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第五章 单回路过程控制系统 5.1单回路过程控制系统的分析 5.2单回路过程控制系统的设计 5.3单回路过程控制系统的参数整定 5.4单回路过程控制系统的投运 5.5单回路过程控制系统的故障与处理

本章小结 单回路控制系统：通常是指仅由一个被控过程（或称被控对象）、一个测量变送装置、一个控制器（或称调节器）和一个执行器（如调节阀）所组成的单闭环负反馈控制系统，也称为简单控制系统。 单回路控制系统是最基本的，约占目前工业控制系统的80%以上。即使是复杂控制系统也是在单回路控制系统的基础上发展起来的。至于高等过程控制系统，往往把它作为最低层的控制系统，例如流量跟随系统等。因此，学习和掌握单回路控制系统是非常重要的。 5.1单回路过程控制系统的分析 5.1.1 控制系统的工作过程 锅炉是生产蒸汽的设备，几乎是工业生产中不可缺少的设备。工业生产中常见的锅炉汽包流程图，如图5-1所示。保持锅炉汽包内的液（水）位高度在规定范围内是非常重要的，若水位过低，则会影响产汽量， 且锅炉易烧干而发生 事故；若水位过高， 生产的蒸汽含水量高， 会影响蒸汽质量；这 些都是危险的。因此 锅炉汽包液位是一个 重要的工艺参数。 为了保持液位为定值，手动控制时主要有三步： ① 观察被控变量的数值，即汽包的液位，图5-2 锅炉汽包液位控制系统流程图； ② 把观察到的被控变量的值与设定值比较，根据两者的偏差大小或随时间变化的情况，做出判断并发布命令； ③ 根据命令操作给水阀，改变进水量，使液位回到设定值。 如对锅炉汽包液位进行精确控制，就必须采用检测仪表和自动控制装置来代替手工控制，这些自动控制装置和被控的工艺对象就组成了一个简单的过程控制系统，此时系统就成为自动控制系统。锅炉汽包液位控制系统的管道仪表流程如图5-2所示。 以锅炉汽包液位过程控制系统为例，当该系统受到扰动作用后，被控变量（液位）发生变化，通过液位测量变送仪表LT得到其测量值，并将其传送到液位控制器LC；在LC中，将被控变量（液位）的测量值与设定值比较得到偏差， 控制器LC对偏差经过 一定的运算后，输出 控制信号，这一信号 作用于执行器（在此 为调节阀），改变给 水量，以克服扰动的 影响，使被控变量回 到设定值，这样就完 成了所要求的控制任务。 由此可见，过程控制系统的工作过程就是应用负反馈原理的控制过程。 将以上锅炉汽包液位控制系统用方框图表示，可得锅炉汽包液位控制系统的原理结构图，如图5-3所示。

图5-3 锅炉汽包液位控制系统的结构图 5.1.2 控制系统的组成 根据锅炉汽包液位控制系统的结构图，可得单回路控制系统的结构如图5-4所示。各个环节分别用传递函数描述后，可得如图5-5所示的单回路控制系统方框图。

图5-4 单回路控制系统的结构图 图5-5中，G0(s)、Gm (s)、Gv(s)和Gc(s)分别表示被控对象、测量变送装置、执行器和控制器的传递函数。系统工作时，被控过程的输出信号（被控变量）y(t)通过测量变送装置后将其变换为测量值ym(t)，并将测量值反馈到控制器的输入端；控制器根据系统被控变量的设定值r(t)与测量值ym(t)的偏差e(t)，按照一定的控制算法输出控制量u(t)；执行器根据控制器送来的控制信号u(t)，通过改变操纵变量μ(t)的大小，对被控对象进行调节，克服扰动d(t)对系统的影响，从而使被控变量y(t)趋于设定值r(t)，达到预期的控制目标。 根据图5-5可得单回路系统的输出与输入的关系为

当生产过程平稳运行时，可忽略扰动作用对输出（被控变量）的影响，即D(s)=0。此时系统的主要任务是要求输出Y(s)能快速跟踪设定值R(s)，系统的输出Y(s) 仅与设定值R(s)有关，即

当设定值R(s)在一定时间内保持不变，即R(s)=0。此时系统的主要任务是克服扰动D(s)对输出Y(s)的影响，系统的输出Y(s)仅与扰动D(s)有关，即 在单回路控制系统分析和设计时，通常将系统中控制器以外的部分组合在一起，即被控对象、执行器和测量变送装置合并为广义被控对象，用 表示，即 因此，也可以将单回路控制系统看成是由控制器 和广义被控对象 两大部分组成，如图5-6所示。

图5-6 由控制器和广义被控对象组成的单回路控制系统 5.2 单回路过程控制系统的设计 过程控制系统设计是过程工艺、仪表或计算机和控制理论等多学科的综合。在用常规控制器的单回路控制系统设计中，系统设计主要任务： 被控变量和操作（或控制）变量的选择、建立被控对象的数学模型、控制器的设计、测量变送装置和执行器的选型。由于被控对象的建模方法和执行器的选择原则已在第2章和第3章介绍，它们的使用方法和选择原则完全适用于单回路控制系统。本节仅对被控变量和控制变量的选择、测量变送装置的选型和控制器的设计予以介绍。 5.2.1 被控变量和操作变量的选择 建立被控对象的数学模型，首先确定系统的被控变量和操作（或控制）变量。 1、被控变量的选择 1）被控变量的选择方法 生产过程中的控制大体上可以分为三类：物料平衡控制和能量平衡控制、产品质量或成分控制以及限制条件的控制。被控变量应能表征物料和能量平衡、产品质量或成分及限制条件的关键状态变量。 根据被控变量与生产过程的关系，可将其分为两种类型的控制形式：直接参数控制与间接参数控制。 (1) 选择直接参数作为被控变量（温度、压力、流量等） (2) 选择间接参数作为被控变量（直接参数不易检测） 2）被控变量的选择原则 从多个变量中选择一个变量作为被控变量应遵循下列原则： (1) 被控变量能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般都是工艺过程中比较重要的变量； (2) 应尽量选择那些能直接反映生产过程的产品产量和质量，以及安全运行的直接参数作为被控变量。当无法获得直接参数信号，或其测量信号微弱（或滞后很大）时，可选择一个与直接参数有单值对应关系、且对直接参数的变化有足够灵敏度的间接参数作为被控变量； (3) 选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内外仪表产品的现状。 2、操作变量（执行器的输出）的选择 工业过程（被控对象）的输入变量有两类（见图5-4、5-5）：操作（或控制）变量和扰动变量。如果用μ (s)表示操作变量，而用D(s)表示扰动变量，那么，被控对象的输出Y(s)（被控变量）与输入之间的关系可用下式表示。 (5-1)

上式表明扰动作用与控制作用同时影响被控变量 。 在生产过程中，干扰是客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操作变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。因此，正确选择一个可控性良好的操作（或控制）变量，可使控制系统有效克服干扰的影响，以保证生产过程平稳操作。 1）操作变量的选择方法 在过程控制系统中，把用来克服扰动对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为操作变量。操作变量一般选系统中可以调整的物料量或能量参数。而石油、化工生产过程中，遇到的最多的操作变量则是介质的流量。 在一个系统中，可作为操作变量的参数往往不止一个，有些是可控的，有些相反。 操作变量和控制变量之间差一个执行器，可以等价看待。 2）操作变量的选择原则 操作变量的选取应遵循下列原则： (1) 所选的操纵变量必须是可控（即工艺上允许调节的变量），而且在控制过程中该变量变化的极限范围也是生产允许的； (2) 操作变量应该是系统中被控过程的所有输入变量中对被控变量影响最大的一个，控制通道的放大系数要适当大一些，时间常数适当小些，纯迟延时间应尽量小；所选的操作变量应尽量使扰动作用点远离被控变量而靠近调节阀。为使其他扰动对被控变量的影响减小，应使扰动通道的放大系数尽可能小，时间常数尽可能大； (3) 在选择操作变量时，除了从自动化角度考虑外，还需考虑到工艺的合理性与生产的经济性。 5.2.2 测量变送装置的选择 1、测量变送装置的工作原理 测量变送装置（包括测量元件和变送器）的作用是将工业生产过程的参数（如流量、压力、温度、物位和成分等）经检测并转换为标准信号。在模拟仪表中，标准信号通常采用0～10mA、4～20 mA、1～5V电流或电压，0.02～0.1MPa气压信号；在现场总线仪表中，标准信号是数字信号。测量变送装置的工作原理如图5-7所示。 测量元件和变送器的类型繁多，现场总线仪表的出现使测量变送装置呈现模拟和数字并存的状态。但它们都可用带纯迟延的一阶惯性环节近似，其传递函数为 (5-2)

式中， 、 和 分别为测量变送装置的增益、时间常数和纯迟延时间。 2、对测量变送装置的基本要求 对测量变送装置的基本要求是准确、迅速和可靠。准确指检测元件和变送器能正确反映被控或被测变量，误差小；迅速指应能及时反映被控或被测变量的变化；可靠是检测元件和变送器的基本要求，它应能在环境工况下长期稳定运行。需要考虑以下三个主要问题： (1) 在所处环境下能否正常长期工作 (2) 动态响应是否比较迅速 (3) 测量误差是否满足要求 3、测量变送装置信号的处理 测量变送装置信号的处理包括信号补偿、线性化、滤波、数学运算、信号报警和数学变换等。 硬件滤波通常采用阻容滤波环节，可以用电阻电容组成低通滤波。可以组成有源滤波、也可以组成无源滤波等。由于需要硬件的投资，因此成本提高。软件滤波采用计算方法，利用程序编制各种数字滤波器实现信号滤波，具有投资少、应用灵活等特点，受到用户欢迎。