第十三章-復(fù)雜控制系統(tǒng)

《化工儀表及自動(dòng)化》第十三章復(fù)雜控制系統(tǒng)

概述3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)選擇控制系統(tǒng)

三沖量控制系統(tǒng)第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)一、串級(jí)控制系統(tǒng)概述二、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用三、主、副控制器控制規(guī)律的選擇四、主、副控制器正反作用的選擇五、控制器參數(shù)工程整定與系統(tǒng)投運(yùn)第二節(jié)其他復(fù)雜控制系統(tǒng)一、均勻控制系統(tǒng)二、比值控制系統(tǒng)三、前饋控制系統(tǒng)四、取代控制系統(tǒng)五、分程控制系統(tǒng)六、多沖量控制系統(tǒng)例題分析1

復(fù)雜控制系統(tǒng)目錄串級(jí)控制系統(tǒng)是在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。當(dāng)對(duì)象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時(shí)，采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)往往控制質(zhì)量較差，滿足不了工藝上的要求，此時(shí)串級(jí)控制系統(tǒng)就是最佳的選擇。第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)一、串級(jí)控制系統(tǒng)概述串級(jí)控制系統(tǒng)的重點(diǎn)：1、在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的回路（主回路）中加入一個(gè)副回路，組成了串級(jí)控制系統(tǒng)；2、副回路的確定主要分析依據(jù)是副環(huán)的特點(diǎn)；一、串級(jí)控制系統(tǒng)概述本節(jié)主要教學(xué)內(nèi)容

1、管式加熱爐實(shí)例分析

2、串級(jí)控制系統(tǒng)的定義

3、串級(jí)控制系統(tǒng)中常用名詞

4、串級(jí)控制系統(tǒng)的方塊圖1、管式加熱爐實(shí)例分析管式加熱爐主要用來加熱液體，保證原料油出口溫度穩(wěn)定，以便后道精餾分離工序順利進(jìn)行，另一保證爐子的壽命與安全。一、串級(jí)控制系統(tǒng)概述一、串級(jí)控制系統(tǒng)概述（1）問題：這種控制系統(tǒng)的干擾為燃料的壓力和熱值波動(dòng)：干擾→爐膛溫度（滯后較小，時(shí)間常數(shù)約為3min）→原料油出口溫度，整個(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。所以簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)不能較快地產(chǎn)生控制作用來克服干擾。管式加熱爐溫度變化曲線一、串級(jí)控制系統(tǒng)概述（2）解決問題思路：根據(jù)爐膛溫度的變化，先改變?nèi)剂狭?，然后再根?jù)原料油出口溫度與給定值之差，進(jìn)一步改變?nèi)剂狭?，以保證原料油出口溫度的恒定。（3）具體解決問題的控制方案PID圖：管式加熱爐出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)一、串級(jí)控制系統(tǒng)概述（4）串級(jí)控制系統(tǒng)的運(yùn)行過程：假設(shè)在某一時(shí)刻，燃料的壓力或熱值發(fā)生變化，產(chǎn)生干擾F2

，如果原料油本身的進(jìn)口流量或溫度發(fā)生變化，產(chǎn)生干擾F1。第一種情況：干擾F2

→爐膛溫度θ2→T2C→執(zhí)行器→燃料流量→爐膛溫度θ2穩(wěn)定→原料油出口溫度θ1

穩(wěn)定；第二種情況：干擾F1→原料油出口溫度θ1

→T1C→T2C→執(zhí)行器→燃料流量→爐膛溫度θ2穩(wěn)定→原料油出口溫度θ1

穩(wěn)定；一、串級(jí)控制系統(tǒng)概述管式加熱爐出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的方塊圖一、串級(jí)控制系統(tǒng)概述2、串級(jí)控制系統(tǒng)的定義串級(jí)控制系統(tǒng)：在控制系統(tǒng)中，有兩個(gè)控制器T1C和T2C，分別接收來自對(duì)象不同部位的測(cè)量信號(hào)θ1和θ2，其中一個(gè)控制器T1C的輸出作為另一個(gè)控制器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。因兩個(gè)控制器是串聯(lián)在一起，所以稱為串級(jí)控制系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)是所有復(fù)雜控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的復(fù)雜控制系統(tǒng)。一、串級(jí)控制系統(tǒng)概述3、串級(jí)控制系統(tǒng)中常用名詞（1）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。例原料油出口溫度。（2）副變量：為了穩(wěn)定主變量或因某種需要而引入的輔助變量。例爐膛溫度。（3）主對(duì)象：主變量表征其特征的生產(chǎn)設(shè)備。例出口油料管段。（4）副對(duì)象：副變量表征其特征的生產(chǎn)設(shè)備。例爐膛。一、串級(jí)控制系統(tǒng)概述（5）主控制器：按主變量測(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。例T1C。（6）副控制器：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。例T2C。（7）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。又稱為外環(huán)或主環(huán)。（8）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)象構(gòu)成的內(nèi)回路。又稱為內(nèi)環(huán)或副環(huán)。一、串級(jí)控制系統(tǒng)概述4、串級(jí)控制系統(tǒng)的方塊圖串級(jí)控制系統(tǒng)典型方塊圖二、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2、系統(tǒng)的特性

3、系統(tǒng)的適應(yīng)性本節(jié)教學(xué)內(nèi)容二、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路、兩個(gè)控制器、兩個(gè)測(cè)量變送器。主、副控制器是串聯(lián)的。主控制器的輸出作為副控制器的給定值，副控制器輸出去操縱執(zhí)行器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)主變量的定值控制。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)。二、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用（2）主、副變量的選擇：在串級(jí)控制系統(tǒng)中，有兩個(gè)變量：主、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。其選擇同簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的被控變量的選擇原則相同。副變量的選擇條件很復(fù)雜。主變量確定后，選擇副變量應(yīng)與主變量有一定的關(guān)系。選擇串級(jí)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(guān)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(shí)克服它的波動(dòng),減小對(duì)主變量的影響。二、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用圖13-5精餾塔塔釜溫度串級(jí)控制系統(tǒng)第一步：假設(shè)是簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，這樣由于溫度對(duì)象滯后比較大，由加熱蒸汽量到塔釜溫度的通道比較長(zhǎng)。當(dāng)蒸汽壓力波動(dòng)比較厲害時(shí)，控制不及時(shí)，使控制質(zhì)量不夠理想。發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的操縱變量是蒸汽流量，同時(shí)蒸汽自身也有干擾。舉例分析第二步：采用串級(jí)控制系統(tǒng)，這樣塔釜溫度變化時(shí)，及時(shí)調(diào)整蒸汽流量，而蒸汽壓力或流量變化時(shí)，副回路能及時(shí)加以克服，從而大大減少這種干擾對(duì)主變量的影響。二、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用2、系統(tǒng)的特性（1）系統(tǒng)的特性：當(dāng)對(duì)象的調(diào)節(jié)通道很長(zhǎng)，容量滯后大或時(shí)間常數(shù)大，采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)不能滿足控制質(zhì)量的要求時(shí)，可以采用串級(jí)控制系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)由于副回路的存在，改善了對(duì)象特性，使調(diào)節(jié)過程加快，具有超前控制的作用，從而有效地克服滯后，提高控制質(zhì)量。二、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用（2）串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程—管式加熱爐二、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用①干擾進(jìn)入副回路當(dāng)系統(tǒng)只有燃料油的壓力或組分波動(dòng)干擾，即只有F2沒有F1的干擾，F(xiàn)2作用于副對(duì)象，干擾進(jìn)入了副回路。第一種情況：采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)：干擾F2→爐膛及其溫度→受熱管道→原料油溫度→控制器→執(zhí)行器。此過程時(shí)間常數(shù)長(zhǎng)，控制遲緩、滯后大。第二種情況：采用串級(jí)控制系統(tǒng)：設(shè)置了副回路，干擾F2→副對(duì)象爐膛及副變量爐膛溫度→副測(cè)量器→副控制器→執(zhí)行器→副對(duì)象爐膛溫度穩(wěn)定→保證主變量原料油出口溫度不受干擾F2影響。說明在大幅度干擾下，只要干擾進(jìn)入副回路，它就將干擾基礎(chǔ)克服，即使影響到主變量也是強(qiáng)弩之末，再由主回路將干擾徹底消除。假設(shè)：干擾為燃料壓力↑→爐膛溫度↑→T2C輸出↓→執(zhí)行器閥門開度↓→燃料油流量↓→爐膛溫度↓二、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用①干擾進(jìn)入副回路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)入副回路時(shí)，可以獲得比單回路控制系統(tǒng)超前的控制作用，有效克服燃料油的壓力或組分變化干擾對(duì)原料油出口溫度的影響，從而大大提高了控制質(zhì)量。二、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用①干擾進(jìn)入副回路第一點(diǎn)：主、副變量間應(yīng)有一定的內(nèi)在聯(lián)系；第二點(diǎn)：要使系統(tǒng)的主要干擾被包圍在副回路內(nèi)；第三點(diǎn)：在可能的情況下，應(yīng)使副環(huán)包圍更多的次要干擾；第四點(diǎn)：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；

第五點(diǎn)：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后；副回路的特點(diǎn)是及時(shí)超前控制能力，進(jìn)入副回路的干擾都將被快速消除，所以在選擇副回路時(shí)要遵循以下原則：二、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用干擾有主要干擾和次要干擾，或者系統(tǒng)的干擾素較多且難于分出主要干擾和次要干擾，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。舉例分析加熱爐的兩種干擾：燃料油的壓力與組分、燃料油的壓力副環(huán)所包圍的次干擾多少。圖13-6加熱爐出口溫度與燃料油壓力串級(jí)控制系統(tǒng)圖13-5

加熱爐出口溫度與燃料油壓力組分串級(jí)控制系統(tǒng)二、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用副環(huán)內(nèi)干擾的多少與副環(huán)靈敏度之間矛盾的關(guān)系：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，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?？偨Y(jié)：①副變量為壓力控制系統(tǒng)的副對(duì)象時(shí)間常數(shù)最?。桓弊兞侩x主變量最遠(yuǎn)，兩者動(dòng)態(tài)聯(lián)系最弱；副環(huán)反應(yīng)速度最快、有力，副環(huán)包圍的干擾最少，其抗干擾能力最弱；②副變量為爐膛溫度控制系統(tǒng)的副對(duì)象時(shí)間常數(shù)較大；副變量離主變量較近，兩者動(dòng)態(tài)聯(lián)系較弱；副環(huán)反應(yīng)速度較快，副環(huán)包圍的干擾較多，其抗干擾能力較強(qiáng)；但在爐膛內(nèi)溫度檢測(cè)點(diǎn)的位置不同，其所得到的副環(huán)的干擾也不同，副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)大小也不一樣的。二、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用②干擾進(jìn)入主對(duì)象當(dāng)系統(tǒng)只有原料油的進(jìn)口溫度或流量波動(dòng)干擾，即只有F1沒有F2的干擾，F(xiàn)1作用于主對(duì)象，干擾進(jìn)入主回路。假設(shè)：干擾原料油的進(jìn)口溫度↑→原料油出口溫度↑→T1C輸出↓→T2C輸出↓（e2=z2-x2=z2-p1)→執(zhí)行器閥門開度↓→燃料油流量↓→爐膛溫度↓→原料油出口溫度↓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。二、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用③干擾同時(shí)作用于副回路和主對(duì)象當(dāng)系統(tǒng)的兩干擾同時(shí)存在時(shí)，即有原料油的進(jìn)口溫度或流量波動(dòng)作用于主對(duì)象的干擾F1

，又有燃料油的壓力或組分波動(dòng)作用于副回路的干擾F2

。第一種情況：在干擾下，主、副變量的變化方向相同，即同時(shí)增加或同時(shí)減小。假設(shè)：F1→原料油的進(jìn)口溫度↑→T1C輸出(p1)↓→T2C輸出↓

F2→爐膛溫度↑→T2C輸出↓此時(shí)，副控制器的輸出也大大減小，以使控制閥關(guān)的更小，讓主變量迅速回落下來。所以加強(qiáng)了控制作用，加快了控制過程。

二、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用③干擾同時(shí)作用于副回路和主對(duì)象第二種情況：在干擾下，主、副變量的變化方向相反，一個(gè)增加，另一個(gè)減小。假設(shè)：F2→爐膛溫度↑→T2C輸出↓

F1→原料油的進(jìn)口溫度↓→T1C輸出(p1)↑→T2C輸出↑

結(jié)果決定于兩個(gè)干擾的作用大小，如果相等，則副控制器不動(dòng)；不相等副控制的輸出變化量也大大減小，只作部分調(diào)整。二、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用（3）串級(jí)控制系統(tǒng)工作過程的總結(jié)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。二、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用3、系統(tǒng)的適應(yīng)性由于增加了副回路,使串級(jí)控制系統(tǒng)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。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)滿足不了要求時(shí),使用串級(jí)控制系統(tǒng)是合適的,尤其是當(dāng)主要干擾來自控制閥方面時(shí),選擇控制介質(zhì)的流量或壓力作為副變量來構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)是很適宜的。三、主、副控制器控制規(guī)律的選擇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。為了保證副回路的快速作用特性，所以副控制器一般采用比例控制規(guī)律。三、主、副控制器控制規(guī)律的選擇選擇方法序號(hào)對(duì)變量的要求應(yīng)選控制規(guī)律備注主變量副變量主控副控1234重要指標(biāo),要求很高主要指標(biāo),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(yán)主要指標(biāo),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(shí)引入微分工程上很少采用表13-1主、副變量不同時(shí)應(yīng)選用的控制規(guī)律四、主、副控制器正反作用的選擇串級(jí)控制系統(tǒng)中主控制器作用方向的選擇，當(dāng)主、副變量在增加（或減?。r(shí)，如果由于工藝分析得出為使主、副變量減小（或增加），要求控制閥的動(dòng)作方向一致的時(shí)候，主控制器應(yīng)選用“反”作用；反之，則應(yīng)選“正”作用。一般是進(jìn)行先副后主控制器順序進(jìn)行。另外一種方法：已知副環(huán)中各環(huán)節(jié)的作用方向已確定，再確定主對(duì)象的作用方向，加上比較環(huán)節(jié)是“反”，最后根據(jù)“反”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，來確定主控制器的作用方向。當(dāng)由于工藝過程的需要，控制閥由氣開改為氣關(guān)，或相反，只要改變副控制器的正反作用而不需要改變主控制器的正反作用。四、主、副控制器正反作用的選擇第一種情況:安全要求：被冷卻易結(jié)晶，堵往管道，執(zhí)行器選擇氣開型是“正”，副對(duì)象是管道“正”，所以副控制器FC選用“反”；主變量被冷卻物料溫度增加，需要將執(zhí)行器閥門開大，副變量冷劑流量增加，則要將執(zhí)行閥關(guān)小，兩者是不一致，所主控制器選用“正”。也可以利用奇數(shù)方式來確定。第二種情況:安全要求：被冷卻物料易受熱分解。只要將執(zhí)行器的氣開改為氣關(guān)型，同時(shí)將副控制器改變?yōu)椤罢?。舉例分析

——冷卻器溫度串級(jí)控制系統(tǒng)四、主、副控制器正反作用的選擇結(jié)果是其中“反”的個(gè)數(shù)已是三個(gè)，為奇數(shù)，所以主控制器的作用方向只能選用“正”。當(dāng)由于工藝過程的需要，控制閥由氣開改為氣關(guān)，或相反，只要改變副控制器的正反作用而不需要改變主控制器的正反作用。利用“反”為“奇數(shù)”的方法分析四、主、副控制器正反作用的選擇1、假設(shè)原料進(jìn)料流量上升，請(qǐng)分析系統(tǒng)是如何運(yùn)行，將冷卻器出口溫度給穩(wěn)定下來的。原料進(jìn)料流量↑→冷卻器的出口溫度↑→主控制器TC的輸出p1↑（主控制器為正）→副控制器FC的輸入e2↓（e2=z2-x2=z2-p1）→FC的輸出p2↑（副控制器為反）→執(zhí)行器的輸出q↑（氣開閥為正）→副變量及冷劑變量↑（副對(duì)象為正）→主變量及出口溫度↓（主對(duì)象為反）。2、假設(shè)冷卻劑的壓力上升，請(qǐng)分析系統(tǒng)是如何運(yùn)行，將冷卻器出口溫度給穩(wěn)定下來的。冷卻劑壓力↑→副變量及冷劑變量↑（副對(duì)象為正）→FC的輸出p2↓（副控制器為反）→執(zhí)行器的輸出q↓（氣開閥為正）→副變量及冷劑變量↓。副控制系統(tǒng)動(dòng)作迅速讓冷卻劑流量穩(wěn)定。冷卻劑壓力↑→副變量及冷劑變量↑→主變量及出口溫度↓（主對(duì)象為反）→主控制器TC的輸出p1↓（主控制器為正）→副控制器FC的輸入e2↑

（e2=z2-x2=z2-p1）→FC的輸出p2↓

（副控制器為反）→執(zhí)行器的輸出q↓（氣開閥為正）→副變量及冷劑變量↓（副對(duì)象為正）→主變量及出口溫度↑（主對(duì)象為反）。這個(gè)過程是后來進(jìn)行的對(duì)出口溫度影響不大，所以調(diào)節(jié)是緩慢的。工作過程分析四、主、副控制器正反作用的選擇第一步：先副后主。先確定副控制器的正反作用方向，然后確定主控制器的正反作用方向。副控制器的正反作用方向同簡(jiǎn)單控制器系統(tǒng)的方法。1、根據(jù)安全原則確定執(zhí)行器的氣開氣關(guān)方式；2、確定副對(duì)象的正反作用方向；3、根據(jù)副回路中各環(huán)節(jié)中“反”的個(gè)數(shù)為“奇”的原則來確定副控制器的正反作用方向；第二步：確定主控制器的的正反作用方向。第一種方法：執(zhí)行器的方向讓主、副變量的變化方向一致，則主控制器選“反”；反之則選“正”。第二種方法：如下1、確定主對(duì)象的的正反作用方向；2、主回路中比較器的默認(rèn)狀態(tài)為“反”作用方向；3、根據(jù)主回路中各環(huán)節(jié)中“反”的個(gè)數(shù)為“奇”的原則來確定主控制器的正反作用方向；方法總結(jié)五、控制器參數(shù)工程整定與系統(tǒng)投運(yùn)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。1、參數(shù)工程整定五、控制器參數(shù)工程整定與系統(tǒng)投運(yùn)（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。整定過程五、控制器參數(shù)工程整定與系統(tǒng)投運(yùn)（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(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。五、控制器參數(shù)工程整定與系統(tǒng)投運(yùn)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?？蛇m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。五、控制器參數(shù)工程整定與系統(tǒng)投運(yùn)（2）一步整定法副控制器的參數(shù)按經(jīng)驗(yàn)直接確定,主控制器的參數(shù)按簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)整定。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。五、控制器參數(shù)工程整定與系統(tǒng)投運(yùn)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(shí)副變量的選擇范圍五、控制器參數(shù)工程整定與系統(tǒng)投運(yùn)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13-2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。五、控制器參數(shù)工程整定與系統(tǒng)投運(yùn)2、串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)一樣，要求投運(yùn)過程保證做到無擾動(dòng)切換。串級(jí)控制系統(tǒng)使用的儀表和接線方式各不相同，投運(yùn)方法也不完全相同。目前采用較為普遍的投運(yùn)方法是先副后主的投運(yùn)。即先將副變量穩(wěn)定后再讓主變量穩(wěn)定。因?yàn)楦被芈钒饕蓴_。圖13-7前后精餾塔的供求關(guān)系一、均勻控制系統(tǒng)1、均勻控制的目的如圖連續(xù)精餾的多塔分離過程就是一個(gè)例子。甲塔釜的出料為乙塔的進(jìn)料，甲塔的液位上升，則液位控制就要開大出料閥1，這將引起乙塔進(jìn)料量的增大，于是乙塔的流量控制系統(tǒng)以要關(guān)小閥2，可見這種控制是相互矛盾的。一、均勻控制系統(tǒng)為了使生產(chǎn)能正常進(jìn)行，就要使他們?cè)谖锪系墓┣箨P(guān)系上均勻協(xié)調(diào)，統(tǒng)籌兼顧，這就出現(xiàn)了均勻控制。在具體實(shí)施時(shí)又要根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際需要，哪一變量要求高就多照顧一些，而不全是絕對(duì)平均的意思。

均勻控制的目的：在化工生產(chǎn)中，各生產(chǎn)設(shè)備都是前后緊密聯(lián)系在一起的。前一設(shè)備的出料，往往是后一設(shè)備的進(jìn)料，各設(shè)備的操作情況也是互相關(guān)聯(lián)、相互影響的。一、均勻控制系統(tǒng)均勻控制的要求：①兩個(gè)變量在控制過程中都應(yīng)當(dāng)是變化的，不是恒定的（不是定值控制）；②兩個(gè)變量在控制過程的應(yīng)當(dāng)是緩慢的（不是急于克服偏差）；③兩個(gè)變量的變化應(yīng)在允許的范圍之內(nèi)。均勻控制與一般的定值控制在目的和過程上都不同，不能用對(duì)定值控制的衡量它。圖13-8前-設(shè)備的液位和后-設(shè)備的進(jìn)料之關(guān)系一、均勻控制系統(tǒng)2、均勻控制方案簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的區(qū)別，外觀一樣，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的不同。定值控制是通過改變排出流量來保持液位為給定值，而簡(jiǎn)單均勻控制是為了協(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)作緩慢變化。圖13-9簡(jiǎn)單均勻控制簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)的控制器的控制規(guī)律一般是純比例作用，比例度參數(shù)整定得很大，讓液位變化時(shí)，控制器的輸出變化很小，排出流量只作微小緩慢的變化。（1）簡(jiǎn)單均勻控制一、均勻控制系統(tǒng)圖13-10串級(jí)均勻控制（2）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。一、均勻控制系統(tǒng)串級(jí)均勻控制的特點(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。二、比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系到的控制系統(tǒng)。通常為流量比值控制系統(tǒng)。主物料：在需要保持比值關(guān)系兩種物料中，必有一種物料起主導(dǎo)地位。表征主物料的參數(shù)稱為主動(dòng)量Q1或主流量。從物料：另一種物料按主物料進(jìn)行配比，在控制過程中隨主物料而變化的。表征從物料的參數(shù)稱為從動(dòng)量Q2或從流量。兩者的關(guān)系：K=Q2/Q1，其中K稱為流量比值。在合成氨中，氫氣與氮?dú)獗葒?yán)格控制在3:1，其中氫氣稱主物料，而氮?dú)夥Q為從物料。（1）開環(huán)比值控制系統(tǒng)：當(dāng)主流量變化時(shí)，通過控制器及安裝在從物料管道上的執(zhí)行器，來控制從流量，以滿足Q2=KQ1的要求。1、開環(huán)比值控制系統(tǒng)二、比值控制系統(tǒng)圖13-11開環(huán)比值控制（2）系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)純比例控制器，其比值可以根據(jù)比值要求來設(shè)定。缺點(diǎn)是系統(tǒng)是開環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)從流量變化時(shí)，系統(tǒng)就無法保證比值關(guān)系穩(wěn)定。2、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(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。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能確保兩流量比值不變,是應(yīng)用最多的方案。二、比值控制系統(tǒng)圖13-12單閉環(huán)比值控制二、比值控制系統(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(hào)之間的比值，假定（13-1）當(dāng)流量信號(hào)與流量成線性關(guān)系時(shí),則有（13-2）當(dāng)流量信號(hào)與流量成平方關(guān)系時(shí),則有（13-3）二、比值控制系統(tǒng)3、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)三、前饋控制系統(tǒng)圖13-14換熱器的反饋控制圖13-15換熱器的前饋控制前饋控制系統(tǒng)：根據(jù)干擾大小及時(shí)進(jìn)行控制而使被控變量不變化的方法。提前測(cè)量到干擾，并立刻采取控制作用，這樣可以減少滯后時(shí)間，提高控制質(zhì)量。反饋與前饋比較三、前饋控制系統(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(jìn)行控制,這是反饋控制的優(yōu)點(diǎn)。但沒有提前控制能力。前饋控制是一種按擾動(dòng)變化大小進(jìn)行控制的系統(tǒng),控制作用在擾動(dòng)發(fā)生的同時(shí)就產(chǎn)生,這就是前饋控制的主要特點(diǎn)。但前饋只能針對(duì)一種干擾起作用。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(fù)合”的前饋-反饋控制系統(tǒng)。三、前饋控制系統(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(jìn)料量波動(dòng)對(duì)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(duì)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。四、取代控制系統(tǒng)一般控制系統(tǒng),都是在正常工況下工作的。當(dāng)生產(chǎn)不正常時(shí)，通常的處理辦法有兩種，一種是改用手動(dòng)遙控；另一種是聯(lián)鎖保護(hù)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(duì)生產(chǎn)和操作都不利，近年來采用了安全軟限控制。生產(chǎn)的硬限措施四、取代控制系統(tǒng)當(dāng)一個(gè)變量將要達(dá)到危險(xiǎn)值時(shí),就適當(dāng)降低生產(chǎn)要求,讓它暫時(shí)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(shí)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)。生產(chǎn)的軟限措施四、取代控制系統(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)舉例分析：鍋爐壓力控制系統(tǒng)防止鍋爐燃料壓力過大而爐膛產(chǎn)生“脫火”現(xiàn)象。而采用取代控制系統(tǒng)。四、取代控制系統(tǒng)舉例分析——冷卻器正常運(yùn)行狀態(tài)四、取代控制系統(tǒng)舉例分析——冷卻器出現(xiàn)報(bào)警狀態(tài)四、取代控制系統(tǒng)舉例分析——冷卻器取代控制狀態(tài)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(hào)控制兩只或更多只控制閥,每只控制閥在控制器輸出信號(hào)的某段范圍內(nèi)工作。從控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(jiǎn)單控制系統(tǒng)一樣。圖13-19分程控制示意框圖1、分程控制定義五、分程控制系統(tǒng)2、分程控制適用場(chǎng)合（1）生產(chǎn)中需用多種物料作調(diào)節(jié)介質(zhì)的過程五、分程控制系統(tǒng)（2）用來保證在不同負(fù)荷下的正?？刂莆濉⒎殖炭刂葡到y(tǒng)（3）用以補(bǔ)充控制手段維持安全生產(chǎn)六、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。沖量就是變量。六、多沖量控制系統(tǒng)1、單沖量液位控制系統(tǒng)原理根據(jù)汽包液位的信號(hào)來控制給水量。易根據(jù)“假液位”引起控制系統(tǒng)的誤動(dòng)作。圖13-23單沖量控制系統(tǒng)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。六、多沖量控制系統(tǒng)2、雙沖量液位控制系統(tǒng)圖13-24雙沖量控制系統(tǒng)雙沖量控制系統(tǒng)實(shí)際上是前饋-反饋控制系統(tǒng)。當(dāng)蒸汽負(fù)荷變化引起液位大幅度波動(dòng)時(shí)，蒸汽流量信號(hào)的引入起到超前的作用（即前饋?zhàn)饔茫?。b↑→(a-b)↓→給水量↑，消除“假液位”干擾。它可以在液位還未出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)提前使控制閥動(dòng)作，從而減少因蒸汽負(fù)荷量的變化而引起的液位波動(dòng)，改善了控制品質(zhì)。六、多沖量控制系統(tǒng)3、多沖量液位控制系統(tǒng)圖13-25三沖量控制系統(tǒng)三沖量控制系統(tǒng)，將給水的流量信號(hào)傳送給運(yùn)算器，當(dāng)壓力增加時(shí)，其流量也將增大，流量信號(hào)讓運(yùn)算器運(yùn)算增加，從而讓控制閥的開度減小，達(dá)到穩(wěn)定控制質(zhì)量的目的。例題分析1、某聚合反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行放熱反應(yīng),釜溫過高會(huì)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(dòng)較大,故設(shè)置串級(jí)控制系統(tǒng),如圖13-26所示。試確定控制閥的氣開、氣關(guān)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(shí)保證冷卻水繼續(xù)供給,以防止釜溫過高,故控制閥應(yīng)采用氣關(guān)型,為“-”方向。59當(dāng)冷卻水流量增加時(shí),釜溫和夾套溫度都是下降的,故對(duì)象為“-”方向。測(cè)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(yīng)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(shí),都要求冷卻水的控制閥開大,因此主控制器應(yīng)為“反”作用。整個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程是這樣的:當(dāng)夾套內(nèi)溫度T2(副變量)升高時(shí),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(dòng);當(dāng)釜內(nèi)溫度T1(主變量)升高時(shí),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例題分析由這個(gè)例子可以清楚地看出,串級(jí)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(guān)形式、副控制器的正反作用完全無關(guān)。所以,串級(jí)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(duì)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(guān)型式及副控制器的作用方向,這將使整個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)控制器作用方向的確定工作簡(jiǎn)捷而方便。從大量實(shí)際的串級(jí)控制系統(tǒng)分析,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的串級(jí)控制系統(tǒng)主、副變量的變化對(duì)控制閥的動(dòng)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例題分析圖13-27流量液位選擇性控制系統(tǒng)原理圖2、一高位槽的出口流量需要進(jìn)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(duì)槽的液位采取保護(hù)性措施。根據(jù)上述情況要求設(shè)計(jì)一選擇性控制系統(tǒng),畫出該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖、方塊圖、選擇控制閥的開關(guān)型式,控制器的正、反作用及選擇器的高低類型,并簡(jiǎn)要說明該系統(tǒng)的工作過程。（不作要求）解：根據(jù)要求