基于温度定值控制系统的过渡过程研究

杜晓妮

（青岛职业技术学院 海尔学院，青岛 266555）

1 温度定值控制系统分析

温度定值控制系统中的被控对象为锅炉内胆，被控变量为锅炉内胆的温度，要求温度稳定在设定值40 ℃。以温度传感器铂电阻PT100检测到的锅炉内胆温度作为反馈信号，其与设定值比较后的差值通过控制器智能调节仪控制三相移相调压装置转化为输出电压，进而控制三相电加热管的加热功率，达到控制锅炉内胆温度的目的[1]。在该系统中，由于温度存在明显的滞后特性，加热过程容量与时延较大，系统过渡过程的时间会较长。为避免滞后现象，智能调节仪可在信号放大和消除余差的基础上添加消除滞后的功能。因此，智能调节仪选择比例-微分（Proportion-Differential，PD）或比例-积分-微分（Proportion-Integral-Differential，PID）控制规律[2]。

根据以上分析，该控制系统的原理图、方框图和接线图[3]分别如图1、图2和图3所示。

图1 锅炉内胆温度定值控制系统原理图

图2 锅炉内胆温度定值控制系统方框图

图3 锅炉内胆温度定值控制系统接线图

图1所示的原理图表示本系统中介质、信号的传输回路，即以智能调节仪为中心检测信号的来源、控制介质的去向。介质的传输回路即为供水回路，本控制系统选择380 V磁力驱动泵作为执行装置进行供水。

图2所示的方框图表示本系统的环节及信号的连接关系和控制原理等信息，其中“比较环节”强调该系统为闭环控制，被控对象环节“锅炉内胆”处标注了其为控制系统受到干扰信号影响的部分。

图3所示的接线图表示该控制系统中所有硬件设备的连接方式。需注意，温度传感器铂电阻使用三线制接法。在设备连接时，可以以控制器智能调节仪为中心，先接入检测装置铂电阻，然后将智能调节仪4～20 mA的输出信号接向三相移相调压装置，以控制调压装置的输出电压。调压装置的输出端与三相电加热管的输入端相连，以控制加热管的加热功率。所有设备的电源都要完整连接。

2 温度定值控制系统的过渡过程及品质指标

在运行过程中，过程控制系统要求保证安全性、经济性和稳定性。根据被控变量是否随时间的发展发生变化，控制过程分为稳态（也叫静态）和动态两种状态[4]。该温度定值控制系统受到单位阶跃干扰后失稳，温度发生变化的过渡过程是典型的理想过渡过程曲线形式，即衰减振荡过渡过程曲线，如图4所示。

图4 锅炉内胆温度定值控制系统过渡过程曲线

由图4可知，该系统受到阶跃干扰后，温度发生了上下波动的情况，并且波动的幅度逐渐减小，经过一段时间的衰减振荡后重新达到一个新的稳态值。这种过渡过程的发展趋势对过程控制系统比较有利，符合稳定和衰减振荡的要求[5]。

通过分析图4所示数据，计算相关品质指标。

（1）最大偏差。最大偏差是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标，可反映出控制系统的控制质量。该系统受到干扰后进入过渡过程产生的最大偏差为5 ℃，偏离设定值的程度不严重，偏离时间也不长，说明智能调节仪的控制能力强，能够满足生产规定的需要，可以保证控制质量，有利于生产过程的稳定运行。

（2）余差。余差是衡量控制系统稳定性的一个动态指标。该系统过渡过程结束时，新的稳态值与设定值的差值为1 ℃，属于有差调节，而且差值较小，说明控制精度高，温度得到有效控制。在生产中，设定值是生产的技术指标，因此被控变量越接近设定值越好，即过渡过程结束后余差越小越好。对于实际的控制系统，需要结合具体的控制要求和系统特征来分析余差的数值。

（3）衰减比。衰减比是衡量控制过程衰减速度的指标。第一个波峰值为4 ℃，第二个波峰值为1 ℃，衰减比为4∶l。这个结果证明该衰减振荡过渡过程属于非常优秀的控制过程，被控变量受到干扰后发生衰减的速度平稳，系统能够稳定运行，系统安全性好。

（4）峰值时间。峰值时间是反映控制系统快速性的一个动态指标。过渡过程曲线达到第一个峰值所需要的时间是5 min，说明系统在干扰发生后智能调节仪作出调节的反应速度快，控制系统反应灵敏。

（5）振荡周期。振荡周期为第一个波峰与同向第二个波峰之间的时间间隔。由图4可知，振荡周期为13 min，这个指标与衰减比都反映了系统的优良性。振荡周期越短，过渡时间越短，因此振荡周期是衡量控制系统控制速度的品质指标。

（6）过渡时间。过渡时间表示系统从受到干扰作用的时刻起，到重新建立新的平衡时刻为止。过渡过程所经历的时间，就是被控变量从过渡状态恢复到新的平衡状态所经历的最短时间，与规定的被控变量限制范围的大小有关。本控制系统中，如果温度进入额定值的±2%就认为过渡过程结束，那么限制范围为-0.82～0.82 ℃。在新稳态值41 ℃两侧以±0.82 ℃为界画出一个区域，即图4中的阴影区域，温度进入这一区域且不再越出便认为过渡过程结束。因此，过渡时间为23 min，说明过渡过程反应迅速，即使在控制过程中干扰频繁出现或信号剧烈，系统在控制器的作用下仍能快速达到稳定，系统的控制质量高。

3 结语

分析温度定值控制系统的过渡过程及品质指标，是为了评价过程控制系统的控制质量和抗干扰能力，意义重大。在生产设备的调试中，过渡过程的研究及品质指标的计算为设备快速顺利地投入实际的生产运行做好基础准备工作。