第7章 复杂调节系统(下)

7.6分程控制系统在分程控制系统中，一个控制器的输出信号被分割成几个行程段，每一段行程各控制一个调节阀，故取名为分程控制系统。例如，一个控制器的输出信号分程控制两个调节阀A和B，A和B的输入信号各占一半行程。可调整阀门定位器来缩小调节阀的输入量程。CABMM7.6.1分程控制系统工作原理及类型1．分程控制系统工作原理如某一间歇式生产的化学反应过程中，每次投料完毕后，需要先对其加热引发化学反应。TT热水冷却水BTCA一旦反应开始进行，就会持续产生大量的反应热，如果不及时降温，物料温度会越来越高，有发生爆炸的危险。因此，必须降温。为此，可设计以反应器内温度为被控参数、以热水流量和冷却水流量为控制变量的分程控制系统，调节阀A、B分别控制冷却水和热水。为保证安全，热水阀采用气开式，冷水阀采用气关式，则温度调节器设为反作用。TT热水冷却水BTCA反反正图7.29调节阀分程关系曲线MPa0100%0.020.060.10A阀B阀TT热水冷却水BTCA正反反工作原理如下：当装料完成、化学反应开始前，温度测量值小于设定值。调节器TC输出气压大于0.06MPa，A（冷水）阀关闭，B（热水）阀开启，反应器夹套中进的热水使反应物料温度上升。反应开始后，反应物温度逐渐升高，调节器输出逐渐下降，热水阀逐渐关小；当反应物料温度达到并高于设定值时，调节器输出气压将小于0.06MPa，热水阀完全关闭，冷水阀逐渐打开，冷水进入夹套将反应热带走，使反应物料温度保持在设定值。图7.29调节阀分程关系曲线MPa0100%0.020.060.10A阀B阀TT热水冷却水BTCA正反反2．分程控制系统的类型按照调节阀的气开、气关形式和分程信号区段不同，可分为以下两种类型：①调节阀同向动作的分程控制系统例：两个调节阀同向动作A、B均为正作用阀A、B均为反作用阀MPa0100%0.020.060.10A阀B阀MPa0100%0.020.060.10A阀B阀MPa0100%0.020.060.10A阀B阀MPa0100%0.020.060.10A阀B阀②调节阀异向动作的分程控制系统例：两个调节阀异向动作在0.02~0.06MPa区间，B阀全开、A阀逐渐开大；在0.06~0.10MPa区间，A阀全开、B阀逐渐关小。在0.02~0.06MPa区间，B阀全关、A阀逐渐关小；在0.06~0.10MPa区间，A阀全关、B阀逐渐开大。给定－执行器1对象变送器控制器干扰执行器27.6.2分程控制系统设计及工业应用分程控制系统本质上属于单回路控制系统。二者的主要区别是：单回路控制系统中调节器输出控制一个调节阀，分程控制系统中调节器输出控制多个调节阀。因此，系统设计上有所不同。7.6.2.1控制信号的分段在分程控制中，调节器输出信号分段是由生产工艺要求决定的。调节器输出信号需要分成几段，哪一段信号控制哪一个调节阀，完全取决于工艺要求。如在此例反应器温度控制中，工艺需要控制两个调节阀。因此，调节器输出信号需要分成两段。TT热水冷却水BTCA正反反7.6.2.2调节阀特性的选择与应注意的问题1.根据工艺要求选择同向或异向工作的调节阀如此例中，为保证安全，热水阀采用气开式，冷水阀采用气关式。这就决定了两个调节阀异向工作。又因工艺要求一个阀打开时，另一个必须关闭。因此两个阀的特性组合应是：MPa0100%0.020.060.10A阀B阀TT热水冷却水BTCA正反反2.流量特性的平滑衔接如图为蒸汽压力减压系统。小负荷时只有A阀控制、B阀不开；负荷较大时A阀全开、B阀控制。两个同向特性的调节阀并联控制一种介质的流量时，总流量特性是两个阀流量特性的叠加组合。PTMPa0100%0.020.060.10A阀B阀如果两个调节阀的增益差距较大，组合后的总流量特性有突变点，会影响调节品质。P（MPa）（a）二阀特性比较接近0流量Q（%）1000.020.060.10•45（b）二阀特性差距较大01000.020.060.10•45P（MPa）流量Q（%）如果两个调节阀都用直线特性，组合后的总流量特性有下列两种情况：（a）分程信号不重叠P（MPa）流量Q（%）01000.020.060.10•如果调节阀是对数流量特性，其总流量特性衔接处必有突变点。可以通过两个调节阀分程信号部分重迭的办法，使调节阀流量特性实现平滑过渡。即将两个阀的工作范围扩大，形成一段重迭区。（b）分程信号重叠P（MPa）01000.020.060.10流量Q（%）3）调节阀的泄漏量在分程控制中，调节阀的泄漏量太大会影响控制质量。尤其当大、小阀并联工作时，若大阀的泄漏量接近或大于小阀的正常的调节量，则小阀的调节能力大大降低。因为大阀的泄漏量相当于存在一个不受控制的旁路管道，所以要求大阀的泄漏量很小。PT7.6.2.3分程控制的实现分程控制要求调节阀的输入量程进行压缩。通过调整阀门定位器的输入信号零点和量程，使调节阀在规定的信号区段作全行程动作。（b）分程信号重叠P（MPa）01000.020.060.10流量Q（%）例如，使调节阀A在0.02~0.07MPa范围内作全行程动作；使调节阀B在0.05~0.10MPa范围内作全行程动作。7.6.2.4分程控制系统的工业应用分程控制系统的工业应用广泛，介绍应用比较多的两种形式：1、用于扩大调节阀的可调范围有的生产工艺要求控制的流量变化范围较大，但是调节阀的可调范围是有限的（国产统一设计柱塞调节阀可调范围R＝30）。若采用一个调节阀，能够控制的最大流量和最小流量相差不可能太悬殊，满足不了生产上流量大范围变化的要求，这时可考虑采用两个控制阀并联的分程控制方案。例

某厂蒸汽压力减压系统用节流减压的方法将10MPa的高压蒸汽减压成4MPa的中压蒸汽。中压蒸汽的使用量变化很大。如果只用一个阀门控制，只能选择大口径阀。而大口径阀在小开度下工作时，控制效果变差。如果用两个阀分程控制，小负荷时只开小阀，负荷增大时再开大阀。则两个调节阀组合后，可调范围扩大。PT设大小两个调节阀的最大流通能力分别为：CBmax=105m3

、CAmax=4.2m3；可调范围均为

R=

30则两个阀的最小流通能力分别为：CBmin=

CBmin

/R=105/30=3.5m3CAmin=

CAmin

/R=4.2/30=0.14m3两个调节阀并联使用时：最小流通能力为：Cmin=

CAmin=0.14最大流通能力为：

Cmax=

CBmax+CAmax=107.2m3可调范围R并=

Cmax

/Cmin=107.2/0.14=780并联使用后调节阀的可调范围增大了26倍。2.用于一个控制回路需要控制多个操纵量例如在工业废液中和处理工艺中，需要根据废液的酸碱性（pH值），分别控制加酸量或加碱量。MPa0100%0.020.060.10酸阀碱阀

pHT反反正废液

pHC正碱液酸液中和液7.7选择性控制系统

选择性控制是指由生产过程的控制条件所构成的逻辑关系叠加到正常自动控制系统上的一种控制方法。

选择过程：有一套正常控制系统通过选择器，在非正常工况时，另有一套备用（或叫取代）控制系统自动实现由备用控制系统取代正常控制系统。待工况回复正常后自动通过选择器又回到正常控制系统。（取代过程是自动的“软”切换）7.7选择性控制系统（续）有关低选器和高选器低选器或画为

输出c等于输入a和b中较小者

高选器或画为输出c等于输入a和b中较大者

7.7.1选择性控制系统的类型选择性控制系统通过选择器实现选择功能。选择器可以接在调节器的输出端，对控制信号进行选择；也可以接在变送器的输出端，对测量信号进行选择。1.对调节器输出信号进行选择给定2＋－变送器2执行器对象被控量2给定1＋－变送器1控制器1选择器被控量1干扰控制器2正常控制取代控制7.7选择性控制系统（续）例：锅炉系统，要求出口蒸汽压力平稳。为此，设计蒸汽压力控制系统：被控变量：蒸汽出口压力控制变量：燃油量

P1系统是正常的蒸汽压力单回路反馈控制系统，根据安全考虑，阀门选“气开”型。为保证负反馈，选P1C“反作用”问题：①在燃油调节过程中，喷咀前油压过高时，有可能出现“脱火”②喷咀前油压过低时，又可能出现“回火”。7.7选择性控制系统7.7选择性控制系统（续）

例：

为防止喷咀前油压过高出现“脱火”事故，设计增加一个备用（取代）系统（如图P2系统）；

为防止喷咀前油压过低出现“回火”事故，设计增加一个备用（取代）系统（如图P3系统）。7.7选择性控制系统7.7选择性控制系统（续）

例：7.7选择性控制系统（续）

例：系统分析：

P2油压控制系统是为防止油压过高出现“脱火”而设计的油压单回路反馈控制系统，通过“低选器”叠加在正常的蒸汽压力系统中。自身要满足负反馈控制，所以选P2C为“反作用”。

一般地，P2C的给定值x2设为接近P油允许的上限值，而P2C用纯比例，且K2取得很大，所以，正常工况时，P2C的输出u2很大，基本处于高饱和状态，没机会输出。但当P油较大而接近x2时，u2急剧变小，将取代u1成为u，通过阀门关小燃油，降低P油，防止“脱火”。P油下降后，P2C的输出又进入高饱和，退出控制。

7.7选择性控制系统（续）

例：系统分析：

P3油压控制系统是为防止油压过低出现“回火”而设计的油压单回路控制系统，通过“高选器”叠加在正常的蒸汽压力控制系统中。自身要满足负反馈控制，所以选P3C为“反作用”。

一般地，P3C的给定值x3设为接近P油允许的下限值（但比其稍大些），P3C用纯比例且K3取得很大，所以，正常工况时，由于P油大于x3，而K3较大，P3C的输出u3处于低输出饱和状态，在“高选器”里没有机会输出。但当P油低到小于x3时，P3C的输出u3迅速增大，取代u12输出，控制阀门迅速开大，使P油上升，P油上升后，P3C的输出又进入低饱和，退出控制。7.7选择性控制系统（续）注意：

上例中，取代控制系统（选择性控制系统）的设计除借用选择器外，取代控制器的给定值和放大系数的设置也是至关重要的。（否则将难以实现正确的取代控制）

选择性控制系统作为安全保护系统经常应用于工业过程的其它领域，特别在石油、化工等工业生产中。7.7选择性控制系统2．对变送器输出信号进行选择这种系统的选择器装在控制器之前，对变送器输出信号进行选择。用于几个被控变量的给定值、控制规律都一样的场合。

给定＋－变送器2执行器对象被控量2变送器1选择器被控量1干扰控制器正常控制例2

固定床反应器中热点温度的控制反应器内固定床上装有催化剂以加速反应，而反应产生的热量若不及时被冷却液带走，温度过高会烧坏催化剂。因催化剂的老化、变质和流动等原因，固定床不同位置的温度可能不同。在不同位置分别安装温度传感器，由选择器选出热点温度信号，送入控制器进行控制。＞冷却液入料T1TTC反T2TT3T反应器产品反给定＋－变送器2执行器对象3段变送器1选择器被控量1控制器对象2段对象1段变送器1在此设备中，三点被控温度是串联关系。因此，控制系统方框图中对象特性可等效为串联的三段。＞冷却液入料T1TTC反T2TT3T反应器产品反

7.7.2选择性控制系统的设计原则选择性控制系统是多个常规控制系统的组合。与常规控制系统的设计相比，主要不同点是选择器的设计选型和调节器调节规律的确定。1．选择器的选型选择器有高值选择器HS与低值选择器LS两种。选择器类型的确定，是根据执行器的作用方向和控制回路的切换条件决定的。例1

蒸汽压力与燃气压力的自动选择控制例2

固定床反应器中热点温度的控制燃气P2C锅炉给水＜蒸汽汽包炉膛＞选择器1选择器2P3TP3CP2TP1TP1C正反反反例1

蒸汽压力与燃气压力的自动选择控制由于燃气阀是正作用阀，防止燃气压力过高的选择器1就应当是低选，防止燃气压力过低的选择器2就应当是高选。＞冷却液入料T1TTC反T2TT3T反应器产品反例2

固定床反应器中热点温度的控制控制思路就是按最高点温度控制，所有的点的温度都不会超标，所以用高选器。2．调节器调节规律的确定对于正常工况下运行的调节器，由于有较高的控制精度要求，可用PI调节或PID调节；对于取代调节器，一般只要求其迅速发挥保护作用，可用P调节。燃气P2C锅炉给水＜蒸汽汽包炉膛＞选择器1选择器2P3TP3CP2TP1TP1C正PPPID3．调节器参数整定正常工作调节器的整定要求与常规控制系统相同，可按常规控制系统的整定方法进行整定。对于取代调节器，要求能及时产生自动保护作用，其比例度P应整定得小一些。燃气P2C锅炉给水＜蒸汽汽包炉膛＞选择器1选择器2P3TP3CP2TP1TP1C正PPPID7.8大滞后过程控制系统一、纯滞后现象及其对控制质量的影响

1、大滞后现象例1：一、纯滞后现象及其对控制质量的影响（续）例2：有测量纯滞后一、纯滞后现象及其对控制质量的影响（续）

2.大纯滞后对控制质量的影响（先可直接从反馈控制分析纯滞后的影响）

如图，系统的特征方程为：

一、纯滞后现象及其对控制质量的影响（续）（2.大纯滞后对控制质量的影响）二、大纯滞后的Smith预估补偿控制

1、Smith预估补偿器的原理及结构设如下广义对象含有纯滞后：

1、Smith预估补偿器的原理及结构（续）

引入预估补偿器Gb(s)，如下：

相应地，假设对象无纯滞后，其它条件一样，则：

希望上述两系统在特征方程上能够等价

1、Smith预估补偿器的原理及结构（续）

Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-τoS_U(s)+F(s)Go(s)++++Y’(s)e-τoS_根据Smith预估器的传递函数Gb(s)表达式，就可得到图7.18的Smith预估补偿控制系统实施框图。Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-τoS_U(s)+F(s)Go(s)++++Y’(s)e-τoS_可得到设定值X(s)