第5章过程控制装置及系统设计

1、5 复杂控制系统 李臻峰李臻峰 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计2 2021-7-6 5 复杂控制系统 n教学目标：教学目标： 理解复杂调节系统的基本类型理解复杂调节系统的基本类型 掌握典型复杂调节系统的基本概念、系统组成、掌握典型复杂调节系统的基本概念、系统组成、 工作原理、参数整定以及各自的特点工作原理、参数整定以及各自的特点 能够根据具体工艺要求，熟练地选择出合适的能够根据具体工艺要求，熟练地选择出合适的 调节系统，并能完成设计工作调节系统，并能完成设计工作 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计3 2021-7-6 5.1 前馈控制系统前馈控制系统 5.2 串级控制系

2、统串级控制系统 5.3 比值控制系统比值控制系统 5.4 均匀控制系统均匀控制系统 5.5 选择性控制系统选择性控制系统 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计4 2021-7-6 5.1 前馈控制系统前馈控制系统 n5.1.1 前馈控制原理前馈控制原理 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计6 2021-7-6 5.1.1 前馈控制原理 前馈控制又称扰动补偿。是按照引起被控变量变前馈控制又称扰动补偿。是按照引起被控变量变 化的干扰大小进行调节的。化的干扰大小进行调节的。 直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现 并且能测出时，控制器就能发出

3、控制信号使调节器并且能测出时，控制器就能发出控制信号使调节器 作相应的变化，使两者抵消于被控变量发生偏差之作相应的变化，使两者抵消于被控变量发生偏差之 前。前。 前馈控制对干扰的克服比反馈调节快。前馈控制对干扰的克服比反馈调节快。 前馈控制原理：前馈控制原理： n5.1.2 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点 8 5.1.2 前馈控制系统的特点 前馈调节系统的特点：前馈调节系统的特点： 前馈控制属于开环控制系统，反馈控制系统是一前馈控制属于开环控制系统，反馈控制系统是一 个闭环控制系统，也是它们两者的基本区别个闭环控制系统，也是它们两者的基本区别 前馈控制按干扰作用的大小进行控制，比反馈控前

4、馈控制按干扰作用的大小进行控制，比反馈控 制要及时制要及时 9 5.1.2 前馈控制系统的特点 前馈控制系统补偿量的设计可以实现前馈控制系统补偿量的设计可以实现“不变性不变性” 原理。在理想情况下，可以把补偿器设计到完全原理。在理想情况下，可以把补偿器设计到完全 补偿的目的，即在所考虑的扰动作用下，被控变补偿的目的，即在所考虑的扰动作用下，被控变 量始终保持不变，或者说实现了量始终保持不变，或者说实现了“不变性前馈控不变性前馈控 制属于开环控制系统。制属于开环控制系统。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计10 2021-7-6 11 前馈控制器是视对象特性而定的前馈控制器是视对象特性

5、而定的“专用专用”控制器。控制器。 一般的反馈控制系统均采用通用类型的一般的反馈控制系统均采用通用类型的PID控制控制 器，而前馈控制要采用专用前馈控制器（或前馈器，而前馈控制要采用专用前馈控制器（或前馈 补偿装置）补偿装置） 5.1.2 前馈控制系统的特点 12 一种前馈控制只能控制一种干扰。一种前馈控制只能控制一种干扰。 前馈控制作用是按干扰进行工作的，而且整个系前馈控制作用是按干扰进行工作的，而且整个系 统是开环的，因此，根据一种干扰设置的前馈控统是开环的，因此，根据一种干扰设置的前馈控 制就只能克服这一干扰对被控变量的影响。对于制就只能克服这一干扰对被控变量的影响。对于 其他干扰，由于

6、这个前馈控制器无法感受到，而其他干扰，由于这个前馈控制器无法感受到，而 反馈控制只用一个控制回路就可克服多个干扰。反馈控制只用一个控制回路就可克服多个干扰。 5.1.2 前馈控制系统的特点 13 反馈控制反馈控制前馈控制前馈控制 控制的依据控制的依据被控变量的偏差被控变量的偏差干扰量的大小干扰量的大小 检测的信号检测的信号被控变量被控变量干扰量干扰量 控 制 作 用 发 生控 制 作 用 发 生 的时间的时间 偏差出现后偏差出现后偏差出现前偏差出现前 系统结构系统结构闭环控制闭环控制开环控制开环控制 控制质量控制质量有差控制有差控制无差控制无差控制 控制器控制器通用通用PID专用控制器专用控制

7、器 经 济 性 和 可 靠经 济 性 和 可 靠 性性 一种系统可克服多一种系统可克服多 种干扰种干扰 每一种都要有一每一种都要有一 个控制系统个控制系统 前馈与反馈的比较前馈与反馈的比较 5.1.2 前馈控制系统的特点 n5.1.3 前馈控制的主要结构形式前馈控制的主要结构形式 15 5.1.3 前馈控制的主要结构形式 静态前馈控制静态前馈控制 前馈控制器的输出信号是按干扰大小随时间变化前馈控制器的输出信号是按干扰大小随时间变化 的，它是干扰量和时间的函数。的，它是干扰量和时间的函数。 而当干扰通道和控制通道动态特性相同时，便可以而当干扰通道和控制通道动态特性相同时，便可以 不考虑时间函数，

8、前馈控制器的输出仅仅是输入量不考虑时间函数，前馈控制器的输出仅仅是输入量 的函数，这样的前馈控制称为静态前馈控制。的函数，这样的前馈控制称为静态前馈控制。 静态前馈是前馈控制中的一种静态前馈是前馈控制中的一种特殊形式特殊形式，当干，当干 扰阶跃变化时，前馈控制器的输出也为一个阶跃扰阶跃变化时，前馈控制器的输出也为一个阶跃 变化。如在换热器前馈控制中，如果主要干扰是变化。如在换热器前馈控制中，如果主要干扰是 进料流量的波动进料流量的波动Q1，那么前馈控制器的输出，那么前馈控制器的输出mf 为为 1 QKm ff 5.1.3 前馈控制的主要结构形式 17 静态前馈控制实施方案 5.1.3 前馈控制

9、的主要结构形式 18 动态前馈控制 在静态前馈控制基础上加一个动态前馈补偿在静态前馈控制基础上加一个动态前馈补偿 环节，便构成了如下图所示的动态前馈控制实施环节，便构成了如下图所示的动态前馈控制实施 方案。方案。 动态前馈控制实施方案 5.1.3 前馈控制的主要结构形式 19 在静态前馈控制的基础上，加上延迟环节或微分 环节，以达到干扰作用的近似补偿。 有三个可以调整的参数K，T1，T2 。K为放大倍数， 是为了静态补偿用的；T1 、T2是时间常数，都有可调 范围，分别表示延迟作用和微分作用的强弱。 5.1.3 前馈控制的主要结构形式 20 相对于干扰通道而言，控制通道反应快的给它加相对于干扰

10、通道而言，控制通道反应快的给它加 强延迟作用，反应慢的给它加强微分作用。根据两通强延迟作用，反应慢的给它加强微分作用。根据两通 道的特性适当调整道的特性适当调整T1 、T2的数值，使两通道反应合的数值，使两通道反应合 拍便可以实现拍便可以实现动态补偿动态补偿，消除动态偏差。，消除动态偏差。 5.1.3 前馈控制的主要结构形式 21 前馈反馈控制 把前馈和反馈结合起来，使前馈控制克服反馈 控制不易克服的主要干扰，而对其它干扰则进行 反馈控制，不仅可以降低前馈控制模型的精度要 求，实现比较简单的通用模型；而且当负荷变化 时，可由反馈控制加以补偿，因此具有一定自适 应能力。 5.1.3 前馈控制的主

11、要结构形式 22 换热器前馈换热器前馈反馈控制原理图反馈控制原理图 5.1.3 前馈控制的主要结构形式 23 前馈前馈反馈控制方框图反馈控制方框图 5.1.3 前馈控制的主要结构形式 24 前馈串级控制（略） 前馈控制器的输出与反馈控制器的输出相叠加前馈控制器的输出与反馈控制器的输出相叠加 后送至控制阀，实际上是将所要求的物料流量与加后送至控制阀，实际上是将所要求的物料流量与加 热蒸汽流量对应关系转化为物料流量与控制阀膜头热蒸汽流量对应关系转化为物料流量与控制阀膜头 压力间的关系。压力间的关系。 5.1.3 前馈控制的主要结构形式 为了保证前馈补偿的精度，就对控制阀提出了为了保证前馈补偿的精度

12、，就对控制阀提出了 严格要求，希望它灵敏、线性及尽可能小的滞环区。严格要求，希望它灵敏、线性及尽可能小的滞环区。 并且，要求控制阀前后的压差必须恒定，否则无法并且，要求控制阀前后的压差必须恒定，否则无法 实现精确的校正。实现精确的校正。 为了降低对控制阀的要求，可以采用前馈为了降低对控制阀的要求，可以采用前馈串串 级控制系统。级控制系统。 5.1.3 前馈控制的主要结构形式 26 前馈串级方框图 5.1.3 前馈控制的主要结构形式 27 5.1.4 前馈控制系统的参数整定 1K f 的整定 开环整定法开环整定法 开环整定是在系统作单纯的静态前馈运行下施 加干扰，K f值由小逐步增大，直到被控变

13、量回到设 定值，此时所对应的K f便视为最佳整定值。 在进行整定时，应在工况稳定的情况下进行， 以减小其它扰动量对被控变量的影响且K f值应由小 到大逐步增加。 28 5.1.4 前馈控制系统的参数整定 1K f 的整定 闭环整定法闭环整定法 在反馈系统已经整定好的基础上施加相同的干扰 作用，由小而大逐步改变K f值，直到获得满态的 补偿过程。 29 5.1.4 前馈控制系统的参数整定 1K f 的整定 K f值对补偿过程的影响 b：K f值刚好适当； a：K f值小，欠补偿； c：K f值过大，过补偿。 30 5.1.4 前馈控制系统的参数整定 2Tl 、T2的整定 动态参数决定了动态补偿的

14、程度。 当Tl T2时，前馈控制器在动态补偿过程中起超前超前 作用作用； 当Tl T2时，起滞后作用滞后作用； 当Tl = T2时不起作用，即只有静态前馈作用静态前馈作用。 31 5.1.4 前馈控制系统的参数整定 2Tl 、T2的整定 因此，常将Tl称为超前时间，T2称为滞后时间。 根据校正作用在时间上是超前或滞后，可以决定 Tl / T2的数值。 32 5.1.4 前馈控制系统的参数整定 2Tl 、T2的整定 因为当Tl 过大（或T2过小）时，由于过补偿而 使过渡过程曲线反向超调过高，甚至达到不能允许 的地步。因此，从生产安全角度出发，前馈控制器 的动态参数整定应从欠补偿开始，按照过渡过程

15、曲 线变化的趋势，逐次试凑逼近。 33 5.1.4 前馈控制系统的参数整定 2Tl 、T2的整定 可在初次试验时，取Tl / T2=2（超前）或Tl T20.5（滞后）的数值进行，施加干扰，观察补 偿过程。首先调整Tl 或T2使补偿过程曲线达到上、 下偏差面积相等，然后再调整Tl 与T2的比值，直到 获得平坦的补偿过程曲线为止。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计34 2021-7-6 5.2 串级控制系统串级控制系统 35 5.2.1 串级控制基本原理 串级控制系统是指由两个控制器、一个控制阀、 两个变送器和两个被控对象组成的控制系统。 最主要的特点是两个控制器控制一个控制阀， 适

16、用于当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁的 对象。 36 5.2.1 串级控制基本原理 （a）过热炉的单闭环控制系统）过热炉的单闭环控制系统 （b）过热炉的串级控制系统）过热炉的串级控制系统 37 5.2.1 串级控制基本原理 工作过程：在外界干扰作用下，系统的热平衡遭到工作过程：在外界干扰作用下，系统的热平衡遭到 破坏，加热炉出口温度发生变化，此时就需要做一个控破坏，加热炉出口温度发生变化，此时就需要做一个控 制系统进行温度控制，我们可以用一个单闭环负反馈控制系统进行温度控制，我们可以用一个单闭环负反馈控 制系统回路进行控制，如图（制系统回路进行控制，如图（a）所示。）所示。 38 5.2.

17、1 串级控制基本原理 该系统将过热炉出口温度作为被控变量，将燃料的该系统将过热炉出口温度作为被控变量，将燃料的 流量作为操纵变量，对炉出口温度进行测量后，输入温流量作为操纵变量，对炉出口温度进行测量后，输入温 度控制器与设定值进行比较，得出负偏差后控制控制阀度控制器与设定值进行比较，得出负偏差后控制控制阀 的开度，从而控制燃料流量的大小。的开度，从而控制燃料流量的大小。 39 5.2.1 串级控制基本原理 当出口温度高于设定值的时候，温度控制器会产当出口温度高于设定值的时候，温度控制器会产 生令阀门开度减小的信号，燃气量减少，炉内温度降生令阀门开度减小的信号，燃气量减少，炉内温度降 低下来。反

18、之，如果过热炉的温度低于设定值，那么低下来。反之，如果过热炉的温度低于设定值，那么 温度控制器会产生令阀门开度增大的信号，燃气量增温度控制器会产生令阀门开度增大的信号，燃气量增 加，炉内温度升高。加，炉内温度升高。 40 5.2.1 串级控制基本原理 但是在实际生产过程中，特别是当过热炉的燃料压但是在实际生产过程中，特别是当过热炉的燃料压 力或燃料本身的热值有较大波动时，上述简单控制系统力或燃料本身的热值有较大波动时，上述简单控制系统 的控制质量往往很差，过热炉出口处的原料温度波动较的控制质量往往很差，过热炉出口处的原料温度波动较 大，难以满足生产上的要求。大，难以满足生产上的要求。 41 5

19、.2.1 串级控制基本原理 解决方法：根据炉膛温度的变化先改变燃料量，然后解决方法：根据炉膛温度的变化先改变燃料量，然后 再根据出口处原料温度与其给定值之差，进一步改变再根据出口处原料温度与其给定值之差，进一步改变 燃料量，以保持原料出口温度的恒定。模仿这样的人燃料量，以保持原料出口温度的恒定。模仿这样的人 工操作程序，就构成了以过热炉出口处的原料温度为工操作程序，就构成了以过热炉出口处的原料温度为 主要变量、以炉膛温度为副变量的串级控制系统，如主要变量、以炉膛温度为副变量的串级控制系统，如 图（图（b）所示。）所示。 42 5.2.1 串级控制基本原理 过热炉的串级控制系统方框图过热炉的串级

20、控制系统方框图 43 5.2.1 串级控制基本原理 串级控制系统的工作过程是，在稳定工况下， 过热炉出口处的原料温度和炉膛温度都处于相对稳 定状态，控制燃料的阀门保持在一定的开度。当出 现干扰时，两个控制器协同工作，直到过热炉出口 处的原料温度重新稳定在给定值上。 44 5.2.1 串级控制基本原理 干扰作用于副回路时： 当燃料压力、流量、组分等发生变化时，炉膛 温度的副控制器TC2立即进行控制。如果干扰较小， 经副回路控制以后，炉膛温度基本保持不变，这样 就不会影响原料的出口温度。如果干扰很大，就会 影响到主被控变量原料出口温度。这时主控制器TC1 的输出开始发生变化，对于副控制回路来说，它

21、将 接受给定值与测量值两方面的变化，从而使输入偏 差增加，校正作用加强，加速了控制过程。 45 5.2.1 串级控制基本原理 干扰作用于主回路时： 当原料的入口流量和温度发生变化时，炉膛温 度尚未发生变化，但原料的出口温度先行改变。此 时主控制器TC1根据原料的出口温度的变化去改变 副控制器TC2的给定值。副控制器接受到指令后， 很快产生校正作用，改变燃料控制阀的开度，使原 料的出口温度返回给定值。在控制系统中，由于增 加了一个副回路，控制和反馈的通道都缩短了，因 而能使被控变量的超调量减小，控制过程缩短。 46 5.2.1 串级控制基本原理 干扰同时作用于主、副回路时： 当多个干扰同时作用于

22、主、副回路时，如它们 使得主被控变量与副被控变量向同一方向变化，则 副控制器的输入偏差显著增加，因而它的输出也发 生较大的变化，以迅速克服干扰。如果主被控变量 与副被控变量分别往相反方向变化，则副控制器的 输入偏差将减小，它的输出只要有较小的变化即能 克服干扰。 47 5.2.1 串级控制基本原理 串级控制系统通用方框图 48 5.2.1 串级控制基本原理 串级控制系统组成：两个控制器、两个被控对象、 两套检测变送器和一个执行器。 其中的两个控制器串联起来工作，前一个控制 器（主控制器）的输出作为下一个控制器（副控制器） 的输入（给定值），后一个控制器的输出送往执行器。 49 5.2.1 串级

23、控制基本原理 控制系统有两个闭环组成，一个闭环在里面，我 们称为副回路，在控制过程作用中起着“粗调”的作 用； 另一个在外面，称为主回路，用来完成“细调” 作用。两个回路共同作用于执行器来满足工艺要求 。 50 5.2.1 串级控制基本原理 常用的名词和术语: （1）主变量： 称为主变量，使它保持平稳是控 制的主要目标。 （2）副变量： 称为副变量，它是被控对象中引 出的中间变量。 （3）副对象：副变量与操纵变量之间的通道特性。 )( 1 tc )( 2 tc 51 5.2.1 串级控制基本原理 （4）主对象：主变量与副变量之间的通道特性。 （5）副控制器：接收副变量的偏差，其输出去操纵 阀门

24、。 （6）主控制器：接收主变量的偏差，其输出去改变 副控制器的设定值。 52 5.2.1 串级控制基本原理 （7）副回路：处于串级控制系统内部的，由副变量 检测变送器、副控制器、执行器、副对象组成的回路， 图中的虚线所围成的回路。 （8）主回路：若将副回路看成一个以主控制器的输 出r2为输入，以副变量 为输出的等效环节，则串 级系统转化为一个单回路。 )( 2 tc 53 5.2.1 串级控制基本原理 主、副回路示意图 54 5.2.2 串级控制系统的主要特点及其应用场合 在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主 回路和副回路；有两个控制器：主控制器和副控制器； 有两个测量变送器：分别测量

25、主变量和副变量。 在系统功能上，能迅速克服进入副回路的干扰。串 级控制系统能够迅速克服副回路的干扰。因此，在设 计控制系统时，应该尽量将主要的干扰放在副回路中。 55 5.2.2 串级控制系统的主要特点及其应用场合 能改善被控对象的特性，提高系统克服干扰的能力。 主回路对副对象具有“鲁棒性”，提高了系统的控 制精度。 串级控制系统最适合应用在被控对象的容量滞后大、 干扰强、要求高的场合。 56 5.2.3 副回路的确定 主、副变量间应有一定的内在联系 选择串级控制系统的副变量一般有两类情况。 一类情况是选择与主变量有一定关系的某一中间变 量作为副变量，另一类情况是选择的副变量就是操 纵变量本身

26、，这样能及时克服它的波动，减少对主 变量的影响。 57 5.2.3 副回路的确定 使系统的主要干扰被包围在副回路内 因串级控制系统的副回路具有反应速度快、 抗干扰能力强的特点，所以在确定副变量时，一 方面能将对主变量影响最严重、变化最剧烈的干 扰包围在副回路内，另一方面又使副对象的时间 常数很小，这样就能充分利用副回路的快速抗干 扰性能，将干扰的影响抑制在最低限度。 58 5.2.3 副回路的确定 使副回路尽可能包含更多的次要干扰 选择副变量应考虑使副回路尽量多包围一些 干扰，这样可以充分发挥副回路的快速抗干扰能 力，以提高串级控制系统的控制质量。 在选择副变量时，既要考虑到使副回路包含 较多

27、的干扰，又要考虑到使副变量不要离主变量 太近。 59 5.2.3 副回路的确定 副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹 配。以防“共振”的发生 在单级控制系统中，主、副对象的时间常数不能太接 近。这一方面是为了保证副回路具有快速的抗干扰性能， 另一方面是由于串级系统中主、副回路之间是密切相关的， 副变量的变化会影响到主变量，而主变量的变化通过反馈 回路又会影响到副变量。 60 5.2.3 副回路的确定 对于含有大纯滞后的对象，往往由于控制不及时 而使控制质量很差，这时可采用串级控制系统， 并通过合理选择副使副回路尽量少包含纯滞后或 不包含纯滞后变量将纯滞后部分放到主对象中去， 以提高副回路

28、的快速抗干扰功能，及时克服干扰 的影响，使主变量的控制质量得到提高。 61 5.2.4 控制器正反作用的选择 串级控制系统中主、副控制器的选择可以按先副 后主的顺序，即先确定执行器的开、关型式及副控制 器的正、反作用，然后确定主控制器的作用方向。 也可以按先主后副的顺序，即先按工艺过程特性 的要求确定主控制器的作用方向，然后按一般单回路 控制系统的方法再选定执行器的开、关型式及副控制 器的作用方向。 62 5.2.4 控制器正反作用的选择 主控制器作用方向的选择方法：当主、副变量在 增加（或减小）时，如果使主变量减小（或增加）要 求的控制阀的动作方向，和使副变量减小（或增加） 要求的一致，那么

29、主控制器就应该选择“反”作用； 如果二者要求的控制阀的动作方向不一致，则选择 “正”作用。 63 5.2.4 控制器正反作用的选择 副控制器作用方向的选择，是根据工艺安全等要 求，选定执行器的气开、气关型式后，按照使副回路 成为一个负反馈系统的原则来确定的。因此，副控制 器的作用方向与副对象特性、执行器的气开、气关型 式有关。其选择方法与简单控制系统中控制器正、反 作用的选择方法相同。 64 5.2.4 控制器正反作用的选择 副控制器的作用方向与气开、气关型式有关，而 主控制器的作用方向与执行器的气开、气关型式无关。 因此，由于工艺过程的需要，控制阀的气开、气关型 式需要互换时，只要改变副控制

30、器的正反作用即可， 不影响主控制器的正反作用。 65 5.2.4 控制器正反作用的选择 有些系统要求可以实现串级和单回路系统的互相 切换。 系统由串级切换为单回路时，是用主控制器的输 出代替原副控制器的输出去控制执行器； 66 5.2.4 控制器正反作用的选择 系统由单回路切换为串级时，是用副控制器的输 出代替主控制器的输出去控制执行器。 切换的条件是，当主变量变化时，串级时副控制 器的输出与单回路时主控制器的输出信号方向完全一 致。 67 5.2.5 控制器参数的工程整定 一步整定法： 根据经验先将副控制器一次放好，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控制器参数。 这种整

31、定方法适用于对主变量要求较高，而对副变量允许 在一定范围内变化的串级控制系统。 68 5.2.5 控制器参数的工程整定 副变量类型 副控制器比例度2 （%） 副控制器比例放 大系数KP2 温度20605.01.7 压力30703.01.4 流量40802.51.25 液位20805.01.25 常用副变量类型的控制器经验参数 69 5.2.5 控制器参数的工程整定 一步整定法步骤： （1）在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照表 所列的数据，将副控制器比例度调到某一适当的数值。 （2）利用简单控制系统中任一种参数整定方法整定主控 制器的参数。 70 5.2.5 控制器参数的工程整定 （3）

32、如果主、副对象时间常数相差不大，动态联系密切， 可能会出现“共振”现象。 这时可适当减小副控制器的比例度或积分时间，以达 到减小副回路操作周期的目的。 也可以加大主控制器的比例度或积分时间，以期增大 主回路操作周期。 71 5.2.5 控制器参数的工程整定 两步整定法： （1）在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用运行的 条件下，将主控制器的比例度先固定在100%的刻度上， 逐渐减小副控制器的比例度，求取副回路在满足某种衰减 比（如4：1）过渡过程下的副控制器比例度2S和操作周 期T2S。 72 5.2.5 控制器参数的工程整定 两步整定法： （2）在副控制器比例度等于2S的条件下，逐步减小主

33、 控制器的比例度，直至得到同样衰减比下的过渡过程， 记下此时主控制器的比例度1S和操作周期T1S。 （3）根据上面得到的1S、T1S、2S和T2S按表5-2或 5-3的规定关系计算主、副控制器的比例度、积分时间 和微分时间 73 5.2.5 控制器正反作用的选择 控制作用比例度/ （%） 积分时间TI /min 微分时间 TD /min 比例S 比例微分1.2S0.5TS 比例积分 微分 0.8S0.3TS0.1TS 4:1衰减曲线法控制器参数计算表 74 5.2.5 控制器正反作用的选择 10:1衰减曲线法控制器参数计算表 控制作用比例度/ （%） 积分时间TI /min 微分时间 TD /

34、min 比例S 比例微分1.2S 2T升 比例积分 微分 0.8S 1.2T升0.4T升 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计75 2021-7-6 （4）按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整 定规律，将计算出的控制器参数加到控制器上。 （5）观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡 过程。如果出现“共振”现象，可采用加大主控制器 或减小副控制器的参数整定值的方法来消除。 5.2.5 控制器参数的工程整定 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计76 2021-7-6 5.3 比值控制系统 5.3.1 基本概念 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计77 2021-7

35、-6 实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的 控制系统，称为比值控制系统。 在需要保持比值关系的两种物料中，必有一种 物料处于主导地位，这种物料称之为主物料。表征 这种物料的参数称之为主动量，用Q1表示，也称为 主流量。 5.3.1 基本概念(汽油燃烧) 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计78 2021-7-6 另一种物料按主物料进行配比，在控制过程中 随主物料而变化，称为从物料。表征其特性的参数 称为从动量或副流量，用Q2表示。 5.3.2 比值控制系统的类型 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计79 2021-7-6 比值控制系统按比值器参数是否变化可以分为 定比值系统

36、和变比值系统。 定比值系统的比值器参数设定后就不再变化， 变比值系统会按照某一工艺参数的要求不断地自动 修正比值器的参数。 5.3.2 比值控制系统的类型 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计80 2021-7-6 定比值控制系统 定比值控制系统可以分为开环比值控制系统、 单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统三种。 5.3.2 比值控制系统的类型 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计81 2021-7-6 定比值控制系统 开环比值控制系统 5.3.2 比值控制系统的类型 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计82 2021-7-6 在该控制系统中，测量信号取自主物料Q1

37、， 但控制器的输出却去控制从物料的流量Q2，整个 系统没有闭环回路，并且系统中有一个比例控制 器。 定比值控制系统 5.3.2 比值控制系统的类型 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计83 2021-7-6 优点：结构简单，只需一台纯比例控制器，比例 度可以根据比值要求来设定。 缺点：只能保持执行器的阀门开度与主流量Q1之 间成一定比例关系，对副流量Q2本身无抗干扰能 力。 适用范围:副流量较平稳且比值要求不高的场合。 定比值控制系统 5.3.2 比值控制系统的类型 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计84 2021-7-6 单闭环比值控制系统 在开环比值控制系统的基础上，增加

38、了一个副 流量的闭环控制系统 5.3.2 比值控制系统的类型 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计85 2021-7-6 单闭环比值控制系统 5.3.2 比值控制系统的类型 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计86 2021-7-6 优点: 不但能实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且 还可以克服副流量本身干扰对比值的影响。主、副 流量的比值较为精确。 结构形式较简单，实施起来也比较方便，尤其适 用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合。 单闭环比值控制系统 5.3.2 比值控制系统的类型 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计87 2021-7-6 缺点： 主流量是不受控

39、制的，当主流量变化时，总的 物料量就会跟着变化，会导致总物料的波动较大。 单闭环比值控制系统 5.3.2 比值控制系统的类型 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计88 2021-7-6 双闭环比值控制系统在单闭环控制系统的基础 上又增加了主流量控制回路。 双闭环比值控制系统 5.3.2 比值控制系统的类型 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计89 2021-7-6 双闭环比值控制系统 5.3.2 比值控制系统的类型 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计90 2021-7-6 双闭环比值控制系统 5.3.2 比值控制系统的类型 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计

40、91 2021-7-6 系统具有两个闭合回路，分别对主、副流量进 行定值控制。同时，由于比值控制器的存在，使得 主流量由受到干扰作用开始到重新稳定在给定值这 段时间内，副流量能跟随主流量的变化而变化。这 样不仅实现了比较精确的流量比值，而且也确保了 两物料总量基本不变。 双闭环比值控制系统 5.3.2 比值控制系统的类型 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计92 2021-7-6 另一个优点是升降负荷比较方便，只要缓慢地 改变主流量控制器的给定值，就可以升降主流量。 同时副流量也就自动跟踪升降，并保持两者比值不 变。 双闭环比值控制系统 5.3.2 比值控制系统的类型 93 2021-

41、7-6 变比值控制系统 工艺上要求的比值K是指两物料的体积流量或者质量流量 之比，而构成控制系统单元的各组和仪表使用的是统一的标准 信号。 5.3.2 比值控制系统的类型 94 2021-7-6 变比值控制系统 5.3.3 比值控制系统的设计和实施方案 95 2021-7-6 比值系数的折算 （1）流量与测量信号成线性关系时的折算 max1 max2 1 2 1 2 )4( )4( Q Q I I Q Q K max2 max1 1 2 )4( )4( Q Q K I I K 对于气动仪表： max1 max2 1 2 1 2 )02. 0( )02. 0( Q Q p p Q Q K max

42、2 max1 1 2 )02. 0( )02. 0( Q Q K p p K 对于DDZ-III型仪表， 5.3.3 比值控制系统的设计和实施方案 96 2021-7-6 比值系数的折算 （2）流量与测量信号成非线性关系时的折算 DDZ-II型仪表 1010 max 2 2 max Q Q p p I DDZ-III型仪表 416416 max 2 2 max Q Q p p I QDZ型仪表 02. 008. 002. 008. 0 max 2 2 max Q Q p p I 5.3.3 比值控制系统的设计和实施方案 97 2021-7-6 比值系数的折算 （2）流量与测量信号成线性关系时的

43、折算 三种仪表的比值设定系数和工艺比值系数的 折算关系均是 max2 2 max1 2 2 Q Q KK 5.3.3 比值控制系统的设计和实施方案 98 2021-7-6 比值控制的实施方案 （1）相乘方案 主流量Q1的测量值乘上某 一系数，作为副流量Q2控 制器的给定值。常用的仪器 有比值器、配比器、乘法器 等。 5.3.3 比值控制系统的设计和实施方案 99 2021-7-6 比值控制的实施方案 （1）相乘方案 但是如果K为变数时，必须用乘法器。此时，只需 将比值设定信号换成第三参数的测量值就行了。 当比值控制系统采用乘法器实施时，因为乘法器 的比值系数不大于1，即： 1 max2 max

44、 1 Q Q KK 为了使主、副流量的比值在可变范围内，要求 在选择仪表量程时应满足： max1maxmax2 QKQ 5.3.3 比值控制系统的设计和实施方案 100 2021-7-6 比值控制的实施方案 （2）相除方案 将副流量Q2与主 流量Q1的测量值相除， 将流量信号的比值作 为比值控制器的测量 值。采用的仪表是除 法器。 5.3.3 比值控制系统的设计和实施方案 101 2021-7-6 比值控制的实施方案 优点：直观，并可直接读出比值，使用方便，它 的可调范围宽； 缺点（除法器）：对象放大倍数会随负荷而变化。 负荷越小，对象的放大倍数越大。如果控制器的 比例度不放宽，控制系统稳定性

45、会显得很差，若 用了很大的比例度，则在大负荷时，控制系统的 响应又会显得很呆滞。 5.3.4 比值控制系统的整定 102 2021-7-6 整定步骤： （1）根据工艺要求的两流量比值，进行比值系数 计算。若采用乘法器，则需计算乘法器的一个相 应输入值；若采用除法器，则需计算比值控制器 的设定值。 5.3.4 比值控制系统的整定 103 2021-7-6 整定步骤： （2）控制器需采用比例积分规律。整定时可先将 积分时间置于最大，由大到小地调整比例度，直 至系统处于振荡与不振荡的临界过程为止。 （3）在适当放宽比例度的情况下，一般放大20， 然后慢慢把积分时间减少，直到出现振荡与不振 荡的临界过

46、程或微振荡的过程。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计104 2021-7-6 5.4 均匀控制系统均匀控制系统 5.4.1 均匀控制系统的组成 105 2021-7-6 将这种保持两个变量在规定范围内均匀缓慢变化 的控制系统称为均匀控制系统。 均匀系统具有两个特点： 1）表征前后供求矛盾的两个变量都应该是变化的， 且变化是缓慢的。下图反映出了不同控制系统的 液位和流量变化情况。 5.4.1 均匀控制系统的组成 106 2021-7-6 （a）只有液位控制 （b）只有流量控制 （c）液位和流量均匀控制 5.4.1 均匀控制系统的组成 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计107

47、 2021-7-6 2）前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在 允许的范围内。均匀控制系统要求，即使在最大 干扰作用下，液位在贮罐内的上下变化量仍不超 过限定值；流量也不会超过波动的最大限定值。 5.4.1 均匀控制系统的组成 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计108 2021-7-6 2）从结构上可以分为简单均匀控制系统、串级均 匀控制系统和双冲量均匀控制系统。 5.4.1 均匀控制系统的组成 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计109 2021-7-6 简单均匀控制系统 这种均匀控制的结构简单，但是克服阀前后压力变化 的影响、克服液位自衡作用的影响的效果较差。 5.4.

48、1 均匀控制系统的组成 串级均匀控制系统 结构上和串级控制系统没有差别。加一个副环流 量控制系统，可以消除阀前后压力变化的影响、克服 液位自衡作用的影响。 5.4.1 均匀控制系统的组成 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计111 2021-7-6 串级均匀控制系统 5.4.1 均匀控制系统的组成 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计112 2021-7-6 双冲量均匀控制系统 双冲量均匀控制系统是以两个信号之差（或 和）为被控变量，来达到均匀控制目的的系统。 在结构上类似于，前馈反馈控制系统。该系统 中，用减法器代替了控制器，结构简单并且性能 好，参数整定方便。 5.4.2

49、控制器的控制规律的选择 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计113 2021-7-6 1）简单均匀控制系统的控制器一般采用纯比例作 用，有时也可采用比例积分控制规律。 2）串级均匀控制系统的主控制器一般采用纯比例 作用，也可采用比例积分控制规律。副控制器一 般采用纯比例作用。 3）双冲量均匀控制系统的控制器一般采用比例积 分作用控制规律。 5.4.2 控制器的控制规律的选择 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计114 2021-7-6 加入积分作用的优缺点： 有利方面： 1）可以避免由于长时间单方向干扰引起的液位越 限。 2）由于加入积分作用，比例度适当增加有利于液 位存在高频

50、噪声的场合。 5.4.2 控制器的控制规律的选择 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计115 2021-7-6 加入积分作用的缺点： 1）一旦液位偏离给定值的时间长而幅值又大时， 则积分作用会使控制阀全开或全关，造成流量较 大的波动。 2）由于积分的引入会使系统的稳定性变差 3）积分作用的加入，由于积分饱和，会产生洪峰 现象。 5.4.3 控制器的整定 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计116 2021-7-6 经验逼近法 根据经验给主、副控制器设置一个适当的参数 值，然后由小而大地调整，使控制过程成为缓慢 的非周期衰减过程， 5.4.3 控制器的整定 过程控制装置及系统设计

51、过程控制装置及系统设计117 2021-7-6 经验逼近法 具体步骤为： 1）先将主控制器的比例度放到一个适当的经验数 值上，然后由小而大地调整副控制器的比例度， 观察过程曲线，直到出现缓变的非周期衰减过程。 5.4.3 控制器的整定 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计118 2021-7-6 2）将副控制器比例度固定在已整定好的数值上， 由小而大地调整主控制器比例度，观察过程曲线， 求取更缓慢的非周期性衰减过程。 3）根据对象具体情况，适当加入积分作用以避免 同向干扰可能使被控变量波动超过允许范围。 5.4.3 控制器的整定 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计119 20

52、21-7-6 停留时间法 所谓停留时间t，就是操纵变量在被控对象的 可控范围内通过所需要的时间。t大约等于对象时 间常数T的一半，即tT/2。因此，按停留时间整定 控制器参数，实际上是按对象特性进行参数整定。 具体步骤： 1）根据上述两个公式，计算出停留时间。 2）副控制器选用比例作用时，按经验整定其比例度 3）根据停留时间t，查表5-4确定主控制器的整定参 数。若照顾流量，选用数值较大的一组参数；若 要照顾液位，选用数值较小的一组参数；如两者 都需兼顾，则在两组参数范围内细心调整，直到 满足生产要求为止。 5.4.3 控制器的整定 5.4.3 控制器的整定 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计121 2021-7-6 停留时间法 停 留 时 间 （min） 40 比例度100% 1 50 % 2 00 % 250% 积 分 时 间 （min） 5 1 0 15 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计122 2021-7-6 5.5 选择性控制系统 5.5.1 选择性控制系统的原理 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系