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化工过程控制

chemical process control

又称过程控制，是化工生产过程自动控制的简称。在50年代，曾采用化工自动化一词来概括化工生产过程的检测和控制两方面的内容，近年来倾向于将检测与控制分为两个概念。化工过程控制主要是研讨控制理论在化工生产过程中的应用，包括各种自动化系统的分析、设计和现场的实施、运行，而不包括纯理论的研究和仪表的设计、制造。需要着重指出的是，这里所述的化工过程属于学科性的广义化学工艺，而不是行政或部门的概念。所以，化工过程存在于化学工业、石油炼制工业、轻工、热电、食品、漂染、冶炼等许多工业部门。

沿革 化工过程控制是一门较新学科，在40年代以前，虽然生产过程中已采用自动化装置，但其设计和运行都是根据经验进行的，没有系统的理论指导。直至40年代中期，才开始把在电工中已较成熟的经典控制理论，初步应用到工业控制中来。50年代早期，在生产上出现高度集中控制的自动化装置。到60年代，高等院校化工系有较完整的教材，出现了控制系统的分析、设计和复杂的新型控制方案的文献资料，以及以计算机为控制工具，利用现代控制理论，进行多变量优化性质的设计的研究论文和学术报告。但是，由于当时计算机的投资大，可靠性差，没有在生产上发挥计算机控制的作用。直到70年代后期，微型计算机问世，在经济性和可靠性方面都有很大进展，在生产上发挥巨大的作用。同时，计算机善长于逻辑判断、程序时序性的工作，因此除控制外，信号报警、生产调度、安全管理、自动开停等都可纳入计算机程序。

控制的特点 化工过程控制与一般化工方法最大的区别是动态和反馈。

动态 在过程控制中把各种工艺衡算所依据的平衡状态称稳态。但是，实际生产总是在稳态附近波动而变化的。当生产达到稳态时，一个干扰出现后，被控制的变量就会偏离稳态，然后在控制作用下又逐步回至稳态，这个偏离了稳态又回复到稳态的过程称动态过程。在很多情况下，回复过程是振荡式的，可以回到原来起始的稳态，也可以回到另一个新的稳态。多数控制系统的质量指标都是直接从这一动态过程曲线出发而制定的。很多工艺设备的设计也是按可能出现的最大偏离的动态条件进行，而不能都按稳态计算进行。生产中出现的控制措施不力、操作裕度有限等，往往是由于设计依据不当所造成的。

反馈 自动控制的成功和发展关键在于信息的反馈。在一个控制系统中，当控制器采取控制措施后，如果能够把控制效果的信息送回到控制器进行比较，以决定下一步如何进行校正。这种将控制效果信息送回到控制器的概念称反馈;这种信息通路称反馈回路。有反馈回路的称闭环控制系统;否则称开环控制系统。采用反馈是提高控制质量的关键措施，改变反馈的大小、形式或规律，对控制质量有不同的影响，甚至可以将不可控的非稳定系统改进为控制质量颇佳的稳定系统。所以称反馈是控制系统的心脏。

控制理论 过程控制理论有经典控制理论和现代控制理论两种。经典控制理论是以线性常系数微分方程描述系统为出发点而发展起来的。一般以获得振荡的动态过程为原则,并规定动态过程的一些特征为质量指标:如动态过程中超过新稳态值的量为超调量;偏离原稳态值的最大偏离量为最大偏差;连续两次偏差峰值之比为衰减比;偏差衰减到最大量的95%所需的时间为过渡时间;若振荡后达到的稳态值与开始时的不相同，两个稳态值的差就称余差。由于这些指标不能直接表达为描述系统微分方程的组成部分，这一理论不能按数学方法直接设计理想的控制系统，需要一个凑试过程。但是，这种方法可以较严格地分析系统的控制质量。从线性常系数微分方程式的性质出发，得到两种分析方法：即根轨迹法和频率法。前者是按特征根随控制强度变化的轨迹进行评价的方法;后者应用输入为正弦波时，稳定后输出也是同频正弦波的性质，用输入和输出幅值比及相位差来评价动态品质。这种输入和输出幅值比和相位差随频率变化的规律称频率特性，一般用频率特性与质量指标的关系分析系统。因为一个微分方程只有一个因变量，故经典控制理论仅限于处理单变量的控制系统。

在60年代兴起的现代控制理论，采用能表征微分方程组的矩阵方程式描述系统，并用函数的形式表达各种新的控制指标，因而可以通过严格的运算进行系统的分析和设计

若使系统设计得满足一个控制指标的极值(极大或极小)时,就得到所谓的最优控制。由于现代控制理论克服和补充了经典控制理论中的很多缺陷，并能用于多变量系统，故在化工过程控制中得到了很好的应用。应用 在工艺成熟的生产过程中，化工过程控制是提高产量和质量、节约原料和能源、改善劳动强度和节省劳力等方面有力的手段。中国近年来在控制规律、控制方案、实施技术以及大规模的集中控制方面，从借用、开发、到创新都做了不少工作，有一定数量的成功典型，经济效益也比较显著。近年来，还开始运用数学模型方法，探讨和推广现代控制理论在化工过程控制中的应用，已有一些创见性的成果。结合微型计算机的推广应用，不少项目开展了计算机控制和调度管理的研究，有些已经取得了成功，使生产的技术水平和经济效益都有较大的提高(见彩图[天然气化工厂的变压吸附制氧试验装置]