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<!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.0 Transitional//EN">
<!-- saved from url=(0063)http://www.imeter.com.cn/science/science/science_tech_right.htm --><HTML><HEAD><TITLE>科技发展</TITLE>
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<BODY bgColor=#f0f0f0>
<H1><FONT color=#000099 size=2>一、概述<A name=head></A></FONT></H1><FONT
size=2> </FONT><SPAN class=p9><SPAN class=p9><SPAN class=p9><SPAN
class=p9>创办这个栏目的意义，有以下三点，第3点是主要的。</SPAN></SPAN></SPAN></SPAN>
<BLOCKQUOTE><SPAN class=p9><SPAN class=p9><SPAN class=p9><SPAN class=p9>1、
帮助与自控专业密切相关的如工艺专业人员的自控基础知识，使其在工作中能更好理解和掌握操作。<BR>2、
从专业技术发展历史出发，进一步提高、巩固年轻自控人员的基础知识和新型控制系统；<BR>3、
通过对搜集到的一些设计、施工、调试的错误范例进行理论分析，从而提高自控设计人员的设计水平。</SPAN></SPAN></SPAN></SPAN></BLOCKQUOTE><SPAN
class=p9><SPAN class=p9><SPAN class=p9><SPAN
class=p9> 自从工业大规模生产以后，就伴随着产生检测和控制技术的发展，因为人们不能凭视觉和触觉去感受大生产过程中的操作参数的变化，所以必须有相应的检测工具和控制技术。今天，人们对复杂机器和高新技术设备的操作培训采用仿真技术，可充分说明这点。<BR> 在自动化发展的初级阶段，为保证工艺生产操作正常运行，采用一些简易的机械原理和物理效应制成的仪表来获取正确的信息，如用水银受热膨胀原理和热电效应的热电偶、毫伏计来测量温度，利用柏努里原理开发出孔板节流装置来测量流量，用波登管弹簧原理来测量压力等。通过这些，检测到工艺参数值，工艺操作人员依据这些信息，才能对生产进行控制。</SPAN></SPAN><FONT
size=2> </FONT></SPAN></SPAN>
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=5 width="100%" border=0>
<TBODY>
<TR>
<TD>
<DIV align=center></DIV></TD>
<TD width="40%">
<DIV align=center><IMG height=150 src="part0.files/fig_1.jpg"
width=290></DIV></TD>
<TD width="34%">
<DIV align=center><IMG height=150 src="part0.files/fig_2.jpg"
width=290></DIV></TD></TR>
<TR>
<TD width="15%"> </TD>
<TD width="40%">
<DIV align=center>图１</DIV></TD>
<TD width="34%">
<DIV align=center>图２</DIV></TD></TR></TBODY></TABLE>
<P><FONT size=2> <SPAN
class=p9> 图1是用泵打送物料的例子。泵的出口管道上安装一块孔板，可检测出差压，然后用显示仪表将差压转换为流量值进行显示。工人观察显示仪上的指示值去操作阀门开启度，以保证泵打出的物料流量一定。这是最原始的用人工控制的类型。工人不需要知道仪表的结构，只要知道怎样可以正确地得到读数和在哪些条件下可保证这些信息可靠就可以了。
<BR>
如果要测量加热炉内的温度，炉是用重油燃烧加热的，温度是用热电偶来检测和用毫伏计（或用电位差计）来显示的话，那末为了获得正确的温度读数，仪表的外特性和环境因素的变化，如导线电阻及接触电阻的变化、周围环境温度波动对冷端温度的影响、热电偶的安装位置和不同类型电偶与显示仪表的配合等都会对读数有较大的影响。工人要获得正确的读数就要有更多的检测温度方面的知识。
<BR> 如果把图1用人工的观察、判断、调整的方法改为一个控制器来代替人工的话，如图2所示，即用控制器FC自动根据变送器测得的流量值与预先的设定值之间的偏差进行判断并自动去执行调节阀门的开启。这样的方式就称为自动流量控制系统。这个系统是由敏感元件孔板、变送器、控制器、调节阀组成的。有时人们为了分析方便起见，将控制器以外的各单元组合在一起，如图3所示的虚线框称为广义对象，即把整个系统分为控制器和广义对象两部分构成。
</SPAN></FONT></P>
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=5 width="100%" align=center border=0>
<TBODY>
<TR>
<TD width="26%">
<DIV align=center></DIV></TD>
<TD width="40%">
<DIV align=center><IMG height=189 src="part0.files/fig_3.jpg"
width=412></DIV></TD>
<TD width="34%">
<DIV align=center></DIV></TD></TR>
<TR>
<TD width="26%">
<DIV align=center></DIV></TD>
<TD width="40%">
<DIV align=center>图３</DIV></TD>
<TD width="34%">
<DIV align=center></DIV></TD></TR></TBODY></TABLE>
<P><FONT size=2> <SPAN
class=p9>从图3可见，每个单元的因果关系是很明确的，输入箭头表示引起变化的原因，输出箭头表示变化的结果。如设定值C与测量值Y的偏差e引起控制器输出u的变化，u的变化引起调节阀开启度的变化，从而引起操纵变量q的变化，过程对象受到操纵变量q和外扰d的作用，影响到被控变量的变化，被控变量m作用于孔板敏感元件和变送器，从而影响到测量值y。<BR> 这里需要对上例提到的术语进行一些解析。</SPAN></FONT></P>
<BLOCKQUOTE>
<P><SPAN class=p9>1）
信号—输入变量或输出变量，在系统分析中都作为信号。信号的定义为，它是载有由参数表示的变量信息的物理变量。信号是有方向的，方框图上用箭号表示。在图3方框图上可看出信号流是构成闭环回路的。这个系统构成和绝大多数控制系统一样是按偏差来进行控制的，而信号是按方向来定义输入变量和输出变量的。<BR>2）
变送器—它和传感器一词的区别，可以这样说，变送器是隶属于传感器的一类仪表。传感器对参数转换后的输出信号的规格不作规定，而变送器的输出必须是标准信号（即1-5V
DC，4-20mA DC、0.02-0.1Mpa）。所以要采取标准信号的原因很简单，它可使显示仪和控制器都可标准化，统一规格。<BR>3）
反馈—在闭环的按偏差进行控制的系统中，把输出变量返回到比较元件即反向传输的称为反馈。反馈可分为正反馈和负反馈。凡是把正向信号返回到比较元件并与输入信号相减的称为负反馈，如与输入信号相加的，结果将偏差进一步放大，称为正反馈。</SPAN></P></BLOCKQUOTE>
<P><SPAN
class=p9> 我们控制的要求是希望测量值接近设定值，使偏差值趋向于零，因此负反馈是有利于系统的稳定。它对控制系统起着重要的作用，没有负反馈也就不会有按偏差进行控制系统的存在。负反馈在仪表设计中也有重要的应用。如可调整放大器的增益，在电阻电容组成的反馈环节中产生比例、积分和微分作用等。<A
name=2></A></SPAN></P>
<H1><FONT color=#000099 size=2>二、简单控制系统</FONT></H1>
<P><FONT size=2> </FONT><SPAN
class=p9>简单控制系统有时也称为单输入单输出系统（SISO），是生产过程最常见，最普遍的控制系统。<BR> 所谓控制一般是指有目的的一种行为，通过该行为的执行可使过程达到正常或优化的状况。系统在专业标准中的定义为“为实现规定功能以达到某一目标而构成的相互关联的一组单元”。<BR> 一个简单的控制系统如图3所示，当过程受到外扰引起的偏差，经过动态过程，使被控变量恢复为设定值，这就是控制作用的目的。一般在开始进行设计时，首先应分析过程中各个变量的性质和其相互关系，分析被控对象的特性，然后根据工艺的要求，合理的选择被控变量、操纵变量，使选择的测量变送单元、控制器和调节阀等组成一个合适的控制系统。若生产过程中有多个控制系统，还要考虑它们之间的相互关联和相互影响。现择要分别予以介绍。
</SPAN></P>
<P><FONT size=2><I>1、 对象特性</I><A name=2.1></A><BR><BR> </FONT><SPAN
class=p9> 对象特性通常指静态特性和动态特性两部分，静态特性（或称稳态性）是指过程或对象建立平稳的状态，也就是说在稳态下输出变量与输入变量的关系。
<BR> 对一个化学工厂工艺对象来说，稳态状况往往是由物料平衡、能量平衡、传热、传质以及化学反应速度等因素来决定。如果某个时候一个因素变化，平衡就会破坏，所以系统特性是具有时变性质的，静态特性也会随着时间而变化的。对自控设计人员来说，除了关心对象的稳态情况以外，还要关心对象的变化过程，因为生产过程总是会经常有一些量以一定幅度在波动，使控制系统处于动态过程中。所谓动态特性就是研究从一个稳态过渡到另一个稳态变化过程，但是这需要一段时间。
<BR> 根据经验，除无自衡的对象，参数对象均可用一阶、二阶、一阶加纯滞后和二阶加纯滞后的动态特性来近似描述。为叙述简便，把对象简化为一阶加纯滞后的形式，它的传递函数可表示为：
</SPAN></P>
<P align=center><IMG height=137 src="part0.files/fig_4a.jpg" width=300><FONT
size=2> </FONT></P>
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="100%" border=0>
<TBODY>
<TR>
<TD width="50%">
<DIV align=center><IMG height=295 src="part0.files/fig_4.jpg"
width=276></DIV></TD>
<TD colSpan=2 rowSpan=2>
<P
class=p9> 如图4所示，这是一理想的一阶加纯滞后的对象。当输入端加一个阶跃干扰时，输出端要经过一段时间才开始发生变化。这段时间为对象的纯滞后时间<FONT
face=Symbol>t</FONT>。时间常数的物理意义是当输入为阶跃干扰时，在对象的输出响应曲线上，从输出量开始变化的起点作一切线，使该切线与稳定值相交，从输出量开始变化的时刻起，至交点A所对应的时刻止，这段时间为时间常数T的值。
<BR> 从上图我们可以分析一下，对象的纯滞后时间会使控制器不能立刻改变输出，校正作用变缓慢。因此，对调节通道来说，对象的纯滞后时间愈小愈有利。而对干扰通道来说，存在纯滞后即相当于干扰的影响要过一段时间才会起作用，所以容量滞后的存在，相当于滤波一样，它会使控制作用和干扰作用的影响都会和缓起来。很显然，在干扰通道存在容量滞后是有利于控制的。
<BR> 同理，如时间常数越大，会影响控制作用变缓慢；反之若时间常数很小，控制过程会变化很激烈，容易振荡，因此对调节通道，时间常数过大过小，对控制都不利。而对干扰通道来说，则时间常数越大越好。它会使干扰影响变缓慢，使控制容易。
</P></TD></TR>
<TR>
<TD width="50%">
<DIV align=center><FONT size=2>图4</FONT></DIV></TD></TR></TBODY></TABLE>
<P><I><SPAN class=p9>2、 过渡过程品质指标</SPAN></I><SPAN class=p9><A name=2.2></A><BR>
在叙述控制品质指标时，先要谈一下有两类不同的控制。第一类是定值控制，是目前工业过程经常遇到的，它是要保持设定值固定不变，控制的要求是克服扰动的影响，使被控变量保持在预定数值上。第二类是随动控制，它的设定值是随时间变化的，控制的要求是使被控变量随着设定值而跟踪变化。
<BR></SPAN></P>
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="100%" border=0>
<TBODY>
<TR>
<TD width="26%"> </TD>
<TD width="40%"><IMG height=281 src="part0.files/fig_5.jpg" width=370></TD>
<TD width="34%"> </TD></TR>
<TR>
<TD width="26%"> </TD>
<TD width="40%">
<DIV align=center>图５</DIV></TD>
<TD width="34%"> </TD></TR></TBODY></TABLE>
<P><SPAN
class=p9> 示于图5的为定值控制系统和随动控制系统的典型曲线，用过渡过程的品质指标来衡量控制系统的好坏时，一般用下列单项指标。</SPAN></P>
<BLOCKQUOTE>
<P><SPAN class=p9>1） 余差 <BR> 当过渡过程结束时，被控变量与设定值之差称为残余偏差，简称余差。在图5中用 <FONT
face=Symbol>d</FONT> 表示，余差是一项稳态指标。余差一般应满足工艺要求允许范围内，也就是要控制在一定范围内。<BR><BR>2） 衰减比
<BR> 它是表征系统受到干扰后被控变量衰减程序，即过渡过程前个周期的振荡幅值与后个周期的同向振幅值之比，即图5中A1/A2，称为衰减比。衰减比是一个衡量振荡情况，也是衡量稳定程度的动态指标。
<BR> 当衰减比无穷大时，系统不起振荡，称为非周期过程。衰减比大于1时，振荡是逐渐减弱的；衰减比等于1时为等幅振荡，衰减比小于1时，振荡发散。<BR> 对定值系统，衰减比宜取4:1。衰减比过大，太迟缓；衰减比过小则稳定性不够。对随动系统则情况不同，在衰减比为4:1时，第一波峰过高，超调量大，以取衰减比为10：1或更大为宜。<BR><BR>3）
最大偏差 <BR> 在定值控制系统，动态最大偏差发生在第一波峰处，即图5中A1+<FONT face=Symbol>d</FONT>
，这是衡量动态品质的一个指标。对随动系统，因为设定值起了变化，用最大偏差作为指标缺乏意义。<BR><BR>4） 超调量
<BR> 是衡量随动系统被控变量的最大偏移指标，它是第一个波峰的幅值与变量终值之比，即A1/B，超调量与衰减比有着对应的关系。<BR><BR>5）
周期T和频率<FONT
face=Symbol>w</FONT>，<BR> 它们是衡量波动快慢的指标，周期过长，频率会过低，完成过渡过程时间就很长。周期与频率的转换关系为
T=2π/<FONT face=Symbol>w</FONT></SPAN></P>
<P><SPAN class=p9><IMG height=15 src="part0.files/tp.jpg"
width=15>为稳定时间，它与衰减比和频率关系是衰减比越大，频率越高，则稳定时间越短。</SPAN></P></BLOCKQUOTE>
<P><FONT size=2><I>3．被控变量和操纵变量的选择<A name=2.3></A></I></FONT></P>
<P><SPAN
class=p9> 在确定控制方案时，被控变量和操纵变量的选择至关重要。合理选择被控变量对过程控制起着很重要的作用。因为在生产过程中，影响生产工艺的变量有很多，但并非所有变量都要加以控制。以化工生产过程控制为例，通常有物料平衡控制、能量平衡控制、成品质量控制和为实现安全生产必须的连锁及软限保护控制等。所以自控设计人员在研究流程控制方案时，必须深入了解工艺过程，找出对稳定生产的内在机理关系。但有时也没有什么选择余地。例如，要保持系统物料平衡，需控制某一容器的液位，那么，被控变量是液位已无异议，操纵变量则可选进料量或出料量，根据具体情况决定。但不少情况需精心来考虑，原则上被控变量应找出能及时反映工艺状态的控制目标；操纵变量应对被控变量有合理的稳态和动态响应，而且工艺上也可操作的。<BR> 我们不妨以化工固定催化反应器为例。反应器的控制目标是进入物料,在催化反应后其转化为成品的转化率为最高。被控变量可以选择几种方案：第一可选用反应器出口的物料成分分析仪，把成品含量作为被控变量，可直接反映控制目标，但是检测手段会受到一定限制，许多成份分析仪时间滞后很大不利于控制，而且有些成份还没有工艺流程上使用的仪表。第二可用催化床层某点反应温度作为被控变量，这是最常用的一种方案，因为温度易于测量，符合工艺操作人员习惯用法。但是当床层很深，哪点温度最有代表性就值得探讨，因为催化剂活性随着时间推移是会变化的，开始使用时温度较低，以后会逐渐变高的。在某些特定的反应器也有第三第四种可供选择。</SPAN></P>
<P><SPAN
class=p9> 至于操纵变量，则要选它对被控变量起较大影响且能控制的量。以上述催化反应器为例，对转化率有影响的变量有：进料温度、进料流量、进料成分和加热媒体（或除热介质值）等来综合分析后决定。
<BR><BR><FONT size=2><I>4．控制器及其特性 <BR></I></FONT><SPAN class=p9><SPAN
class=p9><SPAN
class=p9> <BR> 设计一个合理的控制系统，除要研究和熟悉对象的特性外，正确选择控制器和把其控制参数整定好都起到重要作用。图3所示的简单控制系统，广义对象中所包括的单元，选型决定以后，其特性不可能有太大的变化，因此，控制系统中相对有较大变化空间环节只有控制器。<BR> 控制器通常有：位置式、比例式、比例加积分式、比例积分微分式，分述如下：<BR> 1）位置式控制器
<BR> 位置式控制器一般有上下两个限位，如控制器检测值超过上限位，其输出值上限就会迫使继电器去执行某一动作。例如加热器的温度位式控制器，当温度达到某一规定上限值时，内置继电器触点断开，切断加热电源；当温度达到规定下限时，触点自动闭合，接通电源，继续加热。<BR>图６所示为位置式控制器的理想特性和过渡过程。</SPAN></SPAN></SPAN></SPAN></P>
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="90%" align=center border=0>
<TBODY>
<TR>
<TD width="50%">
<DIV align=center><IMG height=99 src="part0.files/black1.gif"
width=163></DIV></TD>
<TD width="50%" rowSpan=2>
<TABLE height=190 cellSpacing=0 cellPadding=0 width=180 border=0>
<TBODY>
<TR>
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