第二章之3復(fù)雜控制系統(tǒng)

2.3復(fù)雜控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)選擇控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)多沖量控制系統(tǒng)2.3.1串級(jí)控制系統(tǒng)氨氧化爐的溫度控制（HNO3生產(chǎn)）SP廢熱鍋爐反應(yīng)區(qū)過(guò)濾器NO鼓風(fēng)機(jī)混合氣空氣氣開(kāi)NH3預(yù)熱器反作用TCNH3與空氣在氧化爐中（鉑觸媒催化）進(jìn)行氧化反應(yīng)：

工藝要求：氧化率大于97%，反應(yīng)溫度840±5℃

氧化爐是個(gè)復(fù)雜的對(duì)象，氧化率的測(cè)取只能由間接指標(biāo)（氧化爐的溫度）來(lái)反映。影響溫度的干擾有：NH3流量、NH3總管壓力、空氣流量、觸媒活性等。選擇NH3流量為操縱變量，調(diào)節(jié)氧化爐溫度在給定值上。這是一個(gè)簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是：所有影響反應(yīng)溫度的干擾因素，統(tǒng)統(tǒng)包含在調(diào)節(jié)回路中，反應(yīng)在溫度對(duì)設(shè)定值的偏差上，并且都由溫度控制器加以克服。問(wèn)題：反應(yīng)不靈敏，動(dòng)作遲緩，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，超調(diào)量大，當(dāng)干擾稍大時(shí)，溫度偏差在±10℃（比手動(dòng)操作時(shí)的20——30℃好些）。原因：對(duì)象調(diào)節(jié)通道長(zhǎng)，溫度檢測(cè)滯后大，尤其對(duì)NH3流量方面的干擾不能及時(shí)克服，NH3流量變化1%，溫度就會(huì)變化64℃。若改成NH3流量的定值調(diào)節(jié)，NH3的流量很穩(wěn)定，但溫度仍有±8℃的誤差。

分析對(duì)象：在穩(wěn)定情況下，NH3流量幾乎是一條直線變化，但氧化爐的溫度卻不穩(wěn)定（如早晚氣候的影響），空氣流量、系統(tǒng)壓力、鉑觸媒活性等也會(huì)影響溫度。這些干擾因?yàn)镹H3的穩(wěn)定而無(wú)法克服。一方面，NH3流量的穩(wěn)定是必要的；另一方面，如果由于氧化爐溫度變化，氨的流量可以相應(yīng)調(diào)整就好了！即根據(jù)爐溫的變化來(lái)調(diào)整NH3流量調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，使氧化爐溫度減小波動(dòng)。人們?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)NH3流量之外的干擾引起溫度變化時(shí)，就手動(dòng)調(diào)整NH3流量調(diào)節(jié)器的SP值，從而改變NH3流量，使溫度恒定。這個(gè)經(jīng)驗(yàn)告訴我們，流量控制器應(yīng)聽(tīng)從反應(yīng)溫度的指揮。即流量調(diào)節(jié)器的SP值應(yīng)由反應(yīng)溫度來(lái)決定變與不變、變多少、朝哪個(gè)方向變。因此，就出現(xiàn)了反應(yīng)溫度信號(hào)來(lái)自動(dòng)校正流量控制器設(shè)定值的方案。

這就是用氧化爐溫度自動(dòng)調(diào)整NH3流量調(diào)節(jié)器給定值的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。系統(tǒng)投入運(yùn)行后，調(diào)節(jié)速度快，過(guò)渡過(guò)程短，調(diào)節(jié)品質(zhì)高，偏差小，負(fù)荷變化大時(shí)，溫度偏差不超過(guò)±5℃。這就是串級(jí)控制系統(tǒng)。“TC”的輸出不直接作用于閥門(mén)，而是作為“FC”的設(shè)定值，通過(guò)與NH3流量信號(hào)的比較，“FC”的輸出作用于調(diào)節(jié)閥，改變NH3流量，把溫度穩(wěn)定在給定值上。類似這樣利用兩個(gè)或更多個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)在一起進(jìn)行調(diào)節(jié)，以更好地穩(wěn)定一個(gè)被控變量的系統(tǒng)，就是串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在這樣一個(gè)多回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)中用了二臺(tái)調(diào)節(jié)器，它們分別接受來(lái)自對(duì)象不同部分的測(cè)量信號(hào)，其中一臺(tái)調(diào)節(jié)器的輸出作為另一臺(tái)調(diào)節(jié)器的外給定輸入，而由后者的輸出去控制閥門(mén)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制。從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖看，這二臺(tái)調(diào)節(jié)器是串接的，故稱為串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。2.3.1串級(jí)控制系統(tǒng)FC進(jìn)料塔底采出12蒸汽方案2：控制蒸汽流量恒定TC進(jìn)料塔底采出12蒸汽方案1：控制塔釜溫度恒定單回路控制的局限性目標(biāo)：控制塔釜溫度穩(wěn)定方案1優(yōu)點(diǎn)：將所有對(duì)溫度的干擾都概括在控制回路內(nèi)。缺點(diǎn)：當(dāng)蒸汽壓力波動(dòng)較大時(shí)，由于溫度對(duì)象滯后較大，控制質(zhì)量不理想。方案2優(yōu)點(diǎn)：能及時(shí)克服蒸汽壓力的干擾對(duì)溫度的影響缺點(diǎn)：不能克服進(jìn)料流量、物料溫度等其他因素對(duì)溫度的影響。PCTC進(jìn)料塔底采出12蒸汽希望在塔釜溫度不變時(shí)蒸汽流量能保持設(shè)定值，而當(dāng)塔釜溫度在外來(lái)干擾的作用下偏離給定值時(shí)，又要求蒸汽流量能作相應(yīng)的變化，使塔釜溫度保持在設(shè)定值上。

蒸汽進(jìn)料塔底采出12FC方案3：串級(jí)控制系統(tǒng)TCO流量控制器FC執(zhí)行器

流量對(duì)象溫度T設(shè)定值干擾f1精餾塔控制系統(tǒng)方塊圖溫度對(duì)象溫度控制器TC－+－+干擾f2溫度檢測(cè)儀表流量檢測(cè)儀表F副控制器執(zhí)行器

副對(duì)象主變量設(shè)定值主干擾串級(jí)控制系統(tǒng)方塊圖主對(duì)象主控制器－+－+副干擾主測(cè)量、變送副測(cè)量、變送副變量副回路主回路常用的名詞主變量副變量主對(duì)象副對(duì)象主控制器副控制器主回路副回路串級(jí)控制系統(tǒng)方塊圖串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程干擾作用于付回路NH3壓力增加流量增加調(diào)節(jié)器輸出減小溫度上升TC輸出減小NH3流量減小閥門(mén)開(kāi)度減小偏差小干擾，付環(huán)解決；大干擾，主、付環(huán)共同解決。串級(jí)系統(tǒng)的特點(diǎn)總體來(lái)看，仍然是一個(gè)定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。1、能迅速克服進(jìn)入副回路的干擾，副回路起到了“粗調(diào)”的作用。對(duì)于進(jìn)入付回路的干擾有較強(qiáng)的抗干擾能力。（1）干擾的量因付回路的存在而減?。ㄟM(jìn)入主回路），1/（1+KC2KVK02KM2）倍；（2）二個(gè)調(diào)節(jié)器，大大提高了調(diào)節(jié)器的總放大倍數(shù)，提高克服干擾的能力。2、改善對(duì)象特性，提高工作頻率，提高系統(tǒng)克服干擾的能力。3、適應(yīng)能力增強(qiáng)。主回路對(duì)副對(duì)象具有“魯棒性”，提高了系統(tǒng)的控制精度?！棒敯粜浴庇钟小皬?qiáng)壯性”，系統(tǒng)的控制品質(zhì)對(duì)對(duì)象特性變化越不敏感，則該系統(tǒng)的“魯棒性”越好。主回路：定值，付回路：隨動(dòng)。主調(diào)節(jié)器能根據(jù)對(duì)象操作條件和負(fù)荷變化情況，不斷糾正付調(diào)節(jié)器的給定值，以適應(yīng)操作條件和負(fù)荷變化。串級(jí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用1、對(duì)象容量滯后大——當(dāng)被控對(duì)象容量滯后比較大時(shí)，可以選擇一個(gè)滯后較小的輔助變量組成付回路，使對(duì)象的等效時(shí)間常數(shù)減小，以提高系統(tǒng)的工作頻率。最終提高控制質(zhì)量。如：夾套反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)，反應(yīng)器內(nèi)溫度為主參數(shù)，夾套內(nèi)的溫度作為付參數(shù)。2、系統(tǒng)內(nèi)存在變化頻繁且幅值大的干擾——串級(jí)系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入付回路的干擾具有較強(qiáng)的克服能力，因此，可以把變化頻繁且幅值大的干擾包含到付回路去，并且把付調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)整定得足夠大，使系統(tǒng)的抗干擾能力大大提高。3、被控對(duì)象純滯后時(shí)間比較長(zhǎng)——在離調(diào)節(jié)閥比較近，純滯后比較小的地方選擇一個(gè)變量作為付參數(shù)。當(dāng)干擾在它之前進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，就可以在影響主參數(shù)之前及早在付參數(shù)上得到反映，付調(diào)節(jié)器就可及時(shí)采取措施予以克服。由于付回路控制通道短，滯后小，所以控制及時(shí)，過(guò)渡過(guò)程周期短，超調(diào)量小。對(duì)于在付參數(shù)檢測(cè)點(diǎn)之后進(jìn)入系統(tǒng)的干擾，串級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性不大。4、當(dāng)被控制變量的給定值需要根據(jù)工藝情況經(jīng)常改變時(shí)——如圖，煉油廠催化裂化裝置中催化劑加料器一次風(fēng)壓力與一次風(fēng)流量串級(jí)控制系統(tǒng)。為了防止催化劑從進(jìn)料器頂上吹出，并防止催化劑降落到加料器底部堵塞管道和容器，造成事故，一次風(fēng)量必須隨一次風(fēng)壓的變化不斷校正，為此以一次風(fēng)壓主參數(shù)，一次風(fēng)量為付參數(shù)構(gòu)成串級(jí)系統(tǒng)，就可以實(shí)現(xiàn)這樣的要求。正作用正作用二次風(fēng)鼓風(fēng)機(jī)來(lái)熱風(fēng)一次風(fēng)來(lái)自反應(yīng)器的催化劑氣關(guān)FCPC5、被控對(duì)象有非線性而負(fù)荷變化又較大時(shí)——串級(jí)系統(tǒng)具有一定的適應(yīng)能力，負(fù)荷變化而引起對(duì)象工作點(diǎn)改變時(shí)，主調(diào)節(jié)器的輸出會(huì)重新調(diào)整付調(diào)節(jié)器的給定值，繼而由付調(diào)節(jié)器的輸出來(lái)改變調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，這樣雖然付回路的衰減度變了，但是它的變化對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響是很小的。主、付參數(shù)的選擇主參數(shù)：選擇原則與單回路控制系統(tǒng)一樣。付參數(shù)：選擇的關(guān)鍵，其原則為：（1）付回路必須包含主要干擾且應(yīng)盡可能包含更多的干擾。但不是包含的干擾越多越好，干擾多，付對(duì)象的時(shí)間滯后必大。（2）付參數(shù)的選擇應(yīng)使主、付對(duì)象時(shí)間常數(shù)匹配，以防“共振”。串級(jí)的控制頻率總比同等條件下單回路控制系統(tǒng)要高。T01/T02=3——10T01/T02大于10，T02小，相當(dāng)于付回路包含的干擾太?。籘01/T02小于3，T02大，反應(yīng)不靈敏，對(duì)進(jìn)入付回路的干擾不能及時(shí)克服。（3）付參數(shù)的選擇應(yīng)考慮工藝的合理性和經(jīng)濟(jì)性。氣態(tài)丙烯液態(tài)丙烯出料進(jìn)料L氣態(tài)丙烯液態(tài)丙烯出料進(jìn)料LTTP付參數(shù)：冷劑液位，投資少，適用于對(duì)溫度控制質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合付參數(shù)：冷劑蒸發(fā)壓力，投資高，但付參回路相當(dāng)靈敏，溫度控制質(zhì)量相當(dāng)高（4）付被控制變量給定值需要自動(dòng)校正而采用串級(jí)控制時(shí)，主、付被控變量的選取應(yīng)根據(jù)工藝要求來(lái)確定。主參數(shù)應(yīng)能及時(shí)反映變化的操作條件，而付參數(shù)必須能精確地、快速地跟蹤主調(diào)節(jié)器的輸出。（5）當(dāng)對(duì)象具有非線性環(huán)節(jié)時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使非線性環(huán)節(jié)處于副環(huán)之中。因?yàn)榇?jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力，當(dāng)操作條件或負(fù)荷變化時(shí)，主控制器可以適當(dāng)?shù)匦薷母笨刂破鞯慕o定值，使副環(huán)在一個(gè)新的工作點(diǎn)上運(yùn)行，以適應(yīng)變化了的情況。當(dāng)然，副回路的衰減系數(shù)和穩(wěn)定程度會(huì)有所變化，然后，由于1+KC2KVKM2》1，因此操作條件或負(fù)荷的變化所引起的K02的變化對(duì)等效對(duì)象的放大倍數(shù)影響不大，所以當(dāng)非線性環(huán)節(jié)包含在副環(huán)之中時(shí)，它的非線性對(duì)主對(duì)象的影響就很小了。某廠醋酸乙烯合成反應(yīng)器中溫度控制問(wèn)題就是一例。為了保證合成氣的質(zhì)量，工藝要求對(duì)反應(yīng)器中溫度進(jìn)行控制，而特性隨著負(fù)荷的變化而變化。為此，可在換熱器的出口設(shè)置一溫度檢測(cè)點(diǎn)，并以它為副參數(shù)組成一個(gè)溫度與溫度串級(jí)控制系統(tǒng)。在本方案中，由于熱交換器這一非線性環(huán)節(jié)包含在副回路之中，負(fù)荷的變化所引起的對(duì)象非線性影響就為副回路本身所克服，因此它對(duì)主回路的影響就很小了。醋酸、乙烯混合物氣TC1TC2生成氣（6）當(dāng)對(duì)象具有較大純滯后時(shí)，應(yīng)使所設(shè)計(jì)的副回路盡量少包括或不包括純滯后。這樣做的原因就是盡量將純滯后部分放到主對(duì)象中去，以提高副回路的快速抗干擾功能，及時(shí)對(duì)干擾采取控制措施，將干擾的影響抑制在最小限度內(nèi)，從而提高主變量的控制質(zhì)量。但是利用串級(jí)控制克服純滯后的方法有很大的局限性，即只有當(dāng)純滯后環(huán)節(jié)能夠大部分乃全部可以劃入主對(duì)象中去時(shí)，這種方法才能有效地提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，否則將不會(huì)獲得好的效果。主、付調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選取（1）主調(diào)節(jié)器

A、控制質(zhì)量要求高，其允許波動(dòng)范圍小，更不允許有余差存在時(shí)，用PI或PID；

B、控制質(zhì)量要求不太高，其允許波動(dòng)范圍較大，或是為了同時(shí)兼顧主、付參數(shù)時(shí)，用P或PI。（2）付調(diào)節(jié)器當(dāng)付回路對(duì)象滯后小時(shí)，付調(diào)節(jié)器用“P”；當(dāng)要求付參數(shù)能快速、準(zhǔn)確地隨主調(diào)節(jié)器輸出時(shí)，付調(diào)節(jié)器用“PI”。當(dāng)付對(duì)象為流量對(duì)象時(shí)，付調(diào)應(yīng)用“PI”?！癙”對(duì)噪聲較敏感，如將比例度放大，則控制作用又太弱，用“PI”來(lái)解決噪聲對(duì)控制質(zhì)量的影響。付調(diào)一般不引入“D”作用，因付調(diào)對(duì)給定值的變化也起“D”作用，主調(diào)輸出稍有變化，調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度將作大幅度的波動(dòng)，對(duì)控制不利。只有當(dāng)付對(duì)象容量滯后較大時(shí)，付調(diào)可以適當(dāng)加點(diǎn)“D”作用。主、付調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇（1）遞推法先根據(jù)工藝要求確定調(diào)節(jié)閥的開(kāi)關(guān)形式，然后決定付調(diào)節(jié)器的正、反作用，再依據(jù)主、付被控變量的關(guān)系確定主調(diào)節(jié)器的正、反作用。以HNO3生產(chǎn)氨氧化爐生產(chǎn)控制系統(tǒng)為例：

A、斷氣時(shí)，閥門(mén)應(yīng)關(guān)，故選擇氣開(kāi)閥。

B、付調(diào)節(jié)器：NH3流量增加——要求閥門(mén)開(kāi)度降低——?dú)鈮盒盘?hào)降低——調(diào)節(jié)器輸出降低。所以選擇反作用。

C、主調(diào)節(jié)器：主調(diào)的作用方式只與主對(duì)象的特性有關(guān)，因?yàn)楦痘芈肥且粋€(gè)負(fù)反饋回路，主調(diào)的作用方式與付調(diào)及閥門(mén)均無(wú)關(guān)。主對(duì)象輸入增加——輸出增加——主對(duì)象為正特性，主調(diào)選反作用；主對(duì)象輸入增加——輸出減小——主對(duì)象為負(fù)特性，主調(diào)選正作用。氨氧化爐：NH3流量增加——溫度上升，對(duì)象為正特性，所以主調(diào)選反作用。主副控制器參數(shù)的工程整定(1)在工況穩(wěn)定，主、副控制器都在純比例作用的條件下，將主控制器的比例度先固定在100％的刻度上，然后逐漸減小副控制器的比例度，求取副回路在滿足某種衰減比(如4：1)過(guò)渡過(guò)程下的副控制器比例度δ2S和操作周期Τ2S。(2)在副控制器比例度等于δ2S，的條件下，逐步減小主控制器的比例度，直至主回路得到同樣衰減比下的過(guò)渡過(guò)程，記下此時(shí)主控制器的比例度δ1S。和操作周期Τ1S

。(3)根據(jù)上面得到的δ1S、、Τ1S、δ2S、、Τ2S按表7-2(或表7-3)的規(guī)定關(guān)系計(jì)算主、副控制器的比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間。(4)按“先副后主”、“先比例次積分后微分”的整定方法，將計(jì)算出的控制器參數(shù)加到控制器上。(5)觀察控制過(guò)程，適當(dāng)調(diào)整，直到獲得滿意的過(guò)渡過(guò)程。

兩步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器

一步整定法：即根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將副控制器一次放好，不再變動(dòng)，然后按一般單回路控制系統(tǒng)的整定方法直接整定主控制器參數(shù)。副變量類型副控制器比例度δ2％副控制器比例放大倍數(shù)KP2溫度20～605.0～1.7壓力30～703.0～1.4流量40～802.5～1.25液位20～805.0～1.25一步整定法的整定步驟如下。(1)在生產(chǎn)正常，系統(tǒng)為純比例運(yùn)行的條件下，按照上表所列的數(shù)據(jù)，將副控制器比例度調(diào)到某一適當(dāng)?shù)臄?shù)值。(2)利用簡(jiǎn)單控制系中任一種參數(shù)整定方法整定主控制器的參數(shù)。(3)如果出現(xiàn)“共振”現(xiàn)象，可加大主控制器或減小副控制器的參數(shù)整定值，一般即能消除。共振問(wèn)題如果主、副對(duì)象時(shí)間常數(shù)相差不大，可能會(huì)出現(xiàn)“共振”現(xiàn)象這時(shí)可適當(dāng)減小副控制器比例度或積分時(shí)間，以達(dá)到減小副回路操作周期的目的。同理，可以加大主控制器的比例度或積分時(shí)間，以期增大主回路操作周期，使主、副回路的操作周期之比加大，避免“共振”。這樣做的結(jié)果會(huì)在一定程度上降低原先期望的控制質(zhì)量。如果主、副對(duì)象特性太接近，則說(shuō)明確定的控制方案欠妥當(dāng)，變量的選擇不合適，有時(shí)就不能完全靠控制器參數(shù)的改變來(lái)避免“共振”了。

2.3.2均勻控制系統(tǒng)

連續(xù)精餾的多塔分離過(guò)程

對(duì)甲塔來(lái)說(shuō)，塔釜液位是一個(gè)重要的工藝參數(shù)，必須保持在一定范圍