过程控制技术 第6章(2)课件

6.3单回路控制系统设计举例6.3.1生产过程与任务要求

图6-9为牛奶乳化干燥过程中的喷雾式干燥工艺设备，其目的是将乳态的牛奶转变成干燥的奶粉，以利于存放、运输和销售。经过浓缩后的乳液由高位槽经过过滤器，滤除凝结块等固图6-9牛奶乳液干燥过程示意图体物质后，经干燥器顶部喷嘴喷入干燥器中。与此同时，空气被鼓风机送至换热器中加热成热空气，再与旁路的空气混合后，进入干燥器，蒸发乳液中的水分，使乳液变成固体状的奶粉，并随湿空气一起被送出。生产工艺对于送出的成品有具体要求，其中的水分含量应在规定的范围内。6.3.2控制方案的选择1.被控量的选择产品奶粉中的水分是最主要的质量指标，如果系统的被控量采用产品湿度，当然很合理。但是，现有技术条件下的湿度检测器精度和快速性，均难以满足控制要求。根据控制系统选择被控量的原则，如果某被控物理量不被直接选作被控量，应该考虑与其相关联的、可测量的、且两者为单值对应关系的物理量作被控量。于是，这里选择温度，即产品在干燥器出口处的温度。产品质量要求温度误差不大于±2℃。2.操纵量的选择在图6-9中，能操纵产品温度的量此处有三个：一是由调节阀1控制的牛奶乳液流量（记为）；二是由调节阀2控制的旁路空气流量（记作）；三是由调节阀3控制的蒸汽流量（记作）。通过调节其中任一个调节阀开度，均可控制出口奶粉温度，只是它们对外表现的特点不同而已，也就是我们关注的系统表现出来的性能不同。（1）选乳液流量为操纵量乳液离干燥器距离近，进入干燥器后，被热空气将其中的水分蒸发掉，变成乳粉并从出口排出。从工艺过程看，控制通道短，惯性和滞后时间不大，但是

乳液可能堵塞调节阀1。而此时的旁路空气和加热蒸汽是固定的，它们因某些原因产生变化，将作为干扰量对出口温度产生影响。但是这需要经过较长的干扰通道（风管传输和蒸发过程）才能影响到出口温度，即经过惯性环节和滞后环节后才影响出口温度，这对出口温度的稳定是有利的。具体控制结构方框图见图6-10。所以，乳液流量作为操纵量的灵敏性和稳定性是不容置疑的。但是，乳液流量是生产的负荷，对它的调节虽然可以保证产品质量，但是产品的数量却不稳定，因而生产负荷不宜作操作量。图6-10以乳液流量为操作量的控制方框图（2）选旁路空气流量为操纵量通过调节阀2的调节，控制空气进入风管的流量大小，该风量与来自热交换器的热风进行混合，然后被传递到干燥箱，并对其中乳液的水分进行蒸发，使乳液变乳粉。这是第二种控制方案。从空气流量大小对乳粉出口温度影响的动态过程看，冷热空气混合段大体上可用一阶惯性

环节和纯滞后来近似描述，其时间常数和纯滞后时间均不大。空气流量对出口温度的作用，不如前一方案来得灵活快捷。另外，干扰量乳液流量离乳粉出口近，对温度的影响大，而另一干扰量热气体流量对温度的影响，因通道长而显得较为平缓。具体情况见图6-11。图6-11以风流量为操作量的控制方框图（3）选加热蒸汽流量为操纵量首先，蒸汽对流过热交换器的空气进行加热，加热后与来自旁路的空气进行混合，并在风压作用下混合气体沿风管运动到干燥器，对乳液中的水分进行蒸发，使得乳液变为乳粉，最后从干燥器出口送出。这里有两步，一是空气被热交换器加热，二是被加热空气与旁路空气混合，沿风管进入干燥器蒸发水分（此步与作操作量相似）。第二步的动态过程与（2）相似，第一步空气被加热（即热交换器）可用一个或二个惯性环节来近似描述，而且时间常数比较大，由此带来的控制任务难度较大。具体控制结构方框图如图6-12所示。从以上分析可知，选作操纵量就控制性能来说，是最好的，但从经济角度和工艺角度来看，不是。这是由于：为保持控制性能而不断变化的乳液流量不能始终处在最大的工作状态，难以保证高的生产效率，经济效益自然受影响。此外，乳液中的凝固块容易堵塞调节阀；选作操纵量面临的问题是，被控对象（过程）环节多、时间常数大、滞后较为明显，控制起来难度不小；选作操纵量就控制性能来说，虽然没有选那么好，但是它回避了作操纵量带来的问题，尽管控制性能有所下降，但仍满足要求。所以，选旁路空气流量为操纵量是比较合理的。图6-12以蒸汽流量为操作量的控制方框图3.检测仪表和控制器的选择（1）温度传感器和变送器乳液干燥器的温度不太高，通常不超过600℃，可以选用热电阻温度传感器，将其置放在干燥器出口处。（2）调节阀根据工艺安全和控制合理的原则，应选择气闭式调节阀。调节阀特性可选对数流量特性，根据介质流量选阀的公称直径和阀芯直径。（3）控制器由于对出口温度准确性要求较高，控制规律可选PI。根据单回路闭环负反馈的原则，由于调节阀为气闭式，被控对象（过程）为正作用，传感器和变送器通常为正作用方式，所以，控制器应该为正作用方式。图6-13乳液固体化温度控制系统结构图乳液固态化过程控制示意图如图6-13所示，其中TT为温度检测器，TC为温度控制器，除空气旁路调节阀外，其他两个调节阀改为开关阀。关于控制器参数整定，可用前面介绍的工程法来进行，这里不继续介绍。从现实情况来看，上面介绍的单回路控制系统，可以满足生产过程控制中的基本需要，解决生产过程中大部分控制问题。然而，由于产品的多样性和特殊性，以及对节能减排、环境保护和提高经济效益等多方面的要求，单回路控制系统往往显得力不从心。于是，现实提出了在多样化生产过程的背景下，如何才能满足多种需要、性能各异的专门过程控制系统和复杂过程控制系统的问题。串级控制系统就是其中一种，虽然它的应用不如单回路控制系统广泛，但应用频率也是比较高的。它对于容量滞后较大、干扰频繁且较为剧烈的工艺过程有较好的控制效果，在实际生产过程中具有一定的代表性。尽管实际生产中大量采用的是单回路控制系统，但仍然有很多现实问题，单回路控制系统的确是难以胜任，下面就是一例。图6-14是一个化学反应罐的温度控制示意图，液体物料从顶部进入反应罐，在罐中进行化学反应，然后从底部排出，工艺上对罐内反应温度有严格要求。由于反应过程中有大量的热产生，工艺设计上让夹套中的冷却液将其带走，于是通过控制调节阀来改变冷却液的流量，实6.4.1问题的出现6.4串级控制系统现降温的快慢。图6-14反应罐温度控制如果设计反应罐温度单回路控制系统来满足这一要求，则需要通过检测罐内温度，与设定值比较后，改变冷却液的注入量，实现罐内温度达到要求，见图6-14。单回路控制系统结构方框图如图6-15所示。就被控对象来说，它包含夹套、罐壁和罐内体等，不考虑三者之间的相互作用，则可将它们串联起来。影响物料出口温度的扰动有：一是物料液体方面，它包括物料的进口温度、流量和物料组成成分等，这里用表示；二是冷却液方面，它包括冷却液入口温度和调节阀前的压力，用表示。现在假如冷却液的入口温度突然上升，则夹套中的冷却液温度随之升高，经流动传导使罐壁温度升高，最终导致罐中物料温度升高（有较大的容量滞后）。显然，这一过程需要较长时间，才能被温度传感器发现，等到控制器采取纠正控制行为时，已经过去较长时间了，从而出现控制不及时，以及较大的超调量。图6-15反应罐温度单回路控制控制系统结构图导致这种现象的原因是因为干扰信号经过的中间环节多，传导过程长，需要花费较多时间才能被传感器发现。如果干扰信号频繁并且幅度较大，这将严重影响控制系统的控制性能，使其难以胜任工艺流程的控制工作。6.4.2串级控制系统的提出面对上述扰动控制不及时的问题，人们想了很多办法，其中有效的办法之一就是本节将要引出的串级控制系统。从冷却液进入夹套到温度检测器发现温度变化，冷却液的温度变化经历了：夹套-罐壁-罐内液体-温度检测器等几个环节，其中大量的时间花费在反应罐中液体热量的传导上。现在的思路是：冷却液温度的上升将迅速通过夹套层温度上升体现出来，如果此时能够检测到这一变化，并将其反馈给控制器，并采取校正行动，将会大大缩短原控制系统的作用时间。另外，由于原温度单回路控制系统的目的是使反应罐内温度达到工艺要求，并能克服来自进料方面的干扰，所以原温度控制器需继续保留，而将夹套层温度检测信号作反馈的新控制器需另起炉灶，新控制器的输入信号应是原控制器的输出，这种由反应罐温度控制器串接夹套温度控制器，加上罐内温度检测器和夹套温度检测器，构成了一个在内、一个在外的双闭环控制系统，相应的控制结构图如图6-16所示，控制系统方框图如图6-17所示。图6-16反应罐控制结构图图6-17反应罐串级控制系统方框图图6-17所表达的控制系统，就是一个串级控制系统。其特点是两个控制器串联起来工作，前一个控制器的输出是后一个控制器的输入，后一个控制器的输出接执行器。从结构形式上看，它由双闭环组成，即内环和外环，如果将内环视为一个环节，整个系统即为单回路控制系统。下面将进一步深入介绍串级控制系统。6.4.3基本结构、工作特点与应用场合1.串级控制系统的基本结构撇开上面的具体工艺流程和术语表达，将其概念上升到理性的高度，我们可获得关于串级控制系统的一般概念。串级控制系统的一般性方框图如图6-18所示，其基本组成包括：主控制器（前例为反应罐温度控制器）、副控制器（前例为夹套温度控制器）、主参数检测器（前例

为罐内温度检测器）、副参数检测器（前例为夹套内温度检测器）、主对象（也称主过程，前例为反应罐体）、副对象（也称副过程，前例为夹套和调节阀）、一次干扰（作用在主对象上的干扰）、二次干扰（作用在副对象上的干扰）、主被控参数（前例为）和副被控参数（前例为）等。图6-18串级控制系统方框图从控制回路的角度来看，整个系统包括两个控制回路：主回路和副回路。副回路由副变量检测变送器、副控制器、调节阀和副对象构成，也称二次回路；主回路由主变量检测变送器、主控制器、副回路和主对象构成，也称一次回路。输入信号除了给定信号以外，还有一次扰动和二次扰动。一次扰动是作用在主被控对象上的干扰，它不包括在副回路范围内。二次扰动是作用在副被控对象上的干扰，即包括在副回路中的干扰。2.串级控制系统的工作特点(1)对进入副回路的干扰具有较强的抵御能力在图6-18中，用传递函数符号代替汉字，并考虑干扰通道也有传递函数，可获得用传递函数符号表示的控制方框图，见图6-19。其中，和分别为一次干扰和二次干扰，和为分别为一次和二次扰动通道传递函数，和分别为主副对象传递函数，为调节阀传递函数，和分别为主、副控制器传递函数，和分别为主、副检测器传递函数。图6-19用传递函数符号表示的串级控制系统方框图在图6-19中，当干扰信号进入后，最先影响的是副回路的输出，依靠副回路闭环负反馈的工作机制，其影响及时被克服，从而避免对主被控量的影响。如果的幅度较大，副回路虽然不能完全克服其影响，但副回路的抑制和调节作用，仍将大大削弱对主被控量的不良影响。假如没有副回路（例如是单回路控制系统），当仅有作用时，会有现在串级控制系统由于有副回路，所以有通常，在通频带内有因而，同样的二次干扰出现，对串级控制系统的影响就小得多。再看对主被控量的影响。以为输出，仍以为输入，则有输出表达式（6-1）将其与单回路控制系统相比较：在图6-19中，去掉支路，并考虑此时，，则有（6-2）比较式（6-1）和（6-2）可知，式（6-1）的分母中多了一项，在主回路工作频率下，该项的乘积是比较大的，并随着比例增益的增大而增大。另外，式（6-1）分母中的最后一项比式（6-2）分母中最后一项多一个，即副控制器，其比例增益一般是大于1的，于是由此可见，串级控制系统对干扰的抵抗能力比单回路控制系统要强很多。鉴于串级控制系统有这样的抗干扰能力，在选择和设计串级控制系统时，将尽可能将多而大的干扰信号包含在副回路中，发挥它强大的抗干扰能力特点。这对系统的控制质量起到重要的保证作用。（2）改善被控对象的动态性能有了副回路之后，整个二次回路对外呈现的动态特性与没有构成二次回路时的动态特性将有所变化。比如：如果副控制器采用比例控制器，等效的时间常数将比原对象的变小，等效增益比原无二次回路的也减小。在图6-19中，将整个二次回路看作是一个环节，即用一个传递函数表达式来描述，然后在一次回路范围内来考察其参数变化对系统性能的影响。为此，先假设副对象传递函数为（6-3）副控制器、调节阀和副检测器的传递函数分别为，，对于图6-19中的二次回路，写出其传递函数（输出与输入之比），并将以上假设之式带入，经整理后，有其中（6-4）（6-5）分别称为等效对象的时间常数和增益。从式（6-4）来看，由于始终大于1，所以总有即等效对象的时间常数变小了。并且随着的增大，它将变得越来越小。这种变小将直接导致副回路的响应速度加快，整个系统的工作频率提升，有利于减小被控量的动态偏差。另外，从式（6-5）可知，由于，等效增益比原来无二次回路的变小了，但这可通过主控制器来加以补偿，即提高主控制器增益。(3)具有一定的自适应能力对于过程控制来说，控制器的参数整定往往是在一定的负荷之下进行的，即在某工作点，按照预期的质量指标进行参数整定的。整定好之后，如果负荷变化，工作点也会变化，由于系统中调节阀或者被控对象存在非线性，原来整定好的控制器参数此时不一定是合适的，通常需要重新调整（如果工作点变动不大，这种调整需要不一定很迫切）。否则，控制系统的质量将会下降。就串级控制系统来说，它的一次回路通常是定值控制，二次回路是随动控制，即二次回路的输出量随着主控制器的输出变化而变化。当一次回路的给定值发生变化（即负荷变）时，主

控制器的输出必定有相应的改变，该变化作为二次回路的给定，必然引起二次回路的输出相应变化。这种随之而变的特点，正好使主被控量的变化维持了原定的控制性能指标。另外，从上面式（6-5）看，通常有，于是等效对象的增益即它仅与副检测器有关，而与调节阀的的和副对象的均无关，不论调节阀具有非线性特点，还是副对象的非线性，都对控制系统的质量不产生影响。这种外部条件变，而控制质量不变的特性，正是一种我们寻求的自适应控制能力。3.串级控制系统的应用场合串级控制系统的应用场合是由其工作特点决定的。虽然串级控制系统在单回路控制系统的基础上增加了一个回路，但它表现出的特性是很明显的。将串级控制系统用到适当的场合，解决实际中所面临的一些特别问题，正是选择控制方案时应注意的。（1）应用在干扰频繁并且幅度较大的场合鉴于串级控制系统对进入二次回路的干扰有较强的抑制能力，在设计中，将一些频繁发生、并且幅度较大的干扰放在二次回路中，利用闭环负反馈的作用，削弱甚至消除干扰信号对主被控量的影响。（2）应用在容量滞后或者纯滞后较大的场合当容量滞后或纯滞后较大时，若采用单回路控制，容易导致超调量过大、过渡过程时间较

长、甚至不稳定等问题。假如采用串级控制方案，在被控对象中，选一个离调节阀较近、时间常数较小或者纯滞后较小的位置，取一个副被控量，构成二次回路，当扰动信号到达副被控量时，二次回路及时作用，加快调节速度，减小对主被控量的影响。（3）应用在非线性过程中一般的工业过程对象都存在非线性，只是严重程度不同而已，另外，调节阀也存在非线性。在单回路控制系统中，当按某负荷调好控制器参数之后，如果负荷变了，则需要重新调整控制器参数。这在实际操作中显得非常不方便。此时如果采用串级控制，则利用串级控制系统中的二次回路随主控制器输出而动的特点，自动调整副控制器的给定，进而改变调节阀的开度，使系统工作在新的负荷值上，并维持系统动态和稳态性能基本不变。6.5串级控制系统的设计、整定与举例6.5.1串级控制系统的设计串级控制系统的设计包括主副回路两部分。主回路属于定值控制，可以按照单回路控制系统的设计模式进行；副回路属于随动控制，它的输出随主控制器的输出而变化，串级控制的特点主要由副回路产生，它是整个系统设计的重点内容。1.副回路的设计副回路的设计应该考虑生产工艺和控制的合理性，以及经济性。在副回路的设计中，副被控对象的确定是很重要的。由于整个被控对象（过程）在结构上是连续的，通常有一体化的特点，需在其中选取一部分作副对象。因此，在很多场合，副被控对象及其副被控参数的确定似

乎有较大的随意性，不同的人有不同的做法，其中充满了经验和智慧。由前面的串级控制系统特点可知，副回路具有抗干扰能力强、反应快的特点，所以在设计副回路时，应尽量包括幅度较大、频度高的干扰信号，让闭环负反馈的控制机制对干扰进行抑制，最大限度地减轻干扰对主被控量的破环作用。在一些过程控制中，常常用时间常数大小来描述主、副对象的差别。一般情况是，通道越长，时间常数越大。在串级控制系统设计中，副对象时间常数究竟取多大合适，是一个较复杂的技术性问题。大致有三种情况：一是如果副对象时间常数取得较大，这就意味着副回路包括的干扰越多，其通道就会越长，于是它的工作频率就会下降，动作变迟缓，反而不利于抵抗干扰，从而影响主被控量；二是如果副对象时间常数取得很小，虽然副回路反应灵敏，动作迅速，但稳定性也差，同时由于包括的干扰较少，难以改善控制性能；三是副对象时间常数与主对象时间常数相当，于是主副回路的动态联系很密切，假如一个回路发生振荡，另一个回路也会引起共鸣，从而影响正常的生产。那么，究竟应该取多大才合适呢？理论和实践表明，串级控制系统的副对象时间常数和主对象时间常数之间应保持一个合适的比例范围，这就是如果想让副回路迅速克服主要干扰，则数值应取大点；如果主对象时间常数较大，副回路是为了改善被控特性，则数值应取小点。但是数值10和3分别为其底线，一般不应突破。2.主、副控制器控制规律的选择，以及控制器正反作用方式的确定前面说过，在串级控制系统中，主回路是起定值作用的，副回路是起随动作用的，所以主被控量进入稳态之后，一般不应与设定值有误差，副被控量应该对包在副回路中的干扰有及时的调节作用（即抵御作用），同时副被控量应随主控制器的输出而变化。鉴于这些要求，主回路控制的结果应该使主被控量与设定值没有余差，副回路控制应该及时跟随主控制器输出变化，并克服副回路中的干扰，此处有无余差不重要。所以，主控制器应选PI或者PID控制，而副控制器一般选P控制器，而且比例度比较小，即控制作用较强，追求快速性，并且不引入微分作用，其原因主要是主控制器输出的微小变化，容易引起调节阀开度的大幅变动，从而不利于系统稳定。主、副控制器的正反作用方式是在调节阀气开、气闭方式确定之后，通过对主副被控对象正、反运作方式的分析，最后决定的。串级控制系统主、副控制器的正反作用方式的选择原则是：保证主、副回路各自构成负反馈系统。主、副控制器正反作用方式确定的顺序是：先根据工艺和安全等要求确定调节阀的气开、气闭形式，然后按副回路构成负反馈的思想确定副控制器的正或反作用方式，最后根据主回路构成负反馈的原则确定主控制器的正或反作用方式。有关串级控制系统各部分的正反作用方式的定义与单回路控制系统是一样的。副回路控制器正、反作用方式的确定与单回路控制系统相同。确定主回路控制器正、反作用方式时，可按下式进行：（主控制器±）（副对象±）（主对象±）=（-）（6-6）6.5.2控制器参数整定串级控制系统的主副控制器参数整定，就是在确定了主副控制器的控制规律之后，通过调整控制器相关参数大小，实现串级控制系统的预期控制性能与效果。具体地说，由于主回路起定值作用，副回路起随动作用，整定的目的就是要实现主被控量有较高的控制精度，副被控量有较快的随动性，即跟随主控制器输出变化。在工程实践中，串级控制系统的控制器参数整定一般有三种方法，它们分别是：逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。1.逐步逼近法其主要做法是：在主回路断开的情况下，求取副控制器的整定参数，然后将副控制器参数设置在所求值上，让主回路闭合，求取主控制器的整定参数，接下来将主控制器的参数设在所求值上，再次调整副控制器的整定参数，如果系统达到了预期的控制品质指标，则整定工作就此结束，否则，第二次调整主控制器的参数，并依次循环下去，直到系统达到预订的控制指标。这种控制器参数一步步向最佳值接近的过程，取名为逐步逼近法。具体步骤为：（1）断开主回路，将副回路当作单回路控制系统来整定，求得副回路的整定参数值.这里用右上角的数值“1”表示是第一次整定副控制器的参数值，如果此值不合适，后面将更改。（2）将副控制器的相关参数置于刚才获得的上，闭合主回路，此时将副回路作为一个等效环节看待，于是主回路变为了一个单回路控制系统，按单回路系统的整定方法，求取主控制器的参数值。（3）将刚才获得的置于主控制器的参数上，保持主回路的闭合，再对副控制器的参数进行修正，获得。如果此时系统达到预期的性能指标，则主副控制器的整定参数即为和，整定到此结束。否则，再将副控制器的参数置于刚才获得的上，按相同方法修正为，如此继续下去，直至满足系统控制质量指标为止。对于不同的生产过程，以及有不同要求的控制质量，用逐步逼近法整定控制器参数的循环次数是不同的。特别是副控制器采用PI控制时，往往比较费时。2.两步整定法两步整定法就是将串级控制系统的控制器参数整定分两步来进行，第一步整定副控制器参数，第二步将已经整定好副控制器的二次回路视为串级控制系统的一个环节，对主控制器参数进行调定。具体整定步骤如下：（1）在生产工艺稳定、串级控制系统的主副控制器均为比例控制的条件下，将主控制器的比例增益置为1，然后将副控制器的比例度由大到小，进行调节，直到二次回路的过渡过程出现4︰1的衰减响应曲线，记下此时的比例度，以及振荡周期。（2）在副控制器比例度为的条件下，逐步降低主控制器的比例度，直至主回路的响应过程出现衰减比为4︰1的情形，记下此时的比例度，以及振荡周期。（3）根据已经获得的、和、，结合预先已经确定的主、副控制器的控制规律，按照表6-4中相应的公式计算出主、副控制器的参数值。（4）按照先副回路，后主回路，先P，次I，最后D的次序，将上一步获得的控制器参数值置于各控制器中，然后作扰动试验，观察响应曲线，并作适当参数调整，直至达到预期指标为止。两步整定法显得有条理，并且充分利用了前面单回路控制系统的衰减整定法，确定控制器的参数来得较快，也比较准确。3.一步整定法两步整定法需要确定主回路和副回路两个被控量曲线达到4﹕1衰减比的过渡过程，这在实际中实现起来是比较费时的。为此，有人提出：是否可以放松对副回路的整定标准？比如不要求副回路被控量曲线出现4﹕1的衰减比，但对主回路的被控量却维持原标准。于是，出现了一步整定法。一步整定法的主要思路是：先根据经验将副回路控制器参数整定好，接下来按单回路控制系统的整定方法，对主回路控制器参数进行整定。通常副控制器的参数不一定是恰当的，这里通过对主控制器的参数调整加以弥补，以维持主被控量4﹕1的衰减振荡过程不变。下面是具体整定步骤：（1）根据副被控量名称，按照表6-7提供的参考数据，将副控制器按纯比例作用设置某一适当的数值。表6-7一步整定法副控制器参数整定经验数据副被控量名称副控制器比例度(％)副被控量名称副控制器比例度(％)温度20～60流量40～80压力30～70液位20～80（2）将串级控制系统主回路按单回路控制系统（任一种）参数整定方法，整定主控制器参数。通过调整主控制器参数，使主被控量质量满足要求。如果在整定中出现主副回路共振现象，仅需改变主或副控制器中比例度即可消除。6.5.3设计举例

1.作业过程与控制任务炼油厂管式加热炉是石油加工行业一种常见的生产设备，它的作用是将原油或重油加热到一定温度，以便下一工序进行加工处理。加热炉是通过控制进入炉膛的燃料油（雾化），实现对炉膛温度的控制，被加热物料（原油或重油）流过分布在炉膛四周的排管，被加热后从加热炉出口处流出，进入下一加工程序。现要求被加热的物料流经出口时的温度达到某稳定值，并知晓燃料油压力和组分、以及加热炉烟囱的抽力因大气压力、温度和燃料质量不同，而经常变化。此外，被加热物料的流量和进入加热炉的初始温度也偶尔有变化。图6-20为示意图。2.可能的解决方案从上面的作业过程和控制任务来看，工艺过程虽然简单明了，但要完成好控制任务却不大容易。现在，考虑用简单的单回路控制系统来解决问题，具体有以下几种可能的解决方案：方案一：选被加热物料在炉膛出口处的温度作被控量，以进入加热炉的燃料油作操纵量，设计一个温度单回路控制系统来解决问题，即测量加热炉物料出口处温度，并将其与设定值比较后送往温度控制器，温度控制器经运算后控制燃料调节阀开度，实现对被加热炉及其出口原油的温度控制，如图6-21所示，其中，TT为温度检测器，TC为温度控制器。但是，现在的问题是：加热炉容量较大，其容量滞后自然不会小，并且炉温从炉膛的入口到出口，呈不均匀分图6-20加热炉结构示意图图6-21方案1控制结构图布态势，控制作用不及时的问题比较严重，从而引起被控量超调较大、长时间波动等现象。另外，燃料油的组分和调节阀前的压力变化、烟囱抽力变化等干扰频繁，并且幅度不小，加上被加热物料的流量和入口温度也时有变化。这些干扰虽然从闭环负反馈角度上说，控制均可克服，但是往往存在克服不及时，系统波动较大等问题。方案二：鉴于方案一容量滞后大，干扰频繁的问题，现在它的基础上，将被控量由被加热物料在炉膛出口处温度改为炉膛内的温度，并试图以此维持物料出口温度为某稳定值，而方案一的其它部分暂不作改变。这样修改的好处是，可以减小容量滞后，并及时克服由燃料压力和组分变化引起的干扰，以及烟囱抽力变化等产生的干扰，使得系统对于这些参量变化的控制更加及时迅速。如图6-22所示。但是，该方案却难以保证出口处物料的温度达到或维持在期望值，而且对于由被加热物料流量和入口温度变化引起的干扰，也显得无能为力，即不能克服。

图6-23方案3控制结构图图6-22方案2控制结构图方案三：将控制燃料进入炉膛的流量，改为控制被加热物料进入炉膛排管的流量，如图6-23所示。在炉膛温度一定的前提下，即燃料进炉膛流量一定，通过控制被加热物料进入炉膛的流量大小，实现物料出口温度为预定值。该方案从原理上来说是可以的，但是存在的问题是：被加热物料是生产负荷，控制其流量将影响产量，工艺上不合理。分析和经验都证明，以上三种控制方案均难以达到预期的目的。为此，我们必须寻求能解决问题的、更为合理的途径。3.串级控制系统的解决思路

虽然前两种方案各有优缺点（撇开方案三不谈），但它们为问题的最终解决却提供了思路。进一步说，摄取两者的长处，互补两者的短处，用串级控制系统的思想，将两者结合起来，实现炉膛温度-出口温度的串级控制，就是解决问题的有效办法。具体说，以炉膛某点温度作副回路的被控量，以副控制器、燃料油调节阀、炉膛和炉膛温度检测器组成副回路，而以被加热物料出口温度为主被控量，由主控制器、副回路，以及排管（含部分炉膛）组成主回路，实现串级控制系统，具体控制结构图和控制方框图分别如图6-24和6-25所示。图6-24炉膛温度-出口温度串级控制结构图4.串级控制系统设计概要(1)主副被控对象在燃料调节阀门开度增加时，炉膛温度和被加热物料温度均升高，所以主、副对象均为正作用方式。从一体化结构来看，被控过程设备由燃料调节阀-管道-炉体-排管-出口等组成，从气压到温度的转变过程，经历了燃烧、发热和升温等一系列物理化学变化过程，被控对象的动态过程可用惯性环节加纯滞后来近似描述，而且时间常数大。炉膛测温探头图6-25炉膛温度-出口温度串级控制系统方框图的放置，将把时间常数一分为二，即分为两个相对较小的部分，从而有利于迅速获得炉膛温度信息，提早采取控制行动，提高被加热物流出口温度的稳定性和快速性。(2)考虑生产的安全性，当调节阀出现异常时，应立即关闭，切断燃气，避免可能的泄露与火灾事故。所以选气开式调节阀。根据生产规模及工艺要求，结合管路特点选择调节阀流量特性。（3）两个温度传感器与变送器随着被测温度的升高，其输出的电量也增大，均为正作用方式。具体选何种温度传感器与变送器，应根据炉膛和出口温度高低来选定。一般说，炉膛内温度较高，被加热物料出口温度相对低些。（4）这里的主控制器就是出口温度控制器，由于它要求出口温度达到预定值，属于一种定值控制，所以主控制器应该选择PI或者PID控制规律，在此优先