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1、第五章 复杂控制系统（串级、比值、均匀、分程、选择、前馈、双重控制）串级控制系统定义：采用不止一个控制器，而且控制器间相串接，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值的系统。调节过程：当燃料气压力或流量波动时，加热炉出口温度还没有变化，因此，主控制器输出不变，燃料气流量控制器因扰动的影响，使燃料气流量测量值变化，按定值控制系统的调节过程，副控制器改变控制阀开度，使燃料气流量稳定。与此同时，燃料气流量的变化也影响加热炉出口温度，使主控制器输出，即副控制器的设定变化，副控制器的设定和测量的同时变化，进一步加速了控制系统克服扰动的调节过程，使主被控变量回复到设定值。当加热炉出口温度和燃料气流量同时变
2、化时，主控制器通过主环及时调节副控制器的设定，使燃料气流量变化保持炉温恒定，而副控制器一方面接受主控制器的输出信号，同时，根据燃料气流量测量值的变化进行调节，使燃料气流量跟踪设定值变化，使燃料气流量能根据加热炉出口温度及时调整，最终使加热炉出口温度迅速回复到设定值。特点：l 能迅速克服进入副回路扰动的影响 l 串级控制系统由于副回路的存在，改善了对象特性，提高了工作频率 l 串级控制系统的自适应能力 设计：主、副回路副回路应尽量包含生产过程中主要的、变化剧烈、频繁和幅度大的扰动，并力求包含尽可能多的扰动。 设计副回路应注意工艺上的合理性 ；应考虑经济性 ；注意主、副对象时间常数的匹配 串级控制
3、系统中主、副控制器控制规律主控制器起定值控制作用，副控制器对主控制器输出起随动控制作用，而对扰动作用起定值控制作用。主被控变量要求无余差，副被控变量却允许在一定范围内变动。主控制器可采用比例、积分两作用或比例、积分、微分三作用控制规律，副控制器单比例作用或比例积分作用控制规律。主、副控制器正、反作用的选择 先依据控制阀的气开、气关形式，副对象的放大倍数,决定副控制器正反作用方式,即必须使的Kc2KvKp2Km2乘积为正值，其中Km2通常总是正值。主控制器的正、反作用主要取决于主对象的放大倍数，至于控制阀的气开、气关形式不影响主控制器正、反作用的选择，因为控制阀已包含在副回路内。应使Kc1Kp1
4、Km1的乘积为正值,通常Km1总是正值,因此主控制器的正、反作用选择应使Kc1Kp1为正值。图5-4所示加热炉出口温度和炉膛温度串级控制系统中控制器正反作用的选择步骤如下：控制阀：从安全角度考虑，选择气开型控制阀，Kv0；副被控对象：燃料油流量增加，炉膛温度升高，因此，Kp20；副控制器：为保证负反馈，应满足：Kc2KvKp2Km20。因Km20；应选Kc20。即选用反作用控制器；主被控对象：当炉膛温度升高时，出口温度升高，因此，Kp10；主控制器：为保证负反馈，应满足：Kc1Kp1Km10。因Km10；应选Kc10。即选用反作用控制器。调节过程：当扰动或负荷变化使炉膛温度升高时，因副控制器是
5、反作用，因此，控制器输出减小，控制阀是气开型，因此，控制阀开度减小，燃料量减小，使炉膛温度下降；同时，炉膛温度升高，使出口温度升高，通过反作用的主控制器，使副控制器的设定降低，通过副控制回路的调节，减小燃料量，减低炉膛温度，进而降低出口温度，以保持出口温度恒定。图5-5所示夹套反应釜进行放热反应，串级控制系统控制器正反作用的选择步骤如下：控制阀：从安全角度考虑，选择气关型控制阀，Kv0；副被控对象：冷却水流量增加，夹套温度下降，因此，Kp20。因Km20；应选Kc20。即选用反作用控制器；主被控对象：当夹套温度升高时，反应釜温度升高，因此，Kp10；主控制器：为保证负反馈，应满足：Kc1Kp1
6、Km10。因Km10；应选Kc10。即选用反作用控制器。参数的整定：（逐步逼近法；两步法；一步法）变型：采用常规仪表时，为减少仪表投资，采用加法器等运算单元来实现串级控制系统，以节省控制器的投资。 采用阀门定位器，引入串级控制系统，这时副控制器参数通常不调整。某大型氨厂引入驰放气作为辅助冲量的一段转化炉出口温度与燃料量串级控制系统。 比值控制系统定义：凡是用来实现两个或两个以上的物料按一定比例关系控制以达到某种控制目的的控制系统。关系式：主动量F1，从动量F2，比值K=F2/F1。分类：单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统和变比值控制系统单闭环比值控制系统 双闭环比值控制系统 变比值控制系统
7、 ：变比值控制系统的比值是变化的，比值由另一个控制器设定。 比值系数的计算：采用线性流量检测单元情况 ：采用电动和气动仪表时，乘法器输入的比值电流或气压和相除方案中比值控制器设定电流或气压可按下列公式计算：输入信号=仪表量程范围K + 零点 采用差压变送器（非线性检测变送环节）：例题：合成氨一段转化反应中，为保证甲烷的转化率，需保持甲烷、蒸汽和空气三者的比值为1:3:1.4。流量测量都采用节流装置和差压变送器，未装开方器，其中，蒸汽最大流量为31100m3/h；天然气最大流量为11000m3/h；空气最大流量为14000m3/h；采用相乘和相除方案，确定各差压变送器的量程，仪表比值系数K1和K
8、2，乘法器和除法器输入电流I k1和I k2。 l比值控制系统设计和工程应用中的问题1）、主动量和从动量的选择：主动量通常选择可测量但不可控制的过程变量；从安全考虑，如该过程变量供应不足会不安全时，应选择该过程变量为主动量，例如，水蒸汽和甲烷进行甲烷转化反应，由于水蒸气不足会造成析碳，因此，应选择水蒸汽作为主动量；从动量通常应是既可测量又可控制，并需要保持一定比值的过程变量。2）、类型的选择：主动量不可控时，选用单闭环比值控制系统，例如，主动量来自上一工序；主动量可控可测，并且变化较大时，宜选双闭环比值控制系统；当比值根据生产过程的需要由另一个控制器进行调节时，应选择变比值控制系统；当质量偏离
9、控制指标需要改变流量的比值时，应采用变比值控制系统；变比值控制系统的第三过程变量通常选择过程的质量指标，例如，烟道气中的氧含量等。3）、比值函数环节（乘法器、分流器、加法器）4）、变送器量程的选择：采用常规仪表时，如果采用线性检测变送环节，主、从动量的仪表量程范围相等，则工艺比值系数k与仪表比值系数K相等；如果采用非线性检测变送环节，主、从动量的仪表量程范围满足：，则工艺比值系数k与仪表比值系数K相等。5）、流量的温度压力补偿：温度应换算到凯氏温度，压力应换算到绝对压力。比值控制系统的参数整定和投运1、 单闭环比值控制系统：非振荡或衰减比10:1的过渡过程。2、双闭环比值控制系统：主动量：衰减
10、比为4:1整定主控制器参数；动量控制系统：以非振荡或衰减比为10:1整定从动量控制器参数。均匀控制系统 定义：均匀控制系统是指一种控制方案所起的作用而言，因为就控制方案的结构来看，它可能象是液位或压力的简单定值控制系统，也可能象是液位与流量或压力与流量的串级控制系统。 特点：均匀控制系统应具有既允许表征前后供求矛盾的两个变量都有一定范围的变化，又要保证它们的变化不应过于剧烈的特点。 参数整定：在均匀控制系统中不应该选择微分作用，有时还可能需要选择反微分作用。在参数整定上，一般比例度要大于100%，并且积分时间要长一些，这样液位仍会变化，但变化不会太剧烈。同时，控制器输出很和缓，阀位变化不大，流
11、量波动也相当小。这样就实现了均匀控制的要求。串级均匀控制系统 系统中副回路流量控制的目的是为了消除控制阀前后压力干扰及自衡作用对流量的影响。均匀控制系统的控制规律的选择及参数整定(1)控制规律作用的选择对一般的简单均匀控制系统的控制器，选择纯比例控制规律。对一些输入流量存在急剧变化的场合或液位存在“噪声”的场合，特别是希望液位正常稳定工况时保持在特定值附近时，则应选用比例积分控制规律。前馈控制系统原理：前馈控制系统是一种开环控制系统，根据扰动或设定值的变化按补偿原理而工作。 特点：当扰动产生后，被控变量还未变化以前，根据扰动作用的大小进行控制，以补偿扰动作用对被控变量的影响。 换热器的前馈控制
12、系统及其方块图 前馈反馈控制系统：利用前馈控制来克服可以预见的主要扰动；而对于前馈控制补偿不完全的部分及扰动依旧作用于被控变量所产生的偏离及其余扰动，由反馈控制来消除。即使在大而频繁的扰动下，仍然可以获得优良的控制品质。前馈控制的主要结构形式：静态前馈静态前馈是在扰动作用下，前馈补偿作用只能最终使被控变量回到要求的设定值，而不考虑补偿过程中的偏差大小。在有条件的情况下，可以通过物料平衡和能量平衡关系求得采用多大校正作用。静态前馈控制不包含时间因子，实施简便。前馈反馈控制系统前馈控制系统的设计及工程实施中若干问题前馈控制系统主要用于克服控制系统中对象滞后大、由扰动而造成的被控变量偏差消除时间长、
13、系统不易稳定、控制品质差等弱点，因此采用前馈控制系统的条件是： 扰动可测但是不可控 变化频繁且变化幅度大的扰动 扰动对被控变量影响显著，反馈控制难以及时克服，且过程对控制精度要求又十分严格的情况。前馈补偿装置及偏置的选择：采用DCS或计算机控制：前馈-反馈控制算法常规仪表实施：静态前馈选择性控制系统 选择性控制系统（取代控制、超驰控制和保护控制）定义：在控制系统中含有选择单元的系统。选择器：低选器、高选器uo=min (ui1,ui2,- uij)uo=max (ui1,ui2,-uij) (1)选择器位于两个控制器与一个执行器之间 超驰(override)控制系统是选择性控制系统中常用的类型
14、。图5-25为液氨蒸发器的超驰控制系统，液氨蒸发器是一个换热设备，在工业生产上用得很多。液氨的汽化，需要吸收大量的汽化热，因此，它可以常用来冷却流经管内的被冷却物料。在正常工况下，控制阀由温度控制器TC的输出来控制，这样可以保证被冷却物料的温度为设定值。但是，蒸发器需要有足够汽化空间，来保证良好的汽化条件以及避免出口氨气带液，为此又设计了液面超驰控制系统。在液面达到高限的工况，此时，即便被冷却物料的温度高于设定值，也不再增加氨液量，而由液位控制器LC取代温度控制器TC进行控制。这样，既保证了必要的汽化空间又保证了设备安全。(2)操纵变量的选择性控制 加热炉燃料有低价燃料A和补充燃料B，A最大供
15、应量为AH, 燃料A超过AH时启用补充燃料B，为此设计了图5-26所示选择性控制系统。l 正常工况时：mAH，温度控制器TC的输出m经低选器作为燃料A流量控制器F1C的设定值，构成温度控制器TC与燃料A流量控制器串级控制。补充燃料B流量控制器F2C设定值AH，燃料A流量控制器F1C为定值控制，设定值为AH。温度控制器TC的输出m至加法器，m-n0作为补充燃料B流量控制器F2C的设定值，构成温度控制器TC与燃料B流量控制器串级控制。 选择性控制系统设计和工程应用中的问题(2)控制器的选择超驰控制系统的控制要求是超过安全软限时能够迅速切换到取代控制器。取代控制器应选择比例度较小的比例或比例积分控制器。控制器的正反作用可：负反馈准则(3)防积分饱和由于偏差为零时，两个控制器的输出不能及时切换的现象称为选择性控制系统的积分饱和。保持控制器切换时跟踪的方法：积分外反馈：选择器输出作为积分外反馈信号，分别送两个控制器。 选择性控制系统应用实例l 一段转化炉燃烧安全选择性控制系统 分程控制系统定义：一个控制器的输出同时送往两个或多个执行器，而各个执
