杜曉妮

（青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院 海爾學(xué)院，青島 266555）

1 溫度定值控制系統(tǒng)分析

溫度定值控制系統(tǒng)中的被控對(duì)象為鍋爐內(nèi)膽，被控變量為鍋爐內(nèi)膽的溫度，要求溫度穩(wěn)定在設(shè)定值40 ℃。以溫度傳感器鉑電阻PT100檢測(cè)到的鍋爐內(nèi)膽溫度作為反饋信號(hào)，其與設(shè)定值比較后的差值通過控制器智能調(diào)節(jié)儀控制三相移相調(diào)壓裝置轉(zhuǎn)化為輸出電壓，進(jìn)而控制三相電加熱管的加熱功率，達(dá)到控制鍋爐內(nèi)膽溫度的目的[1]。在該系統(tǒng)中，由于溫度存在明顯的滯后特性，加熱過程容量與時(shí)延較大，系統(tǒng)過渡過程的時(shí)間會(huì)較長。為避免滯后現(xiàn)象，智能調(diào)節(jié)儀可在信號(hào)放大和消除余差的基礎(chǔ)上添加消除滯后的功能。因此，智能調(diào)節(jié)儀選擇比例-微分（Proportion-Differential，PD）或比例-積分-微分（Proportion-Integral-Differential，PID）控制規(guī)律[2]。

根據(jù)以上分析，該控制系統(tǒng)的原理圖、方框圖和接線圖[3]分別如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 鍋爐內(nèi)膽溫度定值控制系統(tǒng)原理圖

圖2 鍋爐內(nèi)膽溫度定值控制系統(tǒng)方框圖

圖3 鍋爐內(nèi)膽溫度定值控制系統(tǒng)接線圖

圖1所示的原理圖表示本系統(tǒng)中介質(zhì)、信號(hào)的傳輸回路，即以智能調(diào)節(jié)儀為中心檢測(cè)信號(hào)的來源、控制介質(zhì)的去向。介質(zhì)的傳輸回路即為供水回路，本控制系統(tǒng)選擇380 V磁力驅(qū)動(dòng)泵作為執(zhí)行裝置進(jìn)行供水。

圖2所示的方框圖表示本系統(tǒng)的環(huán)節(jié)及信號(hào)的連接關(guān)系和控制原理等信息，其中“比較環(huán)節(jié)”強(qiáng)調(diào)該系統(tǒng)為閉環(huán)控制，被控對(duì)象環(huán)節(jié)“鍋爐內(nèi)膽”處標(biāo)注了其為控制系統(tǒng)受到干擾信號(hào)影響的部分。

圖3所示的接線圖表示該控制系統(tǒng)中所有硬件設(shè)備的連接方式。需注意，溫度傳感器鉑電阻使用三線制接法。在設(shè)備連接時(shí)，可以以控制器智能調(diào)節(jié)儀為中心，先接入檢測(cè)裝置鉑電阻，然后將智能調(diào)節(jié)儀4～20 mA的輸出信號(hào)接向三相移相調(diào)壓裝置，以控制調(diào)壓裝置的輸出電壓。調(diào)壓裝置的輸出端與三相電加熱管的輸入端相連，以控制加熱管的加熱功率。所有設(shè)備的電源都要完整連接。

2 溫度定值控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)

在運(yùn)行過程中，過程控制系統(tǒng)要求保證安全性、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。根據(jù)被控變量是否隨時(shí)間的發(fā)展發(fā)生變化，控制過程分為穩(wěn)態(tài)（也叫靜態(tài)）和動(dòng)態(tài)兩種狀態(tài)[4]。該溫度定值控制系統(tǒng)受到單位階躍干擾后失穩(wěn)，溫度發(fā)生變化的過渡過程是典型的理想過渡過程曲線形式，即衰減振蕩過渡過程曲線，如圖4所示。

圖4 鍋爐內(nèi)膽溫度定值控制系統(tǒng)過渡過程曲線

由圖4可知，該系統(tǒng)受到階躍干擾后，溫度發(fā)生了上下波動(dòng)的情況，并且波動(dòng)的幅度逐漸減小，經(jīng)過一段時(shí)間的衰減振蕩后重新達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)值。這種過渡過程的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)過程控制系統(tǒng)比較有利，符合穩(wěn)定和衰減振蕩的要求[5]。

通過分析圖4所示數(shù)據(jù)，計(jì)算相關(guān)品質(zhì)指標(biāo)。

（1）最大偏差。最大偏差是衡量過渡過程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)，可反映出控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。該系統(tǒng)受到干擾后進(jìn)入過渡過程產(chǎn)生的最大偏差為5 ℃，偏離設(shè)定值的程度不嚴(yán)重，偏離時(shí)間也不長，說明智能調(diào)節(jié)儀的控制能力強(qiáng)，能夠滿足生產(chǎn)規(guī)定的需要，可以保證控制質(zhì)量，有利于生產(chǎn)過程的穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）余差。余差是衡量控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)。該系統(tǒng)過渡過程結(jié)束時(shí)，新的穩(wěn)態(tài)值與設(shè)定值的差值為1 ℃，屬于有差調(diào)節(jié)，而且差值較小，說明控制精度高，溫度得到有效控制。在生產(chǎn)中，設(shè)定值是生產(chǎn)的技術(shù)指標(biāo)，因此被控變量越接近設(shè)定值越好，即過渡過程結(jié)束后余差越小越好。對(duì)于實(shí)際的控制系統(tǒng)，需要結(jié)合具體的控制要求和系統(tǒng)特征來分析余差的數(shù)值。

（3）衰減比。衰減比是衡量控制過程衰減速度的指標(biāo)。第一個(gè)波峰值為4 ℃，第二個(gè)波峰值為1 ℃，衰減比為4∶l。這個(gè)結(jié)果證明該衰減振蕩過渡過程屬于非常優(yōu)秀的控制過程，被控變量受到干擾后發(fā)生衰減的速度平穩(wěn)，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)安全性好。

（4）峰值時(shí)間。峰值時(shí)間是反映控制系統(tǒng)快速性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)。過渡過程曲線達(dá)到第一個(gè)峰值所需要的時(shí)間是5 min，說明系統(tǒng)在干擾發(fā)生后智能調(diào)節(jié)儀作出調(diào)節(jié)的反應(yīng)速度快，控制系統(tǒng)反應(yīng)靈敏。

（5）振蕩周期。振蕩周期為第一個(gè)波峰與同向第二個(gè)波峰之間的時(shí)間間隔。由圖4可知，振蕩周期為13 min，這個(gè)指標(biāo)與衰減比都反映了系統(tǒng)的優(yōu)良性。振蕩周期越短，過渡時(shí)間越短，因此振蕩周期是衡量控制系統(tǒng)控制速度的品質(zhì)指標(biāo)。

（6）過渡時(shí)間。過渡時(shí)間表示系統(tǒng)從受到干擾作用的時(shí)刻起，到重新建立新的平衡時(shí)刻為止。過渡過程所經(jīng)歷的時(shí)間，就是被控變量從過渡狀態(tài)恢復(fù)到新的平衡狀態(tài)所經(jīng)歷的最短時(shí)間，與規(guī)定的被控變量限制范圍的大小有關(guān)。本控制系統(tǒng)中，如果溫度進(jìn)入額定值的±2%就認(rèn)為過渡過程結(jié)束，那么限制范圍為-0.82～0.82 ℃。在新穩(wěn)態(tài)值41 ℃兩側(cè)以±0.82 ℃為界畫出一個(gè)區(qū)域，即圖4中的陰影區(qū)域，溫度進(jìn)入這一區(qū)域且不再越出便認(rèn)為過渡過程結(jié)束。因此，過渡時(shí)間為23 min，說明過渡過程反應(yīng)迅速，即使在控制過程中干擾頻繁出現(xiàn)或信號(hào)劇烈，系統(tǒng)在控制器的作用下仍能快速達(dá)到穩(wěn)定，系統(tǒng)的控制質(zhì)量高。

3 結(jié)語

分析溫度定值控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)，是為了評(píng)價(jià)過程控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量和抗干擾能力，意義重大。在生產(chǎn)設(shè)備的調(diào)試中，過渡過程的研究及品質(zhì)指標(biāo)的計(jì)算為設(shè)備快速順利地投入實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備工作。