过程装备控制技术及应用基础

过程装备控制基础主要内容被控对象的特性单回路控制系统复杂控制系统数学描述特性参数实验测定单回控制系统的设计调节器的调节规律调节器参数的工程整定串级、前馈比值、选择性均匀、分程被控对象的特性定义：被控对象的特性，就是当被控对象的输入变量发生变化时，其输出变量随时间的变化规律(包括变化的大小、速度等)。被控对象输入变量与输出变量之间的联系称为通道；操纵变量与被控变量之间的联系称为控制通道；干扰作用与被控变量之间的联系称为干扰通道。被控对象的特性被控对象的特性一、被控对象的数学描述

在静态条件下，单位时间流入对象的物料（或能量）等于从系统中流出的物料（或能量）；在动态条件下，单位时间流入对象的物料（或能量）与单位时间从系统中流出的物料（或能量）之差等于系统内物料（或能量）贮存量的变化率。数学描述微分方程式数学模型数学模型：过程在输入量（包括控制量和扰动量）作用下，其输出量（被控量）随输入量变化的数学函数关系表达式。被控对象的特性建立数学模型意义可以更深入地了解被控过程的特性。便于用计算机仿真计算来分析控制过程。便于寻求优化操作条件。用于调试系统及进行调节器参数整定。用来建立操作人员的培训系统。被控对象的特性数学模型的特点数学模型的形式影响过程参数的因素相对复杂。系统运行过程中各数学模型的参数随运行条件的变化会有较大的改变。按参量形式分被控对象的特性1、单容液位对象（1）有自衡对象的单容对象被控对象水槽被控变量液位Hx操纵变量进水量Qi液位H进水量Qi被控对象的特性x静态：Qi=Qo，液位H保持不变。根据物料平衡方程得：式中：A－水箱横截面积；dH－液位变化量；Qi、Qi流入量与流出量的变化量。输入量的变化与控制的开度x有关，即Qi=kxx流出量与液位有关，即输出量的变化量为线性化处理被控对象的特性式中:C－对象的液容，也叫容量系数，这里就是水箱的横截面积A；T－对象的时间常数，T＝液阻液容＝RC＝RA；K－对象的放大系数。K=kxR；H=Kx(1-e-t/T)被控对象的特性xyxt002T3T4TH()H0HtT0.632h()T0.632h()H=Kx(1-e-t/T)被控对象的特性（2）无自衡对象的单容对象x被控对象水槽被控变量液位H操纵变量进水量Qi液位H进水量Qi被控对象的特性x镜态：Qi=Qo，液位H保持不变。根据物料平衡方程得：式中：A－水箱横截面积；dH－液位变化量；Qi流入量变化量。输入量的变化与控制的开度x有关，即Qi=kxxh(t)xtt被控对象的特性2、双容液位对象(1)两储槽互不关联传递函数被控对象的特性(2)两储槽互相关联传递函数被控对象的特性h(t)xttc被控对象的特性二、被控对象的特性参数1.放大系数

放大系数又称静态增益，是被控对象重新达到平衡状态时的输出变化量与输入变化量之比。被控对象的特性放大系数的一般性说明（1）放大系数K表达了被控对象在干扰作用下重新达到平衡状态的性能，是不随时间变化的参数。所以K是被控对象的静态特性参数。（2）在相同的输入变化量作用下，被控对象的K越大，输出变化量就越大，即输入对输出的影响越大，被控对象的自身稳定性越差；反之，K越小，被控对象的稳定性越好。被控对象的特性（3）K在任何输入变化情况下都是常数的被控对象称为线性对象。输入不同的变化量其放大系数不为常数的被控对象，称为非线性对象。非线性对象是比较难控制的。（4）处于不同通道的放大系数K对控制质量的影响是不一样的。被控对象的特性2.时间常数

间常数反映了被控对象受到输入作用后，输出变量达到新稳态值的快慢，它决定了整个动态过程的长短。它是被控对象的动态特性参数。(1)指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。(2)当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的63.2%所需时间。被控对象的特性3.滞后时间

滞后时间是描述对象滞后现象的动态参数。根据滞后性质可分为传递滞后和容量滞后两种。传递滞后0：又叫纯滞后，是由于信号的传输、介质的输送或热的传递要经过一段时间而产生的。容量滞后C：容量滞后一般是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。滞后时间τ：是传递滞后0和容量滞后C的总和。被控对象的特性被控对象的特性h(t)xttc被控对象的特性对象特性模型结构无自衡过程自衡过程延时无延时延时无延时二阶一阶被控对象的特性三、对象特性的实验测定机理建模法：从工艺过程的机理出发，写出各种有关的平衡方程（如物料平衡、能量平衡等）求取被测对象的微分方程式。实验测定法：系统处于稳定后，给对象输入一激励信号，使对象处于动态变化的过程，根据测得的一系列的实验数据或曲线，进行数据分析和处理，得到对象特性参数的具体数值。被控对象的特性

根据激励信号不同，实验测定法又分为：时域分析法、频域分析法和统计分析法时域分析法在被测对象的输入端施加阶跃信号或脉冲信号，测绘出对象的输出变量随时间变化的阶跃响应曲线或脉冲响应曲线，分析响应曲线确定对象的数学模型。简单、精度低频域分析法在被测对象的输入端施加不同频率的正弦波，测出输出量与输入量的幅值比和相位差，获得对象的频率特性。简单、精度低被控对象的特性统计分析法在被测对象的输入端施加阶随机信号，观察和记录由此引起的各参数的变化，运用统计相关法研究对象的动态特性。复杂、精度高被控对象的特性1、阶跃响应法测定对象特性原理：阶跃响应法是指通过操作过程的调节阀，使过程的控制输入一个阶跃变化，将被控量随时间变化的曲线用记录仪或其他方法测试记录下来，在根据测试记录的响应曲线求取过程输出与输入的数学关系。测试图被控对象的特性注意事项：（1）扰动量要选择恰当。（2）测试前，被控过程应处于相对稳定的状态。（3）相同条件下应重复多做几次试验，从几次的测试结果中选择两次以上比较接近的响应曲线作为分析依据。（4）分别作阶跃输入信号为正、反方向两种变化情况的试验对比。被控对象的特性介绍确定模型结构参数的原理与方法（1）一阶无延时自衡对象传递函数：◆一阶对象被控对象的特性（2）一阶延时自衡对象传递函数：被控对象的特性（3）一阶无延时无自衡对象传递函数：y(t)tt传递函数：（4）一阶延时无自衡对象（1）二阶无延时自衡对象◆二阶对象被控对象的特性传递函数：被控对象的特性（2）二阶延时自衡对象传递函数：式中x=T1/T2被控对象的特性矩形脉冲法测定对象的数学模型矩形脉冲法

利用控制阀加一扰动后，待被控量上升（或下降）到将要超过生产上允许的最大偏差时，立即清除扰动，让被控量回到起始值。优点◆施加扰动的时间短◆扰动幅值可达20％或30％◆测量响应曲线的时间短被控对象的特性脉冲响应曲线转换阶跃响应曲线ys(t)=yp(t)+ys(t-t0)tu1(t)tu2(t)tu(t)被控对象的特性例：设t0=2min，脉冲幅值为0.2t/h，即利用煤气阀门施加一个扰动，使燃料量变化0.2t/h，经2min后立即将阀门准确回到原位，材料温度随燃气的增加而上升，测量材料出口温度t，每分钟记录一次，共记40次。被控对象的特性4.164.144.104.074.023.983.923.873.803.74ys(℃)3.663.593.503.413.303.193.062.922.762.59ys(℃)2.402.201.971.731.461.170.850.480.250ys(℃)0.160.180.200.220.240.270.300.330.360.39yp(℃)19181716151413121110t(min)0.060.070.080.090.100.110.120.130.140.15yp(℃)29282726252423222120t(min)00.010.010.010.020.020.030.030.040.05yp(℃)39383736353433323130t(min)4.264.264.264.264.254.244.234.224.204.19ys(℃)0.430.470.510.560.610.690.600.480.250yp(℃)9876543210t(min)单回路控制系统

单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统。单回路控制系统正确选择被控变量与控制变量。正确选择调节器的正反作用与调节阀的开关形式。合理选择调节器的控制算法。合理选择调节阀的流量特性。正确选择测量变送器。一、单回路控制系统的设计调节器参数的整定。单回路控制系统1.被控变量的选择

被控变量是生产过程中希望保持在定值或按一定规律变化的过程参数。是对提高产品质量和产量、促进安全生产、提高劳动生产效率、节能等具有决定作用的工艺变量。合理选择被控变量的基本原则：作为被控变量，其信号最好是能够直接测量获得，并且测量和变送环节的滞后也要较小。单回路控制系统若被控变量信号无法直接获取，可选择与之有单值函数关系的间接参数作为被控变量。作为被控变量，必须是独立变量。变量的数目一般可以用物理化学中的相律关系来确定。作为被控变量，必须考虑工艺合理性，以及目前仪表的现状能否满足要求。单回路控制系统2.操纵变量的选择

在控制系统中，用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量就是操纵变量。在化工和炼油生产过程度中，最常见的操纵变量是流量，也有电压、转速等。单回路控制系统考虑工艺合理性考虑被控对象特性操纵量：载热体流量（蒸汽流量）操纵量：稀释水流量①使被控对象控制通道的放大系数较大，时间常数较小，纯滞后时间越小越好。单回路控制系统②使被控对象干扰通道的放大系数尽可能小，时间常数越大越好。精馏过程示意图1-精馏塔；2-蒸汽加热器被控变量：精馏塔某段的温度干扰：进料流量、进料成分、进料温度、回流流量、回流温度、加热蒸汽流量、冷凝器冷却温度及塔压等。操纵量：加热蒸汽流量单回路控制系统3.执行器的选择

执行器是过程控制系统中的一个重要环节，其作用是接受调节器送来的控制信号，调节管道中的介质的流量（调节操纵变量），从而实现生产过程的自动控制。调节阀（执行机构和阀）按照生产过程的特点、安全运行和推动力等来选择气动、电动或液动执行器。根据被控变量的大小选择调节阀的流通能力。从安全的角度选取调节阀的气开或气关形式。从被控对象的特性、负荷的变化情况等选择调节阀的流量特性。。单回路控制系统（1）气动调节阀、电动调节阀、液动调节单回路控制系统单回路控制系统单回路控制系统

额定时间内，阀门处于最大开启状态时，流经阀门的体积流量，或者是质量流量的总和。（2）调节阀的流通能力（3）调节阀的流量特性的选择

在阀两端压差保持恒定的条件下，介质流经调节阀的相对流量与它的开度之间关系。最常见调节阀的流量特性有线性、等百分比、抛物线三种。单回路控制系统

调节阀的流量特性是指流体流过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的关系，即式中，为相对流量，即调节阀某一开度流量与全开流量之比；为相对开度，即调节阀某一开度行程与全行程之比。单回路控制系统负荷变化对象特性变化调节器参数√如果负荷变化不可知，采用自整定调节器的方法，根据负荷变化及时修正调节器参数。√如果负荷变化有一定规律，采用采用选择调节阀的流量特性来补偿对象特性的变化，使广义对象的特性在负荷变化时保持不变。单回路控制系统生产安全保证产品质量节省能源产品介质的特点锅炉给水阀应为气关阀精馏塔回流量阀为气关阀精馏塔进料阀为气开阀精馏塔塔釜蒸汽调节阀应为气开阀（4）调节阀气开、气关形式的选择单回路控制系统4.检测变送环节的影响

检测变送环节在控制系统中起着获得信息和传递信息的作用。纯滞后在过程控制中，由于检测元件安装位置的原因会产生纯滞后。PH值控制系统式中，—主管道、支管道的长度；

—主管道、支管道内流体的速度。单回路控制系统蒸汽直接加热系统纯滞后时间

纯滞后使测量信号不能及时地反映被控变量的实际值，从而降低了控制系统的控制质量。方法：正确选择安装检测点的位置，使检测元件不要安装在死角或容易结焦的地方。单回路控制系统测量滞后测量滞后是由测量元件本身特性所引起的动态误差。当测量元件感受被控变量的变化时，要经过一个变化过程，才能反映被控变量的实际值，这时测量元件本身就构成了一个具有一定时间常数的惯性环节。

克服测量滞后的方法通常有两种：一是尽量选用快速测量元件；二是在测量元件之后引入微分作用。单回路控制系统传递滞后即信号传输滞后，主要是由于气压信号在管路传送过程中引起的滞后。①尽量缩短信号管线的长度。②改用电信号传递。③在气压管线上加气动继动器，或在执行器上加气动阀门定位器。④按实际情况采用基底式仪表。单回路控制系统5.调节器正反作用的确定系统稳定的条件系统开环总的放大倍数为负极性闭环负反馈环节的极性：当环节的输入信号增大时，若输出信号增大，则其放大倍数为正极性；若输出信号减小，则其放大倍数为负极性。单回路控制系统6.调节器的投运问题无扰动切换无扰动切换：从手动切换到自动或从自动切换到手动，不造成系统的扰动，不破坏系统原有的平衡状态。实现原则：切换中不能改变原来调节阀的开度。单回路控制系统二、调节器的调节规律

调节器是控制系统的心脏。它的作用是将测量变送信号与给定值相比较产生偏差信号，然后按一定的运算规律产生输出信号，推动执行器，实现对生产过程的自动控制。

调节规律是指调节器的输出信号随输入信号变化的规律。断续调节连续调节单回路控制系统1.位式调节规律理想的双位调节规律的数学表达式为

双位调节规律是一种典型的非线性调节规律，当测量值大于或小于给定值时，调节器的输出达到最大或最小两个极限位置。与调节器相连的执行器相应也只有“开”和“关”两个极限工作状态。单回路控制系统双位炉温自动控制系统被控对象：加热炉1检测元件：热电偶2调节器：双位调节器3执行机构：继电器4加热装置：电容器5工作过程：温度的给定值用双位调节器上的给定值指针由人工设置。炉温由热电偶测量并送至双位调节器。双位调节器根据温度测量与给定值的偏差大小发出使继电器通、断电的控制信号，从而控制加热炉内部的温度。单回路控制系统优点：位式调节结构简单、成本较低、使用方便、对配用的调节阀无任何特殊的要求。缺点：被控变量总在波动，控制质量不高。当被控对象纯滞后较大时，被控变量波动幅度较大。使用场合：带有上、下限装置的检测仪表，如压力表、水银温度计、双金属片温度计、电子电位差计、能自动平衡电桥等；控制要求不高的场合。单回路控制系统具有中间区的双位调节器

当偏差达到一定数值或时，调节器的输出才会变化，而在中间区内调节器的输出将取决于它原来所处的状态。（1）执行机构都有不灵敏区。（2）采用双位调节的系统要求被控变量在两个极限值之间。单回路控制系统控制系统的过渡过程曲线实际双位调节响应曲线性能指标振幅周期2.比例调节规律（P）

在比例调节中，调节器的输出信号变化量与输入信号成比例关系比例放大系数（）式中，称为比例增益或比例放大倍数。单回路控制系统

在阶跃输入作用下，比例调节规律的输出特性。简单比例控制系统被控变量：水位调节器：杠杆测量元件：浮球操纵量：进水位单回路控制系统比例控制具有控制及时、克服偏差有力的特点。比例控制必然有余差存在。单回路控制系统比例度（）

比例度是指调节器输入变化量与相应输出的相对变化量之比的百分数。

要使输出信号作全范围的变化，输入信号必须改变全量程的百分之几，即输入与输出的比例范围。单回路控制系统比例度对过渡过程的影响比例度越大,放大倍数越小，余差就越大；反之，比例度减小，系统的余差也随之减小。比例度越小，最大偏差越小，振荡周期也越短，工作频率提高。比例度的减小，系统的稳定程度降低，其过渡过程逐渐从衰减振荡走向临界振荡直至发散振荡。

比例调节器适用于干扰少、扰动幅度小、负荷变化不大、滞后较小或者控制要求精度不高的场合。单回路控制系统例：某气动比例温度控制器的输入范围为5001000C，输出范围为20100kPa，当控制器输入变化200C时，其输出信号变化40kPa，则该控制器的比例带为单回路控制系统加热器出口温度控制系统BB100x100AAAOOOQ1Q0单回路控制系统3.比例积分调节规律（PI）积分调节规律（I）

在积分调节规律中，调节器输出信号的变化量与输入偏差的积分成正比。式中，为积分速度。

在阶跃输入作用下，积分调节规律的输出特性。单回路控制系统比例积分调节规律（PI）时间常数

在阶跃输入作用下，比例积分调节规律的输出特性。积分时间：在阶跃偏差输入作用下，调节器的输出到达比例输出两倍时所经历的时间。单回路控制系统积分时间对系统过渡过程的影响比例度不变

积分时间的减小，积分作用不断增强，最大偏差减小，余差消除加快，但同时系统振荡加剧，稳定性下降。4.比例积分微分调节规律（PID）微分调节规律（D）

在微分调节中，调节器输出信号的变化量与输入偏差的变化速度成正比。微分增益单回路控制系统理想微分作用特性

微分调节器的输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差存在与否无关。即微分作用对恒定的偏差没有克服能力。比例微分调节规律（PD）微分时间单回路控制系统实际比例微分调节器的数学表达式为微分时间对过渡过程的影响比例度不变

微分时间的增加，微分作用加强，最大偏差减小，振荡加剧，稳定性变差。单回路控制系统比例积分微分调节规律（PID）理想的PID调节规律的数学表达式实际比例积分微分调节规律（PID）的传递函数单回路控制系统根据控制规律特点选择比例(P)控制器比例控制是最简单最基本的控制律能迅速有力地克服干扰的影响，或使被控变量能迅速跟踪设定值的变化，过渡过程时间短，而且只有一个参数需要整定。但是，过渡过程结束后有余差存在。

适用于负荷变化小、自衡能力强、对象控制通道中的纯滞后时间和时间常数之比()较小、工艺上允许有余差存在、控制质量要求不高的场合。

单回路控制系统比例微分(PD)控制器在比例控制基础上引入微分作用后，减小了系统的稳定程度，从而可以加快过渡过程，减小动态偏差和余差，对克服对象的容量滞后有显著的效果。但是，微分作用不能过强，否则会使系统对高频干扰特别敏感，反而可能引起系统振荡程度加剧。

适用于对象控制通道的时间常数较大、负荷变化较小、反应速度较慢的场合。但是，微分时间的设置要合理。对于容量滞后很小、干扰作用频繁的系统，应尽可能避免使用微分作用；对于存在测量噪声或周期干扰的系统，则不宜采用微分控制。

单回路控制系统比例积分(PI)控制器在比例控制的基础上引入积分作用后，会增加了系统的稳定程度，比例增益必须减小，从而使过渡过程变慢。动态偏差变大。但是，积分增益有其独特的优点就是可以消除余差。

适用于对象控制通道的时间常数较小、负荷变化不很大、工艺要求没有余差的场合。对容量滞后和纯滞后都比较大的系统，要尽量避免使用比例积分控制器。

单回路控制系统比例积分微分(PID)控制器既能克服对象的容量滞后，减小动态偏差，提高系统的稳定性，又能消除系统的余差。

适用于控制对象负荷变化较大、对象容量滞后较大、工艺要求无余差、控制质量要求较高的系统。但是，对于纯滞后很大、负荷变化很大的系统，三作用控制同样无能为力。单回路控制系统（5）调节规律的选取1-比例调节；2-积分调节；3-比例积分调节；4-比例微分调节；5-比例微分积分调节单回路控制系统根据被控变量选择液位控制系统通常液位控制系统的对象是一个单容量对象，没有纯滞后，容量滞后也较小，而且常常允许液位有一些波动。

一般情况下选择比例(P)控制规律；在控制要求较高的场合，选择比例积分(PI)控制规律。温度控制系统温度控制系统的对象是多容量的，时间常数比较大，纯滞后时间的长短随对象的不同或测量元件的位置不同而变化，通常不允许有余差。

选择比例积分(PD)控制规律或比例积分微分(PID)控制规律。单回路控制系统流量控制系统流量控制系统被控变量与操纵变量是同一物料的流量，控制对象很接近于1:1的比例环节，时间参数非常小，从而使广义对象的特性几乎取决于测量变送器和控制阀。

选择比例积分(PI)控制规律。压力控制系统在压力控制系统中，控制对象的特性差别很大，所选控制规律也各不相同。

选择比例(P)控制规律。单回路控制系统三、调节器参数的工程整定被控对象的动态特性干扰噪声的形式和幅值控制方案调节器参数控制品质不能再改变◆参数整定的实质

通过调整调节器的参数（比例带

、积分时间

、微分时间)，使调节器的特性与被控对象的特性相匹配，以达到最佳控制效果。单回路控制系统◆衡量调节器参数是否最佳的标准

单项性能指标衰减比为4:1或10:1误差积分性能指标单回路控制系统◆系统参数整定方法理论计算整定法工程整定法

基于对象的阶跃响应曲线，是一种近似的经验方法。

基于被控对象数学模型（如传递函数、频率特性），通过计算方法直接求得调节器整定参数。频率法、根轨迹法、偏差积分准则经验试凑法、动态特性参数法临界比例度法、衰减曲线法单回路控制系统（1）经验试凑法

经验试凑法就是根据被控变量的性质，在已知合适的参数（经验参数）范围内选择一组适当的值作为调节器当前的参数值，然后直接在运行的系统中，人为地加上阶跃干扰，通过观察记录仪表上的过渡过程曲线，并以比例度、积分时间、微分时间对过渡过程的影响为指导，按照某种顺序反复试凑。直到获得满意的过渡过程曲线为止。单回路控制系统温度系统其对象容量滞后较大，被控变量受干扰作用后变化迟缓，一般选用较小的比例度，较大的积分时间，同时要加入微分作用，微分时间是积分时间的四分之一。流量系统是典型的快速系统，对象容量滞后较小，被控变量有波动。对于这种过程，不用微分作用，宜用PI调节规律，且比例度要大，积分时间可小。单回路控制系统压力系统通常为快速系统，对象的容量滞后一般较小，其参数的整定原则与流量系统的整定原则相同。但在某些情况下，压力系统也会成为慢速系统，这时系统的参数整定原则应参照典型的温度系统。液位系统其对象时间常数范围较大，对只需要实现平均液位控制的地方，宜用纯比例控制，比例度要大，一般不用微分作用，要求较高时应加入积分作用。单回路控制系统调节器参数经验数据系统参数温度20603100.53流量401000.11压力30700.43液位20100单回路控制系统（2）临界比例度法

临界比例度法又称Ziegler-Nichols方法，它首先求取在纯比例作用下的闭环系统为等幅振荡过程时的比例度和振荡周期，然后根据经验公式计算出相应的调节参数。整定步骤√设置调节器积分时间，微分时间，比例带较大值，使控制系统投入运行。单回路控制系统√待系统运行稳定后，逐渐减小比例带，直到系统出现等幅振荡，即累加振荡过程。记录此时的临界比例带和临界振荡周期。√利用和值，计算相应的计算公式，求调节器各振荡参数的数值。0.130.51.7PID0.852.2PI2P控制规律单回路控制系统适用条件工艺允许被控变量做等幅振荡；在获取等幅振荡曲线时，不能使控制阀全关、全开的极限状态。单回路控制系统（3）衰减曲线法√设置调节器积分时间，微分时间，比例带较大值，使控制系统投入运行。√待系统运行稳定后，逐渐减小比例带，直到系统出现4:1（或10:1）的衰减振荡。记录此时的比例带和临界振荡周期（或上升时间）。单回路控制系统√利用和或值，计算相应的计算公式，求调节器各振荡参数的数值。单回路控制系统适用条件干扰较小的系统；设定值的干扰不应超出工艺允许的范围。单回路控制系统特性曲线法利用广义对象时间常数整定调节器参数的方法。广义对象的动态特性调节器类型调节器参数(%)TI/minTD/minP(Ko/To)100%－－PI(1.1Ko/To)100%3.3－PID(0.85Ko/To)100%20.5复杂控制系统复杂生产过程的特点◆过程可控程度较差◆过程具有较明显的时变性和非线性◆扰动剧烈而且幅度大◆控制性能要求高◆过程参数之间存在严重的关联复杂控制系统串级控制系统前馈控制系统比值控制系统均匀控制系统分程控制系统选择性控制系统改善性能指标实现特殊要求复杂控制系统一、串级控制系统1.串级控制的基本原理管式加热炉工艺要求：被加热油聊的出口温度稳定。被控变量：被加热油料的出口温度干扰：被加热油料的流量波动和温度的变化；燃料油压力的波动和热值的变化；复杂控制系统管式加热炉出口温度单回控制系统

控制通道的容量滞后大、时间常数大，导致控制系统的控制作用不及时，反映迟钝、最大偏差大、过渡时间长、抗干扰能力差，控制精度降低。管式加热炉炉膛温度单回路控制系统

控制通道的容量滞后大大减少，但是没有对出口温度构成闭环控制，因此，不能保证出口温度稳定在要求的值上。复杂控制系统管式加热炉出口温度燃料油流量串级控制系统

根据炉膛温度的变化，先调节燃油量（迅速实现“粗调”作用），然后再根据被加热油料出口温度与给定值之间的偏差，进一步调节燃料油量（实现“细调”）复杂控制系统定义：由两台调节器串联在一起，控制一个调节阀，从而使工艺生产的主要参数达到更好的控制效果的控制系统。复杂控制系统串级控制系统术语主被控变量大多为工业生产过程中的重要参数，在串级控制系统中起指导作用的被控变量。副被控变量大多为影响主被控变量的重要参数，通常为稳定主被控变量而引入的中间辅助变量。副被控变量主被控变量复杂控制系统主对象大多为工业过程中所要控制的、由主被控变量表征其主要特性的生产设备和过程。副对象大多为工业过程中影响主被控变量的、由副被控变量表征其特性的辅助生产设备或辅助过程。副对象主对象复杂控制系统主控制器在系统中起主导作用，按主被控变量和其设定值之差进行控制运算，并将其输出作为副控制器设定值的控制器。副控制器在系统中起辅助作用，按所测得的副被控变量和主控制器输出之差来进行控制运算，其输出直接作用于控制阀的控制器。主控制器副控制器主控制器副控制器复杂控制系统主变送器测量并转换主被控变量的变送器。副变送器测量并转换副被控变量的变送器。主回路即整节串级控制系统，共包括由主变送器、主控制器、副回路等效环节、主对象所构成的闭环回路，又称为“主环”或“外环”。副回路处于串级控制系统内部的，由副变送器、副控制器、控制阀和副对象所构成的闭环回路，又称为“副环”或“内环”。主变送器副变送器复杂控制系统Gc1(s)Gc2(s)Gv(s)Gp2(s)Gp1(s)Gm2(s)Gm1(s)R1(s)R2(s)Y1(s)Y2(s)--复杂控制系统2.串级控制系统的工作过程二次干扰一次干扰干扰作用于副回路（即二次干扰）干扰作用于主回路（即一次干扰）干扰同时作用于主、副回路（即一次干扰和二次干扰）复杂控制系统干扰作用于副回路（即二次干扰）◆二次干扰为小干扰，即副被控变量变化，主被控变量不变。TQZ1Z2R1E1R2E2→E1=Z1-R1不变→

R2不变Q→Z2→E2=Z2-R2R1不变T不变→Z1不变副控制器反作用副控制器输出控制阀气开式控制阀关小→Q复杂控制系统◆二次干扰为大干扰，即副被控变量、主被控变量变化。TQZ1Z2R1E1R2E2→E1=Z1-R1

Q→Z2→E2=Z2-R2R1不变Q→T→Z1副控制器反作用副控制器输出控制阀气开式控制阀关小→Q→T主控制器反作用R2

复杂控制系统干扰作用于主回路（即一次干扰）◆副被控变量不变，主被控变量变化。TQZ1Z2R1E1R2E2→E1=Z1-R1Q不变→Z2不变→E2=Z2-R2R1不变T→Z1副控制器反作用副控制器输出控制阀气开式控制阀关小→Q主控制器反作用R2→T复杂控制系统干扰同时作用于主、副回路（即一次干扰和二次干扰）◆在干扰的作用下，主、副被控变量同向变化，即同时增加或同时减小TQZ1Z2R1E1R2E2→E1=Z1-R1Q→Z2→E2=Z2-R2R1不变T→Z1副控制器反作用副控制器输出控制阀气开式控制阀关小→Q主控制器反作用R2→T复杂控制系统◆在干扰的作用下，主、副被控变量反向变化，即一个增加而另一个减小。TQZ1Z2R1E1R2E2→E1=Z1-R1Q→Z2→E2=Z2-R2R1不变T→Z1主控制器反作用R2复杂控制系统3.串级控制系统的特点改善了对象的动态特性串级控制系统具有较强的抗干扰能力串级控制系统具有一定的自适应能力Gc1(s)Gc2(s)Gv(s)Gp2(s)Gp1(s)Gm2(s)Gm1(s)R1(s)R2(s)Y1(s)Y2(s)--改善了对象的动态特性G’p2(s)复杂控制系统设令结论：等效副对象的响应速度比原副对象()，而且随着副调节器放大倍数的增加而越来越快。即对象的容量减小，因此惯性滞后也减小。复杂控制系统串级控制系统具有较强的抗干扰能力Gc1(s)Gc2(s)Gv(s)Gp2(s)Gp1(s)Gm2(s)Gm1(s)Gd2(s)R1(s)R2(s)Y1(s)Y2(s)--D2(s)复杂控制系统Gc(s)Gv(s)Gp2(s)Gp1(s)Gm(s)Gd2(s)R1(s)Y1(s)Y2(s)-D2(s)复杂控制系统串级控制系统具有一定的自适应能力

串级控制系统主环是一个定值系统，副环却是一个随动系统。从主调节器能够根据操作条件和负荷的变化，不断修改副调节器的给定值来看，可以认为串级控制系统具有一定的自适应能力。复杂控制系统等效副对象的动态特性

如果Kc2整定的足够大，副环前向通道的放大倍数将远大于1，则

等效对象的放大倍数与副对象本身的放大倍数无关，仅与副回路测量变送元件的放大倍数有关。复杂控制系统复杂控制系统控制品质简单控制系统串级控制系统Kc1=3.7TI=38Kc2=10Kc1=8.4TI=12.8衰减率0.750.75偏差00系统工作频率0.0870.23二次干扰下的短期最大偏差0.240.011一次干扰下的短期最大偏差0.30.11复杂控制系统（1）主要干扰是冷却水的温度波动。（2）主要干扰是冷却水的压力波动。

反应釜内进行放热反应，釜内温度过高会发生事故。为保证产品质量，必须严格控制反应温度。复杂控制系统（1）主要干扰是冷却水的温度波动。复杂控制系统（2）主要干扰是冷却水的压力波动。复杂控制系统复杂控制系统4.串级控制系统副回路的分析选择原则：主、副变量有对应关系副回路应包含主要的和更多的干扰管式加热炉出口温度T复杂控制系统主要干扰：燃料油流量和压力。出口温度与燃料油流量串级控制系统主要干扰：原料油改变、原料油流量和压力。出口温度与炉膛温度串级控制系统复杂控制系统主、副对象的时间常数应匹配To1/To2=3-10

实际中应根据具体对象或系统所希望达到的目的要求而定：（1）控制系统的目的是利用副环快速和抗干扰能力强的特点去克服对象的主要干扰To2应小一些（2）利用串级控制系统改善对象的特性To2应大一些（3）利用串级控制系统克服对象的非线性To2与To2应拉开一些复杂控制系统应考虑工艺的合理性和可能性硫化床催化裂化反应中的温度与增压风风量串级控制系统。主变量：反应器温度副变量：增压风量工作过程：反应器的温度反应工艺情况，反应是吸热反应，其热量是靠再生器烧焦的燃烧热来补偿的，并受载热体与催化剂循环量或增压风量的影响。风量大，催化剂循环量多，携带的热量大，反应温度高。1－再生器2－反应器3－分离器4－再生U型管5－待生U型管6－增风机7－主风机复杂控制系统

这个系统从理论上看是合理的，但是实际使用却不理想。因为催化剂循环量的变动必然影响反应器内催化剂储存量的变化，而催化剂储存量却是催化裂化的一个重要操作条件，是应该稳定不变的。因此，这一串级控制方案对于工艺操作来说是不合理的。如果把这一串级控制方案改为增压风量用一单回路控制系统来控制，以稳定催化剂循环量，而反应器温度通过反应器进料的预热来控制，则效果将会更好。实践也证明，这样的方案是可行的。温度与增压风风量串级控制系统。复杂控制系统要注意生产中的经济性冷却器出口温度与液位串级控制系统冷却器出口温度与蒸发压力串级控制系统从控制角度看，压力为副变量肯定比液位为副变量的方案要灵敏得多。从经济原则来考虑，以丙稀液位液面为副变量比以气丙稀压力为副变量的方案有节省。复杂控制系统例：精馏塔提馏段温度控制主变量：提馏塔的某塔板的温度中间变量：蒸汽流量、蒸汽压力、加热器中被加热物质的气相流量精馏塔提馏段复杂控制系统（1）蒸汽流量作为副变量

只能快速地消除因蒸汽压力变化引起的扰动，对克服其他干扰基本不能发挥控制作用（没有把其他干扰包括进副回路），而且蒸汽流量本来时间常数就小，对系统等效副对象时间常数的减小作用不明显。复杂控制系统（2）阀后加热蒸汽压力作为副变量

蒸气在加热器内放出热量而冷凝，冷凝温度与压力有关，所以阀后压力副变量把壁厚变量包括在其中了。金属壁通常有几秒的时间常数，也就相当于把这个时间常数包括进副回路，提高了系统工作频率提高。复杂控制系统（3）被加热物质的气相流量作为副变量

副回路包含了加热器液相侧的滞后、壁温容量、传热系数的变化等，这样这些扰动就能得到快速的纠正。但是，对克服蒸汽压力的波动就不如前两个方案快速了。复杂控制系统蒸气流量阀后蒸气压力物质的气相流量

以上对副变量的选择讨论都是从控制质量角度来考虑的。但在实际应用时，还需考虑工艺上的合理性和经济性。需要说明一点，一方面副环包含的干扰增多，副环将随之扩大，副变量离主变量就越近，副环调节器的灵敏度将降低，副环所起的快速控制作用就不明显；另一方面，副变量离主变量比较近，干扰一旦影响到副变量，很快也就会影响到主变量，如果主、副对象时间常数比较接近，容易引起“共振”。这样副环的作用也就不大了。因此，在考虑副环包含干扰时应进行综合分析，使副环大小适度。复杂控制系统◆调节器控制作用的选择（1）主变量是生产工艺的重要指标，控制品质要求高，副变量的引入主要是保证和提高主变量的控制精度。主调节器－－PI或PID副调节器－－P（2）生产工艺对主变量和副变量的要求都比较高主调节器－－PI副调节器－－PI5.串级控制系统的实施复杂控制系统（3）对主变量要求不高，甚至允许在一定范围波动，但要求副变量能快速、准确地跟随主调节器的输出而变化。主调节器－－P副调节器－－PD（4）对主变量和副变量的要求都不高。主调节器－－P副调节器－－P结论：对主、副控制器控制规律的选择应根据生产工艺的要求，通过具体分析而妥善地选择。复杂控制系统◆调节器控制正、反作用方式的选择先副后主副回路：主回路：复杂控制系统例：确定如图所示加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统主、副调节器的正、反作用。解：副环

调节阀副调节器为反作用(-)气开式(+)副对象压力对象(+)副变送器压力传感器(+)复杂控制系统主环主调节器为反作用(-)主对象温度对象(+)副变送器压力传感器(+)复杂控制系统确定控制器的正反作用形式。阀门为气关式。复杂控制系统◆串级控制系统的投运原则：采用“先投运副环，后投运主环”的投运顺序。投运过程必须保证无扰动切换。电动Ⅲ型仪表组成的串级系统投运工作步骤：设置主、副调节器的设定值和正、反作用。通过手动遥控副调节器，直到主变量稳定在设定值附近。按先副后主的顺序，依次将副调节器和主调节器切入自动。复杂控制系统◆串级控制系统调节器的工程整定两步法(1)在主、副环闭合，主调节器都处于纯比例的条件下，设置1＝100％，按单回路整定方法整定副环，得到副调节器的衰减率＝0.75时的比例带2s和振荡周期T2s。(2)副调节器处于纯比例，设置2＝2s，用同样的方法整定主调节器，得到主调节器在＝0.75下的比例带1s和振荡周期T1s。复杂控制系统(3)依据两次整定求得的1s、2s和T1s、T2s，按所选调节器的类型，利用“衰减曲线法”的计算公式，分别求出主、副调节器的整定参数、TI、TD

。(4)将上述计算所得调节器参数，按先副后主、先比例次积分最后微分的顺序在主、副调节器上设置好，观察控制过程曲线。复杂控制系统逐次逼近法（1）断开主环，按照单回路整定方法，求取副调节器的整定参数，得到第一次整定值，记作[Gc2]1。（2）把刚整定好的副环作为主环中的一个环节，仍按单回路整定方法，求取主调节器的整定参数，记作[Gc1]1。（3）两个回路都闭合，在主调节器的整定参数[Gc1]1的条件下，按单回路整定方法，重新求取副调节器的整定参数[Gc2]2

。复杂控制系统（4）在两个回路闭合、副调节器整定参数为[Gc2]2的情况下，重新整定主调节器，得到[Gc1]2。（5）将上述计算所得调节器参数，按先副后主、先比例次积分最后微分的顺序在主、副调节器上设置好，观察控制过程曲线。复杂控制系统6.串级控制系统的应用范围用于克服对象的纯滞后纯滞后时间：90s造纸生产纸浆工作过程：纸浆从储槽用泵送入混合器，在混合器内用蒸汽直接加热到72C左右，经过立筛和圆筛除去杂质后送到网前箱，再去铜网脱水制纸。工艺要求:

网前箱温度恒定在61C,最大波动范围为1C复杂控制系统200s450s过渡时间1C8.5C最大偏差串级控制单回路控制纸浆流量波动35kg/min网前箱温度蒸气流量串级控制系统复杂控制系统用于克服对象的容量滞后管式加热炉

当燃料油热值改变时，原料油出口温度响应特性是一个纯值后和一阶非周期环节来近似，其纯滞后时间为0.3min，时间常数为15min。

采用PID三作用的单回路控制系统，原料油出口温度的波动仍然比较大，从而影响到后面分馏塔的分离效果。复杂控制系统出口温度与炉膛温度串级控制系统

燃料油热值变化对炉膛温度的滞后时间较小,时间常数为3min,反应较灵敏。管式加热炉复杂控制系统用于克服变化剧烈和幅值大的干扰

蒸汽压力波动剧烈且幅值大。有时从0.5MPa突然下降到0.3MPa，变化了40％。塔底温度：1.5C精馏塔精馏塔再沸器复杂控制系统精馏塔塔釜温度串级控制系统单回路控制系统＝77％，最大偏差为10C。

串级控制系统2＝20％，最大偏差小于1.5C。从实测的记录曲线上明显地看出，当干扰作用后，曲线只稍微波动一下即平稳下来了。复杂控制系统用于克服对象的非线性醋酸乙炔合成反应炉

图为醋酸乙炔合成反应炉，其中部温度在工艺上要求极其严格控制，否则难以保证合成气的质量。在它的控制通道中包含两个热交换器和一个合成反应炉，当醋酸和乙炔混合气体流量发生变化时，换热器的出口温度随着负荷的减小而显著地增高，并呈明显的非线性变化。复杂控制系统合成反应炉中部温度对换热器出口温度串级控制系统工艺要求:严格控制合成反应炉的中部温度。主变量－反应炉的中部温度副变量－换热器出口温度复杂控制系统用于自校正设定值1－提升管2－加料器3－待再生的催化剂炼油厂催化裂化装置

反应后结焦的催化剂通过加料器，由热风将其从提升管下面送至顶部后，进入再生器烧焦再生。进加料器的二次风是加料用的热风，它的风量是由反应器的料面高低来决定的。进加料器的一次风是提升催化剂的热风，它的风量不能太大，否则会导致催化剂从顶部吹出，但风量也不能太小，否则催化剂将会落到加料器的底部，以致堵塞容器和管道，造成停产事故。复杂控制系统1－提升管2－加料器3－待再生的催化剂炼油厂催化裂化装置反应器料面增高加料器催化剂量增加一次风阻力加大一次风压力增加一次风量增加主变量－一次风压力副变量－一次风流量复杂控制系统进加料器一次风压力与一次风流量串级控制系统1－提升管2－加料器3－待再生的催化剂复杂控制系统二、前馈控制系统1.前馈控制的基本原理前馈控制的基本思想：“防患于未然”，是根据输入系统的扰动信号进行控制。前馈控制的原理：是力图不给输入的扰动影响控制输出的机会。反馈控制系统前馈控制系统反馈是“按后果”控制，前馈是“按前因”控制。复杂控制系统工作过程：通过恰当的算法使控制作用在动态及静态上补偿扰动对被控变量的影响。特点：（1）前馈控制是按照干扰作用的大小进行控制的，一般比反馈控制及时。

当干扰产生后，被控变量还未发生变化时，前馈控制器已产生了控制作用，在理论上可以把偏差彻底消除。复杂控制系统（2）前馈控制属于“开环”控制系统。反馈前馈（3）前馈控制器可视为“专用”控制器。随不同干扰通道的特性，其算法形式或参数也是不同的。缺点：前馈只能克服所测量的扰动。复杂控制系统框图：反馈控制系统前馈控制系统

温度控制器调节阀换热器温度测量变速器反馈控制系统框图－温度控制器调节阀换热器温度测量变速器冷物料流量前馈控制系统框图复杂控制系统2.前馈调节器的算法形式GPD(s)GPC(s)Gff(s)FT式中，GPD(s)和GPC(s)分别为干扰通道与控制通道的传递函数。温度控制器调节阀换热器温度测量变速器冷物料流量前馈控制系统框图

当前馈控制对扰动实现了全补偿，则有以下等式成立：前馈控制器的数学模型前馈算法与干扰和控制通道的动态特性密切相关复杂控制系统3.前馈控制系统的结构形式(1)单纯动态前馈控制前馈控制系统特点：无反馈环算法：在任何时刻均实现对干扰的全补偿复杂控制系统(2)单纯静态前馈控制只需要在稳定下实现对干扰量的补偿。被控过程的干扰通道与控制通道的动态响应相接近，那么只要静态补偿即可。静态前馈调节器由比例器实现。复杂控制系统例：求换热器静态前馈控制器的动作规律。换热器的热量平衡式为：式中，Cp为物料热容；Hs为蒸汽的汽化潜热；T1i为控制系统出口温度的设定值。

物料流量F与进料温度T2为系统的主要干扰。换热器前馈控制系统复杂控制系统换热器的静态前馈控制的信号流程图静态前馈控制算法复杂控制系统前馈控制的局限性：（1）在实际工业生产过程中，使被控参数变化的干扰是很多的，不可能针对每一个干扰设计和应用一套独立的前馈控制器。（2）决定前馈控制器的调节规律的是过程的动态特性，而很难精确得到控制通道和干扰通道的动态特性，既使能够得到，有时也很难实现。（3）对不可测的干扰无法实现前馈控制。复杂控制系统（3）前馈-反馈控制系统换热器前馈-反馈控制系统

只需要对主要干扰实行前馈控制，而其他扰动还是由反馈修正。因为反馈控制可以包容对前馈不能完全补偿的那部分扰动的抑制，所以使得在建立前馈数学模型时的精度要求可以不那么严格，允许在实施前馈控制时采用通用模块。同时也“自适应”了工况变化时前馈模型特性的变化，而反馈控制也由于前馈控制对干扰所作及时的抑制，而大大减小了自身的负担复杂控制系统Gff(s)GPD(s)GPC(s)GC(s)T1iT1F前馈－反馈系统控制框图

当换热器负荷量F发生变化时，前馈调节器Gff按一定的控制规律改变加热蒸汽流量Fs以补偿F对被控变量T1的影响。其他干扰，如物料入口温度、蒸汽压力的波动引起的T1变化以及由于前馈模型误差引起的还未消除的偏差，由温度控制器GPD克服。两种控制作用在加法器中迭加，得到比较满意的控制结果。复杂控制系统前馈控制器的动作规律Gff(s)GPD(s)GPC(s)GC(s)T1iT1F前馈－反馈系统控制框图应用前馈原理，即GPD(s)+Gff(s)GPC(s)=0，有前馈-反馈与单纯前馈实现完全补偿的条件是相同的。复杂控制系统

当物料流量F发生变化时，前馈控制器Gff(s)按一定的控制规律改变加热流量Fs，补偿F对被控变量T1的影响。工作过程Gff(s)GPD(s)GPC(s)GC(s)T1iT1F前馈－反馈系统控制框图

当物料入口温度、蒸气压力的波动时，温度控制器Gc(s)按一定的控制规律改变加热流量Fs，补偿被控变量T1的变化。复杂控制系统前馈－反馈控制系统的优点（1）由于在前馈系统中增加了反馈控制回路，这就大大地简化了原有前馈控制系统，只需对最主要的且是反馈控制不易克服的干扰进行前馈补偿，而其它干扰均可由反馈控制予以校正。（2）由于反馈控制回路的存在，这就降低了对前馈调节器模型的精度要求，这为工程上实现比较简单的前馈补偿创造条件。（3）在反馈控制系统中，控制精度与其稳定性是矛盾的，因而为保证系统的稳定性而无法进一步提高控制精度。复杂控制系统（4）前馈-串级控制系统换热器前馈－串级控制系统Gff(s)GPD(s)GC2(s)GC(s)T1iT1FGO2(s)GO2(s)复杂控制系统前馈控制器的动作规律Gff(s)GPD(s)GC2(s)GC(s)T1iT1FGO2(s)GO2(s)

当副回路的工作频率高于主回路的工作频率时，这时副回路是一个很好的随动系统，其动态特性近似为1。应用前馈原理，即GPD(s)+Gff(s)GPC(s)=0，有即前馈控制器复杂控制系统（5）前馈－反馈与串级控制系统比较Gc1(s)Gc2(s)Gv(s)Gp2(s)Gp1(s)Gm2(s)Gm1(s)Gd2(s)R1(s)R2(s)Y1(s)Y2(s)--D2(s)串级控制前馈－反馈控制Gff(s)GPD(s)GPC(s)GC(s)R(s)Y(s)D(s)复杂控制系统4.前馈控制系统的应用条件1、对象的滞后或纯滞后较大，反馈控制难以满足工艺要求时。把主要干扰引入前馈控制，构成前馈－反馈控制系统。2、系统中存在着可测、不可控、变化频繁、幅值大且对被控变量影响显著的干扰。3、当工艺上要求实现变量间的某种特殊关系，需要通过建立数学模型来实现控制。复杂控制系统5.前馈控制系统工业应用实例（1）葡萄糖浓度前馈－反馈控制系统50％73％葡萄糖浓度前馈－反馈控制系统

由蒸发工艺可知：在给定压力下，溶液的浓度同溶液的沸点与水的沸点之差（即温差）有单值对应关系，故选温差为被控参数。影响葡萄糖浓度的因素：（1）进料溶液浓度、温度和流量（2）加热蒸气的压力和流量复杂控制系统50％73％葡萄糖浓度前馈－反馈控制系统工作过程：将初蒸浓度为50％的葡萄糖液，用泵送入升降膜式蒸发器，经蒸气加热蒸发至73％的葡萄糖液，然后送至后道工序结晶。

加热蒸气流量为前馈信号、温度为被控参数、进料溶液流量为控制参数的前馈－反馈控制系统。复杂控制系统(2)锅炉给水控制系统锅炉三冲量前馈串级控制系统被控参数：汽包水位主要干扰：蒸气流量给水量工艺要求：当气包水位过高时，会造成蒸气带液，其结果不仅降低了蒸气的产量和质量，而且会损坏汽轮机叶片；当水位过低时，轻则影响汽水平衡，重则会烧干锅炉，甚至会引起锅炉爆炸。所以必须控制水位在规定的工艺范围内。负荷：蒸气流量控制变量：给水量复杂控制系统锅炉三冲量前馈串级控制系统

采用蒸气流量位前馈信号，汽包水位（主参数）和给水流量（副参数）串级，构成前馈－反馈串级控制系统。虚假水位：在进水量不变的情况下，当蒸气用量（即负荷）突燃然增加时，会使汽包内的水位突然降低，水的沸腾加剧，加速汽化，汽泡量也突然增加，由于汽泡的体积比水的体积大很多倍，结果形成了汽包内水位升高的假象。反之，当蒸气量突然减少时，汽包内蒸气原理急剧上升，水的沸腾暂时停止，结果造成水位瞬时下降的假象。复杂控制系统三、比值控制系统比值控制的目的

为了实现使几种物料混合符合一定的比例关系，使生产能安全正常进行。比值控制系统的定义

实现使两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统。1.比值控制概述复杂控制系统主物料（主动量、主流量）Q1(QM)

在需要保持比值关系的两种物料中，处于主导地位的物料。从物料（从动量、副流量）Q2(QS)

按主物料进行配比，也即在控制过程中随主物料而变化。复杂控制系统比值控制原理

实现副流量Q2(QS)与主流量Q1(QM)成一定的比关系。复杂控制系统2.比值控制系统的结构类型(1)开环比值控制系统设定值比值器控制阀测量变送器Q2Q1-+√方框图复杂控制系统稳态：Q2=KQ1。动态：当主动量Q1在某一时刻由于干扰作用而发生变化时，比值控制器按Q1对设定值的偏差动作，按一定的规律发出控制信号去改变调节阀的开度，从而使从动量Q2重新与变化后的Q1保持原来的比例关系。√工作过程设定值比值器控制阀测量变送器Q2Q1-+

当从动量Q2受到外界干扰而发生波动时，系统如何工作？复杂控制系统(2)单闭环比值控制系统√方框图控制器控制阀副测量变送器Q2Q1-+比值器主测量变送器副流量对象复杂控制系统√工作过程控制器控制阀副测量变送器Q2Q1-+比值器主测量变送器副流量对象稳态：Q2=KQ1。动态：主动量Q1不变，从动量Q2变化比值器输出保持不变，此时从动量回路是一个定值控制系统，经过从动量回路的控制作用，把变化了的Q2再调回到稳定值，维持Q1与Q2的比值关系不变。主动量Q1变化，从动量Q2不变比值器经过比值运算后其输出也相应发生变化。此时，从动量回路是一个随动控制系统，它将使从动量Q2随着主动量Q1的变化而成比例的变化，使变化后的Q1和Q2仍维持原来的比值关系不变。复杂控制系统主动量Q1和从动量Q2同时变化从动量回路的控制过程是上述两种情况的叠加，不过从动量回路首先应满足Q2随Q1成比值关系的变化。控制器控制阀副测量变送器Q2Q1-+比值器主测量变送器副流量对象缺点主动量波动大时，难以保证Q1与Q2的动态比值。主动量、从动量是可变的，不能保证总的物料两固定不变。复杂控制系统总结：单闭环比值控制系统，能克服副流量的波动，能随着主流量的变化而变化，使Q1与Q2保持比值关系。但是单闭环比值控制系统不能克服主流量的变化，当希望主流量也稳定时，单闭环比值控制系统就无法胜任良。因此它应用于主流量不允许被控制的场合和主流量没有必要进行控制的场合。复杂控制系统例：锅炉燃烧过程的比值控制系统燃料空气画出系统的方框图复杂控制系统(3)双闭环比值控制系统√方框图控制器控制阀副测量变送器Q1-+比值器主流量对象控制器控制阀副测量变送器Q2-+副流量对象设定值复杂控制系统√工作过程1、主动量回路对其进行定值控制，使主动量始终稳定在设定值附近。2、使从动量回路的设定值发生变化，使从动量Q2随着主动量Q1的变化而成比例地变化。

和单闭环比值控制系统一样，经过从动量回路的调节，使从动量稳定在比值器输出值上。主动量受到干扰发生变化从动量受到干扰发生变化复杂控制系统√优点主动量平稳，从动量也比较平稳，系统总的物料量是稳定的。升降负荷时，只需改变主动量回路控制器的设定值，就可以使从动量同步升降，保持两种物料的比值不变。复杂控制系统√应用场合主动量干扰比较频繁的场合需要升降负荷的场合工艺上不允许负荷有较大波动的场合√注意防止从动量回路产生“共振”主、从控制器应选择PI控制作用，不宜采用微分作用。复杂控制系统例：烷基化装置中的双闭环比值控制系统工艺要求：进入反应器的异丁烷－丁烯要求按比例配以催化剂硫酸，同时又要求各自的流量比较稳定。复杂控制系统(4)变比值控制系统√方框图

进料的燃料和空气要保持一定的比值关系，以维持正常的燃烧，燃烧的实际情况要从加热炉出烟的氧含量来加以判断。复杂控制系统√工作过程主、副动量受到干扰发生变化

副回路是单闭环比值控制系统，其工作过程与单闭环比值控制系统相同。主变量受到干扰发生变化

其工作过程与串级控制系统中一次干扰对主变量的影响相同。复杂控制系统3.比值控制系统的设计（1）主、从动量的选择分析两种物料的供应情况，将有可能供应不足的物料流量作为主动量，供应充足的物料流量作为从动量。把对生产负荷起关键作用的物料作为主动量。从安全角度出发，分析两种物料流量分别在失控情况下，看哪一种情况必须保持比值一定，就将这种情况下的那种物料流量作为主动量。复杂控制系统（2）比值系数的折算实际流量比值仪表的比值系数◆流量变送器的输出信号与流量成线性关系

当流量由零变至最大值Qmax时,仪表对应的输出信号由4mA变到20mA，则流量的任意中间值Q所对应的输出电流为复杂控制系统◆流量变送器的输出信号与流量成非线性关系

流量检测信号未经开方处理时，流量与压差的关系为，当压差信号由零变到最大值pmax时,变送器的输出电流由4mA变到20mA。复杂控制系统例：一比值控制系统如图所示。其比值用DDZ-Ⅲ型乘法器来实现。已知Q1max＝7000kg/h，Q2max=4000kg/h。要求:1.画出该系统框图。2.若已知I0=16mA，求该比值系统的比值K=?比值系数K’=?3.待该比值系统稳定时，测得I1=12mA，试计算此时的I2＝？解：1.复杂控制系统2.由得由题可知，测量值与实际值成线性关系3.系统稳定时，乘法器的输出为复杂控制系统3.比值控制系统的参数整定（1）变比值控制系统因其结构上是串级控制系统，因此其主控制器的参数整定可按串级控制系统进行。（2）单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统从动量回路与变比值控制系统的变比值回路的整定方法和要求基本相同。复杂控制系统

整定步骤根据工艺要求的流量比值K换算出仪表信号比值K’，按K’进行投入运行将积分时间置于最大，由大到小逐步改变比例带直到在阶跃干扰下过渡过程处于振荡与不振荡的临界过程为止。如果有积分作用，则适当放宽比例带的情况下，逐步缓慢的减小积分时间，直到出现振荡与不振荡的临界过程或稍有一点过调情况为止。复杂控制系统（3）双闭环比值控制系统主动量回路主动量回路是定值控制系统，原则上按单回路定值控制系统进行整定。复杂控制系统四、均匀控制的概念工艺要求：为了保证精馏塔的生产过程稳定进行，要求每个塔的塔底液位稳定，进料量保持平衡。石油裂解分离塔

为了将石油裂解气分离成甲烷、乙炔、丙烷、丁烷、乙烯、丙稀等，前后串联了八个塔，除了保证产品塔将产品送至储罐外，其余各塔都是将物料连续送往下一个塔进行分离。复杂控制系统塔底液位稳定液位定值控制系统液位定值控制系统进料量保持平衡流量定值控制系统流量定值控制系统复杂控制系统√A塔要实现其液位稳定，是通过控制它的出料量来实现的其要保证液位稳定，它的出料量必然不稳定。√A塔的出料量恰恰又是B塔的进料量。B塔的流量控制系统要保证其进料量的稳定，势必造成A塔的液位不稳定；√A塔的液位控制系统势必造成B塔的进料量不稳定。分析：存在的问题：进料平稳和液位稳定是相互矛盾的。复杂控制系统解决的方法：在两塔之间增设一个有一定容量的缓冲罐。采用均匀控制系统。条件－工艺应该允许前一塔的液位和后一塔的进料在一定范围内可以缓慢变化。复杂控制系统工作过程:A塔的液位受到干扰偏离设定值时，并不采取很强的控制作用，立即改变阀门的开度，以使出料量大幅波动，换取液位的稳定；而是采取比较弱的控制作用，缓慢地调节控制阀的开度，以使出料量缓慢变化来克服液位所受到的干扰。在这个调节过程种中，允许液位适当偏离设定值。从而使A塔的液位和B塔的进料量都被控制在允许的范围内。复杂控制系统定义：使两个有关联的被控变量在规定范围内缓慢地均匀地变化，使前后设备在物料的供求关系上相互兼顾、均匀协调的系统称之为均匀控制系统。特点：两被控变量都应该是变化的。复杂控制系统两个被控变量的调节过程应该是缓慢的。两个被控变量的变化范围应在工艺允许的操作范围内。复杂控制系统2.均匀控制系统的结构形式(1)简单均匀控制系统与纯液位定值控制系统相同控制规律：PI参数整定：比例带要宽，积分时间要长。（＝100％－200％；TI为几分钟到几十分)适用范围：干扰较小、对流量的均匀程度要求较低的场合。复杂控制系统2、串级均匀控制系统主控制器：PI控制器动作规律副控制器：P或PI典型串级控制系统参数整定：主控制器：比例带要宽，积分时间要长（与简单均匀控制系统系统）。副控制器：比例带要宽，积分时间要短。（＝100％－200％；TI＝0.1－1min)复杂控制系统