第 6章 简单控制系统 简单控制系统的机构与组成简单控制系统的主要内容简单控制系统的方案设计元特性对控制系统的影响控制器的设计控制器参数的工程整定单回路控制系统的投运简单控制系统的分析与设计

简单控制系统是指由一个被控对象、一个控制器、一个执行器和一个测量变送单元构成的闭环控制系统。简单控制系统具有结构简单，投资少，易于调整、投运，能满足一般生产过程的工艺要求的特点，占各类控制系统的 85% 以上，应用非常广泛。此外，目前采用的各种先进控制方案无一例外是建立在简单控制系统基础上的。因此非常有必要对简单控制系统进行分析和研究。

简单控制系统的框图如 6-1 所示。当被控对象在某种干扰作用下使被控变量偏离了给定值，即产生了偏差时，控制器根据偏差的大小和方向按照某种控制规律运算后，给执行器发送控制信号，以改变执行器的开度，即改变操纵边量的大小，从而克服干扰对被控变量的影响，使被控变量的值接近给定值。简单控制系统非常适用于生产过程纯滞后与惯性不大、负荷与干扰比较平稳或者工艺要求不太高的场合。

控制器 执行器 被控对象

测量变送单元

+-

给定x(t)

反馈z(t)

偏差 控制信号

干扰

被控变量y(t)操纵变量

图 6-1 简单控制系统的框图

LT

LCR1

R2

h

q

q

1

2

TT TC

R1

R2

q

q

1

2

蒸汽

搅拌器

加热盘管

图 6-2 液位定值控制系统 图 6-3 贮液槽加热系统

6.2 简单控制系统设计的主要内容

要设计一个反馈控制系统，必须结合实际的生产工艺、了解被控对象的特性、干扰的种类及其系统性能指标的要求，并在此基础上确定被控变量和操纵变量、选择适合的控制器、执行器、测量变送单元及控制规律，从而在实现系统自动化的基础上，达到提高产品质量、降低生产消耗、改善劳动条件及保护人身和设备安全等目的。设计步骤可简述如下：

1 ）首先对生产工艺过程作一个全面的了解，对工艺生产过程中所使用的各类型设备和其他辅助设备作一个系统分析。2 ）根据生产工艺要求确定被控变量和操纵变量。3 ）根据系统的性能指标和生产工艺的特点确定调节阀的种类及规格。4 ）根据被控变量的特性及系统的反应速度等要求选择合适测量变送元件。5 ）研究被控对象、调节阀及检测元件的特性对控制质量的影响，选择合理的控制规律。6 ）确定控制器的正、反作用形式，以确保控制系统为负反馈系统。7 ）对控制器参数进行整定，以使控制系统能满足工艺指标的需求。

6.3.1 被控变量的选择根据生产工艺要求选择被控变量是系统设计中的一个至关重要的问题，它对于稳定生产、提高产品产量和质量、改善劳动条件等都有重要意义。如果被控变量选择不当，则不论组成什么样的控制系统，选用多么先进的检测、控制仪表，均不能达到良好的控制效果。对于一个生产过程来说，影响生产过程的因素是多种多样的，但是并非对所有影响的因素都需要加以控制。所以，必须根据工艺要求，深入分析工艺过程，找出对产品产量和质量、安全生产、经济运行和节能等具有决定性作用，并且可以测量的工艺参数作为被控变量。

一般说来选择被控变量主要有选取直接被控变量和间接被控变量两种方法。如图 6-4 所示的锅炉液位控制系统为例。由于在生产过程中，贮液槽的液位过高和过低都将对生产过程造成严重的影响，液位过高会有爆炸的危险，液位过低则可能出现系统干烧的危险，因此可以选择锅炉的液位作为直接被控变量。

LT

LC

R1

R2h

q

q

1

2电加热丝

当选取直接作为被控变量有困难（如缺少获取质量信息的仪表、难以在线检测产品的成分或者测量滞后过大）或无法满足控制质量的要求时，可以选用间接参数作为被控变量。 例如，在精细化工生产中，甲醇回收过程是常见的操作过程，如图 6-5 所示。采用的关键设备为甲醇精馏塔，回收的甲醇作为再循环原料使用，其纯度直接影响生产工序产品的合格率，因此工艺上要求回收甲醇的纯度达到 98％ 以上。精馏塔顶置有冷凝器，利用塔顶蒸汽的部分冷凝液回流；塔釜采用直接蒸汽加热方式；进料为CH3OH-H2O 系饱和液体，在常压下操作，是一种二组分精馏体系。由于工艺上主要考虑塔顶馏出物的纯度，对塔釜液无特殊要求，因此可选择精馏段为对象的控制方案。

以精馏段作被控对象，原则上应选择直接表征产品质量的指标—馏出物中甲醇含量 XD 作被控变量。但由于成分仪表从采样到分析滞后大、反应慢、可靠性差，因此不宜采用成分作被控变量，而应采用间接被控变量。根据相平衡理论，在两组分精馏中，塔顶易挥发组分的浓度 XD 与塔顶温度 TD 、塔压 P之间存在一定的关系。当塔压一定时， XD 与 TD之间成单值关系、由热力学计算可得一定 TD 下的 XD 值，且 TD增高 XD 下降．如能将塔顶温度TD 控制在给定值，则甲醇浓度 XD就能稳定在工艺规定的范围内。因此，可选择固定塔压下以塔顶温度为被控变量。

综上所述，要正确地选择被控变量，必须在了解生产工艺流程、生产工艺特点及控制的要求的基础上进行合理分析。一般可遵循以下原则：1 ）尽量选择直接参数作为被控变量，此时的控制过程更加清晰。如选择直接参数作为被控变量有困难时，可选择间接参数作为被控变量。在这里需要指出的是，对于一个已经运行的生产设备，其控制变量一般早已确定。2 ）选择间接参数时要保证其与直接参数有单值的函数关系。3 ）被控变量能够独立可控。4 ）选择的被控变量应该能够被方便地测量出，并且有足够的灵敏度。5 ）还应考虑工艺生产的合理性和国内外仪表的供应情况。

6.3.2 操纵变量的选择当被控变量确定后，还需要选择合理的操纵变量。当生产过程中有多个变量能影响被控变量变化时，应该分析这些变量对被控变量影响的作用大小和快慢，选择控制作用强、控制迅速的变量作为操纵变量。一旦操纵变量选定后，其他能引起被控变量变化的量就为系统的干扰。由操纵变量构成的回路称为控制通道，而由干扰构成的回路则称为干扰（扰动）通道。图 6-6 给出了简单控制系统的控制通道和干扰通道的示意图。由图可见控制通道和干扰通道在控制系统中所包含的路径有较为明显的差异，控制通道通过给定值起作用，使被控变量的输出与给定值相一致，而干扰通道则在环路内部起作用，使被控变量的输出偏离给定值。

控制器 执行器 被控对象

测量变送单元

+-

给定值

反馈

偏差 控制信号

干扰

被控变量操纵变量

控制通道 干扰通道

以合成氨的变换炉为例（如图 6-7 所示）。生产过程要求一氧化碳的转化率要高，蒸汽消耗量要少，触媒寿命要长，通常用变换炉一段反应温度作为被控变量，来间接地控制转换率和其他指标。图 6-8 分别给出了冷激量（见图 6-8曲线 1 ）、蒸汽量（见图 6-8曲线 2 ）和煤气量（见图 6-8曲线 3 ）对换热器的影响。 根据控制通道克服扰动能力要强这一原则，可选用冷激量作为操纵变量。

综上所述，选择操纵变量时，主要应考虑如下原则：1 ）首先从工艺上考虑，它应允许在一定范围内改变。2 ）选择的操纵变量其控制通道放大系数要大，这样对克服干扰较为有利。3 ）在选择操纵变量时，应使控制通道的时间常数适当小一些，而干扰通道的时间常数可以大一些。4 ）选择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影响。

6.3.3 放大系数、时间参数和滞后时间对控制质量的影响1．放大系数对控制过程的影响

根据控制原理的相关理论，系统在单位阶跃干扰作用下，系统余差可由下式表示：0(1 )f cc K K K

Kc K0，T0+- +

+

Kf，Tf

x(t)

z(t)控制器

干扰

执行器+被控对象

y(t)

2．时间常数对控制过程的影响大部分的生产过程往往包括几个时间常数，如对象的时间常数、检测环节的时间常数、执行器的时间常数等，这些时间常数在一定情况下可以等效为一个总的时间常数 ，在控制方案已经确定的情况下，时间常数对控制的品质的影响有着重要意义。

T

1 2T T

3．滞后时间对控制过程的影响

图 6-11 纯滞后对控制品质的影响示意图 图 6-12 干扰通道纯滞后对控制品质的影响示意图

6.4 元件特性对控制系统的影响这里的元件主要包括测量元件和执行元件（阀）两大类。测量元件是获取被控变量参数的途径。一个控制系统，如不能正确地获取被控参数的变化信息，并将其及时地传送给控制器，就不可能使控制器发挥其应有的功能，也就谈不上克服扰动对被控参数的影响，并使系统稳定地工作在工艺要求范围内。在分析测量元件特性对控制系统的影响时，往往会碰到测量过程及测量结果传送过程中存在的滞后问题，这些滞后问题往往与测量元件的特性、安装位置和信息传递方式有密切关系。所以如要获得合理的控制效果，就必须深入地了解测量元件特性。执行元件也是组成控制系统的一个重要环节，其特性的好坏对控制品质的影响很大。大量的实践表明，系统不能正常运行的一个重要原因是就由于执行元件选择不合理造成的。因此，设计一个性能良好的控制系统，也必须深入了解执行元件的特性。

6.4.1 测量元件时间常数对控制系统的影响测量元件对控制系统的影响主要体现在测量的滞后作用上。通过测量元件对参数进行测量，不可避免地会带来滞后的问题。滞后作用主要包括纯滞后和测量滞后。纯滞后主要是测量元件安装位置不当引起的，因此为减少测量元件纯滞后的影响，要正确地选择测量元件的安装位置，将其安装在被控变量变化比较灵敏的地方。

图 6-13 测量元件时间常数对测量的影响

6.4.2 测量元件输出信号传递滞后对控制系统的影响在实际的生产过程中，测量元件往往与被控对象放置在一起，与控制器放置的控制室存在一定的距离，因此要将测量元件的输出信号传递到控制器中，势必会存在输出信号传递的滞后。以电磁效应为基础的测量元件，由于其信号传递速度非常快，一般认为该种信号传递无滞后作用，而气动仪表信号的传递主要是通过气压传递，因此该信号传递延时效应必须考虑。表 6-1 给出了管道内径为 4.8mm ，气压为 20~100kPa情况下，气动信号传递的纯滞后时间和时间常数的特性参数。

6.4.3 执行元件对控制系统的影响工业生产中最常用的阀门流量特性有直线特性阀门和对数特性阀门。一般情况下，优先推荐使用等百分比特性的阀门，这是由于：（ 1 ）等百分比特性阀门在其工作范围内，其放大系数是变化的，调节阀在小开度时，阀门的放大系数小，控制缓和平稳，调节阀在大开度时，阀门的放大系数大，控制及时有效。因此能适应负荷变化大的场合，也能适用于阀门经常工作在小开度的情况。（ 2 ）被控过程往往是一个非线性过程，选用等百分比调节阀，可以使系统总的放大系数保持不变或近似不变，能提高系统的控制质量。

执行元件（阀门）气开、气关形式的选择主要是考虑在不同工艺条件下安全生产的需要。其选择原则如下：1 ）考虑故障状态时的人身及设备安全问题： 当控制系统发生故障时，调节阀的状态能确保人身和工艺设备的安全。例如，锅炉供水阀门一般选用气关式，一旦事故发生，可确保阀门处于全开的位置，使锅炉不至于因供水中断而发生干烧，进而引起爆炸；在加热系统中的燃料油控制阀应采用气开式，一旦事故发生时，调节阀能迅速切断燃料油的供应，避免设备出现温度过高的情况，确保人身和设备安全。2 ）考虑生产装置中物质的性质： 当某些生产装置中的物质是易结晶、易凝固的物料时，调节阀应选用气关式。当出现事故时，应使阀门处于全开状态，以防物料出现结晶、凝固和堵塞的问题，给重新开工带来麻烦，甚至损坏设备。

6.5 控制器的设计在系统设计时，一旦按照工艺要求设计好被控对象、选定好执行器和测量变送单元后，这三部分的特性就完全确定，不能随便更改。因此在组成控制系统四个环节中，唯一方便且能够更改的环节就只有控制器。设计控制器主要包含两个方面：一是选择控制器的控制规律，以确保控制器能配合实际生产过程特性，达到提高控制系统的稳定性和控制品质的目的；二是确定控制器的正、反作用，以确保整个系统为负反馈系统。

6.5.1 控制器控制规律的选择目前在工业上应用的控制器主要有双位控制规律、比例控制规律（ P 规律）、比例积分控制规律（ PI 规律）、比例微分控制规律（ PD 规律）和比例积分微分控制规律（ PID 规律）等五种。由于双位控制规律会使系统产生等幅振荡过程，只适用于工艺参数允许被控变量在一个比较宽的范围内波动的情况，因而在对控制质量要求较严格的工艺过程中很少被采用。因此，在这里只讨论 P 规律、 PI 规律、 PD 规律和 PID 规律的特点及应用场合。

6.5.2 控制器正、反作用的确定自动控制系统是一个闭环的负反馈系统。要使整个系统处于负反馈状态，就必须使各个环节的作用方向乘积为负。而从前面的章节可知，被控对象、执行器和测量变送单元是事先设计好的，其作用方向是不能更改的，因此只有合理设置控制器的作用方向才能确保控制系统是一个负反馈系统。表 6-2 给出了控制系统四个组成环节作用方向的定义。

环节 作用方向定义测量变送单

元一般为正①

执行器 由气开、气关形式决定，气开阀为正作用阀，反之为反作用阀

被控对象 操纵变量增加时，被控变量也增加，此时对象为正作用，反之为反作用

控制器 给定值不变，被控变量测量值增加时，控制器的输出也增加，控制器为正作用，反之为反作用

确定控制器的正反作用可按以下步骤进行：1 ）根据生产的安全原则确定调节阀的气开、气关形式，即确定执行器的正、反作用。2 ）根据被控对象的特性，确定其正、反作用形式。3 ）根据四个环节正反作用的乘积为负的原则，确定控制器的正、反作用。 确定好控制器的正、反作用后，就可以通过改变控制器上的选择“正、反”作用开关来实现。一台正作用的控制器，只要将其的测量值与给定值的输入线互换后，就成了反作用控制器，其原理如 6-14 所示。

控制器+-

给定值

反馈

偏差 控制信号

正作用控制器

控制器+-

给定值

反馈 偏差 控制信号

反作用控制器

下面以图 6-4 所示的液位定值控制系统来说明控制器正、反作用确定的过程。根据前面提及的设计步骤可知，为确保贮液槽内的液体不溢出，应选用气开阀，即执行器为正作用；当操作变量 q1增加时，贮液槽的液位上升，因此被控对象为正作用；测量环节一般为正作用，因此这三个环节作用方向的乘积为正作用，很显然控制器的作用方向为反作用。图 6-15 标出了各个环节的正、反作用。

LT

LC

R1

R2h

q

q

1

2

正

6.6 控制器参数的工程整定在简单控制系统安装完毕或者系统投运前，往往是被控对象、测量变送单元和执行器这三部分的特性就完全确定，不能任意改变了。这时可将对象、测量变送装置和执行器合在一起，视为广义对象。因此，一个简单系统可以看成由广义对象和控制器两部分组成，如果控制规律也已经确定，这样，系统的控制品质就取决于控制器各个参数值的设置。目前，控制器参数的整定方法有很多种，主要有两大类，一类是理论计算整定法，另一类是工程整定法。理论计算整定法主要是通过精确的数学计算和一些最优理论来确定控制器的参数。

工程整定法是指在已经投运的控制系统中，通过试验的方法，来确定控制器的参数。这类方法一般不需要控制系统的精确数学模型，具有方法简单、易于掌握的特点。虽然通过工程整定法得到的参数不一定是最优参数，但却相当实用，是工程技术人员所必须掌握的一种参数整定方法。

6.6.1临界比例度法

需要指出的是，在应用临界比例度法整定控制器参数时还需注意以下几点：1 ）工艺上不允许出现等幅振荡的系统不能应用该方法进行参数整定。2 ）对于临界比例度很小的系统不使用，因为比例度小，意味着调节阀不是全开就是全关，被控变量容易超出允许的范围。3 ）在某些情况下，即使将比例度调至最小，系统仍然不能出现等幅振荡，此时就可将最小的比例度认为是临界比例度。

6.6.2 衰减曲线法

在使用衰减振荡法整定控制器参数时需注意以下两点： （ 1 ）对于大多数控制系统， 4:1衰减过程被认为是最优的衰减过程，如

4:1衰减过程不能满足衰减的速度，可以采用 10:1衰减过程。（ 2 ）对于反应较快的系统，如流量、管道压力及小容量的液位控制等，要记录 4:1 的衰减曲线比较困难，一般以被控变量来回波动两次到达稳定作为 4:1衰减过程。由于采用衰减曲线法来整定控制器参数的计算过程与采用临界比例度法来整定控制器参数的计算过程几乎完全一致，这里就不再进行举例说明了。

6.6.3 经验法

在使用经验法整定控制器参数时需注意以下几点：（ 1 ）一定要遵循“先 P 后 I最后 D” 的步骤将控制器参数投入运行。（ 2 ）对于同一个控制系统，不同的人可能会得到不同的控制器参数。（ 3 ）待曲线稳定后，才能进行控制器参数的调整。必须指出的是，在生产过程中，负荷的变化会影响过程的特性，因而会影响控制器参数的整定值，因此当负荷变化较大时，必须重新整定控制器参数。

6.7 单回路控制系统的投运过程控制系统的方案设计、控制仪表的选择和安装调试后，或者经过停车检修后，将过程控制系统重新投入到生产过程中运行，称为系统的投运。为使过程控制系统能顺利运行，投运前必须做好准备工作。1.准备工作准备工作做得越充分，投运将越顺利。准备工作大体包括：首先，在熟悉生产工艺流程和控制方案的前提下，应对检测变送器、控制器、调节阀、供电、供气、联接管线等以及其它装置进行全面而细致的检查，它们的连接极性是否正确，仪表量程设置是否合理，仪表的相应开关是否置于规定位置上，仪表的精度是否满足设计要求等。其次，在各组成系统的各台仪表进行单独调校的基础上，再对系统进行联调，观察其工作是否正常，这是保证顺利投入的重要步骤。

2. 系统投运根据生产过程的实际情况，首先将检测变送器投入运行，观察其测量显示的参数是否正确；其次利用调节阀手动遥控，待被控参数在给定值附近稳定下来后，再从手动切换至自动控制。在控制器从手动切换到自动运行前必须做细致的检查工作，首先检测控制器的正、反作用是否正确，控制器的 PID 参数是否设置好等，检查完毕后，当测量值与给定值的偏差为零时，将控制器由手动切换到自动，于是实现了系统的投运。系统投入自动运行后，观察系统的控制品质指标是否达到设计要求，否则，再对控制器的 PID 参数作适当的微调，以期达到较好的控制品质。

6.8 简单控制系统的分析与设计

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