過程控制工程

第四章復(fù)雜控制系統(tǒng)2第四章復(fù)雜控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但難于適應(yīng)工藝參數(shù)間關(guān)系比較復(fù)雜的控制，特別是現(xiàn)代大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。復(fù)雜控制系統(tǒng)：具有兩個(gè)以上的檢測(cè)變送單元、或控制器、或執(zhí)行器，能完成一些復(fù)雜或特殊的任務(wù)

串級(jí)控制系統(tǒng)等：對(duì)改善控制品質(zhì)有獨(dú)到之處，故而在過程控制系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛。3均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)第四章復(fù)雜控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)大時(shí)延控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)4

加熱溫度測(cè)量第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)5

加熱流量測(cè)量第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)6一.串級(jí)控制系統(tǒng)的組成

1、問題的提出以煉油廠管式加熱爐的出口溫度控制為例。(1)、采用直接控制方案（以爐出口溫度作為控制量）優(yōu)點(diǎn)：所有對(duì)溫度的干擾都包括在控制回路之中。缺點(diǎn)：對(duì)燃油流量變化等干擾控制不及時(shí)，總滯后較大。(2)、采用間接控制方案（以燃料油流量作為控制量）優(yōu)點(diǎn)：能及時(shí)而有效地克服來自燃料油壓力方面的干擾。缺點(diǎn)：燃料油控制只起輔助作用；放棄爐出口溫度控制將無法克服來自原料流量和溫度、爐膛壓力變化等方面的干擾。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)7

(1)、結(jié)構(gòu)圖：將兩方案綜合起來，即得串級(jí)控制系統(tǒng)如圖所示。

2、系統(tǒng)組成

加熱流量測(cè)量溫度測(cè)量

第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)8(2)、方框圖：如圖所示。(3)、特征：兩臺(tái)控制器串聯(lián)在一起，控制一個(gè)調(diào)節(jié)閥。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)9(5)、常見名詞術(shù)語:主、副變量，主、副控制器，主、副對(duì)象，主、副變送器，主、副回路等，4-5第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)103、二次干擾作用在主、副對(duì)象上的干擾分別為一、二次干擾。圖4-5為串級(jí)控制系統(tǒng)的通用方框圖。二、串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程仍以管式加熱爐出口溫度控制為例，分析克服干擾的過程。1、干擾來自燃料油流量初始階段，出口溫度不變，溫度控制器的輸出不變。出口溫度變化時(shí)，溫度控制器不斷改變著流量控制器的設(shè)定值。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)112、干擾來自原料油(1)、使主、副變量同向變化(2)、使主、副變量反向變化分析可知：副控制器具有“粗調(diào)”作用，主控制器具有“細(xì)調(diào)”作用；兩者配合，控制質(zhì)量必高于單回路控制系統(tǒng)。

出口溫度溫度控制器輸出流量控制器設(shè)定值。

3、一、二次干擾同時(shí)出現(xiàn)燃料油流量為適應(yīng)溫度控制的需要而不斷變化。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)12三、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

1、時(shí)間常數(shù)

串級(jí)控制系統(tǒng)能使等效副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)變小，放大系數(shù)增大，從而顯著提高控制質(zhì)量。將整個(gè)副回路看成一個(gè)副對(duì)象，則簡(jiǎn)化圖如圖所示。2、工作頻率由于等效副回路時(shí)間常數(shù)的縮短，系統(tǒng)的工作頻率提高了（可使振蕩周期縮短）。通過對(duì)串級(jí)和單回路控制系統(tǒng)特征方程的分析，可知:串>單。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)13第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)143、抗干擾能力設(shè)干擾從閥前進(jìn)入，進(jìn)一步等效,如圖示。分析可得:

K1*K2越大，抗干擾能力越強(qiáng)。進(jìn)一步分析可知單回路比串級(jí)抗干擾能力差。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)154、有一定的自適應(yīng)能力 單回路控制系統(tǒng)只有一個(gè)控制器，設(shè)定值一般不變，難以適應(yīng)負(fù)荷非線性的變化。 串級(jí)控制系統(tǒng)中，副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)定值隨主控制器的輸出而變化，適應(yīng)負(fù)荷變化的能力較強(qiáng)。 K02變化對(duì)等效K’02影響很小，亦可說明副回路能自動(dòng)地克服對(duì)象非線性特性的影響。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)16四、串級(jí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用當(dāng)被控對(duì)象純滯后時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，在離控制閥較近、純滯后時(shí)間較小的地方選擇一個(gè)副變量，把干擾拉入副回路。利用副回路的超前作用來克服對(duì)象的純滯后僅僅是對(duì)二次干擾而言的，一次干擾不直接影響副變量。例如下圖所示：堅(jiān)持一個(gè)設(shè)計(jì)原則：凡是用單回路控制系統(tǒng)能滿足控制要求的，就不再用串級(jí)控制系統(tǒng)。1、用于克服對(duì)象的純滯后第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)17副變量：過熱蒸汽溫度，位于滯后較小的B點(diǎn)。被控參數(shù)：A點(diǎn)溫度控制參數(shù)：減溫水流量主要干擾：減溫水壓力波動(dòng)。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)182、用于克服對(duì)象的容量滯后 容量滯后會(huì)使被控對(duì)象反應(yīng)遲鈍，超調(diào)大，過渡過程長(zhǎng)。 以溫度或質(zhì)量作為被控量的控制對(duì)象，其容量滯后往往比較大，致使控制質(zhì)量變差。 對(duì)象容量滯后大、干擾復(fù)雜的情況下，串級(jí)控制系統(tǒng)的使用最為普遍，效果較好。 此時(shí)應(yīng)選擇一個(gè)滯后較小的輔助變量組成副回路。 副環(huán)的時(shí)間常數(shù)不能過大，以防共振；也不能過小，力求多包含一些干擾。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)19

燃料油熱值變化后，爐膛反應(yīng)滯后3分鐘，而出口溫度則需15分鐘。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)203、用于克服變化劇烈和幅值大的干擾

串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)二次干擾具有很強(qiáng)的克服能力。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把變化劇烈、幅值大的干擾包含在副回路中。

副回路放大系數(shù)應(yīng)大些，會(huì)使抗干擾能力大大提高。

例如下圖4-13，脫氣塔的壓力對(duì)主控指標(biāo)(液位)影響很大，甚至造成溢出或打干的事故，是主干擾，串級(jí)控制后效果很好。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)214、用于克服對(duì)象的非線性負(fù)荷變化會(huì)引起工作點(diǎn)的移動(dòng)。當(dāng)負(fù)荷變化大且頻繁時(shí)，只有高級(jí)控制系統(tǒng)才有重整參數(shù)以適應(yīng)控制要求的能力。

一般控制系統(tǒng)中，有效辦法是采用串級(jí)控制。

例在圖4-14中，其中部溫度要嚴(yán)控，則將具有非線性特性的換熱器包含在副回路。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)22五、串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

主變量(操縱量)的選擇原則主要有：(1)、條件允許時(shí)選質(zhì)量指標(biāo)作為主變量。

正確合理地設(shè)計(jì)，才能使串級(jí)控制系統(tǒng)發(fā)揮其特點(diǎn)。設(shè)計(jì)包括主、副回路選擇，主、副控制器控制規(guī)律選型和正、反作用的確定。（一）、主、副回路的選擇

1、主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，可按單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)232、副回路應(yīng)包括盡可能多的擾動(dòng)。（1）前已述及，應(yīng)將變化最劇烈、幅度最大、最頻繁的擾動(dòng)包括在副回路中。（2）研究系統(tǒng)的干擾來源是十分重要的。如前述的管式加熱爐，主擾動(dòng)為然油壓力還是然油熱值，則副回路的選擇大不相同。

（3）并非包括的干擾越大越好。干擾包括得越大，副變量的位置會(huì)越靠近主變量，靈敏度會(huì)降低。(2)、其次考慮選擇與質(zhì)量有單值關(guān)系的參數(shù)作為主變量。(3)、所選主變量應(yīng)有足夠的靈敏度，且工藝合理、易實(shí)現(xiàn)。

第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)24前已分析得到串與單的關(guān)系。繪出分析曲線，如右圖所示。3、主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)要匹配。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)25分析可知(1)、當(dāng)T01/T02>10時(shí)，則T02很小，副回路包括的干擾很少，作用未發(fā)揮。(2)、當(dāng)T01/T02<3時(shí)，說明T02過大，副回路的控制作用不及時(shí)。(3)、當(dāng)T01/T021時(shí)，主、副回路易出現(xiàn)“共振效應(yīng)”。

一般認(rèn)為：T01/T02=310較合適。究竟T02取多大為好，應(yīng)按具體情況確定。若欲快速克服主干擾，則小一點(diǎn)為好；若欲克服對(duì)象的大滯后，可取大點(diǎn)；若欲克服對(duì)象的非線性，則T01/T02宜取大一些。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)264、選副回路應(yīng)考慮工藝上的合理性只有滿足工藝要求，才具有實(shí)用性。先考慮工藝要求，再考慮其他要求。

5、副回路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性原則技術(shù)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)應(yīng)綜合考慮。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)27（1）、對(duì)主變量控制質(zhì)量要求高主變量宜采用PI規(guī)律；欲克服容量滯后，應(yīng)引進(jìn)微分作用，采用PID規(guī)律。副變量一般采用P規(guī)律就可以了。

（2）、對(duì)副變量控制要求也較高主、副變量均采用PI控制規(guī)律。

（3）、對(duì)主變量控制要求不高，甚至允許小波動(dòng)主變量采用P規(guī)律，副回路對(duì)主回路的跟隨要求快而準(zhǔn)時(shí)采用PI控制規(guī)律。

（4）、對(duì)主、副變量控制要求均不高可均采用P規(guī)律；必要時(shí)對(duì)主變量控制引進(jìn)微分作用。（二）、主、副控制器的選擇

1、控制規(guī)律的選擇第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)282、正、反作用方式的選擇第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)（1）、副控制器按單回路方式選擇。（2）、主控制器按下式確定:

(主控制器+/-)(副對(duì)象+/-)(主對(duì)象+/-)=(-)

（3）、主、副控制器正、反作用方式的確定是否正確，可進(jìn)行驗(yàn)證。

29五、串級(jí)控制系統(tǒng)控制器參數(shù)的整定

所謂投運(yùn)，就是通過適當(dāng)?shù)牟襟E，使主、副控制器從手動(dòng)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)到自動(dòng)工作狀態(tài)。兩種投運(yùn)方法：①、先投副環(huán)后投主環(huán)(常用)；②、先投主環(huán)后投副環(huán)(很少用)。1、串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)302、串級(jí)控制系統(tǒng)控制器參數(shù)的整定串級(jí)控制系統(tǒng)的方案正確設(shè)計(jì)后，為了使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)，按照自控理論，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，這在過程控制中稱為參數(shù)整定。在工程實(shí)踐中，串級(jí)控制系統(tǒng)中常用的整定方法有：逐步逼近法、兩步整定法、一步整定法等。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)31(1)、逐步逼近法

逐步逼近法是先副后主，逐步逼近。該方法較繁瑣。具體步驟為：先斷開主回路，整定副控制器。后閉合主回路，整定主控制器。重新調(diào)整副控制器參數(shù)。若未達(dá)到控制要求，再調(diào)整主控制器參數(shù)。以上步驟循環(huán)進(jìn)行，直到滿足(逼近)控制指標(biāo)為止。對(duì)于不同的控制系統(tǒng)和不同的品質(zhì)指標(biāo)要求，逐步逼近法逼近的循環(huán)次數(shù)是不同的，所以往往費(fèi)時(shí)較多。

第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)32(2)、兩步整定法(應(yīng)用最廣泛)第一步，整定副控制器；第二步，整定主控制器。具體步驟。應(yīng)用舉例在硝酸生產(chǎn)過程中，有一個(gè)氧化爐溫度與氨氣流量的串級(jí)控制系統(tǒng)。溫度為主參數(shù)，工藝要求較高，溫度最大偏差不能超過5℃，氨氣流量為副參數(shù)，允許在一定范圍內(nèi)變化，要求不高。系統(tǒng)控制器參數(shù)采用兩步整定法，過程如下。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)33①、在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主控制器選用PI控制規(guī)律，副控制器選用P控制規(guī)律。在系統(tǒng)穩(wěn)定允許條件下，主、副控制器均置于純比例作用，主控制器的比例度置于100%，用4：1衰減曲線法(見右圖)整定副控制器的參數(shù)，得

第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)34②將副控制器的比例度置于32%上，用相同的方法整定，將主控制器的比例度由大到小逐漸調(diào)節(jié)，取得主控制器的1S=50%,T1S=7min。

2S=32%,T2S=15s。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)35③根據(jù)上述求得的各參數(shù)，運(yùn)用4：1衰減曲線法整定計(jì)算公式(見上表4-1)，計(jì)算主、副控制器的整定參數(shù)為：主控制器(溫度控制器)：比例度1=1.21S=60%，積分時(shí)間T1=0.5T1S=3.5min副控制器(流量控制器)：比例度2=2S=32%④把上述計(jì)算的參數(shù)，按先P后I的次序，分別設(shè)置在主、副控制器上，并使串級(jí)控制系統(tǒng)在該參數(shù)下運(yùn)行。實(shí)際運(yùn)行，氧化爐溫度穩(wěn)定，完全滿足生產(chǎn)工藝的要求。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)36思考題：1、與單回路系統(tǒng)相比，串級(jí)控制系統(tǒng)有哪些主要特點(diǎn)？2、為什么說串級(jí)控制系統(tǒng)具有改善過程動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn)？T’02和K’02減小與提高控制質(zhì)量有何關(guān)系？3、為什么提高系統(tǒng)工作頻率也算是串級(jí)控制系統(tǒng)的一大特點(diǎn)？第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)37第二節(jié)前饋控制系統(tǒng)一、基本原理

1、問題的提出其他反饋控制的缺點(diǎn)：無法將干擾克服在被控制量偏離設(shè)計(jì)值之前。被控對(duì)象總是存在一定的純滯后和容量滯后，故限制了控制作用的充分發(fā)揮。

2、技術(shù)思路

直接按擾動(dòng)而不是按偏差進(jìn)行控制。干擾發(fā)生后，被控量還未顯現(xiàn)出變化之前，控制器就產(chǎn)生了控制作用。這種前饋控制系統(tǒng)對(duì)干擾的克服要比反饋控制系統(tǒng)及時(shí)得多。383、工作原理用下圖針對(duì)反饋控制做比較說明。第二節(jié)前饋控制系統(tǒng)39補(bǔ)償過程如下圖所示。其中Ma為擾動(dòng)量，T2為出口溫度，WO(s)為控制通道的傳遞函數(shù),Wf(s)為前饋通道的傳遞函數(shù),Wd(s)為干擾通道的傳遞函數(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的完全補(bǔ)償，使被控量成為對(duì)擾動(dòng)絕對(duì)不靈敏的系統(tǒng)。（不變性原理）

第二節(jié)前饋控制系統(tǒng)404、前饋與反饋的比較(1)、檢測(cè)：前饋控制測(cè)干擾；反饋控制測(cè)被控量。(2)、效果：克服干擾，前饋控制及時(shí)，理論上可實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償；反饋控制不及時(shí)。(3)、經(jīng)濟(jì)性：克服干擾，前饋控制只能一對(duì)一，不如反饋控制經(jīng)濟(jì)。(4)、穩(wěn)定性：前饋為開環(huán)，不存在此問題；反饋則不同，穩(wěn)定性與控制精度是矛盾的。第二節(jié)前饋控制系統(tǒng)41二、前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

控制器的輸出僅僅是輸入F的函數(shù)，與時(shí)間t無關(guān)。在圖4-12中，令前饋控制器傳函滿足下式即可：1、靜態(tài)前饋控制靜態(tài)前饋的含義

第二節(jié)前饋控制系統(tǒng)422、動(dòng)態(tài)前饋控制

靜態(tài)前饋控制只能有效抑制靜態(tài)偏差；動(dòng)態(tài)前饋控制不但能有效抑制靜態(tài)偏差；而且能有效抑制動(dòng)態(tài)偏差。

（1）、問題及辦法（2）、原理：如右圖，其中Wm(S)非純比例環(huán)節(jié)。第二節(jié)前饋控制系統(tǒng)43動(dòng)態(tài)前饋控制能顯著提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，但結(jié)構(gòu)和參數(shù)整定均比較復(fù)雜。只適用于控制精度要求很高、反饋與靜態(tài)前饋難于滿足時(shí)。3、復(fù)合控制系統(tǒng)亦稱為前饋--反饋控制系統(tǒng)。（1）、方法的提出前饋控制是有局限性的：①對(duì)補(bǔ)償結(jié)果無法檢測(cè)；②難以對(duì)每個(gè)干擾均設(shè)計(jì)一套前饋控制裝置；③一個(gè)固定的前饋模型難以獲得良好的控制質(zhì)量。（3）、特點(diǎn)及適用性

第二節(jié)前饋控制系統(tǒng)44

復(fù)合控制的好處：既發(fā)揮了前饋校正及時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，又保持了反饋控制能抑制多個(gè)干擾并對(duì)被控量始終給予檢驗(yàn)的長(zhǎng)處。

（2）、組成原理及結(jié)構(gòu)圖:第二節(jié)前饋控制系統(tǒng)45當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)……對(duì)于前饋控制未能完全消除的偏差，以及未能引入前饋控制的其他干擾(如物料進(jìn)口溫度、蒸汽壓力等)……

第二節(jié)前饋控制系統(tǒng)463、特點(diǎn)①實(shí)現(xiàn)前饋控制作用的完全補(bǔ)償?shù)臈l件不變。（令Y(s)/F(s)=0即可。）②不會(huì)因引入前饋控制而影響反饋控制的穩(wěn)定性。4、前饋--反饋控制的優(yōu)點(diǎn)①只需對(duì)主要的干擾采用前饋補(bǔ)償，大大簡(jiǎn)化了原來的純前饋控制系統(tǒng)。②降低了對(duì)前饋控制精度的要求，為工程上實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的前饋補(bǔ)償創(chuàng)造了條件。③比純反饋控制具有控制精度高、溫度速度快的特點(diǎn)。因而是前饋控制中廣泛應(yīng)用的控制系統(tǒng)。第二節(jié)前饋控制系統(tǒng)47為了保證前饋控制的精度，常希望控制閥靈敏、線性等；采用串級(jí)控制系統(tǒng)可滿足以上要求。

4、前饋--串級(jí)控制系統(tǒng)（1）、方法的提出（2）、原理與結(jié)構(gòu)圖

第二節(jié)前饋控制系統(tǒng)48第二節(jié)前饋控制系統(tǒng)49（3）、應(yīng)用舉例：

第二節(jié)前饋控制系統(tǒng)50第二節(jié)前饋控制系統(tǒng)51三、前饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1、前饋控制系統(tǒng)的選用原則2、前饋控制器的模型第二節(jié)前饋控制系統(tǒng)四、前饋控制系統(tǒng)的工程整定52思考題1、前饋控制有哪幾種主要型式？2、前饋控制與反饋控制各有什么特點(diǎn)？3、為什么一般不單獨(dú)使用前饋控制方案？第二節(jié)前饋控制系統(tǒng)531、預(yù)估補(bǔ)償：原理上能消除純滯后對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)影響，但需被控過程的精確模型，工程上往往難以實(shí)現(xiàn)。一、克服純滯后的幾種常見方案2、采樣控制：成本較低，但干擾加入的時(shí)刻對(duì)控制效果影響較大。3、改進(jìn)型常規(guī)控制：具有通用性廣等特點(diǎn)，目前較常用。4、其他：大林算法、卡爾曼預(yù)估算法、灰色預(yù)測(cè)控制等。第三節(jié)大時(shí)延控制系統(tǒng)54是一種比較簡(jiǎn)單、工程上易實(shí)現(xiàn)、又能滿足一定控制質(zhì)量要求的控制方案。對(duì)降低超調(diào)量更有顯著的效果。二、改進(jìn)型常規(guī)控制方案A、微分先行控制方案1、特點(diǎn)2、組成結(jié)構(gòu)一般常規(guī)PID控制方案：見下張圖6-1。微分先行控制方案：見下張圖6-2。第三節(jié)大時(shí)延控制系統(tǒng)55第三節(jié)大時(shí)延控制系統(tǒng)563、傳遞函數(shù)（隨動(dòng)特性與抗擾動(dòng)性能）一般常規(guī)

PI＋D：式(1)、式(2)。微分先行：式(3)、式(4)。第三節(jié)大時(shí)延控制系統(tǒng)57注意：微分先行較常規(guī)PI＋D少了一個(gè)零點(diǎn)Z=1/TD,

故超調(diào)量要小一些。

4、過渡過程比較：第三節(jié)大時(shí)延控制系統(tǒng)58B、中間反饋控制方案

使控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)極點(diǎn)位置發(fā)生變化，從而使超調(diào)量大大下降，控制質(zhì)量得到改善。微分作用是獨(dú)立的，能及時(shí)起校正作用。1、特點(diǎn)2、原理方案第三節(jié)大時(shí)延控制系統(tǒng)593、控制效果：與一般常規(guī)控制對(duì)比：（1）、在給定值變化時(shí)，無論是微分先行方案，或中間反饋控制方案其控制過程的品質(zhì)均優(yōu)于常規(guī)PID，尤其在減小超調(diào)量方面效果更佳。（2）、在擾動(dòng)作用下，其控制品質(zhì)與常規(guī)PID相差不大。第三節(jié)大時(shí)延控制系統(tǒng)60三、預(yù)估控制方案在PID控制回路上再并聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償回路，以抵消對(duì)象的純滯后因素。1、特點(diǎn)2、原理結(jié)構(gòu)單回路控制系統(tǒng)：第三節(jié)大時(shí)延控制系統(tǒng)61史密斯補(bǔ)償原理：如下圖所示。第三節(jié)大時(shí)延控制系統(tǒng)62第三節(jié)大時(shí)延控制系統(tǒng)63第三節(jié)大時(shí)延控制系統(tǒng)643、控制效果：如下圖所示?？刂破鹘邮艿臏y(cè)量信號(hào)比實(shí)際檢測(cè)到的被控量提前了時(shí)間，是一個(gè)對(duì)被控量的預(yù)估器。Smith預(yù)估補(bǔ)償環(huán)節(jié)的等效圖第三節(jié)大時(shí)延控制系統(tǒng)654、工業(yè)應(yīng)用舉例：加熱爐溫度預(yù)估補(bǔ)償控制第三節(jié)大時(shí)延控制系統(tǒng)66第三節(jié)大時(shí)延控制系統(tǒng)67思考題1、生產(chǎn)過程中的時(shí)間滯后是怎么引起的？2、試舉一生產(chǎn)過程實(shí)例，簡(jiǎn)述當(dāng)其擾動(dòng)通道及控制通道存在純滯后因素時(shí)，它們帶給被控參數(shù)的不利影響如何？3、微分先行控制方案與常規(guī)PID控制方案有何異同？第三節(jié)大時(shí)延控制系統(tǒng)68第四節(jié)比值控制系統(tǒng)一、基本概念1、概述（1）、方法的產(chǎn)生

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，要求兩種或多種物料流量成一定比例關(guān)系；一旦比例失調(diào)，會(huì)影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，影響產(chǎn)品質(zhì)量，浪費(fèi)動(dòng)力，造成環(huán)境污染，甚至產(chǎn)生生產(chǎn)事故。如：

燃燒過程中，往往要求燃料量與空氣量需按一定比例混合后送入爐膛。

制藥生產(chǎn)中要求藥物和注入劑按比例混合。

造紙過程中為保證紙漿濃度，要求自動(dòng)控制紙漿量和水量比例。水泥配料系統(tǒng)……69（2）、比值控制的含義

凡是兩個(gè)或多個(gè)變量自動(dòng)維持一定比值關(guān)系的過程控制系統(tǒng)，統(tǒng)稱為比值控制系統(tǒng)。（3）、變量及關(guān)系

主動(dòng)量---起主導(dǎo)作用而又不可控的物料流量；從動(dòng)量---跟隨主動(dòng)量而變化的物料流量；比例系數(shù):K=Q2/

Q1第四節(jié)比值控制系統(tǒng)70（1）、系統(tǒng)組成:如下圖所示。

二、比值控制系統(tǒng)的類型A、開環(huán)比值控制第四節(jié)比值控制系統(tǒng)71B、單閉環(huán)比值控制

簡(jiǎn)單、成本低；

只有當(dāng)Q1變化時(shí)才起控制作用；

Q2變化時(shí)Q1不會(huì)響應(yīng)，比例關(guān)系被破壞。

（3）、適用場(chǎng)合副流量沒有干擾的情況。

2、系統(tǒng)組成：如下圖所示。1、特點(diǎn):能克服開環(huán)比值方案的不足。（2）、特點(diǎn)第四節(jié)比值控制系統(tǒng)72第四節(jié)比值控制系統(tǒng)733、工作過程穩(wěn)定狀態(tài)下……

主流量變化時(shí)……副變量由于干擾而變化時(shí)……

第四節(jié)比值控制系統(tǒng)744、應(yīng)用實(shí)例:7-3丁烯洗滌塔進(jìn)料量與洗滌水量的比值控制系統(tǒng)

如下圖所示。第四節(jié)比值控制系統(tǒng)75優(yōu)點(diǎn)：不但能實(shí)現(xiàn)流量的副量跟主量變化，而且能克服流量干擾等。缺點(diǎn)：主流量不受控。6、應(yīng)用場(chǎng)合在負(fù)荷變化不太大的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。5、優(yōu)缺點(diǎn)能克服單閉環(huán)主流量不受控的不足。1、特點(diǎn)2、系統(tǒng)組成：如下圖所示。C、雙閉環(huán)比值控制第四節(jié)比值控制系統(tǒng)767-4a)雙閉環(huán)比值控制給定(隨動(dòng)值)設(shè)定值(定值)第四節(jié)比值控制系統(tǒng)77第四節(jié)比值控制系統(tǒng)78常用在主流量干擾頻繁或工藝上不允許負(fù)荷有較大的波動(dòng)，或工藝上經(jīng)常需要升降負(fù)荷的場(chǎng)合。3、另一優(yōu)點(diǎn)：升降負(fù)荷比較方便。4、適用場(chǎng)合5、應(yīng)用實(shí)例：如圖。第四節(jié)比值控制系統(tǒng)79設(shè)定值第四節(jié)比值控制系統(tǒng)80在有些生產(chǎn)過程中，要求兩種物料流量的比值隨第三個(gè)變量的變化而變化。為了滿足上述生產(chǎn)工藝要求，開發(fā)并應(yīng)用變比值控制。D、變比值控制1、方法的產(chǎn)生2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：如下圖所示。第四節(jié)比值控制系統(tǒng)813、變比值控制的含義比值只是一種手段，不是最終目的，而第三變量Y(s)往往是產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)。

變比值控制系統(tǒng)是一個(gè)以第三個(gè)變量為主變量(質(zhì)量指標(biāo))、以兩個(gè)流量比為副變量的串級(jí)控制系統(tǒng)。4、工作過程系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)……當(dāng)Q1、Q2出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)……當(dāng)出現(xiàn)其他擾動(dòng)(如溫度、壓力、成分等變化)時(shí)……5、該法特點(diǎn)第四節(jié)比值控制系統(tǒng)827-7氧化爐溫度與氨氣/空氣串級(jí)比值控制系統(tǒng)6、應(yīng)用實(shí)例：見以下兩圖。第四節(jié)比值控制系統(tǒng)83第四節(jié)比值控制系統(tǒng)84第四節(jié)比值控制系統(tǒng)三、比值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1、主物料流量和副主任物料流量的確定2、控制方案的選擇3、調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的確定4、正確選擇流量計(jì)或變送器及其量程5、比值系數(shù)的計(jì)算四、比值控制系統(tǒng)的參數(shù)整定85一、均勻控制系統(tǒng)在連續(xù)生產(chǎn)過程中，一個(gè)裝置或設(shè)備往往與前后的裝置或設(shè)備緊密地聯(lián)想著，前一裝置或設(shè)備的出料量是后一裝置或設(shè)備的進(jìn)料量，而后一裝置或設(shè)備的出料量又輸送給其他的裝置或設(shè)備。例如石油裂解氣分離工藝，前后共串聯(lián)了八個(gè)塔。前后有物料聯(lián)系的精餾塔，前塔的液位與后塔的進(jìn)料量的穩(wěn)定要求會(huì)發(fā)生矛盾，如下圖所示。

（一）、均勻控制的用途及特點(diǎn)1、問題的提出第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)862、解決辦法兩塔之間增設(shè)緩沖器(不適宜)。采用均勻控制系統(tǒng)(上策)。3、均勻控制的含義

是指兩個(gè)工藝參數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)能緩慢地、均勻地變化，使前后設(shè)備在物料供求上相互兼顧、均勻協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)874、均勻控制的特點(diǎn)表征前后供求矛盾的兩個(gè)參數(shù)都是變化的，變化是緩慢的，是在允許范圍內(nèi)波動(dòng)的。參見下圖。前塔的液位變化不能超過規(guī)定的上、下限。后塔的進(jìn)料量也不能超過最大和最小處理量。

非均勻控制第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)88（二）、均勻控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案

1、方案示例：如下圖A、簡(jiǎn)單均勻控制去下一精餾塔第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)895、適用場(chǎng)合

2、與液位定值控制相比通常適用于擾動(dòng)較小、對(duì)流量的均勻程度要求較低的場(chǎng)合。比例作用是基本的；不能引入微分；積分是否引入視情況而定。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和所使用的儀表是完全一樣的，但控制目的不同。3、對(duì)控制參數(shù)應(yīng)做適當(dāng)選擇4、特點(diǎn)簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、成本低；但控制效果差。第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)90

B、串級(jí)均勻控制

1、組成結(jié)構(gòu)：

為了克服調(diào)節(jié)閥前后壓力波動(dòng)和被控過程的自衡特性對(duì)流量的影響，設(shè)計(jì)以流量為副變量的流量控制副回路，如下圖所示。第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)91第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)922、與典型串級(jí)的異同

不能加微分作用；液位宜采用PI規(guī)律；流量一般用P規(guī)律。

串級(jí)均勻控制系統(tǒng)能克服控制閥前后壓力較大的擾動(dòng)，使主、副變量變化均勻緩慢平穩(wěn)，控制質(zhì)量較高。結(jié)構(gòu)方案相同，目的不同；均勻串級(jí)控制的目的是使液位與流量均勻協(xié)調(diào)。3、控制過程

設(shè)干擾使1#塔液位上升…設(shè)2#塔因塔壓變化使其入料量發(fā)生變化…4、控制作用選擇(十分重要)5、特點(diǎn)第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)93C、雙沖量均勻控制

1、含義：所謂雙沖量均勻控制系統(tǒng)，就是將兩個(gè)變量的測(cè)量信號(hào)通過加法器后作為被控量的均勻控制系統(tǒng)。

圖中PO=PH-PQ+Pr+C

2、應(yīng)用示例：見下圖。第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)943、一般方塊圖：如下圖所示。第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)95注意:關(guān)于雙沖量均勻控制系統(tǒng)

流量控制器接受的是由加法器送來的兩個(gè)變量之差,并且要使兩變量之差保持在固定值上,所以控制器應(yīng)該選用PI控制規(guī)律.

雙沖量均勻控制系統(tǒng)可以看成是主控制器是液位控制器,且比例度為100%的純比例控制,副控制器為流量控制器的串級(jí)均勻控制系統(tǒng),因此它具有串級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),而且比串級(jí)控制系統(tǒng)還少用了一個(gè)控制器.

第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)96（三）、均勻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、控制規(guī)律選擇

2、調(diào)節(jié)器參數(shù)整定

經(jīng)驗(yàn)法

停留時(shí)間法第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)97多閥：一只控制器的輸出信號(hào)去帶動(dòng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的控制閥工作。分程：每一個(gè)控制閥僅在控制器輸出信號(hào)整個(gè)范圍的某段內(nèi)工作。

控制閥同向動(dòng)作：見圖。控制閥異向動(dòng)作：見圖。二、分程控制系統(tǒng)

如有A、B兩個(gè)控制閥；控制器輸出信號(hào)壓力為0.020.1MPa。當(dāng)控制信號(hào)<0.06MPa時(shí)，A閥動(dòng)作，B閥不動(dòng)；當(dāng)控制信號(hào)>0.06MPa時(shí)，A閥動(dòng)至極限，B閥才動(dòng),如下圖7-18a)。A、分程控制的概念1、特點(diǎn)2、實(shí)現(xiàn)3、分類第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)98第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)99第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)100B、分程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分程控制的實(shí)現(xiàn)1、控制信號(hào)的分段2、調(diào)節(jié)閥特性的選擇與注意的問題3、分程控制的實(shí)現(xiàn)第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)1011、用于節(jié)能控制C、分程控制方案的應(yīng)用2、擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)1024、滿足不同工況的控制要求3、保證生產(chǎn)過程的安全與穩(wěn)定第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)103（1）、問題的提出控制中往往會(huì)出現(xiàn)一些隨機(jī)的特殊要求，如在故障情況下能保證安全生產(chǎn)；發(fā)出報(bào)警后改由人工操作或聯(lián)鎖保護(hù)不是最佳辦法。（2）、對(duì)選擇性控制的要求故障時(shí)自動(dòng)起保護(hù)作用而又不停車--是一種取代控制系統(tǒng)。

三、選擇性控制系統(tǒng)1、基本概念2、選擇性控制系統(tǒng)的類型(1)、對(duì)被控參數(shù)的選擇性控制系統(tǒng)第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)104控制參數(shù)一個(gè)，被控參數(shù)卻有溫度和液位兩個(gè)。b)圖增設(shè)了液面超限控制系統(tǒng)。對(duì)比方案第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)105(2)、對(duì)控制參數(shù)的選擇性控制系統(tǒng)一般選擇性控制方案如圖所示。被控參數(shù)（量）只有一個(gè)，而控制參數(shù)（操縱量）卻有兩個(gè)。

第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)106第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)107多種燃料選擇性控制方案如圖7-17.第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)1083、應(yīng)用舉例第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)109選擇性控制，取代超馳控制控制系統(tǒng)要求：

正常時(shí)，克服干擾，維持生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行達(dá)到安全極限時(shí)，具有應(yīng)變能力，采取相應(yīng)的措施，使生產(chǎn)離開安全極限，返回正常情況第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)4、選擇性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)110硬保護(hù)措施：聲、光報(bào)警，連鎖保護(hù)→停車，損失大軟保護(hù)措施：設(shè)計(jì)選擇性系統(tǒng)，在不正常情況下，起到保護(hù)控制，直到生產(chǎn)正常兩類保護(hù)措施：在正常情況下，仍實(shí)施正?？刂啤詣?dòng)保護(hù)性控制第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)111

選擇性系統(tǒng)依據(jù)：工藝操作的選擇性邏輯關(guān)系實(shí)現(xiàn)設(shè)備：自動(dòng)選擇器（HS、LS）、切換開關(guān)第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)112開關(guān)型選擇性系統(tǒng)A變量：工藝操作指標(biāo)B變量：安全界限，操作在B內(nèi)是安全的，超出，生產(chǎn)就有危險(xiǎn)正常情況，B處于界限內(nèi)，對(duì)A進(jìn)行連續(xù)控制一旦B達(dá)到界限，為防止事故，切斷A控制器輸出，使控制閥迅速打開或關(guān)閉，直到B回到安全界限內(nèi)，然后恢復(fù)A的連續(xù)控制變量控制第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)113開關(guān)型選擇性系統(tǒng)控制方案A：裂解氣溫度控制，通過液丙烯換熱面積控制問題：當(dāng)換熱器列管全部被淹沒時(shí)，通過開大控制閥就已經(jīng)沒有作用了，并且導(dǎo)致沒有丙烯的蒸發(fā)空間了，汽帶液，壓縮機(jī)受損害第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)114

添加了：帶上限接點(diǎn)的液位控制器（上限設(shè)在75%左右）；氣動(dòng)控制管路上的電磁三通閥。

正常情況下（液位低于75%），接點(diǎn)斷開（常開），電磁閥通（電關(guān)閥），溫度控制。液位高于75%，接點(diǎn)閉合，切斷溫度控制器的輸出，控制閥氣動(dòng)管線與大氣通，閥關(guān)閉，切斷液丙烯進(jìn)料。第五節(jié)均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)115信號(hào)器當(dāng)液位達(dá)到75％時(shí)pz＝0．1MPapz＝0切換器當(dāng)pz＝0時(shí)，pY＝pxpz＝0．1MPa時(shí)，

pY＝0第五節(jié)