串级均匀分程.ppt

1、乘法器的设定,稳态条件: IA = I0,对DDZ III型仪表, 乘法器的输入输出关系为,第五章 其他典型控制系统,过程控制工程,内容提要,串级控制系统 概述 串级控制系统的工作过程 串级控制系统的特点 串级控制系统中副回路的确定 主、副控制器控制规律及正、反作用的选择 控制器参数的工程整定 均匀控制系统 均匀控制的目的 均匀控制方案,内容提要,选择性控制系统 基本概念 选择性控制系统的类型 积分饱和及其防止 分程控制系统 概述 分程控制的应用场合 分程控制的几个问题 多冲量控制系统,单回路控制系统的局限性,单回路系统是过程控制最基本,结构最简单,应用最广泛的一种结构形式。 对于更复杂的对象

2、或工艺要求更高的场合,单回路不能满足要求： 1、对象时间常数或迟延时间很长。 例如:当T很大,且：/T1.0 时 2、被控对象存在强烈的非线性或时变特性时。 3、受扰动影响很大，用单回路难以得到理想特性。 4、工艺有更高的控制要求时，比如精度，快速性等,5.1 串级控制系统,一、概述,当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，可考虑采用串级控制系统。,举例,说明串级控制系统的结构及其工作原理,管式加热炉出口温度控制系统,可延长炉子寿命，防止炉管烧坏； 可保证后面精馏分离的质量。,控制好温度,5.1 串级控制系统,在实际生产过程中，特别是当加热炉的燃料压力或燃料本身的热值有较大波动时，该简单控制系

3、统的控制质量往往很差，原料油的出口温度波动较大，难以满足生产上的要求。,根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度,加热炉出口温度控制 被控参数：原油出口温度 控制参数：燃料流量 测量变送器：温度传感器TT 执行器： 调节阀 控制器： TC,（气开式还是气关式）,（反作用还是正作用）,5.1 串级控制系统,当燃料压力或燃料本身的热值变化后，先影响炉膛的温度，然后通过传热过程才能逐渐影响原料油的出口温度，这个通道容量滞后很大，时间常数约15min左右，反应缓慢，而温度控制器TC是根据原料油的出口温度与给定值的偏差工作的。所以当干扰作用在对象上后，并不能较快地产生控制作用以克服干扰被控变量的影响。

4、当工艺上要求原料油的出口温度非常严格时，为了解决容量滞后问题，还需对加热炉的工艺作进一步分析。,原因,5.1 串级控制系统,以原料油出口温度为主要被控变量的炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统,管式加热炉出口温度串级控制系统,管式加热炉出口温度串级控制系统的方块图,5.1 串级控制系统,在上述控制系统中，有两个控制器T1C和T2C，接收来自对象不同部位的测量信号1和2。T1C的输出作为T2C的给定值，而后者的输出去控制执行器以改变操纵变量。从系统的结构看，这两个控制器是串接工作的。,几个串级控制系统中常用的名词,主变量,工艺控制指标，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。,5.1 串级控制系统,

5、主对象,用主变量表征其特性的生产设备。 主变量副变量间的通道特性,副对象,用副变量表征其特性的工艺生产设备。 副变量与操纵变量间的通道特性,主控制器,按主变量的测量值与给定值而工作，其输出作为副变量给定值的那个控制器。,副变量,串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量。,5.1 串级控制系统,主回路,由主变量的测量变送装置，主、副控制器，执行器和主、副对象构成的外回路。,副回路,由副变量的测量变送装置，副控制器执行器和副对象所构成的内回路。,其给定值来自主控制器的输出，并按副变量的测量值与其给定值的偏差而工作的那个控制器。,副控制器,5.1 串级控制系统,串级控制系统典型方块图

6、,5.1 串级控制系统,二、串级控制系统的工作过程,以管式加热炉为例，来说明串级控制系统是如何有效地克服滞后提高控制质量的。假定执行器采用气开形式，断气时关闭控制阀，以防止炉管烧坏而酿成事故，温度控制器T1C和T2C都采用反作用方向。,5.1 串级控制系统,1.干扰进入副回路,F2引起2变化，控制器T2C及时进行控制，使其很快稳定下来。 二次扰动F2燃油压力波动使得流量F2T2C(反作用)V(气开阀) F （a如果干扰量小，经过副回路控制后，F2一般影响不到温度1；b如果干扰量大，其大部分影响为副回路所克服，波及到被控变量温度1再由主回路进一步控制，彻底消除干扰的影响，使被控变量回复到给定值。

7、）,5.1 串级控制系统,5.1 串级控制系统,2.干扰作用于主对象,F1变化 1 T1C输出 (反作用) T2C设定值 (反作用) T2C输出 恢复给定值,所以，在串级控制系统中，如果干扰作用于主对象，由于副回路的存在，可以及时改变副变量的数值，以达到稳定主变量的目的。,控制器当给定值不变，被控变量测量值增加时，控制器的输出也增加，称为“正作用”方向，或者当测量值不变，给定值减小时，控制器的输出增加的称为“正作用”方向。反之，如果测量值增加时，控制器的输出减小的称为“反作用”方向。,5.1 串级控制系统,3.干扰同时作用于副回路和主对象,在干扰作用下，主、副变量的变化方向相同。,5.1 串级

8、控制系统,主、副变量的变化方向相反，一个增加，另一个减小。,扰动作用相互抵消，执行器作较小的响应即可调节， 调节幅度为其抵消后的值,5.1 串级控制系统,在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服过程。副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。,小结,5.1 串级控制系统,三、串级控制系统的特点,（1）在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回

9、路和副回路；有两个控制器；主控制器和副控制器；有两个测量变送器，分别测量主变量和副变量。在串级控制系统中，主回路是个定值控制系统，而副回路是个随动控制系统。,（2）在串级控制系统中，有两个变量：主变量和副变量。主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺变量。,5.1 串级控制系统,适用范围：当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而频繁，负荷变化大，简单控制系统满足不了控制质量的要求时，采用串级控制系统是适宜的。,（4）串级控制系统由于增加了副回路，因此具有一定的自适应能力，可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。,（3）在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象的特性（减小了副

10、对象的时间常数），使控制过程加快，具有超前控制作用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量。,由于副回路的存在，减小副对象的时间常数，改善了对象的特性。,Y2(S),Y1(S),副回路等效传递函数为：,Go2(S) - Go2(S),由于：1+Kc2KvKo2Km2 1, 有： Ko2 Ko2 To2 To2 等效副对象时间常数缩小，意味着对象的容量滞后减小，系统的反应速度加快，控制更为及时，系统的控制质量提高。 等效副对象的放大倍数减小，导致控制通道的放大倍数缩小，克服干扰能力下降，可通过提高主控制器的放大倍数的办法来弥补。,串级控制系统的抗干扰能力比单回路控制系统要强得多，特别是当干扰作用于副

11、回路（二次扰动）时，系统的抗干扰能力更强。 1）对进入副回路的二次干扰，经过副控制器进行“粗调”,主控制器进行“细调”。 2）对进入主回路的一次干扰，由于副回路的存在，等效副对象的时间常数缩小，系统的工作频率提高，系统的响应速度加快，比单回路控制系统对干扰抑制更及时。 串级控制系统对抑制一次，二次扰动比单回路均有改善，尤其有较强抑制二次扰动能力,串级控制回路提高抑制二次扰动能力,u1,u2,c2,c1,系统方框图,化简方框图,若无副回路作用时， c2与 f2的关系为：,有了副回路作用时， c2 与f2的关系为：,也就是说,F2对C2的影响，在有副回路的作用已减弱为1/（1+ ）倍。,串级控制系

12、统具有一定的自适应能力,自适应能力是指:当系统工作条件、负荷变化或具有非线性特性时，能够自动调整运行状态，适应其变化的能力。 串级控制系统中主回路是一个定值系统，副回路是一个随动系统； 主控制器能够根据操作条件和负荷的变化，不断修改副控制器的给定值，以适应操作条件和负荷变化的情况。,G2(S),令,则,当副控制器放大倍数Kc2整定得足够大时，副环前向通道的放大倍数将远大于1，即Kc2KvKo2Km21。这时 即：等效副回路的放大倍数只取决于测量变送环节的放大倍数Km2，而与副对象的放大倍数Ko2无关。,如对象存在非线性特性，可把非线性对象设计处于副回路之中。,即：在串级控制系统中，副对象放大倍

13、数变化，控制阀的放大倍数变化，对等效副对象的放大倍数影响很小。 所以串级控制系统参数整定范围较大，并具有较好的控制质量。 可见，串级系统对副对象模型变化和操作条件变化具有一定的自适应能力。,四、串级控制系统的设计,串级控制系统的主回路是一个定值控制系统，可以按照单回路系统的设计原则进行。串级控制系统的设计主要是副回路的设计。 副回路设计是根据生产工艺要求的具体情况，选择一个合适的副变量，从而组成一个以副变量为被控变量的副回路。 副回路设计是串级控制系统设计的主要内容。,5.1 串级控制系统,串级控制系统中副回路的确定,副回路的确定原则,1.主、副变量间应有一定的内在联系,选择副变量的两类情况,

14、选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量； 选择的副变量就是操纵变量本身，这样能及时克服它的波动，减少对主变量的影响。,5.1 串级控制系统,举例,图精馏塔塔釜温度串级控制系统,1精馏塔；2再沸器,通过这套串级控制系统，能够在塔釜温度稳定不变时，蒸汽流量能保持恒定值，而当温度在外来干扰作用下偏离给定值时，又要求蒸汽流量能作相应的变化，以使能量的需要与供给之间得到平衡，从而保持釜温在要求的数值上。,在上例中，选择的副变量就是操纵变量（加热蒸汽量）本身。这样，当干扰来自蒸汽流量的波动时，副回路能及时加以克服，以大大减少这种干扰对主变量的影响，使塔釜温度的控制质量得以提高。,5.1 串级控制系

15、统,2.要使系统的主要干扰被包围在副回路内,加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统,在本系统中，由于选择了燃料油压力作为副变量，副对象的控制通道很短，时间常数很小，因此控制作用非常及时，比起原来的控制方案，能更及时有效地克服由于燃料油压力波动对原料油出口温度的影响，从而大大提高了控制质量。,5.1 串级控制系统,注意,如果管式加热炉的主要干扰来自燃料油组分（或热值）波动时，就不宜采用上图所示的控制方案，因为这时主要干扰并没有被包围在副环内，所以不能充分发挥副环抗干扰能力强的这一优点。,5.1 串级控制系统,3. 在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰,如果在生产过程中，除了主要干扰外，还有

16、较多的次要干扰，或者系统的干扰较多且难于分出主要干扰与次要干扰，在这种情况下，选择副变量应考虑使副环尽量多包围一些干扰，这样可以充分发挥副环的快速抗干扰能力，以提高串级控制系统的控制质量。,注意,在考虑到使副环包围更多干扰时，也应同时考虑到副环的灵敏度。,当对象具有非线性环节时，在设计时应使非线性环节位于副环之中。,5.1 串级控制系统,随着副回路包围干扰的增多，副环将随之扩大，副变量离主变量也就越近。这样一来，副对象的控制通道就变长，滞后也就增大，从而会削弱副回路的快速、有力控制的特性。,5.1 串级控制系统,4.副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防“共振”的发生,是为了保证副

17、回路具有快速的抗干扰性能； 是由于串级系统中主、副回路之间是密切相关的，副变量的变化会影响到主变量，而主变量的变化通过反馈回路又会影响到副变量。,在串级控制系统中，主、副对象的时间常数不能太接近。,5.1 串级控制系统,小结,在选择副变量时，应注意使主、副对象的时间常数之比为310，以减少主、副回路的动态联系，避免“共振”。当然，也不能盲目追求减小副对象的时间常数，否则可能使副回路包围的干扰太少，使系统抗干扰能力反而减弱了。,5.1 串级控制系统,5. 当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时，在选择副变量时应使副环尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后,对于含有大纯滞后的对象，可采用串级控制系统，并通

18、过合理选择副变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，及时克服干扰的影响，将其抑制在最小限度内，从而可以使主变量的控制质量得到提高。,所设计的副回路需考虑到方案的经济性和工艺的合理性。,5.1 串级控制系统,举例,某化纤厂胶液压力的控制问题,压力与压力串级控制系统,1计量泵；2板式热交换器；3过滤器,在计量泵1和冷却器2之间，靠近计量泵的适当位置，选择压力测量点，并作为副变量组成一个压力与压力的串级控制系统，以提高控制质量。,图中主控制器P1C的输出作为副控制器P2C的给定值，由副控制器的输出来改变计量泵的转速，从而控制纺丝胶液的压力。,该法有很大局限性。,5.1 串级控制

19、系统,五、主、副控制器控制规律及正、反作用的选择,1.控制规律的选择,控制规律是根据控制的要求来进行选择的。,主变量是生产工艺的主要操作指标，直接关系到产品的质量或生产的安全，工艺上要求比较严格，主变量不允许有余差。主控制器必须有积分作用（对于主参数为温度的串级系统，主调节器必须加入较强的积分作用）。 主控制器通常都选用比例积分控制规律或PID 。,副变量要求不严格，允许有波动和有余差，设置副变量的目的在于保证和提高主变量的控制质量；副变量的给定值是随主控制器的输出变化而变化的。为了能快速跟踪，副控制器一般不用积分作用，微分作用一般不需要。 副控制器一般采用比例控制规律。,一般： 主控制器：P

20、I、PID 副控制器：P、PD（副对象的容量滞后T较大） (但实际运行中，串级系统有时会断开主回路，因而，通常需要加入积分作用。但积分作用要求较弱以保证副回路较强的抗干扰能力。即强比例、弱积分) 温度作副变量的系统：比例微分（PD）控制 流量（或液体压力）作副变量：比例积分（PI）控制 关于主控制器、副控制器采用积分作用时： （1）当主控制器有积分作用时，不论干扰在副回路还是主回路，都能保证主变量无余差。 （2）当副控制器有积分作用时而主控制器无积分作用时，只有干扰作用于副回路，主变量无余差；干扰作用于主回路，主变量仍然存在余差。,正反作用定义： 正作用方式：测量值 输出值 反作用方式：测量值

21、 输出值 （前提：设定值不变） 选择原则：使系统成为一个负反馈系统,主、副控制器正反作用方式选择,5.1 串级控制系统,2.控制器正、反作用的选择,（1）串级控制系统中的副控制器作用方向的选择，根据工艺安全等要求，选定执行器的气开、气关形式后，按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定。与主回路无关。,例如管式加热炉温度-温度串级控制系统中的副回路。,气源中断，停止供给燃料油时，执行器选气开阀， “正”方向。 燃料量加大时，炉膛温度2（副变量）增加，副对象 “正”方向。 为使副回路构成一个负反馈系统，副控制器T2C选择“反” 方向。,主、副控制器正、反作用的选择顺序应： -先副后主。,5.

22、1 串级控制系统,如图所示的精馏塔塔釜温度与蒸汽流量 的串级控制系统。,若基于工艺上的考虑，选择执行器为气关阀。 为使副回路是一个负反馈控制系统，副控制器FC的作用方向应选择为“正”作用。,（2）串级控制系统中主控制器作用方向的选择：,如果由工艺分析得出，为使主、副变量减小（增加），要求控制阀的动作方向是一致的时候，主控制器应选“反”作用；反之，则应选“正”作用。,选择原则：使得主回路构成负反馈。,控制器:当给定值不变，被控变量测量值增加时，控制器的输出也增加，称为“正作用”方向，,5.1 串级控制系统,例如管式加热炉串级控制系统。,主变量1或副变量2增加时，都要求关小控制阀，减少供给的燃料量

23、，才能使1或2降下来，所以此时主控制器T1C应确定为反作用方向。(控制阀的动作方向是一致),如图精馏塔塔釜温度与蒸汽流量的串级控制系统。,蒸汽流量（副变量）或塔釜温度（主变量）增加时，都需要关小控制阀，它们对控制阀的动作方向要求是一致的，所以主控制器TC也应为反作用方向。 (控制阀的动作方向是一致),5.1 串级控制系统,冷却器温度串级控制系统,冷却器温度串级控制系统是以被冷却物料出口温度为主变量，冷剂流量为副变量的串级控制系统。 分析冷却器的特性可以知道，当主变量即被冷却物料出口温度增加时，需要开大控制阀，而当副变量即冷剂流量增加时，需要关小控制阀，它们对控制阀动作方向的要求是不一致的，因此

24、主控制器TC的作用方向应选用正作用。,5.1 串级控制系统,（3）当由于工艺过程的需要，控制阀由气开改为气关，或由气关改为气开时，只要改变副控制器的正反作用而不需改变主控制器的正反作用。,但是，在有些生产过程中，要求控制系统既可以进行串级控制，又可以实现主控制器单独工作。 即若系统由串级切换为主控时，是用主控制器的输出代替原先副控制器的输出去控制执行器，而若系统由主控切换为串级时，是用副控制器的输出代替主控制器的输出去控制执行器。,无论哪一种切换，都必须保证当主变量变化时，去控制阀的信号完全一致。,5.1 串级控制系统,系统串级与主控切换的条件：,当主变量变化时，串级时副控制器的输出与主控时主

25、控制器的输出信号方向完全一致。,无论哪一种切换，都必须保证当主变量变化时，去控制阀的信号完全一致。,当主控制器具有积分作用且系统长期存在偏差时，串级系统同样会出现积分饱和现象。当副控制器也引入积分作用时，积分饱和的情况较之简单控制系统还要严重。,六 防积分饱和,因为主控制器Kc1的输出u1就是副控制器Kc2的输入r2，当主控制器输出u1出现积分饱和后，就将r2的值相应提高。 有时设定r2值提高到阀门全开时控制器Kc2仍不能达到的数值，于是Kc2也进入饱和区。这样，退出积分饱和需要更长的时间。,限幅法 防止积分饱和的措施： 积分切除法 副控制器：与单回路相同 利用限幅切断正反馈（限幅法）,主控制

26、器：积分切除法 积分切除法： 利用副变量的测量值ym2作为 主控制器的外部反馈信号,主控制器防积分饱和法： 利用测量值ym2作为积分反馈信号 ym2= r2：副回路不存在偏差 主回路实现一般PI控制 控制阀全开(或全关) ： ym2 r2时,系统失控 ym2不受r2控制, 成为独立变量 主控制器的积分反馈被断开,投运要求：保证无扰动切换 具体步骤：先副回路, 后主回路投运 以DDZ-型表组成的系统为例 1) 将主、副控制器切换开关都置于手动位置，副控制器处于外给定（主控制器始终为内给定）,系统投运,七串级系统投运及参数整定,2) 用副控制器操纵控制阀，使生产处于要求的工况（即主变量接近设定值，

27、且工况较平稳） 调整主控制器设定值，使副控制器的偏差指示为“零”，接着可将副控制器切换到自动位置。,系统投运,3) 假定在主控制器切换到“自动”之前，主变量偏差已经接近“零”，则可稍稍修正主控制器设定值，使偏差为“零”，并将主控制器切换到“自动”，然后逐渐改变设定值使之回复到规定值；假定在主控制器切换到“自动”之前，主变量存在较大偏差，一般的做法是手操主控制器输出，使偏差减小后再进行上述操作。,系统投运,串级控制系统控制器参数的工程整定,主回路：定值控制系统 副回路：随动控制系统 两个调节器相互联系，整定比单回路复杂。 工程整定方法：两步法和一步法,七串级系统投运及参数整定,5.1 串级控制系

28、统,（1）在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用运行的条件下（ Ti置、Td 置0 ），将主控制器的比例度先固定在100的刻度上，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41）过渡过程下的副控制器比例度和操作周期，分别用2s和T2s表示。,整定过程,1.两步整定法,按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的方法。,适用于主副回路的工作频率和操作周期相差很大，其动态联系很小，可忽略不计时,5.1 串级控制系统,（2）在副控制器比例度等于2s的条件下，逐步减小主控制器的比例度，直至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1s和操作周期T1s。 （

29、3）根据上面得到的1s、T1s、2s、T2s，按衰减曲线法控制器参数计算表的规定关系计算主、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”的整定规律，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。,5.1 串级控制系统,共振问题,如果主、副对象时间常数相差不大，动态联系密切，可能会出现“共振”现象。,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”。,如果主、副对象特性太接近，就不能完

30、全靠控制器参数的改变来避免“共振”了。,5.1 串级控制系统,2.一步整定法,根据经验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。,实践证明,这种整定方法，对于对主变量要求较高，而对副变量没有什么要求或要求不严，允许它在一定范围内变化的串级控制系统，是很有效的。 在整定过程中以牺牲副参数的质量指标的原则（副参数在允许的范围内），使主参数达到规定的质量指标的要求。,5.1 串级控制系统,一步整定法的整定步骤：,（1）在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照下表所列的数据，将副控制器比例度调到某一适当的数值。 （2）利用简单控制系统中任一种参数整定方法整

31、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。,采用一步整定法时副控制器参数选择范围,均匀控制系统的基本概念,一般控制系统要求：快速、稳定、准确 定值控制系统：被控量快速、稳定、准确达到给定值。控制变量可能有大幅度的变化。 是不是适用控制系统的所有情况？,5.2 均匀控制系统,例: 连续生产过程 塔1液位控制系统 塔2流量控制系统 两个系统相互关联。如果为保证一个系统控制质量可能引起另一个的剧烈变化。,5.2 均匀控制系统,一、均匀控制的目的,图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

32、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。,均匀控制系统：是指两个工艺参数在规定范围内缓慢地、均匀地变化，使前后设备在物料供求上相互兼顾，均匀协调的系统。,5.2 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。 （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。 为保证一个系统控制质量可能引起另一个的剧烈变化。,图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,均匀控制是在连续生产过

33、程中，各种设备前后紧密联系的情况下提出来的一种特殊的控制。,5.2 均匀控制系统,二、均匀控制方案,1.简单均匀控制,图简单均匀控制,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。,特点： 结构与单回路液位控制系统相同； 设计目的、整定要求不同: 输出缓慢变化，无大的振荡。 控制规律采用纯比例控制，比例度大；防止液位超出范围，则引入积分作用，此时比例度大于100%,5.2 均匀控制系统,2.串级均匀控制,图 串级均匀控制,单回路均匀控制系统中，存在流量的压力扰动，调节阀非线性特性影响。可在简单均匀控制方案

34、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、参数一般较大。,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，主控制器才引入适当的积分作用。,5.2 均匀控制系统,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。,结构与串级控制系统完全相同,主回路：均匀控制 副回路：快速跟随,均匀控制系统的分析,假设流量

35、回路调节迅速，对液位对象而言其动态滞后可忽略；并不考虑液位测量滞后。则广义对象特性可表示成,均匀控制系统的分析,假设液位测量范围为Hmax，进出流量的测量范围均为Qmax，则广义对象特性可表示成,其中h(t)、 qi(t)、 qo(t)分别为液位与进出流量的归一化值。,均匀控制系统的分析,对于纯比例控制器Gc = Kc，可得到的闭环特性为：,纯比例均匀控制系统的特点,可实现进出物料的自动平衡； 当物料的平均停留时间Th一定时，控制器增益Kc的减少可使出料更加平缓，但使液位的波动与余差同时增大； 为减少液位的调节余差，主控制器需要引入少量的积分作用。,均匀控制系统仿真举例,三 参数整定,整定原则

36、： 1、保证液位不超出允许的波动范围，按照单回路整定参数或设置经验控制器参数。 2、修正控制器参数，充分利用容器的缓冲作用，使液位在最大允许范围内波动，同时输出流量尽量平稳。 3、根椐工艺，对流量和液位两个参数的要求，适当调整控制器参数。,串级均匀整定方法：经验法,先副后主；把主、副调节器设置一比例度经验值。 按照比例度由大到小的顺序，调节主调节器，使得输出和相关参数成缓慢而非周期的衰减变化。 根据需要，给主调节器加上积分，积分时间要调得较大。,5.3 选择性控制系统,一、基本概念,在一些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

37、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。,5.3 选择性控制系统,生产保护性措施有两类：一类是硬保护措施； 一类是软保护措施。,生产的软保护措施 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。,硬保护措施： 连锁保护紧急性停车 自动切换至手动 都会造成生产停止, 要很长时间才能恢复生产,5.3 选择性控制系统,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

38、置（切换器、带电接点的控制器或测量仪表）来完成。,选择性控制系统 当生产操作趋向限制条件时，一个用于控制不安全工况的控制方案将取代正常情况下的控制方案，直到生产操作重新回到安全范围以内，恢复原控制方案为止。,控制系统按其实现功能，可分为三类：物料平衡（或能量平衡）控制，质量控制和极限控制。 液位控制 温度控制 选择性控制 自动选择性控制系统属于极限控制，又叫自动保护控制、软保护控制、取代控制或超驰控制。,选择性控制的特点是：在正常工况下，输出参数不会超限，所以也不考虑用它进行控制； 而在非正常工况下，该参数会达到极限值，这时又要求采取强有力的控制手段，避免超限。,5.3 选择性控制系统,二、选

39、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。,5.3 选择性控制系统,丙烯冷却器的两种控制方案,（a）所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。,乙烯分离中，裂解气经五段压缩后温度达88，为低温分离，需降温到15 ，用丙烯冷却装置。改变换热面积的方法来达到控制温度的目的。,5.3 选择性控制系统,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

40、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。,5.3 选择性控制系统,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。,5.3 选择性控制系统,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； 当液位达到75时，p20.1MPa。 切换器的信号关系是： 当p2时，pypx； 当p20.1MPa时，py。,开关

41、型选择性控制系统也可用信号器和切换器配合工作实现,5.3 选择性控制系统,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。,5.3 选择性控制系统,举例,大型合成氨工厂的蒸汽锅炉,辅助锅炉压力取代控制系统,蒸汽压力与燃料气压力选择性控制系统方块图,正常，由产气压力控制燃料量；负荷增，压力降，燃料增（同时供水增）；而对于燃烧过程，进入炉膛的燃气压力不能过高，过高则产生脱火（燃烧不完全

42、冒黑烟，污染、爆炸）。辅助锅炉压力取代控制系统,5.3 选择性控制系统,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,5.3 选择性控制系统,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。,5.3 选择性控制系统,混合型选择性控制方案,增加了一个带下限节点的压力控

43、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，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。,5.3 选择性控制系统,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”。,5.3 选择性控制系统,产生积分饱和的条件,其一是

44、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。,5.3 选择性控制系统,2.抗积分饱和措施,目前防止积分饱和的方法,（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。（电动 型仪表、电动 型仪表中有专门设计的限幅控制器） （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

45、题了。 （3）外反馈法 在控制器处于开环状态时，借用其它相应信号对控制器进行积分外反馈来限制积分的作用,在单回路、串级、前馈等系统中调节器只控制一个执行器动作。A气关阀，B气开阀。 在某些生产过程中，一个调节器，分别控制两个或以上的执行器工作。每个执行器在调节器部分范围内全行程动作。 这样的系统叫分程控制系统,5.4 分程控制系统,5.4 分程控制系统,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。,分程控制系统方块图,5.4 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，

46、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的增大或减小，一个控制阀开大，另一个控制阀则关小。,5.4 分程控制系统,两阀异向动作,两阀同向动作,5.4 分程控制系统,二、分程控制的应用场合,1.用于扩大控制阀的可调范围，改善控制品质,蒸汽减压系统分程控制,例：蒸汽减压系统： 控制阀可调范围R为30。当选用大流量阀，则对小流量不敏感。选小流量阀，不能调节大流量。这时采取控制阀并联工作。,设：A、B两阀最大流通能力Cmax均为100，可调范围 R为30。 R = Cmax/Cmin 总流通能力：Cmax = CAmax+CBmax

47、= 2Cmax = 200 Cmin = Cmax/R =100/30=3.33 R= Cmax/Cmin = 200/3.33 = 60,结论：采用两只流通能力相同的控制阀构成分程控制系统，其控制阀可调范围R比单只控制阀进行控制时的可调范围扩大一倍。,5.4 分程控制系统,2.用于控制两种不同的介质，以满足工艺生产的要求,反应器分程控制系统,对间歇式化学反应器，既要考虑反应前的预热问题，又需要考虑反应过程中移走热量的问题。,1.按配比配好原料并放入反应器，开始时温度达不到反应要求，需对其通以蒸汽加热，诱发化学反应； 2.当达到反应温度并开始反应后，会产生大量的反应热，需及时地移走热量，否则会

48、因温度过高而发生危险。,5.4 分程控制系统,A、B阀特性图,本方案中选择蒸汽控制阀为气开式，冷水控制阀为气关式是从生产安全角度考虑的。因为，一旦出现供气中断情况，A阀将处于全开，B阀将处于全关。这样，就不会因为反应器温度过高而导致生产事故。,例：间歇式化学反应器分程控制系统,VA：冷却水，气闭 VB：蒸汽，气开 TC：反作用,开始反应时，蒸汽加热。反应进行时，冷却水冷却。,VA：气闭 VB：气开 TC： 反作用,1.反应开始前升温阶段T测给定值TCB阀(B阀全关时)A阀T，冷却水把反应热带走，使反应釜温度恒定，反应继续进行。,5.4 分程控制系统,3.用作生产安全的防护措施,有时为了生产安全起见，需要采取不同的控制手段，可采用分程控制方案。,贮罐氮封分程控制方案,解决贮罐中物料量的增减会导致氮封压