化工儀表及自動化第八章復雜控制系統

1內容提要串級控制系統串級控制系統概述串級控制系統的特點及應用主、副控制器控制規律的選擇主、副控制器正反作用的選擇控制器參數工程整定與系統投運其他復雜控制系統均勻控制系統12內容提要比值控制系統前饋控制系統取代控制系統分程控制系統多沖量控制系統23概述3根據系統的結構和所擔負的任務復雜控制系統串級控制系統

均勻控制系統比值控制系統分程控制系統

前饋控制系統選擇控制系統

三沖量控制系統4第一節串級控制系統一、串級控制系統概述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。舉例說明串級控制系統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量。控制好溫度圖13-1管式加熱爐出口溫度控制系統5第一節串級控制系統

在實際生產過程中，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，該簡單控制系統的控制質量往往很差，原料油的出口溫度波動較大，難以滿足生產上的要求。

根據原油出口溫度的變化來控制燃料閥門的開度

56第一節串級控制系統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，時間常數約15min左右，反應緩慢，而溫度控制器TC是根據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7第一節串級控制系統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

圖13-3管式加熱爐出口溫度串級控制系統的方框圖圖13-2管式加熱爐出口溫度串級控制系統8第一節串級控制系統

在上述控制系統中，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行器以改變操縱變量。從系統的結構看，這兩個控制器是串接工作的。幾個串級控制系統中常用的名詞

主變量工藝控制指標，在串級控制系統中起主導作用的被控變量。89第一節串級控制系統9主對象為主變量表征其特性的生產設備。副對象為副變量表征其特性的工藝生產設備。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中為了穩定主變量或因某種需要而引入的輔助變量。10第一節串級控制系統主回路由主變量的測量變送裝置，主、副控制器，執行器和主、副對象構成的外回路。副回路由副變量的測量變送裝置，副控制器執行器和副對象所構成的內回路。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1011第一節串級控制系統11圖13-4串級控制系統典型方塊圖12第一節串級控制系統二、串級控制系統的特點及應用12

1.系統的結構串級控制系統有兩個閉合回路。主回路是個定值控制系統,副回路是個隨動系統。在串級控制系統中,主變量是反映產品質量或生產過程運行情況的主要工藝參數。副變量的引入往往是為了提高主變量的控制質量,它是基于主,副變量之間具有一定的內在關系而工作的。13第一節串級控制系統選擇串級控制系統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。1314第一節串級控制系統14舉例

通過這套串級控制系統，能夠在塔釜溫度穩定不變時，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值上。圖13-5精餾塔塔釜溫度串級控制系統1—精餾塔；2—再沸器15第一節串級控制系統

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量得以提高。1516第一節串級控制系統(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，使其很快穩定下來；如果干擾量小，經過副回路控制后，F2一般影響不到溫度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.系統的特性17第一節串級控制系統

由于副回路控制通道短，時間常數小，所以當干擾進入回路時，可以獲得比單回路控制系統超前的控制作用，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1718第一節串級控制系統圖13-6加熱爐出口溫度與燃料油壓力串級控制系統如果燃料油的壓力比較穩定,而燃料油的組分波動較大,那么,該圖串級控制系統的副回路作用就不大。1819第一節串級控制系統(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。1920第一節串級控制系統20主、副變量的變化方向相反，一個增加，另一個減小。21第一節串級控制系統在串級控制系統中，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、粗調、快調的特點；主回路具有后調、細調、慢調的特點，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，在串級控制系統中，由于主、副回路相互配合、相互補充，充分發揮了控制作用，大大提高了控制質量。小結2122第一節串級控制系統

3.自適應能力由于增加了副回路,使串級控制系統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很大,干擾作用強而頻繁,負荷變化大,簡單控制系統滿足不了要求時,使用串級控制系統是合適的,尤其是當主要干擾來自控制閥方面時,選擇控制介質的流量或壓力作為副變量來構成串級控制系統是很適宜的。2223第一節串級控制系統三、主、副控制器控制規律的選擇23目的為了高精度地穩定主變量。主控制器通常都選用比例積分控制規律，以實現主變量的無差控制。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律。24第一節串級控制系統選擇方法序號對變量的要求應選控制規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,互相協調允許變化,要求不嚴主要指標,要求較高要求較高,變化較快要求不高,互相協調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律2425第一節串級控制系統25四、主、副控制器正反作用的選擇串級控制系統中的副控制器作用方向的選擇，根據工藝安全等要求，選定執行器的氣開、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-溫度串級控制系統中的副回路。

氣源中斷，停止供給燃料油時，執行器選氣開閥，“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，副控制器T2C選擇“反”方向。1.副控制器作用方向的選擇26第一節串級控制系統

當主、副變量增加（減小）時，如果由工藝分析得出，為使主、副變量減小（增加），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。

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。27第一節串級控制系統五、控制器參數整定與系統投運27串級控制系統主、副控制器的參數整定的兩種方法。1.兩步整定法按照串級控制系統主、副回路的情況，先整定副控制器，后整定主控制器的方法。28第一節串級控制系統（1）在工況穩定，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2829第一節串級控制系統29（3）根據上面得到的δ1s、T1s、δ2s、T2s，按表12-3（或表12-4）的規定關系計算主、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”的整定規律，將計算出的控制器參數加到控制器上。（5）觀察控制過程，適當調整，直到獲得滿意的過渡過程。30第一節串級控制系統共振問題如果主、副對象時間常數相差不大，動態聯系密切，可能會出現“共振”現象。可適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的改變來避免“共振”了。3031第一節串級控制系統2.一步整定法副控制器的參數按經驗直接確定,主控制器的參數按簡單控制系統整定。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變化的串級控制系統，是很有效的。3132第一節串級控制系統32副變量放大倍數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33第一節串級控制系統33一步整定法的整定步驟：

（1）在生產正常，系統為純比例運行的條件下，按照表13-2所列的數據，將副控制器比例度調到某一適當的數值。（2）利用簡單控制系統中任一種參數整定方法整定主控制器的參數。（3）如果出現“共振”現象，可加大主控制器或減小副控制器的參數整定值，一般即能消除。34一、比值控制原理

在石化、制藥等生產過程中，經常要兩種或兩種以上的物料保持一定的比例關系。燃燒過程：燃料與空氣要保持一定比例，才能滿足生產和環保要求。造紙過程：濃紙漿與水要以一定比例混合，才能制造出合格的紙漿。不少化學反應過程，多個進料要保持一定的比例。8.2比值控制系統35第二節其他復雜控制系統二、比值控制系統39工業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。幾個概念比值控制中，需要保持比例的兩種物料：處于主導地位的稱為主動量，通常用FM表示，如燃燒中的燃料量。另一種物料稱為從動量，用FS表示，如燃燒比值系統中的空氣（氧氣）量。比值控制系統要實現：

FS/FM=kk為從動量與主動量的比值。36第二節其他復雜控制系統401.開環比值控制比值控制系統的類型：從物料量Q2與主物料量Q1的比值關系為圖

開環比值控制37第二節其他復雜控制系統

結構簡單，只需一臺純比例控制器，其比例度可以根據比值要求來設定。主、副流量均開環；這種比值控制方案對從物料量Q2本身無抗干擾能力。所以這種系統只能適用于副流量較平穩且比值要求不高的場合。

41特點38第二節其他復雜控制系統422.單閉環比值控制

單閉環比值控制系統是為了克服開環比值控制方案的不足，在開環比值控制系統的基礎上，通過增加一個副流量的閉環控制系統而組成的。

圖13-12單閉環比值控制這種方案的優點是結構簡單,能確保兩流量比值不變,是應用最多的方案。39第二節其他復雜控制系統在比值控制系統中,我們一般用比值系數K′來表示兩種物料經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）4340

單閉環比值控制系統方框圖及與串級控制系統比較控制器控制閥41單閉環比值控制系統與串級控制系統的區別：

結構上：沒有主對象、主控制器；串級中，副變量是操縱變量到主被控變量之間的一個中間變量，會影響主被控變量，在比值中，從動量不會影響主動量。串級控制的副環與比值控制系統的從動量控制子系統都是隨動控制系統。

——本質區別42

比值控制系統中，從動量控制系統是隨動控制系統，其設定值由系統外部的kFM提供，其任務就是使從動量FS盡可能地保持與KFM相等，隨著FM的變化，始終保持FM與FS的比值關系。在系統穩定時，該比值是比較精確的，在動態過程中，比值關系相對不夠精確。當主動量處于不變狀態時，從動量控制系統又相當于一個定值控制系統。43

單閉環比值控制系統：能克服從動量的波動；能隨主動量的變化而變化，使FM與FS保持比值關系。442、雙閉環比值控制系統

在主動量也需要控制時，增加一個主動量閉環控制系統，單閉環比值控制系統成為雙閉環比值控制系統，如圖8-2-6所示。增加了主動量閉環控制后，主動量得以穩定，從而使總流量能保持穩定。雙閉環比值控制系統主要用于總流量需要經常調整（即工藝負荷的升降）的場合，如無此要求，可采用兩個單獨的閉環控制系統來保持比值關系。45圖9－14雙閉環比值控制系統方框圖462、雙閉環比值控制系統

在主動量也需要控制時，增加一個主動量閉環控制系統，單閉環比值控制系統成為雙閉環比值控制系統，如圖8-2-6所示。增加了主動量閉環控制后，主動量得以穩定，從而使總流量能保持穩定。雙閉環比值控制系統主要用于總流量需要經常調整（即工藝負荷的升降）的場合，如無此要求，可采用兩個單獨的閉環控制系統來保持比值關系。47第二節其他復雜控制系統443.變比值控制系統

要求兩種物料的比值能靈活地隨第三參數的需要而加以調整，這樣就出現一種變比值控制系統。圖13-13變比值控制系統488.3前饋控制系統一．前饋控制原理前面討論的所有控制系統，都屬于反饋控制系統，無論其系統結構如何，它們的調節回路的基本工作原理都是一樣的。下面要介紹的前饋控制系統則有著截然不同的控制思想。前饋控制思想及應用由來已久，但主要是由于技術條件的限制，發展較慢。隨著計算機和現代檢測技術的飛速發展，前饋控制正受到更多的重視和應用。49在反饋控制系統中，都是把被控變量測量出來，并與給定值相比較；而在前饋控制系統中，不測量被控變量，而是測量干擾變量，也不與被控變量的給定值進行比較。這是前饋與反饋的主要區別。為了系統地說明前饋控制思想，同時也為了在比較中進一步加深對反饋控制思想的理解，畫出圖31進行比較分析。50圖31中的（a）是反饋控制，（b）是前饋控制。在前饋控制中，測量需要被加熱的原油的流量，流量偏大就增加燃料量，原油流量偏小就減少燃料量，以達到穩定原油出口溫度的目的。51從動態過程分析，當原油流量增大時，一段時間后，出口溫度會下降。但前饋測量出原油流量的增加量，迅速增加燃料量。如果燃料增加的量和時機都很好，有可能在爐膛中將干擾克服，幾乎不影響原油出口溫度。如果該加熱爐只存在原油流量這一個干擾，那么理論上講，前饋控制可以把原油出口溫度控制得很精確，甚至被控變量一點也不波動。這就是前饋控制思想，也是前饋控制的生命力所在。52二．前饋控制與反饋控制的比較通常認為，前饋控制有如下幾個特點：（l）是“開環”控制系統；（2）對所測干擾反應快，控制及時；（3）采用專用調節器；（4）只能克服系統中所能測量的干擾。53下面從幾個方面比較前饋控制與反饋控制。畫出圖31兩個控制系統的方塊圖如圖32所示。54

l．前饋是“開環”，反饋是“閉環”控制系統從圖32可以看到，表面上，兩種控制系統都形成了環路，但反饋控制系統中，在環路上的任一點，沿信號線方向前行，可以回到出發點形成閉合環路，成為“閉環”控制系統。而在前饋控制系統中，在環路上的任一點，沿信號線方向前行，不能回到出發點，不能形成閉合環路，因此稱其為“開環”控制系統。552．前饋系統中測量干擾量，反饋系統中測量被控變量在單純的前饋控制系統中，不測量被控變量，而單純的反饋控制系統中不測量干擾量。563．前饋需要專用調節器，反饋一般只要通用調節器由于前饋控制的精確性和及時性取決于干擾通道和調節通道的特性，且要求較高，因此，通常每一種前饋控制都采用特殊的專用調節器，而反饋基本上不管干擾通道的特性，且允許被控變量有波動，因此，可采用通用調節器。57

4．前饋只能克服所測量的干擾，反饋則可克服所有干擾前饋控制系統中若干擾量都不可測量，前饋就不可能加以克服。而反饋控制系統中，任何干擾，只要它影響到被控變量，都能在一定程度上加以克服。585．前饋理論上可以無差，反饋必定有差如果系統的干擾數量很少，前饋控制可以逐個測量干擾，加以克服，理論上可以做到被控變量無差。而反饋控制系統，無論干擾的多與少、大與小，只有當干擾影響到被控變量，產生“差”之后，才能知道有了干擾，然后加以克服，因此必定有差。59第二節其他復雜控制系統三、前饋控制系統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60第二節其他復雜控制系統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,這是反饋控制的優點。前饋控制是一種按擾動變化大小進行控制的系統,控制作用在擾動發生的同時就產生,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。4661第二節其他復雜控制系統圖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。4762第二節其他復雜控制系統

多沖量控制系統指在控制系統中，有多個變量信號，經過一定的運算后，共同控制一臺執行器，以使某個被控的工藝變量有較高的控制質量。

多沖量控制系統在鍋爐給水系統控制中應用比較廣泛。主要用來自動控制鍋爐的給水量，使其適應蒸發量的變化，維持汽包水位在允許的范圍內。定義適用范圍55

四、多沖量控制系統63第二節其他復雜控制系統1.單沖量液位控制系統原理根據汽包液位的信號來控制給水量。優點結構簡單、使用儀表少。

缺點不能適應蒸汽負荷的劇烈變化。易根據“假液位”引起控制系統的誤動作。56圖13-23單沖量控制系統64第二節其他復雜控制系統2.雙沖量液位控制系統雙沖量——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。當供水壓力擾動比較頻繁時，該系統的控制質量較差。

57圖13-24雙沖量控制系統65第二節其他復雜控制系統3.三沖量液位控制系統58圖13-25三沖量控制系統

該系統除了液位、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。66例題分析1.某聚合反應釜內進行放熱反應,釜溫過高會發生事故,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,如圖所示。試確定控制閥的氣開、氣關型式與控制器的正、反作用。聚合釜溫度控制解：為了在氣源中斷時保證冷卻水繼續供給,以防止釜溫過高,故控制閥應采用氣關型,為“-”方向。5967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