定值控制系統中正反作用的簡易判定方法

邢建偉，白錦川，李麗(酒泉職業技術學院化工學院，甘肅 酒泉 735000)

0 引言

自動控制系統有多種分類方法，可以按照被控對象的輸出變量——被控變量的種類分為壓力控制系統、溫度控制系統、液位控制系統等，也可按照被控變量是否發生變化分為定值控制系統、隨動控制系統和程序控制系統。生產中為了維持工藝過程各個參數的穩定，大多采用定值控制系統。在定值控制系統中，偏差e的大小是衡量控制結果好壞的重要品質指標，偏差e越小，表明控制終了時被控變量的測量值z越接近給定值x，兩者的關系為e=x-z。為了減小偏差e，系統需采用負反饋，因為只有負反饋才能在被控變量y受到干擾的影響而升高時，使反饋信號z也升高，經過比較而到控制器去的偏差信號e將降低[1]。由此看來，為了降低整個系統的偏差e，必須采用負反饋，使系統總的方向為“反作用”。由此可見，組成系統的各個環節，如圖1所示，如測量元件及變送器、控制器、執行器(控制閥)和被控對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，使系統出現更大的振蕩和波動。

圖1 簡單定制控制系統方塊圖

1 各個環節正反作用的判定

1.1 被控對象的正反作用

被控對象的正反作用由輸入變量與輸出變量的關系決定。其中，輸入變量有兩個，即執行器的輸出變量q和干擾作用f，輸出變量為系統的被控變量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：當執行器(也叫控制閥、調節器)的輸出變量q增加時，被控對象的輸出變量y也增加的為“正作用(+)”方向，反之為“反作用(-)”方向[2]。例如：當水箱有一進水管和一出水管時，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，將進水量Q1作為輸入變量時，若Q1增加，則液位上升，此時為“正作用(+)”方向；而將出水量Q2作為輸入變量時，若Q2增加，則液位下降，此時為“反作用(-)”方向。

1.2 測量元件及變送器的正反作用

一般來說，測量元件及變送器的主要功能和作用是將檢測儀表所測得的被控變量轉換成標準的電氣信號然后再進行下個單元的傳送。生產中常用的標準直流電信號為0～10 mA或4～20 mA，其信號分別由DDZ-Ⅱ型和DDZ-Ⅲ型變送器轉換而來。在信號轉換時，盡管信號大小與原被測變量不一定是線性關系，但其增減性不會發生變化，即測量元件及變送器會保持“水漲船高”的特性，故而為“正作用(+)”方向。

1.3 執行器的正反作用

對執行器而言，當控制器輸出信號p增大時，控制閥的輸出信號q隨之增大，則為“正作用(+)”方向，反之為“反作用(-)”方向。我們以氣動執行器為研究對象，當氣動執行器為氣開式，用符號“+”表示，氣關式用符號“-”表示。氣動執行器的氣開、氣關型式選擇應優先考慮之后再確定，其目的在于，當執行器因能源故障而發生中斷時，確保生產的各個環節、各個裝置處于安全狀態[3]。

如圖2所示的換熱器溫度控制系統，若圖中的執行器為氣動執行器，則在選擇其氣開、氣關型式時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：假定出現意外情況，使氣動執行器的能源信號(通常為0.02～0.1 MPa氣壓)中斷，則氣動執行器不能正常工作，此時為防止過多的載熱體進入換熱器，導致換熱器發生爆炸，需關閉載熱體進口閥門——氣動執行器，即無氣壓信號輸入時，閥門處于關閉狀態；反之，有氣壓信號(即正常工作)時，閥門在氣壓信號作用下打開，即為“氣開式” “正作用(+)”方向。

1.4 控制器的正反作用

對控制器而言，當被控變量(即變送器送來的信號)增加后，控制器的輸出也增加，稱為“正作用(+)”方向；如果輸出隨著被控變量的增加而減小的，則稱為“反作用(-)”方向[1]。結合本文引言所述，簡單定制控制系統中均采用負反饋的閉環系統，其目的在于使系統的控制作用與干擾作用的方向相反，使被控變量y恢復到給定值x上，因此，由測量元件變送器、控制器、被控對象、執行器所構成的整個系統在總方向上是“反作用(-)”方向。通過查閱相關資料，在一些文獻中枚舉了幾種判別方法[4]，本人結合多年教學實踐經驗，歸納出針對簡單定制系統的“符號判定法”，使學生在學習時更易理解和掌握，具體方法如下。

首先，根據工藝圖分析被控對象、測量元件變送器、執行器的正反作用，然后依據符號運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，根據前面的分析，圖中的執行器為氣開式，“正作用(+)”方向；被控對象為換熱器，當輸入變量q增加(即載熱體進入量增多)，換熱器出口流體溫度會升高，即為“正作用(+)”方向；而圖中的測量元件變送器()為“正作用(+)”方向；將以上分析結果帶入公式(1)，則如公式(2)所示：

由此可推斷出控制器應該為“反作用(-)”方向。

2 輸入變量與輸出變量的選擇

值得注意的是，判定工藝中各個環節的正反作用方向的前提是準確找出對應的輸入變量和輸出變量。對于簡單的系統來說，其工藝流程單一，各個變量十分明確，而相對復雜的流程圖由于設備、管道、裝置布局錯綜復雜，如何準確找出某一環節的輸入和輸出變量就存在困難，其原因主要是學習者對被控變量、操縱變量、被控對象的概念模糊甚至混淆，不能清晰地分辨出具體的變量關系，特別是面對DCS界面或工藝流程圖時無法將理論知識與實際設備相對應，出現難以判斷的情況。下面，本文將以被控對象為例，介紹一種巧妙的方法，總結了快速找出輸入變量和輸出變量的方法。

由圖1可見，被控對象有兩個輸入變量(控制作用q、干擾因素f)和一個輸出變量(被控變量y)，在分析時，我們主要以控制作用q與被控變量y之間的關系為主。控制作用q作為輸入變量，其變量的大小由執行器(或控制閥)提供，準確來說，控制作用q實際上是操縱變量，即具體實現控制作用、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流體的流量大小，所以先在工藝圖中找到執行器的位置，然后分析該執行器控制的是哪種操縱介質的變量，因為閥門開度的變化其實就是相應管道內流量的變化。如圖2所示，執行器的位置在載熱體的入口處，其開度的變化就是改變了載熱體的進入量，進而改變了反應器內的溫度。

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

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

圖2 換熱器溫度控制系統

圖3 熱水鍋爐溫度控制系統

3 結語

本文針對高職院校開設的化工儀表自動化、過程控制與儀表等相關課程中關于“正反作用”方向選擇方面的教學內容進行了深入探討，并結合本人多年教學實踐經驗，提出了簡單定值系統中各個環節的判定原理和方法，尤其是對控制器的判定采用了“符號運算”法則，對于高職高專的學生而言具有簡單、易懂和易于掌握的優點，與傳統的復雜理論相比，更受學生歡迎。