第八章复杂控制系统(修改)

1、第八章第八章 复杂控制系统复杂控制系统 返回首页返回首页 n第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 n第二节第二节 均匀控制系统均匀控制系统n第三节第三节 比值控制系统比值控制系统n第四节第四节 分程控制系统分程控制系统n第五节第五节 选择性控制系统选择性控制系统n第六节第六节 前馈控制系统前馈控制系统n 随着科学技术的发展，现代过程工业随着科学技术的发展，现代过程工业规模越来越大，复杂程度越来越高，产品规模越来越大，复杂程度越来越高，产品的质量要求越来越严格，以及相应的系统的质量要求越来越严格，以及相应的系统安全问题，管理与控制一体化问题等，越安全问题，管理与控制一体化问题等，越来越突出，因

2、此要满足这些要求，解决这来越突出，因此要满足这些要求，解决这些问题，仅靠简单控制系统是不行的，需些问题，仅靠简单控制系统是不行的，需要引入更为复杂、更为先进的控制系统。要引入更为复杂、更为先进的控制系统。由于采用复杂控制系统的装置或对象都是由于采用复杂控制系统的装置或对象都是工厂中的重要装置或关键岗位，因此需要工厂中的重要装置或关键岗位，因此需要予以特别的重视。予以特别的重视。n 本章介绍的复杂控制系统包括串级、本章介绍的复杂控制系统包括串级、均匀、比值、选择性、分程、前馈和多冲均匀、比值、选择性、分程、前馈和多冲量等。量等。 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统n 串级控制系统是所有复杂控

3、制系统串级控制系统是所有复杂控制系统中应用最多的一种，当要求被控变量的中应用最多的一种，当要求被控变量的误差范围很小，简单控制系统不能满足误差范围很小，简单控制系统不能满足要求时，可考虑采用串级控制系统。要求时，可考虑采用串级控制系统。 一、组成原理一、组成原理n 如左图所示是一如左图所示是一个加热炉温度控制系个加热炉温度控制系统。被加热原料的出统。被加热原料的出口温度口温度T T是该控制系是该控制系统的被控变量，燃料统的被控变量，燃料量是该系统的调节变量是该系统的调节变量，这是一个简单控量，这是一个简单控制系统。如果对出口制系统。如果对出口温度温度T T的误差范围要的误差范围要求不高，这个控

4、制方求不高，这个控制方案是可行的。如果出案是可行的。如果出口温度口温度T T的误差范围的误差范围要求很小，则简单控要求很小，则简单控制系统难以胜任。制系统难以胜任。 n分析如下：分析如下：n 该系统的调节通道，调节器该系统的调节通道，调节器TCTC发出的信发出的信号送给调节阀，调节阀改变阀门开度，送入号送给调节阀，调节阀改变阀门开度，送入加热炉的燃料流量改变，燃料在炉膛里燃烧，加热炉的燃料流量改变，燃料在炉膛里燃烧，炉膛温度改变，传热给管道，最终使原料温炉膛温度改变，传热给管道，最终使原料温度得到调整，稳定在所希望的温度附近。由度得到调整，稳定在所希望的温度附近。由于传热过程的时间常数大，达到

5、于传热过程的时间常数大，达到1515分钟左右，分钟左右，等到出口温度发生偏差后再进行调节，导致等到出口温度发生偏差后再进行调节，导致偏差在较长的时间内不能被克服，误差太大，偏差在较长的时间内不能被克服，误差太大，不符合工艺要求。如何解决这个问题呢？根不符合工艺要求。如何解决这个问题呢？根据反馈原理，被控变量的任何偏差，都是由据反馈原理，被控变量的任何偏差，都是由种种干扰引起的，如果能把这些干扰抑制住，种种干扰引起的，如果能把这些干扰抑制住，则被控变量的波动将会减小许多。则被控变量的波动将会减小许多。 n 在控制系统中，每一个干扰到被控变在控制系统中，每一个干扰到被控变量之间都是一条干扰通道。对

6、于该加热炉，量之间都是一条干扰通道。对于该加热炉，主要的干扰有：燃料压力的波动、燃料热主要的干扰有：燃料压力的波动、燃料热值的波动、原料流量的调整或波动、原料值的波动、原料流量的调整或波动、原料入口温度的波动等等。如果对每一个主要入口温度的波动等等。如果对每一个主要干扰都用一个控制系统来克服波动，则整干扰都用一个控制系统来克服波动，则整个系统的主要目标（原料的出口温度），个系统的主要目标（原料的出口温度），肯定能被控制得很好。但实际上，有些量肯定能被控制得很好。但实际上，有些量的控制很不方便，而且，这样做整个控制的控制很不方便，而且，这样做整个控制工程的投资将是很大的。实践中，人们探工程的投资

7、将是很大的。实践中，人们探索出一种复杂控制系统，不需要增加太多索出一种复杂控制系统，不需要增加太多的仪表即可使被控制量达到较高的控制精的仪表即可使被控制量达到较高的控制精度。这就是串级控制系统。度。这就是串级控制系统。 n 该系统的主要问题在于传热过程时间常该系统的主要问题在于传热过程时间常数很大。串级控制的思想是把时间常数较数很大。串级控制的思想是把时间常数较大的被控对象分解为二个时间常数较小的大的被控对象分解为二个时间常数较小的被控对象，如从燃料量到炉膛温度被控对象，如从燃料量到炉膛温度TsTs的设的设备可作为第一个被控对象，炉膛备可作为第一个被控对象，炉膛温度到被温度到被控变量控变量T

8、TMM的设备作为第二个对象，也就是的设备作为第二个对象，也就是在原被控制对象中找出一个中间变量在原被控制对象中找出一个中间变量炉膛温度炉膛温度TsTs，它能提前反映干扰的作用，它能提前反映干扰的作用，增加对这个中间变量的有效控制，即根据增加对这个中间变量的有效控制，即根据炉膛温度的变化，先控制燃料量，再根据炉膛温度的变化，先控制燃料量，再根据原料出口温度与给定值之差，进一步控制原料出口温度与给定值之差，进一步控制燃料量，可使整个系统的被控制变量得到燃料量，可使整个系统的被控制变量得到较精确的控制。较精确的控制。 n 构成的串级构成的串级控制系统及方块控制系统及方块图如右图和下图图如右图和下图所

9、示。所示。 n 该串级控制系统中，干扰该串级控制系统中，干扰F F1 1和和F F2 2作作用在温度对象用在温度对象1 1上，它们首先影响到上，它们首先影响到TsTs，然后再影响到然后再影响到T TMM。由于。由于TsTs能被测量并加能被测量并加以控制，因此，它的波动范围比未加以以控制，因此，它的波动范围比未加以控制前大大减小，所以干扰控制前大大减小，所以干扰F F1 1和和F F2 2对对TmTm的影响也大大减少。的影响也大大减少。 1 1组成原理组成原理n（l l）将原被控对象分解为两个串联的被）将原被控对象分解为两个串联的被控对象，如下图所示。控对象，如下图所示。n （2 2）以连接分解

10、后的两个）以连接分解后的两个被控对象被控对象的中间变量为副被控变量，构成一个简的中间变量为副被控变量，构成一个简单控制系统，称为副调节系统或副环。单控制系统，称为副调节系统或副环。n （3 3）以原对象的输出信号为主被控）以原对象的输出信号为主被控变量，即分解后的第二个被控对象的输变量，即分解后的第二个被控对象的输出信号，构成一个调节系统，称为主调出信号，构成一个调节系统，称为主调节节系统或主环。系统或主环。 n （4 4）主调）主调节系统中调节节系统中调节器器的输出信号的输出信号作为副调节系作为副调节系统调节器的给统调节器的给定值，副调节定值，副调节系统的输出信系统的输出信号作为主被控号作为

11、主被控对象的输入信对象的输入信号，如右图所号，如右图所示。示。 2 2、串级控制系统术语、串级控制系统术语n （l l）主对象、副对象，也称主被控对象、）主对象、副对象，也称主被控对象、副被控对象，如副被控对象，如图图4 4所示，主对象与副对象所示，主对象与副对象是由原被控对象分解而得到的。是由原被控对象分解而得到的。n （2 2）主变量、副变量也称为主被控变量、）主变量、副变量也称为主被控变量、副被控变量。主变量是主被控对象的输出信副被控变量。主变量是主被控对象的输出信号，副变量是副被控对象的输出信号，是原号，副变量是副被控对象的输出信号，是原被控对象的某个中间变量，同时也是主被控被控对象的

12、某个中间变量，同时也是主被控对象的输入信号。对象的输入信号。n （3 3）主测量值、副测量值是相应被控制）主测量值、副测量值是相应被控制变量的测量值。变量的测量值。n （4 4）主调节器、副调节器：副调节器负）主调节器、副调节器：副调节器负责虚线框中副环被控对象的调节任务，使副责虚线框中副环被控对象的调节任务，使副变量符合副给定值的要求；主调节器负责整变量符合副给定值的要求；主调节器负责整个系统的调节任务。个系统的调节任务。n （5 5）主给定值、副给定值：主给定值是）主给定值、副给定值：主给定值是主变量的期望值，由主调节器内部设定；副主变量的期望值，由主调节器内部设定；副给定值是副变量的期望

13、值，由主调节器的输给定值是副变量的期望值，由主调节器的输出信号提供。出信号提供。n （6 6）主环、副环：也称为主回路、副回）主环、副环：也称为主回路、副回路。副环为图路。副环为图4 4中虚线框内部分；主环为包中虚线框内部分；主环为包括副环的整个控制系统。括副环的整个控制系统。 二、作用方向及调节过程二、作用方向及调节过程n 为了便于分析调节过程，首先对图为了便于分析调节过程，首先对图3 3加加热炉温度串级控制系统各方块的性能进行分热炉温度串级控制系统各方块的性能进行分析和选择。析和选择。n 主对象：输入信号为炉膛温度，输出信主对象：输入信号为炉膛温度，输出信号为原料出口温度，故输入信号增加，

14、输出号为原料出口温度，故输入信号增加，输出信号亦增加，是正作用单元；信号亦增加，是正作用单元；n 副对象：输入信号为燃料流量，输出信副对象：输入信号为燃料流量，输出信号是炉膛温度，故输入信号增加，输出信号号是炉膛温度，故输入信号增加，输出信号亦增加，是正作用单元；亦增加，是正作用单元； n 主测量变送方块与副测量变送方块：主测量变送方块与副测量变送方块：均为输入信号增加，则输出信号增加，均为输入信号增加，则输出信号增加，是正作用单元；是正作用单元；n 调节阀：为防止调节阀气信号中断调节阀：为防止调节阀气信号中断时烧坏炉管，选气开阀，即当调节阀气时烧坏炉管，选气开阀，即当调节阀气信号中断时，阀门

15、全关，较安全，是正信号中断时，阀门全关，较安全，是正作用单元；作用单元； n 副调节器：调节器方块选正作用方副调节器：调节器方块选正作用方向，连同比较点一起，调节器是反作用向，连同比较点一起，调节器是反作用调节器，即测量增加，调节器输出减少；调节器，即测量增加，调节器输出减少；n 主调节器：调节器方块选正作用方主调节器：调节器方块选正作用方向，连同比较点一起，调节器也是反作向，连同比较点一起，调节器也是反作用调节器。用调节器。 n 下面根据上述系统各部件的选择，下面根据上述系统各部件的选择，对控制系统的调节过程进行分析。对控制系统的调节过程进行分析。n 1 1干扰作用于干扰作用于副对象副对象：

16、 n 2 2干扰作用于干扰作用于主对象主对象： n 3 3干扰同时作用于主、副对象干扰同时作用于主、副对象n 分为两种情况来讨论。分为两种情况来讨论。n （1 1）受干扰作用，主、副变量变化方）受干扰作用，主、副变量变化方向相同：向相同： n （2 2）受干扰作用，主、副变量变化）受干扰作用，主、副变量变化方向相反：方向相反：n 综上所述，在串级控制系统中，由综上所述，在串级控制系统中，由于从对象提取出副变量并增加了一个副于从对象提取出副变量并增加了一个副环，整个系统克服干扰的能力更强，克环，整个系统克服干扰的能力更强，克服干扰的作用更及时，控制性能明显提服干扰的作用更及时，控制性能明显提高。

17、高。 第二节第二节 均匀控制系统均匀控制系统n 均匀控制系统从系统结构上无法看均匀控制系统从系统结构上无法看出它与简单控制系统和串级控制系统的出它与简单控制系统和串级控制系统的区别。其控制思想体现在调节器的参数区别。其控制思想体现在调节器的参数整定中。整定中。 一、均匀控制原理一、均匀控制原理n 在如图在如图8 8所示的双塔系统中，甲塔的液所示的双塔系统中，甲塔的液位需要稳定，乙塔的进料亦需要稳定，这位需要稳定，乙塔的进料亦需要稳定，这两个要求是相互矛盾的。甲塔的液位控制两个要求是相互矛盾的。甲塔的液位控制系统，用来稳定甲塔的液位，其调节参数系统，用来稳定甲塔的液位，其调节参数是甲塔的底部出料

18、，显然，稳定了甲塔液是甲塔的底部出料，显然，稳定了甲塔液位，甲塔底部出料必然要波动。但甲塔底位，甲塔底部出料必然要波动。但甲塔底部出料又是乙塔的进料，乙搭进料流量的部出料又是乙塔的进料，乙搭进料流量的控制系统，为了稳定进料流量，需要经常控制系统，为了稳定进料流量，需要经常改变阀门的开度，使流量保持不变。因此，改变阀门的开度，使流量保持不变。因此，要使这两个控制系统正常工作是不可能的。要使这两个控制系统正常工作是不可能的。 n 要彻底解决这个矛盾，只有在甲、要彻底解决这个矛盾，只有在甲、乙两个塔之间增加一个中间储罐。但增乙两个塔之间增加一个中间储罐。但增加设备就增加了流程的复杂性，加大了加设备就

19、增加了流程的复杂性，加大了投资。另外，有些生产过程连续性要求投资。另外，有些生产过程连续性要求高，不宜增设中间储罐。在理想状态不高，不宜增设中间储罐。在理想状态不能实现的情况下，只有冲突的双方各自能实现的情况下，只有冲突的双方各自降低要求，以求共存。均匀控制思想就降低要求，以求共存。均匀控制思想就是在这样的应用背景下提出来的。是在这样的应用背景下提出来的。 n 通过分析，可以看到这类系统的液通过分析，可以看到这类系统的液位和流量都不是要求很高的被控变量，位和流量都不是要求很高的被控变量，可以在一定范围内波动，这也是可以采可以在一定范围内波动，这也是可以采用均匀控制的前提条件，即控制目标发用均匀

20、控制的前提条件，即控制目标发生了变化。生了变化。 n 图图9 9中（中（a a）为冲突的无法实现的两）为冲突的无法实现的两个控制目标，（个控制目标，（b b）为调整后体现均匀）为调整后体现均匀控制思想的可实现的控制目标。在图控制思想的可实现的控制目标。在图9 9（b b）中，由于干扰使液位升高时，不）中，由于干扰使液位升高时，不是迅速有力地调整，使液位几乎不变，是迅速有力地调整，使液位几乎不变，而是允许有一定幅度的上升。同时，流而是允许有一定幅度的上升。同时，流量也相应地增加一些，分担液位受到的量也相应地增加一些，分担液位受到的干扰；同理，流量受到干扰而变化时，干扰；同理，流量受到干扰而变化时

21、，液位也分担流量受到的干扰。如此液位也分担流量受到的干扰。如此“均均匀匀”地互帮互助，相互共存。地互帮互助，相互共存。 二、均匀控制的实现方案二、均匀控制的实现方案n1 1、简单均匀控制系统、简单均匀控制系统n 下图是一个简单均下图是一个简单均匀控制系统，可以实匀控制系统，可以实现基本满足甲塔液位和乙搭进料流量的控制现基本满足甲塔液位和乙搭进料流量的控制要求。要求。n 从系统结构上看，它与简单液位控从系统结构上看，它与简单液位控制系统一样制系统一样。为了实现。为了实现“均匀均匀”控制，控制，在整定调节器参数时，要按均匀控制思在整定调节器参数时，要按均匀控制思想进行。通常采用纯比例调节器，且比想

22、进行。通常采用纯比例调节器，且比例度放在较大的数值上，实践中要同时例度放在较大的数值上，实践中要同时观察两个被控变量的过渡过程来调整比观察两个被控变量的过渡过程来调整比例度，以达到满意地例度，以达到满意地“均匀均匀”。有时为。有时为了防止液位超限，也引入较弱的积分作了防止液位超限，也引入较弱的积分作用。微分作用与均匀思想矛盾，不能采用。微分作用与均匀思想矛盾，不能采用。用。 2 2串级均匀控制系统串级均匀控制系统n 简单均匀控制系统，结构简单，实现方便。简单均匀控制系统，结构简单，实现方便。但对于压力干扰反应不及时，另外，当系统自但对于压力干扰反应不及时，另外，当系统自衡能力较强时，控制效果也

23、较差。为了克服这衡能力较强时，控制效果也较差。为了克服这两个缺点或这两个方面的干扰，引入副环构成两个缺点或这两个方面的干扰，引入副环构成串级均匀控制系统，如下图所示。串级均匀控制系统，如下图所示。 n 上图从结构上看，它与液位上图从结构上看，它与液位- -流量串级流量串级控制系统完全一样。串级控制中副变量的控控制系统完全一样。串级控制中副变量的控制要求不高，这一点与均匀控制的要求类似。制要求不高，这一点与均匀控制的要求类似。在这里的串级均匀中，副环用来克服塔压变在这里的串级均匀中，副环用来克服塔压变化；主环中，不对主变量提出严格的控制要化；主环中，不对主变量提出严格的控制要求，采用纯比例，一般

24、不用积分。整定调节求，采用纯比例，一般不用积分。整定调节器参数时，主副调节器都采用纯比例控制规器参数时，主副调节器都采用纯比例控制规律，比例度一般都较大。整定时不是要求主、律，比例度一般都较大。整定时不是要求主、副变量的过渡过程呈某个衰减比的变化，而副变量的过渡过程呈某个衰减比的变化，而是要看主、副变量能否是要看主、副变量能否“均匀均匀”地得到控制。地得到控制。 第三节第三节 比值控制系统比值控制系统n 一、比值控制原理一、比值控制原理n 在炼油、化工、制药等许多生产过程中，在炼油、化工、制药等许多生产过程中，经常需要两种物料或两种以上的物料保持经常需要两种物料或两种以上的物料保持一定的比例关

25、系。最常见的是燃烧过程，一定的比例关系。最常见的是燃烧过程，燃料与空气要保持一定的比例关系，才能燃料与空气要保持一定的比例关系，才能满足生产和环保的要求：造纸过程中，浓满足生产和环保的要求：造纸过程中，浓纸浆与水要以一定的比例混合，才能制造纸浆与水要以一定的比例混合，才能制造出合格的纸浆；许多化学反应的诸个进料出合格的纸浆；许多化学反应的诸个进料要保持一定的比例。要保持一定的比例。 n 通常，在两个需要保持一定比例关系通常，在两个需要保持一定比例关系的物料中，一个是主动量或关键量，另一的物料中，一个是主动量或关键量，另一个是从动量或辅助量。由于物料通常是液个是从动量或辅助量。由于物料通常是液体

26、，因此称主动量为主流量体，因此称主动量为主流量F FMM，从动量为，从动量为副流量副流量F FS S。F FMM与与F FS S之间的关系为之间的关系为n FsFsKFKFM M （8 8l l）n式中，式中，K K为比值系数。为比值系数。n 因此，只要主副流量的给定值保持比值因此，只要主副流量的给定值保持比值关系，或者副流量给定值随主流量按一定关系，或者副流量给定值随主流量按一定比例关系而变化即可实现比值控制。比例关系而变化即可实现比值控制。 二、比值控制系统的类型二、比值控制系统的类型nl l单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统n 左图表示一个燃烧左图表示一个燃烧过程单闭环比值控制系过程单

27、闭环比值控制系统，主流量是燃料，副统，主流量是燃料，副流量是空气。流量是空气。F FMMT T测量测量出主流量并变换为标准出主流量并变换为标准信号，乘以比值系数信号，乘以比值系数K K后，作为副流量控制系后，作为副流量控制系统中被控变量统中被控变量FsFs的给定的给定值。如此，可以保持主值。如此，可以保持主流量与副流量之间的比流量与副流量之间的比例关系。例关系。 n 从系统结构外观上看，似乎单闭环比值从系统结构外观上看，似乎单闭环比值控制系统与串级控制系统很相似。但它们的控制系统与串级控制系统很相似。但它们的方块图是不同的，功能也是不同的。单闭环方块图是不同的，功能也是不同的。单闭环比值控制系

28、统的方块图如下图所示。比值控制系统的方块图如下图所示。n 从上图中可以看到，没有主对象和从上图中可以看到，没有主对象和主调节器，这是单闭环比值控制系统在主调节器，这是单闭环比值控制系统在结构上与串级不同的地方，串级中的副结构上与串级不同的地方，串级中的副变量是调节变量到被控变量之间总对象变量是调节变量到被控变量之间总对象的一个中间变量，而比值中，副流量不的一个中间变量，而比值中，副流量不会影响主流量，这是两者之间本质上的会影响主流量，这是两者之间本质上的区别。区别。 n 副流量控制系统是一个随动控制系统，副流量控制系统是一个随动控制系统，它的给定值由系统外部的它的给定值由系统外部的KFKFMM

29、提供，它的提供，它的任务就是使副流量任务就是使副流量FsFs尽可能地保持与尽可能地保持与KFKFMM相相等，随等，随F FMM的变化而变化，始终保持的变化而变化，始终保持F FMM与与FsFs的比值关系。当系统处于稳态时，比值关的比值关系。当系统处于稳态时，比值关系是比较精确的；在动态过程中，比值关系是比较精确的；在动态过程中，比值关系相对而言不够精确。另外，当主流量处系相对而言不够精确。另外，当主流量处于不变的状态时，副流量控制系统又相当于不变的状态时，副流量控制系统又相当于一个定值控制系统。于一个定值控制系统。 n 总之，单闭环比值控制系统，能克服总之，单闭环比值控制系统，能克服副流量的波

30、动，能随着主流量的变化而变副流量的波动，能随着主流量的变化而变化，使化，使F FMM与与FsFs保持比值关系。但是单闭环保持比值关系。但是单闭环比值控制系统不能克服主流量的变化，当比值控制系统不能克服主流量的变化，当希望主流量也较稳定时，单闭环比值控制希望主流量也较稳定时，单闭环比值控制系统就无法胜任了。因此，它应用于主流系统就无法胜任了。因此，它应用于主流量不允许被控制的场合和主流量没有必要量不允许被控制的场合和主流量没有必要进行控制的场合。进行控制的场合。 2 2双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统n 在主流量也需要控制的情况下，增加一在主流量也需要控制的情况下，增加一个主流量闭环控制系统

31、，单闭环比值控制系个主流量闭环控制系统，单闭环比值控制系统就成为双闭环比值控制系统，见下图。统就成为双闭环比值控制系统，见下图。 n 由于增加了主流量闭环控制系统，主由于增加了主流量闭环控制系统，主流量得以稳定，从而使得总流量能保持稳流量得以稳定，从而使得总流量能保持稳定。定。n 双闭环比值控制系统主要应用于总流双闭环比值控制系统主要应用于总流量需要经常调整（即工艺负荷提降）的场量需要经常调整（即工艺负荷提降）的场合。如果没有这个要求，两个单独的闭环合。如果没有这个要求，两个单独的闭环控制系统也能使两个流量保持比例关系，控制系统也能使两个流量保持比例关系，仅仅在动态过程中，比例关系不能保证。仅

32、仅在动态过程中，比例关系不能保证。 3 3变比值控制系统变比值控制系统n 如果工艺上要求两种如果工艺上要求两种流量的比值依据其他条件流量的比值依据其他条件可以调整，则可构建变比可以调整，则可构建变比值控制系统。左图是加热值控制系统。左图是加热炉变比值控制系统，进料炉变比值控制系统，进料中燃料和空气要保持一定中燃料和空气要保持一定的比值关系，以维持正常的比值关系，以维持正常的燃烧，而燃烧的实际状的燃烧，而燃烧的实际状况又要从加热炉出烟的氧况又要从加热炉出烟的氧含量来加以判含量来加以判断。因此，断。因此，由由ATAT测出烟气中的氧含量，测出烟气中的氧含量，送给送给ACAC，ACAC是调节器，其是调

33、节器，其输出作为单闭环比值控制输出作为单闭环比值控制系统的比值的给定值系统的比值的给定值 。n该系统的方块如下图所示。该系统的方块如下图所示。n 图中单闭环比值系统采用的是相除方案，图中单闭环比值系统采用的是相除方案，双闭环比值系统一样可以构成变比值系统。双闭环比值系统一样可以构成变比值系统。另外，该系统又是一个串级控制系统，是氧另外，该系统又是一个串级控制系统，是氧含量含量- -流量比值串级控制系统。流量比值串级控制系统。 第四节第四节 分程控制系统分程控制系统n 分程控制原理：分程控制原理：通常，在一个控制系统通常，在一个控制系统中，一个调节器的输出信号只控制一个执行中，一个调节器的输出信

34、号只控制一个执行器或调节阀（以下均以气动执行器为例），器或调节阀（以下均以气动执行器为例），其结构与特性见下图。其结构与特性见下图。 n 上图中的阀门为气开阀，即控制信上图中的阀门为气开阀，即控制信号号P P为最小（为最小（0 002MPa02MPa）时，阀门全关）时，阀门全关闭；闭；P P为最大（为最大（0 01MPa1MPa）时，阀门全）时，阀门全打开。图中（打开。图中（C C）是调节阀的特性图，）是调节阀的特性图，（b b）是阀门结构图。）是阀门结构图。 n 如果一个调节器的输出信号同时送给两如果一个调节器的输出信号同时送给两个调节阀，构成如下图所示的系统，这就是个调节阀，构成如下图所示

35、的系统，这就是一种分程控制系统。这里两个阀门并联使用，一种分程控制系统。这里两个阀门并联使用，它们都是气开阀，其工作特性如图它们都是气开阀，其工作特性如图（b b）所）所示。示。 n 阀门阀门A A：控制信号：控制信号P P为为0 002 MPa02 MPa时，全时，全关；随着关；随着P P增加，开度增加，开度增加，当增加，当P P增至增至0 006 06 MPaMPa时，阀门全部打开；时，阀门全部打开；P P继续增加，阀门继续增加，阀门保持全开状态，直至保持全开状态，直至P P达最大。阀门达最大。阀门B B：在控：在控制信号制信号P P从从0 00202增加到增加到0.06 MPa0.06

36、MPa之间一直之间一直保持全关状态。从保持全关状态。从0.06 MPa0.06 MPa起，阀门逐步起，阀门逐步打开；至打开；至0 01 MPa1 MPa处，阀门全开。可见，处，阀门全开。可见，两个阀门在控制信号的不同区间从全关到全两个阀门在控制信号的不同区间从全关到全开，走完整个行程。开，走完整个行程。n 由于阀门有气开和气关两种特性，两个阀门就有由于阀门有气开和气关两种特性，两个阀门就有四种组合特性，如上图所示。图（四种组合特性，如上图所示。图（a a）和（）和（b b）时两个）时两个阀门同方向运动，（阀门同方向运动，（c c）和（）和（d d）表明两个阀门作用方）表明两个阀门作用方向相异。

37、理论上讲，分程控制可以是两个以上阀门共向相异。理论上讲，分程控制可以是两个以上阀门共同控制，但实际上，一般采用的都是两个阀门分程。同控制，但实际上，一般采用的都是两个阀门分程。n 综上所述，从结构上看，简单控制综上所述，从结构上看，简单控制系统只有一个调节阀，而分程控制有两系统只有一个调节阀，而分程控制有两个调节阀；从特性上看，分程控制的阀个调节阀；从特性上看，分程控制的阀门特性如上图所示，简单控制的阀门特门特性如上图所示，简单控制的阀门特性如图性如图1717（c c）所示。当然，分程控制可所示。当然，分程控制可以应用于任何类型的控制系统之中。以应用于任何类型的控制系统之中。 第五节第五节 选

38、择性控制系统选择性控制系统n 一、选择性控制原理一、选择性控制原理n 通常的自动控制系统都是在生产过程通常的自动控制系统都是在生产过程处于正常工况时发挥作用的，如遇到不处于正常工况时发挥作用的，如遇到不正常工况，则往往要退出自动控制而切正常工况，则往往要退出自动控制而切换为手动，待工况基本恢复再投入自动换为手动，待工况基本恢复再投入自动控制状态。控制状态。 n 现代石油、化工等过程工业中，越现代石油、化工等过程工业中，越来越多的生产装置要求控制系统既能在来越多的生产装置要求控制系统既能在正常工艺状况下发挥控制作用，又能在正常工艺状况下发挥控制作用，又能在非正常工况下仍然起到自动控制作用，非正常

39、工况下仍然起到自动控制作用，使生产过程尽快恢复到正常工况，至少使生产过程尽快恢复到正常工况，至少也是有助于或有待于工况恢复正常。这也是有助于或有待于工况恢复正常。这种非正常工况时的控制系统属于安全保种非正常工况时的控制系统属于安全保护措施，安保措施有两大类，一是硬保护措施，安保措施有两大类，一是硬保护，二是软保护。护，二是软保护。 n 硬保护措施就是联锁保护控制系统。硬保护措施就是联锁保护控制系统。当生产过程工况超出一定范围时，联锁保当生产过程工况超出一定范围时，联锁保护系统采取一系列相应的措施，如报警、护系统采取一系列相应的措施，如报警、自动到手动、联锁动作等，使生产过程处自动到手动、联锁动

40、作等，使生产过程处于相对安全的状态。但这种硬保护措施经于相对安全的状态。但这种硬保护措施经常使生产停车，造成较大的经济损失。于常使生产停车，造成较大的经济损失。于是，人们在实践中探索出许多更为安全经是，人们在实践中探索出许多更为安全经济的软保护措施来减少停车造成的损失。济的软保护措施来减少停车造成的损失。 n 所谓软保护措施，就是当生产工况超所谓软保护措施，就是当生产工况超出一定范围时，不是消极地输入联销保护出一定范围时，不是消极地输入联销保护甚至停车，而是自动地切换到一种新控制甚至停车，而是自动地切换到一种新控制系统中，这个新的控制系统取代了原来的系统中，这个新的控制系统取代了原来的控制系统

41、对生产过程进行控制，当工况恢控制系统对生产过程进行控制，当工况恢复时，又自动地切换到原来的控制系统中。复时，又自动地切换到原来的控制系统中。由于要对工况是否正常进行判断，要在两由于要对工况是否正常进行判断，要在两个控制系统当中选择。因此，称为选择性个控制系统当中选择。因此，称为选择性控制系统，有时也称为取代控制或超驰控控制系统，有时也称为取代控制或超驰控制。制。 n 选择性控制系统在结构上的最大特点是选择性控制系统在结构上的最大特点是有一个选择器，通常是两个输入信号，一个有一个选择器，通常是两个输入信号，一个输出信号，如下图。对于高选器，输出信号输出信号，如下图。对于高选器，输出信号 Y Y等

42、于等于X X1 1和和X X2 2中数值较大的一个，如中数值较大的一个，如X X1 1=5mA=5mA，X X2 24mA4mA，Y Y5mA5mA。对于低选器，输出信。对于低选器，输出信号号Y Y等于等于X X1 1和和X X2 2中数值较小的一个。中数值较小的一个。 n 高选器时，正常工艺情况下参与控高选器时，正常工艺情况下参与控制的信号应该比较强，如设为制的信号应该比较强，如设为X X1 1，则，则X X1 1应明显大于应明显大于X X2 2。出现不正常工艺时，。出现不正常工艺时，X X2 2变得大于变得大于X X1 1，高选器输出，高选器输出Y Y转而等于转而等于X X2 2；待工艺恢

43、复正常后，待工艺恢复正常后，X X2 2又下降到小于又下降到小于X X1 1，Y Y又恢复为选择又恢复为选择X X1 1。这就是选择性控制原。这就是选择性控制原理。理。 二、选择性控制系统的类型二、选择性控制系统的类型n l l、开关型选择性控制系统、开关型选择性控制系统n 如图如图2626所示是一个丙稀冷却器温度所示是一个丙稀冷却器温度控制系统，目的是使裂解气的温度下降控制系统，目的是使裂解气的温度下降并稳定在一定的温度上。测量裂解气出并稳定在一定的温度上。测量裂解气出口温度口温度T T，如，如T T偏高，使液丙烯流量加大，偏高，使液丙烯流量加大，冷却器中的液丙烯液面升高，载有裂解冷却器中的

44、液丙烯液面升高，载有裂解气的列管与液丙稀的接触面积增大，换气的列管与液丙稀的接触面积增大，换热加快，热加快，T T下降，达到控制的目的。这下降，达到控制的目的。这是正常的工况时的控制作用。是正常的工况时的控制作用。 n 如果干扰很大，裂解气进口温度很高，如果干扰很大，裂解气进口温度很高，液面上升到全部列管均已浸在液丙烯中，仍液面上升到全部列管均已浸在液丙烯中，仍然不能将然不能将T T降下来，控制系统势必要继续加降下来，控制系统势必要继续加大液丙稀的流量。但这时，继续加大液丙烯大液丙稀的流量。但这时，继续加大液丙烯流量不能进一步增加列管与液丙烯的换热面流量不能进一步增加列管与液丙烯的换热面积，而

45、且，由于液面很高，液丙烯的蒸发空积，而且，由于液面很高，液丙烯的蒸发空间太小，使换热效率下降。更为严重的问题间太小，使换热效率下降。更为严重的问题是，出口气丙烯中可能带有液体，即带液现是，出口气丙烯中可能带有液体，即带液现象，带液气丙烯送入压缩机会损坏压缩机，象，带液气丙烯送入压缩机会损坏压缩机，这是不允许的。因此，在非正常工况时，无这是不允许的。因此，在非正常工况时，无法用图法用图2626所示的简单控制系统解决。所示的简单控制系统解决。 n 根据选择性控制思想，设计一个开关型根据选择性控制思想，设计一个开关型选择性控制系统如选择性控制系统如图图2727所示。比简单控制系所示。比简单控制系统增

46、加了液位变送器和电磁三通阀。正常工统增加了液位变送器和电磁三通阀。正常工况时，三通阀将温度调节器来的控制信号况时，三通阀将温度调节器来的控制信号P P送至气动调节器室，系统与简单控制系统相送至气动调节器室，系统与简单控制系统相同。当液位上升到一定位置时，液位变送器同。当液位上升到一定位置时，液位变送器的上限节点接通，电磁阀通电，切断控制信的上限节点接通，电磁阀通电，切断控制信号号P P的通路，将大气（即表压为的通路，将大气（即表压为0 0）通入气室，）通入气室，阀门关闭。液位回降至一定位置时，液位变阀门关闭。液位回降至一定位置时，液位变送器上的上限节点断开，电磁三通阀失电，送器上的上限节点断开

47、，电磁三通阀失电，系统恢复为简单温度控制系统。系统恢复为简单温度控制系统。 n这个系统的方块图如图这个系统的方块图如图2828所示。所示。 2 2连续型选择性控制系统连续型选择性控制系统n 开关型选择性控制系统中的调节阀，在正常工开关型选择性控制系统中的调节阀，在正常工况向非正常工况切换时不是全开就是全关。连续型况向非正常工况切换时不是全开就是全关。连续型选择性控制系统则是切换到另一个连续控制系统。选择性控制系统则是切换到另一个连续控制系统。如图如图2929是压缩机的连续型选择性控制系统。是压缩机的连续型选择性控制系统。 n 正常工况时，正常工况时，P P2 2C C的输出信号小于的输出信号小

48、于P P1 1C C的的输出信号，输出信号，LSLS选选P P2 2C C的输出信号，系统维持压的输出信号，系统维持压缩机的出口压力缩机的出口压力P P2 2比稳定不变。当压缩机进比稳定不变。当压缩机进口压力口压力P P1 1下降至一定程度时，压缩机会产生下降至一定程度时，压缩机会产生喘振，这成为主要的问题。由于采用了低选喘振，这成为主要的问题。由于采用了低选器器LSLS，当，当P P1 1降至一定数值时，降至一定数值时，P P1 1C C的输出信号的输出信号会低于会低于P P2 2C C 的输出信号，的输出信号，LSLS选择选择P P1 1C C的输出信的输出信号为输出，系统切换成为进口压力

49、控制系统，号为输出，系统切换成为进口压力控制系统，将阀门关小，以维持将阀门关小，以维持P P1 1不低于安全限；当进不低于安全限；当进口压力口压力P P1 1回升，回升，P P1 1C C使阀门开大，使阀门开大，P P2 2回升，待回升，待P P2 2回升到一定程度时，回升到一定程度时，P P2 2C C 的输出变得小于的输出变得小于P P1 1C C的输出，低选器动作，系统恢复正常。的输出，低选器动作，系统恢复正常。 3 3混合型选择性控制系统混合型选择性控制系统n 同时在一个控制系统中使用开关型与连续型选同时在一个控制系统中使用开关型与连续型选择性控制，就是混合型选择控制系统。在锅炉的择性

50、控制，就是混合型选择控制系统。在锅炉的燃烧系统中，正常情况下，燃料气量根据蒸汽出燃烧系统中，正常情况下，燃料气量根据蒸汽出口压力来调整。但有两种非正常工况可能出现：口压力来调整。但有两种非正常工况可能出现：一是燃料气压力过高，产生一是燃料气压力过高，产生“脱火脱火”现象，燃烧现象，燃烧室中火焰熄灭，大量未燃烧的燃料气积存在燃烧室中火焰熄灭，大量未燃烧的燃料气积存在燃烧室内，烟囱冒黑烟，并有爆炸的危险，因此，应室内，烟囱冒黑烟，并有爆炸的危险，因此，应采取措施，使燃料气压力不致过高；二是燃料气采取措施，使燃料气压力不致过高；二是燃料气压力也不能过低，太低的燃料气压力有压力也不能过低，太低的燃料气

51、压力有“回火回火”的的危险，导致燃料气贮罐燃烧和爆炸，因此，也危险，导致燃料气贮罐燃烧和爆炸，因此，也需要采取措施，使燃料气压力不过低。需要采取措施，使燃料气压力不过低。 n 结合两种非正常工况的需要，设计混合结合两种非正常工况的需要，设计混合型选择性系统如图型选择性系统如图3030。 n 正常工况时，蒸气压力正常工况时，蒸气压力P P1 1上升，上升，a a下降，下降，d d下降，阀门关小，燃料气流量减小，使下降，阀门关小，燃料气流量减小，使P P1 1下降，实现控制。下降，实现控制。n 如如P P2 2上升至有上升至有“脱火脱火”危险时，危险时，b b小于小于a a，d db b，阀门关小

52、，使，阀门关小，使P P2 2下降，起防下降，起防“脱火脱火”作用。作用。P P2 2降至正常后，系统恢复蒸汽压力控降至正常后，系统恢复蒸汽压力控制系统，是连续型选择性控制。制系统，是连续型选择性控制。 n 如如P P3 3下降至有下降至有“回火回火”危险时，危险时，P P3 3C C的的下限节点接通，使三通电磁阀通电，电磁下限节点接通，使三通电磁阀通电，电磁阀动作，气动调节阀膜头气室通大气，气阀动作，气动调节阀膜头气室通大气，气动调节阀关闭，起防止动调节阀关闭，起防止“回火回火”作用。作用。P P3 3回升后，系统恢复为蒸汽压力控制系统，回升后，系统恢复为蒸汽压力控制系统，是开关型选择性控制

53、。是开关型选择性控制。n 选择器的使用，还可以构成其他类型选择器的使用，还可以构成其他类型的复杂控制系统，有时也可以说，凡是应的复杂控制系统，有时也可以说，凡是应用选择器的控制系统就是选择性控制系统。用选择器的控制系统就是选择性控制系统。 三、积分饱和问题三、积分饱和问题nl l积分饱和现象积分饱和现象n 在选择性控制系统中，由于采用了选择在选择性控制系统中，由于采用了选择器，未被选用的调节器就处于开环状态，器，未被选用的调节器就处于开环状态，如调节器有积分作用，偏差又长期存在，如调节器有积分作用，偏差又长期存在，则调节器的输出就会持续地朝一个方向变则调节器的输出就会持续地朝一个方向变化，直至

54、极限状态。超出气动调节阀的正化，直至极限状态。超出气动调节阀的正常输入信号范围（常输入信号范围（0 002020 01MPa1MPa），这），这时就进入了积分饱和状态。时就进入了积分饱和状态。 n 如果在这种状态下，该调节器重新被选如果在这种状态下，该调节器重新被选用，它不能迅速地从极限状态（即饱和状态）用，它不能迅速地从极限状态（即饱和状态）的的0 014MPa14MPa或或OMPaOMPa进入气动调节阀的正进入气动调节阀的正常输入信号范围常输入信号范围0 002-002-01MPa1MPa之内。控之内。控制系统不能及时地进行控制，系统质量和安制系统不能及时地进行控制，系统质量和安全等性能都

55、受到影响，甚至造成事故。积分全等性能都受到影响，甚至造成事故。积分饱和现象并不是选择性控制系统所特有的，饱和现象并不是选择性控制系统所特有的，只要符合产生积分饱和的三个条件，即：只要符合产生积分饱和的三个条件，即：调节器具有积分作用；调节器具有积分作用；调节器处于开环状调节器处于开环状况；况；调节器的偏差长期存在，系统都会发调节器的偏差长期存在，系统都会发生积分饱和现象。生积分饱和现象。 2 2抗积分饱和的措施抗积分饱和的措施n（l l）限幅法：）限幅法： 采用技术措施，将调节器采用技术措施，将调节器输出信号限制在工作信号范围之内。输出信号限制在工作信号范围之内。DDZ-DDZ-型调节器系列有

56、限幅型调节器，型调节器系列有限幅型调节器，可以克服积分饱和。可以克服积分饱和。n（2 2）积分切除法：）积分切除法： 当调节器处于开环状当调节器处于开环状态时，自动切除其积分作用，就不会出现态时，自动切除其积分作用，就不会出现积分饱和。如积分饱和。如DDZ-DDZ-型调节器系列中有型调节器系列中有PIPIP P调节器，它在闭环中是调节器，它在闭环中是PIPI作用；处于作用；处于开环时，调节器为纯比例作用开环时，调节器为纯比例作用P P。 第六节第六节 前馈控制系统前馈控制系统n一前馈控制原理一前馈控制原理n 前面讨论的所有控制系统，都属于反馈前面讨论的所有控制系统，都属于反馈控制系统，无论其系

57、统结构如何，它们的调控制系统，无论其系统结构如何，它们的调节回路的基本工作原理都是一样的。下面要节回路的基本工作原理都是一样的。下面要介绍的前馈控制系统则有着截然不同的控制介绍的前馈控制系统则有着截然不同的控制思想。前馈控制思想及应用由来已久，但主思想。前馈控制思想及应用由来已久，但主要是由于技术条件的限制，发展较慢。随着要是由于技术条件的限制，发展较慢。随着计算机和现代检测技术的飞速发展，前馈控计算机和现代检测技术的飞速发展，前馈控制正受到更多的重视和应用。制正受到更多的重视和应用。 n 在反馈控制系统中，都是把被控变量在反馈控制系统中，都是把被控变量测量出来，并与给定值相比较；而在前馈测量

58、出来，并与给定值相比较；而在前馈控制系统中，不测量被控变量，而是测量控制系统中，不测量被控变量，而是测量干扰变量，也不与被控变量的给定值进行干扰变量，也不与被控变量的给定值进行比较。这是前馈与反馈的主要区别。为了比较。这是前馈与反馈的主要区别。为了系统地说明前馈控制思想，同时也为了在系统地说明前馈控制思想，同时也为了在比较中进一步加深对反馈控制思想的理解，比较中进一步加深对反馈控制思想的理解，画出图画出图3131进行比较分析。进行比较分析。 n 图图3131中的（中的（a a）是反馈控制，（）是反馈控制，（b b）是前）是前馈控制。在前馈控制中，测量需要被加热的馈控制。在前馈控制中，测量需要被

59、加热的原油的流量，流量偏大就增加燃料量，原油原油的流量，流量偏大就增加燃料量，原油流量偏小就减少燃料量，以达到稳定原油出流量偏小就减少燃料量，以达到稳定原油出口温度的目的。口温度的目的。 n 从动态过程分析，当原油流量增大时，从动态过程分析，当原油流量增大时，一段时间后，出口温度会下降。但前馈测量一段时间后，出口温度会下降。但前馈测量出原油流量的增加量，迅速增加燃料量。如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时机都很好，有可能在炉果燃料增加的量和时机都很好，有可能在炉膛中将干扰克服，几乎不影响原油出口温度。膛中将干扰克服，几乎不影响原油出口温度。n 如果该加热炉只存在原油流量这

60、一个干如果该加热炉只存在原油流量这一个干扰，那么理论上讲，前馈控制可以把原油出扰，那么理论上讲，前馈控制可以把原油出口温度控制得很精确，甚至被控变量一点也口温度控制得很精确，甚至被控变量一点也不波动。这就是前馈控制思想，也是前馈控不波动。这就是前馈控制思想，也是前馈控制的生命力所在。制的生命力所在。 二前馈控制与反馈控制的比较二前馈控制与反馈控制的比较 n通常认为，前馈控制有如下几个特点：通常认为，前馈控制有如下几个特点：n （l l）是）是“开环开环”控制系统；控制系统；n （2 2）对所测干扰反应快，控制及时；）对所测干扰反应快，控制及时；n （3 3）采用专用调节器；）采用专用调节器；n