化工自動化及儀表：8 復(fù)雜控制系統(tǒng)

1、 8 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 常見的復(fù)雜控制系統(tǒng)有：串級、均常見的復(fù)雜控制系統(tǒng)有：串級、均 勻、比值、分程、前饋等。勻、比值、分程、前饋等。 8.1 串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng) 8.1.1 串級控制系統(tǒng)的基本概念串級控制系統(tǒng)的基本概念 8.1.1.1 什么叫串級控制系統(tǒng)什么叫串級控制系統(tǒng) A 加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng) 加熱爐是煉化生產(chǎn)中常見的設(shè)備。用來加熱加熱爐是煉化生產(chǎn)中常見的設(shè)備。用來加熱 原料油或裂解重油，爐出口溫度控制十分重要。原料油或裂解重油，爐出口溫度控制十分重要。 通常工藝上要求爐出口通常工藝上要求爐出口 溫度在溫度在1 2范圍范圍

2、 內(nèi)波動，若采用簡單控制內(nèi)波動，若采用簡單控制 系統(tǒng)，由于爐管等熱容較系統(tǒng)，由于爐管等熱容較 大，而且燃料油至出口的大，而且燃料油至出口的 通道又相當(dāng)長。為此采用通道又相當(dāng)長。為此采用 了串級控制方案。了串級控制方案。 分析：分析：擾動因素有：原料油的處理量和溫度，燃擾動因素有：原料油的處理量和溫度，燃 料壓力和成分，燃料霧化情況以及煙囪抽力等。料壓力和成分，燃料霧化情況以及煙囪抽力等。 除原料油處理量和溫度外，其余擾動的變化首先除原料油處理量和溫度外，其余擾動的變化首先 影響爐膛溫度。為了解決時滯大和控制要求高之影響爐膛溫度。為了解決時滯大和控制要求高之 間的矛盾，可根據(jù)爐膛溫度的變化預(yù)先控

3、制燃料間的矛盾，可根據(jù)爐膛溫度的變化預(yù)先控制燃料 量，迅速實(shí)現(xiàn)量，迅速實(shí)現(xiàn)“粗調(diào)粗調(diào)”，然后再根據(jù)爐出口溫度，然后再根據(jù)爐出口溫度 來來 控制燃料量，實(shí)現(xiàn)控制燃料量，實(shí)現(xiàn)“細(xì)調(diào)細(xì)調(diào)”。這樣就構(gòu)成了爐出。這樣就構(gòu)成了爐出 口溫度與爐膛溫度的串級控制系統(tǒng)?？跍囟扰c爐膛溫度的串級控制系統(tǒng)。 TT1TC1 TC2TT2 燃料油燃料油 原料油原料油 B 聚合釜反應(yīng)溫度和冷卻水溫度的串級控制系統(tǒng)聚合釜反應(yīng)溫度和冷卻水溫度的串級控制系統(tǒng) 在這個系統(tǒng)中，被控變量是聚合釜反應(yīng)溫度，如在這個系統(tǒng)中，被控變量是聚合釜反應(yīng)溫度，如 反應(yīng)溫度稍微偏離工藝指標(biāo)，將使產(chǎn)品質(zhì)量明顯下降反應(yīng)溫度稍微偏離工藝指標(biāo)，將使產(chǎn)品質(zhì)量明

4、顯下降 或報廢，甚至還會引起爆炸危險。因為控制通道的時或報廢，甚至還會引起爆炸危險。因為控制通道的時 滯太大。因此，選擇滯后較小的夾套水溫和反應(yīng)溫度滯太大。因此，選擇滯后較小的夾套水溫和反應(yīng)溫度 組成串級控制系統(tǒng)。組成串級控制系統(tǒng)。 8.1.1.2 串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和方框圖串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和方框圖 TT1TC1 TC2TT2 燃料油燃料油 原料油原料油 兩套檢測變送器、兩個調(diào)節(jié)器，前兩套檢測變送器、兩個調(diào)節(jié)器，前 一個控制器（主控制器）的輸出作一個控制器（主控制器）的輸出作 為后一個控制器（副控制器）的設(shè)為后一個控制器（副控制器）的設(shè) 定，后一個控制器的輸出送往調(diào)節(jié)定，后一個控制器的輸出送

5、往調(diào)節(jié) 閥。主控制器控制的變量稱主變量，閥。主控制器控制的變量稱主變量， 即工藝控制指標(biāo)；副控制器控制的即工藝控制指標(biāo)；副控制器控制的 變量稱副變量，是引入的輔助變量。變量稱副變量，是引入的輔助變量。 兩個控制回路，主回路和副回路。兩個控制回路，主回路和副回路。 8.1.1.3 串級控制系統(tǒng)的工作過程串級控制系統(tǒng)的工作過程 A 擾動作用于副回路擾動作用于副回路 例如：燃料壓力發(fā)生變化，首先影響爐膛溫度，副調(diào)節(jié)器例如：燃料壓力發(fā)生變化，首先影響爐膛溫度，副調(diào)節(jié)器 及時進(jìn)行控制，以維持爐膛溫度穩(wěn)定。如果擾動量小，經(jīng)過副回及時進(jìn)行控制，以維持爐膛溫度穩(wěn)定。如果擾動量小，經(jīng)過副回 路及時控制后，一般不

6、影響爐出口溫度。在大幅度擾動下，其大路及時控制后，一般不影響爐出口溫度。在大幅度擾動下，其大 部分影響被副回路克服，小部分影響爐出口溫度的擾動則由主回部分影響被副回路克服，小部分影響爐出口溫度的擾動則由主回 路來消除，此時副調(diào)節(jié)器的測量值與設(shè)定值兩方面的變化加在一路來消除，此時副調(diào)節(jié)器的測量值與設(shè)定值兩方面的變化加在一 起，控制作用加強(qiáng)，使主變量盡快地恢復(fù)到設(shè)定值上來。起，控制作用加強(qiáng)，使主變量盡快地恢復(fù)到設(shè)定值上來。 TT1TC1 TC2TT2 燃料油燃料油 原料油原料油 B 擾動作用于主過程擾動作用于主過程 若進(jìn)入加熱爐的原料油流量發(fā)生變化而影響到爐出若進(jìn)入加熱爐的原料油流量發(fā)生變化而影響

7、到爐出 口溫度變化時，則由主調(diào)節(jié)器起控制作用，此時副回路雖口溫度變化時，則由主調(diào)節(jié)器起控制作用，此時副回路雖 不能直接克服擾動，但由于副回路的存在而改善了過程特不能直接克服擾動，但由于副回路的存在而改善了過程特 性，縮短了控制通道，因此控制質(zhì)量有所提高。性，縮短了控制通道，因此控制質(zhì)量有所提高。 C 擾動同時作用于副回路和主過程擾動同時作用于副回路和主過程 若擾動作用使主、副變量按同一方向變化，即主、若擾動作用使主、副變量按同一方向變化，即主、 副變量同時升高或同時降低，此時主、副調(diào)節(jié)器對調(diào)節(jié)閥副變量同時升高或同時降低，此時主、副調(diào)節(jié)器對調(diào)節(jié)閥 的控制方向是一致的，有利于提高控制質(zhì)量。的控制方

8、向是一致的，有利于提高控制質(zhì)量。 若擾動作用使主、副變量朝相反方向變化，則此時若擾動作用使主、副變量朝相反方向變化，則此時 主、副調(diào)節(jié)器對調(diào)節(jié)閥的控制方向是相反的，閥門開度只主、副調(diào)節(jié)器對調(diào)節(jié)閥的控制方向是相反的，閥門開度只 作小小變動就能符合控制要求。例如，原料量減小使?fàn)t出作小小變動就能符合控制要求。例如，原料量減小使?fàn)t出 口溫度升高，而燃料壓力降低使?fàn)t膛溫度降低?？跍囟壬撸剂蠅毫档褪?fàn)t膛溫度降低。 8.1.2 串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及適用場合串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及適用場合 1) 對進(jìn)入副回路的擾動具有較迅速、較強(qiáng)的克服對進(jìn)入副回路的擾動具有較迅速、較強(qiáng)的克服 能力能力 以加熱爐為例，如果

9、燃料油壓力發(fā)生變化，首以加熱爐為例，如果燃料油壓力發(fā)生變化，首 先影響爐膛溫度，副回路很快起作用，將這一擾動先影響爐膛溫度，副回路很快起作用，將這一擾動 克服，這樣就削弱了擾動對主變量爐出口溫度的影克服，這樣就削弱了擾動對主變量爐出口溫度的影 響。響。 另一方面，串級控制系統(tǒng)有主、副兩個控制器，另一方面，串級控制系統(tǒng)有主、副兩個控制器， 兩者串聯(lián)使用，所以總的比例增益是主、副控制器兩者串聯(lián)使用，所以總的比例增益是主、副控制器 比例增益的乘積，因而有較大的抗干擾能力。比例增益的乘積，因而有較大的抗干擾能力。 2) 可以改善過程特性可以改善過程特性 把副回路看作是主回路的一個環(huán)節(jié)，稱為等效過程把副

10、回路看作是主回路的一個環(huán)節(jié)，稱為等效過程Gp2，它的，它的 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) Gp2(s)=G2(s)/R2(s)= Gc2(s) Gv(s) Gp2(s) /1+ Gc2(s) Gv(s) Gp2(s) Hm2(s) 設(shè)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)分別為：設(shè)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)分別為： Gp2(s)=Kp2/(Tp2s+1) ， Gc2(s)=Kc2 ， Gv(s) =Kv ， Hm2(s)=1 。 。 G p2(s) =Kc2 Kv Kp2 /（1+ Kc2 Kv Kp2 ）/Tp2s/ （1+ Kc2 Kv Kp2 ）+1 令令 K p2 =Kc2 Kv Kp2 /（1+ Kc2 Kv Kp2 ） T

11、p2 =Tp2/ （1+ Kc2 Kv Kp2 ） 則則 Gp2(s)= Kp2/(T p2s+1) 式中，式中， K p2為等效過程的放大系數(shù)，為等效過程的放大系數(shù)， T p2為等效過程的時間常數(shù)。為等效過程的時間常數(shù)。 因為因為(1十十Kc2KvKp2)1，所以所以T p2 Tp2， Kp2 Kp2 。 當(dāng)當(dāng)Kc2足夠大時，足夠大時， K p2趨近于趨近于1，T p2趨近于趨近于0，副回路可近似作，副回路可近似作 為為1 : 1的比例環(huán)節(jié)。的比例環(huán)節(jié)。 3) 可消除副過程非線性特性和調(diào)節(jié)閥流量特性可消除副過程非線性特性和調(diào)節(jié)閥流量特性 不適合對控制質(zhì)量的影響不適合對控制質(zhì)量的影響 由于副過

12、程和調(diào)節(jié)閥被包括在副回路內(nèi)，由于副過程和調(diào)節(jié)閥被包括在副回路內(nèi)， Kc2 較大，副回路接近較大，副回路接近1 : 1的比例環(huán)節(jié)。的比例環(huán)節(jié)。 4) 可兼顧兩個變量可兼顧兩個變量 主控制器的比例度選得較大時，它的輸出變主控制器的比例度選得較大時，它的輸出變 化很小。這一輸出是副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，因此副化很小。這一輸出是副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，因此副 變量的變化也將比較平穩(wěn)，這樣可使主、副兩個變量的變化也將比較平穩(wěn)，這樣可使主、副兩個 變量都保持在一定范圍之內(nèi)。變量都保持在一定范圍之內(nèi)。 5) 可以實(shí)現(xiàn)靈活控制方式，必要時可以切除主可以實(shí)現(xiàn)靈活控制方式，必要時可以切除主 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 8.1.3 串級控制

13、系統(tǒng)的設(shè)計串級控制系統(tǒng)的設(shè)計 主要三個問題：主、副變量的選擇主要三個問題：主、副變量的選擇; ;主、主、 副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇; ;主、副調(diào)節(jié)器正、主、副調(diào)節(jié)器正、 反作用的選擇。反作用的選擇。 8.1.3.1 主、副變量的選擇主、副變量的選擇 主變量的選擇。主變量的選擇。主變量是工藝要求穩(wěn)定的量。主變量是工藝要求穩(wěn)定的量。 選取能直接、正確、迅速地反映控制要求的選取能直接、正確、迅速地反映控制要求的 工藝變量，如無直接變量，則應(yīng)選擇與之有工藝變量，如無直接變量，則應(yīng)選擇與之有 一一對應(yīng)關(guān)系的間接變量，而且應(yīng)便于測量、一一對應(yīng)關(guān)系的間接變量，而且應(yīng)便于測量、 變送。變送

14、。 副變量的選擇。副變量的選擇。 (1) 應(yīng)當(dāng)考慮工藝上靜態(tài)特性的合理性。應(yīng)當(dāng)考慮工藝上靜態(tài)特性的合理性。 操縱變量是先影響副變量，再由副變量去影響主變操縱變量是先影響副變量，再由副變量去影響主變 量。量。 (2) 副回路內(nèi)必須包括主要擾動和盡量多的擾動。副回路內(nèi)必須包括主要擾動和盡量多的擾動。 當(dāng)擾動進(jìn)入副回路時，副回路能迅速而強(qiáng)有力地克當(dāng)擾動進(jìn)入副回路時，副回路能迅速而強(qiáng)有力地克 服它，因此在選擇副變量時，一定要把主要擾動包括在服它，因此在選擇副變量時，一定要把主要擾動包括在 副回路內(nèi)，以充分發(fā)揮串級控制的最大優(yōu)點(diǎn)，把對主變副回路內(nèi)，以充分發(fā)揮串級控制的最大優(yōu)點(diǎn)，把對主變 量影響最嚴(yán)重、最

15、劇烈、最頻繁的擾動因素抑制到最低量影響最嚴(yán)重、最劇烈、最頻繁的擾動因素抑制到最低 程度，以確保主變量的控制質(zhì)量。程度，以確保主變量的控制質(zhì)量。 (3) 適當(dāng)分割主、副過程，在時間常數(shù)和滯后上適適當(dāng)分割主、副過程，在時間常數(shù)和滯后上適 當(dāng)匹配。當(dāng)匹配。 8.1.3.2 主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇 主調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇與簡單定值控制主調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇與簡單定值控制 系統(tǒng)相同，采用系統(tǒng)相同，采用PID控制規(guī)律或控制規(guī)律或PI控制規(guī)律。控制規(guī)律。 副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律常采用比例作用，一副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律常采用比例作用，一 般不引入積分作用，副變量允許有余差存在，般不引入積

16、分作用，副變量允許有余差存在， 而且副調(diào)節(jié)器的比例增益通常較大，控制作用而且副調(diào)節(jié)器的比例增益通常較大，控制作用 強(qiáng)，余差小。副調(diào)節(jié)器一般不引入微分作用。強(qiáng)，余差小。副調(diào)節(jié)器一般不引入微分作用。 8.1.3.3 主、副調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇主、副調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇 副控制器的正、反作用方向根據(jù)調(diào)節(jié)閥氣副控制器的正、反作用方向根據(jù)調(diào)節(jié)閥氣 開、氣關(guān)型式來決定。開、氣關(guān)型式來決定。 主控制器是通過副回路才起作用，所以，主控制器是通過副回路才起作用，所以， 其正、反作用應(yīng)根據(jù)副變量對主變量的影響關(guān)系其正、反作用應(yīng)根據(jù)副變量對主變量的影響關(guān)系 來確定。來確定。 例：加熱爐出口溫度和爐膛溫度串級控制

17、例：加熱爐出口溫度和爐膛溫度串級控制 系統(tǒng)。從生產(chǎn)安全出發(fā)，燃料油閥宜選用氣開式，系統(tǒng)。從生產(chǎn)安全出發(fā)，燃料油閥宜選用氣開式， 一旦氣源中斷，調(diào)節(jié)閥處于關(guān)閉狀態(tài)，可避免爐一旦氣源中斷，調(diào)節(jié)閥處于關(guān)閉狀態(tài)，可避免爐 管因過熱而損壞。副調(diào)節(jié)器應(yīng)選反作用，因為爐管因過熱而損壞。副調(diào)節(jié)器應(yīng)選反作用，因為爐 膛溫度測量值上升時，調(diào)節(jié)閥需要關(guān)小，此時要膛溫度測量值上升時，調(diào)節(jié)閥需要關(guān)小，此時要 求副調(diào)節(jié)器輸出下降。對于主調(diào)節(jié)器，在爐出口求副調(diào)節(jié)器輸出下降。對于主調(diào)節(jié)器，在爐出口 溫度上升時，爐膛溫度必須降低，因此主調(diào)節(jié)器溫度上升時，爐膛溫度必須降低，因此主調(diào)節(jié)器 須選反作用。須選反作用。 8.2 均勻控制

18、系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng) 均勻控制系統(tǒng)是指其所起的作用而言。均勻控制系統(tǒng)是指其所起的作用而言。 8.2.1 均勻控制系統(tǒng)的目的和要求均勻控制系統(tǒng)的目的和要求 煉油、化工都是連續(xù)生產(chǎn)過程，前一設(shè)備的出煉油、化工都是連續(xù)生產(chǎn)過程，前一設(shè)備的出 料往往就是后一設(shè)備的進(jìn)料。如圖所示前塔的出料就料往往就是后一設(shè)備的進(jìn)料。如圖所示前塔的出料就 是后塔的進(jìn)料。是后塔的進(jìn)料。 要求前塔塔底液位和流出量兩個變量都穩(wěn)定顯要求前塔塔底液位和流出量兩個變量都穩(wěn)定顯 然是有矛盾的，解決這一矛盾的方法是采用均勻然是有矛盾的，解決這一矛盾的方法是采用均勻 控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。 為了保證前塔的分為了保證前塔的分 餾過程正常進(jìn)行，餾過

19、程正常進(jìn)行， 需要維持塔底液位需要維持塔底液位 穩(wěn)定。穩(wěn)定。 為了使操作穩(wěn)定，為了使操作穩(wěn)定， 后塔進(jìn)料流量也應(yīng)后塔進(jìn)料流量也應(yīng) 該平穩(wěn)，該平穩(wěn)， 均勻控制的兩個特點(diǎn)：均勻控制的兩個特點(diǎn)： (1) 表征前后供求矛盾的兩個變量都應(yīng)該是表征前后供求矛盾的兩個變量都應(yīng)該是 作緩慢變化的。作緩慢變化的。 圖：前一設(shè)備的液位和后一設(shè)備的進(jìn)料流量關(guān)系圖：前一設(shè)備的液位和后一設(shè)備的進(jìn)料流量關(guān)系 1-液位變化曲線液位變化曲線 2-流量變化曲線流量變化曲線 液位定值控液位定值控 制制 流量定值控流量定值控 制制 均勻控制均勻控制 (2) 前后互相聯(lián)系又互相矛盾的兩個變量應(yīng)前后互相聯(lián)系又互相矛盾的兩個變量應(yīng) 保持

20、在工藝操作所允許的范圍內(nèi)。保持在工藝操作所允許的范圍內(nèi)。 8.2.2 均勻控制系統(tǒng)的形式均勻控制系統(tǒng)的形式 8.2.2.1 簡單均勻控制系統(tǒng)簡單均勻控制系統(tǒng) 采用一個液位調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)均勻控制。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)看，它像是一采用一個液位調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)均勻控制。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)看，它像是一 個簡單液位定值控制系統(tǒng)，但系統(tǒng)設(shè)計的目的不要求液位保持在設(shè)個簡單液位定值控制系統(tǒng)，但系統(tǒng)設(shè)計的目的不要求液位保持在設(shè) 定值上，只控制在一定范圍內(nèi)作緩慢變化。與定值控制的區(qū)別在于定值上，只控制在一定范圍內(nèi)作緩慢變化。與定值控制的區(qū)別在于 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定上。均勻控制要求兼顧兩個變量，控制作用弱，調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定上。均勻控制要求兼顧兩

21、個變量，控制作用弱， 為此，比例度適當(dāng)加大，積分時間也適當(dāng)增加。為此，比例度適當(dāng)加大，積分時間也適當(dāng)增加。 8.2.2.2 串級均勻控制系統(tǒng)串級均勻控制系統(tǒng) 當(dāng)系統(tǒng)的自衡能力較強(qiáng)時，簡單均勻控制系統(tǒng)對壓當(dāng)系統(tǒng)的自衡能力較強(qiáng)時，簡單均勻控制系統(tǒng)對壓 力擾動反應(yīng)不夠及時，控制效果較差。為此采用串級均勻力擾動反應(yīng)不夠及時，控制效果較差。為此采用串級均勻 控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。 此時，引入流量副回路，形成液位此時，引入流量副回路，形成液位-流量串級均勻控流量串級均勻控 制系統(tǒng)，副回路所起的作用與串級控制系統(tǒng)中的副回路相制系統(tǒng)，副回路所起的作用與串級控制系統(tǒng)中的副回路相 同，主回路的要求與簡單均勻控制系統(tǒng)

22、相同。同，主回路的要求與簡單均勻控制系統(tǒng)相同。 8.3 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng) 比值控制系統(tǒng)中至少有兩種物料。起主導(dǎo)比值控制系統(tǒng)中至少有兩種物料。起主導(dǎo) 作用而又不可控的物料流量稱為主動量，另一種作用而又不可控的物料流量稱為主動量，另一種 物料流量是隨動的，稱為從動量。在數(shù)值上兩者物料流量是隨動的，稱為從動量。在數(shù)值上兩者 保持一定比值。保持一定比值。 數(shù)學(xué)關(guān)系為數(shù)學(xué)關(guān)系為 ： R=q2/q1 式中，式中，R為流量比，為流量比，q2為從動量流量，為從動量流量，q1為主動為主動 量流量。量流量。 8.3.1 比值控制系統(tǒng)的類型比值控制系統(tǒng)的類型 8.3.1.1 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制

23、系統(tǒng) 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)有兩種：一種是將主動量的單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)有兩種：一種是將主動量的 測量值經(jīng)比值器乘以比值系數(shù)后，作為從動量調(diào)節(jié)器的測量值經(jīng)比值器乘以比值系數(shù)后，作為從動量調(diào)節(jié)器的 設(shè)定值，因此從動量能依一定比值關(guān)系隨主動量而變化，設(shè)定值，因此從動量能依一定比值關(guān)系隨主動量而變化， 這是隨動控制系統(tǒng)，如圖這是隨動控制系統(tǒng)，如圖(a)。另一種是把從動量和主另一種是把從動量和主 動量經(jīng)過除法器得出相除的商作為被控變量，設(shè)定值為動量經(jīng)過除法器得出相除的商作為被控變量，設(shè)定值為 比值系數(shù)，這是定值控制系統(tǒng)，如圖比值系數(shù)，這是定值控制系統(tǒng)，如圖(b)。 乘法方案乘法方案 除法方案除法方案 8.3

24、.1.2 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 如果要求主動量也保持定值，采用雙閉環(huán)比值控如果要求主動量也保持定值，采用雙閉環(huán)比值控 制系統(tǒng)。制系統(tǒng)。 8.3.1.3 變比值控制系統(tǒng)變比值控制系統(tǒng) 在有些生產(chǎn)過程中，需要兩種物料的比值隨具體在有些生產(chǎn)過程中，需要兩種物料的比值隨具體 工況改變，比值系數(shù)由另一個控制器來設(shè)定，從而構(gòu)成工況改變，比值系數(shù)由另一個控制器來設(shè)定，從而構(gòu)成 串級比值控制系統(tǒng)，也就是變比值控制系統(tǒng)。串級比值控制系統(tǒng)，也就是變比值控制系統(tǒng)。 在合成氨變換爐生產(chǎn)過程中，用蒸汽控制一段觸在合成氨變換爐生產(chǎn)過程中，用蒸汽控制一段觸 煤層溫度，蒸汽與半水煤氣的比值需要隨一段觸煤層溫煤

25、層溫度，蒸汽與半水煤氣的比值需要隨一段觸煤層溫 度變化，這樣就構(gòu)成了串級比值控制系統(tǒng)。度變化，這樣就構(gòu)成了串級比值控制系統(tǒng)。 8.4 分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng) 8.4.1 分程控制基本概念分程控制基本概念 c(t) R (t) 執(zhí) 行 器 對 象 測 量 變 送 控 制 器 - c(t) R(t) 執(zhí) 行 器1 對 象 測 量 變 送 控 制 器 - 執(zhí) 行 器2 簡單控制系統(tǒng)方塊圖及其特性簡單控制系統(tǒng)方塊圖及其特性 分程控制系統(tǒng)方塊圖及其特性分程控制系統(tǒng)方塊圖及其特性 100 0.1 控 制 信 號 0.02 閥 門 開 度 (% ) P /M P a 0 0.06 100 0.1 控 制

26、信 號 0.02 閥 門 開 度 (% ) P/M Pa 0 1 2 分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng) 簡單控制系統(tǒng)是一個控制器的輸出控制一簡單控制系統(tǒng)是一個控制器的輸出控制一 個調(diào)節(jié)閥動作，而分程控制系統(tǒng)是一個控制器的個調(diào)節(jié)閥動作，而分程控制系統(tǒng)是一個控制器的 輸出去同時控制幾個工作范圍不同的調(diào)節(jié)閥。輸出去同時控制幾個工作范圍不同的調(diào)節(jié)閥。 分程的動作是通過閥門定位器實(shí)現(xiàn)的。分程的動作是通過閥門定位器實(shí)現(xiàn)的。它它 將調(diào)節(jié)器的輸出信號分成幾段，每段控制一個閥將調(diào)節(jié)器的輸出信號分成幾段，每段控制一個閥 門動作。例如，一個閥門定位器的輸入范圍是門動作。例如，一個閥門定位器的輸入范圍是 20-60kPa，另

27、一個是另一個是60-100kPa，不論哪一段，不論哪一段， 輸出到調(diào)節(jié)閥上的氣壓信號都是輸出到調(diào)節(jié)閥上的氣壓信號都是20-100kPa， 使閥門全行程動作。使閥門全行程動作。 分程控制特性類型分程控制特性類型： 兩個閥門時，有以下兩個閥門時，有以下4 4種情況種情況 0.06 100 0.1 控制信號 0.02 閥門 開度 (%) P/MPa 0 1 2 (a) 0.06 100 0.1 控制信號 0.02 閥門 開度 (%) P/MPa 0 1 2 (b) 0.06 100 0.1 控制信號 0.02 閥門 開度 (%) P/MPa 0 1 2 c) 0.06 100 0.1 控制信號 0.

28、02 閥門 開度 (%) P/MPa 0 1 2 (d) 分程控制特性類型分程控制特性類型 8.4.1 分程控制的應(yīng)用分程控制的應(yīng)用 例例1：反應(yīng)器溫度分程控制：反應(yīng)器溫度分程控制 反應(yīng)過程要求開始時用蒸汽加熱升溫以引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，反反應(yīng)過程要求開始時用蒸汽加熱升溫以引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，反 應(yīng)開始后，由于合成過程中放出熱量，若不及時移走反應(yīng)熱，則應(yīng)開始后，由于合成過程中放出熱量，若不及時移走反應(yīng)熱，則 反應(yīng)越來越劇烈，以致產(chǎn)生爆炸事故，所以要通入冷水降溫將熱反應(yīng)越來越劇烈，以致產(chǎn)生爆炸事故，所以要通入冷水降溫將熱 量移去。為此設(shè)置了量移去。為此設(shè)置了(a)圖的分程控制系統(tǒng)，它由一個反作用調(diào)圖的分程控制

29、系統(tǒng)，它由一個反作用調(diào) 節(jié)器、氣關(guān)冷水調(diào)節(jié)閥節(jié)器、氣關(guān)冷水調(diào)節(jié)閥A和氣開蒸汽閥和氣開蒸汽閥B所組成。當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出所組成。當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出 信號在信號在20-60kPa變化時，閥變化時，閥A由全開至全關(guān)；信號在由全開至全關(guān)；信號在60- 100kPa變化時，閥變化時，閥B由全關(guān)至全開，兩個閥的動作情況如由全關(guān)至全開，兩個閥的動作情況如(b)。 TTTC 蒸汽 冷水 A 氣關(guān)閥 B 氣開閥 圖圖a 反應(yīng)器溫度分程控制反應(yīng)器溫度分程控制 100 閥開度（%） P(kPa) 0 20 60 100 氣關(guān)閥 氣開閥 AB 圖圖b 調(diào)節(jié)閥分程動作關(guān)系調(diào)節(jié)閥分程動作關(guān)系 這一反應(yīng)的進(jìn)行和控制過程如下：反應(yīng)開始前

30、，反應(yīng)器內(nèi)溫度這一反應(yīng)的進(jìn)行和控制過程如下：反應(yīng)開始前，反應(yīng)器內(nèi)溫度 低于設(shè)定值，反作用調(diào)節(jié)器輸出信號增大，打開閥低于設(shè)定值，反作用調(diào)節(jié)器輸出信號增大，打開閥B，用蒸汽對冷，用蒸汽對冷 水加熱以獲得熱水，再通過夾套對反應(yīng)器加熱使之升溫促使反應(yīng)開水加熱以獲得熱水，再通過夾套對反應(yīng)器加熱使之升溫促使反應(yīng)開 始。由于是放熱反應(yīng)，一旦反應(yīng)進(jìn)行后，將產(chǎn)生熱量，使反應(yīng)溫度始。由于是放熱反應(yīng)，一旦反應(yīng)進(jìn)行后，將產(chǎn)生熱量，使反應(yīng)溫度 升高，當(dāng)大于設(shè)定值后，調(diào)節(jié)器輸出開始下降，漸漸關(guān)閉閥升高，當(dāng)大于設(shè)定值后，調(diào)節(jié)器輸出開始下降，漸漸關(guān)閉閥B，接，接 著打開闊著打開闊A，通入冷水，移走反應(yīng)熱，直至把反應(yīng)溫度控制在

31、設(shè)定，通入冷水，移走反應(yīng)熱，直至把反應(yīng)溫度控制在設(shè)定 值為止。當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出為值為止。當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出為60kPa時，兩個閥都應(yīng)全關(guān)。時，兩個閥都應(yīng)全關(guān)。 8.6 前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng) 8.6.1 前饋控制的概念前饋控制的概念 反饋控制（閉環(huán)控制）：反饋控制（閉環(huán)控制）：控制器按照被控變量與設(shè)控制器按照被控變量與設(shè) 定制的偏差來進(jìn)行控制。定制的偏差來進(jìn)行控制。 存在的問題：存在的問題：當(dāng)被控變量偏離設(shè)定值，產(chǎn)生偏差后當(dāng)被控變量偏離設(shè)定值，產(chǎn)生偏差后 才進(jìn)行控制，使得控制作用滯后。才進(jìn)行控制，使得控制作用滯后。 前饋控制（開環(huán)控制）：前饋控制（開環(huán)控制）：控制器根據(jù)擾動或設(shè)定值控制器根據(jù)擾動或設(shè)定值 的變化按補(bǔ)償原理進(jìn)行工作。的變化按補(bǔ)償原理進(jìn)行工作。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：擾動產(chǎn)生后，被控變量還未變化之前，根據(jù)擾動產(chǎn)生后，被控變量還未變化之前，根據(jù) 擾動的大小施加控