第七章復(fù)雜控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)概述串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)串級(jí)控制系統(tǒng)中副回路確實(shí)定主、副控制器控制規(guī)律及正、反作用的選擇控制器參數(shù)的工程整定均勻控制系統(tǒng)均勻控制的目的均勻控制方案比值控制系統(tǒng)概述比值控制系統(tǒng)的類(lèi)型比值控制系統(tǒng)的幾個(gè)問(wèn)題前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)及其特點(diǎn)前饋控制系統(tǒng)的主要形式前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合選擇性控制系統(tǒng)根本概念選擇性控制系統(tǒng)的類(lèi)型積分飽和及其防止分程控制系統(tǒng)概述分程控制的應(yīng)用場(chǎng)合分程控制的幾個(gè)問(wèn)題第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)一、概述當(dāng)對(duì)象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時(shí)，可考慮采用串級(jí)控制系統(tǒng)。管式加熱爐出口溫度單回路控制系統(tǒng)

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，特別是當(dāng)加熱爐的燃料壓力或燃料本身的熱值有較大波動(dòng)時(shí)，該簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量往往很差，原料油的出口溫度波動(dòng)較大，難以滿足生產(chǎn)上的要求。

以原料油出口溫度為主要被控變量的爐出口溫度與爐膛溫度的串級(jí)控制系統(tǒng)

管式加熱爐出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)管式加熱爐出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖

在上述控制系統(tǒng)中，有兩個(gè)控制器T1C和T2C，接收來(lái)自對(duì)象不同部位的測(cè)量信號(hào)θ1和θ2。T1C的輸出作為T(mén)2C的給定值，而后者的輸出去控制執(zhí)行器以改變操縱變量。從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)看，這兩個(gè)控制器是串接工作的。幾個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)中常用的名詞:主變量工藝控制指標(biāo)，在串級(jí)控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被控變量。主對(duì)象為主變量表征其特性的生產(chǎn)設(shè)備。副對(duì)象為副變量表征其特性的工藝生產(chǎn)設(shè)備。主控制器按主變量的測(cè)量值與給定值而工作，其輸出作為副變量給定值的那個(gè)控制器。副變量串級(jí)控制系統(tǒng)中為了穩(wěn)定主變量或因某種需要而引入的輔助變量。主回路由主變量的測(cè)量變送裝置，主、副控制器，執(zhí)行器和主、副對(duì)象構(gòu)成的外回路。副回路由副變量的測(cè)量變送裝置，副控制器執(zhí)行器和副對(duì)象所構(gòu)成的內(nèi)回路。其給定值來(lái)自主控制器的輸出，并按副變量的測(cè)量值與給定值的偏差而工作的那個(gè)控制器。副控制器串級(jí)控制系統(tǒng)典型方框圖舉例圖7-5精餾塔塔釜溫度串級(jí)控制系統(tǒng)1—精餾塔；2—再沸器通過(guò)這套串級(jí)控制系統(tǒng)，能夠在塔釜溫度穩(wěn)定不變時(shí)，蒸汽流量能保持恒定值，而當(dāng)溫度在外來(lái)干擾作用下偏離給定值時(shí)，又要求蒸汽流量能作相應(yīng)的變化，以使能量的需要與供給之間得到平衡，從而保持釜溫在要求的數(shù)值上。在本例中，選擇的副變量就是操縱變量〔加熱蒸汽量〕本身。這樣，當(dāng)干擾來(lái)自蒸汽壓力或流量的波動(dòng)時(shí)，副回路能及時(shí)加以克服，以大大減少這種干擾對(duì)主變量的影響，使塔釜溫度的控制質(zhì)量得以提高。圖7-6加熱爐出口溫度與燃料油壓力串級(jí)控制系統(tǒng)

在本系統(tǒng)中，由于選擇了燃料油壓力作為副變量，副對(duì)象的控制通道很短，時(shí)間常數(shù)很小，因此控制作用非常及時(shí)，比起圖8-2所示的控制方案，能更及時(shí)有效地克服由于燃料油壓力波動(dòng)對(duì)原料油出口溫度的影響，從而大大提高了控制質(zhì)量。如果管式加熱爐的主要干擾來(lái)自燃料油組分〔或熱值〕波動(dòng)時(shí)，就不宜采用圖7-6所示的控制方案，因?yàn)檫@時(shí)主要干擾并沒(méi)有被包圍在副環(huán)內(nèi)，所以不能充分發(fā)揮副環(huán)抗干擾能力強(qiáng)的這一優(yōu)點(diǎn)。圖7-7化纖廠膠液壓力與壓力串級(jí)控制系統(tǒng)1—計(jì)量泵；2—板式熱交換器；3—過(guò)濾器

在計(jì)量泵和冷卻器之間，靠近計(jì)量泵的適當(dāng)位置，選擇壓力測(cè)量點(diǎn)，并作為副變量組成一個(gè)壓力與壓力的串級(jí)控制系統(tǒng)，以提高控制質(zhì)量。

圖中主控制器P1C的輸出作為副控制器P2C的給定值，由副控制器的輸出來(lái)改變計(jì)量泵的轉(zhuǎn)速，從而控制紡絲膠液的壓力。圖7-8冷卻器溫度串級(jí)控制系統(tǒng)冷卻器溫度串級(jí)控制系統(tǒng)是以被冷卻物料出口溫度為主變量，冷劑流量為副變量的串級(jí)控制系統(tǒng)。二、串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程

以管式加熱爐為例說(shuō)明串級(jí)控制系統(tǒng)如何有效地克服滯后提高控制質(zhì)量。假定執(zhí)行器采用氣開(kāi)形式，斷氣時(shí)關(guān)閉控制閥，以防止?fàn)t管燒壞而釀成事故，溫度控制器T1C和T2C都采用反作用方向。1.干擾進(jìn)入副回路2.干擾作用于主對(duì)象3.干擾同時(shí)作用于副回路和主對(duì)象在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入一個(gè)閉合的副回路，不僅能迅速克服作用于副回路的干擾，而且對(duì)作用于主對(duì)象上的干擾也能加速克服過(guò)程。副回路具有先調(diào)、粗調(diào)、快調(diào)的特點(diǎn)；主回路具有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn)，并對(duì)于副回路沒(méi)有完全克服掉的干擾影響能徹底加以克服。因此，在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于主、副回路相互配合、相互補(bǔ)充，充分發(fā)揮了控制作用，大大提高了控制質(zhì)量。三、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)〔1〕在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路：主回路和副回路；有兩個(gè)控制器；主控制器和副控制器；有兩個(gè)測(cè)量變送器，分別測(cè)量主變量和副變量。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主回路是個(gè)定值控制系統(tǒng)，而副回路是個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)?！?〕在串級(jí)控制系統(tǒng)中，有兩個(gè)變量：主變量和副變量。主變量是反映產(chǎn)品質(zhì)量或生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)行情況的主要工藝變量?！?〕串級(jí)控制系統(tǒng)由于增加了副回路，因此具有一定的自適應(yīng)能力，可用于負(fù)荷和操作條件有較大變化的場(chǎng)合?！?〕在系統(tǒng)特性上，串級(jí)控制系統(tǒng)由于副回路的引入，改善了對(duì)象的特性，使控制過(guò)程加快，具有超前控制作用，從而有效地克服滯后，提高了控制質(zhì)量。四、應(yīng)用范圍1.容量滯后較大的過(guò)程2.純延時(shí)較大的過(guò)程3.干擾變化劇烈且幅度較大的過(guò)程4.參數(shù)相關(guān)聯(lián)的過(guò)程5.非線性過(guò)程五、串級(jí)控制系統(tǒng)中副回路確實(shí)定六、主、副控制器控制規(guī)律及正、反作用的選擇七、控制器參數(shù)的工程整定〔P174-180〕第二節(jié)均勻控制系統(tǒng)一、均勻控制的目的圖7-9前后精餾塔的供求關(guān)系甲塔:為了穩(wěn)定操作需保持塔釜液位穩(wěn)定，必然頻繁地改變塔底的排出量。乙塔：從穩(wěn)定操作要求出發(fā)，希望進(jìn)料量盡量不變或少變。甲、乙兩塔間的供求關(guān)系出現(xiàn)了矛盾。為了解決前后工序供求矛盾，到達(dá)前后兼顧協(xié)調(diào)操作，使液位和流量均勻變化，可以采用均勻控制系統(tǒng)。均勻控制的要求〔1〕兩個(gè)變量在控制過(guò)程中都應(yīng)該是緩慢變化的?！?〕前后互相聯(lián)系又互相矛盾的兩個(gè)變量應(yīng)保持在所允許的范圍內(nèi)波動(dòng)。圖7-10前一設(shè)備的液位和后一設(shè)備的進(jìn)料量之關(guān)系1—液位變化曲線；2—流量變化曲線二、均勻控制方案1.簡(jiǎn)單均勻控制圖7-11簡(jiǎn)單均勻控制目的

為了協(xié)調(diào)液位與排出流量之間的關(guān)系，允許它們都在各自許可的范圍內(nèi)作緩慢的變化。滿足均勻控制要求的方法通過(guò)控制器的參數(shù)整定來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.串級(jí)均勻控制圖7-12串級(jí)均勻控制可在簡(jiǎn)單均勻控制方案根底上增加一個(gè)流量副回路，即構(gòu)成串級(jí)均勻控制。串級(jí)均勻控制系統(tǒng)的主、副控制器一般都采用純比例作用的。只在要求較高時(shí)，為了防止偏差過(guò)大而超過(guò)允許范圍，才引入適當(dāng)?shù)姆e分作用。在串級(jí)均勻控制系統(tǒng)中，參數(shù)整定的目的不是使變量盡快地回到給定值，而是要求變量在允許的范圍內(nèi)作緩慢的變化。一、概述加熱爐煤氣空氣TTTICMFTFfFICM第三節(jié)比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)。通常為流量比值控制系統(tǒng)。

煤氣：主物料、主動(dòng)量、主流量——Q1空氣：副物料、副動(dòng)量、副流量——Q2作用：使副物料Q2與主物料Q1成一定的比例關(guān)系即：Q2/Q1=K〔K為比例系數(shù)〕二、比值控制系統(tǒng)的類(lèi)型1.開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)圖7-13開(kāi)環(huán)比值控制圖7-14開(kāi)環(huán)比值控制方框圖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需一臺(tái)純比例控制器，其比例度可以根據(jù)比值要求來(lái)設(shè)定；主、副流量均開(kāi)環(huán)；這種比值控制方案對(duì)副流量Q2本身無(wú)抗干擾能力。所以這種系統(tǒng)只能適用于副流量較平穩(wěn)且比值要求不高的場(chǎng)合。

2.單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是為了克服開(kāi)環(huán)比值控制方案的缺乏，在開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)的根底上，通過(guò)增加一個(gè)副流量的閉環(huán)控制系統(tǒng)而組成的。圖7-15單閉環(huán)比值控制圖7-16單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖它能實(shí)現(xiàn)副流量隨主流量的變化而變化，還可以克服副流量本身干擾對(duì)比值的影響。3.雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)它是在單閉環(huán)比值控制的根底上，增加了主流量控制回路而構(gòu)成的。圖7-17雙閉環(huán)比值控制圖7-18雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖實(shí)現(xiàn)了比較精確的流量比值，也確保了兩物料總量根本不變。主要適用于主流量干擾頻繁、工藝上不允許負(fù)荷有較大波動(dòng)或工藝上經(jīng)常需要提降負(fù)荷的場(chǎng)合。4.變比值控制系統(tǒng)圖7-19變比值控制系統(tǒng)

要求兩種物料的比值能靈活地隨第三變量的需要而加以調(diào)整，這樣就出現(xiàn)一種變比值控制系統(tǒng)。圖7-20變比值控制系統(tǒng)方塊圖三、比值控制系統(tǒng)的幾個(gè)問(wèn)題1.主、從動(dòng)量確定2.控制方案的選擇3.比值系數(shù)的計(jì)算4.控制方案的實(shí)施第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)一、前饋控制系統(tǒng)及其特點(diǎn)反響與前饋圖7-21換熱器的反響控制圖7-22換熱器的前饋控制圖7-24反響控制與前饋控制方框圖1.前饋控制是基于不變性原理工作的，比反響控制及時(shí)、有效圖7-23前饋控制系統(tǒng)的補(bǔ)償過(guò)程前饋控制是根據(jù)干擾的變化產(chǎn)生控制作用的。反響控制與前饋控制的檢測(cè)信號(hào)和控制信號(hào)有不同的特點(diǎn)：反響控制的依據(jù)是被控變量與給定值的偏差，檢測(cè)的信號(hào)是被控變量，控制作用發(fā)生時(shí)間是在偏差出現(xiàn)以后。前饋控制的依據(jù)是干擾的變化，檢測(cè)的信號(hào)是干擾量的大小，控制作用的發(fā)生時(shí)間是在干擾作用的瞬間而不需等到偏差出現(xiàn)之后。2.前饋控制是屬于“開(kāi)環(huán)”控制系統(tǒng)反響控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，而前饋控制是一個(gè)“開(kāi)環(huán)”控制系統(tǒng)。3.前饋控制使用的是視對(duì)象特性而定的“專(zhuān)用”控制器一般的反響控制系統(tǒng)均采用通用類(lèi)型的PID控制器，而前饋控制要采用專(zhuān)用前饋控制器。前饋控制器的控制規(guī)律取決于干擾通道的特性與控制通道的特性。對(duì)于不同的對(duì)象特性，就應(yīng)該設(shè)計(jì)具有不同控制規(guī)律的控制器。4.一種前饋?zhàn)饔弥荒芸朔环N干擾反響控制只用一個(gè)控制回路就可克服多個(gè)干擾。二、前饋控制的主要形式1.單純的前饋控制形式〔1〕靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)舉例蒸汽加熱的換熱器

圖7-25靜態(tài)前饋控制實(shí)施方案熱交換器是應(yīng)用前饋控制較多的場(chǎng)合，換熱器有滯后大、時(shí)間常數(shù)大、反響慢的特性，前饋控制就是針對(duì)這種對(duì)象特性設(shè)計(jì)的，故能很好發(fā)揮作用。〔2〕動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)圖7-26動(dòng)態(tài)前饋控制實(shí)施方案在靜態(tài)前饋控制的根底上，加上延遲環(huán)節(jié)或微分環(huán)節(jié)，以到達(dá)干擾作用的近似補(bǔ)償。按此原理設(shè)計(jì)的一種前饋控制器，有三個(gè)可以調(diào)整的參數(shù)K、T1、T2。K為放大倍數(shù)，是為了靜態(tài)補(bǔ)償用的。T1、T2是時(shí)間常數(shù)，都有可調(diào)范圍，分別表示延遲作用和微分作用的強(qiáng)弱。2.前饋-反響控制將它們組合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，使前饋控制用來(lái)克服主要干擾，反響控制用來(lái)克服其他的多種干擾，兩者協(xié)同工作，能提高控制質(zhì)量。圖7-27換熱器的前饋-反響控制圖7-28前饋-反響控制系統(tǒng)方框圖三、前饋控制的應(yīng)用場(chǎng)合〔1〕干擾幅值大而頻繁，對(duì)被控變量影響劇烈，僅采用反響控制達(dá)不到要求的對(duì)象?！?〕主要干擾是可測(cè)而不可控的變量?！?〕當(dāng)對(duì)象的控制通道滯后大，反響控制不及時(shí)，控制質(zhì)量差，可采用前饋或前饋-反響控制系統(tǒng)，以提高控制質(zhì)量。第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)一、根本概念在這些大型工藝生產(chǎn)過(guò)程中，除了要求控制系統(tǒng)在生產(chǎn)處于正常運(yùn)行情況下，能夠克服外界干擾，維持生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)行外，當(dāng)生產(chǎn)操作到達(dá)平安極限時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)有一種應(yīng)變能力，能采取相應(yīng)的保護(hù)措施，促使生產(chǎn)操作離開(kāi)平安極限，返回到正常情況。事故狀態(tài)下的保護(hù)性措施大致可分成兩種：

一種是自動(dòng)報(bào)警，然后由人工進(jìn)行處理，或采用自動(dòng)連鎖、自動(dòng)停機(jī)的方法進(jìn)行保護(hù)，稱(chēng)為“硬保護(hù)”。另一種措施稱(chēng)為“軟保護(hù)”，即所謂的選擇性控制系統(tǒng)。二、選擇性控制系統(tǒng)的類(lèi)型1.開(kāi)關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)一般有A、B兩個(gè)可供選擇的變量。其中一個(gè)變量A假定是工藝操作的主要技術(shù)指標(biāo)，它直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量或生產(chǎn)效率；另一個(gè)變量B，工藝上對(duì)它有一個(gè)限值要求。開(kāi)關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)一般都用做系統(tǒng)的限值保護(hù)。圖7-29丙烯冷卻器的兩種控制方案圖〔a〕所示的方案實(shí)際上是通過(guò)改變換熱面積的方法來(lái)到達(dá)控制溫度的目的。圖〔b〕是在圖〔a〕的根底上增加了一個(gè)帶上限節(jié)點(diǎn)的液位變送器〔或報(bào)警器〕和一個(gè)連接于溫度控制器TC與執(zhí)行器之間的電磁三通閥。圖7-30開(kāi)關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)方框圖圖中的方塊“開(kāi)關(guān)”實(shí)際上是一只電磁三通閥，可以根據(jù)液位的不同情況分別讓執(zhí)行器接通溫度控制器或接通大氣。圖7-31開(kāi)關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)信號(hào)器的信號(hào)關(guān)系是：當(dāng)液位低于75％時(shí)，輸出p2＝０；當(dāng)液位到達(dá)75％時(shí)，p2＝0.1MPa。切換器的信號(hào)關(guān)系是：當(dāng)p2＝０時(shí)，py＝px；當(dāng)p2＝0.1MPa時(shí)，py＝０。2.連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng)特點(diǎn)：當(dāng)取代作用發(fā)生后，控制閥不是立即全開(kāi)或全關(guān)，而是在閥門(mén)原來(lái)的開(kāi)度根底上繼續(xù)進(jìn)行連續(xù)控制。一般具有兩臺(tái)控制器，它們的輸出通過(guò)一臺(tái)選擇器〔高選器或低選器〕后，送往執(zhí)行器。這兩臺(tái)控制器，一臺(tái)在正常情況下工作，另一臺(tái)在非正常情況下工作。舉例大型合成氨工廠的蒸汽鍋爐圖7-32輔助鍋爐壓力取代控制系統(tǒng)圖7-33蒸汽壓力與燃料氣壓力選擇性控制系統(tǒng)方框圖當(dāng)系統(tǒng)處于燃料氣壓力控制時(shí)，蒸汽壓力的控制質(zhì)量將會(huì)明顯下降，但這是為了防止事故發(fā)生所采取的必要的應(yīng)急措施，這時(shí)的蒸汽壓力控制系統(tǒng)實(shí)際上停止了工作，被屬于非正?？刂频娜剂蠚鈮毫刂葡到y(tǒng)所取代。注意圖7-34混合型選擇性控制方案

增加了一個(gè)帶下限節(jié)點(diǎn)的壓力控制器P3C和一臺(tái)電磁三通閥。一旦燃料氣壓力下降到極限值時(shí)，下限節(jié)點(diǎn)接通，電磁閥通電，切斷了低選器LS送往執(zhí)行器的信號(hào)，使控制閥膜頭與大氣相通，膜頭內(nèi)壓力迅速下降到零，于是控制閥將關(guān)閉，回火事故將不致發(fā)生。當(dāng)燃料氣壓力上升到達(dá)正常時(shí)，下限節(jié)點(diǎn)斷開(kāi)，電磁閥中失電，低選器的輸出又被送往執(zhí)行器。當(dāng)燃料氣壓力缺乏時(shí)，燃料氣管線的壓力就有可能低于燃燒室壓力，這樣就會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)的回火現(xiàn)象，危及燃料氣罐使之發(fā)生燃燒和爆炸。3.混合型選擇性控制系統(tǒng)間歇式化學(xué)反響器分程控制系統(tǒng)

在一般的控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的輸出只控制一個(gè)調(diào)節(jié)閥，但在某些工業(yè)生產(chǎn)