简单控制系统

第二章简单控制系统第二章简单控制系统内容提要本章所研究的简单控制系统是使用最普遍、结构最简单的一种过程控制系统，是研究复杂控制系统的基础。本章以简单控制系统的方案设计方法为主要内容，根据简单控制系统的结构特点，重点讨论了方案设计中被控变量和操纵变量的选择原则，控制阀的结构形式、材质、流量特性、气开/气关形式、口径大小的选择方法及阀门定位器的选用，检测元件和变送器的选取及克服测量、传送滞后的方法，控制器的控制规律及正/反作用方式的选择原则。并简单介绍了简单控制系统的投运步骤及常用的几种控制器参数的整定方法：经验凑试法、临界比例度法和衰减曲线法。最后讨论了简单控制系统的一般故障的原因分析及处理方法，以及各控制系统间的关联影响和解耦方法。第二章简单控制系统2.1系统组成原理2.1.1简单控制系统的结构组成所谓简单控制系统，通常是指由一个被控对象、一个检测变送单元（检测元件及变送器）、一个控制器和一个执行器（控制阀）所组成的单闭环负反馈控制系统，也称为单回路控制系统。如图2.1所示，为两个简单控制系统的示例。图2.1（a）所示为蒸汽换热器的温度控制系统，T表示被加热物料的出口温度，是该控制系统的被控变量。蒸汽流量是操纵变量。该控制系统由蒸汽换热器、温度检测元件及温度变送器TT、温度控制器TC和蒸汽流量控制阀组成。控制的目标是通过改变进入换热器的载热体（蒸汽）的流量，将换热器出口物料的温度维持在工艺规定的数值上。通过改变蒸汽流量以控制被加热物料的出口温度是工业生产中最为常见的换热器控制方案。第二章简单控制系统图2.1简单控制系统示例图2.1（b）所示为一个压力控制系统，它由流体输送泵及管路、压力变送器PT、压力控制器PC、流体回流量控制阀组成。控制的目标是通过改变回流量来保持泵的出口压力P恒定。NO.5第２２张第二章简单控制系统在这些控制系统中，检测元件和变送器（测量变送装置）将检测被控变量并转换为标准信号（作为测量值），当系统受到扰动影响时，测量信号与设定值之间就有偏差，因此，检测变送信号（测量信号）在控制器中与设定值相比较，将其偏差值按一定的控制规律运算，并输出控制信号驱动执行器（控制阀）改变操纵变量，使被控变量回复到设定值。如图2.2所示是简单控制系统的典型方框图。图2.3是将图2.2用传递函数描述的另外一种表示方法。由图可知，简单控制系统有着共同的特征，它们均由四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。对于不同对象的简单控制系统，尽管其具体装置与变量不相同，但都可以用相同的方框图来表示。这就便于对它们的共性进行研究。图2.2简单控制系统方框图第二章简单控制系统图2.3简单控制系统传递函数描述简单控制系统的结构比较简单，所需的自动化装置数量少，投资低，操作维护也比较方便，而且在一般情况下，都能满足控制质量的要求。因此，简单控制系统在工业生产过程中得到了广泛的应用，生产过程中70%以上的控制系统是简单控制系统。由于简单控制系统是最基本、应用最广泛的系统，因此，学习和研究简单控制系统的结构、原理及使用是十分必要的。同时，简单控制系统是复杂控制系统的基础，掌握了简单控制系统的分析和设计方法，将会给复杂控制系统的分析和研究提供很大的方便。由于已在第1章中介绍了简单控制系统中各个组成部分的作用，故在此不再复述。本章将介绍组成简单控制系统的基本原则、被控变量及操纵变量的选择、控制阀和控制器的选择及控制器参数的工程整定等。第二章简单控制系统2.1.2控制过程分析在此，仍以图2.1（a）所示的蒸汽换热器出口温度控制系统为例来分析简单控制系统的工作过程。为便于分析，设本例中测量变送装置选用分度号为S的铂热电阻及与之配套的温度变送器；采用电动控制器，且设置为E上升时U也上升，E下降时U也下降；所用执行器为一台带电/气阀门定位器的气动控制阀，且将其作用方式设置为U上升时Q上升，U下降时Q亦下降。1．平衡状态当流入系统的蒸汽传递给冷流体的热量使被加热物料的出口温度T维持在所要求的温度值时，设蒸汽的流量及品质保持不变，冷流体的流量及品质也保持不变，则控制系统处于平衡状态，并将保持这个动态平衡，直至有新的扰动量发生，或人们对被加热物料的出口温度有新的要求。图（２－１）2．扰动分析该系统的主要扰动如下所述。（1）冷流体流量的变化。冷流体的流量增大，出口温度T下降。（2）冷流体温度的变化。冷流体的温度上升，出口温度T升高。第二章简单控制系统（3）(如果蒸汽源不够稳定）蒸汽的压力变化。蒸汽压力上升导致蒸汽流量增大，出口温度T升高。（4）蒸汽温度的变化、换热器环境温度的变化也会影响出口温度T的变化。这些扰动一般都是随机性的、无法预知的，但当它们最终影响到出口温度T发生变化时，控制系统都能够加以克服。3．控制过程无论是由于何种原因、何种扰动，只要其作用使出口温度T有了变化，则控制系统就能通过控制器来克服扰动对出口温度T的影响，使之回到原来的平衡状态。当温度T偏离平衡状态而升高时，测温用铂热电阻的阻值增大。由温度变送器将该阻值的变化转换为输出电流的增大，作为测量值Z送给控制器。控制器将Z与设定值X相比较，由于设定值X保持不变，则Z上升。由X－Z＝E可知，E将下降。由所设置的控制器性质可知，此时U下降。再由所设置执行器的性质，此时进入换热器的蒸汽流量Q将减小。显然，Q减小将使出口温度T下降，出口温度T逐渐回复到设定值。如果控制器的参数设置恰当，可获得较满意的控制效果。这个控制过程可用符号简洁地表达为第二章简单控制系统扰动T↑Z↑E↓U↓Q↓T↓类似的，当扰动使出口温度T下降时有扰动T↓Z↓E↑U↑Q↑T↑由此可见，简单控制系统的工作过程就是应用负反馈原理的控制过程。因此，方框图中Z信号旁的“－”号很重要，如果把这个“－”号去掉，系统就成为正反馈，就不能克服扰动，此时，系统的控制作用不能使被控变量回归到设定值：扰动T↑Y↑E↑U↑Q↑T↑另外，如果控制器和执行器的作用方向选错了，系统也不能克服扰动（这些将在后面的系统设计中予以介绍）。第二章简单控制系统2.1.3简单控制系统的设计概述1．基本要求（1）要求自动控制系统设计人员在掌握较为全面的自动化专业知识的同时，也要尽可能多地熟悉所要控制的工艺装置对象；（2）要求自动化专业技术人员与工艺专业技术人员进行必要的交流，共同讨论确定自动化方案；（3）自动化技术人员切忌盲目追求控制系统的先进性和所用仪表及装置的先进性；在控制系统的设计中，应注重选择那些能满足控制质量要求、且在应用上较为成熟的控制方案；（4）设计一定要遵守有关的标准、行规，按科学、合理的程序进行。2．基本内容（1）确定控制方案。首先要确定整个设计项目的自动化水平，然后才能进行各个具体控制系统方案的讨论确定。对于比较大的控制系统工程，更要从实际情况出发，反复多方论证，以避免大的失误。控制系统的方案设计是整个设计的核心，是关键的第一步。要通过广泛的调研和反复的论证来确定控制方案，它包括被控变量的选择与确认、操纵变量的选择与确认、检测点的初步选择、绘制出带控制点的工艺流程图和编写初步控制方案设计说明书等内容。第二章简单控制系统（2）仪表及装置的选型。根据已经确定的控制方案进行选型，要考虑到供货方的信誉，产品的质量、价格、可靠性、精度，供货方便程度，技术支持，维护等因素，并绘制相关的图表。（3）相关工程内容的设计。相关工程内容的设计包括控制室设计、供电和供气系统设计、仪表配管和配线设计和联锁保护系统设计等等，并提供相关的图表。3．基本步骤（1）初步设计。初步设计的主要目的是上报审批，并为订货做准备。（2）施工图设计。施工图设计是在项目和方案获批后，为工程施工提供有关内容的详细的设计资料。（3）设计文件和责任签字。设计文件和责任签字包括设计、校核、审核、审定、各相关专业负责人员的会签等，以严格把关，明确责任，保持协调。（4）参与施工和试车。设计代表应该到现场配合施工，并参加试车和考核。（5）设计回访。在生产装置正常运行一段时间后，应去现场了解情况，听取意见，总结经验。第二章简单控制系统2.2被控变量的选择被控变量的选择是控制系统设计的核心问题，被控变量选择的正确与否是决定控制系统有无价值的关键。对于任何一个控制系统，总是希望其能够在稳定生产操作、增加产品产量、提高产品质量、保证生产安全及改善劳动条件等方面发挥作用，如果被控变量选择不当，配备再好的自动化仪表，使用再复杂、先进的控制规律也是无用的，都不能达到预期的控制效果。另一方面，对于一个具体的生产过程，影响其正常操作的因素往往有很多个，但并非所有的影响因素都要加以自动控制。所以，设计人员必须深入实际，调查研究，分析工艺，从生产过程对控制系统的要求出发，找出影响生产的关键变量作为被控变量。第二章简单控制系统2.2.1被控变量的选择方法生产过程中的控制大体上可以分为三类：物料平衡控制和能量平衡控制，产品质量或成分控制，限制条件的控制。毫无疑问，被控变量应是能表征物料和能量平衡、产品质量或成分及限制条件的关键状态变量。所谓“关键”变量，是指这样一些变量：它们对产品的产量或质量及安全具有决定性作用，而人工操作又难以满足要求；或者人工操作虽然可以满足要求，但是这种操作既紧张又频繁，劳动强度很大。根据被控变量与生产过程的关系，可将其分为两种类型的控制型式：直接参数控制与间接参数控制。1．选择直接参数作为被控变量能直接反映生产过程中产品的产量和质量，以及安全运行的参数的称为直接参数。大多数情况下，被控变量的选择往往是显而易见的。对于以温度、压力、流量、液位为操作指标的生产过程，很明显被控变量就是温度、压力、流量、液位。这是很容易理解的，也无需多加讨论。如前面章节中所介绍过的锅炉汽包水位控制系统和换热器出口温度控制系统，其被控量的选择即属于这一类型。第二章简单控制系统2．选择间接参数作为被控变量质量指标是产品质量的直接反映，因此，选择质量指标作为被控变量应是首先要进行考虑的。如果工艺上是按质量指标进行操作的，理应以产品质量作为被控变量进行控制，但是，采用质量指标作为被控变量，必然要涉及产品成分或物性参数（如密度、黏度等）的测量问题，这就需要用到成分分析仪表和物性参数测量仪表。有关成分和物性参数的测量问题，目前国内外尚未得到很好地解决，其原因如下所述。（1）缺乏各种合适的检测手段。该类产品的品种类型很不齐全，致使有些成分或物性参数目前尚无法实现在线测量和变送。（2）虽有直接参数可测，但信号微弱或测量滞后太大。该类仪表，特别是成分分析仪表，大多具有较严重的测量滞后，不能及时地反映产品质量变化的情况。在这种情况下，还不如选用与直接质量指标具有单值对应关系而反应又快的另一变量，如温度、压力、流量等间接参数。因此，当直接选择质量指标作为被控变量比较困难或不可能时，可以选择一种间接的指标，即间接参数作为被控变量。但是必须注意，所选用的间接指标必须与直接指标有单值的对应关系，并且还需具有足够大的灵敏度，即随着产品质量的变化，间接指标必须有足够大的变化。第二章简单控制系统2.2.2被控变量的选择原则在实践中，被控变量的选择以工艺人员为主，以自控人员为辅，因为对控制的要求是从工艺角度提出的。但自动化专业人员也应多了解工艺，多与工艺人员沟通，从自动控制的角度提出建议。工艺人员与自控人员之间的相互交流与合作，有助于选择好控制系统的被控变量。在过程工业装置中，为了实现预期的工艺目标，往往有许多个工艺变量或参数可以被选择作为被控变量，也只有在这种情况下，被控变量的选择才是重要的问题。从多个变量中选择被控变量应遵循下列原则：（1）被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般都是工艺过程中比较重要的变量；（2）应尽量选择那些能直接反映生产过程的产品产量和质量，以及安全运行的直接参数作为被控变量。当无法获得直接参数信号，或其测量信号微弱（或滞后很大）时，可选择一个与直接参数有单值对应关系、且对直接参数的变化有足够灵敏度的间接参数作为被控变量；（3）选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内外仪表产品的现状。第二章简单控制系统