略，这不仅容易实现，而且也方便操作和维护，从而保证先进控制系统安全可靠地运行。　

　　先进控制在复杂的关键工业生产过程中应用，在保证装置安全运行的同时，可获得很好的经济效益，其投资收益关系如图1—4所示。通过先进控制系统的控制，使得生产过程非常平稳，从而可以提高生产装置的处理能力和长久安全。另外，可以实现多变量协调控制和优化控制，可以提高工业生产过程整体与系统的安全生产水平。