化工儀表及自動化第十三章復雜控制系統(tǒng)

化工儀表及自動化第十三章復雜控制系統(tǒng)內(nèi)容提要串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)概述串級控制系統(tǒng)的特點及應用主、副控制器控制規(guī)律的選擇主、副控制器正反作用的選擇控制器參數(shù)工程整定與系統(tǒng)投運其他復雜控制系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng)1內(nèi)容提要串級控制系統(tǒng)1內(nèi)容提要比值控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)取代控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)多沖量控制系統(tǒng)2內(nèi)容提要比值控制系統(tǒng)2概述3根據(jù)根據(jù)系統(tǒng)的結構和所擔負的任務復雜控制系統(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)選擇控制系統(tǒng)

三沖量控制系統(tǒng)概述3根據(jù)根據(jù)系統(tǒng)的結構和所擔負的任務復雜控制系統(tǒng)串級控制系第一節(jié)串級控制系統(tǒng)一、串級控制系統(tǒng)概述4

當對象的滯后較大，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)的結構及其工作原理

可延長爐子壽命，防止爐管燒壞；可保證后面精餾分離的質(zhì)量?？刂坪脺囟葓D13-1管式加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)第一節(jié)串級控制系統(tǒng)一、串級控制系統(tǒng)概述4當對第一節(jié)串級控制系統(tǒng)

在實際生產(chǎn)過程中，特別是當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

5第一節(jié)串級控制系統(tǒng)在實際生產(chǎn)過程中，特別是當?shù)谝还?jié)串級控制系統(tǒng)6

當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。當工藝上要求原料油的出口溫度非常嚴格時，為了解決容量滯后問題，還需對加熱爐的工藝作進一步分析。原因第一節(jié)串級控制系統(tǒng)6當燃料壓力或燃料本身的熱值第一節(jié)串級控制系統(tǒng)7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13-3管式加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)的方框圖圖13-2管式加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)第一節(jié)串級控制系統(tǒng)7以原料油出口溫度為主要被控變量的爐出口第一節(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)的結構看，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，在串級控制系統(tǒng)中起主導作用的被控變量。8第一節(jié)串級控制系統(tǒng)在上述控制系統(tǒng)中，有兩個控第一節(jié)串級控制系統(tǒng)9主對象為主變量表征其特性的生產(chǎn)設備。副對象為副變量表征其特性的工藝生產(chǎn)設備。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。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)9主對象為主變量表征其特性的生產(chǎn)設備。副第一節(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10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、副控制第一節(jié)串級控制系統(tǒng)11圖13-4串級控制系統(tǒng)典型方塊圖第一節(jié)串級控制系統(tǒng)11圖13-4串級控制系統(tǒng)典型方塊圖第一節(jié)串級控制系統(tǒng)二、串級控制系統(tǒng)的特點及應用121.系統(tǒng)的結構串級控制系統(tǒng)有兩個閉合回路。主回路是個定值控制系統(tǒng),副回路是個隨動系統(tǒng)。在串級控制系統(tǒng)中,主變量是反映產(chǎn)品質(zhì)量或生產(chǎn)過程運行情況的主要工藝參數(shù)。副變量的引入往往是為了提高主變量的控制質(zhì)量,它是基于主,副變量之間具有一定的內(nèi)在關系而工作的。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)二、串級控制系統(tǒng)的特點及應用121.系第一節(jié)串級控制系統(tǒng)選擇串級控制系統(tǒng)的副變量一般有兩類情況：

一類情況是選擇與主變量有一定關系的某一中間變量作為副變量;另一類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,減小對主變量的影響。13第一節(jié)串級控制系統(tǒng)選擇串級控制系統(tǒng)的副變量一般有兩類情況第一節(jié)串級控制系統(tǒng)14舉例

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。圖13-5精餾塔塔釜溫度串級控制系統(tǒng)1—精餾塔；2—再沸器第一節(jié)串級控制系統(tǒng)14舉例通過這套串級控制系統(tǒng)第一節(jié)串級控制系統(tǒng)

在上例中，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。15第一節(jié)串級控制系統(tǒng)在上例中，選擇的副第一節(jié)串級控制系統(tǒng)(1)干擾作用于副回路F2引起θ2變化，控制器T2C及時進行控制，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再由主回路進一步控制，徹底消除干擾的影響，使被控變量回復到給定值。162.系統(tǒng)的特性第一節(jié)串級控制系統(tǒng)(1)干擾作用于副回路F2引起θ2變化，第一節(jié)串級控制系統(tǒng)

由于副回路控制通道短，時間常數(shù)小，所以當干擾進入回路時，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。在確定副回路時，除了要考慮它的快速性外，還應該使副回路包括主要干擾，可能條件下應力求包括較多的次要干擾。小結17第一節(jié)串級控制系統(tǒng)由于副回路控制通道第一節(jié)串級控制系統(tǒng)圖13-6加熱爐出口溫度與燃料油壓力串級控制系統(tǒng)如果燃料油的壓力比較穩(wěn)定,而燃料油的組分波動較大,那么,該圖串級控制系統(tǒng)的副回路作用就不大。18第一節(jié)串級控制系統(tǒng)圖13-6加熱爐出口溫度與燃料油壓力第一節(jié)串級控制系統(tǒng)(2)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。19第一節(jié)串級控制系統(tǒng)(2)干擾同時作用于副回路和主對象在干擾第一節(jié)串級控制系統(tǒng)20主、副變量的變化方向相反，一個增加，另一個減小。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)20主、副變量的變化方向相反，一個增加，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；主回路具有后調(diào)、細調(diào)、慢調(diào)的特點，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、相互補充，充分發(fā)揮了控制作用，大大提高了控制質(zhì)量。小結21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第一節(jié)串級控制系統(tǒng)

3.自適應能力由于增加了副回路,使串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應能力,可用于負荷和操作條件有較大變化的場合。當對象的滯后和時間常數(shù)很大,干擾作用強而頻繁,負荷變化大,簡單控制系統(tǒng)滿足不了要求時,使用串級控制系統(tǒng)是合適的,尤其是當主要干擾來自控制閥方面時,選擇控制介質(zhì)的流量或壓力作為副變量來構成串級控制系統(tǒng)是很適宜的。22第一節(jié)串級控制系統(tǒng)3.自適應能力由于增加了副回路第一節(jié)串級控制系統(tǒng)三、主、副控制器控制規(guī)律的選擇23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，以實現(xiàn)主變量的無差控制。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。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)三、主、副控制器控制規(guī)律的選擇23目的為第一節(jié)串級控制系統(tǒng)選擇方法序號對變量的要求應選控制規(guī)律備注主變量副變量主控副控1234重要指標,要求很高主要指標,要求較高允許變化,要求不高要求不高,互相協(xié)調(diào)允許變化,要求不嚴主要指標,要求較高要求較高,變化較快要求不高,互相協(xié)調(diào)PIPIPPPPIPIP主控必要時引入微分工程上很少采用表13-1主、副變量不同時應選用的控制規(guī)律24第一節(jié)串級控制系統(tǒng)選擇方法序號對變量的要求應選控制規(guī)律備第一節(jié)串級控制系統(tǒng)25四、主、副控制器正反作用的選擇串級控制系統(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、氣關形式后，按照使副控制回路成為一個負反饋系統(tǒng)的原則來確定。例如圖13-2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。為使副回路構成一個負反饋系統(tǒng)，副控制器T2C選擇“反”方向。1.副控制器作用方向的選擇第一節(jié)串級控制系統(tǒng)25四、主、副控制器正反作用的選擇第一節(jié)串級控制系統(tǒng)

當主、副變量增加（減?。r，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，主控制器應選“反”作用；反之，則應選“正”作用。262.主控制器作用方向的選擇例如圖13-2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應確定為反作用方向。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)當主、副變量增加（減第一節(jié)串級控制系統(tǒng)五、控制器參數(shù)整定與系統(tǒng)投運27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)五、控制器參數(shù)整定與系統(tǒng)投運27串級控制第一節(jié)串級控制系統(tǒng)（1）在工況穩(wěn)定，主、副控制器都在純比例作用運行的條件下，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28第一節(jié)串級控制系統(tǒng)（1）在工況穩(wěn)定，主、副控制器都在純比例第一節(jié)串級控制系統(tǒng)29（3）根據(jù)上面得到的δ1s、T1s、δ2s、T2s，按表12-3（或表12-4）的規(guī)定關系計算主、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)29（3）根據(jù)上面得到的δ1s、T1s、第一節(jié)串級控制系統(tǒng)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?？蛇m當減小副控制器比例度或積分時間，以達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。30第一節(jié)串級控制系統(tǒng)共振問題如果主、副對象時間常數(shù)相第一節(jié)串級控制系統(tǒng)2.一步整定法副控制器的參數(shù)按經(jīng)驗直接確定,主控制器的參數(shù)按簡單控制系統(tǒng)整定。實踐證明

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，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。31第一節(jié)串級控制系統(tǒng)2.一步整定法副控制器的參數(shù)按經(jīng)第一節(jié)串級控制系統(tǒng)32副變量放大倍數(shù)Kc2比例度δ2s／％溫度壓力流量液位5.0～1.73.0～1.42.5～1.255.0～1.2520～6030～7040～8020～80表13-2采用一步整定法時副變量的選擇范圍第一節(jié)串級控制系統(tǒng)32副變量放大倍數(shù)Kc2比例度δ2s／％第一節(jié)串級控制系統(tǒng)33一步整定法的整定步驟：

（1）在生產(chǎn)正常，系統(tǒng)為純比例運行的條件下，按照表13-2所列的數(shù)據(jù)，將副控制器比例度調(diào)到某一適當?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)33一步整定法的整定步驟：（1）在生產(chǎn)第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)一、均勻控制系統(tǒng)34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)，希望進料量盡量不變或少變。甲、乙兩塔間的供求關系出現(xiàn)了矛盾。

為了解決前后工序供求矛盾，達到前后兼顧協(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)。圖13-7前后精餾塔的供求關系

1—出料閥；2—小閥1.均勻控制的目的第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)一、均勻控制系統(tǒng)34甲塔:為了穩(wěn)定操第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)35均勻控制的要求（1）兩個變量在控制過程中都應該是緩慢變化的。（2）前后互相聯(lián)系又互相矛盾的兩個變量應保持在所允許的范圍內(nèi)波動。圖13-8前一設備的液位和后一設備的進料量之關系1—液位變化曲線；2—流量變化曲線第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)35均勻控制的要求（1）兩個變量在控第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)362.均勻控制方案目的

為了協(xié)調(diào)液位與排出流量之間的關系，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)整定來實現(xiàn)。圖13-9簡單均勻控制（1）簡單均勻控制第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)362.均勻控制方案目的第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)37（2）串級均勻控制

可在簡單均勻控制方案基礎上增加一個流量副回路，即構成串級均勻控制。參數(shù)整定的方法由小到大地進行調(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?shù)姆e分作用。圖13-10串級均勻控制第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)37（2）串級均勻控制可第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)特點由于增加了副回路，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)兩個變量間的關系是通過控制器參數(shù)整定來實現(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。38第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)特點由于增加了副回路，可以及第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)二、比值控制系統(tǒng)39工業(yè)上為了保持兩種或兩種以上物料的比值為一定的控制叫比值控制。幾個概念主物料、主動信號從物料、從動信號第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)二、比值控制系統(tǒng)39工業(yè)上為第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)401.開環(huán)比值控制比值控制系統(tǒng)的類型：從物料量Q2與主物料量Q1的比值關系為圖13-11開環(huán)比值控制第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)401.開環(huán)比值控制比值控制系統(tǒng)的類第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)

結構簡單，只需一臺純比例控制器，其比例度可以根據(jù)比值要求來設定。主、副流量均開環(huán)；這種比值控制方案對從物料量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。

41特點第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)結構簡單，只需一臺純比例控制器，其第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)422.單閉環(huán)比值控制

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)的基礎上，通過增加一個副流量的閉環(huán)控制系統(tǒng)而組成的。

圖13-12單閉環(huán)比值控制這種方案的優(yōu)點是結構簡單,能確保兩流量比值不變,是應用最多的方案。第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)422.單閉環(huán)比值控制第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)在比值控制系統(tǒng)中,我們一般用比值系數(shù)K′來表示兩種物料經(jīng)過變送器以后的流量信號之間的比值，假定（13-1）當流量信號與流量成線性關系時,則有（13-2）當流量信號與流量成平方關系時,則有（13-3）43第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)在比值控制系統(tǒng)中,我們一般用第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)443.變比值控制系統(tǒng)

要求兩種物料的比值能靈活地隨第三參數(shù)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13-13變比值控制系統(tǒng)第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)443.變比值控制系統(tǒng)第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)三、前饋控制系統(tǒng)45反饋與前饋圖13-14換熱器的反饋控制圖13-15換熱器的前饋控制第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)三、前饋控制系統(tǒng)45反饋與前饋圖13第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)反饋控制與前饋控制比較不論什么干擾,只要引起被控變量變化,都可以進行控制,這是反饋控制的優(yōu)點。前饋控制是一種按擾動變化大小進行控制的系統(tǒng),控制作用在擾動發(fā)生的同時就產(chǎn)生,這就是前饋控制的主要特點。往往用“前饋”來克服主要干擾,再用“反饋”來克服其他干擾,組成“復合”的前饋-反饋控制系統(tǒng)。46第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)反饋控制與前饋控制比較不論什么干擾第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)圖13-16換熱器的前饋-反饋控制

用前饋控制來克服由于進料量波動對被控變量θ的影響,而用溫度控制器的控制作用來克服其他干擾對被控變量θ的影響,前饋與反饋控制作用相加,共同改變加熱蒸汽量,以使出料溫度θ維持在給定值上。47第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)圖13-16換熱器的前饋-反饋控制第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)四、取代控制系統(tǒng)48一般控制系統(tǒng),都是在正常工況下工作的。當生產(chǎn)不正常時，通常的處理辦法有兩種，一種是改用手動遙控；另一種是聯(lián)鎖保護緊急停車，防止事故發(fā)生，即所謂硬限控制。由于硬限控制對生產(chǎn)和操作都不利，近年來采用了安全軟限控制。第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)四、取代控制系統(tǒng)48一般控制第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)49生產(chǎn)的軟限措施當一個變量將要達到危險值時,就適當降低生產(chǎn)要求,讓它暫時維持生產(chǎn),并逐漸調(diào)整生產(chǎn),使之朝正常工況發(fā)展。實現(xiàn)軟限控制系統(tǒng),稱為取代控制系統(tǒng),又稱為選擇性控制系統(tǒng)。第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)49生產(chǎn)的軟限措施第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)控制器Ⅰ控制器Ⅱ選擇器控制閥參數(shù)Ⅰ參數(shù)Ⅱ⊕⊕圖13-17取代控制示意圖圖13-18輔助鍋爐壓力取代控制系統(tǒng)50第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)控制器Ⅰ控制器Ⅱ選擇器控制閥參數(shù)Ⅰ參第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)五、分程控制系統(tǒng)

分程控制就是由一只調(diào)節(jié)器的輸出信號控制兩只或更多只控制閥,每只控制閥在控制器輸出信號的某段范圍內(nèi)工作。圖13-19分程控制示意框圖51第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)五、分程控制系統(tǒng)分程控制就是第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)從控制系統(tǒng)的結構來看,分程控制屬于單回路的定值控制系統(tǒng),其控制過程與簡單控制系統(tǒng)一樣。分程控制系統(tǒng)常用的應用場合：1.生產(chǎn)中需用多種物料作調(diào)節(jié)介質(zhì)的過程圖13-20熱交換器溫度分程控制采用熱水與蒸汽兩種不同物料作為調(diào)節(jié)介質(zhì),在一般控制系統(tǒng)中難于實現(xiàn),但在分程控制系統(tǒng)中,不僅充分利用了熱水,而且節(jié)省了蒸汽。52第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)從控制系統(tǒng)的結構來看,分程控第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)2.用來保證在不同負荷下的正?？刂朴袝r生產(chǎn)過程負荷變化很大,要求有較大范圍的流量變化。若用一個控制閥,由于控制閥的可調(diào)范圍R是有限的,當最大流量和最小流量相差太懸殊時,就會降低控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量,這時可采用分程控制系統(tǒng)。舉例丙烯腈生產(chǎn)過程圖13-21閥門動作示意圖圖13-22分程控制53第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)2.用來保證在不同負荷下的正?？刂婆e第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)3.用以補充控制手段維持安全生產(chǎn)有些生產(chǎn)過程在接近事故狀態(tài)或某個參數(shù)達到極限值時,應當改變正常的控制手段,采用補充手段或放空來維持安全生產(chǎn)。一般控制系統(tǒng)很難兼顧正常與事故兩種不同狀態(tài)。采用分程控制系統(tǒng),用不同的閥門,分別使用在控制器輸出信號的不同范圍內(nèi),就可保證在正?；蚴鹿薁顟B(tài)下,系統(tǒng)都能安全運行。54第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)3.用以補充控制手段維持安全生產(chǎn)54第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)

多沖量控制系統(tǒng)指在控制系統(tǒng)中，有多個變量信號，經(jīng)過一定的運算后，共同控制一臺執(zhí)行器，以使某個被控的工藝變量有較高的控制質(zhì)量。

多沖量控制系統(tǒng)在鍋爐給水系統(tǒng)控制中應用比較廣泛。主要用來自動控制鍋爐的給水量，使其適應蒸發(fā)量的變化，維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。定義適用范圍55六、多沖量控制系統(tǒng)第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)多沖量控制系統(tǒng)指在控制系統(tǒng)中第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)1.單沖量液位控制系統(tǒng)原理根據(jù)汽包液位的信號來控制給水量。優(yōu)點結構簡單、使用儀表少。

缺點不能適應蒸汽負荷的劇烈變化。易根據(jù)“假液位”引起控制系統(tǒng)的誤動作。56圖13-23單沖量控制系統(tǒng)第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)1.單沖量液位控制系統(tǒng)原理根據(jù)汽包液第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)2.雙沖量液位控制系統(tǒng)雙沖量——液位信號和蒸汽流量信號從結構上看，它實際上是一個前饋-反饋控制系統(tǒng)。當供水壓力擾動比較頻繁時，該系統(tǒng)的控制質(zhì)量較差。

57圖13-24雙沖量控制系統(tǒng)第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)2.雙沖量液位控制系統(tǒng)雙沖量——液位第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)3.三沖量液位控制系統(tǒng)58圖13-25三沖量控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)除了液位、蒸汽流量信號外,再增加一個給水流量的信號。它有助于及時克服由于供水壓力波動而引起的汽包液位的變化。第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)3.三沖量液位控制系統(tǒng)58圖13-2例題分析1.某聚合反應釜內(nèi)進行放熱反應,釜溫過高會發(fā)生事故,為此采用夾套水冷卻。由于釜溫控制要求較高,且冷卻水壓力、溫度波動較大,故設置串級控制系統(tǒng),如圖13-26所示。試確定控制閥的氣開、氣關型式與控制器的正、反作用。圖13-26聚合釜溫度控制解：為了在氣源中斷時保證冷卻水繼續(xù)供給,以防止釜溫過高,故控制閥應采用氣關型,為“-”方向。59例題分析1.某聚合反應釜內(nèi)進行放熱反應,釜溫過高會發(fā)生事故,例題分析當冷卻水流量增加時,釜溫和夾套溫度都是下降的,故對象為“-”方向。測量變送器為“+”方向故按單回路系統(tǒng)的確定原則,副控制器T2C應為“反”作用。主控制器T1C的作用方向可以這樣來確定:由于主、副變量(溫度T1、T2)增加時,都要求冷卻水的控制閥開大,因此主控制器應為“反”作用。整個串級控制系統(tǒng)的工作過程是這樣的:當夾套內(nèi)溫度T2(副變量)升高時,副控制器的輸出降低,控制閥開大,冷卻水流量增加以克服副變量的波動;當釜內(nèi)溫度T1(主變量)升高時,主控制器T1C的輸出降低,即副控制器T2C給定值降低,因此副控制器的輸出降低,控制閥開大,冷卻水流量增加以使釜內(nèi)溫度降下來。60例題分析當冷卻水流量增加時,釜溫和夾套溫度都是下降的例題分析由這個例子可以清楚地看出,串級控制系統(tǒng)主控制器的作用方向完全是由工藝情況確定的,與控制閥的開關形式、副控制器的正反作用完全無關。所以,串級控制系統(tǒng)的控制流程一經(jīng)確定之后,即可按主、副變量變化對控制閥開度變化的要求直接確定主控制器的作用方向,然后按一般單回路控制系統(tǒng),再確定控制閥的開、關型式及副控制器的作用方向,這將使整個串級控制系統(tǒng)控制器作用方向的確定工作簡捷而方便。從大量實際的串級控制系統(tǒng)分析,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的串級控制系統(tǒng)主、副變量的變化對控制閥的動作方向要求是一致的,所以使用反作用方向的主控制器為多數(shù)。61例題分析由這個例子可以清楚地看出,串級控制系統(tǒng)主控制例題分析2.一高位槽的出口流量需要進行平穩(wěn)控制,但為防止高位槽液位過高而造成溢出事故,又需對槽的液位采取保護性措施。根據(jù)上述情況要求設計一選擇性控制系統(tǒng),畫出該系統(tǒng)的結構圖、方塊圖、選擇控制閥的開關型式,控制器的正、反作用及選擇器的高低類型,并簡要說明該系統(tǒng)的工作過程。圖13-27流量液位選擇性控制系統(tǒng)原理圖解：根據(jù)要求,設計了一個高位槽液位與流出量的選擇性系統(tǒng),圖13-27是它的結構原理圖。圖中的開方器是為了使流量測量信號線性化而采用的。圖13-28是該選擇性控制系統(tǒng)的方塊圖。62例題分析2.一高位槽的出口流量需要進行平穩(wěn)控制,但為防止高位例題分析液位控制器流量控制器選擇器執(zhí)行器流量對象液位對象開方器流量測量、變送液位測量、變送流量液位--圖13-28流量液位選擇性控制系統(tǒng)方塊圖63例題分析液位控制器流量控制器選擇器執(zhí)行器流量對象液位對象開方例題分析根據(jù)工藝要求，應選擇氣關型控制閥，以使在氣源中斷時，閥門自動打開，防止發(fā)生溢液事故。流量控制器和液位控制器的正、反作用可以分別按簡單控制系統(tǒng)中控制器作用方向的選擇原則來確定。由于控制閥為“-”，流量對象為“+”，故流量控制器應選擇正作用。而液位對象為“-”，故液位控制器應選擇反作用。64例題分析根據(jù)工藝要求，應選擇氣關型控制閥，以使在氣源例題分析由于該選擇性控制系統(tǒng)是為了防止液位過高而設置的,故選擇器的類型應按液位控制器的輸出情況來確定。當液位過高時，由于液位控制器是反作用的，故輸出降低。此時為了能夠選中液位控制器的輸出信號，選擇器應為低值選擇器。該控制系統(tǒng)的工作過程如下：當高位槽的液位在正常范圍時，LC輸出較高，F(xiàn)C輸出較低,LS選中FC作為正?？刂破?。此時流量增大時，F(xiàn)C輸出增加，閥門關小，以控制流量平穩(wěn)為目標。當液位過高時，LC輸出大大降低，被LS選中，使閥門開大，以降低液位，保證安全。65例題分析由于該選擇性控制系統(tǒng)是為了防止液位過高而設置例題分析3.圖13-29是某廠鍋爐燃燒過程控制系統(tǒng),試選擇控制閥的開關型式及控制器的正反作用。圖13-29鍋爐燃燒過程控制系統(tǒng)解：先來決定控制閥的開關型式。為了保證在氣源中斷時,停止燃料供給,防止鍋爐燒壞,燃料閥采用氣開型式;為了保證在氣源中斷時,繼續(xù)供給空氣,防止燃燒不完全,空氣閥采用氣關型式。66例題分析3.圖13-29是某廠鍋爐燃燒過程控制系統(tǒng),試選擇控例題分析在正常工況時，蒸汽壓力的變化通過低值選擇器LS作為燃料油流量控制器F1C的給定，而F1C的測量值信號來自燃料油流量變送器，因此這實際上是一個串級控制系統(tǒng)。燃料油流量的變化作為空氣流量控制器F2C的給定，從而使空氣流量與燃料油流量之間保持一定的比例。根據(jù)單回路系統(tǒng)確定控制器正反作用的原則，在已知燃料閥為氣開、空氣閥為氣關的情況下，顯然F1C應為反作用,F2C應為正作用。67例題分析在正常工況時，蒸汽壓力的變化通過低值選擇器L例題分析由于蒸汽壓力控制器與燃料油流量控制器組成串級控制系統(tǒng)，并且蒸汽壓力增加或燃料油流量增加時，都需要關小燃料閥，即對閥的動作要求是一致的，因此主控制器PC應為反作用。當蒸汽壓力降低需要提高燃料油流量時，為了使燃燒完全，必須先加大空氣流量。由于PC是反作用的，故壓力降低時，PC的輸出增加，通過高值選擇器HS作為F2C的給定值，以加大空氣供給量。68例題分析由于蒸汽壓力控制器與燃料油流量控制器組成串級例題分析此時蒸汽壓力控制器與空氣流量控制器組成串級控制系統(tǒng)。由于蒸汽壓力降低或空氣流量降低，對空氣閥動作方向的要求也是一致的(要求開大)，所以壓力控制器應是反作用的。由此可見,雖然燃料閥與空氣閥的開關型式不同,F1C與F2C的作用方向也不同，但作為主控制器PC來說,卻都應為反作用的。69例題分析此時蒸汽壓力控制器與空氣流量控制器組成串級控ENDEND化工儀表及自動化第十三章復雜控制系統(tǒng)

化工儀表及自動化第十三章復雜控制系統(tǒng)內(nèi)容提要串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)概述串級控制系統(tǒng)的特點及應用主、副控制器控制規(guī)律的選擇主、副控制器正反作用的選擇控制器參數(shù)工程整定與系統(tǒng)投運其他復雜控制系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng)1內(nèi)容提要串級控制系統(tǒng)1內(nèi)容提要比值控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)取代控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)多沖量控制系統(tǒng)2內(nèi)容提要比值控制系統(tǒng)2概述3根據(jù)根據(jù)系統(tǒng)的結構和所擔負的任務復雜控制系統(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)選擇控制系統(tǒng)

三沖量控制系統(tǒng)概述3根據(jù)根據(jù)系統(tǒng)的結構和所擔負的任務復雜控制系統(tǒng)串級控制系第一節(jié)串級控制系統(tǒng)一、串級控制系統(tǒng)概述4

當對象的滯后較大，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)的結構及其工作原理

可延長爐子壽命，防止爐管燒壞；可保證后面精餾分離的質(zhì)量?？刂坪脺囟葓D13-1管式加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)第一節(jié)串級控制系統(tǒng)一、串級控制系統(tǒng)概述4當對第一節(jié)串級控制系統(tǒng)

在實際生產(chǎn)過程中，特別是當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

5第一節(jié)串級控制系統(tǒng)在實際生產(chǎn)過程中，特別是當?shù)谝还?jié)串級控制系統(tǒng)6

當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。當工藝上要求原料油的出口溫度非常嚴格時，為了解決容量滯后問題，還需對加熱爐的工藝作進一步分析。原因第一節(jié)串級控制系統(tǒng)6當燃料壓力或燃料本身的熱值第一節(jié)串級控制系統(tǒng)7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13-3管式加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)的方框圖圖13-2管式加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)第一節(jié)串級控制系統(tǒng)7以原料油出口溫度為主要被控變量的爐出口第一節(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)的結構看，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，在串級控制系統(tǒng)中起主導作用的被控變量。8第一節(jié)串級控制系統(tǒng)在上述控制系統(tǒng)中，有兩個控第一節(jié)串級控制系統(tǒng)9主對象為主變量表征其特性的生產(chǎn)設備。副對象為副變量表征其特性的工藝生產(chǎn)設備。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。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)9主對象為主變量表征其特性的生產(chǎn)設備。副第一節(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10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、副控制第一節(jié)串級控制系統(tǒng)11圖13-4串級控制系統(tǒng)典型方塊圖第一節(jié)串級控制系統(tǒng)11圖13-4串級控制系統(tǒng)典型方塊圖第一節(jié)串級控制系統(tǒng)二、串級控制系統(tǒng)的特點及應用121.系統(tǒng)的結構串級控制系統(tǒng)有兩個閉合回路。主回路是個定值控制系統(tǒng),副回路是個隨動系統(tǒng)。在串級控制系統(tǒng)中,主變量是反映產(chǎn)品質(zhì)量或生產(chǎn)過程運行情況的主要工藝參數(shù)。副變量的引入往往是為了提高主變量的控制質(zhì)量,它是基于主,副變量之間具有一定的內(nèi)在關系而工作的。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)二、串級控制系統(tǒng)的特點及應用121.系第一節(jié)串級控制系統(tǒng)選擇串級控制系統(tǒng)的副變量一般有兩類情況：

一類情況是選擇與主變量有一定關系的某一中間變量作為副變量;另一類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,減小對主變量的影響。13第一節(jié)串級控制系統(tǒng)選擇串級控制系統(tǒng)的副變量一般有兩類情況第一節(jié)串級控制系統(tǒng)14舉例

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。圖13-5精餾塔塔釜溫度串級控制系統(tǒng)1—精餾塔；2—再沸器第一節(jié)串級控制系統(tǒng)14舉例通過這套串級控制系統(tǒng)第一節(jié)串級控制系統(tǒng)

在上例中，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。15第一節(jié)串級控制系統(tǒng)在上例中，選擇的副第一節(jié)串級控制系統(tǒng)(1)干擾作用于副回路F2引起θ2變化，控制器T2C及時進行控制，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再由主回路進一步控制，徹底消除干擾的影響，使被控變量回復到給定值。162.系統(tǒng)的特性第一節(jié)串級控制系統(tǒng)(1)干擾作用于副回路F2引起θ2變化，第一節(jié)串級控制系統(tǒng)

由于副回路控制通道短，時間常數(shù)小，所以當干擾進入回路時，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。在確定副回路時，除了要考慮它的快速性外，還應該使副回路包括主要干擾，可能條件下應力求包括較多的次要干擾。小結17第一節(jié)串級控制系統(tǒng)由于副回路控制通道第一節(jié)串級控制系統(tǒng)圖13-6加熱爐出口溫度與燃料油壓力串級控制系統(tǒng)如果燃料油的壓力比較穩(wěn)定,而燃料油的組分波動較大,那么,該圖串級控制系統(tǒng)的副回路作用就不大。18第一節(jié)串級控制系統(tǒng)圖13-6加熱爐出口溫度與燃料油壓力第一節(jié)串級控制系統(tǒng)(2)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。19第一節(jié)串級控制系統(tǒng)(2)干擾同時作用于副回路和主對象在干擾第一節(jié)串級控制系統(tǒng)20主、副變量的變化方向相反，一個增加，另一個減小。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)20主、副變量的變化方向相反，一個增加，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；主回路具有后調(diào)、細調(diào)、慢調(diào)的特點，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、相互補充，充分發(fā)揮了控制作用，大大提高了控制質(zhì)量。小結21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第一節(jié)串級控制系統(tǒng)

3.自適應能力由于增加了副回路,使串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應能力,可用于負荷和操作條件有較大變化的場合。當對象的滯后和時間常數(shù)很大,干擾作用強而頻繁,負荷變化大,簡單控制系統(tǒng)滿足不了要求時,使用串級控制系統(tǒng)是合適的,尤其是當主要干擾來自控制閥方面時,選擇控制介質(zhì)的流量或壓力作為副變量來構成串級控制系統(tǒng)是很適宜的。22第一節(jié)串級控制系統(tǒng)3.自適應能力由于增加了副回路第一節(jié)串級控制系統(tǒng)三、主、副控制器控制規(guī)律的選擇23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，以實現(xiàn)主變量的無差控制。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。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)三、主、副控制器控制規(guī)律的選擇23目的為第一節(jié)串級控制系統(tǒng)選擇方法序號對變量的要求應選控制規(guī)律備注主變量副變量主控副控1234重要指標,要求很高主要指標,要求較高允許變化,要求不高要求不高,互相協(xié)調(diào)允許變化,要求不嚴主要指標,要求較高要求較高,變化較快要求不高,互相協(xié)調(diào)PIPIPPPPIPIP主控必要時引入微分工程上很少采用表13-1主、副變量不同時應選用的控制規(guī)律24第一節(jié)串級控制系統(tǒng)選擇方法序號對變量的要求應選控制規(guī)律備第一節(jié)串級控制系統(tǒng)25四、主、副控制器正反作用的選擇串級控制系統(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、氣關形式后，按照使副控制回路成為一個負反饋系統(tǒng)的原則來確定。例如圖13-2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。為使副回路構成一個負反饋系統(tǒng)，副控制器T2C選擇“反”方向。1.副控制器作用方向的選擇第一節(jié)串級控制系統(tǒng)25四、主、副控制器正反作用的選擇第一節(jié)串級控制系統(tǒng)

當主、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，主控制器應選“反”作用；反之，則應選“正”作用。262.主控制器作用方向的選擇例如圖13-2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應確定為反作用方向。第一節(jié)串級控制系統(tǒng)當主、副變量增加（減第一節(jié)串級控制系統(tǒng)五、控制器參數(shù)整定與系統(tǒng)投運27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)五、控制器參數(shù)整定與系統(tǒng)投運27串級控制第一節(jié)串級控制系統(tǒng)（1）在工況穩(wěn)定，主、副控制器都在純比例作用運行的條件下，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28第一節(jié)串級控制系統(tǒng)（1）在工況穩(wěn)定，主、副控制器都在純比例第一節(jié)串級控制系統(tǒng)29（3）根據(jù)上面得到的δ1s、T1s、δ2s、T2s，按表12-3（或表12-4）的規(guī)定關系計算主、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)29（3）根據(jù)上面得到的δ1s、T1s、第一節(jié)串級控制系統(tǒng)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?？蛇m當減小副控制器比例度或積分時間，以達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。30第一節(jié)串級控制系統(tǒng)共振問題如果主、副對象時間常數(shù)相第一節(jié)串級控制系統(tǒng)2.一步整定法副控制器的參數(shù)按經(jīng)驗直接確定,主控制器的參數(shù)按簡單控制系統(tǒng)整定。實踐證明

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，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。31第一節(jié)串級控制系統(tǒng)2.一步整定法副控制器的參數(shù)按經(jīng)第一節(jié)串級控制系統(tǒng)32副變量放大倍數(shù)Kc2比例度δ2s／％溫度壓力流量液位5.0～1.73.0～1.42.5～1.255.0～1.2520～6030～7040～8020～80表13-2采用一步整定法時副變量的選擇范圍第一節(jié)串級控制系統(tǒng)32副變量放大倍數(shù)Kc2比例度δ2s／％第一節(jié)串級控制系統(tǒng)33一步整定法的整定步驟：

（1）在生產(chǎn)正常，系統(tǒng)為純比例運行的條件下，按照表13-2所列的數(shù)據(jù)，將副控制器比例度調(diào)到某一適當?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)33一步整定法的整定步驟：（1）在生產(chǎn)第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)一、均勻控制系統(tǒng)34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)，希望進料量盡量不變或少變。甲、乙兩塔間的供求關系出現(xiàn)了矛盾。

為了解決前后工序供求矛盾，達到前后兼顧協(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)。圖13-7前后精餾塔的供求關系

1—出料閥；2—小閥1.均勻控制的目的第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)一、均勻控制系統(tǒng)34甲塔:為了穩(wěn)定操第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)35均勻控制的要求（1）兩個變量在控制過程中都應該是緩慢變化的。（2）前后互相聯(lián)系又互相矛盾的兩個變量應保持在所允許的范圍內(nèi)波動。圖13-8前一設備的液位和后一設備的進料量之關系1—液位變化曲線；2—流量變化曲線第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)35均勻控制的要求（1）兩個變量在控第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)362.均勻控制方案目的

為了協(xié)調(diào)液位與排出流量之間的關系，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)整定來實現(xiàn)。圖13-9簡單均勻控制（1）簡單均勻控制第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)362.均勻控制方案目的第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)37（2）串級均勻控制

可在簡單均勻控制方案基礎上增加一個流量副回路，即構成串級均勻控制。參數(shù)整定的方法由小到大地進行調(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?shù)姆e分作用。圖13-10串級均勻控制第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)37（2）串級均勻控制可第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)特點由于增加了副回路，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)兩個變量間的關系是通過控制器參數(shù)整定來實現(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。38第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)特點由于增加了副回路，可以及第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)二、比值控制系統(tǒng)39工業(yè)上為了保持兩種或兩種以上物料的比值為一定的控制叫比值控制。幾個概念主物料、主動信號從物料、從動信號第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)二、比值控制系統(tǒng)39工業(yè)上為第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)401.開環(huán)比值控制比值控制系統(tǒng)的類型：從物料量Q2與主物料量Q1的比值關系為圖13-11開環(huán)比值控制第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)401.開環(huán)比值控制比值控制系統(tǒng)的類第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)

結構簡單，只需一臺純比例控制器，其比例度可以根據(jù)比值要求來設定。主、副流量均開環(huán)；這種比值控制方案對從物料量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。

41特點第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)結構簡單，只需一臺純比例控制器，其第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)422.單閉環(huán)比值控制

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)的基礎上，通過增加一個副流量的閉環(huán)控制系統(tǒng)而組成的。

圖13-12單閉環(huán)比值控制這種方案的優(yōu)點是結構簡單,能確保兩流量比值不變,是應用最多的方案。第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)422.單閉環(huán)比值控制第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)在比值控制系統(tǒng)中,我們一般用比值系數(shù)K′來表示兩種物料經(jīng)過變送器以后的流量信號之間的比值，假定（13-1）當流量信號與流量成線性關系時,則有（13-2）當流量信號與流量成平方關系時,則有（13-3）43第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)在比值控制系統(tǒng)中,我們一般用第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)443.變比值控制系統(tǒng)

要求兩種物料的比值能靈活地隨第三參數(shù)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13-13變比值控制系統(tǒng)第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)443.變比值控制系統(tǒng)第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)三、前饋控制系統(tǒng)45反饋與前饋圖13-14換熱器的反饋控制圖13-15換熱器的前饋控制第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)三、前饋控制系統(tǒng)45反饋與前饋圖13第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)反饋控制與前饋控制比較不論什么干擾,只要引起被控變量變化,都可以進行控制,這是反饋控制的優(yōu)點。前饋控制是一種按擾動變化大小進行控制的系統(tǒng),控制作用在擾動發(fā)生的同時就產(chǎn)生,這就是前饋控制的主要特點。往往用“前饋”來克服主要干擾,再用“反饋”來克服其他干擾,組成“復合”的前饋-反饋控制系統(tǒng)。46第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)反饋控制與前饋控制比較不論什么干擾第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)圖13-16換熱器的前饋-反饋控制

用前饋控制來克服由于進料量波動對被控變量θ的影響,而用溫度控制器的控制作用來克服其他干擾對被控變量θ的影響,前饋與反饋控制作用相加,共同改變加熱蒸汽量,以使出料溫度θ維持在給定值上。47第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)圖13-16換熱器的前饋-反饋控制第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)四、取代控制系統(tǒng)48一般控制系統(tǒng),都是在正常工況下工作的。當生產(chǎn)不正常時，通常的處理辦法有兩種，一種是改用手動遙控；另一種是聯(lián)鎖保護緊急停車，防止事故發(fā)生，即所謂硬限控制。由于硬限控制對生產(chǎn)和操作都不利，近年來采用了安全軟限控制。第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)四、取代控制系統(tǒng)48一般控制第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)49生產(chǎn)的軟限措施當一個變量將要達到危險值時,就適當降低生產(chǎn)要求,讓它暫時維持生產(chǎn),并逐漸調(diào)整生產(chǎn),使之朝正常工況發(fā)展。實現(xiàn)軟限控制系統(tǒng),稱為取代控制系統(tǒng),又稱為選擇性控制系統(tǒng)。第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)49生產(chǎn)的軟限措施第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)控制器Ⅰ控制器Ⅱ選擇器控制閥參數(shù)Ⅰ參數(shù)Ⅱ⊕⊕圖13-17取代控制示意圖圖13-18輔助鍋爐壓力取代控制系統(tǒng)50第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)控制器Ⅰ控制器Ⅱ選擇器控制閥參數(shù)Ⅰ參第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)五、分程控制系統(tǒng)

分程控制就是由一只調(diào)節(jié)器的輸出信號控制兩只或更多只控制閥,每只控制閥在控制器輸出信號的某段范圍內(nèi)工作。圖13-19分程控制示意框圖51第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)五、分程控制系統(tǒng)分程控制就是第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)從控制系統(tǒng)的結構來看,分程控制屬于單回路的定值控制系統(tǒng),其控制過程與簡單控制系統(tǒng)一樣。分程控制系統(tǒng)常用的應用場合：1.生產(chǎn)中需用多種物料作調(diào)節(jié)介質(zhì)的過程圖13-20熱交換器溫度分程控制采用熱水與蒸汽兩種不同物料作為調(diào)節(jié)介質(zhì),在一般控制系統(tǒng)中難于實現(xiàn),但在分程控制系統(tǒng)中,不僅充分利用了熱水,而且節(jié)省了蒸汽。52第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)從控制系統(tǒng)的結構來看,分程控第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)2.用來保證在不同負荷下的正?？刂朴袝r生產(chǎn)過程負荷變化很大,要求有較大范圍的流量變化。若用一個控制閥,由于控制閥的可調(diào)范圍R是有限的,當最大流量和最小流量相差太懸殊時,就會降低控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量,這時可采用分程控制系統(tǒng)。舉例丙烯腈生產(chǎn)過程圖13-21閥門動作示意圖圖13-22分程控制53第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)2.用來保證在不同負荷下的正?？刂婆e第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)3.用以補充控制手段維持安全生產(chǎn)有些生產(chǎn)過程在接近事故狀態(tài)或某個參數(shù)達到極限值時,應當改變正常的控制手段,采用補充手段或放空來維持安全生產(chǎn)。一般控制系統(tǒng)很難兼顧正常與事故兩種不同狀態(tài)。采用分程控制系統(tǒng),用不同的閥門,分別使用在控制器輸出信號的不同范圍內(nèi),就可保證在正?；蚴鹿薁顟B(tài)下,系統(tǒng)都能安全運行。54第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)3.用以補充控制手段維持安全生產(chǎn)54第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)

多沖量控制系統(tǒng)指在控制系統(tǒng)中，有多個變量信號，經(jīng)過一定的運算后，共同控制一臺執(zhí)行器，以使某個被控的工藝變量有較高的控制質(zhì)量。

多沖量控制系統(tǒng)在鍋爐給水系統(tǒng)控制中應用比較廣泛。主要用來自動控制鍋爐的給水量，使其適應蒸發(fā)量的變化，維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。定義適用范圍55六、多沖量控制系統(tǒng)第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)多沖量控制系統(tǒng)指在控制系統(tǒng)中第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)1.單沖量液位控制系統(tǒng)原理根據(jù)汽包液位的信號來控制給水量。優(yōu)點結構簡單、使用儀表少。

缺點不能適應蒸汽負荷的劇烈變化。易根據(jù)“假液位”引起控制系統(tǒng)的誤動作。56圖13-23單沖量控制系統(tǒng)第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)1.單沖量液位控制系統(tǒng)原理根據(jù)汽包液第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)2.雙沖量液位控制系統(tǒng)雙沖量——液位信號和蒸汽流量信號從結構上看，它實際上是一個前饋-反饋控制系統(tǒng)。當供水壓力擾動比較頻繁時，該系統(tǒng)的控制質(zhì)量較差。

57圖13-24雙沖量控制系統(tǒng)第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)2.雙沖量液位控制系統(tǒng)雙沖量——液位第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)3.三沖量液位控制系統(tǒng)58圖13-25三沖量控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)除了液位、蒸汽流量信號外,再增加一個給水流量的信號。它有助于及時克服由于供水壓力波動而引起的汽包液位的變化。第二節(jié)其他復雜控制系統(tǒng)3.三沖量液位控制系統(tǒng)58圖13-2例題分析1.某聚合反應釜內(nèi)進行放熱反應,釜溫過高會發(fā)生事故,為此采用夾套水冷卻。由于釜溫控制要求較高,且冷卻水壓力、溫度波動較大,故設置串級控制系統(tǒng),如圖13-26所示。試確定控制閥的氣開、氣關型式與控制