化工過程控制作業(yè)人員培訓：簡單控制系統(tǒng)
本章考核要點
*掌握簡單控制回路的構(gòu)成、作用及投用方法
*熱悉選擇控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點
*熟悉均勻控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)特點及應(yīng)用
*掌握串級控制系統(tǒng)、分程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點及應(yīng)用
簡單控制系統(tǒng)指的是單輸入——單輸出(SISO)的線性控制系統(tǒng)，是控制系統(tǒng)的基本形式。其特點是結(jié)構(gòu)簡單，而且具有相當廣泛的適應(yīng)性。
(一)簡單控制系統(tǒng)的組成
在化工生產(chǎn)過程中有各種控制系統(tǒng)，圖3-1是幾個簡單控制系統(tǒng)的示例。
圖中用TT、PT、LT和FT分別表示溫度、壓力、液位變送器和流量變送器，用TC、PC、LC和FC表示相應(yīng)的控制器，圖中的執(zhí)行器都用控制閥表示。在這些控制系統(tǒng)中都有一個需要控制的過程變量，例如圖中的溫度、壓力、液位、流量等，這些需要控制的變量稱為被控變量。為了使被控變量與希望的設(shè)定值保持一致，需要有一種控制手段，例如圖中的蒸汽流量、回流流量和出料流量等，這些用于調(diào)節(jié)的變量稱為操縱變量或操作變量。被控變量偏離設(shè)定值的原因是由于過程中存在擾動。例如，蒸汽壓力、泵的轉(zhuǎn)速、進料量的變化等。
在這些控制系統(tǒng)中，檢測元件和變送器將被控變量的檢測轉(zhuǎn)換為標準信號，當系統(tǒng)受到擾動影響時，檢測信號與設(shè)定值之間就有偏差，因此，檢測變送信號在控制器中與設(shè)定值比較，其偏差值按一定的控制規(guī)律運算，并輸出信號驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)改變操縱變量，使被控變量回復到設(shè)定值。
可見，簡單控制系統(tǒng)由檢測變送單元、控制器、執(zhí)行器和被控對象組成。
檢測元件和變送器用于檢測被控變量，并將檢測到的信號轉(zhuǎn)換為標準信號輸出。例如，熱電阻或熱電偶和溫度變送器、壓力變送器和液位變送器、流量變送器等。
控制器用于將檢測變送單元的輸出信號與設(shè)定值信號進行比較，按一定的控制規(guī)律對其偏差信號進行運算，運算結(jié)果輸出到執(zhí)行器�？刂破骺梢圆捎媚M儀表的控制器或由微處理器組成的數(shù)字控制器，例如，用DCS中的控制功能模塊等實現(xiàn)。
執(zhí)行器是控制系統(tǒng)環(huán)路中的最終元件，直接用于控制操縱變量變化。執(zhí)行器接收控制器的輸出信號，通過改變執(zhí)行器節(jié)流件的流通面積來改變操縱變量。它可以是氣動薄膜控制閥、帶電氣閥門定位器的電動控制閥等。執(zhí)行器也可用變頻調(diào)速電機等實現(xiàn)。
被控對象是需要控制的設(shè)備，如換熱器、泵液位儲罐和管道等。
(二)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計
1.控制系統(tǒng)設(shè)計概述
首先，要求自動控制系統(tǒng)設(shè)計人員在掌握較為全面的自動化專業(yè)知識的同時，也要盡可能多地熟悉所要控制的工藝裝置對象；其次，要求自動化專業(yè)技術(shù)人員與工藝專業(yè)技術(shù)人員進行必要的交流，共同確定自動化方案；再次，自動化技術(shù)人員要切忌盲目追求控制系統(tǒng)的先進性和所用儀表及裝置的先進性。工藝人員要進一步建立對自動化技術(shù)的信心，特別是一些復雜對象和大系統(tǒng)的綜合自動化，要注意傾聽自動化專業(yè)技術(shù)人員的建議；最后，設(shè)計一定要遵守有關(guān)的標準、行規(guī)，按科學合理的程序進行。
(1)基本內(nèi)容。
①確定控制方案。首先要確定整個系統(tǒng)的自動化水平，然后才能進行各個具體控制系統(tǒng)方案的討論確定。對于比較大的控制系統(tǒng)工程，更要從實際情況出發(fā)，反復多方論證，以避免大的失誤。控制系統(tǒng)的方案設(shè)計是整個設(shè)計的核心，是關(guān)鍵的第一步。要通過廣泛的調(diào)研和反復的論證來確定控制方案，它包括被控變量的選擇與確認、操縱變量的選擇與確認、檢測點的初步選擇、繪制出帶控制點的工藝流程圖和編寫初步控制方案設(shè)計說明書等。
②儀表及裝置的選型。根據(jù)已經(jīng)確定的控制方案進行選型，要考慮到供貨方的信譽、產(chǎn)品的質(zhì)量、價格、可靠性、精度、供貨方便程度、技術(shù)支持、維護等因素并繪制相關(guān)的圖表，
③相關(guān)工程內(nèi)容的設(shè)計。包括控制室設(shè)計、供電和供氣系統(tǒng)設(shè)計、儀表配管和配線設(shè)計及聯(lián)鎖保護系統(tǒng)設(shè)計等，提供相關(guān)的圖表。
(2)基本步驟。
①初步設(shè)計。初步設(shè)計的主要目的是上報審批，并為訂貨做準備。
②施工圖設(shè)計。在項目和方案獲批后，為工程施工提供有關(guān)內(nèi)容詳細的設(shè)計資料。
③設(shè)計文件和責任簽字。包括設(shè)計、校核、審核、審定、各相關(guān)專業(yè)負責人員的會簽等，以嚴格把關(guān)、明確責任、保持協(xié)調(diào)。
④參與施工和試車。設(shè)計代表應(yīng)該到現(xiàn)場配合施工，并參加試車和考核。
⑤設(shè)計回訪。在生產(chǎn)裝置正常運行一段時間后，應(yīng)去現(xiàn)場了解情況，聽取意見，總結(jié)經(jīng)驗。
2.被控變量的選擇
被控變量的選擇是控制系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵問題。在實踐中，該變量的選擇以工藝人員為主，自控人員為輔，因為對控制的要求是從工藝角度提出的。但自動化專業(yè)人員也應(yīng)多了解工藝，多與工藝人員溝通，從自動控制的角度提出建議。工藝人員與自控人員之間的相互交流與合作，有助于選擇好控制系統(tǒng)的被控變量。
在過程工業(yè)裝置中，為了實現(xiàn)預期的工藝目標，往往有許多個工藝變量或參數(shù)可以被選擇作為被控變量，也只有在這種情況下，被控變量的選擇才是重要的問題。在多個變量中選擇被控變量應(yīng)遵循下列原則：
(1)盡量選擇能直接反映產(chǎn)品質(zhì)量的變量作為被控變量；
(2)所選被控變量能滿足生產(chǎn)工藝穩(wěn)定、安全、高效的要求；
(3)必須考慮自動化儀表及裝置的現(xiàn)狀。
3.操縱變量的選擇
在選定被控變量之后，要進一步確定控制系統(tǒng)的操縱變量(或調(diào)節(jié)變量)。實際上，被控變量與操縱變量是放在一起綜合考慮的。操縱變量的選取應(yīng)遵循下列原則：
(1)操縱變量必須是工藝上允許調(diào)節(jié)的變量；
(2)操縱變量應(yīng)該是系統(tǒng)中所有被控變量的輸入變量中對被控變量影響最大的一個�？刂仆ǖ赖姆糯笙禂�(shù)K要盡量大一些，時間常數(shù)T適當小些，滯后時間盡量小。
(3)不宜選擇代表生產(chǎn)負荷的變量作為操縱變量，以免產(chǎn)量受到波動。
4.控制規(guī)律及控制器作用方向的選擇
在控制系統(tǒng)中，儀表選型確定以后，對象的特性是固定的；測量元件及變送器的特性比較簡單，一般也是不可以改變的；執(zhí)行器加上閥門定位器可有一定程度的調(diào)整，但靈活性不大；主要可以改變的就是控制器的參數(shù)。系統(tǒng)設(shè)置控制器的目的，也是通過它改變整個控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，以達到控制的目的。
控制器的控制規(guī)律對控制質(zhì)量影響很大。根據(jù)不同過程特性和要求，選擇相應(yīng)的控制規(guī)律，以獲得較高的控制質(zhì)量；確定控制器作用方向，以滿足控制系統(tǒng)的要求，也是系統(tǒng)設(shè)計的一個重要內(nèi)容。
(1)控制規(guī)律的選擇。
①位式控制。常見的位式控制有雙位和三位兩種。一般適用于滯后較小、負荷變化不大也不劇烈，控制質(zhì)量要求不高，允許被控變量在一定范圍內(nèi)波動的場合，如恒溫箱、電阻爐等的溫度控制。
②比例控制。它是最基本的控制規(guī)律。當負荷變化時，克服擾動能力強，控制作
用及時，過渡過程時間短，但過程終了時存在余差，且負荷變化越大余差也越大。比例控制適用于控制通道滯后較小、時間常數(shù)不太大、擾動幅度較小，負荷變化不大、控制質(zhì)量要求不高，允許有余差的場合。如貯罐液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽壓力的控制等。
③比例積分控制。引入積分作用能消除余差，故比例積分控制是使用最多、應(yīng)用最廣的控制規(guī)律，但是，加入積分作用后要保持系統(tǒng)原有的穩(wěn)定性，必須加大比例度(削弱比例作用),以使控制質(zhì)量有所下降，如最大偏差和振蕩周期相應(yīng)增大，過渡時間加長。對于控制通道滯后小，負荷變化不太大，工藝上不允許有余差的場合，如流量或壓力的控制，采用比例積分控制規(guī)律可獲得較好的控制質(zhì)量。
④比例微分控制。引入微分，會有超前控制作用，能使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，最大
偏差和余差減小，加快了控制過程，改善了控制質(zhì)量，故比例微分控制適用于過程容量滯后較大的場合。對于滯后很小和擾動作用頻繁的系統(tǒng)，應(yīng)盡可能避免使用微分作用。
⑤比例積分微分控制。微分作用對于克服容量滯后有顯著效果，對克服純滯后是無能為力的。在比例作用的基礎(chǔ)上加上微分作用能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加上積分作用能消除余差，又有δ、T₁、T。三個可以調(diào)整的參數(shù)，因而可以使系統(tǒng)獲得較高的控制質(zhì)量，它適用于容量滯后大、負荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的場合，如反應(yīng)器、聚合釜的溫度控制。
(2)控制器作用方向的選擇。
控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的增益有正負之別。各環(huán)節(jié)增益的正負可根據(jù)在穩(wěn)態(tài)條件下該環(huán)節(jié)輸出增量與輸人增量之比確定。當該環(huán)節(jié)的輸入增加時，其輸出增加，則該環(huán)節(jié)的增益為正，反之，如果輸出減小則增益為負。
對象的增益可以是正，亦可以是負，例如在液位控制系統(tǒng)中，控制閥裝在入口處對象的增益是正的；如果裝在出口處，則對象的增益是負的。氣開控制閥的增益是正的；氣關(guān)控制閥的增益是負的。檢測元件和變送器的增益一般是正。控制器有正、反作用之分，正作用控制器的增益是負的；反作用控制器的增益是正的。這是因為在控制系統(tǒng)中偏差是設(shè)定值減測量值(R—Y),而控制器中偏差是測量值減設(shè)定值(Y—R)。
整個控制系統(tǒng)必須是一個負反饋系統(tǒng)，所以回路中各環(huán)節(jié)增益的乘積必須為正值。一個控制系統(tǒng)設(shè)計好后，對象、控制閥、檢測元件和變送器的增益亦確定了，通過選擇控制器作用方向來保證控制系統(tǒng)是一個負反饋系統(tǒng)。
如操縱變量是進料量并選擇氣開閥，確定控制器正、反作用。進料閥開度增加，液位升高，因此對象增益K,為正；液位升高，檢測變送環(huán)節(jié)的輸出增加，檢測變送環(huán)節(jié)K正；而氣開閥K。為正；為保證負反饋，Kπ=K₄K、K,Km>0,因此應(yīng)選擇控制器增益K.為正，即為反作用控制器。
如操縱變量是出料量同樣選擇氣開閥，此時出料閥開度增加，液位降低，因此對象增益K。為負；應(yīng)選擇控制器增益K。為負，即為正作用控制器。
5.執(zhí)行器(氣動薄膜控制閥)的選擇
氣動薄膜控制閥雖然結(jié)構(gòu)簡單，但在自動控制系統(tǒng)中的作用不容忽視。若選型或使用不當，往往會使控制系統(tǒng)運行不良。
(1)控制閥結(jié)構(gòu)類型及材質(zhì)的選擇。
氣動薄膜控制閥有直通單座、直通雙座、角形、隔膜、蝶閥和三通閥等不同結(jié)構(gòu)形式，要根據(jù)操縱介質(zhì)的工藝條件(溫度、壓力、流量等)及其特性(黏度、腐蝕性、毒性、介質(zhì)狀態(tài)形式等)和控制系統(tǒng)的不同要求來選用。
此外，還應(yīng)根據(jù)操縱介質(zhì)的工藝條件和特性選擇合適的材質(zhì)。
(2)控制閥氣開、氣關(guān)形式的選擇。
對于一個具體的控制系統(tǒng)來說，究竟選氣開閥還是氣關(guān)閥，即在閥的氣源信號發(fā)生故障或控制系統(tǒng)某環(huán)節(jié)失靈時，閥是處于全開的位置安全，還是處于全關(guān)的位置安全，要由具體的生產(chǎn)工藝來決定，一般來說要根據(jù)以下幾條原則進行選擇。
①首先要從生產(chǎn)安全出發(fā)，即當氣源供氣中斷，或控制器出故障而無輸出，或控制閥膜片破裂而漏氣等而使控制閥無法正常工作以致閥芯回復到無能源的初始狀態(tài)(氣開閥回復到全關(guān)、氣關(guān)閥回復到全開)時，應(yīng)能確保生產(chǎn)工藝設(shè)備的安全，不致發(fā)生事故。如生產(chǎn)蒸汽的鍋爐水位控制系統(tǒng)中的給水控制閥，為了保證發(fā)生上述情況時不致把鍋爐燒壞，控制閥應(yīng)選氣關(guān)式。
②從保證產(chǎn)品質(zhì)量出發(fā)，當發(fā)生控制閥處于無能源狀態(tài)而回復到初始位置時，不應(yīng)降低產(chǎn)品的質(zhì)量，如精餾塔回流量控制閥常采用氣關(guān)式，一旦發(fā)生事故，控制閥全開，使生產(chǎn)處于全回流狀態(tài)，防止不合格產(chǎn)品的蒸出，從而保證塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量。
③從降低原料、成品、動力損耗來考慮。如控制精餾塔進料的控制閥就常采用氣開式，一旦控制閥失去能源即處于氣關(guān)狀態(tài)，不再給塔進料，以免造成浪費。
④從介質(zhì)的特點考慮。精餾塔塔釜加熱蒸汽控制閥一般選氣開式，以保證在控制
閥失去能源時能處于全關(guān)狀態(tài)避免蒸汽的浪費，但是如果釜液是易凝、易結(jié)晶、易聚合的物料時，控制閥則應(yīng)選氣關(guān)式以防調(diào)節(jié)閥失去能源時閥門關(guān)閉，停止蒸汽進入而導致釜內(nèi)液體的結(jié)晶和凝聚。
(3).控制閥流量特性的選擇。
控制閥的流量特性直接影響到系統(tǒng)的控制質(zhì)量和穩(wěn)定性，需要正確選擇。
制造廠提供的調(diào)節(jié)閥流量特性是理想流量特性，國內(nèi)常用的理想流量特性有線性、等百分比和快開等幾種。
在實際使用時，控制閥總是安裝在工藝管路系統(tǒng)中，控制閥前后的壓差是隨著管路系統(tǒng)的阻力而變化的。因此，選擇控制閥的流量特性時，不但要依據(jù)過程特性，還應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)的配管情況來考慮。
閥的工作特性應(yīng)根據(jù)過程特性來選擇，其目的是使廣義過程特性為線性，如變送器特性為線性、過程特性也是線性時，應(yīng)選用線性工作特性；如果變送器特性為線性，而過程特性的放大系數(shù)K0。是隨操縱變量的增加而減小時，則應(yīng)選用對數(shù)工作特性。
依據(jù)工藝配管情況確定配管系數(shù)S值后，可以從所選的工作特性出發(fā)，確定理想特性。當S=1～0.6時，理想特性與工作特性幾乎相同；當S=0.6～0.3時，無論是線性或?qū)?shù)工作特性，都應(yīng)選對數(shù)的理想特性；當S<0.3時，一般不適宜控制，但也可以根據(jù)低S閥來選擇其理想特性。
(4)控制閥口徑大小的選擇。
確定控制閥口徑大小也是選用控制閥的一個重要內(nèi)容，主要依據(jù)閥的流通能力。正常工況下要求控制閥開度處于15%～85%之間，因此，不宜將控制閥口徑選得太小或太大。否則，會使控制閥可能運行在全開時的非線性飽和工作狀態(tài)，系統(tǒng)失控；或使閥門經(jīng)常處于小開度的工作狀態(tài)，造成流體對閥芯、閥座嚴重沖蝕，甚至引起控制閥失靈。
