第7章 复杂调节系统(上)

1、第第 7 7 章章 复杂调节系统复杂调节系统 简单控制系统是过程控制中最基本、应用最广简单控制系统是过程控制中最基本、应用最广 的控制形式，约占全部控制系统的的控制形式，约占全部控制系统的80。但是：。但是： q随着生产过程的大型化和复杂化，操作条件更随着生产过程的大型化和复杂化，操作条件更 加严格，变量之间的关系更加复杂。加严格，变量之间的关系更加复杂。 q有些生产工艺和控制要求比较特殊。有些生产工艺和控制要求比较特殊。 q随着技术发展，对工艺的控制目标多样化，如随着技术发展，对工艺的控制目标多样化，如 产量、质量、节能、环保、效率等。产量、质量、节能、环保、效率等。 为此，设计出各种复杂控

2、制系统。为此，设计出各种复杂控制系统。 7.1 串级控制系统串级控制系统 当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时， 采用简单控制系统往往控制质量较差，满足不了工采用简单控制系统往往控制质量较差，满足不了工 艺上的要求，这时，可考虑采用串级控制系统。艺上的要求，这时，可考虑采用串级控制系统。 7.1.1串级控制系统基本结构及工作过程串级控制系统基本结构及工作过程 串级控制是在简单控制系统基础上的改进。串级控制是在简单控制系统基础上的改进。 例例 管式加热炉是炼油、化工生产中的重要装置管式加热炉是炼油、化工生产中的重要装置 之一，它的任务是把原油加热到一定温

3、度，以保证之一，它的任务是把原油加热到一定温度，以保证 下道工艺的顺利进行。因此，需要控制原油加热后下道工艺的顺利进行。因此，需要控制原油加热后 的出口温度。的出口温度。 问题：问题： 控制通道滞后很大，控制通道滞后很大， 控制缓慢。控制缓慢。 燃料压力或燃燃料压力或燃 料的热值变化料的热值变化 影响炉膛温度影响炉膛温度 热传导给原料热传导给原料 影响出口温度影响出口温度 15min 3min 原料出口温度原料出口温度1(t) 原料原料 T1C T1T 燃料燃料 管式加热炉管式加热炉 若用简单温控系统：若用简单温控系统： 炉膛温度炉膛温度 变化变化 T2T、T2C回路先改变燃料量回路先改变燃料

4、量 T1T、 T1C 回路再改回路再改 变燃料量变燃料量 出料温度出料温度 变化变化 解决措施解决措施：在影响出口温度的通：在影响出口温度的通 道中，加测炉膛温度的变化，提前控道中，加测炉膛温度的变化，提前控 制。制。 燃料压力燃料压力 变化变化 3min 原料出口温度原料出口温度1(t) 原料原料 T1CT1T 燃料燃料 管式加热炉管式加热炉 T2CT2T 图图7.6管式加热炉出口温度串级控制系统框图为：管式加热炉出口温度串级控制系统框图为： 主控制器主控制器调节阀调节阀 x1 炉膛炉膛原料油原料油 f3、f4 f1、f2 管壁管壁 温度变送器温度变送器1 温度变送器温度变送器2 副控制器副

5、控制器 x2(t) 2(t) 1(t) 主控制器主控制器执行器执行器副对象副对象主对象主对象 主变送器主变送器 副变送器副变送器 副控制器副控制器 主变量主变量 副变量副变量 给定给定 干扰干扰 标准框图为：标准框图为： 结构特点：结构特点： q系统系统有两个闭合回路，形成内外环。有两个闭合回路，形成内外环。主变量是主变量是 工艺要求控制的变量，副变量是为了更好地控制主工艺要求控制的变量，副变量是为了更好地控制主 变量而选用的辅助变量。变量而选用的辅助变量。 q主、副调节器是串联工作的，主调节器的输出主、副调节器是串联工作的，主调节器的输出 作为副调节器的给定值。作为副调节器的给定值。 主控制

6、器主控制器执行器执行器副对象副对象主对象主对象 主变送器主变送器 副变送器副变送器 副控制器副控制器 主变量主变量 副变量副变量 给定给定 干扰干扰 控制过程分析：控制过程分析： 1燃料压力燃料压力f3(t)、燃料热值、燃料热值f4(t)发生扰动发生扰动干扰进入干扰进入 副回路副回路 进入副回路的干扰首先影响炉膛温度，副变送器提前进入副回路的干扰首先影响炉膛温度，副变送器提前 测出，副控制器立即开始控制，控制过程大为缩短。测出，副控制器立即开始控制，控制过程大为缩短。 主控制器调节阀 x1 炉膛原料油 f3、f4 f1、f2 管壁 温度变送器1 温度变送器2 副控制器 x2(t) 2(t) 1

7、(t) 原料出口温度原料出口温度1(t) 原料原料 T1CT1T 燃料燃料 管式加热炉管式加热炉 T2CT2T 主控制器调节阀 x1 炉膛原料油 f3、f4 f1、f2 管壁 温度变送器1 温度变送器2 副控制器 x2(t) 2(t) 1(t) 2原油流量原油流量 f1(t)、原油入口温度、原油入口温度 f2(t)发生扰动发生扰动干扰进入主回路干扰进入主回路 对进入主回路的干扰，虽然副变送器不能提前测出，但副回路的闭环对进入主回路的干扰，虽然副变送器不能提前测出，但副回路的闭环 负反馈，使对象炉膛部分特性的时间常数大为缩短，则主控制器的控制通负反馈，使对象炉膛部分特性的时间常数大为缩短，则主控

8、制器的控制通 道被缩短，控制效果也得到改善。道被缩短，控制效果也得到改善。 原料出口温度原料出口温度1(t) 原料原料 T1CT1T 燃料燃料 管式加热炉管式加热炉 T2CT2T 6.1.2串级控制系统特点及其分析串级控制系统特点及其分析 将串级控制系统等效成单回路控制系统讨论。将串级控制系统等效成单回路控制系统讨论。 Gc1(s)Gv(s) X1(s) 1(s) Go2(s) F3(s)、F4(s) Go1(s) Gc2(s) X2(s) 2(s) F1(s)、F2(s) Gm2(s) Gm1(s) F3(s)、F4(s) G*o2(s) Go2(s) X2(s) 2(s) 将副环等效为：将

9、副环等效为： C2V02 02 C2V02m2 G(s) G (s) G (s) G( ) 1G(s) G (s) G (s) G(s) s 02 02 C2V02m2 G (s) G( ) 1G(s) G (s) G (s) G(s) s C2V02 02 C2V02m2 G(s) G (s) G (s) G( ) 1G(s) G (s) G (s) G(s) s 6.1.2.1改善被控过程的动态特性改善被控过程的动态特性 控制通道等效副对象的传函：控制通道等效副对象的传函： 1 )( 02 02 02 sT K sG 2 22 2cc KsG )( vv ( )G sK m2m2 ( )G

10、sK 设：设： 则：则： C2V02 C2V02m2 02 02 C2V02m2 KK K 1KK K K G( ) T 1S 1KK K K s T02 T02 K02 1/Km2 Gc1(s)X1(s)1(s) G*o2(s) F3(s)、F4(s) Go1(s)Go2(s) 2(s) F1(s)、F2(s) Gm1(s) G*c1(s)Gv(s) X1(s) 1(s) Go2(s) F3(s)、F4(s) Go1(s) F1(s)、F2(s) Gm1(s) 串级控制等效串级控制等效 真正的单回路控制真正的单回路控制 T02 T02 ，说明主环控制通道时间常数缩短，说明主环控制通道时间常数

11、缩短， 改善了系统的动态性能。改善了系统的动态性能。 Gc1(s)X1(s)1(s) G*o2(s) F3(s)、F4(s) Go1(s)Go2(s) 2(s) F1(s)、F2(s) Gm1(s) 同理，通过对系统振荡频率的推导可知：同理，通过对系统振荡频率的推导可知： 副回路的引入，提高了系统的工作频率，也改副回路的引入，提高了系统的工作频率，也改 善了系统的动态性能。善了系统的动态性能。 从系统特征方程：从系统特征方程：1+Gc1(s)Go2(s)Go1(s)Gm1(s)=0 可求出系统的工作频率可求出系统的工作频率c 6.1.2.2 抗干扰能力增强抗干扰能力增强 对于进入副回路的干扰，

12、串级控制和单回路控对于进入副回路的干扰，串级控制和单回路控 制前向通道的区别：制前向通道的区别： G*c1(s)Gv(s) X1(s) 1(s) Go2(s) F3(s)、F4(s) Go1(s) F1(s)、F2(s) Gm1(s) Gc1(s)X1(s)1(s) G*o2(s) F3(s)、F4(s) Go1(s)Go2(s) 2(s) F1(s)、F2(s) Gm1(s) 串级控制等效串级控制等效 真正的单回路控制真正的单回路控制 02 02 C2V02m2 G (s) G( ) 1 G(s) G (s) G (s) G(s) s 干扰通道的传函：干扰通道的传函： 1 1 2 2 020

13、2 0202 sT K sG)( 2 22 2cc KsG )( vv ( )G sK m2m2 ( )GsK 设：设： 则：则： 02 * C2V02m2 02 02 C2V02m2 K 1KK K K G( ) T 1S 1KK K K s T02* T02 K02 * K02 K02 * K02 说明干扰通道的影响力降低；说明干扰通道的影响力降低； T02 * T02 说明干扰通道时间常数缩短，即副说明干扰通道时间常数缩短，即副 回路的控制速度快。回路的控制速度快。 Gc1(s)X1(s)1(s) G*o2(s) F3(s)、F4(s) Go1(s)Go2(s) 2(s) F1(s)、F

14、2(s) Gm1(s) 串级控制等效串级控制等效 G*c1(s)Gv(s) X1(s) 1(s) Go2(s) F3(s)、F4(s) Go1(s) F1(s)、F2(s) Gm1(s) 真正的单回路控制真正的单回路控制 Gc1(s)X1(s)1(s) G*o2(s) F3(s)、F4(s) Go1(s)Go2(s) 2(s) F1(s)、F2(s) Gm1(s) 串级控制等效串级控制等效 G*c1(s)Gv(s) X1(s) 1(s) Go2(s) F3(s)、F4(s) Go1(s) F1(s)、F2(s) Gm1(s) 真正的单回路控制真正的单回路控制 对于进入主回路的干扰，串级控制和单

15、回路控制对于进入主回路的干扰，串级控制和单回路控制 闭环回路的区别：闭环回路的区别： 6.1.2.3对负荷和操作条件变化的适应能力增强对负荷和操作条件变化的适应能力增强 有些生产过程的工艺条件经常变化。而在不同的有些生产过程的工艺条件经常变化。而在不同的 工艺点，对象的放大倍数往往不同。如果是单回路控工艺点，对象的放大倍数往往不同。如果是单回路控 制，这会导致控制质量下降。制，这会导致控制质量下降。 G*c1(s)Gv(s) X1(s) 1(s) Go2(s) F3(s)、F4(s) Go1(s) F1(s)、F2(s) Gm1(s) 真正的单回路控制真正的单回路控制 C2V02 C2V02m

16、2 02 02 C2V02m2 KK K 1KK KK G( ) T 1S 1KK KK s K02 1/Km2 对于串级控制，部分对象被包含在副回路中，其对于串级控制，部分对象被包含在副回路中，其 放大倍数被负反馈压制。因而工艺负荷或操作条件变放大倍数被负反馈压制。因而工艺负荷或操作条件变 化时，调节系统仍然具有较好的控制质量。化时，调节系统仍然具有较好的控制质量。 Gc1(s)Gv(s) X1(s) 1(s) Go2(s) F3(s)、F4(s) Go1(s) Gc2(s) X2(s) 2(s) F1(s)、F2(s) Gm2(s) Gm1(s) 串级系统特点总结：串级系统特点总结： 对进

17、入副回路的干扰有很强的克服能力；对进入副回路的干扰有很强的克服能力； 改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工 作频率；对进入主回路的干扰控制效果也有改善；作频率；对进入主回路的干扰控制效果也有改善； 对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。 调节效果比较调节效果比较 串级控制串级控制 单回路控制单回路控制 t y 7.1.3 串级控制系统的设计与参数整定串级控制系统的设计与参数整定 7.1.3.1 串级控制系统的方案设计串级控制系统的方案设计 1 1、主回路的设计（主被控变量选取）、主回路的设计（主被控变量选取）

18、 主要是（主）被控变量的选择。这和单回路的被控参数选择原则一样。主要是（主）被控变量的选择。这和单回路的被控参数选择原则一样。 2 2、副回路设计（副变量选择）、副回路设计（副变量选择） （1） 主、副变量有合理的对应关系主、副变量有合理的对应关系 必须有如下信号关系：必须有如下信号关系： 副变量必须是可测的；同时，它可由控制量控制、它又可控制主被副变量必须是可测的；同时，它可由控制量控制、它又可控制主被 控变量控变量 2、副回路设计（副变量选择）（续）、副回路设计（副变量选择）（续） （2）副变量的选择必须使副回路包含主要干扰，并尽可能多包含一些干）副变量的选择必须使副回路包含主要干扰，并尽

19、可能多包含一些干 扰。扰。 （3）考虑主、副回路的匹配）考虑主、副回路的匹配 必须考虑副回路的快速性。必须考虑副回路的快速性。 一般要求副对象较短、较快。一般要求副对象较短、较快。 （4）应注意工艺上的合理性和经济性）应注意工艺上的合理性和经济性 3、主、副调节器调节规律的选择、主、副调节器调节规律的选择 在串级控制系统，主被控变量在串级控制系统，主被控变量 y1 才是工艺严格要求的才是工艺严格要求的 副回路是为严格控制副回路是为严格控制y1而设计的，即而设计的，即y2是为是为y1服务的。服务的。 副回路只要有一定的快速性即可，一般不会要求无差。副回路只要有一定的快速性即可，一般不会要求无差。

20、 所以：所以： 副调节器一般用纯比例副调节器一般用纯比例P即可；即可； 而主调节器的调节规律选择方法相同于单回路。而主调节器的调节规律选择方法相同于单回路。 4主、副调节器正、反作用方式的确定主、副调节器正、反作用方式的确定 对串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用方式的对串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用方式的 选择原则依然是使系统构成负反馈。选择原则依然是使系统构成负反馈。 选择时的顺序是：选择时的顺序是： 1、根据工艺安全或节能要求确定调节阀的正、反作用；、根据工艺安全或节能要求确定调节阀的正、反作用； 2、按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、反作、按照副回路构成负反馈的

21、原则确定副调节器的正、反作 用；用； 3、依据主回路构成负反馈的原则，确定主调节器的正、反、依据主回路构成负反馈的原则，确定主调节器的正、反 作用。作用。 以管式加热炉为例，说明串级控制系统主、副调以管式加热炉为例，说明串级控制系统主、副调 节器的正、反作用方式的确定方法。节器的正、反作用方式的确定方法。 1、从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式、从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式 （正作用）。一旦出现故障或气源断气，调节阀应关（正作用）。一旦出现故障或气源断气，调节阀应关 闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全。闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全。 原料出口温度原料出口温度

22、1(t) 原料原料 T1CT1T 燃料燃料 管式加热炉管式加热炉 T2CT2T 2、副回路中，调节阀开大，炉膛温度升高，测量、副回路中，调节阀开大，炉膛温度升高，测量 信号增大，说明副对象和变送器都是正作用。为保证信号增大，说明副对象和变送器都是正作用。为保证 副回路为负反馈，副调节器应为反作用方式。副回路为负反馈，副调节器应为反作用方式。 原料出口温度原料出口温度1(t) 原料原料 T1C T1T 燃料燃料 管式加热炉管式加热炉 T2C T2T 3、对于主调节器，调节阀开大，炉膛温度升高时，、对于主调节器，调节阀开大，炉膛温度升高时， 原料油出口温度也升高，说明主对象和主变送器也原料油出口温

23、度也升高，说明主对象和主变送器也 都是正作用。为保证主回路为负反馈，主调节器也都是正作用。为保证主回路为负反馈，主调节器也 应为反作用方式。应为反作用方式。 原料出口温度原料出口温度1(t) 原料原料 T1C T1T 燃料燃料 管式加热炉管式加热炉 T2C T2T 7.1.2串级控制系统的参数整定串级控制系统的参数整定 有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。 1逐步逼近法逐步逼近法 依次整定副回路、主回路。并循环进行，逐步接依次整定副回路、主回路。并循环进行，逐步接 近主、副回路最佳控制状态。近主、副回路最佳控制状态。 2两步整定法两步整定法 系统处于串级

24、工作状态，第一步按单回路方法整系统处于串级工作状态，第一步按单回路方法整 定副调节器参数；第二步把已经整定好的副回路视为定副调节器参数；第二步把已经整定好的副回路视为 一个环节，仍按单回路对主调节器进行参数整定。一个环节，仍按单回路对主调节器进行参数整定。 2两步整定法两步整定法 简单的近似整定方法：简单的近似整定方法： 1）断开主调节器，按单回路方法整定副调节器）断开主调节器，按单回路方法整定副调节器 2）之后接上串级，把副回路看成一个环节，再按单回路方法整定主调节器。）之后接上串级，把副回路看成一个环节，再按单回路方法整定主调节器。 3一步整定法一步整定法 所谓一步整定法，就是根据经验，先

25、将副调节器所谓一步整定法，就是根据经验，先将副调节器 参数一次调好，不再变动，然后按一般单回路控制系参数一次调好，不再变动，然后按一般单回路控制系 统的整定方法直接整定主调节器参数。统的整定方法直接整定主调节器参数。 表表7.17.1一步整定法副调节器参数选择范围一步整定法副调节器参数选择范围 副参数类型副参数类型 副调节器比例度副调节器比例度2（%） 副调节器比例增益副调节器比例增益Kc2 温度温度 2060 5.01.7 压力压力 3070 3.01.4 流量流量 4080 2.51.25 液位液位 2080 5.01.25 5串级系统的工业应用串级系统的工业应用 当生产工艺要求高，采用简

26、单控制系统满足不当生产工艺要求高，采用简单控制系统满足不 了工艺要求的情况下，可考虑采用串级控制系统。了工艺要求的情况下，可考虑采用串级控制系统。 串级控制系统常用于下面一些生产过程。串级控制系统常用于下面一些生产过程。 1）容量滞后较大的过程）容量滞后较大的过程 2）纯滞后较大的过程）纯滞后较大的过程 3）干扰幅度大的过程）干扰幅度大的过程 4）非线性严重的过程）非线性严重的过程 例子：例子： 问题的提出：问题的提出： 设如下管式加热炉，设如下管式加热炉，T是被控变量，是被控变量， 可用燃油量作控制变量，组成简单控制系统。可用燃油量作控制变量，组成简单控制系统。 现有：现有： 严重的干扰：燃

27、油压力波动引起燃油量波动。严重的干扰：燃油压力波动引起燃油量波动。 次要也经常出现的干扰：次要也经常出现的干扰： 原料量波动、原料初始温度、燃油热值。原料量波动、原料初始温度、燃油热值。 由于控制通道较长：由于控制通道较长： 燃油压力燃油压力燃油量燃油量（通过（通过 燃油管）燃油管） 炉膛温度炉膛温度 管壁管壁原料原料T（被控）（被控） 克服主要干扰不够及时。克服主要干扰不够及时。 为了稳定燃油压力，设想对燃油流量增加一单回路加以为了稳定燃油压力，设想对燃油流量增加一单回路加以 控制，克服燃油压力波动引起的燃油量波动。控制，克服燃油压力波动引起的燃油量波动。 问题：问题： 这样虽然可克服燃油波

28、动这样虽然可克服燃油波动 的主要干扰，但在其他干扰，的主要干扰，但在其他干扰， 如原料量变化时，温度控制系如原料量变化时，温度控制系 统作用时二系统会打架。（分统作用时二系统会打架。（分 析）析） 解决方法解决方法：合并二系统，取消阀：合并二系统，取消阀1，将，将TC的输出作为的输出作为FC的给定值。的给定值。 组成如下系统：组成如下系统： 分析此系统：分析此系统： 在燃油压力干扰下的调节过程在燃油压力干扰下的调节过程 原料量变化等干扰下的调节过程原料量变化等干扰下的调节过程 此系统就是串联（串级）控制系统。此系统就是串联（串级）控制系统。 同样，如果燃油的热值波动是主要干扰，先引起炉膛温度变

29、化，可设同样，如果燃油的热值波动是主要干扰，先引起炉膛温度变化，可设 想增加炉膛温度控制系统如下系统：想增加炉膛温度控制系统如下系统： 2个系统会个系统会 冲突！冲突！ 合并为串级合并为串级 控制系统控制系统 上述系统的方块图：上述系统的方块图： 串级控制系统相关名词解释：串级控制系统相关名词解释： 主变量：主变量： 控制目标的被控变量控制目标的被控变量 副变量：副变量： 辅助变量。要求副变量必须是可测、能控的，且它受控制量控制，而它又能控制辅助变量。要求副变量必须是可测、能控的，且它受控制量控制，而它又能控制 主变量，即在控制量主变量，即在控制量 （到）（到） 主被控变量通道的中间。主被控变

30、量通道的中间。 副对象：副对象： 控制量控制量（到）副变量之间的环节（到）副变量之间的环节 主对象：主对象： （全部对象）控制量（全部对象）控制量主被控变量。（窄义指：副变量主被控变量。（窄义指：副变量主（被控）变量）。主（被控）变量）。 主控制器：主控制器： 副控制器：副控制器： 副回路：副回路： 主回路：主回路： 课堂练习课堂练习： 如下热交换器，用蒸汽加热物料，工艺对加热后物料的出口温度有严格要求。如下热交换器，用蒸汽加热物料，工艺对加热后物料的出口温度有严格要求。 现有：现有： 主要干扰为蒸汽压力波动，造成加热蒸汽量变化，影响物料的出口温度；主要干扰为蒸汽压力波动，造成加热蒸汽量变化，

31、影响物料的出口温度； 同时还有被加热物料量、其初始温度等干扰。同时还有被加热物料量、其初始温度等干扰。 要求：设计一有效的串级控制系统，画出带控制点的工艺流程图要求：设计一有效的串级控制系统，画出带控制点的工艺流程图 蒸汽蒸汽 设计结果设计结果： 串级控制系统串级控制系统 （画出带控制点的工艺流程图）（画出带控制点的工艺流程图） 蒸汽蒸汽 生产过程中，经常需要几种物料的流量保持一生产过程中，经常需要几种物料的流量保持一 定的比例关系。例如，在锅炉的燃烧系统中，要保定的比例关系。例如，在锅炉的燃烧系统中，要保 持燃料和空气量的一定比例，以保证燃烧的经济性。持燃料和空气量的一定比例，以保证燃烧的经

32、济性。 定义：定义：实现两个或多个参数符合一定比例关系实现两个或多个参数符合一定比例关系 的控制系统，称为比值控制系统。的控制系统，称为比值控制系统。 例如要实现两种物料的比例关系，则表示为：例如要实现两种物料的比例关系，则表示为： Q2=K Q1 其中：其中：K比值系数；比值系数；Q1主流量；主流量； Q2副副流量流量 。 7.2.1比值控制系统的种类比值控制系统的种类 1. 开环比值控制系统开环比值控制系统 如图如图Q1是主流量，是主流量，Q2是副流量。流量变送器是副流量。流量变送器FT 检测主物料流量检测主物料流量Q1；由控制器；由控制器FC及安装在从物料管及安装在从物料管 道上的阀门来

33、控制副流量道上的阀门来控制副流量Q2。 FT FC Q1 Q2 此控制方案的优点是此控制方案的优点是 结构简单、成本低。缺点结构简单、成本低。缺点 是无抗干扰能力，当副流是无抗干扰能力，当副流 管线压力等改变时，不能管线压力等改变时，不能 保证所要求的比值。保证所要求的比值。 控制目标：控制目标：Q2K Q1 2. 单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统 为了克服开环比值控制的不足，在开环比值控为了克服开环比值控制的不足，在开环比值控 制的基础上，增加对副流量的闭环控制。制的基础上，增加对副流量的闭环控制。特点：特点： q对对Q2进行闭环控制，比值控制精度提高进行闭环控制，比值控制精度提高。 q

34、控制目标：控制目标：Q2= =K Q1 q对对Q1只测量、不控只测量、不控 制。制。Q1变化，变化，Q2跟着变跟着变 化，总流量不稳定。化，总流量不稳定。 F1T Q1 Q2 K F2TF2C 3. 双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统 为了克服单闭环比值控制中主流量不受控制的缺为了克服单闭环比值控制中主流量不受控制的缺 点，增加了主流量控制回路。点，增加了主流量控制回路。特点：特点： qQ1是主流量，是主流量，Q2是副是副 流量。两个流量都可控，流量。两个流量都可控， 因此总流量稳定。因此总流量稳定。 F1T Q1 Q2 F1C F2TF2C K q有两个闭环控制回路，有两个闭环控制回路，

35、用比值器联系。用比值器联系。 q控制目标：控制目标：Q2= =K Q1 Sp. F2 K F1C F2C F1 F1 变送器 控制器控制阀主对象 K F2 变送器 控制器控制阀副对象 - - 这类比值调节系统，虽然主参数也形成闭合回路，但是由结 构图可以看出，主、副调节回路是两个单回路系统，主参量通 过比值器作为副回路的给定值。由于是两个闭环系统，副回路 的过渡过程不影响主回路，所以，主、副调节器都可选用PI型的 调节器，并按单回路系统来整定。 这类双闭环比值系统，由于所用设备多，投资高，所以应用 不太广泛。在比值系统中，比值器可以用比例调节器、除法器 或乘法器组成，设计中可以根据操作要求，比

36、值系数大小，精 度要求倩况等来选定。 4变比值控制系统变比值控制系统 以上介绍的都是定比值控制系统。在有些生产过以上介绍的都是定比值控制系统。在有些生产过 程中，要求两种物料流量的比值随第三个工艺参数的程中，要求两种物料流量的比值随第三个工艺参数的 需要而变化，为满足这种工艺的要求，就出现了变比需要而变化，为满足这种工艺的要求，就出现了变比 值控制系统。值控制系统。 例如，变换炉工艺中，煤气与水蒸气（例如，变换炉工艺中，煤气与水蒸气（58倍）倍） 在触媒的催化下，转化成二氧化碳和氢气。温度越在触媒的催化下，转化成二氧化碳和氢气。温度越 高转化率越高，但温度过高会影响触媒寿命。如果高转化率越高，

37、但温度过高会影响触媒寿命。如果 根据触媒层的温度调节其比例系数，就能保持最佳根据触媒层的温度调节其比例系数，就能保持最佳 的触媒温度和最高的转化率。的触媒温度和最高的转化率。 F1T F2T TT 转化气转化气 温度控制器温度控制器TC根据根据触媒的实触媒的实 际温度与给定温度的偏差，际温度与给定温度的偏差， 计算流量比值的给定值计算流量比值的给定值。 除法器算出蒸汽与煤气除法器算出蒸汽与煤气 流量的实际比值，输入流量的实际比值，输入 到流量控制器到流量控制器FC。 最后通过调整蒸最后通过调整蒸 汽量汽量（改变（改变蒸汽蒸汽 与半水煤气的比与半水煤气的比 值值）来使变换炉来使变换炉 触媒层的温

38、度恒触媒层的温度恒 定在给定值上。定在给定值上。 F2 XC F2C F1 F1 主控制器 除法器 F2 比值控制器 - 控制阀主对象 测量变送 测量变送 流量对象 主测量变送 - 应当注意，在变比值控制系统中，流量比值只是一种控制手段，不是最终目的，应当注意，在变比值控制系统中，流量比值只是一种控制手段，不是最终目的， 而第三参数（如本例中温度）往往是主要被控参数。而第三参数（如本例中温度）往往是主要被控参数。 F1 主控制器 除法器 F2 比值控制器 - 控制阀主对象 测量变送 测量变送 流量对象 主测量变送 - FCTC 空气 氨气 混合 氧化炉 预热 图 氧化炉变比值控制系统方框图 S

39、p. F2 K F1C F2C F1 LC (a)常见方案 常见方案： 两物料组成一双闭环比值控 制，而反应器的液面又需恒定， 于是组成一以液面为主参数， 主流量为副参数的串级控制系 统。当液面由于某种干扰而变 化时，通过液面控 制器的输出 来改变主流量的给定值，使主 流量跟着变化。然后通过比值 控制使副流量也随之变化，保 持其流量比不变， 由总的负荷变化克服外界干扰，把液面调回给定值。 缺点：副流量的变化滞后于主流量的变化。 F2 K F1C F2C F1 LC (b)修改方案 7.2.2比值控制系统的设计与参数整定比值控制系统的设计与参数整定 1比值控制系统设计比值控制系统设计 1）主流量

40、、副流量的确定原则：）主流量、副流量的确定原则： 生产中起主导作用的物料流量，一般选为主流生产中起主导作用的物料流量，一般选为主流 量，其余的物料流量跟随其变化，为副流量。量，其余的物料流量跟随其变化，为副流量。 工艺上不可控的物料流量，一般选为主流量。工艺上不可控的物料流量，一般选为主流量。 成本较昂贵的物料流量一般选为主流量。成本较昂贵的物料流量一般选为主流量。 当生产工艺有特殊要求时，主、副物料流量的当生产工艺有特殊要求时，主、副物料流量的 确定应服从工艺需要。确定应服从工艺需要。 2）控制方案的选择）控制方案的选择 控制方案选择应根据不同的生产要求确定，同时控制方案选择应根据不同的生产

41、要求确定，同时 兼顾经济性原则。兼顾经济性原则。 如果工艺上仅要求两物料流量之比值一定，而如果工艺上仅要求两物料流量之比值一定，而 对总流量无要求，可用单闭环比值控制方案。对总流量无要求，可用单闭环比值控制方案。 如果主、副流量的扰动频繁，而工艺要求主、如果主、副流量的扰动频繁，而工艺要求主、 副物料总流量恒定的生产过程，可用双闭环比值控制副物料总流量恒定的生产过程，可用双闭环比值控制 方案。方案。 当生产工艺要求两种物料流量的比值要随着第当生产工艺要求两种物料流量的比值要随着第 三参数的需要进行调节时，可用变比值控制方案。三参数的需要进行调节时，可用变比值控制方案。 3）调节器控制规律的确定

42、）调节器控制规律的确定 比值控制系统中，调节器的控制规律是根据控比值控制系统中，调节器的控制规律是根据控 制方案和控制要求而定。制方案和控制要求而定。 F1T Q1 Q2 K F2TF2C 在单闭环比值控制系在单闭环比值控制系 统中，比值器统中，比值器K起比值计起比值计 算作用，若用调节器实现，算作用，若用调节器实现， 则选则选P调节；调节器调节；调节器F2C 使副流量稳定，为保证控使副流量稳定，为保证控 制精度可选制精度可选PI调节。调节。 P PI 双闭环比值控制不仅双闭环比值控制不仅 要求两流量保持恒定的比要求两流量保持恒定的比 值关系，而且主、副流量值关系，而且主、副流量 均要实现定值

43、控制，所以均要实现定值控制，所以 两个调节器均应选两个调节器均应选PI调节；调节； 比值器选比值器选P调节。调节。 F1T Q1 Q2 F1C F2TF2C K PI PI P 4）正确选择流量计及其量程）正确选择流量计及其量程 各种流量计都有一定的适用范围（一般正常流各种流量计都有一定的适用范围（一般正常流 量选在满量程的量选在满量程的70左右），必须正确地选择和使左右），必须正确地选择和使 用，可参考有关设计资料、产品手册。用，可参考有关设计资料、产品手册。 2 比值控制系统的设计与参数整定比值控制系统的设计与参数整定 （仪表）比值系数的计算（仪表）比值系数的计算 K=Q2/Q1 比值比值

44、是工艺上的比值系数，需要保证的。是工艺上的比值系数，需要保证的。 K 而仪表上放置的信号之间的比值系数而仪表上放置的信号之间的比值系数K 定义有所差别。定义有所差别。 （1 1）流量与测量信号之间成线性关系的情况。）流量与测量信号之间成线性关系的情况。 设此时，设此时，Q1的范围为的范围为 0Q1max Q2的范围为的范围为 0Q2max 则对则对DDZ仪表来说，仪表信号范围为仪表来说，仪表信号范围为420mA，即，即Q1的信号的信号 为：为： （仪表）比值系数的计算（仪表）比值系数的计算 （续）（续） （2 2）流量与测量信号之间非线性关系的情况）流量与测量信号之间非线性关系的情况 多数是节

45、流元件，此时，压差与流量平方成正比。多数是节流元件，此时，压差与流量平方成正比。 7.2.3 比值控制系统的实施与参数整定比值控制系统的实施与参数整定 1）比值系数的实现）比值系数的实现 比值系统的实现有相乘和相除二种方法。在工程比值系统的实现有相乘和相除二种方法。在工程 上可采用比值器、乘法器、除法器等仪表实现；用计上可采用比值器、乘法器、除法器等仪表实现；用计 算机控制时，通过比例、乘、除运算程序实现。算机控制时，通过比例、乘、除运算程序实现。 2）比值控制系统的参数整定）比值控制系统的参数整定 比值系统的主流量回路，可按单回路控制系统进比值系统的主流量回路，可按单回路控制系统进 行整定；

46、比值系统的副流量整定为振荡与不振荡的边行整定；比值系统的副流量整定为振荡与不振荡的边 界为佳，即过渡过程既不振荡而反应又快。界为佳，即过渡过程既不振荡而反应又快。 1、进行比值系数的计算及现场整定。 2、积分时间置最大，比例度由大到小（放大系 数K由小到大），直找到临界过程（曲线b)为止 （振荡与不振荡的临界，衰减率接近1）。 3、适当放宽比例度（一般放大20%），再把积 分时间慢慢减小，只要跟踪过程稍有一点过调 就可以了（曲线C）。 比值调节的 过渡过程 t F 0 c b a 7.5 均匀控制系统均匀控制系统 在连续生产过程中，有许多装置是前后紧密联在连续生产过程中，有许多装置是前后紧密联

47、 系的。前一设备的出料，往往是后一设备的进料，系的。前一设备的出料，往往是后一设备的进料， 各设备的操作也互相关联、互相影响。例如图各设备的操作也互相关联、互相影响。例如图7.24所所 示的两个连续操作的精馏塔。示的两个连续操作的精馏塔。 1#塔要求液塔要求液 位稳定，设液位位稳定，设液位 控制系统。控制系统。 2#塔要求进塔要求进 料量稳定，设流料量稳定，设流 量控制系统。量控制系统。 LC 1#2# FT FC LT 显然，这两套控制系统的控制目标存在矛盾：显然，这两套控制系统的控制目标存在矛盾： 解决办法：解决办法： 1、设中间贮、设中间贮 槽，使前后影响减槽，使前后影响减 小，但成本高

48、。小，但成本高。 2、用均匀调、用均匀调 节方案。节方案。 1#塔液位调节塔液位调节 阀阀 1 开度变化开度变化 LC 1#2# FT FC LT 1 2 2#塔流量变化塔流量变化 2#塔流量调节塔流量调节阀阀 2 开度变化开度变化 1#塔液位变化塔液位变化 7.3均匀控制系统工作原理及特点均匀控制系统工作原理及特点 为了解决前后工序控制的矛盾，达到前后兼顾、为了解决前后工序控制的矛盾，达到前后兼顾、 协调操作，使前后工序的控制参数均能符合要求而设协调操作，使前后工序的控制参数均能符合要求而设 计的控制系统称为计的控制系统称为均匀控制系统均匀控制系统。 如上例中，均匀控制应通过对液位和流量两个

49、变如上例中，均匀控制应通过对液位和流量两个变 量同时兼顾的控制方案，使两个互相矛盾的变量相互量同时兼顾的控制方案，使两个互相矛盾的变量相互 协调，都能满足各自的的工艺要求。协调，都能满足各自的的工艺要求。 7.3.1 均匀控制系统的工作原理及特点均匀控制系统的工作原理及特点 1 1、问题的提出、问题的提出 如下图前后蒸馏塔：如下图前后蒸馏塔： 因对前塔的液位有要求，因对前塔的液位有要求， 装上了液位控制装上了液位控制 因对后塔的进料量有要求，因对后塔的进料量有要求， 装上了流量控制装上了流量控制 但两系统是前后串联安装的，调节有矛盾呀！但两系统是前后串联安装的，调节有矛盾呀！ 能否使两者都作些

50、波动，但都在允许的范围内能否使两者都作些波动，但都在允许的范围内 ？ 7.3 均匀控制系统（续）均匀控制系统（续） 均匀控制原理：均匀控制原理： 使两个相互矛盾的变量相互协调，满足二者均在小范围内缓慢变使两个相互矛盾的变量相互协调，满足二者均在小范围内缓慢变 化的工艺要求。化的工艺要求。 2、均匀控制的特点：、均匀控制的特点： （1）两个被控变量在控制过程中都缓慢变化）两个被控变量在控制过程中都缓慢变化 （2）前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内波动。）前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内波动。 7.3.2 均匀控制方案均匀控制方案 均匀控制最重要的是目的的

51、不同均匀控制最重要的是目的的不同 其结构形式与单回路和串级系统相同其结构形式与单回路和串级系统相同 通过调节器参数设置达到均匀控制目的。通过调节器参数设置达到均匀控制目的。 7.3.2均匀控制方案（续）均匀控制方案（续） 均匀控制常用的方案有简单均匀控制、串级均匀均匀控制常用的方案有简单均匀控制、串级均匀 控制等形式，下面介绍这两种控制方案。控制等形式，下面介绍这两种控制方案。 1简单均匀控制简单均匀控制 LC 1#2# LT 结构与简单液位结构与简单液位 定值控制系统一样，定值控制系统一样， 但系统控制的目的不但系统控制的目的不 同。均匀控制的目的同。均匀控制的目的 是是协调控制协调控制液位

52、和排液位和排 出流量两个变量。出流量两个变量。 由于控制目的不同，均匀控制要求兼顾两个变由于控制目的不同，均匀控制要求兼顾两个变 量，是通过调节器的参数整定来实现的。量，是通过调节器的参数整定来实现的。 简单均匀控制系统中的控制器一般都是纯比例简单均匀控制系统中的控制器一般都是纯比例 作用，而且将比例度整定得很大。作用，而且将比例度整定得很大。 LC 1#2# LT 当液位变化时，当液位变化时， 控制器的输出变化很控制器的输出变化很 小，排出流量只作微小，排出流量只作微 小缓慢的变化，以较小缓慢的变化，以较 弱的控制作用达到均弱的控制作用达到均 匀控制的目的。匀控制的目的。 因此，简单因此，简

53、单 均匀控制适用于干均匀控制适用于干 扰不大、对流量的扰不大、对流量的 均匀程度要求较低均匀程度要求较低 的场合。的场合。 简单均匀控制的优点是结构简单，投运方便，成简单均匀控制的优点是结构简单，投运方便，成 本低。但对另一个被控变量是不测不控的兼顾操作，本低。但对另一个被控变量是不测不控的兼顾操作， 其控制精度不一定能保证。其控制精度不一定能保证。 如此例中，当前后塔的压力变化较大时，尽管调如此例中，当前后塔的压力变化较大时，尽管调 节阀的开度不变，输出流量也会发生较大变化。节阀的开度不变，输出流量也会发生较大变化。 LC 1#2# LT 2串级均匀控制串级均匀控制 为了克服简单均匀控制只有

54、一个控制回路，只能为了克服简单均匀控制只有一个控制回路，只能 保证一个被控变量精度的缺点，可在简单均匀控制方保证一个被控变量精度的缺点，可在简单均匀控制方 案基础上增加一个副控制回路，构成串级均匀控制。案基础上增加一个副控制回路，构成串级均匀控制。 q结构与串级控结构与串级控 制系统相同。增加制系统相同。增加 了流量控制回路，了流量控制回路， 可以及时克服压力可以及时克服压力 干扰，保证流量控干扰，保证流量控 制精度。制精度。 LC 1#2# FT FC LT q串级均匀控制方案中，主、副变量都有控制精度串级均匀控制方案中，主、副变量都有控制精度 要求，二者均在规定的范围内作缓慢的变化，所以控

55、要求，二者均在规定的范围内作缓慢的变化，所以控 制手法上与串级控制不同。制手法上与串级控制不同。 v主、副控制器一般都采用纯比例作用，而且将比主、副控制器一般都采用纯比例作用，而且将比 例度整定得较大。例度整定得较大。 v串级均匀控制方案串级均匀控制方案 适用于干扰较大的场合。适用于干扰较大的场合。 但使用仪表较多，投运、但使用仪表较多，投运、 维护较复杂。维护较复杂。 LC 1#2# FT FC LT 7.3.3 均匀控制系统的参数整定均匀控制系统的参数整定 1 1、调节规律、调节规律 一般只要纯比例一般只要纯比例 个别会再用点积分（很少）个别会再用点积分（很少） 都不应该用微分。都不应该用

56、微分。 2 2、调节器参数整定、调节器参数整定 不要按不要按4:1或或10:1整定整定 比例度适当大（放大系数小）比例度适当大（放大系数小） 弱积分（如果用的话，即弱积分（如果用的话，即Ti大）大） 使控制系统是一个缓慢非振荡的过渡过程为原则。使控制系统是一个缓慢非振荡的过渡过程为原则。 7.4前馈控制系统前馈控制系统 前馈控制的原理是：当系统出现扰动时，立即将前馈控制的原理是：当系统出现扰动时，立即将 其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小改其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小改 变控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响。变控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响。 7.4.1前馈控

57、制的工作原理及其特点前馈控制的工作原理及其特点 1 1、反馈控制的特点、反馈控制的特点： 不论是什么干扰，只要引起被调参数的变化，不论是什么干扰，只要引起被调参数的变化， 调节器均可根据偏差进行调节。但必须被调参数变调节器均可根据偏差进行调节。但必须被调参数变 化后才进行调节，调节速度难以进一步提高。化后才进行调节，调节速度难以进一步提高。 M TT TC 蒸汽蒸汽 换热器换热器 冷物料冷物料 入口入口 热物料热物料 出口出口 冷凝水冷凝水 为了改变事后调节的状况，提出前馈控制的思为了改变事后调节的状况，提出前馈控制的思 路：根据冷物料流量路：根据冷物料流量Q的大小，调节阀门开度。的大小，调节

58、阀门开度。 2 2、前馈控制的原理与特点、前馈控制的原理与特点 M 蒸汽蒸汽 换热器换热器 冷物料冷物料 入口入口 热物料热物料 出口出口 冷凝水冷凝水 FT FB Gb(s) Gfs) Go(s) Gm(s) Gv(s) M 蒸汽蒸汽 换热器换热器 冷物料冷物料 入口入口 热物料热物料 出口出口 冷凝水冷凝水 FT FB F(s)Y(s) Gv(s) Gb(s) Gm(s) F(s) Gfs) Go(s) Y(s) 用方框图表示：用方框图表示： 补偿原理补偿原理 如果补偿量和干扰量以同样的大小和速度作用如果补偿量和干扰量以同样的大小和速度作用 于被控变量，且作用方向相反的话，被控变量不变。于

59、被控变量，且作用方向相反的话，被控变量不变。 Y(S) = F(S)Gf(s)+ F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s) = 0 Gv(s) Gb(s) Gm(s) F(s) Gfs) Go(s) Y(s) 得：得： 前馈补偿规律的推导：前馈补偿规律的推导： Y(S) = F(S)Gf(s)+ F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s) = 0 f b omv G (s) G ( ) G ( ) G (s) G (s) s s Gv(s) Gb(s) Gm(s) F(s) Gfs) Go(s) Y(s) q前馈控制的特点：前馈控制的特点： 前馈控制器是按是按照干扰的大小进行控制

60、前馈控制器是按是按照干扰的大小进行控制 的，的， 称为称为“扰动补偿扰动补偿”。如果补偿精确，被调变量。如果补偿精确，被调变量 不会变化，能实现不会变化，能实现“不变性不变性”控制。控制。 前馈控制是开环控制，控制作用几乎与干扰前馈控制是开环控制，控制作用几乎与干扰 同步产生，是事先调节，速度快。同步产生，是事先调节，速度快。 前馈控制器的控制规律不是前馈控制器的控制规律不是PID控制，是由控制，是由 对象特性决定的。对象特性决定的。 前馈控制只对特定的干扰有控制作用，对其前馈控制只对特定的干扰有控制作用，对其 它干扰无效。它干扰无效。 3前馈控制的局限性前馈控制的局限性 实际工业过程中的干扰