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单回路控制系统设计
谢鹏 罗番 海南核电有限公司
中图分类号：TM623 文献标识：A 文章编号：1674-1145（2018）5-298-01
摘 要 在热工控制系统中，单回路控制系统最为广泛，本文中介绍了单回路控制系统的安装基本原理、控制方案确定等内容；简要阐明了被控变量选择、控制变量确定、测量滞后的克服、调节阀和测量变送器的选型等方面知识。关键词 单回路控制系统 控制方案确定 测量滞后 量程选择一、单回路控制系统基本原理
单回路控制性是指这样一个系统：在一个被控对象上采用一个调节器来保持一个变量（或称参数）恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出只控制一个执行器（或称调节阀）。
回路控制系统的例子之一热交换器闭环控制。它的基本目标是使产品出口温度保持在所期望的设定值上。要实现这一目标，控制系统应完成如下基本功能：
（一）设定值（或目标值）的设定
（二）被控变量的测量变松（被测变量的产生）（三）设定值与被测变量的比较（偏差的产生）（四）执行器按调节器的指令实现操作
对于一般的单回路控制系统，其基本原理可表示为：当被控变量受到扰动作用后，被控变量发生变化，测量变送器的输出与设定值进行比较，调节器根据偏差大小按一定的规律输出到执行机构以实现某种操作，从而使被控变量保持在所期望的设定值上。
二、控制方案的确定
在一般的连续生产过程中，单回路控制系统的用途广泛，可以满足大多数工业生产的控制要求，因此用量很大，其系统设计也很用实用意义。一般地说，单回路控制系统控制方案的确定应包括如下内容：
（一）被控变量的选择
被控变量的选择是控制系统设计核心，它对稳定生产操作，提高产品的产量和质量，改善劳动条件等都具有决定性的意义。如果选择不当，则不管后面的设计工作如何，都很难达到预期的效果。
根据生产过程对自动控制的要求，被控变量的选择应遵循以下的规则；
1.选择对产品质量和产量、安全经济运行、环境保护等有重要作用的变量作为被控变量，如锅炉的过热蒸汽的压力和温度。
2.如不能直接用产品质量指标作为被控变量时，可选择一个与产品质量指标有单值对应关系的间接变量作为被控变量，如反应器的的某一温度与输出物料的某一浓度相对应，故可选温度这一间接变量作为被控变量。
3.被表征的质量指标变化时，被控变量必须具有足够的灵敏度。4.根据工艺过程的合理性和国内外自动化仪表可供选用情况，决定采用直接变量还是间接变量作为被控变量。
5.选择恰当的测量点使之便于测量。（二）控制变量的确定
被控变量选定之后，下一步的工作就是组成什么样的控制回路来控制这一变量，使它保持在设定值上。这也就是控制变量的确定。根据被控对象扰动通道和调节通道的特征对控制质量影响的分析，控制变量的确定应遵循如下原则：
1.调节通道与扰动通道的静态增益之比应尽量大些。2.调节通道的时间常数应小些，扰动通道的时间常数则应大些。3.应避免组成广义对象各环节（执行器、被控对象、测量变送器）的时间常数相同或相近。
4.应使扰动作用点靠近执行器、远离测量点。（三）调节阀的选型
气动执行机构由于本身固有的优点，应用很广泛。按一般
习惯，气动执行机构也称调节阀。在设计控制系统时，应注意到负荷变化会影响到对象特性和系统的正常运行。为克服负荷变化的影响，调节阀的正确选型是一种行之有效的方法。调节阀的选型主要有如下的几方面内容：
1.结构形式的选择2.流量特性的选择
3.流通特性的计算和公称口径的选择4.作用形式（气开式或气关式）的选择5.阀门定位器的正确配用（四）测量滞后的克服
测量元件的滞后对控制系统的质量影响较大。在设计控制系统时，对其影响应引起充分的注意。通过对测量滞后影响控制系统质量的分析，得到如下几种克服测量滞后的方法：
1.选择快速测量元件
2.正确选择测量元件的安装位置。
3.正确使用微分单元，即在测量变送器滞后接入微分单元。（五）测量变送器的量程选择
量程被定义为“仪表所能测量的信号范围”。例如某一温度变送器所能测量的温度范200~300°C，则它的量程为100°C。若这一变送器相应的输出为4~200mA，则它的灵敏度为：
在控制系统中，被测变量与被控变量是不同的。只有测量变送器传递函数的灵敏度为1，时间常数为零时，才会出现被测变量与被控变量相同，实际上这是难以做到的。我们只能尽量使测量变送器的灵敏度接近于1，时间常数为最小。加入把上述仪表的量程选择为16°C，则可得灵敏度为1mA/°C。这样，h的灵敏度扩大6.25倍。为了使系统稳定性保持不变，调节器的增益就必须缩小同样的倍数。就控制系统的快速响应而言，减少调节器增益是不利的。因此测量变送器的量程选择应有较宽的范围，而且要考虑如下因素：测量变送器的滞后影响；对象与调节阀的特性；系统所需的控制精度。大多数情况下可根据经验公式来选择量程，例如，对压力和温度控制对象，可用式中：
L1=β1ML1——量程
β1——量程修正系数，一般取β1=2~4M——生产过程允许的被控量瞬时变化范围。对于流量控制对象，则可用；L2=β2Mmax式中 L2——量程
β2——量程修正系数，仪表β2=1~1.1 Mmax——工艺所要求流量的最大值。参考文献:
[1] 杨火荣.KF系列气动基地式仪表及其应用,贵州：贵州科技出版社,1993:120-121.
298MEC2018.5
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