第7章 復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)(下)

7.6分程控制系統(tǒng)在分程控制系統(tǒng)中，一個控制器的輸出信號被分割成幾個行程段，每一段行程各控制一個調(diào)節(jié)閥，故取名為分程控制系統(tǒng)。例如，一個控制器的輸出信號分程控制兩個調(diào)節(jié)閥A和B，A和B的輸入信號各占一半行程。可調(diào)整閥門定位器來縮小調(diào)節(jié)閥的輸入量程。CABMM7.6.1分程控制系統(tǒng)工作原理及類型1．分程控制系統(tǒng)工作原理如某一間歇式生產(chǎn)的化學(xué)反應(yīng)過程中，每次投料完畢后，需要先對其加熱引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。TT熱水冷卻水BTCA一旦反應(yīng)開始進行，就會持續(xù)產(chǎn)生大量的反應(yīng)熱，如果不及時降溫，物料溫度會越來越高，有發(fā)生爆炸的危險。因此，必須降溫。為此，可設(shè)計以反應(yīng)器內(nèi)溫度為被控參數(shù)、以熱水流量和冷卻水流量為控制變量的分程控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)閥A、B分別控制冷卻水和熱水。為保證安全，熱水閥采用氣開式，冷水閥采用氣關(guān)式，則溫度調(diào)節(jié)器設(shè)為反作用。TT熱水冷卻水BTCA反反正圖7.29調(diào)節(jié)閥分程關(guān)系曲線MPa0100%0.020.060.10A閥B閥TT熱水冷卻水BTCA正反反工作原理如下：當(dāng)裝料完成、化學(xué)反應(yīng)開始前，溫度測量值小于設(shè)定值。調(diào)節(jié)器TC輸出氣壓大于0.06MPa，A（冷水）閥關(guān)閉，B（熱水）閥開啟，反應(yīng)器夾套中進的熱水使反應(yīng)物料溫度上升。反應(yīng)開始后，反應(yīng)物溫度逐漸升高，調(diào)節(jié)器輸出逐漸下降，熱水閥逐漸關(guān)?。划?dāng)反應(yīng)物料溫度達到并高于設(shè)定值時，調(diào)節(jié)器輸出氣壓將小于0.06MPa，熱水閥完全關(guān)閉，冷水閥逐漸打開，冷水進入夾套將反應(yīng)熱帶走，使反應(yīng)物料溫度保持在設(shè)定值。圖7.29調(diào)節(jié)閥分程關(guān)系曲線MPa0100%0.020.060.10A閥B閥TT熱水冷卻水BTCA正反反2．分程控制系統(tǒng)的類型按照調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式和分程信號區(qū)段不同，可分為以下兩種類型：①調(diào)節(jié)閥同向動作的分程控制系統(tǒng)例：兩個調(diào)節(jié)閥同向動作A、B均為正作用閥A、B均為反作用閥MPa0100%0.020.060.10A閥B閥MPa0100%0.020.060.10A閥B閥MPa0100%0.020.060.10A閥B閥MPa0100%0.020.060.10A閥B閥②調(diào)節(jié)閥異向動作的分程控制系統(tǒng)例：兩個調(diào)節(jié)閥異向動作在0.02~0.06MPa區(qū)間，B閥全開、A閥逐漸開大；在0.06~0.10MPa區(qū)間，A閥全開、B閥逐漸關(guān)小。在0.02~0.06MPa區(qū)間，B閥全關(guān)、A閥逐漸關(guān)??；在0.06~0.10MPa區(qū)間，A閥全關(guān)、B閥逐漸開大。給定－執(zhí)行器1對象變送器控制器干擾執(zhí)行器27.6.2分程控制系統(tǒng)設(shè)計及工業(yè)應(yīng)用分程控制系統(tǒng)本質(zhì)上屬于單回路控制系統(tǒng)。二者的主要區(qū)別是：單回路控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器輸出控制一個調(diào)節(jié)閥，分程控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器輸出控制多個調(diào)節(jié)閥。因此，系統(tǒng)設(shè)計上有所不同。7.6.2.1控制信號的分段在分程控制中，調(diào)節(jié)器輸出信號分段是由生產(chǎn)工藝要求決定的。調(diào)節(jié)器輸出信號需要分成幾段，哪一段信號控制哪一個調(diào)節(jié)閥，完全取決于工藝要求。如在此例反應(yīng)器溫度控制中，工藝需要控制兩個調(diào)節(jié)閥。因此，調(diào)節(jié)器輸出信號需要分成兩段。TT熱水冷卻水BTCA正反反7.6.2.2調(diào)節(jié)閥特性的選擇與應(yīng)注意的問題1.根據(jù)工藝要求選擇同向或異向工作的調(diào)節(jié)閥如此例中，為保證安全，熱水閥采用氣開式，冷水閥采用氣關(guān)式。這就決定了兩個調(diào)節(jié)閥異向工作。又因工藝要求一個閥打開時，另一個必須關(guān)閉。因此兩個閥的特性組合應(yīng)是：MPa0100%0.020.060.10A閥B閥TT熱水冷卻水BTCA正反反2.流量特性的平滑銜接如圖為蒸汽壓力減壓系統(tǒng)。小負荷時只有A閥控制、B閥不開；負荷較大時A閥全開、B閥控制。兩個同向特性的調(diào)節(jié)閥并聯(lián)控制一種介質(zhì)的流量時，總流量特性是兩個閥流量特性的疊加組合。PTMPa0100%0.020.060.10A閥B閥如果兩個調(diào)節(jié)閥的增益差距較大，組合后的總流量特性有突變點，會影響調(diào)節(jié)品質(zhì)。P（MPa）（a）二閥特性比較接近0流量Q（%）1000.020.060.10?45（b）二閥特性差距較大01000.020.060.10?45P（MPa）流量Q（%）如果兩個調(diào)節(jié)閥都用直線特性，組合后的總流量特性有下列兩種情況：（a）分程信號不重疊P（MPa）流量Q（%）01000.020.060.10?如果調(diào)節(jié)閥是對數(shù)流量特性，其總流量特性銜接處必有突變點。可以通過兩個調(diào)節(jié)閥分程信號部分重迭的辦法，使調(diào)節(jié)閥流量特性實現(xiàn)平滑過渡。即將兩個閥的工作范圍擴大，形成一段重迭區(qū)。（b）分程信號重疊P（MPa）01000.020.060.10流量Q（%）3）調(diào)節(jié)閥的泄漏量在分程控制中，調(diào)節(jié)閥的泄漏量太大會影響控制質(zhì)量。尤其當(dāng)大、小閥并聯(lián)工作時，若大閥的泄漏量接近或大于小閥的正常的調(diào)節(jié)量，則小閥的調(diào)節(jié)能力大大降低。因為大閥的泄漏量相當(dāng)于存在一個不受控制的旁路管道，所以要求大閥的泄漏量很小。PT7.6.2.3分程控制的實現(xiàn)分程控制要求調(diào)節(jié)閥的輸入量程進行壓縮。通過調(diào)整閥門定位器的輸入信號零點和量程，使調(diào)節(jié)閥在規(guī)定的信號區(qū)段作全行程動作。（b）分程信號重疊P（MPa）01000.020.060.10流量Q（%）例如，使調(diào)節(jié)閥A在0.02~0.07MPa范圍內(nèi)作全行程動作；使調(diào)節(jié)閥B在0.05~0.10MPa范圍內(nèi)作全行程動作。7.6.2.4分程控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用分程控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用廣泛，介紹應(yīng)用比較多的兩種形式：1、用于擴大調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍有的生產(chǎn)工藝要求控制的流量變化范圍較大，但是調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍是有限的（國產(chǎn)統(tǒng)一設(shè)計柱塞調(diào)節(jié)閥可調(diào)范圍R＝30）。若采用一個調(diào)節(jié)閥，能夠控制的最大流量和最小流量相差不可能太懸殊，滿足不了生產(chǎn)上流量大范圍變化的要求，這時可考慮采用兩個控制閥并聯(lián)的分程控制方案。例

某廠蒸汽壓力減壓系統(tǒng)用節(jié)流減壓的方法將10MPa的高壓蒸汽減壓成4MPa的中壓蒸汽。中壓蒸汽的使用量變化很大。如果只用一個閥門控制，只能選擇大口徑閥。而大口徑閥在小開度下工作時，控制效果變差。如果用兩個閥分程控制，小負荷時只開小閥，負荷增大時再開大閥。則兩個調(diào)節(jié)閥組合后，可調(diào)范圍擴大。PT設(shè)大小兩個調(diào)節(jié)閥的最大流通能力分別為：CBmax=105m3

、CAmax=4.2m3；可調(diào)范圍均為

R=

30則兩個閥的最小流通能力分別為：CBmin=

CBmin

/R=105/30=3.5m3CAmin=

CAmin

/R=4.2/30=0.14m3兩個調(diào)節(jié)閥并聯(lián)使用時：最小流通能力為：Cmin=

CAmin=0.14最大流通能力為：

Cmax=

CBmax+CAmax=107.2m3可調(diào)范圍R并=

Cmax

/Cmin=107.2/0.14=780并聯(lián)使用后調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍增大了26倍。2.用于一個控制回路需要控制多個操縱量例如在工業(yè)廢液中和處理工藝中，需要根據(jù)廢液的酸堿性（pH值），分別控制加酸量或加堿量。MPa0100%0.020.060.10酸閥堿閥

pHT反反正廢液

pHC正堿液酸液中和液7.7選擇性控制系統(tǒng)

選擇性控制是指由生產(chǎn)過程的控制條件所構(gòu)成的邏輯關(guān)系疊加到正常自動控制系統(tǒng)上的一種控制方法。

選擇過程：有一套正?？刂葡到y(tǒng)通過選擇器，在非正常工況時，另有一套備用（或叫取代）控制系統(tǒng)自動實現(xiàn)由備用控制系統(tǒng)取代正?？刂葡到y(tǒng)。待工況回復(fù)正常后自動通過選擇器又回到正常控制系統(tǒng)。（取代過程是自動的“軟”切換）7.7選擇性控制系統(tǒng)（續(xù)）有關(guān)低選器和高選器低選器或畫為

輸出c等于輸入a和b中較小者

高選器或畫為輸出c等于輸入a和b中較大者

7.7.1選擇性控制系統(tǒng)的類型選擇性控制系統(tǒng)通過選擇器實現(xiàn)選擇功能。選擇器可以接在調(diào)節(jié)器的輸出端，對控制信號進行選擇；也可以接在變送器的輸出端，對測量信號進行選擇。1.對調(diào)節(jié)器輸出信號進行選擇給定2＋－變送器2執(zhí)行器對象被控量2給定1＋－變送器1控制器1選擇器被控量1干擾控制器2正常控制取代控制7.7選擇性控制系統(tǒng)（續(xù)）例：鍋爐系統(tǒng)，要求出口蒸汽壓力平穩(wěn)。為此，設(shè)計蒸汽壓力控制系統(tǒng)：被控變量：蒸汽出口壓力控制變量：燃油量

P1系統(tǒng)是正常的蒸汽壓力單回路反饋控制系統(tǒng)，根據(jù)安全考慮，閥門選“氣開”型。為保證負反饋，選P1C“反作用”問題：①在燃油調(diào)節(jié)過程中，噴咀前油壓過高時，有可能出現(xiàn)“脫火”②噴咀前油壓過低時，又可能出現(xiàn)“回火”。7.7選擇性控制系統(tǒng)7.7選擇性控制系統(tǒng)（續(xù)）

例：

為防止噴咀前油壓過高出現(xiàn)“脫火”事故，設(shè)計增加一個備用（取代）系統(tǒng)（如圖P2系統(tǒng)）；

為防止噴咀前油壓過低出現(xiàn)“回火”事故，設(shè)計增加一個備用（取代）系統(tǒng)（如圖P3系統(tǒng)）。7.7選擇性控制系統(tǒng)7.7選擇性控制系統(tǒng)（續(xù)）

例：7.7選擇性控制系統(tǒng)（續(xù)）

例：系統(tǒng)分析：

P2油壓控制系統(tǒng)是為防止油壓過高出現(xiàn)“脫火”而設(shè)計的油壓單回路反饋控制系統(tǒng)，通過“低選器”疊加在正常的蒸汽壓力系統(tǒng)中。自身要滿足負反饋控制，所以選P2C為“反作用”。

一般地，P2C的給定值x2設(shè)為接近P油允許的上限值，而P2C用純比例，且K2取得很大，所以，正常工況時，P2C的輸出u2很大，基本處于高飽和狀態(tài)，沒機會輸出。但當(dāng)P油較大而接近x2時，u2急劇變小，將取代u1成為u，通過閥門關(guān)小燃油，降低P油，防止“脫火”。P油下降后，P2C的輸出又進入高飽和，退出控制。

7.7選擇性控制系統(tǒng)（續(xù)）

例：系統(tǒng)分析：

P3油壓控制系統(tǒng)是為防止油壓過低出現(xiàn)“回火”而設(shè)計的油壓單回路控制系統(tǒng)，通過“高選器”疊加在正常的蒸汽壓力控制系統(tǒng)中。自身要滿足負反饋控制，所以選P3C為“反作用”。

一般地，P3C的給定值x3設(shè)為接近P油允許的下限值（但比其稍大些），P3C用純比例且K3取得很大，所以，正常工況時，由于P油大于x3，而K3較大，P3C的輸出u3處于低輸出飽和狀態(tài)，在“高選器”里沒有機會輸出。但當(dāng)P油低到小于x3時，P3C的輸出u3迅速增大，取代u12輸出，控制閥門迅速開大，使P油上升，P油上升后，P3C的輸出又進入低飽和，退出控制。7.7選擇性控制系統(tǒng)（續(xù)）注意：

上例中，取代控制系統(tǒng)（選擇性控制系統(tǒng)）的設(shè)計除借用選擇器外，取代控制器的給定值和放大系數(shù)的設(shè)置也是至關(guān)重要的。（否則將難以實現(xiàn)正確的取代控制）

選擇性控制系統(tǒng)作為安全保護系統(tǒng)經(jīng)常應(yīng)用于工業(yè)過程的其它領(lǐng)域，特別在石油、化工等工業(yè)生產(chǎn)中。7.7選擇性控制系統(tǒng)2．對變送器輸出信號進行選擇這種系統(tǒng)的選擇器裝在控制器之前，對變送器輸出信號進行選擇。用于幾個被控變量的給定值、控制規(guī)律都一樣的場合。

給定＋－變送器2執(zhí)行器對象被控量2變送器1選擇器被控量1干擾控制器正?？刂评?

固定床反應(yīng)器中熱點溫度的控制反應(yīng)器內(nèi)固定床上裝有催化劑以加速反應(yīng)，而反應(yīng)產(chǎn)生的熱量若不及時被冷卻液帶走，溫度過高會燒壞催化劑。因催化劑的老化、變質(zhì)和流動等原因，固定床不同位置的溫度可能不同。在不同位置分別安裝溫度傳感器，由選擇器選出熱點溫度信號，送入控制器進行控制。＞冷卻液入料T1TTC反T2TT3T反應(yīng)器產(chǎn)品反給定＋－變送器2執(zhí)行器對象3段變送器1選擇器被控量1控制器對象2段對象1段變送器1在此設(shè)備中，三點被控溫度是串聯(lián)關(guān)系。因此，控制系統(tǒng)方框圖中對象特性可等效為串聯(lián)的三段。＞冷卻液入料T1TTC反T2TT3T反應(yīng)器產(chǎn)品反

7.7.2選擇性控制系統(tǒng)的設(shè)計原則選擇性控制系統(tǒng)是多個常規(guī)控制系統(tǒng)的組合。與常規(guī)控制系統(tǒng)的設(shè)計相比，主要不同點是選擇器的設(shè)計選型和調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的確定。1．選擇器的選型選擇器有高值選擇器HS與低值選擇器LS兩種。選擇器類型的確定，是根據(jù)執(zhí)行器的作用方向和控制回路的切換條件決定的。例1

蒸汽壓力與燃氣壓力的自動選擇控制例2

固定床反應(yīng)器中熱點溫度的控制燃氣P2C鍋爐給水＜蒸汽汽包爐膛＞選擇器1選擇器2P3TP3CP2TP1TP1C正反反反例1

蒸汽壓力與燃氣壓力的自動選擇控制由于燃氣閥是正作用閥，防止燃氣壓力過高的選擇器1就應(yīng)當(dāng)是低選，防止燃氣壓力過低的選擇器2就應(yīng)當(dāng)是高選。＞冷卻液入料T1TTC反T2TT3T反應(yīng)器產(chǎn)品反例2

固定床反應(yīng)器中熱點溫度的控制控制思路就是按最高點溫度控制，所有的點的溫度都不會超標(biāo)，所以用高選器。2．調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的確定對于正常工況下運行的調(diào)節(jié)器，由于有較高的控制精度要求，可用PI調(diào)節(jié)或PID調(diào)節(jié)；對于取代調(diào)節(jié)器，一般只要求其迅速發(fā)揮保護作用，可用P調(diào)節(jié)。燃氣P2C鍋爐給水＜蒸汽汽包爐膛＞選擇器1選擇器2P3TP3CP2TP1TP1C正PPPID3．調(diào)節(jié)器參數(shù)整定正常工作調(diào)節(jié)器的整定要求與常規(guī)控制系統(tǒng)相同，可按常規(guī)控制系統(tǒng)的整定方法進行整定。對于取代調(diào)節(jié)器，要求能及時產(chǎn)生自動保護作用，其比例度P應(yīng)整定得小一些。燃氣P2C鍋爐給水＜蒸汽汽包爐膛＞選擇器1選擇器2P3TP3CP2TP1TP1C正PPPID7.8大滯后過程控制系統(tǒng)一、純滯后現(xiàn)象及其對控制質(zhì)量的影響

1、大滯后現(xiàn)象例1：一、純滯后現(xiàn)象及其對控制質(zhì)量的影響（續(xù)）例2：有測量純滯后一、純滯后現(xiàn)象及其對控制質(zhì)量的影響（續(xù)）

2.大純滯后對控制質(zhì)量的影響（先可直接從反饋控制分析純滯后的影響）

如圖，系統(tǒng)的特征方程為：

一、純滯后現(xiàn)象及其對控制質(zhì)量的影響（續(xù)）（2.大純滯后對控制質(zhì)量的影響）二、大純滯后的Smith預(yù)估補償控制

1、Smith預(yù)估補償器的原理及結(jié)構(gòu)設(shè)如下廣義對象含有純滯后：

1、Smith預(yù)估補償器的原理及結(jié)構(gòu)（續(xù)）

引入預(yù)估補償器Gb(s)，如下：

相應(yīng)地，假設(shè)對象無純滯后，其它條件一樣，則：

希望上述兩系統(tǒng)在特征方程上能夠等價

1、Smith預(yù)估補償器的原理及結(jié)構(gòu)（續(xù)）

Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-τoS_U(s)+F(s)Go(s)++++Y’(s)e-τoS_根據(jù)Smith預(yù)估器的傳遞函數(shù)Gb(s)表達式，就可得到圖7.18的Smith預(yù)估補償控制系統(tǒng)實施框圖。Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-τoS_U(s)+F(s)Go(s)++++Y’(s)e-τoS_可得到設(shè)定值X(s)