第7复杂控制系统下

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1、过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章 7.4 7.4 比值控制系统比值控制系统比值控制系统比值控制系统生生产产过过程程中中，经经常常需需要要几几种种物物料料的的流流量量保保持持一一定定的的比比例例关关系系。例例如如，在在锅锅炉炉的的燃燃烧烧系系统统中中，要要保保持持燃燃料和空气量的一定比例，以保证燃烧的经济性。料和空气量的一定比例，以保证燃烧的经济性。定定义义：实实现现两两个个或或多多个个参参数数符符合合一一定定比比例例关关系系的的控制系统，称为比值控制系统。控制系统，称为比值控制系统。例如要实现两种物料的比例关系，则表示为：例如要实现两种物料的比例关系，则表示为：Q2=K Q1

2、其中：其中：K比值系数；比值系数；Q1主流量；主流量； Q2副副流量流量 。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.4.1比值控制系统的种类比值控制系统的种类 1. 开环比值控制系统开环比值控制系统如图如图Q1是主流量，是主流量，Q2是副流量。流量变送器是副流量。流量变送器FT检测主物料流量检测主物料流量Q1；由控制器；由控制器FC及安装在从物料管及安装在从物料管道上的阀门来控制副流量道上的阀门来控制副流量Q2。FTFCQ1Q2此此控控制制方方案案的的优优点点是是结结构构简简单单、成成本本低低。缺缺点点是是无无抗抗干干扰扰能能力力，当当副副流流管管线线压压力力等等改改变变时时，不不

3、能能保证所要求的比值。保证所要求的比值。 控制目标：控制目标：Q2K Q1过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章Q Q2 2控制器控制器执行器执行器对象对象测量、变送测量、变送给定给定Q Q1 1开环比值控制系统方块图开环比值控制系统方块图 FTFCQ1Q2过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章2. 单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统为了克服开环比值控制的不足，在开环比值控制为了克服开环比值控制的不足，在开环比值控制的基础上，增加对副流量的闭环控制。的基础上，增加对副流量的闭环控制。特点：特点：q对对Q2进行闭环控制，比值控制精度提高进行闭环控制，比值控制精度提高。q控制

4、目标：控制目标：Q2= =K Q1 q对对Q1只只测测量量、不不控控制制。Q1变变化化，Q2跟跟着着变变化，总流量不稳定。化，总流量不稳定。F1TQ1Q2 KF2TF2C过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章控制器控制器F F2 2C C执行器执行器对象对象副测量、变送副测量、变送控制器控制器F F1 1C C给定给定主测量、变送主测量、变送Q Q1 1Q Q2 2单闭环比值控制系统方块图单闭环比值控制系统方块图 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章3. 双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统 为了克服单闭环比值控制中主流量不受控制的缺为了克服单闭环比值控制中主流量不受控制

5、的缺点，增加了主流量控制回路。点，增加了主流量控制回路。特点：特点：qQ1是主流量，是主流量，Q2是副是副流量。两个流量都可控，流量。两个流量都可控，因此总流量稳定。因此总流量稳定。F1TQ1Q2F1CF2TF2CKq有两个闭环控制回路，有两个闭环控制回路，用比值器联系。用比值器联系。q控制目标：控制目标：Q2= =K Q1 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章给定给定K K对象对象主流量控制器主流量控制器执行器执行器主测量、变送主测量、变送对象对象副流量控制器副流量控制器执行器执行器副测量、变送副测量、变送Q Q1 1Q Q2 2双闭环比值控制系统方块图双闭环比值控制系统方块图

6、过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章4变比值控制系统变比值控制系统以上介绍的都是定比值控制系统。在有些生产过以上介绍的都是定比值控制系统。在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第三个工艺参数的程中，要求两种物料流量的比值随第三个工艺参数的需要而变化，为满足这种工艺的要求，就出现了变比需要而变化，为满足这种工艺的要求，就出现了变比值控制系统。值控制系统。 例例如如，变变换换炉炉工工艺艺中中，煤煤气气与与水水蒸蒸气气（58倍倍）在在触触媒媒的的催催化化下下，转转化化成成二二氧氧化化碳碳和和氢氢气气。温温度度越越高高转转化化率率越越高高，但但温温度度过过高高会会影影响响触触媒媒寿寿命

7、命。如如果果根根据据触触媒媒层层的的温温度度调调节节其其比比例例系系数数，就就能能保保持持最最佳佳的的触触媒媒温温度度和和最最高的转化率。高的转化率。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章F1TF2T TT转化气转化气温度控制器温度控制器TC根据根据触媒的实触媒的实际温度与给定温度的偏差，际温度与给定温度的偏差，计算流量比值的给定值计算流量比值的给定值。除除法法器器算算出出蒸蒸汽汽与与煤煤气气流流量量的的实实际际比比值值，输输入入到流量控制器到流量控制器FC。最最后后通通过过调调整整蒸蒸汽汽量量（改改变变蒸蒸汽汽与与半半水水煤煤气气的的比比值值）来来使使变变换换炉炉触触媒媒层层的的温

8、温度度恒恒定在给定值上。定在给定值上。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章图图7.23 变比值控制系统框图变比值控制系统框图Gc2(s)Y(s)+Gv2(s)G02(s)G0(s)Gc1(s)X (s)Gm(s)Q1(s)Q2(s)Gm2(s)Gm1(s)+KKr_ _ _应当注意，在变比值控制系统中，流量比值只应当注意，在变比值控制系统中，流量比值只是一种控制手段，不是最终目的，而第三参数（如是一种控制手段，不是最终目的，而第三参数（如本例中温度）往往是主要被控参数。本例中温度）往往是主要被控参数。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.4.2比值控制系统的设计与参数

9、整定比值控制系统的设计与参数整定 1比值控制系统设计比值控制系统设计1）主流量、副流量的确定原则：）主流量、副流量的确定原则：生产中起主导作用的物料流量，一般选为主流生产中起主导作用的物料流量，一般选为主流量，其余的物料流量跟随其变化，为副流量。量，其余的物料流量跟随其变化，为副流量。工艺上不可控的物料流量，一般选为主流量。工艺上不可控的物料流量，一般选为主流量。成本较昂贵的物料流量一般选为主流量。成本较昂贵的物料流量一般选为主流量。当生产工艺有特殊要求时，主、副物料流量的当生产工艺有特殊要求时，主、副物料流量的确定应服从工艺需要。确定应服从工艺需要。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第

10、7章章2）控制方案的选择）控制方案的选择控制方案选择应根据不同的生产要求确定，同时控制方案选择应根据不同的生产要求确定，同时兼顾经济性原则。兼顾经济性原则。如果工艺上仅要求两物料流量之比值一定，而如果工艺上仅要求两物料流量之比值一定，而对总流量无要求，可用单闭环比值控制方案。对总流量无要求，可用单闭环比值控制方案。如果主、副流量的扰动频繁，而工艺要求主、如果主、副流量的扰动频繁，而工艺要求主、副物料总流量恒定的生产过程，可用双闭环比值控制副物料总流量恒定的生产过程，可用双闭环比值控制方案。方案。当生产工艺要求两种物料流量的比值要随着第当生产工艺要求两种物料流量的比值要随着第三参数的需要进行调节

11、时，可用变比值控制方案。三参数的需要进行调节时，可用变比值控制方案。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章3）调节器控制规律的确定）调节器控制规律的确定比值控制系统中，调节器的控制规律是根据控制比值控制系统中，调节器的控制规律是根据控制方案和控制要求而定。方案和控制要求而定。F1TQ1Q2 KF2TF2C在单闭环比值控制系在单闭环比值控制系统中，比值器统中，比值器K起比值计起比值计算作用，若用调节器实现，算作用，若用调节器实现，则选则选P调节；调节器调节；调节器F2C使副流量稳定，为保证控使副流量稳定，为保证控制精度可选制精度可选PI调节。调节。PPI过程控制系统与仪表过程控制系统与

12、仪表 第第7章章双闭环比值控制不仅双闭环比值控制不仅要求两流量保持恒定的比要求两流量保持恒定的比值关系，而且主、副流量值关系，而且主、副流量均要实现定值控制，所以均要实现定值控制，所以两个调节器均应选两个调节器均应选PI调节；调节；比值器选比值器选P调节。调节。 F1TQ1Q2F1CF2TF2CKPIPIP 4）正确选择流量计及其量程）正确选择流量计及其量程各种流量计都有一定的适用范围（一般正常流各种流量计都有一定的适用范围（一般正常流量选在满量程的量选在满量程的70左右），必须正确地选择和使左右），必须正确地选择和使用，可参考有关设计资料、产品手册。用，可参考有关设计资料、产品手册。 过程控

13、制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章5）比值系数的计算）比值系数的计算工艺规定的流量（或质量）比值工艺规定的流量（或质量）比值K不能直接作为不能直接作为仪表比值使用，必须根据仪表的量程转换成仪表的比仪表比值使用，必须根据仪表的量程转换成仪表的比值系数值系数K后才能进行比值设定。后才能进行比值设定。变送器的转换特性不同，比值系数变送器的转换特性不同，比值系数K的计算公式的计算公式不同。不同。（l）流量与测量信号之间成线性关系）流量与测量信号之间成线性关系如果如果Q1的流量计测量范围为的流量计测量范围为0Q1max 、Q2的流的流量计测量范围为量计测量范围为0Q2max，则变送器输出电流信号

14、和，则变送器输出电流信号和流量之间的关系如下：流量之间的关系如下：过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章因因代入工艺比值公式：代入工艺比值公式：得换算公式：得换算公式：而仪表比值公式：而仪表比值公式：过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章（2）流量与测量信号之间成非线性关系）流量与测量信号之间成非线性关系利用节流原理测流量时，流量计输出信号与流量的利用节流原理测流量时，流量计输出信号与流量的平方成正比：平方成正比： I=CQ2 代入工艺比值公式：代入工艺比值公式：得换算公式：得换算公式：则则过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章6）流量测量中的温度、压力补偿）流量

15、测量中的温度、压力补偿用差压流量计测量气体流量时，被测气体温度和用差压流量计测量气体流量时，被测气体温度和压力的变化会使其密度发生变化，流量的测量值将产压力的变化会使其密度发生变化，流量的测量值将产生误差。生误差。对于温度、压力变化较大、而控制质量要求较高对于温度、压力变化较大、而控制质量要求较高的对象，必须进行温度、压力补偿，以保证流量测量的对象，必须进行温度、压力补偿，以保证流量测量值的准确。值的准确。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.4.2.2 比值控制系统的实施与参数整定比值控制系统的实施与参数整定1）比值系数的实现）比值系数的实现比值系统的实现有相乘和相除二种方法。

16、在工程比值系统的实现有相乘和相除二种方法。在工程上可采用比值器、乘法器、除法器等仪表实现；用计上可采用比值器、乘法器、除法器等仪表实现；用计算机控制时，通过比例、乘、除运算程序实现。算机控制时，通过比例、乘、除运算程序实现。2）比值控制系统的参数整定）比值控制系统的参数整定比值系统的主流量回路，可按单回路控制系统进比值系统的主流量回路，可按单回路控制系统进行整定；比值系统的副流量整定为振荡与不振荡的边行整定；比值系统的副流量整定为振荡与不振荡的边界为佳，即过渡过程既不振荡而反应又快。界为佳，即过渡过程既不振荡而反应又快。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.5 均匀控制系统均匀

17、控制系统在在连连续续生生产产过过程程中中，有有许许多多装装置置是是前前后后紧紧密密联联系系的的。前前一一设设备备的的出出料料，往往往往是是后后一一设设备备的的进进料料，各各设设备备的的操操作作也也互互相相关关联联、互互相相影影响响。例例如如图图7.24所所示的两个连续操作的精馏塔。示的两个连续操作的精馏塔。LC1#2#FTFCLT 1#塔要求液塔要求液位稳定，设液位位稳定，设液位控制系统。控制系统。 2#塔要求进塔要求进料量稳定，设流料量稳定，设流量控制系统。量控制系统。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章显然，这两套控制系统的控制目标存在矛盾：显然，这两套控制系统的控制目标存在矛

18、盾： 解决办法：解决办法：1、设中间贮设中间贮槽，使前后影响减槽，使前后影响减小，但成本高。小，但成本高。2、用均匀调、用均匀调节方案。节方案。1#塔液位调节塔液位调节阀阀 1 开度变化开度变化LC1#2#FTFCLT12 2#塔流量变化塔流量变化2#塔流量调节塔流量调节阀阀 2 开度变化开度变化 1#塔液位变化塔液位变化过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.5.1 均匀控制系统工作原理及特点均匀控制系统工作原理及特点为为了了解解决决前前后后工工序序控控制制的的矛矛盾盾，达达到到前前后后兼兼顾顾、协协调调操操作作，使使前前后后工工序序的的控控制制参参数数均均能能符符合合要要求求而

19、而设设计的控制系统称为计的控制系统称为均匀控制系统均匀控制系统。如如上上例例中中，均均匀匀控控制制应应通通过过对对液液位位和和流流量量两两个个变变量量同同时时兼兼顾顾的的控控制制方方案案，使使两两个个互互相相矛矛盾盾的的变变量量相相互互协调，都能满足各自的的工艺要求。协调，都能满足各自的的工艺要求。和其它控制方式相比，均匀控制的特点如下：和其它控制方式相比，均匀控制的特点如下：（1）两两个个被被控控变变量量在在控控制制过过程程中中都都是是缓缓慢慢变变化化的。的。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章因因为为若若将将1#塔塔液液位位控控制制成成平平稳稳的的直直线线，会会导导致致2#塔塔

20、的的进进料料量量波波动动很很大大；反反之之若若将将2#塔塔的的进进料料量量控控制制成成平平稳稳的的直直线线，会会导导致致1#塔塔液液位位波波动动很很大大。即即无无法法实实现现两个被控参数都很平稳。两个被控参数都很平稳。只只有有让让两两者者都都有有一一定定程程度度的的波波动动，但但波波动动都都比比较较缓慢、且幅度较小，才有可能同时符合控制要求。缓慢、且幅度较小，才有可能同时符合控制要求。 tLL FFO（a）1#塔液位稳定、塔液位稳定、2#塔流量变化大塔流量变化大LFL FtO（b）1#塔液位变化大、塔液位变化大、2#塔流量稳定塔流量稳定L FLFtO（c）1#塔液位、塔液位、2#塔流量均变化较

21、小塔流量均变化较小过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章（2）前前后后互互相相联联系系又又互互相相矛矛盾盾的的两两个个变变量量应应保保持持在所允许的范围内波动。在所允许的范围内波动。如如图图，1#塔塔塔塔釜釜液液位位的的升升降降变变化化不不能能超超过过规规定定的的上上下下限限。2#塔塔进进料料流流量量也也不不能能超超越越规规定定的的上上下下限限，否否则就不能满足工艺要求。则就不能满足工艺要求。LC1#2#FTFCLT12L FLFtO过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.5.2 均匀控制方案均匀控制方案均匀控制常用的方案有简单均匀控制、串级均匀均匀控制常用的方案有简单均

22、匀控制、串级均匀控制等形式，下面介绍这两种控制方案。控制等形式，下面介绍这两种控制方案。1简单均匀控制简单均匀控制LC1#2#LT结结构构与与简简单单液液位位定定值值控控制制系系统统一一样样，但但系系统统控控制制的的目目的的不不同同。均均匀匀控控制制的的目目的的是是协协调调控控制制液液位位和和排排出出流流量量两两个变量。个变量。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章由于控制目的不同，均匀控制要求兼顾两个变由于控制目的不同，均匀控制要求兼顾两个变量，是通过调节器的参数整定来实现的。量，是通过调节器的参数整定来实现的。简单均匀控制系统中的控制器一般都是纯比例简单均匀控制系统中的控制器一般

23、都是纯比例作用，而且将比例度整定得很大。作用，而且将比例度整定得很大。LC1#2#LT当液位变化时，当液位变化时，控制器的输出变化很控制器的输出变化很小，排出流量只作微小，排出流量只作微小缓慢的变化，以较小缓慢的变化，以较弱的控制作用达到均弱的控制作用达到均匀控制的目的。匀控制的目的。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章LC1#2#LT因此，简单均因此，简单均匀控制适用于干扰匀控制适用于干扰不大、对流量的均不大、对流量的均匀程度要求较低的匀程度要求较低的场合。场合。简单均匀控制的优点是结构简单，投运方便，成简单均匀控制的优点是结构简单，投运方便，成本低。但对另一个被控变量是不测不控

24、的兼顾操作，本低。但对另一个被控变量是不测不控的兼顾操作，其控制精度不一定能保证。其控制精度不一定能保证。如此例中，当前后塔的压力变化较大时，尽管调如此例中，当前后塔的压力变化较大时，尽管调节阀的开度不变，输出流量也会发生较大变化。节阀的开度不变，输出流量也会发生较大变化。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章2串级均匀控制串级均匀控制为为了了克克服服简简单单均均匀匀控控制制只只有有一一个个控控制制回回路路，只只能能保保证证一一个个被被控控变变量量精精度度的的缺缺点点，可可在在简简单单均均匀匀控控制制方方案基础上增加一个副控制回路，构成串级均匀控制。案基础上增加一个副控制回路，构成串

25、级均匀控制。 q结结构构与与串串级级控控制制系系统统相相同同。增增加加了了流流量量控控制制回回路路，可可以以及及时时克克服服压压力力干干扰扰，保保证证流流量量控控制精度。制精度。FC1#2#FTLCLT过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章q串串级级均均匀匀控控制制方方案案中中，主主、副副变变量量都都有有控控制制精精度度要要求求，二二者者均均在在规规定定的的范范围围内内作作缓缓慢慢的的变变化化，所所以以控控制手法上与串级控制不同。制手法上与串级控制不同。v主主、副副控控制制器器一一般般都都采采用用纯纯比比例例作作用用，而而且且将将比比例度整定得较大。例度整定得较大。v串串级级均均匀匀

26、控控制制方方案案适适用用于于干干扰扰较较大大的的场场合合。但但使使用用仪仪表表较较多多，投投运运、维护较复杂。维护较复杂。FC1#2#FTLCLT过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章 7.5.3 均匀控制系统的参数整定均匀控制系统的参数整定 7.5.3.1 控制规律的选择控制规律的选择 简单均匀控制系统控制器一般采用纯比例作用，简单均匀控制系统控制器一般采用纯比例作用，对无差控制要求的系统可采用比例积分控制规律。对无差控制要求的系统可采用比例积分控制规律。 串级均匀控制系统的主、副控制器一般都采用纯串级均匀控制系统的主、副控制器一般都采用纯比例作用，只在要求较高时，才引入积分控制。

27、比例作用，只在要求较高时，才引入积分控制。 所有均匀控制系统都不允许加入微分控制作用。所有均匀控制系统都不允许加入微分控制作用。 7.5.3.2 控制器参数的整定控制器参数的整定 简单均匀控制系统、串级均匀控制系统控制器参简单均匀控制系统、串级均匀控制系统控制器参数的整定方法，与普通的单回路、串级系统的整定方数的整定方法，与普通的单回路、串级系统的整定方法相同，只不过控制指标的要求不同而已。法相同，只不过控制指标的要求不同而已。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.6 分程控制系统分程控制系统在在分分程程控控制制系系统统中中，一一个个控控制制器器的的输输出出信信号号被被分分割割成

28、成几几个个行行程程段段，每每一一段段行行程程各各控控制制一一个个调调节节阀阀，故故取名为分程控制系统。取名为分程控制系统。例例如如，一一个个控控制制器器的的输输出出信信号号分分程程控控制制两两个个调调节节阀阀A和和B ， A和和B的输入信号各占一半行程。的输入信号各占一半行程。q可调整阀门定可调整阀门定位器来缩小调节阀位器来缩小调节阀的输入量程的输入量程 。CABMM过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.6.1 分程控制系统工作原理及类型分程控制系统工作原理及类型1分程控制系统工作原理分程控制系统工作原理如某一间歇式生产的化学反应过程中，每次投料如某一间歇式生产的化学反应过程中，

29、每次投料完毕后，需要先对其加热引发化学反应。完毕后，需要先对其加热引发化学反应。 TT热水热水冷却水冷却水B TCA一一旦旦反反应应开开始始进进行行，就就会会持持续续产产生生大大量量的的反反应应热热，如如果果不不及及时时降降温温，物物料料温温度度会会越越来来越越高高，有有发发生生爆爆炸炸的的危危险险。因因此，必须降温。此，必须降温。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章为此，可设计以反应器内温度为被控参数、以热为此，可设计以反应器内温度为被控参数、以热水流量和冷却水流量为控制变量的分程控制系统，调水流量和冷却水流量为控制变量的分程控制系统，调节阀节阀A、B分别控制冷却水和热水。分别控

30、制冷却水和热水。为保证安全，为保证安全，热水阀采用气开热水阀采用气开式，冷水阀采用式，冷水阀采用气关式，则温度气关式，则温度调节器设为反作调节器设为反作用。用。 TT热水热水冷却水冷却水B TCA反反反反正正过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章图图7.29 调节阀分程关系曲线调节阀分程关系曲线MPa0100%0.020.060.10A阀阀B阀阀 TT热水热水冷却水冷却水B TCA正正反反反反工作原理如下：工作原理如下：当装料完成、化学反应开始前，温度测量值小于当装料完成、化学反应开始前，温度测量值小于设定值。调节器设定值。调节器TC输出气压大于输出气压大于0.06MPa，A（冷水）

31、（冷水）阀关闭，阀关闭，B（热水）阀开启，反应器夹套中进的热水（热水）阀开启，反应器夹套中进的热水使反应物料温度上升。使反应物料温度上升。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章反应开始后，反应物温度逐渐升高，调节器输出反应开始后，反应物温度逐渐升高，调节器输出逐渐下降，热水阀逐渐关小；当反应物料温度达到并逐渐下降，热水阀逐渐关小；当反应物料温度达到并高于高于设定值设定值时，调节器输出气压将小于时，调节器输出气压将小于0.06MPa，热热水阀水阀完全关闭，冷水阀逐渐打开，冷水进入夹套将反完全关闭，冷水阀逐渐打开，冷水进入夹套将反应热带走，使反应物料温度保持在应热带走，使反应物料温度保持

32、在设定值设定值。图图7.29 调节阀分程关系曲线调节阀分程关系曲线MPa0100%0.020.060.10A阀阀B阀阀 TT热水热水冷却水冷却水B TCA正正反反反反过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章2分程控制系统的类型分程控制系统的类型按照调节阀的气开、气关形式和分程信号区段按照调节阀的气开、气关形式和分程信号区段不同，可分为以下两种类型：不同，可分为以下两种类型：调节阀同向动作的分程控制系统调节阀同向动作的分程控制系统例：两个调节阀同向动作例：两个调节阀同向动作A、B均为正作用阀均为正作用阀A、B均为反作用阀均为反作用阀MPa0100%0.020.060.10A阀阀B阀阀MP

33、a0100%0.020.060.10A阀阀B阀阀过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章MPa0100%0.020.060.10A阀阀B阀阀MPa0100%0.020.060.10A阀阀B阀阀调节阀异向动作的分程控制系统调节阀异向动作的分程控制系统例：两个调节阀异向动作例：两个调节阀异向动作在在0.020.06MPa区区间，间，B阀全开、阀全开、A阀逐渐阀逐渐开大；在开大；在0.060.10MPa区间，区间，A阀全开、阀全开、B阀逐阀逐渐关小。渐关小。在在0.020.06MPa区区间，间，B阀全关、阀全关、A阀逐渐阀逐渐关小；在关小；在0.060.10MPa区间，区间，A阀全关、阀全关

34、、B阀逐阀逐渐开大。渐开大。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章给定给定执行器执行器1对象对象变送器变送器控制器控制器干扰干扰执行器执行器27.6.2 分程控制系统设计及工业应用分程控制系统设计及工业应用分程控制系统本质上属于单回路控制系统。二者分程控制系统本质上属于单回路控制系统。二者的主要区别是：单回路控制系统中调节器输出控制一的主要区别是：单回路控制系统中调节器输出控制一个调节阀，分程控制系统中调节器输出控制多个调节个调节阀，分程控制系统中调节器输出控制多个调节阀。因此，系统设计上有所不同。阀。因此，系统设计上有所不同。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.6.

35、2.1 控制信号的分段控制信号的分段 在分程控制中，调节器输出信号分段是由生产工在分程控制中，调节器输出信号分段是由生产工艺要求决定的。调节器输出信号需要分成几段，哪一艺要求决定的。调节器输出信号需要分成几段，哪一段信号控制哪一个调节阀，完全取决于工艺要求。段信号控制哪一个调节阀，完全取决于工艺要求。 如在此例反应如在此例反应器温度控制中，工器温度控制中，工艺需要控制两个调艺需要控制两个调节阀。因此，调节节阀。因此，调节器输出信号需要分器输出信号需要分成两段。成两段。 TT热水热水冷却水冷却水B TCA反反反反正正热水热水反应器温度：反应器温度： 正作用正作用冷却水冷却水反应器温度：反作用反应

36、器温度：反作用正正过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章 TT热水热水冷却水冷却水B TCA反反反反正正7.6.2.2 调节阀特性的选择与应注意的问题调节阀特性的选择与应注意的问题 1. 根据工艺要求选择同向或异向工作的调节阀根据工艺要求选择同向或异向工作的调节阀 如此例中，为保证安全，热水阀采用气开式，冷如此例中，为保证安全，热水阀采用气开式，冷水阀采用气关式。这就决定了两个调节阀异向工作。水阀采用气关式。这就决定了两个调节阀异向工作。又因工艺要求一个阀打开时，另一个必须关闭。因此又因工艺要求一个阀打开时，另一个必须关闭。因此两个阀的特性组合应是：两个阀的特性组合应是：MPa010

37、0%0.020.060.10A阀阀B阀阀正正热水热水反应器温度：正作用反应器温度：正作用冷却水冷却水反应器温度：反作用反应器温度：反作用过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章2. 流量特性的平滑衔接流量特性的平滑衔接如图为蒸汽压力减压系统。小负荷时只有如图为蒸汽压力减压系统。小负荷时只有A阀控阀控制、制、B阀阀不开；负荷较大时不开；负荷较大时A阀全开、阀全开、B阀阀控制。控制。两个同向特性的调节阀并联控制一种介质的流量两个同向特性的调节阀并联控制一种介质的流量时，总流量特性是两个阀流量特性的叠加组合。时，总流量特性是两个阀流量特性的叠加组合。PTMPa0100%0.020.060.1

38、0A阀阀B阀阀过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章如果两个调节阀的增益差距较大，如果两个调节阀的增益差距较大，组合后的总流组合后的总流量量特性有突变点，会影响调节品质。特性有突变点，会影响调节品质。P（MPa）（a）二阀特性比较接近）二阀特性比较接近0流量流量 Q（%）1000.020.060.10 45（b）二阀特性差距较大）二阀特性差距较大01000.020.060.10 45P（MPa）流量流量 Q（%）如果两个调节阀都用直线特性，组合后的总流量如果两个调节阀都用直线特性，组合后的总流量特性有下列两种情况：特性有下列两种情况：过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章（

39、a）分程信号不重叠）分程信号不重叠P（MPa）流量流量 Q（%）01000.020.060.10 如果调节阀是对数流量特性，其总流量特性衔接如果调节阀是对数流量特性，其总流量特性衔接处必有突变点。处必有突变点。可以通过两个调节阀分程信号部分重迭的办法，可以通过两个调节阀分程信号部分重迭的办法，使调节阀流量特性实现平滑过渡。即将两个阀的工作使调节阀流量特性实现平滑过渡。即将两个阀的工作范围扩大，形成一段重迭区。范围扩大，形成一段重迭区。 （b）分程信号重叠）分程信号重叠P（MPa）01000.020.060.10流量流量 Q（%）过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章3）调节阀的泄漏量

40、）调节阀的泄漏量 在分程控制中，调节阀的泄漏量太大会影响控制在分程控制中，调节阀的泄漏量太大会影响控制质量。尤其当大、小阀并联工作时，若大阀的泄漏量质量。尤其当大、小阀并联工作时，若大阀的泄漏量接近或大于小阀的正常的调节量，则小阀的调节能力接近或大于小阀的正常的调节量，则小阀的调节能力大大降低。大大降低。因为大阀的泄漏量因为大阀的泄漏量相当于存在一个不受控相当于存在一个不受控制的旁路管道，所以要制的旁路管道，所以要求大阀的泄漏量很小。求大阀的泄漏量很小。PT过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.6.2.3 分程控制的实现分程控制的实现 分程控制要求对调节阀的输入量程进行压缩。分程

41、控制要求对调节阀的输入量程进行压缩。一般是通过调整阀门定位器的输入信号零点和量程，一般是通过调整阀门定位器的输入信号零点和量程，使调节阀在规定的信号区段作全行程动作。使调节阀在规定的信号区段作全行程动作。（b）分程信号重叠）分程信号重叠P（MPa）01000.020.060.10流量流量 Q（%） 例如，使调节阀例如，使调节阀A在在0.020.07MPa范围内作全范围内作全行程动作；使调节阀行程动作；使调节阀B在在0.050.10MPa范围内作全范围内作全行程动作。行程动作。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.6.2.4 分程控制系统的工业应用分程控制系统的工业应用 分程控制

42、系统的工业应用广泛，介绍应用比较多分程控制系统的工业应用广泛，介绍应用比较多的两种形式：的两种形式： 1、用于扩大调节阀的可调范围、用于扩大调节阀的可调范围 有的生产工艺要求控制的流量变化范围较大，但有的生产工艺要求控制的流量变化范围较大，但是调节阀的可调范围是有限的是调节阀的可调范围是有限的（国产统一设计柱塞调国产统一设计柱塞调节阀可调范围节阀可调范围R30）。若采用一个调节阀，能够控若采用一个调节阀，能够控制的最大流量和最小流量相差不可能太悬殊，满足不制的最大流量和最小流量相差不可能太悬殊，满足不了生产上流量大范围变化的要求，这时可考虑采用两了生产上流量大范围变化的要求，这时可考虑采用两个

43、控制阀并联的分程控制方案。个控制阀并联的分程控制方案。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章例例 某厂蒸汽压力减压系统某厂蒸汽压力减压系统用用节节流流减减压压的的方方法法将将10MPa的的高高压压蒸蒸汽汽减减压压成成4MPa的中压蒸汽。中压蒸汽的使用量变化很大。的中压蒸汽。中压蒸汽的使用量变化很大。如如果果只只用用一一个个阀阀门门控控制制，只只能能选选择择大大口口径径阀阀。而而大口径阀在小开度下工作时，控制效果变差。大口径阀在小开度下工作时，控制效果变差。如如果果用用两两个个阀阀分分程程控控制制，小小负负荷荷时时只只开开小小阀阀，负负荷荷增增大大时时再再开开大大阀阀。则则两两个个调调

44、节节阀阀组组合合后，可调范围扩大。后，可调范围扩大。PT过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章 设大小两个调节阀的最大流通能力分别为：设大小两个调节阀的最大流通能力分别为： CBmax=105 m3 、CAmax=4.2m3；可调范围均为；可调范围均为 R= 30 则两个阀的最小流通能力分别为：则两个阀的最小流通能力分别为：CBmin= CBmin / R=105/ 30=3.5 m3CAmin= CAmin / R=4.2/ 30=0.14 m3 两个调节阀并联使用时：两个调节阀并联使用时： 最小流通能力为：最小流通能力为：Cmin= CAmin =0.14 最大流通能力为：最大流

45、通能力为： Cmax= CBmax+CAmax=107.2 m3 可调范围可调范围R并并= Cmax / Cmin=107.2 / 0.14=78并联使用后调并联使用后调节阀的可调范围增大了节阀的可调范围增大了780 / 30= 26倍。倍。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章2. 用于一个控制回路需要控制多个操纵量用于一个控制回路需要控制多个操纵量例如在工业废液中和处理工艺中，需要根据废例如在工业废液中和处理工艺中，需要根据废液的酸碱性（液的酸碱性（pH值），分别控制加酸量或加碱量。值），分别控制加酸量或加碱量。 MPa0100%0.020.060.10酸阀酸阀碱阀碱阀 pHT反

46、反反反正正废液废液 pHC正正碱液碱液酸液酸液中和液中和液碱液碱液中和液：正作用中和液：正作用酸液酸液中和液：反作用中和液：反作用过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.7 选择性控制系统选择性控制系统通通常常的的自自动动控控制制系系统统是是在在正正常常生生产产状状态态下下对对某某参参数数进进行行稳稳定定性性控控制制。一一旦旦生生产产过过程程出出现现非非正正常常状状态态（如如其其它它参参数数超超过过安安全全线线），就就得得放放弃弃对对此此参参数数的的控控制制，否否则则会会发发生生事事故故。待待采采取取生生产产保保护护措措施施消消除除非非正正常状态后，控制系统再重新投入工作。常状态后

47、，控制系统再重新投入工作。传统的传统的生产保护措施是硬保护措施。当生产操作生产保护措施是硬保护措施。当生产操作达到安全极限时，发出声、光报警。操作工立即将控达到安全极限时，发出声、光报警。操作工立即将控制器切到手动操作、或是通过专门设置的联锁保护线制器切到手动操作、或是通过专门设置的联锁保护线路实现自动停车，以排除险情。路实现自动停车，以排除险情。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章如如果果控控制制系系统统具具有有自自动动应应变变能能力力，对对于于不不同同的的生生产产状状态态，能能自自动动选选择择不不同同的的控控制制方方案案。当当生生产产出出现现不不正正常常状状况况时时，能能自自动

48、动切切换换到到保保护护性性控控制制回回路路，让让保保护护性性控控制制回回路路来来恢恢复复生生产产状状态态；当当生生产产恢恢复复正正常常时时，再再自自动动切切回回稳稳定定性性控控制制回回路路。这这样样就就不不需需要要通通过过人人工工或或停停车车操操作作对对生生产产进进行行保保护护，称称为为软软保保护护措施。措施。选选择择性性控控制制系系统统就就是是能能根根据据生生产产状状态态自自动动选选择择合合适适的的控控制制方方案案的的控控制制系系统统。系系统统设设有有有有多多个个控控制制回回路路，由由选选择择器器根根据据设设计计的的逻逻辑辑关关系系选选通通某某个个控控制制回路回路。过程控制系统与仪表过程控制

49、系统与仪表 第第7章章7.7.1选择性控制系统的类型选择性控制系统的类型选择性控制系统通过选择器实现选择功能。选择选择性控制系统通过选择器实现选择功能。选择器可以接在调节器的输出端，对控制信号进行选择；器可以接在调节器的输出端，对控制信号进行选择；也可以接在变送器的输出端，对测量信号进行选择。也可以接在变送器的输出端，对测量信号进行选择。1. 对调节器输出信号进行选择对调节器输出信号进行选择给定给定2变送器变送器2执行器执行器对象对象被控量被控量2给定给定1变送器变送器1控制器控制器1选择器选择器被控量被控量1干扰干扰控制器控制器2正常控制正常控制取代控制取代控制过程控制系统与仪表过程控制系统

50、与仪表 第第7章章例例1 锅炉蒸汽压力的控制锅炉蒸汽压力的控制工艺要求锅炉输出蒸汽压力稳定。若用单回路工艺要求锅炉输出蒸汽压力稳定。若用单回路控制系统控制，则根据蒸汽出口压力控制燃气量。控制系统控制，则根据蒸汽出口压力控制燃气量。燃气燃气锅炉给水锅炉给水蒸汽蒸汽汽包汽包炉膛炉膛P1TP1C正正反反如果蒸汽用量如果蒸汽用量大幅度变化，蒸汽大幅度变化，蒸汽压力控制系统会使压力控制系统会使燃气阀门开度大幅燃气阀门开度大幅变化。但煤气压力变化。但煤气压力过高会发生脱火。过高会发生脱火。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章为为防防止止产产生生脱脱火火现现象象，增增加加一一个个燃燃气气高高压压

51、保保护护控控制制回回路路。用用P2T测测燃燃气气压压力力，P2C的的设设定定值值为为燃燃气气高高压压上上限限值值，当当燃燃气气压压力力低低于于上上限限值值时时， P2C输输出出高高值值信号。信号。 燃气燃气P2C锅炉给水锅炉给水蒸汽蒸汽汽包汽包炉膛炉膛选择器选择器1P2TP1TP1C反反反反正正用低选器自用低选器自动地选择两个控动地选择两个控制信号中较低的制信号中较低的一个，作为阀门一个，作为阀门的控制信号。的控制信号。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章P2C输输出出高高值值时时，LS选选中中P1C作作为为输输出出。系系统统是是以以蒸蒸汽汽压压力力为为被被控控变变量量的的简简单单

52、控控制制系系统统。当当煤煤气气压压力力超超过过P2C给给定定值值时时， P2C输输出出低低值值， LS将将改改选选P2C作作为输出。为输出。 系统处于燃系统处于燃气压力控制时，气压力控制时，蒸汽出口压力控蒸汽出口压力控制回路被燃气压制回路被燃气压力安全保护回路力安全保护回路所取代。所取代。燃气燃气P2C锅炉给水锅炉给水蒸汽蒸汽汽包汽包炉膛炉膛选择器选择器1P2TP1TP1C反反反反正正过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章燃气燃气P2C锅炉给水锅炉给水蒸汽蒸汽汽包汽包炉膛炉膛选择器选择器1P2TP1TP1C反反反反正正在在蒸蒸汽汽压压力力定定值值控控制制与与燃燃气气高高压压自自动动保

53、保护护的的选选择择控控制制过过程程中中，还还可可能能出出现现另另一一种种事事故故：如如果果因因蒸蒸汽汽负负荷荷很很低低，导导致致燃燃气气流流量量过过低低，会会出出现现熄熄火火现现象象，也也必必须加以防止。须加以防止。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章为防止出现熄火现象，再增加一个燃气低压保护为防止出现熄火现象，再增加一个燃气低压保护控制回路控制回路 P3T、 P3C。 P3C的设定值为燃气压力下的设定值为燃气压力下限值，当燃气压力低于下限值时，限值，当燃气压力低于下限值时， P3C输出高值信号，输出高值信号，被被HS选中。选中。燃气燃气P2C锅炉给水锅炉给水蒸汽蒸汽汽包汽包炉膛炉

54、膛选择器选择器1选择器选择器2P3TP3CP2TP1TP1C正正反反反反反反当当燃燃气气压压力力高高于于下下限限值值时时， P3C输输出出低低值值信信号号，不不会会被被HS选中。选中。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章本系统的选择器在控制器之后，是三选一系统。本系统的选择器在控制器之后，是三选一系统。当系统处于燃气压力保护控制期间，蒸汽出口压力不当系统处于燃气压力保护控制期间，蒸汽出口压力不能保证符合工艺要求。能保证符合工艺要求。 燃气燃气P2C锅炉给水锅炉给水蒸汽蒸汽汽包汽包炉膛炉膛选择器选择器1选择器选择器2P3TP3CP2TP1TP1C正正反反反反反反过程控制系统与仪表过程

55、控制系统与仪表 第第7章章2对变送器输出信号进行选择对变送器输出信号进行选择这种系统的选择器装在控制器之前，对变送器输这种系统的选择器装在控制器之前，对变送器输出信号进行选择。用于几个被控变量的给定值、控制出信号进行选择。用于几个被控变量的给定值、控制规律都一样的场合。规律都一样的场合。 给定给定变送器变送器2执行器执行器对象对象被控量被控量2变送器变送器1选择器选择器被控量被控量1干扰干扰 控制器控制器正常控制正常控制过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章例例2 固定床反应器中热点温度的控制固定床反应器中热点温度的控制反应器内固定床上装有催化剂以加速反应，而反反应器内固定床上装有催

56、化剂以加速反应，而反应产生的热量若不及时被冷却液带走，温度过高会烧应产生的热量若不及时被冷却液带走，温度过高会烧坏催化剂。因催化剂的老化、变质和流动等原因，固坏催化剂。因催化剂的老化、变质和流动等原因，固定床不同位置的温度可能不同。定床不同位置的温度可能不同。在不同位置分别在不同位置分别安装温度传感器，由安装温度传感器，由选择器选出热点温度选择器选出热点温度信号，送入控制器进信号，送入控制器进行控制。行控制。冷却液冷却液入料入料T1TTC反反T2TT3T反应器反应器产品产品反反过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章给定给定变送器变送器2执行器执行器对象对象3段段变送器变送器1选择器选

57、择器被控量被控量1 控制器控制器对象对象2段段对象对象1段段变送器变送器1在此设备中，三在此设备中，三点被控温度是串联关点被控温度是串联关系。因此，控制系统系。因此，控制系统方框图中对象特性可方框图中对象特性可等效为串联的三段。等效为串联的三段。冷却液冷却液入料入料T1TTC反反T2TT3T反应器反应器产品产品反反过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.7.2 选择性控制系统的设计原则选择性控制系统的设计原则选择性控制系统是多个常规控制系统的组合。与选择性控制系统是多个常规控制系统的组合。与常规控制系统的设计相比，主要不同点是选择器的设常规控制系统的设计相比，主要不同点是选择器的设

58、计选型和调节器调节规律的确定。计选型和调节器调节规律的确定。1选择器的选型选择器的选型选择器有高值选择器选择器有高值选择器HS与低值选择器与低值选择器LS两种。两种。选择器类型的确定，是根据执行器的作用方向和选择器类型的确定，是根据执行器的作用方向和控制回路的切换条件决定的。控制回路的切换条件决定的。例例1 蒸汽压力与燃气压力的自动选择控制蒸汽压力与燃气压力的自动选择控制例例2 固定床反应器中热点温度的控制固定床反应器中热点温度的控制过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章燃气燃气P2C锅炉给水锅炉给水蒸汽蒸汽汽包汽包炉膛炉膛选择器选择器1选择器选择器2P3TP3CP2TP1TP1C正

59、正反反反反反反例例1 蒸汽压力与燃气压力的自动选择控制蒸汽压力与燃气压力的自动选择控制由于燃气阀是正作用阀，防止燃气压力过高的选由于燃气阀是正作用阀，防止燃气压力过高的选择器择器1就应当是低选，防止燃气压力过低的选择器就应当是低选，防止燃气压力过低的选择器2就就应当是高选。应当是高选。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章冷却液冷却液入料入料T1TTC反反T2TT3T反应器反应器产品产品反反例例2 固定床反应器中热点温度的控制固定床反应器中热点温度的控制控制思路就是按最高点温度控制，所有的点的控制思路就是按最高点温度控制，所有的点的温度都不会超标，所以用高选器。温度都不会超标，所以用

60、高选器。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章 2调节器调节规律的确定调节器调节规律的确定 对于正常工况下运行的调节器，由于有较高的控对于正常工况下运行的调节器，由于有较高的控制精度要求，可用制精度要求，可用PI调节或调节或PID调节；对于取代调节调节；对于取代调节器，一般只要求其迅速发挥保护作用，可用器，一般只要求其迅速发挥保护作用，可用P调节。调节。 燃气燃气P2C锅炉给水锅炉给水蒸汽蒸汽汽包汽包炉膛炉膛选择器选择器1选择器选择器2P3TP3CP2TP1TP1C正正PPPID过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章 3调节器参数整定调节器参数整定 正常工作调节器的整定要求

61、与常规控制系统相同，正常工作调节器的整定要求与常规控制系统相同，可按常规控制系统的整定方法进行整定。对于取代调可按常规控制系统的整定方法进行整定。对于取代调节器，要求能及时产生自动保护作用，其比例度节器，要求能及时产生自动保护作用，其比例度P应应整定得小一些。整定得小一些。 燃气燃气P2C锅炉给水锅炉给水蒸汽蒸汽汽包汽包炉膛炉膛选择器选择器1选择器选择器2P3TP3CP2TP1TP1C正正PPPID过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章4选择性控制系统中调节器抗积分饱和选择性控制系统中调节器抗积分饱和选择性控制系统运行中，无论在正常工况下，还选择性控制系统运行中，无论在正常工况下，还

62、是在异常工况下，总是有调节器处于开环待命状态。是在异常工况下，总是有调节器处于开环待命状态。 如果调节器使用了积分作用，当其处于开环待命如果调节器使用了积分作用，当其处于开环待命状态时，偏差输入信号一直存在。状态时，偏差输入信号一直存在。那么积分作用将使那么积分作用将使控制器的输出不断增加控制器的输出不断增加或减小，一直达到输出或减小，一直达到输出的极限值为止，这种现的极限值为止，这种现象称之为象称之为“积分饱和积分饱和”。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章q当当积积分分电电路路处处于于积积分分饱饱和和状状态态时时，它它的的输输出出将将达达到到最最大大或或最最小小的的极极限限值值

63、，积积分分运运放放正正负负输输入入端端电电位位不不再相等：再相等：V= Vo2 ; V= VB此此时时若若切切回回控控制制器器，要要让让其其重重新新发发挥挥作作用用，必必须须等等它它退退出出饱饱和和区区，使使输输出出慢慢慢慢返返回回到到执执行行器器的的有有效效输输入范围。入范围。这这种种控控制制的的不不及及时时，有有时时会会给给系系统统带带来来严严重重的的后后果果，因因而而必必须须设设法法防止。防止。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章q抗积分饱和措施抗积分饱和措施抗抗积积分分饱饱和和是是调调节节器器的的一一个个附附加加功功能能，可可供供用用户户选择。在仪表中采用的方法有：选择。

64、在仪表中采用的方法有：（1）PI-P法法用监测电路监测积分电容用监测电路监测积分电容CM两端电压。两端电压。当当其其接接近近饱饱和和电电压压时时，给给CM两两端端接接通通一一个个并并联联电电阻阻，将将积积分分电电路路改改为为比比例电路。例电路。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章（2）积分切除法积分切除法 当当控控制制器器未未被被选选中中处处于于开开环环工工作作状状态态时时，控控制制仪仪表表内内部部电电路路自自动动切切换换到到比比例例电电路路，或或数数字字控控制制算算法法改改为比例算法。为比例算法。限幅电路限幅电路（3）限幅法）限幅法 通过设置限幅通过设置限幅电路，对积分电容电路

65、，对积分电容两端电压加以限制。两端电压加以限制。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.8 解耦控制解耦控制有些生产过程中，在一个设备上需要设置若干个有些生产过程中，在一个设备上需要设置若干个控制系统，分别对多个被控参数进行控制。在这种情控制系统，分别对多个被控参数进行控制。在这种情况下，多个控制系统之间就有可能存在相互关联和相况下，多个控制系统之间就有可能存在相互关联和相互影响，称为相互耦合。互影响，称为相互耦合。控制系统间的耦合，会妨碍各被控参数的独立控控制系统间的耦合，会妨碍各被控参数的独立控制，严重时甚至会破坏各系统的正常工作

66、。制，严重时甚至会破坏各系统的正常工作。通过采取措施，把相互关联的多参数控制过程转通过采取措施，把相互关联的多参数控制过程转化为几个彼此独立的控制系统。把这样的系统称为解化为几个彼此独立的控制系统。把这样的系统称为解耦控制系统（或自治控制系统）。耦控制系统（或自治控制系统）。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.8.1 被控过程的耦合现象及对控制过程的影响被控过程的耦合现象及对控制过程的影响 下面用一个实例来分析被控过程的耦合现象及对下面用一个实例来分析被控过程的耦合现象及对控制过程的影响。控制过程的影响。图中，精馏图中，精馏塔的塔顶温度控塔的塔顶温度控制系统和塔底温制系统和塔底

67、温度控制系统存在度控制系统存在耦合现象。耦合现象。图图7.37 精馏塔温度控制系统精馏塔温度控制系统再沸器再沸器回流回流QL塔底产品塔底产品QW精精 馏馏 塔塔 T2C T2T T1C蒸汽蒸汽QS进料进料F塔顶产品塔顶产品QDu2 T1T冷凝器冷凝器回流罐回流罐过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章图图7.38 精馏塔温度控制系统框图精馏塔温度控制系统框图G11(s)T1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)T2(s)T10T20+ + - -+ + + + + + + + + + - -塔顶温度控制系统和塔底温度控制系统的耦合关塔顶温

68、度控制系统和塔底温度控制系统的耦合关系，可抽象为方框图表示（将变送器、执行器环节特系，可抽象为方框图表示（将变送器、执行器环节特性简化为性简化为1）。）。耦合通道耦合通道过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.8.2 解耦控制系统设计解耦控制系统设计 解耦控制就是通过解耦环节，使存在耦合的多解耦控制就是通过解耦环节，使存在耦合的多变量控制系统变为相互独立的单变量控制系统。变量控制系统变为相互独立的单变量控制系统。下面讨论几种常用的解耦方法。下面讨论几种常用的解耦方法。1前馈补偿解耦设计前馈补偿解耦设计前馈补偿解耦是最早用于多变量耦合控制系统前馈补偿解耦是最早用于多变量耦合控制系统的

69、解耦方法，是利用前馈控制原理实现解耦。的解耦方法，是利用前馈控制原理实现解耦。图图7.39所示为应用前馈环节实现（二变量）解所示为应用前馈环节实现（二变量）解耦的系统框图。耦的系统框图。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章图图7.39 前馈补偿解耦系统框图前馈补偿解耦系统框图G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)X1X2+ + - -+ + + + + + + + + + - -N21(s)N12(s)+ + + + + + + + 根据不变性原理可得根据不变性原理可得U1(s) G21(s) + U1(s

70、) N21(s) G22(s)=0U2(s) G12(s) + U2(s) N12(s) G11(s)=0过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章图图7.39 前馈补偿解耦系统框图前馈补偿解耦系统框图G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)X1X2+ + - -+ + + + + + + + + + - -N21(s)N12(s)+ + + + + + + + 求得解耦环节的数学模型求得解耦环节的数学模型过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章图图7.40 双变量解耦系统框图双变量解耦系统框图G11(s)Y

71、1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)X1X2+ +- -+ + + + + +- -N11(s)N21(s)N12(s)N22(s)+ + + + +2对角矩阵解耦设计对角矩阵解耦设计对角矩阵设计法是设计一个解耦器，使解耦器的对角矩阵设计法是设计一个解耦器，使解耦器的传递函数阵与被控过程的传递函数阵的乘积成为对角传递函数阵与被控过程的传递函数阵的乘积成为对角阵，以消除多变量被控过程变量之间的相互耦合。阵，以消除多变量被控过程变量之间的相互耦合。 例例过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章对对被被控控过过程程的的两两个个输输

72、入入量量和和输输出出量量之之间间的的关关系系,可以列出一组描述对象特性的方程：可以列出一组描述对象特性的方程：Y1(s)=G11(s)Uc1(s)+G12(s)Uc2(s)Y2(s)=G21(s)Uc1(s)+G22(s)Uc2(s)G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)X1X2+ +- -+ + + + + +- -N11(s)N21(s)N12(s)N22(s)+ + + + +Uc1(s)Uc2(s)过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章可简写成：可简写成： Y(s) = G(s)Uc(s) 式式中中Y(

73、s)为为输输出出向向量量，Uc(s)为为输输入入向向量量，而而G(s)称为对象的传递矩阵。称为对象的传递矩阵。 将此方程组写成矩阵形式，便是将此方程组写成矩阵形式，便是过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章解耦环节解耦环节N(s)接在调节器和对象接在调节器和对象G(s)之间：之间：G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)X1X2+ +- -+ + + + + +- -N11(s)N21(s)N12(s)N22(s)+ + + + +Uc1(s)Uc2(s)Uc1(s)=N11(s)U1(s)+N12(s)U2(s

74、)Uc2(s)=N21(s)U1(s)+N22(s)U2(s)过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章可简写成：可简写成：式式中中Uc(s)为为输输出出向向量量，U(s)为为输输入入向向量量，而而N(s)称为解耦器的传递矩阵。称为解耦器的传递矩阵。 将此方程组写成矩阵形式，便是将此方程组写成矩阵形式，便是过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章 这时调节器输出的控制作用这时调节器输出的控制作用U(s)与被调节量与被调节量Y(s)的关联可用矩阵表达：的关联可用矩阵表达：G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)

75、X1X2+ +- -+ + + + + +- -N11(s)N21(s)N12(s)N22(s)+ + + + +Uc1(s)Uc2(s)过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章之积是对角阵：之积是对角阵：则有则有说明说明Y1、Y2之间解耦。据此条件可求解耦阵：之间解耦。据此条件可求解耦阵：中，中，如果如果过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章实现对角解耦之后的等效系统框图：实现对角解耦之后的等效系统框图： G11(s)Y1(s)U1(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)X1+ + - -+ + - -X2Y2(s)7.8.2.3 单位矩阵解耦设计单位矩阵解耦设

76、计使解耦阵与对象阵的乘积成为单位阵：使解耦阵与对象阵的乘积成为单位阵：如果在对角解耦中如果在对角解耦中过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章则实现单位解耦之后的等效系统框图：则实现单位解耦之后的等效系统框图： 1Y1(s)U1(s)1U2(s)Gc2(s)Gc1(s)X1+ + - -+ + - -X2Y2(s)实现单位解耦的好处是：使对象的特性等效为实现单位解耦的好处是：使对象的特性等效为1，从而控制特性得到改善。但解耦阵的函数复杂化。从而控制特性得到改善。但解耦阵的函数复杂化。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.8.3解耦控制的进一步讨论解耦控制的进一步讨论 解

77、耦设计的目的是为了能构成独立的单回路控制解耦设计的目的是为了能构成独立的单回路控制系统，获得满意的控制性能。在设计解耦器时，需要系统，获得满意的控制性能。在设计解耦器时，需要根据实际情况特别注意以下问题：根据实际情况特别注意以下问题：1控制变量与被控参数的配对控制变量与被控参数的配对存在耦合的被控过程中，一个控制变量会影响多存在耦合的被控过程中，一个控制变量会影响多个被控参数。设计解耦时，首先要确定每个被控参数个被控参数。设计解耦时，首先要确定每个被控参数被哪个控制变量控制最合理，即解决耦合过程中被控被哪个控制变量控制最合理，即解决耦合过程中被控参数与被控变量之间的配对问题。参数与被控变量之间

78、的配对问题。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Y2(s)+ + + + + + + + 对匹配关系比较明显的多变量对象，凭经验就可对匹配关系比较明显的多变量对象，凭经验就可确定控制变量与被控参数之间的配对关系；而对关联确定控制变量与被控参数之间的配对关系；而对关联关系比较复杂的多变量对象，则用相对增益法评价变关系比较复杂的多变量对象，则用相对增益法评价变量之间的耦合程度。即哪个通道相对增益最大，则此量之间的耦合程度。即哪个通道相对增益最大，则此通道的输入与输出为最佳控制配对，其它通道用解耦通道的输入与

79、输出为最佳控制配对，其它通道用解耦消除。消除。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章2部分解耦部分解耦所谓部分解耦是指：对耦合关系复杂的对象，所谓部分解耦是指：对耦合关系复杂的对象，只对部分耦合通道采取解耦措施。只对部分耦合通道采取解耦措施。从解耦器函数的求解可以看出，解耦器的实现从解耦器函数的求解可以看出，解耦器的实现比较复杂。为了降低成本，可以只对部分耦合通道比较复杂。为了降低成本，可以只对部分耦合通道采取解耦措施。当然，部分解耦的控制性能比完全采取解耦措施。当然，部分解耦的控制性能比完全解耦过程要差一点。解耦过程要差一点。部分解耦是一种有选择的解耦，使用时必须首部分解耦是一种有

80、选择的解耦，使用时必须首先确定哪些过程需要解耦，选择的依据有两条：先确定哪些过程需要解耦，选择的依据有两条：过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章被控参数的相对重要性被控参数的相对重要性 控制过程中各被控参数的重要性是不同的。对那控制过程中各被控参数的重要性是不同的。对那些重要的被控参数，控制要求高，最好采用解耦环节些重要的被控参数，控制要求高，最好采用解耦环节消除或减少其它输入对它的耦合。消除或减少其它输入对它的耦合。如图精馏工艺如图精馏工艺中，若对塔顶产品中，若对塔顶产品的纯度指标远高于的纯度指标远高于对塔底产品的纯度对塔底产品的纯度要求，可采用前馈要求，可采用前馈补偿环节只消除

81、补偿环节只消除U2对对T1的耦合。的耦合。图图7.37 精馏塔温度控制系统精馏塔温度控制系统再沸器再沸器回流回流QL塔底产品塔底产品QW精精 馏馏 塔塔 T2C T2T T1C蒸汽蒸汽QS进料进料F塔顶产品塔顶产品QDu2 T1T冷凝器冷凝器回流罐回流罐U2T1过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章被控参数的响应速度被控参数的响应速度 对象的各个被控参数对输入的响应速度是不一样对象的各个被控参数对输入的响应速度是不一样的。响应快的被控参数受响应慢的参数的影响小，而的。响应快的被控参数受响应慢的参数的影响小，而响应慢的参数受来自响应快的参数的影响大。响应慢的参数受来自响应快的参数的影响

82、大。如温度、成分等参数响应较慢，压力、流量等参如温度、成分等参数响应较慢，压力、流量等参数响应较快。数响应较快。因此，在部分解因此，在部分解耦设计时，往往对响耦设计时，往往对响应慢的参数受到的耦应慢的参数受到的耦合进行解耦。合进行解耦。G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Y2(s)+ + + + + + + + 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章3解耦环节的简化解耦环节的简化从对象的传递函数求得解耦装置的数学模型，对从对象的传递函数求得解耦装置的数学模型，对象传递函数越复杂，解耦环节的传递函数也越复杂，象传递函数越复杂，解耦环节的传递函数

83、也越复杂，实现越困难。如果对求出的解耦环节进行适当简化，实现越困难。如果对求出的解耦环节进行适当简化，可使解耦易于实现。可使解耦易于实现。简化可以从以下两个方面考虑：简化可以从以下两个方面考虑： 在高阶系统中，如果存在小时间常数，它与在高阶系统中，如果存在小时间常数，它与其它时间常数的比值小于其它时间常数的比值小于1/10左右时，可将小时间常左右时，可将小时间常数忽略，从而降低解耦模型阶数；如果几个时间常数数忽略，从而降低解耦模型阶数；如果几个时间常数值相近，也可取同一值代替。值相近，也可取同一值代替。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章例如某被控过程的传递函数阵为：例如某被控过程

84、的传递函数阵为：按照上面的简化原则可以简化成：按照上面的简化原则可以简化成：过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章省略解耦函数的动态部分，只采用静态解耦。省略解耦函数的动态部分，只采用静态解耦。例如一个例如一个22的系统，求出的解耦环节传递矩阵的系统，求出的解耦环节传递矩阵为：为：如只采用静态解耦，则：如只采用静态解耦，则：显然，解耦环节简化为比例环节，更容易实现。显然，解耦环节简化为比例环节，更容易实现。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章试试验验表表明明，当当对对象象各各通通道道的的动动特特性性相相等等或或相相近近时时，用静态解耦能满意地解决耦合问题。用静态解耦能满意

85、地解决耦合问题。由由于于对对象象特特性性的的测测试试或或推推算算都都是是忽忽略略了了一一些些因因素素取取得得的的近近似似值值，因因而而求求得得的的解解耦耦装装置置的的数数学学模模型型往往往往是是近近似似的的，加加之之实实现现时时的的误误差差，很很难难做做到到理理想想的的“全全解耦解耦”。G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Y2(s)+ + + + + + + + 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章控制系统控制系统结构特点结构特点控制特点控制特点 串级串级两控制器串联两控制器串联两闭合回路形两闭合回路形成内外环成内外环解决对象滞后大，干扰解

86、决对象滞后大，干扰作用强而频繁，负荷变作用强而频繁，负荷变化大的问题化大的问题 前馈前馈 开环控制开环控制对特定干扰加补偿器对特定干扰加补偿器 反馈反馈 反馈回路和开反馈回路和开环的补偿回路环的补偿回路叠加而成叠加而成在干扰频繁，对象有较在干扰频繁，对象有较大滞后时，对主要干扰大滞后时，对主要干扰加补偿器加补偿器总结总结过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章控制系统控制系统结构特点结构特点控制特点控制特点 大滞后大滞后 采样控制；采样控制；Simth预估补预估补偿控制偿控制调一调、等一等；调一调、等一等；利用预估器提前做利用预估器提前做出响应、提前控制出响应、提前控制 比值比值 单闭

87、环单闭环双闭环双闭环变比值变比值实现几个流量参数实现几个流量参数符合一定比例关系符合一定比例关系 均匀均匀 简单均匀控制简单均匀控制串级均匀控制串级均匀控制对两个有控制矛盾对两个有控制矛盾的被控参数，进行的被控参数，进行协调控制协调控制过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章控制系统控制系统结构特点结构特点控制特点控制特点 分程分程 一个控制器一个控制器对多个控制阀对多个控制阀 解耦解耦 多个控制回路多个控制回路对一个控制阀对一个控制阀实现多个操实现多个操纵量协调操作纵量协调操作实现多个被控参实现多个被控参数选择控制数选择控制 选择选择 前馈解耦前馈解耦对角矩阵解耦对角矩阵解耦单位矩阵解耦单位矩阵解耦解除控制回路解除控制回路间的耦合影响间的耦合影响过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章 本章作业本章作业P253 P253 思考题与习题思考题与习题7-87-8，7-147-14， 7-227-22， 7-287-28， 7-307-30