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22022-3-315 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32022-3-315.1 前馈控制系统前馈控制系统5.2 串级控制系统串级控制系统5.3 比

2、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42022-3-315.1 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62022-3-315.1.1 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，控制器就能发出控制信号使调节器并且能测出时，控制器就能发出

3、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85.1.2 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95

4、.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102022-3-3111 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

5、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

6、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

7、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155.1.3 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，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

8、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1QKmff5.1.3 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

9、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

10、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

11、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，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

12、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275.1.4 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。285.1.4 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

13、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。295.1.4 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。305.1.4 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。315.1.4 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

14、或滞后，可以决定Tl / T2的数值。325.1.4 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，按照过渡过程曲线变化的趋势，逐次试凑逼近。335.1.4 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

15、置及系统设计过程控制装置及系统设计342022-3-315.2 串级控制系统串级控制系统355.2.1 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，适用于当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁的对象。365.2.1 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375.2.1 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

16、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。385.2.1 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。395.

17、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。405.2.1 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

18、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。415.2.1 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

19、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。425.2.1 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控制系统方框图435.2.1 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。445.2.1 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

20、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。455.2.1 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

21、能使被控变量的超调量减小，控制过程缩短。465.2.1 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。475.2.1 串级控制基本原理串级控制系统通用方框图485.2.1 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

22、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。495.2.1 串级控制基本原理 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 。505.2.1 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。)(1tc)(2tc515.2.1 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。（

23、5）副控制器：接收副变量的偏差，其输出去操纵阀门。（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。525.2.1 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。)(2tc535.2.1 串级控制基本原理主、副回路示意图545.2.2 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

24、别测量主变量和副变量。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。555.2.2 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。565.2.3 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，这样能及时克服它的波动

25、，减少对主变量的影响。575.2.3 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。585.2.3 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的干扰，又要考虑到使副变量不要离主变量太近。595

26、.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。605.2.3 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。615.2.

27、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。625.2.4 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。635.2.4 控

28、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。645.2.4 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，只要改变副控制器的正反作用即可，不影响主控制器的正反作用。655.2.4 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。

29、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； 665.2.4 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。675.2.5 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。685.2.5 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

30、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695.2.5 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。705.2.5 控制器参数的工程整定（3）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

31、期。715.2.5 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。725.2.5 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735.2.5 控制器

32、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0.8S0.3TS0.1TS4:1衰减曲线法控制器参数计算表745.2.5 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 /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752022-3-31（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

33、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762022-3-315.3 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772022-3-31 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782022-3-31 另

34、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792022-3-31 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802022-3-31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

35、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812022-3-31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822022-3-31 在该控制系统中，测量信号取自主物料Q1，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832022-3-31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

36、。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842022-3-31 单闭环比值控制系统 在开环比值控制系统的基础上，增加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852022-3-31 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862022-3-31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

37、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872022-3-31缺点： 主流量是不受控制的，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882022-3-31 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892022-3-31双闭环比值控制系统5.3.2 比值控制系统的类型过

38、程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计902022-3-31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912022-3-31 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922022-3-31 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，

39、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932022-3-31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942022-3-31变比值控制系统5.3.3 比值控制系统的设计和实施方案952022-3-31 比值系数的折算（1）流量与测量信号成线性关系时的折算max1max21212)4()4(QQIIQQKmax2max112)4()4(QQKIIK 对于气动仪表：max1max21212)02. 0()02.

40、 0(QQppQQKmax2max112)02. 0()02. 0(QQKppK对于DDZ-III型仪表，5.3.3 比值控制系统的设计和实施方案962022-3-31 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1010max22maxQQppIDDZ-III型仪表416416max22maxQQppI QDZ型仪表02. 008. 002. 008. 0max22maxQQppI5.3.3 比值控制系统的设计和实施方案972022-3-31 比值系数的折算（2）流量与测量信号成线性关系时的折算 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max22max

41、122QQKK 5.3.3 比值控制系统的设计和实施方案982022-3-31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992022-3-31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：1max2max 1QQKK 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：max1maxmax2QKQ5.3.3 比值控

42、制系统的设计和实施方案1002022-3-31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1012022-3-31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1022022-3-31整定步骤： （1）根据工艺要求的两流

43、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1032022-3-31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1042022-3-315.4 均匀控制系统均匀控制系统5.4.1 均匀控制系统的组成1052022-3-31将这种保持两个变量在规定范

44、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1062022-3-31（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1072022-3-312）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

45、置及系统设计过程控制装置及系统设计1082022-3-312）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1092022-3-31 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。5.4.1 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1112022-3-31 串级

46、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1122022-3-31 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 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1132022-3-311）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）

47、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1142022-3-31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1152022-3-31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

48、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1162022-3-31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过程控制装置及系统设计1172022-3-31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1182022-3-312）将副控制器比例度固定在已整定好的数值上，由小

49、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1192022-3-31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1212022-3-31停留时间法停 留 时 间（min）40比例度100%150%200%250%积 分 时 间（min）51015过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计1222022-3-315.5 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统设计1232022-3-31 凡是