復(fù)雜控制系統(tǒng)2

一、均勻控制的目的圖7-9前后精餾塔的供求關(guān)系甲塔:為了穩(wěn)定操作需保持塔釜液位穩(wěn)定，必然頻繁地改變塔底的排出量。乙塔：從穩(wěn)定操作要求出發(fā)，希望進(jìn)料量盡量不變或少變。甲、乙兩塔間的供求關(guān)系出現(xiàn)了矛盾。

為了解決前后工序供求矛盾，達(dá)到前后兼顧協(xié)調(diào)操作，使液位和流量均勻變化，組成的系統(tǒng)稱為均勻控制系統(tǒng)。第二節(jié)均勻控制系統(tǒng)均勻控制的要求（1）兩個(gè)變量在控制過程中都應(yīng)該是緩慢變化的。圖7-10前一設(shè)備的液位和后一設(shè)備的進(jìn)料量之關(guān)系1—液位變化曲線；2—流量變化曲線（2）前后互相聯(lián)系又互相矛盾的兩個(gè)變量應(yīng)保持在所允許的范圍內(nèi)波動(dòng)。二、均勻控制方案1.簡(jiǎn)單均勻控制圖7-11簡(jiǎn)單均勻控制目的

為了協(xié)調(diào)液位與排出流量之間的關(guān)系，允許它們都在各自許可的范圍內(nèi)作緩慢的變化。滿足均勻控制要求的方法通過控制器的參數(shù)整定來(lái)實(shí)現(xiàn)。比例度整定的很大，有時(shí)為了克服連續(xù)發(fā)生的同一方向干擾所造成的過大偏差，則引入積分作用。這時(shí)比例度一般大于100%，積分時(shí)間也要放的大一些。至于微分作用，是和均勻控制的目的背道而馳的，顧不采用。2.串級(jí)均勻控制圖7-12串級(jí)均勻控制

可在簡(jiǎn)單均勻控制方案基礎(chǔ)上增加一個(gè)流量副回路，即構(gòu)成串級(jí)均勻控制。參數(shù)整定的方法比例度和積分時(shí)間由小到大地進(jìn)行調(diào)整。

串級(jí)均勻控制系統(tǒng)的主、副控制器一般都采用純比例作用的。只在要求較高時(shí)，為了防止偏差過大而超過允許范圍，才引入適當(dāng)?shù)姆e分作用。二、均勻控制方案特點(diǎn)由于增加了副回路，可以及時(shí)克服由于塔內(nèi)或排出端壓力改變所引起的流量變化。

串級(jí)均勻控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)兩個(gè)變量間的關(guān)系是通過控制器參數(shù)整定來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

在串級(jí)均勻控制系統(tǒng)中，參數(shù)整定的目的不是使變量盡快地回到給定值，而是要求變量在允許的范圍內(nèi)作緩慢的變化。一、概況

實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。通常為流量比值控制系統(tǒng)。幾個(gè)概念主物料、主動(dòng)量（Q1

、主流量）從物料、從動(dòng)量（Q2、副流量）副流量Q2與主流量Q1的比值關(guān)系為第三節(jié)比值控制系統(tǒng)二、比值控制系統(tǒng)的類型1.開環(huán)比值控制系統(tǒng)圖7-13開環(huán)比值控制圖7-14開環(huán)比值控制方塊圖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需一臺(tái)純比例控制器，其比例度可以根據(jù)比值要求來(lái)設(shè)定。主、副流量均開環(huán)；這種比值控制方案對(duì)副流量Q2本身無(wú)抗干擾能力。所以這種系統(tǒng)只能適用于副流量較平穩(wěn)且比值要求不高的場(chǎng)合。

開環(huán)比值控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：2.單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)

單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是為了克服開環(huán)比值控制方案的不足，在開環(huán)比值控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過增加一個(gè)副流量的閉環(huán)控制系統(tǒng)而組成的。圖7-15單閉環(huán)比值控制圖7-16單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方塊圖它能實(shí)現(xiàn)副流量隨主流量的變化而變化，還可以克服副流量本身干擾對(duì)比值的影響。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)施方便，尤其適用于主物料在工藝上不允許進(jìn)行控制的場(chǎng)合。雖然能保持兩物料量比值一定，但由于主流量是不受控制的，當(dāng)主流量變化時(shí)，總的物料量就會(huì)跟著變化。單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：3.雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)它是在單閉環(huán)比值控制的基礎(chǔ)上，增加了主流量控制回路而構(gòu)成的。

圖7-17雙閉環(huán)比值控制圖7-18雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方塊圖實(shí)現(xiàn)了比較精確的流量比值，也確保了兩物料總量基本不變。提降負(fù)荷比較方便，只要緩慢地改變主流量控制器的給定值，就可以提降主流量，同時(shí)副流量也就自動(dòng)跟蹤提降，并保持兩者比值不變。結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，使用的儀表較多，投資較大，系統(tǒng)調(diào)整較麻煩。主要適用于主流量干擾頻繁、工藝上不允許負(fù)荷有較大波動(dòng)或工藝上經(jīng)常需要提降負(fù)荷的場(chǎng)合。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：4.變比值控制系統(tǒng)圖7-19變比值控制系統(tǒng)

要求兩種物料的比值能靈活地隨第三變量的需要而加以調(diào)整。圖7-20變比值控制系統(tǒng)方塊圖三、比值控制系統(tǒng)的幾個(gè)問題

1、主、從動(dòng)量的確定（1）生產(chǎn)過程中主要物料的流量為主動(dòng)量，次要物料的流量為從動(dòng)量。（2）兩物料中有一個(gè)物料的量為可測(cè)但不可控時(shí)，則應(yīng)選不可控的物料流量為主動(dòng)量，另一個(gè)可控的物料為從動(dòng)量。2、控制方案的選擇

根據(jù)控制方案的特點(diǎn)及工藝的具體情況來(lái)確定。3、比值系數(shù)的計(jì)算（1）流量與其測(cè)量信號(hào)之間成線性關(guān)系（2）流量與其測(cè)量信號(hào)之間成非線性關(guān)系，如差壓法測(cè)流量而未用開方器信號(hào)比值流量比值一、前饋控制系統(tǒng)及其特點(diǎn)反饋與前饋圖7-21換熱器的反饋控制圖7-22換熱器的前饋控制第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)1.前饋控制是基于不變性原理工作的，比反饋控制及時(shí)、有效圖7-23前饋控制系統(tǒng)的補(bǔ)償過程前饋控制是根據(jù)干擾的變化產(chǎn)生控制作用的。

反饋控制的依據(jù)是被控變量與給定值的偏差，檢測(cè)的信號(hào)是被控變量，控制作用發(fā)生時(shí)間是在偏差出現(xiàn)以后。前饋控制的依據(jù)是干擾的變化，檢測(cè)的信號(hào)是干擾量的大小，控制作用的發(fā)生時(shí)間是在干擾作用的瞬間而不需等到偏差出現(xiàn)之后。圖7-24反饋控制與前饋控制方塊圖

反饋控制與前饋控制的檢測(cè)信號(hào)與控制信號(hào)有不同的特點(diǎn)：2.前饋控制是屬于“開環(huán)”控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，而前饋控制是一個(gè)“開環(huán)”控制系統(tǒng)。

反饋控制由于是閉環(huán)系統(tǒng)，控制結(jié)果能夠通過反饋獲得檢驗(yàn)，而前饋控制其控制效果并不通過反饋來(lái)加以檢驗(yàn)。要想綜合一個(gè)合適的前饋控制作用，必須對(duì)被控對(duì)象的特性作深入的研究和徹底的了解。3.前饋控制使用的是視對(duì)象特性而定的“專用”控制器

一般的反饋控制系統(tǒng)均采用通用類型的PID控制器，而前饋控制要采用專用前饋控制器。前饋控制器的控制規(guī)律取決于干擾通道的特性與控制通道的特性。對(duì)于不同的對(duì)象特性，就應(yīng)該設(shè)計(jì)具有不同控制規(guī)律的控制器。4.一種前饋?zhàn)饔弥荒芸朔环N干擾反饋控制只用一個(gè)控制回路就可克服多個(gè)干擾。

二、前饋控制的主要形式1.單純的前饋控制形式根據(jù)對(duì)干擾補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)，可分為靜態(tài)前饋控制和動(dòng)態(tài)前饋控制。（1）靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)

在圖7-22中，前饋控制器的輸出信號(hào)是按干擾大小隨時(shí)間變化的，它是干擾量和時(shí)間的函數(shù)。而當(dāng)干擾通道和控制通道動(dòng)態(tài)特性相同時(shí)，便可以不考慮時(shí)間函數(shù)，只按靜態(tài)關(guān)系確定前饋控制作用。圖7-22換熱器的前饋控制圖7-22換熱器的前饋控制舉例蒸汽加熱的換熱器

圖7-25靜態(tài)前饋控制實(shí)施方案

熱交換器是應(yīng)用前饋控制較多的場(chǎng)合，換熱器有滯后大、時(shí)間常數(shù)大、反應(yīng)慢的特性，前饋控制就是針對(duì)這種對(duì)象特性設(shè)計(jì)的，故能很好發(fā)揮作用。如果主要干擾是進(jìn)料流量的波動(dòng)ΔQ1，那么前饋控制器的輸出Δmf為式中，Kf是前饋控制器的比例系數(shù)。這種靜態(tài)前饋實(shí)施起來(lái)非常方便，用常規(guī)儀表中的比值器或比例控制器即可作為前饋控制器使用?，F(xiàn)只考慮對(duì)干擾Q1進(jìn)行靜態(tài)補(bǔ)償，根據(jù)熱平衡原理來(lái)分析（7-4）進(jìn)料增加為Q1+ΔQ1時(shí)（7-5）式（7-5）減式（7-4）（7-6）則（7-7）Q2—蒸汽流量；Q1—進(jìn)料流量；L——蒸汽冷凝熱；Cp—被加熱物料的比熱值（2）動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)

要考慮對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，從而確定前饋控制器的規(guī)律，才能獲得動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償。圖7-26動(dòng)態(tài)前饋控制實(shí)施方案

可在靜態(tài)前饋控制的基礎(chǔ)上，加上延遲環(huán)節(jié)或微分環(huán)節(jié)，以達(dá)到干擾作用的近似補(bǔ)償。按此原理設(shè)計(jì)的一種前饋控制器，有三個(gè)可以調(diào)整的參數(shù)K、T1、T2。

K為放大倍數(shù)，是為了靜態(tài)補(bǔ)償用的。T1、T2是時(shí)間常數(shù)，都有可調(diào)范圍，分別表示延遲作用和微分作用的強(qiáng)弱。2.前饋-反饋控制

將它們組合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，使前饋控制用來(lái)克服主要干擾，反饋控制用來(lái)克服其他的多種干擾，兩者協(xié)同工作，能提高控制質(zhì)量。圖7-27換熱器的前饋-反饋控制圖7-28前饋-反饋控制系統(tǒng)方塊圖前饋-反饋控制系統(tǒng)與串級(jí)控制系統(tǒng)的不同點(diǎn)：

串級(jí)控制系統(tǒng)是由內(nèi)、外（或主、副）兩個(gè)反饋回路所組成；而前饋-反饋控制系統(tǒng)是由一個(gè)反饋回路和另一個(gè)開環(huán)的補(bǔ)償回路疊加而成。三、前饋控制的應(yīng)用場(chǎng)合（1）干擾幅值大而頻繁，對(duì)被控變量影響劇烈，僅采用反饋控制達(dá)不到要求的對(duì)象。（2）主要干擾是可測(cè)而不可控的變量。（3）當(dāng)對(duì)象的控制通道滯后大，反饋控制不及時(shí)，控制質(zhì)量差，可采用前饋或前饋-反饋控制系統(tǒng)，以提高控制質(zhì)量。第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)一、基本概念

在大型工藝生產(chǎn)過程中，除了要求控制系統(tǒng)在生產(chǎn)處于正常運(yùn)行情況下，能夠克服外界干擾，維持生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)行外，當(dāng)生產(chǎn)操作達(dá)到安全極限時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)有一種應(yīng)變能力，能采取相應(yīng)的保護(hù)措施，促使生產(chǎn)操作離開安全極限，返回到正常情況。

生產(chǎn)保護(hù)性措施有兩類：一類是硬保護(hù)措施：當(dāng)生產(chǎn)操作達(dá)到安全極限時(shí)，有聲、光警報(bào)產(chǎn)生。這時(shí)，或是由操作工將控制器切換到手動(dòng)，進(jìn)行手動(dòng)操作、處理；或是通過專門設(shè)置的連鎖保護(hù)線路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停車，達(dá)到生產(chǎn)安全的目的。

一類是軟保護(hù)措施。通過一個(gè)特定設(shè)計(jì)的自動(dòng)選擇性控制系統(tǒng)，當(dāng)生產(chǎn)短期內(nèi)處于不正常情況時(shí)，既不使設(shè)備停車又起到對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行自動(dòng)保護(hù)的目的。

要構(gòu)成選擇性控制，生產(chǎn)操作必須要具有一定選擇性的邏輯關(guān)系。選擇性控制的實(shí)現(xiàn)則需要靠具有選擇功能的自動(dòng)選擇器（高值選擇器或低值選擇器）或有關(guān)的切換裝置（切換器、帶電接點(diǎn)的控制器或測(cè)量?jī)x表）來(lái)完成。二、選擇性控制系統(tǒng)的類型1.開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)一般有A、B兩個(gè)可供選擇的變量。其中一個(gè)變量A假定是工藝操作的主要技術(shù)指標(biāo)，它直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量或生產(chǎn)效率；另一個(gè)變量B，工藝上對(duì)它有一個(gè)限值要求。開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)一般都用做系統(tǒng)的限值保護(hù)。圖示的方案實(shí)際上是通過改變換熱面積的方法來(lái)達(dá)到控制溫度的目的。當(dāng)裂解氣溫度過高或負(fù)荷量過大時(shí)，控制閥將要大幅度地被打開。當(dāng)冷卻器中的列管全部為液態(tài)丙烯所淹沒，而裂解氣出口溫度仍然降不到希望的溫度時(shí)，就不能再一味地使控制閥開度繼續(xù)增加了。

注意方案（b）是在方案（a）的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)帶上限節(jié)點(diǎn)的液位變送器（或報(bào)警器）和一個(gè)連接于溫度控制器TC與執(zhí)行器之間的電磁三通閥。圖7-30開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)方塊圖圖中的方塊“開關(guān)”實(shí)際上是一只電磁三通閥，可以根據(jù)液位的不同情況分別讓執(zhí)行器接通溫度控制器或接通大氣。圖7-31開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)信號(hào)器的信號(hào)關(guān)系是：當(dāng)液位低于75％時(shí)，輸出p2＝０；當(dāng)液位達(dá)到75％時(shí)，p2＝0.1MPa。切換器的信號(hào)關(guān)系是：當(dāng)p2＝０時(shí)，py＝px；當(dāng)p2＝0.1MPa時(shí)，py＝０。2.連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng)特點(diǎn)當(dāng)取代作用發(fā)生后，控制閥不是立即全開或全關(guān)，而是在閥門原來(lái)的開度基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行連續(xù)控制。一般具有兩臺(tái)控制器，它們的輸出通過一臺(tái)選擇器（高選器或低選器）后，送往執(zhí)行器。這兩臺(tái)控制器，一臺(tái)在正常情況下工作，另一臺(tái)在非正常情況下工作。二、選擇性控制系統(tǒng)的類型舉例大型合成氨工廠的蒸汽鍋爐圖7-32輔助鍋爐壓力取代控制系統(tǒng)圖7-33蒸汽壓力與燃料氣壓力選擇性控制系統(tǒng)方塊圖圖7-33蒸汽壓力與燃料氣壓力選擇性控制系統(tǒng)方塊圖當(dāng)系統(tǒng)處于燃料氣壓力控制時(shí)，蒸汽壓力的控制質(zhì)量將會(huì)明顯下降，但這是為了防止事故發(fā)生所采取的必要的應(yīng)急措施，這時(shí)的蒸汽壓力控制系統(tǒng)實(shí)際上停止了工作，被屬于非正?？刂频娜剂蠚鈮毫刂葡到y(tǒng)所取代。注意3.混合型選擇性控制系統(tǒng)在這種混合型選擇性控制系統(tǒng)中，既包含有開關(guān)型選擇的內(nèi)容，又包含有連續(xù)型選擇的內(nèi)容。當(dāng)燃料氣壓力不足時(shí)，燃料氣管線的壓力就有可能低于燃燒室壓力，這樣就會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)的回火現(xiàn)象，危及燃料氣罐使之發(fā)生燃燒和爆炸。燃料氣管線壓力過低的危害

二、選擇性控制系統(tǒng)的類型圖7-34混合型選擇性控制方案

增加了一個(gè)帶下限節(jié)點(diǎn)的壓力控制器P3C和一臺(tái)電磁三通閥。一旦燃料氣壓力下降到極限值時(shí)，下限節(jié)點(diǎn)接通，電磁閥通電，切斷了低選器LS送往執(zhí)行器的信號(hào)，使控制閥膜頭與大氣相通，膜頭內(nèi)壓力迅速下降到零，于是控制閥將關(guān)閉（氣開閥），回火事故將不致發(fā)生。當(dāng)燃料氣壓力上升達(dá)到正常時(shí)，下限節(jié)點(diǎn)斷開，電磁閥中失電，低選器的輸出又被送往執(zhí)行器。三、積分飽和及其防止1.積分飽和的產(chǎn)生及其危害性一個(gè)具有積分作用的控制器，處于開環(huán)工作狀態(tài)時(shí)，如果偏差輸入信號(hào)一直存在，那么，由于積分作用的結(jié)果，將使控制器的輸出不斷增加或減小，一直達(dá)到輸出的極限值為止，該現(xiàn)象稱為“積分飽和”。產(chǎn)生積分飽和的條件

其一是控制器具有積分作用；其二是控制器處于開環(huán)工作狀態(tài)，其輸出沒有被送往執(zhí)行器；其三是控制器的輸入偏差信號(hào)長(zhǎng)期存在。當(dāng)控制器處于積分飽和狀態(tài)時(shí)，它的輸出將達(dá)到最大或最小的極限值，該極限值已超出執(zhí)行器的有效輸入信號(hào)范圍。2.抗積分飽和措施目前防止積分飽和的兩種方法

（1）限幅法通過一些專門的技術(shù)措施對(duì)積分反饋信號(hào)加以限制，從而使控制器輸出信號(hào)被限制在工作信號(hào)范圍之內(nèi)。（2）積分切除法當(dāng)控制器處于開環(huán)工作狀態(tài)時(shí)，就將控制器的積分作用切除掉，這樣就不會(huì)使控制器輸出一直增大到最大值或一直減小到最小值，就不會(huì)產(chǎn)生積分飽和問題了。三、積分飽和及其防止一、概述

一臺(tái)控制器的輸出可以同時(shí)控制兩臺(tái)甚至兩臺(tái)以上的控制閥。控制器的輸出信號(hào)被分割成若干個(gè)信號(hào)范圍段，由每一段信號(hào)去控制一臺(tái)控制閥，稱為分程控制系統(tǒng)。圖7-35分程控制系統(tǒng)方塊圖第六節(jié)分程控制系統(tǒng)就控制閥的開、關(guān)形式分類兩個(gè)控制閥同向動(dòng)作，即隨著控制器輸出信號(hào)（即閥壓）的增大或減小，兩控制閥都開大或關(guān)小。兩個(gè)控制閥異向動(dòng)作，即隨著控制器輸出信號(hào)