【文章內(nèi)容簡介】 3 控制方案設計3控制方案設計在工業(yè)生產(chǎn)中，為了使工藝介質(zhì)達到給定的溫度，可以采用三種控制方案。其中控制熱水（工業(yè)冷卻水）流量及控制蒸汽流量的簡單控制系統(tǒng)。還有采用熱水和蒸汽共同供熱的分程控制系統(tǒng)。我們是以工業(yè)冷卻水的余熱利用為指導思想。目前，我國普遍存在能源利用率低，浪費嚴重等現(xiàn)象。尤其在北方冬季取暖期，由于控制系統(tǒng)落后，空房取暖現(xiàn)象十分嚴重，造成大量不必要的浪費。因此，工業(yè)冷卻水的余熱應用于居民小區(qū)熱水供應收到了良好的成效，既節(jié)約了能源，又給使用者帶來了顯著的經(jīng)濟效益，具有廣闊的應用前景。 變量的選擇變量的選擇十分重要，變量選擇的好壞，直接關系的控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。以上所述的三種控制方案，參數(shù)的選擇基本一致，只是在一些參數(shù)的具體選擇上有些不同。 被控變量生產(chǎn)過程中希望借助自動控制保持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的變量稱為被控變量。在構成一個自動控制系統(tǒng)時，被控變量的選擇十分重要。它關系到系統(tǒng)能否達到穩(wěn)定操作、增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、改善勞動條件、保證安全等目的，關系到控制方案的成敗。如果被控變量選擇不當，不管組成什么形式的控制系統(tǒng)，也不管配上多么精密先進的工業(yè)自動化裝置，都不能達到預期的控制效果。在熱水蒸汽共同供熱的熱交換器的控制系統(tǒng)中，就是要使冷流體口溫度達到給定值。從整個控制過程來看，冷流體出口溫度T是可以測量出來的，能夠及時的與給定值進行比較，做出偏差值，及時的控制生產(chǎn)工藝。溫度T是整個控制對象的輸出信號，是可以獨立控制的。綜上所述，物料的出口溫度T在這個控制中起著關鍵作用，它與給定值的比較影響著整個控制回路的運轉，因此，選出口溫度T為是被控變量。 操縱變量 在自動控制系統(tǒng)中，把用來克服干擾對被控變量的影響，實現(xiàn)控制作用的變量稱為操縱變量。當被控變量選定以后，接下去應對工藝進行分析，找出有那些因素會影響被控變量發(fā)生變化的。一般來說，影響被控變量的外部輸入有若干個而不是一個，在這些輸入中有些是可控的，有些是不可控的。原則上，是在諸多影響下被控變量的輸入中，選擇一個對被控變量影響顯著而可控性良好的輸入，作為操縱變量，而其他未被選中的所有輸入量則視為系統(tǒng)的干擾。 從本次設計工藝分析可知，影響冷流體溫度的主要因素有：進料的流量（），進料熱流體溫度（），蒸汽壓力的變化（P），加熱器內(nèi)部傳熱系數(shù)（K）或 環(huán)境溫度的變化（），蒸汽流量（），熱水流量（）等等。這些因素都會影響被控變量（）的變化。如圖3所示。 PK T 被控變量 圖3 影響冷物料出口溫度的各種因素示意圖現(xiàn)在的問題是選擇那一個變量作為操縱變量。為此，可先將這些影響因素分為兩大類，即可控的和不可控的。從工藝角度看，本系統(tǒng)中只有熱水和蒸汽流量為可控因素，其他一般為不可控因素。當然，在不可控因素中，有些也是可以調(diào)節(jié)的。如 、蒸汽壓力P等，只是工藝上一般不允許這些變量去控制物料的出口溫度（因為 的波動意味著生產(chǎn)負荷的波動；蒸汽壓力的波動意味著該交換器的工況不穩(wěn)定，并會破壞溫度與成分的單值對應關系，這些是不允許的。因此，將這些影響因素也看成是不可控的因素）。在兩個可控因素中，蒸汽流量或熱水流量對物料出口溫度來說是及時、顯著的。因此將兩者分別作為操縱變量。我們主要就是利用工業(yè)冷卻水供熱來達到節(jié)能。首先控制工業(yè)冷卻水流量達到工藝要求再控制蒸汽流量。由此來看，兩者都很重要，都可以作為操縱變量，只是有先后關系。 前面已經(jīng)說過，在諸多影響被控變量的因素中，一旦選擇了其中一個作為操縱變量，那其余的影響因素都成了干擾變量。操縱變量與干擾變量作用在對象上，都會引起被控變量變化的。圖4是其示意圖。 干擾通道 干擾 操縱變量 被控變量 控制通道 圖4 干擾通道與控制通道的關系干擾變量由于干擾通道施加在對象上，起著破壞作用，使被控變量偏離給定值；操縱變量由控制通道施加到對象上，使被控變量回復到給定值，起著校正作用。這是對相互矛盾的變量，它們對被控變量的影響都與對象特性有密切的關系。因此在選擇操縱變量時，要認真分析對象特性，以提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。 簡單控制方案簡單控制系統(tǒng)是由一個調(diào)節(jié)器、一個變送器（測量儀表）、一個執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）和被控制物理對象所組成的控制系統(tǒng)。圖5是該系統(tǒng)的方框圖調(diào)節(jié)器執(zhí)行器（氣動調(diào)節(jié)閥冷卻水閥）對 象（換熱器）溫度測量元件及變送器 干擾f 偏差E P Q 給定值R 溫度（T） 測量值Z圖5 換熱器溫度控制方框圖由于控制系統(tǒng)只有一個回路，因此也稱單回路控制系統(tǒng)。從圖5還可以看出，在該系統(tǒng)中有著一條從系統(tǒng)的輸出端引向輸入端的反饋路線，也就是說該系統(tǒng)中的控制器是根據(jù)被控變量的測量值與給定值的偏差來進行控制的，這是簡單反饋系統(tǒng)的又一特點。簡單控制系統(tǒng)的結構比較簡單，所需的自動化裝置數(shù)量少投資低操作維護也比較方便，而且在一般情況下，都能滿足控制質(zhì)量的要求。因此，這種控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應用。據(jù)某大型化肥廠統(tǒng)計，簡單控制系統(tǒng)約占控制系統(tǒng)總數(shù)的85%左右。簡單控制系統(tǒng)是最基本的，應用最廣泛的系統(tǒng)。下面簡要介紹控制系統(tǒng)的各個組成部分。1. 被控對象從圖5看到，該控制系統(tǒng)由一個被控變量，即換熱器被加熱的出口溫度T，一個被控對象，即換熱器；一個調(diào)節(jié)變量，即載熱體（熱水或蒸汽）的流量。調(diào)節(jié)變量是被控對象的輸入信號，被控變量是被控對象的輸出信號。從控制方框圖的角度看，被控對象換熱器只有一個輸入信號和一個輸出信號。換熱中其他對被控變量T具有影響作用的因素都看作為干擾，干擾有時在方框圖上不標出。 2. 調(diào)節(jié)器 實際的調(diào)節(jié)器包括方框圖中的比較部分和調(diào)節(jié)器方塊兩部分，即用虛線框起來的部分。調(diào)節(jié)器可以是電動Ⅱ型、Ⅲ型或S型調(diào)節(jié)器，甚至是工控計算機。它們的輸出信號都是電信號，可通過一只電／氣轉換器。將信號送至氣動調(diào)節(jié)閥，也可以直接將電信號送至帶電氣閥門定位器的氣動調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)器的輸入信號是由測量及變送單元送來的被控變量溫度T的測量值的信號，給定值與測量值的偏差送給調(diào)節(jié)器方塊作為輸入信號。調(diào)節(jié)器方塊實現(xiàn)各種調(diào)節(jié)規(guī)律，調(diào)節(jié)規(guī)律是調(diào)節(jié)器輸入信號與輸出信號之間的數(shù)學關系。常規(guī)的非數(shù)字式調(diào)節(jié)器包括比例（P），比例積分（PI），比例微分（PD）和比例積分微分（PID）四種調(diào)節(jié)規(guī)律。設置偏差E上升，P也上升。E下降，P也下降。 3. 測量變送單元 由于要面對各種被測量信號及其環(huán)境，所以構成該單元的儀表，比較復雜多樣。但從控制系統(tǒng)功能分析角度看，這一部分又最簡單，就是把被控變量測量出來并轉換為調(diào)節(jié)器可以接受的信號。方框圖中所標的被控溫度T是真實值，但這個真實值是無法確知的。我們所看到的僅僅是被控變量T的測量值Z。設置為T上升，Z也上升。T下降，Z也下降。 4. 執(zhí)行器 過程控制中，執(zhí)行器以氣動執(zhí)行器居多，電動執(zhí)行器的用量在增加，但總量較少。氣動執(zhí)行器接受調(diào)節(jié)器發(fā)出的控制信號，使閥門處于一個相應的開度，調(diào)節(jié)變量也就有一個相應的流量作用于被控對象上，執(zhí)行器還可以根據(jù)控制系統(tǒng)的要求改變特性和作用方向。設置為P上升，Q也上升。P下降，Q也下降。 控制熱水（工業(yè)冷卻水）的流量工業(yè)冷卻水長期排放，浪費大。這些冷卻水都有一定的余熱，可以利用這些余熱通過熱交換器對（工藝介質(zhì)進行預熱）或?qū)λ訜幔_到一定的溫度，用于小區(qū)熱水供應進行洗澡和清洗過程。在北方地區(qū)應用將更為普遍，冬季氣溫較低。工業(yè)上許多地方都可以利用冷卻水的余熱?，F(xiàn)在就設計了直接利用冷卻水余熱的控制方案，控制冷卻水的流量對其加熱。如圖6所示。這種控制方案雖然充分利用了冷卻水的余熱，但它畢竟是余熱，可能達不到給定值。這種情況就得引起我們的重視。 這個自動化控制系統(tǒng)，雖然自動化裝置少，投資低，但可靠性不是很好。TC 熱水（冷卻水） 熱流體 冷流體 圖6 控制熱水流量的控制方案圖中：為熱流體出口溫度； 為熱流體在單位時間內(nèi)帶走的熱量