第二節　自動控制系統的基本組成及表示形式

一、自動控制系統的基本組成

自動控制系統是在人工控制的基礎上產生和發展起來的。所以，在開始介紹自動控制的時候，先分析人工操作，并與自動控制加以比較，對分析和了解自動控制系統是有裨益的。

圖1-2所示是一個液體貯槽，在生產中常用來作為一般的中間容器或成品罐。從前一個工序來的物料連續不斷地流入槽中，而槽中的液體又送至下一工序進行加工或包裝。當流入量Q_i（或流出量Q_o）波動時會引起槽內液位的波動，嚴重時會溢出或抽空。解決這個問題的最簡單辦法，是以貯槽液位為操作指標，以改變出口閥門開度為控制手段，如圖1-2（a）所示。當液位上升時，將出口閥門開大，液位上升越多，閥門開得越大；反之，當液位下降時，則關小出口閥門，液位下降越多，閥門關得越小。為了使液位上升和下降都有足夠的余地，選擇玻璃管液位計指示值中間的某一點為正常工作時的液位高度，通過改變出口閥門開度而使液位保持在這一高度上，這樣就不會出現貯槽中液位過高而溢至槽外，或使貯槽內液體抽空而發生事故的現象。歸納起來，操作人員所進行的工作有三方面，如圖1-2（b）所示。

（1）檢測　用眼睛觀察玻璃管液位計（測量元件）中液位的高低，并通過神經系統告訴大腦。

（2）運算（思考）、命令　大腦根據眼睛看到的液位高度，加以思考并與要求的液位值進行比較，得出偏差的大小和正負，然后根據操作經驗，經思考、決策后發出命令。

（3）執行　根據大腦發出的命令，通過手去改變閥門開度，以改變出口流量Q_o，從而使液位保持在所需高度上。

眼、腦、手三個器官，分別擔負了檢測、運算和執行三個作用，來完成測量、求偏差、操縱閥門以糾正偏差的全過程。由于人工控制受到人的生理上的限制，因此在控制速度和精度上都滿足不了大型現代化生產的需要。為了提高控制精度和減輕勞動強度，可用一套自動化裝置來代替上述人工操作，這樣就由人工控制變為自動控制了。液體貯槽和自動化裝置一起構成了一個自動控制系統，如圖1-3所示。

為了完成人的眼、腦、手三個器官的任務，自動化裝置一般至少也應包括三個部分，分別用來模擬人的眼、腦和手的功能。如圖1-3所示，自動化裝置的三個部分分別是：

（1）測量元件與變送器　它的功能是測量液位并將液位的高低轉化為一種特定的、統一的輸出信號（如氣壓信號或電壓、電流信號等）；

（2）自動控制器　它接受變送器送來的信號，與工藝需要保持的液位高度相比較得出偏差，并按某種運算規律算出結果，然后將此結果用特定信號（氣壓或電流）發送出去；

（3）執行器　通常指控制閥，它與普通閥門的功能一樣，只不過它能自動地根據控制器送來的信號值來改變閥門的開啟度。

顯然，這套自動化裝置具有人工控制中操作人員的眼、腦、手的部分功能，因此，它能完成自動控制貯槽中液位高低的任務。

在自動控制系統的組成中，除了必須具有前述的自動化裝置外，還必須具有控制裝置所控制的生產設備。在自動控制系統中，將需要控制其工藝參數的生產設備或機器叫做被控對象，簡稱對象。圖1-3所示的液體貯槽就是這個液位控制系統的被控對象。化工生產中的各種塔器、反應器、換熱器、泵和壓縮機以及各種容器、貯槽都是常見的被控對象，甚至一段輸氣管道也可以是一個被控對象。在復雜的生產設備中，如精餾塔、吸收塔等，在一個設備上可能有好幾個控制系統。這時在確定被控對象時，就不一定是生產設備的整個裝置。譬如說，一個精餾塔，往往塔頂需要控制溫度、壓力等，塔底又需要控制溫度、塔釜液位等，有時中部還需要控制進料流量，在這種情況下，就只有塔的某一與控制有關的相應部分才是某一個控制系統的被控對象。例如，在討論進料流量的控制系統時，被控對象指的僅是進料管道及閥門等，而不是整個精餾塔本身。

二、自動控制系統的表示形式

1.方框圖 

方框圖是控制系統或系統中每個環節的功能和信號流向的圖解表示，是控制系統進行理論分析、設計中常用到的一種形式。方框圖由方框、信號線、比較點、引出點組成。其中，每一個方框表示系統中的一個組成部分（也稱為環節），方框內添入表示其自身特性的數學表達式或文字說明；信號線是帶有箭頭的直線段，用來表示環節間的相互關系和信號的流向；比較點表示對兩個或兩個以上信號進行加減運算，“+”號表示相加，“-”號表示相減；引出點表示信號引出， 從同一位置引出的信號在數值和性質方面完全相同。作用于方框上的信號為該環節的輸入信號，由方框送出的信號稱為該環節的輸出信號。圖1-4為方框圖基本組成單元示意圖。

例如圖1-3的液位自動控制系統可以用圖1-5的方框圖來表示。每個環節表示組成系統的一個部分，稱為“環節”。兩個方框之間用一條帶有箭頭的線條表示其信號的相互關系，箭頭指向方框表示為這個環節的輸入，箭頭離開方框表示為這個環節的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號。

圖1-3的貯槽在圖1-5中用一個“被控對象（簡稱對象）”方框來表示，其液位就是生產過程中所要保持恒定的變量，在自動控制系統中稱為被控變量，用y來表示。在方框圖中，被控變量y就是對象的輸出。影響被控變量y的因素來自進料流量的改變，這種引起被控變量波動的外來因素，在自動控制系統中稱為干擾作用（擾動作用），用f表示。干擾作用是作用于對象的輸入信號。與此同時，出料流量的改變是由于控制閥動作所致，如果用一方框表示控制閥，那么，出料流量即為“控制閥”方塊的輸出信號。出料流量的變化也是影響液位變化的因素，所以也是作用對象的輸入信號。出料流量信號q在方框圖中把控制閥和對象連接在一起。

貯槽液位信號是測量元件及變送器的輸入信號，而變送器的輸出信號z進入比較機構，與工藝上希望保持的被控變量數值，即給定值（設定值）x進行比較，得出偏差信號e（e=x-z），并送往控制器。比較機構實際上只是控制器的一個組成部分，不是一個獨立的儀表，在圖中把它單獨畫出來（一般方框圖中是以○或??表示），為的是能更清楚地說明其比較作用。控制器根據偏差信號的大小，按一定的規律運算后，發出信號p送至控制閥，使控制閥的開度發生變化，從而改變出料流量以克服干擾對被控變量（液位）的影響。控制閥的開度變化起著控制作用。具體實現控制作用的變量叫做操縱變量，如圖1-3中流過控制閥的出料流量就是操縱變量。用來實現控制作用的物料一般稱為操縱介質或操縱劑，如上述中的流過控制閥的流體就是操縱介質。

用同一種形式的方框圖可以代表不同的控制系統。例如圖1-6所示的蒸汽加熱器溫度控制系統，當進料流量或溫度變化等因素引起出口物料溫度變化時，可以將該溫度變化測量后送至溫度控制器TC。溫度控制器的輸出送至控制閥，以改變加熱蒸汽量來維持出口物料的溫度不變。這個控制系統同樣可以用圖1-5的方框圖來表示。這時被控對象是加熱器，被控變量y是出口物料的溫度。干擾作用可能是進料流量、進料溫度的變化、加熱蒸汽壓力的變化、加熱器內部傳熱系數或環境溫度的變化等。而控制閥的輸出信號即操縱變量q是加熱蒸汽量的變化，在這里，加熱蒸汽是操縱介質或操縱劑。

必須指出，方框圖中的每一個方塊都代表一個具體的裝置。方框與方框之間的連接線，只是代表方框之間的信號聯系，并不代表方框之間的物料聯系。方框之間連接線的箭頭也只是代表信號作用的方向，與工藝流程圖上的物料線是不同的。工藝流程圖上的物料線是代表物料從一個設備進入另一個設備，而方框圖上的線條及箭頭方向有時并不與流體流向相一致。例如對于控制閥來說，它控制著操縱介質的流量（即操縱變量），從而把控制作用施加于被控對象去克服干擾的影響，以維持被控變量在給定值上。所以控制閥的輸出信號q，任何情況下都是指向被控對象的。然而控制閥所控制的操縱介質卻可以是流入對象的（例如圖1-6中的加熱蒸汽），也可以是由對象流出的（例如圖1-3中的出口流量）。這說明方框圖上控制閥的引出線只是代表施加到對象的控制作用，并不是具體流入或流出對象的流體。如果這個物料確實是流入對象的，那么信號與流體的方向才是一致的。

對于任何一個簡單的自動控制系統，只要按照上面的原則去作它們的方框圖時，就會發現，不論它們在表面上有多大差別，它的各個組成部分在信號傳遞關系上都形成一個閉合的環路。其中任何一個信號，只要沿著箭頭方向前進，通過若干個環節后，最終又會回到原來的起點。所以，自動控制系統是一個閉環系統。

再看圖1-5中，系統的輸出變量是被控變量，但是它經過測量元件和變送器后，又返回到系統的輸入端，與給定值進行比較。這種把系統（或環節）的輸出信號直接或經過一些環節重新返回到輸入端的做法叫做反饋。從圖1-5中還可以看到，在反饋信號z旁有一個負號“-”，而在給定值x旁有一個正號“+”（正號可以省略）。這里正和負的意思是在比較時，以x作為正值，以z作為負值，也就是到控制器的偏差信號e=x-z。因為圖1-5中的反饋信號z取負值，所以叫負反饋，負反饋的信號能夠使原來的信號減弱。如果反饋信號取正值，反饋信號使原來的信號加強，那么就叫做正反饋。在這種情況下，方框圖中反饋信號z旁則要用正號“+”，此時偏差e=x+z。在自動控制系統中都采用負反饋。因為當被控變量y受到干擾的影響而升高時，只有負反饋才能使反饋信號z升高，經過比較到控制器去的偏差信號e將降低，此時控制器將發出信號而使控制閥的開度發生變化，變化的方向為負，從而使被控變量下降回到給定值，這樣就達到了控制的目的。如果采用正反饋，那么控制作用不僅不能克服干擾的影響，反而是推波助瀾，即當被控變量y受到干擾升高時，z亦升高，控制閥的動作方向是使被控變量進一步升高，而且只要有一點微小的偏差，控制作用就會使偏差越來越大，直至被控變量超出了安全范圍而破壞生產。所以控制系統絕對不能單獨采用正反饋。

綜上所述，自動控制系統是具有被控變量負反饋的閉環系統。它與自動檢測、自動操縱等開環系統比較，最本質的區別，就在于自動控制系統有負反饋。開環系統中，被控（工藝）變量是不反饋到輸入端的，如化肥廠的造氣自動機就是典型的開環系統的例子。圖1-7是這種自動操縱系統的方框圖。自動機在操作時，一旦開機，就只能是按照預先規定好的程序周而復始地運轉。這時煤氣爐的工況如果發生了變化，自動機是不會自動地根據爐子的實際工況來改變自己的操作的。自動機不能隨時“了解”爐子的情況并依此改變自己的操作狀態，這是開環系統的缺點。反過來說，自動控制系統由于是具有負反饋的閉環系統，它可以隨時了解被控對象的情況，有針對性地根據被控變量的變化情況而改變控制作用的大小和方向，從而使系統的工作狀態始終等于或接近于所希望的狀態，這是閉環系統的優點。

2.管道及儀表流程圖

管道及儀表流程圖（Piping and Instrumentation Diagram，P&ID）是自控設計的文字代號、圖形符號在工藝流程圖上描述生產過程控制的原理圖，是控制系統設計、施工中采用的一種圖示形式。管道及儀表流程圖在工藝流程圖的基礎上，按其流程順序，標出相應的測量點、控制點、控制系統及自動信號與連鎖保護系統等。在控制方案確定以后，由工藝人員和自控人員共同研究繪制。

圖1-8是乙烯生產過程中脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖。為了說明問題方便，對實際的工藝過程及控制方案都做了部分修改。從脫甲烷塔出來的釜液進入脫乙烷塔脫除乙烷。從脫乙烷塔塔頂出來的碳二餾分經塔頂冷凝器冷凝后，部分作為回流，其余則去乙炔加氫反應器進行加氫反應。從脫乙烷塔底出來的釜液部分經再沸器后返回塔底，其余則去脫丙烷塔脫除丙烷。

在繪制P&ID圖時，圖中所采用的圖例符號要按有關的技術規定進行，如可參見化工行業標準HG/T 20505—2000《過程測量和控制儀表的功能標志及圖形符號》。下面結合圖1-8對其中一些常用的統一規定做簡要介紹。

（1）圖形符號

①測量點（包括檢出元件、取樣點）。是由工藝設備輪廓線或工藝管線引到儀表圓圈的連接線的起點，一般無特定的圖形符號，如圖1-9所示。圖1-8中的塔頂取壓點和加熱蒸汽管線上的取壓點都屬于這種情形。

必要時，檢測元件也可以用象形或圖形符號表示。例如流量檢測采用孔板時，檢測點也可用圖1-8中脫乙烷塔的進料管線上的符號表示。

②連接線。通用的儀表信號線均以細實線表示。連接線表示交叉及相接時，采用圖1-10的形式。必要時也可用加箭頭的方式表示信號的方向。在需要時，信號線也可按氣信號、電信號、導壓毛細管等采用不同的表示方式以示區別。

③儀表（包括檢測、顯示、控制）的圖形符號。儀表的圖形符號是一個細實線圓圈，直徑約10mm，對于不同的儀表安裝位置的圖形符號如表1-1所示。

對于處理兩個或兩個以上被測變量，具有相同或不同功能的復式儀表時，可用兩個相切的圓或分別用細實線圓與細虛線圓相切表示（測量點在圖紙上距離較遠或不在同一圖紙上），如圖1-11所示。

（2）字母代號　在控制流程圖中，用來表示儀表的小圓圈的上半圓內，一般寫有兩位（或兩位以上）字母，第一位字母表示被測變量，后繼字母表示儀表的功能，常用被測變量和儀表功能的字母代號見表1-2。

以圖1-8的脫乙烷塔控制流程圖，來說明如何以字母代號的組合來表示被測變量和儀表功能的。塔頂的壓力控制系統中的PIC-207，其中第一位字母P表示被測變量為壓力，第二位字母I表示具有指示功能，第三位字母C表示具有控制功能，因此，PIC的組合就表示一臺具有指示功能的壓力控制器。該控制系統是通過改變氣相采出量來維持塔壓穩定的。同樣，回流罐液位控制系統中的LIC-201是一臺具有指示功能的液位控制器，它是通過改變進入冷凝器的冷劑量來維持回流罐中液位穩定的。

在塔的下部的溫度控制系統中的TRC-210表示一臺具有記錄功能的溫度控制器，它是通過改變進入再沸器的加熱蒸汽量來維持塔底溫度恒定的。當一臺儀表同時具有指示、記錄功能時，只需標注字母代號“R”，不標“I”，所以TRC-210可以同時具有指示、記錄功能。同樣，在進料管線上的FR-212可以表示同時具有指示、記錄功能的流量儀表。

在塔底的液位控制系統中的LICA-202代表一臺具有指示、報警功能的液位控制器，它是通過改變塔底采出量來維持塔釜液位穩定的。儀表圓圈外標有“H”、“L”字母，表示該儀表同時具有高、低限報警，在塔釜液位過高或過低時，會發出聲、光報警信號。

（3）儀表位號　在檢測、控制系統中，構成一個回路的每個儀表（或元件）都應有自己的儀表位號。儀表位號是由字母代號組合和阿拉伯數字編號兩部分組成。字母代號的意義前面已經解釋過。阿拉伯數字編號寫在圓圈的下半部，其第一位數字表示工段號，后續數字（二位或三位數字）表示儀表序號。圖1-8中儀表的數字編號第一位都是2，表示脫乙烷塔在乙烯生產中屬于第二工段。通過控制流程圖，可以看出其上每臺儀表的測量點位置、被測變量、儀表功能、工段號、儀表序號、安裝位置等。例圖1-8中的PI-206表示測量點在加熱蒸汽管線上的蒸汽壓力指示儀表，該儀表為就地安裝，工段號為2，儀表序號為06。而TRC-210表示同一工段的一臺溫度記錄控制儀，其溫度的測量點在塔的下部，儀表安裝在集中儀表盤面上。