第八章 自动控制技术基本知识
第一节 自动控制基础知识
海上采油生产过程的特点是，原油以水、油、气的混合状态，连续地在密闭的管道和容器中进行分离。操作是在规定的流量、压力、温度下进行的。这要求必须在生产设备上配置自动化设备(包括计算机等) ，自动地检测生产运行状况，如流量、液位，压力，温度、油含水量等参数的大小，并根据要求严格地控制这些参数处于规定值，以求优质、高产，安全地进行生产，并大大降低操作人员的劳动强度。这种用自动化设备管理海上采油生产过程的办法称为海上采油生产过程自动化。
1．1仪表常用缩写字母
英文名称 英文缩写 中文名称
TEMPERATURE WELL TW 温井
TEMPERATURE INDICATOR TI 温度表 TEMPERATURE TRANSMITTER TT 温度变送器 TEMP INDICATOR CONTROLLER TIC 温度显示控制器 TEMPERATURE CONTROL VALVE TCV 温度控制阀 TEMPERATURE SWITCH HIGH TSH 温度高开关 TEMPERATURE SWITCH HIGH HIGH TSHH 温度高高开关 TEMPERATURE SWITCH LOW TSL 温度低开关 TEMPERATURE SWITCH LOW LOW TSLL 温度低低开关 TEMPERATURE ALARM HIGH TAH 温度高报警 TEMPERATURE ALARM HIGH HIGH TAHH 温度高高报警 TEMPERATURE ALARM LOW TAL 温度低报警 TEMPERATURE ALARM LOW LOW TALL 温度低低报警 PRESSURE INDICATOR PI 压力表
PRESSURE TRANSIMITTER PT 压力变送器 PRESSURE INDICATOR CONTROLLER PIC 压力显示控制器 PRESSURE CONTROL VALVE PCV 压力控制阀 PRESSURE SWITCH HIGH PSH 压力高开关 PRESSURE SWITCH HIGH HIGH PSHH 压力高高开关 PRESSURE SWITCH LOW PSL 压力低开关 PRESSURE SWITCH LOW LOW PSLL 压力低低开关 PRESSURE ALARM HIGH PAH 压力高报警 PRESSURE ALARM HIGH HIGH PAHH 压力高高报警 1
PRESSURE ALARM LOW PAL 压力低报警 PRESSURE ALARM LOW LOW PALL 压力低低报警 PRESSURE DIFFERENT SWlCH HIGH PDSH 差压高开关
PRESSURE DIFFERENT SWICH LOW PDSL 差压低开关
PRESSURE DIFFERENT ALARM LOW PDAL 差压低报警 PRESSURE DIFFERENT ALARM HIGH PDAH 差压高报警 LEVEL INDICATOR LI 液位计
LEVEL GLASS TUBE LG 液位玻璃管
LEVEL TRANSIMITTER LT 液位变送器
LEVEL INDICATOR CONTROLLER LIC 液位显示控制器 LEVEL CONTROL VALVE LCV 液位控制阀
LEVEL SWITCH HIGH LSH 液位高开关
LEVEL SWITCH HIGH H1GH LSHH 液位高高开关 LEVEL SWITCH LOW LSL 液位低开关
LEVEL SWITCH LOW LOW LSLL 液位低低开关 LEVEL ALARM HIGH LAH 液位高报警
LEVEL ALARM LOW LOW 液位低报警
LEVEL ALARM HIGH HIGH LAHH 液位高高报警 LEVEL ALARM LOW LOW LALL 液位低低报警 FLOW INDICATOR Fl 流量表
FLOW TRNSIMITTER FT 流量变送器
FLOW INDICATOR CONTROLLER FIC 流量显示控制器 FLOW CONTROL VALVE FCV 流量控制阀
PRESSURE SAFETY VALVE PSV 压力安全阀
SHUT DOWN VALVE SDV 关断阀
BLOW DOWN VALVE BDV 排空阀
UNIT SHUT DOWN USD 单元关断
PROCESS SHUT DOWN PSD 系统关断
EMERGENCY SHUT DOWN ESD 紧急关断
PROGRAMA ．LOGICAL CONTROLLER PLC 可编程逻辑控制器
一、管线及仪表图 （P&I图）
在海洋石油的自动化控制系统设计与使用中，管路及仪表图、仪表回路图、方框图、程序控制梯形逻辑图是操作人员、仪表维修人员必须掌握的知识，下面简单介绍这几种图。
P&I图是用线条、圆形和球形为基础的符号将平台上各设备橇块内的配管及仪表布局和外部接口进行综合描述，P&I图中既表明了物料的流向又标明了所用现场仪表的类型、设点、安
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装位置及仪表的外接口情况。
图8－1 管路标记
1、管路及仪表图
对仪表管路、气动管路、液动管路以及电路所做的标记如图8－1所示；
2、各类仪表的位置标记符号如图8－2所示；
图8－2 仪表的位置标记符号
3、与海上平台的管路及仪表图有关的常用符号如控制阀、减压阀等如图8－3所示。
图8－3 管路及仪表图常用符号
在仪表回路中，操作标志的第一个字母应根据该回路所测变量来选择。如P 代表压力、T 代表温度、F 代表流量、L 代表液面。
标准的模拟直流信号规定：电流信号4－20mA 直流，电压信号为1-5V 直流。标准的电流信号应该能把额定电流输送到0~600Ω（最小）范围内的任何外部负载。标准电压输出信号所具
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有的电阻应不大于250Ω。
除非有特别要求，仪表系统的信号一般是电源的负极。
图8－4给出一典型的管道及仪表流程图。
图8－4 典型的管道及仪表流程图
二、仪表回路图
仪表回路图（如图8－5）
是管路及仪表图的延伸。回路图展示了仪表的横向连接，把仪表控制盘的配线、施工和仪表盘的测试连成一体，表明了现场仪表、现场接线盒、就地控制盘、中央控制系统间的接线情况。在投产、启动、操作和维修期间，回路图对测试和校准是非常有用的。对仪表回路图中所有组件都必须做出标记，这些标记也必须符合管线及仪表图的规定。
图8－5 仪表回路图
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三、方框图
方框图也称为方块图，每个方块表示组成系统的一个“环节”，也代表
一个具体实物，两个方框之间用一条带有箭头的线条表示其相互关系。箭头表示作用方向，线上的字母表示相互之间的作用信号。一般方框是单方向作用的，也就是说方块的输入会影响输出，但输出不会反过来影响输入。还需注意的是，方框与方框之间的连接线，只是代表方框之间的作用关系，并不代表方框之间的物料关系，方块间连接线的箭头也只是代表信号作用的方向，与工艺流程图中物料流向不同。方块图一般不画出显示仪表。
图8－6方框图
五、梯形逻辑图
梯形逻辑图是实现自动化顺序控制的常用方法。其实现顺序控制的优点是直观而且符合人们的习惯。除了集散控制系统（DCS ）之外，几乎所有的过程逻辑控制（PLC ）均是采用此方法进行顺序控制。梯形逻辑图（LADDER LOGIC DIAGRAM）是随着继电器控制系统的“软件”而产生的一种解释执行程序设计语言。这些系统中除了包括基本的触点、线圈以及逻辑与、或、非关系，还包括了诸如定时器、计数器、数字算法、寄存器运算、数据转换等。此外，它还可以方便地将LADDER 逻辑控制回路同连续调节控制算法通过数据库连接起来，以实现更复杂的功能。
因为梯形逻辑图是由继电器逻辑电路演变而来，其书写格式也类似于继电器梯形逻辑电路图，PLC 梯形从上至下按行绘制，两侧的竖线类似于电器控制电源线，每一行从左至右，左侧是安排输入接点，并且把并接点多的支路靠近最左端。输入接点不论是外部的按钮，行程开关，还是继电器接点，在图形符号上只用常开和常闭而不关其物理属性。图8－7是一个典型的梯形逻辑图。
图8－7 梯形逻辑图
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第二节 自动调节系统
一、自动调节系统及其组成
自动调节系统是在人工调节的基础上产生发展起来的。所以，在开始介绍自动调节的时候，先分析人工操作，并与自动调节加以比较，对了解和分析自动调节系统是有裨益的。 图8－8所示是一个液体贮罐，在生产中常用为一般的容器，从前一工序出来的液体不断地流入罐中，而从罐中流出的液体又送至下一工序进行加工。生产要求维持罐中液位只能在一小范围内变化，罐上装有玻璃管液位计可供观测罐中液位高低。我们可以发现这一岗位的操作存在一个问题，即前一工序来的液体流量往往是不恒定的。当来料流量大的时候，液位上升，来料流量小的时候液位下降。为了维持液位一定，人工操作的方法是，眼看液位计指示值，发现高时，开大阀门，增加流出量，发现液位低时，关小阀门，减少流出量，从而维持罐中液位一定。归纳起来操作人员进行的工作是：①观察玻璃管液位计的指示值，②将指示值与要求值进行比较，算出两者的差值，③根据差值的方向开或关阀门，根据差值的绝对值大小确定开或关阀门的多少，④将上述三步工作不断重复下去，直至液位达到要求值为止，这个过程就叫做调节。图8－8中调节的指标是液位，所以也叫液位调节。生产中还有温度调节、压力调节，流量调节等。由人来直接进行调节的工作，就叫做人工调节。
图
8－8液体贮罐 图8－9自动调节示意图
假若用一个自动化装置来代替上述人工操作，就叫做液位自动调节。液体罐和自动化装置一起的全部设备，构成了一个自动调节系统，如图8－8所示。由图可知自动化装置包括三个部分。第一部分是测量罐中液位并将液位的高低变成一种特定的信号(如气压、电流、位移等) 输出的仪器，这个仪器被称做测量元件和变送器。第二部分是自动调节器，即根据测量元件或变送器来的信号，与工艺上需要保持的液位高度加以比较，按已设计好的运算规律算出应给阀门的信号大小，把此信号(气压，电流等) 传送给阀门。第三部分是调节阀，它和普通的阀功能相同，只不过它能根据调节器送来的信号值自动地改变阀门开度。当一套自动化装置具有这三部分仪器后，上述人工调节的工作就能由自动化装置代替。
二、基地式调节仪表和单元组合仪表
测量元件，变送器，调节器是三个不同的仪表，变送器的作用可做如下解释：假如测量元件发出的测量信号(如位移或力等) 与调节器要求的输入信号(如气压或电流) 不相符合时，6
则需要增加一个将测量信号变换为调节器所需输入信号的装置，即变送器。也可以把测量元件与调节器装在一起，设计制造一台仪器，省掉中间配合的变送器，这种仪表被称为基地式调节仪表。50年代以前生产的仪表多属这种类型．显然基地式调节仪表运用的局限性较大，如一台基地式液位调节器不能用于温度调节，也不能用于压力调节，更不便于与其他仪
表配合组成复杂的调节系统。为了克服基地式调节仪表的不足，50年代出现了单元组合仪表系列，该系列中有各式各样的变送器，如温度变送器、压力变送器，差压变送器等，这些变送器的作用是把测量元件的输出转换成规定的统一信号(如直流电流4～20mA 或气压0．02～0.1Mpa) 。调节器或其他仪器(显示器、加减器，乘除器等) 的输入输出信号均为上述统一信号。阀门的输入信号也是相同的统一信号。单元组合仪表的调节仪表可作液位调节也可作温度或其他参数调节，各仪表之间的信号联系都是统一信号，这样可方便地构成复杂的控制系统或运算系统。这些特点是基地式调节仪表所不具备的。但基地式仪表，一台仪表完成多种功能(测量、显示、调节等) ，构成简单调节系统显得便宜、方便、操作简单。
三、自动调节系统的方框图
自动调节系统中的工艺生产设备，如上例中的液体罐，叫做调节对象或简称对象。而生产中要求保持不变的工艺指标，如上例中的液位高度，称为给定值。根据调节器输出信号变化而驱动调节对象变化的机构(如阀门) 称为执行器．在研究自动调节系统时，为了更清楚地表示出一个自动调节系统各个组成环节间的相互影响和信号联系，一般都用方块图来表示调节系统的组成(方块图也称方框图，在分析电路或复杂仪表时也经常应用此表示方法) 。
例如图8－9的液位自动调节系统可以用图8－10的方块图来表示。每个方块表示组成系统的一个“环节”，两个方块之间用一条带有箭头的线条表示其相互关系，箭头表示进入还是离开这个方块，线上的字母表示相互之间的作用信号。
图8－10自动调节系统
图8－8中的液罐可用一个“对象”方块表示，其液位就是生产过程中所要保持定值的参数，称为被调参数，这里用y 表示。在方块图中被调参数就是对象的输出信号。在本例中影响被调参数液位的因素来自进料流量的改变，这种引起被调参数波动的外来因素在自动调节系统中称为干扰作用，在方块图中用f 表示。干扰作用是作用于对象的输入信号，所以箭头是指向对象的。与此同时，出料流量的改变也是影响液位的因素，所以也是作用于对象的输入信号，它在方块图中把调节阀(执行器) 和对象连接在一起。液位信号是测量元件及变送器的输入，而变送器的输出信号Z(如气动液位变送器输出为气压) 进入比较机构，与给定值信
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号x 进行比较，得出偏差信号e(e=x—z) ，并被送往调节器。比较机构实际上是调节器的一部分，而不是独立元件，在图中把它单独画出来为的是说明其比较作用。给定值是人为事先规定的要求的被调参数值(这个例中为液位) ，给定值在一般调节器中均由附加的给定机构产生，有些单元组合仪表是由专用给定器产生，此时给定器是另一仪器，其输出为统一信号。调节器可接收此信号。调节器按照偏差信号e 发出信号p(如气动调节器的输出气压变化) ，送至调节阀，使阀动作克服干扰影响，阀的输出q(流出液量) 的变化为调节作用，具体实现调节作用的参数叫做调节参数，如图8－9中流过调节阀的出料流量q 就是调节参数。
四、负反馈系统
从图8－10调节系统的组成来看，要进行调节，就需要不断地把输出量又送回到输入端(与给定值比较后送入调节器) ，这种将输出反送回来又作为输入的系统，称为反馈系统，反送回来的信号称为反馈作用。由于这一反馈作用，把系统各环节连系起来，形成图8－10所示的封闭系统，故称此种系统为闭环系统或闭路系统。调节作用就是靠反馈形成的，必须恰当地选择反馈才能保证调节的质量。
首先，反馈必须有正确的方向，就是当干扰变化使被调参数(输出量) 增加时，则通过反馈作用必须使输出量减少，反之，当干扰使输出量减少时，通过反馈作用必须使输出量增加，这样才能起到调节作用。这种反馈作用引起输出量下降，称为负反馈作用。显然一个自动调节系统必须是一个负反馈系统。如果一个闭环系统没采用负反馈作用，而采用了正反馈作用，那么在干扰作用下输出量上升，反馈量Z 上升，由于是正反馈，Z 上升引起输出量上升，这样下去，会使生产遭到破坏，起不到稳定被调参数的作用。
总之，自动调节系统是具有被调参数负反馈的闭环系统，它与自动操纵，自动信号报警等开环系统有本质差别，关键就在于调节系统有负反馈。图8－11所示是一个开环系统的方块图，如化肥厂的造气自动机自动控制系统就是典型开环系统的例子。自动机在操作的时候，不管煤气发生炉有气或无气，也不管炉子是否已灭火，自动机仍然是周而复始的运转不停。自动机不能了解炉子的情况，只是盲目地不断操纵生产运行，这是开环系统工作的缺点。反过来说，调节系统具有负反馈是它的优点，它可以随时了解对象的情况，有针对性地而不是盲目地进行调节。
图8－11 自动操纵系统方块图
五、自动调节系统的分类
自动调节系统有多种分类方法，可以按工艺参数如压力，流量，温度等分类，也可以按调节规律等分类。每一种分类方法都只反映了自动调节系统的某一特点。但是，在分析自动调节系统特性时，给定值的形式不同会涉及到不同的分析方法，所以一般将调节系统按给定值的不同情况来分类，这样可将自动调节系统分为三类，即定值调节系统，随动调节系统和程序调节系统。
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(一) 定值调节系统
所谓定值就是恒定给定值的简称。工艺生产中要求调节系统的被调参数保持在一个生产技术指标上不变，这个技术指标就是给定值。化工石油生产中大多要求这种类型的系统，因此本书讨论的系统多属定值调节系统。
(二) 随动调节系统(也称跟踪系统)
这类系统的特点是给定值在不断地变化，并要求系统的输出跟着变化。如各种变送器均可看作一个随动系统，它的输出(指示值) 应严格地及时地随着输入(被测值) 而变化，这样才能既测得准又测得快。
(三) 程序调节系统
这类系统的给定值也是变的，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化．如制造胶鞋的硫化罐的温度调节系统和冶金工业金属退火炉的温度调节系统都是这类系统的例子，在一般石油化工生产中较少碰到程序调节的要求。这类系统的给定值常用凸轮或曲线板来实现，图8－12所示就是一个例子，图中曲线(a)是工艺要求的温度变化规律，图(b)是给定凸轮形状。
图8－12 程序给定示意图
(a) 时间程序曲线 (b)时间程序给定凸轮
第三节 自动调节系统的过渡过程
一、系统的静态和动态
在自动化领域内，把被调参数不随时间变化的平衡状态称为系统的静态，而把被调参数随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。当一个自动调节系统的输入（给定和干扰）恒定不变时，生产过程处于平衡状态，整个系统就处于一种相对的平衡状态，系统的各个环节如变送器，调节器和执行器都暂不动作，它们的输出信号都处于相对静止状态，这种状态就是静态。注意这里所指的静态与习惯中所讲的静态不同，习惯所说静态都指静止不动，而在自动化领域中的静态是指各参数(或信号) 的变化率为零，即参数保持常数不变。因为自动调节系统在静态时，生产还在进行，物料和能量仍然有进有出，只是平稳进行，没有改变就是
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了，如图8－2中的液位调节系统，当流入量等于流出量时，液位就不改变，此时就达到了平衡状态，亦即处于静态。但物料流动仍在进行。
假若一个系统原来处于相对平衡状态即静态，由于干扰加入或给定值改变，破坏了这种平衡状态，被调参数就会变化，从而调节器等自动化设备就起调节作用，并力图使系统恢复平衡状态。从给定或干扰的变化开始，经过调节，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中整个系统的各个环节和参数都处于变化状态之中．所以这种状态叫动态。必须指出，在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了解系统的动态更为重要。因为干扰或给定变化引起系统变化以后，需要知道系统的动态情况，并搞清系统究竟能否建立新的平衡和怎样去建立平衡。
平衡和静态是暂时的、相对的、有条件的，不平衡和动态才是普遍的、绝对的，无条件的。干扰作用不断地发生，调节作用也就不断地去克服干扰的影响，所以自动调节系统总是一直处于运动状态之中。因此研究自动调节系统重点要研究系统的动态。
二、自动调节系统的过渡过程
当自动调节系统在动态阶段中，被调参数是不断变化的，它随时间而变化的过程称为自动调节系统的过渡过程。也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。给定值变化或新的干扰的引入都会出现这种过程。一般希望被调参数的过渡过程始终保持与给定值一致，但在实际过程中难于实现，在这个过程中被调参数往往是经过一段时间变化之后逐渐接近给定值，自然希望这一段变化中被调参数偏离给定值的幅度越小越好，过渡过程所需时间越短越好。为了对过渡过程的好坏有个统一的衡量方法，研究调节系统的学者们为衡量过渡过程的优劣规定了几个指标，称之为过渡过程的品质指标。另一方面过渡过程变化的情况
与干扰(给定值变化也是一种干扰) 加入的形式有关，所以提出过渡过程品质指标应明确指出是在什么形式干扰之下的指标。现在一般使用的指标是在阶跃干扰下过渡过程的指标。所谓阶跃输入是指在平衡状态下产生阶梯性跳变干扰，如图8－13所示。图中f 。与x 。表示初始平衡状态的干扰量与给定值，△f 与△x 表示阶跃变化的干扰量与给定值。t 代表时间。
图8－13
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在干扰作用下过渡过程的形式一般有图1－3－2表示的几种，稳定的生产是(c) (d)二种，而(a) (b)是不希望的情况，所以被调参数过渡过程的指标是指类似于(c) (d)情况下的指标。
图8－14过渡过程的几种基本形式
图8－14是衰减振荡过渡过程的示意图，其中(a)是阶跃干扰作用影响下的过程，(b)是给定值阶跃变化作用下的过程。前者是定值调节系统的过程，后者是随动调节系统的过程。用过渡过程衡量系统质量时，习惯上用下述几个指标。
(一) 衰减比
虽然前面已提及一般希望得到衰减振荡的过渡过程，但是衰减到什么程度为适当呢? 表示衰减程度的指标是衰减比，也就是前后两个峰值的比，在图3-3中衰减比是B ：B ’ ，习惯上表示为n ：1。衰减比为1时是等幅振荡，是一种不平稳的生产情况，一般生产中不允许出现这种情况。如果n 很大则接近非振荡过程，调节过程显得工作迟钝，不灵敏，通常也不是大家欢迎的。一般以n 为3～10之间为宜。图3－3中的曲线就是接近4：1的。因为衰减比在3：1到10：1之间时，过渡过程开始阶段的变化速度比较快，被调参数在受到干扰的影响和调节作用的校正后，能比较快地达到一个峰值，然后就马上下降又较快地达到一个低峰值。当操作人员看到这种情况后，心里就很安定。因为他知道被调参数再振荡数次就会稳定下来，并且最终的稳定值必然是在高低峰值之间，决不会出现太高或太低的现象，更不会出现造成事故的数值。尤其是在反应比较缓慢的情况下，衰减振荡过程的这一特点尤为重要。对于这种系统，假若过渡过程是非振荡过程，很可能操作人员在较长时间内都只能看到被调参数一直上升(或下降) ，似乎很自然地会怀疑参数是否会继续上升(或下降) 不止。由于这种焦急的心情．很可能会导致拨动给定指针或仪表上的其他旋钮。假若一旦出现这种情况，那么这样的拨动指针或旋钮，等于施加入人为的干扰，结果必然使被调参数离开给定值更远，这就可能造成恶性循环，使系统处于不可控制的状态。选择衰减振荡的过渡过程并规定衰减比为3 ：1到10：1之间，完全是多年来操作经验的总结。
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(二) 余差
余差就是过渡过程终了时的残余偏差，在图8－15中以C 表示，它也就是被调参数的稳定值与给定值的差，其值可以是正也可以是负。在生产中给定值是生产的技术指标，所以被调参数越接近给定值越好，亦即余差越小越好。但是在实际工作中也并不需要每个系统的余差都很小，如一般的液位调节，要求就不高。这种系统往往允许液位有较大的变化范围，余差就可以大一些。又如化学反应器的温度调节要求就比较高(一般温度与产品质量有关) ，应当尽量消除余差。消除余差的方法在以后的内容中介绍。
图8－15 过渡过程质量指标示意图
（a ）阶跃干扰作用时 (b)阶跃给定作用时
有余差的调节过程称为有差调节，相应的系统称为有差系统。没有余差的调节过程称为无差调节，相应的系统称为无差系统。
(三) 最大偏差
前已述及偏差是被调参数的指示值与给定值的差。对于衰减振荡过程，最大偏差是第一个波的峰值，在图8－15中以A 表示。最大偏差表示系统瞬时偏离给定值的最大程度，若偏离越大，偏离的时间越长，系统离开规定的生产情况就越远，对生产越不利。因此，最大偏差可以作为衡量质量的一个指标。对于一些有危险限制的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限，触媒烧结温度极限，加热炉炉膛温度极限等，都有限制允许最大偏差的条件。同时考虑到干扰会不断出现，偏差是叠加的，这就更限制了最大偏差的允许值．所以在决定最大偏差允许值时，要根据生产情况慎重考虑。
有时也用超调量来表征被调参数的偏离程度，在图8－15中超调量用B 表示，从图看出 12
它是第一个峰值与新稳定值之差，并A ＝B+C，有时超调量也表示为余差的百分数即(B／
C)X100％。无余差时不能用百分数表示。
(四) 过渡时间
从干扰发生起，直到被调参数又建立新的平衡状态为止，这一段时间叫做过渡时间。从数学概念讲，被调参数完全稳定在新的稳定状态需要无限长的时间。实际上由于仪表的灵敏度限制，当被调参数靠近稳定值时，指示值就不再改变了。所以有必要在可以测量的区域内，在稳定值上下规定一个小的范围，当指示值进入这一范围而不再越出时，就认为被调参数已经达到稳定值。这个范围一般定为稳定值的±5％。按照这个规定，过渡时间就是从干扰开始作用之时起，直至被调参数进入稳定值的±5％的范围之内所经历的时间。过渡时间短，表示过渡过程进行得比较迅速，这时即使干扰频繁出现系统也能适应，调节质量高。反之过渡时间太长，几经叠加起来的干扰影响，可能会使被调节参数大大远离给定值，长期远离给定值，使系统满足不了生产要求。
(五) 振荡周期或频率
过渡过程从第一个波峰到第二个波峰之间的时间叫周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比。一般希望周期短一些为好。
还有一些不常用的指标，如振荡次数，指在过渡时间内被调参数振荡的次数。所谓理想过渡过程是两个波，就是指过渡过程振荡两次就能稳定下来，它将被认为是良好的过程。这种情况约近于4：1的衰减比。上升时间也是一个指标，它是指干扰变化之时起，至第一个波峰时所需要的时间，显然上升时间以短一些为宜。
综上所述，过渡过程的质量指标主要有：衰减比、余差，最大偏差或超调量，过渡时间等。这些指标在不同的系统中各有其重要性，因此应根据具体情况分清主次，区别轻重，对于主要的指标应优先予以保证。
第四节 基本控制系统
为了使一个生产过程自动化，必须对该生产过程的规律有深刻的了解。根据实际的生产条件，应用自动控制的基本理论，确定合理的控制方案，经过现场调试，合理维护，才能保证正常运行。
本节从实际应用的角度出发，重点讨论了简单调节系统，设计、调试、投运，维护等问题，并且结合实际的生产过程控制系统进行了分析。
一、简单调节系统
本节所讨论的简单调节系统是使用最普遍，结构最简单的一种自动调节系统。所谓简单调节系统，通常是指由一个测量元件、变送器、调节器、调节阀和对象所构成的闭环调节系统，因此也称为单回路调节系统。
下一节所要讨论各种复杂调节系统都是在简单调节系统的基础上构成的。所以，搞清楚简单调节系统的结构，原理、调试及使用是十分重要的。
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1、简单调节系统的组成
图8－16的液位调节系统与图8－17的温度调节系统都是简单调节系统的例子。图中⊕表示测量元件及变送器。调节器用小圆圈表示，圆内写有两位(或三位) 字母，第一位字母表示被测变量，后续字母表示仪表的功能。常用被测变量和仪表功能的字母代号见表4－1。
图8－16的液位调节系统中，贮槽是调节对象，液位是被调参数，变送器将反映液位高低的信号送往液位调节器LC 。调节器的输出信号送往调节阀，调节阀开度的变化使贮槽输出流量发生变化以维持液位稳定。
图8－17的温度调节系统，是通过改变进入换热器的载热体流量，以维持换热器出口物料的温度在工艺规定的数值上。
简单调节系统的典型方块图如图8－18所示。
2、被调参数的选择
根据工艺要求而设计的单回路调节系统，是为工艺上某一目的服务的。例如为了控制工艺操作参数，设计了液面，压力、流量、温度等调节系统，很明显被调参数就是液面，压力，流量及温度等。但在实际工作还存在一些特殊情况：
一种是某些质量指标，因无合适的测量方法直接地反映质量指标，从而采取用测量间接指标的办法。选用间接指标要注意与直接指标之间必须有单值线性对应关系和足够大小的信号，或是存在一定的数学关系。
另一种情况是虽有直接参数可测，但信号微弱，还不如选用具有单值线性对应关系的间接信号为好。
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图8－16 液位调节系统 图8－17温度控制系统
被调参数的选择十分重要，它关系到系统能否达到稳定操作，增加产量、提高质量、改善劳动条件等目的，关系到调节方案的成败。如果被调参数选取不当，不管组成什么型式的调节系统，也不管配上多么精确的工业自动化仪表，都不能达到预期的调节效果。
被调参数的选择是与生产工艺密切相关的。我们知道，影响一个生产过程正常操作的因素是很多的，但并非所有影响因素都要加以自动调节。我们必须深入实际，调查研究，分析工艺，找出影响生产的关键参数作为被调参数。关键参数即对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用，而人工操作又难以满足要求的，或者虽然人工操作可以满足要求，然而，这种操作是既紧张而又频繁的。
例如：要对一个产生饱和蒸汽的锅炉蒸汽质量进行调节。有三种方案：
(1) P (压力) 与T (温度) 皆为被调参数；
(2) T为被调参数；
(3) P为被调参数。
为了使所选的方案最为合理，必须深入了解工艺，首先弄清表征饱和蒸汽的质量指标，P 与T 之间的联系，是否是独立变量，若为独立变量则应选取两个参数，否则则可取其中一个参数。如图8－19所示，应用物理化学中的相律关系进行鉴别。
图8－18 简单调节系统方框图 ( a) (b)
F＝C －P+2
式中 F——自由度。
C——组分数。
P——相数。 图8－19饱和蒸汽与过热蒸汽
作为饱和蒸汽，实质上存在着气、液两相，即户：2。而其组分皆为水，即组分数C ＝1，
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所PAF ：1—2+2＝1。表示饱和蒸汽的自由度为1，或者说独立变量只有1个，所以反映蒸汽质量，不必选两个被调参数，只要选取温度或者压力两者之一就足够了。至于究竟选压力还是温度，可从测量元件时间常数小，元件简单可靠等方面来考虑，以选择压力为宜。
如果不遵循独立被调参数，即为调节系统数的原则，当设计出既有温度，又有压力为被调参数的系统方案，那么这种调节系统将是无法投运的。
假如现在讨论的是过热蒸汽的质量调节，因为蒸汽在过热状态下只存在一个气相，所以根据相律，其自由度为2。在这种情况下把压力与温度都选作被调参数，则是完全必要的。
总的来说，选择被调参数时，一般要遵循下列原则：
(1)被调参数应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺状态，一般都是工艺过程中比较重要的参数。
(2)被调参数在工艺操作过程中常常要受到一些干扰影响而变化。为维持被调参数的恒定，需要较频繁的调节。
(3)尽量采用直接指标作为被调参数。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被调参数。
(4)被调参数应能被测量出来，并且有足够大的灵敏度。
(5)选择被调参数时，必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。
(6)被调参数应是独立可调的。
3、调节参数的选择
当对象的被调参数被选定以后，下一步是如何构成简单调节回路，选择什么调节参数去克服干扰对被调参数的影响。为此设计调节回路时，要认真分析各种干扰，深入研究对象特性，正确地选择调节参数。干扰是影响调节系统平稳运行的破坏因素，调节参数则是克服干扰影响，使调节系统正常运行的积极因素。没有干扰就不需要调节，干扰和调节是互相矛盾的，对立的，只要合理地确定调节参数，正确地选择调节通道，组成一个可控性良好的调节系统后，就能有效地克服干扰影响，使被调参数回复到给定值。
一般来说，选择调节参数的原则是：
(1)首先要考虑工艺上的合理性，除物料平衡调节外，应避免用主物料流量为调节参数，调节参数应有克服干扰影响的校正能力。
(2)调节参数应是可控的，即工艺上允许
调节的参数。
(3)调节参数一般应比其他干扰对被调
参数的影响更加灵敏。为此，应通过合理选
择调节参数，使调节通道的放大倍数适当大，
时间常数适当小，滞后时间尽量小。为使其
他干扰对被调参数的影响减小，应使干扰通
道的放大倍数尽可能小，时间常数尽可能大。
干扰通道与调节通道如图8－20所示 图8－20 干扰通道与调节通道示意图
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二、调节规律的选择及参数整定
1、调节规律的选择
调节系统的基本任务，在于借助调节作用
克服干扰对于系统的影响，使被调参数重新稳定。这种调节作用是调节器产生的，合理选择调节规律，就成为一个重要问题。
目前工业上常用的调节器主要有三种，比例、比例积分和比例积分微分调节器，分别简写为P 、PI 和PID 。
首先，我们对各类调节器进行大概分类。
按调节系统是否需要消除余差，可把调节器分
为两大类：一类为有差调节器(比例调节器，比例微分调节器) ，另一类为无差调节器(比例积分调节器，比例积分微分调节器) 。
按调节系统是否需要克服容量滞后，调节器又可以分为两大类，一类为有微分调节器(比例微分调节器，比例积分微分调节器) ，另一类为无微分调节器(比例调节器，比例积分调节器) 。
选择哪种调节规律主要是根据调节器的特性和工艺的要求来决定。
（1）比例调节器的特点
调节器的输出与偏差成比例，阀门位置与偏差之间有一一对应关系。当负荷变化时，比例调节器克服干扰能力强，过渡过程时间短。在常用调节规律中，比例作用是最基本的调节规律，不加比例作用的调节规律是很少采用的。但是，纯比例调节器在过渡过程终了时存在余差。负荷变化愈大，余差就愈大。
比例调节器适用于调节通道滞后较小，负荷变化不大，工艺上没有提出无差要求的系统。如一般的精馏塔塔釜液位、贮槽液位、冷凝器液位和不太重要的蒸汽压力等。
（2）比例积分调节器的特点
积分作用使调节器的输出与偏差的积分成比例，故过渡过程结束时无余差，这是积分作用的显著优点，但是，加上积分作用，会使稳定性降低。虽然在加上积分作用的同时，可以通过加大比例度(比例度与放大倍数为反比关系) ，使稳定性基本保持不变，但超调量和振荡周期都相应增大，过渡过程时间也加长。
比例积分调节器是使用最多，应用最广的调节器。它适用于调节通道滞后较小，负荷变化不很大，工艺参器不允许有余差的系统。如流量、压力和要求严格的液位调节系统，常采用比例积分调节器。
（3）比例积分微分调节器的特点
微分作用使调节器的输出与偏差变化速度成比例。它对克服容量滞后有显著效果。在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性，再加上积分作用可以消除余差。
比例积分微分调节器适用于容量滞后较大，负荷变化大，调节质量要求较高的系统，目前应用较多的是温度系统。对于滞后很小或噪声严重的系统，应避免引入微分作用，否则会由于参数的快速变化引起调节作用的大幅度变化，严重时会导致调节系统不稳定。
17
2、调节器参数的工程整定
一个自动调节系统的过渡过程或者调节质量，与调节对象的特性、干扰形式与大小，调节方案的确定及调节器的参数整定有着密切关系。对象特性和干扰情况是受工艺操作和设备特性限制的。在确定调节方案时，只能尽量设计合理，并不能任意改变它。一旦方案确定之后，对象各通道的特性就已成定局。这时调节质量只取决于调节器参数的整定了。所谓调节器参数的整定，就是按照已定的调节方案，求取使调节质量最好的调节器参数值。也就是确定最合适的调节器比例度δ、积分时间T i和微分时间TD 。
整定的方法很多，这里只介绍几种工程上最常用的方法。
（1）临界比例度法
这是目前使用较多的一种方法。它是先通过试验
得到临界比例度δk 和临界周期T k，然后根据经验
总结出来的关系求出调节器各参数值。具体作法如
下：
在闭环调节系统投入自动后，先将调节器变为纯
比例作用，即将了，放在“∞”位置上，TD 放在“0”
位置上，在干扰作用下，从大到小地逐渐改变调节器
的比例度δ、每改变δ一次，做一次定值干扰试验，
观察控制过程曲线，观察被调参数是否达到临界振荡
状态，一直试验到比例度减小到被调参数作临界振荡 图8－21 临界比例度实验曲线 为止。临界振荡曲线如图4－6所示。这时控制系统已处于“稳定边界”。这时的比例度叫临界比例度δK ，周期为临界振荡周期Tk 。记下δk 和Tk ，然后按表4－2中的经验公试计算出调节器的各参数整定值。
临界比例度法比较简单方便，容易掌握和判断，适用于一般的调节系统。但是对于临界比例度很小的系统不适用。因为临界比例度很小，则调节器输出的变化一定很大，被调参数容易超出允许范围，影响生产的正常进行。临界比例度法是要使系统达到等幅振荡后，才能找出δk 与Tk ，对于工艺上不允许产生等幅振荡的系统亦不适用。
（2）衰减曲线法
衰减曲线法是通过使系统产生衰减振荡来整定调节器的参数值的。具体作法与临界比例度法相同，只是要求得到的响应曲线不是等幅振荡曲线，而是直至出现4：1减比的曲线为止。如图8－22(a)所示，记下此时的比例度δs(4:1衰减比例度) ，并从曲线上得出衰减周期Ts ，然后根据表4－3中的经验公式，求出调节器的参数整定值。
1
8
临界比例度法调节器参数计算表 表8－2
有的过程，
4:1衰减仍嫌振荡过强，可采用10:1
衰减曲线法。方法同上，得到10:1衰减曲线后，如图
4－7(b)所示，记下此时的比例度δs ’和最大偏差时
间了。(又称上升时间) ，然后根据表4－4中的经验公
式，求出相应的δ，Ti ，TD 值。
采用衰减曲线法应注意以下几点：
(1)加的干扰幅值不能太大，要根据生产操作要求来定。
(2)必须在工艺参数稳定情况下才能施加干扰，否则得
不到正确的δs ，Ts ，或δs' 和To 值。
（3) 对于反应快的系统，如流量、管道压力和小容量
的液位调节等，要在记录曲线上严格得到4:1衰减曲
线比较困难，一般以被调参数来回波动两次达到稳定，
就可以近似认为达到了4:1衰减过程。
衰减曲线法比较简便，适用于一般情况下的各种参
数的调节系统。但对于干扰频繁，记录曲线不规则，不
断有小摆动时，由于不易得到正确的衰减比例度δs 和 图8－22 衰减实验曲线 衰减振荡周期Ts ，使得这种方法难于应用。
4:1衰减曲线法调节器参数计算表 表4－3 1 0:1衰减曲线法调节器参数计算表
表8－4
（3）经验凑试法
经验凑试法是长期的生产实践中总结出来的一种整定方法。它是根据经验先将调节器参数放在一个数值上，直接在闭环系统中，通过改变给定值施加干扰，在记录仪上观察过渡过
19
程曲线，运用δ，T i、TD 对过渡过程的影响为指导，按照规定顺序，对比例度δ、积分时间Ti 和微分时间TD 逐个整定，直到获得满意的过度过程为止。
各类调节系统中调节器参数的经验数据，列于表4－5中，供整定时参考选择。
表4－
5
表中给出的只是一个大体范围，有时变动较大。例如，流量调节系统的δ值有时需在200％以上，有的温度调节系统，由于容量滞后大，了，往往在15min 以上。另外，选择δ值还应注意测量部分的量程和调节阀的尺寸。如果量程范围小(相当于测量变送器的放大系数Km 大) 或调节阀尺寸选大了(相当于调节阀的放大系数Kv 大) 时，δ应选得适当大一些。
整定的步骤有以下二种：
(1)先用纯比例作用进行凑试，待过渡过程已基本稳定并符合要求后，再加积分作用消除余差，最后加入微分作用是为了提高调节质量。按此顺序观察过渡过程曲线进行整定工作。
具体作法如下：
根据经验并参考表4－55的数据，选出一个合适的6值作为起始值，暂时去掉积分作用与微分作用(即Ti ＝∞，TD ＝0) ，将系统投入自动。改变给定值，观察记录曲线形状。如曲线不是4:1衰减(这里假定要求过程是4:1衰减振荡的) ，如衰减比大于4:1，说明选的δ值偏大，适当减小δ值再看记录曲线，直到呈4:1衰减为止。注意，当把调节器比例度调小后，如无干扰就看不出衰减振荡曲线，一般都要改变一下给定值才能看到，若工艺上不允许改变给定值，那只好等候工艺本身出现较大干扰时再看记录曲线。δ值调整好后，如要求消除余差，则要引入积分作用。一般积分时间可先取为衰减周期的一半值，并在积分作用引入的同时，将比例度增加10～20％，看记录曲线的衰减比和消除余差的情况，如不符合要求，再适当改变δ和Ti 值。如果是三作用调节器，则在已调整好的δ和Ti 的基础上再引入微分作用，而在引入微分作用后，允许把δ值和Ti 值再缩小一点。微分时间Td 也要凑试，以使过渡过程时间短，超调量小，调节质量满足生产要求。
经验凑试法的关键是“看曲线，调参数”。因此，必须弄清楚调节器参数值变化对过渡过程曲线的影响关系。一般说来，在整定中，观察到曲线振荡很频繁，须把比例度增大以减小振荡，曲线最大偏差大且趋于非周期过程，须把比例度减小。当曲线波动较大时，应增大积分时间；曲线偏离给定值后，长时间回不来，则须减小积分时间，以加快消除余差的过程。
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如果曲线振荡得厉害，须把微分作用减到最小，或暂时不加微分作用，以免更加剧振荡; 曲线最大偏差大而衰减减慢，须把微分时间加长。经过反复凑试，一直调到过渡过程振荡两个周期后基本达到稳定，品质指标达到工艺要求为止。
在一般情况下，比例度过小，积分时间过小或微分时间过大，都会产生周期性的激烈振荡。但是，积分时间过小引起的振荡，周期较长，比例度过小，振荡周期较短，微分时间过大，振荡周期最短。见图8－23所示。曲线a 的振荡是积分时间过小引起的，曲线b 是比例度过小引起的，曲线c 是微分时间过大引起的。
图8－23 三种振荡曲线比较 图8－24 比例度过大，积分时间过长曲线比较 如果比例度过大或积分时间过大，都会使过渡过程变化缓慢。一般地说，比例度过大，曲线东跑西跑，不规则地较大地偏离给定值，而且，形状象波浪般的绕大弯的变化，如图8－24中的曲线a 所示。如果曲线通过非周期的不正常路径，慢慢地回复到给定值，就说明积分时间过大，如图8－24中的曲线b 所示。应当引起注意的是，积分时间过大或微分时间过大，超出允许的范围时，不管如何改变比例度，都是无法补救的。
(2)先按表4－5中给出的范围把Ti 定下来，如要引入微分作用，可取Td=(1／3～1／4)Ti 然后对δ进行凑试，凑试步骤与前一种方法相同。
一般来说，这样凑试可较快地找到合适的参数值。但是，如果开始Ti 和TD 设置得不合适，则可能得不到所要求的记录曲线，这时应将TD 和Ti 作适当调整，重新凑试，直至记录曲线合乎要求为止。
经验凑试法的特点是方法简单，适用于各种调节系统，因此应用非常广泛。特别是外界干扰作用频繁，记录曲线不规则的调节系统，采用此法最为合适。但是此法主要是靠经验，在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时，往往费时较多。为了缩短整定时间，可以运用优选法，使每次参数改变的大小和方向都有一定的目的性。值得注意的是，对于同一个系统，不同的人采用经验凑试法整定，可能得出不同的参数值，这是由于对每—：条曲线的看法，有时会因人而异，没有一个明确的判断标准，而且不同的参数匹配有时会使所得过渡过程衰减情况一样。
最后必须指出，在一个自动调节系统投运时，调节器的参数必须整定，才能获得满意的调节质量。同时，在生产进行的过程中，如果工艺操作条件改变，或负荷有很大变化，调节对象的特性就要改变，因此，调节器的参数必须重新整定。由此可见，整定调节器参数是经常要做的工作，对工艺人员与仪表人员来说，都是需要掌握的。
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三、调节系统的投运
一个自动调节系统设计安装完毕后，如何投运是一项很重要的工作，尤其对一些重要的调节系统更应重视。由于投运前准备工作做得不细或由于误操作造成事故的例子也是常见的。当然，一些次要的调节系统投运时可能很简单，个别系统甚至在工艺开车前就可以打在自动位置。但是，多数调节系统都需要按正常的程序将其投入自动。下面讨论一下投运前及投运中的几个主要问题。
1、准备工作
对于工艺人员与仪表人员来说，投运前都要熟悉工艺过程，了解主要工艺流程，主要设备的功能、控制指标和要求，以及各种工艺参数之间的关系，熟悉控制方案，全面掌握设计意图，熟悉各调节方案的构成，对测量元件和调节阀的安装位置，管线走向，工艺介质性质等都要心中有数。对于仪表人员来说，还应该熟悉各种自动化工具的工作原理和结构，掌握调校技术，投运前必须对测量元件、变送器、调节器、调节阀和其他仪表装置，以及电源，气源，管路和线路进行全面检查，尤其是要对气压信号管路进行试漏。
2、仪表检查
仪表虽在安装前已校验合格，投运前仍应在现场校验一次，在确认仪表工作正常后才可考虑投人运行。
对于调节记录仪表，除了要观察测量指示是否正常外，还特别要对调节器控制点进行复校。对于比例积分调节器，当测量值与给定值相等时，调节器的输出可以等于任意数值(气动仪表在0．02—0．1MPa 之间，电动仪表在0—10ma 或4—20mA 之间) 。例如，我们将给定值指针与测量值指针重合(又称对针) ，这时调节器的输出就应该稳定在某一数值不变。如果输出稳定不住(还在继续增大或减小) ，说明调节器的控制点有偏差。此时，若要使调节器输出稳定下来，测量值与稳定值之间必然就有偏差存在。在控制室中，人们常常看到有的调节仪表其测量针与给定针总是重合不起来，就是这种情况。如果调节器是比例积分作用的，这种测量值与给定值之间的偏差就是控制点偏差。当控制点偏差超过允许范围时，就必须重新校正调节器的控制点。当然，如果是纯比例调节器，那么测量值与给定值之间存在偏差是正常现象。
3、检查调节器的正、反作用及调节阀的气开气关型式
调节器的正反作用与调节阀的气开，气关型式是关系到调节系统能否正常运行与安全操作的重要问题。投运前必须仔细检查。
自动调节系统是具有被调参数负反馈的闭环系统。也就是说，如果被调参数偏高，则调节作用应使之降低，相反，如果原来被调参数偏低，则调节作用应使之升高。调节作用对被调参数的影响应与干扰作用对被调参数的影响相反，才能使被调参数回复到给定值。这里，就有一个作用方向的问题。
在调节系统中，不仅是调节器，而且调节对象、测量变送器、调节阀都有各自的作用方向。它们如果组合不当，使总的作用方向构成了正反馈，则调节系统不但不能起调节作用，反而破坏了生产过程的稳定。所以，在系统投运前必须注意检查各环节的作用方向。
22
所谓作用方向，就是指输入变化后，输出变化的方向。当输入增加时，输出也增加，则称为“正作用”方向，反之，当输入增加时，输出减少的称“反作用”方向。
对于调节器，当被调参数(即变送器送来的信号) 增加后，调节器的输出也增加，称为“正作用”方向，如果输出随被调参数的增加而减小，则称为“反作用”方向(同一调节器，其被调参数与给定值的变化，对输出的作用方向是相反的) 。对于变送器，其作用方向一般都是“正作用”方向的，因为当被调参数增加时，其输出信号也是相应增加的。对于调节阀，它的作用方向取决于是气开阀还是气关阀(注意不要与调节阀的“正作用”及“反作用”混淆) ，当调节器输出信号增加时，气开阀的开度增加，是“正”方向，而气关阀是“反”方向。至于调节对象的作用方向，则随具体对象的不同而定。
在一个安装好的调节系统中，对象、变送器的作用方向一般都是确定了的，调节阀的气开或气关型或主要应从工艺安全角度来选定。所以在系统投运前，主要是确定调节器的作用方向。调节器的正，反作用可以通过改变调节上的正、反作用开关自行选择。
图8－25是一个简单的加热炉出口温度调节系统。为了在调节阀气源突然断气时，炉温不继续升高，以防烧坏炉子，采用了气开阀(停气时关闭) ，是“正”方向。炉温是随燃料的增多而升高的，所以炉子也是“正”方向作用的。变送器是随炉温升高，输出增大，也是“正”方向。所以调节器必须为“反”方向，方能当炉温升高时，使阀门关小，炉温下降，正常调节。
图8－25 加热炉出口温度调节 图8－26 液位调节
图8－26是一个简单的液位调节系统。调节阀采用了气开阀，在停止供气时，阀门自动关闭，以免物料全部流走，故调节阀是“正”方向。当调节阀打开时，液位是下降的，所以对象的作用方向是“反”的。变送器为“正”方向。这时调节器的作用方向必须为“正”才行。
总之，确定调节器作用方向，就是要使调节回路中各个环节总的作用方向为“反”方向，构成负反馈，这样才能真正起到调节作用。
4、调节阀的投运
在现场，调节阀的安装情况一般如图8－27所示。
在调节阀4的前后各装有截止阀，图中1为上游阀，2
为下游阀。另外，为了在调节阀或调节系统出现故障
时不致影响正常的工艺生产，通常在旁路管线上安装
有旁路阀3。
开车时，有两种操作步骤，一种是先用人工操作 图8－27 调节阀安装示意图
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旁路阀，然后过渡到调节阀手动摇控，另一种是一开始就用手动摇控。如条件许可，后一种方法较好。
当由旁路阀手工操作转为调节阀手动摇控时，步骤如下：
(1)先将截止阀1和2关闭，手动操作旁路阀3，使工况逐渐趋于稳定。
(2)用手动定值器或其它手动操作器调整调节阀上的气压户，使它等于某一中间数值或已有的经验数值。
(3)先开上游阀“再逐渐开下游阀2，同时逐渐关闭旁路阀3，以尽量减少波动(也可先开下游阀2) 。
(4)观察仪表指示值，改变手动输出，使被调参数接近给定值。
远距离人工控制调节阀叫手动遥控，可以有三种不同的情况，
(1)调节阀本身是遥控阀，利用定值器或其他手动操作器遥控。
(2)调节器本身有切换装置或带有副线板，切至“手动”位置，利用定值器或手操轮遥控。
(3)调节器不切换，放在“自动”位置，利用定值器改变给定值而进行遥控。但此时宜将比例度置于中间数值，不加积分和微分作用。
一般说来，当达到稳定操作时，阀门膜头压力应为0．03—0．085MPa 范围内的某一数值，否则，表明阀的尺寸不合适，应重新选用调节阀。当压力超过0．085MPa 时，表明所选调节阀太小(对气开阀而言) ，可适当利用旁路阀来调整，但这不是根本解决的办法，它将使阀的流量特性变坏。当由于生产量的不断增加，使原设计的调节阀太小时，如果只是依靠开大旁路阀来调整流量，会使整个自动调节系统不能正常工作。这时无论怎样整定调节器参数，都是不能获得满意的调节质量的。
5、调节器的手动和自动切换
通过手动遥控调节阀，使工况趋于稳定以后，调节器就可以由手动切换到自动，实现自动操作。
由手动切换到自动，或由自动切换到手动，因所用仪表型号及连接线路不同，有不同的切换程序和操作方法，总的要求是要做到无扰动切换。所谓无扰动切换，就是不因切换操作给被调参数带来干扰。对于气动薄膜调节阀来说，只要切换时无外界干扰，切换过程中应保证调节阀膜头上的气压不变，也就是使阀位不跳动。如果正在切换中，发生了外界干扰，调节器立即发出校正信号操纵调节阀动作，这是正常现象，不是切换带来的扰动。为了避免这种情况，切换必须迅速完成。所以，总的要求是平稳、迅速，实现无扰动切换。
6、调节器参数的整定
调节系统投入自动后，即可进行调节器参数的整定。整定方法前面已经介绍过，这里需要强调，不管采用哪种方法进行整定，所得到的自动调节系统，在正常工况下，由于经常受到各种扰动，被调参数不可能总是稳定在一个数值上长期不变。企图通过调节器参数整定，使仪表测量值指针总是保持不动，记录曲线为一条直线或一个圆，这是不现实的。记录曲线围绕给定值附近有一些小的波动是正常的。如果出现记录曲线是一条直线或一个圆，这时倒要检查一下测量记录仪表有否故障，灵敏度是否足够等。
24
第八章 自动控制技术基本知识
第一节 自动控制基础知识
海上采油生产过程的特点是，原油以水、油、气的混合状态，连续地在密闭的管道和容器中进行分离。操作是在规定的流量、压力、温度下进行的。这要求必须在生产设备上配置自动化设备(包括计算机等) ，自动地检测生产运行状况，如流量、液位，压力，温度、油含水量等参数的大小，并根据要求严格地控制这些参数处于规定值，以求优质、高产，安全地进行生产，并大大降低操作人员的劳动强度。这种用自动化设备管理海上采油生产过程的办法称为海上采油生产过程自动化。
1．1仪表常用缩写字母
英文名称 英文缩写 中文名称
TEMPERATURE WELL TW 温井
TEMPERATURE INDICATOR TI 温度表 TEMPERATURE TRANSMITTER TT 温度变送器 TEMP INDICATOR CONTROLLER TIC 温度显示控制器 TEMPERATURE CONTROL VALVE TCV 温度控制阀 TEMPERATURE SWITCH HIGH TSH 温度高开关 TEMPERATURE SWITCH HIGH HIGH TSHH 温度高高开关 TEMPERATURE SWITCH LOW TSL 温度低开关 TEMPERATURE SWITCH LOW LOW TSLL 温度低低开关 TEMPERATURE ALARM HIGH TAH 温度高报警 TEMPERATURE ALARM HIGH HIGH TAHH 温度高高报警 TEMPERATURE ALARM LOW TAL 温度低报警 TEMPERATURE ALARM LOW LOW TALL 温度低低报警 PRESSURE INDICATOR PI 压力表
PRESSURE TRANSIMITTER PT 压力变送器 PRESSURE INDICATOR CONTROLLER PIC 压力显示控制器 PRESSURE CONTROL VALVE PCV 压力控制阀 PRESSURE SWITCH HIGH PSH 压力高开关 PRESSURE SWITCH HIGH HIGH PSHH 压力高高开关 PRESSURE SWITCH LOW PSL 压力低开关 PRESSURE SWITCH LOW LOW PSLL 压力低低开关 PRESSURE ALARM HIGH PAH 压力高报警 PRESSURE ALARM HIGH HIGH PAHH 压力高高报警 1
PRESSURE ALARM LOW PAL 压力低报警 PRESSURE ALARM LOW LOW PALL 压力低低报警 PRESSURE DIFFERENT SWlCH HIGH PDSH 差压高开关
PRESSURE DIFFERENT SWICH LOW PDSL 差压低开关
PRESSURE DIFFERENT ALARM LOW PDAL 差压低报警 PRESSURE DIFFERENT ALARM HIGH PDAH 差压高报警 LEVEL INDICATOR LI 液位计
LEVEL GLASS TUBE LG 液位玻璃管
LEVEL TRANSIMITTER LT 液位变送器
LEVEL INDICATOR CONTROLLER LIC 液位显示控制器 LEVEL CONTROL VALVE LCV 液位控制阀
LEVEL SWITCH HIGH LSH 液位高开关
LEVEL SWITCH HIGH H1GH LSHH 液位高高开关 LEVEL SWITCH LOW LSL 液位低开关
LEVEL SWITCH LOW LOW LSLL 液位低低开关 LEVEL ALARM HIGH LAH 液位高报警
LEVEL ALARM LOW LOW 液位低报警
LEVEL ALARM HIGH HIGH LAHH 液位高高报警 LEVEL ALARM LOW LOW LALL 液位低低报警 FLOW INDICATOR Fl 流量表
FLOW TRNSIMITTER FT 流量变送器
FLOW INDICATOR CONTROLLER FIC 流量显示控制器 FLOW CONTROL VALVE FCV 流量控制阀
PRESSURE SAFETY VALVE PSV 压力安全阀
SHUT DOWN VALVE SDV 关断阀
BLOW DOWN VALVE BDV 排空阀
UNIT SHUT DOWN USD 单元关断
PROCESS SHUT DOWN PSD 系统关断
EMERGENCY SHUT DOWN ESD 紧急关断
PROGRAMA ．LOGICAL CONTROLLER PLC 可编程逻辑控制器
一、管线及仪表图 （P&I图）
在海洋石油的自动化控制系统设计与使用中，管路及仪表图、仪表回路图、方框图、程序控制梯形逻辑图是操作人员、仪表维修人员必须掌握的知识，下面简单介绍这几种图。
P&I图是用线条、圆形和球形为基础的符号将平台上各设备橇块内的配管及仪表布局和外部接口进行综合描述，P&I图中既表明了物料的流向又标明了所用现场仪表的类型、设点、安
2
装位置及仪表的外接口情况。
图8－1 管路标记
1、管路及仪表图
对仪表管路、气动管路、液动管路以及电路所做的标记如图8－1所示；
2、各类仪表的位置标记符号如图8－2所示；
图8－2 仪表的位置标记符号
3、与海上平台的管路及仪表图有关的常用符号如控制阀、减压阀等如图8－3所示。
图8－3 管路及仪表图常用符号
在仪表回路中，操作标志的第一个字母应根据该回路所测变量来选择。如P 代表压力、T 代表温度、F 代表流量、L 代表液面。
标准的模拟直流信号规定：电流信号4－20mA 直流，电压信号为1-5V 直流。标准的电流信号应该能把额定电流输送到0~600Ω（最小）范围内的任何外部负载。标准电压输出信号所具
3
有的电阻应不大于250Ω。
除非有特别要求，仪表系统的信号一般是电源的负极。
图8－4给出一典型的管道及仪表流程图。
图8－4 典型的管道及仪表流程图
二、仪表回路图
仪表回路图（如图8－5）
是管路及仪表图的延伸。回路图展示了仪表的横向连接，把仪表控制盘的配线、施工和仪表盘的测试连成一体，表明了现场仪表、现场接线盒、就地控制盘、中央控制系统间的接线情况。在投产、启动、操作和维修期间，回路图对测试和校准是非常有用的。对仪表回路图中所有组件都必须做出标记，这些标记也必须符合管线及仪表图的规定。
图8－5 仪表回路图
4
三、方框图
方框图也称为方块图，每个方块表示组成系统的一个“环节”，也代表
一个具体实物，两个方框之间用一条带有箭头的线条表示其相互关系。箭头表示作用方向，线上的字母表示相互之间的作用信号。一般方框是单方向作用的，也就是说方块的输入会影响输出，但输出不会反过来影响输入。还需注意的是，方框与方框之间的连接线，只是代表方框之间的作用关系，并不代表方框之间的物料关系，方块间连接线的箭头也只是代表信号作用的方向，与工艺流程图中物料流向不同。方块图一般不画出显示仪表。
图8－6方框图
五、梯形逻辑图
梯形逻辑图是实现自动化顺序控制的常用方法。其实现顺序控制的优点是直观而且符合人们的习惯。除了集散控制系统（DCS ）之外，几乎所有的过程逻辑控制（PLC ）均是采用此方法进行顺序控制。梯形逻辑图（LADDER LOGIC DIAGRAM）是随着继电器控制系统的“软件”而产生的一种解释执行程序设计语言。这些系统中除了包括基本的触点、线圈以及逻辑与、或、非关系，还包括了诸如定时器、计数器、数字算法、寄存器运算、数据转换等。此外，它还可以方便地将LADDER 逻辑控制回路同连续调节控制算法通过数据库连接起来，以实现更复杂的功能。
因为梯形逻辑图是由继电器逻辑电路演变而来，其书写格式也类似于继电器梯形逻辑电路图，PLC 梯形从上至下按行绘制，两侧的竖线类似于电器控制电源线，每一行从左至右，左侧是安排输入接点，并且把并接点多的支路靠近最左端。输入接点不论是外部的按钮，行程开关，还是继电器接点，在图形符号上只用常开和常闭而不关其物理属性。图8－7是一个典型的梯形逻辑图。
图8－7 梯形逻辑图
5
第二节 自动调节系统
一、自动调节系统及其组成
自动调节系统是在人工调节的基础上产生发展起来的。所以，在开始介绍自动调节的时候，先分析人工操作，并与自动调节加以比较，对了解和分析自动调节系统是有裨益的。 图8－8所示是一个液体贮罐，在生产中常用为一般的容器，从前一工序出来的液体不断地流入罐中，而从罐中流出的液体又送至下一工序进行加工。生产要求维持罐中液位只能在一小范围内变化，罐上装有玻璃管液位计可供观测罐中液位高低。我们可以发现这一岗位的操作存在一个问题，即前一工序来的液体流量往往是不恒定的。当来料流量大的时候，液位上升，来料流量小的时候液位下降。为了维持液位一定，人工操作的方法是，眼看液位计指示值，发现高时，开大阀门，增加流出量，发现液位低时，关小阀门，减少流出量，从而维持罐中液位一定。归纳起来操作人员进行的工作是：①观察玻璃管液位计的指示值，②将指示值与要求值进行比较，算出两者的差值，③根据差值的方向开或关阀门，根据差值的绝对值大小确定开或关阀门的多少，④将上述三步工作不断重复下去，直至液位达到要求值为止，这个过程就叫做调节。图8－8中调节的指标是液位，所以也叫液位调节。生产中还有温度调节、压力调节，流量调节等。由人来直接进行调节的工作，就叫做人工调节。
图
8－8液体贮罐 图8－9自动调节示意图
假若用一个自动化装置来代替上述人工操作，就叫做液位自动调节。液体罐和自动化装置一起的全部设备，构成了一个自动调节系统，如图8－8所示。由图可知自动化装置包括三个部分。第一部分是测量罐中液位并将液位的高低变成一种特定的信号(如气压、电流、位移等) 输出的仪器，这个仪器被称做测量元件和变送器。第二部分是自动调节器，即根据测量元件或变送器来的信号，与工艺上需要保持的液位高度加以比较，按已设计好的运算规律算出应给阀门的信号大小，把此信号(气压，电流等) 传送给阀门。第三部分是调节阀，它和普通的阀功能相同，只不过它能根据调节器送来的信号值自动地改变阀门开度。当一套自动化装置具有这三部分仪器后，上述人工调节的工作就能由自动化装置代替。
二、基地式调节仪表和单元组合仪表
测量元件，变送器，调节器是三个不同的仪表，变送器的作用可做如下解释：假如测量元件发出的测量信号(如位移或力等) 与调节器要求的输入信号(如气压或电流) 不相符合时，6
则需要增加一个将测量信号变换为调节器所需输入信号的装置，即变送器。也可以把测量元件与调节器装在一起，设计制造一台仪器，省掉中间配合的变送器，这种仪表被称为基地式调节仪表。50年代以前生产的仪表多属这种类型．显然基地式调节仪表运用的局限性较大，如一台基地式液位调节器不能用于温度调节，也不能用于压力调节，更不便于与其他仪
表配合组成复杂的调节系统。为了克服基地式调节仪表的不足，50年代出现了单元组合仪表系列，该系列中有各式各样的变送器，如温度变送器、压力变送器，差压变送器等，这些变送器的作用是把测量元件的输出转换成规定的统一信号(如直流电流4～20mA 或气压0．02～0.1Mpa) 。调节器或其他仪器(显示器、加减器，乘除器等) 的输入输出信号均为上述统一信号。阀门的输入信号也是相同的统一信号。单元组合仪表的调节仪表可作液位调节也可作温度或其他参数调节，各仪表之间的信号联系都是统一信号，这样可方便地构成复杂的控制系统或运算系统。这些特点是基地式调节仪表所不具备的。但基地式仪表，一台仪表完成多种功能(测量、显示、调节等) ，构成简单调节系统显得便宜、方便、操作简单。
三、自动调节系统的方框图
自动调节系统中的工艺生产设备，如上例中的液体罐，叫做调节对象或简称对象。而生产中要求保持不变的工艺指标，如上例中的液位高度，称为给定值。根据调节器输出信号变化而驱动调节对象变化的机构(如阀门) 称为执行器．在研究自动调节系统时，为了更清楚地表示出一个自动调节系统各个组成环节间的相互影响和信号联系，一般都用方块图来表示调节系统的组成(方块图也称方框图，在分析电路或复杂仪表时也经常应用此表示方法) 。
例如图8－9的液位自动调节系统可以用图8－10的方块图来表示。每个方块表示组成系统的一个“环节”，两个方块之间用一条带有箭头的线条表示其相互关系，箭头表示进入还是离开这个方块，线上的字母表示相互之间的作用信号。
图8－10自动调节系统
图8－8中的液罐可用一个“对象”方块表示，其液位就是生产过程中所要保持定值的参数，称为被调参数，这里用y 表示。在方块图中被调参数就是对象的输出信号。在本例中影响被调参数液位的因素来自进料流量的改变，这种引起被调参数波动的外来因素在自动调节系统中称为干扰作用，在方块图中用f 表示。干扰作用是作用于对象的输入信号，所以箭头是指向对象的。与此同时，出料流量的改变也是影响液位的因素，所以也是作用于对象的输入信号，它在方块图中把调节阀(执行器) 和对象连接在一起。液位信号是测量元件及变送器的输入，而变送器的输出信号Z(如气动液位变送器输出为气压) 进入比较机构，与给定值信
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号x 进行比较，得出偏差信号e(e=x—z) ，并被送往调节器。比较机构实际上是调节器的一部分，而不是独立元件，在图中把它单独画出来为的是说明其比较作用。给定值是人为事先规定的要求的被调参数值(这个例中为液位) ，给定值在一般调节器中均由附加的给定机构产生，有些单元组合仪表是由专用给定器产生，此时给定器是另一仪器，其输出为统一信号。调节器可接收此信号。调节器按照偏差信号e 发出信号p(如气动调节器的输出气压变化) ，送至调节阀，使阀动作克服干扰影响，阀的输出q(流出液量) 的变化为调节作用，具体实现调节作用的参数叫做调节参数，如图8－9中流过调节阀的出料流量q 就是调节参数。
四、负反馈系统
从图8－10调节系统的组成来看，要进行调节，就需要不断地把输出量又送回到输入端(与给定值比较后送入调节器) ，这种将输出反送回来又作为输入的系统，称为反馈系统，反送回来的信号称为反馈作用。由于这一反馈作用，把系统各环节连系起来，形成图8－10所示的封闭系统，故称此种系统为闭环系统或闭路系统。调节作用就是靠反馈形成的，必须恰当地选择反馈才能保证调节的质量。
首先，反馈必须有正确的方向，就是当干扰变化使被调参数(输出量) 增加时，则通过反馈作用必须使输出量减少，反之，当干扰使输出量减少时，通过反馈作用必须使输出量增加，这样才能起到调节作用。这种反馈作用引起输出量下降，称为负反馈作用。显然一个自动调节系统必须是一个负反馈系统。如果一个闭环系统没采用负反馈作用，而采用了正反馈作用，那么在干扰作用下输出量上升，反馈量Z 上升，由于是正反馈，Z 上升引起输出量上升，这样下去，会使生产遭到破坏，起不到稳定被调参数的作用。
总之，自动调节系统是具有被调参数负反馈的闭环系统，它与自动操纵，自动信号报警等开环系统有本质差别，关键就在于调节系统有负反馈。图8－11所示是一个开环系统的方块图，如化肥厂的造气自动机自动控制系统就是典型开环系统的例子。自动机在操作的时候，不管煤气发生炉有气或无气，也不管炉子是否已灭火，自动机仍然是周而复始的运转不停。自动机不能了解炉子的情况，只是盲目地不断操纵生产运行，这是开环系统工作的缺点。反过来说，调节系统具有负反馈是它的优点，它可以随时了解对象的情况，有针对性地而不是盲目地进行调节。
图8－11 自动操纵系统方块图
五、自动调节系统的分类
自动调节系统有多种分类方法，可以按工艺参数如压力，流量，温度等分类，也可以按调节规律等分类。每一种分类方法都只反映了自动调节系统的某一特点。但是，在分析自动调节系统特性时，给定值的形式不同会涉及到不同的分析方法，所以一般将调节系统按给定值的不同情况来分类，这样可将自动调节系统分为三类，即定值调节系统，随动调节系统和程序调节系统。
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(一) 定值调节系统
所谓定值就是恒定给定值的简称。工艺生产中要求调节系统的被调参数保持在一个生产技术指标上不变，这个技术指标就是给定值。化工石油生产中大多要求这种类型的系统，因此本书讨论的系统多属定值调节系统。
(二) 随动调节系统(也称跟踪系统)
这类系统的特点是给定值在不断地变化，并要求系统的输出跟着变化。如各种变送器均可看作一个随动系统，它的输出(指示值) 应严格地及时地随着输入(被测值) 而变化，这样才能既测得准又测得快。
(三) 程序调节系统
这类系统的给定值也是变的，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化．如制造胶鞋的硫化罐的温度调节系统和冶金工业金属退火炉的温度调节系统都是这类系统的例子，在一般石油化工生产中较少碰到程序调节的要求。这类系统的给定值常用凸轮或曲线板来实现，图8－12所示就是一个例子，图中曲线(a)是工艺要求的温度变化规律，图(b)是给定凸轮形状。
图8－12 程序给定示意图
(a) 时间程序曲线 (b)时间程序给定凸轮
第三节 自动调节系统的过渡过程
一、系统的静态和动态
在自动化领域内，把被调参数不随时间变化的平衡状态称为系统的静态，而把被调参数随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。当一个自动调节系统的输入（给定和干扰）恒定不变时，生产过程处于平衡状态，整个系统就处于一种相对的平衡状态，系统的各个环节如变送器，调节器和执行器都暂不动作，它们的输出信号都处于相对静止状态，这种状态就是静态。注意这里所指的静态与习惯中所讲的静态不同，习惯所说静态都指静止不动，而在自动化领域中的静态是指各参数(或信号) 的变化率为零，即参数保持常数不变。因为自动调节系统在静态时，生产还在进行，物料和能量仍然有进有出，只是平稳进行，没有改变就是
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了，如图8－2中的液位调节系统，当流入量等于流出量时，液位就不改变，此时就达到了平衡状态，亦即处于静态。但物料流动仍在进行。
假若一个系统原来处于相对平衡状态即静态，由于干扰加入或给定值改变，破坏了这种平衡状态，被调参数就会变化，从而调节器等自动化设备就起调节作用，并力图使系统恢复平衡状态。从给定或干扰的变化开始，经过调节，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中整个系统的各个环节和参数都处于变化状态之中．所以这种状态叫动态。必须指出，在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了解系统的动态更为重要。因为干扰或给定变化引起系统变化以后，需要知道系统的动态情况，并搞清系统究竟能否建立新的平衡和怎样去建立平衡。
平衡和静态是暂时的、相对的、有条件的，不平衡和动态才是普遍的、绝对的，无条件的。干扰作用不断地发生，调节作用也就不断地去克服干扰的影响，所以自动调节系统总是一直处于运动状态之中。因此研究自动调节系统重点要研究系统的动态。
二、自动调节系统的过渡过程
当自动调节系统在动态阶段中，被调参数是不断变化的，它随时间而变化的过程称为自动调节系统的过渡过程。也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。给定值变化或新的干扰的引入都会出现这种过程。一般希望被调参数的过渡过程始终保持与给定值一致，但在实际过程中难于实现，在这个过程中被调参数往往是经过一段时间变化之后逐渐接近给定值，自然希望这一段变化中被调参数偏离给定值的幅度越小越好，过渡过程所需时间越短越好。为了对过渡过程的好坏有个统一的衡量方法，研究调节系统的学者们为衡量过渡过程的优劣规定了几个指标，称之为过渡过程的品质指标。另一方面过渡过程变化的情况
与干扰(给定值变化也是一种干扰) 加入的形式有关，所以提出过渡过程品质指标应明确指出是在什么形式干扰之下的指标。现在一般使用的指标是在阶跃干扰下过渡过程的指标。所谓阶跃输入是指在平衡状态下产生阶梯性跳变干扰，如图8－13所示。图中f 。与x 。表示初始平衡状态的干扰量与给定值，△f 与△x 表示阶跃变化的干扰量与给定值。t 代表时间。
图8－13
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在干扰作用下过渡过程的形式一般有图1－3－2表示的几种，稳定的生产是(c) (d)二种，而(a) (b)是不希望的情况，所以被调参数过渡过程的指标是指类似于(c) (d)情况下的指标。
图8－14过渡过程的几种基本形式
图8－14是衰减振荡过渡过程的示意图，其中(a)是阶跃干扰作用影响下的过程，(b)是给定值阶跃变化作用下的过程。前者是定值调节系统的过程，后者是随动调节系统的过程。用过渡过程衡量系统质量时，习惯上用下述几个指标。
(一) 衰减比
虽然前面已提及一般希望得到衰减振荡的过渡过程，但是衰减到什么程度为适当呢? 表示衰减程度的指标是衰减比，也就是前后两个峰值的比，在图3-3中衰减比是B ：B ’ ，习惯上表示为n ：1。衰减比为1时是等幅振荡，是一种不平稳的生产情况，一般生产中不允许出现这种情况。如果n 很大则接近非振荡过程，调节过程显得工作迟钝，不灵敏，通常也不是大家欢迎的。一般以n 为3～10之间为宜。图3－3中的曲线就是接近4：1的。因为衰减比在3：1到10：1之间时，过渡过程开始阶段的变化速度比较快，被调参数在受到干扰的影响和调节作用的校正后，能比较快地达到一个峰值，然后就马上下降又较快地达到一个低峰值。当操作人员看到这种情况后，心里就很安定。因为他知道被调参数再振荡数次就会稳定下来，并且最终的稳定值必然是在高低峰值之间，决不会出现太高或太低的现象，更不会出现造成事故的数值。尤其是在反应比较缓慢的情况下，衰减振荡过程的这一特点尤为重要。对于这种系统，假若过渡过程是非振荡过程，很可能操作人员在较长时间内都只能看到被调参数一直上升(或下降) ，似乎很自然地会怀疑参数是否会继续上升(或下降) 不止。由于这种焦急的心情．很可能会导致拨动给定指针或仪表上的其他旋钮。假若一旦出现这种情况，那么这样的拨动指针或旋钮，等于施加入人为的干扰，结果必然使被调参数离开给定值更远，这就可能造成恶性循环，使系统处于不可控制的状态。选择衰减振荡的过渡过程并规定衰减比为3 ：1到10：1之间，完全是多年来操作经验的总结。
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(二) 余差
余差就是过渡过程终了时的残余偏差，在图8－15中以C 表示，它也就是被调参数的稳定值与给定值的差，其值可以是正也可以是负。在生产中给定值是生产的技术指标，所以被调参数越接近给定值越好，亦即余差越小越好。但是在实际工作中也并不需要每个系统的余差都很小，如一般的液位调节，要求就不高。这种系统往往允许液位有较大的变化范围，余差就可以大一些。又如化学反应器的温度调节要求就比较高(一般温度与产品质量有关) ，应当尽量消除余差。消除余差的方法在以后的内容中介绍。
图8－15 过渡过程质量指标示意图
（a ）阶跃干扰作用时 (b)阶跃给定作用时
有余差的调节过程称为有差调节，相应的系统称为有差系统。没有余差的调节过程称为无差调节，相应的系统称为无差系统。
(三) 最大偏差
前已述及偏差是被调参数的指示值与给定值的差。对于衰减振荡过程，最大偏差是第一个波的峰值，在图8－15中以A 表示。最大偏差表示系统瞬时偏离给定值的最大程度，若偏离越大，偏离的时间越长，系统离开规定的生产情况就越远，对生产越不利。因此，最大偏差可以作为衡量质量的一个指标。对于一些有危险限制的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限，触媒烧结温度极限，加热炉炉膛温度极限等，都有限制允许最大偏差的条件。同时考虑到干扰会不断出现，偏差是叠加的，这就更限制了最大偏差的允许值．所以在决定最大偏差允许值时，要根据生产情况慎重考虑。
有时也用超调量来表征被调参数的偏离程度，在图8－15中超调量用B 表示，从图看出 12
它是第一个峰值与新稳定值之差，并A ＝B+C，有时超调量也表示为余差的百分数即(B／
C)X100％。无余差时不能用百分数表示。
(四) 过渡时间
从干扰发生起，直到被调参数又建立新的平衡状态为止，这一段时间叫做过渡时间。从数学概念讲，被调参数完全稳定在新的稳定状态需要无限长的时间。实际上由于仪表的灵敏度限制，当被调参数靠近稳定值时，指示值就不再改变了。所以有必要在可以测量的区域内，在稳定值上下规定一个小的范围，当指示值进入这一范围而不再越出时，就认为被调参数已经达到稳定值。这个范围一般定为稳定值的±5％。按照这个规定，过渡时间就是从干扰开始作用之时起，直至被调参数进入稳定值的±5％的范围之内所经历的时间。过渡时间短，表示过渡过程进行得比较迅速，这时即使干扰频繁出现系统也能适应，调节质量高。反之过渡时间太长，几经叠加起来的干扰影响，可能会使被调节参数大大远离给定值，长期远离给定值，使系统满足不了生产要求。
(五) 振荡周期或频率
过渡过程从第一个波峰到第二个波峰之间的时间叫周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比。一般希望周期短一些为好。
还有一些不常用的指标，如振荡次数，指在过渡时间内被调参数振荡的次数。所谓理想过渡过程是两个波，就是指过渡过程振荡两次就能稳定下来，它将被认为是良好的过程。这种情况约近于4：1的衰减比。上升时间也是一个指标，它是指干扰变化之时起，至第一个波峰时所需要的时间，显然上升时间以短一些为宜。
综上所述，过渡过程的质量指标主要有：衰减比、余差，最大偏差或超调量，过渡时间等。这些指标在不同的系统中各有其重要性，因此应根据具体情况分清主次，区别轻重，对于主要的指标应优先予以保证。
第四节 基本控制系统
为了使一个生产过程自动化，必须对该生产过程的规律有深刻的了解。根据实际的生产条件，应用自动控制的基本理论，确定合理的控制方案，经过现场调试，合理维护，才能保证正常运行。
本节从实际应用的角度出发，重点讨论了简单调节系统，设计、调试、投运，维护等问题，并且结合实际的生产过程控制系统进行了分析。
一、简单调节系统
本节所讨论的简单调节系统是使用最普遍，结构最简单的一种自动调节系统。所谓简单调节系统，通常是指由一个测量元件、变送器、调节器、调节阀和对象所构成的闭环调节系统，因此也称为单回路调节系统。
下一节所要讨论各种复杂调节系统都是在简单调节系统的基础上构成的。所以，搞清楚简单调节系统的结构，原理、调试及使用是十分重要的。
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1、简单调节系统的组成
图8－16的液位调节系统与图8－17的温度调节系统都是简单调节系统的例子。图中⊕表示测量元件及变送器。调节器用小圆圈表示，圆内写有两位(或三位) 字母，第一位字母表示被测变量，后续字母表示仪表的功能。常用被测变量和仪表功能的字母代号见表4－1。
图8－16的液位调节系统中，贮槽是调节对象，液位是被调参数，变送器将反映液位高低的信号送往液位调节器LC 。调节器的输出信号送往调节阀，调节阀开度的变化使贮槽输出流量发生变化以维持液位稳定。
图8－17的温度调节系统，是通过改变进入换热器的载热体流量，以维持换热器出口物料的温度在工艺规定的数值上。
简单调节系统的典型方块图如图8－18所示。
2、被调参数的选择
根据工艺要求而设计的单回路调节系统，是为工艺上某一目的服务的。例如为了控制工艺操作参数，设计了液面，压力、流量、温度等调节系统，很明显被调参数就是液面，压力，流量及温度等。但在实际工作还存在一些特殊情况：
一种是某些质量指标，因无合适的测量方法直接地反映质量指标，从而采取用测量间接指标的办法。选用间接指标要注意与直接指标之间必须有单值线性对应关系和足够大小的信号，或是存在一定的数学关系。
另一种情况是虽有直接参数可测，但信号微弱，还不如选用具有单值线性对应关系的间接信号为好。
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图8－16 液位调节系统 图8－17温度控制系统
被调参数的选择十分重要，它关系到系统能否达到稳定操作，增加产量、提高质量、改善劳动条件等目的，关系到调节方案的成败。如果被调参数选取不当，不管组成什么型式的调节系统，也不管配上多么精确的工业自动化仪表，都不能达到预期的调节效果。
被调参数的选择是与生产工艺密切相关的。我们知道，影响一个生产过程正常操作的因素是很多的，但并非所有影响因素都要加以自动调节。我们必须深入实际，调查研究，分析工艺，找出影响生产的关键参数作为被调参数。关键参数即对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用，而人工操作又难以满足要求的，或者虽然人工操作可以满足要求，然而，这种操作是既紧张而又频繁的。
例如：要对一个产生饱和蒸汽的锅炉蒸汽质量进行调节。有三种方案：
(1) P (压力) 与T (温度) 皆为被调参数；
(2) T为被调参数；
(3) P为被调参数。
为了使所选的方案最为合理，必须深入了解工艺，首先弄清表征饱和蒸汽的质量指标，P 与T 之间的联系，是否是独立变量，若为独立变量则应选取两个参数，否则则可取其中一个参数。如图8－19所示，应用物理化学中的相律关系进行鉴别。
图8－18 简单调节系统方框图 ( a) (b)
F＝C －P+2
式中 F——自由度。
C——组分数。
P——相数。 图8－19饱和蒸汽与过热蒸汽
作为饱和蒸汽，实质上存在着气、液两相，即户：2。而其组分皆为水，即组分数C ＝1，
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所PAF ：1—2+2＝1。表示饱和蒸汽的自由度为1，或者说独立变量只有1个，所以反映蒸汽质量，不必选两个被调参数，只要选取温度或者压力两者之一就足够了。至于究竟选压力还是温度，可从测量元件时间常数小，元件简单可靠等方面来考虑，以选择压力为宜。
如果不遵循独立被调参数，即为调节系统数的原则，当设计出既有温度，又有压力为被调参数的系统方案，那么这种调节系统将是无法投运的。
假如现在讨论的是过热蒸汽的质量调节，因为蒸汽在过热状态下只存在一个气相，所以根据相律，其自由度为2。在这种情况下把压力与温度都选作被调参数，则是完全必要的。
总的来说，选择被调参数时，一般要遵循下列原则：
(1)被调参数应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺状态，一般都是工艺过程中比较重要的参数。
(2)被调参数在工艺操作过程中常常要受到一些干扰影响而变化。为维持被调参数的恒定，需要较频繁的调节。
(3)尽量采用直接指标作为被调参数。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被调参数。
(4)被调参数应能被测量出来，并且有足够大的灵敏度。
(5)选择被调参数时，必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。
(6)被调参数应是独立可调的。
3、调节参数的选择
当对象的被调参数被选定以后，下一步是如何构成简单调节回路，选择什么调节参数去克服干扰对被调参数的影响。为此设计调节回路时，要认真分析各种干扰，深入研究对象特性，正确地选择调节参数。干扰是影响调节系统平稳运行的破坏因素，调节参数则是克服干扰影响，使调节系统正常运行的积极因素。没有干扰就不需要调节，干扰和调节是互相矛盾的，对立的，只要合理地确定调节参数，正确地选择调节通道，组成一个可控性良好的调节系统后，就能有效地克服干扰影响，使被调参数回复到给定值。
一般来说，选择调节参数的原则是：
(1)首先要考虑工艺上的合理性，除物料平衡调节外，应避免用主物料流量为调节参数，调节参数应有克服干扰影响的校正能力。
(2)调节参数应是可控的，即工艺上允许
调节的参数。
(3)调节参数一般应比其他干扰对被调
参数的影响更加灵敏。为此，应通过合理选
择调节参数，使调节通道的放大倍数适当大，
时间常数适当小，滞后时间尽量小。为使其
他干扰对被调参数的影响减小，应使干扰通
道的放大倍数尽可能小，时间常数尽可能大。
干扰通道与调节通道如图8－20所示 图8－20 干扰通道与调节通道示意图
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二、调节规律的选择及参数整定
1、调节规律的选择
调节系统的基本任务，在于借助调节作用
克服干扰对于系统的影响，使被调参数重新稳定。这种调节作用是调节器产生的，合理选择调节规律，就成为一个重要问题。
目前工业上常用的调节器主要有三种，比例、比例积分和比例积分微分调节器，分别简写为P 、PI 和PID 。
首先，我们对各类调节器进行大概分类。
按调节系统是否需要消除余差，可把调节器分
为两大类：一类为有差调节器(比例调节器，比例微分调节器) ，另一类为无差调节器(比例积分调节器，比例积分微分调节器) 。
按调节系统是否需要克服容量滞后，调节器又可以分为两大类，一类为有微分调节器(比例微分调节器，比例积分微分调节器) ，另一类为无微分调节器(比例调节器，比例积分调节器) 。
选择哪种调节规律主要是根据调节器的特性和工艺的要求来决定。
（1）比例调节器的特点
调节器的输出与偏差成比例，阀门位置与偏差之间有一一对应关系。当负荷变化时，比例调节器克服干扰能力强，过渡过程时间短。在常用调节规律中，比例作用是最基本的调节规律，不加比例作用的调节规律是很少采用的。但是，纯比例调节器在过渡过程终了时存在余差。负荷变化愈大，余差就愈大。
比例调节器适用于调节通道滞后较小，负荷变化不大，工艺上没有提出无差要求的系统。如一般的精馏塔塔釜液位、贮槽液位、冷凝器液位和不太重要的蒸汽压力等。
（2）比例积分调节器的特点
积分作用使调节器的输出与偏差的积分成比例，故过渡过程结束时无余差，这是积分作用的显著优点，但是，加上积分作用，会使稳定性降低。虽然在加上积分作用的同时，可以通过加大比例度(比例度与放大倍数为反比关系) ，使稳定性基本保持不变，但超调量和振荡周期都相应增大，过渡过程时间也加长。
比例积分调节器是使用最多，应用最广的调节器。它适用于调节通道滞后较小，负荷变化不很大，工艺参器不允许有余差的系统。如流量、压力和要求严格的液位调节系统，常采用比例积分调节器。
（3）比例积分微分调节器的特点
微分作用使调节器的输出与偏差变化速度成比例。它对克服容量滞后有显著效果。在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性，再加上积分作用可以消除余差。
比例积分微分调节器适用于容量滞后较大，负荷变化大，调节质量要求较高的系统，目前应用较多的是温度系统。对于滞后很小或噪声严重的系统，应避免引入微分作用，否则会由于参数的快速变化引起调节作用的大幅度变化，严重时会导致调节系统不稳定。
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2、调节器参数的工程整定
一个自动调节系统的过渡过程或者调节质量，与调节对象的特性、干扰形式与大小，调节方案的确定及调节器的参数整定有着密切关系。对象特性和干扰情况是受工艺操作和设备特性限制的。在确定调节方案时，只能尽量设计合理，并不能任意改变它。一旦方案确定之后，对象各通道的特性就已成定局。这时调节质量只取决于调节器参数的整定了。所谓调节器参数的整定，就是按照已定的调节方案，求取使调节质量最好的调节器参数值。也就是确定最合适的调节器比例度δ、积分时间T i和微分时间TD 。
整定的方法很多，这里只介绍几种工程上最常用的方法。
（1）临界比例度法
这是目前使用较多的一种方法。它是先通过试验
得到临界比例度δk 和临界周期T k，然后根据经验
总结出来的关系求出调节器各参数值。具体作法如
下：
在闭环调节系统投入自动后，先将调节器变为纯
比例作用，即将了，放在“∞”位置上，TD 放在“0”
位置上，在干扰作用下，从大到小地逐渐改变调节器
的比例度δ、每改变δ一次，做一次定值干扰试验，
观察控制过程曲线，观察被调参数是否达到临界振荡
状态，一直试验到比例度减小到被调参数作临界振荡 图8－21 临界比例度实验曲线 为止。临界振荡曲线如图4－6所示。这时控制系统已处于“稳定边界”。这时的比例度叫临界比例度δK ，周期为临界振荡周期Tk 。记下δk 和Tk ，然后按表4－2中的经验公试计算出调节器的各参数整定值。
临界比例度法比较简单方便，容易掌握和判断，适用于一般的调节系统。但是对于临界比例度很小的系统不适用。因为临界比例度很小，则调节器输出的变化一定很大，被调参数容易超出允许范围，影响生产的正常进行。临界比例度法是要使系统达到等幅振荡后，才能找出δk 与Tk ，对于工艺上不允许产生等幅振荡的系统亦不适用。
（2）衰减曲线法
衰减曲线法是通过使系统产生衰减振荡来整定调节器的参数值的。具体作法与临界比例度法相同，只是要求得到的响应曲线不是等幅振荡曲线，而是直至出现4：1减比的曲线为止。如图8－22(a)所示，记下此时的比例度δs(4:1衰减比例度) ，并从曲线上得出衰减周期Ts ，然后根据表4－3中的经验公式，求出调节器的参数整定值。
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临界比例度法调节器参数计算表 表8－2
有的过程，
4:1衰减仍嫌振荡过强，可采用10:1
衰减曲线法。方法同上，得到10:1衰减曲线后，如图
4－7(b)所示，记下此时的比例度δs ’和最大偏差时
间了。(又称上升时间) ，然后根据表4－4中的经验公
式，求出相应的δ，Ti ，TD 值。
采用衰减曲线法应注意以下几点：
(1)加的干扰幅值不能太大，要根据生产操作要求来定。
(2)必须在工艺参数稳定情况下才能施加干扰，否则得
不到正确的δs ，Ts ，或δs' 和To 值。
（3) 对于反应快的系统，如流量、管道压力和小容量
的液位调节等，要在记录曲线上严格得到4:1衰减曲
线比较困难，一般以被调参数来回波动两次达到稳定，
就可以近似认为达到了4:1衰减过程。
衰减曲线法比较简便，适用于一般情况下的各种参
数的调节系统。但对于干扰频繁，记录曲线不规则，不
断有小摆动时，由于不易得到正确的衰减比例度δs 和 图8－22 衰减实验曲线 衰减振荡周期Ts ，使得这种方法难于应用。
4:1衰减曲线法调节器参数计算表 表4－3 1 0:1衰减曲线法调节器参数计算表
表8－4
（3）经验凑试法
经验凑试法是长期的生产实践中总结出来的一种整定方法。它是根据经验先将调节器参数放在一个数值上，直接在闭环系统中，通过改变给定值施加干扰，在记录仪上观察过渡过
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程曲线，运用δ，T i、TD 对过渡过程的影响为指导，按照规定顺序，对比例度δ、积分时间Ti 和微分时间TD 逐个整定，直到获得满意的过度过程为止。
各类调节系统中调节器参数的经验数据，列于表4－5中，供整定时参考选择。
表4－
5
表中给出的只是一个大体范围，有时变动较大。例如，流量调节系统的δ值有时需在200％以上，有的温度调节系统，由于容量滞后大，了，往往在15min 以上。另外，选择δ值还应注意测量部分的量程和调节阀的尺寸。如果量程范围小(相当于测量变送器的放大系数Km 大) 或调节阀尺寸选大了(相当于调节阀的放大系数Kv 大) 时，δ应选得适当大一些。
整定的步骤有以下二种：
(1)先用纯比例作用进行凑试，待过渡过程已基本稳定并符合要求后，再加积分作用消除余差，最后加入微分作用是为了提高调节质量。按此顺序观察过渡过程曲线进行整定工作。
具体作法如下：
根据经验并参考表4－55的数据，选出一个合适的6值作为起始值，暂时去掉积分作用与微分作用(即Ti ＝∞，TD ＝0) ，将系统投入自动。改变给定值，观察记录曲线形状。如曲线不是4:1衰减(这里假定要求过程是4:1衰减振荡的) ，如衰减比大于4:1，说明选的δ值偏大，适当减小δ值再看记录曲线，直到呈4:1衰减为止。注意，当把调节器比例度调小后，如无干扰就看不出衰减振荡曲线，一般都要改变一下给定值才能看到，若工艺上不允许改变给定值，那只好等候工艺本身出现较大干扰时再看记录曲线。δ值调整好后，如要求消除余差，则要引入积分作用。一般积分时间可先取为衰减周期的一半值，并在积分作用引入的同时，将比例度增加10～20％，看记录曲线的衰减比和消除余差的情况，如不符合要求，再适当改变δ和Ti 值。如果是三作用调节器，则在已调整好的δ和Ti 的基础上再引入微分作用，而在引入微分作用后，允许把δ值和Ti 值再缩小一点。微分时间Td 也要凑试，以使过渡过程时间短，超调量小，调节质量满足生产要求。
经验凑试法的关键是“看曲线，调参数”。因此，必须弄清楚调节器参数值变化对过渡过程曲线的影响关系。一般说来，在整定中，观察到曲线振荡很频繁，须把比例度增大以减小振荡，曲线最大偏差大且趋于非周期过程，须把比例度减小。当曲线波动较大时，应增大积分时间；曲线偏离给定值后，长时间回不来，则须减小积分时间，以加快消除余差的过程。
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如果曲线振荡得厉害，须把微分作用减到最小，或暂时不加微分作用，以免更加剧振荡; 曲线最大偏差大而衰减减慢，须把微分时间加长。经过反复凑试，一直调到过渡过程振荡两个周期后基本达到稳定，品质指标达到工艺要求为止。
在一般情况下，比例度过小，积分时间过小或微分时间过大，都会产生周期性的激烈振荡。但是，积分时间过小引起的振荡，周期较长，比例度过小，振荡周期较短，微分时间过大，振荡周期最短。见图8－23所示。曲线a 的振荡是积分时间过小引起的，曲线b 是比例度过小引起的，曲线c 是微分时间过大引起的。
图8－23 三种振荡曲线比较 图8－24 比例度过大，积分时间过长曲线比较 如果比例度过大或积分时间过大，都会使过渡过程变化缓慢。一般地说，比例度过大，曲线东跑西跑，不规则地较大地偏离给定值，而且，形状象波浪般的绕大弯的变化，如图8－24中的曲线a 所示。如果曲线通过非周期的不正常路径，慢慢地回复到给定值，就说明积分时间过大，如图8－24中的曲线b 所示。应当引起注意的是，积分时间过大或微分时间过大，超出允许的范围时，不管如何改变比例度，都是无法补救的。
(2)先按表4－5中给出的范围把Ti 定下来，如要引入微分作用，可取Td=(1／3～1／4)Ti 然后对δ进行凑试，凑试步骤与前一种方法相同。
一般来说，这样凑试可较快地找到合适的参数值。但是，如果开始Ti 和TD 设置得不合适，则可能得不到所要求的记录曲线，这时应将TD 和Ti 作适当调整，重新凑试，直至记录曲线合乎要求为止。
经验凑试法的特点是方法简单，适用于各种调节系统，因此应用非常广泛。特别是外界干扰作用频繁，记录曲线不规则的调节系统，采用此法最为合适。但是此法主要是靠经验，在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时，往往费时较多。为了缩短整定时间，可以运用优选法，使每次参数改变的大小和方向都有一定的目的性。值得注意的是，对于同一个系统，不同的人采用经验凑试法整定，可能得出不同的参数值，这是由于对每—：条曲线的看法，有时会因人而异，没有一个明确的判断标准，而且不同的参数匹配有时会使所得过渡过程衰减情况一样。
最后必须指出，在一个自动调节系统投运时，调节器的参数必须整定，才能获得满意的调节质量。同时，在生产进行的过程中，如果工艺操作条件改变，或负荷有很大变化，调节对象的特性就要改变，因此，调节器的参数必须重新整定。由此可见，整定调节器参数是经常要做的工作，对工艺人员与仪表人员来说，都是需要掌握的。
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三、调节系统的投运
一个自动调节系统设计安装完毕后，如何投运是一项很重要的工作，尤其对一些重要的调节系统更应重视。由于投运前准备工作做得不细或由于误操作造成事故的例子也是常见的。当然，一些次要的调节系统投运时可能很简单，个别系统甚至在工艺开车前就可以打在自动位置。但是，多数调节系统都需要按正常的程序将其投入自动。下面讨论一下投运前及投运中的几个主要问题。
1、准备工作
对于工艺人员与仪表人员来说，投运前都要熟悉工艺过程，了解主要工艺流程，主要设备的功能、控制指标和要求，以及各种工艺参数之间的关系，熟悉控制方案，全面掌握设计意图，熟悉各调节方案的构成，对测量元件和调节阀的安装位置，管线走向，工艺介质性质等都要心中有数。对于仪表人员来说，还应该熟悉各种自动化工具的工作原理和结构，掌握调校技术，投运前必须对测量元件、变送器、调节器、调节阀和其他仪表装置，以及电源，气源，管路和线路进行全面检查，尤其是要对气压信号管路进行试漏。
2、仪表检查
仪表虽在安装前已校验合格，投运前仍应在现场校验一次，在确认仪表工作正常后才可考虑投人运行。
对于调节记录仪表，除了要观察测量指示是否正常外，还特别要对调节器控制点进行复校。对于比例积分调节器，当测量值与给定值相等时，调节器的输出可以等于任意数值(气动仪表在0．02—0．1MPa 之间，电动仪表在0—10ma 或4—20mA 之间) 。例如，我们将给定值指针与测量值指针重合(又称对针) ，这时调节器的输出就应该稳定在某一数值不变。如果输出稳定不住(还在继续增大或减小) ，说明调节器的控制点有偏差。此时，若要使调节器输出稳定下来，测量值与稳定值之间必然就有偏差存在。在控制室中，人们常常看到有的调节仪表其测量针与给定针总是重合不起来，就是这种情况。如果调节器是比例积分作用的，这种测量值与给定值之间的偏差就是控制点偏差。当控制点偏差超过允许范围时，就必须重新校正调节器的控制点。当然，如果是纯比例调节器，那么测量值与给定值之间存在偏差是正常现象。
3、检查调节器的正、反作用及调节阀的气开气关型式
调节器的正反作用与调节阀的气开，气关型式是关系到调节系统能否正常运行与安全操作的重要问题。投运前必须仔细检查。
自动调节系统是具有被调参数负反馈的闭环系统。也就是说，如果被调参数偏高，则调节作用应使之降低，相反，如果原来被调参数偏低，则调节作用应使之升高。调节作用对被调参数的影响应与干扰作用对被调参数的影响相反，才能使被调参数回复到给定值。这里，就有一个作用方向的问题。
在调节系统中，不仅是调节器，而且调节对象、测量变送器、调节阀都有各自的作用方向。它们如果组合不当，使总的作用方向构成了正反馈，则调节系统不但不能起调节作用，反而破坏了生产过程的稳定。所以，在系统投运前必须注意检查各环节的作用方向。
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所谓作用方向，就是指输入变化后，输出变化的方向。当输入增加时，输出也增加，则称为“正作用”方向，反之，当输入增加时，输出减少的称“反作用”方向。
对于调节器，当被调参数(即变送器送来的信号) 增加后，调节器的输出也增加，称为“正作用”方向，如果输出随被调参数的增加而减小，则称为“反作用”方向(同一调节器，其被调参数与给定值的变化，对输出的作用方向是相反的) 。对于变送器，其作用方向一般都是“正作用”方向的，因为当被调参数增加时，其输出信号也是相应增加的。对于调节阀，它的作用方向取决于是气开阀还是气关阀(注意不要与调节阀的“正作用”及“反作用”混淆) ，当调节器输出信号增加时，气开阀的开度增加，是“正”方向，而气关阀是“反”方向。至于调节对象的作用方向，则随具体对象的不同而定。
在一个安装好的调节系统中，对象、变送器的作用方向一般都是确定了的，调节阀的气开或气关型或主要应从工艺安全角度来选定。所以在系统投运前，主要是确定调节器的作用方向。调节器的正，反作用可以通过改变调节上的正、反作用开关自行选择。
图8－25是一个简单的加热炉出口温度调节系统。为了在调节阀气源突然断气时，炉温不继续升高，以防烧坏炉子，采用了气开阀(停气时关闭) ，是“正”方向。炉温是随燃料的增多而升高的，所以炉子也是“正”方向作用的。变送器是随炉温升高，输出增大，也是“正”方向。所以调节器必须为“反”方向，方能当炉温升高时，使阀门关小，炉温下降，正常调节。
图8－25 加热炉出口温度调节 图8－26 液位调节
图8－26是一个简单的液位调节系统。调节阀采用了气开阀，在停止供气时，阀门自动关闭，以免物料全部流走，故调节阀是“正”方向。当调节阀打开时，液位是下降的，所以对象的作用方向是“反”的。变送器为“正”方向。这时调节器的作用方向必须为“正”才行。
总之，确定调节器作用方向，就是要使调节回路中各个环节总的作用方向为“反”方向，构成负反馈，这样才能真正起到调节作用。
4、调节阀的投运
在现场，调节阀的安装情况一般如图8－27所示。
在调节阀4的前后各装有截止阀，图中1为上游阀，2
为下游阀。另外，为了在调节阀或调节系统出现故障
时不致影响正常的工艺生产，通常在旁路管线上安装
有旁路阀3。
开车时，有两种操作步骤，一种是先用人工操作 图8－27 调节阀安装示意图
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旁路阀，然后过渡到调节阀手动摇控，另一种是一开始就用手动摇控。如条件许可，后一种方法较好。
当由旁路阀手工操作转为调节阀手动摇控时，步骤如下：
(1)先将截止阀1和2关闭，手动操作旁路阀3，使工况逐渐趋于稳定。
(2)用手动定值器或其它手动操作器调整调节阀上的气压户，使它等于某一中间数值或已有的经验数值。
(3)先开上游阀“再逐渐开下游阀2，同时逐渐关闭旁路阀3，以尽量减少波动(也可先开下游阀2) 。
(4)观察仪表指示值，改变手动输出，使被调参数接近给定值。
远距离人工控制调节阀叫手动遥控，可以有三种不同的情况，
(1)调节阀本身是遥控阀，利用定值器或其他手动操作器遥控。
(2)调节器本身有切换装置或带有副线板，切至“手动”位置，利用定值器或手操轮遥控。
(3)调节器不切换，放在“自动”位置，利用定值器改变给定值而进行遥控。但此时宜将比例度置于中间数值，不加积分和微分作用。
一般说来，当达到稳定操作时，阀门膜头压力应为0．03—0．085MPa 范围内的某一数值，否则，表明阀的尺寸不合适，应重新选用调节阀。当压力超过0．085MPa 时，表明所选调节阀太小(对气开阀而言) ，可适当利用旁路阀来调整，但这不是根本解决的办法，它将使阀的流量特性变坏。当由于生产量的不断增加，使原设计的调节阀太小时，如果只是依靠开大旁路阀来调整流量，会使整个自动调节系统不能正常工作。这时无论怎样整定调节器参数，都是不能获得满意的调节质量的。
5、调节器的手动和自动切换
通过手动遥控调节阀，使工况趋于稳定以后，调节器就可以由手动切换到自动，实现自动操作。
由手动切换到自动，或由自动切换到手动，因所用仪表型号及连接线路不同，有不同的切换程序和操作方法，总的要求是要做到无扰动切换。所谓无扰动切换，就是不因切换操作给被调参数带来干扰。对于气动薄膜调节阀来说，只要切换时无外界干扰，切换过程中应保证调节阀膜头上的气压不变，也就是使阀位不跳动。如果正在切换中，发生了外界干扰，调节器立即发出校正信号操纵调节阀动作，这是正常现象，不是切换带来的扰动。为了避免这种情况，切换必须迅速完成。所以，总的要求是平稳、迅速，实现无扰动切换。
6、调节器参数的整定
调节系统投入自动后，即可进行调节器参数的整定。整定方法前面已经介绍过，这里需要强调，不管采用哪种方法进行整定，所得到的自动调节系统，在正常工况下，由于经常受到各种扰动，被调参数不可能总是稳定在一个数值上长期不变。企图通过调节器参数整定，使仪表测量值指针总是保持不动，记录曲线为一条直线或一个圆，这是不现实的。记录曲线围绕给定值附近有一些小的波动是正常的。如果出现记录曲线是一条直线或一个圆，这时倒要检查一下测量记录仪表有否故障，灵敏度是否足够等。
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