基本的控制理论

控制循环

该模块介绍了对完整控制系统的讨论，由阀门，执行器，传感器，控制器和过程本身的动态组成。

控制回路

一个开环控制系统

开环控制简单意味着从受控条件没有直接反馈;换句话说，没有从控制下的进程或系统中发送信息，以建议控制器需要纠正措施。图5.3.1所示的加热系统通过使用加热室外的传感器来演示这一点。图5.3.1所示的系统不是实用加热控制系统的一个例子;它只是用来描绘开环控制的原理。

该系统由一个比例控制器和一个外部传感器组成，该传感器可以感知周围的空气温度。控制器可以设置一个相当大的比例带，这样在环境温度为-1°C时阀门是全开的，在环境温度为19°C时阀门是全关的。由于环境温度会对建筑的热损失产生影响，因此希望控制室内温度。

然而，由于其他因素，没有关于室温和加热的反馈。

在温和的天气中，虽然正在控制水流，但是太阳能增益等其他因素可能导致房间过热。换句话说，开放控制趋于提供对应用的粗略控制。

图5.3.2描述了一个稍微复杂一些的带有两个传感器的控制系统。

该系统采用三端口混合阀，配有执行器、控制器和外部空气传感器，再加上水管中的温度传感器。

外部温度传感器向控制器提供远程设定点输入，用于偏移水温设定点。这样，闭环控制适用于流经散热器的水温。

当外面冷时，水在其最高温度下流过散热器。随着外部温度升高，控制器自动降低流过散热器的水的温度。

然而，就室温而言，这仍然是开放的环路控制，因为没有建筑物或空间的反馈。如果散热器发生过大或设计错误，仍会发生过热。

闭环控制

非常简单地，闭环控制需要反馈;从进程或系统发送的信息发送。使用图5.3.3所示简单的加热系统，添加内部空间温度传感器将检测室温并相对于房间提供闭环控制。

在图5.3.3中，阀门和致动器通过房间内的空间温度传感器控制，从实际室温提供反馈。

干扰

扰动是进入过程或系统，使受控介质的值发生扰动的因素。这些干扰可能是由负载变化或外部影响引起的。

例如;如果在一个简单的加热系统中，一个房间突然充满了人，这将构成一种干扰，因为它会影响房间的温度和保持所需空间温度所需的热量。

反馈控制

这是另一种闭环控制。反馈控制会考虑干扰并将此信息馈送回控制器，以允许采取纠正措施。例如，如果大量的人进入房间，则空间温度会增加，然后将导致控制系统将热量减少到房间。

前馈控制

在前馈控制中，任何扰动的影响都可以在事件实际发生之前预测并考虑到。

一个例子是将锅炉带到高火之前，然后在线带来大型蒸汽处理厂。事件序列可能是处理设备接通。这种动作，而不是将蒸汽阀打开到该过程，指示锅炉燃烧器对高火。只有在达到高火位置时，蒸汽阀才能打开，然后以缓慢，受控的方式打开。

单环控件

这是最简单的控制环，涉及一个受控变量，例如温度。为了解释这一点，认为蒸汽到水热交换器如图5.3.4所示。

在图5.3.4中唯一控制的变量是离开热交换器的水的温度。这是通过控制向热交换器提供蒸汽的2端口蒸汽阀来实现的。主传感器可以是一个热电偶或PT100铂电阻温度计，测量水温。

控制器将来自传感器的信号与控制器上的设定点进行比较。如果存在差异，则控制器将信号发送到阀的致动器，这又将阀门移动到一个新位置。控制器还可以包括输出指示器，其示出了阀门开口的百分比。

单控制回路提供了加热系统和工业过程的绝大多数控制。

用于单个控制循环的其他术语包括：

• 设置值控制
• 单闭环控制。
• 反馈控制。

多环控制

以下示例考虑了慢速移动木材的产品应用，必须控制到特定的湿度水平（见图5.3.5和5.3.6）。

在图5.3.5中，输送机末端的单个湿度传感器控制熔炉的加热量。但是，如果由于供水压力的波动而导致喷水速率发生变化，产品到达输送机的远端和湿度传感器发生反应可能需要10分钟左右。这将导致产品质量的变化。

为了改善控制，可以在喷水后立即安装另一个控制回路上的第二湿度传感器，如图5.3.6所示。该湿度传感器为控制器提供了一个远程设定点输入，该控制器用于抵消本地设定点。本地设定点设置在炉子后所需的湿度。这以简单的形式说明了多环控制。

这种湿度控制系统由两个控制循环组成：

• 环1控制添加水。
• 环2控制水的去除。

在此过程中，因素会影响循环。一些因素，如水压会影响两个环。循环1将尝试纠正此问题，但任何产生的错误都会对循环2产生影响

级联控制

当需要用一个阀控制两个自变量时，可以采用串级控制系统。

图5.3.7显示了充满液体产品的蒸汽夹套容器。该过程的基本方面非常严谨：

• 容器中的产品必须加热到一定的温度。
• 蒸汽不得超过一定的温度，或者产品可能被宠坏
• 产品温度不能比一定速率更快地增加，或者产品可能被损坏。

如果在液体中的传感器中使用了正常的单环控制，则在处理的开始时，传感器将检测到低温，并且控制器将使阀门发出通知阀门以移动到完全打开位置。这将导致由夹克中过度的蒸汽温度引起的问题。

。

解决方案是使用级联控制，使用两个控制器和两个传感器:

• 从控制器（控制器2）和传感器监控夹套中的蒸汽温度，并将信号输出到控制阀
• 主控制器(控制器1)和传感器监测产品温度与控制器输出直接到从控制器。
• 来自主控制器的输出信号用于改变从控制器中的设定点，确保不超过蒸汽温度。

示例5.3.1级联控制的示例应用于过程容器

将液体温度从15℃加热至80℃并保持在80℃下两小时。

在任何情况下，蒸汽温度不能超过120°C。

产品温度不得比1°C /分钟更快地增加。

主控制器可以倾斜，使水温的上升速率不高于指定的速率。

主控制器设置为反向作用模式，使其在低温时向从控制器输出信号为20 mA，高温时输出信号为4 mA。

从控制器上的远程设定点设置为当蒸汽温度为80°C时，其输出信号为4 mA，当蒸汽温度为120°C时，20 mA。以这种方式，蒸汽的温度不能高于由系统容忍的温度，并且夹套中的蒸汽压力不能高于1巴g，饱和压力在120℃。

过程动力学

这是一个非常复杂的主题，但这部分文本将涵盖最基本的考虑因素。

术语“时间常数”涉及执行器运动所采取的定义，已经在模块5.1中概述了;但要重申，控制系统由于在温度或其他变量的给定步长而导致的导致控制系统达到其总运动的大约三分之二的时间。

控制系统的其他部分也将具有类似的基于时间的响应——控制器及其组件和传感器本身。在仪器的输入和随后的输出之间，所有仪器都有一个时滞。即使是传动系统也会有时滞——这不是电气/电子系统的问题，但气动传动系统可能需要考虑这个因素。

图5.3.8和5.3.9显示了用于热电偶的典型响应滞后，该延迟已安装到用于感测水温的口袋中。

除了传感器响应的延迟，控制系统的其他部分也会影响响应时间。在气动和自动系统中，阀门/执行器的运动趋于平稳，并且在比例控制器中，与传感器处的温度偏差成正比。

通过电动执行器，由于电机移动控制连杆所需的时间，存在延迟。因为控制信号是一系列脉冲，所以电动机提供运动突发，然后致动器静止的时间。响应图（图5.3.10）描绘了这一点。但是，由于过程响应的延迟，最终受控温度仍然可以光滑。

该模块覆盖的控制系统仅考虑稳态条件。然而，在某些行为模式之后，控制的过程或工厂可能受到差异。控制系统需要以可预测的方式使过程表现。如果该过程是迅速变化的过程，则控制系统必须能够快速反应。

如果该过程经历缓慢的变化，则对控制系统的操作速度的要求并不是那么严格。

关于控制器和控制系统的静态和动态行为——灵敏度、响应时间等等，有很多文献记载。可能最重要的考虑因素是整个控制回路的时滞。

过程的动态需要考虑选择正确类型的控制器，传感器和执行器。

过程反应

这些动态特性由过程的反应定义在控制设置的突然变化中，称为步进输入。这可能包括设定温度立即变化，如图5.3.11所示。

系统的响应如图5.3.12所示，在过程温度开始增加之前，显示出一定量的死区时间。这种死区时间是由于由移动到其新位置的电动致动器引起的控制滞后。时间常数根据系统的动态响应而异，受到传感器是否容纳在口袋中的那样的影响。

由于系统，任何两个过程的响应都可以具有不同的特性。

在图5.3.12中，在图形上显示了死区时间和系统响应对突然输入变化的效果。

对输入变化具有快速初始响应速率的系统通常被称为具有一阶响应。

对输入变化的响应初始速率缓慢的系统通常被称为具有二阶响应。

图5.3.13中所示的过程响应基本类型的基本类型的基本类型（死区时间，第一阶响应和二阶响应）的概述。