5.3.1控制回路和动态特性 章节5.3第5章 基础控制理论蒸汽和冷凝水系统手册4275.3.2控制回路和动态特性 章节5.3第5章 基础控制理论蒸汽和冷凝水系统手册控制回路和动态特性本章包括了整个控制系统，包括阀门、执行器、感应器、控制器和制程本身的动态特性。控制回路开环控制系统系统由一个比例控制器、安装在室外的温度感应器组成，感应器测量外界环境温度。控制器设定热损失，因此希望能够控制房间的温度。尽管如此，房间温度和其它因素引起的加热并没有反馈到控制系统。在温暖的天气，尽管水量得以控制，但是其它因素如太阳的照射会使房间温度过热。也就是说，开环控制仅仅提供了一个粗略的控制。图5.3.2是一个略为复杂的带有两个感应器的控制系统。二通阀水泵室外感应器房间汽/水换热器图5.3.1 开环控制蒸汽冷凝水平衡阀控制器水散热体简单地说，开环控制系统是指没有来自被控条件的直接反馈；换句话说，没有信号从被控制程或系统反馈回来，给出控制器正确输出信号的建议。在图5.3.1所示的加热系统就是一个开环控制系统，温度感应器安装在被加热的房间外。此图中的系统不是一个好的加热控制系统，它仅仅用来解释开环控制的原理。了一个相当大的比例带，在-1时阀门全开，在19是阀门全关。由于外界环境温度会影响到房间的散系统使用了一个三通控制阀和执行器、控制器和室外温度感应器、还有一个水路的温度感应器。室外温度感应器为控制器提供一个远程设定点的输入，用于改变水温的设定点。这样，闭环控制将应用于控制流入散热器的水温。图5.3.2 带室外温度感应器和水温感应器的开环控制系统三通阀水泵室外感应器汽/水换热器流体感 应器蒸汽冷凝水平衡阀水散热体房间428控制器5.3.3控制回路和动态特性 章节5.3第5章 基础控制理论蒸汽和冷凝水系统手册当室外变冷时，流过散热器的水流温度最大。当室外温度上升时，控制器自动减小通过散热器的水流的温度。但是，因为没有从房间或被加热空间来的信息反馈，房间温度的控制仍然是一个开环控制。如果散热器选型过大或出现设计错误时，仍然会出现过热。闭环控制系统图5.3.3 带房间温度感应器的闭环控制系统带室内温度 感应器的房间汽/水换热器蒸汽冷凝水 水泵平衡阀水散热体相当简单，一个闭环控制系统需要反馈；反馈信息直接来自制程或系统。以图5.3.3中的简单加热系统为例，增加了室内温度感应器感应房间的温度，向房间提供闭环控制。图5.3.3中，室内温度感应器提供房间实际温度的反馈，来控制阀门和执行器的动作。扰动扰动是指进入制程或系统中扰乱被控介质值的各种因素。这些扰动可以由负载的改变或外界影响而引起。例如：在一个简单的加热系统中，房间内突然挤满了人，由于这会影响到房间的温度和维持房间温度所需要加入的热量，这就构成了一个扰动。反馈控制这是另一种类型的闭环控制。反馈控制将扰动因素考虑在内，并将这些信息反馈给控制器，使控制器输出正确的动作。例如，如果一个房间内突然进入很多人，房间温度会升高，这样控制系统就会减小加入房间的热量。前馈控制在前馈控制中，任何扰动都可以被预测到，并在其实际结果发生前就被考虑到。前馈控制的一个例子就是在一个用汽量高的加工设备上线之前就将锅炉调到高火状态，然后这个加工设备再打开。这个作用是将锅炉控制在高火状态，而不是将蒸汽阀门打开。而只有当锅炉处于高火状态时，阀门才会打开，接下来则是慢开的控制过程。单回路控制 这是一种最简单的控制回路，只有一个被控变量，如温度。以下例5.3.4中的汽水换热器为例来解释。429控制器5.3.4控制回路和动态特性 章节5.3第5章 基础控制理论蒸汽和冷凝水系统手册控制器将来自感应器的信号和控制器的设定值比较。如果有偏差的话，控制器输出信号使阀门动作，使阀门移动到一个新的位置。控制器可能也会有一个输出指示，用来显示阀门的开度。单回路控制大量应用于加热系统和工业制程控制中。用于单回路控制系统的其它术语包括：设定值控制单回路闭环控制反馈控制多回路控制以缓慢移动的木材产品加工的应用为例，其工艺需要将湿度控制在特定值。(见图5.3.5和5.3.6)图5.3.5 单湿度感应传送带 运动方向炉膛水湿度 感应器喷淋燃烧 气体图5.3.4 加热器的单回路控制热水冷水冷凝水蒸汽二通控制阀冷凝水主感应器图5.3.4中控制的唯一变量是换热器的出口水温。通过控制换热器蒸汽进口的控制阀可以达到控制水温的目的。水温感应器是一个热电偶或PT100的铂电阻温度计。430控制器5.3.5控制回路和动态特性 章节5.3第5章 基础控制理论蒸汽和冷凝水系统手册串级控制当两个单独的变量需要用一个阀门来进行控制时，就需要使用串级控制。夹套锅中的产品必须被加热到一定的温度蒸汽不能超过一定的温度，否则就会产生废品产品的温度的上升速度不能超过一定的值，否则会产生废品如果用一个常用的单回路控制系统来控制，感应器置于液体中，在启动时感应器测到一个低温，控制器会发出信号使阀门开到全开的位置。这样会使夹套中的蒸汽温度超高。装在喷水之后。这个湿度感应器为控制器提供一个远程的设定点输入，用来改变本地设定值。本地设定点设定在加热炉后所需要的湿度值。以上是多回路控制的简单实例。这个湿度控制系统由两个控制回路组成：控制回路1控制加水控制回路2控制脱水在这个制程中，一些因素会同时对两个回路产生影响，如水压。控制回路1会尽量去修正，但是任何结果的偏差会对控制回路2产生影响。图5.3.6 双湿度感应传送带 运动方向炉膛水湿度 感应器回路1 (控制加入的水量)回路2 (控制除去 的水量)湿度 感应器 喷淋燃烧 气体图5.3.7 夹套锅感应器1感应器2控制器1控制器2蒸汽冷凝水产品为改善控制，可以在另一个控制回路上安装第二湿度感应器，如图5.3.6中所示，这个感应器可以安在图5.3.5中，加热炉所提供的热量是由位于传送带末端的一个湿度感应器来控制的。但是如果由于进水压力的波动引起喷水量的改变，在产品到达传送带的末端湿度感应器起作用前有可能需要10min时间。这样会引起产品的质量不均。图5.3.7所示的是一个充满液体产品的蒸汽夹套锅。制程的要求相当严格：431控制器5.3.6控制回路和动态特性 章节5.3第5章 基础控制理论蒸汽和冷凝水系统手册除了感应器反应的滞后，控制系统的其它部件也会影响反应时间。在气动和自作用控制系统中，阀门/执行器的动作趋势通常比较平稳并且与通过感应器探测的温度偏差成正比。对电动执行器，由于电机需要时间驱动阀门打开，因此存在滞后。由于控制信号是一系列的脉冲度还是比较平稳的。解决方案是使用一个包括两个控制器和两个感应器的串级控制：从控制器(控制器2)和感应器来监测夹套内的蒸汽温度，输出一个信号给控制阀。主控制器(控制器1)和感应器监测产品的温度，控制器的输出直接给从控制器。主控制器的输出用来改变从控制器的设定点，以保证蒸汽温度不会超高。例5.3.1 串级控制应用实例液体温度需要从15加热到80，并在80维持2h。在任何时候，蒸汽温度不能超过120产品的温度上升速度不能超过1/min。主控制器可以进行斜坡设定以防止水温的上升速度超过指标。主控制器设定为反作用模式，因此它对从控制器的输出在低温时为20mA，在高温时为4mA。从控制器的远程设定为当蒸汽温度是80时，向阀门的输出信号为4mA，当蒸汽温度是120时，控制器的输出为20mA。这样，蒸汽的温度不会超过系统所能承受的上限，夹套锅内的蒸汽压力不会高于1 bar g，此时的饱和温度120。过程的动态特性这是一个很复杂的课题，此处仅对一些基本概念作一些介绍。“时间常数”的术语，用来定义执行器运动所需要的时间，已经在5.1节中讲过。需要重申的是，这个时间大致等于在系统的温度或其它变量发生一个阶跃改变时，控制系统达到其全行程改变的2/3所需要的时间。控制系统的其它部分也有类似的时间反应 - 控制器和其组件以及感应器本身。就连信号传送的系统也一个时间滞后 - 对电动/电子系统来说不是问题，但是对气动传送系统来说必须考虑到。图5.3.8和5.3.9所示的是置于保护套中感应水温的热电偶的反应滞后。图5.3.8 阶跃温度改变5图5.3.9 斜坡温度改变5温度温度实际水温水温读数实际水温水温读数图5.3.10 不同执行器的反应比较阀动向自作用和气动电动稳定状态时间信号，电机提供周期性间歇脉冲运动。反应曲线见图5.3.10。但是，由于制程反应的滞后，最后的控制温4325.3.7控制回路和动态特性 章节5.3第5章 基础控制理论蒸汽和冷凝水系统手册本节中所覆盖的控制系统仅考虑了稳定工况，但是被控制程或设备的工况有其特有的动作特性。控制系统需要将制程动作控制在某种可预见的状态下。如果制程改变很快，控制系统也必须很快做出反应。如果制程的改变很慢，对控制系统的反应速度的要求也就不那么严格了。关于控制器和控制系统的静态和动态过程已经讲了很多，如灵敏度、反应时间等等。最重要的是要考虑整个控制回路的时间滞后。因此在选择正确的控制器、感应器和执行器时需要考虑制程的动态特性。过程反应动态特性定义为制程对控制设置突然变化的反应，这种变化称为阶跃变化。这种阶跃变化可能是设定温度的瞬时变化，如图5.3.11所示。系统的滞后引起的，如电动执行器运动至其新位置需要的时间。时间常数因系统的动态反应而不同，影响因素如感应器是否安装保护套。图5.3.11 阶跃输出图5.3.12 对阶跃改变的过程反应设定温度的瞬时改变稳定状态Tc 时间常数t 死区时间时间开时间温度温度不同系统的任何两种制程的反应都会有不同的特性。系统对输入改变的反应的死区时间和时间常数如图5.3.12所示。对输入的改变具有快速初始反应速度的系统称为一阶反应。对输入的改变的初始反应较慢的系统通常是二阶反应。过程反应的基本形式（死区时间、一阶反应、二阶反应的影响）如图5.3.13所示。图5.3.12所示的是系统的反应，可以看到在温度开始上升之前有一定的死区时间。死区时间是由控制4335.3.8控制回路和动态特性 章节5.3第5章 基础控制理论蒸汽和冷凝水系统手册没有死区时间的一阶反应根本上来讲，初始反应速率最大，往后逐渐减小。没有死区时间的二阶反应根本上来讲，最大速率并不是发生在最初时(当阶跃变化发生时)，而是在之后一段时间。死区时间制程反应可能为目前所讨论的任何一种形式，最初没有任何瞬时的动态反应。换句话说，有一段死区时间。根本上来讲，如果时间常数大于死区时间，控制并不难。但是如果死区时间大于时间常数，很难达到令人满意的控制。反应阶跃变化时间带死区时间的 阶跃反应死区时间存在死区时间 的一阶反应存在死区时间 的二阶反应反应阶跃变化制程反应时间图5.3.13 反应过程曲线反应阶跃变化制程反应时间4345.3.9控制回路和动态特性 章节5.3第5章 基础控制理论蒸汽和冷凝水系统手册Questions 1. What factors affect the response of a process to any input change?a| P + I + D b| Time constant and actuator voltage c| Size of valve and actuator d| Time constant and dead time 2. What is meant by the term time constant?a| It is the time for the valve to move from its fully open to fully closed position b| It is the time for the valve to move 63.2% of its full movement due to a sudden change in process load c| It is the time taken for a controller output to change b