本章考核要點(diǎn)
*掌握簡(jiǎn)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(diǎn)
*熟悉均勻控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)特點(diǎn)及應(yīng)用
*掌握串級(jí)控制系統(tǒng)、分程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及應(yīng)用
簡(jiǎn)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且具有相當(dāng)廣泛的適應(yīng)性。
(一)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的組成
在化工生產(chǎn)過(guò)程中有各種控制系統(tǒng)，圖3-1是幾個(gè)簡(jiǎn)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(gè)需要控制的過(guò)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(chēng)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(chēng)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(guò)程中存在擾動(dòng)。例如，蒸汽壓力、泵的轉(zhuǎn)速、進(jìn)料量的變化等。
在這些控制系統(tǒng)中，檢測(cè)元件和變送器將被控變量的檢測(cè)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)影響時(shí)，檢測(cè)信號(hào)與設(shè)定值之間就有偏差，因此，檢測(cè)變送信號(hào)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(yùn)算，并輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變操縱變量，使被控變量回復(fù)到設(shè)定值。
可見(jiàn)，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)由檢測(cè)變送單元、控制器、執(zhí)行器和被控對(duì)象組成。
檢測(cè)元件和變送器用于檢測(cè)被控變量，并將檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(cè)變送單元的輸出信號(hào)與設(shè)定值信號(hào)進(jìn)行比較，按一定的控制規(guī)律對(duì)其偏差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)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(shí)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(hào)，通過(guò)改變執(zhí)行器節(jié)流件的流通面積來(lái)改變操縱變量。它可以是氣動(dòng)薄膜控制閥、帶電氣閥門(mén)定位器的電動(dòng)控制閥等。執(zhí)行器也可用變頻調(diào)速電機(jī)等實(shí)現(xiàn)。
被控對(duì)象是需要控制的設(shè)備，如換熱器、泵液位儲(chǔ)罐和管道等。
(二)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述
首先，要求自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在掌握較為全面的自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)知識(shí)的同時(shí)，也要盡可能多地熟悉所要控制的工藝裝置對(duì)象；其次，要求自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員與工藝專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行必要的交流，共同確定自動(dòng)化方案；再次，自動(dòng)化技術(shù)人員要切忌盲目追求控制系統(tǒng)的先進(jìn)性和所用儀表及裝置的先進(jìn)性。工藝人員要進(jìn)一步建立對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的信心，特別是一些復(fù)雜對(duì)象和大系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化，要注意傾聽(tīng)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員的建議；最后，設(shè)計(jì)一定要遵守有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、行規(guī)，按科學(xué)合理的程序進(jìn)行。
(1)基本內(nèi)容。
①確定控制方案。首先要確定整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，然后才能進(jìn)行各個(gè)具體控制系統(tǒng)方案的討論確定。對(duì)于比較大的控制系統(tǒng)工程，更要從實(shí)際情況出發(fā)，反復(fù)多方論證，以避免大的失誤。控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，是關(guān)鍵的第一步。要通過(guò)廣泛的調(diào)研和反復(fù)的論證來(lái)確定控制方案，它包括被控變量的選擇與確認(rèn)、操縱變量的選擇與確認(rèn)、檢測(cè)點(diǎn)的初步選擇、繪制出帶控制點(diǎn)的工藝流程圖和編寫(xiě)初步控制方案設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)等。
②儀表及裝置的選型。根據(jù)已經(jīng)確定的控制方案進(jìn)行選型，要考慮到供貨方的信譽(yù)、產(chǎn)品的質(zhì)量、價(jià)格、可靠性、精度、供貨方便程度、技術(shù)支持、維護(hù)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(jì)。包括控制室設(shè)計(jì)、供電和供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、儀表配管和配線設(shè)計(jì)及聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，提供相關(guān)的圖表。
(2)基本步驟。
①初步設(shè)計(jì)。初步設(shè)計(jì)的主要目的是上報(bào)審批，并為訂貨做準(zhǔn)備。
②施工圖設(shè)計(jì)。在項(xiàng)目和方案獲批后，為工程施工提供有關(guān)內(nèi)容詳細(xì)的設(shè)計(jì)資料。
③設(shè)計(jì)文件和責(zé)任簽字。包括設(shè)計(jì)、校核、審核、審定、各相關(guān)專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人員的會(huì)簽等，以嚴(yán)格把關(guān)、明確責(zé)任、保持協(xié)調(diào)。
④參與施工和試車(chē)。設(shè)計(jì)代表應(yīng)該到現(xiàn)場(chǎng)配合施工，并參加試車(chē)和考核。
⑤設(shè)計(jì)回訪。在生產(chǎn)裝置正常運(yùn)行一段時(shí)間后，應(yīng)去現(xiàn)場(chǎng)了解情況，聽(tīng)取意見(jiàn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。
2.被控變量的選擇
被控變量的選擇是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。在實(shí)踐中，該變量的選擇以工藝人員為主，自控人員為輔，因?yàn)閷?duì)控制的要求是從工藝角度提出的。但自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)人員也應(yīng)多了解工藝，多與工藝人員溝通，從自動(dòng)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(guò)程工業(yè)裝置中，為了實(shí)現(xiàn)預(yù)期的工藝目標(biāo)，往往有許多個(gè)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(wèn)題。在多個(gè)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(dòng)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(jìn)一步確定控制系統(tǒng)的操縱變量(或調(diào)節(jié)變量)。實(shí)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(duì)被控變量影響最大的一個(gè)。控制通道的放大系數(shù)K要盡量大一些，時(shí)間常數(shù)T適當(dāng)小些，滯后時(shí)間盡量小。
(3)不宜選擇代表生產(chǎn)負(fù)荷的變量作為操縱變量，以免產(chǎn)量受到波動(dòng)。
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(duì)象的特性是固定的；測(cè)量元件及變送器的特性比較簡(jiǎn)單，一般也是不可以改變的；執(zhí)行器加上閥門(mén)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(guò)它改變整個(gè)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，以達(dá)到控制的目的。
控制器的控制規(guī)律對(duì)控制質(zhì)量影響很大。根據(jù)不同過(guò)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(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容。
(1)控制規(guī)律的選擇。
①位式控制。常見(jiàn)的位式控制有雙位和三位兩種。一般適用于滯后較小、負(fù)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(dòng)的場(chǎng)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(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，克服擾動(dòng)能力強(qiáng)，控制作
用及時(shí)，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短，但過(guò)程終了時(shí)存在余差，且負(fù)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(shí)間常數(shù)不太大、擾動(dòng)幅度較小，負(fù)荷變化不大、控制質(zhì)量要求不高，允許有余差的場(chǎng)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(guò)渡時(shí)間加長(zhǎng)。對(duì)于控制通道滯后小，負(fù)荷變化不太大，工藝上不允許有余差的場(chǎng)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(huì)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(guò)程，改善了控制質(zhì)量，故比例微分控制適用于過(guò)程容量滯后較大的場(chǎng)合。對(duì)于滯后很小和擾動(dòng)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(duì)于克服容量滯后有顯著效果，對(duì)克服純滯后是無(wú)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(gè)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(fù)荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的場(chǎng)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(fù)之別。各環(huán)節(jié)增益的正負(fù)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(dāng)該環(huán)節(jié)的輸入增加時(shí)，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(fù)。
對(duì)象的增益可以是正，亦可以是負(fù)，例如在液位控制系統(tǒng)中，控制閥裝在入口處對(duì)象的增益是正的；如果裝在出口處，則對(duì)象的增益是負(fù)的。氣開(kāi)控制閥的增益是正的；氣關(guān)控制閥的增益是負(fù)的。檢測(cè)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(fù)的；反作用控制器的增益是正的。這是因?yàn)樵诳刂葡到y(tǒng)中偏差是設(shè)定值減測(cè)量值(R—Y),而控制器中偏差是測(cè)量值減設(shè)定值(Y—R)。
整個(gè)控制系統(tǒng)必須是一個(gè)負(fù)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(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)好后，對(duì)象、控制閥、檢測(cè)元件和變送器的增益亦確定了，通過(guò)選擇控制器作用方向來(lái)保證控制系統(tǒng)是一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)。
如操縱變量是進(jìn)料量并選擇氣開(kāi)閥，確定控制器正、反作用。進(jìn)料閥開(kāi)度增加，液位升高，因此對(duì)象增益K,為正；液位升高，檢測(cè)變送環(huán)節(jié)的輸出增加，檢測(cè)變送環(huán)節(jié)K正；而氣開(kāi)閥K。為正；為保證負(fù)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(kāi)閥，此時(shí)出料閥開(kāi)度增加，液位降低，因此對(duì)象增益K。為負(fù)；應(yīng)選擇控制器增益K。為負(fù)，即為正作用控制器。
5.執(zhí)行器(氣動(dòng)薄膜控制閥)的選擇
氣動(dòng)薄膜控制閥雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的作用不容忽視。若選型或使用不當(dāng)，往往會(huì)使控制系統(tǒng)運(yùn)行不良。
(1)控制閥結(jié)構(gòu)類(lèi)型及材質(zhì)的選擇。
氣動(dòng)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(lái)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(kāi)、氣關(guān)形式的選擇。
對(duì)于一個(gè)具體的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，究竟選氣開(kāi)閥還是氣關(guān)閥，即在閥的氣源信號(hào)發(fā)生故障或控制系統(tǒng)某環(huán)節(jié)失靈時(shí)，閥是處于全開(kāi)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(lái)決定，一般來(lái)說(shuō)要根據(jù)以下幾條原則進(jìn)行選擇。
①首先要從生產(chǎn)安全出發(fā)，即當(dāng)氣源供氣中斷，或控制器出故障而無(wú)輸出，或控制閥膜片破裂而漏氣等而使控制閥無(wú)法正常工作以致閥芯回復(fù)到無(wú)能源的初始狀態(tài)(氣開(kāi)閥回復(fù)到全關(guān)、氣關(guān)閥回復(fù)到全開(kāi))時(shí)，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(shí)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(dāng)發(fā)生控制閥處于無(wú)能源狀態(tài)而回復(fù)到初始位置時(shí)，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(kāi)，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(dòng)力損耗來(lái)考慮。如控制精餾塔進(jìn)料的控制閥就常采用氣開(kāi)式，一旦控制閥失去能源即處于氣關(guān)狀態(tài)，不再給塔進(jìn)料，以免造成浪費(fèi)。
④從介質(zhì)的特點(diǎn)考慮。精餾塔塔釜加熱蒸汽控制閥一般選氣開(kāi)式，以保證在控制
閥失去能源時(shí)能處于全關(guān)狀態(tài)避免蒸汽的浪費(fèi)，但是如果釜液是易凝、易結(jié)晶、易聚合的物料時(shí)，控制閥則應(yīng)選氣關(guān)式以防調(diào)節(jié)閥失去能源時(shí)閥門(mén)關(guān)閉，停止蒸汽進(jìn)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(guó)內(nèi)常用的理想流量特性有線性、等百分比和快開(kāi)等幾種。
在實(shí)際使用時(shí)，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(shí)，不但要依據(jù)過(guò)程特性，還應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)的配管情況來(lái)考慮。
閥的工作特性應(yīng)根據(jù)過(guò)程特性來(lái)選擇，其目的是使廣義過(guò)程特性為線性，如變送器特性為線性、過(guò)程特性也是線性時(shí)，應(yīng)選用線性工作特性；如果變送器特性為線性，而過(guò)程特性的放大系數(shù)K0。是隨操縱變量的增加而減小時(shí)，則應(yīng)選用對(duì)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(dāng)S=1～0.6時(shí)，理想特性與工作特性幾乎相同；當(dāng)S=0.6～0.3時(shí)，無(wú)論是線性或?qū)?shù)工作特性，都應(yīng)選對(duì)數(shù)的理想特性；當(dāng)S<0.3時(shí)，一般不適宜控制，但也可以根據(jù)低S閥來(lái)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(gè)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(kāi)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(huì)使控制閥可能運(yùn)行在全開(kāi)時(shí)的非線性飽和工作狀態(tài)，系統(tǒng)失控；或使閥門(mén)經(jīng)常處于小開(kāi)度的工作狀態(tài)，造成流體對(duì)閥芯、閥座嚴(yán)重沖蝕，甚至引起控制閥失靈。