《儀表自動化系統(tǒng)安裝與投運(yùn)》項(xiàng)目八 簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)與參數(shù)整定

項(xiàng)目八簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)與參數(shù)整定任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)任務(wù)二簡單控制系統(tǒng)的參數(shù)整定返回任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)【任務(wù)描述】在學(xué)習(xí)簡單控制系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，掌握簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)方法。【知識鏈接】所謂簡單控制系統(tǒng)，通常是指由一個(gè)測量元件、變送器，一個(gè)控制器，一個(gè)執(zhí)行器和一個(gè)被控對象所構(gòu)成的一個(gè)回路的閉環(huán)系統(tǒng)，因此也稱為單回路控制系統(tǒng)。一、簡單控制系統(tǒng)方塊圖圖8-1所示的液位控制系統(tǒng)與圖8-2所示的溫度控制系統(tǒng)都是簡單控制系統(tǒng)的例子。圖8-1所示的液位控制系統(tǒng)中，儲槽是被控對象，液位是被控變量，變送器LT將反映液位高低的信號送往液位控制器LC。控制器的輸出信號送往調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥開度的變化使儲槽輸出流量發(fā)生變化以維持液位穩(wěn)定。下一頁返回任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)圖8-2所示的溫度控制系統(tǒng)，是通過改變進(jìn)入換熱器的載熱體流量，來維持換熱器出口物料的溫度穩(wěn)定在工藝規(guī)定的數(shù)值上。簡單控制系統(tǒng)的典型方塊圖如圖8-3所示。二、自動控制系統(tǒng)的分類在自動控制系統(tǒng)中，按給定值的變化規(guī)律分類，可分為定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。1.定值控制系統(tǒng)這類自動控制系統(tǒng)的給定值在控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中通常是固定不變的。在工業(yè)生產(chǎn)中，自動控制系統(tǒng)大多為定值控制系統(tǒng)。2.隨動控制系統(tǒng)（也稱自動跟蹤系統(tǒng)）這類自動控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是給定值不斷地變化，而且，這種變化不是預(yù)先規(guī)定的，也就是說給定值是隨機(jī)變化的。隨動控制系統(tǒng)的目的就是使所控制的工藝參數(shù)準(zhǔn)確而快速地跟隨給定值的變化而變化。伺服控制系統(tǒng)被控變量為位置、速度或加速度的跟蹤系統(tǒng)，屬于隨動控制系統(tǒng)。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)3.程序控制系統(tǒng)（又稱順序控制系統(tǒng)）這類自動控制系統(tǒng)的給定值也是變化的，但它是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，即生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)需按一定的時(shí)間程序變化。三、控制系統(tǒng)的過渡過程和動態(tài)性能指標(biāo)1.控制系統(tǒng)的過渡過程在定值控制系統(tǒng)中，我們將被控變量不隨時(shí)間變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)，而把被控變量隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動態(tài)。定值控制系統(tǒng)的目的就是希望將被控變量保持在一個(gè)不變的給定值上，這只有當(dāng)進(jìn)入被控對象的物料量（或能量）和流出對象的物料量（或能量）相等時(shí)才有可能。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)當(dāng)自動控制系統(tǒng)在動態(tài)過程中，被控變量是不斷變化的，它隨時(shí)間而變化的過程稱為自動控制系統(tǒng)的過渡過程，也就是自動控制系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過程。自動控制系統(tǒng)的過渡過程是控制作用不斷克服干擾作用影響的過程，這種過程是控制作用與干擾作用這對矛盾在系統(tǒng)內(nèi)斗爭的過程，當(dāng)這對矛盾得到統(tǒng)一時(shí)，過渡過程也就結(jié)束，系統(tǒng)又達(dá)到了新的平衡。一般說來，自動控制系統(tǒng)在干擾作用下的過渡過程有圖8-4所示的四種基本形式。（1）非周期衰減過渡過程。被控變量在給定值的某一側(cè)作緩慢變化，沒有來回波動，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。這種過渡過程形式稱為非周期衰減過渡過程，如圖8-4（a）所示。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)（2）衰減振蕩過程。被控變量上下波動，但幅度逐漸減小，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。這種過渡過程的形式稱為衰減振蕩過程，如圖8-4（b）所示。（3）等幅振蕩過程。被控變量在給定值附近來回波動，且波動幅度保持不變。這種形式的過渡過程稱為等幅振蕩過程，如圖8-4（c）所示。（4）發(fā)散振蕩過程。被控變量來回波動，且波動幅值逐漸變大，即偏離給定值越來越遠(yuǎn)。這種形式的過渡過程稱為發(fā)散振蕩過程，如圖8-4（d）所示。對于衰減振蕩過程，由于能夠較快地使系統(tǒng)穩(wěn)定下來。所以，在多數(shù)情況下，我們希望自動控制系統(tǒng)能夠得到如圖8-4（b）所示的衰減振蕩過程。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)2.控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)定值控制系統(tǒng)的作用是克服干擾的影響，使被控變量保持在預(yù)定的數(shù)值。因此對定值控制系統(tǒng)的控制要求是平穩(wěn)，在擾動發(fā)生以后，希望被控變量穩(wěn)得住、穩(wěn)得快、穩(wěn)得好?？刂葡到y(tǒng)的過渡過程品質(zhì)指標(biāo)示意圖如圖8-5所示。控制系統(tǒng)能否穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確地達(dá)到平衡狀態(tài)，通常采用下列幾個(gè)品質(zhì)指標(biāo)來衡量。（1）最大偏差或超調(diào)量。最大偏差是指在過渡過程中，被控變量偏離給定值的最大數(shù)值。在衰減振蕩過程中，最大偏差就是第一個(gè)波的峰值，在圖8-5中以A表示。最大偏差表示系統(tǒng)瞬時(shí)偏離給定值的最大程度。若偏離的越大，偏離的時(shí)間越長，即表明系統(tǒng)離開規(guī)定的工藝參數(shù)指標(biāo)就越遠(yuǎn)，這對穩(wěn)定正常生產(chǎn)是不利的。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)有時(shí)也可以用超調(diào)量來表征被控變量偏離給定值的程度。在圖8-5中超調(diào)量以B表示。從圖中可以看出，超調(diào)量B是第一個(gè)波峰值A(chǔ)與新穩(wěn)定值C之差，即B=A-C。如果系統(tǒng)的新穩(wěn)定值等于給定值，那么最大偏差A(yù)也就與超調(diào)量B相等了。（2）衰減比。雖然前面已提及一般希望得到衰減振蕩的過渡過程，但是衰減快慢的程度多少為適當(dāng)呢？表示衰減程度的指標(biāo)是衰減比，它是前后兩個(gè)相鄰峰值的比。在圖8-5中衰減比是B∶B′，習(xí)慣上表示為n∶1。一般n取4~10之間為宜。因?yàn)樗p比在4∶1~10∶1之間時(shí)，過渡過程開始階段的變化速度比較快，被控變量在同時(shí)受到干擾作用和控制作用的影響后，能比較快地達(dá)到一個(gè)峰值，然后馬上下降，又較快地達(dá)到一個(gè)低峰值，而且第二個(gè)峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于第一個(gè)峰值。選擇衰減振蕩過程，并規(guī)定衰減比在4∶1~10∶1之間，這完全是工人師傅多年操作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)（3）余差。當(dāng)過渡過程結(jié)束時(shí)，被控變量新的穩(wěn)態(tài)值與給定值之間的偏差，叫做余差?；蛘哒f，余差就是過渡過程結(jié)束時(shí)的殘余偏差，在圖8-5中以C表示。余差的符號可能是正，也可能是負(fù)。在生產(chǎn)中，給定值是生產(chǎn)的技術(shù)指標(biāo)，所以，被挖變量越接近給定值越好，亦即余差越小越好。但在實(shí)際生產(chǎn)中，也并不是要求任何系統(tǒng)的余差都很小。如一般儲槽的液位控制要求就不高，這種系統(tǒng)往往允許液位有較大的變化范圍，余差就可以大一些。有余差的控制過程稱為有差控制，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)。沒有余差的控制過程稱為無差控制，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為無差系統(tǒng)。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)（4）過渡時(shí)間。從干擾作用發(fā)生的時(shí)刻起，到系統(tǒng)重新建立新的平衡時(shí)止，過渡過程所經(jīng)歷的時(shí)間，叫做過渡時(shí)間。嚴(yán)格地講，對于具有一定衰減比的衰減振蕩過渡過程來講，要完全達(dá)到新的平衡狀態(tài)需要無限長的時(shí)間。因此，一般是在穩(wěn)態(tài)值的上下規(guī)定一個(gè)小的范圍，當(dāng)被控變量進(jìn)入這一小范圍，并不再超出時(shí)，就認(rèn)為被控變量已經(jīng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值，或者說過渡過程已經(jīng)結(jié)束。這個(gè)范圍一般定為穩(wěn)態(tài)值的±5%（也有的規(guī)定為±2%）。（5）振蕩周期或頻率。過渡過程的同向兩個(gè)波峰（或波谷）之間的間隔時(shí)間，叫做振蕩周期或工作周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率。在衰減比相同的情況下，周期與過渡時(shí)間成正比。一般希望振蕩周期短一些為好。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)四、被控變量的選擇生產(chǎn)過程中希望借助自動控制保持恒定值的變量稱為被控變量。在構(gòu)成一個(gè)自動控制系統(tǒng)時(shí)，被控變量的選擇十分重要，如果被控變量選取不當(dāng)，不管組成什么樣的控制系統(tǒng)，也不管配上多么先進(jìn)的自動化儀表，都不能達(dá)到預(yù)期的控制效果。影響生產(chǎn)正常運(yùn)行的因素很多，但并非所有影響因素都需要且可能加以自動控制。我們必須分析工藝要求，找出影響生產(chǎn)的關(guān)鍵變量作為被控變量。所謂“關(guān)鍵”，是指這些變量對產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量以及安全具有決定性的作用，且對這些變量進(jìn)行人工操作是既緊張又頻繁，或人工操作根本無法滿足工藝要求。如果被控變量本身就是需要控制的工藝指標(biāo)（如溫度、壓力、流量、液位等），則稱為直接控制指標(biāo)。如果直接控制指標(biāo)無法在線直接檢測得到（如成分、反應(yīng)程度等），則應(yīng)選擇與直接控制指標(biāo)有單值對應(yīng)關(guān)系且反應(yīng)又快的間接指標(biāo)作為被控變量。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)若要正確地選擇被控變量，就必須了解工藝過程和工藝特點(diǎn)對控制的要求，仔細(xì)分析各變量之間的相互關(guān)系。選擇被控變量時(shí)，一般要遵循下列原則：（1）應(yīng)該選擇對安全生產(chǎn)、穩(wěn)定生產(chǎn)、增加產(chǎn)量和提高質(zhì)量有決定作用的工藝變量作為被控變量。（2）被控變量在生產(chǎn)過程中常常要受到一些干擾影響而變化，為維持被控變量的恒定，需要較頻繁的調(diào)節(jié)。（3）盡量采用直接指標(biāo)作為被控變量。當(dāng)無法獲得直接指標(biāo)信號，或其測量信號滯后很大時(shí)，可選擇與直接指標(biāo)有單值對應(yīng)關(guān)系的間接指標(biāo)作為被控變量。（4）被控變量應(yīng)比較容易測量，并具有小的滯后和足夠大的靈敏度。（5）選擇被控變量時(shí)，必須考慮工藝合理性。（6）被控變量應(yīng)是獨(dú)立可調(diào)的。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)五、操縱變量的選擇在自動控制系統(tǒng)中，把用來克服干擾對被控變量的影響，實(shí)現(xiàn)控制作用的變量稱為操縱變量。具體來說，就是執(zhí)行器的輸出變量，最常見的操縱變量是執(zhí)行器控制的流量。此外，也有以轉(zhuǎn)速、電壓等作為操縱變量的。在本項(xiàng)目任務(wù)一的例子中，液位控制系統(tǒng)的操縱變量是出口流體的流量；溫度控制系統(tǒng)的操縱變量是載熱體的流量。當(dāng)被控變量選定以后，接下來應(yīng)對工藝進(jìn)行分析，找出有哪些因素會影響被控變量發(fā)生變化，并找出這些影響因素中哪些是可控的，哪些是不可控的。原則上，應(yīng)將對被控變量影響較顯著的可控因素作為操縱變量。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)操縱變量和干擾變量作用在對象上，都會引起被控變量的變化。干擾變量由干擾通道施加在對象上，起著破壞作用，使被控變量偏離給定值；操縱變量由控制通道加到對象上，使被控變量回復(fù)到給定值，起著校正作用，這是一對相互矛盾的變量，它們對被控變量的影響都與對象特性有密切的關(guān)系。因此在選擇操縱變量時(shí)，要認(rèn)真分析對象特性，以提高控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。概括起來，選擇操縱變量的原則有如下三點(diǎn)。（1）操縱變量應(yīng)是可控的，即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。（2）操縱變量一般應(yīng)比其他干擾對被控變量的影響更大更加靈敏。需要說明的是，在影響被控變量的諸多因素中，確定了其中一種因素作為操縱變量后，其余的因素都自然成了影響被控變量的干擾因素。（3）在選擇操縱變量時(shí)，除了從自動化角度考慮外，還要考慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，盡可能地降低物料和能量的消耗。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)六、控制規(guī)律的選擇目前工業(yè)上常用的控制器主要有三種控制規(guī)律組合：比例控制規(guī)律、比例積分控制規(guī)律、比例積分微分控制規(guī)律，分別簡寫為P、PI和PID。選擇哪種控制規(guī)律主要是根據(jù)控制系統(tǒng)的特性和工藝要求來決定。1.比例控制器比例控制器輸出的變化量與調(diào)節(jié)器輸入的變化量（即偏差）成比例，其輸出ΔP與輸入e關(guān)系為：ΔP=KCe比例控制器的特點(diǎn)是：控制器的輸出與偏差成比例，閥門位置與偏差之間有一一對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，比例控制器克服干擾能力強(qiáng)，過渡過程時(shí)間短。在常用控制規(guī)律中，比例作用是最基本的控制規(guī)律，不加比例作用的控制規(guī)律是很少采用的。但是，純比例控制器在過渡過程終了時(shí)存在余差。負(fù)荷變化愈大，余差就愈大。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)比例控制器適用于調(diào)節(jié)通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝上沒有提出無差要求的系統(tǒng)。2.比例積分控制器比例積分控制器輸出ΔP與輸入e關(guān)系為：比例積分控制器的特點(diǎn)：積分作用使控制器的輸出與偏差的積分成比例，故過渡過程結(jié)束時(shí)無余差，這是積分作用的顯著優(yōu)點(diǎn)。但是，加上積分作用，會使穩(wěn)定性降低。雖然在加上積分作用的同時(shí)，可以通過加大比例度，使穩(wěn)定性基本保持不變，但超調(diào)量和振蕩周期都相應(yīng)增大，過渡過程時(shí)間也加長。比例積分控制器是使用最多、應(yīng)用最廣的控制器。它適用于調(diào)節(jié)通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝參數(shù)不允許有余差的系統(tǒng)。例如流量、壓力和要求嚴(yán)格的液位控制系統(tǒng)，常采用比例積分控制器。

上一頁下一頁返回任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)3.比例積分微分控制器比例積分微分控制器輸出ΔP與輸入e關(guān)系為：比例積分微分控制器的特點(diǎn)：微分作用使控制器的輸出與偏差變化速度成比例。它對克服容量滯后有顯著效果。在比例的基礎(chǔ)上加上微分作用能提高穩(wěn)定性，再加上積分作用可以消除余差。比例積分微分控制器適用于容量滯后較大、負(fù)荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)，目前應(yīng)用較多的是溫度系統(tǒng)。對于滯后很小或噪聲嚴(yán)重的系統(tǒng)，應(yīng)避免引入微分作用，否則會由于參數(shù)的快速變化引起控制作用的大幅度變化，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)【任務(wù)實(shí)施】簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)一個(gè)自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝完畢后，如何投運(yùn)是一項(xiàng)很重要的工作，尤其對一些重要的控制系統(tǒng)更應(yīng)重視。由于投運(yùn)前準(zhǔn)備工作做得不細(xì)或由于誤操作造成事故的例子也是常見的。當(dāng)然，一些次要的控制系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)可能很簡單，個(gè)別系統(tǒng)甚至在工藝開車前就可以打在自動位置。但是，多數(shù)控制系統(tǒng)都需要按正常的程序?qū)⑵渫度胱詣印Ｏ旅嬗懻撘幌峦哆\(yùn)前及投運(yùn)中的幾個(gè)主要問題。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)1.準(zhǔn)備工作對于工藝人員與儀表人員來說，投運(yùn)前都要熟悉工藝過程，了解主要工藝流程、主要設(shè)備的功能、控制指標(biāo)和要求，以及各種工藝參數(shù)之間的關(guān)系；熟悉控制方案，全面掌握設(shè)計(jì)意圖，熟悉各控制方案的構(gòu)成，對測量元件和調(diào)節(jié)閥的安裝位置、管線走向、工藝介質(zhì)性質(zhì)等都要心中有數(shù)。對于儀表人員來說，還應(yīng)該熟悉各種自動化工具的工作原理和結(jié)構(gòu)，掌握調(diào)校技術(shù)；投運(yùn)前必須對測量元件、變送器、控制器、執(zhí)行器和其他儀表裝置，以及電源、氣源、管路和線路進(jìn)行全面檢查，尤其是要對氣壓信號管路進(jìn)行試漏。2.儀表檢查儀表雖在安裝前已校驗(yàn)合格，投運(yùn)前仍需在現(xiàn)場校驗(yàn)一次，在確認(rèn)儀表工作正常后才可考慮投運(yùn)。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)對于控制記錄儀表，除了要觀察測量指示是否正常外，還特別要對控制器控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)校。前面已經(jīng)介紹過，對于比例積分控制器，當(dāng)測量值與給定值相等時(shí)，控制器的輸出可以等于任意數(shù)值（氣動儀表在0.02~0.1MPa之間，電動儀表在0~10mA或4~20mA之間）。例如，我們將給定值指針與測量值指針重合（又稱對針），這時(shí)控制器的輸出就應(yīng)該穩(wěn)定在某一數(shù)值不變。如果輸出穩(wěn)定不?。ㄟ€在繼續(xù)增大或減?。f明控制器的控制點(diǎn)有偏差。此時(shí)，若要使控制器輸出穩(wěn)定下來，測量值與給定值之間必然就有偏差存在。如果控制器是比例積分作用的，這種測量值與給定值之間的偏差就是控制點(diǎn)偏差。當(dāng)控制點(diǎn)偏差超過允許范圍時(shí)，就必須重新校正控制器的控制點(diǎn)。當(dāng)然，如果控制器是純比例作用的，那么測量值與給定值之間存在偏差是正常現(xiàn)象。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)3.控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)正、反作用檢查前面我們已經(jīng)講到，自動控制系統(tǒng)是具有被控變量負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。也就是說，如果被控變量偏高，則控制作用應(yīng)使之降低；相反，如果原來被控變量偏低，則控制作用應(yīng)使之升高?？刂谱饔脤Ρ豢刈兞康挠绊憫?yīng)與干擾作用對被控變量的影響相反，才能使被控變量回復(fù)到給定值。這里，就有一個(gè)作用方向的問題。在控制系統(tǒng)中，不僅是控制器，而且被控對象、測量變送器、調(diào)節(jié)閥都有各自的作用方向。如果它們組合不當(dāng)，使總的作用方向構(gòu)成了正反饋，則控制系統(tǒng)不但不能起控制作用，反而破壞了生產(chǎn)過程的穩(wěn)定。所以，在系統(tǒng)投運(yùn)前必須注意檢查各環(huán)節(jié)的作用方向。所謂作用方向，就是指輸入變化后，輸出變化的方向。當(dāng)輸入增加時(shí)，輸出也增加，則稱為“正作用”方向或“+”；反之，當(dāng)輸入增加時(shí)，輸出減小的稱“反作用”方向或“-”。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)（1）被控對象的作用方向。當(dāng)通過調(diào)節(jié)閥的物料或能量增加時(shí)，如果被控變量隨之增加，則對象為“+”；反之，如果被控變量隨之減小，則對象為“-”。（2）變送器的作用方向。對于變送器，其作用方向一般都是“+”的，因?yàn)楫?dāng)被控變量增加時(shí)，其輸出信號也是相應(yīng)增加的。（3）調(diào)節(jié)閥的作用方向。調(diào)節(jié)閥的作用方向取決于是氣開閥還是氣關(guān)閥，氣開式為“+”，氣關(guān)式為“-”。這里需要注意不要與調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)——閥的“正作用”及“反作用”混淆。（4）控制器的作用方向。在一個(gè)安裝好的控制系統(tǒng)中，對象、變送器的作用方向一般都是確定了的，調(diào)節(jié)閥的氣開或氣關(guān)形式主要應(yīng)從工藝安全角度來選定。所以在系統(tǒng)投運(yùn)前，最后才能確定控制器的作用方向?？刂破鞯恼?、反作用可以通過改變控制器上的正、反作用開關(guān)進(jìn)行選擇。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)對于控制器，當(dāng)被控變量（即變送器送來的信號）增加，控制器的輸出也增加，稱為“正作用”方向或“+”；如果輸出隨著被控變量的增加而減小，則稱為“反作用”方向或“-”（同一控制器，其被控變量與給定值的變化對輸出的作用方向是相反的）?？刂破鞯恼?、反作用選擇原則是使整個(gè)控制回路構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)。我們可用回路各環(huán)節(jié)的符號乘積為“-”的判別式來確定控制器的正反作用。（控制器±）（調(diào)節(jié)閥±）（對象±）=（-）變送器的作用方向一般都是“正”的，即符號為“+”，不影響其他環(huán)節(jié)的符號乘積，因此，變送器的符號不必出現(xiàn)在判別式中。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)圖8-6是一個(gè)簡單的加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)。為了在調(diào)節(jié)閥氣源突然斷氣時(shí)，爐溫不繼續(xù)升高，以防燒壞爐子，采用了氣開閥（氣源停氣時(shí)關(guān)閉），是“正”方向。爐溫是隨燃料的增多而升高的，所以爐子也是“正”方向作用的。變送器是隨爐溫升高，輸出增大，也是“正”方向。所以按照上面判別式判斷，控制器必須為“反作用”，才能當(dāng)爐溫升高時(shí)，使閥門關(guān)小，爐溫下降。圖8-7是一個(gè)簡單的液位控制系統(tǒng)。調(diào)節(jié)閥采用了氣開閥，一旦氣源中斷，閥門自動關(guān)閉，以免物料流失，故調(diào)節(jié)閥是“正”方向。當(dāng)調(diào)節(jié)閥打開時(shí)，液位是下降的，所以對象的作用方向是“反”的。變送器為“正”方向。按照上面判別式判斷，控制器的作用方向必須為“正作用”才行?？傊_定控制器作用方向，就是要使控制回路中各個(gè)環(huán)節(jié)總的作用方向?yàn)椤胺础狈较颍瑯?gòu)成負(fù)反饋，這樣才能真正起到控制作用。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)4.調(diào)節(jié)閥的投運(yùn)在現(xiàn)場，調(diào)節(jié)閥的安裝情況一般如圖8-8所示。在調(diào)節(jié)閥4的前后各裝有截止閥，圖中1為上游閥，2為下游閥。另外，為了在調(diào)節(jié)閥或控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)不致影響正常的工藝生產(chǎn)，通常在旁路上安裝有旁路閥3。開車時(shí)，有兩種操作步驟，一種是先用人工操作旁路閥，然后過渡到調(diào)節(jié)閥手動遙控；另一種是一開始就用手動遙控。如條件許可，當(dāng)然后一種方法較好。遠(yuǎn)距離人工控制調(diào)節(jié)閥叫手動遙控。當(dāng)由旁路閥手工操作轉(zhuǎn)為調(diào)節(jié)閥手動遙控時(shí)，步驟如下：（1）先將截止閥l和2關(guān)閉，手動操作旁路閥3，使工況逐漸趨于穩(wěn)定；（2）將控制器置于手動狀態(tài)，用控制器上手動輸出鍵手動輸出控制信號，遠(yuǎn)距離遙控調(diào)整調(diào)節(jié)閥上的氣壓P，使它等于某一中間數(shù)值或已有的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值；上一頁下一頁返回任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)（3）先開上游閥1，再逐漸開下游閥2，同時(shí)逐漸關(guān)閉旁路閥3，以盡量減少波動（亦可先開下游閥2）；（4）觀察儀表指示值，改變手動輸出，使被控變量接近給定值。一般說來，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定操作時(shí)，閥門膜頭壓力應(yīng)為0.03~0.085MPa范圍內(nèi)的某一數(shù)值，否則，表明閥的尺寸不合適，應(yīng)重新選用調(diào)節(jié)閥。當(dāng)壓力超過0.085MPa時(shí)，表明所選調(diào)節(jié)閥太?。▽忾_閥而言），可適當(dāng)利用旁路閥來調(diào)整，但這不是根本解決問題的辦法，它將使閥的流量特性變壞。當(dāng)由于生產(chǎn)量的不斷增加，使原設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)閥太小時(shí)，如果只是依靠開大旁路閥來調(diào)整流量，會使整個(gè)自動控制系統(tǒng)不能正常工作。這時(shí)無論怎樣整定控制器參數(shù)，都不能獲得滿意的控制質(zhì)量。5.控制器的手動和自動切換通過手動遙控調(diào)節(jié)閥，使工況趨于穩(wěn)定以后，控制器就可以由手動切換到自動，實(shí)現(xiàn)自動操作。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡單控制系統(tǒng)的投運(yùn)由手動切換到自動，或由自動切換到手動，因所用儀表型號及連接線路不同，有不同的切換程序和操作方法，總的要求是要做到無擾動切換。所謂無擾動切換，就是不因切換操作給被控變量帶來干擾。對于氣動薄膜調(diào)節(jié)閥來說，只要切換時(shí)無外界干擾，切換過程中就應(yīng)保證閥膜頭上的氣壓不變，也就是使閥位不跳變。如果在切換過程中，發(fā)生了外界干擾，控制器立即發(fā)出校正信號操縱調(diào)節(jié)閥動作，這是正?，F(xiàn)象，不是切換帶來的擾動。為了避免這種情況，切換必須迅速完成。所以，總的要求是平穩(wěn)、迅速，實(shí)現(xiàn)無擾動切換。6.控制器參數(shù)的整定控制系統(tǒng)投入自動后，即可進(jìn)行控制器參數(shù)的整定。整定方法將在任務(wù)二中進(jìn)行介紹。上一頁返回任務(wù)二簡單控制系統(tǒng)的參數(shù)整定【任務(wù)描述】在學(xué)習(xí)簡單控制系統(tǒng)工作原理及投運(yùn)方法的基礎(chǔ)上，掌握簡單控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法?！局R鏈接】一、簡單控制系統(tǒng)的參數(shù)整定控制系統(tǒng)投入自動后，即可進(jìn)行控制器參數(shù)的整定。一個(gè)自動控制系統(tǒng)的過渡過程或者控制質(zhì)量，與被控對象的特性、干擾形式與大小、控制方案的確定及控制器的參數(shù)整定有著密切關(guān)系。對象特性和干擾情況是由工藝操作和設(shè)備特性決定的。在確定控制方案時(shí)，只能盡量設(shè)計(jì)合理，并不能任意改變它。一旦方案確定之后，對象各通道的特性就已成定局，這時(shí)控制質(zhì)量只取決于控制器參數(shù)的整定。所謂控制器參數(shù)的整定，就是按照已定的控制方案，求取使控制質(zhì)量最好時(shí)的控制器參數(shù)值，就是確定最合適的控制器比例度δ、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD。下一頁返回任務(wù)二簡單控制系統(tǒng)的參數(shù)整定1.臨界比例度法臨界比例度法是先通過試驗(yàn)得到臨界比例度δK和臨界周期TK，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的關(guān)系求出控制器各參數(shù)值。具體做法如下：在閉合的控制系統(tǒng)中，先將控制器變?yōu)榧儽壤饔茫磳I放在“∞”位置上，TD放在“O”位置上。在躍階干擾作用下，從大到小逐漸改變控制器的比例度，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩（即臨界振蕩），如圖8-9所示，這時(shí)的比例度叫臨界比例度δK，周期為臨界振蕩周期TK，記下δK和TK，然后按表8-1中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出控制器的各參數(shù)整定數(shù)值。臨界比例度法比較簡單方便，容易掌握和判斷，適用于一般的控制系統(tǒng)。但是對于臨界比例度很小的系統(tǒng)不適用。因?yàn)榕R界比例度很小，則控制器輸出的變化一定很大，被控變量容易超出允許范圍，影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。上一頁下一頁返回任務(wù)二簡單控制系統(tǒng)的參數(shù)整定臨界比例度法必須讓被控變量達(dá)到等幅振蕩后，才能找出δK和TK，這對于工藝上不容許產(chǎn)生等幅振蕩的系統(tǒng)是不適用的。2.衰減曲線法衰減曲線法是通過使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減振蕩來整定控制器參數(shù)值的，具體做法如下：在閉合的控制系統(tǒng)中，先將控制器變?yōu)榧儽壤饔?，比例度放在較大的數(shù)值上。在達(dá)到穩(wěn)定后，用改變給定值的辦法加入階躍干擾，觀察記錄曲線的衰減比，然后從大到小改變比例度，直至出現(xiàn)4∶1衰減比為止，如圖8-10所示，記下此時(shí)的比例度δS（叫4∶1衰減比例度），并從曲線上得出衰減周期TS，然后根據(jù)表8-2中的經(jīng)驗(yàn)公式，求出控制器的參數(shù)整定值。上一頁下一頁返回任務(wù)二簡單控制系統(tǒng)的參數(shù)整定采用衰減曲線法必須注意以下幾點(diǎn)：（1）加的干擾幅值不能太大，要根據(jù)生產(chǎn)操作要求來定，一般為額定值的5%左右，也有例外的情況。（2）必須在工藝參數(shù)穩(wěn)定情況下才能施加干擾，否則得不到正確的δS、TS。（3）對于反應(yīng)快的系統(tǒng)，如流量、管道壓力和小容量的液位控制等，要在記錄曲線上嚴(yán)格得到4∶1衰減曲線比較困難，一般以被控變量來回波動兩次達(dá)到穩(wěn)定，就可以近似地認(rèn)為達(dá)到4∶1衰減過程了。衰減曲線法比較簡便，適用于一般情況下的各種參數(shù)的控制系統(tǒng)。但對于干擾頻繁，記錄曲線不規(guī)則，不斷有小擺動時(shí)，由于不易得到正確的衰減比例度δS和衰減周期TS，使得這種方法難于應(yīng)用。上一頁下一頁返回任務(wù)二簡單控制系統(tǒng)的參數(shù)整定3.經(jīng)驗(yàn)湊試法經(jīng)驗(yàn)湊試法是在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來的一種整定方法。它是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將控制器參數(shù)放在一個(gè)數(shù)值上，直接在閉合的控制系統(tǒng)中，通過改變給定值施加干擾，在記錄儀上觀察過渡過程曲線，按照規(guī)定順序?qū)Ρ壤圈?、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD逐個(gè)整定，直到獲得滿意的過渡過程為止。各類控制系統(tǒng)中控制器參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表8-3中，供整定時(shí)參考選擇。表中給出的只是一個(gè)大體范圍，有時(shí)變動較大。例如，流量控制系統(tǒng)的δ值有時(shí)需在200%以上；有的溫度控制系統(tǒng)，由于容量滯后大，TI往往在15min以上。另外，選取δ值時(shí)應(yīng)注意測量部分的量程和調(diào)節(jié)閥的尺寸。如果量程范圍小或調(diào)節(jié)閥尺寸選大了，δ應(yīng)選得適當(dāng)大一些。先用純比例作用進(jìn)行湊試，待過渡過程基本穩(wěn)定并符合要求后，再加積分作用消除余差，最后加入微分作用是為了提高控制質(zhì)量。按此順序觀察過渡過程曲線進(jìn)行整定工作，具體做法如下。上一頁下一頁返回任務(wù)二簡單控制系統(tǒng)的參數(shù)整定根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并參考表8-3的數(shù)據(jù)，選出—個(gè)合適的δ值作為起始值，去掉積分和微分作用，將系統(tǒng)投入自動。改變給定值，觀察記錄曲線形狀。如曲線不是4∶1衰減（這里假定要求過渡過程是4∶1衰減振蕩的），例如衰減比大于4∶1，說明選的δ值偏大，適當(dāng)減小δ值再看記錄曲線，直到為4∶1衰減為止。注意，當(dāng)把控制器比例度盤撥小后，如無干擾就看不出衰減振蕩曲線，一般都要改變一下給定值才能看到，若工藝上不允許改變給定值，那只好等候工藝本身出現(xiàn)較大干擾時(shí)再看記錄曲線。δ值調(diào)整好后，如要求消除余差，則要引入積分作用。一般積分時(shí)間可先取為衰減周期的一半值，并在積分作用引入的同時(shí)，將比例度增加10%~20%，看記錄曲線的衰減比和消除余差的情況，如不符合要求，再適當(dāng)改變δ和TI值。如果是三作用控制器，則在已調(diào)整好δ和TI的基礎(chǔ)上再引入微分作用，而在引入微分作用后，允許把δ值縮小一點(diǎn)，把TI值也再縮小一點(diǎn)。微分時(shí)間TD也要湊試，以使過渡過程時(shí)間短，超調(diào)量小，控制質(zhì)量滿足生產(chǎn)要求。上一頁下一頁返回任務(wù)二簡單控制系統(tǒng)的參數(shù)整定經(jīng)驗(yàn)湊試法的關(guān)鍵是“看曲線，調(diào)參數(shù)”。因此，必須弄清楚控制器參數(shù)值變化對過渡過程曲線的影響關(guān)系。一般來說，在整定中，觀察到曲線振蕩很頻繁，需把比例度增大以減小振蕩；當(dāng)曲線最大偏差大且趨于非周期過程，需把比例度減小。當(dāng)曲線波動較大時(shí)，應(yīng)增大積分時(shí)間；曲線偏離給定值后，長時(shí)間回不來，則需減小積分時(shí)間，以加快消除余差的過程。如果曲線振蕩得厲害，需把微分作用減到最小，或者暫時(shí)不加微分作用，以免加劇振蕩；曲線最大偏差大而衰減慢，需把微分時(shí)間加長。經(jīng)過反復(fù)湊試，一直調(diào)到過渡過程振蕩兩個(gè)周期后基本達(dá)到穩(wěn)定，品質(zhì)指標(biāo)達(dá)到工藝要求為止。經(jīng)驗(yàn)湊試法的特點(diǎn)是方法簡單，適用于各種控制系統(tǒng)，因此應(yīng)用非常廣泛。特別是外界干擾作用頻繁，記錄曲線不規(guī)則的控制系統(tǒng)，采用此法最為合適。但是此法主要是靠經(jīng)驗(yàn)，在缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)或過渡過程本身較慢時(shí)，往往費(fèi)時(shí)較多。上一頁下一頁返回任務(wù)二簡單控制系統(tǒng)的參數(shù)整定在自動控制系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)，控制器的參數(shù)必須整定，才能獲得滿意的控制質(zhì)量。此外，在生產(chǎn)進(jìn)行的過程中，如果工藝操作條件改變，或負(fù)荷有很大變化，被控對象的特性就要改變，因此，控制器的參數(shù)也必須重新整定。由此可見，整定控制器參數(shù)是經(jīng)常要做的工作，對工藝人員與儀表人員來說，都是需要掌握的。二、控制系統(tǒng)運(yùn)行中的常見問題控制系統(tǒng)在投運(yùn)及運(yùn)行一個(gè)時(shí)期以后，可能會出現(xiàn)各種各樣的問題，這時(shí)通常要從自動化裝置和工藝兩方面去尋找原因，只要工藝人員和儀表人員密切配合，認(rèn)真檢查，是不難發(fā)現(xiàn)問題并找出處理辦法的。顯然，工藝人員要學(xué)習(xí)儀表自動化知識，自動化人員要學(xué)習(xí)工藝知識，這是十分重要的。上一頁下一頁返回任務(wù)二簡單控制系統(tǒng)的參數(shù)整定這里僅就控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)的幾個(gè)主要問題，以及解決的措施作簡單的介紹。1.控制系統(tǒng)間的相互干擾及克服辦法圖8-11是壓力和流量兩個(gè)控制系統(tǒng)之間相互干擾的示意圖。如果在一條管道上既要控制壓力，又要控制流量，兩者必然存在相互干擾。例如，當(dāng)管道壓力低于給定值時(shí)，壓力控制器要去關(guān)小閥門l，這將導(dǎo)致管道流量下降，于是流量控制器要去打開閥門2，這又會導(dǎo)致壓力下降，如此反復(fù)，可能會造成兩個(gè)控制系統(tǒng)都無法正常工作。一些并聯(lián)運(yùn)行的設(shè)備相互之間關(guān)聯(lián)也很大，例如一個(gè)負(fù)荷分配系統(tǒng)（見圖8-12），主管道與三個(gè)支管道是連通的，各支管上均有控制閥門。改變?nèi)我婚y的開度都會影響主管道內(nèi)的壓力變化，而這又會影響進(jìn)入其他分支管內(nèi)的流量，當(dāng)主管道口徑越小時(shí)，這種影響越明顯。消除控制系統(tǒng)間相互干擾的辦法可以從工藝上考慮，也可以從控制系統(tǒng)方面考慮。上一頁下一頁返回任務(wù)二簡單控制系統(tǒng)的參數(shù)整定對于圖8-11的管道壓力與流量控制系統(tǒng)，如不希望改變控制方案，可以通過控制器參數(shù)整定，將兩個(gè)控制系統(tǒng)的動態(tài)聯(lián)系削弱，使其能正常工作。假如壓力系統(tǒng)是主要的，可以把流量控制器的比例度與積分時(shí)間適當(dāng)加大。當(dāng)受到干擾時(shí)，壓力控制系統(tǒng)立即起作用，把壓力調(diào)回給定值，而流量控制系統(tǒng)慢慢起作用，經(jīng)過一段時(shí)間才能回復(fù)到給定值。這樣，削弱了流量系統(tǒng)對壓力系統(tǒng)的影響。采取這種措施后，保證了主要被控變量——壓力的穩(wěn)定，而流量的控制質(zhì)量會有所降低，但這是必須付出的代價(jià)。2.測量系統(tǒng)的故障及判別方法自動控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，有時(shí)測量系統(tǒng)會出現(xiàn)各種故障。這時(shí)工藝人員若誤認(rèn)為是工藝有問題而對設(shè)備進(jìn)行誤操作，結(jié)果就會影響生產(chǎn)，甚至導(dǎo)致生產(chǎn)事故，所以在發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)的記錄曲線出現(xiàn)異常情況時(shí)，首先要分析情況，判別其原因，這是正常操作的前提之一。判別的方法可歸納為如下三點(diǎn)。上一頁下一頁返回任務(wù)二簡單控制系統(tǒng)的參數(shù)整定（1）記錄曲線的分析比較。記錄曲線的異常情況一般有下列幾種，仔細(xì)分析比較，是不難找出其原因的。①記錄曲線突變。一般來說，工藝參數(shù)的變化是比較緩慢的，有規(guī)律的。如果記錄曲線突然變化到“最大”或“最小”兩個(gè)極端位置上，則可能是儀表發(fā)生故障。②記錄曲線突然大幅度變化。各個(gè)工藝參數(shù)往往是互相關(guān)聯(lián)的。一個(gè)參數(shù)的大幅度變化一般總要引起其他參數(shù)的明顯變化，如果其他參數(shù)并沒有變化，則這個(gè)指示參數(shù)大幅度變化的儀表或有關(guān)裝置可能有故障。③記錄曲線出現(xiàn)不規(guī)則變化。一般說來，控制閥存在干摩擦或死區(qū)，記錄曲線產(chǎn)生圖8-13中a的現(xiàn)象；儀表記錄筆卡住，記錄曲線往往出現(xiàn)b的現(xiàn)象；控制閥定位器用得不當(dāng)，產(chǎn)生跳動，記錄曲線產(chǎn)生有規(guī)律的自持振蕩，如圖8-13曲線c所示。上一頁下一頁返回任務(wù)二簡單控制系統(tǒng)的參數(shù)整定④記錄曲線出現(xiàn)等幅振蕩。除了由于控制器參數(shù)整定不合適出現(xiàn)臨界振蕩外，其他因素也會使記錄曲線出現(xiàn)等幅振蕩。一般說來，控制閥閥桿滯澀，閥芯特性不好，閥門尺寸太大，工作在全行程的三分之一以下，會引起記錄曲線呈現(xiàn)狹窄的鋸齒狀的并有較小時(shí)間間隔的振蕩變化，如圖8-14中曲線a所示；往復(fù)泵的脈沖，引起控制過程曲線呈現(xiàn)較寬的連續(xù)的有較大時(shí)間間隔的振蕩變化，如圖8-14曲線b所示；有的控制系統(tǒng)在比例度還很大的時(shí)候，就產(chǎn)生虛假的臨界振蕩變化，如圖8-14曲線c所示。這種振蕩是緊跟著直接有關(guān)的其他工藝參數(shù)的波動而產(chǎn)生的，這時(shí)，不要被假象所迷惑。它說明控制作用還很微弱，應(yīng)把比例度大幅度減小。⑤記錄曲線不變化，呈直線狀（或圓狀）。目前大多數(shù)較靈敏的儀表，對工藝參數(shù)的微小變化，多少總能反映出來一些。如果在較長的時(shí)間內(nèi)，記錄曲線是直線狀，或原來有波動的曲線突然變成直線形（或圓形），就要考慮儀表可能有故障。這時(shí)可以人為地改變一點(diǎn)工藝條件，看儀表有無反應(yīng)，如果沒有反應(yīng)，則儀表有故障。

上一頁下一頁返回任務(wù)二簡單控制系統(tǒng)的參數(shù)整定（2）控制室儀表與現(xiàn)場同位儀表比較。對控制室儀表指示有懷疑時(shí)，可以觀察現(xiàn)場同位置（或相近位置）安裝的各種直觀儀表（如彈簧管壓力表、玻璃溫度計(jì)等）的指示，看兩者指示值是否相近（不一定要完全相等），如果差別很大，則儀表有故障。