单回路控制系统与过程控制概念解析

过程控制指的是以过程控制系统为主体，以控制理论为基础，并且把过程工艺分析、自动化仪表和计算机相关知识结合起来构成的一门综合性工程学科。而热工系统过程控制主要是指对锅炉、汽机及其辅助设备运行的自动控制，是过程控制在热工系统上的应用，目的是使机组自动适应工况的变化，且保持在安全、经济的条件下运行。

过程控制的对象为具体的生产设备或某个生产过程，目标是使生产过程的某个重要参数满足生产需求，或者是稳定在一个固定值上，或者是按照某个特定规律改变，或者是按照程序改变。针对这三者的不同，对应的控制系统分别称为定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。在过程控制中，这个参数称为被调量，调节被调量的量则称为调节量。除调节量以外，能够对被调量产生影响的量称为扰动量，按照扰动量所处的位置又分为外扰和内扰两种。

过程控制系统通常由调节器、执行器和测量单元组成。以控制理论为基础构成的控制算法对应的设备就是调节器，调节器通过测量单元获取生产过程的参数，通过控制算法的计算生成对应的调节量，之后通过执行器来达到调节目的。按照调节器的多少，过程控制系统又可以分为单回路控制系统、串级控制系统、前馈控制系统和解耦控制系统等，分别针对不同控制对象来进行设计。

单回路控制系统是所有控制系统中的基础，主要针对的是单输入-单输出的线性控制系统。这类控制系统在实际的过程控制系统中占绝大多数。常见的单回路控制系统的结构如图4-1所示。

图4-1　单回路控制系统(www.xing528.com)

对于控制系统来说，控制性能主要体现在稳定性、快速性和准确性上。其中稳定值为首要控制性能。稳定性指的是当系统受到扰动时，被调量偏离设定值后，控制性能能够将被调量回复或趋近于一个设定值的能力，而恢复稳定的速度或这个过程耗费的时间代表的是快速性，从发生波动到达到最终稳定值这个过程中被调量的动态值和最终的稳态值与控制系统设定值之间的偏差代表的是控制系统的准确性。对于一个控制系统来说，这三个性能中稳定性是必须要满足的，而快速性和准确性间通常具有一定的矛盾，难以兼顾。因此控制系统通常难以实现最优，即同时达到最快和最准。在实际的控制系统设计上，通常需要考虑实际需求，对这两个性能进行权衡，满足一个综合性指标。表征快速性的控制指标通常是调节时间，表征准确性的指标通常是稳态误差、超调量和衰减比。

过程控制系统的设计必须要了解控制对象的特性，通常采用建立控制对象的数学模型的方法，所建立的模型分时域和频域两种，目前最常见的方式为传递函数。传递函数是复数频域的一种建模方法，通过拉普拉斯算子将时域的微分、积分运算转换为代数形式，简化了计算，方便了过程控制设计师的设计工作。

按照输入、输出关系，控制对象可以分为自平衡对象和非自平衡对象两种。控制对象的输出量体现为输入量的衰减性，在输入量发生改变后，系统输出量会最终达到新的平衡状态的称为自平衡对象；控制对象的输出量体现为输入量的非衰减性，在输入量发生改变后，系统输出量不能达到新的平衡状态的称为非自平衡对象。目前过程控制中常见的对象为自平衡对象。

控制系统中的调节器是控制系统的核心所在，是控制算法的具体表现形式。目前过程控制上常用的控制算法为PID 控制算法或基于PID 的改进算法。目前过程控制中，多数使用集散控制系统（DCS），在该系统中，PID 控制通常需要进行离散化，即使用离散PID 控制算法。而一些先进的控制算法，比如模糊控制和专家系统、预测控制，也有在过程控制上使用的案例。

不管哪种控制器，都需要针对实际的控制对象对控制器的参数进行确定，这个控制器参数确定的过程称为控制器的整定。PID控制器通常使用的整定方法有理论计算法和工程整定法两种。