邢建偉，白錦川，李麗(酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工學(xué)院，甘肅 酒泉 735000)

0 引言

自動(dòng)控制系統(tǒng)有多種分類(lèi)方法，可以按照被控對(duì)象的輸出變量——被控變量的種類(lèi)分為壓力控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)等，也可按照被控變量是否發(fā)生變化分為定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。生產(chǎn)中為了維持工藝過(guò)程各個(gè)參數(shù)的穩(wěn)定，大多采用定值控制系統(tǒng)。在定值控制系統(tǒng)中，偏差e的大小是衡量控制結(jié)果好壞的重要品質(zhì)指標(biāo)，偏差e越小，表明控制終了時(shí)被控變量的測(cè)量值z(mì)越接近給定值x，兩者的關(guān)系為e=x-z。為了減小偏差e，系統(tǒng)需采用負(fù)反饋，因?yàn)橹挥胸?fù)反饋才能在被控變量y受到干擾的影響而升高時(shí)，使反饋信號(hào)z也升高，經(jīng)過(guò)比較而到控制器去的偏差信號(hào)e將降低[1]。由此看來(lái)，為了降低整個(gè)系統(tǒng)的偏差e，必須采用負(fù)反饋，使系統(tǒng)總的方向?yàn)椤胺醋饔谩?。由此可?jiàn)，組成系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，如圖1所示，如測(cè)量元件及變送器、控制器、執(zhí)行器(控制閥)和被控對(duì)象的正反作用就必須正確判定，否則不僅不能減小偏差值e，反而“推波助瀾”，使偏差值e變大，偏離了控制要求，使系統(tǒng)出現(xiàn)更大的振蕩和波動(dòng)。

圖1 簡(jiǎn)單定制控制系統(tǒng)方塊圖

1 各個(gè)環(huán)節(jié)正反作用的判定

1.1 被控對(duì)象的正反作用

被控對(duì)象的正反作用由輸入變量與輸出變量的關(guān)系決定。其中，輸入變量有兩個(gè)，即執(zhí)行器的輸出變量q和干擾作用f，輸出變量為系統(tǒng)的被控變量y，此處我們只討論控制作用，因此干擾作用f不作考量。其判定方法為：當(dāng)執(zhí)行器(也叫控制閥、調(diào)節(jié)器)的輸出變量q增加時(shí)，被控對(duì)象的輸出變量y也增加的為“正作用(+)”方向，反之為“反作用(-)”方向[2]。例如：當(dāng)水箱有一進(jìn)水管和一出水管時(shí)，其流量分別為Q1和Q2，若將水箱的液位高度h作為被控變量，將進(jìn)水量Q1作為輸入變量時(shí)，若Q1增加，則液位上升，此時(shí)為“正作用(+)”方向；而將出水量Q2作為輸入變量時(shí)，若Q2增加，則液位下降，此時(shí)為“反作用(-)”方向。

1.2 測(cè)量元件及變送器的正反作用

一般來(lái)說(shuō)，測(cè)量元件及變送器的主要功能和作用是將檢測(cè)儀表所測(cè)得的被控變量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電氣信號(hào)然后再進(jìn)行下個(gè)單元的傳送。生產(chǎn)中常用的標(biāo)準(zhǔn)直流電信號(hào)為0～10 mA或4～20 mA，其信號(hào)分別由DDZ-Ⅱ型和DDZ-Ⅲ型變送器轉(zhuǎn)換而來(lái)。在信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，盡管信號(hào)大小與原被測(cè)變量不一定是線性關(guān)系，但其增減性不會(huì)發(fā)生變化，即測(cè)量元件及變送器會(huì)保持“水漲船高”的特性，故而為“正作用(+)”方向。

1.3 執(zhí)行器的正反作用

對(duì)執(zhí)行器而言，當(dāng)控制器輸出信號(hào)p增大時(shí)，控制閥的輸出信號(hào)q隨之增大，則為“正作用(+)”方向，反之為“反作用(-)”方向。我們以氣動(dòng)執(zhí)行器為研究對(duì)象，當(dāng)氣動(dòng)執(zhí)行器為氣開(kāi)式，用符號(hào)“+”表示，氣關(guān)式用符號(hào)“-”表示。氣動(dòng)執(zhí)行器的氣開(kāi)、氣關(guān)型式選擇應(yīng)優(yōu)先考慮之后再確定，其目的在于，當(dāng)執(zhí)行器因能源故障而發(fā)生中斷時(shí)，確保生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)、各個(gè)裝置處于安全狀態(tài)[3]。

如圖2所示的換熱器溫度控制系統(tǒng)，若圖中的執(zhí)行器為氣動(dòng)執(zhí)行器，則在選擇其氣開(kāi)、氣關(guān)型式時(shí)需考慮載熱體如何控制才能保證換熱器的安全。具體分析如下：假定出現(xiàn)意外情況，使氣動(dòng)執(zhí)行器的能源信號(hào)(通常為0.02～0.1 MPa氣壓)中斷，則氣動(dòng)執(zhí)行器不能正常工作，此時(shí)為防止過(guò)多的載熱體進(jìn)入換熱器，導(dǎo)致?lián)Q熱器發(fā)生爆炸，需關(guān)閉載熱體進(jìn)口閥門(mén)——?dú)鈩?dòng)執(zhí)行器，即無(wú)氣壓信號(hào)輸入時(shí)，閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)；反之，有氣壓信號(hào)(即正常工作)時(shí)，閥門(mén)在氣壓信號(hào)作用下打開(kāi)，即為“氣開(kāi)式” “正作用(+)”方向。

1.4 控制器的正反作用

對(duì)控制器而言，當(dāng)被控變量(即變送器送來(lái)的信號(hào))增加后，控制器的輸出也增加，稱(chēng)為“正作用(+)”方向；如果輸出隨著被控變量的增加而減小的，則稱(chēng)為“反作用(-)”方向[1]。結(jié)合本文引言所述，簡(jiǎn)單定制控制系統(tǒng)中均采用負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，其目的在于使系統(tǒng)的控制作用與干擾作用的方向相反，使被控變量y恢復(fù)到給定值x上，因此，由測(cè)量元件變送器、控制器、被控對(duì)象、執(zhí)行器所構(gòu)成的整個(gè)系統(tǒng)在總方向上是“反作用(-)”方向。通過(guò)查閱相關(guān)資料，在一些文獻(xiàn)中枚舉了幾種判別方法[4]，本人結(jié)合多年教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，歸納出針對(duì)簡(jiǎn)單定制系統(tǒng)的“符號(hào)判定法”，使學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)更易理解和掌握，具體方法如下。

首先，根據(jù)工藝圖分析被控對(duì)象、測(cè)量元件變送器、執(zhí)行器的正反作用，然后依據(jù)符號(hào)運(yùn)算法則判定控制器的正反作用，即式(1)所示：

依舊以圖2為例，根據(jù)前面的分析，圖中的執(zhí)行器為氣開(kāi)式，“正作用(+)”方向；被控對(duì)象為換熱器，當(dāng)輸入變量q增加(即載熱體進(jìn)入量增多)，換熱器出口流體溫度會(huì)升高，即為“正作用(+)”方向；而圖中的測(cè)量元件變送器()為“正作用(+)”方向；將以上分析結(jié)果帶入公式(1)，則如公式(2)所示：

由此可推斷出控制器應(yīng)該為“反作用(-)”方向。

2 輸入變量與輸出變量的選擇

值得注意的是，判定工藝中各個(gè)環(huán)節(jié)的正反作用方向的前提是準(zhǔn)確找出對(duì)應(yīng)的輸入變量和輸出變量。對(duì)于簡(jiǎn)單的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其工藝流程單一，各個(gè)變量十分明確，而相對(duì)復(fù)雜的流程圖由于設(shè)備、管道、裝置布局錯(cuò)綜復(fù)雜，如何準(zhǔn)確找出某一環(huán)節(jié)的輸入和輸出變量就存在困難，其原因主要是學(xué)習(xí)者對(duì)被控變量、操縱變量、被控對(duì)象的概念模糊甚至混淆，不能清晰地分辨出具體的變量關(guān)系，特別是面對(duì)DCS界面或工藝流程圖時(shí)無(wú)法將理論知識(shí)與實(shí)際設(shè)備相對(duì)應(yīng)，出現(xiàn)難以判斷的情況。下面，本文將以被控對(duì)象為例，介紹一種巧妙的方法，總結(jié)了快速找出輸入變量和輸出變量的方法。

由圖1可見(jiàn)，被控對(duì)象有兩個(gè)輸入變量(控制作用q、干擾因素f)和一個(gè)輸出變量(被控變量y)，在分析時(shí)，我們主要以控制作用q與被控變量y之間的關(guān)系為主。控制作用q作為輸入變量，其變量的大小由執(zhí)行器(或控制閥)提供，準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，控制作用q實(shí)際上是操縱變量，即具體實(shí)現(xiàn)控制作用、以消除干擾因素影響的變量；而消除干擾的常用方法是改變管道內(nèi)流體的流量大小，所以先在工藝圖中找到執(zhí)行器的位置，然后分析該執(zhí)行器控制的是哪種操縱介質(zhì)的變量，因?yàn)殚y門(mén)開(kāi)度的變化其實(shí)就是相應(yīng)管道內(nèi)流量的變化。如圖2所示，執(zhí)行器的位置在載熱體的入口處，其開(kāi)度的變化就是改變了載熱體的進(jìn)入量，進(jìn)而改變了反應(yīng)器內(nèi)的溫度。

被控對(duì)象的輸出變量就是被控變量y，而被控變量又是生產(chǎn)中需要頻繁測(cè)量和控制的變量，所以它又是測(cè)量元件變送器的輸入變量，即工藝圖中需要檢測(cè)的變量，只要找到工藝圖中的檢測(cè)儀表(一般用特定的符號(hào)表示，如：、LT、TT、PT等)，則可找出對(duì)應(yīng)的被控變量y。如果系統(tǒng)中只有一個(gè)被控對(duì)象，但有多個(gè)操縱變量或被控變量時(shí)該如何判斷呢？

如圖3所示的熱水鍋爐溫度控制系統(tǒng)，在同一個(gè)被控對(duì)象下有兩套控制系統(tǒng)，分別是鍋爐內(nèi)的水蒸氣壓力P和水位L，對(duì)應(yīng)的操縱變量分別是燃料進(jìn)入量和供水量，似乎壓力P和水位L都會(huì)受到燃料和供水的影響，如果這樣分析的話該系統(tǒng)就不是一個(gè)簡(jiǎn)單的定值控制系統(tǒng)，而是復(fù)雜的串級(jí)控制系統(tǒng)[5]。正確的方法是：在研究鍋爐內(nèi)壓力P時(shí)，被控變量一定是壓力P，此時(shí)需先將供水量看作是常量，即供水閥保持正常的開(kāi)度，其流量大小不變，那么影響鍋爐內(nèi)壓力的操縱變量就是燃料的進(jìn)入量；同理，在研究鍋爐內(nèi)水位L時(shí)，被控變量必須是水位L，燃料閥的開(kāi)度視為常量，則操作變量為供水量的大小。

圖2 換熱器溫度控制系統(tǒng)

圖3 熱水鍋爐溫度控制系統(tǒng)

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)高職院校開(kāi)設(shè)的化工儀表自動(dòng)化、過(guò)程控制與儀表等相關(guān)課程中關(guān)于“正反作用”方向選擇方面的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了深入探討，并結(jié)合本人多年教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了簡(jiǎn)單定值系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的判定原理和方法，尤其是對(duì)控制器的判定采用了“符號(hào)運(yùn)算”法則，對(duì)于高職高專(zhuān)的學(xué)生而言具有簡(jiǎn)單、易懂和易于掌握的優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的復(fù)雜理論相比，更受學(xué)生歡迎。