過(guò)程控制工程 第一章

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1、第1篇 過(guò)程控制系統(tǒng) 第1章 單回路反饋控制系統(tǒng) 單回路反饋控制系統(tǒng)是應(yīng)用最為廣泛的一種控制系統(tǒng)，生產(chǎn)過(guò)程中70~80%的控制系統(tǒng)都是單回路反饋控制系統(tǒng)。由于這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上只有一個(gè)反饋回路（環(huán)路），所以稱之為單回路反饋控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱單回路控制系統(tǒng)。在所有反饋控制系統(tǒng)中，單回路反饋控制系統(tǒng)是最基本、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種，因此又常常稱為簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。 單回路控制系統(tǒng)的分析方法以及分析結(jié)論是所有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。復(fù)雜控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)都是以單回路控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)的，掌握了單回路控制系統(tǒng)的分析、研究方法，對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)的分析和研究是十分必要的。 1．1 單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成 單

2、回路反饋控制系統(tǒng)由四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對(duì)象(簡(jiǎn)稱對(duì)象)或被控過(guò)程(簡(jiǎn)稱過(guò)程)、測(cè)量變送裝置、控制器和控制閥。有時(shí)為了分析問(wèn)題方便起見(jiàn)，把控制閥、被控對(duì)象和測(cè)量變送裝置合在一起，稱為廣義對(duì)象。這樣系統(tǒng)就歸結(jié)為控制器和廣義對(duì)象兩部分。 下面結(jié)合一個(gè)具體例子，說(shuō)明這四個(gè)基本環(huán)節(jié)如何構(gòu)成一個(gè)單回路控制系統(tǒng)。 圖1．2 儲(chǔ)水槽液位控制系統(tǒng) Q1 Q2 sp 圖1．1 儲(chǔ)水槽 Q1 Q2 假定圖1．1中所示是一個(gè)中間儲(chǔ)水槽，流入量和流出量分別為Ql和Q2，生產(chǎn)要求是維持水槽液位L不變。為了控制液位，調(diào)整流出量Q2。為此選擇相應(yīng)的液位變送器、液位控制器和控制閥，并按圖l．2所示構(gòu)成單回

3、路反饋控制系統(tǒng)。 LC 圖1．2叫做控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖，也簡(jiǎn)稱為結(jié)構(gòu)圖。 表示液位變送器，LC表示液位控制器，sp代表控制器的給定值。 下面簡(jiǎn)要分析該系統(tǒng)的工作情況。假定控制閥為氣閉式注1、控制器為反作用注2（關(guān)于控制閥開(kāi)、閉形式及控制器的正反作用選擇問(wèn)題，以后將專門(mén)介紹），定

4、義偏差為測(cè)量值與給定值之差。當(dāng)測(cè)量值大于給定值時(shí)，偏差為正，反之則為負(fù)，即偏差=測(cè)量值—給定值注3。 首先假定在干擾發(fā)生之前系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，即流入量等于流出量，液位等于給定值。當(dāng)有干擾發(fā)生，平衡狀態(tài)將被破壞，液位開(kāi)始變化，于是控制系統(tǒng)開(kāi)始動(dòng)作。 a．假定在平衡狀態(tài)下流入量Ql突然變大（例如入口閥突然開(kāi)大或入口閥前壓力突然增高）。此刻就使得Ql＞Q2，于是液位L將上升。隨著L的上升，控制器將感受到正偏差(因?yàn)榻o定值沒(méi)有變)，由于控制器是反作用的，因此其輸出將減小。因?yàn)榭刂崎y是氣閉式的，隨著控制器輸出的減小，控制閥開(kāi)度變大。流出量Q2將逐漸增大，液位L將慢慢下降并逐漸趨于給定值。當(dāng)再度達(dá)到Q

5、2＝Q1時(shí)，系統(tǒng)將達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)。這時(shí)控制閥將處于一個(gè)新的開(kāi)度上。 b．如果在平衡狀態(tài)下，流入量突然減小（例如入口閥突然關(guān)小或入口閥前突然壓力降低），那么，將出現(xiàn)Ql

6、析可知：不論液位在何種干擾作用下出現(xiàn)上升或下降的情況，系統(tǒng)都可通過(guò)變送器、控制器和控制閥等自動(dòng)控制裝置，最終把液位拉回到給定值上。 圖1．3 單回路液位反饋控制系統(tǒng) 給定 + 偏差 輸出信號(hào) 流出量 液位 液位變送器 水槽 控制閥 液位控制器 - 測(cè)量 從上例可見(jiàn)，單回路反饋控制系統(tǒng)是由一個(gè)測(cè)量變送裝置、一個(gè)控制器、一個(gè)控制閥和相應(yīng)的被控對(duì)象所組成。這是單回路反饋控制系統(tǒng)的第一個(gè)特點(diǎn)。對(duì)于圖1．2所示的液位控制系統(tǒng)可以畫(huà)出它的方塊圖如圖1．3所示。

7、 注1：氣閉式控制閥用A．C表示，即Air Close。氣閉式控制閥定義是，當(dāng)其輸入的氣壓信號(hào)增加，則其流通面積減小，既流過(guò)它的流量減小。閥門(mén)趨向關(guān)閉。氣開(kāi)式控制閥用A．O表示，即Air Open。氣開(kāi)式控制閥定義是，當(dāng)其輸入的氣壓信號(hào)增加，則其流通面積增加，既流過(guò)它的流量增加。閥門(mén)趨向開(kāi)大。 注2：反作用控制器的輸入偏差增大，其輸出減??；正作用控制器的輸入偏差增大，其輸出增大。 注3：系統(tǒng)以外的因素作用在系統(tǒng)上稱之為系統(tǒng)的輸入。對(duì)于控制器來(lái)說(shuō)，測(cè)量信號(hào)是它的外部輸入，給定是由其內(nèi)部電路產(chǎn)生的信號(hào)，因此控制器的偏差定義為測(cè)量值—給定值。對(duì)于控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，給定是它的外

8、部輸入，所以系統(tǒng)的偏差定義為給定值—測(cè)量值。特別要注意的是控制器的偏差定義與系統(tǒng)偏差的定義是不一樣的。 下面再看一個(gè)加熱爐的例子。 圖1．4 加熱爐溫度控制系統(tǒng) 原料 燃料油 sp T TC 圖1．4用燃料油在加熱爐內(nèi)燃燒對(duì)原料進(jìn)行加熱。工藝要求原料出口溫度恒定在規(guī)定數(shù)值上。假定燃料油控制閥為氣開(kāi)閥，溫度控

9、制器為反作用控制器，溫度設(shè)定為sp。假定加熱爐工作在穩(wěn)定狀態(tài)，所有參數(shù)都恒定在某個(gè)數(shù)值上。 a． 原料流量增加時(shí)，原料出口溫度就會(huì)下降。溫度控制器的測(cè)量值就會(huì)小于設(shè)定值，由于溫度控制器是反作用控制器，其輸出將會(huì)增加；又由于控制閥是氣開(kāi)閥，控制器增大的輸出將會(huì)使控制閥的開(kāi)度增加，從而流過(guò)控制閥的燃料油流量增加，燃燒加強(qiáng)，原料出口溫度就會(huì)增加，重新回到設(shè)定值上。 b． 燃料油熱值增加時(shí)，盡管燃料油流量不變，由于熱值增加就會(huì)使得燃燒增強(qiáng)，原料出口溫度就會(huì)增加。溫度控制器的測(cè)量值就會(huì)大于設(shè)定值，由于溫度控制器是反作用控制器，其輸出將會(huì)減??；又由于控制閥是氣開(kāi)閥，控制器減小的輸出將會(huì)使控制閥的開(kāi)度減

10、小，從而流過(guò)控制閥的燃料油流量減小，燃燒強(qiáng)度降低，原料出口溫度下降，重新回到設(shè)定值上。 對(duì)于原料流量減小，以及燃料油熱值減小情況，可按上述思路進(jìn)行分析。 對(duì)于圖1．4所示的溫度控制系統(tǒng)可以畫(huà)出它的方塊圖如圖1．5所示。 圖1．5 單回路溫度反饋控制系統(tǒng) 給定 + 偏差 輸出信號(hào) 燃料流量 溫度 溫度變送器 加熱爐 控制閥 溫度控制器 - 測(cè)量 比較圖1．3和圖1．5會(huì)發(fā)現(xiàn)，盡管這兩個(gè)單回路控制系統(tǒng)的例子工藝過(guò)程不同，但是其方塊圖具有相同的結(jié)構(gòu)，區(qū)別只是被控參數(shù)一個(gè)是液位，一個(gè)是溫度；被控對(duì)象一個(gè)是水槽；

11、一個(gè)是加熱爐；控制器一個(gè)是液位控制器，一個(gè)是溫度控制器；變送器一個(gè)是液位變送器，一個(gè)是溫度變送器。 圖1．6 單回路控制系統(tǒng)一般方塊圖 R + E U Q Y 變送器 對(duì)象 控制閥 控制器 - 測(cè)量 為了單回路控制系統(tǒng)分析更一般化，常常用下面的方塊圖來(lái)表示單回路反饋控制系統(tǒng)，且用字母表示圖中的變量，即圖1．6所示。 圖1．7 輸出為測(cè)量值的單回路控制系統(tǒng)方塊圖 R + E U Q Y（Y1）

12、 Z（Y2） 控制器 控制閥 對(duì)象 變送器 真實(shí)的情況是人們往往只能觀測(cè)到被控變量的測(cè)量值而非被控變量本身，此時(shí)控制系統(tǒng)的輸出是Z（有時(shí)用或Y’表示）而不是Y。即即圖1．7所示。 - 圖1．7中方塊圖可進(jìn)一步化簡(jiǎn)，將控制閥、對(duì)象與變送器合并為一個(gè)環(huán)節(jié)，即廣義對(duì)象。此時(shí)該圖就化簡(jiǎn)為控制器與廣義對(duì)象兩個(gè)環(huán)節(jié)了。 由單回路控制系統(tǒng)方塊圖可以看出，該系統(tǒng)中存在著一條從系統(tǒng)的輸出端引向輸入端的反饋通道，也就是說(shuō)該系統(tǒng)中的控制器是根據(jù)

13、被控變量的測(cè)量值與給定值的偏差來(lái)進(jìn)行控制的。這是單回路反饋控制系統(tǒng)的又一特點(diǎn)。 單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，所需自動(dòng)控制裝置少，投資比較低，操作維護(hù)也比較方便，而且一般情況下都能滿足控制質(zhì)量的要求。因此，這種控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程控制中得到了廣泛的應(yīng)用。 根據(jù)其被控變量的類型不同，單回路控制系統(tǒng)可以分為溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)、成分控制系統(tǒng)等。雖然這些控制系統(tǒng)名稱不同，但是它們都具有相同的方塊圖。 本章附錄中所介紹的自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置可供進(jìn)行單回路控制系統(tǒng)控制的實(shí)踐。 為了使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的控制質(zhì)量指標(biāo)要求，就需要很好地了解具體的生產(chǎn)工藝機(jī)理，掌握生產(chǎn)過(guò)程的規(guī)

14、律，以便確定合理的控制方案。為了設(shè)計(jì)好單回路控制系統(tǒng)，需要對(duì)下面幾方面問(wèn)題進(jìn)行分析，這包括： ⑴如何正確選擇被控變量和控制變量； ⑵如何正確選擇控制閥的開(kāi)、閉型式及其流量特性； ⑶如何正確選擇控制器的控制規(guī)律及正反作用； ⑷如何正確選擇測(cè)量變送裝置； ⑸系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性分析。 1．2 被控變量的選擇 控制系統(tǒng)被控變量的選擇是非常重要的，這是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。選擇正確可大大的穩(wěn)定生產(chǎn)，提高產(chǎn)品的產(chǎn)量，改善產(chǎn)品的質(zhì)量，節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成品。如果選擇的不合適或不恰當(dāng)，其直接結(jié)果是不能完成生產(chǎn)控制要求，甚至可能會(huì)威脅到生產(chǎn)的安全。為此，自控設(shè)計(jì)人員必須深入了解生產(chǎn)的實(shí)際情況，進(jìn)行認(rèn)真細(xì)

15、致地調(diào)查研究，在熟悉了解了生產(chǎn)過(guò)程之后，才能正確地選擇出被控變量。 對(duì)于以溫度、壓力、流量、液位為操作指標(biāo)的生產(chǎn)過(guò)程，就選擇溫度、壓力、流量、液位作為被控變量，這是很容易理解的，也無(wú)需多加討論。 質(zhì)量指標(biāo)是產(chǎn)品質(zhì)量的直接反映。因此，選擇質(zhì)量指標(biāo)作為被控變量應(yīng)是首先要進(jìn)行考慮的。 采用質(zhì)量指標(biāo)作為被控變量必然要涉及到產(chǎn)品成分或物性參數(shù)(如密度、粘度等)的測(cè)量問(wèn)題，這就需要用到成分分析儀表和物性參數(shù)測(cè)量?jī)x表。關(guān)于成分和物性參數(shù)的測(cè)量問(wèn)題，首先并不是所有這類參數(shù)都有行之有效的測(cè)量方法，有些成分或物性參數(shù)目前尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量和變送，其次是成分分析儀表普遍具有比較大的測(cè)量滯后，不能及時(shí)地反映產(chǎn)品

16、質(zhì)量變化的情況，再有就是成分分析儀表的工作環(huán)境要求都比較高，較差的工作環(huán)境可能會(huì)帶來(lái)比較大的測(cè)量誤差。 當(dāng)直接選擇質(zhì)量指標(biāo)作為被控變量比較困難或不可能時(shí)，可以選擇一種間接的指標(biāo)作為被控變量。但是必須注意，所選用的間接指標(biāo)必須與直接指標(biāo)有單值的對(duì)應(yīng)關(guān)系（或在某個(gè)區(qū)域內(nèi)有單值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，此時(shí)需要有其他的約束條件），并且還需具有一定變化靈敏度，即隨著產(chǎn)品質(zhì)量的變化，間接指標(biāo)必須有足夠大變化。 下面以苯、甲苯二元系統(tǒng)的精餾為例。在汽、液兩相并存時(shí)，塔頂易揮發(fā)組分的濃度χD、溫度TD和壓力p三者之間有著如下函數(shù)關(guān)系： χD＝(TD，p)

17、 (1—1) 這里χD是直接反映塔頂組分的含量，是直接的質(zhì)量指標(biāo)。如果有合適的成分分析儀表進(jìn)行測(cè)量，那么就可以選擇塔頂易揮發(fā)組分的濃度χD作為被控變量，組成成分控制系統(tǒng)。如果成分分析儀表不好解決，或因成分測(cè)量滯后太大，控制效果差，達(dá)不到質(zhì)量要求，則可以考慮選擇一間接指標(biāo)參數(shù)，即可選擇塔頂溫度TD或塔壓p作為被控變量，組成相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 在考慮選擇TD或p其中之一作為被控變量時(shí)是有條件的。由式(1—1)可看出，它是一個(gè)二元函數(shù)關(guān)系，即χD與TD及p都有關(guān)。只有當(dāng)TD或p一定時(shí)，式(1—1)才可簡(jiǎn)化成一元函數(shù)關(guān)系。 當(dāng)p一定時(shí)： χD＝1

18、(TD) (1—2) 當(dāng)TD一定時(shí)： χD＝2(p) (1—3) 苯含量(分子百分?jǐn)?shù)) 1mmH20＝9．8Pa 苯含量(分子百分?jǐn)?shù)) 圖1．8 苯、甲苯~TD關(guān)系(p一定) 圖1．9 苯、甲苯χD ~p關(guān)系(TD一定) ℃ 120 P固定不變 110 100 塔頂溫度90 80 70 0 20 40 60 80 100 mmH2O 1000 800 TD=90℃

19、 600 塔壓400 200 0 0 20 40 60 80 100 對(duì)于本例，當(dāng)p一定時(shí)，苯、甲苯的χD ~TD關(guān)系如圖1．8所示；當(dāng)TD一定時(shí)，苯、甲苯的χD ~p關(guān)系如圖1．9所示。 從圖l．8可看出，當(dāng)塔頂壓力恒定時(shí)，濃度χD與溫度TD之間是單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。塔頂溫度越高，對(duì)應(yīng)塔頂易揮發(fā)組分的濃度(即苯的百分含量)越低。反之溫度越低，則對(duì)應(yīng)的塔頂易揮發(fā)組分的濃度越高。由圖1．9可以看出，當(dāng)塔頂溫度TD恒定時(shí)，塔頂組分χD與塔壓p也存在單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。壓力越高，塔頂易揮發(fā)組分的濃度越大。反之壓力越低，

20、塔頂易揮發(fā)組分的濃度則越低。這就是說(shuō)，在溫度TD與壓力p兩者之間，只要固定其中一個(gè)，另一個(gè)就可以代替組成χD作為間接指標(biāo)。因此，塔頂溫度TD或塔頂壓力p都可以選擇作為被控變量。 理論上選擇TD、p都是可以的，但是工程實(shí)踐中一般都選溫度TD作為被控變量。這是因?yàn)樵诰s操作中，往往希望塔壓保持一定，因?yàn)橹挥兴罕３衷谝?guī)定的壓力之下，才能保證分離純度以及塔的效率和經(jīng)濟(jì)性。如果塔壓波動(dòng)，塔內(nèi)原來(lái)的汽、液平衡關(guān)系就會(huì)遭到破壞，隨之相對(duì)揮發(fā)度就會(huì)發(fā)生變化，塔將處于不良的工況。同時(shí)，隨著塔壓的變化，塔的進(jìn)料和出料相應(yīng)地也會(huì)受到影響，原先的物料平衡也會(huì)遭到破壞。另外，只有當(dāng)塔壓固定時(shí)，精餾塔各層塔板上的壓力

21、才近乎恒定，這樣，各層塔板上的溫度與組分之間才有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。由此可見(jiàn)，固定塔壓，選擇溫度作為被控變量是可行的，也是合理的。 通過(guò)上述分析，可以總結(jié)出如下幾條選擇被控變量的原則： (1)應(yīng)當(dāng)盡量選擇質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)作為被控變量。 (2)當(dāng)不能選擇質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)作被控變量時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇一個(gè)與產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接指標(biāo)參數(shù)作為被控變量。 (3)所選擇的間接指標(biāo)參數(shù)應(yīng)具有足夠大的靈敏度，以便反映產(chǎn)品質(zhì)量的變化。 (4)選擇被控變量時(shí)需考慮到工藝的合理性和國(guó)內(nèi)、外儀表生產(chǎn)的現(xiàn)狀。 被控變量確定之后，還需要選擇一個(gè)合適的控制變量。 當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)，被控參數(shù)偏離了原來(lái)的穩(wěn)定點(diǎn)之后，應(yīng)當(dāng)能夠

22、調(diào)整某一個(gè)參數(shù)，使得被控參數(shù)能夠迅速的回到原來(lái)的工作點(diǎn)上。這個(gè)在系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)能夠‘操縱’被控變量的參數(shù)叫做控制變量?？刂谱兞繎?yīng)當(dāng)能夠影響被控參數(shù)，應(yīng)當(dāng)是對(duì)被控參數(shù)影響比較大的參數(shù)。 控制變量一般選系統(tǒng)中可以調(diào)整的物料量或能量參數(shù)。而石油、化工生產(chǎn)過(guò)程中遇到最多的控制變量則是物料流或能量流，即流量參數(shù)。 在一個(gè)系統(tǒng)中，能夠影響被控參數(shù)的變量常常不只一個(gè)。那么選擇什么樣的參數(shù)作為控制變量呢，這對(duì)控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量會(huì)有很大的影響，因此控制變量的選擇問(wèn)題是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要考慮因素。 1．3 對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及控制變量的選擇 為了正確選擇控制變量，首先要研究被控對(duì)象的特性。

23、我們知道被控變量是被控對(duì)象上的一個(gè)輸出，影響被控變量的外部因素則是被控對(duì)象上的輸入。顯然影響被控變量的輸入不只一個(gè)，因此，我們所研究的問(wèn)題實(shí)際上是一個(gè)多輸入單輸出的對(duì)象。如圖1．10所示。 F1 F2 F3 · · · Fn y 圖1．10 多輸入單輸出對(duì)象示意圖案 圖1．11 對(duì)象輸入輸出關(guān)系圖圖案 F1(s) F2(s) GPD1(s) GPD2(s) U(s) Y(s) G PC(s)

24、 在影響被控變量的諸多輸入中選擇其中某一個(gè)可控性良好的輸入量作為控制變量，而其他末被選中的所有輸入量則為系統(tǒng)的干擾。如果

25、用U來(lái)表示控制變量，用F來(lái)表示系統(tǒng)干擾，那么，對(duì)象的輸入、輸出之間的關(guān)系就可以用圖1．11明確地表示出來(lái)。 如果將圖中的關(guān)系用數(shù)學(xué)形式表達(dá)出來(lái)則為： Y(s)=GPC(s)U(s)+GPD1(s)F1(s)+ GPD2(s)F2(s) （1—4） 式中GPC(s)為控制通道傳遞函數(shù)，GPD1(s)、GPD2(s)為干擾通道傳遞函數(shù)。需要注意，當(dāng)干擾通道與控制通道一致時(shí)，它們的傳遞函數(shù)也是相同的。 所謂“通道”，就是某個(gè)參數(shù)影響另外一個(gè)參數(shù)的通路，這里所說(shuō)控制通道就是控制作用（一般的理解應(yīng)當(dāng)是控制器輸出）U(s)對(duì)被控參數(shù)Y(s)的影響通路（一般

26、的理解是控制作用通過(guò)執(zhí)行器影響控制變量，然后控制變量通過(guò)被控對(duì)象再影響被控參數(shù)，即廣義對(duì)象上的控制通道）。同理，干擾通道就是干擾作用F(s)對(duì)被控參數(shù)Y(s)的影響通路。一般來(lái)說(shuō)，控制系統(tǒng)分析中更加注重信號(hào)之間的聯(lián)系，因此，通常所說(shuō)“通道”是參數(shù)之間的信號(hào)聯(lián)系。干擾通道就是干擾作用與被控變量之間的信號(hào)聯(lián)系，控制通道則是控制作用與被控變量之間的信號(hào)聯(lián)系。 從式(1—4)可以看出，干擾作用與控制作用同時(shí)影響被控變量。在控制系統(tǒng)中通過(guò)控制器正、反作用的選擇，使得控制作用對(duì)被控變量的影響正好與干擾作用對(duì)被控變量的影響相反，這樣，當(dāng)干擾作用使被控變量偏離給定值發(fā)生變化時(shí)，控制作用就可以補(bǔ)償干擾的影響，

27、把已經(jīng)變化的被控變量重新調(diào)整到給定值上(當(dāng)然這種控制作用是由控制器通過(guò)控制閥的開(kāi)閉變化來(lái)達(dá)到的)。因此，在一個(gè)控制系統(tǒng)中，干擾作用與控制作用是相互對(duì)立而存在的，有干擾就有控制，沒(méi)有干擾也就無(wú)需控制。 如何才能使控制作用有效地克服干擾對(duì)被控變量的影響呢?關(guān)鍵在于選擇一個(gè)可控性良好的控制變量。這就要研究對(duì)象的特性，研究系統(tǒng)中存在的各種輸入量以及它們對(duì)被控變量的影響情況，從中總結(jié)出選擇控制變量的一些原則。 1．3．1 干擾通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響 從K、T、τ三個(gè)方面來(lái)進(jìn)行分析。 (1)放大倍數(shù)Kf的影響 圖1．12 單回路控制系統(tǒng)方塊圖

28、 F(s) GPD（s） R（s）+ E（s） Y（s） Gc（s） GPC（s） － 假定所研究的系統(tǒng)方塊圖如圖1．12所示。 由圖1．12可直接求出在干擾作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： (1—5) 由式（1—5)可得: (1—6) 令；；GC（s）=KC 并假定f（t

29、）為單位階躍干擾，則F（s）=1/s，將各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)代入式（1—6），并運(yùn)用終值定理可得： （1—7) 式中KCK0為控制器放大倍數(shù)與被控對(duì)象放大倍數(shù)的乘積，稱之為該系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)。對(duì)于定值系統(tǒng)，y（￥）即系統(tǒng)的余差。由式（1—7）可以看出，干擾通道放大倍數(shù)越大，系統(tǒng)的余差也越大，即控制靜態(tài)質(zhì)量越差。 (2)時(shí)間常數(shù)Tf的影響 為了研究問(wèn)題方便起見(jiàn)，令圖1．12中的各環(huán)節(jié)放大倍數(shù)均為l，這樣系統(tǒng)在干擾作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)為： （1—8) 系統(tǒng)的特征方程為： （1—9) 由式（1—9)可知，當(dāng)干擾通道為一階慣性環(huán)節(jié)時(shí)，與干

30、擾通道為放大環(huán)節(jié)相比，系統(tǒng)的特征方程發(fā)生了變化，表現(xiàn)在根平面的負(fù)實(shí)軸上增加了一個(gè)附加極點(diǎn)1/Tf。這個(gè)附加極點(diǎn)的存在，除了會(huì)影響過(guò)渡過(guò)程時(shí)間外，還會(huì)影響到過(guò)渡過(guò)程的幅值，使其縮小了Tf倍。這樣過(guò)渡過(guò)程的最大動(dòng)態(tài)偏差也將隨之減小。這對(duì)提高系統(tǒng)的品質(zhì)是有利的。而且，隨著Tf的增大，控制過(guò)程的品質(zhì)亦會(huì)提高。 上述結(jié)論也可從一階慣性環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)頻率特性中得到解釋。 一階慣性環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)幅頻特性如圖1．13所示。是轉(zhuǎn)折頻率。由圖可以看出，一階慣性環(huán)節(jié)相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器，轉(zhuǎn)折 圖1．13 一階慣性環(huán)節(jié)對(duì)數(shù)幅頻特性 1/Tf

31、 ω lg|GPD（jω） 頻率以前的低頻信號(hào)可以通過(guò)；而轉(zhuǎn)折頻率以后 的高頻信號(hào)則受到抑制而很快衰減。且隨著Tf的 增大，轉(zhuǎn)折頻率越向左移動(dòng)，亦即允許通過(guò)的低 頻信號(hào)的頻率越低，也就是說(shuō)該環(huán)節(jié)所起的濾波 作用越強(qiáng)。由于干擾作用在影響被控變量時(shí)，受 到自身通道的濾波作用，它對(duì)被控變量的影響程 度就大為縮小，也就是說(shuō)系統(tǒng)的質(zhì)量會(huì)因此而提高，而且隨著時(shí)間常數(shù)Tf 的增大，所起的濾波作用越強(qiáng)，系統(tǒng)的質(zhì)量越高。這與上述根平面分析的結(jié)果是一致的。 如果干擾通道階次增加，例如干擾通道傳遞函數(shù)為兩階的，那么，就有兩個(gè)時(shí)間常數(shù)Tf1 及Tf2。按照根平面的分析，系統(tǒng)將增加兩個(gè)附加極點(diǎn)

32、-1/ Tf1及-1/ T f2，這樣過(guò)渡過(guò)程的幅值將縮小Tf1·T f2倍。因此，控制質(zhì)量將進(jìn)一步獲得提高。 有了上面的分析基礎(chǔ)，討論干擾從不同位置進(jìn)入系統(tǒng)對(duì)被控變量的影響就不困難了。圖1．14所示F1、F2及F3從不同位置進(jìn)入系統(tǒng)，如果干擾的幅值和形式都是相同的，顯然，它們對(duì)被控變量的影響程度依次為F1最大，F(xiàn)2次之，而F3為最小。這只要畫(huà)出圖1．14的等效方塊圖(圖1．15)，并運(yùn)用上述分析的結(jié)果，很容易理解。 F3（s） F2（s） F1（s） R（s）

33、 Y（s） GC(s) GV(s) G03(s) G02(s) G01(s) Gm(s) 圖1．14 干擾進(jìn)入位置圖 F3（s） G03(s) G02(s) G01(s) F2（s） G02(s)

34、 G01(s) F1（s） G01(s) R（s） GC(s) GV(s) G03(s) G02(s) G01(s) Y（s） Gm(s) 圖1．15 圖1．14等效方塊圖 由圖1．15可以看出，F(xiàn)3對(duì)Y的影響

35、依次要經(jīng)過(guò)G03(s)、G02(s)、G01(s)三個(gè)環(huán)節(jié)，如果每一環(huán)節(jié)都是一階慣性的，則對(duì)干擾信號(hào)F3進(jìn)行了三次濾波，它對(duì)被控變量的影響會(huì)削弱得較多，對(duì)被控變量的實(shí)際影響就會(huì)很小。而F1只經(jīng)過(guò)一個(gè)環(huán)節(jié)G01(s)就影響到Y(jié)，它的影響被削弱得較少，因此它對(duì)被控變量的影響最大。 由上分析可得出如下結(jié)論：干擾通道時(shí)間常數(shù)越大，個(gè)數(shù)越多，或者說(shuō)干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置越遠(yuǎn)離被控變量而靠近控制閥，干擾對(duì)被控變量的影響就越小，系統(tǒng)的質(zhì)量則越高。 本章附錄四的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以對(duì)上述結(jié)論給予驗(yàn)證。 (3)純滯后tf的影響 在上面分析干擾通道時(shí)間常數(shù)對(duì)被控變量影響時(shí)沒(méi)有考慮到干擾通道具有純滯后

36、的問(wèn)題。如果考慮干擾通道有純滯后，那么，其傳遞函數(shù)可寫(xiě)成： （1—10） 這里，GPD(s)為干擾通道傳遞函數(shù)中不包含純滯后的那一部分。前已分析，對(duì)于無(wú)純滯后的情況： （1—11） 對(duì)上式進(jìn)行反拉氏變換、即可求得在干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程y(t)。 對(duì)于有純滯后的情況： （1—12） 對(duì)上式進(jìn)行反拉氏變換，即可求得在干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程yt(t)。 由控制原理中的滯后定理可以找到y(tǒng)t(t) 、y(t)之間的關(guān)系為： yt(t)= y(t-tf)

37、 （1—13） 上式結(jié)果表明：yt(t) 與y(t)是兩條完全相同的變化曲線。這就是說(shuō)干擾通道有、無(wú)純滯后對(duì)質(zhì)量沒(méi)有影響，所不同的只是兩者在影響時(shí)間上相差一個(gè)純滯后時(shí)間t。既當(dāng)有純滯后時(shí)，干擾對(duì)被控變量的影響要向后推遲一個(gè)純滯后時(shí)間tf。 總結(jié)干擾通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響，見(jiàn)表1．1 表1．1干擾通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響 特性參數(shù) 對(duì)靜態(tài)質(zhì)量的影響 對(duì)動(dòng)態(tài)質(zhì)量的影響 Kf增加 余差增加 無(wú)影響 Tf增加 無(wú)影響 過(guò)渡過(guò)程時(shí)間減小，振蕩幅值減小 tf增加 無(wú)影響 無(wú)影響 1．3．2控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響 仍然從K

38、、T、t三個(gè)方面進(jìn)行分析。 (1)放大倍數(shù)K0的影響 放大倍數(shù)K0對(duì)控制質(zhì)量的影響要從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面進(jìn)行分析。從靜態(tài)方面分析，由式（1—7)可以看出，控制系統(tǒng)的余差與干擾通道放大倍數(shù)成正比，與控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)成反比。因此當(dāng)Kf、KC不變時(shí)，控制通道放大倍數(shù)K0越大，系統(tǒng)的余差越小。 K0的變化不但會(huì)影響控制系統(tǒng)的靜態(tài)控制質(zhì)量，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制質(zhì)量也產(chǎn)生影響。對(duì)一個(gè)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在一定的穩(wěn)定程度(即一定的衰減比)下，系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)是一個(gè)常數(shù)。系統(tǒng)開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)是控制器放大倍數(shù)KC與廣義對(duì)象控制通道放大倍數(shù)K0的乘積。也就是說(shuō)，特定的系統(tǒng)衰減比必與控制器放大倍數(shù)KC與廣義對(duì)象

39、控制通道放大倍數(shù)K0乘積的某特定數(shù)值對(duì)應(yīng)。在一定衰減要求之下，K0減小時(shí)，KC必須增大，K0增大時(shí)，KC必須減小。 這一點(diǎn)可以證明如下。 假定；；GC（s）=KC 那么系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)為： 其特征方程為： 顯然，系統(tǒng)的振蕩情況由上式第二個(gè)因子決定，即： (1十T0ls)(1十T02s)十KCK0＝0 （1—14) 將式（1—14)展開(kāi)，并簡(jiǎn)化得： （1—15) 將式（1—15)與標(biāo)準(zhǔn)二階形式相比可得： （1—16) （1—17)

40、 由式（1—16）及（1—17）可解得： （1—18) 上式表達(dá)了系統(tǒng)衰減系數(shù)ζ與KC、K0之間的關(guān)系，而衰減系數(shù)是直接反映系統(tǒng)穩(wěn)定情況的，因此，上式也表達(dá)了KC、K0與系統(tǒng)穩(wěn)定情況的關(guān)系。 由式（1—18)可以看出，在T01、T02不變的情況下，系統(tǒng)的穩(wěn)定程度與KCK0大致成反比關(guān)系，如果KC不變，則K0增加系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。如果要維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性不變(即維持ζ為一常數(shù))，那么，KCK0必須為一常數(shù)，即： KC·K0＝常數(shù) 當(dāng)K0由K01變至K02時(shí)，KC必然要KC1變至KC2，而且下式必然成立：

41、 KC1K01＝KC2 K02 （1—19) 于是可得： （1—20) 式（1—20)表明，為了保持系統(tǒng)的穩(wěn)定程度不變(ζ為一常數(shù))，當(dāng)系統(tǒng)中對(duì)象放大倍數(shù)K0增大(或減小)時(shí)，控制器放大倍數(shù)KC必須減小(或增大)，以維持系統(tǒng)開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)的不變。 那么怎么來(lái)解釋式（1—7)呢？首先來(lái)看余差是怎樣的定義。余差是時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)時(shí)被控變量與給定值的差。該定義并不涉及系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。也就是說(shuō)，如果系統(tǒng)最終能夠穩(wěn)定，總會(huì)有余差的（當(dāng)然是在沒(méi)有積分作用的條件下）。所以式（1—7)描述的是穩(wěn)定系統(tǒng)的余差與干擾通道放大倍

42、數(shù)、控制器放大倍數(shù)、廣義對(duì)象控制通道放大倍數(shù)之間的關(guān)系。但是，從系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中可知，當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)大到一定程度，系統(tǒng)就從穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)了。此時(shí)再講余差已經(jīng)沒(méi)有意義了。式（1—7)自然變?yōu)闊o(wú)意義的公式了。所以可將式（1—7)理解為是系統(tǒng)穩(wěn)定條件下的余差公式。為了保持系統(tǒng)具有相同的穩(wěn)定程度，在改變K0時(shí)，KC不可能維持原來(lái)的數(shù)值，而應(yīng)維持K0與KC的乘積不變。從式（1—7)看，為了保持相同的穩(wěn)定程度，必須維持KC K0不變。由此可以得出結(jié)論，在相同穩(wěn)定程度下系統(tǒng)的余差與控制通道放大倍數(shù)無(wú)關(guān)。上述結(jié)論只是對(duì)線性系統(tǒng)而言，而對(duì)于非線性系統(tǒng)，由于K0隨著負(fù)荷的變化而變化，這時(shí)由KC來(lái)補(bǔ)償則

43、有困難，因此，此時(shí)KC的變化將會(huì)影響系統(tǒng)的質(zhì)量。 然而，從控制角度看，K0越大則表示控制變量對(duì)被控變量的影響越大，這表示通過(guò)對(duì)它的調(diào)節(jié)來(lái)克服干擾影響更為有效。此外在相同衰減比情況下，K0與KC的乘積為一常數(shù)，當(dāng)K0越大時(shí)KC則越小，KC小則δ大。δ大比較容易調(diào)整。如果反過(guò)來(lái)，δ小則不易調(diào)整。因?yàn)楫?dāng)δ小于3％時(shí)，控制器則相當(dāng)于一位式控制器，已失去作為連續(xù)控制器的作用。因此，從控制的有效性及控制器參數(shù)易調(diào)整性來(lái)考慮，則希望控制通道放大倍數(shù)K0越大越好。 (2)時(shí)間常數(shù)T0的影響 由圖1．12可得出單回路控制系統(tǒng)的特征方程為： 1十Gc(s)GPC(s)＝0

44、 （1—21) 為了便于分析起見(jiàn)，令 將Gc(s)、GPC(s)代入式（1—21）得到： T01T02s2十（T01十T02）s+1+KcKo＝0 （1—22) 從式（1—22)出發(fā)，從兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行分析。 ① 將式（1—22)化為標(biāo)準(zhǔn)二階系統(tǒng)形式，得： （1—23) 于是可得： （1—24) 由式（1—24)可求得： （1—25) 這里ω0為系統(tǒng)的自然振蕩頻率。根據(jù)控制原理可知，系統(tǒng)工作頻率ωβ與其自然振蕩頻率ω0有如下關(guān)系：

45、 （1—26) 由式（1—26)可以看出，在ζ不變的情況下，ω0與與ωβ成正比，即： （1—27) 從式（1—27)關(guān)系可知，不論T01、T02哪一個(gè)增大，都將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的工作頻率降低。而系統(tǒng)工作頻率越低，則控制速度越慢。這就是說(shuō)控制通道的時(shí)間常數(shù)T0越大，系統(tǒng)的工作頻率越低，控制速度越慢。這樣就不能及時(shí)地克服干擾的影響，因而，系統(tǒng)的質(zhì)量會(huì)越差。 按式（1—22）可直接求得特征根為： 式中 （1—28) （1—29) 顯然 （1—30) 由控制原理的知識(shí)知道

46、，α、β是確定特征根位置的。如圖1．16所示，其中α為根的實(shí)軸坐標(biāo)，β為根的虛軸坐標(biāo)。 jω 等ζ線 β等頻線 α 等過(guò)渡過(guò) 程時(shí)間線 圖1．16根平面圖 由式（1—28)可知，不論T0l或T02哪一個(gè)增大，α都將縮小。系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間大約是3/α或4/α，α越小則意 味著過(guò)渡過(guò)程時(shí)間越長(zhǎng)。由式（1—30) 可以看出，無(wú)論T0l或T02哪一個(gè)增大，系統(tǒng)的工作頻率ωβ則越低。這一點(diǎn)與前面 的結(jié)果是一致的。 上面僅對(duì)具有兩個(gè)時(shí)間常數(shù)的

47、對(duì)象進(jìn)行了分析。 當(dāng)控制通道時(shí)間常數(shù)增多時(shí)(即容量數(shù)增多)，將會(huì) 得到與控制通道時(shí)間常數(shù)增大時(shí)相類似的結(jié)果。這 里就不再證明了。 綜上所述，控制通道時(shí)間常數(shù)越大，經(jīng)過(guò)的容 量數(shù)越多， 系統(tǒng)的工作頻率將越低，控制越不及 時(shí)，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間也越長(zhǎng)，系統(tǒng)的質(zhì)量越低。隨著 控制通道時(shí)間常數(shù)的減小，系統(tǒng)工作頻率會(huì)提高， 控制就較為及時(shí)，過(guò)渡過(guò)程也會(huì)縮短，控制質(zhì)量將 獲得提高。 但控制通道時(shí)間常數(shù)也不是越小越好?？刂仆ǖ罆r(shí)間常數(shù)對(duì)控制變量影響被控變量的作用有“柔化”作用，該時(shí)間常數(shù)太小，控制變量對(duì)被控變量的作用太“硬”，系統(tǒng)工作頻率過(guò)高，系統(tǒng)將變得過(guò)于靈敏，反而會(huì)影響

48、控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量，會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。大多數(shù)流量控制系統(tǒng)的流量記錄曲線波動(dòng)得都比較厲害，就是由于流量時(shí)象時(shí)間常數(shù)比較小的原因所致。 (3)純滯后τ0的影響 C E D t1 A B t1+τ0 圖1．17純滯后影響示意圖 控制通道純滯后對(duì)控制質(zhì)量的影響可用圖1．17加以說(shuō)明。 圖中曲線C是沒(méi)有控制作用時(shí)系統(tǒng)在干擾作用下的反應(yīng)曲線。如果x0為變送器的靈敏度，那么，當(dāng)控制通道沒(méi)有純滯后時(shí)，控制作用從tl時(shí)刻開(kāi)始就對(duì)干擾起抑制作用

49、，控制曲線為D。如果控制通道存在有純滯后時(shí)間τ0，那么，控制作用要等到tl +τ0時(shí)刻才開(kāi)始對(duì)干擾起抑制作用，而在此時(shí)間以前，系統(tǒng)由于得不到及時(shí)的控制，因而被控變量只能任由干擾作用影響而不斷地上升(或下降)，其控制曲線為E。顯然， 與控制通道沒(méi)有純滯后的情況相比，此時(shí)的動(dòng)態(tài)偏差將增大，系統(tǒng)的質(zhì)量將變差。 控制通道純滯后的影響還可從系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率特性上進(jìn)行解釋。 對(duì)于控制通道沒(méi)有純滯后的系統(tǒng)，其開(kāi)環(huán)頻率特性如圖1．18中的第一組曲線所示。 由其相頻曲線-180。處可以找到系統(tǒng)的幅穩(wěn)定裕度Rl。如果控制通道有純滯后，那么系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率特性將如圖中第二組曲線所示。因?yàn)榧儨箜?xiàng)只會(huì)影響開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的

50、相頻而不會(huì)影響開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的幅頻，因此，具有純滯后的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)相頻曲線將下降。同樣可以從-180。相角下求得對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)穩(wěn)定裕度R2。顯然R2＜Rl。幅穩(wěn)定裕度是系統(tǒng)穩(wěn)定程度的標(biāo)志，幅穩(wěn)定裕度則表明系統(tǒng)的穩(wěn)定性越差。 lg|G| 1,2 0 R2 R1 φ ω -1800 2 1 ω 圖1．18系統(tǒng)開(kāi)環(huán)幅頻相頻曲線 由上分析可以看出

51、，控制通道純滯后的存在不僅會(huì)使系統(tǒng)控制不及時(shí)，使動(dòng)態(tài)偏差增大，而且還會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。這是因?yàn)榧儨蟮拇嬖?，使得控制器不能及時(shí)獲得控制作用效果的反饋信息， 因而控制器不能根據(jù)反饋信息來(lái)調(diào)整自己 的輸出，當(dāng)需要增加控制作用時(shí)會(huì)使控制 作用增加得太多，而一旦需要減少控制作 用時(shí)則又會(huì)使控制作用減少得太過(guò)分，控 制器出現(xiàn)失控現(xiàn)象，因此導(dǎo)致系統(tǒng)的振蕩， 使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。因此控制通道純滯 后的存在是系統(tǒng)的大忌，純滯后的存在會(huì)， 大大的惡化系統(tǒng)的控制質(zhì)量，甚至?xí)霈F(xiàn) 不穩(wěn)定情況。因此，工程實(shí)踐中應(yīng)當(dāng)盡量 避免控制通道出現(xiàn)純滯后。 總結(jié)控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響，

52、見(jiàn)表1．2所示。 表1．2控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響圖 特性參數(shù) 對(duì)靜態(tài)質(zhì)量的影響 對(duì)動(dòng)態(tài)質(zhì)量的影響 K0增加 余差減?。ǚ€(wěn)定前提下） 系統(tǒng)趨向于振蕩 T0增加 無(wú)影響 過(guò)渡過(guò)程時(shí)間增加，系統(tǒng)頻率變慢 t0增加 無(wú)影響 穩(wěn)定程度大大降低 1．3．3控制變量的選擇 綜合以上的分析結(jié)果，可以總結(jié)出以下幾條原則作為控制變量選擇的依據(jù)： ⑴所選控制變量必須是可控的； ⑵所選控制變量應(yīng)是通道放大倍數(shù)比較大者，最好大于擾動(dòng)通道的放大倍數(shù)； ⑶所選控制變量應(yīng)使擾動(dòng)通道時(shí)間常數(shù)

53、越大越好，而控制通道時(shí)間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)小一些為好，但不易過(guò)??； ⑷所選控制變量其通造純滯后時(shí)間應(yīng)越小越好； ⑸所選控制變量應(yīng)盡量使干擾點(diǎn)遠(yuǎn)離被控變量而靠近控制閥； ⑹在選擇控制變量時(shí)還需考慮到工藝的合理性。一般來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)負(fù)荷直接關(guān)系到產(chǎn)品的產(chǎn)量，不宜經(jīng)常變動(dòng)，在不是十分必要的情況下，不宜選擇生產(chǎn)負(fù)荷作為控制變量。 控制通道長(zhǎng)短對(duì)控制質(zhì)量的影響，本章附錄四中有相應(yīng)的內(nèi)容可供進(jìn)行實(shí)踐。 1．4 控制閥的選擇 控制閥是控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它接受控制器的命令執(zhí)行控制任務(wù)。控制閥選擇得合適與否，將直接關(guān)系到能否很好地起到控制作用。因此，對(duì)它必須給予足夠的重視。 控制閥選擇的內(nèi)容包括： ⑴開(kāi)

54、、閉形式的選擇； ⑵口徑大小的選擇； ⑶流量特性的選擇； ⑷結(jié)構(gòu)形式的選擇。 1．4．1 控制閥口徑大小的選擇 控制閥口徑大小直接決定著介質(zhì)流過(guò)它的能力。從控制角度看，控制閥口徑選得過(guò)大，超過(guò)了正常控制所需的介質(zhì)流量，控制閥將經(jīng)常處于小開(kāi)度下工作，閥的特性將會(huì)發(fā)生畸變，閥性能就較差。反過(guò)來(lái)，如果控制閥口徑選得太小，在正常情況下都在大開(kāi)度下工作，閥的特性也不好。此外，控制閥口徑選得過(guò)小也不適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要，一旦需要設(shè)備增加負(fù)荷時(shí)，控制閥原有的口徑太小就不夠用了。因此，從控制的角度來(lái)看，控制閥口徑的選擇應(yīng)留有一定的余地，以適應(yīng)增加生產(chǎn)的需要。 控制閥口徑大小通過(guò)計(jì)算控制閥流通能力的

55、大小來(lái)決定?？刂崎y流通能力必須滿足生產(chǎn)控制的要求并留有一定的余地。一般流通能力要根據(jù)控制閥所在管線的最大流量以及控制閥兩端的壓降來(lái)進(jìn)行計(jì)算，并且為了保證控制閥具有一定的可控范圍，必須使控制閥兩端的壓降在整個(gè)管線的總壓降中占有較大的比例。所占的比例越大，控制閥的可控范圍越寬。如果控制閥兩端壓降在整個(gè)管線總壓降中所占的比例小，可控范圍變窄，將會(huì)導(dǎo)致控制閥特性的畸變，使控制效果變差。 有關(guān)控制閥口徑的計(jì)算，請(qǐng)參考相關(guān)的流體計(jì)算資料。 1．4．2 控制閥氣開(kāi)、氣閉形式的選擇 由于石油、化工等過(guò)程工業(yè)中的安全問(wèn)題，所以大量使用的是氣動(dòng)控制閥。在一些像水處理、環(huán)境工程等領(lǐng)域中，有時(shí)也采用電動(dòng)控制閥

56、。類似地電動(dòng)控制閥則分為電開(kāi)、電閉式樣。下面以過(guò)程工業(yè)中常見(jiàn)的氣動(dòng)控制閥為例來(lái)說(shuō)明控制閥開(kāi)、閉形式的選擇問(wèn)題。 控制閥接受的是氣壓信號(hào)，當(dāng)膜頭輸入壓力增大，控制閥開(kāi)度也增大時(shí)，稱之為氣開(kāi)閥。反之，當(dāng)膜頭輸入壓力增大時(shí)，控制閥開(kāi)度減小，則稱之為氣閉閥。 對(duì)于一個(gè)具體的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，究竟選氣開(kāi)閥還是選氣閉閥，要由具體的生產(chǎn)工藝來(lái)決定。一般來(lái)說(shuō)，要根據(jù)以下幾條原則來(lái)進(jìn)行選擇。 (1)首先要從生產(chǎn)安全出發(fā)。即當(dāng)氣源供氣中斷，或控制器出故障而無(wú)輸出，或控制閥膜片破裂而漏氣等而使控制閥無(wú)法正常工作，以致閥芯回復(fù)到無(wú)能源的初始狀態(tài)(氣開(kāi)閥回復(fù)到全閉，氣閉閥回復(fù)到全開(kāi))，應(yīng)能確保生產(chǎn)工藝設(shè)備的安全，不致

57、發(fā)生事故。如鍋爐供水控制閥，為了保證發(fā)生上述情況時(shí)不致把鍋爐燒壞，控制閥應(yīng)選氣閉式。 (2)從保證產(chǎn)品質(zhì)量出發(fā)。當(dāng)發(fā)生控制閥處于無(wú)能源狀態(tài)而回復(fù)到初始位置時(shí)，不應(yīng)降低產(chǎn)品的質(zhì)量。如精餾塔回流量控制閥常采用氣閉式，一旦發(fā)生事故，控制閥全開(kāi)，使生產(chǎn)處于全回流狀態(tài)，這就防止了不合格產(chǎn)品的蒸出，從而保證塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量。 (3)從降低原料、成品、動(dòng)力損耗來(lái)考慮。如控制精餾塔進(jìn)料的控制閥常采用氣開(kāi)式，一旦控制閥失去能源即處于關(guān)閉狀態(tài)，不再給塔進(jìn)料，以免造成浪費(fèi)。 (4)從介質(zhì)的特點(diǎn)考慮。精餾塔塔釜加熱蒸汽控制閥一般都選氣開(kāi)式，以保證在控制閥失去能源時(shí)能處于全閉狀態(tài)，避免蒸汽的浪費(fèi)。但是如果釜液是易凝

58、、易結(jié)晶、易聚合的物料時(shí)，控制閥則應(yīng)選氣閉式，以防控制閥失去能源時(shí)閥門(mén)關(guān)閉，停止蒸汽進(jìn)入而導(dǎo)致釜內(nèi)液體的結(jié)晶和凝聚。 一般來(lái)說(shuō)，有了上面介紹的幾條原則，控制閥開(kāi)閉形式的選擇是不難解決的。不過(guò)有兩種情況在控制閥開(kāi)閉形式的選擇上需要加以注意。 第一種情況是由于工藝要求不一，對(duì)于同一個(gè)控制閥可以有兩種不同的選擇結(jié)果。如圖1．19所示的鍋爐供水控制閥，如果從防止蒸汽帶液會(huì)損壞后續(xù)設(shè)備汽輪機(jī) (蒸汽帶液會(huì)導(dǎo)致蒸汽輪機(jī)葉片損壞)的角度出發(fā)，控制閥應(yīng)選氣開(kāi)式。如果從保護(hù)鍋爐出發(fā)，防止斷水而導(dǎo)致鍋爐燒爆，控制閥則應(yīng)選氣閉式。如果出現(xiàn)這種情況，需要與工藝專業(yè)認(rèn)真分析，仔細(xì)協(xié)商分清主次，權(quán)衡利敝，慎重進(jìn)行選擇

59、。如果前者是主要要求則應(yīng)選氣開(kāi)閥，如果后者是主要要求則應(yīng)選氣閉閥。 蒸汽 LC 供水 圖1．19 鍋爐供水控制閥選擇 FC 圖1．20 離心泵出口流量控制閥選擇 第二種情況是某些生產(chǎn)工藝對(duì)控制閥的開(kāi)閉形式的選擇沒(méi)有嚴(yán)格的要求。在這

60、種情況下，控制閥的開(kāi)閉形式可以任選。圖1．20所示離心泵出口流量控制閥就屬于這種情況。因?yàn)榭刂崎y在無(wú)能源狀態(tài)時(shí)無(wú)論處于全關(guān)或全開(kāi)位置都不會(huì)對(duì)離心泵造成什么傷害，對(duì)離心泵的安全運(yùn)行也沒(méi)有影響。因此，控制閥的開(kāi)閉形式可以任選。 1．4．3 控制閥流量特性的選擇 目前我國(guó)生產(chǎn)的控制閥有線性特性、對(duì)數(shù)特性 (即等百分比特性)和快開(kāi)特性三種，尤其以前兩種特性的控制閥應(yīng)用得最多。圖1．21所示是各種流量特性控制閥的特性曲線。 100 F/Fmax(%) 3 1 2 3.3 0 L/Lm

61、ax(%) 100 1線性；2對(duì)數(shù)；3快開(kāi) 圖1．21控制閥流量特性(R=100) 控制閥流量特性的選用要根據(jù)具體對(duì)象的特性來(lái)考 慮。生產(chǎn)過(guò)程中生產(chǎn)負(fù)荷往往是會(huì)發(fā)生變化的，而負(fù)荷的變化又往往會(huì)導(dǎo)致對(duì)象特性發(fā)生變化。對(duì)于一個(gè) 熱交換器來(lái)說(shuō)，當(dāng)被加熱的液體流量(即生 產(chǎn)負(fù)荷)增大時(shí)，其通過(guò)熱交換器的時(shí)間將 會(huì)縮短，純滯后時(shí)間因此會(huì)減小。同時(shí)由于 流速增大，傳熱效果變好，容量滯后也會(huì)減 小，這樣對(duì)象特性就發(fā)生了變化。又如氣相化學(xué)反應(yīng)器，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，反應(yīng)氣體在化學(xué)反應(yīng)器中停留的時(shí)間就不同，主要反應(yīng)層以及溫度靈敏點(diǎn)也會(huì)

62、上下移動(dòng)，以致于原先溫度變化很靈敏的點(diǎn)變得不再靈敏了。這就 是說(shuō)，對(duì)象的特性發(fā)生了變化。 我們知道控制器參數(shù)是根據(jù)具體的對(duì)象特性整定得到的。對(duì)于一個(gè)確定的具體對(duì)象就有一組控制器參數(shù)(δ、Ti及TD)與其相適應(yīng)，對(duì)象特性改變了，原先的控制器參數(shù)就不再能適應(yīng)，如果這時(shí)不去修改控制器參數(shù)，控制質(zhì)量就會(huì)降低。然而負(fù)荷的變化往往具有隨機(jī)性，不可預(yù)知。這樣就不可能在負(fù)荷變化時(shí)，適時(shí)地對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行修改。一種解決辦法就是選擇帶有自整定功能的控制器，它能根據(jù)負(fù)荷的變化及時(shí)修改控制器的參數(shù)，以適應(yīng)變化了的新情況。 另一種解決辦法就是根據(jù)負(fù)荷變化對(duì)對(duì)象特性影響情況，選擇相應(yīng)特性的控制閥來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，使得廣義

63、對(duì)象(包括控制閥和對(duì)象及測(cè)變環(huán)節(jié))的特性在負(fù)荷變化時(shí)保持不變。這樣，就不必考慮在負(fù)荷變化時(shí)修改控制器參數(shù)的問(wèn)題。 R（s）+ Y（s） Gc(s) KVGV(s) K0Go(s) - 圖1．22 單回路控制系統(tǒng)方塊圖 假定單回路控制系統(tǒng)如圖1．22所示。圖中將控制閥和對(duì)象特性寫(xiě)成靜態(tài)部分(以放大倍數(shù)表示)與動(dòng)態(tài)部分(是s的函數(shù))相乘積的形式。如果在該系統(tǒng)中選用的是純比例式控制器，即GC(

64、s)＝KC，并且將系統(tǒng)整定成4：1衰減過(guò)程，那么下式應(yīng)該成立： KCKVK0|GV(jω)||G0(jω) |＝0．5 （1—31) 為了保持在負(fù)荷變化時(shí)控制器參數(shù)維持不變，必須滿足： KVK0|GV(jω)||G0(jω) |＝常數(shù) （1—32) 一般情況下，如果控制閥的膜頭不很大，閥桿運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦阻力較小，運(yùn)動(dòng)較為靈活(例如閥上裝有閥門(mén)定位器)，可認(rèn)為控制閥的動(dòng)態(tài)特性部分GV(jω)是不變的。這樣就可以得到： （1—33) 式

65、（1—33)可以作為選擇控制閥特性的依據(jù)。表1．3列出了在不同情況下控制閥流量特、性的選擇方法。 表1．3控制閥流量特性的選擇 負(fù)荷變化對(duì)對(duì)象特性的影響 1 K0|G0(jω)| 選擇閥特性 KV 對(duì)K0的影響 對(duì)|G0(jω)|的影響 ∝F ∝1/F 常數(shù) 線性 ∝f(F) ∝1/f(F) 常數(shù) 線性 與F無(wú)關(guān) 與F無(wú)關(guān) 常數(shù) 線性 與F無(wú)關(guān) ∝1/F ∝F 對(duì)數(shù) ∝1/F 與F無(wú)關(guān) ∝F 對(duì)數(shù) ∝f(F)/F ∝1/f(F) ∝F 對(duì)數(shù) 注：表中F是控制閥中的流量，即控制變量 下面是一個(gè)控制閥特性選擇的例子。

66、 圖1．23所示是一個(gè)列管式換熱器出口溫度控制系統(tǒng)，被加熱物料的出口溫度通過(guò)改變加熱蒸汽量來(lái)維持。在這里被加熱物料的流量G和入口溫度θl是系統(tǒng)的干擾。顯然這里負(fù)荷變化對(duì)對(duì)象特性的影響是不可忽略的。 為了分析負(fù)荷變化對(duì)對(duì)象特性的影響情況，需列出換熱器的熱平衡方程式。對(duì)該換熱器來(lái)說(shuō)，其靜態(tài)熱平衡關(guān)系為： FH＝GCp (θ2一θ1) （1—34) F 蒸汽 TC G，θ1 θ2 冷凝水 圖1．23 熱交換器溫度控制系統(tǒng) 它的動(dòng)態(tài)熱平衡方程為： （1—35) 式中 F： 加熱蒸汽量； H： 蒸汽冷凝熱(即汽化潛熱)； G： 被加熱物料重量流量； cp： 被加熱物料的比熱容； γ： 被加熱物料密度；