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1、化工仪表及自动化化工仪表及自动化第七章第七章 复杂控制系统复杂控制系统 内容提要内容提要v串级控制系统串级控制系统概述串级控制系统的工作过程串级控制系统的特点串级控制系统中副回路的确定主、副控制器控制规律及正、反作用的选择控制器参数的工程整定v均匀控制系统均匀控制系统均匀控制的目的均匀控制方案1内容提要内容提要v比值控制系统比值控制系统概述比值控制系统的类型v前馈控制系统前馈控制系统前馈控制系统及其特点前馈控制系统的主要形式前馈控制系统的应用场合v选择性控制系统选择性控制系统基本概念选择性控制系统的类型积分饱和及其防止2内容提要内容提要v分程控制系统分程控制系统概述分程控制的应用场合分程控制的
2、几个问题v多冲量控制系统多冲量控制系统3概述概述4根据根据系统的结构和所担负的任务根据根据系统的结构和所担负的任务根据根据系统的结构和所担负的任务根据根据系统的结构和所担负的任务复杂控制系统复杂控制系统串级串级控制控制系统系统 均匀均匀控制控制系统系统比值比值控制控制系统系统分程分程控制控制系统系统 前馈前馈控制控制系统系统 取代取代控制控制系统系统 三冲量三冲量控制系控制系统统 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统v一、概述一、概述5 当当对对象象的的滞滞后后较较大大，干干扰扰比比较较剧剧烈烈、频频繁繁时时，可可考考虑采用串级控制系统。虑采用串级控制系统。举例举例说明串级控制系统的结构及其
3、工作原理说明串级控制系统的结构及其工作原理图7-1 管式加热炉出口温度控制系统 可延长炉子寿命，防止炉管烧坏；可延长炉子寿命，防止炉管烧坏；可保证后面精馏分离的质量。可保证后面精馏分离的质量。控制好温度控制好温度控制好温度控制好温度第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 在实际生产过程中，特别是当加热炉的燃料压力或燃料本身的热值有较大波动时，该简单控制系统的控制质量往往很差，原料油的出口温度波动较大，难以满足生产上的要求。根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度 6第一节第一节 串级控制系统串级控制系统7 当燃料压力或燃料本身的热值变化后，先影响炉膛
4、的温度，然后通过传热过程才能逐渐影响原料油的出口温度，这个通道容量滞后很大，时间常数约15min左右，反应缓慢，而温度控制器TC是根据原料油的出口温度与给定值的偏差工作的。所以当干扰作用在对象上后，并不能较快地产生控制作用以克服干扰被控变量的影响。当工艺上要求原料油的出口温度非常严格时，为了解决容量滞后问题，还需对加热炉的工艺作进一步分析。原因原因原因原因第一节第一节 串级控制系统串级控制系统8以以原原料料油油出出口口温温度度为为主主要要被被控控变变量量的的炉炉出出口温度与炉膛温度的串级控制系统口温度与炉膛温度的串级控制系统 图7-3管式加热炉出口温度串级控制系统的方块图图7-3管式加热炉出口
5、温度串级控制系统的方块图图7-2管式加热炉出口温度串级控制系统第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 在上述控制系统中，有两个控制器T1C和T2C，接收来自对象不同部位的测量信号1和2。T1C的输出作为T2C的给定值，而后者的输出去控制执行器以改变操纵变量。从系统的结构看，这两个控制器是串接工作的。主变量主变量主变量主变量工工艺艺控控制制指指标标，在在串串级级控控制制系系统统中中起起主主导导作用的被控变量。作用的被控变量。9几个串级控制系统中常用的名词几个串级控制系统中常用的名词几个串级控制系统中常用的名词几个串级控制系统中常用的名词 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统10主对象主对象为主
6、变量表征其特性的生产设备。副对象副对象为副变量表征其特性的工艺生产设备。主控制器主控制器按主变量的测量值与给定值而工作，其输出作为副变量给定值的那个控制器。副变量副变量串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量。第一节第一节 串级控制系统串级控制系统主回路主回路主回路主回路由主变量的测量变送装置，主、副控制器，执行器和主、副对象构成的外回路。副回路副回路副回路副回路由副变量的测量变送装置，副控制器执行器和副对象所构成的内回路。其给定值来自主控制器的输出，并按副变量的测量值与给定值的偏差而工作的那个控制器。副控制器副控制器副控制器副控制器11第一节第一节 串级控制系统串级控制系统1
7、2图7-4串级控制系统典型方块图第一节第一节 串级控制系统串级控制系统v二、串级控制系统的工作过程二、串级控制系统的工作过程13 以以管管式式加加热热炉炉为为例例，来来说说明明串串级级控控制制系系统统是是如如何何有有效效地地克克服服滞滞后后提提高高控控制制质质量量的的。假假定定执执行行器器采采用用气气开开形形式式，断断气气时时关关闭闭控控制制阀阀，以以防防止止炉炉管管烧烧坏坏而而酿酿成成事事故故，温温度度控制器控制器T1C和和T2C都采用反作用方向。都采用反作用方向。第一节第一节 串级控制系统串级控制系统1.1.干扰进入副回路干扰进入副回路干扰进入副回路干扰进入副回路F2引引起起2变变化化，控
8、控制制器器T2C及及时时进进行行控控制制，使使其其很很快快稳定下来稳定下来如如果果干干扰扰量量小小，经经过过副副回回路路控控制制后后，F2一一般般影影响响不不到到温度温度1；如果干扰量大，其大部分影响为副回路所克服，如果干扰量大，其大部分影响为副回路所克服，波及到被控变量温度波及到被控变量温度1再由主回路进一步控制，再由主回路进一步控制，彻底消除干扰的影响，使被控变量回复到给定值。彻底消除干扰的影响，使被控变量回复到给定值。14第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干扰进入回路时，可以获得比单回路控制系统超前的控制作用，有效地克服燃料油压力或热值变化对
9、原料油出口温度的影响，从而大大提高了控制质量。小结小结小结小结15第一节第一节 串级控制系统串级控制系统162.2.干扰作用于主对象干扰作用于主对象干扰作用于主对象干扰作用于主对象F1变变化化 1 T1C输输出出T2C设设定定值值 T2C输输出出 恢复给定值恢复给定值 所所以以，在在串串级级控控制制系系统统中中，如如果果干干扰扰作作用用于于主主对对象象，由由于于副副回回路路的的存存在在，可可以以及及时时改改变变副副变变量量的的数数值值，以以达达到稳定主变量的目的。到稳定主变量的目的。第一节第一节 串级控制系统串级控制系统3.3.干扰同时作用于副回路和主对象干扰同时作用于副回路和主对象干扰同时作
10、用于副回路和主对象干扰同时作用于副回路和主对象在干扰作用下，主、副变量的变化方向相同。在干扰作用下，主、副变量的变化方向相同。17第一节第一节 串级控制系统串级控制系统18主主、副副变变量量的的变变化化方方向向相相反反，一一个个增增加加，另一个减小。另一个减小。第一节第一节 串级控制系统串级控制系统在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服过程。用于主对象上的干扰也能加速克服过程。副回路副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、
11、具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。掉的干扰影响能彻底加以克服。因此，在串级控因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。小结小结小结小结19第一节第一节 串级控制系统串级控制系统v三、串级控制系统的特点三、串级控制系统的特点20（1）在在系系统统结结构构上上，串串级级控控制制系系统统有有两两个个闭闭合合回回路路：主主回回路路和和副副回回路
12、路；有有两两个个控控制制器器；主主控控制制器器和和副副控控制制器器；有有两两个个测测量量变变送送器器，分分别别测测量量主主变变量量和和副副变变量量。在在串串级级控控制制系系统统中中，主主回回路路是是个个定定值值控控制制系系统统，而而副副回路是个随动控制系统回路是个随动控制系统。（2）在在串串级级控控制制系系统统中中，有有两两个个变变量量：主主变变量量和和副副变变量量。主主变变量量是是反反映映产产品品质质量量或或生生产产过过程程运运行行情情况况的的主主要工艺变量。要工艺变量。第一节第一节 串级控制系统串级控制系统适适适适用用用用范范范范围围围围：当当对对象象的的滞滞后后和和时时间间常常数数很很大
13、大，干干扰扰作作用用强强而而频频繁繁，负负荷荷变变化化大大，简简单单控控制制系系统统满满足足不不了了控控制制质质量量的要求时，采用串级控制系统是适宜的。的要求时，采用串级控制系统是适宜的。（4）串串级级控控制制系系统统由由于于增增加加了了副副回回路路，因因此此具具有有一一定定的的自适应能力，可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。自适应能力，可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。（3）在在系系统统特特性性上上，串串级级控控制制系系统统由由于于副副回回路路的的引引入入，改改善善了了对对象象的的特特性性，使使控控制制过过程程加加快快，具具有有超超前前控控制制作作用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量
14、。用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量。21第一节第一节 串级控制系统串级控制系统v四、串级控制系统中副回路的确定四、串级控制系统中副回路的确定22根根据据生生产产工工艺艺的的具具体体情情况况，选选择择一一个个合合适适的的副副变变量量，从从而而构构成成一一个个以以副变量为被控变量的副回路。副变量为被控变量的副回路。副回路的确定副回路的确定副回路的确定副回路的确定确定的原则确定的原则确定的原则确定的原则1.主、副变量间应有一定的内在联系主、副变量间应有一定的内在联系第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量；选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副
15、变量；选选择择的的副副变变量量就就是是操操纵纵变变量量本本身身，这这样样能能及及时时克克服服它它的的波波动，减少对主变量的影响。动，减少对主变量的影响。选择副变量的两类情况选择副变量的两类情况23第一节第一节 串级控制系统串级控制系统24举例举例举例举例图7-5精馏塔塔釜温度串级控制系统1精馏塔；2再沸器 通过这套串级控制系统，能够在塔釜温度稳定不变时，蒸汽流量能保持恒定值，而当温度在外来干扰作用下偏离给定值时，又要求蒸汽流量能作相应的变化，以使能量的需要与供给之间得到平衡，从而保持釜温在要求的数值上。第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 在在上上例例中中，选选择择的的副副变变量量就就是是操
16、操纵纵变变量量（加加热热蒸蒸汽汽量量）本本身身。这这样样，当当干干扰扰来来自自蒸蒸汽汽压压力力或或流流量量的的波波动动时时，副副回回路路能能及及时时加加以以克克服服，以以大大大大减减少少这这种种干干扰扰对对主主变变量量的的影影响响，使使塔塔釜釜温温度度的的控控制制质质量量得得以提高。以提高。25第一节第一节 串级控制系统串级控制系统262.2.要使系统的主要干扰被包围在副回路内要使系统的主要干扰被包围在副回路内要使系统的主要干扰被包围在副回路内要使系统的主要干扰被包围在副回路内图7-6 加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统 在本系统中，由于选择了燃料油压力作为副变量，副对象的控制通道很短，时
17、间常数很小，因此控制作用非常及时，比起图7-2所示的控制方案，能更及时有效地克服由于燃料油压力波动对原料油出口温度的影响，从而大大提高了控制质量。第一节第一节 串级控制系统串级控制系统注意注意注意注意 如果管式加热炉的主要干扰来自燃料油组分（或如果管式加热炉的主要干扰来自燃料油组分（或热值）波动时，就不宜采用图热值）波动时，就不宜采用图7-6所示的控制方案，所示的控制方案，因为这时主要干扰并没有被包围在副环内，所以不因为这时主要干扰并没有被包围在副环内，所以不能充分发挥副环抗干扰能力强的这一优点。能充分发挥副环抗干扰能力强的这一优点。27第一节第一节 串级控制系统串级控制系统283.3.在可能
18、的情况下，应使副环包围更多的次要干扰在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰 如果在生产过程中，除了主要干扰外，还有较多的次要干扰，或者系统的干扰较多且难于分出主要干扰与次要干扰，在这种情况下，选择副变量应考虑使副环尽量多包围一些干扰，这样可以充分发挥副环的快速抗干扰能力，以提高串级控制系统的控制质量。注意注意在考虑到使副环包围更多干扰时，也应同时考虑到副环的灵敏度。第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 随着副回路包围干扰的增多，副环将随之扩大，副变量离主变量也就越近。这样一来，副对象的控制通道就变长，滞后
19、也就增大，从而会削弱副回路的快速、有力控制的特性。在选择副变量时，既要考虑到使副环包围较多的干在选择副变量时，既要考虑到使副环包围较多的干扰，又要考虑到使副变量不要离主变量太近。扰，又要考虑到使副变量不要离主变量太近。结论结论结论结论29第一节第一节 串级控制系统串级控制系统304.4.副副副副变变变变量量量量的的的的选选选选择择择择应应应应考考考考虑虑虑虑到到到到主主主主、副副副副对对对对象象象象时时时时间间间间常常常常数数数数的的的的匹匹匹匹配配配配，以防以防以防以防“共振共振共振共振”的发生的发生的发生的发生 是为了保证副回路具有快速的抗干扰性能；是由于串级系统中主、副回路之间是密切相关
20、的，副变量的变化会影响到主变量，而主变量的变化通过反馈回路又会影响到副变量。在在串串级级控控制制系系统统中中，主主、副副对对象象的的时时间间常常数数不不能能太太接接近。近。第一节第一节 串级控制系统串级控制系统小结小结 在选择副变量时，应注意使主、副对象的时间常数之比为310，以减少主、副回路的动态联系，避免“共振”。当然，也不能盲目追求减小副对象的时间常数，否则可能使副回路包围的干扰太少，使系统抗干扰能力反而减弱了。31第一节第一节 串级控制系统串级控制系统5.5.当当当当对对对对象象象象具具具具有有有有较较较较大大大大的的的的纯纯纯纯滞滞滞滞后后后后而而而而影影影影响响响响控控控控制制制制
21、质质质质量量量量时时时时，在在在在选选选选择择择择副变量时应使副环尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后副变量时应使副环尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后副变量时应使副环尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后副变量时应使副环尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后 对于含有大纯滞后的对象，可采用串级控制系统，并通过合理选择副变量将纯滞后部分放到主对象中去，以提高副回路的快速抗干扰功能，及时克服干扰的影响，将其抑制在最小限度内，从而可以使主变量的控制质量得到提高。32第一节第一节 串级控制系统串级控制系统33举例举例举例举例某化纤厂胶液压力的控制问题某化纤厂胶液压力的控制问题图7-7压力与压力串级控制系统1计量泵；2板式热交
22、换器；3过滤器 在计量泵和冷却器之间，靠近计量泵的适当位置，选择压力测量点，并作为副变量组成一个压力与压力的串级控制系统，以提高控制质量。图中主控制器P1C的输出作为副控制器P2C的给定值，由副控制器的输出来改变计量泵的转速，从而控制纺丝胶液的压力。该法有很大局限性该法有很大局限性该法有很大局限性该法有很大局限性。第一节第一节 串级控制系统串级控制系统v五、主、副控制器控制规律及正、反作用的选择五、主、副控制器控制规律及正、反作用的选择341.1.控制规律的选择控制规律的选择控制规律的选择控制规律的选择控制规律是根据控制的要求来进行选择的。控制规律是根据控制的要求来进行选择的。目的目的目的目的
23、为了高精度地稳定主变量。主控制器通常都选用比例积分控制规律，以实现主变量的无差控制。副变量的给定值是随主控制器的输出变化而变化的。副控制器一般采用比例控制规律。第一节第一节 串级控制系统串级控制系统352.2.控制器正、反作用的选择控制器正、反作用的选择控制器正、反作用的选择控制器正、反作用的选择（1）串级控制系统中的副控制器作用方向的选择，根据工艺安全等要求，选定执行器的气开、气关形式后，按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定。例例如如图图7-2所所示示的的管管式式加加热热炉炉温温度度-温温度度串串级级控控制制系系统统中中的副回路。的副回路。气源中断，停止供给燃料油时，执行器选气开阀
24、，“正”方向。燃料量加大时，炉膛温度2（副变量）增加，副对象“正”方向。为使副回路构成一个负反馈系统，副控制器T2C选择“反”方向。第一节第一节 串级控制系统串级控制系统如图如图7-5所示的精馏塔塔釜温度与蒸汽流量的串级控制系统。所示的精馏塔塔釜温度与蒸汽流量的串级控制系统。基于工艺上的考虑，选择执行器为气关阀。为使副回路是一个负反馈控制系统，副控制器FC的作用方向应选择为“正”作用。（2）串级控制系统中主控制器作用方向的选择：当主、副变量增加（减小）时，如果由工艺分析得出，为使主、副变量减小（增加），要求控制阀的动作方向是一致的时候，主控制器应选“反”作用；反之，则应选“正”作用。36第一节
25、第一节 串级控制系统串级控制系统37例如图例如图7-2所示的管式加热炉串级控制系统。所示的管式加热炉串级控制系统。主变量1或副变量2增加时，都要求关小控制阀，减少供给的燃料量，才能使1或2降下来，所以此时主控制器T1C应确定为反作用方向。如如图图7-5所所示示的的精精馏馏塔塔塔塔釜釜温温度度与与蒸蒸汽汽流流量量的的串串级级控控制制系系统。统。蒸汽流量（副变量）或塔釜温度（主变量）增加时，都需要关小控制阀，它们对控制阀的动作方向要求是一致的，所以主控制器TC也应为反作用方向。第一节第一节 串级控制系统串级控制系统38图7-8 冷却器温度串级控制系统 冷却器温度串级控制系统是以被冷却物料出口温度为
26、主变量，冷剂流量为副变量的串级控制系统。分析冷却器的特性可以知道，当主变量即被冷却物料出口温度增加时，需要开大控制阀，而当副变量即冷剂流量增加时，需要关小控制阀，它们对控制阀动作方向的要求是不一致的，因此主控制器TC的作用方向应选用正作用。第一节第一节 串级控制系统串级控制系统39（3）当由于工艺过程的需要，控制阀由气开改为气关，或由气关改为气开时，只要改变副控制器的正反作用而不需改变主控制器的正反作用。在有些生产过程中，要求控制系统既可以进行串级控制，又可以实现主控制器单独工作。即若系统由串级切换为主控时，是用主控制器的输出代替原先副控制器的输出去控制执行器，而若系统由主控切换为串级时，是用
27、副控制器的输出代替主控制器的输出去控制执行器。第一节第一节 串级控制系统串级控制系统系统串级与主控切换的条件：系统串级与主控切换的条件：系统串级与主控切换的条件：系统串级与主控切换的条件：当主变量变化时，串级时副控制器的输出与主控时主控制器的输出信号方向完全一致。无论哪一种切换，都必须保证当主变量变化时，去控制阀的信号完全一致。40第一节第一节 串级控制系统串级控制系统v六、控制器参数的工程整定六、控制器参数的工程整定41串级控制系统主、副控制器的参数整定的两种方法。串级控制系统主、副控制器的参数整定的两种方法。1.两步整定法两步整定法 按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定
28、主控制器的方法。第一节第一节 串级控制系统串级控制系统（1）在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用运行的条件下，将主控制器的比例度先固定在100的刻度上，逐渐减小副控制器的比例度，求取副回路在满足某种衰减比（如41）过渡过程下的副控制器比例度和操作周期，分别用2s和T2s表示。（2）在副控制器比例度等于2s的条件下，逐步减小主控制器的比例度，直至得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度1s和操作周期T1s。整定过程整定过程42第一节第一节 串级控制系统串级控制系统43（3）根据上面得到的1s、T1s、2s、T2s，按表7-2（或表7-3）的规定关系计算主、副控制器的比例度、积分时间
29、和微分时间。（4）按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定规律，将计算出的控制器参数加到控制器上。（5）观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。第一节第一节 串级控制系统串级控制系统共振问题共振问题 如果主、副对象时间常数相差不大，动态联系密切，可能会出现“共振共振”现象。可适当减小副控制器比例度或积分时间，以达到减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积分时间，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、副对象特性太接近，就不能完全靠控制器参数的改变来避免“共振”了。44第一节第一节 串级控制系统串级控制系统2.一步整定法一步整
30、定法 根根据据经经验验将将副副控控制制器器一一次次放放好好，不不再再变变动动，然然后后按按一一般般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。实践证明实践证明 这种整定方法，对于对主变量要求较高，而对副变量没有什么要求或要求不严，允许它在一定范围内变化的串级控制系统，是很有效的。45第一节第一节 串级控制系统串级控制系统465.0 1.73.0 1.42.5 1.255.0 1.2520 6030 7040 8020 80温度温度压力压力流量流量液位液位副控制器比例放大倍数副控制器比例放大倍数KP2副控制器比例度副控制器比例度2副变量类副变量类型
31、型表 7-1采用一步整定法时副控制器参数选择范围第一节第一节 串级控制系统串级控制系统47一步整定法的整定步骤：一步整定法的整定步骤：一步整定法的整定步骤：一步整定法的整定步骤：（1）在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照表7-1所列的数据，将副控制器比例度调到某一适当的数值。（2）利用简单控制系统中任一种参数整定方法整定主控制器的参数。（3）如果出现“共振”现象，可加大主控制器或减小副控制器的参数整定值，一般即能消除。第二节第二节 均匀控制系统均匀控制系统v一、均匀控制的目的一、均匀控制的目的48图7-9前后精馏塔的供求关系甲塔:为了稳定操作需保持塔釜液位稳定，必然频繁地改变塔底的排出量
32、。乙塔：从稳定操作要求出发，希望进料量尽量不变或少变。甲、乙两塔间的供求关系出现了矛盾。为为了了解解决决前前后后工工序序供供求求矛矛盾盾，达达到到前前后后兼兼顾顾协协调调操操作作，使液位和流量均匀变化，组成的系统称为均匀控制系统。使液位和流量均匀变化，组成的系统称为均匀控制系统。第二节第二节 均匀控制系统均匀控制系统49均匀控制的要求均匀控制的要求（1）两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化的。（2）前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内波动。图7-10前一设备的液位和后一设备的进料量之关系1液位变化曲线；2流量变化曲线第二节第二节 均匀控制系统均匀控制系统v二、均匀控制方案二、
33、均匀控制方案501.1.简单均匀控制简单均匀控制简单均匀控制简单均匀控制图7-11简单均匀控制目的目的目的目的 为了协调液位与排出流量之间的关系，允许它们都在各自许可的范围内作缓慢的变化。满足均匀控制要求的方法满足均匀控制要求的方法满足均匀控制要求的方法满足均匀控制要求的方法通过控制器的参数整定来实现。第二节第二节 均匀控制系统均匀控制系统512.2.串级均匀控制串级均匀控制串级均匀控制串级均匀控制图7-12 串级均匀控制 可可在在简简单单均均匀匀控控制制方方案案基基础础上上增增加加一一个个流流量量副副回回路路，即即构构成成串串级均匀控制。级均匀控制。参数整定的方法参数整定的方法参数整定的方法
34、参数整定的方法 由小到大地进行调整。串级均匀控制系统的主、副控制器一般都采用纯比例作用的。只在要求较高时，为了防止偏差过大而超过允许范围，才引入适当的积分作用。第二节第二节 均匀控制系统均匀控制系统特点特点特点特点 由于增加了副回路，可以及时克服由于塔内或排出端压力改变所引起的流量变化。串级均匀控制系统协调两个变量间的关系是通过控制器参数整定来实现的。在串级均匀控制系统中，参数整定的目的不是使变量尽快地回到给定值，而是要求变量在允许的范围内作缓慢的变化。52第三节第三节 比值控制系统比值控制系统v一、概况一、概况53 实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。通常为流
35、量比值控制系统。几个概念几个概念几个概念几个概念主物料、主动量（主物料、主动量（Q1、主流量）、主流量）从物料、从动量（从物料、从动量（Q2、副流量）、副流量）副流量Q2与主流量Q1的比值关系为（7-1）第三节第三节 比值控制系统比值控制系统v二、比值控制系统的类型二、比值控制系统的类型541.1.开环比值控制系统开环比值控制系统开环比值控制系统开环比值控制系统图7-13 开环比值控制图7-14 开环比值控制方块图第三节第三节 比值控制系统比值控制系统 结构简单，只需一台纯比例控制器，其比例度可以根据比值要求来设定。主、副流量均开环；这种比值控制方案对副流量Q2本身无抗干扰能力。所以这种系统只
36、能适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。55第三节第三节 比值控制系统比值控制系统562.2.单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统 单单闭闭环环比比值值控控制制系系统统是为了克服开环比值控制方案的不足，在开环比值控制系统的基础上，通过增加一个副流量的闭环控制系统而组成的。图7-15单闭环比值控制图7-16单闭环比值控制系统方块图第三节第三节 比值控制系统比值控制系统 它能实现副流量随主流量的变化而变化，还可以克服副流量本身干扰对比值的影响。结构简单，实施方便，尤其适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合。虽然能保持两物料量比值一定，但由于主流量是不受控制的
37、，当主流量变化时，总的物料量就会跟着变化。57第三节第三节 比值控制系统比值控制系统583.3.双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统 它是在单闭环比值控制的基础上，增加了主流量控制回路而构成的。图7-17 双闭环比值控制图7-18双闭环比值控制系统方块图第三节第三节 比值控制系统比值控制系统 实现了比较精确的流量比值，也确保了两物料总量基本不变。提降负荷比较方便，只要缓慢地改变主流量控制器的给定值，就可以提降主流量，同时副流量也就自动跟踪提降，并保持两者比值不变。结构较复杂，使用的仪表较多，投资较大，系统调整较麻烦。主要适用于主流量干扰频繁、工艺上不允许负荷
38、有较大波动或工艺上经常需要提降负荷的场合。59第三节第三节 比值控制系统比值控制系统604.4.变比值控制系统变比值控制系统变比值控制系统变比值控制系统图7-19变比值控制系统 要求两种物料的比值能灵活地随第三变量的需要而加以调整，这样就出现一种变比值控制系统。图7-20变比值控制系统方块图第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统v一、前馈控制系统及其特点一、前馈控制系统及其特点61反馈与前馈反馈与前馈反馈与前馈反馈与前馈图7-21 换热器的反馈控制图7-22 换热器的前馈控制图7-24反馈控制与前馈控制方块图第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统621.1.前前前前馈馈馈馈控控控控制制制制是是
39、是是基基基基于于于于不不不不变变变变性性性性原原原原理理理理工工工工作作作作的的的的，比反馈控制及时、有效比反馈控制及时、有效比反馈控制及时、有效比反馈控制及时、有效图7-23前馈控制系统的补偿过程 前馈控制是根据干扰的变化产生控制作用的。反反馈馈控控制制与与前前馈馈控控制制的的检检测测信信号与控制信号有不同的特点：号与控制信号有不同的特点：第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统 反馈控制的依据是被控变量与给定值的偏差，检测的信号是被控变量，控制作用发生时间是在偏差出现以后。前馈控制的依据是干扰的变化，检测的信号是干扰量的大小，控制作用的发生时间是在干扰作用的瞬间而不需等到偏差出现之后。63第
40、四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统2.2.前馈控制是属于前馈控制是属于前馈控制是属于前馈控制是属于“开环开环开环开环”控制系统控制系统控制系统控制系统 反馈控制系统是一个闭环控制系统，而前馈控制是一个“开环”控制系统。反馈控制由于是闭环系统，控制结果能够通过反馈获得检验，而前馈控制其控制效果并不通过反馈来加以检验。要想综合一个合适的前馈控制作用，必须对被控对象的特性作深入的研究和彻底的了解。64第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统653.3.前馈控制使用的是视对象特性而定的前馈控制使用的是视对象特性而定的前馈控制使用的是视对象特性而定的前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用专用专用专用”控
41、制器控制器控制器控制器 一般的反馈控制系统均采用通用类型的PID控制器，而前馈控制要采用专用前馈控制器。前馈控制器的控制规律取决于干扰通道的特性与控制通道的特性。对于不同的对象特性，就应该设计具有不同控制规律的控制器。4.4.一种前馈作用只能克服一种干扰一种前馈作用只能克服一种干扰一种前馈作用只能克服一种干扰一种前馈作用只能克服一种干扰反馈控制只用一个控制回路就可克服多个干扰。第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统v二、前馈控制的主要形式二、前馈控制的主要形式1.1.单纯的前馈控制形式单纯的前馈控制形式单纯的前馈控制形式单纯的前馈控制形式 根据对干扰补偿的特点，可分为静态前馈控制和动态前馈控制
42、。66第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统67（1 1）静态前馈控制系统）静态前馈控制系统）静态前馈控制系统）静态前馈控制系统 在图7-22中，前馈控制器的输出信号是按干扰大小随时间变化的，它是干扰量和时间的函数。而当干扰通道和控制通道动态特性相同时，便可以不考虑时间函数，只按静态关系确定前馈控制作用。如果主要干扰是进料流量的波动Q1，那么前馈控制器的输出mf为 第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统举例举例举例举例蒸汽加热的换热器蒸汽加热的换热器蒸汽加热的换热器蒸汽加热的换热器 图7-25静态前馈控制实施方案 热交换器是应用前馈控制较多的场合，换热器有滞后大、时间常数大、反应慢的特性，前馈
43、控制就是针对这种对象特性设计的，故能很好发挥作用。68第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统69根据热平衡原理来分析（7-2）进料增加为Q1+Q1时（7-3）式（7-3）减式（7-2）（7-4）则（7-5）第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统70（2 2）动态前馈控制系统）动态前馈控制系统）动态前馈控制系统）动态前馈控制系统 要考虑对象的动态特性，从而确定前馈控制器的规律，才能获得动态前馈补偿。图7-26动态前馈控制实施方案 可在静态前馈控制的基础上，加上延迟环节或微分环节，以达到干扰作用的近似补偿。按此原理设计的一种前馈控制器，有三三个个可可以以调调整的参数整的参数K、T1、T2。K为放大
44、倍数，是为了静态补偿用的。T1、T2是时间常数，都有可调范围，分别表示延迟作用和微分作用的强弱。第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统712.2.前馈前馈前馈前馈-反馈控制反馈控制反馈控制反馈控制 将它们组合起来，取长补短，使前馈控制用来克服主要干扰，反馈控制用来克服其他的多种干扰，两者协同工作，能提高控制质量。图7-27换热器的前馈-反馈控制图7-28前馈-反馈控制系统方块图第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统前馈前馈前馈前馈-反馈控制系统与串级控制系统的不同点反馈控制系统与串级控制系统的不同点反馈控制系统与串级控制系统的不同点反馈控制系统与串级控制系统的不同点 串级控制系统是由内、外（或
45、主、副）两个反馈回路所组成；而前馈-反馈控制系统是由一个反馈回路和另一个开环的补偿回路叠加而成。72第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统v三、前馈控制的应用场合三、前馈控制的应用场合73（1）干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，仅采用反馈控制达不到要求的对象。（2）主要干扰是可测而不可控的变量。（3）当对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差，可采用前馈或前馈-反馈控制系统，以提高控制质量。第五节第五节 选择性控制系统选择性控制系统v一、基本概念一、基本概念74 在这些大型工艺生产过程中，除了要求控制系统在生产处于正常运行情况下，能够克服外界干扰，维持生产的平稳运行外，当生产操作达
46、到安全极限时，控制系统应有一种应变能力，能采取相应的保护措施，促使生产操作离开安全极限，返回到正常情况。第五节第五节 选择性控制系统选择性控制系统75生产保护性措施有两类：一类是硬保护措施；生产保护性措施有两类：一类是硬保护措施；一类是软保护措施。一类是软保护措施。生产的软保护措施生产的软保护措施 通过一个特定设计的自动选择性控制系统，当生产短期内处于不正常情况时，既不使设备停车又起到对生产进行自动保护的目的。第五节第五节 选择性控制系统选择性控制系统76 要要构构成成选选择择性性控控制制，生生产产操操作作必必须须要要具具有有一一定定选选择择性的逻辑关系。性的逻辑关系。选选择择性性控控制制的的
47、实实现现则则需需要要靠靠具具有有选选择择功功能能的的自自动动选选择择器器（高高值值选选择择器器或或低低值值选选择择器器）或或有有关关的的切切换换装装置置（切换器、带电接点的控制器或测量仪表）来完成。（切换器、带电接点的控制器或测量仪表）来完成。第五节第五节 选择性控制系统选择性控制系统v二、选择性控制系统的类型二、选择性控制系统的类型771.1.开关型选择性控制系统开关型选择性控制系统开关型选择性控制系统开关型选择性控制系统 一一般般有有A、B两两个个可可供供选选择择的的变变量量。其其中中一一个个变变量量A假假定定是是工工艺艺操操作作的的主主要要技技术术指指标标，它它直直接接关关系系到到产产品
48、品的的质质量量或或生生产产效效率率；另另一一个个变变量量B，工工艺艺上上对对它它有有一一个限值要求。个限值要求。开关型选择性控制系统一般都用做开关型选择性控制系统一般都用做开关型选择性控制系统一般都用做开关型选择性控制系统一般都用做系统的限值保护系统的限值保护系统的限值保护系统的限值保护。第五节第五节 选择性控制系统选择性控制系统78图7-29丙烯冷却器的两种控制方案图图图图7-297-29（a a）所所所所示示示示的的的的方方方方案案案案实实实实际际际际上上上上是是是是通通通通过过过过改改改改变变变变换换换换热热热热面面面面积积积积的的的的方法来达到控制温度的目的。方法来达到控制温度的目的。
49、方法来达到控制温度的目的。方法来达到控制温度的目的。第五节第五节 选择性控制系统选择性控制系统79 当裂解气温度过高或负荷量过大时，控制阀当裂解气温度过高或负荷量过大时，控制阀将要大幅度地被打开。当冷却器中的列管全部将要大幅度地被打开。当冷却器中的列管全部为液态丙烯所淹没，而裂解气出口温度仍然降为液态丙烯所淹没，而裂解气出口温度仍然降不到希望的温度时，就不能再一味地使控制阀不到希望的温度时，就不能再一味地使控制阀开度继续增加了。开度继续增加了。注意注意注意注意 方方方方案案案案（b b）是是是是在在在在方方方方案案案案（a a）的的的的基基基基础础础础上上上上增增增增加加加加了了了了一一一一个
50、个个个带带带带上上上上限限限限节节节节点点点点的的的的液液液液位位位位变变变变送送送送器器器器（或或或或报报报报警警警警器器器器）和和和和一一一一个个个个连连连连接接接接于于于于温度控制器温度控制器温度控制器温度控制器TCTC与执行器之间的与执行器之间的与执行器之间的与执行器之间的电磁三通阀电磁三通阀电磁三通阀电磁三通阀。第五节第五节 选择性控制系统选择性控制系统80图7-30开关型选择性控制系统方块图 图图图图中中中中的的的的方方方方块块块块“开开开开关关关关”实实实实际际际际上上上上是是是是一一一一只只只只电电电电磁磁磁磁三三三三通通通通阀阀阀阀，可可可可以以以以根根根根据据据据液液液液位