第1章簡單控制系統(tǒng)1.1簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及控制指標(biāo)1.2典型受控過程的數(shù)學(xué)模型1.3被控變量與操縱變量的選擇1.4過程可控程度分析1.5廣義對象各環(huán)節(jié)對控制質(zhì)量的影響1.6檢測變送環(huán)節(jié)1.7執(zhí)行器環(huán)節(jié)1.8連續(xù)PID控制及其調(diào)節(jié)過程1.9控制器參數(shù)整定和控制系統(tǒng)投運思考題與習(xí)題1.1簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及控制指標(biāo)

1.1.1簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

簡單控制系統(tǒng)由四個基本環(huán)節(jié)組成,即被控對象(簡稱對象)、測量變送裝置、控制器(亦稱調(diào)節(jié)器)和控制閥(亦稱調(diào)節(jié)閥)。有時為了分析問題方便起見,把控制閥、被控對

象和測量變送裝置合在一起稱為廣義對象。

液位控制系統(tǒng)如圖1.1-1所示,控制要求是維持水槽液位L不變。為了控制液位,選擇相應(yīng)的變送器、控制器和控制閥,組成液位控制系統(tǒng)(即簡單控制系統(tǒng))。圖1.1-1液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖假定圖1.1-1中所示的是一個中間貯水槽,在平衡狀態(tài)(Qi=Qo)下,如果輸入流量端存在干擾f,則會使輸入總流量(Qi+f)增大,于是液位L上升。隨著L的上升,控制器將感受到偏差(給定與測量的比較值),從而使控制器輸出將控制閥關(guān)小,使輸入流量Qi減小,這樣液位L將下降到給定值,達(dá)到新的平衡。

對于圖1.1-1所示的液位控制系統(tǒng),可以畫出它的框圖,如圖1.1-2所示。圖1.1-2液位控制系統(tǒng)框圖從以上的液位控制系統(tǒng)工作過程可看出:在該系統(tǒng)中存在著一條從系統(tǒng)輸出端引向輸入端的反饋線,也就是說,該系統(tǒng)中的控制器是根據(jù)被控變量的測量值與給定值的偏差來進(jìn)行控制的?？刂频淖饔檬羌m正偏差,所以負(fù)反饋是簡單控制系統(tǒng)的一個特點。

簡單控制系統(tǒng)根據(jù)其被控變量的不同,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)等。雖然這些控制系統(tǒng)名稱不同,但是它們都具有相同的框圖和組成結(jié)構(gòu)。由于此類控制系統(tǒng)從組成方框圖上看,由一個測量變送裝置、一個控制器、一個控制閥和相應(yīng)的被控對象組成一個負(fù)反饋回路,因此簡單控制系統(tǒng)也常稱為單回路控制系統(tǒng)。1.1.2簡單控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)

對每一個控制回路來說,在設(shè)定值發(fā)生變化或系統(tǒng)受到擾動作用后,被控變量應(yīng)該平穩(wěn)、迅速和準(zhǔn)確地趨近或回復(fù)到設(shè)定值。因此,通常在穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性三個方面提出各種單項控制指標(biāo),把它們適當(dāng)?shù)亟M合起來,也可提出綜合性指標(biāo)。

1.控制系統(tǒng)過渡過程單項指標(biāo)

控制系統(tǒng)按其輸入方式的不同，可分為隨動系統(tǒng)與定值系統(tǒng)兩種。隨動系統(tǒng)與定值系統(tǒng)的控制要求有相同的一面,也有不同的一面。例如,兩種系統(tǒng)都必須穩(wěn)定,但定值系統(tǒng)的衰減比可以低一些,隨動系統(tǒng)的衰減比則應(yīng)該高一些;隨動系統(tǒng)的重點在于跟蹤,要跟得穩(wěn)、跟得快、跟得準(zhǔn),定值系統(tǒng)的關(guān)鍵在一個“定”字,要定得又穩(wěn)又快又準(zhǔn)。

控制系統(tǒng)的主要單項指標(biāo)包括衰減比、超調(diào)量與最大偏差、余差、恢復(fù)時間和振蕩周期。這些指標(biāo)可從控制系統(tǒng)的過渡過程曲線上求取。

1)衰減比n

在欠阻尼振蕩系統(tǒng)中,兩個相鄰的同方向幅值之比稱為衰減比,前一幅值作為分子,后一幅值作為分母,如圖1.1-3中的B/B′。

衰減比n是衡量穩(wěn)定性的指標(biāo),n≤1時會振蕩,這是不允許的。為了保持足夠的穩(wěn)定性,通常定值系統(tǒng)的n取4為宜。對隨動系統(tǒng),n取10為宜,或采用過阻尼系數(shù)ξ≥1(B′=0)的形式。圖1.1-3單位階躍響應(yīng)曲線

2)超調(diào)量σ與最大偏差A(yù)

在隨動系統(tǒng)(如圖1.1-4所示)中,σ是一個反映超調(diào)情況,也是衡量穩(wěn)定程度的指標(biāo)。設(shè)被控變量的最終穩(wěn)定值為c,最大瞬態(tài)偏差為B,則超調(diào)量σ的表達(dá)式為圖1.1-4隨動系統(tǒng)過渡過程曲線在定值控制系統(tǒng)(如圖1.1-5所示)中,最終穩(wěn)態(tài)值是０或很小的數(shù)值,這時如果仍用σ作為指標(biāo)來衡量系統(tǒng)的超調(diào)就不合適了,通常改用最大偏差A(yù)作為反映系統(tǒng)偏離給定值的最大量的指標(biāo)，其計算公式為圖1.1-5定值系統(tǒng)過渡過程曲線

3)最終穩(wěn)定值c或余差E(∞)

余差E(∞)是系統(tǒng)的最終穩(wěn)態(tài)偏差。因為E(∞)=R-c(R為系統(tǒng)給定值),在一般情況下,設(shè)定R=0,所以E(∞)=-c。最終穩(wěn)定值c或余差E(∞)是反映控制精度的一個穩(wěn)態(tài)指標(biāo)。

4)恢復(fù)時間ts和振蕩周期Tp

過渡過程要絕對地達(dá)到新的穩(wěn)態(tài),需要無限長的時間,然而要進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值附近±5%或±2%以內(nèi)的區(qū)域,并保持在該區(qū)域之內(nèi),需要的時間則是有限的,這一時間稱為恢復(fù)時間ts?；謴?fù)時間是反映控制快速性的一個指標(biāo)。

在同樣的振蕩頻率下,衰減比越大,則恢復(fù)時間越短;振

蕩頻率越高,則恢復(fù)時間也越短。因此,與振蕩頻率緊密相關(guān)的振蕩周期Tp在一定程度上也可作為衡量控制快速性的指標(biāo)。

【例1.1-1】

某化學(xué)反應(yīng)器,工藝規(guī)定操作溫度為200±10℃,考慮到安全因素,調(diào)節(jié)過程中規(guī)定溫度的最大變化不得超過15℃?，F(xiàn)設(shè)計運行的溫度定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)在最大階躍干擾作用下的過渡過程曲線如圖1.1-6所示,試求該系統(tǒng)的過渡過程品質(zhì)指標(biāo)(最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期及恢復(fù)時間),并問該調(diào)節(jié)系統(tǒng)是否滿足工藝要求。圖1.1-6例1.1-1題圖

解:

最大偏差:

A=230-200=30℃

余差:

E(∞)=205-200=5℃

衰減比:

振蕩周期:

Tp=20-5=15min

恢復(fù)時間(調(diào)節(jié)時間):

ts=22min

工藝規(guī)定操作溫度為200±10℃,考慮安全因素,調(diào)節(jié)過程中規(guī)定溫度的最大變化不得超過15℃,而該調(diào)節(jié)系統(tǒng)的最大偏差A(yù)=30℃,因此不滿足工藝要求。

2.控制系統(tǒng)過渡過程綜合性指標(biāo)

綜合性指標(biāo)往往采用積分鑒定的形式。一般來說,過渡過程中的動態(tài)偏差越大,或是恢復(fù)得越慢,則目標(biāo)函數(shù)J值將越大,表明控制品質(zhì)越差。是e(t)及t的一個泛函值。

控制系統(tǒng)過渡過程的綜合性指標(biāo)通常有以下幾種。

1)平方誤差積分準(zhǔn)則ISE

2)絕對誤差積分準(zhǔn)則IAE

3)時間乘絕對誤差積分準(zhǔn)則ITAE

,,對于存在余差的系統(tǒng),e不會最終趨于零,有e(∞)存在,上面三種形式的積分鑒定值J都將成為無窮大,無從進(jìn)行比較。此時可用e(t)-e(∞)=-［y(t)-c］作為誤差項代入。

一般地說,ITAE為最小值的系統(tǒng)往往衰減比很大,ISE為最小值的系統(tǒng)恢復(fù)時間很短,但過渡過程的振蕩比較劇烈,如圖1.1-7所示。

在工作中,具體選何種指標(biāo),應(yīng)根據(jù)控制系統(tǒng)的性能及工藝要求而定。圖1.1-7應(yīng)用不同偏差積分性能指標(biāo)下的閉環(huán)響應(yīng)

1.2典型受控過程的數(shù)學(xué)模型

受控過程的數(shù)學(xué)模型是分析和設(shè)計過程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)資料和依據(jù)。在對現(xiàn)代日益復(fù)雜和龐大的受控過程進(jìn)行研究分析、實施控制,尤其是進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計時,必須首先建立其數(shù)學(xué)模型。因此,數(shù)學(xué)模型對過程控制系統(tǒng)的分析設(shè)計、實現(xiàn)生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制具有極為重要的意義。

本節(jié)主要介紹幾種常見的簡單過程的特性,然后列出由它們組成的一些實際的典型過程。1.2.1純滯后過程的建模

某些過程在輸入變量改變后,輸出變量并不立即改變,而要經(jīng)過一段時間后才反映出來,這種過程稱為純滯后過程。純滯后就是指在輸入量變化后,看不到系統(tǒng)對其響應(yīng)的這段時間。

當(dāng)物質(zhì)或能量沿著一條特定的路徑傳輸時,就會出現(xiàn)純滯后。路徑的長度和運動速度是決定純滯后大小的兩個因素。因此純滯后也稱為傳輸滯后。純滯后一般不單獨出現(xiàn),同時不存在純滯后的生產(chǎn)過程也很少。任何與控制系統(tǒng)設(shè)計有關(guān)的技術(shù)都會涉及純滯后問題。圖1.2-1(a)所示的固體傳送帶上的定量控制系統(tǒng)為一個單獨存在純滯后的例子,圖1.2-1(b)是其過程變化曲線。從閥門動作到重量發(fā)生變化,這中間的純滯后τ等于閥和壓力傳感器之間的距離除以傳送帶的運動速度v,即

(1.2-1)圖1.2-1純滯后過程示意圖(a)重量傳感器對固體流量變化過程圖;(b)閥門開度u使重量測量y純滯后過程圖純滯后環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為

(1.2-2)

相應(yīng)的頻率特性為

(1.2-3)

純滯后環(huán)節(jié)幅頻特性對系統(tǒng)無影響,相頻特性對系統(tǒng)的影響隨頻率的增加而增加。1.2.2單容過程的建模

所謂單容過程,是指只有一個貯蓄容量的過程。容量是儲存物質(zhì)(或能量)的地方,其作用就像流入量和流出量之間的緩沖器。單容過程又可分為自平衡單容過程與無自平衡單容過程。由于不同的物理背景的若干過程都遵循同一變化規(guī)律,因此單容過程可代表一類過程。

1.無自平衡單容過程

典型的無自平衡單容過程如圖1.2-2所示。

在圖1.2-2中,Qi為貯槽的輸入流量,Qo為貯槽的輸出流量,其中定量泵排出的流量Qo在任何情況下都保持不變,即與液位h的大小無關(guān)。圖1.2-2無自平衡單容過程根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系

輸入流量-輸出流量=單位時間容積的累積量變化

有

(1.2-4)其中,V=Ah為容器的容積,A為容器的截面積。將V=Ah代入式(1.2-4),得

(1.2-5)

其拉氏變換式為AsH(s)=Qi(s)-Qo(s),Qo(t)為常量,其增量為0,即ΔQo=0,Qo(s)=0,則

(1.2-6)其中,A為積分時間常數(shù),寫成一般形式為

(1.2-7)

式中,T為積分時間常數(shù)。相應(yīng)的頻率特性為

(1.2-8)無自平衡過程的特點是在階躍擾動的作用下,被控量會不斷變化下去,不能由自身平衡下來,我們稱這種過程為無自平衡能力過程,簡稱為無自衡過程。無自衡過程一般應(yīng)設(shè)置自動控制系統(tǒng),在沒有自動控制系統(tǒng)的情況下,不允許設(shè)備長時間無人看管。

2.自平衡單容過程

如圖1.2-3所示的過程,液位的增加很自然地會使流出量增加,這種作用將力圖恢復(fù)平衡,這種單容過程稱為自平衡單容過程。

液位h與輸出流量Qo之間的靜態(tài)特性為非線性關(guān)系,即

(1.2-9)

式中,α為比例系數(shù)(與手動閥的開度有關(guān))。圖1.2-3自平衡單容過程假定調(diào)節(jié)系統(tǒng)為定值控制,液位設(shè)定值基本不變,則由在工作點附近的線性化處理,可得

(1.2-10)

式中:ΔQo為Qo的變化量;Δh為h的變化量;ho為h在工作點的取值。

因為,V=Ah,并設(shè)，所以

(1.2-11)取拉氏變換sAH(s)=Qi-RH(s),可得自平衡過程的傳遞函數(shù)為

(1.2-12)

式中:R=k,為放大系數(shù);AR=T,為時間常數(shù)。寫成一般形式為

(1.2-13)（一階慣性環(huán)節(jié)）其頻率特性為

(1.2-14)

式中:=-arctanTω。式(1.2-14)表明該系統(tǒng)具有低通濾波器的作用。1.2.3多容過程的建模

在過程控制中,多容過程是指有多個貯蓄容量的過程。多容過程可分為有相互影響的多容過程和無相互影響的多容過程。雙容過程是最簡單的多容過程,下面以雙容過程為例,分析多容過程的數(shù)學(xué)模型

1.無相互影響的雙容過程

無相互影響的雙容過程如圖1.2-4所示。貯槽1與貯槽2之間沒有串聯(lián)的管路,兩容器的流出閥均為手動閥,流量Q1與貯槽1的液位h1有關(guān),而與貯槽2的液位h2無關(guān)。貯槽2的液位也不會影響貯槽1的液位,兩容器無相互影響。圖1.2-4無相互影響的雙容過程由于兩容器的流出閥均為手動閥門,故有以下非線性方程:

(1.2-15)

(1.2-16)

其中,α1、α2分別為貯槽1和貯槽2的比例系數(shù),與手動閥的開度有關(guān)。

過程的原始數(shù)學(xué)模型為

(1.2-17)令貯槽1、貯槽2相應(yīng)的線性化水阻分別為R1和R2,它們與初始液位的關(guān)系為

(1.2-18)

(1.2-19)

其中:h1o為貯槽1的初始液位,h2o為貯槽2的初始液位。

過程傳遞函數(shù)表示為

(1.2-20)

(1.2-21)其中:A1、A2表示貯槽的橫截面積,R1、R2表示貯槽的液阻。而由式(1.2-15)可以推出:

(1.2-22)

因此有

(1.2-23)

令時間常數(shù)T1=A1R1,T2=A2R2,R2=k,綜合式(1.2-20)和式(1.2-23),最終可得該過程的傳遞函數(shù)為

(相當(dāng)于兩個一階環(huán)節(jié)串聯(lián))

則由上述分析可知,該過程傳遞函數(shù)為二階慣性環(huán)節(jié),相當(dāng)于兩個具有穩(wěn)定趨勢的一階自平衡系統(tǒng)的串聯(lián),因此也是一個具有自平衡能力的過程。其中,時間常數(shù)的大小決定了系統(tǒng)反應(yīng)的快慢,時間常數(shù)越小,系統(tǒng)對輸入的反應(yīng)越快;反之,若時間常數(shù)較大(即容器面積較大),則反應(yīng)較慢。由于該過程為兩個一階環(huán)節(jié)的串聯(lián),兩個極點-1/T1、-1/T2為負(fù)實數(shù)極點,該過程是非振蕩自平衡過程,過程等效時間常數(shù)T>max(T1,T2),故總體反應(yīng)要較單一的一階環(huán)節(jié)慢得多,因此通?？捎靡浑A慣性環(huán)節(jié)加純滯后來近似無相互影響的多容系統(tǒng)。

2.有相互影響的雙容過程

圖1.2-5所示的兩個貯槽之間有一串聯(lián)在一起的管路,管路的流量Q1不僅與貯槽1的液位h1有關(guān),也與貯槽2的液位h2有關(guān)。所以不僅貯槽1的液位會影響貯槽2的液位,而且貯槽2的液位也會影響貯槽1的液位,兩貯槽相互影響。圖1.2-5有相互影響的雙容液位過程兩貯槽的液位和流出量之間都為非線性關(guān)系,有

(1.2-24)

則有

(1.2-25)

Qi=ku

(1.2-26)從而有過程的數(shù)學(xué)描述如下：

(1.2-27)

(1.2-28)令T1=A1R1,T2=A2R2,經(jīng)整理有

(1.2-29)

(1.2-30)得出h1與t的關(guān)系如下:

(1.2-31)

對式(1.2-30)求導(dǎo),再代入式(1.2-31),有

(1.2-32)用類似的方法可推出h1與u的關(guān)系。最后導(dǎo)出貯槽1、貯槽2的過程傳遞函數(shù)G1(s)、G2(s)分別為

(1.2-33)

(1.2-34)可見兩個環(huán)節(jié)都是二階的,因此得出如下結(jié)論:

(1)液位H1對輸入流量Qi的響應(yīng)不再是一階過程,而是二階過程。

(2)H2對流量Qi的響應(yīng)s項多了A1R2項,可理解為相互影響因子,其大小表明了相互影響的程度。由式(1.2-34),很容易求得傳遞函數(shù)的兩個極點為

(1.2-35)

由于(T1+T2+A1R2)2>4T1T2,因此P1,2為兩個不同的實根,表明兩個相互影響的容積可等效為兩個不相互影響的容積,不過時間常數(shù)需校正。另外,假定兩個貯槽具有相同的時間常數(shù)(T1=T2=T),那么式(1.2-35)為

(1.2-36)

由此可見,相互影響是改變了兩個貯槽的等效時間常數(shù)比例,一個貯槽的反應(yīng)變快了,而另一個卻變慢了。由于時間響應(yīng)主要受慢的貯槽的牽制,因而存在相互影響時的時間響應(yīng)要比無相互影響時顯得緩慢(如圖1.2-6所示)。圖1.2-6液位貯槽的階躍響應(yīng)

3.多容過程

無相互影響的多容過程,可表示為由N個一階環(huán)節(jié)組成(串聯(lián))的系統(tǒng),如圖1.2-7所示。圖1.2-7無相互影響的多容過程系統(tǒng)框圖設(shè)圖中:…設(shè)T1=T2=…=TN,則整個過程的傳遞函數(shù)為

(1.2-37)

由時間常數(shù)相同、容積相等而又沒有相互影響的若干個一階慣性環(huán)節(jié)組成的過程,隨著N的增加,它的時間響應(yīng)越來越接近一階環(huán)節(jié)加時間滯后的過程，如圖1.2-8所示。圖1.2-8無相互影響的多容過程階躍響應(yīng)曲線由若干個時間常數(shù)相同、容積相等而又相互影響的環(huán)節(jié)組成的多容過程,它的時滯可以分解為無相互影響的幾個時滯,其中的一個時間常數(shù)較大,其余的很小。較大的那個成為起主導(dǎo)作用的時間常數(shù),而較小的那幾個結(jié)合在一起,等效成一個純滯后。因此對于無相互影響的多容過程,均可用來近似。這就是工業(yè)過程基本都用來表示過程特性的原因。1.2.4具有反向響應(yīng)的過程

某些過程的動態(tài)響應(yīng)與以前討論的會有很大差異,圖1.2-9表示的過程即是如此。其階躍響應(yīng)在初始情況與最終情況方向相反,我們稱它為具有反向響應(yīng)的過程。

圖1.2-9(a)為鍋爐汽包的簡圖。如果供給的冷水呈階躍狀增加,汽包內(nèi)沸騰水的總體積乃至液位將會按照圖1.2-9(b)所示的y(t)=y1(t)+y2(t)曲線變化。這種品質(zhì)是兩種相反影響作用的結(jié)果。圖1.2-9具有反向響應(yīng)的過程冷水的增加引起汽包內(nèi)水的沸騰突然減弱,水中的氣泡迅速減少,導(dǎo)致水位下降。設(shè)由此導(dǎo)致的液位響應(yīng)為一階時滯特性(見圖1.2-9(b)中的曲線y1(t)),即

(1.2-38)

當(dāng)燃料量不變時,假定蒸汽量也基本恒定,則液位應(yīng)隨進(jìn)水量的增加而增加,并呈積分響應(yīng)(見圖1.2-9(b)中的曲線y2(t)),汽包內(nèi)的水位h應(yīng)隨冷水加入量的增大而增高,即

(1.2-39)

兩種相反作用的結(jié)果(見圖1.2-9(b)中的曲線y(t)),總特性為

(1.2-40)從式(1.2-40)可以看出:當(dāng)k2T1<k1時,在響應(yīng)初期,占主導(dǎo)地位,過程呈反向響應(yīng);當(dāng)k2T1>k1時,過程沒有反向特性。在呈反向特性時,傳遞函數(shù)總具有一個正的零點

,傳遞函數(shù)存在正實部零點的過程屬于非最小相位過程,較難控制,因此鍋爐汽包水位的控制

應(yīng)考慮采用特殊的方法(如后面將要講到的多沖量控制系統(tǒng))。1.2.5不穩(wěn)定過程

工業(yè)過程中,還存在具有不穩(wěn)定特性的過程,主要存在于化學(xué)反應(yīng)過程中?；瘜W(xué)反應(yīng)過程有強烈的熱效應(yīng)。如吸熱反應(yīng)過程,隨著溫度的升高,反應(yīng)速度將會加快,與此同時,吸收的熱量也增加,其結(jié)果使溫度回降。所以該過程對于溫度的變化具有內(nèi)部負(fù)反饋,整個過程的特性是穩(wěn)定的,它具有與一般自衡對象相同的特性。當(dāng)溫度T受干擾增大時,吸熱量Q也相應(yīng)增大,從而使反應(yīng)溫度T減小,恢復(fù)到給定值。而對于放熱反應(yīng),由于反應(yīng)器內(nèi)部存在正反饋,因而反應(yīng)溫度是不穩(wěn)定的,即當(dāng)溫度T受到的干擾增大時,放熱量Q也相應(yīng)增大,從而使反應(yīng)溫度T更大,不能恢復(fù)到給定值,為開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)。如傳遞函數(shù)

(1.2-41)

就表示了一個不穩(wěn)定過程。式中|k|、|T|表示絕對值,它總是正的。過程的極點具有正實部。過程的階躍響應(yīng)如圖1.2-10所示，屬于開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng),在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)器的控制時,必須意識到這一點。

1.3被控變量與操縱變量的選擇

1.3.1被控變量的選擇

被控變量的選擇是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心問題,選擇得正確與否,會直接關(guān)系到生產(chǎn)操作的穩(wěn)定,產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的提高以及生產(chǎn)安全與勞動條件的改善等。如果被控變量選擇不當(dāng),則不論采用何種控制儀表,組成什么樣的控制系統(tǒng),都不能達(dá)到預(yù)期的控制效果,滿足不了生產(chǎn)的控制要求。為此,自控設(shè)計人員必須深入生產(chǎn)實際,進(jìn)行調(diào)查研究,只有在熟悉生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上才能正確地選擇出被控變量。對于以溫度、壓力、流量、液位為操作指標(biāo)的生產(chǎn)過程,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)品成分或物理參數(shù)(如密度、粘度等)的測量問題,這就需要用到成分分析儀表和物理參數(shù)測量儀表。有關(guān)成分和物理參數(shù)的測量問題,目前國內(nèi)外尚未得到很好的解決。一是因為產(chǎn)品品種類型很不齊全,致使有些成分或物理參數(shù)目前尚無法實現(xiàn)在線測量和變送;二是因為這些儀表,特別是成分分析儀表具有較嚴(yán)重的測量滯后性,不能及時地反映產(chǎn)品質(zhì)量變化的情況。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,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)有單值的對應(yīng)關(guān)系,并且

還需具有一定的變化靈敏度,即隨著產(chǎn)品質(zhì)量的變化,間接指標(biāo)必須有足夠大的變化。

以苯、甲苯二元系統(tǒng)的精餾為例,如圖1.3-1所示。當(dāng)氣、液兩相并存時,塔頂易揮發(fā)組分的濃度xD、溫度Td和壓力P三者之間有著如下函數(shù)關(guān)系:

xD=f(Td,P)

(1.3-1)圖1.3-1簡單精餾過程示意圖這里xD是直接反映塔頂產(chǎn)品純度的,是直接的質(zhì)量指標(biāo)。如果成分分析儀表可以解決,那么就可以選擇塔頂易揮發(fā)組分的濃度xD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,或因成分測量滯后性太大,控制效果差,達(dá)不到質(zhì)量要求,則可以考慮選擇一個間接指標(biāo)參數(shù),如選擇塔頂溫度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是有條件的。由式(1.3-1)可以看出,它是一個二元函數(shù)關(guān)系,即xD與Td及P都有關(guān)。只有當(dāng)Td或P有一個不變時,式(1.3-1)才可簡化成一元函數(shù)關(guān)系,即當(dāng)P一定時,有

xD=f1(Td)

(1.3-2)

當(dāng)Td一定時,有

xD=f2(P)

(1.3-3)總之,對于某個給定的工藝過程,應(yīng)選擇可作為受控變量的工藝參數(shù)方法有以下三種:

(1)直接參數(shù)法:以直接的工藝參數(shù)作為受控變量(最好為溫度T、壓力P、流量F、液位L四大參數(shù))。

(2)間接參數(shù)法:原選定的受控變量受檢測儀表約束時,要尋找與受控變量有單一的線性函數(shù)關(guān)系的間接參數(shù)來作為受控變量。如蒸餾塔組分xD的檢測控制,一般用溫度代替,但壓力(塔壓)必須恒定,即xD=f(T)。

(3)自由度分析法:一個設(shè)備如果有多個受控變量,則應(yīng)以自由度進(jìn)行分析,找出獨立變量F作為受控變量,F=C-P+2(其中,C為組分?jǐn)?shù),P為相數(shù))。

【例1.3-1】飽和蒸汽C=1,P=2,則自由度F=1-2+2=1,蒸汽質(zhì)量受控變量選一個(T或P)。過熱蒸汽C=1,P=1,則自由度F=1-1+2=2,受控變量則選兩個(T、P)。1.3.2操縱變量的選擇

為了正確地選擇操縱變量,首先要研究對象的特征。

我們知道被控變量是被控對象的一個輸出。影響被控變量的外部因素則是被控對象的輸入?，F(xiàn)在的任務(wù)是在影響被控變量的諸多輸入中,選擇其中某個可控性良好的輸入量作為操縱變量,而其它未被選中的輸入量,則稱為系統(tǒng)的干擾。對操縱變量的選擇應(yīng)注意以下兩點:

(1)操縱變量的選擇要合理,不能選擇工藝流程的主物料量(除非有中間貯槽)為操縱變量,而應(yīng)選擇輔助(側(cè)線)物料,如換熱器,只能選載熱體為調(diào)節(jié)量,而不能選物料加入量為操縱變量,因為后者在調(diào)節(jié)過程中會引起生產(chǎn)波動。

(2)操縱變量對受控變量要有明顯的影響作用,即要求其放大系數(shù)k大,時間常數(shù)T小。

1.4過程可控程度分析

過程可控程度指的是對過程進(jìn)行控制的難易程度,簡稱過程的可控性。在化工生產(chǎn)中,不同過程的特性參數(shù)(指k、T、τ)差異極大,所以控制的難易程度差異也非常之大。在控制過程中之所以會有各種繁簡不同的方案,除了因控制精度要求不同外,主要是由過程可控程度的差異引起的。

本節(jié)介紹一種度量過程可控程度的指標(biāo)kmωc。km、ωc都是過程在純比例控制下,系統(tǒng)達(dá)到臨界振蕩時的參數(shù)。1.4.1度量過程可控程度指標(biāo)kmωc的導(dǎo)出

為便于比較,假定控制器為純比例,在相同的干擾作用下采用最佳整定,參數(shù)整定目標(biāo)n=4，對于如圖1.4-1所示的二階系統(tǒng),其傳遞函數(shù)為

(1.4-1)當(dāng)n=4時,

(1.4-2)

式中:kf為干擾通道的靜態(tài)增益;kc為調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)；kp為被控對象放大系數(shù);k=kckp,為開環(huán)系統(tǒng)總的靜態(tài)增益。圖1.4-1二階系統(tǒng)框圖利用絕對誤差積分準(zhǔn)則(IAE)指標(biāo),有

(1.4-3)

由于工作周期也是系統(tǒng)過程的品質(zhì)指標(biāo),引入,

則由式(1.4-3)可得出系統(tǒng)“情況Ⅰ”與“情況Ⅱ”(“情況Ⅰ”與“情況Ⅱ”只表明兩種不同的情況，不特指哪種情況)的絕對偏差積分之比

(1.4-4)

式中,k、ω分別為n=4衰減振蕩時的開環(huán)靜態(tài)增益和工作頻率。

需指出,式(1.4-4)等號兩邊均為分式形式,其分子中的k、ω、kf等變量值表示在“情況Ⅰ”中的取值,而分母中的k、ω、kf等變量值則表示在“情況Ⅱ”中的取值。兩者是不相同的。因為n=4衰減振蕩時的工作頻率ω比臨界頻率ωc約小10%~30%,兩者有一定的比例關(guān)系,所以兩個工作頻率之比又可近似地用兩個臨界頻率ωc之比來度量,因此式(1.4-4)可修改為

(1.4-5)式(1.4-5)中,由于kf相同(相同的干擾),所以分式中的kf可消去,這樣該式可寫為

(1.4-6)若系統(tǒng)沒有較大的純滯后或分布參數(shù),一般k值大于10,這樣式(1.4-6)中的“1”可以略去,化簡得

(1.4-7)

設(shè)km、ωc都是過程在純比例控制下,系統(tǒng)達(dá)到振蕩時的參數(shù)。式(1.4-7)說明,∫|e|dt與kmωc成反比,即控制系統(tǒng)的kmωc越大,控制系統(tǒng)質(zhì)量越好。1.4.2廣義對象時間常數(shù)T和純滯后τ對可控程度kmωc

的影響

1.時間常數(shù)T對系統(tǒng)可控程度的影響

以三階過程為例,令T1>T2>T3,與一般單回路系統(tǒng)的廣義對象傳遞函數(shù)類似。T1可看成對象時間常數(shù),最大;T2可看成控制閥時間常數(shù),次之;T3可看成對檢測變送時間常數(shù),最小。表1.4-1為時間常數(shù)T變化對km、ωc及kmωc的影響。表1.4-1時間常數(shù)T的變化對km、ωc及kmωc的影響由表1.4-1可得出以下結(jié)論:

(1)當(dāng)T1增大,T2、T3不變時,km及kmωc增大,控制系統(tǒng)質(zhì)量好。

(2)當(dāng)T3減小,T1、T2不變時,ωc及kmωc增大,控制系統(tǒng)質(zhì)量好。

(3)T2存在極值點T2*,當(dāng)T2＞T2*或T2＜T2*時,km及kmωc增大。

利用MATLAB仿真得到不同時間常數(shù)T1、T2、T3搭配的過渡過程曲線,從中也可得到同樣的結(jié)論,如圖1.4-2所示。圖1.4-2不同的時間常數(shù)T搭配產(chǎn)生不同的過渡過程仿真實驗曲線從圖1.4-2仿真實驗曲線可以看出:

(1)當(dāng)T1增大,T2減小時,將拉開第一時間常數(shù)與第二時間常數(shù)之間的距離,則kmωc增大,控制系統(tǒng)質(zhì)量好。

(2)當(dāng)最小時間常數(shù)T3減小時,kmωc增大,控制系統(tǒng)質(zhì)量好。

2.純滯后τ對系統(tǒng)可控程度的影響

純滯后G(s)=e-τs的頻率特性為|G(jω)|=1,Φ=-τω,純滯后τ的加入總是使ωc、km減小,即kmωc減小,如圖1.4-3所示,其中，曲線1表示有純滯后τ的影響，曲線2表示無純滯后τ的影響。圖1.4-3用頻率特性表示純滯后的影響

1.5廣義對象各環(huán)節(jié)對控制質(zhì)量的影響

圖1.5-1所示為線性單回路控制系統(tǒng)框圖。設(shè)

,其中的kf、Tf、τf為三個特性

指標(biāo)。圖1.5-1線性單回路控制系統(tǒng)框圖1.5.1干擾通道特性Gf(s)對控制質(zhì)量的影響

1.放大倍數(shù)kf的影響

假定所研究的系統(tǒng)框圖如圖1.5-1所示。由圖1.5-1可直接求出在干擾作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(1.5-1)由式(1.5-1)可得

(1.5-2)

令并假定f(t)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(1.5-2),并運用終值定理可得

(1.5-3)式中,kc、k0分別為控制器放大倍數(shù)與被控對象的放大倍數(shù),它們的乘積稱為該系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)。對于定值系統(tǒng),y(∞)即系統(tǒng)的余差。由式(1.5-3)可以看出,干擾通道的放大倍數(shù)越大,系統(tǒng)的余差也越大,即控制靜態(tài)質(zhì)量越差(如圖1.5-2所示)。

通過分析可得出結(jié)論:kf增大時,kmωc將減小,干擾造成的影響增大,系統(tǒng)控制質(zhì)量變差。圖1.5-2干擾通道放大倍數(shù)變化對控制質(zhì)量的影響

2.干擾通道時間常數(shù)Tf的影響

為研究問題方便起見,令圖1.5-1中的各環(huán)節(jié)放大倍數(shù)均為1,這樣系統(tǒng)在干擾作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)為

(1.5-4)系統(tǒng)的特征方程為

(1.5-5)

由式(1.5-5)可知,當(dāng)干擾通道為一階慣性環(huán)節(jié)時,與干擾通道為放大環(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)實軸上增加了一個附加極點1/Tf。這個附加極點的存在,除了會影響過渡過程的時間外,還會影響到過渡過程的幅值,使其變?yōu)樵瓉淼?/Tf,這樣過渡過程的最大動態(tài)偏差也將隨之減小,這對提高系統(tǒng)的品質(zhì)是有利的。而且隨著Tf的

增大,控制過程的品質(zhì)亦會提高。如果干擾7通道階次增加,例如干擾通道傳遞函數(shù)為兩階,那么就有兩個時間常數(shù)Tf1及Tf2。按照根平面的分析,系統(tǒng)將增加兩個附加極點-1/Tf1及-1/Tf2,這樣過渡過程的幅值將變?yōu)樵瓉淼?/(Tf1·Tf2),因此控制質(zhì)量將進(jìn)一步提高(如圖1.5-3所示)。圖1.5-3干擾通道時間常數(shù)變化對控制質(zhì)量的影響通過分析可得出結(jié)論:Tf增大,可對擾動起濾波作用,使系統(tǒng)受干擾作用緩慢。

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)對被控變量的影響就不困難了。圖1.5-4所示的F1(s)、F2(s)及F3(s)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,則它們對控制質(zhì)量的影響程度依次為F1最大,F2次之,而F3為最小。下面用圖1.5-5來分析此結(jié)論。圖1.5-4干擾進(jìn)入位置圖圖1.5-5干擾進(jìn)入位置等效方框圖由圖1.5-5可以看出,F3(s)對Y(s)的影響依次要經(jīng)過G03(s)、G02(s)、G01(s)三個環(huán)節(jié),如果每一個環(huán)節(jié)都是一階慣性環(huán)節(jié),則對干擾信號F3(s)進(jìn)行了三次濾波,將它對被控變量的影響削弱很多,因而它對被控變量的實際影響就會很小。而F1(s)只經(jīng)過一個環(huán)節(jié)G01(s)就影響到Y(jié)(s),它的影響被削弱得較少,因此它對被控變量影響最大。

由上述分析可得出如下結(jié)論:干擾通道的時間常數(shù)越大,數(shù)量越多,或者說干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置越遠(yuǎn)離被控變量而靠近控制閥,干擾對被控變量的影響就越小,系統(tǒng)的質(zhì)量則越高。

3.干擾通道純滯后τf的影響

前面分析干擾通道時間常數(shù)對被控變量的影響時,沒有考慮到干擾通道具有純滯后的問題,如果考慮干擾通道具有純滯后τf,那么干擾通道的傳遞函數(shù)為

(1.5-6)這樣將式(1.5-1)改寫成干擾通道具有純滯后的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(1.5-7)

求取式(1.5-1)與式(1.5-7)在干擾作用下的過渡過程y(t)與yτ(t)。由控制理論中的滯后定理可以得出y(t)、yτ(t)之間的關(guān)系為

yτ(t)=y(t-τf)

如圖1.5-6所示,其中，曲線1為無純滯后τf時的影響，曲線2為有純滯后τf時的影響。圖1.5-6干擾通道純滯后對控制質(zhì)量的影響通過分析可得出結(jié)論:干擾通道具有純滯后τf時對系統(tǒng)質(zhì)量無影響(指反饋系統(tǒng),前饋系統(tǒng)τf<τp無法實現(xiàn)補償模型),只是將響應(yīng)推遲一段時間。

表1.5-1總結(jié)了干擾通道特性對控制質(zhì)量的影響。表1.5-1干擾通道特性對控制質(zhì)量的影響

1.5.2調(diào)節(jié)通道特性Gp(s)對控制質(zhì)量的影響

設(shè)調(diào)節(jié)通道傳遞函數(shù)為

討論Gp(s)中的k0、T0、τ0三個特性指標(biāo)對可控程度的影響。

1.調(diào)節(jié)通道的放大倍數(shù)k0的影響

放大倍數(shù)k0對控制質(zhì)量的影響要從靜態(tài)和動態(tài)兩個方面進(jìn)行分析。從靜態(tài)方面分析,由式(1.5-3)可以看出,控制系統(tǒng)的余差與干擾通道的放大倍數(shù)成正比,與調(diào)節(jié)通道的放大倍數(shù)成反比,因此當(dāng)kc、kf不變時,調(diào)節(jié)通道的放大倍數(shù)越大,調(diào)節(jié)系統(tǒng)的余差越小。放大倍數(shù)k0的變化不但會影響控制系統(tǒng)的靜態(tài)控制質(zhì)量,同時對系統(tǒng)的動態(tài)控制質(zhì)量也會產(chǎn)生影響。對一個控制系統(tǒng)來說,在一定的穩(wěn)定程度(即一定的衰減比)下,系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)是一個常數(shù),即控制器放大倍數(shù)kc與廣義對象調(diào)節(jié)通道放大倍數(shù)k0的乘積。也就是說,特定的系統(tǒng)衰減比必須與控制器放大倍數(shù)k0乘積的某特定數(shù)值對應(yīng)。在一定的衰減要求下,k0減小,kc必須增大;k0增大,kc必須減小。同時由于控制器與廣義對象相串聯(lián),k=kck0,因此從系統(tǒng)的穩(wěn)定性來講,k0的大小對控制質(zhì)量無影響。

2.調(diào)節(jié)通道的時間常數(shù)T0的影響

由圖1.5-1可得出單回路控制系統(tǒng)的特征方程為

1+Gc(s)Gp(s)=0(1.5-8)

為了便于分析,令

將Gc(s)、Gp(s)代入式(1.5-8)可得

(1.5-9)將式(1.5-9)化為標(biāo)準(zhǔn)二階系統(tǒng)(s2+2ζωns+ω2n=0)形式,得

于是可得

(1.5-10)由式(1.5-10)可求得

(1.5-11)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:

(1.5-12)

由式(1.5-12)可以看出,在ζ不變的情況下,ω0與ωβ成正比,即

(1.5-13)由式(1.5-13)的關(guān)系可知,不論T01、T02哪一個增大,都將導(dǎo)致系統(tǒng)的工作頻率降低,而系統(tǒng)的工作頻率越低,控制速度越慢。這就是說,調(diào)節(jié)通道的時間常數(shù)T0越大,系統(tǒng)的工作頻率越低,控制速度越慢,這樣就不能及時地克服干擾的影響,因而系統(tǒng)的控制質(zhì)量會變差。

但調(diào)節(jié)通道的時間常數(shù)也不是越小越好。時間常數(shù)太小,系統(tǒng)的工作頻率過高,系統(tǒng)將變得過于靈敏,反而會影響控制系統(tǒng)的控制品質(zhì),使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降(如圖1.5-7所示)。大多數(shù)流量控制系統(tǒng)的流量記錄曲線波動都比較厲害,就是因為流量對象的時間常數(shù)較小所致。圖1.5-7調(diào)節(jié)通道時間常數(shù)變化對控制質(zhì)量的影響

3.調(diào)節(jié)通道純滯后τ0的影響

調(diào)節(jié)通道純滯后對控制質(zhì)量的影響可用圖1.5-8加以說明

圖中的曲線C是沒有控制作用時系統(tǒng)在干擾作用下的反應(yīng)曲線。如果τ0為變送器的靈敏度,那么,當(dāng)調(diào)節(jié)通道沒有純滯后時,調(diào)節(jié)作用從t1時刻開始就對干擾起抑制作用,控制曲線為D。當(dāng)調(diào)節(jié)通道存在有純滯后τ0時,調(diào)節(jié)作用從t1+τ0時刻才開始對干擾起抑制作用,而在此之前,系統(tǒng)由于得不到及時控制,因而被控變量只能任由干擾作用影響而不斷上升(或下降),其控制曲線為E。顯然,與調(diào)節(jié)通道沒有純滯后的情況相比,此時的動態(tài)偏差將增大,系統(tǒng)的質(zhì)量將變差。圖1.5-8純滯后影響控制質(zhì)量示意圖同時,因為純滯后的存在,使得控制器不能及時獲得控制作用效果的反饋信息,因而控制器不能根據(jù)反饋信息來調(diào)整自己的輸出,當(dāng)需要增加控制作用時,會使控制作用增加得太

多,而一旦需要減少控制作用時,又會使控制作用減少得太多,控制器出現(xiàn)失控現(xiàn)象,從而導(dǎo)致系統(tǒng)的振蕩,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。因此控制系統(tǒng)純滯后的存在會大大惡化系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量,甚至出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。因此,工程實踐中應(yīng)當(dāng)盡量避免調(diào)節(jié)通道出現(xiàn)純滯后。圖1.5-9所示為調(diào)節(jié)通道純滯后增加時對控制質(zhì)量影響的變化。

表1.5-2總結(jié)了調(diào)節(jié)通道特性對控制質(zhì)量的影響。圖1.5-9調(diào)節(jié)通道純滯后對控制質(zhì)量的影響表1.5-2調(diào)節(jié)通道特性對控制質(zhì)量的影響

1.6檢測變送環(huán)節(jié)

1.6.1檢測變送環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)

檢測變送環(huán)節(jié)的任務(wù)是對被控變量或其它有關(guān)參數(shù)進(jìn)行正確測量,并將其轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一信號。檢測變送環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可表示為

(1.6-1)

一般測量變送環(huán)節(jié)的τm→0,Tm較小,為簡化分析,有時也假設(shè)Tm→0,這樣當(dāng)km=1時,可將控制系統(tǒng)看成單位反饋系統(tǒng)(控制理論中經(jīng)常這樣描述)。

檢測變送在過程控制系統(tǒng)分析中需要注意以下兩方面的問題。

1.測量變送環(huán)節(jié)的km

(1.6-2)

因為變送器采用模擬單元組合儀表,輸出范圍為定值(如4~20mA),所以km與測量范圍成反比,km越大,測量范圍越小,測量精度越高。2.變送器的輸出值與測量值的關(guān)系

線性變送時,

(1.6-3)

其中：Po為變送器輸出值;Pomax為變送器輸出最大值;

Pomin為變送器輸出最小值。非線性變送(差壓法測流量)時,

(1.6-4)

例如,壓力變送器測量的范圍是0~100kPa,當(dāng)壓力測量值為40kPa時,對應(yīng)的變送器輸出為1.6.2測量誤差及對測量信號的處理

1.測量誤差

檢測變送環(huán)節(jié)主要存在以下三種誤差：

(1)儀表本身誤差。增大km可減小測量誤差,但調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性將受到影響,應(yīng)與kc相結(jié)合來調(diào)節(jié)。

(2)安裝不當(dāng)引入的誤差。如流量測量中,孔板裝反、直管道不夠、差壓計引壓管線有氣泡等安裝問題，都會引入測量誤差。

(3)測量的動態(tài)誤差。如對于溫度測溫元件,應(yīng)盡量減小Tm、km,進(jìn)行成分分析時,應(yīng)盡量減小τm。

2.測量信號的處理

對測量信號需進(jìn)行以下三方面的處理:

(1)對呈同周期性的脈動信號進(jìn)行低通濾波。

(2)對測量噪聲進(jìn)行濾波。

(3)線性化處理。

1.7執(zhí)行器環(huán)節(jié)

1.7.1執(zhí)行器概述

執(zhí)行器是過程計算機控制系統(tǒng)中的一個重要組成部分。它的作用是接收控制器送來的控制信號,改變被控介質(zhì)的流量,從而將被控變量維持在所要求的數(shù)值上或一定的范圍內(nèi)。

執(zhí)行器的動作是由控制器的輸出信號通過各種執(zhí)行機構(gòu)來實現(xiàn)的。執(zhí)行器由執(zhí)行機構(gòu)與調(diào)節(jié)機構(gòu)組成,在用電信號作為控制信號的控制系統(tǒng)中,目前廣泛應(yīng)用三種控制方式,如圖1.7-1所示。圖1.7-1執(zhí)行器的構(gòu)成及控制形式執(zhí)行器有各種不同的分類方法,常見的有下面幾種:

(1)按動力能源分類:分為氣動執(zhí)行器、電動執(zhí)行器、液動執(zhí)行器。氣動執(zhí)行器利用壓縮空氣作為能源,其特點是結(jié)構(gòu)簡單,動作可靠、平穩(wěn),輸出推力較大,維修方便,防火防爆,而且價格較低;它可以方便地與氣動儀表配套使用,即使是采用電動儀表或計算機控制,只要經(jīng)過電/氣轉(zhuǎn)換器或電/氣閥門定位器,將電信號轉(zhuǎn)換為0.02~0.1MPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號,仍然可用氣動執(zhí)行器。

(2)按動作極性分類:分為正作用執(zhí)行器和反作用執(zhí)行器。

(3)按動作行程分類:分為角行程執(zhí)行器和直行程執(zhí)行器。

(4)按動作特性分類:分為比例式執(zhí)行器和積分式執(zhí)行器。

在自控系統(tǒng)中,為使執(zhí)行機構(gòu)的輸出滿足一定的精度要求,在控制原理上常采用負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng),將執(zhí)行機構(gòu)的位置輸出作為反饋信號,和電動控制器的輸出信號作比較,將其差值放大,用于驅(qū)動和控制執(zhí)行機構(gòu)的動作,使執(zhí)行機構(gòu)向消除差值的方向運動,最終達(dá)到執(zhí)行機構(gòu)的位置輸出和電動控制器的輸出信號成線性關(guān)系。在應(yīng)用氣動執(zhí)行機構(gòu)的場合,采用電/氣轉(zhuǎn)換器和氣動執(zhí)行機構(gòu)配套時,由于是開環(huán)控制系統(tǒng),因此只能用于控制精度要求不高的場合。當(dāng)需要較高精度時,一般都采用電/氣閥門定位器和氣動執(zhí)行機構(gòu)相配套的方式,執(zhí)行機構(gòu)的輸出位移通過凸輪杠桿反饋到閥門定位器內(nèi),利用負(fù)反饋的工作原理,大大提高氣動控制閥的位置精度。因此,目前在自控系統(tǒng)中應(yīng)用的氣動控制閥大多數(shù)都與閥門定位器配套使用。智能電動執(zhí)行器將伺服放大器與操作器轉(zhuǎn)換成數(shù)字電路,而智能執(zhí)行器則將所有的環(huán)節(jié)集成,信號通過現(xiàn)場總線由變送器或操作站發(fā)出,可以取代控制器。

由于石油、化工等過程工業(yè)中存在安全問題,因而大量使用的是氣動執(zhí)行器。下面主要介紹氣動執(zhí)行器的特性及應(yīng)用。1.7.2氣動執(zhí)行器

氣動執(zhí)行器又稱為氣動控制閥,由氣動執(zhí)行機構(gòu)和控制閥(控制機構(gòu))組成,如圖1.7-2所示。執(zhí)行器上有標(biāo)尺,用以指示執(zhí)行器的動作行程。圖1.7-2氣動執(zhí)行器

1.氣動執(zhí)行機構(gòu)

常見的氣動執(zhí)行機構(gòu)有薄膜式和活塞式兩大類。其中,薄膜式執(zhí)行機構(gòu)最為常用,它可以用做一般控制閥的推動裝置,組成氣動薄膜式執(zhí)行器。氣動薄膜式執(zhí)行機構(gòu)的信號壓力p作用于膜片,使其變形,帶動膜片上的推桿移動,使閥芯產(chǎn)生位移,從而改變閥的開度。它結(jié)構(gòu)簡單,價格便宜,維修方便,應(yīng)用廣泛。氣動活塞執(zhí)行機構(gòu)使活塞在氣缸中移動,產(chǎn)生推力。顯然,活塞式的輸出力度遠(yuǎn)大于薄膜式,因此,薄膜式適用于輸出力較小、精度較高的場合,活塞式適用于輸出力較大的場合,如大口徑、高壓降控制或蝶閥的推動裝置。除了薄膜式和活塞式之外,還有一種長行程執(zhí)行機構(gòu),它的行程長、轉(zhuǎn)矩大,適于輸出角位移和大力矩的場合。氣動執(zhí)行機構(gòu)接收的信號標(biāo)準(zhǔn)為0.02~0.1MPa。

氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)輸出的位移L與信號壓力p的關(guān)系為

(1.7-1)式中,A為波紋膜片的有效面積,K為彈簧的剛度。推桿受壓移動,使彈簧受壓,當(dāng)彈簧的反作用力與推桿的作用力相等時,輸出的位移L與信號壓力p成正比。執(zhí)行機構(gòu)的輸出(即推桿輸出的位移)也稱行程。氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)的行程規(guī)格有10mm、16mm、25mm、60mm、100mm等。氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)的輸入、輸出特性是非線性的,且存在正反行程的變差。實際應(yīng)用中常用上閥門定位器,可減小一部分誤差。氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)有正作用和反作用兩種形式。當(dāng)來自控制器或閥門定位器的信號壓力增大時,閥桿向下動作的叫正作用執(zhí)行機構(gòu)(ZMA型),閥桿向上動作的叫反作用執(zhí)行機構(gòu)(ZMB型)。正作用執(zhí)行機構(gòu)的信號壓力通入波紋膜片上方的薄膜氣室,反作用執(zhí)行機構(gòu)的信號壓力通入波紋膜片下方的薄膜氣室。通過更換個別零件,兩者就能互相改裝。

氣動活塞執(zhí)行機構(gòu)的主要部件為氣缸、活塞、推桿,氣缸內(nèi)活塞隨氣缸內(nèi)兩側(cè)壓差的變化而移動。其特性有比例式和兩位式兩種。兩位式根據(jù)輸入活塞兩側(cè)操作壓力的大小,活塞從高壓側(cè)被推向低壓側(cè)。比例式是在兩位式的基礎(chǔ)上加上閥門定位器,使推桿位移和信號壓力成比例關(guān)系。

2.控制機構(gòu)

控制機構(gòu)即控制閥,由閥體、閥座、閥芯、閥桿、上下閥蓋等組成,實際上是一個局部阻力可以改變的節(jié)流元件,閥體通過閥桿上部與執(zhí)行機構(gòu)相連,下部與閥芯相連?？刂崎y直接與被控介質(zhì)接觸,為適應(yīng)各種使用要求,閥芯和閥體的結(jié)構(gòu)、材料各不相同。閥芯在閥體內(nèi)移動,改變了閥芯與閥座之間的流通面積,即改變了閥的阻力系數(shù),被控介質(zhì)的流量也就相應(yīng)地改變,從而達(dá)到控制工藝參數(shù)的目的?？刂崎y的閥芯有直行程閥芯與角行程閥芯兩種。常見的直行程閥芯有:平板形閥芯,具有快開特性,可做兩位控制;柱塞型閥芯,可上下倒裝,以實現(xiàn)正反調(diào)節(jié)作用;窗口形閥芯,有合流型與分流型,適宜作為三通閥;多級閥芯,將幾個閥芯串聯(lián),起逐級降壓作用。角行程閥芯通過閥芯的旋轉(zhuǎn)運動改變其與閥座間的流通面積。常見的角行程閥芯形式有偏心旋轉(zhuǎn)閥芯、蝶形閥芯及球形閥芯。根據(jù)不同的使用要求,控制閥的結(jié)構(gòu)形式很多,如圖1.7-3所示,下面分別進(jìn)行介紹。

(1)直通單座控制閥。這種閥的閥體內(nèi)只有一個閥芯與閥座,其特點是結(jié)構(gòu)簡單,泄露量小,易于保證關(guān)閉,甚至完全切斷。但是在壓差大的時候,流體對閥芯上下作用的推力不平衡,這種不平衡力會影響閥芯的移動。這種閥一般用于小口徑、低壓差的場合。圖1.7-3控制閥的結(jié)構(gòu)形式

(2)直通雙座控制閥。該閥體內(nèi)有兩個閥芯和閥座,是最常用的一種類型。由于流體流過的時候,作用在上、下兩個閥芯上的推力方向相反,而大小幾乎相等,可以互相抵消,因而不平衡力小。但是由于加工的限制,上下兩個閥芯閥座不易保證同時密閉,因此泄露量較大。根據(jù)閥芯與閥座的相對位置,這種閥可分為正作用式與反作用式(或稱正裝與反裝)兩種形式。如果閥體直立,則當(dāng)閥桿下移時,閥芯與閥座間的流通面積減小,稱為正作用式。如果閥芯倒裝,則當(dāng)閥桿下移時,閥芯與閥座間的流通面積增大,稱為反作用式。

(3)隔膜控制閥。它采用耐腐蝕襯里的閥體和隔膜。隔膜閥結(jié)構(gòu)簡單,流阻小,流通能力比同口徑的其它種類的閥要強。由于介質(zhì)用隔膜與外界隔離,故無填料,介質(zhì)也不會泄露。這種閥耐腐蝕性強,適用于強酸、強堿等腐蝕性介質(zhì)的控制,也能用于高粘度及懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。

(4)三通控制閥。三通閥共有三個出入口與工藝管道連接。其流通方式有合流(兩種介質(zhì)混合成一路)和分流(一種介質(zhì)分成兩路)兩種。這種閥可以用來代替兩個直通閥,適用于配比控制與旁路控制。

(5)角形控制閥。角形閥的兩個接管成直角形,一般為底進(jìn)側(cè)出。這種閥的流路簡單,阻力較小,適用于現(xiàn)場管道要求直角連接,介質(zhì)為高粘度、高壓差,且含有少量懸浮物和固體顆粒的場合。

(6)套筒式控制閥。套筒式控制閥又名籠式閥,它的閥體與一般的直通單座閥相似?；\式閥內(nèi)有一個圓柱形套筒(籠子),套筒壁上有幾個不同形狀的孔(窗口),利用套筒導(dǎo)向,閥芯在套筒內(nèi)上下移動,由于這種移動改變了籠子的節(jié)流孔面積,因此就形成了各種特性,并實現(xiàn)流量的控制?；\式閥的可調(diào)比大,振動小,不平衡力小,結(jié)構(gòu)簡單,套筒互換性好,更換不同的套筒(窗口形狀不同)即可得到不同的流量特性,閥內(nèi)部件所受的氣蝕小,噪音小,是一種性能優(yōu)良的閥,特別適用于要求低噪音及壓差較大的場合,但不適用于高溫、高粘度及含有固體顆粒的液體。

(7)蝶閥。蝶閥又名翻板閥。它具有結(jié)構(gòu)簡單,重量輕,價格便宜,流阻極小的優(yōu)點,但泄露量大,適用于大口徑、大流量、低壓差的場合,也可用于含少量纖維或懸浮顆粒的介質(zhì)的控制。

(8)球閥。球閥的閥芯和閥體都呈球形,轉(zhuǎn)動閥芯使其與閥體處于不同的相對位置時,就具有不同的流通面積,從而達(dá)到流量