第六章 控制系统Word格式文档下载.docx
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偏差理论上应该是被控变量的设定值与实际值之差。
但是能够直接获取的是被控变量的测量值信号而不是实际值，因此，通常把给定值与测量值之差称作为偏差。
二、控制系统的分类
由于控制技术的广泛应用以及控制理论的发展，使得控制系统具有各种各样的形式。
但总的来说可分为两大类，即开环系统和闭环系统。
1、开环控制系统
控制系统输出信号（被控变量）不反馈到系统的输入端，因而也不对控制作用产生影响的系统称为开环控制系统。
开环控制系统又分两种。
一种是按设定值进行控制，如蒸汽加热器，其蒸汽流量与设定值保持一定的函数关系，当设定值变化时，操纵变量随之变化。
另一种是按扰动量进行控制，即所谓定的前馈控制。
2、闭环控制系统
系统的输出（被控变量）通过测量变送环节，又返回到系统的输入端，与给定信号比较，以偏差的形式进入控制器，对系统起控制作用，整个系统构成了一个封闭的反馈回路，这种控制系统被称为闭环控制系统，或称反馈控制系统。
如在蒸汽加热器的出口温度控制系统中，温度控制器接受检测元件及变送器送来的测量信号，并与设定值相比较，根据偏差情况，按一定的控制规律调整蒸汽阀门的开度，以改变蒸汽量。
在闭环控制系统中，按照设定值的情况不同，又可分类为三种类型。
（1）定值控制系统所谓定值控制系统，是指这类控制系统的给定值是恒定不变的。
如蒸汽加热器在工艺上要求出口温度按给定值保持不变，因而它是一个定值控制系统。
定值控制系统的基本任务是克服扰动对被控变量的影响，即在扰动作用下仍能使被控变量保持在设定值（给定值）或在允许范围内。
（2）随动控制系统随动控制系统也称为自动跟踪系统，这类系统的设定值是一个未知的变化量。
这类控制系统的主要任务是：
使被控变量能够尽快地、准确无误地跟踪设定值的变化，而不考虑扰动对被控变量的影响。
在化工生产中，有些比值控制系统就属于此类。
（3）程序控制系统程序控制系统也称顺序控制系统。
这类控制系统的设定值也是变化的，但它是时间的已知函数，即设定值按一定的时间程序变化。
在化工生产中，如间歇反应器的升温控制系统就是程序控制系统。
闭环控制系统的过渡过程及其品质指标如下。
（1）闭环控制系统的过渡过程一个处于平衡状态的自动控制系统在受到扰动作用后，被控变量发生变化；
与此同时，控制系统的控制作用将被控变量重新稳定下来，并力图使其回到设定值或设定值附近。
一个控制系统在外界干扰或给定干扰作用下，从原有稳定状态过渡到新的稳定状态的整个过程，称为控制系统的过渡过程。
控制系统的过渡过程是衡量控制系统品质优劣的重要依据。
（2）过渡过程的质量指标从以上几种过渡过程情况可知，一个合格的、稳定的控制系统，当受到外界干扰以后，被控变量的变化应是一条衰减的曲线。
用过渡过程质量指标来衡量控制系统的好坏时，常采用以下几个指标。
①衰减比：
它是表征系统受到干扰以后，被控变量衰减程度的指标。
其值为前后两个相邻峰值之比。
一般希望它能在4：
1到10：
1之间。
②余差：
它是指控制系统受到干扰后，过渡过程结束时被控变量的残余偏差。
控制系统的余差要满足工艺要求，有的控制系统在工艺上不允许有余差。
③最大偏差：
它表示被控变量偏离给定值的最大程度。
对于一个衰减的过渡过程，最大偏差就是第一个波的峰值。
④过渡过程时间：
又称调节时间，它表示从干扰产生的时刻起，直至被控变量建立起新的平衡状态为止的这一段时间，过渡过程时间愈短愈好。
⑤振荡周期：
被控变量相邻两个波峰之间的时间叫振荡周期。
在衰减比相同的条件下，
周期与过渡时间成正比，因此一般希望周期也是愈短愈好。
三、简单控制系统的组成
简单控制系统又称单回路反馈控制系统，是指由一个被控对象、一个测量变送器、一个控制器和—只调节阀所组成的单回路闭合控制系统。
它是石油、化工等许多部门生产过程中最常见、应用最广泛、数量最多的控制系统。
简单控制系统结构简单，投资少，易于调整和投运，能满足一般生产过程的控制要求，因而应用很广泛。
它尤其适用于被控对象纯滞后小，时间常数小，负荷和干扰变化比较平缓，或者对被控变量要求不太高的场合。
简单控制系统常用被控变量来划分，最常见的是温度、压力、流量、液位和成分等五种控制系统。
1．被控变量的选择
被控变量的选择是十分重要的，它是自动控制系统设计的第一步，应该从生产过程对自动控制的要求出发，合理地选择被控变量。
在一个化工生产过程中，可能发生波动的工艺变量很多，但并非对所有的工艺变量都要加以控制，而且也不可能都加以控制。
应在工艺流程图上找出对稳定生产，对产品的产量和质量，对确保经济效益和安全生产有决定性作用的工艺变量，或者人工操作过于频繁、紧张而难以满足工艺要求的工艺变量作为被控变量，来设计自动控制系统。
生产中作为物料平衡控制的工艺变量通常是流量、液位和压力等工艺参数；
它们可以直接被检测出来作为被控变量。
而作为产品质量控制的成分往往找不到合适的、可靠的在线分析仪表，因此，常采用反应器的温度、精馏塔某一塔板的温度或温度差来代替成分作为被控变量。
这种间接的被控变量——温度或温差，只要与成分有对应关系，并且有足够的灵敏度，则完全是适用的，而且在石油、化工生产中广泛应用。
综上所述，被控变量的选择原则为：
①选用质量指标作为被控变量，它最直接也最有效；
②当不能用质量指标作为被控变量时，应选择一个与产品质量（成分）有单值对应关系的参数（如温度或温差）作为被控变量；
③当被表征的质量指标变化时，被控变量必须具有足够的变化灵敏度和足够大小的信号；
④选择被控变量时，必须考虑到工艺过程的合理性、生产安全性以及国内外仪表生产的现状等。
2．操纵变量的选择
在被控变量选定以后，下一步就是要选择控制系统的操纵变量，去克服扰动对被控变量的影响。
当工艺上容许有几种操纵变量可供选择时，要根据对象控制通道和扰动通道特性对控制质量的影响，合理地选择操纵变量。
在化工生产中，工艺总是要求被控变量能稳定在设定值上，因为工艺变量的设定值是按一定的生产负荷、原料组分、质量要求、设备能力、安全极限和合理的单位能耗等因素综合平衡而确定的，工艺变量稳定在设定值上，一般都能得到最大的经济效益。
然而由于种种外部和内部的因素，对工艺过程的稳定运转存在着许多干扰。
因此，自控设计人员必须正确选择操纵变量，建立一个合理的控制系统，确保生产过程的稳定操作。
选择操纵变量时，必须考虑以下几个原则：
①首先从工艺上考虑，它应允许在一定范围内改变；
②在选择操纵变量时，应使扰动通道的时间常数大些；
而使控制通道的时间常数适当地小些。
控制通道的纯滞后时间越小越好。
③被选上的操纵变量的控制通道，放大系数要大，这样对克服扰动较为有利。
④应尽量使扰动作用点靠近调节阀处。
⑤被选上的操纵变量应对装置中其他控制系统的影响和关联较小，不会对其他控制系统的运行产生较大的扰动等等。
另外，要组成一个好的控制系统，除了正确选择被控变量和操纵变量外，还应注意以下几个问题。
1纯滞后：
纯滞后使测量信号不能及时反映被控变量的实际值，从而降低了控制系统的控制质量。
因此，必须注意被控变量的测量点（安装位置）应具有真正的代表性，并且纯滞后越小越好。
2测量滞后：
是指由检测元件时间常数所引起的动态误差。
如测温元件测温时，由于存在着热阻和热容，它本身具有一定的时间常数，因而测温元件的输出总是滞后于被控变量的变化，从而引起幅值的降低和相位的滞后，如果控制器接受的是一个幅值降低的，相位滞后的失真信号，它就不能正常发挥校正作用，因此控制系统的控制质量也会大大降低。
所以必须选择快速检测元件，以减小测量滞后。
③传递滞后：
为了减小传输时间，当气动传输管线长度超过150m时，在中间可采用气动继动器，以缩短传输时间。
当调节阀膜头容积过大时，为减少容量滞后，可使用阀门定位器。
④选择控制规律：
对滞后较大的温度、成分控制系统，可选用带微分作用的调节器，借助微分作用来克服测量滞后的影响。
对滞后特别大（特别是有纯滞后存在）的系统，微分作用将难以见效，此时；
为了保证控制质量，可采用串级控制系统，借助于副回路来克服纯滞后和对象时间常数等。
一般的压力、流量和液位等简单控制系统常常采用比例积分作用即可。
四、简单控制系统的投运和调节器参数的工程整定
1．简单控制系统的投运
所谓控制系统的投运，是指当系统设计、安装就绪，或者经过停车检修之后，使控制系统投入使用的过程。
要使控制系统顺利地投入运行，首先必须保证整个系统的每一个组成环节都处于完好的待命状态。
这就要求操作人员（包括仪表人员）在系统投运之前，对控制系统的各种装置、连接管线、供气、供电等情况进行全面检查。
同时要求操作人员掌握工艺流程，熟悉控制方案，了解设计意图，明确控制目的与指标，懂得主要设备的功能，以及所用仪表的工作原理和操作技术等。
简单控制系统的投运步骤如下。
（1）现场手动操作先将切断阀关闭，手动操作旁通阀，待工况稳定后，可以转入手动遥控调节。
（2）手动遥控先将调节阀阀后的切断阀全开，然后慢慢地开大调节阀阀前切断阀，关小旁通阀，与此同时，拨动控制器的手操拨盘，逐渐改变调节阀的开度，使被控变量基本不变，直到旁通阀全关，切断阀全开为止；
待工况稳定后，即被控变量等于或接近设定值后，就可以从手动切换到自动控制。
（3）由手动遥控切换到自动在进行手动到自动切换前，需将控制器的比例度、积分时间和微分时间置于已整定好的数值上。
对于第一次投运的系统，控制器参数可参照下表6-1，预置在该类系统控制器参数常见范围的某一数值上。
然后观察被控变量是否基本上稳定在设定值或极小偏差，若是，立刻把切换开关从手动切换到自动（指无中间平衡类控制器），再继续观察，如被控变量仍然稳定在给定值上，切换成功。
如切自动后，被控变量波动剧烈，可反切到手动，重复上述步骤；
如果切自动后，被控变量有波动，且不很理想时，可通过控制器的参数整定，使自动控制达到正常运行状态，即被控变量基本上稳定在设定值上或附近，最大偏差不超过工艺允许值。
表6-1选择δ、Ti和TD的一些规则
比例度δ
积分时间Ti
微分时间TD
δ↓，将使衰减比n↓振荡倾向↑
Ti↓，将使衰减比n↓
TD↑，将使衰减比n↑（但TD太大时，n↓
δ应大于临界值，例如增大一倍
Ti应取振荡周期的1/2倍
取TD＝（1/3～1/4）Ti
K0（对象放大系数）大时，δ应大些
引入积分作用后，δ应比单纯比例时增大（10～20）％
引入微分作用后，δ可比单纯比例时减小（10～20）％
2．控制器参数的工程整定
通过调节系统的工程整定，使控制器获得最佳参数，即过渡过程要有较好的稳定性与快速性。
一般希望调节过程具有较大的衰减比，超调量要小些，调节时间越短越好，又要没有余差。
对于定值控制系统，一般希望有4：
1的衰减比，即过程曲线振动一个半波就大致稳定。
如对象时间常数太大，调整时间太长时，可采用10：
1衰减。
有了以上最佳标准，就可整定控制器参数在最佳值上。
最常用的工程整定方法有经验法、临界比例度法、衰减曲线法和反应曲线法等。
（1）临界比例度法临界比例度法是应用较广的一种整定调节器参数的方法。
它的特点是不需要求得被控对象的特性，而直接在闭环情况下进行参数整定。
具体整定方法如下：
先在纯比例作用下，即将控制器的Ti放到最大，TD置于零，逐步地减小比例度δ，直至系统出现等幅振荡为止，记下此时的比例度和振荡周期，分别称作为临界比例度δK和临界振荡周期TK。
然后可按表6-1中所列的经验算式，分别求出三种不同情况下的控制器最佳参数值。
此法简单明了，容易判断整定质量，因而在生产上应用较多。
但是工艺上被控变量不允许等幅振荡时不宜采用。
另外流量控制系统由于TD太小，在被控变量的记录曲线上看不出等幅振荡的Tk和波形时，也不能采用。
（2）衰减曲线法临界比例度法是要使系统产生等幅振荡，还要多次试凑，而用衰减曲线法较为简单，而且可直接求得调节器比例度。
衰减曲线法分为4：
1和10：
1两种。
14：
1衰减曲线法：
使系统处于纯比例作用下，在达到稳定时，用给定值改变的方法加入阶跃干扰，观察被控变量记录曲线的衰减比，然后逐渐从大到小改变比例度，使其出现4：
1的衰减比为止。
记下此时的比例度δs和它的衰减周期TS。
210：
l衰减曲线法：
有的生产过程，由于采用4：
l的衰减仍嫌振荡太强，则可采用10：
1衰减曲线法。
方法同上，使被控变量记录曲线得到10：
1的衰减时，记下这时的比例度和上升时间。
采用衰减曲线法时必须注意以下几点。
a．加给定干扰不能太大，要根据工艺操作要求来定，一般为5％左右（全量程），但也有特殊的情况。
b．必须在工况稳定的情况下才能加设定干扰，否则得不到较正确的δs和TS。
c．对于快速反应的系统，如流量、管道压力等控制系统，想在记录纸上得到理想的4：
1曲线是不可能的。
此时，通常以被控变量来回波动两次而达到稳定，就近似地认为为4：
l的衰减过程。
（3）经验试凑法经验法是根据参数整定的实际经验，对生产上最常见的温度、流量、压力和液位等四大控制系统进行调节。
将调节器参数预先放置在常见范围（见表6-2）的某些数值上，然后改变设定值，观察控制系统的过渡过程曲线。
如过渡过程曲线不够理想，则按一定的程序改变控制器参数，这样反复凑试，直到获得满意的控制质量为止。
表6-2各种控制系统PID参数经验数据表
被控变量
调节器参数
δ，％
Ti，min
TD，min
稳定
液位
压力
流量
20～60
20～80
30～70
40～100
3～10
1～5
0.4～3
0.1～3
0.5～3
经验凑试法的程序有两种。
应用较多的一种是先试凑比例度，再加积分，最后引入微分。
这种试凑法的程序为：
先将Ti置于最大，TD放在零，比例度δ取表6-2中常见范围内的某一数值后，把控制系统投入自动。
若过渡过程时间太长，则应减小比例度；
若振荡过于剧烈，则应加大比例度，直到取得较满意的过渡过程曲线为止。
引入积分作用时，需将已调好的比例度适当放大10％～20％，然后将积分时间Ti由大到小不断凑试，直到获得满意的过渡过程。
微分作用最后加入，这时δ可放得比纯比例作用时更小些，积分时间Ti也可相应地减小些。
微分时间TD一般取（1/3～1/4）Ti”但也需不断地凑试，使过渡过程时间最短，超调量最小。
经验法的实质是：
看曲线，作分析，调参数，寻最佳，方法简单可靠，对外界干扰比较频繁的控制系统，尤为合适，因此，在实际生产中得到了最广泛的应用。
五、复杂控制系统
目前常用的复杂控制系统有串级、均匀、比值、前馈-反馈、选择性、分程以及三冲量等，并且随着生产发展的需要和科学技术的进步，又陆续出现了许多其他新型的复杂控制系统。
1．串级控制系统
串级控制系统是应用最早，效果最好，使用最广泛的一种复杂控制系统。
它的特点是两个控制器相串接，主控制器的输出作为副控制器的设定，适用于时间常数及纯滞后较大的被控对象。
串级控制系统的方块图见下图。
x1e1x2e2y2y1
z1z2
图：
串级控制系统方块图
（1）串级控制系统的特点
从总体上看，串级控制系统仍是定值控制系统，因此，主被控变量在扰动作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标和类似的形式。
但是，串级控制系统在结构上增加了一个随动的副回路，因此，与单回路相比有以下几个特点：
①对进入副回路的扰动具有较迅速、较强的克服能力；
②可以改善对象特性，提高工作频率；
③可消除调节阀等非线性特性的影响；
④串级控制系统具有一定的自适应能力。
（2）串级控制系统的投运和参数整定
串级控制系统的投运和简单控制系统一样，要求投运过程保证做到无扰动切换。
串级控制系统由于使用的仪表和接线方式各不相同，投运的方法也不完全相同。
目前采用较为普遍的投运方法是：
先把副控制器投入自动，然后在整个系统比较稳定的情况下，再把主控制器投入自动，实现串级控制。
这是因为在一般情况下，系统的主要扰动包含在副回路内，而且副回路反应较快，滞后小，如果副回路先投入自动，把副变量稳定，这时主变量就不会产生大的波动，主控制器的投运就比较容易了。
再从主、副两个控器的联系上看，主控制器的输出是副控制器的设定，而副控制器的输出直接去控制调节阀。
因此，先投运副回路，再投运主回路，从系统结构上看也是合理的。
串级控制系统主、副控制器的参数整定方法主要有两步整定法和一步整定法两种。
2．比值控制系统
在炼油、化工等生产过程中，经常要求两种或两种以上的物料，按一定比例混合后进行化学反应，否则会发生事故或浪费原料量等。
工业生产上为保持两种或两种以上物料比值为一定的控制叫比值控制。
在比值控制系统中，首先要明确哪种物料是主物料，另一种物料按主物料来配比。
系统中主物料或主流量，用G1表示。
一般情况下，总以生产中的主要物料的流量作为主流量，或者以不可控物料的流量作为主流量。
另一种物料随主流量的变化而变化，称之为从物料或副流量，用G2表示。
（1）比值控制方案
常见的比值控制系统有单闭环比值、双闭环比值和串级比值等三种。
单闭环比值控制系统的优点是：
两种物料流量的比值较为精确，实施方便，从而得到了广泛的应用。
但是这种控制方案当主流量出现大的扰动或负荷频繁波动时，副流量在调节过程中，相对于控制器的给定值会出现较大的偏差。
因此，这种方案对严格要求动态比值的化学反应是不合适的。
双闭环比值控制系统除了能克服单闭环比值控制的缺点外，另一个优点是提降负荷比较方便，只要缓慢地改变主流量控制器的设定值，就可提、降主流量，同时副流量也就自动地跟踪主流量，并保持两者比值不变。
它的缺点是采用单元组合仪表时，所用设备多，投资高；
而当今采用功能丰富的数字式仪表，它的缺点可完全消失。
串级比值控制系统，以上介绍的两种比值控制系统，其流量比是固定不变的，固也可称定比值控制定，比值控制作为副回路，从而构成串级比值控制系统，也称变比值控制系统。
（2）比值控制系统的投运和参数的整定
比值控制系统在设计、安装好以后，就可进行系统的投运。
投运的步骤大致与简单控制系统相同。
系统投运前，比值系数不一定要精确设置，可以在投运过程中，逐渐进行校正，直到工艺认为比值合格为止。
对于变比值控制系统，因结构上是串级控制系统，因此，主控制器可按串级控制系统的主控制器整定。
双闭环比值控制系统的主物料回路可按单回路定值控制系统来整定。
但对于单闭环比值控制系统和双闭环的从物料回路、变比值回路来说，它们实质上均属于随动控制系统，即主流量变化后，希望副流量能快速地随主流量按一定的比例作相应的变化。
因此，它不应该按定值控制系统4：
l最佳衰减曲线法的要求进行整定，而应该整定在振荡与不振荡的边界为好。
其整定步骤大致如下：
①根据工艺要求的两流量比值，进行比值系数计算。
在现场整定时，根据计算的比值系数投运，在投运过程中再作适当调整，以满足工艺要求。
②将Ti→∞，在纯比例作用下，调整比例度（使δ由大到小变化），直到系统处于振荡与不振荡的临界过程为止。
③在适当放大比例度的情况下，一般放大20％，然后慢慢地减小积分时间，引入积分作用，振荡与不振荡的临界过程或微振荡过程为止。
3．选择性控制系统
一般控制系统都是在正常工况下工作的。
当生产不正常时，通常的处理方法有两种。
一种是切入手动，进行遥控操作；
另一种是联锁保护紧急停车，防止事故发生，即所谓硬限控制。
由于硬限控制对生产和操作都不利，近年来采用了安全软限控制。
所谓安全软限控制，是指当一个工艺参数将要达到危险值时，就适当降低生产要求，让它暂时维持生产，并逐渐调整生产，使之朝正常工况发展。
能实现软限控制的控制系统称为选择性控制系统，又称为取代控制系统或超驰控制系统。
在正常工况下，选择器选中正常控制器I，使之输出送至调节阀，实现对参数I的正常控制。
这时的控制系统工作情况与一般的控制系统是一样的。
但是，一旦参数Ⅱ将要达到危险值，选择器就自动选中控制器Ⅱ的信号，从而取代控制器I操纵调节阀。
这时对参数I来说，可能控制质量不高，但生产仍在继续进行，并通过控制器Ⅱ的调节，使生产逐渐趋于正常，待到恢复正常后，控制器I又取代控制器Ⅱ的工作。
这样，就保证在参数Ⅱ达到越限前就自动采取新的控制手段，不必硬性停车。
（1）选择性控制系统的类型
选择性控制系统在结构上的特点是使用了选择器。
选择器可以接在两个或两个以上的调节器的输出端，也可接在几个变送器的输出端，对测量信号进行选择，以适应不同工况的需要。
A．选择器装在控制器与调节阀之间
这类选择性控制系统的特点是几个控制器公用一个调节阀。
通常是两个控制器合用一只调节阀，其中一个控制器在正常工况下工作，另一个处于待命备用状态，遇到工艺生产不正常时，就由它取而代之，直到工况恢复正常，再由原来的控制器进行控制。
B．选择器装在变送器与控制器之间
这种类型的选择性控制系统的特点是，几个变送器合用一只控制器。
选择的目的有两种。
①选出最高或最低测量值。
以固定床反应器中最高温度的控制为例。
最高温度的位置可能会随催化剂的老化变质、流动等原因有所移动。
反应器各处的温度都应当加以比较，选择其中高的用于温度控制。
②选取可靠测量值。
对于关键参数的检测点，如果变送器失灵机会较多，为了避免造成不可估计的损失，可在同一检测点安装两个以上的变送器，通过选择器选出可靠的检测信号值进行自动控制，以提高系统运行的可靠性。
C．操纵变量选择性控制系统若一个被控变量有几种操纵变量可供选择，也可用选择性控制系统按不同工况选择不同的操纵变量。
（2）积分饱和及其防止措施
对于具有积分作用的控制器，若处于开环状态，由于偏差存在，控制器的输出随着时间增加，会达到最大或最小极限值；
这就是控制器的积分饱和现象。
在选择性控制系统（被控变量选择性控制系统）中，两个控制器中总有一个是处于开环状态，不论哪个控制器，只要有积分作用存在，都有可能产生积分饱和现象。
如果正常控制器有积分作用，则在用取代控制器控制，且工况尚未正常时，被控变量一定有偏差存在，正常控制器的输出就会积分到上限或下限极限值，直到工况恢复；
如果偏
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