定值控制系统中正反作用的简易判定方法

邢建伟，白锦川，李丽(酒泉职业技术学院化工学院，甘肃 酒泉 735000)

0 引言

自动控制系统有多种分类方法，可以按照被控对象的输出变量——被控变量的种类分为压力控制系统、温度控制系统、液位控制系统等，也可按照被控变量是否发生变化分为定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。生产中为了维持工艺过程各个参数的稳定，大多采用定值控制系统。在定值控制系统中，偏差e的大小是衡量控制结果好坏的重要品质指标，偏差e越小，表明控制终了时被控变量的测量值z越接近给定值x，两者的关系为e=x-z。为了减小偏差e，系统需采用负反馈，因为只有负反馈才能在被控变量y受到干扰的影响而升高时，使反馈信号z也升高，经过比较而到控制器去的偏差信号e将降低[1]。由此看来，为了降低整个系统的偏差e，必须采用负反馈，使系统总的方向为“反作用”。由此可见，组成系统的各个环节，如图1所示，如测量元件及变送器、控制器、执行器(控制阀)和被控对象的正反作用就必须正确判定，否则不仅不能减小偏差值e，反而“推波助澜”，使偏差值e变大，偏离了控制要求，使系统出现更大的振荡和波动。

图1 简单定制控制系统方块图

1 各个环节正反作用的判定

1.1 被控对象的正反作用

被控对象的正反作用由输入变量与输出变量的关系决定。其中，输入变量有两个，即执行器的输出变量q和干扰作用f，输出变量为系统的被控变量y，此处我们只讨论控制作用，因此干扰作用f不作考量。其判定方法为：当执行器(也叫控制阀、调节器)的输出变量q增加时，被控对象的输出变量y也增加的为“正作用(+)”方向，反之为“反作用(-)”方向[2]。例如：当水箱有一进水管和一出水管时，其流量分别为Q1和Q2，若将水箱的液位高度h作为被控变量，将进水量Q1作为输入变量时，若Q1增加，则液位上升，此时为“正作用(+)”方向；而将出水量Q2作为输入变量时，若Q2增加，则液位下降，此时为“反作用(-)”方向。

1.2 测量元件及变送器的正反作用

一般来说，测量元件及变送器的主要功能和作用是将检测仪表所测得的被控变量转换成标准的电气信号然后再进行下个单元的传送。生产中常用的标准直流电信号为0～10 mA或4～20 mA，其信号分别由DDZ-Ⅱ型和DDZ-Ⅲ型变送器转换而来。在信号转换时，尽管信号大小与原被测变量不一定是线性关系，但其增减性不会发生变化，即测量元件及变送器会保持“水涨船高”的特性，故而为“正作用(+)”方向。

1.3 执行器的正反作用

对执行器而言，当控制器输出信号p增大时，控制阀的输出信号q随之增大，则为“正作用(+)”方向，反之为“反作用(-)”方向。我们以气动执行器为研究对象，当气动执行器为气开式，用符号“+”表示，气关式用符号“-”表示。气动执行器的气开、气关型式选择应优先考虑之后再确定，其目的在于，当执行器因能源故障而发生中断时，确保生产的各个环节、各个装置处于安全状态[3]。

如图2所示的换热器温度控制系统，若图中的执行器为气动执行器，则在选择其气开、气关型式时需考虑载热体如何控制才能保证换热器的安全。具体分析如下：假定出现意外情况，使气动执行器的能源信号(通常为0.02～0.1 MPa气压)中断，则气动执行器不能正常工作，此时为防止过多的载热体进入换热器，导致换热器发生爆炸，需关闭载热体进口阀门——气动执行器，即无气压信号输入时，阀门处于关闭状态；反之，有气压信号(即正常工作)时，阀门在气压信号作用下打开，即为“气开式” “正作用(+)”方向。

1.4 控制器的正反作用

对控制器而言，当被控变量(即变送器送来的信号)增加后，控制器的输出也增加，称为“正作用(+)”方向；如果输出随着被控变量的增加而减小的，则称为“反作用(-)”方向[1]。结合本文引言所述，简单定制控制系统中均采用负反馈的闭环系统，其目的在于使系统的控制作用与干扰作用的方向相反，使被控变量y恢复到给定值x上，因此，由测量元件变送器、控制器、被控对象、执行器所构成的整个系统在总方向上是“反作用(-)”方向。通过查阅相关资料，在一些文献中枚举了几种判别方法[4]，本人结合多年教学实践经验，归纳出针对简单定制系统的“符号判定法”，使学生在学习时更易理解和掌握，具体方法如下。

首先，根据工艺图分析被控对象、测量元件变送器、执行器的正反作用，然后依据符号运算法则判定控制器的正反作用，即式(1)所示：

依旧以图2为例，根据前面的分析，图中的执行器为气开式，“正作用(+)”方向；被控对象为换热器，当输入变量q增加(即载热体进入量增多)，换热器出口流体温度会升高，即为“正作用(+)”方向；而图中的测量元件变送器()为“正作用(+)”方向；将以上分析结果带入公式(1)，则如公式(2)所示：

由此可推断出控制器应该为“反作用(-)”方向。

2 输入变量与输出变量的选择

值得注意的是，判定工艺中各个环节的正反作用方向的前提是准确找出对应的输入变量和输出变量。对于简单的系统来说，其工艺流程单一，各个变量十分明确，而相对复杂的流程图由于设备、管道、装置布局错综复杂，如何准确找出某一环节的输入和输出变量就存在困难，其原因主要是学习者对被控变量、操纵变量、被控对象的概念模糊甚至混淆，不能清晰地分辨出具体的变量关系，特别是面对DCS界面或工艺流程图时无法将理论知识与实际设备相对应，出现难以判断的情况。下面，本文将以被控对象为例，介绍一种巧妙的方法，总结了快速找出输入变量和输出变量的方法。

由图1可见，被控对象有两个输入变量(控制作用q、干扰因素f)和一个输出变量(被控变量y)，在分析时，我们主要以控制作用q与被控变量y之间的关系为主。控制作用q作为输入变量，其变量的大小由执行器(或控制阀)提供，准确来说，控制作用q实际上是操纵变量，即具体实现控制作用、以消除干扰因素影响的变量；而消除干扰的常用方法是改变管道内流体的流量大小，所以先在工艺图中找到执行器的位置，然后分析该执行器控制的是哪种操纵介质的变量，因为阀门开度的变化其实就是相应管道内流量的变化。如图2所示，执行器的位置在载热体的入口处，其开度的变化就是改变了载热体的进入量，进而改变了反应器内的温度。

被控对象的输出变量就是被控变量y，而被控变量又是生产中需要频繁测量和控制的变量，所以它又是测量元件变送器的输入变量，即工艺图中需要检测的变量，只要找到工艺图中的检测仪表(一般用特定的符号表示，如：、LT、TT、PT等)，则可找出对应的被控变量y。如果系统中只有一个被控对象，但有多个操纵变量或被控变量时该如何判断呢？

如图3所示的热水锅炉温度控制系统，在同一个被控对象下有两套控制系统，分别是锅炉内的水蒸气压力P和水位L，对应的操纵变量分别是燃料进入量和供水量，似乎压力P和水位L都会受到燃料和供水的影响，如果这样分析的话该系统就不是一个简单的定值控制系统，而是复杂的串级控制系统[5]。正确的方法是：在研究锅炉内压力P时，被控变量一定是压力P，此时需先将供水量看作是常量，即供水阀保持正常的开度，其流量大小不变，那么影响锅炉内压力的操纵变量就是燃料的进入量；同理，在研究锅炉内水位L时，被控变量必须是水位L，燃料阀的开度视为常量，则操作变量为供水量的大小。

图2 换热器温度控制系统

图3 热水锅炉温度控制系统

3 结语

本文针对高职院校开设的化工仪表自动化、过程控制与仪表等相关课程中关于“正反作用”方向选择方面的教学内容进行了深入探讨，并结合本人多年教学实践经验，提出了简单定值系统中各个环节的判定原理和方法，尤其是对控制器的判定采用了“符号运算”法则，对于高职高专的学生而言具有简单、易懂和易于掌握的优点，与传统的复杂理论相比，更受学生欢迎。