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7简单控制系统的设计、投运及调节器参数的工程整定本章先简要介绍过程控制系统的设计方法及主要内容，然后介绍简单控制系统的设计原则、系统投运的过程、调节器参数的工程整定方法。简单控制系统又称单回路反馈控制系统。由一个被控过程、一个检测变送器、一个控制器和一个执行器所组成，对一个被控变量进行控制的单回路反馈闭环控制系统。简单控制系统是实现生产过程自动化的基本单元，其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求。尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合。7.1过程控制系统设计的主要内容7.1.1过程分析过程控制系统包括被控过程和控制仪表两部分。被控过程是由工艺要求决定的，因此，要进行过程特性分析，明确：被控变量操纵变量主要扰动7.1.2过程控制系统设计的主要内容A控制方案的设计控制方案包括带控制点的工艺流程图、设计说明书等。带控制点的工艺流程图是用自控字母和图形符号在工艺流程图上描述生产过程控制系统的图纸文件。它反映出被控变量、测量点的位置、控制手段的实现方法，以及各个控制系统相互之间的关系。图纸上自控字母和图形符号都要符合一定的设计规范。初步设计说明书包括设计指导思想、工艺流程和环境特征、自动化水平和控制方案的确定、安全技术措施等内容。B工程设计它包括仪表选型、控制室(和仪表盘设计)、仪表供电气系统设计、信号及联锁保护系统设计等。工程设计要提交自控设备汇总表、电气设备材料表，以及仪表、电气设备接线图等详细资料。C工程安装和仪表调校仪表和电气装置的安装、信号线路的连接必须正确，这是保证控制系统正常运行的前提。系统安装完成后，还必须对每台仪表进行单独校验，对每个控制回路进行联动校验。D调节器参数工程整定必须将调节器参数整定合适，保证系统运行在最佳状态。7.2简单控制系统的设计7.2.1被控变量的选择通过对过程分析，找出对产品产量、质量以及安全生产和节能等方面具有决定性作用，而且是直接可测量或通过间接计算可得到的变量作为被控变量。选择原则：(1)必须选择表征生产过程的质量指标作为被控变量按质量指标进行直接控制并不多见。一般是采用温度、压力等作为间接指标。间接指标与质量指标之间必须具有单值对应关系和足够大小的测量信号。例如，在精馏过程中，要求产品达到规定的纯度。理论上讲，塔顶馏出物或塔底残液的浓度应该选作为被控变量。但由于缺乏直接测量产品浓度的工具，而且滞后时间较大，因此，常用塔顶、塔底或塔中某点的温度代替浓度作为被控变量。(2)必须确定表征生产过程的独立变量数目根据物理化学中的相律关系进行判定。例如，确定饱和蒸汽的温度和压力是否都是独立变量，可由下式求得：F=C-P+2式中，F为独立变量数目，C为组分数，P为相数。饱和蒸汽：实际上存在着气、液两相，从而：F＝1-2十2＝1上式表明，只要选取蒸汽温度或蒸汽压力就可以了。一般以选取蒸汽压力为宜，因为压力测量元件的时间常数小。如果不遵循这个原则，设计出既有温度又有压力作为被控变量的控制方案，则这种控制系统将是无法投运的。过热蒸汽：由于蒸汽在过热状态下只存在一个气相，则：F=C（组分数）-P（相数）+2=1-1十2＝2在这种情况下，把压力和温度都选作为被控变量则是完全必要的。(3)必须注意控制系统之间的相互关联问题当一个过程具有两个以上的独立变量，且又分别组成控制系统，则容易产生系统间的相互关联。如，流体输送中的流量与压力控制系统，它们之间就存在着较严重的相互关联。若因扰动导致压力p1升高，PC将控制阀A开大，加大回流量q1，与此同时，由于p1升高，在阀B开度不变的情况下，将使q2增大，为此FC将使阀B关小。但是q2的减小，进一步加剧了p1的上升。这种关联会使控制系统无法运行。7.2.2操纵变量的选择扰动作用和控制作用都施加于被控过程，它们对被控变量的影响都与过程特性有着密切的关系。因此，在选择操纵变量时，要认真分析过程特性。A放大系数K0的影响在选择操纵变量时，一般是希望控制通道的放大系统数K0要大一些。因为K0大，表示操纵变量对被控变量的影响大，控制作用灵敏，抑制扰动能力强；同时，K0大，过渡过程的余差也小，控制精度可得到提高。但是K0过大，控制作用过于灵敏，易使调节过头，引起振荡。因此，在工艺条件允许的情况下应选择控制通道放大系数K0较大的作为操纵变量。B时间常数T0的影响控制通道时间常数T0越大，反应速度越慢，被控变量变化越缓和，过渡过程较稳定；但控制作用不及时，过渡过程的最大偏差加大，过渡时间加长，使控制质量变差。相反，时间常数T0较小时，反映灵敏，调节及时，过渡时间短。但当T0太小时，容易引起调节作用过于频繁而造成调节过程振荡，稳定性变差。因此，在T0太大或太小的情况下，都比较难以控制，控制系统一般希望控制通道的时间常数T0大小适当。C纯滞后τ0的影响控制通道纯滞后的存在，使控制作用落后于被控变量的变化，容易引起超调和振荡，使被控变量的最大偏差增大，过渡时间拉长，控制质量变差。D扰动通道扰动通道的放大系数越小，表示在同样阶跃扰动Δƒ作用下，扰动被大大削弱，对被控变量的影响越小；扰动通道的时间常数越大，相当于对扰动起到了一个滤波作用，则控制系统的品质指标越好。纯滞后对于扰动通道，相当于使扰动隔一段时间τo后再进入被控过程，结果只是使调节过程推迟一段时间τo后再开始，而不影响调节过程的品质。讨论：假设控制系统的被控过程由三个独立的单容量环节GP1、GP2、GP3串联组成，扰动分别从三个不同的位置进入系统。显然从扰动Fl到被控变量C通道的时间常数个数最多，因而对扰动Fl的滤波效果最好，即对被控变量的影响最小，F2次之，而F3的影响最大。结论：扰动离被控变量越近，离调节阀越远，则对被控变量的影响越大。综上所述，设计控制系统时，操纵变量选择的原则是：(1)操纵变量应是控制通道放大系数K0较大者。(2)应使扰动通道的时间常数越大越好，而控制通道的时间常数适当小一些。(3)控制通道纯滞后时间越小越好，并尽量使扰动远离被控变量而靠近调节阀。(4)当广义过程的控制通道由几个一阶滞后环节组成时，要避免各个时间常数相等或相接近的情况。(5)需考虑到工艺上的合理和方便。由于生产负荷直接关系到产品的产量，不宜经常变动，不要选择生产负荷作为操纵变量。7.2.3检测变送环节对控制系统的影响检测变送环节在控制系统中起获取和传送信息的作用。检测变送环节对控制系统的影响主要集中在检测元件的滞后和信号传递的滞后问题上。因此，分析研究检测元件本身的特性、安装位置、信息传递等问题，也是提高系统控制质量的重要方面。7.2.3.1纯滞后图示的pH控制系统，由于测量电极不能放置在流速较大的主管道，只能安装在流速较小的支管道上，这样就使测量引入纯滞后时间τo，其大小为：τo=l1/V1+l2/V2由于检测元件的安装位置所引入的纯滞后，有时是不可避免的，但必须尽可能地减小。因此必须合理地选择检测元件的安装位置。当检测元件的纯滞后太大、采用简单控制系统无法满足工艺要求时，应考虑采用复杂控制等方案。7.2.3.2测量滞后（容量滞后）测量滞后，是指由检测元件时间常数所引起的动态误差，它是由检测元件本身的特性所决定的。例如，测温元件测量温度时，由于存在着热阻和热容，其本身具有一定的时间常数Tm，测量滞后可通过正确选择检测元件的安装位置、选择快速检测元件、正确使用微分环节等途径来克服测量滞后。7.2.3.3传递滞后（气动信号）传递滞后是指气压信号在管路传递过程中所造成的滞后。在实行集中控制的大、中型工厂中，由于检测变送器和调节阀安装在现场设备上，而调节器安装在控制室，两者之间有一定的距离。如果采用气动仪表，就会产生气压信号的传递滞后。由于存在传递滞后，调节器不能及时地接受测量信号，也不能将输出信号及时送到调节阀，因此操纵变量的校正作用也相应延迟，从而降低了控制系统的控制质量。所以，应尽量选用电信号进行传递。7.2.4调节器控制规律及作用方向的选择7.2.4.1控制规律的选择原则（1）当广义过程控制通道的时间常数大，或多容量引起的容量滞后大时，采用微分作用有良好效果，积分作用可以消除余差，因此，可选用PID或PD控制规律。如温度过程。（2）当广义过程控制通道的时间常数小，系统负荷变化也较小时，为了消除余差，可以采用PI控制规律，如流量过程。（3）当广义过程控制通道的时间常数小，而负荷变化很大时，采用微分作用和积分作用都易引起振荡。可采用反微分作用。（4）当广义过程控制通道的时间常数或时滞很大，而负荷变化又很大时，简单控制系统无法满足要求。7.2.4.2调节器作用方向的选择调节器作用方向，是指调节器的输入变化后，输出的变化方向有正作用和反作用两种形式。所谓正作用是指调节器的输出随着测量值增大而增大；所谓反作用是指调节器的输出随着测量值增大而减小。调节器作用方向确定的原则应根据被控过程的特性及调节器的气开、气关形式来正确选择，以使控制系统成为一个反馈的闭环系统。如果调节器正反作用方向确定错了，则控制系统将失去控制作用。7.2.5气动薄膜调节阀的选择7.2.5.1调节阀结构类型的选择根据调节介质的工艺条件(温度、压力、流量等)及其特性(粘度、腐蚀性、毒性等)来选用。阀结构形式特点及使用场合直通单座阀适用于要求泄漏量小、阀前后压差小的场合直通双座阀有两个阀芯，适用于阀前后压差大，有较大泄漏量的场合角阀适于高压差、高粘度、含悬浮颗粒物质场合隔膜阀适用于有腐蚀性介质的场合蝶阀适于有悬浮物介质、大流量、压差小、允许大泄漏量场合三通阀适用于分流或合流控制的场合高压阀适用于高压控制的特殊场合7.2.5.2调节阀气开、气关形式的选择选择原则：(1)从生产安全出发，当气源供气中断，或控制器故障而无输出，或调节阀膜片破裂而漏气等导致调节阀无法正常工作以致阀芯回复到无能源的初始状态时，应确保生产工艺设备的安全。(2)从保证产品质量出发，当发生调节阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应降低产品的质量。如精馏塔回流量调节阀也应采用气关阀，一旦发生事故，调节阀全开，使生产处于全回流状态，防止不合格产品的蒸出，从而保证塔顶产品的质量。(3)从降低原料、成品、动力损耗来考虑。如控制精馏塔进料的调节阀就常采用气开式，一旦调节阀失去能源即处于关闭状态，不再给塔进料，以免造成浪费。7.2.5.3调节阀流量特性的选择阀的工作特性应根据过程特性来选择，其目的是使广义过程特性为线性。通常，根据工艺配管情况确定配管系数S（Δpv/Δp）值后，可以从所选的工作特性出发，确定理想特性。当S＝0.6~1时，理想特性与工作恃性几乎相同；当S＝0.3~0.6时，无论是线性或对数工作特性，都应选对数的理想特性；当S0.3时，一般不适宜控制。7.3简单控制系统的投运控制系统的投运是指当系统设计、安装完毕，或者经过停车检修之后，使控制系统投入使用的过程。7.3.1投运前的准备系统的投运准备工作应有工艺人员、自控人员以及施工人员共同合作完成，一般要求做到下面几点。(1)熟悉整个过程：了解主要工艺流程及主要设备的功能、工艺介质性质及各工艺变量间的关系；熟悉控制方案，明确控制指标；对检测元件、变送器、调节阀等的安装位置和管线走向等都要心中有数；熟悉各种自动化装置的原理、结构及其调校技术，掌握调节器手动/自动切换操作的要求和方法；全面检查电源、气源、管路和线路等的连接是否正确、气压管线是否堵塞或漏气等，保证整个系统的每一个组成环节都处于完好状态。(2)现场校验：安装完毕投运之前，必须对检测元件、变送器、调节器、显示仪表和调节阀等进行现场校验。校验仪表的零点、工作点、满刻度，校验记录调节仪的指示值和控制点偏差等等。(3)检查调节器的内外设定、正反作用方向及调节阀的气开、气关形式：调节器的内外设定位置、正反作用方向和调节阀的气开、气关形式是关系到控制系统能否正常运行和安全操作的重要问题，投运前必须仔细检查。7.3.2投运过程A检测系统投入运行根据工业生产过程的实际情况，将温度、压力、流量、液位等检测系统投入运行，观察测量指示是否正确等