PID核心内容——控制系统原理

前    言

在介绍之前，小编想提醒在团队中负责图纸绘制的同学们，应提前仔细阅读每类图纸的相关标准，多参考往届优秀作品，并学习控制系统与管道方面的知识，对即将开始的任务做到心中有数，但应以标准为主、作品为辅，取其精华，去其糟粕。

工厂仪表控制系统

在计算机控制应用于工业过程控制中期，由于计算机价格高，为了充分利用计算机，对工业过程采用的是集中控制方式，由于过分集中，一旦计算机出现故障，就要影响全局。集散控系统由若干微机分别承担任务，从而代替了集中控制的方式，将危险性分散。由于是积木式结构，构成灵活，易于扩展；系统的可靠性高；采用CRT显示技术和智能操作台，操作、监视方便；采用数据通信技术，处理信息量大；与计算机集中控制方式相比电缆和敷缆成本较低，便于施工。在比赛的作品中，我们所设计的工厂一般均采用DCS集散控制系统对全厂进行控制，它通常由现场控制站、操作站、通信网络和上位机组成。

DCS集散控制系统

在美国仪表协会ISA S84.01标准中对过程安全控制系统的逻辑元件硬件结构方式也作了规定：（划考点）

1OO1D一取一表决方式带自诊断；

2OO3三取二表决方式；

1OO2D二取一表决方式带自诊断；

2OO4四取二表决方式。

冗余配置的系统虽可避免单系统中可能出现的严禁性故障，但也很容易引发安全性故障的发生。现场任何一个检测元件发来的故障信号，都可能成为系统安全停车的事故触点信号。双系统的安全故障发生率是单系统的二倍。应该说三选二配置方式是一种较为合理的选择，但成本较高。

工业过程控制方案

单回路反馈控制回路结构简单，解决了过程控制中大量问题，是应用最为广泛的一种控制回路形式。单回路简单仪表控制系统其核心装置是模拟式调节器，当系统出现偏差e时，调节器按照预先设定的调节规律，对偏差e进行运算，输出一个变化量u到执行器，使其产生一个可以减小偏差的控制作用，当系统满足控制要求时，调节器的输出u稳定在一个定值上不变。

单回路简单仪表控制系统

单回路控制应用

单回路简单仪表控制系统适合时间常数、纯滞后不大的被控对象，负荷干扰变化频率低、对控制要求不高的场合，是控制回路形式选择中的首选方案。

追女孩子，如果只会直来直去，仅仅局限于某一种方式，基本是没前途的…

设计控制系统也是一样的道理…

虽然单回路能解决化工厂大部分的控制问题，但是也有一定的局限性。这时候就需要复杂控制系统登场了，常用方案为串级控制、比值控制、前馈-反馈控制等。

串级控制系统方块图

串级控制回路通过主、副两个控制器对干扰进行控制，抗干扰能力大大增强。主回路是一个定值控制回路，副回路是一个随动控制回路。主控制器根据操作及负荷变化，修改副回路给定值，以适应操作及负荷变化。应用场合：适合控制滞后大、时间常数大、干扰幅度大且频繁的对象，或者控制质量要求较高的场合，如加热炉出口温度。

串级控制系统应用

双闭环比值控制系统方块图

比值控制系统分为开环比值控制、单闭环比值控制、双闭环比值控制。系统为了既能实现两流量的比值恒定，又能使进入系统的总负荷平稳，一般总是将主要物料设计为主变量，其他物料设计为从物料。双闭环比值控制系统由于有两个流量闭合回路，可以克服各自的外界干扰，使主、副流量都比较平稳，流量间的比值可通过比值计算器实现。这样，系统的总负荷也将是平稳的，克服了单闭环比值控制总流量不稳定的缺点。

比值控制系统应用

前馈-反馈控制方块图

按照干扰量的变化来补偿其对被控量的影响，从而达到被控量完全不受干扰量影响的控制方式称为前馈控制。反馈控制系统的特点是当被控过程受到扰动后，必须等到被控量出现偏差时，控制器才开始动作以补偿扰动对被控量的影响。而前馈控制方法则无需等到扰动最引起被控量出现偏差时才去控制，而是直接利用测量到的扰动量去补偿扰动对被控量的影响。单纯的前馈控制系统具有一定的局限性，而前馈-反馈控制可以综合前馈与反馈二者的优点，将反馈控制不易克服的主要干扰进行前馈控制，而对其他干扰则进行反馈控制。

前馈--反馈控制系统应用

另外，分程控制、均匀控制也是流程中常见的控制方案，大家可以参考此书：《化工仪表及自动化第五版》厉玉鸣主编。

细节啰嗦

PID图纸中大家最注意的是流程中控制方案的准确性，但也千万不要忽视图纸的规范性，往年图框和标题栏很多被扣分，这一方面不应该成为丢掉分数的原因，否则就得不偿失了。

PFD图纸此时应该已经基本完成，那么PID（管道及仪表流程图）自然也应按照与PFD相同的流程来画，另外需要强调的是，比赛时会检查Aspen中工艺流程、PFD、PID三者之间的一致性，因此需要格外注意不要缺失或多出某些设备。

首页图中应包含阀门、管件、流程标识、设备等的图标与解释说明，一般为1-2页。详细标准应参考HG-T20519-2009化工工艺设计施工图内容和深度统一规定。

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往期回顾

怎样开始绘制工程图纸？ 2018竞赛扣分点分析--PFD&PID

本期编辑：陈钊宜

本期排版：伍青林