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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
2、气流量同时变化时，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：能迅速克服进入副回路扰动的影响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
3、串级控制系统中主、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
4、内。应使KclKplKm 1的乘积为正值，通常Kml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:二二 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
5、化使炉膛温度升高时，因副控制器是反作 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OTiCiT的选择步骤如下：二-：二妄乂二二二三土艺“.？OO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;副控制器：为保证负反馈，应满足：Kc2KvKp2Km20。因 K
6、m20 ；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：KclKplKml0。因Kml0；应选 Kcl0。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。 -S.对熬蹈5-9 一段转代炉巳口涯麦与朋壹串醴列系藍一凰妒且口套亶比值控制系统定义：凡是用来实现两个或
7、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Fa糕気兰冥b档鑫方矣彗乳孔旦龙弄匡滾控剖系统去5-11取迂亦比宣短刮系统nT宣f3”电三h莹a相売方具Lb袒陰吉英变比值控制系统 ：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。&XJII 曲#卞动吠燃村b相蚣方案a柑乖方案从効址空勺ffli-12变比值控制杀统比值系数的计算： 采用线性流量检测单元情况F F22 maxF F1 lmaxF2F1（Flmaxk(Flmax2
8、max2max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xK +零点采用差压变送器（非线性检测变送环节）：F2 F2F2K2 lmax k 2 lmaxF 2 F 2F 2l 2max2max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l：3:l4。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
9、K2,乘法器和除 法器输入电流I kl和I k2oEFJ544三垸捱化吃谊兰刮至统（a）相莢主龛心当：k 1.25、从仪表精确度考虑，u 1.6、2、2.5、3.2、4、5、6.3、8Xl0n （n为整数）。根据题 意，各差压变送器的量程应选择为：/=smax=32000m3/h： Himax=12500m3/h； Famax=16000m3/h； 番粵 騎毒动量Fs，天然气Fh和空气Fa为从动量。防止水碳 工艺比值系数为;kn空3; K2= Fa/F5 =1.4/3。因采用非线半检测变送环节，仪表比值系数的计算公式为：一.门烂3 即 心=好辛_ = 4空答= 0-7282；氐胡争_=耳OOP
10、； mi.5.FfiTTJOi 12500F2!IX，16000流（即恒流给定器输出）1=1+4 = 15.65 农Ik2 =162 + 4 = 17.94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
11、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F 2线性检测变送环节，主、从动量的仪表量程范围满足：k E厂，则工1max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
12、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
13、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，流量波动也相当小。这样就实现了均图5-17简单均匀控制系统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
14、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
15、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。前馈反馈控制系统厂一一加加图5-21精馏塔前馈反馈控制系统（相乘型）图5-22加热炉前馈反馈控制系统相加型）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、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：
