任务2 冶金工业控制工艺设计分析

由于冶金工业生产过程的多样性和复杂性，有些过程采用简单的控制系统，往往不能满足要求，因此必须根据其特点，组成复杂的控制系统。在冶金工业生产过程控制工程设计中，应用到的复杂系统有前馈-反馈控制系统、比值控制系统、串级控制系统、自动选择性控制系统、非线性的连续控制系统、采样控制系统、最佳（也称最优）控制系统等，其中以前面三种控制系统用得较多。

1.2.1 冶金工业前馈-反馈控制系统设计

常见的单回路控制系统多属于反馈控制。反馈控制的特点是：必须在被控量出现偏差后，控制器才对操作量进行调整，以补偿扰动对被控量的影响。如果扰动已经发生，而被控量还未变化，或者说尚未出现偏差时，控制器是不会发出控制信号的，所以这种控制作用总是落后于干扰动作用，是“不及时”的控制。由于冶金过程多少具有滞后的特性，这种“不及时”的控制往往要使被控量经历一段较长的时间，才能回复至给定数值，而且波动的幅度也较大，在温度及成分的控制过程中，这种情况较多。因此对于一些滞后较大，或扰动较大、较频繁的过程，采用反馈控制往往不能满足生产要求。

（1）设计前馈控制：是按照扰动作用的大小进行控制的。当某一扰动出现后，控制器就对操作量进行调整，补偿扰动对被控量的影响。虽然被控量尚未显出变化，但控制器已经进行控制作用，故这样的系统称为前馈控制系统。由于这种控制是直接对扰动进行动态补偿的，因此有时也称为扰动补偿，前馈系统又称为具有扰动补偿的系统，这种扰动补偿的前馈控制作用如果加得适当，可以大大改善控制品质。但是，由于影响过程的扰动因素很多，很难做到对每个扰动都进行补偿，故在前馈控制回路不能完全补偿扰动影响时，还需采用反馈控制，这就是为什么单独的前馈控制系统较少、而实际多是采用前馈-反馈控制系统的主要原因。

（2）设计前馈-反馈控制系统：应首先对过程的各种扰动进行具体分析，选择其中最主要的扰动进行前馈控制。这些扰动应是可以检测的，而且是反馈控制所不易克服的，然后把前馈控制系统与克服其他扰动影响的反馈控制系统组合起来，构成前馈-反馈控制系统。因此，在前馈-反馈控制系统中，至少有一个前馈回路与一个反馈回路。前馈控制回路有开环与闭环两类，多数采用开环。前馈控制所使用的控制器不同于反馈控制中所用的控制动作，它的控制动作必须根据过程的特点来制定，一般要采用特定控制动作的前馈控制器（或称前馈调节器）。

（3）图1-3所示是具有开环前馈控制回路的前馈-反馈控制系统的设计实例，其中燃烧重油的炉子是被控过程，为保证运行安全和燃烧效率，要求能维持炉膛负压一定。负压受燃料量变化影响最大，同时也和烟囱、炉门等流出的烟气流量等因素有关。这里炉膛负压是被控量，燃料量为操作量，但它又是影响最大的扰动。因此除将燃料量作为控制炉膛负压的反馈回路的操作量（实际上是燃料的回流量）之外，还取燃料总流量作为前馈信号，构成一个前馈回路。当燃料总量发生变化时，前馈回路就产生一个补偿性的操作量，直接对这一扰动进行动态补偿。当前馈回路不能完全补偿时，由反馈回路再加以调整，因此可使炉膛负压稳定在给定数值。所谓闭环的前馈控制回路，就是把作为前馈信号的扰动量也用一个闭环系统来控制。例如，对图1-3所示的系统，可先用一套单回路系统控制燃料的总流量，然后再采用一套根据炉膛负压来控制燃料回流量的反馈控制系统。

前馈控制适于用来控制滞后较大或时间常数较小以及非线性的控制过程。

1.2.2 冶金工业炉燃料燃烧比值控制系统设计

在生产过程中，常要求自动控制两种物料流量成一定比例，例如冶金炉燃料燃烧过程，就需要自动控制煤气流量与空气流量成一定比例混合进入炉膛，才能保证合理燃烧。这种把两个量自动保持一定比例的控制系统称为比值控制系统。图1-4就是这种控制系统的实例示意图。其中炉膛温度由热电偶测出，通过变送器转换成控制器所需的温度信号，当炉膛温度高于或低于给定数值时，温度控制器即发出控制信号，要求改变煤气量。改变煤气量时，空气量也随之按一定比值变化，在此煤气量是主变量，空气量是从变量。对空气量而言，煤气量的变化就相当于空气量的给定值变了，空气量自然就要随之改变。因此比值控制系统可看成是独立的单回路控制系统的组合，为了保证质量，所用控制器必须是PI（或PID）控制动作才行。比值控制本质上也是一种前馈控制，因为它是根据扰动的变化大小来进行控制的，但与前馈控制又有差别。因为比值控制只考虑主变量与从变量在静态时的比值关系，而没有考虑两者在动态时的比值关系，所以比值控制对扰动只有静态的补偿效果，没有动态的补偿作用，而前馈控制则对扰动能够实现静态和动态的补偿，因此比值控制与前馈控制对被控量的控制效果存在差异。

比值控制虽然没有动态的补偿作用，但较前馈控制简单且较易实现。在某些情况下，例如主变量不是经常变化的，或主变量变化时所引起的被控量波动的幅度不大等，均可考虑采用比值控制，在冶金工业中燃料燃烧过程采用比值控制较多。

1.2.3 冶金工业沸腾焙烧炉串级控制系统设计

对于一些惯性较大或纯滞后也较大的过程，采用单回路的自动控制系统往往不能满足生产过程对控制的要求，这时可考虑采用另一种比较复杂的串级控制系统。例如沸腾焙烧炉的汽水分离器水位控制就可采用液面-流量串级控制系统，如图1-5所示。这个系统的任务是保持汽包水位一定，这一目的通过给水量的调整来达到。本来汽包水位可采用单回路的简单控制系统（即在图1-5中由汽包、水位变送器、水位控制器及控制阀组成的主回路控制系统），但当给水压力或流量发生变化时，必须等到水位变化后才能进行调整，而在供水量波动较大且频繁时，就会影响水位的控制质量。若增加一个给水流量控制的副回路（由管段、流量变送器、流量控制器及控制阀组成副回路），不但可使控制过程的过渡时间缩短，更可使水位的波动减小，因为当给水流量一有变化时，还没有对水位产生影响，副回路就已起作用，从而减少了水位的波动，同时如果水位波动，主控制回路也会起作用，使水位回复至给定数值。可见副回路起了超前“粗调”的作用，而主回路则进一步完成“细调”任务，使系统的控制质量大大提高。

从图1-5所示的控制系统可以看出，所谓串级系统，是在同一过程中组成两个控制回路，这两个控制回路通过两个控制器互相串接起来并互相影响。其中，主回路将主控量（在此是水位）与工艺要求的给定值进行比较，其偏差即作为主控制器的输入，主控制器的输出作为副控制器的给定值，而副回路则将某些主要扰动（在此为给水压力或流量的变化），在进入主控过程（在此为汽包）之前，就预先加以克服。对副回路克服不了的扰动，则继续由主回路中的主控制器自动校正副控制器的给定值；通过副控制器的作用，进一步调整操作量，使主控量回复至给定值。在串级系统中，主回路的主控量与副回路的副控量可以是不同的物理量（例如水位与流量是两种物理量），也可是相同的物理量（自然不是同一个），要根据过程的特点来决定。但主控量与副控量应有一定的关系，并且互相影响。采用串级控制最主要的问题是要选择好副回路。由于串级控制系统的副回路具有减小系统时间常数（即改善系统动态特性）并能超前克服进入回路中的各种扰动等作用，因此常用来改善或提高主控量动态特性和控制精度，在纯滞后较大的过程，以及具有强扰动或者扰动变化剧烈的过程中，应用串级系统的情况较多。

1.2.4 冶金工业的其他控制设计

1.非线性连续控制

这是在连续的生产过程中使用非线性控制器。以前介绍的控制器都是连续的、线性的控制器，其控制动作具有比例、积分、微分三种基本形式。随着生产的不断发展，工艺过程对自动化也相应地提出新的要求，这种线性连续作用的控制器有时不能满足生产的需要，于是出现了一些新的控制动作，非线性控制器就是其中之一。例如，在比例控制动作中可有一段不起比例作用的区域，这就是一种非线性的控制动作，有的过程恰好需要这种动作。由于过程是连续的，而使用的是非线性控制器（或使用某些装置进行非线性转换），这样的控制系统就是非线性连续控制系统。

2.选择性控制

为了解决安全保护和自动开/停车这两方面的问题，目前已采用选择性控制或称超驰控制。这种控制方式的特点是：将生产过程的限制条件所构成的逻辑关系叠加到通常的自动控制系统中。当生产操作趋向限制条件时，一个用于不安全情况的控制器将取代正常情况下工作的控制器，直到生产操作回到安全的范围内，这时正常情况下工作的控制器又恢复工作。这种自动选择性控制有时又称为自动保护控制系统。

3.采样控制

采样控制就是进行断续控制或周期性控制。因为有些生产过程的非线性特别严重，应用周期采样控制可以获得比连续控制更好的效果。例如，在湿法冶金中，控制中和点的pH值就是这种情况，因为达到中和点附近，操作量的少量变化对pH值的影响非常灵敏，采用一般的连续控制方法不能得到好的质量。又例如过程的纯滞后较大，连续控制也不易得到好的效果，采用断续控制，只要间歇时间选择适当，就可得到好的控制效果。利用数字计算机代替常规控制器，对不同参数进行控制，也是一种采样控制方式。

4.最佳控制（也称为最优控制）

最佳控制就是控制整个生产过程在最佳操作条件下进行，使生产能够达到所期望的最好目标。而生产所要求的目标往往不是一个，如要求产量高、质量好、原料消耗低等。对于这种综合性的目标，在生产中能产生影响的因素不是一两个，而是许多个。这时的最佳工艺条件就是这许多个因素在某种状况下的组合，实现生产过程的最佳控制，就必须找出这个最佳工艺条件，然后去控制生产过程中若干个可控量，使生产过程能保持在最佳的状态。寻找最佳工艺条件是实现生产过程最佳控制的基本问题，对于一些较为简单的过程，即工艺条件较少且变化不多的过程，最佳工艺条件可由操作人员掌握，使用常规控制仪表即可解决。但对于一些比较复杂的生产过程，或者操作人员不易做出正确判断或及时判断的生产过程，就需要使用一些仪器设备，包括数字计算机在内，组成最佳控制系统，根据生产过程中的不同情况，自动寻找最佳工艺条件，自动调整各种控制仪器的给定值，使生产过程在最佳状态下进行。