简单控制系统的方案设计

一、被控变量的确定
• 在一个生产过程中，影响工艺正常运行的因素很多。但并非所有的 因索都要加以控制，设计人员必须深入生产实际，调查研究，熟悉和 掌握工艺操作的要求，找出那些对产品的产最和质最，以及安全生产 都具有决定意义，能最好地反映工艺生产状态变化的那些变量，作为 被控变量，进行自动控制。 • 选择被控变量的一般原则是:首先考虑选择质量指标(直接变童)作为 被控变量.因为它直接反映了生产过程产品的产量和质量，以及安全运 行状况.其次，当选质贵指标比较困难时，应选择与质量指标成单值对 应关系的间接指标(间接变量)作为被控变最。此外，要保证所选间接 变鱼具有足够的灵敬度，还要考虑工艺生产的合理性和国内外仪表现 状。 • 例如，燕汽锅炉汽包水位控制系统，汽包水位就是直接变盆，是一 个保证锅炉安全运行的过程变址，因此选择水位作为被控变量最好， 大多数以温度、压力、流量、液位为操作指 • 标的生产过程，就选温度、压力、流量、液位作为被控变量.
很明显，干扰作用与控制作用都同时影响着被控变童，不过在 控制系统中，我们通过控制器正、反作用的选择.有意地使控制作用 的影响方向正好与干扰作用的影响方向相反。这样，当干扰作用使 被控变量发生变化时，控制作用就产生.并克服干扰的影响而把被控 变最拉回来。因此，一个控制系统中。干扰作用与控制作用是相互 对立而存在的，有干扰，就有控制。没有干扰就无需控制。 • 为了使控制作用能有效地克服千扰影响，就要选择一个可控 性良好的调节变最，如何选择?这就要研究被控过程的特性。要求 设计人员在熟悉和掌握生产工艺机理的基础上，认真分析生产过程 干扰因素的来源和大小.以被控对象特性参数(Kp、Tp、rp)对控制 质童的影响为依据正确选择，同时要保证工艺的合理性。 • 气动薄膜调节阀： /
2.对象动特性对系统质量的影响
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反映被控过程动态特性的参数是时间常数T和滞后时间r.其中时间常 数T反映了在输入作用下，被控变盆变化的快慢程度，时间常数越小，说明 被控过程变化速度越快。而滞后时间r则反映了被控过程在受到输人作用后， 被控变量是否立即发生变化，即反映了过程的及时性。干扰通道的时间常数 Td越大越好.容易理解，干扰通道的时间常数增大或时间常 数个数增多，会使这一通道的动态响应变得缓和，干扰最对被控变量的影响 就越小。干扰通 道的容量滞后rdc对控制质量的影响与时间常数Td的影响一样.希望rdc越大 越好.需要指出的是，干扰通道的纯滞后rdc对系统的质量没有影响，只是使 干扰量对被控变量的影响在时间上推迟rdo时间，如图6-7所示。 控制通道时间常数T的大小反映了控制作用的强弱，即反映了克服干 扰影响的快慢。时间常数太大，将使控制作用太弱.反应迟钝.过渡过程时间 加长，控制质量下降。所以希望控制通道的时间常数小一点好。以便系统能 及时克服干扰的影响.但是控制通道的时间常数也不能过小.当它过小时，容 易引起过渡过程的多次振荡.使系统难于稳定下来.不利于控制。 控制通道的滞后r，不论是纯滞后ro.或是容鼠滞后rt.对控制质量都有 不好的影响. 其中中ro影响最坏。ro对系统动态质量的影响可川图6-8来说明。
总之，在选择调节变量时，应保证调节变敬 具有可控性、工艺操作的合理性和经济性，除 保持物料平衡外。一般尽量避免选主物料量为 调17变量。
(二)根据被控对象特性选择调节变量
• • 1.对象静特性对系统质量的影响 对象放大系数K是反映生产过程的静特性指标。其大小表征单 位输人作用下，被控变量变化的大小。放大系数越大，则输人作用对 输出的影响越大。在干扰通道上，希望放大系数越小越好，Kd越小， 表示干扰对被控变量的影响就越小，余差及最大偏差就越小.控制系统 质虽就越好.在控制通道上，希望放大系数Kp大一些好，Kp越大，余 差越小，控制质量越好。需要注意的是，由于控制通道对象与控制器 串接，即使Kp较小，也可通过控制器的放大系数Kc(Kc=1/&)来补偿， 满足系统的质量要求。但是，控制器的比例度&是有一定范围的，如 果超过控制器的补偿范围，Kp对系统的质量就有影响了，所以一般 希望控制通道的放大系数Kp大一些好，Kp越大，容易保证控制作用 大于干扰作用.总之，按静特性来选择调节变量时，应使干扰通道的放 大系数越小越好，控制通道的放大系数大一些好，以加强控制作用。 • 自力式温度调节阀: /
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(一)选择调节变.要考虑工艺的 合理性
• 选择调节变量，应首先从工艺生产实际出发，分析各种干扰因 家的影响情况，合理地进行选择。在过程控制中，控制的手段大多是 通过改变某一介质的流量(物料流或能最流)来克服干扰的影响，以达 到控制的目的，因此被选定的调节变盆应是生产中允许改变的变量. • 而且在控制过程中该流量变化的极限范围也是生产允许的。除了 物料平衡的控制之外.不应因设置控制系统而改变原有的生产能力。 • 如图6-5所示的换热器温度控制系统，当热物料出口温度为被 控变量时，冷物料和加热蒸汽流狱变化都会使被控变最(温度)发生变 化。但是.从工艺合理性考虑.应选择加热蒸汽流量为调节变量。因为 被加热物料一般为生产中需要的，如选其为调节变量，用它的变化来 克服干扰，势必影响生产负荷。而加热蒸汽是加热介质，它不直接影 响生产所需的物料量。又如图6-6所示的造纸生产过程中浆料浓度的 控制.应选择稀释水流量为调节变量。
二、调节变量的确定
• 被控变量是被控对象的输出.当被控变量确定后.影响 被控变量的外部因家则是对象的输入。诚然，这种影响因 素不可能只一个.往往有若干个.因此，我们研究的对象实 际上是一个多输人单输出的对象。我们的任务就是在影响 被控变量的若干个输人信号中，选择其中一个输人信号作 为调节变量.而其他未被选中的就统称为系统的干扰量。 • 习惯上，我们将从调节变量到被控变量所经过的环 节称为控制通道.那么，由调节变量变化引起被控变最的 变化特性(被控过程特性》，称为控制通道特性;同理，从 千扰变量到被控变量所经过的环节称为千扰通道。由干扰 变量变化引起被控变量的变化特性称为干扰通道特性。选 择调节变童的不同、就决定了控制通道和干扰通道的不同. 如图6-4所示。
再如，在化工生产中常用精馏塔把混合物分离为较纯组分的产品 或中间产品.如图6.3所示。这个过程对控制的要求就是使产品达到 规定的纯度.因而选择塔顶或塔底馏出物的浓度作为坡控变量最好， 因为它鼓直接反映了生产过程的要求.反映了产品的质量。但是.由于 对成分变量准确而及日寸的在线测量还有一定困难.所以一般选择塔 顶或塔底温度这个间接变量作为被控变量，来代替成分控制。由于 塔顶或塔底产品的浓度是温度和压力的二元函数.所以.实际上是在保 持压力一定的情况下.用溢度来代替成分控制(保证温度与成分之间的 单值函数关系)，并且且工艺上也是合理的。 • 被控变量的确定是控制系统方案设计的核心问题.也是系统方案 设计的第一步，它的正确选择对稳定生产过程、提高劳动生产率、 改善生产条件等具有决定性的意义。