第八章-自动控制技术基本知识第一节-自动控制基础知识海上采油生产过程的特点是.doc

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水量等参数的大小，并根据要求严格地控制这些参数处于规定值，以求优质、高产，安全地 进行生产，并大大降低操作人员的劳动强度。这种用自动化设备管理海上采油生产过程的办 法称为海上采油生产过程自动化。 11 仪表常用缩写字母 英文名称 TEMPERATURE WELL TEMPERATURE TEMP INDICATOR TEMPERATURE TRANSMITTER INDICATOR CONTROLLER TEMPERATURE CONTROL VALVE TEMPERATURE SWITCH HIGH TEMPERATURE TEMPERATURE TEMPERATURE SWITCH HIGH HIGH SWITCH SWITCH LOW LOW LOW 英文缩写 TI TT TIC TCV TSH TSHH TSL TSLL TAH TAHH TAL TALL PI PT PIC PCV PSH PSHH PSL PSLL PAH PAHH 中文名称 TW 温井 温度表 温度变送器 温度显示控制器 温度控制阀 温度高开关 温度高高开关 温度低开关 温度低低开关 温度高报警 温度高高报警 温度低报警 温度低低报警 压力表 压力变送器 压力显示控制器 压力控制阀 压力高开关 压力高高开关 压力低开关 压力低低开关 压力高报警 压力高高报警 1 TEMPERATURE ALARM HIGH TEMPERATURE ALARM HIGH HIGH TEMPERATURE ALARM LOW TEMPERATURE ALARM LOW LOW PRESSURE PRESSURE PRESSURE PRESSURE PRESSURE PRESSURE INDICATOR INDICATOR CONTROLLER SWITCH HIGH SWITCH HIGH HIGH SWITCH LOW SWITCH LOW LOW PRESSURE TRANSIMITTER PRESSURE CONTROL VALVE PRESSURE ALARM HIGH PRESSURE ALARM HIGH HIGH PRESSURE ALARM LOW PRESSURE ALARM LOW LOW PRESSURE DIFFERENT SWlCH HIGH PRESSURE DIFFERENT SWICH LOW PRESSURE DIFFERENT ALARM LOW PRESSURE DIFFERENT ALARM HIGH LEVEL INDICATOR LEVEL GLASS TUBE LEVEL TRANSIMITTER LEVEL INDICATOR CONTROLLER LEVEL CONTROL VALVE LEVEL SWITCH HIGH LEVEL SWITCH HIGH H1GH LEVEL SWITCH LOW LEVEL SWITCH LOW LOW LEVEL ALARM HIGH LEVEL ALARM LOW LEVEL ALARM HIGH HIGH LEVEL ALARM LOW LOW FLOW INDICATOR FLOW TRNSIMITTER FLOW INDICATOR CONTROLLER FLOW CONTROL VALVE PRESSURE SAFETY VALVE SHUT DOWN VALVE BLOW DOWN VALVE UNIT PROCESS SHUT DOWN SHUT DOWN Fl LI PAL PALL PDSH PDSL PDAL PDAH LG LT LIC LCV LSH LSHH LSL LSLL LAH LOW LAHH LALL FT FIC FCV PSV SDV BDV USD PSD ESD PLC 压力低报警 压力低低报警 差压高开关 差压低开关 差压低报警 差压高报警 液位计 液位玻璃管 液位变送器 液位显示控制器 液位控制阀 液位高开关 液位高高开关 液位低开关 液位低低开关 液位高报警 液位低报警 液位高高报警 液位低低报警 流量表 流量变送器 流量显示控制器 流量控制阀 压力安全阀 关断阀 排空阀 单元关断 系统关断 紧急关断 可编程逻辑控制器 EMERGENCY SHUT DOWN PROGRAMALOGICAL CONTROLLER 一、管线及仪表图 （P&I 图） 在海洋石油的自动化控制系统设计与使用中，管路及仪表图、仪表回路图、方框图、程 序控制梯形逻辑图是操作人员、仪表维修人员必须掌握的知识，下面简单介绍这几种图。 P&I图是用线条、 圆形和球形为基础的符号将平台上各设备橇块内的配管及仪表布局和外 部接口进行综合描述，P&I图中既表明了物料的流向又标明了所用现场仪表的类型、设点、安 2 装位置及仪表的外接口情况。 图81 管路标记 1、管路及仪表图 对仪表管路、气动管路、液动管路以及电路所做的标记如图81所示； 2、各类仪表的位置标记符号如图82所示； 图82 仪表的位置标记符号 3、与海上平台的管路及仪表图有关的常用符号如控制阀、减压阀等如图83所示。 图83 管路及仪表图常用符号 在仪表回路中，操作标志的第一个字母应根据该回路所测变量来选择。如P代表压力、T 代表温度、F 代表流量、L 代表液面。 标准的模拟直流信号规定：电流信号420mA直流，电压信号为1-5V直流。标准的电流信 3 号应该能把额定电流输送到0600（最小）范围内的任何外部负载。标准电压输出信号所具 有的电阻应不大于250。 除非有特别要求，仪表系统的信号一般是电源的负极。 图84给出一典型的管道及仪表流程图。 图84 典型的管道及仪表流程图 二、仪表回路图 仪表回路图（如图85） 是管路及仪表图的延伸。回路图展示了仪表的横向连接，把仪表控制盘的配线、施工和 仪表盘的测试连成一体，表明了现场仪表、现场接线盒、就地控制盘、中央控制系统间的接 线情况。在投产、启动、操作和维修期间，回路图对测试和校准是非常有用的。对仪表回路 图中所有组件都必须做出标记，这些标记也必须符合管线及仪表图的规定。 4 图85 仪表回路图 三、方框图 方框图也称为方块图，每个方块表示组成系统的一个“环节”，也代表 一个具体实物，两个方框之间用一条带有箭头的线条表示其相互关系。箭头表示作用方 向，线上的字母表示相互之间的作用信号。一般方框是单方向作用的，也就是说方块的输入 会影响输出，但输出不会反过来影响输入。还需注意的是，方框与方框之间的连接线，只是 代表方框之间的作用关系，并不代表方框之间的物料关系，方块间连接线的箭头也只是代表 信号作用的方向，与工艺流程图中物料流向不同。方块图一般不画出显示仪表。 图86方框图 五、梯形逻辑图 梯形逻辑图是实现自动化顺序控制的常用方法。其实现顺序控制的优点是直观而且符合 人们的习惯。除了集散控制系统（DCS）之外，几乎所有的过程逻辑控制（PLC）均是采用 此方法进行顺序控制。梯形逻辑图（LADDER LOGIC DIAGRAM）是随着继电器控制系统的 “软件”而产生的一种解释执行程序设计语言。这些系统中除了包括基本的触点、线圈以及 逻辑与、或、非关系，还包括了诸如定时器、计数器、数字算法、寄存器运算、数据转换等。 此外，它还可以方便地将LADDER 逻辑控制回路同连续调节控制算法通过数据库连接起来， 以实现更复杂的功能。 因为梯形逻辑图是由继电器逻辑电路演变而来，其书写格式也类似于继电器梯形逻辑电 路图，PLC梯形从上至下按行绘制，两侧的竖线类似于电器控制电源线，每一行从左至右， 左侧是安排输入接点，并且把并接点多的支路靠近最左端。输入接点不论是外部的按钮，行 程开关，还是继电器接点，在图形符号上只用常开和常闭而不关其物理属性。图87是一个 典型的梯形逻辑图。 5 图87 梯形逻辑图 第二节 自动调节系统一、自动调节系统及其组成 自动调节系统是在人工调节的基础上产生发展起来的。所以，在开始介绍自动调节的时 候，先分析人工操作，并与自动调节加以比较，对了解和分析自动调节系统是有裨益的。 图 88 所示是一个液体贮罐，在生产中常用为一般的容器，从前一工序出来的液体不断 地流入罐中，而从罐中流出的液体又送至下一工序进行加工。生产要求维持罐中液位只能在 一小范围内变化，罐上装有玻璃管液位计可供观测罐中液位高低。我们可以发现这一岗位的 操作存在一个问题，即前一工序来的液体流量往往是不恒定的。当来料流量大的时候，液位 上升，来料流量小的时候液位下降。为了维持液位一定，人工操作的方法是，眼看液位计指 示值，发现高时，开大阀门，增加流出量，发现液位低时，关小阀门，减少流出量，从而维 持罐中液位一定。归纳起来操作人员进行的工作是：观察玻璃管液位计的指示值，将指 示值与要求值进行比较，算出两者的差值，根据差值的方向开或关阀门，根据差值的绝对 值大小确定开或关阀门的多少，将上述三步工作不断重复下去，直至液位达到要求值为止， 这个过程就叫做调节。图 88 中调节的指标是液位，所以也叫液位调节。生产中还有温度调 节、压力调节，流量调节等。由人来直接进行调节的工作，就叫做人工调节。 图 88 液体贮罐 图 89 自动调节示意图 假若用一个自动化装置来代替上述人工操作，就叫做液位自动调节。液体罐和自动化装 置一起的全部设备，构成了一个自动调节系统，如图 88 所示。由图可知自动化装置包括三 6 个部分。第一部分是测量罐中液位并将液位的高低变成一种特定的信号(如气压、电流、位移 等)输出的仪器，这个仪器被称做测量元件和变送器。第二部分是自动调节器，即根据测量元 件或变送器来的信号，与工艺上需要保持的液位高度加以比较，按已设计好的运算规律算出 应给阀门的信号大小，把此信号(气压，电流等)传送给阀门。第三部分是调节阀，它和普通 的阀功能相同，只不过它能根据调节器送来的信号值自动地改变阀门开度。当一套自动化装 置具有这三部分仪器后，上述人工调节的工作就能由自动化装置代替。 二、基地式调节仪表和单元组合仪表 测量元件，变送器，调节器是三个不同的仪表，变送器的作用可做如下解释：假如测量 元件发出的测量信号(如位移或力等)与调节器要求的输入信号(如气压或电流)不相符合时， 则需要增加一个将测量信号变换为调节器所需输入信号的装置，即变送器。也可以把测量元 件与调节器装在一起，设计制造一台仪器，省掉中间配合的变送器，这种仪表被称为基地式 调节仪表。50 年代以前生产的仪表多属这种类型显然基地式调节仪表运用的局限性较大， 如一台基地式液位调节器不能用于温度调节，也不能用于压力调节，更不便于与其他仪 表配合组成复杂的调节系统。为了克服基地式调节仪表的不足，50 年代出现了单元组合 仪表系列，该系列中有各式各样的变送器，如温度变送器、压力变送器，差压变送器等，这 些变送器的作用是把测量元件的输出转换成规定的统一信号(如直流电流 420mA 或气压 0020.1Mpa)。调节器或其他仪器(显示器、加减器，乘除器等)的输入输出信号均为上述 统一信号。阀门的输入信号也是相同的统一信号。单元组合仪表的调节仪表可作液位调节也 可作温度或其他参数调节，各仪表之间的信号联系都是统一信号，这样可方便地构成复杂的 控制系统或运算系统。这些特点是基地式调节仪表所不具备的。但基地式仪表，一台仪表完 成多种功能(测量、显示、调节等)，构成简单调节系统显得便宜、方便、操作简单。 三、自动调节系统的方框图 自动调节系统中的工艺生产设备，如上例中的液体罐，叫做调节对象或简称对象。而生 产中要求保持不变的工艺指标，如上例中的液位高度，称为给定值。根据调节器输出信号变 化而驱动调节对象变化的机构(如阀门)称为执行器在研究自动调节系统时，为了更清楚地 表示出一个自动调节系统各个组成环节间的相互影响和信号联系，一般都用方块图来表示调 节系统的组成(方块图也称方框图，在分析电路或复杂仪表时也经常应用此表示方法)。 例如图 89 的液位自动调节系统可以用图 810 的方块图来表示。 每个方块表示组成系 统的一个“环节”，两个方块之间用一条带有箭头的线条表示其相互关系，箭头表示进入还 是离开这个方块，线上的字母表示相互之间的作用信号。 7 图 810 自动调节系统 图 88 中的液罐可用一个“对象”方块表示，其液位就是生产过程中所要保持定值的参 数，称为被调参数，这里用 y 表示。在方块图中被调参数就是对象的输出信号。在本例中影 响被调参数液位的因素来自进料流量的改变，这种引起被调参数波动的外来因素在自动调节 系统中称为干扰作用，在方块图中用 f 表示。干扰作用是作用于对象的输入信号，所以箭头 是指向对象的。与此同时，出料流量的改变也是影响液位的因素，所以也是作用于对象的输 入信号，它在方块图中把调节阀(执行器)和对象连接在一起。液位信号是测量元件及变送器 的输入，而变送器的输出信号 Z(如气动液位变送器输出为气压)进入比较机构，与给定值信 号 x 进行比较，得出偏差信号 e(e=xz)，并被送往调节器。比较机构实际上是调节器的一 部分，而不是独立元件，在图中把它单独画出来为的是说明其比较作用。给定值是人为事先 规定的要求的被调参数值(这个例中为液位)，给定值在一般调节器中均由附加的给定机构产 生，有些单元组合仪表是由专用给定器产生，此时给定器是另一仪器，其输出为统一信号。 调节器可接收此信号。调节器按照偏差信号 e 发出信号 p(如气动调节器的输出气压变化)， 送至调节阀，使阀动作克服干扰影响，阀的输出 q(流出液量)的变化为调节作用，具体实现 调节作用的参数叫做调节参数，如图 89 中流过调节阀的出料流量 q 就是调节参数。 四、负反馈系统 从图 810 调节系统的组成来看，要进行调节，就需要不断地把输出量又送回到输入端 (与给定值比较后送入调节器)，这种将输出反送回来又作为输入的系统，称为反馈系统，反 送回来的信号称为反馈作用。由于这一反馈作用，把系统各环节连系起来，形成图 810 所 示的封闭系统，故称此种系统为闭环系统或闭路系统。调节作用就是靠反馈形成的，必须恰 当地选择反馈才能保证调节的质量。 首先，反馈必须有正确的方向，就是当干扰变化使被调参数(输出量)增加时，则通过反 馈作用必须使输出量减少，反之，当干扰使输出量减少时，通过反馈作用必须使输出量增加， 这样才能起到调节作用。这种反馈作用引起输出量下降，称为负反馈作用。显然一个自动调 节系统必须是一个负反馈系统。如果一个闭环系统没采用负反馈作用，而采用了正反馈作用， 那么在干扰作用下输出量上升，反馈量 Z 上升，由于是正反馈，Z 上升引起输出量上升，这 样下去，会使生产遭到破坏，起不到稳定被调参数的作用。 总之，自动调节系统是具有被调参数负反馈的闭环系统，它与自动操纵，自动信号报警 8 等开环系统有本质差别，关键就在于调节系统有负反馈。图 811 所示是一个开环系统的方 块图，如化肥厂的造气自动机自动控制系统就是典型开环系统的例子。自动机在操作的时候， 不管煤气发生炉有气或无气，也不管炉子是否已灭火，自动机仍然是周而复始的运转不停。 自动机不能了解炉子的情况，只是盲目地不断操纵生产运行，这是开环系统工作的缺点。反 过来说，调节系统具有负反馈是它的优点，它可以随时了解对象的情况，有针对性地而不是 盲目地进行调节。 图 811 自动操纵系统方块图 五、自动调节系统的分类 自动调节系统有多种分类方法，可以按工艺参数如压力，流量，温度等分类，也可以按 调节规律等分类。每一种分类方法都只反映了自动调节系统的某一特点。但是，在分析自动 调节系统特性时，给定值的形式不同会涉及到不同的分析方法，所以一般将调节系统按给定 值的不同情况来分类，这样可将自动调节系统分为三类，即定值调节系统，随动调节系统和 程序调节系统。 (一)定值调节系统 所谓定值就是恒定给定值的简称。工艺生产中要求调节系统的被调参数保持在一个生产 技术指标上不变，这个技术指标就是给定值。化工石油生产中大多要求这种类型的系统，因 此本书讨论的系统多属定值调节系统。 (二)随动调节系统(也称跟踪系统) 这类系统的特点是给定值在不断地变化，并要求系统的输出跟着变化。如各种变送器均 可看作一个随动系统，它的输出(指示值)应严格地及时地随着输入(被测值)而变化，这样才 能既测得准又测得快。 (三)程序调节系统 这类系统的给定值也是变的，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的 时间程序变化如制造胶鞋的硫化罐的温度调节系统和冶金工业金属退火炉的温度调节系统 都是这类系统的例子，在一般石油化工生产中较少碰到程序调节的要求。这类系统的给定值 常用凸轮或曲线板来实现，图 812 所示就是一个例子，图中曲线(a)是工艺要求的温度变化 规律，图(b)是给定凸轮形状。 9 图 812 程序给定示意图 (a) 时间程序曲线 (b)时间程序给定凸轮 第三节 自动调节系统的过渡过程一、系统的静态和动态 在自动化领域内，把被调参数不随时间变化的平衡状态称为系统的静态，而把被调参数 随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。当一个自动调节系统的输入（给定和干扰）恒 定不变时，生产过程处于平衡状态，整个系统就处于一种相对的平衡状态，系统的各个环节 如变送器，调节器和执行器都暂不动作，它们的输出信号都处于相对静止状态，这种状态就 是静态。注意这里所指的静态与习惯中所讲的静态不同，习惯所说静态都指静止不动，而在 自动化领域中的静态是指各参数(或信号)的变化率为零，即参数保持常数不变。因为自动调 节系统在静态时，生产还在进行，物料和能量仍然有进有出，只是平稳进行，没有改变就是 了，如图 82 中的液位调节系统，当流入量等于流出量时，液位就不改变，此时就达到了平 衡状态，亦即处于静态。但物料流动仍在进行。 假若一个系统原来处于相对平衡状态即静态，由于干扰加入或给定值改变，破坏了这种 平衡状态，被调参数就会变化，从而调节器等自动化设备就起调节作用，并力图使系统恢复 平衡状态。从给定或干扰的变化开始，经过调节，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中 整个系统的各个环节和参数都处于变化状态之中所以这种状态叫动态。必须指出，在自动 化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了解系统的动态更为重要。因为干扰或给定变化 引起系统变化以后，需要知道系统的动态情况，并搞清系统究竟能否建立新的平衡和怎样去 建立平衡。 平衡和静态是暂时的、相对的、有条件的，不平衡和动态才是普遍的、绝对的，无条件 的。干扰作用不断地发生，调节作用也就不断地去克服干扰的影响，所以自动调节系统总是 一直处于运动状态之中。因此研究自动调节系统重点要研究系统的动态。 二、自动调节系统的过渡过程 10 当自动调节系统在动态阶段中，被调参数是不断变化的，它随时间而变化的过程称为自 动调节系统的过渡过程。也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。给定值 变化或新的干扰的引入都会出现这种过程。一般希望被调参数的过渡过程始终保持与给定值 一致，但在实际过程中难于实现，在这个过程中被调参数往往是经过一段时间变化之后逐渐 接近给定值，自然希望这一段变化中被调参数偏离给定值的幅度越小越好，过渡过程所需时 间越短越好。为了对过渡过程的好坏有个统一的衡量方法，研究调节系统的学者们为衡量过 渡过程的优劣规定了几个指标，称之为过渡过程的品质指标。另一方面过渡过程变化的情况 与干扰(给定值变化也是一种干扰)加入的形式有关，所以提出过渡过程品质指标应明确 指出是在什么形式干扰之下的指标。现在一般使用的指标是在阶跃干扰下过渡过程的指标。 所谓阶跃输入是指在平衡状态下产生阶梯性跳变干扰，如图 813 所示。图中 f。与 x。表示 初始平衡状态的干扰量与给定值，f 与x 表示阶跃变化的干扰量与给定值。t 代表时间。 图 813 在干扰作用下过渡过程的形式一般有图 132 表示的几种， 稳定的生产是(c) (d)二种， 而(a) (b)是不希望的情况，所以被调参数过渡过程的指标是指类似于(c) (d)情况下的指标。 11 图 814 过渡过程的几种基本形式 图 814 是衰减振荡过渡过程的示意图，其中(a)是阶跃干扰作用影响下的过程，(b)是 给定值阶跃变化作用下的过程。前者是定值调节系统的过程，后者是随动调节系统的过程。 用过渡过程衡量系统质量时，习惯上用下述几个指标。 (一) 衰减比 虽然前面已提及一般希望得到衰减振荡的过渡过程， 但是衰减到什么程度为适当呢?表示 衰减程度的指标是衰减比，也就是前后两个峰值的比，在图 3-3 中衰减比是 B：B ，习惯 上表示为 n：1。衰减比为 1 时是等幅振荡，是一种不平稳的生产情况，一般生产中不允许出 现这种情况。如果 n 很大则接近非振荡过程，调节过程显得工作迟钝，不灵敏，通常也不是 大家欢迎的。一般以 n 为 310 之间为宜。图 33 中的曲线就是接近 4：1 的。因为衰减比 在 3：1 到 10：1 之间时，过渡过程开始阶段的变化速度比较快，被调参数在受到干扰的影响 和调节作用的校正后，能比较快地达到一个峰值，然后就马上下降又较快地达到一个低峰值。 当操作人员看到这种情况后，心里就很安定。因为他知道被调参数再振荡数次就会稳定下来， 并且最终的稳定值必然是在高低峰值之间，决不会出现太高或太低的现象，更不会出现造成 事故的数值。尤其是在反应比较缓慢的情况下，衰减振荡过程的这一特点尤为重要。对于这 种系统，假若过渡过程是非振荡过程，很可能操作人员在较长时间内都只能看到被调参数一 直上升(或下降)，似乎很自然地会怀疑参数是否会继续上升(或下降)不止。由于这种焦急的 心情很可能会导致拨动给定指针或仪表上的其他旋钮。假若一旦出现这种情况，那么这样 的拨动指针或旋钮，等于施加入人为的干扰，结果必然使被调参数离开给定值更远，这就可 能造成恶性循环， 使系统处于不可控制的状态。 选择衰减振荡的过渡过程并规定衰减比为 3 ： 1 到 10：1 之间，完全是多年来操作经验的总结。 (二) 余差 余差就是过渡过程终了时的残余偏差，在图 815 中以 C 表示，它也就是被调参数的稳 定值与给定值的差，其值可以是正也可以是负。在生产中给定值是生产的技术指标，所以被 调参数越接近给定值越好，亦即余差越小越好。但是在实际工作中也并不需要每个系统的余 差都很小，如一般的液位调节，要求就不高。这种系统往往允许液位有较大的变化范围，余 差就可以大一些。又如化学反应器的温度调节要求就比较高(一般温度与产品质量有关)，应 当尽量消除余差。消除余差的方法在以后的内容中介绍。 12 图 815 过渡过程质量指标示意图（a）阶跃干扰作用时 (b)阶跃给定作用时 有余差的调节过程称为有差调节，相应的系统称为有差系统。没有余差的调节过程称为 无差调节，相应的系统称为无差系统。 (三)最大偏差 前已述及偏差是被调参数的指示值与给定值的差。对于衰减振荡过程，最大偏差是第一 个波的峰值，在图 815 中以 A 表示。最大偏差表示系统瞬时偏离给定值的最大程度，若偏 离越大，偏离的时间越长，系统离开规定的生产情况就越远，对生产越不利。因此，最大偏 差可以作为衡量质量的一个指标。对于一些有危险限制的系统，如化学反应器的化合物爆炸 极限，触媒烧结温度极限，加热炉炉膛温度极限等，都有限制允许最大偏差的条件。同时考 虑到干扰会不断出现，偏差是叠加的，这就更限制了最大偏差的允许值所以在决定最大偏 差允许值时，要根据生产情况慎重考虑。 有时也用超调量来表征被调参数的偏离程度，在图 815 中超调量用 B 表示，从图看出 它是第一个峰值与新稳定值之差，并 AB+C，有时超调量也表示为余差的百分数即(B C)X100。无余差时不能用百分数表示。 (四)过渡时间 从干扰发生起，直到被调参数又建立新的平衡状态为止，这一段时间叫做过渡时间。从 数学概念讲，被调参数完全稳定在新的稳定状态需要无限长的时间。实际上由于仪表的灵敏 度限制，当被调参数靠近稳定值时，指示值就不再改变了。所以有必要在可以测量的区域内， 13 在稳定值上下规定一个小的范围，当指示值进入这一范围而不再越出时，就认为被调参数已 经达到稳定值。这个范围一般定为稳定值的5。按照这个规定，过渡时间就是从干扰开始 作用之时起，直至被调参数进入稳定值的5的范围之内所经历的时间。过渡时间短，表示 过渡过程进行得比较迅速，这时即使干扰频繁出现系统也能适应，调节质量高。反之过渡时 间太长，几经叠加起来的干扰影响，可能会使被调节参数大大远离给定值，长期远离给定值， 使系统满足不了生产要求。 (五)振荡周期或频率 过渡过程从第一个波峰到第二个波峰之间的时间叫周期或工作周期，其倒数称为振荡频 率。在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比。一般希望周期短一些为好。 还有一些不常用的指标，如振荡次数，指在过渡时间内被调参数振荡的次数。所谓理想 过渡过程是两个波，就是指过渡过程振荡两次就能稳定下来，它将被认为是良好的过程。这 种情况约近于 4：1 的衰减比。上升时间也是一个指标，它是指干扰变化之时起，至第一个波 峰时所需要的时间，显然上升时间以短一些为宜。 综上所述，过渡过程的质量指标主要有：衰减比、余差，最大偏差或超调量，过渡时间 等。这些指标在不同的系统中各有其重要性，因此应根据具体情况分清主次，区别轻重，对 于主要的指标应优先予以保证。 第四节 基本控制系统 为了使一个生产过程自动化，必须对该生产过程的规律有深刻的了解。根据实际的生产 条件，应用自动控制的基本理论，确定合理的控制方案，经过现场调试，合理维护，才能保 证正常运行。 本节从实际应用的角度出发，重点讨论了简单调节系统，设计、调试、投运，维护等问 题，并且结合实际的生产过程控制系统进行了分析。 一、简单调节系统 本节所讨论的简单调节系统是使用最普遍，结构最简单的一种自动调节系统。所谓简单 调节系统，通常是指由一个测量元件、变送器、调节器、调节阀和对象所构成的闭环调节系 统，因此也称为单回路调节系统。 下一节所要讨论各种复杂调节系统都是在简单调节系统的基础上构成的。所以，搞清楚 简单调节系统的结构，原理、调试及使用是十分重要的。 1、简单调节系统的组成 图 816 的液位调节系统与图 817 的温度调节系统都是简单调节系统的例子。图中 表示测量元件及变送器。调节器用小圆圈表示，圆内写有两位(或三位)字母，第一位字母表 示被测变量，后续字母表示仪表的功能。常用被测变量和仪表功能的字母代号见表 41。 图 816 的液位调节系统中，贮槽是调节对象，液位是被调参数，变送器将反映液位高 14 低的信号送往液位调节器 LC。调节器的输出信号送往调节阀，调节阀开度的变化使贮槽输出 流量发生变化以维持液位稳定。 图 817 的温度调节系统，是通过改变进入换热器的载热体流量，以维持换热器出口物 料的温度在工艺规定的数值上。 简单调节系统的典型方块图如图 818 所示。 2、被调参数的选择 根据工艺要求而设计的单回路调节系统，是为工艺上某一目的服务的。例如为了控制工 艺操作参数，设计了液面，压力、流量、温度等调节系统，很明显被调参数就是液面，压力， 流量及温度等。但在实际工作还存在一些特殊情况： 一种是某些质量指标，因无合适的测量方法直接地反映质量指标，从而采取用测量间接 指标的办法。选用间接指标要注意与直接指标之间必须有单值线性对应关系和足够大小的信 号，或是存在一定的数学关系。 另一种情况是虽有直接参数可测，但信号微弱，还不如选用具有单值线性对应关系的间 接信号为好。 15 图 816 液位调节系统 图 817 温度控制系统 被调参数的选择十分重要，它关系到系统能否达到稳定操作，增加产量、提高质量、改 善劳动条件等目的，关系到调节方案的成败。如果被调参数选取不当，不管组成什么型式的 调节系统，也不管配上多么精确的工业自动化仪表，都不能达到预期的调节效果。 被调参数的选择是与生产工艺密切相关的。我们知道，影响一个生产过程正常操作的因 素是很多的，但并非所有影响因素都要加以自动调节。我们必须深入实际，调查研究，分析 工艺，找出影响生产的关键参数作为被调参数。关键参数即对产品的产量、质量以及安全具 有决定性的作用，而人工操作又难以满足要求的，或者虽然人工操作可以满足要求，然而， 这种操作是既紧张而又频繁的。 例如：要对一个产生饱和蒸汽的锅炉蒸汽质量进行调节。有三种方案： (1) P (压力)与 T (温度)皆为被调参数； (2) T 为被调参数； (3) P 为被调参数。 为了使所选的方案最为合理，必须深入了解工艺，首先弄清表征饱和蒸汽的质量指标，P 与 T 之间的联系，是否是独立变量，若为独立变量则应选取两个参数，否则则可取其中一个 参数。如图 819 所示，应用物理化学中的相律关系进行鉴别。 图 818 简单调节系统方框图 FCP+2 式中 F自由度。 C组分数。 P相数。 ( a) (b) 图 819 饱和蒸汽与过热蒸汽 作为饱和蒸汽，实质上存在着气、液两相，即户：2。而其组分皆为水，即组分数 C1， 16 所 PAF：12+21。表示饱和蒸汽的自由度为 1，或者说独立变量只有 1 个，所以反映蒸汽 质量，不必选两个被调参数，只要选取温度或者压力两者之一就足够了。至于究竟选压力还 是温度，可从测量元件时间常数小，元件简单可靠等方面来考虑，以选择压力为宜。 如果不遵循独立被调参数，即为调节系统数的原则，当设计出既有温度，又有压力为被 调参数的系统方案，那么这种调节系统将是无法投运的。 假如现在讨论的是过热蒸汽的质量调节，因为蒸汽在过热状态下只存在一个气相，所以 根据相律，其自由度为 2。在这种情况下把压力与温度都选作被调参数，则是完全必要的。 总的来说，选择被调参数时，一般要遵循下列原则： (1)被调参数应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺状态， 一般都是工艺过程中比较 重要的参数。 (2)被调参数在工艺操作过程中常常要受到一些干扰影响而变化。为维持被调参数的恒 定，需要较频繁的调节。 (3)尽量采用直接指标作为被调参数。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞 后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被调参数。 (4)被调参数应能被测量出来，并且有足够大的灵敏度。 (5)选择被调参数时，必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。 (6)被调参数应是独立可调的。 3、调节参数的选择 当对象的被调参数被选定以后，下一步是如何构成简单调节回路，选择什么调节参数去 克服干扰对被调参数的影响。为此设计调节回路时，要认真分析各种干扰，深入研究对象特 性，正确地选择调节参数。干扰是影响调节系统平稳运行的破坏因素，调节参数则是克服干 扰影响，使调节系统正常运行的积极因素。没有干扰就不需要调节，干扰和调节是互相矛盾 的，对立的，只要合理地确定调节参数，正确地选择调节通道，组成一个可控性良好的调节 系统后，就能有效地克服干扰影响，使被调参数回复到给定值。 一般来说，选择调节参数的原则是： (1)首先要考虑工艺上的合理性，除物料平衡调节外，应避免用主物料流量为调节参数， 调节参数应有克服干扰影响的校正能力。 (2)调节参数应是可控的， 即工艺上允许 调节的参数。 (3)调节参数一般应比其他干扰对被调 参数的影响更加灵敏。为此，应通过合理选 择调节参数， 使调节通道的放大倍数适当大， 时间常数适当小，滞后时间尽量小。为使其 他干扰对被调参数的影响减小，应使干扰通 道的放大倍数尽可能小， 时间常数尽可能大。 17 干扰通道与调节通道如图 820 所示 二、调节规律的选择及参数整定 1、调节规律的选择 调节系统的基本任务，在于借助调节作用 图 820 干扰通道与调节通道示意图 克服干扰对于系统的影响，使被调参数重新稳定。这种调节作用是调节器产生的，合理 选择调节规律，就成为一个重要问题。 目前工业上常用的调节器主要有三种，比例、比例积分和比例积分微分调节器，分别简 写为 P、PI 和 PID PID。 首先，我们对各类调节器进行大概分类。 按调节系统是否需要消除余差，可把调节器分 为两大类：一类为有差调节器(比例调节器，比例微分调节器)，另一类为无差调节器(比 例积分调节器，比例积分微分调节器)。 按调节系统是否需要克服容量滞后，调节器又可以分为两大类，一类为有微分调节器(比 例微分调节器，比例积分微分调节器)，另一类为无微分调节器(比例调节器，比例积分调节器)。 选择哪种调节规律主要是根据调节器的特性和工艺的要求来决定。 （1）比例调节器的特点 调节器的输出与偏差成比例，阀门位置与偏差之间有一一对应关系。当负荷变化时，比 例调节器克服干扰能力强，过渡过程时间短。在常用调节规律中，比例作用是最基本的调节 规律，不加比例作用的调节规律是很少采用的。但是，纯比例调节器在过渡过程终了时存在 余差。负荷变化愈大，余差就愈大。 比例调节器适用于调节通道滞后较小，负荷变化不大，工艺上没有提出无差要求的系统。