串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器作用方向的判定

范忠雷

(鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，鄭州 450001)

串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器作用方向的判定

范忠雷

(鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，鄭州 450001)

通過(guò)分析串級(jí)控制系統(tǒng)主、副回路特性和環(huán)節(jié)的作用方向，以等效環(huán)節(jié)替代串級(jí)控制系統(tǒng)副回路，得到系統(tǒng)的等效控制框圖。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)先副回路后主回路、環(huán)節(jié)作用方向乘積為負(fù)的原則判定主、副調(diào)節(jié)器的作用方向，得到串級(jí)控制系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器作用方向和主對(duì)象作用方向相反的結(jié)論。該結(jié)果簡(jiǎn)化了串級(jí)控制系統(tǒng)判定過(guò)程，能快速判定調(diào)節(jié)器的作用方向。

串級(jí)控制系統(tǒng) 作用方向 調(diào)節(jié)器 判定方法

在控制系統(tǒng)中，作用方向是指各環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的相對(duì)方向，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)變化方向相同為“+”，變化方向相反為“-”。對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，判斷主回路和副回路調(diào)節(jié)器的作用方向是一個(gè)重要的工程問(wèn)題，也是化工過(guò)程控制類課程的教學(xué)難點(diǎn)。長(zhǎng)期以來(lái)，有兩種不同的表述，一種是各環(huán)節(jié)作用方向乘積為負(fù)原則，即先根據(jù)安全要求確定執(zhí)行器的作用方向，再通過(guò)乘積為負(fù)判定主、副回路調(diào)節(jié)器的作用方向[1～3]；另一種是根據(jù)主、副對(duì)象工藝特性，通過(guò)二對(duì)象對(duì)執(zhí)行器動(dòng)作方向的要求確定主調(diào)節(jié)器的作用方向[4]。這些方法在具體使用過(guò)程中，需要考慮副回路求和點(diǎn)的作用方向，也需要對(duì)工藝對(duì)象進(jìn)行分析，過(guò)程繁瑣，不能簡(jiǎn)潔、快速地確定主調(diào)節(jié)器的作用方向。為此，在前人工作的基礎(chǔ)上，筆者以等效環(huán)節(jié)替代串級(jí)控制系統(tǒng)副回路，通過(guò)環(huán)節(jié)作用方向乘積為負(fù)的判定原則對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器作用方向進(jìn)行判定，簡(jiǎn)化了判定過(guò)程，取得較好的效果。

1 調(diào)節(jié)器作用方向的判定方法①

串級(jí)控制系統(tǒng)(圖1)包含主對(duì)象、副對(duì)象、兩套檢測(cè)變送器、兩臺(tái)調(diào)節(jié)器和一個(gè)執(zhí)行器，是由主回路和副回路構(gòu)成的復(fù)雜控制系統(tǒng)。

圖1 串級(jí)控制系統(tǒng)框圖

串級(jí)控制系統(tǒng)副調(diào)節(jié)器的作用方向按照單回路系統(tǒng)各環(huán)節(jié)作用方向乘積為負(fù)的基本原則進(jìn)行判定[1,2]。即根據(jù)工藝安全要求，通過(guò)選擇副回路調(diào)節(jié)閥的氣開和氣關(guān)方式來(lái)確定執(zhí)行器的作用方向；然后再依次判定變送器和被控對(duì)象的作用方向；最后按照使副回路構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)的原則來(lái)確定副調(diào)節(jié)器的作用方式。

同時(shí)，由圖1可知，串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)[4]。隨動(dòng)系統(tǒng)的給定值是主調(diào)節(jié)器的輸出，輸出為串級(jí)系統(tǒng)的副參數(shù)，是副對(duì)象的被控變量。對(duì)于隨動(dòng)負(fù)反饋系統(tǒng)，副對(duì)象的被控變量和隨動(dòng)系統(tǒng)的給定信號(hào)成正相關(guān)特性，即給定信號(hào)(主調(diào)節(jié)器的輸出)增加，則副被控變量增加；反之，給定信號(hào)減小，則副被控變量減小。根據(jù)環(huán)節(jié)作用方向的定義，可知串級(jí)控制系統(tǒng)副回路(包括副對(duì)象、副調(diào)節(jié)器、副變送器及執(zhí)行器等環(huán)節(jié))是正作用方向，可以等效為一個(gè)正作用環(huán)節(jié)，于是串級(jí)控制系統(tǒng)框圖(圖1)可以等效為單回路控制系統(tǒng)框圖(圖2)。

圖2 串級(jí)控制系統(tǒng)等效框圖

由圖2可知，串級(jí)控制系統(tǒng)中主對(duì)象、主檢測(cè)變送器、主調(diào)節(jié)器和等效環(huán)節(jié)構(gòu)成了一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，單回路系統(tǒng)作用方向的判定原則同樣適用于該主調(diào)節(jié)器作用方向的判定[5]。

(主調(diào)節(jié)器“±”)×(等效環(huán)節(jié)“+”)×(主對(duì)象“±”)×

(主測(cè)量變送器“+”)=“-”

(1)

(主調(diào)節(jié)器“±”)×(主對(duì)象“±”)=“-”

(2)

進(jìn)一步分析，如果主測(cè)量變送器的作用方向?yàn)椤?”，則由判定式(1)可以得到簡(jiǎn)化公式(2)。因此可知：串級(jí)控制系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器的作用方向和主對(duì)象的作用方向相反，如果主對(duì)象的作用方向?yàn)檎瑒t主調(diào)節(jié)器的作用方向?yàn)樨?fù)；反之亦然。

2 應(yīng)用實(shí)例

例1，加熱爐出口溫度-燃料流量所構(gòu)成的串級(jí)控制系統(tǒng)[4]如圖3所示。首先，畫出該控制系統(tǒng)的控制框圖，結(jié)構(gòu)與圖1相同。對(duì)于由爐膛、副測(cè)量變送器、副溫度調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥構(gòu)成的副回路，根據(jù)加熱爐的安全特性選擇執(zhí)行器為氣開閥，為“+”作用方向；副對(duì)象為爐膛，當(dāng)燃料流量增加時(shí)，爐膛溫度也增加，為“+”作用方向；溫度變送器一般為“+”作用方向；然后根據(jù)各環(huán)節(jié)作用方向的乘積為負(fù)，判定副調(diào)節(jié)器的作用方向?yàn)椤?”。

圖3 加熱爐出口溫度-燃料流量串級(jí)控制系統(tǒng)

根據(jù)加熱爐出口溫度-燃料流量串級(jí)控制系統(tǒng)等效框圖(參照?qǐng)D2)可以判定主調(diào)節(jié)器的作用方向。由圖2可知，等效環(huán)節(jié)為“+”作用方向，主溫度變送器為“+”作用方向，當(dāng)爐膛溫度升高時(shí)，主對(duì)象的輸出變量(原料出口溫度)也升高，為“+”作用方向，根據(jù)各環(huán)節(jié)作用方向的乘積為負(fù)，判定主調(diào)節(jié)器的作用方向?yàn)椤?”?？梢姡髡{(diào)節(jié)器作用方向和主對(duì)象作用方向相反。

例2，圖4為連續(xù)夾套反應(yīng)釜溫度串級(jí)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)通過(guò)冷卻水流入夾套內(nèi)的流量來(lái)控制反應(yīng)釜內(nèi)物料的溫度。

圖4 夾套反應(yīng)釜物料溫度-夾套溫度串級(jí)控制系統(tǒng)

根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)框圖可知夾套、副溫度測(cè)量變送器、副溫度調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥構(gòu)成副回路。根據(jù)反應(yīng)釜操作的安全特性選擇氣關(guān)閥，為“-”作用方向；副對(duì)象因冷卻水流量增加，夾套內(nèi)冷卻水系統(tǒng)溫度降低，為“-”作用方向；副溫度變送器為“+”作用方向，因此副調(diào)節(jié)器的作用方向?yàn)椤?”。

對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路，副對(duì)象的輸出是主對(duì)象輸入信號(hào)，是夾套冷卻水溫度，輸出信號(hào)是原料出口溫度，當(dāng)夾套冷卻水溫度升高時(shí)，被控變量(原料出口溫度)也升高，為“+”作用方向，根據(jù)判定式(2)可以判定主調(diào)節(jié)器的作用方向?yàn)椤?”。

例3，連續(xù)夾套反應(yīng)釜溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)如圖5所示。該控制系統(tǒng)主被控變量為釜內(nèi)物料溫度，副變量為冷卻水流量。在冷卻水管路、流量測(cè)量變送器、流量調(diào)節(jié)器TC2、調(diào)節(jié)閥構(gòu)成的副回路系統(tǒng)，執(zhí)行器選擇氣關(guān)閥，為“-”作用方向，流量變送器作用方向?yàn)椤?”， 副對(duì)象為“+”作用方向，因此，副調(diào)節(jié)器的作用方向?yàn)椤?”。對(duì)于主回路，由于主對(duì)象的輸入為副對(duì)象的輸出，即冷卻水流量。當(dāng)冷卻水流量增大時(shí)，反應(yīng)釜主參數(shù)T1降低，主對(duì)象的作用方向?yàn)椤?”。根據(jù)調(diào)節(jié)器和主對(duì)象作用方向相反的判定原則，可以得到主調(diào)節(jié)器為“+”作用方向。

圖5 連續(xù)夾套反應(yīng)釜溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，“環(huán)節(jié)作用方向乘積為負(fù)”原則適合串級(jí)控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器作用方向的判定。通過(guò)先副回路后主回路，并以等效環(huán)節(jié)替代串級(jí)控制系統(tǒng)副回路，可得到串級(jí)控制系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器作用方向和主對(duì)象作用方向相反的結(jié)論。該結(jié)果簡(jiǎn)化了串級(jí)控制系統(tǒng)判定過(guò)程，能快速判定調(diào)節(jié)器的作用方向，取得較好的效果。

[1] 林敏.控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器作用方向的判定原則及判定公式[J].自動(dòng)化儀表，1997，18(10)：7～10.

[2] 李安林.化工控制回路中調(diào)節(jié)器作用方向的判定[J].安陽(yáng)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，(4)：19～20.

[3] 劉可薇.信號(hào)流具象法在儀表與自動(dòng)化教學(xué)中的實(shí)踐[J].化工高等教育，2015，32(5)：100～104.

[4] 王毅，張?jiān)缧?過(guò)程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[5] 孟慶建.在串級(jí)控制系統(tǒng)中主控制器作用方向判定方法的改進(jìn)[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2008，(4)：38～39.

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ensure the safety of remote detection; in addition, the system boasting of stereo display and operator training can validate the planned trajectory before being applied to the actual flexible in-vessel inspection robot; and moreover, the system can directly take control of remote flexible in-vessel inspection robot to execute inspection tasks. At present, this system enjoys a successful application in the EAST blanket blanket remote inspection.

Keywordsvirtual reality, EAST blanket, remote inspection, flexible in-vessel inspection robot

JudgementofActionDirectionofControllersinCascadeControlSystems

FAN Zhong-lei

(SchoolofChemicalEngineeringandEnergy,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)

Through analyzing major loop and minor loop’s characteristics and controller direction of cascade control system and having minor feedback loop replaced with equivalent element, the system’s equivalent block diagram was obtained. On this basis, the principle of minor loop first and then coming the major loop and the directions’ multiplication of various elements was negative in the closed loops was adopted to judge the direction of the principal and vice controllers. The conclusion of the principal controller’s action direction is in opposition to that of the main controlled object was reached. This result simplifies cascade control system’s judgment of the controller’s action direction.

cascade control system, action direction, controller, judgment method

2015-11-25

TH865

A

1000-3932(2016)07-0740-03