過(guò)程控制技術(shù)基礎(chǔ)

第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，首先應(yīng)對(duì)被控對(duì)象作全面的了解，下一步則是解決控制方案和調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，最后是系統(tǒng)的調(diào)試和運(yùn)行。本章主要講述一些工業(yè)常用控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及應(yīng)用。被控對(duì)象選硬件確定控制方案參數(shù)整定系統(tǒng)調(diào)試1第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2.1被控對(duì)象的特性設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，控制質(zhì)量的優(yōu)劣是最關(guān)鍵的問(wèn)題，它主要取決于自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其各個(gè)環(huán)節(jié)的特性。其中，被控對(duì)象的特性由生產(chǎn)工藝過(guò)程和工藝設(shè)備決定，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中是無(wú)法改變的。因此，必須深刻了解被控對(duì)象的特性，才能設(shè)計(jì)出合適的控制方案，取得良好的效果。

所謂被控對(duì)象的特性，就是當(dāng)被控對(duì)象的輸入變量發(fā)生變化時(shí)，其輸出變量隨時(shí)間的變化規(guī)律（包括變化的大小、速度等）。1被控對(duì)象的特性2第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)1被控對(duì)象的特性對(duì)一個(gè)被控對(duì)象來(lái)說(shuō)，其輸出變量就是控制系統(tǒng)的被控變量，而其輸入變量則是控制系統(tǒng)的操縱變量和干擾作用。被控對(duì)象輸入變量與輸出變量之間的聯(lián)系稱(chēng)為通道。通常所講的對(duì)象特性是指控制通道（調(diào)節(jié)通道）的對(duì)象特性。3第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)1被控對(duì)象的特性2.1.1被控對(duì)象的數(shù)學(xué)描述在不同的生產(chǎn)部門(mén)中被控對(duì)象千差萬(wàn)別。在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中，最基本的關(guān)系是物料平衡和能量平衡。

在靜態(tài)條件下，單位時(shí)間流入對(duì)象的物料（或能量）等于從系統(tǒng)中流出的物料(或能量);4第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)1被控對(duì)象的特性在動(dòng)態(tài)條件下，單位時(shí)間流入對(duì)象的物料(或能量)與單位時(shí)間從系統(tǒng)中流出的物料(或能量)之差等于系統(tǒng)內(nèi)物料(或能量)貯存量的變化率。被控對(duì)象的數(shù)學(xué)描述就是由這兩種關(guān)系推導(dǎo)出來(lái)的微分方程式。5第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)1被控對(duì)象的特性

（1）單容液位對(duì)象

有自衡特性的單容對(duì)象被控對(duì)象：水槽被控變量：液位H令V=A×H6第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)1被控對(duì)象的特性令qv2=H/Rs得到：T——時(shí)間常數(shù)K——放大系數(shù)令T=ARs、K＝Rs得到：7第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)1被控對(duì)象的特性在初始平衡狀態(tài)時(shí)，流入水槽的流量qv1等于流出水槽的流量qv2。因此，液位穩(wěn)定在某一數(shù)值H0上，處于平衡狀態(tài)。在t0時(shí)刻，若流入量qv1突然有一階躍變化量Δqv1，則液位變化量ΔH=K×Δqv1（1－e-(t-t0)T）當(dāng)t→∞時(shí)，ΔH=K×Δqv1qv1＝qv2，達(dá)到了新的平衡。8第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)1被控對(duì)象的特性無(wú)自衡特性的單容對(duì)象由于泵的出口流量不受入口處壓力的影響，所以：ΔH=———（t－t0）Δqv1A當(dāng)流入量突然增加Δqv1時(shí)。液位H將隨時(shí)間t的推移恒速上升，直至水槽頂部滋出。無(wú)自衡特性的被控對(duì)象在受到擾動(dòng)作用后不能重新恢復(fù)平衡，因此控制要求較高。通常需要設(shè)自動(dòng)報(bào)警裝置。9第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)（2）雙容液位對(duì)象1被控對(duì)象的特性10第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)令T1＝A1×Rs1、T2＝A2×Rs2、K=Rs2得1被控對(duì)象的特性11第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)以上介紹了液位被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的建立。對(duì)于其他比較簡(jiǎn)單的被控對(duì)象，如壓力容器的壓力被控對(duì)象、熱交換器的溫度被控對(duì)象等等，都可以用這種方法建立其數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型除了用方程式表示外，還可以用圖形、表格等形式來(lái)表示。

對(duì)于復(fù)雜的被控對(duì)象，直接用數(shù)學(xué)方法來(lái)建立模型是比較困難的。常常采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試法。1被控對(duì)象的特性12第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2.1.2被控對(duì)象的特性參數(shù)：被控對(duì)象特性主要參數(shù)有：放大系數(shù)K時(shí)間常數(shù)T滯后時(shí)間τ例1例21被控對(duì)象的特性13第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)（1）放大系數(shù)K：是被控對(duì)象受擾動(dòng)后重新達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的輸出變化量與輸入變化量之比。①放大系數(shù)K表達(dá)了被控對(duì)象在干擾作用下重新達(dá)到平衡狀態(tài)的性能，是不隨時(shí)間變化的參數(shù)。所以K是被控對(duì)象的靜態(tài)特性參數(shù)。②在相同的輸入變化量作用下，被控對(duì)象的K越大，輸出變化量就越大，即輸入對(duì)輸出的影響越大，被控對(duì)象的自身穩(wěn)定性越差。

K在任何輸入變化情況下都是常數(shù)的被控對(duì)象稱(chēng)為線(xiàn)性對(duì)象。輸入不同的變化量其放大系數(shù)不為常數(shù)的被控對(duì)象，稱(chēng)為非線(xiàn)性對(duì)象。舉例：1被控對(duì)象的特性14第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)放大系數(shù)K對(duì)控制質(zhì)量的影響分析：（1）對(duì)控制通道：如果K值大，操縱變量對(duì)被控變量的影響會(huì)很大，控制系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的控制很靈敏。但缺點(diǎn)是容易造成被控變量波動(dòng)較大，不易穩(wěn)定。反之，K小，控制系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的控制作用不夠顯著，會(huì)使被控變量變化遲緩。（2）對(duì)干擾通道：如果K較小，即使干擾幅度很大，也不會(huì)對(duì)被控變量產(chǎn)生很大的影響。若K很大，則當(dāng)干擾幅度較大而又頻繁出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)就很難穩(wěn)定，除非設(shè)法排除干擾或者采用較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，否則很難保證控制質(zhì)量。1被控對(duì)象的特性15第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)（2）時(shí)間常數(shù)T：它反映了被控對(duì)象的輸入變量改變以后，輸出變量達(dá)到新穩(wěn)態(tài)值的快慢，它決定了整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程的長(zhǎng)短。因此，它是被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。

時(shí)間常數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的影響分析：若時(shí)間常數(shù)T大，則被控變量的變化比較緩和，一般來(lái)講，這種對(duì)象比較穩(wěn)定，容易控制，但缺點(diǎn)是控制過(guò)于緩慢；若時(shí)間常數(shù)T小，則被控變量的變化速度快，不易控制。因此，時(shí)間常數(shù)太大或太小，對(duì)過(guò)程控制都不利。舉例：氣水混合器1被控對(duì)象的特性16第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)

（3）滯后時(shí)間τ：有不少化工對(duì)象，在受到干擾作用后，其被控變量并不立即發(fā)生變化，而是過(guò)一段時(shí)間才發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為滯后現(xiàn)象。滯后時(shí)間是描述對(duì)象滯后現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)參數(shù)。滯后又分為傳遞滯后和容量滯后。傳遞滯后τ0：又叫純滯后，是由于信號(hào)的傳輸、介質(zhì)的輸送或熱的傳遞要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間而造成的。1被控對(duì)象的特性17第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)容量滯后τc：一般是由于物料或能量的傳遞過(guò)程中受到一定的阻力而造成的。它是多容過(guò)程所固有的特性。從原理上講，傳遞滯后和容量滯后的本質(zhì)是不同的，但實(shí)際上很難嚴(yán)格區(qū)分。當(dāng)兩者同時(shí)存在時(shí)，通常把這兩種滯后時(shí)間加在一起，統(tǒng)稱(chēng)為滯后時(shí)間，用τ來(lái)表示，即τ=τ。+τc1被控對(duì)象的特性18第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)滯后時(shí)間對(duì)控制系統(tǒng)的影響分析：對(duì)控制通道來(lái)講：滯后的存在會(huì)使控制不夠及時(shí)，在干擾出現(xiàn)后不能迅速調(diào)節(jié)，嚴(yán)重影響控制質(zhì)量。因此，應(yīng)盡量減少滯后時(shí)間。對(duì)干擾通道來(lái)講：純滯后只是推遲了干擾作用進(jìn)入系統(tǒng)的時(shí)間，因此對(duì)控制質(zhì)量沒(méi)有影響；而容量滯后的存在則可以緩和階躍干擾對(duì)被控變量的影響，因而對(duì)控制系統(tǒng)是有利的。1被控對(duì)象的特性19第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2.1.3對(duì)象特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)定前面所講對(duì)象特性的求取方法是從工藝過(guò)程的變化機(jī)理出發(fā)，寫(xiě)出各種有關(guān)的平衡方程（如物料平衡方程、能量平衡方程等），進(jìn)而推導(dǎo)出被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，得出其特性參數(shù)。但現(xiàn)實(shí)情況是：

①對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性雖可運(yùn)用流動(dòng)、蒸發(fā)、反應(yīng)、傳熱、吸收等物理化學(xué)基礎(chǔ)理論來(lái)推導(dǎo)求解，但由于具體對(duì)象往往非常復(fù)雜，在數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程中必須作許多假設(shè)和簡(jiǎn)化，致使推導(dǎo)的結(jié)果偏離實(shí)際；②許多實(shí)際工業(yè)對(duì)象的機(jī)理很復(fù)雜，有時(shí)甚至很難用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)；③有許多被控對(duì)象的特性在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)隨工況變化而改變，或隨其他因素而改變，為了提高控制質(zhì)量，這種系統(tǒng)就非得在運(yùn)行過(guò)程中用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性不可。1被控對(duì)象的特性20第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)鑒于上述原因，許多工業(yè)被控對(duì)象難以用數(shù)學(xué)的方法求出其特性參數(shù)，必須得對(duì)具體的對(duì)象通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到一系列數(shù)據(jù)和運(yùn)行曲線(xiàn)，由此分析歸納出被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性——實(shí)驗(yàn)測(cè)定法。

方法一：時(shí)域分析法時(shí)域分析法就是用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定對(duì)象在輸入突然改變后，其輸出量隨時(shí)間的變化規(guī)律。

以單容水槽液位對(duì)象在階躍輸入時(shí)的動(dòng)態(tài)特性為例1被控對(duì)象的特性21第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)①求純滯后時(shí)間:從t0時(shí)刻起到輸出開(kāi)始變化的這段時(shí)間，即輸入變化而輸出不發(fā)生變化的這段時(shí)間為純滯后時(shí)間。②求靜態(tài)放大倍數(shù):K=——————y(∞)-y(0)x(∞)-x(0)③求時(shí)間常數(shù)T：在反應(yīng)曲線(xiàn)上找到輸出量變化至終值63.2%時(shí)的坐標(biāo)點(diǎn)，它所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻與輸出量開(kāi)始變化時(shí)的時(shí)刻之差就是時(shí)間常數(shù)T。1被控對(duì)象的特性63.2%22第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)

討論：此法是一種比較簡(jiǎn)單的對(duì)象特性實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法，但由于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的干擾因素較多，而且一般不允許輸入量變化太大，通常為額定值的5%—10%，因此這種方法的精度較差、應(yīng)用受限。實(shí)際常用矩形脈沖，矩形脈沖輸入信號(hào)作用下，測(cè)其輸出量隨時(shí)間的變化規(guī)律。1被控對(duì)象的特性23第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)討論：用矩形脈沖干擾來(lái)測(cè)取對(duì)象特性時(shí)，由于加在對(duì)象上的干擾經(jīng)過(guò)一段時(shí)間即被除去，因此干擾的幅度可取的較大，以提高實(shí)驗(yàn)的精度;同時(shí)，對(duì)象輸出量又不至于長(zhǎng)時(shí)間地偏離給定值，因而對(duì)正常生產(chǎn)影響較小。所以，這種方法是測(cè)定對(duì)象特性常用的方法之一。1被控對(duì)象的特性24第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)1被控對(duì)象的特性另外，還有頻域測(cè)定法、統(tǒng)計(jì)分析法等。25第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)

對(duì)象特性時(shí)域測(cè)定注意事項(xiàng)：a.測(cè)試時(shí)采取一切措施防止其他干擾發(fā)生；b.必須在對(duì)象平穩(wěn)后加入激勵(lì)；c.必須注意過(guò)渡過(guò)程起始階段的測(cè)量和記錄；d.每次測(cè)量應(yīng)進(jìn)行到被測(cè)參數(shù)足夠穩(wěn)定時(shí)為止；e.階躍值不能太大、也不宜太小，通常取正常生產(chǎn)值的5~15%。對(duì)于更大的激勵(lì)，應(yīng)采用矩形脈沖法;f.最好在同一工況下，通過(guò)重復(fù)測(cè)試，剔除偶然誤差g.一般應(yīng)在對(duì)象工作范圍內(nèi)，選取多個(gè)工況，進(jìn)行多次測(cè)試，求取多組特性參數(shù)再進(jìn)一步加以處理。1被控對(duì)象的特性26第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)2.2單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)又稱(chēng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，是指由一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)檢測(cè)元件及變送器、一個(gè)調(diào)節(jié)器和一個(gè)執(zhí)行器所構(gòu)成的閉合系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于施工，并能滿(mǎn)足一般生產(chǎn)過(guò)程的控制要求，應(yīng)用廣泛。27第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)2.2.1單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，首先應(yīng)對(duì)被控對(duì)象做全面的了解。除被控對(duì)象的動(dòng)靜態(tài)特性外，對(duì)于工藝過(guò)程、設(shè)備等也需要做比較深入的了解；在此基礎(chǔ)上，確定正確的控制方案，包括合理地選擇被控變量與操縱變量，選擇合適的檢測(cè)變送元件及檢測(cè)位置，選用恰當(dāng)?shù)膱?zhí)行器、調(diào)節(jié)器以及調(diào)節(jié)器控制規(guī)律等;最后將調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定到最佳值。28第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)

（1）被控變量的選擇被控變量是生產(chǎn)過(guò)程中希望保持在定值的過(guò)程參數(shù)。影響一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程正常操作的因素很多，但不可能全部都加以控制。作為被控變量，它應(yīng)是對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量、保證安全生產(chǎn)、節(jié)約能源等具有決定作用的工藝參數(shù)。這就需要在了解工藝過(guò)程、控制要求的基礎(chǔ)上，分析各變量間的關(guān)系，合理選擇被控變量。29第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)選擇被控變量的基本原則：作為被控變量，其信號(hào)最好是能夠直接測(cè)量獲得，并且測(cè)量和變送環(huán)節(jié)的滯后也要比較小。若被控變量信號(hào)無(wú)法直接獲取，可選擇與之有單值函數(shù)關(guān)系的間接參數(shù)作為被控變量。作為被控變量，最好是獨(dú)立變量。變量的數(shù)目一般可以用物理化學(xué)中的相律關(guān)系來(lái)確定。作為被控變量，必須考慮工藝合理性，以及目前儀表的現(xiàn)狀能否滿(mǎn)足要求。30第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)（2）操縱變量的選擇在控制系統(tǒng)中，用來(lái)克服干擾對(duì)被控變量的影響，實(shí)現(xiàn)控制作用的變量就是操縱變量。在化工和煉油生產(chǎn)過(guò)程中，最常見(jiàn)的操縱變量是流量，也有電壓、轉(zhuǎn)速等。？？T:被控變量31第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)選擇操縱變量的基本原則：使被控對(duì)象控制通道的放大系數(shù)較大，時(shí)間常數(shù)較小，純滯后時(shí)間越小越好;（靈敏、快捷）使被控對(duì)象干擾通道的放大系數(shù)盡可能小，時(shí)間常數(shù)越大越好。（抑制效果好）綜合考慮工藝的合理性和實(shí)現(xiàn)的成本。32第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)控制任務(wù)——使塔底產(chǎn)品成分穩(wěn)定。被控變量？操控變量？可選參數(shù)：進(jìn)料量進(jìn)料溫度回流量回流溫度蒸汽量冷凝溫度塔內(nèi)溫度33第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)（3）檢測(cè)變送環(huán)節(jié)的影響檢測(cè)變送環(huán)節(jié)在控制系統(tǒng)中起著獲取信息和傳送信息的作用。因此要求獲取的信息及時(shí)、準(zhǔn)確，傳遞信息快捷、完整。

①純滯后：在過(guò)程控制中，由于檢測(cè)元件安裝位置的不適當(dāng)將會(huì)產(chǎn)生純滯后。34第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)純滯后使測(cè)量信號(hào)不能及時(shí)地反映被控變量的實(shí)際值，從而降低了控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。由檢測(cè)元件安裝位置所引入的純滯后是不可避免的，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，要正確選擇安裝檢測(cè)點(diǎn)位置。另外，檢測(cè)元件不能安裝在死角或容易結(jié)焦的地方。

②測(cè)量滯后是指由測(cè)量元件本身特性所引起的動(dòng)態(tài)誤差。當(dāng)測(cè)量元件感受被控變量的變化時(shí)，要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，才能反映出被控變量的實(shí)際值，這時(shí)測(cè)量元件本身就構(gòu)成了一個(gè)具有一定時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)。35第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)克服測(cè)量滯后的方法通常有兩種：一是盡量選用快速測(cè)量元件，以測(cè)量元件的時(shí)間常數(shù)為被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)的十分之一以下為宜；二是在測(cè)最元件之后引入微分作用進(jìn)行補(bǔ)償，以改善控制質(zhì)量。③傳遞滯后即信號(hào)傳輸滯后，主要是由于氣壓信號(hào)在管路傳送過(guò)程中引起的滯后（電信號(hào)的傳遞滯后可以忽略不計(jì)）。在采用氣動(dòng)儀表實(shí)現(xiàn)集中控制的場(chǎng)合，調(diào)節(jié)器和顯示器一般均集中安裝在中心控制室，而檢測(cè)變送器和執(zhí)行器安裝在現(xiàn)場(chǎng)。在由測(cè)量變送器至調(diào)節(jié)器和由調(diào)節(jié)器至執(zhí)行器的信號(hào)傳遞中，由于管線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)就形成了傳遞滯后。36第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)傳遞滯后總是存在的，克服或減小信號(hào)傳遞滯后的方法：①盡量縮短氣壓信號(hào)管線(xiàn)的長(zhǎng)度，一般不超過(guò)300m；②改用電信號(hào)傳遞，即先用氣電轉(zhuǎn)換器把調(diào)節(jié)器輸出的氣壓信號(hào)變成電信號(hào)，送到現(xiàn)場(chǎng)后，再用電氣轉(zhuǎn)換器變換成氣壓信號(hào)送到執(zhí)行器上;③在氣壓管線(xiàn)上加氣動(dòng)繼動(dòng)器，或在執(zhí)行器上加氣動(dòng)閥門(mén)定位器，以增大輸出功率，減少傳遞滯后的影響;④如果變送器和調(diào)節(jié)器都是電動(dòng)的，而執(zhí)行器采用的是氣動(dòng)執(zhí)行器，則可將電氣轉(zhuǎn)換器靠近執(zhí)行器或采用電氣閥門(mén)定位器;⑤如實(shí)際情況允許，采用基地式儀表，以消除信號(hào)傳遞上的滯后。37第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)（4）執(zhí)行器的影響執(zhí)行器是過(guò)程控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其作用是接受調(diào)節(jié)器送來(lái)的控制信號(hào)，調(diào)節(jié)管道中介質(zhì)的流量(改變操縱變量)，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。執(zhí)行器通常為調(diào)節(jié)閥。由于調(diào)節(jié)閥直接與介質(zhì)接觸，當(dāng)在高溫、高壓、深冷、強(qiáng)腐蝕、高粘度、易結(jié)晶、閃蒸、氣蝕等各種惡劣條件下工作時(shí)，如果執(zhí)行器選擇不當(dāng)或維護(hù)不善，常常會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)不能可靠工作，嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的質(zhì)量。38第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)2.2.2調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)器是控制系統(tǒng)的心臟。它的作用是將測(cè)量變送信號(hào)與給定值相比較產(chǎn)生偏差信號(hào)，然后按一定的運(yùn)算規(guī)律產(chǎn)生輸出信號(hào)，推動(dòng)執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。調(diào)節(jié)規(guī)律是指調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)變化的規(guī)律。常用的基本調(diào)節(jié)規(guī)律有：位式比例積分微分——斷續(xù)調(diào)節(jié)連續(xù)調(diào)節(jié)39第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)（1）位式調(diào)節(jié)規(guī)律雙位調(diào)節(jié)是位式調(diào)節(jié)規(guī)律中最簡(jiǎn)單的形式。Δu=umax

當(dāng)e>0（或e<0）時(shí)umin

當(dāng)e<0（或e>0）時(shí)40第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)理想的情況是：當(dāng)被控變量的測(cè)量值低于給定值時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出的極限狀態(tài)使加熱器供電，被控溫度上升；而當(dāng)測(cè)量值一旦高于給定值時(shí)，調(diào)節(jié)器立刻輸出另一極限狀態(tài)使加熱器斷電，被控溫度下降，如此反復(fù)進(jìn)行，使溫度維持在給定值附近很小的范圍內(nèi)波動(dòng)。位式調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、使用方便，一般帶有上下限發(fā)信裝置的檢測(cè)儀表，如電接點(diǎn)壓力表、水銀定溫計(jì)、雙金屬片溫度計(jì)、電子電位差計(jì)等都可以方便地實(shí)現(xiàn)位式調(diào)節(jié)。但其主要缺點(diǎn)是被控變量總在波動(dòng)，控制質(zhì)量不高。當(dāng)被控對(duì)象純滯后較大時(shí)，被控變量波動(dòng)幅度會(huì)很大。41第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)在理想的雙位控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(繼電器)的啟停過(guò)于頻繁，系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)部件(繼電器觸頭)容易損壞，這樣就很難保證控制系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。因此，實(shí)際應(yīng)用的雙位調(diào)節(jié)器都有一個(gè)中間區(qū)域。雙位調(diào)節(jié)過(guò)程實(shí)際是一種斷續(xù)作用下的等幅振蕩過(guò)程。不能用連續(xù)控制作用下的衰減振蕩過(guò)程的性能指標(biāo)來(lái)衡量，而是用振幅和周期作為其品質(zhì)指標(biāo)。

顯然，振幅小、周期長(zhǎng)，控制質(zhì)量就好。42第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)（2）比例調(diào)節(jié)規(guī)律（P）①比例放大倍數(shù)（Kp）:可以人為設(shè)定。

Δu(t)=Kpe(t)

Δu(t)=——e(t)ba改變O點(diǎn)位置，可以改變放大倍數(shù)。比例調(diào)節(jié)器的輸出變化量與輸入偏差具有一一對(duì)應(yīng)的比例關(guān)系，因此比例控制具有控制及時(shí)、克服偏差有力的特點(diǎn)。43第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)

②比例度工業(yè)上使用的調(diào)節(jié)器，常常采用比例度來(lái)表示比例作用的強(qiáng)弱。所謂比例度是指調(diào)節(jié)器的輸入相對(duì)變化量與相應(yīng)輸出的相對(duì)變化量之比的百分?jǐn)?shù)。Δ例：一個(gè)電動(dòng)比例調(diào)節(jié)器，它的量程是100~200℃，輸出信號(hào)是0～10mA，當(dāng)輸入從140℃變化到160℃時(shí)，相應(yīng)的調(diào)節(jié)器輸出從3mA變化到8mA，則該調(diào)節(jié)器的比例度為44第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)比例度對(duì)控制質(zhì)量的影響：在相同大小的干擾下，調(diào)節(jié)器的比例度越小，則比例作用越強(qiáng)，調(diào)節(jié)器的輸出越大，使被控變量偏離給定值越小，被控變量被拉回到給定值所需的時(shí)間越短。但比例度太小時(shí)，調(diào)節(jié)太頻繁，會(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。在調(diào)節(jié)器的基本調(diào)節(jié)規(guī)律中，比例調(diào)節(jié)是最基本、最主要、應(yīng)用最普遍的規(guī)律，它能較為迅速地克服干擾的影響，使系統(tǒng)很快地穩(wěn)定下來(lái)。比例控制作用通常適用于干擾少、擾動(dòng)幅度小、負(fù)荷變化不大、滯后較小或者控制精度要求不高的場(chǎng)合。45第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)

（3）比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律（PI）

①積分調(diào)節(jié)規(guī)律（I）在積分調(diào)節(jié)規(guī)律中，調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的變化量與輸入偏差的積分成正比。積分調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)的大小不僅與輸入偏差信號(hào)的大小有關(guān)，而且還取決于偏差存在時(shí)間的長(zhǎng)短。只要有偏差，調(diào)節(jié)器的輸出就不斷變化。直到偏差等于零，積分調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)才能穩(wěn)定。46第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)純積分控制的缺點(diǎn)在于:它不像比例控制那樣輸出△u與輸入e保持同步、反應(yīng)較快，而是其輸出變化總要滯后于偏差的變化。這樣就不能及時(shí)有效地克服擾動(dòng)的影響，其結(jié)果是加劇了被控變量的波動(dòng)，使系統(tǒng)難以穩(wěn)定下來(lái)。因此，在工業(yè)過(guò)程控制中，通常不單獨(dú)使用積分控制規(guī)律，而是將它與比例控制組合成比例積分控制規(guī)律來(lái)應(yīng)用。

②比例積分控制規(guī)律（PI）是比例與積分兩種控制規(guī)律的組合，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為47第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)PI規(guī)律將比例控制反應(yīng)快和積分控制能消除余差的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，因而在生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。在幅度為A的階躍偏差輸入作用下TI為積分時(shí)間TI越小，積分控制作用越強(qiáng)；TI越大，積分控制作用越弱，TI特別大時(shí)，則只有P調(diào)節(jié)。48第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)比例調(diào)節(jié)比例積分調(diào)節(jié)

Δu(t)=Kpe(t)=—e(t)Δu(t)=KpA＋—Atδ1KpTI比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律的適用性很強(qiáng)，在多數(shù)場(chǎng)合下均可采用。只是當(dāng)被控對(duì)象的滯后很大時(shí)，可能PI調(diào)節(jié)的時(shí)間較長(zhǎng)；或者當(dāng)負(fù)荷變化特別劇烈時(shí)，PI調(diào)節(jié)不夠及時(shí)。49第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)

（4）比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律（PID）對(duì)于慣性較大的被控對(duì)象，如果調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)被控變量的變化趨勢(shì)來(lái)采取調(diào)節(jié)措施，而不要等到被控變量已經(jīng)出現(xiàn)較大偏差后才開(kāi)始動(dòng)作，那么調(diào)節(jié)的效果將會(huì)更好，等于賦予了調(diào)節(jié)器以某種程度的預(yù)見(jiàn)性，這種調(diào)節(jié)規(guī)律就是微分調(diào)節(jié)規(guī)律。

①微分調(diào)節(jié)規(guī)律（D）在微分調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的變化量與輸入偏差的變化速度成正比。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為Δu(t)=TD———de(t)dt50第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)若在某一時(shí)刻T=T0輸入一個(gè)階躍變化的偏差信號(hào)e(t)＝A，則在該時(shí)刻調(diào)節(jié)器的輸出為無(wú)窮大，其余時(shí)間輸出為零。顯然這種特性沒(méi)有實(shí)用價(jià)值，稱(chēng)為理想微分作用。從圖中可看出，微分調(diào)節(jié)器的輸出只與偏差的變化速度有關(guān)，而與偏差的存在與否無(wú)關(guān)。即微分作用對(duì)恒定不變的偏差沒(méi)有克服能力，必須與其它控制聯(lián)合使用。②比例微分控制規(guī)律（PD）51第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)理想的比例微分調(diào)節(jié)器在物理上是難以實(shí)現(xiàn)的，工業(yè)上實(shí)際采用的PD調(diào)節(jié)規(guī)律是比例作用與近似微分作用的組合。KD——微分增益，工業(yè)上一般取5～10；TD——微分時(shí)間，工業(yè)上一般3s～10min.TD太小由于微分作用總是力圖阻止被控變量的任何變化，所以適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔糜幸种普袷幍男Ч?。若微分作用選擇適當(dāng)，將有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。TD適當(dāng)52第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)④比例積分微分控制規(guī)律（PID）不難看出，由上式所描述的調(diào)節(jié)器在物理上也是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。工業(yè)上實(shí)際采用的PID調(diào)節(jié)器如DDZ型調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為:帶＊量為實(shí)際值KP＝FKPTI＝FTITD＝TD／F***53第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)在PID調(diào)節(jié)器中，比例、積分和微分作用取長(zhǎng)補(bǔ)短、互相配合，如果比例度、積分時(shí)間、微分時(shí)間這三個(gè)參數(shù)整定適當(dāng)，就可以獲得較高的控制質(zhì)量。因此，PID調(diào)節(jié)器適應(yīng)性較強(qiáng)，應(yīng)用普遍。（5）調(diào)節(jié)規(guī)律的選取選擇什么樣的調(diào)節(jié)規(guī)律與具體對(duì)象相匹配，是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，需要綜合考慮多種因素。通常，選擇調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律時(shí)應(yīng)根據(jù)對(duì)象特性、負(fù)荷變化、主要擾動(dòng)和控制要求等具體情況，同時(shí)還應(yīng)考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性以及系統(tǒng)投入方便等。54第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)1—比例調(diào)節(jié)2—積分調(diào)節(jié)3—PI調(diào)節(jié)4—PD調(diào)節(jié)5—PID調(diào)節(jié)經(jīng)比較，PID調(diào)節(jié)的控制作用最佳，但這并不意味著在任何情況下采用PID規(guī)律都是合理的。在PID調(diào)節(jié)器中有三個(gè)參數(shù)需要整定，如果這些參數(shù)整定不合適，也不能達(dá)到理想的效果。55第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)控制規(guī)律的選取原則：簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)適用于控制負(fù)荷變化較小的被控對(duì)象，如果負(fù)荷變化較大，無(wú)論選擇那種調(diào)節(jié)規(guī)律，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)都很難得到滿(mǎn)意的控制質(zhì)量，此時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)選用復(fù)雜控制系統(tǒng)。在一般的控制系統(tǒng)中，比例控制是必不可少的。當(dāng)一些對(duì)象控制通道滯后較小，負(fù)荷變化較小，而工藝要求不高時(shí)，可選擇單純的比例調(diào)節(jié)規(guī)律。如貯罐液位、不太重要的壓力等參數(shù)的控制。當(dāng)一些對(duì)象控制通道滯后較小，負(fù)荷變化較小，而工藝要求無(wú)余差時(shí)，可選用比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律，如管道壓力、流量等參數(shù)的控制。56第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)當(dāng)一些對(duì)象控制通道滯后較大時(shí)，應(yīng)引入微分作用。如工藝允許有余差，可選取比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律；如工藝要求無(wú)余差時(shí)，則選用比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律，如溫度、成分、pH等參數(shù)的控制。當(dāng)一些對(duì)象控制通道滯后較大、負(fù)荷變化也較大時(shí)，比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律也往往不能滿(mǎn)足控制要求，這時(shí)應(yīng)選用復(fù)雜控制系統(tǒng)。57第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)2.2.3調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定當(dāng)一個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝完成后，系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)以及被控對(duì)象各通道的特性就不能再改變了，而唯一能改變的就是調(diào)節(jié)器的參數(shù)，即調(diào)節(jié)器的比例度δ、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD。通過(guò)改變求取這三個(gè)參數(shù)的最佳值，獲得較好的控制質(zhì)量，這就是調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。整定方法理論計(jì)算整定法工程整定：根軌跡法、頻率響應(yīng)法、偏差積分準(zhǔn)則等：經(jīng)驗(yàn)試湊法、臨界比例度法、衰減曲線(xiàn)法58第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)（1）經(jīng)驗(yàn)試湊法若將控制系統(tǒng)按液位、流量、溫度和壓力等參數(shù)來(lái)分類(lèi)，屬于同一類(lèi)別的系統(tǒng)，其對(duì)象特性比較接近。所以無(wú)論是調(diào)節(jié)規(guī)律的形式還是所整定的參數(shù)均可相互參考。經(jīng)驗(yàn)試湊法就是根據(jù)被控變量的性質(zhì)在已知合適的參數(shù)（經(jīng)驗(yàn)參數(shù)）范圍內(nèi)選擇一組適當(dāng)?shù)闹底鳛檎{(diào)節(jié)器當(dāng)前的參數(shù)。然后直接在運(yùn)行的系統(tǒng)中，人為地加上階躍干擾，通過(guò)觀察記錄儀表上的過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)，并以比例度、積分時(shí)間、微分時(shí)間對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響為指導(dǎo)，按照某種順序反復(fù)試湊比例度、積分時(shí)間、微分時(shí)間的大小，直到獲得滿(mǎn)意的過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)。59第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)溫度系統(tǒng)其對(duì)象容量滯后較大，被控變量受干擾作用后變化遲緩，一般選用較小的比例度，較大的積分時(shí)間，同時(shí)要加人微分作用，微分時(shí)間是積分時(shí)間的四分之一。流量系統(tǒng)是典型的快速系統(tǒng)，對(duì)象的容量滯后小，被控變量有波動(dòng)。對(duì)于這種過(guò)程，不用微分作用，宜用PI調(diào)節(jié)，且比例度要大，積分時(shí)間可小。液位系統(tǒng)其對(duì)象時(shí)間常數(shù)范圍較大，對(duì)只需要實(shí)現(xiàn)平均液位控制的地方，宜用純比例控制，比例度要大，一般不用微分作用，要求較高時(shí)應(yīng)加人積分作用。60第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)壓力系統(tǒng)通常為快速系統(tǒng)，對(duì)象的容量滯后一般較小，其參數(shù)的整定原則與流量系統(tǒng)的整定原則相同。但在某些情況下，壓力系統(tǒng)也會(huì)成為慢速系統(tǒng)。在如圖系統(tǒng)中，通過(guò)控制換熱器的冷劑量來(lái)影響壓力，因此熱交換的動(dòng)態(tài)滯后和流量滯后都會(huì)包含在壓力系統(tǒng)中，從而構(gòu)成一個(gè)有多容對(duì)象組成的慢速過(guò)程，這類(lèi)系統(tǒng)的參數(shù)整定原則應(yīng)參照典型的溫度系統(tǒng)。61第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)試湊法簡(jiǎn)單可靠，容易掌握，適用于各種系統(tǒng)。特別是對(duì)于外界干擾作用較頻縈的系統(tǒng)，采用這種方法更為適合。但這種方法對(duì)于調(diào)節(jié)器參數(shù)較多的情況，不易找到最好的整定參數(shù)。62第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)（2）臨界比例度法臨界比例度法整定參數(shù)的具體步驟是：首先將調(diào)節(jié)器的積分作用和微分作用全部除去，在純比例的情況下，按比例度δ從大到小的變化規(guī)律，對(duì)應(yīng)于某一δ值做小幅度的設(shè)定值階躍干擾.直到獲得等幅振蕩過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)。這時(shí)的比例度為臨界比例度δK，振蕩周期即為臨界周期TK，臨界周期TK可在過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)上求取。最后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器各參數(shù)的整定數(shù)值。63第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)

需要指出的是：使用臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)有兩個(gè)條件：一是工藝允許被控變量做等幅振蕩；二是在獲取等幅振蕩曲線(xiàn)時(shí)，應(yīng)特別注意，不能使控制閥出現(xiàn)全關(guān)、全開(kāi)的極限狀態(tài)。（3）衰減曲線(xiàn)法在一些不允許或不能得到等幅振蕩的情況下，可考慮采用修正方法——衰減曲線(xiàn)法。它與臨界比例度法的唯一差異僅在于前者是以在純比例下獲得4:1衰減振蕩曲線(xiàn)為參數(shù)整定的依據(jù)。衰減曲線(xiàn)法整定參數(shù)的具體操作步驟與臨界比例度法相同，但只需獲得4:1衰減振蕩過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)即可，記下此64第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)時(shí)的比例度δK，并在4:1曲線(xiàn)上求得振蕩周期TS。然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公衰減曲線(xiàn)法的整定方法簡(jiǎn)單、可靠，而且整定的質(zhì)量較高，目前應(yīng)用較廣。但這種方法操作時(shí)其他工藝上的干擾要設(shè)法免除，否則，記錄曲線(xiàn)將是幾種外界干擾作用同時(shí)影響的結(jié)果，不可能得到正確的4:1衰減曲線(xiàn)上的比例度和振蕩周期。式，求出相應(yīng)的比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間。65第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)2單回路控制系統(tǒng)以上介紹的調(diào)節(jié)器參數(shù)的三種工程整定方法，它們都不需要預(yù)先知道被控對(duì)象的特性，而是直接在閉合的系統(tǒng)中進(jìn)行整定。如果預(yù)先知道被控對(duì)象特性的話(huà)，那么，根據(jù)理論分析計(jì)算的方法求出調(diào)節(jié)器參數(shù)的數(shù)值，再在閉合系統(tǒng)投運(yùn)中進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，將會(huì)更方便、迅速和準(zhǔn)確。另外需要指出的是，對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定是在一定的工藝操作條件和一定的負(fù)荷下進(jìn)行的。那么一組調(diào)節(jié)器參數(shù)在一種工作狀態(tài)下是最佳的，而在另一種工作狀態(tài)下就不一定是最佳的。所以，當(dāng)工藝操作條件或負(fù)荷發(fā)生較大變化時(shí)，調(diào)節(jié)器參數(shù)往往需要重新整定。66第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)2.3復(fù)雜控制系統(tǒng)在前面，主要討論了單回路控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中只使用了一個(gè)調(diào)節(jié)器、一個(gè)執(zhí)行器和一個(gè)檢測(cè)變送器。在大多數(shù)情況下，這種簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)已能夠滿(mǎn)足工藝要求。但也有另外一些情況，例如被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性決定了它很難控制，而工藝對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的要求又很高；或者控制的任務(wù)比較特殊，單回路控制系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。另外，隨著生產(chǎn)過(guò)程向大型化、連續(xù)化方向發(fā)展，對(duì)操作條件要求也更高，參數(shù)間相互關(guān)系更加復(fù)雜，對(duì)控制系統(tǒng)的精度和功能提出了許多新的要求。為此，需要在單回路控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一類(lèi)復(fù)雜控制系統(tǒng)，以滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程控制的要求。67第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)對(duì)于復(fù)雜控制系統(tǒng)，通?？筛鶕?jù)其開(kāi)發(fā)目的的差異，將其分為兩大類(lèi)。為提高響應(yīng)曲線(xiàn)的性能指標(biāo)而開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)這類(lèi)系統(tǒng)的目的，主要是企圖獲得比單回路PID控制更優(yōu)越的過(guò)渡過(guò)程質(zhì)量，如串級(jí)控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)等。按某些特殊目的而開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)這是為滿(mǎn)足不同的化工生產(chǎn)工藝、操作方式、乃至特殊的控制性能指標(biāo)而開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)，如比值控制系統(tǒng)、分程控制系統(tǒng)等。68第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)2.3.1串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制的基本原理實(shí)例1：管式加熱爐控制變量：油料出口溫度操縱變量：燃料供給量擾動(dòng)因素：原料流量和溫度；燃料油的熱值、壓力；噴油用蒸汽壓力；配風(fēng)及其溫度等。（對(duì)象特性：滯后嚴(yán)重、控制要求高ΔT＝±2％）69第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)串級(jí)控制：爐膛內(nèi)部的擾動(dòng)，由2號(hào)傳感器經(jīng)TC2先去調(diào)節(jié)克制；剩余偏差由1號(hào)傳感器和TC1二次調(diào)整克制。70第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)實(shí)例2：連續(xù)反應(yīng)器控制變量：反應(yīng)溫度操縱變量：冷水供給量擾動(dòng)因素：原料流量和溫度；冷卻水的溫度、壓力。71第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)總結(jié)：串級(jí)控制系統(tǒng)由兩套檢測(cè)變送器、兩個(gè)調(diào)節(jié)器、兩個(gè)被控對(duì)象和一個(gè)調(diào)節(jié)閥組成，其中的兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來(lái)工作，前一個(gè)的輸出作為后一個(gè)的給定值。后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出才送往調(diào)節(jié)閥。串級(jí)控制系統(tǒng)與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)有一個(gè)顯著的區(qū)別，它在結(jié)構(gòu)上形成了兩個(gè)閉環(huán)。副環(huán)起著“粗調(diào)”的作用;主環(huán)用來(lái)完成“細(xì)調(diào)”任務(wù)，以保證被控變量滿(mǎn)足工藝要求。72第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)（2）串級(jí)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)及其應(yīng)用場(chǎng)合①能迅速克服進(jìn)入副回路的干擾，這是串級(jí)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。因此，在設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)設(shè)法讓主要擾動(dòng)的進(jìn)入點(diǎn)位于副回路內(nèi)。②能改善被控對(duì)象的特性，提高系統(tǒng)克服干擾的能力。③具有一定的自適應(yīng)能力，提高了系統(tǒng)的控制精度。凡是可以利用上述特點(diǎn)之一來(lái)提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)的場(chǎng)合，都可以采用串級(jí)控制系統(tǒng)，特別是在被控對(duì)象的容量滯后大、干擾強(qiáng)、要求高的場(chǎng)合，采用串級(jí)控制可以獲得明顯的效果。73第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)2.3.2前饋控制系統(tǒng)在前面討論的控制系統(tǒng)中，都是按偏差來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的反饋控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器均是根據(jù)已經(jīng)出現(xiàn)的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。也就是說(shuō)，反饋控制根本無(wú)法將擾動(dòng)克服在被控變量偏離給定值之前，調(diào)節(jié)作用總不及時(shí)，從而限制了調(diào)節(jié)質(zhì)量的進(jìn)一步提高。為了改變反饋控制不及時(shí)和不穩(wěn)定的內(nèi)在因素，提出一種前饋控制的原理。本小節(jié)介紹前饋控制的基本原理及其應(yīng)用。74第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)基本原理：前饋控制又稱(chēng)擾動(dòng)補(bǔ)償，它是一種與反饋控制原理完全不同的控制方法。前饋控制的基本概念是測(cè)量進(jìn)入過(guò)程的干擾(包括外界干擾和設(shè)定值變化)，并按其信號(hào)產(chǎn)生合適的控制作用去改變操縱變量，使被控變量維持在設(shè)定值上。被控變量：出口溫度；操控變量：蒸汽流量。75第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)得好的話(huà)，就有可能使補(bǔ)償通道的作用很好地抵消擾動(dòng)f對(duì)被控對(duì)象的影響，使得操控變量不依賴(lài)于被控變量的偏差。

前饋控制與反饋控制比較：在反饋控制中，信號(hào)的傳遞形成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。而在前饋控制中，則只是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)存在一個(gè)穩(wěn)定性的問(wèn)題，調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定首先要考慮這個(gè)穩(wěn)定性問(wèn)題。但是，對(duì)于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)講，這個(gè)穩(wěn)定性間題是不存在的，補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)主要是考慮如何獲得最好的補(bǔ)償效果。在理想情況下，可以把補(bǔ)償器設(shè)計(jì)到完全補(bǔ)償，即在所考慮的擾動(dòng)作用下，被控變量始終保持不變。76第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)前饋控制的主要結(jié)構(gòu)形式①靜態(tài)前饋控制：穩(wěn)態(tài)下，利用物料或能量平衡算式，實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的完全補(bǔ)償即可。以熱交換器為例，熱平衡表達(dá)式為qvCp(θ－θi)＝GsHsGs＝qv——(θ－θi)CpHs77第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)②前饋--反饋控制系統(tǒng)在理論上，前饋控制可以實(shí)現(xiàn)被控變量的不變性，但在工程實(shí)踐中，由于下列原因，前饋控制系統(tǒng)依然會(huì)存在偏差。

實(shí)際的工業(yè)對(duì)象會(huì)存在多個(gè)擾動(dòng)。一般僅選擇幾個(gè)主要干擾作前饋通道。這樣設(shè)計(jì)的前饋控制器對(duì)其他干擾是絲毫沒(méi)有校正作用的。受前饋控制模型精度限制，模型的誤差將導(dǎo)致非完全補(bǔ)償，使被控變量最終存在偏差。用儀表實(shí)現(xiàn)前饋控制時(shí)，往往作了近似處理，尤其當(dāng)綜合得到的前饋控制算式包含有純超前環(huán)節(jié)或純微分環(huán)節(jié)時(shí)，它們?cè)谖锢砩鲜遣荒軐?shí)現(xiàn)的，構(gòu)成的前饋控制器只能是近似的。78第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)為了解決前饋控制不檢測(cè)被控變量余差的局限性，在工程上往往將前饋與反饋結(jié)合起來(lái)應(yīng)用。這樣既發(fā)揮了前饋校正作用及時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，又保持了反饋控制能克服多種擾動(dòng)及對(duì)被控變量最終檢驗(yàn)的長(zhǎng)處，是一種適合化工過(guò)程控制的控制方法。79第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)前饋一反饋控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：

從前饋控制角度，由于增添了反饋控制，降低了對(duì)前饋控制模型的精度要求，并能對(duì)未選作前饋信號(hào)的干擾產(chǎn)生校正作用。

從反饋控制角度，由于前饋控制的存在，對(duì)干擾作了及時(shí)的粗調(diào)作用，大大減輕了反饋控制的負(fù)擔(dān)。除了上述兩種前饋控制系統(tǒng)外，還有動(dòng)態(tài)前饋控制和多變量前饋控制等。這兩類(lèi)前饋控制形式計(jì)算復(fù)雜，構(gòu)成較難，在此不再詳細(xì)討論。80第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)2.3.3比值控制系統(tǒng)在化工生產(chǎn)中，經(jīng)常需要兩種或兩種以上的物料按一定比例混合或進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，一旦比例失調(diào)，輕則造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格，重則發(fā)生危險(xiǎn)。例如聚乙烯醇生產(chǎn)中，樹(shù)脂和氫氧化鈉必須按一定比例進(jìn)行混合，否則樹(shù)脂將發(fā)生自聚而影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。又如稀硝酸生產(chǎn)中的氧化爐，氨和空氣應(yīng)保持一定的比例，否則將使反應(yīng)不能正常進(jìn)行，而氨和空氣比超過(guò)一定極限將會(huì)引起爆炸。比值控制的目的，就是為了實(shí)現(xiàn)幾種物料符合一定的比例關(guān)系，以使生產(chǎn)能安全正常地進(jìn)行。81第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)根據(jù)反饋控制原理，為了保證出口濃度，可設(shè)計(jì)出口濃度為被控變量，入口水(或堿)流量為操縱變量的單回路反饋控制系統(tǒng)。但由于濃度信號(hào)的獲取較困難并滯后較大，影響控制質(zhì)量。根據(jù)前饋控制原理，若某一輸人物料流量變化時(shí)，另一物料也能按比例跟隨變化，則可以達(dá)到對(duì)出口濃度的完全補(bǔ)償。對(duì)于上述混合問(wèn)題，通過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)計(jì)算可知，只要入口30%Na0H和H2O的流量之比為1:4～1:2.75，就可以滿(mǎn)足出口Na0H溶液濃度達(dá)到6%～8%。對(duì)于這樣一個(gè)濃度控制問(wèn)題，也就成為流量比值控制問(wèn)題。82第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)

（1）定比值控制系統(tǒng)定比值控制系統(tǒng)的一個(gè)共同特點(diǎn)是系統(tǒng)以保持兩種物料流量比值恒定為目的，比值器的參數(shù)經(jīng)計(jì)算設(shè)置好后不再變動(dòng)，工藝要求的實(shí)際流量比值r也就固定不變，因此，稱(chēng)為定比值控制系統(tǒng)。定比值控制系統(tǒng)分類(lèi)開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)83第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)①開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)一般情況下，以生產(chǎn)中的主要物料或不可控物料作為主流量，通過(guò)改變可控物料流量(副流量)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)它們的比例關(guān)系。副流量本身無(wú)抗干擾能力。因此開(kāi)環(huán)比值控制方案，只有當(dāng)副流量較平穩(wěn)且流量比值要求不高的場(chǎng)合采用。84第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)②單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)為了克服開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)，可在副流量對(duì)象中引人一個(gè)閉合回路。當(dāng)副流量由于自身干擾而變化時(shí)，此時(shí)副流量調(diào)節(jié)是一個(gè)定值系統(tǒng)，經(jīng)反饋克服自身的于擾。從方框圖中可以看出，系統(tǒng)中只包含了一個(gè)閉合回路，故稱(chēng)為單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。85第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是兩種物料流量的比值較為精確，實(shí)施也比較方便，所以在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，兩物料的流量比值雖然可以保持一定，但如果主流量qvl是可變的，即進(jìn)入的總流量不固定的話(huà)，負(fù)荷波動(dòng)會(huì)給反應(yīng)過(guò)程帶來(lái)一定的影響，有可能使整個(gè)反應(yīng)器的熱平衡遭到破壞，甚至造成嚴(yán)重事故，這是單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)無(wú)法克服的一個(gè)弱點(diǎn)。86第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)③雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)為了能實(shí)現(xiàn)兩流量的比值恒定，又能使進(jìn)人系統(tǒng)的總負(fù)荷平穩(wěn)，在單閉環(huán)比值控制的基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了雙閉環(huán)比值控制。它與單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的差別在于主流量也構(gòu)成了閉合回路，有了兩個(gè)閉合回路。在雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中，兩個(gè)閉合回路可以克服各自的外界干擾，使主、副流量都比較平穩(wěn)，流量間的比值可通過(guò)比值器實(shí)現(xiàn)。87第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是所用的儀表較多，投資高。一般情況下，采用兩個(gè)單回路控制系統(tǒng)分別穩(wěn)定主流量和副流量，也可以達(dá)到目的。88第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)（2）變比值控制系統(tǒng)如前所講定比值控制的各種方案只考慮如何來(lái)實(shí)現(xiàn)比值關(guān)系，沒(méi)有考慮兩種物料混合或反應(yīng)后最終質(zhì)量是否符合工藝要求。因此，從最終質(zhì)量的角度來(lái)看，定比值控制系統(tǒng)是開(kāi)環(huán)的。由于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的干擾因素很多，當(dāng)系統(tǒng)中存在著除流量干擾以外的其他干擾（如溫度、壓力、成分以及反應(yīng)器中觸媒衰老等干擾）時(shí)，原來(lái)設(shè)定的比值器系數(shù)就不能保證產(chǎn)品的最終質(zhì)量，需進(jìn)行重新設(shè)置。但是，這種干擾往往是隨機(jī)的，且干擾幅度又各不相同，無(wú)法用人工經(jīng)常去修正比值器的參數(shù)，于是出現(xiàn)了按照某一工藝指標(biāo)自動(dòng)修正流量比值的變比值控制系統(tǒng)。89第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)除流量之外的其他干擾引起主參數(shù)y變化時(shí)，通過(guò)主反饋回路使主控制器輸出變化，修改兩流量的比值，以保持主參數(shù)的穩(wěn)定。對(duì)于進(jìn)入系統(tǒng)的主流量qv1的干擾，由于比值控制回路的快速隨動(dòng)跟蹤，使副流量按qv2=rqvl關(guān)系變化，以保持主參數(shù)y穩(wěn)定，它起了靜態(tài)前饋的作用。對(duì)于副流量本身的干擾，同樣可以通過(guò)自身的控制回路克服，它相當(dāng)于串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路。因此，這種變比值控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種靜態(tài)前饋—串級(jí)控制系統(tǒng)，也可稱(chēng)為串級(jí)比值控制系統(tǒng)。90第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)(3)比值控制系統(tǒng)的實(shí)施①應(yīng)用比值器的方案<Io=(Ic1-4)K+4>a流量與測(cè)量信號(hào)之間存在線(xiàn)性關(guān)系或用差壓測(cè)量并經(jīng)過(guò)開(kāi)方運(yùn)算時(shí)：b用差壓法測(cè)量流量，但未經(jīng)開(kāi)方運(yùn)算比值器的比值系數(shù)K只能在一定范圍內(nèi)調(diào)整（如0.25～4），所以要實(shí)現(xiàn)預(yù)定的流量比r，變送器的量程必須適當(dāng)選擇，若選擇適當(dāng)，K值在1附近。91第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)②應(yīng)用乘法器的方案<Io=——————＋4>a當(dāng)流量為線(xiàn)性變送時(shí)(Ic1-4)(Is-4)16b當(dāng)流量為非線(xiàn)性變送時(shí)利用以上兩式，按工藝要求的流量比值r來(lái)設(shè)置Is。92第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)③應(yīng)用除法器的方案:顯然，它還是一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，只是控制器的測(cè)量值和給定值都是流量信號(hào)的比值，而不是流量本身。除法器方案的優(yōu)點(diǎn)是直觀，可直接讀出比值，使用方便，可調(diào)范圍寬;但也有其弱點(diǎn):由于比值的計(jì)算包含在控制回路中，因此對(duì)象的放大倍數(shù)隨負(fù)荷的不同而發(fā)生變化，當(dāng)負(fù)荷較小時(shí)，系統(tǒng)不易穩(wěn)定，現(xiàn)已逐漸被乘法器方案所取代。93第二章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)3復(fù)雜控制系統(tǒng)2.3.4選擇性控制系統(tǒng)通常的自動(dòng)控制系統(tǒng)只能在正常情況下工作，而隨著生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的發(fā)展，如何保證生產(chǎn)工藝過(guò)程的安全操作，盡量減少開(kāi)、停車(chē)中的不穩(wěn)定工況，成為工業(yè)自動(dòng)化中的一個(gè)重要課題。選擇性控制就是解決這個(gè)課題的一種控制系統(tǒng)。基本原理：通常的自動(dòng)控制系統(tǒng)在遇到不正常工況或特大擾動(dòng)時(shí)，很可能無(wú)法適應(yīng)，只能從自動(dòng)改為手動(dòng)。例如，大型壓縮機(jī)、泵、風(fēng)機(jī)等