自动控制系统的基本概念

自动控制系统的基本概念第一节自动控制系统的组成及分类一、自动控制系统的组成在工业生产中，各种生产工艺过程都必须在规定的工况条件下进行。

如精馏塔的塔顶温度或塔底温度要保持在期望值，化学反应器内的反应温度要保持稳定，锅炉汽包水位要维持在规定范围内，调和作业时的配比关系要达到规定的比值范围等。

这些生产过程中的工艺变量，需要根据工艺要求严格控制。

控制分人工控制和自动控制两种。

在绪论中以储罐液位系统为例介绍了人工控制和自动控制的基本概念。

自动控制是在人工控制约基础上发展起来的，它是在生产设备上配备一些自动控制装置，对生产过程中重要的工艺变量进行控制，使生产过程自动地维持预定工况。

自动控制装置和被控对象组成了自动控制系统。

为进一步了解自动控制系统，再来分析一个实例。

图13-1和13-2所示为一蒸汽加热器的温度人工和自动控制系统。

生产中利用蒸汽作为载热体对温度较低的进料进行加热，工艺上希望保持出料温度t在一个恒定的数值。

在这里，蒸汽加热器是被控对象，t是所要控制的变量，即被控变量，工艺上期望的t的数值是给定值。

蒸汽流量、进料流量、进料温度等发生变化时，都会使出料温度发生变化，即系统的干扰。

此处，采用的控制手段是调整加热蒸汽阀门的开度，改变蒸汽流量，来维持出料温度的恒定。

蒸汽流量是操纵变量。

若采用人工控制，当流体流量、进料温度等干扰使出料温度偏离工艺期望值时，操作工的调节过程是这样的：(1)用眼睛观察加热器出口温度指示仪表；(2)通过大脑计算出温度指示值与工艺期望值之间的差值，即偏差，根据偏差大小及方向发出相应操作命令；(3)根据大脑的操作命令，通过手去改变蒸汽阀门开度；(4)反复执行上述过程，直到出口温度回到期望值。

操作工通过眼、脑、手相互配合，灾现了检测偏差，然脱纠正偏差的控制过程，自动控制实际上是用自动控制装置来实现上述过程。

为了实现这一过程，用测量变送器、控制器和执行器去代替操作工的眼、脑、手，将它们按功能连接在一起与被控对象组成了一个自动控制系统。

通常将控制器、变送器用通用符号来表示，表达成图13-2所示形式。

由蒸汽加热器、温度变送器TT、温度控制器TC和蒸汽流量调节阀就构成了一个完整的自动控制系统。

当进料流量或温度等因素的变化引起出料的温度变化时，通过温度变送器测得温度的变化，并转化为标准信号，如4～20 mA。

这一测量信号送至温度控制器。

在控制器内，测量值与给定值进行比较得到偏差，控制器的给定值由人工设定。

根据偏差信号的正负、大小及变化情况，控制器按控制规律(如PID)进行运算，得到操纵值(也称为控制作用)。

操纵值送往调节阀，改变蒸汽流量，使出料温度趋于给定值。

图13-2通常称为工艺控制流程图，图中小圆圈表示某些自动化仪表，圆内写有两位(或三位)字母，第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能。

本书中常用的有；TT——温度变送器TC——温度控制器PT——压力变送器PC——压力控制器FT——流量变送器FC——流量控制器LT——液位变送器LC——液体控制器AT——成分变送器AC——成分控制器说明：为了画图的方便，各种变送器有时也可用表示。

二、自动控制系统的方块图方块图的组成及画法规则已在绪论中做过介绍，此处不再详述。

如同13—3所示，方块图可以将系统中变量之间的关系完整地表达出来。

对方块图需要做几点说明：(1)偏差Dv：给定值与测量值之差。

Dv＝Sv-Pv（13-1）注意，在方块图中的偏差与仪表中的偏差定义相差一负号。

(2)方块图中箭头方向表示的是信号的流向，而不是物料或能量的流向。

特别要注意，被控对象的输出以及调节阀的输出不能与工艺流程图上的流入流出相混淆。

比如绪论图1中液位控制系统，调节阀调节的是对象的流出量，而图13-2中温度控制系统调节的是流入对象的蒸汽量，它们都是操纵变量，因此在方块图中都是对象控制通道的输入。

其他引起被控变量变化的因素则是对象干扰通道的输入。

液位对象和加热器的输入输出如图13-4所示。

（3)有些框图表示中，各环节除控制器外，将执行器、被控对象、测量变送器合并成一个环节，称为广义对象，此时的方块图如图l3—5(a)。

方块图还可进一步简化成图13—5(b)所示的最简方块图。

大方框代表了组成自动控制系统的各个环节，自动控制系统的输入就是给定值和干扰，输出则是被控变量。

参照图13-3，可以分析自动控制系统的特点：1、由负反馈构成闭环是自动控制系统的结构特点从信号传送角度看，各个环节在信号传递关系上形成了一个闭环。

即其中任何—个信号，只要沿箭头方向前进，通过若干环节之后，最终又会回到原来的起点。

自动控制系统之所以会形成闭外，是因为引入了反馈的缘故。

所谓反馈，是将系统的输出直接或经过一些环节之后又返回到系统输人端的做法。

反馈分正反馈与负反馈。

注意图13-3中，在反馈信号Pv旁边有一个“一”号，给定信号Sv旁边有一个“十”号，说明反馈信号极性与输入信号相反，偏差Dv＝Sv—Pv，图13—3中的Pv取负值称为负反馈，如果反馈信号Pv取正值则称为正反馈。

自动控制系统必须采用负反馈，才能起到纠正偏差作用。

若采用了正反馈，即Dv＝Sv+Pv，当Pv＝Sv时，表明工艺参数符合要求，这时应停止调节，但是由于Dv≠0，使控制器的输出继续发生变化，并使调节阀的开度也不断改变，从而产生不该有的控制作用，使被控变量偏离工艺规定的指标增大。

因此，正反馈不但不能克服干扰的影响，反而使系统的偏差愈来愈大，直至被控变量超出了安全极限而破坏生产，所以自动控制系统绝对不能单独采用正反馈。

2、控制作用的产生由偏差引起偏差产生的控制作用使系统沿减少或消除偏差的方向运动。

综上所述。

自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统，控制作用由偏差产生。

正是因为有了负反馈，控制系统才可以随时了解被控变量的情况，有针对性地根据被控变量的变化情况而改变控制作用的大小和方向，从而维持被控变量等于或接近工艺所希望的状况。

四、自动控制系统的分类关于自动控制系统的分类，从不同的角度可以有不同的分类方法。

在分析自动控制系统的特性时，给定值的形式不同，会涉及到不同的分析方法，因此，常将自动控制系统按给定值的不同情况分为三类：即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。

1、定值控制系统定值控制系统就是给定值恒定的控制系统。

在工艺生产中，如果要求控制系统的被控变量保持在个生产指标上不变，或者说要求工艺参数的给定值不变，那么就要采用定位控制系统。

在定值控制系统中，引起被控变量波动的原因是各种干扰，对于这类控制系统，设计的重点是在存在干扰的情况下如何将被控变量控制在所希望的给定值上。

石油、化工生产中大多数控制系统属于这种类型。

2、随动控制系统随动控制系统即给定值不固定，是随时间不断变化的，而且这种变化不是预先规定好的，即给定值是随机变化的。

随动控制系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化。

比如各种变送器均可看做是一个随动系统，它的输出应严格、及时地随输入而变化。

这类系统的给定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即生产指标需按一定的时间程序变化。

近年来，随着计算机的广泛应用、程序控制系统应用日益增多。

第二节简单控制系统所谓简单控制系统是指由一个被控对象(简称对象)、一个测量变送器、一个控制器和一个执行器所组成的单回路反馈控制系统，如图14—1。

在生产过程中，大量的温度、流量、压力、液位控制系统都属于简单控制系统。

简单控制系统的特点是结构简单，易于实现，而民具有相当广泛的适应性，因此即使在计算机控制迅速发展的今天，在高水平的自动化控制方案中，这类系统仍占控制回路的绝大多数。

这体现了控制系统方案设计的基本准则：力求简单、可靠、经济与保证效果良好。

而且，简单控制系统是复杂控制系统的基础，目前一些先进的控制系统也往往将其作为最低层的控制系统，因此，简单控制系统的分析和设计方法具有广泛的实用价值。

简单控制系统的设计一、设计的内容简单控制系统的设计最重要的是控制系统方案的设计和控制器的设计与参数整定。

控制系统方案的设计是系统设计的核心。

它是在对被控对象做全面深入的了解和分析的基础上确定总体控制目标，根据工艺的要求选择被控变量，操纵变量，合理选择控制系统的测量元件和变送器，合理选择控制器、执行器、显示仪表和其他仪表，从而确定一个较为合理的简单控制系统方案。

对于有多个控制系统的生产过程，还要考虑到各个控制系统之间的关联，并按控制系统之间相互影响最小的原则来建立各控制回路。

控制系统方案的设计是一项复杂的工作。

既要满足工艺过程的实际需要，又要受到许多客观环境和经济条件的制约。

一个好的控制方案，既依赖于理论分析和计算，还要借助于许多实际工程经验。

控制器设计与参数整定是在控制方案合理制定的前提下，使系统运行在最优状态的重要步骤。

此外，简单控制系统的设计还包括系统的工程设计，如仪表选型、控制室设计、供电和供气系统设计等；以及控制系统的安装、投运等内容。

二、被控变量的选择被控变量的选挥是十分重要的，它是自动控制系统设计的第一步。

任何一个控制系统，总是希望能够在稳定生产操作、增加产品产量、提高产品质量以及改善劳动条件等方面发挥作用，因此，应该从生产过程对控制系统的要求出发，找出对产品产量、质量、安全等方面起决定作用的变量。

如果被控变量选择不当，配备再好的自动化仪表也是无用的。

根据工艺要求而设计的简单控制系统，它为工艺上某—目的服务应该是清楚的。

例如生产上要求控制的工艺操作参数是温度、压力、流量、液位等，很明显被控变量就是温度、压力、流量、液位，它既直接又明了似乎毋需多加讨论。

的确在某些情况下，对被控变量的选择是一目了然，但也有如下一些情况，需要对被控变量的选择认真加以考虑；1)表示某些质量指标的参数有好几个，应如何选样才能使所选的被控变量在工艺上和自动控制上是合理的，而正是独立可调的。

2)某些质量指标，因无合适的测量仪表直接反映质量指标，从而采用选择与直接质量指标之间有单值线性对应关系而又反应快的间接指标作为被控变量的办法。

3)虽有直接参数可测，但信号微弱或测量滞后太大，还不如选用具有单值线性对应关系的间接信号为好。

下面举例来说明选择被控变量的一般原则。

例如要对锅炉产生的饱和蒸汽质量进行控制，提出了三种方案：1)压力P与温度T皆为被控变量；2)温度T为被控变量；3)压力P为被控变量。

为了解决这一问题，必须深入了解工艺，首先弄清楚表征饱和蒸汽的质量指标在P与T之间有何内在联系？是否都为独立变量？应用物理化学中介绍的相律关系，自由度的表达式：F=C-P+2（14-1）式中F——自由度；C——组分数；P——相数。

作为饱和蒸汽,实质上存在气液两相，即P＝2，而组分数应皆为水即C＝1，故F＝l一2十2＝1表示饱和蒸汽的自由度为1，或独立变量只有1个，所以要反映饱和蒸汽质量，不必选用两个被控变量，只要选取温度或压力其中之一就够了。