化工儀表及自動(dòng)化第7章課件

化工儀表及自動(dòng)化第七章復(fù)雜控制系統(tǒng)

化工儀表及自動(dòng)化第七章復(fù)雜控制系統(tǒng)1內(nèi)容提要串級(jí)控制系統(tǒng)概述串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)串級(jí)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1內(nèi)容提要串級(jí)控制系統(tǒng)1內(nèi)容提要比值控制系統(tǒng)概述比值控制系統(tǒng)的類型前饋控制系統(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(chǎng)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2內(nèi)容提要比值控制系統(tǒng)2內(nèi)容提要分程控制系統(tǒng)概述分程控制的應(yīng)用場(chǎng)合分程控制的幾個(gè)問題多沖量控制系統(tǒng)3內(nèi)容提要分程控制系統(tǒng)3概述4根據(jù)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(jí)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4根據(jù)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(jí)控制系第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)一、概述5

當(dāng)對(duì)象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時(shí)，可考慮采用串級(jí)控制系統(tǒng)。舉例說明串級(jí)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(zhǎng)爐子壽命，防止?fàn)t管燒壞；可保證后面精餾分離的質(zhì)量。控制好溫度第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)一、概述5當(dāng)對(duì)象的滯后較大第一節(jié)串級(jí)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(dòng)時(shí)，該簡(jiǎn)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(dòng)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

6第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)過程中，特別是當(dāng)?shù)谝还?jié)串級(jí)控制系統(tǒng)7

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(gè)通道容量滯后很大，時(shí)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(duì)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(shí)，為了解決容量滯后問題，還需對(duì)加熱爐的工藝作進(jìn)一步分析。原因第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)7當(dāng)燃料壓力或燃料本身的熱值第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)8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(jí)控制系統(tǒng)

圖7-3管式加熱爐出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的方塊圖圖7-3管式加熱爐出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的方塊圖圖7-2管式加熱爐出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)8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(jí)控制系統(tǒng)

在上述控制系統(tǒng)中，有兩個(gè)控制器T1C和T2C，接收來自對(duì)象不同部位的測(cè)量信號(hào)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(gè)控制器是串接工作的。主變量工藝控制指標(biāo)，在串級(jí)控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被控變量。9幾個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)中常用的名詞

第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)在上述控制系統(tǒng)中，有兩個(gè)控第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)10主對(duì)象為主變量表征其特性的生產(chǎn)設(shè)備。副對(duì)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(cè)量值與給定值而工作，其輸出作為副變量給定值的那個(gè)控制器。副變量串級(jí)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(jí)控制系統(tǒng)10主對(duì)象為主變量表征其特性的生產(chǎn)設(shè)備。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)主回路由主變量的測(cè)量變送裝置，主、副控制器，執(zhí)行器和主、副對(duì)象構(gòu)成的外回路。副回路由副變量的測(cè)量變送裝置，副控制器執(zhí)行器和副對(duì)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(cè)量值與給定值的偏差而工作的那個(gè)控制器。副控制器11第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)主回路由主變量的測(cè)量變送裝置，主、副控制第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)12圖7-4串級(jí)控制系統(tǒng)典型方塊圖第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)12圖7-4串級(jí)控制系統(tǒng)典型方塊圖第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)二、串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程13

以管式加熱爐為例，來說明串級(jí)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(shí)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。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)二、串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程13第一節(jié)串級(jí)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(shí)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。14第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)1.干擾進(jìn)入副回路F2引起θ2變化，控制第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)

由于副回路控制通道短，時(shí)間常數(shù)小，所以當(dāng)干擾進(jìn)入回路時(shí)，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(duì)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)15第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)由于副回路控制通道第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)162.干擾作用于主對(duì)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(jí)控制系統(tǒng)中，如果干擾作用于主對(duì)象，由于副回路的存在，可以及時(shí)改變副變量的數(shù)值，以達(dá)到穩(wěn)定主變量的目的。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)162.干擾作用于主對(duì)象F1變化→θ第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)3.干擾同時(shí)作用于副回路和主對(duì)象在干擾作用下，主、副變量的變化方向相同。17第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)3.干擾同時(shí)作用于副回路和主對(duì)象在干擾作第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)18主、副變量的變化方向相反，一個(gè)增加，另一個(gè)減小。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)18主、副變量的變化方向相反，一個(gè)增加，第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入一個(gè)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(duì)作用于主對(duì)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(duì)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(jí)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)19第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入一個(gè)閉合的副回第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)三、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)20（1）在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路：主回路和副回路；有兩個(gè)控制器；主控制器和副控制器；有兩個(gè)測(cè)量變送器，分別測(cè)量主變量和副變量。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主回路是個(gè)定值控制系統(tǒng)，而副回路是個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。（2）在串級(jí)控制系統(tǒng)中，有兩個(gè)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。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)三、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)20（1）在系統(tǒng)結(jié)第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)適用范圍：當(dāng)對(duì)象的滯后和時(shí)間常數(shù)很大，干擾作用強(qiáng)而頻繁，負(fù)荷變化大，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)滿足不了控制質(zhì)量的要求時(shí)，采用串級(jí)控制系統(tǒng)是適宜的。（4）串級(jí)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(chǎng)合。（3）在系統(tǒng)特性上，串級(jí)控制系統(tǒng)由于副回路的引入，改善了對(duì)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。21第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)適用范圍：當(dāng)對(duì)象的滯后和時(shí)間常數(shù)很大，干第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)四、串級(jí)控制系統(tǒng)中副回路的確定22根據(jù)生產(chǎn)工藝的具體情況，選擇一個(gè)合適的副變量，從而構(gòu)成一個(gè)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)系第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)四、串級(jí)控制系統(tǒng)中副回路的確定22根據(jù)生第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)

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(shí)克服它的波動(dòng)，減少對(duì)主變量的影響。選擇副變量的兩類情況23第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)選擇與主變量有一定關(guān)系的某一中間變量作第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)24舉例圖7-5精餾塔塔釜溫度串級(jí)控制系統(tǒng)1—精餾塔；2—再沸器

通過這套串級(jí)控制系統(tǒng)，能夠在塔釜溫度穩(wěn)定不變時(shí)，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(shí)，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。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)24舉例圖7-5精餾塔塔釜溫度串級(jí)控制第一節(jié)串級(jí)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(dāng)干擾來自蒸汽壓力或流量的波動(dòng)時(shí)，副回路能及時(shí)加以克服，以大大減少這種干擾對(duì)主變量的影響，使塔釜溫度的控制質(zhì)量得以提高。25第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)在上例中，選擇的副第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)262.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(jí)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(duì)象的控制通道很短，時(shí)間常數(shù)很小，因此控制作用非常及時(shí)，比起圖7-2所示的控制方案，能更及時(shí)有效地克服由于燃料油壓力波動(dòng)對(duì)原料油出口溫度的影響，從而大大提高了控制質(zhì)量。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)262.要使系統(tǒng)的主要干擾被包圍在副回路第一節(jié)串級(jí)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(dòng)時(shí)，就不宜采用圖7-6所示的控制方案，因?yàn)檫@時(shí)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)。27第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)注意如果管式加熱爐的主要干第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)283.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(jí)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(shí)，也應(yīng)同時(shí)考慮到副環(huán)的靈敏度。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)283.在可能的情況下，應(yīng)使副環(huán)包圍更第一節(jié)串級(jí)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(duì)象的控制通道就變長(zhǎng)，滯后也就增大，從而會(huì)削弱副回路的快速、有力控制的特性。

在選擇副變量時(shí)，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29第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)隨著副回路包圍干擾的增多，副第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)304.副變量的選擇應(yīng)考慮到主、副對(duì)象時(shí)間常數(shù)的匹配，以防“共振”的發(fā)生

是為了保證副回路具有快速的抗干擾性能；是由于串級(jí)系統(tǒng)中主、副回路之間是密切相關(guān)的，副變量的變化會(huì)影響到主變量，而主變量的變化通過反饋回路又會(huì)影響到副變量。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)不能太接近。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)304.副變量的選擇應(yīng)考慮到主、副對(duì)象時(shí)第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)小結(jié)

在選擇副變量時(shí)，應(yīng)注意使主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)之比為3～10，以減少主、副回路的動(dòng)態(tài)聯(lián)系，避免“共振”。當(dāng)然，也不能盲目追求減小副對(duì)象的時(shí)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。31第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)小結(jié)在選擇副變量時(shí)第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)5.當(dāng)對(duì)象具有較大的純滯后而影響控制質(zhì)量時(shí)，在選擇副變量時(shí)應(yīng)使副環(huán)盡量少包含純滯后或不包含純滯后

對(duì)于含有大純滯后的對(duì)象，可采用串級(jí)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(duì)象中去，以提高副回路的快速抗干擾功能，及時(shí)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。32第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)5.當(dāng)對(duì)象具有較大的純滯后而影響控制質(zhì)第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)33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(jí)控制系統(tǒng)1—計(jì)量泵；2—板式熱交換器；3—過濾器

在計(jì)量泵和冷卻器之間，靠近計(jì)量泵的適當(dāng)位置，選擇壓力測(cè)量點(diǎn)，并作為副變量組成一個(gè)壓力與壓力的串級(jí)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(jì)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。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)33舉例某化纖廠膠液壓力的控制問題圖7-第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)五、主、副控制器控制規(guī)律及正、反作用的選擇341.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。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(jí)控制系統(tǒng)五、主、副控制器控制規(guī)律及正、反作用的選第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)352.控制器正、反作用的選擇（1）串級(jí)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(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)的原則來確定。例如圖7-2所示的管式加熱爐溫度-溫度串級(jí)控制系統(tǒng)中的副回路。氣源中斷，停止供給燃料油時(shí)，執(zhí)行器選氣開閥，“正”方向。燃料量加大時(shí)，爐膛溫度θ2（副變量）增加，副對(duì)象“正”方向。為使副回路構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)，副控制器T2C選擇“反”方向。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)352.控制器正、反作用的選擇（1）串級(jí)第一節(jié)串級(jí)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(jí)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(gè)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(jí)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?。r(shí)，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(dòng)作方向是一致的時(shí)候，主控制器應(yīng)選“反”作用；反之，則應(yīng)選“正”作用。36第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)如圖7-5所示的精餾塔塔釜溫度與蒸汽流量第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)37例如圖7-2所示的管式加熱爐串級(jí)控制系統(tǒng)。

主變量θ1或副變量θ2增加時(shí)，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(shí)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(jí)控制系統(tǒng)。

蒸汽流量（副變量）或塔釜溫度（主變量）增加時(shí)，都需要關(guān)小控制閥，它們對(duì)控制閥的動(dòng)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。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)37例如圖7-2所示的管式加熱爐串級(jí)控制第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)38圖7-8冷卻器溫度串級(jí)控制系統(tǒng)

冷卻器溫度串級(jí)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(jí)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(shí)，需要開大控制閥，而當(dāng)副變量即冷劑流量增加時(shí)，需要關(guān)小控制閥，它們對(duì)控制閥動(dòng)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。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)38圖7-8冷卻器溫度串級(jí)控制系統(tǒng)第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)39（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(shí)，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(jí)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(jí)切換為主控時(shí)，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(jí)時(shí)，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(jí)控制系統(tǒng)39（3）當(dāng)由于工藝過程的需要，控制閥由第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)系統(tǒng)串級(jí)與主控切換的條件：

當(dāng)主變量變化時(shí)，串級(jí)時(shí)副控制器的輸出與主控時(shí)主控制器的輸出信號(hào)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(shí)，去控制閥的信號(hào)完全一致。40第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)系統(tǒng)串級(jí)與主控切換的條件：第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)六、控制器參數(shù)的工程整定41串級(jí)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(jí)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(jí)控制系統(tǒng)六、控制器參數(shù)的工程整定41串級(jí)控制系統(tǒng)第一節(jié)串級(jí)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(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(shí)主控制器的比例度δ1s和操作周期T1s。整定過程42第一節(jié)串級(jí)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(jí)控制系統(tǒng)43（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(jì)算主、副控制器的比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間。（4）按“先副后主”、“先比例次積分后微分”的整定規(guī)律，將計(jì)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(jí)控制系統(tǒng)43（3）根據(jù)上面得到的δ1s、T1s、第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)共振問題

如果主、副對(duì)象時(shí)間常數(shù)相差不大，動(dòng)態(tài)聯(lián)系密切，可能會(huì)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(shí)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(shí)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(duì)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。44第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)共振問題如果主、副對(duì)象時(shí)間常數(shù)相第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)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(dòng)，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)。實(shí)踐證明

這種整定方法，對(duì)于對(duì)主變量要求較高，而對(duì)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(jí)控制系統(tǒng)，是很有效的。45第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)2.一步整定法根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將副控第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)465.0～1.73.0～1.42.5～1.255.0～1.2520～6030～7040～8020～80溫度壓力流量液位副控制器比例放大倍數(shù)KP2副控制器比例度δ2／％副變量類型表7-1采用一步整定法時(shí)副控制器參數(shù)選擇范圍第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)465.0～1.720～60溫度副控第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)47一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(jiǎn)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(jí)控制系統(tǒng)47一步整定法的整定步驟：（1）在生產(chǎn)第二節(jié)均勻控制系統(tǒng)一、均勻控制的目的48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)。第二節(jié)均勻控制系統(tǒng)一、均勻控制的目的48圖7-9前后精餾第二節(jié)均勻控制系統(tǒng)49均勻控制的要求（1）兩個(gè)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(gè)變量應(yīng)保持在所允許的范圍內(nèi)波動(dòng)。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)49均勻控制的要求（1）兩個(gè)變量在控制過第二節(jié)均勻控制系統(tǒng)二、均勻控制方案501.簡(jiǎn)單均勻控制圖7-11簡(jiǎn)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)。第二節(jié)均勻控制系統(tǒng)二、均勻控制方案501.簡(jiǎn)單均勻控制圖7第二節(jié)均勻控制系統(tǒng)512.串級(jí)均勻控制圖7-12串級(jí)均勻控制

可在簡(jiǎn)單均勻控制方案基礎(chǔ)上增加一個(gè)流量副回路，即構(gòu)成串級(jí)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(jí)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(shí)，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)512.串級(jí)均勻控制圖7-12串級(jí)均勻第二節(jié)均勻控制系統(tǒng)特點(diǎn)

由于增加了副回路，可以及時(shí)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(jí)均勻控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)兩個(gè)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(jí)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。52第二節(jié)均勻控制系統(tǒng)特點(diǎn)由于增加了副回路，可以及時(shí)克第三節(jié)比值控制系統(tǒng)一、概況53

實(shí)現(xiàn)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)，稱為比值控制系統(tǒng)。通常為流量比值控制系統(tǒng)。幾個(gè)概念主物料、主動(dòng)量（Q1

、主流量）從物料、從動(dòng)量（Q2

、副流量）副流量Q2與主流量Q1的比值關(guān)系為（7-1）第三節(jié)比值控制系統(tǒng)一、概況53實(shí)現(xiàn)兩第三節(jié)比值控制系統(tǒng)二、比值控制系統(tǒng)的類型541.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)比值控制方塊圖第三節(jié)比值控制系統(tǒng)二、比值控制系統(tǒng)的類型541.開環(huán)比值控第三節(jié)比值控制系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需一臺(tái)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(duì)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(chǎng)合。

55第三節(jié)比值控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需一臺(tái)純比例控制器，其比例第三節(jié)比值控制系統(tǒng)562.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(gè)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)方塊圖第三節(jié)比值控制系統(tǒng)562.單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)第三節(jié)比值控制系統(tǒng)

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(duì)比值的影響。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǎng)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(shí)，總的物料量就會(huì)跟著變化。57第三節(jié)比值控制系統(tǒng)它能實(shí)現(xiàn)副流量隨主流量的變化而變化，還第三節(jié)比值控制系統(tǒng)583.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)583.雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)第三節(jié)比值控制系統(tǒng)

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(shí)副流量也就自動(dòng)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(dòng)或工藝上經(jīng)常需要提降負(fù)荷的場(chǎng)合。59第三節(jié)比值控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了比較精確的流量比值，也確保了兩物第三節(jié)比值控制系統(tǒng)604.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)604.變比值控制系統(tǒng)圖7-19變比值第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)一、前饋控制系統(tǒng)及其特點(diǎn)61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四節(jié)前饋控制系統(tǒng)一、前饋控制系統(tǒng)及其特點(diǎn)61反饋與前饋圖第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)621.前饋控制是基于不變性原理工作的，比反饋控制及時(shí)、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。

反饋控制與前饋控制的檢測(cè)信號(hào)與控制信號(hào)有不同的特點(diǎn)：第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)621.前饋控制是基于不變性原理工作的，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(cè)的信號(hào)是被控變量，控制作用發(fā)生時(shí)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(cè)的信號(hào)是干擾量的大小，控制作用的發(fā)生時(shí)間是在干擾作用的瞬間而不需等到偏差出現(xiàn)之后。63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第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)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(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，而前饋控制是一個(gè)“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(gè)合適的前饋控制作用，必須對(duì)被控對(duì)象的特性作深入的研究和徹底的了解。64第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)2.前饋控制是屬于“開環(huán)”控制系統(tǒng)第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)653.前饋控制使用的是視對(duì)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(duì)于不同的對(duì)象特性，就應(yīng)該設(shè)計(jì)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(gè)控制回路就可克服多個(gè)干擾。第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)653.前饋控制使用的是視對(duì)象特性而定的第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)二、前饋控制的主要形式1.單純的前饋控制形式

根據(jù)對(duì)干擾補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)，可分為靜態(tài)前饋控制和動(dòng)態(tài)前饋控制。66第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)二、前饋控制的主要形式1.單純的前饋控制第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)67（1）靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)

在圖7-22中，前饋控制器的輸出信號(hào)是按干擾大小隨時(shí)間變化的，它是干擾量和時(shí)間的函數(shù)。而當(dāng)干擾通道和控制通道動(dòng)態(tài)特性相同時(shí)，便可以不考慮時(shí)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(dòng)ΔQ1，那么前饋控制器的輸出Δmf為第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)67（1）靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)在第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)舉例蒸汽加熱的換熱器

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(chǎng)合，換熱器有滯后大、時(shí)間常數(shù)大、反應(yīng)慢的特性，前饋控制就是針對(duì)這種對(duì)象特性設(shè)計(jì)的，故能很好發(fā)揮作用。68第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)舉例蒸汽加熱的換熱器圖7-25靜態(tài)前第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)69根據(jù)熱平衡原理來分析（7-2）進(jìn)料增加為Q1+ΔQ1時(shí)（7-3）式（7-3）減式（7-2）（7-4）則（7-5）第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)69根據(jù)熱平衡原理來分析（7-2）進(jìn)料增第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)70（2）動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)

要考慮對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，從而確定前饋控制器的規(guī)律，才能獲得動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償。圖7-26動(dòng)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(jì)的一種前饋控制器，有三個(gè)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(shí)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)70（2）動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)要考第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)712.前饋-反饋控制

將它們組合起來，取長(zhǎng)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)方塊圖第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)712.前饋-反饋控制將它第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)前饋-反饋控制系統(tǒng)與串級(jí)控制系統(tǒng)的不同點(diǎn)

串級(jí)控制系統(tǒng)是由內(nèi)、外（或主、副）兩個(gè)反饋回路所組成；而前饋-反饋控制系統(tǒng)是由一個(gè)反饋回路和另一個(gè)開環(huán)的補(bǔ)償回路疊加而成。72第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)前饋-反饋控制系統(tǒng)與串級(jí)控制系統(tǒng)的不同點(diǎn)第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)三、前饋控制的應(yīng)用場(chǎng)合73（1）干擾幅值大而頻繁，對(duì)被控變量影響劇烈，僅采用反饋控制達(dá)不到要求的對(duì)象。（2）主要干擾是可測(cè)而不可控的變量。（3）當(dāng)對(duì)象的控制通道滯后大，反饋控制不及時(shí)，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)三、前饋控制的應(yīng)用場(chǎng)合73（1）干擾幅值第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)一、基本概念74

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(shí)，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。第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)一、基本概念74第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)75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。生產(chǎn)的軟保護(hù)措施通過一個(gè)特定設(shè)計(jì)的自動(dòng)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(shí)，既不使設(shè)備停車又起到對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行自動(dòng)保護(hù)的目的。第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)75生產(chǎn)保護(hù)性措施有兩類：一類是硬保護(hù)第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)76

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(dòng)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(cè)量?jī)x表）來完成。第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)76要構(gòu)成選擇性控制，生產(chǎn)操作必須第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)二、選擇性控制系統(tǒng)的類型771.開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)

一般有A、B兩個(gè)可供選擇的變量。其中一個(gè)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(gè)變量B，工藝上對(duì)它有一個(gè)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)二、選擇性控制系統(tǒng)的類型771.開關(guān)型第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)78圖7-29丙烯冷卻器的兩種控制方案圖7-29（a）所示的方案實(shí)際上是通過改變換熱面積的方法來達(dá)到控制溫度的目的。第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)78圖7-29丙烯冷卻器的兩種控制方第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)79

當(dāng)裂解氣溫度過高或負(fù)荷量過大時(shí)，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(shí)，就不能再一味地使控制閥開度繼續(xù)增加了。注意

方案（b）是在方案（a）的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)帶上限節(jié)點(diǎn)的液位變送器（或報(bào)警器）和一個(gè)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)79當(dāng)裂解氣溫度過高或負(fù)荷量過第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)80圖7-30開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)方塊圖

圖中的方塊“開關(guān)”實(shí)際上是一只電磁三通閥，可以根據(jù)液位的不同情況分別讓執(zhí)行器接通溫度控制器或接通大氣。第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)80圖7-30開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)方81圖7-31開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)信號(hào)器的信號(hào)關(guān)系是：當(dāng)液位低于75％時(shí)，輸出p2＝０；當(dāng)液位達(dá)到75％時(shí)，p2＝0.1MPa。切換器的信號(hào)關(guān)系是：當(dāng)p2＝０時(shí)，py＝px；當(dāng)p2＝0.1MPa時(shí)，py＝０。第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)81圖7-31開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)信號(hào)器的信號(hào)關(guān)系是：第五822.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(tái)控制器，它們的輸出通過一臺(tái)選擇器（高選器或低選器）后，送往執(zhí)行器。這兩臺(tái)控制器，一臺(tái)在正常情況下工作，另一臺(tái)在非正常情況下工作。第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)822.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83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)方塊圖第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)83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84

當(dāng)系統(tǒng)處于燃料氣壓力控制時(shí)，蒸汽壓力的控制質(zhì)量將會(huì)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(shí)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。注意第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)84當(dāng)系統(tǒng)處于燃料氣壓力控制時(shí)，蒸汽壓力的控制853.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(shí)，燃料氣管線的壓力就有可能低于燃燒室壓力，這樣就會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)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)853.混合型選擇性控制系統(tǒng)在這種混合型選擇性圖7-34混合型選擇性控制方案

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

一旦燃料氣壓力下降到極限值時(shí)，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(hào)，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(shí)，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。86第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)圖7-34混合型選擇性控制方案增加了一個(gè)帶下限節(jié)點(diǎn)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(gè)具有積分作用的控制器，處于開環(huán)工作狀態(tài)時(shí)，如果偏差輸入信號(hào)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”。87第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)三、積分飽和及其防止1.積分飽和的產(chǎn)生及其危害性產(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(hào)長(zhǎng)期存在。

當(dāng)控制器處于積分飽和狀態(tài)時(shí)，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(hào)范圍。88第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)產(chǎn)生積分飽和的條件其一是控制器具有積分作用；當(dāng)控制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(duì)積分反饋信號(hào)加以限制，從而使控制器輸出信號(hào)被限制在工作信號(hào)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(shí)，就將控制器的積分作用切除掉，這樣就不會(huì)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(huì)產(chǎn)生積分飽和問題了。89第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)2.抗積分飽和措施目前防止積分飽和的兩種方法（1）限幅法第六節(jié)分程控制系統(tǒng)一、概述

一臺(tái)控制器的輸出可以同時(shí)控制兩臺(tái)甚至兩臺(tái)以上的控制閥?？刂破鞯妮敵鲂盘?hào)被分割成若干個(gè)信號(hào)范圍段，由每一段信號(hào)去控制一臺(tái)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90第六節(jié)分程控制系統(tǒng)一、概述一臺(tái)控制器的輸出可第六節(jié)分程控制系統(tǒng)就控制閥的開、關(guān)形式分類

兩個(gè)控制閥同向動(dòng)作，即隨著控制器輸出信號(hào)（即閥壓）的增大或減小，兩控制閥都開大或關(guān)小。兩個(gè)控制閥異向動(dòng)作，即隨著控制器輸出信號(hào)的增大或減小，一個(gè)控制閥開大，另一個(gè)控制閥則關(guān)小。91第六節(jié)分程控制系統(tǒng)就控制閥的開、關(guān)形式分類兩個(gè)控制閥同向第六節(jié)分程控制系統(tǒng)圖7-37兩閥異向動(dòng)作圖7-36兩閥同向動(dòng)作92第六節(jié)分程控制系統(tǒng)圖7-37兩閥異向動(dòng)作圖7-36兩閥第六節(jié)分程控制系統(tǒng)二、分程控制的應(yīng)用場(chǎng)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93第六節(jié)分程控制系統(tǒng)二、分程控制的應(yīng)用場(chǎng)合1.用于擴(kuò)大控制閥第六節(jié)分程控制系統(tǒng)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(duì)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。94第六節(jié)分程控制系統(tǒng)2.用于控制兩種不同的介質(zhì)，以滿足工藝生第六節(jié)分程控制系統(tǒng)圖7-40

A、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)椋坏┏霈F(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(huì)因?yàn)榉磻?yīng)器溫度過高而導(dǎo)致生產(chǎn)事故。95第六節(jié)分程控制系統(tǒng)圖7-40A、B閥特性圖本方案第六節(jié)分程控制系統(tǒng)3.用作生產(chǎn)安全的防護(hù)措施

有時(shí)為了生產(chǎn)安全起見，需要采取不同的控制手段，可采用分程控制方案。圖7-41貯罐氮封分程控制方案解決貯罐中物料量的增減會(huì)導(dǎo)致氮封壓力的變化的問題。圖7-42氮封分程閥特性圖96第六節(jié)分程控制系統(tǒng)3.用作生產(chǎn)安全的防護(hù)措施第六節(jié)分程控制系統(tǒng)三、分程控制中的幾個(gè)問題（1）控制閥流量特性要正確選擇。圖7-43閥門特性97第六節(jié)分程控制系統(tǒng)三、分程控制中的幾個(gè)問題（1）控制閥流量第六節(jié)分程控制系統(tǒng)（2）大小閥并聯(lián)時(shí)，大閥泄漏量不可忽視，否則就不能充分發(fā)揮擴(kuò)大可調(diào)范圍的作用。當(dāng)大閥泄漏量較大時(shí)，系統(tǒng)的最小流通能力就不再是小閥的最小流通能力。（3）控制器的選擇和參數(shù)整定，可參照簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)處理。如果在運(yùn)行中，兩個(gè)控制通道特性不同，即廣義對(duì)象特性是兩個(gè)，控制器參數(shù)不能同時(shí)滿足兩個(gè)不同對(duì)象特性的要求。這時(shí)，只好照顧正常情況下的被控對(duì)象特性，按正常情況下整定控制器的參數(shù)。對(duì)另一臺(tái)閥的操作要求，只要能在工藝允許的范圍內(nèi)即可。98第六節(jié)分程控制系統(tǒng)（2）大小閥并聯(lián)時(shí)，大閥泄漏量不可忽視，第七節(jié)多沖量控制系統(tǒng)

多沖量控制系統(tǒng)指在控制系統(tǒng)中，有多個(gè)變量信號(hào)，經(jīng)過一定的運(yùn)算后，共同控制一臺(tái)執(zhí)行器，以使某個(gè)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(yīng)用比較廣泛。主要用來自動(dòng)控制鍋爐的給水量，使其適應(yīng)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99第七節(jié)多沖量控制系統(tǒng)多沖量控制系統(tǒng)指在控制系統(tǒng)中，第七節(jié)多沖量控制系統(tǒng)1.單沖量液位控制系統(tǒng)圖7-44單沖量控制系統(tǒng)原理根據(jù)汽包液位的信號(hào)來控制給水量。優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用儀表少。

缺點(diǎn)不能適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的劇烈變化。易根據(jù)“假液位”引起控制系統(tǒng)的誤動(dòng)作。100第七節(jié)多沖量控制系統(tǒng)1.單沖量液位控制系統(tǒng)圖7-44單沖第七節(jié)多沖量控制系統(tǒng)2.雙沖量液位控制系統(tǒng)圖7-46雙沖量控制系統(tǒng)方塊圖雙沖量——液位信號(hào)和蒸汽流量信號(hào)圖7-45雙沖量控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上看，它實(shí)際上是一個(gè)前饋-反饋控制系統(tǒng)。當(dāng)供水壓力擾動(dòng)比較頻繁時(shí)，該系統(tǒng)的控制質(zhì)量較差。

101第七節(jié)多沖量控制系統(tǒng)2.雙沖量液位控制系統(tǒng)圖7-46雙沖第七節(jié)多沖量控制系統(tǒng)3.三沖量液位控制系統(tǒng)圖7-47三沖量控制系統(tǒng)圖7-48三沖量控制系統(tǒng)的一種實(shí)施方案102第七節(jié)多沖量控制系統(tǒng)3.三沖量液位控制系統(tǒng)圖7-47三沖第七節(jié)多沖量控制系統(tǒng)圖7-49三沖量控制系統(tǒng)方塊圖

這實(shí)質(zhì)上是前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)。汽包液位是被控變量，給水流量是串級(jí)控制系統(tǒng)中的副變量，蒸汽流量是作為前饋信號(hào)引入的。結(jié)論103第七節(jié)多沖量控制系統(tǒng)圖7-49三沖量控制系統(tǒng)方塊圖這END104END104化工儀表及自動(dòng)化第七章復(fù)雜控制系統(tǒng)

化工儀表及自動(dòng)化第七章復(fù)雜控制系統(tǒng)106內(nèi)容提要串級(jí)控制系統(tǒng)概述串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)串級(jí)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1內(nèi)容提要串級(jí)控制系統(tǒng)1內(nèi)容提要比值控制系統(tǒng)概述比值控制系統(tǒng)的類型前饋控制系統(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(chǎng)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2內(nèi)容提要比值控制系統(tǒng)2內(nèi)容提要分程控制系統(tǒng)概述分程控制的應(yīng)用場(chǎng)合分程控制的幾個(gè)問題多沖量控制系統(tǒng)3內(nèi)容提要分程控制系統(tǒng)3概述4根據(jù)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(jí)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4根據(jù)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(jí)控制系第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)一、概述5

當(dāng)對(duì)象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時(shí)，可考慮采用串級(jí)控制系統(tǒng)。舉例說明串級(jí)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(zhǎng)爐子壽命，防止?fàn)t管燒壞；可保證后面精餾分離的質(zhì)量?？刂坪脺囟鹊谝还?jié)串級(jí)控制系統(tǒng)一、概述5當(dāng)對(duì)象的滯后較大第一節(jié)串級(jí)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(dòng)時(shí)，該簡(jiǎn)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(dòng)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

6第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)過程中，特別是當(dāng)?shù)谝还?jié)串級(jí)控制系統(tǒng)7

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(gè)通道容量滯后很大，時(shí)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(duì)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(shí)，為了解決容量滯后問題，還需對(duì)加熱爐的工藝作進(jìn)一步分析。原因第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)7當(dāng)燃料壓力或燃料本身的熱值第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)8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(jí)控制系統(tǒng)

圖7-3管式加熱爐出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的方塊圖圖7-3管式加熱爐出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的方塊圖圖7-2管式加熱爐出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)8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(jí)控制系統(tǒng)

在上述控制系統(tǒng)中，有兩個(gè)控制器T1C和T2C，接收來自對(duì)象不同部位的測(cè)量信號(hào)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(gè)控制器是串接工作的。主變量工藝控制指標(biāo)，在串級(jí)控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被控變量。9幾個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)中常用的名詞

第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)在上述控制系統(tǒng)中，有兩個(gè)控第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)10主對(duì)象為主變量表征其特性的生產(chǎn)設(shè)備。副對(duì)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(cè)量值與給定值而工作，其輸出作為副變量給定值的那個(gè)控制器。副變量串級(jí)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(jí)控制系統(tǒng)10主對(duì)象為主變量表征其特性的生產(chǎn)設(shè)備。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)主回路由主變量的測(cè)量變送裝置，主、副控制器，執(zhí)行器和主、副對(duì)象構(gòu)成的外回路。副回路由副變量的測(cè)量變送裝置，副控制器執(zhí)行器和副對(duì)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(cè)量值與給定值的偏差而工作的那個(gè)控制器。副控制器11第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)主回路由主變量的測(cè)量變送裝置，主、副控制第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)12圖7-4串級(jí)控制系統(tǒng)典型方塊圖第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)12圖7-4串級(jí)控制系統(tǒng)典型方塊圖第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)二、串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程13

以管式加熱爐為例，來說明串級(jí)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(shí)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。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)二、串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程13第一節(jié)串級(jí)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(shí)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。14第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)1.干擾進(jìn)入副回路F2引起θ2變化，控制第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)

由于副回路控制通道短，時(shí)間常數(shù)小，所以當(dāng)干擾進(jìn)入回路時(shí)，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(duì)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)15第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)由于副回路控制通道第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)162.干擾作用于主對(duì)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(jí)控制系統(tǒng)中，如果干擾作用于主對(duì)象，由于副回路的存在，可以及時(shí)改變副變量的數(shù)值，以達(dá)到穩(wěn)定主變量的目的。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)162.干擾作用于主對(duì)象F1變化→θ第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)3.干擾同時(shí)作用于副回路和主對(duì)象在干擾作用下，主、副變量的變化方向相同。17第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)3.干擾同時(shí)作用于副回路和主對(duì)象在干擾作第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)18主、副變量的變化方向相反，一個(gè)增加，另一個(gè)減小。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)18主、副變量的變化方向相反，一個(gè)增加，第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入一個(gè)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(duì)作用于主對(duì)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(duì)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(jí)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)19第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入一個(gè)閉合的副回第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)三、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)20（1）在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路：主回路和副回路；有兩個(gè)控制器；主控制器和副控制器；有兩個(gè)測(cè)量變送器，分別測(cè)量主變量和副變量。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主回路是個(gè)定值控制系統(tǒng)，而副回路是個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。（2）在串級(jí)控制系統(tǒng)中，有兩個(gè)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。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)三、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)20（1）在系統(tǒng)結(jié)第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)適用范圍：當(dāng)對(duì)象的滯后和時(shí)間常數(shù)很大，干擾作用強(qiáng)而頻繁，負(fù)荷變化大，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)滿足不了控制質(zhì)量的要求時(shí)，采用串級(jí)控制系統(tǒng)是適宜的。（4）串級(jí)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(chǎng)合。（3）在系統(tǒng)特性上，串級(jí)控制系統(tǒng)由于副回路的引入，改善了對(duì)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。21第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)適用范圍：當(dāng)對(duì)象的滯后和時(shí)間常數(shù)很大，干第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)四、串級(jí)控制系統(tǒng)中副回路的確定22根據(jù)生產(chǎn)工藝的具體情況，選擇一個(gè)合適的副變量，從而構(gòu)成一個(gè)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)系第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)四、串級(jí)控制系統(tǒng)中副回路的確定22根據(jù)生第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)

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(shí)克服它的波動(dòng)，減少對(duì)主變量的影響。選擇副變量的兩類情況23第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)選擇與主變量有一定關(guān)系的某一中間變量作第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)24舉例圖7-5精餾塔塔釜溫度串級(jí)控制系統(tǒng)1—精餾塔；2—再沸器

通過這套串級(jí)控制系統(tǒng)，能夠在塔釜溫度穩(wěn)定不變時(shí)，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(shí)，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。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)24舉例圖7-5精餾塔塔釜溫度串級(jí)控制第一節(jié)串級(jí)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(dāng)干擾來自蒸汽壓力或流量的波動(dòng)時(shí)，副回路能及時(shí)加以克服，以大大減少這種干擾對(duì)主變量的影響，使塔釜溫度的控制質(zhì)量得以提高。25第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)在上例中，選擇的副第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)262.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(jí)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(duì)象的控制通道很短，時(shí)間常數(shù)很小，因此控制作用非常及時(shí)，比起圖7-2所示的控制方案，能更及時(shí)有效地克服由于燃料油壓力波動(dòng)對(duì)原料油出口溫度的影響，從而大大提高了控制質(zhì)量。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)262.要使系統(tǒng)的主要干擾被包圍在副回路第一節(jié)串級(jí)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(dòng)時(shí)，就不宜采用圖7-6所示的控制方案，因?yàn)檫@時(shí)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)。27第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)注意如果管式加熱爐的主要干第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)283.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(jí)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(shí)，也應(yīng)同時(shí)考慮到副環(huán)的靈敏度。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)283.在可能的情況下，應(yīng)使副環(huán)包圍更第一節(jié)串級(jí)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(duì)象的控制通道就變長(zhǎng)，滯后也就增大，從而會(huì)削弱副回路的快速、有力控制的特性。

在選擇副變量時(shí)，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29第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)隨著副回路包圍干擾的增多，副第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)304.副變量的選擇應(yīng)考慮到主、副對(duì)象時(shí)間常數(shù)的匹配，以防“共振”的發(fā)生

是為了保證副回路具有快速的抗干擾性能；是由于串級(jí)系統(tǒng)中主、副回路之間是密切相關(guān)的，副變量的變化會(huì)影響到主變量，而主變量的變化通過反饋回路又會(huì)影響到副變量。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)不能太接近。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)304.副變量的選擇應(yīng)考慮到主、副對(duì)象時(shí)第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)小結(jié)

在選擇副變量時(shí)，應(yīng)注意使主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)之比為3～10，以減少主、副回路的動(dòng)態(tài)聯(lián)系，避免“共振”。當(dāng)然，也不能盲目追求減小副對(duì)象的時(shí)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。31第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)小結(jié)在選擇副變量時(shí)第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)5.當(dāng)對(duì)象具有較大的純滯后而影響控制質(zhì)量時(shí)，在選擇副變量時(shí)應(yīng)使副環(huán)盡量少包含純滯后或不包含純滯后

對(duì)于含有大純滯后的對(duì)象，可采用串級(jí)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(duì)象中去，以提高副回路的快速抗干擾功能，及時(shí)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。32第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)5.當(dāng)對(duì)象具有較大的純滯后而影響控制質(zhì)第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)33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(jí)控制系統(tǒng)1—計(jì)量泵；2—板式熱交換器；3—過濾器

在計(jì)量泵和冷卻器之間，靠近計(jì)量泵的適當(dāng)位置，選擇壓力測(cè)量點(diǎn)，并作為副變量組成一個(gè)壓力與壓力的串級(jí)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(jì)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。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)33舉例某化纖廠膠液壓力的控制問題圖7-第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)五、主、副控制器控制規(guī)律及正、反作用的選擇341.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。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(jí)控制系統(tǒng)五、主、副控制器控制規(guī)律及正、反作用的選第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)352.控制器正、反作用的選擇（1）串級(jí)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(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)的原則來確定。例如圖7-2所示的管式加熱爐溫度-溫度串級(jí)控制系統(tǒng)中的副回路。氣源中斷，停止供給燃料油時(shí)，執(zhí)行器選氣開閥，“正”方向。燃料量加大時(shí)，爐膛溫度θ2（副變量）增加，副對(duì)象“正”方向。為使副回路構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)，副控制器T2C選擇“反”方向。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)352.控制器正、反作用的選擇（1）串級(jí)第一節(jié)串級(jí)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(jí)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(gè)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(jí)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(shí)，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(dòng)作方向是一致的時(shí)候，主控制器應(yīng)選“反”作用；反之，則應(yīng)選“正”作用。36第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)如圖7-5所示的精餾塔塔釜溫度與蒸汽流量第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)37例如圖7-2所示的管式加熱爐串級(jí)控制系統(tǒng)。

主變量θ1或副變量θ2增加時(shí)，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(shí)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(jí)控制系統(tǒng)。

蒸汽流量（副變量）或塔釜溫度（主變量）增加時(shí)，都需要關(guān)小控制閥，它們對(duì)控制閥的動(dòng)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。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)37例如圖7-2所示的管式加熱爐串級(jí)控制第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)38圖7-8冷卻器溫度串級(jí)控制系統(tǒng)

冷卻器溫度串級(jí)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(jí)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(shí)，需要開大控制閥，而當(dāng)副變量即冷劑流量增加時(shí)，需要關(guān)小控制閥，它們對(duì)控制閥動(dòng)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。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)38圖7-8冷卻器溫度串級(jí)控制系統(tǒng)第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)39（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(shí)，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(jí)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(jí)切換為主控時(shí)，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(jí)時(shí)，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(jí)控制系統(tǒng)39（3）當(dāng)由于工藝過程的需要，控制閥由第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)系統(tǒng)串級(jí)與主控切換的條件：

當(dāng)主變量變化時(shí)，串級(jí)時(shí)副控制器的輸出與主控時(shí)主控制器的輸出信號(hào)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(shí)，去控制閥的信號(hào)完全一致。40第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)系統(tǒng)串級(jí)與主控切換的條件：第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)六、控制器參數(shù)的工程整定41串級(jí)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(jí)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(jí)控制系統(tǒng)六、控制器參數(shù)的工程整定41串級(jí)控制系統(tǒng)第一節(jié)串級(jí)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(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(shí)主控制器的比例度δ1s和操作周期T1s。整定過程42第一節(jié)串級(jí)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(jí)控制系統(tǒng)43（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(jì)算主、副控制器的比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間。（4）按“先副后主”、“先比例次積分后微分”的整定規(guī)律，將計(jì)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(jí)控制系統(tǒng)43（3）根據(jù)上面得到的δ1s、T1s、第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)共振問題

如果主、副對(duì)象時(shí)間常數(shù)相差不大，動(dòng)態(tài)聯(lián)系密切，可能會(huì)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(shí)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(shí)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(duì)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。44第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)共振問題如果主、副對(duì)象時(shí)間常數(shù)相第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)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(dòng)，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)。實(shí)踐證明

這種整定方法，對(duì)于對(duì)主變量要求較高，而對(duì)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(jí)控制系統(tǒng)，是很有效的。45第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)2.一步整定法根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將副控第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)465.0～1.73.0～1.42.5～1.255.0～1.2520～6030～7040～8020～80溫度壓力流量液位副控制器比例放大倍數(shù)KP2副控制器比例度δ2／％副變量類型表7-1采用一步整定法時(shí)副控制器參數(shù)選擇范圍第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)465.0～1.720～60溫度副控第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)47一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(jiǎn)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(jí)控制系統(tǒng)47一步整定法的整定步驟：（1）在生產(chǎn)第二節(jié)均勻控制系統(tǒng)一、均勻控制的目的48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)。第二節(jié)均勻控制系統(tǒng)一、均勻控制的目的48圖7-9前后精餾第二節(jié)均勻控制系統(tǒng)49均勻控制的要求（1）兩個(gè)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(gè)變量應(yīng)保持在所允許的范圍內(nèi)波動(dòng)。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)49均勻控制的要求（1）兩個(gè)變量在控制過第二節(jié)均勻控制系統(tǒng)二、均勻控制方案501.簡(jiǎn)單均勻控制圖7-11簡(jiǎn)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)。第二節(jié)均勻控制系統(tǒng)二、均勻控制方案501.簡(jiǎn)單均勻控制圖7第二節(jié)均勻控制系統(tǒng)512.串級(jí)