化工儀表自動化7

化工儀表及自動化第七章復(fù)雜控制系統(tǒng)

第一頁，共一百零一頁。內(nèi)容提要串級控制系統(tǒng)概述串級控制系統(tǒng)的工作過程串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)串級控制系統(tǒng)中副回路的確定主、副控制器控制規(guī)律及正、反作用的選擇控制器參數(shù)的工程整定均勻控制系統(tǒng)均勻控制的目的均勻控制方案比值控制系統(tǒng)概述比值控制系統(tǒng)的類型第二頁，共一百零一頁。前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)及其特點(diǎn)前饋控制系統(tǒng)的主要形式前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用場合選擇性控制系統(tǒng)基本概念選擇性控制系統(tǒng)的類型積分飽和及其防止分程控制系統(tǒng)概述分程控制的應(yīng)用場合分程控制的幾個問題多沖量控制系統(tǒng)內(nèi)容提要第三頁，共一百零一頁?；緝?nèi)容和要求掌握串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作過程、特點(diǎn)及應(yīng)用場合，副變量的確定及主、副控制器正、反作用的選擇，了解主、副控制器參數(shù)的工程整定方法。熟悉設(shè)置均勻控制系統(tǒng)的目的及控制方案。了解比值控制系統(tǒng)的各種類型，熟悉單閉環(huán)比值控制方案的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。熟悉前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及應(yīng)用場合。理解連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及控制方案，了解開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)，了解積分飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生及防止方法。理解分程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用場合。了解多沖量控制系統(tǒng)的意義，理解三沖量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

教學(xué)大綱第四頁，共一百零一頁。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)各種復(fù)雜控制系統(tǒng)（涉及串級、均勻、比值、前饋、選擇性、分程、多沖量）的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、控制方案及應(yīng)用場合。教學(xué)大綱第五頁，共一百零一頁。根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和所擔(dān)負(fù)的任務(wù)復(fù)雜控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)

均勻控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)

前饋控制系統(tǒng)

取代控制系統(tǒng)

三沖量控制系統(tǒng)

概述第六頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)一、概述

當(dāng)對象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時，可考慮采用串級控制系統(tǒng)。舉例說明串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其工作原理圖7-1管式加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)

可延長爐子壽命，防止?fàn)t管燒壞；可保證后面精餾分離的質(zhì)量。控制好溫度第七頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，特別是當(dāng)加熱爐的燃料壓力或燃料本身的熱值有較大波動時，該簡單控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量往往很差，原料油的出口溫度波動較大，難以滿足生產(chǎn)上的要求。

根據(jù)原油出口溫度的變化來控制燃料閥門的開度

原因

當(dāng)燃料壓力或燃料本身的熱值變化后，先影響爐膛的溫度，然后通過傳熱過程才能逐漸影響原料油的出口溫度，這個通道容量滯后很大，時間常數(shù)約15min左右，反應(yīng)緩慢，而溫度控制器TC是根據(jù)原料油的出口溫度與給定值的偏差工作的。所以當(dāng)干擾作用在對象上后，并不能較快地產(chǎn)生控制作用以克服干擾被控變量的影響。當(dāng)工藝上要求原料油的出口溫度非常嚴(yán)格時，為了解決容量滯后問題，還需對加熱爐的工藝作進(jìn)一步分析。第八頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)以原料油出口溫度為主要被控變量的爐出口溫度與爐膛溫度的串級控制系統(tǒng)

圖7-2管式加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)圖7-3管式加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)的方塊圖第九頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)

在上述控制系統(tǒng)中，有兩個控制器T1C和T2C，接收來自對象不同部位的測量信號θ1和θ2。T1C的輸出作為T2C的給定值，而后者的輸出去控制執(zhí)行器以改變操縱變量。從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)看，這兩個控制器是串接工作的。幾個串級控制系統(tǒng)中常用的名詞

主變量工藝控制指標(biāo)，在串級控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被控變量。第十頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)主對象為主變量表征其特性的生產(chǎn)設(shè)備。副對象為副變量表征其特性的工藝生產(chǎn)設(shè)備。主控制器按主變量的測量值與給定值而工作，其輸出作為副變量給定值的那個控制器。副變量串級控制系統(tǒng)中為了穩(wěn)定主變量或因某種需要而引入的輔助變量。第十一頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)主回路由主變量的測量變送裝置，主、副控制器，執(zhí)行器和主、副對象構(gòu)成的外回路。副回路由副變量的測量變送裝置，副控制器、執(zhí)行器和副對象所構(gòu)成的內(nèi)回路。其給定值來自主控制器的輸出，并按副變量的測量值與給定值的偏差而工作的那個控制器。副控制器第十二頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)圖7-4串級控制系統(tǒng)典型方塊圖第十三頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)二、串級控制系統(tǒng)的工作過程

以管式加熱爐為例，來說明串級控制系統(tǒng)是如何有效地克服滯后提高控制質(zhì)量的。假定執(zhí)行器采用氣開形式，斷氣時關(guān)閉控制閥，以防止?fàn)t管燒壞而釀成事故，溫度控制器T1C和T2C都采用反作用方向。第十四頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)1.干擾進(jìn)入副回路F2引起θ2變化，控制器T2C及時進(jìn)行控制，使其很快穩(wěn)定下來如果干擾量小，經(jīng)過副回路控制后，F(xiàn)2一般影響不到溫度θ1；如果干擾量大，其大部分影響為副回路所克服，波及到被控變量溫度θ1再由主回路進(jìn)一步控制，徹底消除干擾的影響，使被控變量回復(fù)到給定值。

由于副回路控制通道短，時間常數(shù)小，所以當(dāng)干擾進(jìn)入回路時，可以獲得比單回路控制系統(tǒng)超前的控制作用，有效地克服燃料油壓力或熱值變化對原料油出口溫度的影響，從而大大提高了控制質(zhì)量。小結(jié)第十五頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)2.干擾作用于主對象F1變化→θ1

↑→T1C輸出↓→T2C設(shè)定值↓→T2C輸出↓→恢復(fù)給定值

所以，在串級控制系統(tǒng)中，如果干擾作用于主對象，由于副回路的存在，可以及時改變副變量的數(shù)值，以達(dá)到穩(wěn)定主變量的目的。第十六頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)3.干擾同時作用于副回路和主對象在干擾作用下，主、副變量的變化方向相同。主、副變量的變化方向相反，一個增加，另一個減小。第十七頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)在串級控制系統(tǒng)中，由于引入一個閉合的副回路，不僅能迅速克服作用于副回路的干擾，而且對作用于主對象上的干擾也能加速克服過程。副回路具有先調(diào)、粗調(diào)、快調(diào)的特點(diǎn)；主回路具有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn)，并對于副回路沒有完全克服掉的干擾影響能徹底加以克服。因此，在串級控制系統(tǒng)中，由于主、副回路相互配合、相互補(bǔ)充，充分發(fā)揮了控制作用，大大提高了控制質(zhì)量。小結(jié)第十八頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)三、串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，串級控制系統(tǒng)有兩個閉合回路：主回路和副回路；有兩個控制器；主控制器和副控制器；有兩個測量變送器，分別測量主變量和副變量。在串級控制系統(tǒng)中，主回路是個定值控制系統(tǒng)，而副回路是個隨動控制系統(tǒng)。

（2）在串級控制系統(tǒng)中，有兩個變量：主變量和副變量。主變量是反映產(chǎn)品質(zhì)量或生產(chǎn)過程運(yùn)行情況的主要工藝變量。第十九頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)適用范圍：當(dāng)對象的滯后和時間常數(shù)很大，干擾作用強(qiáng)而頻繁，負(fù)荷變化大，簡單控制系統(tǒng)滿足不了控制質(zhì)量的要求時，采用串級控制系統(tǒng)是適宜的。（4）串級控制系統(tǒng)由于增加了副回路，因此具有一定的自適應(yīng)能力，可用于負(fù)荷和操作條件有較大變化的場合。（3）在系統(tǒng)特性上，串級控制系統(tǒng)由于副回路的引入，改善了對象的特性，使控制過程加快，具有超前控制作用，從而有效地克服滯后，提高了控制質(zhì)量。第二十頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)四、串級控制系統(tǒng)中副回路的確定根據(jù)生產(chǎn)工藝的具體情況，選擇一個合適的副變量，從而構(gòu)成一個以副變量為被控變量的副回路。

副回路的確定確定的原則1.主、副變量間應(yīng)有一定的內(nèi)在聯(lián)系選擇與主變量有一定關(guān)系的某一中間變量作為副變量；選擇的副變量就是操縱變量本身，這樣能及時克服它的波動，減少對主變量的影響。選擇副變量的兩類情況第二十一頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)舉例圖7-5精餾塔塔釜溫度串級控制系統(tǒng)1—精餾塔；2—再沸器

通過這套串級控制系統(tǒng)，能夠在塔釜溫度穩(wěn)定不變時，蒸汽流量能保持恒定值，而當(dāng)溫度在外來干擾作用下偏離給定值時，又要求蒸汽流量能作相應(yīng)的變化，以使能量的需要與供給之間得到平衡，從而保持釜溫在要求的數(shù)值上。例中，選擇的副變量就是操縱變量（加熱蒸汽量）本身。這樣，當(dāng)干擾來自蒸汽壓力或流量的波動時，副回路能及時加以克服，以大大減少這種干擾對主變量的影響，使塔釜溫度的控制質(zhì)量得以提高。第二十二頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)2.要使系統(tǒng)的主要干擾被包圍在副回路內(nèi)圖7-6加熱爐出口溫度與燃料油壓力串級控制系統(tǒng)

在本系統(tǒng)中，由于選擇了燃料油壓力作為副變量，副對象的控制通道很短，時間常數(shù)很小，因此控制作用非常及時，比起圖8-2所示的控制方案，能更及時有效地克服由于燃料油壓力波動對原料油出口溫度的影響，從而大大提高了控制質(zhì)量。確定的原則第二十三頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)注意

如果管式加熱爐的主要干擾來自燃料油組分（或熱值）波動時，就不宜采用圖7-6所示的控制方案，因?yàn)檫@時主要干擾并沒有被包圍在副環(huán)內(nèi)，所以不能充分發(fā)揮副環(huán)抗干擾能力強(qiáng)的這一優(yōu)點(diǎn)。第二十四頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)3.在可能的情況下，應(yīng)使副環(huán)包圍更多的次要干擾

如果在生產(chǎn)過程中，除了主要干擾外，還有較多的次要干擾，或者系統(tǒng)的干擾較多且難于分出主要干擾與次要干擾，在這種情況下，選擇副變量應(yīng)考慮使副環(huán)盡量多包圍一些干擾，這樣可以充分發(fā)揮副環(huán)的快速抗干擾能力，以提高串級控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。注意在考慮到使副環(huán)包圍更多干擾時，也應(yīng)同時考慮到副環(huán)的靈敏度。確定的原則第二十五頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)

隨著副回路包圍干擾的增多，副環(huán)將隨之?dāng)U大，副變量離主變量也就越近。這樣一來，副對象的控制通道就變長，滯后也就增大，從而會削弱副回路的快速、有力控制的特性。

在選擇副變量時，既要考慮到使副環(huán)包圍較多的干擾，又要考慮到使副變量不要離主變量太近。結(jié)論第二十六頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)4.副變量的選擇應(yīng)考慮到主、副對象時間常數(shù)的匹配，以防“共振”的發(fā)生

為了保證副回路具有快速的抗干擾性能；由于串級系統(tǒng)中主、副回路之間是密切相關(guān)的，副變量的變化會影響到主變量，而主變量的變化通過反饋回路又會影響到副變量。在串級控制系統(tǒng)中，主、副對象的時間常數(shù)不能太接近。確定的原則第二十七頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)小結(jié)

在選擇副變量時，應(yīng)注意使主、副對象的時間常數(shù)之比為3～10，以減少主、副回路的動態(tài)聯(lián)系，避免“共振”。當(dāng)然，也不能盲目追求減小副對象的時間常數(shù)，否則可能使副回路包圍的干擾太少，使系統(tǒng)抗干擾能力反而減弱了。第二十八頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)5.當(dāng)對象具有較大的純滯后而影響控制質(zhì)量時，在選擇副變量時應(yīng)使副環(huán)盡量少包含純滯后或不包含純滯后

對于含有大純滯后的對象，可采用串級控制系統(tǒng)，并通過合理選擇副變量將純滯后部分放到主對象中去，以提高副回路的快速抗干擾功能，及時克服干擾的影響，將其抑制在最小限度內(nèi)，從而可以使主變量的控制質(zhì)量得到提高。確定的原則第二十九頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)舉例某化纖廠膠液壓力的控制問題圖7-7壓力與壓力串級控制系統(tǒng)1—計量泵；2—板式熱交換器；3—過濾器

在計量泵和冷卻器之間，靠近計量泵的適當(dāng)位置，選擇壓力測量點(diǎn)，并作為副變量組成一個壓力與壓力的串級控制系統(tǒng)，以提高控制質(zhì)量。

圖中主控制器P1C的輸出作為副控制器P2C的給定值，由副控制器的輸出來改變計量泵的轉(zhuǎn)速，從而控制紡絲膠液的壓力。該法有很大局限性：只有當(dāng)純滯后環(huán)節(jié)被劃入主對象中時，才有效。第三十頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)五、主、副控制器控制規(guī)律及正、反作用的選擇1.控制規(guī)律的選擇控制規(guī)律是根據(jù)控制的要求來進(jìn)行選擇的。目的為了高精度地穩(wěn)定主變量。主控制器通常都選用比例積分控制規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)主變量的無差控制。如果時間滯后比較大，可選擇比例積分微分控制。副變量的給定值是隨主控制器的輸出變化而變化的。副控制器一般采用比例控制規(guī)律。積分作用會使跟蹤變緩；微分作用會使系統(tǒng)波動太大！第三十一頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)2.控制器正、反作用的選擇（1）串級控制系統(tǒng)中的副控制器作用方向的選擇，根據(jù)工藝安全等要求，選定執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)形式后，按照使副控制回路成為一個負(fù)反饋系統(tǒng)的原則來確定。例如圖8-2所示的管式加熱爐溫度-溫度串級控制系統(tǒng)中的副回路。

氣源中斷，停止供給燃料油時，執(zhí)行器選氣開閥，“正”方向。燃料量加大時，爐膛溫度θ2（副變量）增加，副對象“正”方向。為使副回路構(gòu)成一個負(fù)反饋系統(tǒng)，副控制器T2C選擇“反”方向。第三十二頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)如圖7-5所示的精餾塔塔釜溫度與蒸汽流量的串級控制系統(tǒng)。

基于工藝上的考慮，選擇執(zhí)行器為氣關(guān)閥。為使副回路是一個負(fù)反饋控制系統(tǒng)，副控制器FC的作用方向應(yīng)選擇為“正”作用。（2）串級控制系統(tǒng)中主控制器作用方向的選擇：

當(dāng)主、副變量增加（減小）時，如果由工藝分析得出，為使主、副變量減?。ㄔ黾樱?，要求控制閥的動作方向是一致的時候，主控制器應(yīng)選“反”作用；反之，則應(yīng)選“正”作用。第三十三頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)例如圖7-2所示的管式加熱爐串級控制系統(tǒng)。

主變量θ1或副變量θ2增加時，都要求關(guān)小控制閥，減少供給的燃料量，才能使θ1或θ2降下來，所以此時主控制器T1C應(yīng)確定為反作用方向。如圖7-5所示的精餾塔塔釜溫度與蒸汽流量的串級控制系統(tǒng)。

蒸汽流量（副變量）或塔釜溫度（主變量）增加時，都需要關(guān)小控制閥，它們對控制閥的動作方向要求是一致的，所以主控制器TC也應(yīng)為反作用方向。第三十四頁，共一百零一頁。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)圖7-8冷卻器溫度串級控制系統(tǒng)

冷卻器溫度串級控制系統(tǒng)是以被冷卻物料出口溫度為主變量，冷劑流量為副變量的串級控制系統(tǒng)。分析冷卻器的特性可以知道，當(dāng)主變量即被冷卻物料出口溫度增加時，需要開大控制閥，而當(dāng)副變量即冷劑流量增加時，需要關(guān)小控制閥，它們對控制閥動作方向的要求是不一致的，因此主控制器TC的作用方向應(yīng)選用正作用。第三十五頁，共一百零一頁。（3）當(dāng)由于工藝過程的需要，控制閥由氣開改為氣關(guān)，或由氣關(guān)改為氣開時，只要改變副控制器的正反作用而不需改變主控制器的正反作用。在有些生產(chǎn)過程中，要求控制系統(tǒng)既可以進(jìn)行串級控制，又可以實(shí)現(xiàn)主控制器單獨(dú)工作。即若系統(tǒng)由串級切換為主控時，是用主控制器的輸出代替原先副控制器的輸出去控制執(zhí)行器，而若系統(tǒng)由主控切換為串級時，是用副控制器的輸出代替主控制器的輸出去控制執(zhí)行器。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)第三十六頁，共一百零一頁。系統(tǒng)串級與主控切換的條件：

當(dāng)主變量變化時，串級時副控制器的輸出與主控時主控制器的輸出信號方向完全一致。無論哪一種切換，都必須保證當(dāng)主變量變化時，去控制閥的信號完全一致。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)第三十七頁，共一百零一頁。六、控制器參數(shù)的工程整定串級控制系統(tǒng)主、副控制器的參數(shù)整定的兩種方法。1.兩步整定法按照串級控制系統(tǒng)主、副回路的情況，先整定副控制器，后整定主控制器的方法。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)第三十八頁，共一百零一頁。（1）在工況穩(wěn)定，主、副控制器都在純比例作用運(yùn)行的條件下，將主控制器的比例度先固定在100％的刻度上，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）過渡過程下的副控制器比例度和操作周期，分別用δ2s和T2s表示。（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，直至得到同樣衰減比下的過渡過程，記下此時主控制器的比例度δ1s和操作周期T1s。整定過程第一節(jié)串級控制系統(tǒng)第三十九頁，共一百零一頁。（3）根據(jù)上面得到的δ1s、T1s、δ2s、T2s，按表7-2（或表7-3）的規(guī)定關(guān)系計算主、副控制器的比例度、積分時間和微分時間。（4）按“先副后主”、“先比例次積分后微分”的整定規(guī)律，將計算出的控制器參數(shù)加到控制器上。（5）觀察控制過程，適當(dāng)調(diào)整，直到獲得滿意的過渡過程。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)第四十頁，共一百零一頁。表6-24∶1衰減曲線法控制器參數(shù)計算表表6-310∶1衰減曲線法控制器參數(shù)計算表第一節(jié)串級控制系統(tǒng)第四十一頁，共一百零一頁。共振問題如果主、副對象時間常數(shù)相差不大，動態(tài)聯(lián)系密切，可能會出現(xiàn)“共振”現(xiàn)象。可適當(dāng)減小副控制器比例度或積分時間，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”。如果主、副對象特性太接近，就不能完全靠控制器參數(shù)的改變來避免“共振”了。時間常數(shù)之比一般：310.第一節(jié)串級控制系統(tǒng)第四十二頁，共一百零一頁。2.一步整定法

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將副控制器一次放好，不再變動，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)。副回路經(jīng)驗(yàn)湊試法；主回路衰減曲線法實(shí)踐證明

這種整定方法，對于對主變量要求較高，而對副變量沒有什么要求或要求不嚴(yán)，允許它在一定范圍內(nèi)變化的串級控制系統(tǒng)，是很有效的。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)第四十三頁，共一百零一頁。表7-1采用一步整定法時副控制器參數(shù)選擇范圍第一節(jié)串級控制系統(tǒng)第四十四頁，共一百零一頁。一步整定法的整定步驟：

（1）在生產(chǎn)正常，系統(tǒng)為純比例運(yùn)行的條件下，按照表7-1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）利用簡單控制系統(tǒng)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。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)第四十五頁，共一百零一頁。第二節(jié)均勻控制系統(tǒng)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)。第四十六頁，共一百零一頁。均勻控制的要求（1）兩個變量在控制過程中都應(yīng)該是緩慢變化的。（2）前后互相聯(lián)系又互相矛盾的兩個變量應(yīng)保持在所允許的范圍內(nèi)波動。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—流量變化曲線第二節(jié)均勻控制系統(tǒng)第四十七頁，共一百零一頁。二、均勻控制方案1.簡單均勻控制圖7-11簡單均勻控制目的

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)整定來實(shí)現(xiàn)。（P181）第二節(jié)均勻控制系統(tǒng)第四十八頁，共一百零一頁。2.串級均勻控制圖7-12串級均勻控制

可在簡單均勻控制方案基礎(chǔ)上增加一個流量副回路，即構(gòu)成串級均勻控制。參數(shù)整定的方法由小到大地進(jìn)行調(diào)整。

串級均勻控制系統(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，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。第二節(jié)均勻控制系統(tǒng)第四十九頁，共一百零一頁。特點(diǎn)由于增加了副回路，可以及時克服由于塔內(nèi)或排出端壓力改變所引起的流量變化。

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

在串級均勻控制系統(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。第二節(jié)均勻控制系統(tǒng)第五十頁，共一百零一頁。一、概況

實(shí)現(xiàn)兩個或兩個以上參數(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)。幾個概念主物料、主動量（Q1

、主流量）從物料、從動量（Q2、副流量）副流量Q2與主流量Q1的比值關(guān)系為（8-1）第二節(jié)比值控制系統(tǒng)第五十一頁，共一百零一頁。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)簡單，只需一臺純比例控制器，其比例度可以根據(jù)比值要求來設(shè)定。主、副流量均開環(huán)；這種比值控制方案對副流量Q2本身無抗干擾能力。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合。

第二節(jié)比值控制系統(tǒng)第五十二頁，共一百零一頁。第三節(jié)比值控制系統(tǒng)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)方塊圖第五十三頁，共一百零一頁。

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比值的影響。結(jié)構(gòu)簡單，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，總的物料量就會跟著變化。第三節(jié)比值控制系統(tǒng)第五十四頁，共一百零一頁。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)方塊圖第三節(jié)比值控制系統(tǒng)第五十五頁，共一百零一頁。

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，同時副流量也就自動跟蹤提降，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)荷有較大波動或工藝上經(jīng)常需要提降負(fù)荷的場合。第三節(jié)比值控制系統(tǒng)第五十六頁，共一百零一頁。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，這樣就出現(xiàn)一種變比值控制系統(tǒng)。圖7-20變比值控制系統(tǒng)方塊圖第三節(jié)比值控制系統(tǒng)第五十七頁，共一百零一頁。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換熱器的前饋控制圖7-24反饋控制與前饋控制方塊圖第三節(jié)前饋控制系統(tǒng)第五十八頁，共一百零一頁。1.前饋控制是基于不變性原理工作的，比反饋控制及時、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。第三節(jié)前饋控制系統(tǒng)第五十九頁，共一百零一頁。第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)

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

反饋控制與前饋控制的檢測信號與控制信號有不同的特點(diǎn)：第六十頁，共一百零一頁。2.前饋控制是屬于“開環(huán)”控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，而前饋控制是一個“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加以檢驗(yàn)。要想綜合一個合適的前饋控制作用，必須對被控對象的特性作深入的研究和徹底的了解。第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)第六十一頁，共一百零一頁。3.前饋控制使用的是視對象特性而定的“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。對于不同的對象特性，就應(yīng)該設(shè)計具有不同控制規(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控制回路就可克服多個干擾。

第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)第六十二頁，共一百零一頁。二、前饋控制的主要形式1.單純的前饋控制形式根據(jù)對干擾補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)，可分為靜態(tài)前饋控制和動態(tài)前饋控制。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合，換熱器有滯后大、時間常數(shù)大、反應(yīng)慢的特性，前饋控制就是針對這種對象特性設(shè)計的，故能很好發(fā)揮作用。第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)第六十三頁，共一百零一頁。（1）靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)

在圖8-22中，前饋控制器的輸出信號是按干擾大小隨時間變化的，它是干擾量和時間的函數(shù)。而當(dāng)干擾通道和控制通道動態(tài)特性相同時，便可以不考慮時間函數(shù)，只按靜態(tài)關(guān)系確定前饋控制作用。如果主要干擾是進(jìn)料流量的波動ΔQ1，那么前饋控制器的輸出Δmf為第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)第六十四頁，共一百零一頁。根據(jù)熱平衡原理來分析（7-2）進(jìn)料增加為Q1+ΔQ1時（7-3）式（8-3）減式（8-2）（7-4）則（7-5）同時考慮進(jìn)口溫度1和出口溫度2的影響，則第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)第六十五頁，共一百零一頁。（2）動態(tài)前饋控制系統(tǒng)

要考慮對象的動態(tài)特性，從而確定前饋控制器的規(guī)律，才能獲得動態(tài)前饋補(bǔ)償。圖7-26動態(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)計的一種前饋控制器，有三個可以調(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。第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)第六十六頁，共一百零一頁。2.前饋-反饋控制

將它們組合起來，取長補(bǔ)短，使前饋控制用來克服主要干擾，反饋控制用來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

串級控制系統(tǒng)是由內(nèi)、外（或主、副）兩個反饋回路所組成；前饋-反饋控制系統(tǒng)是由一個反饋回路和另一個開環(huán)的補(bǔ)償回路疊加而成。第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)第六十七頁，共一百零一頁。三、前饋控制的應(yīng)用場合（1）干擾幅值大而頻繁，對被控變量影響劇烈，僅采用反饋控制達(dá)不到要求的對象。（2）主要干擾是可測而不可控的變量。（3）當(dāng)對象的控制通道滯后大，反饋控制不及時，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。第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)第六十八頁，共一百零一頁。第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)一、基本概念

在這些大型工藝生產(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，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；一類是軟保護(hù)措施。第六十九頁，共一百零一頁。

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)的控制器或測量儀表）來完成。軟保護(hù)措施：通過一個特定設(shè)計的自動選擇性控制系統(tǒng)，當(dāng)生產(chǎn)短期內(nèi)處于不正常情況時，既不使設(shè)備停車又起到對生產(chǎn)進(jìn)行自動保護(hù)的目的。第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)第七十頁，共一百零一頁。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兩個可供選擇的變量。其中一個變量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；另一個變量B，工藝上對它有一個限值要求。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)。第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)第七十一頁，共一百零一頁。圖7-29丙烯冷卻器的兩種控制方案通過改變換熱面積的方法來達(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，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，就不能再一味地使控制閥開度繼續(xù)增加了。注意第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)第七十二頁，共一百零一頁。

方案（b）是在方案（a）的基礎(chǔ)上增加了一個帶上限節(jié)點(diǎn)的液位變送器（或報警器）和一個連接于溫度控制器TC與執(zhí)行器之間的電磁三通閥。第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)圖7-30開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)方塊圖第七十三頁，共一百零一頁。圖7-31開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)信號器的信號關(guān)系是：當(dāng)液位低于75％時，輸出p2＝０；當(dāng)液位達(dá)到75％時，p2＝0.1MPa。切換器的信號關(guān)系是：當(dāng)p2＝０時，py＝px；當(dāng)p2＝0.1MPa時，py＝０。第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)第七十四頁，共一百零一頁。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)，而是在閥門原來的開度基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行連續(xù)控制。

一般具有兩臺控制器，它們的輸出通過一臺選擇器（高選器或低選器）后，送往執(zhí)行器。這兩臺控制器，一臺在正常情況下工作，另一臺在非正常情況下工作。第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)第七十五頁，共一百零一頁。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

當(dāng)系統(tǒng)處于燃料氣壓力控制時，蒸汽壓力的控制質(zhì)量將會明顯下降，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?！烂摶?。注意第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)第七十六頁，共一百零一頁。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，燃料氣管線的壓力就有可能低于燃燒室壓力，這樣就會出現(xiàn)危險的回火現(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

第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)第七十七頁，共一百零一頁。圖7-34混合型選擇性控制方案

增加了一個帶下限節(jié)點(diǎn)的壓力控制器P3C和一臺電磁三通閥。

一旦燃料氣壓力下降到極限值時，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，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，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，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。第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)第七十八頁，共一百零一頁。三、積分飽和及其防止1.積分飽和的產(chǎn)生及其危害性

一個具有積分作用的控制器，處于開環(huán)工作狀態(tài)時，如果偏差輸入信號一直存在，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”。第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)第七十九頁，共一百零一頁。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長期存在。

當(dāng)控制器處于積分飽和狀態(tài)時，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范圍。第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)第八十頁，共一百零一頁。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)措施對積分反饋信號加以限制，從而使控制器輸出信號被限制在工作信號范圍之內(nèi)。（2）積分切除法當(dāng)控制器處于開環(huán)工作狀態(tài)時，就將控制器的積分作用切除掉，這樣就不會使控制器輸出一直增大到最大值或一直減小到最小值，就不會產(chǎn)生積分飽和問題了。第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)第八十一頁，共一百零一頁。第六節(jié)分程控制系統(tǒng)一、概述

一臺控制器的輸出可以同時控制兩臺甚至兩臺以上的控制閥?？刂破鞯妮敵鲂盘柋环指畛扇舾蓚€信號范圍段，由每一段信號去控制一臺控制閥，稱為分程控制系統(tǒng)。圖7-35分程控制系統(tǒng)方塊圖第八十二頁，共一百零一頁。就控制閥的開、關(guān)形式分類兩個控制閥同向動作，即隨著控制器輸出信號（即閥壓）的增大或減小，兩控制閥都開大或關(guān)小。兩個控制閥異向動作，即隨著控制器輸出信號的增大或減小，一個控制閥開大，另一個控制閥則關(guān)小。第六節(jié)分程控制系統(tǒng)第八十三頁，共一百零一頁。圖7-37兩閥異向動作圖7-36兩閥同向動作第六節(jié)分程控制系統(tǒng)第八十四頁，共一百零一頁。二、分程控制的應(yīng)用場合1.用于擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍，改善控制品質(zhì)圖7-38蒸汽減壓系統(tǒng)分程控制第六節(jié)分程控制系統(tǒng)第八十五頁，共一百零一頁。2.用于控制兩種不同的介質(zhì)，以滿足工藝生產(chǎn)的要求圖7-39反應(yīng)器分程控制系統(tǒng)對間歇式化學(xué)反應(yīng)器，既要考慮反應(yīng)前的預(yù)熱問題，又需要考慮反應(yīng)過程中移走熱量的問題。第六節(jié)分程控制系統(tǒng)第八十六頁，共一百零一頁。圖7-40A、B閥特性圖本方案中選擇蒸汽控制閥為氣開式，冷水控制閥為氣關(guān)式是從生產(chǎn)安全角度考慮的。因?yàn)?，一旦出現(xiàn)供氣中斷情況，A閥將處于全開，B閥將處于全關(guān)。這樣，就不會因?yàn)榉磻?yīng)器溫度過高而導(dǎo)致生產(chǎn)事故。第六節(jié)分程控制系統(tǒng)第八十七頁，共一百零一頁。3.用作生產(chǎn)安全的防護(hù)措