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(fù)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�擬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(fù)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(fù)多方論證，以避免大的失誤�？刂葡到y(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(fù)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(yù)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�？刂破饔姓�、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(fù)到無能源的初始狀態(tài)(氣開閥回復(fù)到全關(guān)、氣關(guān)閥回復(fù)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(fù)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(dǎo)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。