化工過程控制
正文
又稱過程控制，是化工生產過程自動控制的簡稱。在50年代，曾採用化工自動化一詞來概括化工生產過程的檢測和控制兩方面的內容，近年來傾向於將檢測與控制分為兩個概念。化工過程控制主要是研討控制理論在化工生產過程中的套用，包括各種自動化系統的分析、設計和現場的實施、運行，而不包括純理論的研究和儀表的設計、製造。需要著重指出的是，這裡所述的化工過程屬於學科性的廣義化學工藝，而不是行政或部門的概念。所以，化工過程存在於化學工業、石油煉製工業、輕工、熱電、食品、漂染、冶煉等許多工業部門。沿革 化工過程控制是一門較新學科，在40年代以前，雖然生產過程中已採用自動化裝置，但其設計和運行都是根據經驗進行的，沒有系統的理論指導。直至40年代中期，才開始把在電工中已較成熟的經典控制理論，初步套用到工業控制中來。50年代早期，在生產上出現高度集中控制的自動化裝置。到60年代，高等院校化工系有較完整的教材，出現了控制系統的分析、設計和複雜的新型控制方案的文獻資料，以及以計算機為控制工具，利用現代控制理論，進行多變數最佳化性質的設計的研究論文和學術報告。但是，由於當時計算機的投資大，可靠性差，沒有在生產上發揮計算機控制的作用。直到70年代後期，微型計算機問世，在經濟性和可靠性方面都有很大進展，在生產上發揮巨大的作用。同時，計算機善長於邏輯判斷、程式時序性的工作，因此除控制外，信號報警、生產調度、安全管理、自動開停等都可納入電腦程式。
控制的特點 化工過程控制與一般化工方法最大的區別是動態和反饋。
動態 在過程控制中把各種工藝衡算所依據的平衡狀態稱穩態。但是，實際生產總是在穩態附近波動而變化的。當生產達到穩態時，一個干擾出現後，被控制的變數就會偏離穩態，然後在控制作用下又逐步回至穩態，這個偏離了穩態又回復到穩態的過程稱動態過程。在很多情況下，回復過程是振盪式的，可以回到原來起始的穩態，也可以回到另一個新的穩態。多數控制系統的質量指標都是直接從這一動態過程曲線出發而制定的。很多工藝設備的設計也是按可能出現的最大偏離的動態條件進行，而不能都按穩態計算進行。生產中出現的控制措施不力、操作裕度有限等，往往是由於設計依據不當所造成的。
反饋 自動控制的成功和發展關鍵在於信息的反饋。在一個控制系統中，當控制器採取控制措施後，如果能夠把控制效果的信息送回到控制器進行比較，以決定下一步如何進行校正。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迴路。有反饋迴路的稱閉環控制系統；否則稱開環控制系統。採用反饋是提高控制質量的關鍵措施，改變反饋的大小、形式或規律，對控制質量有不同的影響，甚至可以將不可控的非穩定系統改進為控制質量頗佳的穩定系統。所以稱反饋是控制系統的心臟。
控制理論 過程控制理論有經典控制理論和現代控制理論兩種。經典控制理論是以線性常係數微分方程描述系統為出發點而發展起來的。一般以獲得振盪的動態過程為原則,並規定動態過程的一些特徵為質量指標:如動態過程中超過新穩態值的量為超調量；偏離原穩態值的最大偏離量為最大偏差；連續兩次偏差峰值之比為衰減比；偏差衰減到最大量的95％所需的時間為過渡時間；若振盪後達到的穩態值與開始時的不相同，兩個穩態值的差就稱余差。由於這些指標不能直接表達為描述系統微分方程的組成部分，這一理論不能按數學方法直接設計理想的控制系統，需要一個湊試過程。但是，這種方法可以較嚴格地分析系統的控制質量。從線性常係數微分方程式的性質出發，得到兩種分析方法：即根軌跡法和頻率法。前者是按特徵根隨控制強度變化的軌跡進行評價的方法；後者套用輸入為正弦波時，穩定後輸出也是同頻正弦波的性質，用輸入和輸出幅值比及相位差來評價動態品質。這種輸入和輸出幅值比和相位差隨頻率變化的規律稱頻率特性，一般用頻率特性與質量指標的關係分析系統。因為一個微分方程只有一個因變數，故經典控制理論僅限於處理單變數的控制系統。
在60年代興起的現代控制理論，採用能表征微分方程組的矩陣方程式描述系統，並用函式的形式表達各種新的控制指標，因而可以通過嚴格的運算進行系統的分析和設計。若使系統設計得滿足一個控制指標的極值(極大或極小)時,就得到所謂的最優控制。由於現代控制理論克服和補充了經典控制理論中的很多缺陷，並能用於多變數系統，故在化工過程控制中得到了很好的套用。
套用 在工藝成熟的生產過程中，化工過程控制是提高產量和質量、節約原料和能源、改善勞動強度和節省勞力等方面有力的手段。中國近年來在控制規律、控制方案、實施技術以及大規模的集中控制方面，從借用、開發、到創新都做了不少工作，有一定數量的成功典型，經濟效益也比較顯著。近年來，還開始運用數學模型方法，探討和推廣現代控制理論在化工過程控制中的套用，已有一些創見性的成果。結合微型計算機的推廣套用，不少項目開展了計算機控制和調度管理的研究，有些已經取得了成功，使生產的技術水平和經濟效益都有較大的提高（見彩圖）。
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