第七章：控制系统.doc

第七章 控制系统 1.概述 1.1控制系统的工作原理及组成 在石油、化工等生产中，对各个工艺生产过程中的物理量（或称工艺参数）都有一定的控制要求。有些工艺参数直接表征生产过程，对产品的产量和质量起着决定性的作用。如化学反应器的反应温度必须保持平稳，才能使效率达到最佳指标等等。而有些参数虽不直接影响产品的产量和质量，然而保持它平稳却是使生产获得良好控制的先决条件。如用蒸汽加热反应器或再沸器，若蒸汽总管压力波动剧烈，要把反应温度或塔釜温度控制好是很困难的。还有些工艺参数是决定生产工厂的安全问题，如受压容器的压力等，不允许超过最大的控制指标，否则将会发生设备爆炸等严重事故，危及工厂的安全等等。对以上各种类型的参数，在生产过程中都必须加以必要的控制。 图2-7-1设置了一个水位自动控制系统，它由气动单元组合仪表组成。图中检测元件与变送器的作用是检测水位高低，当水位高度与正常给定水位之间出现偏差时，调节器就会立即根据偏差的大小去控制给水阀门（开大或关小），使水位回到给定值上，从而实现了锅炉水位的自动控制。 自动控制系统由被控对象、检测元件（包括变送器）、控制器和调节阀等四部分组成。自动控制系统组成的方块图如图2-7-2所示。 控制系统中常用的名词术语如下。 被控对象：需要实现控制的设备、机器或生产过程，称为被控对象，例如锅炉。 被控变量：对象内要求保持设定值（接近恒定值或按预定规律变化）的物理量，称为被控变量，如锅炉水位。 操纵变量：受控制器操纵，用以使被控变量保持设定值（给定值）的物料量，称为操纵变量，如锅炉给水。 干扰（扰动）：除操纵变量以外，作用于对象并能引起被控变量变化的因素，称为干扰或扰动。负荷变化就是一种典型的扰动，如蒸汽变量的变化对锅炉水位控制是一种典型干扰。 设定值（给定值）：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。 1.2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。 开环控制系统 控制系统的输出信号（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，入蒸汽加热器，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，图2-7-3（a）为其原理图。另一种是按扰动量进行控制，即所谓前馈控制，如图2-7-3（b）所示。在蒸汽加热器中，若负荷为主要干扰，如果使蒸汽流量与冷流量保持一定的函数关系，当扰动出现时，操纵变量随之变化。 闭环控制系统 从图2-7-2块图可以看出，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，按一定控制规律调整蒸汽阀门的开度，以改变蒸汽量，其原理如图2-7-3（c）所示。 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）闭环孔子系统的过渡过程 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。 在阶跃干扰作用下，控制系统的过渡过程有如图2-7-4所示的几种形式。图2-7-4（b）为发散振荡过程，它表明这个控制系统在受到阶跃干扰作用后，非但