過(guò)程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)

過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)主要內(nèi)容被控對(duì)象的特性單回路控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述特性參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定單回控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定串級(jí)、前饋比值、選擇性均勻、分程被控對(duì)象的特性定義：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)。被控對(duì)象輸入變量與輸出變量之間的聯(lián)系稱為通道；操縱變量與被控變量之間的聯(lián)系稱為控制通道；干擾作用與被控變量之間的聯(lián)系稱為干擾通道。被控對(duì)象的特性被控對(duì)象的特性一、被控對(duì)象的數(shù)學(xué)描述

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）；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。數(shù)學(xué)描述微分方程式數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型：過(guò)程在輸入量（包括控制量和擾動(dòng)量）作用下，其輸出量（被控量）隨輸入量變化的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系表達(dá)式。被控對(duì)象的特性建立數(shù)學(xué)模型意義可以更深入地了解被控過(guò)程的特性。便于用計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算來(lái)分析控制過(guò)程。便于尋求優(yōu)化操作條件。用于調(diào)試系統(tǒng)及進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)整定。用來(lái)建立操作人員的培訓(xùn)系統(tǒng)。被控對(duì)象的特性數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)數(shù)學(xué)模型的形式影響過(guò)程參數(shù)的因素相對(duì)復(fù)雜。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中各數(shù)學(xué)模型的參數(shù)隨運(yùn)行條件的變化會(huì)有較大的改變。按參量形式分被控對(duì)象的特性1、單容液位對(duì)象（1）有自衡對(duì)象的單容對(duì)象被控對(duì)象水槽被控變量液位Hx操縱變量進(jìn)水量Qi液位H進(jìn)水量Qi被控對(duì)象的特性x靜態(tài)：Qi=Qo，液位H保持不變。根據(jù)物料平衡方程得：式中：A－水箱橫截面積；dH－液位變化量；Qi、Qi流入量與流出量的變化量。輸入量的變化與控制的開度x有關(guān)，即Qi=kxx流出量與液位有關(guān)，即輸出量的變化量為線性化處理被控對(duì)象的特性式中:C－對(duì)象的液容，也叫容量系數(shù)，這里就是水箱的橫截面積A；T－對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，T＝液阻液容＝RC＝RA；K－對(duì)象的放大系數(shù)。K=kxR；H=Kx(1-e-t/T)被控對(duì)象的特性xyxt002T3T4TH()H0HtT0.632h()T0.632h()H=Kx(1-e-t/T)被控對(duì)象的特性（2）無(wú)自衡對(duì)象的單容對(duì)象x被控對(duì)象水槽被控變量液位H操縱變量進(jìn)水量Qi液位H進(jìn)水量Qi被控對(duì)象的特性x鏡態(tài)：Qi=Qo，液位H保持不變。根據(jù)物料平衡方程得：式中：A－水箱橫截面積；dH－液位變化量；Qi流入量變化量。輸入量的變化與控制的開度x有關(guān)，即Qi=kxxh(t)xtt被控對(duì)象的特性2、雙容液位對(duì)象(1)兩儲(chǔ)槽互不關(guān)聯(lián)傳遞函數(shù)被控對(duì)象的特性(2)兩儲(chǔ)槽互相關(guān)聯(lián)傳遞函數(shù)被控對(duì)象的特性h(t)xttc被控對(duì)象的特性二、被控對(duì)象的特性參數(shù)1.放大系數(shù)

放大系數(shù)又稱靜態(tài)增益，是被控對(duì)象重新達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的輸出變化量與輸入變化量之比。被控對(duì)象的特性放大系數(shù)的一般性說(shuō)明（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；反之，K越小，被控對(duì)象的穩(wěn)定性越好。被控對(duì)象的特性（3）K在任何輸入變化情況下都是常數(shù)的被控對(duì)象稱為線性對(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，稱為非線性對(duì)象。非線性對(duì)象是比較難控制的。（4）處于不同通道的放大系數(shù)K對(duì)控制質(zhì)量的影響是不一樣的。被控對(duì)象的特性2.時(shí)間常數(shù)

間常數(shù)反映了被控對(duì)象受到輸入作用后，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。它是被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。(1)指當(dāng)對(duì)象受到階躍輸入作用后，被控變量如果保持初始速度變化，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間。(2)當(dāng)對(duì)象受到階躍輸入作用后，被控變量達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需時(shí)間。被控對(duì)象的特性3.滯后時(shí)間

滯后時(shí)間是描述對(duì)象滯后現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)參數(shù)。根據(jù)滯后性質(zhì)可分為傳遞滯后和容量滯后兩種。傳遞滯后0：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)間而產(chǎn)生的。容量滯后C：容量滯后一般是因?yàn)槲锪匣蚰芰康膫鬟f需要通過(guò)一定的阻力而引起的。滯后時(shí)間τ：是傳遞滯后0和容量滯后C的總和。被控對(duì)象的特性被控對(duì)象的特性h(t)xttc被控對(duì)象的特性對(duì)象特性模型結(jié)構(gòu)無(wú)自衡過(guò)程自衡過(guò)程延時(shí)無(wú)延時(shí)延時(shí)無(wú)延時(shí)二階一階被控對(duì)象的特性三、對(duì)象特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)定機(jī)理建模法：從工藝過(guò)程的機(jī)理出發(fā)，寫出各種有關(guān)的平衡方程（如物料平衡、能量平衡等）求取被測(cè)對(duì)象的微分方程式。實(shí)驗(yàn)測(cè)定法：系統(tǒng)處于穩(wěn)定后，給對(duì)象輸入一激勵(lì)信號(hào)，使對(duì)象處于動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，根據(jù)測(cè)得的一系列的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或曲線，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，得到對(duì)象特性參數(shù)的具體數(shù)值。被控對(duì)象的特性

根據(jù)激勵(lì)信號(hào)不同，實(shí)驗(yàn)測(cè)定法又分為：時(shí)域分析法、頻域分析法和統(tǒng)計(jì)分析法時(shí)域分析法在被測(cè)對(duì)象的輸入端施加階躍信號(hào)或脈沖信號(hào)，測(cè)繪出對(duì)象的輸出變量隨時(shí)間變化的階躍響應(yīng)曲線或脈沖響應(yīng)曲線，分析響應(yīng)曲線確定對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。簡(jiǎn)單、精度低頻域分析法在被測(cè)對(duì)象的輸入端施加不同頻率的正弦波，測(cè)出輸出量與輸入量的幅值比和相位差，獲得對(duì)象的頻率特性。簡(jiǎn)單、精度低被控對(duì)象的特性統(tǒng)計(jì)分析法在被測(cè)對(duì)象的輸入端施加階隨機(jī)信號(hào)，觀察和記錄由此引起的各參數(shù)的變化，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)相關(guān)法研究對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。復(fù)雜、精度高被控對(duì)象的特性1、階躍響應(yīng)法測(cè)定對(duì)象特性原理：階躍響應(yīng)法是指通過(guò)操作過(guò)程的調(diào)節(jié)閥，使過(guò)程的控制輸入一個(gè)階躍變化，將被控量隨時(shí)間變化的曲線用記錄儀或其他方法測(cè)試記錄下來(lái)，在根據(jù)測(cè)試記錄的響應(yīng)曲線求取過(guò)程輸出與輸入的數(shù)學(xué)關(guān)系。測(cè)試圖被控對(duì)象的特性注意事項(xiàng)：（1）擾動(dòng)量要選擇恰當(dāng)。（2）測(cè)試前，被控過(guò)程應(yīng)處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。（3）相同條件下應(yīng)重復(fù)多做幾次試驗(yàn)，從幾次的測(cè)試結(jié)果中選擇兩次以上比較接近的響應(yīng)曲線作為分析依據(jù)。（4）分別作階躍輸入信號(hào)為正、反方向兩種變化情況的試驗(yàn)對(duì)比。被控對(duì)象的特性介紹確定模型結(jié)構(gòu)參數(shù)的原理與方法（1）一階無(wú)延時(shí)自衡對(duì)象傳遞函數(shù)：◆一階對(duì)象被控對(duì)象的特性（2）一階延時(shí)自衡對(duì)象傳遞函數(shù)：被控對(duì)象的特性（3）一階無(wú)延時(shí)無(wú)自衡對(duì)象傳遞函數(shù)：y(t)tt傳遞函數(shù)：（4）一階延時(shí)無(wú)自衡對(duì)象（1）二階無(wú)延時(shí)自衡對(duì)象◆二階對(duì)象被控對(duì)象的特性傳遞函數(shù)：被控對(duì)象的特性（2）二階延時(shí)自衡對(duì)象傳遞函數(shù)：式中x=T1/T2被控對(duì)象的特性矩形脈沖法測(cè)定對(duì)象的數(shù)學(xué)模型矩形脈沖法

利用控制閥加一擾動(dòng)后，待被控量上升（或下降）到將要超過(guò)生產(chǎn)上允許的最大偏差時(shí)，立即清除擾動(dòng)，讓被控量回到起始值。優(yōu)點(diǎn)◆施加擾動(dòng)的時(shí)間短◆擾動(dòng)幅值可達(dá)20％或30％◆測(cè)量響應(yīng)曲線的時(shí)間短被控對(duì)象的特性脈沖響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)換階躍響應(yīng)曲線ys(t)=yp(t)+ys(t-t0)tu1(t)tu2(t)tu(t)被控對(duì)象的特性例：設(shè)t0=2min，脈沖幅值為0.2t/h，即利用煤氣閥門施加一個(gè)擾動(dòng)，使燃料量變化0.2t/h，經(jīng)2min后立即將閥門準(zhǔn)確回到原位，材料溫度隨燃?xì)獾脑黾佣仙?，測(cè)量材料出口溫度t，每分鐘記錄一次，共記40次。被控對(duì)象的特性4.164.144.104.074.023.983.923.873.803.74ys(℃)3.663.593.503.413.303.193.062.922.762.59ys(℃)2.402.201.971.731.461.170.850.480.250ys(℃)0.160.180.200.220.240.270.300.330.360.39yp(℃)19181716151413121110t(min)0.060.070.080.090.100.110.120.130.140.15yp(℃)29282726252423222120t(min)00.010.010.010.020.020.030.030.040.05yp(℃)39383736353433323130t(min)4.264.264.264.264.254.244.234.224.204.19ys(℃)0.430.470.510.560.610.690.600.480.250yp(℃)9876543210t(min)單回路控制系統(tǒng)

單回路控制系統(tǒng)又稱簡(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)正確選擇被控變量與控制變量。正確選擇調(diào)節(jié)器的正反作用與調(diào)節(jié)閥的開關(guān)形式。合理選擇調(diào)節(jié)器的控制算法。合理選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性。正確選擇測(cè)量變送器。一、單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。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或按一定規(guī)律變化的過(guò)程參數(shù)。是對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量、促進(jìn)安全生產(chǎn)、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率、節(jié)能等具有決定作用的工藝變量。合理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)的滯后也要較小。單回路控制系統(tǒng)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，必須是獨(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)狀能否滿足要求。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)程度中，最常見的操縱變量是流量，也有電壓、轉(zhuǎn)速等。單回路控制系統(tǒng)考慮工藝合理性考慮被控對(duì)象特性操縱量：載熱體流量（蒸汽流量）操縱量：稀釋水流量①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。單回路控制系統(tǒng)②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。精餾過(guò)程示意圖1-精餾塔；2-蒸汽加熱器被控變量：精餾塔某段的溫度干擾：進(jìn)料流量、進(jìn)料成分、進(jìn)料溫度、回流流量、回流溫度、加熱蒸汽流量、冷凝器冷卻溫度及塔壓等。操縱量：加熱蒸汽流量單回路控制系統(tǒng)3.執(zhí)行器的選擇

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)管道中的介質(zhì)的流量（調(diào)節(jié)操縱變量），從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。調(diào)節(jié)閥（執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥）按照生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)、安全運(yùn)行和推動(dòng)力等來(lái)選擇氣動(dòng)、電動(dòng)或液動(dòng)執(zhí)行器。根據(jù)被控變量的大小選擇調(diào)節(jié)閥的流通能力。從安全的角度選取調(diào)節(jié)閥的氣開或氣關(guān)形式。從被控對(duì)象的特性、負(fù)荷的變化情況等選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性。。單回路控制系統(tǒng)（1）氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、液動(dòng)調(diào)節(jié)單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)

額定時(shí)間內(nèi)，閥門處于最大開啟狀態(tài)時(shí)，流經(jīng)閥門的體積流量，或者是質(zhì)量流量的總和。（2）調(diào)節(jié)閥的流通能力（3）調(diào)節(jié)閥的流量特性的選擇

在閥兩端壓差保持恒定的條件下，介質(zhì)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與它的開度之間關(guān)系。最常見調(diào)節(jié)閥的流量特性有線性、等百分比、拋物線三種。單回路控制系統(tǒng)

調(diào)節(jié)閥的流量特性是指流體流過(guò)閥門的相對(duì)流量與閥門相對(duì)開度之間的關(guān)系，即式中，為相對(duì)流量，即調(diào)節(jié)閥某一開度流量與全開流量之比；為相對(duì)開度，即調(diào)節(jié)閥某一開度行程與全行程之比。單回路控制系統(tǒng)負(fù)荷變化對(duì)象特性變化調(diào)節(jié)器參數(shù)√如果負(fù)荷變化不可知，采用自整定調(diào)節(jié)器的方法，根據(jù)負(fù)荷變化及時(shí)修正調(diào)節(jié)器參數(shù)?！倘绻?fù)荷變化有一定規(guī)律，采用采用選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性來(lái)補(bǔ)償對(duì)象特性的變化，使廣義對(duì)象的特性在負(fù)荷變化時(shí)保持不變。單回路控制系統(tǒng)生產(chǎn)安全保證產(chǎn)品質(zhì)量節(jié)省能源產(chǎn)品介質(zhì)的特點(diǎn)鍋爐給水閥應(yīng)為氣關(guān)閥精餾塔回流量閥為氣關(guān)閥精餾塔進(jìn)料閥為氣開閥精餾塔塔釜蒸汽調(diào)節(jié)閥應(yīng)為氣開閥（4）調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)形式的選擇單回路控制系統(tǒng)4.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)中起著獲得信息和傳遞信息的作用。純滯后在過(guò)程控制中，由于檢測(cè)元件安裝位置的原因會(huì)產(chǎn)生純滯后。PH值控制系統(tǒng)式中，—主管道、支管道的長(zhǎng)度；

—主管道、支管道內(nèi)流體的速度。單回路控制系統(tǒng)蒸汽直接加熱系統(tǒng)純滯后時(shí)間

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。方法：正確選擇安裝檢測(cè)點(diǎn)的位置，使檢測(cè)元件不要安裝在死角或容易結(jié)焦的地方。單回路控制系統(tǒng)測(cè)量滯后測(cè)量滯后是由測(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)一個(gè)變化過(guò)程，才能反映被控變量的實(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)。

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；二是在測(cè)量元件之后引入微分作用。單回路控制系統(tǒng)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。①盡量縮短信號(hào)管線的長(zhǎng)度。②改用電信號(hào)傳遞。③在氣壓管線上加氣動(dòng)繼動(dòng)器，或在執(zhí)行器上加氣動(dòng)閥門定位器。④按實(shí)際情況采用基底式儀表。單回路控制系統(tǒng)5.調(diào)節(jié)器正反作用的確定系統(tǒng)穩(wěn)定的條件系統(tǒng)開環(huán)總的放大倍數(shù)為負(fù)極性閉環(huán)負(fù)反饋環(huán)節(jié)的極性：當(dāng)環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)增大時(shí)，若輸出信號(hào)增大，則其放大倍數(shù)為正極性；若輸出信號(hào)減小，則其放大倍數(shù)為負(fù)極性。單回路控制系統(tǒng)6.調(diào)節(jié)器的投運(yùn)問(wèn)題無(wú)擾動(dòng)切換無(wú)擾動(dòng)切換：從手動(dòng)切換到自動(dòng)或從自動(dòng)切換到手動(dòng)，不造成系統(tǒng)的擾動(dòng)，不破壞系統(tǒng)原有的平衡狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)原則：切換中不能改變?cè)瓉?lái)調(diào)節(jié)閥的開度。單回路控制系統(tǒng)二、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。斷續(xù)調(diào)節(jié)連續(xù)調(diào)節(jié)單回路控制系統(tǒng)1.位式調(diào)節(jié)規(guī)律理想的雙位調(diào)節(jié)規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

雙位調(diào)節(jié)規(guī)律是一種典型的非線性調(diào)節(jié)規(guī)律，當(dāng)測(cè)量值大于或小于給定值時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出達(dá)到最大或最小兩個(gè)極限位置。與調(diào)節(jié)器相連的執(zhí)行器相應(yīng)也只有“開”和“關(guān)”兩個(gè)極限工作狀態(tài)。單回路控制系統(tǒng)雙位爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)被控對(duì)象：加熱爐1檢測(cè)元件：熱電偶2調(diào)節(jié)器：雙位調(diào)節(jié)器3執(zhí)行機(jī)構(gòu)：繼電器4加熱裝置：電容器5工作過(guò)程：溫度的給定值用雙位調(diào)節(jié)器上的給定值指針由人工設(shè)置。爐溫由熱電偶測(cè)量并送至雙位調(diào)節(jié)器。雙位調(diào)節(jié)器根據(jù)溫度測(cè)量與給定值的偏差大小發(fā)出使繼電器通、斷電的控制信號(hào)，從而控制加熱爐內(nèi)部的溫度。單回路控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：位式調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、使用方便、對(duì)配用的調(diào)節(jié)閥無(wú)任何特殊的要求。缺點(diǎn)：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)幅度較大。使用場(chǎng)合：帶有上、下限裝置的檢測(cè)儀表，如壓力表、水銀溫度計(jì)、雙金屬片溫度計(jì)、電子電位差計(jì)、能自動(dòng)平衡電橋等；控制要求不高的場(chǎng)合。單回路控制系統(tǒng)具有中間區(qū)的雙位調(diào)節(jié)器

當(dāng)偏差達(dá)到一定數(shù)值或時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出才會(huì)變化，而在中間區(qū)內(nèi)調(diào)節(jié)器的輸出將取決于它原來(lái)所處的狀態(tài)。（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)都有不靈敏區(qū)。（2）采用雙位調(diào)節(jié)的系統(tǒng)要求被控變量在兩個(gè)極限值之間。單回路控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程曲線實(shí)際雙位調(diào)節(jié)響應(yīng)曲線性能指標(biāo)振幅周期2.比例調(diào)節(jié)規(guī)律（P）

在比例調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)變化量與輸入信號(hào)成比例關(guān)系比例放大系數(shù)（）式中，稱為比例增益或比例放大倍數(shù)。單回路控制系統(tǒng)

在階躍輸入作用下，比例調(diào)節(jié)規(guī)律的輸出特性。簡(jiǎn)單比例控制系統(tǒng)被控變量：水位調(diào)節(jié)器：杠桿測(cè)量元件：浮球操縱量：進(jìn)水位單回路控制系統(tǒng)比例控制具有控制及時(shí)、克服偏差有力的特點(diǎn)。比例控制必然有余差存在。單回路控制系統(tǒng)比例度（）

比例度是指調(diào)節(jié)器輸入變化量與相應(yīng)輸出的相對(duì)變化量之比的百分?jǐn)?shù)。

要使輸出信號(hào)作全范圍的變化，輸入信號(hào)必須改變?nèi)砍痰陌俜种畮祝摧斎肱c輸出的比例范圍。單回路控制系統(tǒng)比例度對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響比例度越大,放大倍數(shù)越小，余差就越大；反之，比例度減小，系統(tǒng)的余差也隨之減小。比例度越小，最大偏差越小，振蕩周期也越短，工作頻率提高。比例度的減小，系統(tǒng)的穩(wěn)定程度降低，其過(guò)渡過(guò)程逐漸從衰減振蕩走向臨界振蕩直至發(fā)散振蕩。

比例調(diào)節(jié)器適用于干擾少、擾動(dòng)幅度小、負(fù)荷變化不大、滯后較小或者控制要求精度不高的場(chǎng)合。單回路控制系統(tǒng)例：某氣動(dòng)比例溫度控制器的輸入范圍為5001000C，輸出范圍為20100kPa，當(dāng)控制器輸入變化200C時(shí)，其輸出信號(hào)變化40kPa，則該控制器的比例帶為單回路控制系統(tǒng)加熱器出口溫度控制系統(tǒng)BB100x100AAAOOOQ1Q0單回路控制系統(tǒng)3.比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律（PI）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。式中，為積分速度。

在階躍輸入作用下，積分調(diào)節(jié)規(guī)律的輸出特性。單回路控制系統(tǒng)比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律（PI）時(shí)間常數(shù)

在階躍輸入作用下，比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律的輸出特性。積分時(shí)間：在階躍偏差輸入作用下，調(diào)節(jié)器的輸出到達(dá)比例輸出兩倍時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。單回路控制系統(tǒng)積分時(shí)間對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響比例度不變

積分時(shí)間的減小，積分作用不斷增強(qiáng)，最大偏差減小，余差消除加快，但同時(shí)系統(tǒng)振蕩加劇，穩(wěn)定性下降。4.比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律（PID）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。微分增益單回路控制系統(tǒng)理想微分作用特性

微分調(diào)節(jié)器的輸出只與偏差的變化速度有關(guān)，而與偏差存在與否無(wú)關(guān)。即微分作用對(duì)恒定的偏差沒有克服能力。比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律（PD）微分時(shí)間單回路控制系統(tǒng)實(shí)際比例微分調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)表達(dá)式為微分時(shí)間對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響比例度不變

微分時(shí)間的增加，微分作用加強(qiáng)，最大偏差減小，振蕩加劇，穩(wěn)定性變差。單回路控制系統(tǒng)比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律（PID）理想的PID調(diào)節(jié)規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式實(shí)際比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律（PID）的傳遞函數(shù)單回路控制系統(tǒng)根據(jù)控制規(guī)律特點(diǎn)選擇比例(P)控制器比例控制是最簡(jiǎn)單最基本的控制律能迅速有力地克服干擾的影響，或使被控變量能迅速跟蹤設(shè)定值的變化，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短，而且只有一個(gè)參數(shù)需要整定。但是，過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后有余差存在。

適用于負(fù)荷變化小、自衡能力強(qiáng)、對(duì)象控制通道中的純滯后時(shí)間和時(shí)間常數(shù)之比()較小、工藝上允許有余差存在、控制質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合。

單回路控制系統(tǒng)比例微分(PD)控制器在比例控制基礎(chǔ)上引入微分作用后，減小了系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，從而可以加快過(guò)渡過(guò)程，減小動(dòng)態(tài)偏差和余差，對(duì)克服對(duì)象的容量滯后有顯著的效果。但是，微分作用不能過(guò)強(qiáng)，否則會(huì)使系統(tǒng)對(duì)高頻干擾特別敏感，反而可能引起系統(tǒng)振蕩程度加劇。

適用于對(duì)象控制通道的時(shí)間常數(shù)較大、負(fù)荷變化較小、反應(yīng)速度較慢的場(chǎng)合。但是，微分時(shí)間的設(shè)置要合理。對(duì)于容量滯后很小、干擾作用頻繁的系統(tǒng)，應(yīng)盡可能避免使用微分作用；對(duì)于存在測(cè)量噪聲或周期干擾的系統(tǒng)，則不宜采用微分控制。

單回路控制系統(tǒng)比例積分(PI)控制器在比例控制的基礎(chǔ)上引入積分作用后，會(huì)增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，比例增益必須減小，從而使過(guò)渡過(guò)程變慢。動(dòng)態(tài)偏差變大。但是，積分增益有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)就是可以消除余差。

適用于對(duì)象控制通道的時(shí)間常數(shù)較小、負(fù)荷變化不很大、工藝要求沒有余差的場(chǎng)合。對(duì)容量滯后和純滯后都比較大的系統(tǒng)，要盡量避免使用比例積分控制器。

單回路控制系統(tǒng)比例積分微分(PID)控制器既能克服對(duì)象的容量滯后，減小動(dòng)態(tài)偏差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又能消除系統(tǒng)的余差。

適用于控制對(duì)象負(fù)荷變化較大、對(duì)象容量滯后較大、工藝要求無(wú)余差、控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)。但是，對(duì)于純滯后很大、負(fù)荷變化很大的系統(tǒng)，三作用控制同樣無(wú)能為力。單回路控制系統(tǒng)（5）調(diào)節(jié)規(guī)律的選取1-比例調(diào)節(jié)；2-積分調(diào)節(jié)；3-比例積分調(diào)節(jié)；4-比例微分調(diào)節(jié)；5-比例微分積分調(diào)節(jié)單回路控制系統(tǒng)根據(jù)被控變量選擇液位控制系統(tǒng)通常液位控制系統(tǒng)的對(duì)象是一個(gè)單容量對(duì)象，沒有純滯后，容量滯后也較小，而且常常允許液位有一些波動(dòng)。

一般情況下選擇比例(P)控制規(guī)律；在控制要求較高的場(chǎng)合，選擇比例積分(PI)控制規(guī)律。溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)的對(duì)象是多容量的，時(shí)間常數(shù)比較大，純滯后時(shí)間的長(zhǎng)短隨對(duì)象的不同或測(cè)量元件的位置不同而變化，通常不允許有余差。

選擇比例積分(PD)控制規(guī)律或比例積分微分(PID)控制規(guī)律。單回路控制系統(tǒng)流量控制系統(tǒng)流量控制系統(tǒng)被控變量與操縱變量是同一物料的流量，控制對(duì)象很接近于1:1的比例環(huán)節(jié)，時(shí)間參數(shù)非常小，從而使廣義對(duì)象的特性幾乎取決于測(cè)量變送器和控制閥。

選擇比例積分(PI)控制規(guī)律。壓力控制系統(tǒng)在壓力控制系統(tǒng)中，控制對(duì)象的特性差別很大，所選控制規(guī)律也各不相同。

選擇比例(P)控制規(guī)律。單回路控制系統(tǒng)三、調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性干擾噪聲的形式和幅值控制方案調(diào)節(jié)器參數(shù)控制品質(zhì)不能再改變◆參數(shù)整定的實(shí)質(zhì)

通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)（比例帶

、積分時(shí)間

、微分時(shí)間)，使調(diào)節(jié)器的特性與被控對(duì)象的特性相匹配，以達(dá)到最佳控制效果。單回路控制系統(tǒng)◆衡量調(diào)節(jié)器參數(shù)是否最佳的標(biāo)準(zhǔn)

單項(xiàng)性能指標(biāo)衰減比為4:1或10:1誤差積分性能指標(biāo)單回路控制系統(tǒng)◆系統(tǒng)參數(shù)整定方法理論計(jì)算整定法工程整定法

基于對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線，是一種近似的經(jīng)驗(yàn)方法。

基于被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型（如傳遞函數(shù)、頻率特性），通過(guò)計(jì)算方法直接求得調(diào)節(jié)器整定參數(shù)。頻率法、根軌跡法、偏差積分準(zhǔn)則經(jīng)驗(yàn)試湊法、動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法臨界比例度法、衰減曲線法單回路控制系統(tǒng)（1）經(jīng)驗(yàn)試湊法

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)值，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，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。直到獲得滿意的過(guò)渡過(guò)程曲線為止。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)要加入微分作用，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)象容量滯后較小，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)規(guī)律，且比例度要大，積分時(shí)間可小。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)，這時(shí)系統(tǒng)的參數(shù)整定原則應(yīng)參照典型的溫度系統(tǒng)。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)加入積分作用。單回路控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)參數(shù)溫度20603100.53流量401000.11壓力30700.43液位20100單回路控制系統(tǒng)（2）臨界比例度法

臨界比例度法又稱Ziegler-Nichols方法，它首先求取在純比例作用下的閉環(huán)系統(tǒng)為等幅振蕩過(guò)程時(shí)的比例度和振蕩周期，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出相應(yīng)的調(diào)節(jié)參數(shù)。整定步驟√設(shè)置調(diào)節(jié)器積分時(shí)間，微分時(shí)間，比例帶較大值，使控制系統(tǒng)投入運(yùn)行。單回路控制系統(tǒng)√待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，逐漸減小比例帶，直到系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，即累加振蕩過(guò)程。記錄此時(shí)的臨界比例帶和臨界振蕩周期?！汤煤椭?，計(jì)算相應(yīng)的計(jì)算公式，求調(diào)節(jié)器各振蕩參數(shù)的數(shù)值。0.130.51.7PID0.852.2PI2P控制規(guī)律單回路控制系統(tǒng)適用條件工藝允許被控變量做等幅振蕩；在獲取等幅振蕩曲線時(shí)，不能使控制閥全關(guān)、全開的極限狀態(tài)。單回路控制系統(tǒng)（3）衰減曲線法√設(shè)置調(diào)節(jié)器積分時(shí)間，微分時(shí)間，比例帶較大值，使控制系統(tǒng)投入運(yùn)行?！檀到y(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，逐漸減小比例帶，直到系統(tǒng)出現(xiàn)4:1（或10:1）的衰減振蕩。記錄此時(shí)的比例帶和臨界振蕩周期（或上升時(shí)間）。單回路控制系統(tǒng)√利用和或值，計(jì)算相應(yīng)的計(jì)算公式，求調(diào)節(jié)器各振蕩參數(shù)的數(shù)值。單回路控制系統(tǒng)適用條件干擾較小的系統(tǒng)；設(shè)定值的干擾不應(yīng)超出工藝允許的范圍。單回路控制系統(tǒng)特性曲線法利用廣義對(duì)象時(shí)間常數(shù)整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的方法。廣義對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性調(diào)節(jié)器類型調(diào)節(jié)器參數(shù)(%)TI/minTD/minP(Ko/To)100%－－PI(1.1Ko/To)100%3.3－PID(0.85Ko/To)100%20.5復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)◆過(guò)程可控程度較差◆過(guò)程具有較明顯的時(shí)變性和非線性◆擾動(dòng)劇烈而且幅度大◆控制性能要求高◆過(guò)程參數(shù)之間存在嚴(yán)重的關(guān)聯(lián)復(fù)雜控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)選擇性控制系統(tǒng)改善性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)特殊要求復(fù)雜控制系統(tǒng)一、串級(jí)控制系統(tǒng)1.串級(jí)控制的基本原理管式加熱爐工藝要求：被加熱油聊的出口溫度穩(wěn)定。被控變量：被加熱油料的出口溫度干擾：被加熱油料的流量波動(dòng)和溫度的變化；燃料油壓力的波動(dòng)和熱值的變化；復(fù)雜控制系統(tǒng)管式加熱爐出口溫度單回控制系統(tǒng)

控制通道的容量滯后大、時(shí)間常數(shù)大，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的控制作用不及時(shí)，反映遲鈍、最大偏差大、過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)、抗干擾能力差，控制精度降低。管式加熱爐爐膛溫度單回路控制系統(tǒng)

控制通道的容量滯后大大減少，但是沒有對(duì)出口溫度構(gòu)成閉環(huán)控制，因此，不能保證出口溫度穩(wěn)定在要求的值上。復(fù)雜控制系統(tǒng)管式加熱爐出口溫度燃料油流量串級(jí)控制系統(tǒng)

根據(jù)爐膛溫度的變化，先調(diào)節(jié)燃油量（迅速實(shí)現(xiàn)“粗調(diào)”作用），然后再根據(jù)被加熱油料出口溫度與給定值之間的偏差，進(jìn)一步調(diào)節(jié)燃料油量（實(shí)現(xiàn)“細(xì)調(diào)”）復(fù)雜控制系統(tǒng)定義：由兩臺(tái)調(diào)節(jié)器串聯(lián)在一起，控制一個(gè)調(diào)節(jié)閥，從而使工藝生產(chǎn)的主要參數(shù)達(dá)到更好的控制效果的控制系統(tǒng)。復(fù)雜控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)術(shù)語(yǔ)主被控變量大多為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的重要參數(shù)，在串級(jí)控制系統(tǒng)中起指導(dǎo)作用的被控變量。副被控變量大多為影響主被控變量的重要參數(shù)，通常為穩(wěn)定主被控變量而引入的中間輔助變量。副被控變量主被控變量復(fù)雜控制系統(tǒng)主對(duì)象大多為工業(yè)過(guò)程中所要控制的、由主被控變量表征其主要特性的生產(chǎn)設(shè)備和過(guò)程。副對(duì)象大多為工業(yè)過(guò)程中影響主被控變量的、由副被控變量表征其特性的輔助生產(chǎn)設(shè)備或輔助過(guò)程。副對(duì)象主對(duì)象復(fù)雜控制系統(tǒng)主控制器在系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用，按主被控變量和其設(shè)定值之差進(jìn)行控制運(yùn)算，并將其輸出作為副控制器設(shè)定值的控制器。副控制器在系統(tǒng)中起輔助作用，按所測(cè)得的副被控變量和主控制器輸出之差來(lái)進(jìn)行控制運(yùn)算，其輸出直接作用于控制閥的控制器。主控制器副控制器主控制器副控制器復(fù)雜控制系統(tǒng)主變送器測(cè)量并轉(zhuǎn)換主被控變量的變送器。副變送器測(cè)量并轉(zhuǎn)換副被控變量的變送器。主回路即整節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)，共包括由主變送器、主控制器、副回路等效環(huán)節(jié)、主對(duì)象所構(gòu)成的閉環(huán)回路，又稱為“主環(huán)”或“外環(huán)”。副回路處于串級(jí)控制系統(tǒng)內(nèi)部的，由副變送器、副控制器、控制閥和副對(duì)象所構(gòu)成的閉環(huán)回路，又稱為“副環(huán)”或“內(nèi)環(huán)”。主變送器副變送器復(fù)雜控制系統(tǒng)Gc1(s)Gc2(s)Gv(s)Gp2(s)Gp1(s)Gm2(s)Gm1(s)R1(s)R2(s)Y1(s)Y2(s)--復(fù)雜控制系統(tǒng)2.串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程二次干擾一次干擾干擾作用于副回路（即二次干擾）干擾作用于主回路（即一次干擾）干擾同時(shí)作用于主、副回路（即一次干擾和二次干擾）復(fù)雜控制系統(tǒng)干擾作用于副回路（即二次干擾）◆二次干擾為小干擾，即副被控變量變化，主被控變量不變。TQZ1Z2R1E1R2E2→E1=Z1-R1不變→

R2不變Q→Z2→E2=Z2-R2R1不變T不變→Z1不變副控制器反作用副控制器輸出控制閥氣開式控制閥關(guān)小→Q復(fù)雜控制系統(tǒng)◆二次干擾為大干擾，即副被控變量、主被控變量變化。TQZ1Z2R1E1R2E2→E1=Z1-R1

Q→Z2→E2=Z2-R2R1不變Q→T→Z1副控制器反作用副控制器輸出控制閥氣開式控制閥關(guān)小→Q→T主控制器反作用R2

復(fù)雜控制系統(tǒng)干擾作用于主回路（即一次干擾）◆副被控變量不變，主被控變量變化。TQZ1Z2R1E1R2E2→E1=Z1-R1Q不變→Z2不變→E2=Z2-R2R1不變T→Z1副控制器反作用副控制器輸出控制閥氣開式控制閥關(guān)小→Q主控制器反作用R2→T復(fù)雜控制系統(tǒng)干擾同時(shí)作用于主、副回路（即一次干擾和二次干擾）◆在干擾的作用下，主、副被控變量同向變化，即同時(shí)增加或同時(shí)減小TQZ1Z2R1E1R2E2→E1=Z1-R1Q→Z2→E2=Z2-R2R1不變T→Z1副控制器反作用副控制器輸出控制閥氣開式控制閥關(guān)小→Q主控制器反作用R2→T復(fù)雜控制系統(tǒng)◆在干擾的作用下，主、副被控變量反向變化，即一個(gè)增加而另一個(gè)減小。TQZ1Z2R1E1R2E2→E1=Z1-R1Q→Z2→E2=Z2-R2R1不變T→Z1主控制器反作用R2復(fù)雜控制系統(tǒng)3.串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性串級(jí)控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力串級(jí)控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力Gc1(s)Gc2(s)Gv(s)Gp2(s)Gp1(s)Gm2(s)Gm1(s)R1(s)R2(s)Y1(s)Y2(s)--改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性G’p2(s)復(fù)雜控制系統(tǒng)設(shè)令結(jié)論：等效副對(duì)象的響應(yīng)速度比原副對(duì)象()，而且隨著副調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)的增加而越來(lái)越快。即對(duì)象的容量減小，因此慣性滯后也減小。復(fù)雜控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力Gc1(s)Gc2(s)Gv(s)Gp2(s)Gp1(s)Gm2(s)Gm1(s)Gd2(s)R1(s)R2(s)Y1(s)Y2(s)--D2(s)復(fù)雜控制系統(tǒng)Gc(s)Gv(s)Gp2(s)Gp1(s)Gm(s)Gd2(s)R1(s)Y1(s)Y2(s)-D2(s)復(fù)雜控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力

串級(jí)控制系統(tǒng)主環(huán)是一個(gè)定值系統(tǒng)，副環(huán)卻是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。從主調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)操作條件和負(fù)荷的變化，不斷修改副調(diào)節(jié)器的給定值來(lái)看，可以認(rèn)為串級(jí)控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。復(fù)雜控制系統(tǒng)等效副對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性

如果Kc2整定的足夠大，副環(huán)前向通道的放大倍數(shù)將遠(yuǎn)大于1，則

等效對(duì)象的放大倍數(shù)與副對(duì)象本身的放大倍數(shù)無(wú)關(guān)，僅與副回路測(cè)量變送元件的放大倍數(shù)有關(guān)。復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)控制品質(zhì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)Kc1=3.7TI=38Kc2=10Kc1=8.4TI=12.8衰減率0.750.75偏差00系統(tǒng)工作頻率0.0870.23二次干擾下的短期最大偏差0.240.011一次干擾下的短期最大偏差0.30.11復(fù)雜控制系統(tǒng)（1）主要干擾是冷卻水的溫度波動(dòng)。（2）主要干擾是冷卻水的壓力波動(dòng)。

反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行放熱反應(yīng)，釜內(nèi)溫度過(guò)高會(huì)發(fā)生事故。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度。復(fù)雜控制系統(tǒng)（1）主要干擾是冷卻水的溫度波動(dòng)。復(fù)雜控制系統(tǒng)（2）主要干擾是冷卻水的壓力波動(dòng)。復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)4.串級(jí)控制系統(tǒng)副回路的分析選擇原則：主、副變量有對(duì)應(yīng)關(guān)系副回路應(yīng)包含主要的和更多的干擾管式加熱爐出口溫度T復(fù)雜控制系統(tǒng)主要干擾：燃料油流量和壓力。出口溫度與燃料油流量串級(jí)控制系統(tǒng)主要干擾：原料油改變、原料油流量和壓力。出口溫度與爐膛溫度串級(jí)控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)應(yīng)匹配To1/To2=3-10

實(shí)際中應(yīng)根據(jù)具體對(duì)象或系統(tǒng)所希望達(dá)到的目的要求而定：（1）控制系統(tǒng)的目的是利用副環(huán)快速和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)去克服對(duì)象的主要干擾To2應(yīng)小一些（2）利用串級(jí)控制系統(tǒng)改善對(duì)象的特性To2應(yīng)大一些（3）利用串級(jí)控制系統(tǒng)克服對(duì)象的非線性To2與To2應(yīng)拉開一些復(fù)雜控制系統(tǒng)應(yīng)考慮工藝的合理性和可能性硫化床催化裂化反應(yīng)中的溫度與增壓風(fēng)風(fēng)量串級(jí)控制系統(tǒng)。主變量：反應(yīng)器溫度副變量：增壓風(fēng)量工作過(guò)程：反應(yīng)器的溫度反應(yīng)工藝情況，反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，其熱量是靠再生器燒焦的燃燒熱來(lái)補(bǔ)償?shù)?，并受載熱體與催化劑循環(huán)量或增壓風(fēng)量的影響。風(fēng)量大，催化劑循環(huán)量多，攜帶的熱量大，反應(yīng)溫度高。1－再生器2－反應(yīng)器3－分離器4－再生U型管5－待生U型管6－增風(fēng)機(jī)7－主風(fēng)機(jī)復(fù)雜控制系統(tǒng)

這個(gè)系統(tǒng)從理論上看是合理的，但是實(shí)際使用卻不理想。因?yàn)榇呋瘎┭h(huán)量的變動(dòng)必然影響反應(yīng)器內(nèi)催化劑儲(chǔ)存量的變化，而催化劑儲(chǔ)存量卻是催化裂化的一個(gè)重要操作條件，是應(yīng)該穩(wěn)定不變的。因此，這一串級(jí)控制方案對(duì)于工藝操作來(lái)說(shuō)是不合理的。如果把這一串級(jí)控制方案改為增壓風(fēng)量用一單回路控制系統(tǒng)來(lái)控制，以穩(wěn)定催化劑循環(huán)量，而反應(yīng)器溫度通過(guò)反應(yīng)器進(jìn)料的預(yù)熱來(lái)控制，則效果將會(huì)更好。實(shí)踐也證明，這樣的方案是可行的。溫度與增壓風(fēng)風(fēng)量串級(jí)控制系統(tǒng)。復(fù)雜控制系統(tǒng)要注意生產(chǎn)中的經(jīng)濟(jì)性冷卻器出口溫度與液位串級(jí)控制系統(tǒng)冷卻器出口溫度與蒸發(fā)壓力串級(jí)控制系統(tǒng)從控制角度看，壓力為副變量肯定比液位為副變量的方案要靈敏得多。從經(jīng)濟(jì)原則來(lái)考慮，以丙稀液位液面為副變量比以氣丙稀壓力為副變量的方案有節(jié)省。復(fù)雜控制系統(tǒng)例：精餾塔提餾段溫度控制主變量：提餾塔的某塔板的溫度中間變量：蒸汽流量、蒸汽壓力、加熱器中被加熱物質(zhì)的氣相流量精餾塔提餾段復(fù)雜控制系統(tǒng)（1）蒸汽流量作為副變量

只能快速地消除因蒸汽壓力變化引起的擾動(dòng)，對(duì)克服其他干擾基本不能發(fā)揮控制作用（沒有把其他干擾包括進(jìn)副回路），而且蒸汽流量本來(lái)時(shí)間常數(shù)就小，對(duì)系統(tǒng)等效副對(duì)象時(shí)間常數(shù)的減小作用不明顯。復(fù)雜控制系統(tǒng)（2）閥后加熱蒸汽壓力作為副變量

蒸氣在加熱器內(nèi)放出熱量而冷凝，冷凝溫度與壓力有關(guān)，所以閥后壓力副變量把壁厚變量包括在其中了。金屬壁通常有幾秒的時(shí)間常數(shù)，也就相當(dāng)于把這個(gè)時(shí)間常數(shù)包括進(jìn)副回路，提高了系統(tǒng)工作頻率提高。復(fù)雜控制系統(tǒng)（3）被加熱物質(zhì)的氣相流量作為副變量

副回路包含了加熱器液相側(cè)的滯后、壁溫容量、傳熱系數(shù)的變化等，這樣這些擾動(dòng)就能得到快速的糾正。但是，對(duì)克服蒸汽壓力的波動(dòng)就不如前兩個(gè)方案快速了。復(fù)雜控制系統(tǒng)蒸氣流量閥后蒸氣壓力物質(zhì)的氣相流量

以上對(duì)副變量的選擇討論都是從控制質(zhì)量角度來(lái)考慮的。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還需考慮工藝上的合理性和經(jīng)濟(jì)性。需要說(shuō)明一點(diǎn)，一方面副環(huán)包含的干擾增多，副環(huán)將隨之?dāng)U大，副變量離主變量就越近，副環(huán)調(diào)節(jié)器的靈敏度將降低，副環(huán)所起的快速控制作用就不明顯；另一方面，副變量離主變量比較近，干擾一旦影響到副變量，很快也就會(huì)影響到主變量，如果主、副對(duì)象時(shí)間常數(shù)比較接近，容易引起“共振”。這樣副環(huán)的作用也就不大了。因此，在考慮副環(huán)包含干擾時(shí)應(yīng)進(jìn)行綜合分析，使副環(huán)大小適度。復(fù)雜控制系統(tǒng)◆調(diào)節(jié)器控制作用的選擇（1）主變量是生產(chǎn)工藝的重要指標(biāo)，控制品質(zhì)要求高，副變量的引入主要是保證和提高主變量的控制精度。主調(diào)節(jié)器－－PI或PID副調(diào)節(jié)器－－P（2）生產(chǎn)工藝對(duì)主變量和副變量的要求都比較高主調(diào)節(jié)器－－PI副調(diào)節(jié)器－－PI5.串級(jí)控制系統(tǒng)的實(shí)施復(fù)雜控制系統(tǒng)（3）對(duì)主變量要求不高，甚至允許在一定范圍波動(dòng)，但要求副變量能快速、準(zhǔn)確地跟隨主調(diào)節(jié)器的輸出而變化。主調(diào)節(jié)器－－P副調(diào)節(jié)器－－PD（4）對(duì)主變量和副變量的要求都不高。主調(diào)節(jié)器－－P副調(diào)節(jié)器－－P結(jié)論：對(duì)主、副控制器控制規(guī)律的選擇應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，通過(guò)具體分析而妥善地選擇。復(fù)雜控制系統(tǒng)◆調(diào)節(jié)器控制正、反作用方式的選擇先副后主副回路：主回路：復(fù)雜控制系統(tǒng)例：確定如圖所示加熱爐出口溫度與燃料油壓力串級(jí)控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用。解：副環(huán)

調(diào)節(jié)閥副調(diào)節(jié)器為反作用(-)氣開式(+)副對(duì)象壓力對(duì)象(+)副變送器壓力傳感器(+)復(fù)雜控制系統(tǒng)主環(huán)主調(diào)節(jié)器為反作用(-)主對(duì)象溫度對(duì)象(+)副變送器壓力傳感器(+)復(fù)雜控制系統(tǒng)確定控制器的正反作用形式。閥門為氣關(guān)式。復(fù)雜控制系統(tǒng)◆串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)原則：采用“先投運(yùn)副環(huán)，后投運(yùn)主環(huán)”的投運(yùn)順序。投運(yùn)過(guò)程必須保證無(wú)擾動(dòng)切換。電動(dòng)Ⅲ型儀表組成的串級(jí)系統(tǒng)投運(yùn)工作步驟：設(shè)置主、副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值和正、反作用。通過(guò)手動(dòng)遙控副調(diào)節(jié)器，直到主變量穩(wěn)定在設(shè)定值附近。按先副后主的順序，依次將副調(diào)節(jié)器和主調(diào)節(jié)器切入自動(dòng)。復(fù)雜控制系統(tǒng)◆串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程整定兩步法(1)在主、副環(huán)閉合，主調(diào)節(jié)器都處于純比例的條件下，設(shè)置1＝100％，按單回路整定方法整定副環(huán)，得到副調(diào)節(jié)器的衰減率＝0.75時(shí)的比例帶2s和振蕩周期T2s。(2)副調(diào)節(jié)器處于純比例，設(shè)置2＝2s，用同樣的方法整定主調(diào)節(jié)器，得到主調(diào)節(jié)器在＝0.75下的比例帶1s和振蕩周期T1s。復(fù)雜控制系統(tǒng)(3)依據(jù)兩次整定求得的1s、2s和T1s、T2s，按所選調(diào)節(jié)器的類型，利用“衰減曲線法”的計(jì)算公式，分別求出主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)、TI、TD

。(4)將上述計(jì)算所得調(diào)節(jié)器參數(shù)，按先副后主、先比例次積分最后微分的順序在主、副調(diào)節(jié)器上設(shè)置好，觀察控制過(guò)程曲線。復(fù)雜控制系統(tǒng)逐次逼近法（1）斷開主環(huán)，按照單回路整定方法，求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，得到第一次整定值，記作[Gc2]1。（2）把剛整定好的副環(huán)作為主環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，仍按單回路整定方法，求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，記作[Gc1]1。（3）兩個(gè)回路都閉合，在主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)[Gc1]1的條件下，按單回路整定方法，重新求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)[Gc2]2

。復(fù)雜控制系統(tǒng)（4）在兩個(gè)回路閉合、副調(diào)節(jié)器整定參數(shù)為[Gc2]2的情況下，重新整定主調(diào)節(jié)器，得到[Gc1]2。（5）將上述計(jì)算所得調(diào)節(jié)器參數(shù)，按先副后主、先比例次積分最后微分的順序在主、副調(diào)節(jié)器上設(shè)置好，觀察控制過(guò)程曲線。復(fù)雜控制系統(tǒng)6.串級(jí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍用于克服對(duì)象的純滯后純滯后時(shí)間：90s造紙生產(chǎn)紙漿工作過(guò)程：紙漿從儲(chǔ)槽用泵送入混合器，在混合器內(nèi)用蒸汽直接加熱到72C左右，經(jīng)過(guò)立篩和圓篩除去雜質(zhì)后送到網(wǎng)前箱，再去銅網(wǎng)脫水制紙。工藝要求:

網(wǎng)前箱溫度恒定在61C,最大波動(dòng)范圍為1C復(fù)雜控制系統(tǒng)200s450s過(guò)渡時(shí)間1C8.5C最大偏差串級(jí)控制單回路控制紙漿流量波動(dòng)35kg/min網(wǎng)前箱溫度蒸氣流量串級(jí)控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)用于克服對(duì)象的容量滯后管式加熱爐

當(dāng)燃料油熱值改變時(shí)，原料油出口溫度響應(yīng)特性是一個(gè)純值后和一階非周期環(huán)節(jié)來(lái)近似，其純滯后時(shí)間為0.3min，時(shí)間常數(shù)為15min。

采用PID三作用的單回路控制系統(tǒng)，原料油出口溫度的波動(dòng)仍然比較大，從而影響到后面分餾塔的分離效果。復(fù)雜控制系統(tǒng)出口溫度與爐膛溫度串級(jí)控制系統(tǒng)

燃料油熱值變化對(duì)爐膛溫度的滯后時(shí)間較小,時(shí)間常數(shù)為3min,反應(yīng)較靈敏。管式加熱爐復(fù)雜控制系統(tǒng)用于克服變化劇烈和幅值大的干擾

蒸汽壓力波動(dòng)劇烈且幅值大。有時(shí)從0.5MPa突然下降到0.3MPa，變化了40％。塔底溫度：1.5C精餾塔精餾塔再沸器復(fù)雜控制系統(tǒng)精餾塔塔釜溫度串級(jí)控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)＝77％，最大偏差為10C。

串級(jí)控制系統(tǒng)2＝20％，最大偏差小于1.5C。從實(shí)測(cè)的記錄曲線上明顯地看出，當(dāng)干擾作用后，曲線只稍微波動(dòng)一下即平穩(wěn)下來(lái)了。復(fù)雜控制系統(tǒng)用于克服對(duì)象的非線性醋酸乙炔合成反應(yīng)爐

圖為醋酸乙炔合成反應(yīng)爐，其中部溫度在工藝上要求極其嚴(yán)格控制，否則難以保證合成氣的質(zhì)量。在它的控制通道中包含兩個(gè)熱交換器和一個(gè)合成反應(yīng)爐，當(dāng)醋酸和乙炔混合氣體流量發(fā)生變化時(shí)，換熱器的出口溫度隨著負(fù)荷的減小而顯著地增高，并呈明顯的非線性變化。復(fù)雜控制系統(tǒng)合成反應(yīng)爐中部溫度對(duì)換熱器出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)工藝要求:嚴(yán)格控制合成反應(yīng)爐的中部溫度。主變量－反應(yīng)爐的中部溫度副變量－換熱器出口溫度復(fù)雜控制系統(tǒng)用于自校正設(shè)定值1－提升管2－加料器3－待再生的催化劑煉油廠催化裂化裝置

反應(yīng)后結(jié)焦的催化劑通過(guò)加料器，由熱風(fēng)將其從提升管下面送至頂部后，進(jìn)入再生器燒焦再生。進(jìn)加料器的二次風(fēng)是加料用的熱風(fēng)，它的風(fēng)量是由反應(yīng)器的料面高低來(lái)決定的。進(jìn)加料器的一次風(fēng)是提升催化劑的熱風(fēng)，它的風(fēng)量不能太大，否則會(huì)導(dǎo)致催化劑從頂部吹出，但風(fēng)量也不能太小，否則催化劑將會(huì)落到加料器的底部，以致堵塞容器和管道，造成停產(chǎn)事故。復(fù)雜控制系統(tǒng)1－提升管2－加料器3－待再生的催化劑煉油廠催化裂化裝置反應(yīng)器料面增高加料器催化劑量增加一次風(fēng)阻力加大一次風(fēng)壓力增加一次風(fēng)量增加主變量－一次風(fēng)壓力副變量－一次風(fēng)流量復(fù)雜控制系統(tǒng)進(jìn)加料器一次風(fēng)壓力與一次風(fēng)流量串級(jí)控制系統(tǒng)1－提升管2－加料器3－待再生的催化劑復(fù)雜控制系統(tǒng)二、前饋控制系統(tǒng)1.前饋控制的基本原理前饋控制的基本思想：“防患于未然”，是根據(jù)輸入系統(tǒng)的擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行控制。前饋控制的原理：是力圖不給輸入的擾動(dòng)影響控制輸出的機(jī)會(huì)。反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)反饋是“按后果”控制，前饋是“按前因”控制。復(fù)雜控制系統(tǒng)工作過(guò)程：通過(guò)恰當(dāng)?shù)乃惴ㄊ箍刂谱饔迷趧?dòng)態(tài)及靜態(tài)上補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響。特點(diǎn)：（1）前饋控制是按照干擾作用的大小進(jìn)行控制的，一般比反饋控制及時(shí)。

當(dāng)干擾產(chǎn)生后，被控變量還未發(fā)生變化時(shí)，前饋控制器已產(chǎn)生了控制作用，在理論上可以把偏差徹底消除。復(fù)雜控制系統(tǒng)（2）前饋控制屬于“開環(huán)”控制系統(tǒng)。反饋前饋（3）前饋控制器可視為“專用”控制器。隨不同干擾通道的特性，其算法形式或參數(shù)也是不同的。缺點(diǎn)：前饋只能克服所測(cè)量的擾動(dòng)。復(fù)雜控制系統(tǒng)框圖：反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)

溫度控制器調(diào)節(jié)閥換熱器溫度測(cè)量變速器反饋控制系統(tǒng)框圖－溫度控制器調(diào)節(jié)閥換熱器溫度測(cè)量變速器冷物料流量前饋控制系統(tǒng)框圖復(fù)雜控制系統(tǒng)2.前饋調(diào)節(jié)器的算法形式GPD(s)GPC(s)Gff(s)FT式中，GPD(s)和GPC(s)分別為干擾通道與控制通道的傳遞函數(shù)。溫度控制器調(diào)節(jié)閥換熱器溫度測(cè)量變速器冷物料流量前饋控制系統(tǒng)框圖

當(dāng)前饋控制對(duì)擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)了全補(bǔ)償，則有以下等式成立：前饋控制器的數(shù)學(xué)模型前饋算法與干擾和控制通道的動(dòng)態(tài)特性密切相關(guān)復(fù)雜控制系統(tǒng)3.前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式(1)單純動(dòng)態(tài)前饋控制前饋控制系統(tǒng)特點(diǎn)：無(wú)反饋環(huán)算法：在任何時(shí)刻均實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的全補(bǔ)償復(fù)雜控制系統(tǒng)(2)單純靜態(tài)前饋控制只需要在穩(wěn)定下實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾量的補(bǔ)償。被控過(guò)程的干擾通道與控制通道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)相接近，那么只要靜態(tài)補(bǔ)償即可。靜態(tài)前饋調(diào)節(jié)器由比例器實(shí)現(xiàn)。復(fù)雜控制系統(tǒng)例：求換熱器靜態(tài)前饋控制器的動(dòng)作規(guī)律。換熱器的熱量平衡式為：式中，Cp為物料熱容；Hs為蒸汽的汽化潛熱；T1i為控制系統(tǒng)出口溫度的設(shè)定值。

物料流量F與進(jìn)料溫度T2為系統(tǒng)的主要干擾。換熱器前饋控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)換熱器的靜態(tài)前饋控制的信號(hào)流程圖靜態(tài)前饋控制算法復(fù)雜控制系統(tǒng)前饋控制的局限性：（1）在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，使被控參數(shù)變化的干擾是很多的，不可能針對(duì)每一個(gè)干擾設(shè)計(jì)和應(yīng)用一套獨(dú)立的前饋控制器。（2）決定前饋控制器的調(diào)節(jié)規(guī)律的是過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，而很難精確得到控制通道和干擾通道的動(dòng)態(tài)特性，既使能夠得到，有時(shí)也很難實(shí)現(xiàn)。（3）對(duì)不可測(cè)的干擾無(wú)法實(shí)現(xiàn)前饋控制。復(fù)雜控制系統(tǒng)（3）前饋-反饋控制系統(tǒng)換熱器前饋-反饋控制系統(tǒng)

只需要對(duì)主要干擾實(shí)行前饋控制，而其他擾動(dòng)還是由反饋修正。因?yàn)榉答伩刂瓶梢园輰?duì)前饋不能完全補(bǔ)償?shù)哪遣糠謹(jǐn)_動(dòng)的抑制，所以使得在建立前饋數(shù)學(xué)模型時(shí)的精度要求可以不那么嚴(yán)格，允許在實(shí)施前饋控制時(shí)采用通用模塊。同時(shí)也“自適應(yīng)”了工況變化時(shí)前饋模型特性的變化，而反饋控制也由于前饋控制對(duì)干擾所作及時(shí)的抑制，而大大減小了自身的負(fù)擔(dān)復(fù)雜控制系統(tǒng)Gff(s)GPD(s)GPC(s)GC(s)T1iT1F前饋－反饋系統(tǒng)控制框圖

當(dāng)換熱器負(fù)荷量F發(fā)生變化時(shí)，前饋調(diào)節(jié)器Gff按一定的控制規(guī)律改變加熱蒸汽流量Fs以補(bǔ)償F對(duì)被控變量T1的影響。其他干擾，如物料入口溫度、蒸汽壓力的波動(dòng)引起的T1變化以及由于前饋模型誤差引起的還未消除的偏差，由溫度控制器GPD克服。兩種控制作用在加法器中迭加，得到比較滿意的控制結(jié)果。復(fù)雜控制系統(tǒng)前饋控制器的動(dòng)作規(guī)律Gff(s)GPD(s)GPC(s)GC(s)T1iT1F前饋－反饋系統(tǒng)控制框圖應(yīng)用前饋原理，即GPD(s)+Gff(s)GPC(s)=0，有前饋-反饋與單純前饋實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)臈l件是相同的。復(fù)雜控制系統(tǒng)

當(dāng)物料流量F發(fā)生變化時(shí)，前饋控制器Gff(s)按一定的控制規(guī)律改變加熱流量Fs，補(bǔ)償F對(duì)被控變量T1的影響。工作過(guò)程Gff(s)GPD(s)GPC(s)GC(s)T1iT1F前饋－反饋系統(tǒng)控制框圖

當(dāng)物料入口溫度、蒸氣壓力的波動(dòng)時(shí)，溫度控制器Gc(s)按一定的控制規(guī)律改變加熱流量Fs，補(bǔ)償被控變量T1的變化。復(fù)雜控制系統(tǒng)前饋－反饋控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（1）由于在前饋系統(tǒng)中增加了反饋控制回路，這就大大地簡(jiǎn)化了原有前饋控制系統(tǒng)，只需對(duì)最主要的且是反饋控制不易克服的干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)償，而其它干擾均可由反饋控制予以校正。（2）由于反饋控制回路的存在，這就降低了對(duì)前饋調(diào)節(jié)器模型的精度要求，這為工程上實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單的前饋補(bǔ)償創(chuàng)造條件。（3）在反饋控制系統(tǒng)中，控制精度與其穩(wěn)定性是矛盾的，因而為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性而無(wú)法進(jìn)一步提高控制精度。復(fù)雜控制系統(tǒng)（4）前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)換熱器前饋－串級(jí)控制系統(tǒng)Gff(s)GPD(s)GC2(s)GC(s)T1iT1FGO2(s)GO2(s)復(fù)雜控制系統(tǒng)前饋控制器的動(dòng)作規(guī)律Gff(s)GPD(s)GC2(s)GC(s)T1iT1FGO2(s)GO2(s)

當(dāng)副回路的工作頻率高于主回路的工作頻率時(shí)，這時(shí)副回路是一個(gè)很好的隨動(dòng)系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)特性近似為1。應(yīng)用前饋原理，即GPD(s)+Gff(s)GPC(s)=0，有即前饋控制器復(fù)雜控制系統(tǒng)（5）前饋－反饋與串級(jí)控制系統(tǒng)比較Gc1(s)Gc2(s)Gv(s)Gp2(s)Gp1(s)Gm2(s)Gm1(s)Gd2(s)R1(s)R2(s)Y1(s)Y2(s)--D2(s)串級(jí)控制前饋－反饋控制Gff(s)GPD(s)GPC(s)GC(s)R(s)Y(s)D(s)復(fù)雜控制系統(tǒng)4.前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用條件1、對(duì)象的滯后或純滯后較大，反饋控制難以滿足工藝要求時(shí)。把主要干擾引入前饋控制，構(gòu)成前饋－反饋控制系統(tǒng)。2、系統(tǒng)中存在著可測(cè)、不可控、變化頻繁、幅值大且對(duì)被控變量影響顯著的干擾。3、當(dāng)工藝上要求實(shí)現(xiàn)變量間的某種特殊關(guān)系，需要通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。復(fù)雜控制系統(tǒng)5.前饋控制系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用實(shí)例（1）葡萄糖濃度前饋－反饋控制系統(tǒng)50％73％葡萄糖濃度前饋－反饋控制系統(tǒng)

由蒸發(fā)工藝可知：在給定壓力下，溶液的濃度同溶液的沸點(diǎn)與水的沸點(diǎn)之差（即溫差）有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，故選溫差為被控參數(shù)。影響葡萄糖濃度的因素：（1）進(jìn)料溶液濃度、溫度和流量（2）加熱蒸氣的壓力和流量復(fù)雜控制系統(tǒng)50％73％葡萄糖濃度前饋－反饋控制系統(tǒng)工作過(guò)程：將初蒸濃度為50％的葡萄糖液，用泵送入升降膜式蒸發(fā)器，經(jīng)蒸氣加熱蒸發(fā)至73％的葡萄糖液，然后送至后道工序結(jié)晶。

加熱蒸氣流量為前饋信號(hào)、溫度為被控參數(shù)、進(jìn)料溶液流量為控制參數(shù)的前饋－反饋控制系統(tǒng)。復(fù)雜控制系統(tǒng)(2)鍋爐給水控制系統(tǒng)鍋爐三沖量前饋串級(jí)控制系統(tǒng)被控參數(shù)：汽包水位主要干擾：蒸氣流量給水量工藝要求：當(dāng)氣包水位過(guò)高時(shí)，會(huì)造成蒸氣帶液，其結(jié)果不僅降低了蒸氣的產(chǎn)量和質(zhì)量，而且會(huì)損壞汽輪機(jī)葉片；當(dāng)水位過(guò)低時(shí)，輕則影響汽水平衡，重則會(huì)燒干鍋爐，甚至?xí)疱仩t爆炸。所以必須控制水位在規(guī)定的工藝范圍內(nèi)。負(fù)荷：蒸氣流量控制變量：給水量復(fù)雜控制系統(tǒng)鍋爐三沖量前饋串級(jí)控制系統(tǒng)

采用蒸氣流量位前饋信號(hào)，汽包水位（主參數(shù)）和給水流量（副參數(shù)）串級(jí)，構(gòu)成前饋－反饋串級(jí)控制系統(tǒng)。虛假水位：在進(jìn)水量不變的情況下，當(dāng)蒸氣用量（即負(fù)荷）突燃然增加時(shí)，會(huì)使汽包內(nèi)的水位突然降低，水的沸騰加劇，加速汽化，汽泡量也突然增加，由于汽泡的體積比水的體積大很多倍，結(jié)果形成了汽包內(nèi)水位升高的假象。反之，當(dāng)蒸氣量突然減少時(shí)，汽包內(nèi)蒸氣原理急劇上升，水的沸騰暫時(shí)停止，結(jié)果造成水位瞬時(shí)下降的假象。復(fù)雜控制系統(tǒng)三、比值控制系統(tǒng)比值控制的目的

為了實(shí)現(xiàn)使幾種物料混合符合一定的比例關(guān)系，使生產(chǎn)能安全正常進(jìn)行。比值控制系統(tǒng)的定義

實(shí)現(xiàn)使兩個(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)。1.比值控制概述復(fù)雜控制系統(tǒng)主物料（主動(dòng)量、主流量）Q1(QM)

在需要保持比值關(guān)系的兩種物料中，處于主導(dǎo)地位的物料。從物料（從動(dòng)量、副流量）Q2(QS)

按主物料進(jìn)行配比，也即在控制過(guò)程中隨主物料而變化。復(fù)雜控制系統(tǒng)比值控制原理

實(shí)現(xiàn)副流量Q2(QS)與主流量Q1(QM)成一定的比關(guān)系。復(fù)雜控制系統(tǒng)2.比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型(1)開環(huán)比值控制系統(tǒng)設(shè)定值比值器控制閥測(cè)量變送器Q2Q1-+√方框圖復(fù)雜控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)：Q2=KQ1。動(dòng)態(tài)：當(dāng)主動(dòng)量Q1在某一時(shí)刻由于干擾作用而發(fā)生變化時(shí)，比值控制器按Q1對(duì)設(shè)定值的偏差動(dòng)作，按一定的規(guī)律發(fā)出控制信號(hào)去改變調(diào)節(jié)閥的開度，從而使從動(dòng)量Q2重新與變化后的Q1保持原來(lái)的比例關(guān)系?！坦ぷ鬟^(guò)程設(shè)定值比值器控制閥測(cè)量變送器Q2Q1-+

當(dāng)從動(dòng)量Q2受到外界干擾而發(fā)生波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)如何工作？復(fù)雜控制系統(tǒng)(2)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)√方框圖控制器控制閥副測(cè)量變送器Q2Q1-+比值器主測(cè)量變送器副流量對(duì)象復(fù)雜控制系統(tǒng)√工作過(guò)程控制器控制閥副測(cè)量變送器Q2Q1-+比值器主測(cè)量變送器副流量對(duì)象穩(wěn)態(tài)：Q2=KQ1。動(dòng)態(tài)：主動(dòng)量Q1不變，從動(dòng)量Q2變化比值器輸出保持不變，此時(shí)從動(dòng)量回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)從動(dòng)量回路的控制作用，把變化了的Q2再調(diào)回到穩(wěn)定值，維持Q1與Q2的比值關(guān)系不變。主動(dòng)量Q1變化，從動(dòng)量Q2不變比值器經(jīng)過(guò)比值運(yùn)算后其輸出也相應(yīng)發(fā)生變化。此時(shí)，從動(dòng)量回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，它將使從動(dòng)量Q2隨著主動(dòng)量Q1的變化而成比例的變化，使變化后的Q1和Q2仍維持原來(lái)的比值關(guān)系不變。復(fù)雜控制系統(tǒng)主動(dòng)量Q1和從動(dòng)量Q2同時(shí)變化從動(dòng)量回路的控制過(guò)程是上述兩種情況的疊加，不過(guò)從動(dòng)量回路首先應(yīng)滿足Q2隨Q1成比值關(guān)系的變化?？刂破骺刂崎y副測(cè)量變送器Q2Q1-+比值器主測(cè)量變送器副流量對(duì)象缺點(diǎn)主動(dòng)量波動(dòng)大時(shí)，難以保證Q1與Q2的動(dòng)態(tài)比值。主動(dòng)量、從動(dòng)量是可變的，不能保證總的物料兩固定不變。復(fù)雜控制系統(tǒng)總結(jié)：?jiǎn)伍]環(huán)比值控制系統(tǒng)，能克服副流量的波動(dòng)，能隨著主流量的變化而變化，使Q1與Q2保持比值關(guān)系。但是單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)不能克服主流量的變化，當(dāng)希望主流量也穩(wěn)定時(shí)，單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)就無(wú)法勝任良。因此它應(yīng)用于主流量不允許被控制的場(chǎng)合和主流量沒有必要進(jìn)行控制的場(chǎng)合。復(fù)雜控制系統(tǒng)例：鍋爐燃燒過(guò)程的比值控制系統(tǒng)燃料空氣畫出系統(tǒng)的方框圖復(fù)雜控制系統(tǒng)(3)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)√方框圖控制器控制閥副測(cè)量變送器Q1-+比值器主流量對(duì)象控制器控制閥副測(cè)量變送器Q2-+副流量對(duì)象設(shè)定值復(fù)雜控制系統(tǒng)√工作過(guò)程1、主動(dòng)量回路對(duì)其進(jìn)行定值控制，使主動(dòng)量始終穩(wěn)定在設(shè)定值附近。2、使從動(dòng)量回路的設(shè)定值發(fā)生變化，使從動(dòng)量Q2隨著主動(dòng)量Q1的變化而成比例地變化。

和單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)一樣，經(jīng)過(guò)從動(dòng)量回路的調(diào)節(jié)，使從動(dòng)量穩(wěn)定在比值器輸出值上。主動(dòng)量受到干擾發(fā)生變化從動(dòng)量受到干擾發(fā)生變化復(fù)雜控制系統(tǒng)√優(yōu)點(diǎn)主動(dòng)量平穩(wěn)，從動(dòng)量也比較平穩(wěn)，系統(tǒng)總的物料量是穩(wěn)定的。升降負(fù)荷時(shí)，只需改變主動(dòng)量回路控制器的設(shè)定值，就可以使從動(dòng)量同步升降，保持兩種物料的比值不變。復(fù)雜控制系統(tǒng)√應(yīng)用場(chǎng)合主動(dòng)量干擾比較頻繁的場(chǎng)合需要升降負(fù)荷的場(chǎng)合工藝上不允許負(fù)荷有較大波動(dòng)的場(chǎng)合√注意防止從動(dòng)量回路產(chǎn)生“共振”主、從控制器應(yīng)選擇PI控制作用，不宜采用微分作用。復(fù)雜控制系統(tǒng)例：烷基化裝置中的雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)工藝要求：進(jìn)入反應(yīng)器的異丁烷－丁烯要求按比例配以催化劑硫酸，同時(shí)又要求各自的流量比較穩(wěn)定。復(fù)雜控制系統(tǒng)(4)變比值控制系統(tǒng)√方框圖

進(jìn)料的燃料和空氣要保持一定的比值關(guān)系，以維持正常的燃燒，燃燒的實(shí)際情況要從加熱爐出煙的氧含量來(lái)加以判斷。復(fù)雜控制系統(tǒng)√工作過(guò)程主、副動(dòng)量受到干擾發(fā)生變化

副回路是單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，其工作過(guò)程與單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)相同。主變量受到干擾發(fā)生變化

其工作過(guò)程與串級(jí)控制系統(tǒng)中一次干擾對(duì)主變量的影響相同。復(fù)雜控制系統(tǒng)3.比值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）主、從動(dòng)量的選擇分析兩種物料的供應(yīng)情況，將有可能供應(yīng)不足的物料流量作為主動(dòng)量，供應(yīng)充足的物料流量作為從動(dòng)量。把對(duì)生產(chǎn)負(fù)荷起關(guān)鍵作用的物料作為主動(dòng)量。從安全角度出發(fā)，分析兩種物料流量分別在失控情況下，看哪一種情況必須保持比值一定，就將這種情況下的那種物料流量作為主動(dòng)量。復(fù)雜控制系統(tǒng)（2）比值系數(shù)的折算實(shí)際流量比值儀表的比值系數(shù)◆流量變送器的輸出信號(hào)與流量成線性關(guān)系

當(dāng)流量由零變至最大值Qmax時(shí),儀表對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)由4mA變到20mA，則流量的任意中間值Q所對(duì)應(yīng)的輸出電流為復(fù)雜控制系統(tǒng)◆流量變送器的輸出信號(hào)與流量成非線性關(guān)系

流量檢測(cè)信號(hào)未經(jīng)開方處理時(shí)，流量與壓差的關(guān)系為，當(dāng)壓差信號(hào)由零變到最大值pmax時(shí),變送器的輸出電流由4mA變到20mA。復(fù)雜控制系統(tǒng)例：一比值控制系統(tǒng)如圖所示。其比值用DDZ-Ⅲ型乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)。已知Q1max＝7000kg/h，Q2max=4000kg/h。要求:1.畫出該系統(tǒng)框圖。2.若已知I0=16mA，求該比值系統(tǒng)的比值K=?比值系數(shù)K’=?3.待該比值系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，測(cè)得I1=12mA，試計(jì)算此時(shí)的I2＝？解：1.復(fù)雜控制系統(tǒng)2.由得由題可知，測(cè)量值與實(shí)際值成線性關(guān)系3.系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，乘法器的輸出為復(fù)雜控制系統(tǒng)3.比值控制系統(tǒng)的參數(shù)整定（1）變比值控制系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)上是串級(jí)控制系統(tǒng)，因此其主控制器的參數(shù)整定可按串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行。（2）單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)從動(dòng)量回路與變比值控制系統(tǒng)的變比值回路的整定方法和要求基本相同。復(fù)雜控制系統(tǒng)

整定步驟根據(jù)工藝要求的流量比值K換算出儀表信號(hào)比值K’，按K’進(jìn)行投入運(yùn)行將積分時(shí)間置于最大，由大到小逐步改變比例帶直到在階躍干擾下過(guò)渡過(guò)程處于振蕩與不振蕩的臨界過(guò)程為止。如果有積分作用，則適當(dāng)放寬比例帶的情況下，逐步緩慢的減小積分時(shí)間，直到出現(xiàn)振蕩與不振蕩的臨界過(guò)程或稍有一點(diǎn)過(guò)調(diào)情況為止。復(fù)雜控制系統(tǒng)（3）雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主動(dòng)量回路主動(dòng)量回路是定值控制系統(tǒng)，原則上按單回路定值控制系統(tǒng)進(jìn)行整定。復(fù)雜控制系統(tǒng)四、均勻控制的概念工藝要求：為了保證精餾塔的生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定進(jìn)行，要求每個(gè)塔的塔底液位穩(wěn)定，進(jìn)料量保持平衡。石油裂解分離塔

為了將石油裂解氣分離成甲烷、乙炔、丙烷、丁烷、乙烯、丙稀等，前后串聯(lián)了八個(gè)塔，除了保證產(chǎn)品塔將產(chǎn)品送至儲(chǔ)罐外，其余各塔都是將物料連續(xù)送往下一個(gè)塔進(jìn)行分離。復(fù)雜控制系統(tǒng)塔底液位穩(wěn)定液位定值控制系統(tǒng)液位定值控制系統(tǒng)進(jìn)料量保持平衡流量定值控制系統(tǒng)流量定值控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)√A塔要實(shí)現(xiàn)其液位穩(wěn)定，是通過(guò)控制它的出料量來(lái)實(shí)現(xiàn)的其要保證液位穩(wěn)定，它的出料量必然不穩(wěn)定。√A塔的出料量恰恰又是B塔的進(jìn)料量。B塔的流量控制系統(tǒng)要保證其進(jìn)料量的穩(wěn)定，勢(shì)必造成A塔的液位不穩(wěn)定；√A塔的液位控制系統(tǒng)勢(shì)必造成B塔的進(jìn)料量不穩(wěn)定。分析：存在的問(wèn)題：進(jìn)料平穩(wěn)和液位穩(wěn)定是相互矛盾的。復(fù)雜控制系統(tǒng)解決的方法：在兩塔之間增設(shè)一個(gè)有一定容量的緩沖罐。采用均勻控制系統(tǒng)。條件－工藝應(yīng)該允許前一塔的液位和后一塔的進(jìn)料在一定范圍內(nèi)可以緩慢變化。復(fù)雜控制系統(tǒng)工作過(guò)程:A塔的液位受到干擾偏離設(shè)定值時(shí)，并不采取很強(qiáng)的控制作用，立即改變閥門的開度，以使出料量大幅波動(dòng)，換取液位的穩(wěn)定；而是采取比較弱的控制作用，緩慢地調(diào)節(jié)控制閥的開度，以使出料量緩慢變化來(lái)克服液位所受到的干擾。在這個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程種中，允許液位適當(dāng)偏離設(shè)定值。從而使A塔的液位和B塔的進(jìn)料量都被控制在允許的范圍內(nèi)。復(fù)雜控制系統(tǒng)定義：使兩個(gè)有關(guān)聯(lián)的被控變量在規(guī)定范圍內(nèi)緩慢地均勻地變化，使前后設(shè)備在物料的供求關(guān)系上相互兼顧、均勻協(xié)調(diào)的系統(tǒng)稱之為均勻控制系統(tǒng)。特點(diǎn)：兩被控變量都應(yīng)該是變化的。復(fù)雜控制系統(tǒng)兩個(gè)被控變量的調(diào)節(jié)過(guò)程應(yīng)該是緩慢的。兩個(gè)被控變量的變化范圍應(yīng)在工藝允許的操作范圍內(nèi)。復(fù)雜控制系統(tǒng)2.均勻控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式(1)簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)與純液位定值控制系統(tǒng)相同控制規(guī)律：PI參數(shù)整定：比例帶要寬，積分時(shí)間要長(zhǎng)。（＝100％－200％；TI為幾分鐘到幾十分)適用范圍：干擾較小、對(duì)流量的均勻程度要求較低的場(chǎng)合。復(fù)雜控制系統(tǒng)2、串級(jí)均勻控制系統(tǒng)主控制器：PI控制器動(dòng)作規(guī)律副控制器：P或PI典型串級(jí)控制系統(tǒng)參數(shù)整定：主控制器：比例帶要寬，積分時(shí)間要長(zhǎng)（與簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)系統(tǒng)）。副控制器：比例帶要寬，積分時(shí)間要短。（＝100％－200％；TI＝0.1－1min)復(fù)雜控制系統(tǒng)