第二章之3复杂控制系统

2.3复杂控制系统串级控制系统均匀控制系统比值控制系统选择控制系统分程控制系统前馈控制系统多冲量控制系统2.3.1串级控制系统氨氧化炉的温度控制（HNO3生产）SP废热锅炉反应区过滤器NO鼓风机混合气空气气开NH3预热器反作用TCNH3与空气在氧化炉中（铂触媒催化）进行氧化反应：

工艺要求：氧化率大于97%，反应温度840±5℃

氧化炉是个复杂的对象，氧化率的测取只能由间接指标（氧化炉的温度）来反映。影响温度的干扰有：NH3流量、NH3总管压力、空气流量、触媒活性等。选择NH3流量为操纵变量，调节氧化炉温度在给定值上。这是一个简单调节系统。该系统的特点是：所有影响反应温度的干扰因素，统统包含在调节回路中，反应在温度对设定值的偏差上，并且都由温度控制器加以克服。问题：反应不灵敏，动作迟缓，过渡过程时间长，超调量大，当干扰稍大时，温度偏差在±10℃（比手动操作时的20——30℃好些）。原因：对象调节通道长，温度检测滞后大，尤其对NH3流量方面的干扰不能及时克服，NH3流量变化1%，温度就会变化64℃。若改成NH3流量的定值调节，NH3的流量很稳定，但温度仍有±8℃的误差。

分析对象：在稳定情况下，NH3流量几乎是一条直线变化，但氧化炉的温度却不稳定（如早晚气候的影响），空气流量、系统压力、铂触媒活性等也会影响温度。这些干扰因为NH3的稳定而无法克服。一方面，NH3流量的稳定是必要的；另一方面，如果由于氧化炉温度变化，氨的流量可以相应调整就好了！即根据炉温的变化来调整NH3流量调节器的设定值，使氧化炉温度减小波动。人们在生产实践中发现，当NH3流量之外的干扰引起温度变化时，就手动调整NH3流量调节器的SP值，从而改变NH3流量，使温度恒定。这个经验告诉我们，流量控制器应听从反应温度的指挥。即流量调节器的SP值应由反应温度来决定变与不变、变多少、朝哪个方向变。因此，就出现了反应温度信号来自动校正流量控制器设定值的方案。

这就是用氧化炉温度自动调整NH3流量调节器给定值的调节系统。系统投入运行后，调节速度快，过渡过程短，调节品质高，偏差小，负荷变化大时，温度偏差不超过±5℃。这就是串级控制系统。“TC”的输出不直接作用于阀门，而是作为“FC”的设定值，通过与NH3流量信号的比较，“FC”的输出作用于调节阀，改变NH3流量，把温度稳定在给定值上。类似这样利用两个或更多个调节器串联在一起进行调节，以更好地稳定一个被控变量的系统，就是串级调节系统。在这样一个多回路调节系统中用了二台调节器，它们分别接受来自对象不同部分的测量信号，其中一台调节器的输出作为另一台调节器的外给定输入，而由后者的输出去控制阀门，以实现对生产过程的控制。从系统的结构图看，这二台调节器是串接的，故称为串级调节系统。2.3.1串级控制系统FC进料塔底采出12蒸汽方案2：控制蒸汽流量恒定TC进料塔底采出12蒸汽方案1：控制塔釜温度恒定单回路控制的局限性目标：控制塔釜温度稳定方案1优点：将所有对温度的干扰都概括在控制回路内。缺点：当蒸汽压力波动较大时，由于温度对象滞后较大，控制质量不理想。方案2优点：能及时克服蒸汽压力的干扰对温度的影响缺点：不能克服进料流量、物料温度等其他因素对温度的影响。PCTC进料塔底采出12蒸汽希望在塔釜温度不变时蒸汽流量能保持设定值，而当塔釜温度在外来干扰的作用下偏离给定值时，又要求蒸汽流量能作相应的变化，使塔釜温度保持在设定值上。

蒸汽进料塔底采出12FC方案3：串级控制系统TCO流量控制器FC执行器

流量对象温度T设定值干扰f1精馏塔控制系统方块图温度对象温度控制器TC－+－+干扰f2温度检测仪表流量检测仪表F副控制器执行器

副对象主变量设定值主干扰串级控制系统方块图主对象主控制器－+－+副干扰主测量、变送副测量、变送副变量副回路主回路常用的名词主变量副变量主对象副对象主控制器副控制器主回路副回路串级控制系统方块图串级控制系统的工作过程干扰作用于付回路NH3压力增加流量增加调节器输出减小温度上升TC输出减小NH3流量减小阀门开度减小偏差小干扰，付环解决；大干扰，主、付环共同解决。串级系统的特点总体来看，仍然是一个定值调节系统。1、能迅速克服进入副回路的干扰，副回路起到了“粗调”的作用。对于进入付回路的干扰有较强的抗干扰能力。（1）干扰的量因付回路的存在而减小（进入主回路），1/（1+KC2KVK02KM2）倍；（2）二个调节器，大大提高了调节器的总放大倍数，提高克服干扰的能力。2、改善对象特性，提高工作频率，提高系统克服干扰的能力。3、适应能力增强。主回路对副对象具有“鲁棒性”，提高了系统的控制精度。“鲁棒性”又有“强壮性”，系统的控制品质对对象特性变化越不敏感，则该系统的“鲁棒性”越好。主回路：定值，付回路：随动。主调节器能根据对象操作条件和负荷变化情况，不断纠正付调节器的给定值，以适应操作条件和负荷变化。串级控制系统的应用1、对象容量滞后大——当被控对象容量滞后比较大时，可以选择一个滞后较小的辅助变量组成付回路，使对象的等效时间常数减小，以提高系统的工作频率。最终提高控制质量。如：夹套反应器温度控制系统，反应器内温度为主参数，夹套内的温度作为付参数。2、系统内存在变化频繁且幅值大的干扰——串级系统对进入付回路的干扰具有较强的克服能力，因此，可以把变化频繁且幅值大的干扰包含到付回路去，并且把付调节器的放大倍数整定得足够大，使系统的抗干扰能力大大提高。3、被控对象纯滞后时间比较长——在离调节阀比较近，纯滞后比较小的地方选择一个变量作为付参数。当干扰在它之前进入系统时，就可以在影响主参数之前及早在付参数上得到反映，付调节器就可及时采取措施予以克服。由于付回路控制通道短，滞后小，所以控制及时，过渡过程周期短，超调量小。对于在付参数检测点之后进入系统的干扰，串级控制系统的优越性不大。4、当被控制变量的给定值需要根据工艺情况经常改变时——如图，炼油厂催化裂化装置中催化剂加料器一次风压力与一次风流量串级控制系统。为了防止催化剂从进料器顶上吹出，并防止催化剂降落到加料器底部堵塞管道和容器，造成事故，一次风量必须随一次风压的变化不断校正，为此以一次风压主参数，一次风量为付参数构成串级系统，就可以实现这样的要求。正作用正作用二次风鼓风机来热风一次风来自反应器的催化剂气关FCPC5、被控对象有非线性而负荷变化又较大时——串级系统具有一定的适应能力，负荷变化而引起对象工作点改变时，主调节器的输出会重新调整付调节器的给定值，继而由付调节器的输出来改变调节阀的开度，这样虽然付回路的衰减度变了，但是它的变化对整个系统的稳定性影响是很小的。主、付参数的选择主参数：选择原则与单回路控制系统一样。付参数：选择的关键，其原则为：（1）付回路必须包含主要干扰且应尽可能包含更多的干扰。但不是包含的干扰越多越好，干扰多，付对象的时间滞后必大。（2）付参数的选择应使主、付对象时间常数匹配，以防“共振”。串级的控制频率总比同等条件下单回路控制系统要高。T01/T02=3——10T01/T02大于10，T02小，相当于付回路包含的干扰太小；T01/T02小于3，T02大，反应不灵敏，对进入付回路的干扰不能及时克服。（3）付参数的选择应考虑工艺的合理性和经济性。气态丙烯液态丙烯出料进料L气态丙烯液态丙烯出料进料LTTP付参数：冷剂液位，投资少，适用于对温度控制质量要求不高的场合付参数：冷剂蒸发压力，投资高，但付参回路相当灵敏，温度控制质量相当高（4）付被控制变量给定值需要自动校正而采用串级控制时，主、付被控变量的选取应根据工艺要求来确定。主参数应能及时反映变化的操作条件，而付参数必须能精确地、快速地跟踪主调节器的输出。（5）当对象具有非线性环节时，在设计时应使非线性环节处于副环之中。因为串级调节系统具有一定的自适应能力，当操作条件或负荷变化时，主控制器可以适当地修改副控制器的给定值，使副环在一个新的工作点上运行，以适应变化了的情况。当然，副回路的衰减系数和稳定程度会有所变化，然后，由于1+KC2KVKM2》1，因此操作条件或负荷的变化所引起的K02的变化对等效对象的放大倍数影响不大，所以当非线性环节包含在副环之中时，它的非线性对主对象的影响就很小了。某厂醋酸乙烯合成反应器中温度控制问题就是一例。为了保证合成气的质量，工艺要求对反应器中温度进行控制，而特性随着负荷的变化而变化。为此，可在换热器的出口设置一温度检测点，并以它为副参数组成一个温度与温度串级控制系统。在本方案中，由于热交换器这一非线性环节包含在副回路之中，负荷的变化所引起的对象非线性影响就为副回路本身所克服，因此它对主回路的影响就很小了。醋酸、乙烯混合物气TC1TC2生成气（6）当对象具有较大纯滞后时，应使所设计的副回路尽量少包括或不包括纯滞后。这样做的原因就是尽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，及时对干扰采取控制措施，将干扰的影响抑制在最小限度内，从而提高主变量的控制质量。但是利用串级控制克服纯滞后的方法有很大的局限性，即只有当纯滞后环节能够大部分乃全部可以划入主对象中去时，这种方法才能有效地提高系统的控制质量，否则将不会获得好的效果。主、付调节器调节规律的选取（1）主调节器

A、控制质量要求高，其允许波动范围小，更不允许有余差存在时，用PI或PID；

B、控制质量要求不太高，其允许波动范围较大，或是为了同时兼顾主、付参数时，用P或PI。（2）付调节器当付回路对象滞后小时，付调节器用“P”；当要求付参数能快速、准确地随主调节器输出时，付调节器用“PI”。当付对象为流量对象时，付调应用“PI”。“P”对噪声较敏感，如将比例度放大，则控制作用又太弱，用“PI”来解决噪声对控制质量的影响。付调一般不引入“D”作用，因付调对给定值的变化也起“D”作用，主调输出稍有变化，调节阀的开度将作大幅度的波动，对控制不利。只有当付对象容量滞后较大时，付调可以适当加点“D”作用。主、付调节器正、反作用的选择（1）递推法先根据工艺要求确定调节阀的开关形式，然后决定付调节器的正、反作用，再依据主、付被控变量的关系确定主调节器的正、反作用。以HNO3生产氨氧化炉生产控制系统为例：

A、断气时，阀门应关，故选择气开阀。

B、付调节器：NH3流量增加——要求阀门开度降低——气压信号降低——调节器输出降低。所以选择反作用。

C、主调节器：主调的作用方式只与主对象的特性有关，因为付回路是一个负反馈回路，主调的作用方式与付调及阀门均无关。主对象输入增加——输出增加——主对象为正特性，主调选反作用；主对象输入增加——输出减小——主对象为负特性，主调选正作用。氨氧化炉：NH3流量增加——温度上升，对象为正特性，所以主调选反作用。主副控制器参数的工程整定(1)在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用的条件下，将主控制器的比例度先固定在100％的刻度上，然后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δ2S和操作周期Τ2S。(2)在副控制器比例度等于δ2S，的条件下，逐步减小主控制器的比例度，直至主回路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δ1S。和操作周期Τ1S

。(3)根据上面得到的δ1S、、Τ1S、δ2S、、Τ2S按表7-2(或表7-3)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。(4)按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定方法，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。

两步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器

一步整定法：即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。副变量类型副控制器比例度δ2％副控制器比例放大倍数KP2温度20～605.0～1.7压力30～703.0～1.4流量40～802.5～1.25液位20～805.0～1.25一步整定法的整定步骤如下。(1)在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照上表所列的数据，将副控制器比例度调到某一适当的数值。(2)利用简单控制系中任一种参数整定方法整定主控制器的参数。(3)如果出现“共振”现象，可加大主控制器或减小副控制器的参数整定值，一般即能消除。共振问题如果主、副对象时间常数相差不大，可能会出现“共振”现象这时可适当减小副控制器比例度或积分时间，以达到减小副回路操作周期的目的。同理，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，使主、副回路的操作周期之比加大，避免“共振”。这样做的结果会在一定程度上降低原先期望的控制质量。如果主、副对象特性太接近，则说明确定的控制方案欠妥当，变量的选择不合适，有时就不能完全靠控制器参数的改变来避免“共振”了。

2.3.2均匀控制系统

连续精馏的多塔分离过程

对甲塔来说，塔釜液位是一个重要的工艺参数，必须保持在一定范围