过程变量首先应根据其跨越过程边界的影响方向进行分类。 在化学工程单元操作中试装置中，变量分为输入变量和输出变量。输入变量进一步分为操纵变量或扰动变量，而输出变量则分为测量输出或未测量输出。
基本的分类原则是：操纵变量和扰动变量进入或影响过程；测量输出和未测量输出描述过程响应。 这种区分支持自由度分析、仪表选型以及反馈、前馈和多变量控制系统的设计。
按过程角色对变量进行分类
操纵变量
操纵变量 (MV) 是一种输入，操作员或控制器可以主动对其进行调整，以影响过程行为。
典型示例包括：
- 冷却水流量
- 蒸汽阀开度
- 加热介质流量
- 泵出口流量
- 反应物进料速率
- 换热器旁路流量
例如，在温度控制回路中，控制器可以操纵蒸汽流量，以将反应器或过程流体的温度维持在设定值。
扰动变量
扰动变量 (DV) 会影响过程，但控制系统不会为了实现即时控制目标而直接对其进行调整。
示例包括：
- 进料流量波动
- 进料温度变化
- 进料成分变化
- 环境温度变化
- 公用工程压力波动
- 上游操作条件的变化
扰动之所以重要，是因为它们解释了受控输出为何偏离目标。例如，搅拌釜加热器中的进料温度扰动可能会导致出口温度发生变化，即使加热阀的开度最初保持不变。
测量输出
测量输出 是通过仪表直接监测的过程结果。
常见示例包括：
- 通过热电偶测量的反应器温度
- 通过液位变送器测量的罐内液位
- 通过流量变送器测量的流量
- 通过压力变送器测量的压力
- 通过电化学分析仪测量的 pH 值
- 在电解质系统中测量的电导率
测量输出可用作反馈控制中的过程变量 (PV)。控制器将 PV 与所需的设定值 (SP) 进行比较，并据此调整 MV。
未测量输出
未测量输出 是一种重要但无法通过现有仪表直接观察到的过程响应。
示例包括：
- 反应器内的内部浓度
- 蒸馏装置中无法触及点的成分
- 容器内的局部温度
- 未安装在线分析仪时的产品质量
- 多级过程中的内部级成分
这些变量可以通过测量值和过程模型进行估算。此类估算通常被称为推断变量、软传感器或观测器输出。
区分输出变量与状态变量
状态变量描述内部状态
状态变量 是描述过程在特定时间状态所需的内部动态量。
对于多级分离过程，状态变量可能包括：
- 每一级的液体持液量
- 每一级的液体成分
- 每一级的蒸汽成分
- 容器内部库存量
状态变量是过程模型的一部分。它们并不自动等同于测量输出。
输出变量是选定的过程响应
输出变量 是为观察、控制或性能评估而选择的过程响应。
例如，蒸馏模型可能包含许多内部级持液量和成分作为状态变量，而选定的输出可能是：
- 馏出物成分
- 釜液成分
- 馏出物流量
- 塔压
有些输出可以直接测量，而另一些则可以推断。因此，中试装置的状态变量可能远多于可用的输出测量值。
区分的重要性
这种区分决定了控制系统是能够直接调节变量，还是必须对其进行估算。
如果产品浓度没有在线测量，控制器在没有分析仪或估算器的情况下就无法将其用作常规反馈 PV。设计人员可以转而控制相关的测量变量（如温度、压力、电导率或流量比），并利用模型来推断浓度。
利用分类设计控制回路
反馈控制
在反馈回路中，将测量输出与设定值进行比较。控制器改变操纵输入以减小误差。
典型的中试装置温度回路包括：
- 受控输出：过程流体温度
- 测量：热电偶或温度变送器
- 操纵输入：蒸汽或冷却水流量
- 执行器：公用工程控制阀
- 扰动：进料温度、进料流量和环境热损失
当输出能够可靠测量且操纵变量对其具有足够的控制权时，这种布置非常有效。
前馈控制
前馈控制在扰动产生显著的输出误差之前对测量到的扰动做出响应。
例如，可以利用测量到的进料流量和进料温度提前调整公用工程流量。前馈控制通常需要合理的过程模型和准确的扰动测量，因此通常与反馈校正结合使用。
多变量控制
中试装置中经常存在变量间的相互作用。改变一个操纵变量可能会影响多个输出。
增加蒸汽流量可能会提高温度、改变蒸汽产生量、改变压力并影响液位。对所有相关的 MV、DV、测量输出和未测量输出进行分类，有助于设计人员识别这些相互作用，并确定单独的 PID 回路是否足够，或者是否需要多变量控制。
根据分类匹配仪表
应根据需要观察和控制的输出选择仪表。
典型设备包括：
- 用于温度的热电偶或电阻温度检测器
- 用于液位或压力的差压变送器
- 用于进料和公用工程流的流量变送器
- 用于操纵流量的控制阀
- 用于电化学变量的 pH、电导率、氧化还原或溶解氧分析仪
- 用于成分或产品质量测量的光谱或物理性质分析仪
测量必须足够准确、灵敏、易于维护，并与过程条件兼容。
应用基本的中试装置配置规则
每个回路分配一个主要操纵变量
指定的过程目标应具有明确的操纵变量。在单元操作之间的过程流上安装多个相互竞争的控制阀会导致回路之间产生冲突。
控制策略应定义哪个回路对每个阀门拥有控制权，以及如何协调其他目标。
通过液位回路控制相界面
每当必须维持气-液或液-液界面时，通常需要液位控制器。
控制器操纵入口或出口流量，以保持库存稳定。这在容器、分离器、重沸器、冷凝器和其他相持液量影响安全和可预测操作的设备中尤为重要。
合理放置液位控制阀
对于典型的液位控制布置，控制阀通常放置在泵的出口管线上，而不是吸入管线上。
这可以保持合适的泵吸入条件，并允许阀门调节排出的液体流量，而不会不必要地损害泵的水力性能。
使用公用工程流量或旁路流量进行温度控制
温度通常通过调节加热或冷却公用工程的流量来控制。
另一种方法是使用换热器周围的旁路，允许控制器改变进行热交换的过程流体比例。
在进料端建立主物料平衡
主进料流量调节器或比例控制器通常建立中试装置的物料输入。
这为下游的液位、流量、成分和停留时间控制奠定了稳定的基础。如果进料未完全受控，仍应单独识别进料扰动。
理解权衡
测量变量改善反馈但增加成本
直接测量通常能为控制器提供关于实际过程响应的更好信息。
然而，分析仪可能昂贵、缓慢、难以校准或维护要求高。对于教育型中试装置，仪表必须通过其培训或研究价值来证明其成本的合理性。
未测量变量需要估算
估算浓度或内部成分可以减少对额外分析仪的需求。
局限性在于，推断出的输出取决于模型质量、传感器可靠性和过程假设。当误差后果严重时，不应将估算视为等同于直接测量。
过多的回路会导致交互问题
为每个可用测量值添加控制器并不能自动改善控制。
紧密耦合的回路可能会争夺同一个操纵变量或放大振荡。控制结构应反映过程因果关系、可用的执行器权限以及每个单元操作的动态响应。
分类不能替代自由度分析
将变量标记为操纵变量或扰动变量本身并不能确定装置是否可控。
设计人员仍必须将独立操纵变量的数量与所需的规格和约束进行比较。这可以确认所提出的控制目标是否能够同时实现。
教育可见性必须与工业现实相平衡
中试装置应使学生接触到有意义的 PV、SP 和 MV 关系、趋势和操作响应。
同时，过多的仪表可能会掩盖过程并增加维护要求。最好的设计是在不为每个可能的变量安装仪表的情况下，使关键的扰动和控制动作变得可见。
如何将其应用于您的中试装置
首先列出跨越过程边界或影响单元操作的每个变量，然后为每个变量分配一个控制角色。
- 如果您的主要重点是自由度分析： 将可调的操纵输入与独立的扰动分开，并且仅计算真正独立的变量。
- 如果您的主要重点是反馈控制： 识别可用作可靠 PV 的测量输出，并将每个输出与适当的操纵变量配对。
- 如果您的主要重点是产品质量： 将成分和浓度视为受控输出，然后确定它们是否需要直接分析仪或状态估算。
- 如果您的主要重点是扰动抑制： 测量重要的扰动（如进料流量、温度或成分），以便评估前馈作用。
- 如果您的主要重点是多变量行为： 在分配独立的 PID 回路之前，绘制每个操纵变量如何影响每个重要的测量和未测量输出。
- 如果您的主要重点是安全的中试装置操作： 优先考虑保护设备和维持库存稳定的液位、压力、温度和流量测量。
精心设计的分类将传感器和阀门的集合转化为一种其行为可以分析、教学和改进的控制结构。
总结表：
| 变量分类 | 在过程中的角色 | 典型示例 | 控制系统用途 |
|---|---|---|---|
| 操纵变量 (MV) | 用于影响过程行为的可调输入 | 蒸汽流量、冷却水流量、泵出口、进料速率 | 控制器输出和执行器选择 |
| 扰动变量 (DV) | 影响过程的非受控输入 | 进料温度、成分、流量变化、公用工程压力波动 | 反馈分析和前馈控制 |
| 测量输出 | 由仪表监测的过程响应 | 温度、液位、压力、流量、pH、电导率 | 反馈控制的过程变量 |
| 未测量输出 | 未直接监测的重要过程响应 | 内部浓度、级成分、产品质量 | 估算、软传感器或基于模型的控制 |
| 状态变量 | 描述过程状态的内部量 | 持液量、容器库存、内部成分 | 动态建模和观测器设计 |
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