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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>科技發展</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>創辦這個欄目的意義，有以下三點，第3點是主要的。</SPAN></SPAN></SPAN></SPAN>
<BLOCKQUOTE><SPAN class=p9><SPAN class=p9><SPAN class=p9><SPAN class=p9>1、
幫助與自控專業密切相關的如工藝專業人員的自控基礎知識，使其在工作中能更好理解和掌握操作。<BR>2、
從專業技術發展歷史出發，進一步提高、鞏固年輕自控人員的基礎知識和新型控制系統；<BR>3、
通過對搜集到的一些設計、施工、調試的錯誤范例進行理論分析，從而提高自控設計人員的設計水平。</SPAN></SPAN></SPAN></SPAN></BLOCKQUOTE><SPAN
class=p9><SPAN class=p9><SPAN class=p9><SPAN
class=p9> 自從工業大規模生產以后，就伴隨著產生檢測和控制技術的發展，因為人們不能憑視覺和觸覺去感受大生產過程中的操作參數的變化，所以必須有相應的檢測工具和控制技術。今天，人們對復雜機器和高新技術設備的操作培訓采用仿真技術，可充分說明這點。<BR> 在自動化發展的初級階段，為保證工藝生產操作正常運行，采用一些簡易的機械原理和物理效應制成的儀表來獲取正確的信息，如用水銀受熱膨脹原理和熱電效應的熱電偶、毫伏計來測量溫度，利用柏努里原理開發出孔板節流裝置來測量流量，用波登管彈簧原理來測量壓力等。通過這些，檢測到工藝參數值，工藝操作人員依據這些信息，才能對生產進行控制。</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>圖１</DIV></TD>
<TD width="34%">
<DIV align=center>圖２</DIV></TD></TR></TBODY></TABLE>
<P><FONT size=2> <SPAN
class=p9> 圖1是用泵打送物料的例子。泵的出口管道上安裝一塊孔板，可檢測出差壓，然后用顯示儀表將差壓轉換為流量值進行顯示。工人觀察顯示儀上的指示值去操作閥門開啟度，以保證泵打出的物料流量一定。這是最原始的用人工控制的類型。工人不需要知道儀表的結構，只要知道怎樣可以正確地得到讀數和在哪些條件下可保證這些信息可靠就可以了。
<BR>
如果要測量加熱爐內的溫度，爐是用重油燃燒加熱的，溫度是用熱電偶來檢測和用毫伏計（或用電位差計）來顯示的話，那末為了獲得正確的溫度讀數，儀表的外特性和環境因素的變化，如導線電阻及接觸電阻的變化、周圍環境溫度波動對冷端溫度的影響、熱電偶的安裝位置和不同類型電偶與顯示儀表的配合等都會對讀數有較大的影響。工人要獲得正確的讀數就要有更多的檢測溫度方面的知識。
<BR> 如果把圖1用人工的觀察、判斷、調整的方法改為一個控制器來代替人工的話，如圖2所示，即用控制器FC自動根據變送器測得的流量值與預先的設定值之間的偏差進行判斷并自動去執行調節閥門的開啟。這樣的方式就稱為自動流量控制系統。這個系統是由敏感元件孔板、變送器、控制器、調節閥組成的。有時人們為了分析方便起見，將控制器以外的各單元組合在一起，如圖3所示的虛線框稱為廣義對象，即把整個系統分為控制器和廣義對象兩部分構成。
</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>圖３</DIV></TD>
<TD width="34%">
<DIV align=center></DIV></TD></TR></TBODY></TABLE>
<P><FONT size=2> <SPAN
class=p9>從圖3可見，每個單元的因果關系是很明確的，輸入箭頭表示引起變化的原因，輸出箭頭表示變化的結果。如設定值C與測量值Y的偏差e引起控制器輸出u的變化，u的變化引起調節閥開啟度的變化，從而引起操縱變量q的變化，過程對象受到操縱變量q和外擾d的作用，影響到被控變量的變化，被控變量m作用于孔板敏感元件和變送器，從而影響到測量值y。<BR> 這里需要對上例提到的術語進行一些解析。</SPAN></FONT></P>
<BLOCKQUOTE>
<P><SPAN class=p9>1）
信號—輸入變量或輸出變量，在系統分析中都作為信號。信號的定義為，它是載有由參數表示的變量信息的物理變量。信號是有方向的，方框圖上用箭號表示。在圖3方框圖上可看出信號流是構成閉環回路的。這個系統構成和絕大多數控制系統一樣是按偏差來進行控制的，而信號是按方向來定義輸入變量和輸出變量的。<BR>2）
變送器—它和傳感器一詞的區別，可以這樣說，變送器是隸屬于傳感器的一類儀表。傳感器對參數轉換后的輸出信號的規格不作規定，而變送器的輸出必須是標準信號（即1-5V
DC，4-20mA DC、0.02-0.1Mpa）。所以要采取標準信號的原因很簡單，它可使顯示儀和控制器都可標準化，統一規格。<BR>3）
反饋—在閉環的按偏差進行控制的系統中，把輸出變量返回到比較元件即反向傳輸的稱為反饋。反饋可分為正反饋和負反饋。凡是把正向信號返回到比較元件并與輸入信號相減的稱為負反饋，如與輸入信號相加的，結果將偏差進一步放大，稱為正反饋。</SPAN></P></BLOCKQUOTE>
<P><SPAN
class=p9> 我們控制的要求是希望測量值接近設定值，使偏差值趨向于零，因此負反饋是有利于系統的穩定。它對控制系統起著重要的作用，沒有負反饋也就不會有按偏差進行控制系統的存在。負反饋在儀表設計中也有重要的應用。如可調整放大器的增益，在電阻電容組成的反饋環節中產生比例、積分和微分作用等。<A
name=2></A></SPAN></P>
<H1><FONT color=#000099 size=2>二、簡單控制系統</FONT></H1>
<P><FONT size=2> </FONT><SPAN
class=p9>簡單控制系統有時也稱為單輸入單輸出系統（SISO），是生產過程最常見，最普遍的控制系統。<BR> 所謂控制一般是指有目的的一種行為，通過該行為的執行可使過程達到正常或優化的狀況。系統在專業標準中的定義為“為實現規定功能以達到某一目標而構成的相互關聯的一組單元”。<BR> 一個簡單的控制系統如圖3所示，當過程受到外擾引起的偏差，經過動態過程，使被控變量恢復為設定值，這就是控制作用的目的。一般在開始進行設計時，首先應分析過程中各個變量的性質和其相互關系，分析被控對象的特性，然后根據工藝的要求，合理的選擇被控變量、操縱變量，使選擇的測量變送單元、控制器和調節閥等組成一個合適的控制系統。若生產過程中有多個控制系統，還要考慮它們之間的相互關聯和相互影響。現擇要分別予以介紹。
</SPAN></P>
<P><FONT size=2><I>1、 對象特性</I><A name=2.1></A><BR><BR> </FONT><SPAN
class=p9> 對象特性通常指靜態特性和動態特性兩部分，靜態特性（或稱穩態性）是指過程或對象建立平穩的狀態，也就是說在穩態下輸出變量與輸入變量的關系。
<BR> 對一個化學工廠工藝對象來說，穩態狀況往往是由物料平衡、能量平衡、傳熱、傳質以及化學反應速度等因素來決定。如果某個時候一個因素變化，平衡就會破壞，所以系統特性是具有時變性質的，靜態特性也會隨著時間而變化的。對自控設計人員來說，除了關心對象的穩態情況以外，還要關心對象的變化過程，因為生產過程總是會經常有一些量以一定幅度在波動，使控制系統處于動態過程中。所謂動態特性就是研究從一個穩態過渡到另一個穩態變化過程，但是這需要一段時間。
<BR> 根據經驗，除無自衡的對象，參數對象均可用一階、二階、一階加純滯后和二階加純滯后的動態特性來近似描述。為敘述簡便，把對象簡化為一階加純滯后的形式，它的傳遞函數可表示為：
</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> 如圖4所示，這是一理想的一階加純滯后的對象。當輸入端加一個階躍干擾時，輸出端要經過一段時間才開始發生變化。這段時間為對象的純滯后時間<FONT
face=Symbol>t</FONT>。時間常數的物理意義是當輸入為階躍干擾時，在對象的輸出響應曲線上，從輸出量開始變化的起點作一切線，使該切線與穩定值相交，從輸出量開始變化的時刻起，至交點A所對應的時刻止，這段時間為時間常數T的值。
<BR> 從上圖我們可以分析一下，對象的純滯后時間會使控制器不能立刻改變輸出，校正作用變緩慢。因此，對調節通道來說，對象的純滯后時間愈小愈有利。而對干擾通道來說，存在純滯后即相當于干擾的影響要過一段時間才會起作用，所以容量滯后的存在，相當于濾波一樣，它會使控制作用和干擾作用的影響都會和緩起來。很顯然，在干擾通道存在容量滯后是有利于控制的。
<BR> 同理，如時間常數越大，會影響控制作用變緩慢；反之若時間常數很小，控制過程會變化很激烈，容易振蕩，因此對調節通道，時間常數過大過小，對控制都不利。而對干擾通道來說，則時間常數越大越好。它會使干擾影響變緩慢，使控制容易。
</P></TD></TR>
<TR>
<TD width="50%">
<DIV align=center><FONT size=2>圖4</FONT></DIV></TD></TR></TBODY></TABLE>
<P><I><SPAN class=p9>2、 過渡過程品質指標</SPAN></I><SPAN class=p9><A name=2.2></A><BR>
在敘述控制品質指標時，先要談一下有兩類不同的控制。第一類是定值控制，是目前工業過程經常遇到的，它是要保持設定值固定不變，控制的要求是克服擾動的影響，使被控變量保持在預定數值上。第二類是隨動控制，它的設定值是隨時間變化的，控制的要求是使被控變量隨著設定值而跟蹤變化。
<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>圖５</DIV></TD>
<TD width="34%"> </TD></TR></TBODY></TABLE>
<P><SPAN
class=p9> 示于圖5的為定值控制系統和隨動控制系統的典型曲線，用過渡過程的品質指標來衡量控制系統的好壞時，一般用下列單項指標。</SPAN></P>
<BLOCKQUOTE>
<P><SPAN class=p9>1） 余差 <BR> 當過渡過程結束時，被控變量與設定值之差稱為殘余偏差，簡稱余差。在圖5中用 <FONT
face=Symbol>d</FONT> 表示，余差是一項穩態指標。余差一般應滿足工藝要求允許范圍內，也就是要控制在一定范圍內。<BR><BR>2） 衰減比
<BR> 它是表征系統受到干擾后被控變量衰減程序，即過渡過程前個周期的振蕩幅值與后個周期的同向振幅值之比，即圖5中A1/A2，稱為衰減比。衰減比是一個衡量振蕩情況，也是衡量穩定程度的動態指標。
<BR> 當衰減比無窮大時，系統不起振蕩，稱為非周期過程。衰減比大于1時，振蕩是逐漸減弱的；衰減比等于1時為等幅振蕩，衰減比小于1時，振蕩發散。<BR> 對定值系統，衰減比宜取4:1。衰減比過大，太遲緩；衰減比過小則穩定性不夠。對隨動系統則情況不同，在衰減比為4:1時，第一波峰過高，超調量大，以取衰減比為10：1或更大為宜。<BR><BR>3）
最大偏差 <BR> 在定值控制系統，動態最大偏差發生在第一波峰處，即圖5中A1+<FONT face=Symbol>d</FONT>
，這是衡量動態品質的一個指標。對隨動系統，因為設定值起了變化，用最大偏差作為指標缺乏意義。<BR><BR>4） 超調量
<BR> 是衡量隨動系統被控變量的最大偏移指標，它是第一個波峰的幅值與變量終值之比，即A1/B，超調量與衰減比有著對應的關系。<BR><BR>5）
周期T和頻率<FONT
face=Symbol>w</FONT>，<BR> 它們是衡量波動快慢的指標，周期過長，頻率會過低，完成過渡過程時間就很長。周期與頻率的轉換關系為
T=2π/<FONT face=Symbol>w</FONT></SPAN></P>
<P><SPAN class=p9><IMG height=15 src="part0.files/tp.jpg"
width=15>為穩定時間，它與衰減比和頻率關系是衰減比越大，頻率越高，則穩定時間越短。</SPAN></P></BLOCKQUOTE>
<P><FONT size=2><I>3．被控變量和操縱變量的選擇<A name=2.3></A></I></FONT></P>
<P><SPAN
class=p9> 在確定控制方案時，被控變量和操縱變量的選擇至關重要。合理選擇被控變量對過程控制起著很重要的作用。因為在生產過程中，影響生產工藝的變量有很多，但并非所有變量都要加以控制。以化工生產過程控制為例，通常有物料平衡控制、能量平衡控制、成品質量控制和為實現安全生產必須的連鎖及軟限保護控制等。所以自控設計人員在研究流程控制方案時，必須深入了解工藝過程，找出對穩定生產的內在機理關系。但有時也沒有什么選擇余地。例如，要保持系統物料平衡，需控制某一容器的液位，那么，被控變量是液位已無異議，操縱變量則可選進料量或出料量，根據具體情況決定。但不少情況需精心來考慮，原則上被控變量應找出能及時反映工藝狀態的控制目標；操縱變量應對被控變量有合理的穩態和動態響應，而且工藝上也可操作的。<BR> 我們不妨以化工固定催化反應器為例。反應器的控制目標是進入物料,在催化反應后其轉化為成品的轉化率為最高。被控變量可以選擇幾種方案：第一可選用反應器出口的物料成分分析儀，把成品含量作為被控變量，可直接反映控制目標，但是檢測手段會受到一定限制，許多成份分析儀時間滯后很大不利于控制，而且有些成份還沒有工藝流程上使用的儀表。第二可用催化床層某點反應溫度作為被控變量，這是最常用的一種方案，因為溫度易于測量，符合工藝操作人員習慣用法。但是當床層很深，哪點溫度最有代表性就值得探討，因為催化劑活性隨著時間推移是會變化的，開始使用時溫度較低，以后會逐漸變高的。在某些特定的反應器也有第三第四種可供選擇。</SPAN></P>
<P><SPAN
class=p9> 至于操縱變量，則要選它對被控變量起較大影響且能控制的量。以上述催化反應器為例，對轉化率有影響的變量有：進料溫度、進料流量、進料成分和加熱媒體（或除熱介質值）等來綜合分析后決定。
<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> 設計一個合理的控制系統，除要研究和熟悉對象的特性外，正確選擇控制器和把其控制參數整定好都起到重要作用。圖3所示的簡單控制系統，廣義對象中所包括的單元，選型決定以后，其特性不可能有太大的變化，因此，控制系統中相對有較大變化空間環節只有控制器。<BR> 控制器通常有：位置式、比例式、比例加積分式、比例積分微分式，分述如下：<BR> 1）位置式控制器
<BR> 位置式控制器一般有上下兩個限位，如控制器檢測值超過上限位，其輸出值上限就會迫使繼電器去執行某一動作。例如加熱器的溫度位式控制器，當溫度達到某一規定上限值時，內置繼電器觸點斷開，切斷加熱電源；當溫度達到規定下限時，觸點自動閉合，接通電源，繼續加熱。<BR>圖６所示為位置式控制器的理想特性和過渡過程。</SPAN></SPAN></SPAN></SPAN></P>
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<TBODY>
<TR>
<TD width="50%">
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width=163></DIV></TD>
<TD width="50%" rowSpan=2>
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<TBODY>
<TR>
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