第1章 概 述
化学工业是重要的能源和基础原材料工业，也是国民经济的重要支柱产业，与国民经济各领域和人民生活密切相关。此外，化学工业还肩负着为国防工业提供高技术材料和常规战略物质的重任。化工自动化是化工、炼油、食品、轻工、环境、生物和电力等生产过程自动化的简称。化工自动化是指在化工设备上配置一些自动化装置，代替或部分代替操作人员的直接劳动，使得生产在不同程度上自动地进行。化工生产过程自动化的程度直接影响到化工产品成本、数量和质量；同时为减轻劳动强度、改善劳动条件、保证生产安全以及改变劳动方式提供基础。因此实现化工自动化及提高其自动化程度具有重要意义。
1.1自动控制系统组成
如果一个系统由人来操作机器，例如：开汽车，那么称为人工控制。如果一个系统在没人参与的情况下，利用控制装置使生产设备或生产过程自动地按预先设定规律运行，例如：采用恒温器控制室内温度，则称为自动控制。
基于偏差的反馈控制方式，是自动控制系统中最常见的。为了便于理解，以人工液位控制（图1-1a））和自动液位控制（图1-1b））为例，对比介绍一个简单反馈控制系统的组成。
人工液位控制：操作人员用眼睛监视液位h的情况，反映至大脑作判断，若液位h高于给定值h0，则人手关小阀门R1，Q1减小，使h回到给定值h0；反之，若h低于给定值h0，则人手开大阀门R1，Q1增大，保证h回到给定值h0附近。可见，采用人工控制存在反应缓慢，液位波动较大的缺点。为此，用图1-1b)所示的液位自动控制系统代替人工控制。
图1-1 人工控制和自动控制
a）人工液位控制 b）液位自动控制 1-贮液槽 2-液位变送器 3-液位控制器 4-调节阀
自动液位控制：如图1-1b)所示，用液位变送器LT测量液位h，将h变换成电信号，传输到液位控制器LC与给定信号h0比较，若h与h0有偏差，经液位控制器进行适当的运算后，输出信号控制阀门4作适当的变化，使流量Q1作适当的变化，从而保证液位h回到给定值h0附近。
将自动控制与人工控制对比可看出：用液位变送器代替人的眼睛监视液位的变化；用液位控制器代替人的大脑，将液位h与给定值h0进行比较和运算；用控制器输出信号代替人的手脚，控制阀门的开度，改变流量Q1，使h回到h0附近。
图1-1b)的液位控制系统可画出组成框图，如图1-2所示。
控制器调节阀贮液槽测量变送单元
图1-2液位控制系统组成框图
图1-2中，
y(t)为被控变量，控制系统中控制作用就是要克服外部扰动f(t)对被控变量y(t)的影
响，保证其尽快回到给定值，例如贮液罐的液位h0。
q(t)称为操纵变量，操纵变量q(t)的作用是使被控变量稳定于给定值附近，例如液体
的流量Q1。
f(t)称为扰动，作用于被控对象且使被控变量y(t)变化，扰动作用f(t)企图使被控变
量y(t)偏离给定值x(t)，例如贮液槽液体流出量Q2增加，而使液位h减少。
被控对象指从被控变量检测点至调节阀之间的管道或设备，例如贮液罐。
简单反馈控制过程为:测量变送单元将被控变量检测出来并变换成便于远传的统一信号
z(t)；z(t)与给定的信号x(t)比较得偏差e(t)?z(t)?x(t)；e(t)经控制器运算后输出控
制作用u(t)；u(t)控制调节阀的开度，改变液体的流量q(t)，从而使被控参数y(t)回到给定值x(t)附近。
必须指出：两个方框之间的一条带箭头的连线表示其信号相互的关系及传递方向，并不表示方框之间的物料联系。
可见，一个简单反馈控制系统由测量变送单元、控制器（调节器）、执行机构（例如：调节阀等）和被控过程（被控对象）组成，如图1-2所示。若将检测变送单元、控制器（调节器）、执行机构（例如：调节阀等）看作测量控制仪表，则一个简单反馈控制系统由被控对象和测量控制仪表两部分组成。
1.2自动控制系统的分类
自动控制系统的分类方法很多，例如：按被控量分类：有温度、压力、流量、液位等控制系统；按是否有被控变量到输入的反馈分为：闭环（有反馈）、开环（无反馈）控制系统；.按系统结构特点分类：反馈、前馈、前馈-反馈控制系统；按给定信号分类：定值、随动、程序控制系统等。
下面按系统结构特点和给定信号的特点分类进行讨论。
1.2. 1 按系统的结构特点分类
1．反馈控制系统
反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的，最终达到消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。它是最常用、最基本的一种过程控制系统。由于该系统由被控量的反馈构成一个闭合回路，故又称为闭环控制系统，如图1-2所示。反馈信号也可能有多个，构成两个以上的闭环回路，称为多回路反馈控制系统如图1-3所示。
扰动f2(t)??主控制器??副主控制器执行器副对象副变量扰动f1(t)主变量主对象副测量、变送主测量、变送
图 1-3 多回路反馈控制系统
2．前馈控制系统
前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据。由于没有被控量的反馈，所以是一种开环控制系统，其组成框图如图1-4所示。前馈控制是根据扰动量设计的提前控制，所以控制快速，但是无法检查控制效果和不能抑制未知扰动。
图 1-4 前馈控制系统
3．前馈-反馈控制系统
前馈-反馈控制系统综合前馈控制系统和反馈控制系统的特点。利用前馈控制迅速克服可测扰动，同时利用反馈控制克服其他未知扰动，使被控量稳定在给定值上以提高控制系统的控制质量，其组成框图如图1-5所示。
1.2.2 按给定信号的特点分类
1．定值控制系统
被控量要求稳定在某一给定值上的控制，称为定值控制。例如，恒温控制。由于工业
生产过程中大多数工艺要求被控量稳定在某一给定值上，因此，定值控制系统是应用最多的