复杂控制系统2

一、均匀控制的目的图7-9前后精馏塔的供求关系甲塔:为了稳定操作需保持塔釜液位稳定，必然频繁地改变塔底的排出量。乙塔：从稳定操作要求出发，希望进料量尽量不变或少变。甲、乙两塔间的供求关系出现了矛盾。

为了解决前后工序供求矛盾，达到前后兼顾协调操作，使液位和流量均匀变化，组成的系统称为均匀控制系统。第二节均匀控制系统均匀控制的要求（1）两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化的。图7-10前一设备的液位和后一设备的进料量之关系1—液位变化曲线；2—流量变化曲线（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。二、均匀控制方案1.简单均匀控制图7-11简单均匀控制目的

为了协调液位与排出流量之间的关系，允许它们都在各自许可的范围内作缓慢的变化。满足均匀控制要求的方法通过控制器的参数整定来实现。比例度整定的很大，有时为了克服连续发生的同一方向干扰所造成的过大偏差，则引入积分作用。这时比例度一般大于100%，积分时间也要放的大一些。至于微分作用，是和均匀控制的目的背道而驰的，顾不采用。2.串级均匀控制图7-12串级均匀控制

可在简单均匀控制方案基础上增加一个流量副回路，即构成串级均匀控制。参数整定的方法比例度和积分时间由小到大地进行调整。

串级均匀控制系统的主、副控制器一般都采用纯比例作用的。只在要求较高时，为了防止偏差过大而超过允许范围，才引入适当的积分作用。二、均匀控制方案特点由于增加了副回路，可以及时克服由于塔内或排出端压力改变所引起的流量变化。

串级均匀控制系统协调两个变量间的关系是通过控制器参数整定来实现的。

在串级均匀控制系统中，参数整定的目的不是使变量尽快地回到给定值，而是要求变量在允许的范围内作缓慢的变化。一、概况

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。通常为流量比值控制系统。几个概念主物料、主动量（Q1

、主流量）从物料、从动量（Q2、副流量）副流量Q2与主流量Q1的比值关系为第三节比值控制系统二、比值控制系统的类型1.开环比值控制系统图7-13开环比值控制图7-14开环比值控制方块图结构简单，只需一台纯比例控制器，其比例度可以根据比值要求来设定。主、副流量均开环；这种比值控制方案对副流量Q2本身无抗干扰能力。所以这种系统只能适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。

开环比值控制系统的特点：2.单闭环比值控制系统

单闭环比值控制系统是为了克服开环比值控制方案的不足，在开环比值控制系统的基础上，通过增加一个副流量的闭环控制系统而组成的。图7-15单闭环比值控制图7-16单闭环比值控制系统方块图它能实现副流量随主流量的变化而变化，还可以克服副流量本身干扰对比值的影响。结构简单，实施方便，尤其适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合。虽然能保持两物料量比值一定，但由于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。单闭环比值控制系统的特点：3.双闭环比值控制系统它是在单闭环比值控制的基础上，增加了主流量控制回路而构成的。

图7-17双闭环比值控制图7-18双闭环比值控制系统方块图实现了比较精确的流量比值，也确保了两物料总量基本不变。提降负荷比较方便，只要缓慢地改变主流量控制器的给定值，就可以提降主流量，同时副流量也就自动跟踪提降，并保持两者比值不变。结构较复杂，使用的仪表较多，投资较大，系统调整较麻烦。主要适用于主流量干扰频繁、工艺上不允许负荷有较大波动或工艺上经常需要提降负荷的场合。双闭环比值控制系统的特点：4.变比值控制系统图7-19变比值控制系统

要求两种物料的比值能灵活地随第三变量的需要而加以调整。图7-20变比值控制系统方块图三、比值控制系统的几个问题

1、主、从动量的确定（1）生产过程中主要物料的流量为主动量，次要物料的流量为从动量。（2）两物料中有一个物料的量为可测但不可控时，则应选不可控的物料流量为主动量，另一个可控的物料为从动量。2、控制方案的选择

根据控制方案的特点及工艺的具体情况来确定。3、比值系数的计算（1）流量与其测量信号之间成线性关系（2）流量与其测量信号之间成非线性关系，如差压法测流量而未用开方器信号比值流量比值一、前馈控制系统及其特点反馈与前馈图7-21换热器的反馈控制图7-22换热器的前馈控制第四节前馈控制系统1.前馈控制是基于不变性原理工作的，比反馈控制及时、有效图7-23前馈控制系统的补偿过程前馈控制是根据干扰的变化产生控制作用的。

反馈控制的依据是被控变量与给定值的偏差，检测的信号是被控变量，控制作用发生时间是在偏差出现以后。前馈控制的依据是干扰的变化，检测的信号是干扰量的大小，控制作用的发生时间是在干扰作用的瞬间而不需等到偏差出现之后。图7-24反馈控制与前馈控制方块图

反馈控制与前馈控制的检测信号与控制信号有不同的特点：2.前馈控制是属于“开环”控制系统反馈控制系统是一个闭环控制系统，而前馈控制是一个“开环”控制系统。

反馈控制由于是闭环系统，控制结果能够通过反馈获得检验，而前馈控制其控制效果并不通过反馈来加以检验。要想综合一个合适的前馈控制作用，必须对被控对象的特性作深入的研究和彻底的了解。3.前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用”控制器

一般的反馈控制系统均采用通用类型的PID控制器，而前馈控制要采用专用前馈控制器。前馈控制器的控制规律取决于干扰通道的特性与控制通道的特性。对于不同的对象特性，就应该设计具有不同控制规律的控制器。4.一种前馈作用只能克服一种干扰反馈控制只用一个控制回路就可克服多个干扰。

二、前馈控制的主要形式1.单纯的前馈控制形式根据对干扰补偿的特点，可分为静态前馈控制和动态前馈控制。（1）静态前馈控制系统

在图7-22中，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。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，只按静态关系确定前馈控制作用。图7-22换热器的前馈控制图7-22换热器的前馈控制举例蒸汽加热的换热器

图7-25静态前馈控制实施方案

热交换器是应用前馈控制较多的场合，换热器有滞后大、时间常数大、反应慢的特性，前馈控制就是针对这种对象特性设计的，故能很好发挥作用。如果主要干扰是进料流量的波动ΔQ1，那么前馈控制器的输出Δmf为式中，Kf是前馈控制器的比例系数。这种静态前馈实施起来非常方便，用常规仪表中的比值器或比例控制器即可作为前馈控制器使用。现只考虑对干扰Q1进行静态补偿，根据热平衡原理来分析（7-4）进料增加为Q1+ΔQ1时（7-5）式（7-5）减式（7-4）（7-6）则（7-7）Q2—蒸汽流量；Q1—进料流量；L——蒸汽冷凝热；Cp—被加热物料的比热值（2）动态前馈控制系统

要考虑对象的动态特性，从而确定前馈控制器的规律，才能获得动态前馈补偿。图7-26动态前馈控制实施方案

可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。按此原理设计的一种前馈控制器，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。2.前馈-反馈控制

将它们组合起来，取长补短，使前馈控制用来克服主要干扰，反馈控制用来克服其他的多种干扰，两者协同工作，能提高控制质量。图7-27换热器的前馈-反馈控制图7-28前馈-反馈控制系统方块图前馈-反馈控制系统与串级控制系统的不同点：

串级控制系统是由内、外（或主、副）两个反馈回路所组成；而前馈-反馈控制系统是由一个反馈回路和另一个开环的补偿回路叠加而成。三、前馈控制的应用场合（1）干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，仅采用反馈控制达不到要求的对象。（2）主要干扰是可测而不可控的变量。（3）当对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差，可采用前馈或前馈-反馈控制系统，以提高控制质量。第五节选择性控制系统一、基本概念

在大型工艺生产过程中，除了要求控制系统在生产处于正常运行情况下，能够克服外界干扰，维持生产的平稳运行外，当生产操作达到安全极限时，控制系统应有一种应变能力，能采取相应的保护措施，促使生产操作离开安全极限，返回到正常情况。

生产保护性措施有两类：一类是硬保护措施：当生产操作达到安全极限时，有声、光警报产生。这时，或是由操作工将控制器切换到手动，进行手动操作、处理；或是通过专门设置的连锁保护线路，实现自动停车，达到生产安全的目的。

一类是软保护措施。通过一个特定设计的自动选择性控制系统，当生产短期内处于不正常情况时，既不使设备停车又起到对生产进行自动保护的目的。

要构成选择性控制，生产操作必须要具有一定选择性的逻辑关系。选择性控制的实现则需要靠具有选择功能的自动选择器（高值选择器或低值选择器）或有关的切换装置（切换器、带电接点的控制器或测量仪表）来完成。二、选择性控制系统的类型1.开关型选择性控制系统一般有A、B两个可供选择的变量。其中一个变量A假定是工艺操作的主要技术指标，它直接关系到产品的质量或生产效率；另一个变量B，工艺上对它有一个限值要求。开关型选择性控制系统一般都用做系统的限值保护。图示的方案实际上是通过改变换热面积的方法来达到控制温度的目的。当裂解气温度过高或负荷量过大时，控制阀将要大幅度地被打开。当冷却器中的列管全部为液态丙烯所淹没，而裂解气出口温度仍然降不到希望的温度时，就不能再一味地使控制阀开度继续增加了。

注意方案（b）是在方案（a）的基础上增加了一个带上限节点的液位变送器（或报警器）和一个连接于温度控制器TC与执行器之间的电磁三通阀。图7-30开关型选择性控制系统方块图图中的方块“开关”实际上是一只电磁三通阀，可以根据液位的不同情况分别让执行器接通温度控制器或接通大气。图7-31开关型选择性控制系统信号器的信号关系是：当液位低于75％时，输出p2＝０；当液位达到75％时，p2＝0.1MPa。切换器的信号关系是：当p2＝０时，py＝px；当p2＝0.1MPa时，py＝０。2.连续型选择性控制系统特点当取代作用发生后，控制阀不是立即全开或全关，而是在阀门原来的开度基础上继续进行连续控制。一般具有两台控制器，它们的输出通过一台选择器（高选器或低选器）后，送往执行器。这两台控制器，一台在正常情况下工作，另一台在非正常情况下工作。二、选择性控制系统的类型举例大型合成氨工厂的蒸汽锅炉图7-32辅助锅炉压力取代控制系统图7-33蒸汽压力与燃料气压力选择性控制系统方块图图7-33蒸汽压力与燃料气压力选择性控制系统方块图当系统处于燃料气压力控制时，蒸汽压力的控制质量将会明显下降，但这是为了防止事故发生所采取的必要的应急措施，这时的蒸汽压力控制系统实际上停止了工作，被属于非正常控制的燃料气压力控制系统所取代。注意3.混合型选择性控制系统在这种混合型选择性控制系统中，既包含有开关型选择的内容，又包含有连续型选择的内容。当燃料气压力不足时，燃料气管线的压力就有可能低于燃烧室压力，这样就会出现危险的回火现象，危及燃料气罐使之发生燃烧和爆炸。燃料气管线压力过低的危害

二、选择性控制系统的类型图7-34混合型选择性控制方案

增加了一个带下限节点的压力控制器P3C和一台电磁三通阀。一旦燃料气压力下降到极限值时，下限节点接通，电磁阀通电，切断了低选器LS送往执行器的信号，使控制阀膜头与大气相通，膜头内压力迅速下降到零，于是控制阀将关闭（气开阀），回火事故将不致发生。当燃料气压力上升达到正常时，下限节点断开，电磁阀中失电，低选器的输出又被送往执行器。三、积分饱和及其防止1.积分饱和的产生及其危害性一个具有积分作用的控制器，处于开环工作状态时，如果偏差输入信号一直存在，那么，由于积分作用的结果，将使控制器的输出不断增加或减小，一直达到输出的极限值为止，该现象称为“积分饱和”。产生积分饱和的条件

其一是控制器具有积分作用；其二是控制器处于开环工作状态，其输出没有被送往执行器；其三是控制器的输入偏差信号长期存在。当控制器处于积分饱和状态时，它的输出将达到最大或最小的极限值，该极限值已超出执行器的有效输入信号范围。2.抗积分饱和措施目前防止积分饱和的两种方法

（1）限幅法通过一些专门的技术措施对积分反馈信号加以限制，从而使控制器输出信号被限制在工作信号范围之内。（2）积分切除法当控制器处于开环工作状态时，就将控制器的积分作用切除掉，这样就不会使控制器输出一直增大到最大值或一直减小到最小值，就不会产生积分饱和问题了。三、积分饱和及其防止一、概述

一台控制器的输出可以同时控制两台甚至两台以上的控制阀。控制器的输出信号被分割成若干个信号范围段，由每一段信号去控制一台控制阀，称为分程控制系统。图7-35分程控制系统方块图第六节分程控制系统就控制阀的开、关形式分类两个控制阀同向动作，即随着控制器输出信号（即阀压）的增大或减小，两控制阀都开大或关小。两个控制阀异向动作，即随着控制器输出信号