基本的控制理论

自动控制的主题是巨大的，包括温度、压力、流量、液位和速度等变量的控制。

本课程的目的是介绍自动控制。这也可以是

分为两部分:

• 采暖、通风和空调系统(俗称HVAC)的控制;

和

• 过程控制。

两者都是巨大的课题，后者的范围从一个简单的家用炊具的控制到一个完整的生产系统或过程，就像在一个大型石化企业中发现的那样。

控制工程师需要掌握各种技能——机械工程、电气工程、电子和气动系统的知识，对暖通空调设计和工艺应用的工作理解，以及当今越来越多的计算机和数字通信的理解。

本模块的目的是提供对自动控制的实践和理论方面的基本见解，在未来可以添加其他技能，而不是将一个人转变为控制工程师。

该区块仅限于使用下列流体的过程的控制:蒸汽、水、压缩空气和热油。

控制通常是通过使用执行机构阀门改变流体流量来实现的。对于上面提到的液体，通常的要求是测量和响应温度、压力、液位、湿度和流量的变化。几乎总是，这些物理性质的变化的响应必须在给定的时间内。阀门及其执行器随时间的组合操作，以及被测变量的关闭控制，将在本模块稍后解释。

流体的控制并不局限于阀门。有些工艺流是通过变速泵或风扇的作用来控制的。

对自动控制的需求

过程工厂或建筑物需要自动控制有三个主要原因:

• 安全-工厂或过程必须安全操作。

电站或过程越复杂或危险，对自动控制和安全规程的需求就越大。

• 稳定-工厂或工艺应稳定、可预测和重复地工作，没有波动或计划外停机。

• 精度-这是工厂和建筑的基本要求，以防止损坏，提高质量和生产率，并保持舒适。这些是经济效率的基础。

其他理想的好处，如经济，速度和可靠性也很重要，但它是针对三个主要参数的安全，稳定性和准确性，每个控制应用将被测量。

自动控制术语

在控制行业中使用特定的术语，主要是为了避免混淆。同样的单词和短语出现在控制的所有方面，如果使用正确，它们的含义是通用的。

例5.1.1中描述的简单手动系统，如图5.1.1所示，用于介绍控制工程中使用的一些标准术语。

例5.1.1控制系统的一个简单类比

在如图5.1.1所示的工艺示例中，操作人员通过开启或关闭进水阀来手动改变水的流量，以确保:

• 水位不太高;或者它将通过溢出运行浪费。

• 水位不宜过低;否则它不会盖住水箱的底部。

这样做的结果是，水以在要求范围内的速度从水箱中流出。如果水以过高或过低的速度流出，它的给水过程就不能正常运行。

在初始阶段，排出管中的出口阀固定在一定位置。

操作人员在水箱的侧面标记了三条线，以便通过进水阀操纵供水。这3个级别代表:

1. 保证水箱底部被盖住的最低允许水位。
2. 最高允许水位，确保没有通过溢流排放。
3. 理想水平在1到2之间。

示例(图5.1.1)表明:

1. 作业人员的目标是将容器内的水维持在1级和2级之间。水位称为受控条件。
2. 控制条件是通过控制进水管中阀门的水流来实现的。流量被称为被操纵变量，阀门被称为被控制设备。
3. 水本身被称为“控制剂”。
4. 通过控制流入水箱的水流，水箱内的水位就会改变。水位的变化被称为控制变量。
5. 一旦水进入水箱，它就被称为受控介质。
6. 试图在目视指示器上保持的水位称为设定值(也称为设定值)。
7. ．水位可维持在目视指示器1 - 2之间的任意点，且仍能满足控制参数，使水箱底部被盖住，不溢出。这个范围内的任何值都称为“期望值”。
8. 假设关卡被严格地维持在1和2之间的任何一点。这是稳定状态下的水位，称为控制值或实际值。
   注:根据上文(7)及(8)，理想的水位应维持在第3点。但如果实际水平是在1和2之间的任意一点，那仍然是令人满意的。设定值和实际值之间的差异称为偏差。
9. 如果进水阀关闭到新的位置，水位会下降，偏差会改变。持续的偏差称为偏移。

自动控制元件

例5.1.2自动控制的要素

• 操作员的眼睛根据标记的刻度指示器检测水位的运动。他的眼睛可以被认为是一个传感器。

• 眼睛(传感器)将信息反馈给大脑，大脑会注意到偏差。大脑可以被认为是一个控制器。

• 大脑(控制器)向手臂肌肉和手发送信号，这可以被认为是驱动器。

• 手臂肌肉和手(执行器)转动阀门，这可以被认为是一个受控装置。

有必要以稍微不同的方式重复这些观点以加强例5.1.2:

简单地说，例5.1.1中操作人员的目标是将水槽内的水保持在一个预定义的水平。等级3可以被认为是他的目标或设置点。

操作者通过调节进气阀(控制装置)来实际操作液位。在操作过程中，必须考虑操作者的能力和集中程度。因此，水位不太可能一直保持在3级。一般来说，它会在3级以上或以下的一个点。在任何特定时刻的位置或水平被称为控制值或实际值。

设定值和实际值之间的误差或差异的量称为偏差。当偏差是恒定或稳定状态时，称为持续偏差或偏移量。

虽然操作人员正在操纵水位，但最终的目标是产生一个适当的结果，在这种情况下，是水箱中所需的水流。

评估安全性、稳定性和准确性

可以假定例5.1.1中典型的工艺既不含有价值的成分，也不含有害成分。因此，溢出或缺水将是安全的，但不是经济或生产。

在稳定性方面，操作者能够处理这一过程，只要他充分和持续的关注。

准确性不是这个过程的一个特点，因为操作员只能对可见和可识别的错误作出反应。

摘要术语

在自动控制中还有许多其他术语;这些将在后面的Block中解释。

温度控制系统的组成部分

例5.1.1描述了一个简单的手动液位控制系统。这可以与示例5.1.3(手动控制)和图5.1.3所示的简单温度控制示例进行比较。以上所有因素和定义都适用。

例5.1.3描述一个简单的手动温度控制系统

任务是让足够的蒸汽(加热介质)从T1温度加热进来的水;确保热水以所需的T2温度离开水箱。

评估安全性、稳定性和准确性

虽然在例5.1.1中，手动操作可能控制水位，但由于各种原因，在例5.1.3中，手动控制温度本身就比较困难。
如果水的流量变化，由于蒸汽中含有大量的热量，情况往往会迅速变化。操作人员在改变蒸汽阀门位置时的反应可能不够快。即使在阀门关闭后，线圈仍会含有一定量的剩余蒸汽，这些蒸汽将继续通过冷凝而放弃其热量。

期待改变

经验会有所帮助，但一般来说，操作者无法预测变化。在做出决定和采取行动之前，他必须观察变化。
这些因素和其他因素，如长期值班的人工操作人员的不便和成本、潜在的操作失误、过程需求的变化、准确性、条件的快速变化和多个过程的参与，都导致了对自动控制的需求。
考虑到安全问题，在例5.1.3中引入了声音警报来警告过热——自动控制的另一个原因。

自动控制

可控制的条件可能是温度、压力、湿度、液位或流量。这意味着测量元件可以是温度传感器、压力传感器或变送器、液位检测器、湿度传感器或流量传感器。
操纵变量可以是蒸汽，水，空气，电力，石油或天然气，而被控制的设备可以是阀门，阻尼器，泵或风扇。
为了演示基本原理，本模块将以阀门为控制设备，以温度为控制条件，以温度传感器为测量元件。

自动控制元件

图5.1.4说明了基本控制系统的组成部分。传感器向控制器发出信号。控制器可以从多个传感器接收信号，根据这些信号确定是否需要对被操纵变量进行更改。然后命令执行器将阀门移动到不同的位置;根据需要是更开放还是更封闭。

控制器一般按驱动它们的能源来源分类，电气的，气动的，液压的或机械的。
执行器可以看作是马达。与控制器一样，执行器也根据驱动它们的能量来源进行分类。
阀门的分类是根据它们用来开启或关闭流孔的动作，以及它们的阀体结构，例如，它们是由滑动主轴组成还是具有旋转运动。
如果系统元素与系统部分(或设备)相结合，那么“需要做什么?”，而不是“它是怎么做到的?”，可以看到。
其中一些术语可能还不为人所熟悉。但是，在第5区块的以下部分中，将讨论之前图纸中显示的所有单独组件和项目。