6-6复杂控制系统分析

1、1复杂控制系统设计2复杂控制系统单回路控制系统是过程工业中最常用的控制系统。但由于被控对象的复杂性，有时单回路控制系统无法达到要求的控制质量。单回路控制系统是对一个过程参量进行检测，用一个控制量进行闭环控制的系统。在经典控制系统中，凡是根据一个以上的控制量进行控制的系统均称为复杂控制系统。因此复杂控制系统的类型较多。典型的有串级控制系统、前馈-反馈控制系统、比值控制系统、均匀控制系统等。其中，串级控制系统是工程上除了单回路控制系统外使用最多的控制方案。3串级控制系统 具有如图结构的复杂控制系统称为串级控制系统。它在结构上形成了两个闭环，外面的环，称为主环或主回路；里面的环，称为副环或者副回路。

2、串级控制系统的主环和副环都有各自的控制对象、测量变送元件和调节器。主环的控制对象称为主被控参数。副环的控制对象称为副被控参数。 4串级控制系统的组成 串级控制系统只有一个执行器 两个调节器的作用不相同，主调节器具有独立的设定值，副调节器没有独立的设定值，主调节器的输出为副调节器的设定值。 副调节器的输出信号，改变调节阀的开度，控制副被控参数，通过副参数调节主参数。 主回路是定值控制系统，副回路为随动控制系统。 串级控制系统中尽管有两个被控参数，但只保证主被控参数满足工艺要求。 5管式加热炉出口温度控制系统设计管式加热炉是石油工业生产中常用的设备之一，工艺要求被加热物料离开加热炉时(即管式炉出口

3、)，温度保持为某一设定值。影响加热炉出口温度的因素主要有被加热物料的流量和入炉时的温度；燃料的流量和燃料的热值；烟囱抽力；配风、炉膛漏风和环境温度等等。 6管式加热炉单回路控制方案一为保持加热炉出口温度，最直接的方法是将出口温度作为被控参数，燃料量作为控制参数，构成单回路控制系统，如上图。此时被加热物料的流量和入炉时温度、烟囱抽力、配风、炉膛漏风和环境温度等等都成为扰动因素。从原理上讲，这些扰动因素的影响，都能反映在炉出口温度上，而且都可通过出口温度调节消除它们的影响。但这样组成控制系统时，直到物料到达炉出口时才能反映，滞后时间大。调节不及时，出口温度波动大，达不到工艺要求。7管式加热炉单回路

4、控制方案二被加入物料从进入加热炉到离开的时间是由生产工艺确定的，滞后无法减小。为减小系统滞后，将被控参数改为炉膛内温度，图(b)，这样减小了系统的滞后时间。控制变量仍为燃料流量 本控制系统保证的是炉膛内温度稳定。但是，由于不以加热炉出口处物料温度为被控参数，因此，不能保证出口物料温度稳定，仍然不能满足生产要求。8管式加热炉串级控制方案为满足生产工艺要求，采用串级控制方案图，出口物料温度为主被控参数，炉膛温度为副被控参数。控制变量仍为燃料流量。系统的目标仍是保证出口物料温度稳定9管式加热炉串级控制方案炉膛温度检测T2T和调节器T2C构成副控制回路；管式炉出口温度检测T1T和调节器TlC构成主控制

5、回路。从图(c)可见，出口温度调节器TlC的输出，连到炉膛温度调节器T2C，为它的设定值。控制系统结构如下图。 10串级控制系统的调节过程 当生产过程处于稳定工况时，炉出口物料温度和炉膛温度均处于相对平衡状态，调节阀保持一定的开度。当炉膛温度变化，炉膛温度调节器控制调节阀的开度，改变燃料量，克服扰动对炉膛温度的影响。具有超前调节特点。当出口温度发生变化时，主回路调节器开始调节，改变入炉燃料量设定值，通过副调节器改变燃料量，保持出口物料温度不变。副调节器的设定值不是固定的，而是由主调节器根据主回路的控制要求修改。同样副参数是不稳定的。正是副参数的不稳定保证了主参数的稳定。11串级控制系统的特点

6、改变过程动态特性 串级控制系统比单回路控制系统多了一个副回路。当副回路中的扰动还没有影响到主参数时，副调节器已开始动作，改善了被控过程的动态特性。若将副回路等效为一个环节时，串级控制系统可以被看成是一个改变了过程特性的单回路系统。 因此，串级控制系统具有超前调节作用，减小了过程时间常数，提高了主参数的控制质量。12串级控制系统的特点2）增强抗扰动能力 串级控制系统比在相同条件下的单回路控制系统具有更强的抗扰动能力。串级控制系统副回路克服了进入副回路的扰动，使得系统克服扰动更为迅速有效，增强了系统总的抗扰动能力。上例中，不管什么原因引起炉膛温度变化时，副调节器立即开始调整，保持炉膛温度稳定，进而

7、保证炉出口物料温度稳定。13串级控制系统的特点3）系统工作频率提高副回路减小了系统的时间常数，提高了系统的工作频率，使振荡周期缩短，改善了过程的动态特性，提高了系统的控制质量。4）有一定的自适应能力串级控制系统的主回路是定值控制系统，副回路则为随动控制系统。主调节器按照负荷和操作条件的变化，不断修改副调节器的设定值，以适应负荷和操作条件的变化，因此，串级控制系统具有较强的适应性。14串级控制系统的适应对象 容量滞后较大的过程 比如温度或质量为被控参数的过程，其容量时延往往比较大。 纯时延较大的过程 选择一个与主被控变量相关的、纯时延较小的过程参量，构成副回路。 扰动变化激烈的过程 将变化激烈而

8、且幅度大的扰动作为串级控制系统的副被控参数，减小这个扰动对主参数的影响 非线性过程 当负荷或操作条件变化时，过程特性也会发生变化 。通过调整副调节器的给定值，来适应负荷和操作条件的变化，保持整个系统控制质量。 15串级控制系统副回路设计 串级控制系统的主回路是定值控制系统。主参数的选择和主回路的设计，按照单回路控制系统的设计原则进行。 副回路是保证串级控制系统性能的关键，副回路的设计原则是： 以主被控对象的主要扰动作为副被控对象。1.如上例中，冷物料的流量和初温、燃料的流量和热值、炉膛抽力、环境温度、炉膛温度等都影响出口炉温的扰动。而炉膛温度综合反映了其它扰动的影响。16串级控制系统副回路设计

9、2.副参数应具有时间常数小，时延小，控制通道短等特点，要能提高系统响应速度，缩短系统过渡过程时间和改善系统的控制品质。3.主、副回路的时间常数应当匹配。串级控制系统的主、副回路是密切相关的两个控制回路。主参数变化，会引起副参数的变化；而副参数的变化又迫使主参数变化。时间常数匹配不当，可能引起主、副参数长时间大幅度地波动，即“串级系统共振”。为了保证串级控制系统的控制性能,主、副回路的时间常数之比应满足： 10321TT主、副回路的时间常数还与主、副调节器的参数整定有关 。17串级控制系统副回路设计4）生产工艺的合理性。串级控制系统的调节过程，必须是先影响副被控变量，再影响主被控变量这种串联对应

10、关系。5）经济性原则。设计副回路时，若有几种可供选择的控制方案，应将控制品质要求和实现的经济性综合考虑，在满足系统指标的前提下力求节约。18主、副调节器控制规律的选择 串级控制系统中，主、副调节器所起的作用不同，主参数是生产工艺的主要指标，波动范围要小，一般要求无余差。因此，主调节器应选PI或PID控制规律。副参数是为了保证主参数的控制质量，本身的控制质量并不重要。因此，副调节器可以选P控制规律，采用较大的放大系数，增强控制作用，减小余差。若流量为副参数时，为了保持系统稳定，比例度应设计得较大，此时，应采用PI控制规律，增强控制作用。副调节器一般不引入微分控制规律。19串级控制系统的整定逐次逼

11、近法 串级控制系统参数整定与单回路控制系统参数整定类似。 先进行副控制器的参数整定，再在副回路闭合时，进行主控制器参数整定。 由于串级控制系统主、副回路关系密切，当主、副回路时间常数相差不大，两个回路会相互影响。因此有时系统参数整定要反复进行，逐步逼近。具体整定步骤如下 ：20串级控制系统的整定逐次逼近法1) 断开主回路，按单回路控制系统的参数整定法(如衰减曲线法)，求取副调节器的整定参数值GC2(s)1。2) 副调节器参数值置于GC2(s)1数值上，主回路闭合，副回路成为系统的一个等效环节。主回路按单回路整定方法，求取主调节器的整定参数值GC1(s)1 。3) 在主回路闭合情况下，再按上述方

12、法求取副调节器的整定参数值GC2(s)2 。至此，完成一次逼近循环。若控制质量已达到工艺要求，整定过程即告结束。4）否则，将副调节器的参数置于GC2(s)2上，再按上述方法求取主调节器整定参数值GC1(s)2 。21串级控制系统的整定二步整定法所谓两步整定法，就是在主回路闭合的情况下，第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。1) 主、副调节器都置为纯比例作用，主调节器的比例度置于100，在工况稳定时，用单回路控制系统的衰减(如4：1)曲线法整定，求取副调节器的比例度2s和周期T2s。2) 将副调节器的比例度置于所求得的数值2s上，副回路作为主回路的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主

13、调节器的比例度1s和操作周期T1s。22串级控制系统的整定二步整定法3) 根据求得的1s、T1s，2s、T2s数值，按单回路系统衰减曲线法整定公式计算主、副调节器的比例度、积分时间TI和微分时间Td的数值。4) 按先副后主，先比例后积分，最后微分的顺序，设置主、副调节器的参数，同时观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到系统质量达到最佳为止。 两步整定法在工程上应用较多，但是，当采用两步整定法寻求两个4：1的衰减过程时，需要较长时间。 23串级控制系统的整定一步整定法 一步整定法的理论根据是：串级控制系统可以等价为单回路反馈控制系统，其等效调节器总的放大系数KC为主调节器放大系数KC1与副回

14、路等效放大系数KC2的乘积，即 KCKC1KC2KS 式中，KS为纯比例作用下，产生4：1衰减比过程的总放大系数。 1) 在系统稳定，调节器为纯比例作用的情况下，由副过程KC2等效放大系数确定副调节器的比例度2。24串级控制系统的整定一步整定法2) 按照单回路系统，整定主调节器参数。3) 观察系统运行，根据KC1与KC2互相匹配的原理，调整调节器参数，使主参数品质指标最佳。4) 在参数整定过程中，若出现“共振”，只需要加大主、副调节器中任何一个调节器的比例度，便可以消除“共振” 。若“共振”剧烈，可以先切换至手动遥控，待稳定后，将调节器比例度置于比“共振”时略大的数值上，重新整定调节器参数。一

15、步整定法，如同单回路控制系统整定一样简便，实际工程中也应用广泛。 25习题1什么是串级控制系统？它有哪些基本特点？什么情况下应采用是串级控制？2如何选择串级控制系统中的副参数？3一个串级控制系统，原来采用20mm的气开阀，若改用32mm的气关阀，问： 1）主、副控制器的正反作用是否要改变，为什么？ 2）副控制器的比例度（和积分时间）是否要重新整定，如何变化？ 3）主控制器的比例度（和积分时间）是否要重新整定，如何变化？26习题4. 如下图，隔焰式隧道窑温度温度串级控制系统中，工艺安全要求一旦停电或断气，控制阀应立即切断燃料气源。 1）画出控制系统方框图， 2）确定控制阀的作用方式。 3）确定主

16、、副控制器的正、反作用方式。27前馈控制系统 直到目前，过程控制系统都是按被控参数与给定值的偏差进行控制，称为反馈控制系统。当扰动已经发生，但被控参数尚未反映时，调节器不会产生校正作用。所以，反馈控制总是滞后于扰动作用，是一种“不及时”控制。当被控过程时延较大时，无论单回路控制系统或串级控制系统均难以满足实际工艺要求。若能直接根据扰动的性质和大小，预先发出校正命令，进行控制，使被控参数不变或基本保持不变，这种控制方案称为前馈控制前馈控制。相对于反馈控制根据结果控制来说，前馈控制是根据原因控制，因此是超前控制。前馈控制对于时间常数大、时延大、扰动大而频繁的过程有显著效果。 28 换热器温度控制系

17、统 图为用蒸汽对物料进行加热的换热器，要求保持换热器出口物料温度稳定。影响物料出口温度的因素有物料流量与入口物料温度，蒸汽压力、蒸汽热焓等。29换热器温度反馈控制假定系统中入口物料温度，蒸汽压力、蒸汽热焓等均不变，只有物料流量Q会发生变化。物料流Q从进入换热器到离开，要有一段时间。当流量Q发生变化，在这段时间内，换热器出口物料的温度仍保持不变，若采用反馈控制，图（a），调节器根据换热器出口物料温度t的偏差进行控制。这段时间调节器没有控制作用。当出口物料温度改变后，这部分物料温度当不合格。因此，反馈控制作用滞后于扰动，反馈控制是滞后控制系统。30换热器温度前馈控制 若采用如图（b）所示控制方案，

18、根据冷物料流量控制蒸汽流量，一旦冷物料流量Q发生改变，不等换热器温度发生变化，立即改变蒸汽量，这就是前馈控制系统。 前馈控制可以在扰动还未影响到系统输出前就产生控制，具有“超前”调节作用。31前馈控制传递函数 下图为前馈控制框图 ，图中G(s)为被控对象，GQ(s)为干扰通道传递函数（这里为出口温度与物料流量）； Q(s)为扰动（这里为物料流量）， GF(s)为前馈调节器，X(s)为加热蒸汽设定值，Y(s)为系统输出。 32前馈调节器传递函数前馈控制传递函数 前馈控制是开环控制系统前馈控制是开环控制系统。理论上，适当的前馈调节器的传递函数GF(s)，可以使扰动Q(s)对被控参数Y(s)不产生影

19、响。其条件是：Q(s) 0时，Y(s) =0，即 )()()()()(sGsGsGsQsYFQ0)()()()()(sGsGsGsQsYFQ)()()(sGsGsGQF这就是前馈调节器的传递函数 33前馈控制的特点 1）前馈调节器的控制规律由过程通道特性和扰动通道特性决定。不同的G(s)和GQ(s)，控制规律也不同，前馈调节器是专用调节器前馈调节器是专用调节器。2）前馈控制是超前控制系统，其作用超前于反馈控制，能及时有效地抑制该扰动的影响。3）前馈控制对被控参数Y(s)来讲是一开环控制系统，它并不能保证被控参数稳定。4）前馈控制用于抑制可测而不可控的扰动抑制可测而不可控的扰动的影响。34前馈控

20、制应用前馈调节是开环和专用控制系统，不能保证被控参数的稳定，它的应用受到限制， 若扰动是既可测又可控的，则应采用反馈控制系统； 若扰动是不可测，无法采用前馈控制。 只有扰动是可测而不可控的，才适合用前馈控制。如上例，换热器的作用是保证出口物料达到要求的温度，而物料流量受生产需要控制。因此，流量对换热器而言是不可控参数，但是是可测量的，因此适合采用前馈控制。35前馈-反馈控制系统 前馈控制是针对特定扰动的，理论上只要对扰动的特性完全了解，前馈控制也可以得到完善的控制效果 。 生产过程中扰动因素多，扰动特性不可能完全了解，因此前馈控制的完全补偿在实际上是不可能达到的。 前馈控制不能保证被控参数的稳

21、定。工程上不单独采用前馈控制。而是结合前馈的超前和反馈控制的稳定性，组成前馈-反馈控制系统。 36前馈-反馈控制系统下图(a)为采用前馈-反馈控制系统的方案。当被加热物料流量变化时，前馈调节器及时发出控制命令，补偿由流量变化对换热器出口温度的影响。而其它扰动由反馈调节器来调节，图(b)为前馈-反馈控制系统框图。 37前馈-反馈控制系统由图(b)可得系统的传递函数为 )()()(1)()()()()()(1)()()(sQsGsGsGsGsGsXsGsGsGsGsYCQFCC如果要实现对扰动Q(s)的完全补偿，上式第二项的分子应等于零 ，因此，前馈-反馈控制系统对于扰动Q(s) 完全补偿的条件与

22、前馈控制相同。当采用前馈-反馈控制时，前馈控制只要对扰动能有所抑制。提高反馈控制系统质量。38前馈-串级控制系统 加热蒸汽也是一主要扰动源，并且是既可控，又可测的扰动。因此，增加一个蒸汽流量控制回路。前馈-串级控制系统。39前馈-串级控制系统图中，内环可简化为： 如果要实现对扰动Q(s)的完全补偿， 前馈调节器的传递函数为 前馈调节器的特性由过程的扰动通道和控制通道二者的特性确定 。)()(1)()(2222sGsGsGsGCC)()()(1)()()()(12222sGsGsGsGsGsGsGCCQF40前馈-反馈控制应用工程中都采用前馈-反馈和前馈-串级控制。前馈控制的目的不再是实现对扰动

23、Q(s)的完全补偿；而是控制作用提前、以改善控制质量。这样就可能设计具有一定通用性的前馈调节器。从工程控制角度出发，大多数化工对象和热工对象的特性可用一阶或二阶环节，加上纯时延来近似。41前馈-反馈控制应用假定过程控制通道和扰动通道的特性分别为则前馈调节器的特性为 式中： KF = K2 / K1 = 2 -1sesTKsG1111)(sQesTKsG2221)(sFssQFesTsTKesTKesTKsGsGsG1111)()()(2111122242前馈-反馈控制应用前馈控制系统适用于控制精度要求较高，而反馈控制又不能满足工艺要求的情况： 1）系统存在着频率高、幅值大、可测而不可控的扰动，

24、并且仅采用反馈控制又难以克服该扰动的影响时。如前面的物料流量。2）当系统控制通道时延较大、仅采用反馈控制不能取得良好的控制效果时。43前馈-反馈控制系统的整定 反馈控制回路的整定如前面所述。在前馈-反馈控制系统中，控制精度由反馈回路保证。引入前馈控制的目的是为了减少主要扰动对被控参数的动态影响，并不严格要求通过前馈控制完全抵消扰动的影响，只要求减小扰动对被控参数的影响。所以，前馈调节器只需求出粗略参数，一般前馈调节器只用比例环节、一阶微分环节/惯性环节等较简单的形式。 11)(21sTsTKsGFF三个参数KF、T1、T244前馈控制器静态参数KF的开环整定法 断开反馈回路，仅考虑静态前馈作用

25、克服扰动对被控参数影响的一种整定法。整定时，施加一稳定的扰动量，由小到大调节KF，直至被控参数回到设定值上，此时的KF值即为最佳的整定参数值。实际上KF值符合下式关系 开环整定法适用于系统中其它扰动对系统的影响较小的情况。由于整定时没有反馈，容易影响生产，所以不常采用。12KKKF45前馈控制器静态参数KF的闭环整定法 闭环整定法是在前馈-反馈控制系统正常工作情况下整定KF值 。 46闭环整定法确定KF值的步骤 1）在反馈控制回路正常运行，系统处于稳定状态，被控参数等于给定值时，记录当时的扰动量q0和反馈调节器GC(s)输出u0。2）改变扰动量至q1，待系统稳定后，被控参数等于给定值时，记录反

26、馈调节器的输出量u1。 3）计算KF值 0101qquuKF47不同KF值下前馈调节器的补偿效果 48前馈调节器动态参数T1、T2整定 由前馈调节器的动态模型可知，T1、T2是决定动态补偿程度的。当T1T2时，前馈调节器为超前作用；反之，当T1T2时，为滞后作用。在工程整定时，首先应估计扰动通道和控制通道的时间常数和它们相互的大小，确定前馈调节器的基本形式（超前作用还是滞后作用）。然后T1、T2从零开始凑试，直到得到满意的系统响应曲线为止。 49大时延系统控制 若过程控制通道存在延时，由于不能及时反映控制效果，导致控制作用不能及时修正，被控参数的偏差增大，系统动态控制精度和静态控制质量下降。严

27、重时系统无法稳定。纯时延0与过程时间常数T0之比越大，时延现象越突出，系统越不易稳定。一般，当纯时延时间0与过程的时间常数T0之比大于0.3时，称该系统为大时延系统。大时延过程控制非常困难。若可能，应从系统控制方案设计时，减小系统的时延。 50控制通道时延的影响 根据奈氏判据，无论系统开环放大系数KCKO为多大，闭环系统总是稳定的，其频率特性如图实线所示 。51 大时延系统控制微分先行控制方案 在PID控制规律中，微分作用具有超前调节特点 ，能提高控制速度，减小超调量。对大时延过程，能有效提高控制品质。 所以PID控制器中采用微分先行控制是一种简单易行的方案。 图（a）所示为通常的PID控制方

28、案，其微分环节在前向通道中，微分作用与偏差的变化成比例。若将微分环节移到反馈回路中，如图(b)，称为微分先行PID控制。此时微分与被控对象的变化成比例。 52大时延系统控制微分先行控制方案53常规PID控制输出信号Y（s）与输入信号X（s）之间的传递函数为：微分先行PID控制输出信号Y（s）与输入信号X（s）之间的传递函数为：两种控制输出信号Y(s)与扰动信号D(s)之间的传递函数均为 sDICsDICesGsTsTKesGsTsTKsXsY)() 1)(11 (1)() 1)(11 ()()(sDICsesGsTsTKesGsDsY)() 1)(11 (1)()()(sDICsICesGsT

29、sTKesGsTKsXsY)() 1)(11 (1)()11 ()()(54大时延系统控制微分先行控制方案从以上三个公式可见，微分先行PID控制和常规PID控制的特征方程完全相同。系统扰动通道未变，因此对扰动的抑制作用不变。但是在控制通道中，微分先行PID控制方案比常规PID控制多了一个零点Z-l/TD，所以微分先行PID控制方案比普通PID控制方案的超调量要小，提高了控制质量。55大时延系统控制Smith预估控制方案 假定有下图的大时延系统，被控对象的特性为G(s)和纯时延环节组成；扰动通道的特性为Gd(s)；控制器的特性为Gc(s)。56大时延系统控制Smith预估控制方案系统输出与输入传

30、递函数和输出与扰动传递函数分别为：由于特征方程中存在 项，使闭环系统的品质大大恶化。 sCsCesGsGesGsGsXsY)()(1)()()()(sCdesGsGsGsDsY)()(1)()()(se57大时延系统控制Smith预估控制方案对具有时延的对象，引入纯滞后补偿器（Smith补偿器）。如下图所示图中 称为Smith补偿器 )()1(sGes58大时延系统控制Smith预估控制方案加了Smith补偿器后，系统出现两个闭环，它们的传递函数分别为 内环：外环： )()1)(1)()()( sGesGsGsXsYsCCssCCssCCesGsGesGsGesGsGesGsGsXsY)()(

31、)1)(1)(1)()()1)(1)()()()()(1)()(sGsGesGsGCsC59大时延系统控制Smith预估控制方案同样可求得系统输出与扰动的传递函数为： ssCCdesGsGesGsGsGsDsY)()()1)(1)(1)()()()()(1)(sGsGsGCd有了Smith补偿器后，特征方程中消去了 项，即消除了时延对系统控制品质的影响 。补偿器完全补偿了时延对系统的不利影响 。se60大时延系统控制Smith预估控制方案 分子中的 仅仅将系统输出推迟了一个时延时间 。 Smith补偿器与过程特性有关，只有在被控对象的模型完全清楚的情况下，Smith补偿器才能完全补偿。 实际上

32、，许多被控对象的数学模型与实际过程特性之间有误差。假设G(s)和为被控对象的真实特性（不可知）。G(s) 和 为它的近似特性 ，用这样的特性建立Smith补偿器 的框图如下图。 此时，系统的反馈与系统真实输出之间传递函数Y*(S)/Y(S)为se61大时延系统控制Smith预估控制方案ssesGsGesYsY)()()1 ()()(*62大时延系统控制Smith预估控制方案上式表明，Smith补偿器对过程特性变化的灵敏度很高，尤其是纯时延为指数项，影响更严重。当两者误差越大，Smith补偿器效果越差。由于 Smith补偿器这个特性，在实际应用中，受到限制。在许多情况下，还不如PID调节器。63

33、比值控制系统 需要自动保持两个或多个物理量之间的比例关系的控制系统称为比值控制系统。如下图所示锅炉燃烧系统，为了保证燃料充分燃烧，就应该提供充分的空气（氧气）。但若提供的空气太多，将从烟道带走大量热量，降低锅炉效率；若提供的空气太少，燃料不能充分燃烧，又会产生大量黑烟。为了保证燃料充分燃烧和锅炉的效率，必须使空气与燃料之间保持一定的比例关系。比值控制系统。64单回路比值控制系统锅炉燃烧控制系统中，燃料流量Q1为主参数，空气流量Q2为副参数的单闭环比值控制系统 。控制目的是保持主、副流量间的比值不变。65比值控制系统 上图为空气流量跟踪燃料流量的单回路比值控制系统。比值控制器F1C为简单的比例控

34、制器，K=Q2/Q1；F1T为燃料流量计，F1C的输出作为空气流量Q2控制器F2C的设定值。控制系统框图如图(b)。图中，GQ1(s)、GQ2(s)分别为燃料和空气流量变换器环节； G(s)为被控对象；GC1(s)为比值控制器，GC2(s) 为空气流量调节器。 系统对燃料流量未进行控制，因此对锅炉燃烧过程控制精度低。 该系统的结构简单，在生产过程应用较多。66双闭环比值控制系统 若主参数存在不可忽略的扰动时，系统很难稳定。双闭环比值控制系统增加一个对主参数的闭环控制系统，同时控制主、副参数（下图）。与串级控制系统不同，这里的主、副参数回路都是单回路控制系统，因此两个输出量Q1和Q2都稳定在设定

35、值，并且保持比例关系。在实际生产过程中，当对主参数稳定性要求较高时，常采用这种控制方案。 67双闭环比值控制系统68选择比值控制系统 假定上面的燃烧控制系统，为锅炉控制系统，用来生产蒸汽。当负荷稳定时，空气流量与燃料流量比例不变。若蒸汽需求量增加时，在增加燃料流量的同时，要加大空气流量；而当蒸汽需求量减小时，在减少燃料流量的同时，要减小空气流量。我们已知，反馈控制系统的基本原理是按偏差调节，是一种“滞后”调节。采用上面的比值控制系统的调节过程是：1）修改燃料流量设定值； 2）根据新设定值逐步调整燃料流量；3）根据燃料流量变化，调整空气流量。69选择比值控制系统在这个过程中间，空气流量的变化始终

36、滞后于燃料流量的变化。因此，在燃料流量增加时，空气比例变小，燃烧不充分（产生黑烟）。反之，在减少燃料流量过程中，空气比例变大，降低锅炉效率。为进一步提高控制质量，采用选择比值控制系统。70选择比值控制系统 图中，方框 和 选择外部设定值X(s)和流量Q2的大者作为设定值； 选择外部设定值X(s) 和流量Q1的小者作为设定值。 当外设定值X(s)增加时，上面的选择器将X(s)经变换为新设定值，流量Q1增加。下面的选择器选择Q1反馈量经变换为设定值，此时Q2跟踪Q1 。达到新的平衡点。当外设定值X(s)减小时，下面的选择器将X(s)经变换为新设定值，流量Q2先减小。上面的选择器选择Q2反馈量经变换

37、为设定值，此时Q1跟踪Q2 。 因此，选择比值控制系统中，主参数和副参数根据外部设定值的变化会自动切换。71变比值控制系统 比值控制系统 一般都是流量控制系统，流量之间实现一定比例的目的只是保证产品质量的一种手段。上面所说的各种比值控制方案只考虑如何实现这种比值关系，而没有考虑两种物料混合后或反应后最终质量是否符合工艺要求，称为定比值控制。从质量角度来看定比值控制系统是开环控制系统。 为了保证最终产品质量，必须不断修改比值。 变比值控制系统的结构和方框图如下 72变比值控制系统在稳定状态下，主、副流量Q1、 Q2恒定（即Q1/Q2=k为某一定值），它们分别经测量变送器，开方器后，送除法器相除，

38、除法器的输出表征了它们的比值，作为比值控制器的测量信号。若这时表征最终质量指标的主参数QC也恒定，主控制器YC输出信号不变，且和比值测量信号相等，比值控制器输出稳定，产品质量合格。73变比值控制系统 流量的检测采用差压变送器，因此必须加上开方器才能得到线性的流量信号。 图中比值控制系统部分为单闭环，比值控制系统。 对主流量Q1的扰动，由于比值控制器的快速跟随，使副流量Q2=kQ1关系变化，保持主参数QC稳定。它起了静态前馈作用。对于副流量本身的扰动，同样可以通过自身的控制回路克服，它相当串级控制系统中的副回路。因此这种变比值控制系统实质上是一种静态前馈-串级控制系统。 74比值控制系统的方案

39、比值控制系统有两种实现的方案 75比值控制系统的方案 相乘方案实现单闭环比值控制时，比值系统的设计任务是按工艺要求比值K，计算出流量比值k。 相除方案，同样也是单回路控制系统。控制器的测量值和设定值都是流量信号的比值K，而不是流量本身。 相除方案的优点是直观。并可直接读出比值，使用方便。缺点是对象的放大倍数在不同负荷下变化较大，在负荷小时系统不易稳定。 比值控制系一般大多采用相乘形式。76比值控制系统设计 在设计比值控制系统时，首先要确定主、副流量。它与串级控制系统的主、副参数选择不同，这里主、副参数选择有一定的随意性，当选定了其中一个为主参数时，另一个就成为副参数。 1. 在生产中起主导作用

40、的流量选为主参数，其余的为副参数。2. 相对昂贵的物料流量选为主参数，其余的为副参数。3.工艺上不允许控制的物料流量选为主参数。 4 4.流量较小的物料作为副参数。 77比值控制系统控制规律确定 若主参数受扰动较小，可选择单闭环比值控制系统 。GC1(s)可选简单的比例（P）调节器 ，GC2(s)应选比例（PI）调节器 。主参数扰动频繁且幅值较大 ，应采用双闭环比值控制系统，两个调节器均应选PI控制规律 。主参数为定值控制系统，副参数为随动控制系统。 两个控制回路根据控制要求，角色会互换的情况采用选择比值控制。两个调节器均应选PI控制规律。这里要注意，应避免系统处于平衡位置时发生振荡现象。 7

41、8比值系数K的计算比值控制是保证两种物料成分之间的比例关系，称为工艺比值。而在生产过程中检测的物料流量一般是体积流量或质量。为了提高检测和控制精度，检测仪表和执行机构根据控制对象的动态范围选择。一般情况它们是不相等的。因此，当控制方案确定后，必须把工艺上的比值折算成仪表上的比值系数K，这是保证系统正常运行的前提。79分程控制系统 在前述过程控制系统中，调节器的输出都仅控制一个调节阀。在某些工业生产中，根据工艺要求，一个调节器的输出信号要分别控制两个或两个以上调节阀，即将调节器输出信号进行分段，每一段对应一个调节阀，这种过程控制系统就叫分程控制系统。 80分程控制系统应用 许多化学反应过程要求有

42、一定的初始反应温度条件。而在化学反应过程中，又会释放出大量的热量，导致反应釜内温度和压力上升。 当反应釜内温度低于反应温度时，调节器输出信号对应的区段为控制蒸汽阀门A工作，(冷水阀B关闭），加入蒸汽，使反应釜的温度升高；反之，当反应釜温度高于给定值时，调节器输出信号对应的区段使冷水阀投入工作，(蒸汽阀A关闭)，通入冷却水，以降低反应釜的温度，达到控制釜温的目的 。图 (b)所示为控制系统框图。81分程控制系统设计分程控制系统中，调节器的输出，分为几个区段，分别控制多个调节阀的动作。分程控制系统可分为以下两种基本类型： 调节阀同向动作分程控制系统； 调节阀异向动作分程控制系统 。根据调节阀的动作

43、特性（气关、气开）、工艺要求，又分两种形式。82选用何种组合及选用正作用或反作用的原则是根据生产工艺要求，及安全性。比如上面的反应釜温度控制，蒸汽阀采用气开型，冷却水阀采用气关型。当无气时，蒸汽阀关闭，冷却水阀打开，使反应停止，保证生产安全，并节约能源。83分程控制系统设计分程控制系统本质上是单回路控制系统。因此，单回路控制系统的设计原则全适用于分程控制系统设计。但是，分程控制系统要分范围控制多个调节阀，调节器输出信号需要分成几个区段。哪一区段信号控制哪一个调节阀的工作等，则取决于工艺要求。调节阀的选择 ：分程控制系统将两个调节阀作为一个调节阀使用时，要求从一个调节阀向另一个调节阀过渡时，其流

44、量变化要平滑；84分程控制系统设计 调节器控制规律的选择与参数整定：分程控制中的两个控制通道特性不会完全相同，（如前面的例子，采用蒸汽加热与水冷却），只能互相兼顾，对调节器选取一组较为合适的整定参数值。分程控制也可通过调节阀的附件，即阀门定位器(气动阀门定位器或电-气阀门定位器)来实现的。通过改变阀门定位器的弹簧或零点），改变调节阀作全行程动作对应的范围。例如通过改变调节弹簧或零点，使一个阀门定位器的输入信号从0.02到0.06MPa时，调节阀实现从全开到全关（或从全关到全开），另一个阀门定位器的输入信号为0060.1MPa信号时，调节阀作全行程动作。85均匀控制系统 前面各种控制系统都是希望

45、被控参数保持稳定，并且尽快到达稳定状态。在实际生产过程中，有时候控制系统之间会发生矛盾。 如精馏过程，往往有几个精馏塔串联组成，如图所示。前塔输出的物料是后塔的原料。86串联精馏塔物料供求矛盾关系 生产工艺要求各精馏塔底要保持一定的物料。同样为了生产过程的平稳，各塔的进料不能波动太大。 上图中，为了保持精馏塔底物料，采用单回路液位控制系统；为了稳定进料稳定，采用单回路流量控制系统。 这两个控制系统，在单个塔情况下，都正确，但在两塔串联时将发生矛盾。 解决矛盾的一种方法是在两个塔中间增加一储罐。 另一种方法就是采用是均匀控制系统。87简单均匀控制系统 保留甲塔液位控制系统，乙塔进料流量未控制。

46、从形式上看与单回路控制系统无差别。 控制策略不同。88均匀控制系统 采用均匀控制系统的条件是工艺上被控变量可以在一定的范围内波动。如甲塔的液位有一定的允许范围和乙塔的进料量也可以在一定范围内缓慢变化。 控制系统从物料平衡关系出发，使甲、乙两塔物料供求矛盾限制在一定条件下的缓慢变化过程，从而同时满足甲、乙两塔的控制要求。 均匀控制系统可定义为：使两个有关联的被控变量在规定范围内缓慢地、均匀地变化。前后设备在物料的供求上相互兼顾、均匀协调，因此称之为均匀控制系统。 89串联控制系统变化曲线 图(a)非均匀控制系统液位与流量曲线。保证一个变量稳定，必然引起另一变量波动。 图(b)均匀控制系统，两被控

47、变量都缓慢变化。90均匀控制系统的特点 两被控变量都存在波动，都不会稳定在某一固定值上。 两个被控变量的调节过程都应该是缓慢的，这与定值控制希望控制过程要短的要求不同。 两个被控变量在工艺上都应存在一定的允许操作范围，控制时也应保证被控变量在工艺允许的范围内变化。 91简单均匀控制系统 单回路液位控制系统，要求保持液位H稳定，因此流量Q波动剧烈。而均匀控制的要求却是Q平稳，而H倒可以在允许范围里波动。 当被控变量有较大偏离时，才要求操纵变量作一定的调整。所以均匀控制要求控制作用“弱”，反映在控制器参数整定上，就要求比例度大和积分时间长。使得调节过程中，两个变量都缓慢变化。不应该有微分作用。 92简单均匀控制系统 用纯比例实现的均匀控制 均匀控制中的单回路液位控制系统，由于采用了很大的比例度，所以整个系统运行缓慢，工作周期长，控制阀、测量变送器都简化为比例环节，而液位对象可用积分环节表示。这时系统的方块图可简化为下图。图中Qi为扰动变量。93系统闭环传递函数 1111)()(sTATsKKKHQAKKKHQsQsHHHVmCOVmCOi1111)()(sT