溶液配比問題問題：當NaoH用量QB變化時，調整稀釋水量QA以使稀釋液NaoH的濃度為6~8%左右。解決方案：（1）出口濃度控制；（2）入口流量的比值控制（流量比值？）。

7.4比值控制系統

一般的比值控制問題:要求：QA/QB=KAB（比值系數）而QB

為主動流量，QA

為可控量，要求設計一控制系統通過調節QA

以實現上述比值控制目標。生產過程中，經常需要幾種物料的流量保持一定的比例關系。例如，在鍋爐的燃燒系統中，要保持燃料和空氣量的一定比例，以保證燃燒的經濟性。定義：實現兩個或多個參數符合一定比例關系的控制系統，稱為比值控制系統。例如要實現兩種物料的比例關系，則表示為：Q2=K

Q1

其中：K—比值系數；Q1—主流量；

Q2—副流量

。7.4.1比值控制系統的種類

1.開環比值控制系統如圖Q1是主流量，Q2是副流量。流量變送器FT檢測主物料流量Q1；由控制器FC及安裝在從物料管道上的閥門來控制副流量Q2。FTFCQ1Q2此控制方案的優點是結構簡單、成本低。缺點是無抗干擾能力，當副流管線壓力等改變時，不能保證所要求的比值。控制目標：Q2＝KQ12.單閉環比值控制系統為了克服開環比值控制的不足，在開環比值控制的基礎上，增加對副流量的閉環控制。特點：對Q2進行閉環控制，比值控制精度提高。控制目標：Q2=K

Q1

對Q1只測量、不控制。Q1變化，Q2跟著變化，總流量不穩定。F1TQ1Q2

KF2TF2C3.雙閉環比值控制系統為了克服單閉環比值控制中主流量不受控制的缺點，增加了主流量控制回路。特點：Q1是主流量，Q2是副流量。兩個流量都可控，因此總流量穩定。F1TQ1Q2F1CF2TF2CK有兩個閉環控制回路，用比值器聯系。控制目標：Q2=K

Q1

4．變比值控制系統以上介紹的都是定比值控制系統。在有些生產過程中，要求兩種物料流量的比值隨第三個工藝參數的需要而變化，為滿足這種工藝的要求，就出現了變比值控制系統。例如，變換爐工藝中，煤氣與水蒸氣（5~8倍）在觸媒的催化下，轉化成二氧化碳和氫氣。溫度越高轉化率越高，但溫度過高會影響觸媒壽命。如果根據觸媒層的溫度調節其比例系數，就能保持最佳的觸媒溫度和最高的轉化率。F1TF2TTT轉化氣溫度控制器TC根據觸媒的實際溫度與給定溫度的偏差，計算流量比值的給定值。除法器算出蒸汽與煤氣流量的實際比值，輸入到流量控制器FC。最后通過調整蒸汽量（改變蒸汽與煤氣的比值）來使變換爐觸媒層的溫度恒定在給定值上。應當注意，在變比值控制系統中，流量比值只是一種控制手段，不是最終目的，而第三參數（如本例中溫度）往往是主要被控參數。圖7.23變比值控制系統框圖X(s)Gc2(s)Y(s)+Gv2(s)G02(s)G0(s)Gc1(s)Gm(s)Q1(s)Q2(s)Gm2(s)Gm1(s)÷+K'Kr'__7.4.2比值控制系統的設計與參數整定1．比值控制系統設計1）主流量、副流量的確定原則：①生產中起主導作用的物料流量，一般選為主流量，其余的物料流量跟隨其變化，為副流量。②工藝上不可控的物料流量，一般選為主流量。③成本較昂貴的物料流量一般選為主流量。④當生產工藝有特殊要求時，主、副物料流量的確定應服從工藝需要。2）控制方案的選擇控制方案選擇應根據不同的生產要求確定，同時兼顧經濟性原則:①如果工藝上僅要求兩物料流量之比值一定，而對總流量無要求，可用單閉環比值控制方案。②如果主、副流量的擾動頻繁，而工藝要求主、副物料總流量恒定的生產過程，可用雙閉環比值控制方案。③當生產工藝要求兩種物料流量的比值要隨著第三參數的需要進行調節時，可用變比值控制方案。3）調節器控制規律的確定比值控制系統中，調節器的控制規律是根據控制方案和控制要求而定。Q1Q2在單閉環比值控制系統中，比值器K起比值計算作用，若用調節器實現，則選P調節；調節器F2C使副流量穩定，為保證控制精度可選PI調節。F1T

KF2TF2CPPI雙閉環比值控制不僅要求兩流量保持恒定的比值關系，而且主、副流量均要實現定值控制，所以兩個調節器均應選PI調節；比值器選P調節。F1TQ1Q2F1CF2TF2CKPIPIP

4）正確選擇流量計及其量程各種流量計都有一定的適用范圍（一般正常流量選在滿量程的70％左右），必須正確地選擇和使用，可參考有關設計資料、產品手冊。

5）比值系數的計算工藝規定的流量（或質量）比值K不能直接作為儀表比值使用，必須根據儀表的量程轉換成儀表的比值系數K’后才能進行比值設定。變送器的轉換特性不同，比值系數K’的計算公式不同。（l）流量與測量信號之間成線性關系如果Q1的流量計測量范圍為0～Q1max

、Q2的流量計測量范圍為0～Q2max，則變送器輸出電流信號和流量之間的關系如下：因代入工藝比值公式：得換算公式：而儀表比值公式：（2）流量與測量信號之間成非線性關系利用節流原理測流量時，流量計輸出信號與流量的平方成正比：

?I=CQ2代入工藝比值公式：得換算公式：則例：在生產硝酸的過程中，要求氨氣量和空氣量保持一定的比例關系，在正常生產情況下，工藝指標規定氨氣流量為2100m3/h,空氣流量為2200m3/h,氨氣流量表的量程為0～3200m3/h，空氣流量表的量程為0～2500m3/h，求儀表的比值系數。解：已知Q1＝2200m3/h;Q2=2100m3/h;

Q1max=2500m3/h;Q2max=3200m3/h根據工藝指標，氨氣和空氣的體積流量比值為：若實際流量與其測量信號成線性關系，則：若實際流量與其測量信號成非線性關系時，則：6）流量測量中的溫度、壓力補償用差壓流量計測量氣體流量時，被測氣體溫度和壓力的變化會使其密度發生變化，流量的測量值將產生誤差。對于溫度、壓力變化較大、而控制質量要求較高的對象，必須進行溫度、壓力補償，以保證流量測量值的準確。7）主、副流量的動態比值問題在現代生產過程中，對自動化要求較高。就比值控制而言，不僅要求靜態比值恒定，而且還要求動態比值一定。在擾動作用下，要求主副流量接近同步變化。例如，硝酸生產中的氨氧化過程，氨和空氣之比具有一定的比例要求，當超過極限時就有發生爆炸的危險。因此，不僅要求穩態時物料量保持一定比值，而且還要求動態時比值也要保持一定。但前面介紹的比值控制系統都不能實現動態比值要求，為使主、副流量在時間上和相位上同步變化，必須引入“動態補償環節”如果采用如圖所示系統，使就可以實現動態比值一定。根據右圖可以求得F(s)對Q1(s)的傳遞函數為：主流量對副流量的傳遞函數為：為使主、副流量同步變化，無相位滯后，即由上面兩式可得到因為：將其代入上式可得補償環節的傳遞函數：由于副流量滯后于主流量，所以動態補償環節應具有超前特性。7.4.2.2比值控制系統的實施與參數整定1）比值系數的實現比值系統的實現有相乘和相除二種方法。在工程上可采用比值器、乘法器、除法器等儀表實現；用計算機控制時，通過比例、乘、除運算程序實現。2）比值控制系統的參數整定比值系統的主流量回路，可按單回路控制系統進行整定；比值系統的副流量整定為振蕩與不振蕩的邊界為佳，即過渡過程既不振蕩而反應又快(10:1)。7.5

均勻控制系統在連續生產過程中，有許多裝置是前后緊密聯系的。前一設備的出料，往往是后一設備的進料，各設備的操作也互相關聯、互相影響。例如圖所示的兩個連續操作的精餾塔。LC1#2#FTFCLT

1#塔要求液位穩定，設液位控制系統。2#塔要求進料量穩定，設流量控制系統。顯然，這兩套控制系統的控制目標存在矛盾：

解決辦法：1、設中間貯槽，使前后影響減小，但成本高。2、用均勻調節方案。1#塔液位調節閥1開度變化LC1#2#FTFCLT12

2#塔流量變化

2#塔流量調節閥2開度變化

1#塔液位變化7.5.1均勻控制系統工作原理及特點為了解決前后工序控制的矛盾，達到前后兼顧、協調操作，使前后工序的控制變量均能符合要求而設計的控制系統稱為均勻控制系統。如上例中，均勻控制應通過對液位和流量兩個變量同時兼顧的控制方案，使兩個互相矛盾的變量相互協調，都能滿足各自的工藝要求。和其它控制方式相比，均勻控制的特點如下：（1）兩個被控變量在控制過程中都是緩慢變化的。因為若將1#塔液位控制成平穩的直線，會導致2#塔的進料量波動很大；反之若將2#塔的進料量控制成平穩的直線，會導致1#塔液位波動很大。即無法實現兩個被控參數都很平穩。只有讓兩者都有一定程度的波動，但波動都比較緩慢、且幅度較小，才有可能同時符合控制要求。

tLLFFO（a）1#塔液位穩定、2#塔流量變化大LFLFtO（b）1#塔液位變化大、2#塔流量穩定LFLFtO（c）1#塔液位、2#塔流量均變化較小（2）前后互相聯系又互相矛盾的兩個變量應保持在所允許的范圍內波動。如圖，1#塔塔釜液位的升降變化不能超過規定的上下限。2#塔進料流量也不能超越規定的上下限，否則就不能滿足工藝要求。LC1#2#FTFCLT12LFLFtO需要注意以下幾點：不同于常規的定值控制系統，而對被控變量(CV)與控制變量(MV)都有平穩的要求；為解決CV與MV都希望平穩這一對矛盾，只能要求CV與MV都漸變。均勻控制通常要求在最大干擾下，液位在貯罐的上下限內波動，而流量應在一定范圍內平緩漸變。均勻控制指的是控制功能，而不是控制方案。7.5.2均勻控制方案均勻控制常用的方案有簡單均勻控制、串級均勻控制等形式，下面介紹這兩種控制方案。1．簡單均勻控制LC1#2#LT結構與簡單液位定值控制系統一樣，但系統控制的目的不同。均勻控制的目的是協調控制液位和排出流量兩個變量。由于控制目的不同，均勻控制要求兼顧兩個變量，是通過調節器的參數整定來實現的。簡單均勻控制系統中的控制器一般都是純比例作用，而且將比例度整定得很大。LC1#2#LT當液位變化時，控制器的輸出變化很小，排出流量只作微小緩慢的變化，以較弱的控制作用達到均勻控制的目的。LC1#2#LT因此，簡單均勻控制適用于干擾不大、對流量的均勻程度要求較低的場合。簡單均勻控制的優點是結構簡單，投運方便，成本低。但對另一個被控變量是不測不控的兼顧操作，其控制精度不一定能保證。如此例中，當前后塔的壓力變化較大時，盡管調節閥的開度不變，輸出流量也會發生較大變化。2．串級均勻控制為了克服簡單均勻控制只有一個控制回路，只能保證一個被控變量精度的缺點，可在簡單均勻控制方案基礎上增加一個副控制回路，構成串級均勻控制。

結構與串級控制系統相同。增加了流量控制回路，可以及時克服壓力干擾，保證流量控制精度。LC1#2#FTFCLT串級均勻控制方案中，主、副變量都有控制精度要求，二者均在規定的范圍內作緩慢的變化，所以控制手法上與串級控制不同。主、副控制器一般都采用純比例作用，而且將比例度整定得較大。串級均勻控制方案適用于干擾較大的場合。但使用儀表較多，投運、維護較復雜。LC1#2#FTFCLT7.5.3均勻控制系統的參數整定7.5.3.1調節規律的選擇簡單均勻控制系統的調節器及串級均勻控制系統的主調節器一般采用純比例調節，有時可以采用比例積分調節。在所有的均勻控制系統中，都不應加微分調節。7.5.3.2調節器參數整定簡單均勻控制系統要整定的調節器只有一個，可按照單回路控制系統的整定方法進行，但要注意比例度要寬（P要大）、積分時間要長（Ti要大）、通過“看曲線、整參數”，使液位和流量達到變化緩慢、均勻協調就可以了。串級均勻控制系統參數整定主要有經驗法和停留時間法。1、經驗整定法就是根據經驗，將主、副調節器的比例度P1、P2設置為一個適當的數值，然后按“先副后主”的順序，由小到大進行調整，使被控變量的過渡過程曲線呈緩慢非周期衰減過程。2、停留時間法停留時間是指在正常流速下，介質在被控變量允許變化范圍內流過所需要的時間，其計算公式式中Q是正常工況下的介質流量，V是容器在液位上下限之間的有效容量。停留時間τ/min<2020～40>40比例度P(%)100～150150～200200～250積分時間Ti/min51015表7-2停留時間τ與調節參數的關系7.6分程控制系統在分程控制系統中，一個控制器的輸出信號被分割成幾個行程段，每一段行程各控制一個調節閥，故取名為分程控制系統。例如，一個控制器的輸出信號分程控制兩個調節閥A和B

，A和B的輸入信號各占一半行程。可調整閥門定位器來縮小調節閥的輸入量程。CABMM7.6.1分程控制系統工作原理及類型1．分程控制系統工作原理如某一間歇式生產的化學反應過程中，每次投料完畢后，需要先對其加熱引發化學反應。

TT熱水冷卻水B

TCA一旦反應開始進行，就會持續產生大量的反應熱，如果不及時降溫，物料溫度會越來越高，有發生爆炸的危險。因此，必須降溫。為此，可設計以反應器內溫度為被控參數、以熱水流量和冷卻水流量為控制變量的分程控制系統，調節閥A、B分別控制冷卻水和熱水。為保證安全，熱水閥采用氣開式，冷水閥采用氣關式，則溫度調節器設為反作用。

TT熱水冷卻水B

TCA反反正圖7.29調節閥分程關系曲線MPa0100%0.020.060.10A閥B閥

TT熱水冷卻水B

TCA正反反工作原理如下：當裝料完成、化學反應開始前，溫度測量值小于設定值。調節器TC輸出氣壓大于0.06MPa，A（冷水）閥關閉，B（熱水）閥開啟，反應器夾套中流進的熱水使反應物料溫度上升。反應開始后，反應物溫度逐漸升高，調節器輸出逐漸下降，熱水閥逐漸關小；當反應物料溫度達到并高于設定值時，調節器輸出氣壓將小于0.06MPa，熱水閥完全關閉，冷水閥逐漸打開，冷水進入夾套將反應熱帶走，使反應物料溫度保持在設定值。圖7.29調節閥分程關系曲線MPa0100%0.020.060.10A閥B閥

TT熱水冷卻水B

TCA正反反2．分程控制系統的類型按照調節閥的氣開、氣關形式和分程信號區段不同，可分為以下兩種類型：①調節閥同向動作的分程控制系統例：兩個調節閥同向動作A、B均為正作用閥A、B均為反作用閥MPa0100%0.020.060.10A閥B閥MPa0100%0.020.060.10A閥B閥MPa0100%0.020.060.10A閥B閥MPa0100%0.020.060.10A閥B閥②調節閥異向動作的分程控制系統例：兩個調節閥異向動作在0.02~0.06MPa區間，B閥全開、A閥逐漸開大；在0.06~0.10MPa區間，A閥全開、B閥逐漸關小。在0.02~0.06MPa區間，B閥全關、A閥逐漸關小；在0.06~0.10MPa區間，A閥全關、B閥逐漸開大。給定－執行器1對象變送器控制器干擾執行器27.6.2分程控制系統設計及工業應用分程控制系統本質上屬于單回路控制系統。二者的主要區別是：單回路控制系統中調節器輸出控制一個調節閥，分程控制系統中調節器輸出控制多個調節閥。因此，系統設計上有所不同。7.6.2.1控制信號的分段在分程控制中，調節器輸出信號分段是由生產工藝要求決定的。調節器輸出信號需要分成幾段，哪一段信號控制哪一個調節閥，完全取決于工藝要求。如在此例反應器溫度控制中，工藝需要控制兩個調節閥。因此，調節器輸出信號需要分成兩段。

TT熱水冷卻水B

TCA正反反7.6.2.2調節閥特性的選擇與應注意的問題1.根據工藝要求選擇同向或異向工作的調節閥如此例中，為保證安全，熱水閥采用氣開式，冷水閥采用氣關式。這就決定了兩個調節閥異向工作。又因工藝要求一個閥打開時，另一個必須關閉。因此兩個閥的特性組合應是：MPa0100%0.020.060.10A閥B閥

TT熱水冷卻水B

TCA正反反2.流量特性的平滑銜接

調節閥流量特性的選擇原則是調節閥的特性與過程特性乘積為一常數，從而使過程控制系統具有線性特性。在分程控制系統中，考慮到各分程調節閥的實際情況，必須通過調節閥的特性和過程特性間的匹配，使控制通道特性保持基本不變為原則。另外分程調節閥組合以后，把兩個調節閥作為一個調節閥使用時，要求從一個調節閥向另一個調節閥過渡時，其流量變化要平滑。但由于兩個調節閥的增益不同，存在著流量特性的突變，對此要采取相應的措施。如圖為蒸汽壓力減壓系統。小負荷時只有A閥控制、B閥不開；負荷較大時A閥全開、B閥控制。兩個同向特性的調節閥并聯控制一種介質的流量時，總流量特性是兩個閥流量特性的疊加組合。PTMPa0100%0.020.060.10A閥B閥如果兩個調節閥的增益差距較大，組合后的總流量特性有突變點，會影響調節品質。P（MPa）（a）二閥特性比較接近0流量Q（%）1000.020.060.10?45（b）二閥特性差距較大01000.020.060.10?45P（MPa）流量Q（%）如果兩個調節閥都用直線特性，組合后的總流量特性有下列兩種情況：（a）分程信號不重疊P（MPa）流量Q（%）01000.020.060.10?如果調節閥是對數流量特性，其總流量特性銜接處必有突變點。可以通過兩個調節閥分程信號部分重迭的辦法，使調節閥流量特性實現平滑過渡。即將兩個閥的工作范圍擴大，形成一段重迭區。（b）分程信號重疊P（MPa）01000.020.060.10流量Q（%）3）調節閥的泄漏量在分程控制中，調節閥的泄漏量太大會影響控制質量。尤其當大、小閥并聯工作時，若大閥的泄漏量接近或大于小閥的正常的調節量，則小閥的調節能力大大降低。因為大閥的泄漏量相當于存在一個不受控制的旁路管道，所以要求大閥的泄漏量很小。PT7.6.2.3分程控制的實現分程控制要求調節閥的輸入量程進行壓縮。通過調整閥門定位器的輸入信號零點和量程，使調節閥在規定的信號區段作全行程動作。（b）分程信號重疊P（MPa）01000.020.060.10流量Q（%）例如，使調節閥A在0.02~0.07MPa范圍內作全行程動作；使調節閥B在0.05~0.10MPa范圍內作全行程動作。7.6.2.4分程控制系統的工業應用分程控制系統的工業應用廣泛，介紹應用比較多的幾種形式：1、用于擴大調節閥的可調范圍有的生產工藝要求控制的流量變化范圍較大，但是調節閥的可調范圍是有限的（國產統一設計柱塞調節閥可調范圍R＝30）。若采用一個調節閥，能夠控制的最大流量和最小流量相差不可能太懸殊，滿足不了生產上流量大范圍變化的要求，這時可考慮采用兩個控制閥并聯的分程控制方案。例

某廠蒸汽壓力減壓系統用節流減壓的方法將10MPa的高壓蒸汽減壓成4MPa的中壓蒸汽。中壓蒸汽的使用量變化很大。如果只用一個閥門控制，只能選擇大口徑閥。而大口徑閥在小開度下工作時，控制效果變差。如果用兩個閥分程控制，小負荷時只開小閥，負荷增大時再開大閥。則兩個調節閥組合后，可調范圍擴大。PT設大小兩個調節閥的最大流通能力分別為：CBmax=105m3、CAmax=4.2m3；可調范圍均為

R=

30則兩個閥的最小流通能力分別為：CBmin=

CBmax

/R=105/30=3.5m3CAmin=

CAmax

/R=4.2/30=0.14m3兩個調節閥并聯使用時：最小流通能力為：Cmin=

CAmin=0.14m3最大流通能力為：

Cmax=

CBmax+CAmax=109.2m3可調范圍R并=

Cmax

/Cmin=109.2/0.14=780并聯使用后調節閥的可調范圍增大了26倍。2.用于一個控制回路需要控制多個操縱量例如在工業廢液中和處理工藝中，需要根據廢液的酸堿性（pH值），分別控制加酸量或加堿量。MPa0100%0.020.060.10酸閥堿閥

pHT反反正廢液

pHC正堿液酸液中和液3、用于節能控制設計和應用過程控制系統，必須充分注意提高工業生產的經濟效益。也就是說，通過自動控制手段來減少能量消耗，以提高經濟效益。例在某生產過程中，冷物料通過熱交換器用熱水（工業廢水）和蒸汽對其進行加熱，當用熱水加熱不能滿足出口溫度時，再同時使用蒸汽加熱，為此設計溫度分程控制系統。

在本系統中，蒸汽閥和熱水閥均選用氣開式，調節器為反作用，在正常情況下，熱水閥全開仍不能滿足出口溫度要求時，調節器輸出信號同時使蒸汽閥打開，以滿足出口溫度的工藝要求。采用分程控制可節省能源，降低能耗。4、用于多種調節手段，維持生產穩定。在生產過程中，為了維持某一參數穩定，通常需要用多種手段進行控制，為此，可采用分程控制。例

高爐壓力分程控制系統在煉鐵生產過程中，需要把鐵礦石、焦炭和石灰石按一定比例配成爐料，從高爐爐頂進料口分批進入爐中，同時把經過預熱后的空氣（稱為熱風）由爐底送入爐內，焦炭在熱風的作用下生產二氧化碳，并放出大量的熱量，即式中：Q－氧化反應釋放出的熱量。

CO2跟赤熱的焦炭反應生成CO。鐵礦石在CO的作用下還原成為鐵，即高爐壓力是進行正常生產的一個重要條件之一，這樣的系統本來是很簡單的，但由于檢測與執行機構存在一些困難，故系統設計中必須加以解決。在壓力測量時，由于有大量灰塵、煙氣，取壓管容易被堵塞，為此，在工程上采用吹氮氣的方法，即用較純凈的N2經氣動恒差繼動器、氣閥、轉子流量計進入高爐頂部的氣體采集管的A端，由B端引出的氣體壓力作為爐壓的測量值。在冶煉過程中，不同階段、不同工況對熱風的要求相差甚大，因此設計和應用高爐壓力分程控制系統。根據工藝要求，在調節器輸出信號為0～40％時，A閥工作；調節器輸出信號超過40％范圍，調節閥A保持在最大開度，同時B閥開始工作；當調節器輸出信號超過70％時，A閥和B閥都保持在最大開度，同時調節閥C開始工作。7.6.2.5調節器控制規律的選擇與參數整定分程控制屬于單回路控制，其控制規律的選擇與參數整定方法與一般單回路定值控制系統類似。但要注意的是不同的區段的控制通道特性不會完全相同，在參數整定時要兼顧不同區段的情況，選擇合適的整定參數。7.7選擇性控制系統通常的自動控制系統是在正常生產狀態下對某參數進行穩定性控制。一旦生產過程出現非正常狀態（如其它參數超過安全線），就得放棄對此參數的控制，否則會發生事故。待采取生產保護措施消除非正常狀態后，控制系統再重新投入工作。傳統的生產保護措施是硬保護措施。當生產操作達到安全極限時，發出聲、光報警。操作工立即將控制器切到手動操作、或是通過專門設置的聯鎖保護線路實現自動停車，以排除險情。如果控制系統具有自動應變能力，對于不同的生產狀態，能自動選擇不同的控制方案。當生產出現不正常狀況時，能自動切換到保護性控制回路，讓保護性控制回路來恢復生產狀態；當生產恢復正常時，再自動切回穩定性控制回路。這樣就不需要通過人工或停車操作對生產進行保護，稱為軟保護措施。選擇性控制系統就是能根據生產狀態自動選擇合適的控制方案的控制系統。系統設有多個控制回路，由選擇器根據設計的邏輯關系選通某個控制回路。7.7.1選擇性控制系統的類型選擇性控制系統通過選擇器實現選擇功能。選擇器可以接在調節器的輸出端，對控制信號進行選擇；也可以接在變送器的輸出端，對測量信號進行選擇。1.對調節器輸出信號進行選擇給定2＋－變送器2執行器對象被控量2給定1＋－變送器1控制器1選擇器被控量1干擾控制器2正常控制取代控制例1

鍋爐蒸汽壓力的控制工藝要求鍋爐輸出蒸汽壓力穩定。若用單回路控制系統控制，則根據蒸汽出口壓力控制燃氣量。燃氣鍋爐給水蒸汽汽包爐膛P1TP1C正反如果蒸汽用量大幅度變化，蒸汽壓力控制系統會使燃氣閥門開度大幅變化。但煤氣壓力過高會發生脫火。為防止產生脫火現象，增加一個燃氣高壓保護控制回路。用P2T測燃氣壓力，P2C的設定值為燃氣高壓上限值，當燃氣壓力低于上限值時，P2C輸出高值信號。

燃氣P2C鍋爐給水＜蒸汽汽包爐膛選擇器1P2TP1TP1C反反正用低選器自動地選擇兩個控制信號中較低的一個，作為閥門的控制信號。P2C輸出高值時，LS選中P1C作為輸出。系統是以蒸汽壓力為被控變量的簡單控制系統。當煤氣壓力超過P2C給定值時，P2C輸出低值，LS將改選P2C作為輸出。

系統處于燃氣壓力控制時，蒸汽出口壓力控制回路被燃氣壓力安全保護回路所取代。燃氣P2C鍋爐給水＜蒸汽汽包爐膛選擇器1P2TP1TP1C反反正在蒸汽壓力定值控制與燃氣高壓自動保護的選擇控制過程中，還可能出現另一種事故：如果因蒸汽負荷很低，導致燃氣流量過低，會出現熄火現象，也必須加以防止。燃氣P2C鍋爐給水＜蒸汽汽包爐膛選擇器1P2TP1TP1C反反正為防止出現熄火現象，再增加一個燃氣低壓保護控制回路—P3T、P3C。P3C的設定值為燃氣壓力下限值，當燃氣壓力低于下限值時，P3C輸出高值信號，被HS選中。燃氣P2C鍋爐給水＜蒸汽汽包爐膛＞選擇器1選擇器2P3TP3CP2TP1TP1C正反反反當燃氣壓力高于下限值時，P3C輸出低值信號，不會被HS選中。本系統的選擇器在控制器之后，是三選一系統。當系統處于燃氣壓力保護控制期間，蒸汽出口壓力不能保證符合工藝要求。

燃氣P2C鍋爐給水＜蒸汽汽包爐膛＞選擇器1選擇器2P3TP3CP2TP1TP1C正反反反2．對變送器輸出信號進行選擇這種系統的選擇器裝在控制器之前，對變送器輸出信號進行選擇。用于幾個被控變量的給定值、控制規律都一樣的場合。

給定＋－變送器2執行器對象被控量2變送器1選擇器被控量1干擾

控制器正常控制例2

固定床反應器中熱點溫度的控制反應器內固定床上裝有催化劑以加速反應，而反應產生的熱量若不及時被冷卻液帶走，溫度過高會燒壞催化劑。因催化劑的老化、變質和流動等原因，固定床不同位置的溫度可能不同。在不同位置分別安裝溫度傳感器，由選擇器選出熱點溫度信號，送入控制器進行控制。＞冷卻液入料T1TTC反T2TT3T反應器產品反給定＋－變送器2執行器對象3段變送器3選擇器被控量1控制器對象2段對象1段變送器1在此設備中，三點被控溫度是串聯關系。因此，控制系統方框圖中對象特性可等效為串聯的三段。＞冷卻液入料T1TTC反T2TT3T反應器產品反

7.7.2選擇性控制系統的設計原則選擇性控制系統是多個常規控制系統的組合。與常規控制系統的設計相比，主要不同點是選擇器的設計選型和調節器調節規律的確定。1．選擇器的選型選擇器有高值選擇器HS與低值選擇器LS兩種。選擇器類型的確定，是根據執行器的作用方向和控制回路的切換條件決定的。例1

蒸汽壓力與燃氣壓力的自動選擇控制例2

固定床反應器中熱點溫度的控制例1

蒸汽壓力與燃氣壓力的自動選擇控制由于燃氣閥是正作用閥，防止燃氣壓力過高的選擇器1就應當是低選，防止燃氣壓力過低的選擇器2就應當是高選。燃氣P2C鍋爐給水＜蒸汽汽包爐膛＞選擇器1選擇器2P3TP3CP2TP1TP1C正反反反例2

固定床反應器中熱點溫度的控制控制思路就是按最高點溫度控制，所有的點的溫度都不會超標，所以用高選器。＞冷卻液入料T1TTC反T2TT3T反應器產品反2．調節器調節規律的確定對于正常工況下運行的調節器，由于有較高的控制精度要求，可用PI調節或PID調節；對于取代調節器，一般只要求其迅速發揮保護作用，可用P調節。

燃氣P2C鍋爐給水＜蒸汽汽包爐膛＞選擇器1選擇器2P3TP3CP2TP1TP1C正PPPID3．調節器參數整定正常工作調節器的整定要求與常規控制系統相同，可按常規控制系統的整定方法進行整定。對于取代調節器，要求能及時產生自動保護作用，其比例度P應整定得小一些。也就燃氣P2C鍋爐給水＜蒸汽汽包爐膛＞選擇器1選擇器2P3TP3CP2TP1TP1C正PPPID是說取代調節器要能輸出較強的控制信號。4．選擇性控制系統中調節器抗積分飽和選擇性控制系統運行中，無論在正常工況下，還是在異常工況下，總是有調節器處于開環待命狀態。如果調節器使用了積分作用，當其處于開環待命狀態時，偏差輸入信號一直存在。那么積分作用將使控制器的輸出不斷增加或減小，一直達到輸出的極限值為止，這種現象稱之為“積分飽和”。當積分電路處于積分飽和狀態時，它的輸出將達到最大或最小的極限值，積分運放正負輸入端電位不再相等：V－=Vo2;V＋=Vo3此時若切回控制器，要讓其重新發揮作用，必須等它退出飽和區，使輸出慢慢返回到執行器的有效輸入范圍。這種控制的不及時，有時會給系統帶來嚴重的后果，因而必須設法防止。

抗積分飽和措施抗積分飽和是調節器的一個附加功能，可供用戶選擇。在儀表中采用的方法有：（1）PI-P法用監測電路監測積分電容CM兩端電壓。當其接近飽和電壓時，給CM兩端接通一個并聯電阻，將積分電路改為比例電路。

（2）積分切除法

當控制器未被選中處于開環工作狀態時，控制儀表內部電路自動切換到比例電路，或數字控制算法改為比例算法。限幅電路（3）限幅法通過設置限幅電路，對積分電容兩端電壓加以限制。7.8解耦控制有些生產過程中，在一個設備上需要設置若干個控制系統，分別對多個被控變量進行控制。在這種情況下，多個控制系統之間就有可能存在相互關聯和相互影響，稱為相互耦合。控制系統間的耦合，會妨礙各被控變量的獨立控制，嚴重時甚至會破壞各系統的正常工作。通過采取措施，把相互關聯的多變量控制過程轉化為幾個彼此獨立的控制系統。把這樣的系統稱為解耦控制系統。7.8.1被控過程的耦合現象及對控制過程的影響

下面用一個實例來分析被控過程的耦合現象及對控制過程的影響。圖中，精餾塔的塔頂溫度控制系統和塔底溫度控制系統存在耦合現象。圖7.37精餾塔溫度控制系統再沸器回流QL塔底產品QW精餾塔

T2C

T2T

T1C蒸汽QS進料F塔頂產品QD

T1T冷凝器回流罐圖7.38精餾塔溫度控制系統框圖G11(s)T1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)T2(s)T10T20+

-+

+

+

+

+

-塔頂溫度控制系統和塔底溫度控制系統的耦合關系，可抽象為方框圖表示（將變送器、執行器環節特性簡化為1）。耦合通道為了解兩個系統之間相互關聯耦合的本質及產生的原因，分兩種情況進行研究。一、一個控制系統閉環，另一個控制系統開環如左圖所示，假設系統1閉環，2開環，同時設不變()改變給定值可得：可見，給定值的任何變化，不但影響被控變量，而且還影響未控制的輸出量。二、兩個控制系統均閉環當兩個系統均閉環時，情況就比較復雜，設過程初態穩定，兩個被控量均處于預定值。定量分析如下：聯立可得：其中7.8.2相對增益對于一個具有N個被控變量和N個控制變量的過程，可以有N！種不同構成方式來組成N！個不同的控制方案，分析全部N！個控制方案中系統間的關聯，可以選出關聯最小的控制方案。相對增益是描述耦合程度的一種方法。一、相對增益的定義第一放大系數：在相互耦合的控制回路中，使其他各控制量都保持不變，即其他通道開路（不控制），只改變所考慮的那個控制量即改變控制量，一個時所得到的變化量與改變量之比，稱為到通道的第一放大系數，即第二放大系數：其他被控量保持不變，即其他回路閉合，只改變所要考慮的那個被控量，控制量對被控量的開環增益和間的相對增益為這是布里斯托兒(Bristol)首先提出的相對增益的概念。它能揭示多變量耦合系統的內部關系，可以確定變量間的配對選擇，判斷該系統是否需要解耦。這樣可以求得相對增益矩陣二、相對增益的計算穩態方程:式中：表示第個被控量相對于第個控制量的靜態增益。同理可得：對于高階多變量系統其中det

K是矩陣K的行列式；Kij是矩陣K的代數余子式。相對增益的性質：相對增益矩陣中每行或每列的總和均為1；對于2×2系統，當kij為正的個數是奇數時，所有的相對增益都在0～1之間，稱為正耦合；當kij為正的個數是偶數時，存在相對增益小于0，稱為負耦合。相對增益的物理意義：在這種情況下，穩態增益的符號隨著其它回路狀態的改變（開環、閉環）而不同在這種情況下，當其它回路都開環時，穩態增益為0。在這種情況下，其它回路閉環時的穩態增益比開環時要大。在這種情況下，其它回路的開環與閉環對穩態增益的大小沒有影響。是否表示回路間沒有關連？在這種情況下，其它回路開環時的穩態增益比閉環時要大。在這種情況下，其它回路閉環時的穩態增益為0。無法進行多回路控制三、變量配對：不能選擇的變量配對不能選擇的變量配對不能選擇的變量配對應該選擇最接近1的變量配對變量配對舉例（調和過程）：是非線性系統？1.計算靜態增益：2.計算一個相對增益：3.構造相對增益矩陣：假設：穩態工作點(Q10,Q20,Q0,C0)；C1>C0>C2經合適輸入輸出變量配對后，若關聯不大，則可采用常規的多個單回路PID控制；盡管系統穩態關聯嚴重，但主要控制通道動態特性相差較大，則可通過調整PID參數，使各回路的工作頻率拉開；若系統穩態關聯嚴重，而且動態特性相近，則需要進行解耦設計。多變量控制系統設計7.8.3解耦控制系統設計一、解耦條件由下圖可知令可得到對于多輸入多輸出的控制系統，系統解耦的條件是：系統的閉環傳遞矩陣必須是一個對角線矩陣，即閉環系統解耦時的閉環傳遞矩陣是一個對角線矩陣，因此也是對角線矩陣，所以解耦系統的開環傳遞矩陣也必須是對角線矩陣。為了實現解耦，必須在多變量控制系統中引入解耦裝置，此時多變量解耦控制系統的開環傳遞矩陣式中表示解耦系統的開環傳遞矩陣表示解耦裝置矩陣

控制器傳遞矩陣為對角線矩陣，因此，要使為對角線矩陣，只要與的乘積為對角線矩陣即可。解耦控制就是通過解耦環節，使存在耦合的多變量控制系統變為相互獨立的單變量控制系統。下面討論幾種常用的解耦方法。1．前饋補償解耦設計前饋補償解耦是最早用于多變量耦合控制系統的解耦方法，是利用前饋控制原理實現解耦。圖7.39所示為應用前饋環節實現（二變量）解耦的系統框圖。圖7.39前饋補償解耦系統框圖G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)X1X2+

-+

+

+

+

+

-N21(s)N12(s)+

+

+

+

根據不變性原理可得U1(s)G21(s)+U1(s)N21(s)G22(s)=0U2(s)G12(s)+U2(s)N12(s)G11(s)=0求得解耦環節的數學模型圖7.39前饋補償解耦系統框圖G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)X1X2+

-+

+

+

+

+

-N21(s)N12(s)+

+

+

+

圖7.40雙變量解耦系統框圖G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)X1X2+

-+

+

+

+

+

-N11(s)N21(s)N12(s)N22(s)+

+

+

+

2．對角矩陣解耦設計對角矩陣設計法是設計一個解耦器，使解耦器的傳遞函數陣與被控過程的傳遞函數陣的乘積成為對角陣，以消除多變量被控過程變量之間的相互耦合。

例對被控過程的兩個輸入量和輸出量之間的關系,可以列出一組描述對象特性的方程：Y1(s)=G11(s)Uc1(s)+G12(s)Uc2(s)Y2(s)=G21(s)Uc1(s)+G22(s)Uc2(s)G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)X1X2+-+

+

+

+

+

-N11(s)N21(s)N12(s)N22(s)+

+

+

+

Uc1(s)Uc2(s)可簡寫成：

Y^(s)=G^(s)U^c(s)式中Y^(s)為輸出向量，U^c(s)為輸入向量，而G^(s)稱為對象的傳遞矩陣。將此方程組寫成矩陣形式，便是解耦環節N(s)接在調節器和對象G(s)之間：Uc1(s)=N11(s)U1(s)+N12(s)U2(s)Uc2(s)=N21(s)U1(s)+N22(s)U2(s)G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)X1X2+-+

+

+

+

+

-N11(s)N21(s)N12(s)N22(s)+

+

+

+

Uc1(s)Uc2(s)可簡寫成：式中U^c(s)為輸出向量，U^(s)為輸入向量，而N^(s)稱為解耦器的傳遞矩陣。將此方程組寫成矩陣形式，便是

這時調節器輸出的控制作用U(s)與被調節量Y(s)的關聯可用矩陣表達：G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)X1X2+-+

+

+

+

+

-N11(s)N21(s)N12(s)N22(s)+

+

+

+

Uc1(s)Uc2(s)之積是對角陣：則有說明Y1、Y2之間解耦。據此條件可求解耦陣：中，如果實現對角解耦之后的等效系統框圖：

G11(s)Y1(s)U1(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)X1+

-+

-X2Y2(s)7.8.2.3單位矩陣解耦設計使解耦陣與對象陣的乘積成為單位陣：如果在對角解耦中則實現單位解耦之后的等效系統框圖：實現單位解