锅炉主要用于生产蒸汽，是工业生产中常用的设备。锅炉汽包内的液位高度是生产中的关键参数，液位太低，会影响产汽量，且锅炉易烧干而发生事故；液位过高，生产的蒸汽含水量高，会影响蒸汽质量。因此，在生产过程中必须采取措施保持液位稳定在设定值。下面就以锅炉汽包为被控对象，介绍单回路控制系统的组成。图5-1为锅炉汽包液位控制系统的系统原理图。

图5-1　锅炉汽包液位控制系统原理图

图5-1中，锅炉汽包为被控对象，工艺所要求的汽包液位高度称为设定值；所要求控制的液位参数称为被控变量或输出变量；影响被控变量使之偏离设定值的因素统称为扰动，如给水量、蒸汽量使用多少的变化等（设定值和扰动都是系统的输入变量）；用于使被控变量保持在设定值范围内的变量称为控制变量或操作变量；控制通道就是控制作用对被控变量的影响通路；扰动通道就是扰动作用对被控变量的影响通路。

当该系统受到扰动作用后，被控变量（液位）发生变化，通过液位检测变送仪表LT得到其测量值，并将其传送到液位控制器LC；LC将被控变量（液位）的测量值与设定值比较得到偏差，并经过一定的运算后输出控制信号，这一信号作用于执行器（在此为调节阀），改变给水量，以克服扰动的影响，使被控变量回到设定值，这样就完成了所要求的控制任务。由此可见，过程控制系统的工作过程就是应用负反馈原理的控制过程。锅炉汽包液位控制系统方框图如图5-2所示。

图5-2　锅炉汽包液位控制系统方框图

根据上述的锅炉汽包液位控制系统方框图，可得简单控制系统的标准方框图，如图5-3所示。其中，方框内每个环节可以用文字描述，也可用传递函数描述。

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图5-3　简单控制系统方框图

图5-3中，G o（s）、G m（s）、G v（s）和G c（s）分别表示被控对象、检测变送装置、执行器和控制器的传递函数。系统工作时，被控对象的输出信号（被控变量）y（t）通过检测变送装置变换为测量值y m（t），并反馈到控制器G c（s）的输入端；控制器根据系统被控变量的设定值r（t）与测量值y m（t）的偏差e（t），按照一定的控制算法输出控制变量u（t）；执行器G v（s）根据控制器送来的控制变量u（t），通过改变操作变量μ（t）的大小，对被控对象G o（s）进行调节，克服扰动d（t）对系统的影响，从而使被控变量y（t）趋于设定值r（t），达到预期的控制目标。

根据图5-3可得简单控制系统的输出与输入的关系为

当生产过程平稳运行时，可忽略扰动作用对输出（被控变量）的影响，即D（s）＝0。此时，系统的主要任务是要求输出Y（s）能快速跟踪设定值R（s），且系统的输出Y（s）仅与设定值R（s）有关，即

在简单控制系统分析和设计时，通常将系统中控制器以外的部分组合在一起，即将被控对象、执行器和检测变送装置合并为广义被控对象，用G p（s）表示，即G p（s）＝G v（s）G o（s）G m（s）。因此，也可以将简单控制系统看成是由控制器G c（s）和广义被控对象G p（s）组成，如图5-4所示。

图5-4　由控制器和广义被控对象组成的简单控制系统方框图