過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表-第2版-課件-第7章第2節(jié)

7.4比值控制系統(tǒng)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常需要幾種物料流量保持一定比例關(guān)系。例如在鍋爐的燃燒過(guò)程，要保持燃料和空氣量成一定比例，以保證燃燒經(jīng)濟(jì)性。定義：實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)參數(shù)（主要為流量）滿足一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。如要實(shí)現(xiàn)兩種物料流量的比例關(guān)系，可表示為：Q2=KQ1

式中：

K—比值系數(shù)；Q1—主流量；

Q2—副流量

。7.4.1比值控制系統(tǒng)的種類

1.開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)如圖Q1是主流量，Q2是副流量。流量變送器FT檢測(cè)主物料流量Q1；由控制器FC及安裝在從物料管道上的閥門來(lái)控制副流量Q2。FTFCQ1Q2此控制方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。缺點(diǎn)是無(wú)抗干擾能力，當(dāng)副流管線壓力等改變時(shí)，不能保證所要求比值恒定。控制目標(biāo)：Q2＝KQ12.單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)為了克服開(kāi)環(huán)比值控制的不足，在開(kāi)環(huán)比值控制的基礎(chǔ)上，增加對(duì)副流量的閉環(huán)控制。特點(diǎn)：對(duì)Q2進(jìn)行閉環(huán)控制，比值控制精度提高；控制目標(biāo)：Q2=KQ1；對(duì)Q1只測(cè)量、不控制。

Q2跟隨Q1成比例變化(Q2=KQ1)，但Q1+Q2總流量不穩(wěn)定。F1TQ1Q2

KF2TF2C3.雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)為了克服單閉環(huán)比值控制中主流量不受控制的缺點(diǎn)，增加了主流量控制回路。F1TQ1Q2F1CF2TF2CK有兩個(gè)閉環(huán)控制回路，用比值器聯(lián)系；控制目標(biāo)：Q2=K

Q1

；Q1是主流量，Q2是副流量。

對(duì)兩個(gè)流量(Q1,Q2)

進(jìn)行控制，因此，總流量Q1+Q2穩(wěn)定。4.變比值控制系統(tǒng)以上討論的都是定比值控制系統(tǒng)。在有些生產(chǎn)過(guò)程，要求兩種或兩種以上物料流量的比值隨第三個(gè)工藝參數(shù)的需要而變化，為滿足這種工藝要求，就出現(xiàn)了變比值控制系統(tǒng)。在下圖(見(jiàn)下頁(yè))的變換爐工藝中，一定比例煤氣與水蒸氣（5~8倍）在觸媒催化下，轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫氣。變換爐溫度越高轉(zhuǎn)化率越高，但溫度過(guò)高會(huì)影響觸媒壽命。如果根據(jù)觸媒層溫度控制二者的比例系數(shù)，就能保持最高轉(zhuǎn)化率和觸媒安全與壽命。除法器算出蒸汽與煤氣流量實(shí)際比值，輸入到流量控制器FC。最后通過(guò)調(diào)整蒸汽流量(改變蒸汽與半水煤氣比值)使變換爐觸媒層的溫度恒定在給定值。F1TF2T

TT轉(zhuǎn)化氣溫度控制器TC根據(jù)觸媒實(shí)際溫度與給定溫度偏差，計(jì)算流量比值給定值。圖7.23變比值控制系統(tǒng)框圖Gc2(s)Y(s)+Gv2(s)G02(s)G0(s)Gc1(s)R(s)Gm(s)Q1(s)Q2(s)Gm2(s)Gm1(s)÷+K'Kr'__應(yīng)當(dāng)注意，在變比值控制系統(tǒng)中，改變流量比值只是一種控制手段，不是最終目的，而第三參數(shù)（如上例中溫度）往往是主要被控參數(shù)。7.4.2比值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與參數(shù)整定7.4.2.1比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.主流量、副流量的確定原則①生產(chǎn)中起主導(dǎo)作用的物料流量，一般選為主流量，其余物料流量跟隨其變化，為副流量;②工藝上不可控的物料流量，一般選為主流量;③價(jià)格較昂貴的物料流量一般選為主流量;④當(dāng)生產(chǎn)工藝有特殊要求時(shí)，主、副物料流量的確定應(yīng)服從工藝需要。2.控制方案的選擇控制方案選擇應(yīng)根據(jù)不同的生產(chǎn)要求確定，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性原則。

①如果工藝上僅要求兩物料流量比值一定，而對(duì)總流量無(wú)要求，采用單閉環(huán)比值控制方案。②如果主、副流量擾動(dòng)頻繁，工藝要求主、副物料總流量恒定的生產(chǎn)過(guò)程，可采用雙閉環(huán)比值控制方案。③當(dāng)生產(chǎn)工藝要求兩種物料流量比值隨著第三參數(shù)的需要進(jìn)行控制時(shí)，采用變比值控制方案。3.控制器控制規(guī)律的確定比值控制系統(tǒng)中，控制器的控制規(guī)律是根據(jù)控制方案和控制要求而定。F1TQ1Q2

KF2TF2C在單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中，比值器K起比值計(jì)算作用，若用控制器實(shí)現(xiàn)，則選P調(diào)節(jié)；控制器F2C使副流量穩(wěn)定，為保證控制精度可選PI調(diào)節(jié)。PPI雙閉環(huán)比值控制不僅要求兩流量保持恒定的比值關(guān)系，而且主、副流量均要實(shí)現(xiàn)定值控制，所以兩個(gè)控制器均應(yīng)選PI控制；比值器選P控制。F1TQ1Q2F1CF2TF2CKPIPIP

4.正確選擇流量計(jì)及其量程各種流量計(jì)都有一定的適用范圍（一般正常工作流量選在滿量程的70％左右），必須正確地選擇和使用，可參考有關(guān)設(shè)計(jì)資料、產(chǎn)品手冊(cè)。

5.比值系數(shù)的計(jì)算工藝規(guī)定的流量（或質(zhì)量）比值K不能直接作為儀表比值系數(shù)使用，必須根據(jù)儀表的量程轉(zhuǎn)換成儀表的比值系數(shù)K’后才能進(jìn)行比值設(shè)定。流量變送器的轉(zhuǎn)換特性不同，比值系數(shù)K’的計(jì)算公式不同。①流量與測(cè)量信號(hào)成線性關(guān)系如果Q1檢測(cè)流量計(jì)測(cè)量范圍為0～Q1max

、Q2檢測(cè)流量計(jì)測(cè)量范圍為0～Q2max，則變送器輸出電流信號(hào)和流量Q之間的關(guān)系如下：因代入工藝比值公式：得儀表比值系數(shù)換算公式：儀表比值系數(shù)為②流量與測(cè)量信號(hào)之間成非線性關(guān)系采用節(jié)流原理測(cè)流量時(shí)，差壓與流量平方成正比代入工藝流量比值公式則

?p=CQ2

而差壓與傳感器輸出電流之間關(guān)系：I=?p+4得流量系數(shù)換算公式6.流量測(cè)量中的溫度、壓力補(bǔ)償用差壓流量計(jì)測(cè)量氣體流量時(shí)，被測(cè)氣體溫度和壓力的變化會(huì)使其密度發(fā)生變化，流量的測(cè)量值將產(chǎn)生誤差。對(duì)于溫度、壓力變化較大、而控制質(zhì)量要求較高的對(duì)象，必須進(jìn)行溫度、壓力補(bǔ)償，以保證流量測(cè)量值的準(zhǔn)確；或者直接用質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量。7.4.2.2比值控制系統(tǒng)實(shí)施與參數(shù)整定①比值系數(shù)的實(shí)現(xiàn)比值系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有相乘和相除二種方法?？刹捎帽戎灯?、乘法器、除法器等儀表實(shí)現(xiàn)；采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，可通過(guò)比例、乘、除運(yùn)算程序?qū)崿F(xiàn)。②比值控制系統(tǒng)的參數(shù)整定比值系統(tǒng)主流量控制回路可按單回路控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定；比值系統(tǒng)副流量整定為振蕩與不振蕩的邊界為佳，即過(guò)渡過(guò)程既不振蕩且反應(yīng)快。7.4.2.2比值控制系統(tǒng)實(shí)施與參數(shù)整定①比值系數(shù)的實(shí)現(xiàn)比值系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有相乘和相除二種方法?？刹捎帽戎灯鳌⒊朔ㄆ?、除法器等儀表實(shí)現(xiàn)；采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，可通過(guò)比例、乘、除運(yùn)算程序?qū)崿F(xiàn)。②比值控制系統(tǒng)的參數(shù)整定比值系統(tǒng)主流量控制回路可按單回路控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定；比值系統(tǒng)副流量整定為振蕩與不振蕩的邊界為佳，即過(guò)渡過(guò)程既不振蕩且反應(yīng)快。對(duì)混合過(guò)程，則要考慮采用混合過(guò)程PID控制算法，并進(jìn)行參數(shù)整定（參見(jiàn)3.3.2.6）7.5均勻控制系統(tǒng)在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中，有些裝置前后緊密聯(lián)系，前一設(shè)備的出料，往往是后一設(shè)備的進(jìn)料；設(shè)備操作之間互相關(guān)聯(lián)、互相影響。例如圖7.24所示的兩個(gè)連續(xù)操作的精餾塔。LC1#2#FTFCLT1#塔要求液位穩(wěn)定，設(shè)液位控制系統(tǒng)。2#塔要求進(jìn)料量穩(wěn)定，設(shè)流量控制系統(tǒng)。LC1#2#FTFCLT12顯然，這兩套控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)存在矛盾：解決方法1.設(shè)中間貯槽，消除(減弱)前后影響，但成本高。2.采用控制方法—均勻控制系統(tǒng)。1#塔液位控制閥1開(kāi)度變化2#塔流量變化2#塔流量控制閥2

開(kāi)度變化1#塔液位變化7.5.1均勻控制系統(tǒng)工作原理及特點(diǎn)為了解決前后工序控制矛盾，達(dá)到前后兼顧、協(xié)調(diào)操作，使前后工序的控制參數(shù)均能符合要求而設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)稱為均勻控制系統(tǒng)。如上例中，均勻控制應(yīng)通過(guò)對(duì)液位和流量?jī)蓚€(gè)參數(shù)同時(shí)兼顧的控制方案，使兩個(gè)互相矛盾的變量相互協(xié)調(diào)，都能滿足各自的工藝要求。和其它控制方式相比，均勻控制的特點(diǎn)如下：①兩個(gè)被控參數(shù)在小范圍、緩慢變化因?yàn)槿魧?#塔液位控制成平穩(wěn)的直線，會(huì)導(dǎo)致2#塔的進(jìn)料流量波動(dòng)很大；反之若將2#塔的進(jìn)料流量控制成平穩(wěn)的直線，會(huì)導(dǎo)致1#塔液位波動(dòng)很大。無(wú)法實(shí)現(xiàn)兩個(gè)被控參數(shù)都恒定。只有讓兩者都有一定程度波動(dòng)，但波動(dòng)都比較緩慢、且幅度較小，才有可能同時(shí)符合生產(chǎn)工藝要求。tLLFF0a）1#塔液位穩(wěn)定、2#塔進(jìn)料流量波動(dòng)幅度大LFLFt0b）1#塔液位波動(dòng)幅度大、2#塔進(jìn)料流量穩(wěn)定LFLFt0c）1#塔液位、2#塔進(jìn)料流量均小范圍、緩慢波動(dòng)②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)。如下圖，1#塔塔釜液位升降變化不能超過(guò)規(guī)定的上下限；2#塔進(jìn)料流量也不能超越規(guī)定的上下限，否則不滿足工藝要求。LC1#2#FTFCLT12LFLFt07.5.2均勻控制方案均勻控制常用的方案有簡(jiǎn)單均勻控制、串級(jí)均勻控制等形式，下面介紹這兩種控制方案。1．簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與簡(jiǎn)單液位定值控制系統(tǒng)相同，但控制系統(tǒng)的目標(biāo)不同。均勻控制的目標(biāo)是協(xié)調(diào)控制液位和排出流量?jī)蓚€(gè)被控參數(shù)。LC1#2#LT由于控制目的不同，均勻控制要求兼顧兩個(gè)被控參數(shù)，通過(guò)控制器參數(shù)整定來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)中的控制器一般都是純比例作用，且將比例度整定得很大。當(dāng)1#塔液位變化時(shí)，控制器輸出變化很小，排出流量流量只作緩慢、小范圍變化，以較弱的控制作用達(dá)到均勻控制的目的。LC1#2#LTLC1#2#LT動(dòng)。簡(jiǎn)單均勻控制僅適用于壓力(擾動(dòng))干擾不大、對(duì)流量的均勻程度要求較低的場(chǎng)合。簡(jiǎn)單均勻控制的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投運(yùn)方便，成本低。但對(duì)另一個(gè)被控參數(shù)是不測(cè)不控的兼顧操作，其控制精度不一定能保證。在本例中，當(dāng)前后塔的壓力變化較大時(shí)，盡管調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度不變，輸出流量也會(huì)出現(xiàn)較大波2．串級(jí)均勻控制為了克服簡(jiǎn)單均勻控制只有一個(gè)控制回路，只能保證一個(gè)被控參數(shù)精度的缺點(diǎn)，可在簡(jiǎn)單均勻控制方案基礎(chǔ)上增加一個(gè)副控制回路，構(gòu)成串級(jí)均勻控制。

結(jié)構(gòu)與串級(jí)控制系統(tǒng)相同。增加了流量控制回路，可以及時(shí)克服壓力干擾，保證流量控制精度。LC1#2#LTFTFC串級(jí)均勻控制系統(tǒng)中，主、副變量都有控制精度要求，二者均在規(guī)定的（?。┓秶鷥?nèi)緩慢地變化，所以控制目標(biāo)與串級(jí)控制不同。①主、副控制器一般都采用純比例作用，而且將比例度整定得較大。②串級(jí)均勻控制方案適用于壓力(擾動(dòng))干擾較大的場(chǎng)合。但使用儀表較多，投運(yùn)、維護(hù)復(fù)雜，成本高。LC1#2#LTFTFC7.5.3均勻控制系統(tǒng)參數(shù)整定

1．控制規(guī)律選擇簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)的控制器及串級(jí)均勻控制系統(tǒng)的主控制器一般采用純比例控制，有時(shí)也可采用比例積分控制；所有均勻控制都不需要加入微分控制。積分作用的引入對(duì)液位參數(shù)有利，它可以避免由于長(zhǎng)時(shí)間單方向干擾引起液位的越限。積分控制引入將使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性變差。

簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)要整定的控制器只有一個(gè)，可以按照單回路控制系統(tǒng)的整定方法進(jìn)行，只是要注意比例度要寬(P要大)、積分時(shí)間要長(zhǎng)(Ti要大)，通過(guò)“看曲線、調(diào)參數(shù)”，使液位和流量達(dá)到變化緩慢、協(xié)調(diào)均勻就可以了。

下面簡(jiǎn)單介紹串級(jí)均勻控制系統(tǒng)參數(shù)整定的經(jīng)驗(yàn)法和停留時(shí)間法。2．控制器參數(shù)整定

①經(jīng)驗(yàn)整定法

所謂經(jīng)驗(yàn)整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn),將主、副控制器的比例度P1、P2設(shè)置為一個(gè)適當(dāng)?shù)臄?shù)值，

②停留時(shí)間法

所謂停留時(shí)間τ，是指在正常流速下，介質(zhì)在被控參數(shù)允許變化范圍(1#塔在液位上下限之間的有效容積)內(nèi)流過(guò)所需要的時(shí)間，其計(jì)算公式然后按“先副后主”的順序，由小到大進(jìn)行調(diào)整，使被控參數(shù)的過(guò)渡過(guò)程曲線呈緩慢的非周期衰減過(guò)程。式中，Q—是正常工況下的介質(zhì)流量；

V—是容器在液位上下限之間的有效容量。停留時(shí)間τ與控制器整定參數(shù)間的關(guān)系見(jiàn)表7-2。停留時(shí)間τ(min)

<2020~40>40比例度P(%)100～150150～200200～25積分時(shí)間Ti

(min)51015表7-2停留時(shí)間τ與調(diào)節(jié)器參數(shù)的關(guān)系具體整定步驟如下副控制器(流量)按經(jīng)驗(yàn)法整定；計(jì)算停留時(shí)間τ，按上表確定液位(主)控制器整定參數(shù)；按照已確定參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)，若不滿足工藝要求，再適當(dāng)調(diào)整控制器參數(shù)，直到液位、流量運(yùn)行曲線均符合工藝要求。7.6分程控制系統(tǒng)在分程控制系統(tǒng)中，將一個(gè)控制器的輸出信號(hào)被分割成幾個(gè)行程段，每一段行程各控制一個(gè)調(diào)節(jié)閥，故取名為分程控制系統(tǒng)。例如，一個(gè)控制器的輸出信號(hào)分程控制兩個(gè)調(diào)節(jié)閥A和B

，A和B的輸入信號(hào)各占控制器輸出信號(hào)滿量程一半(50%)。

可通過(guò)調(diào)整閥門定位器或閥門驅(qū)動(dòng)器，縮小調(diào)節(jié)閥輸入信號(hào)量程。CABMM7.6.1分程控制系統(tǒng)工作原理及類型7.6.1.1分程控制系統(tǒng)工作原理如某一間歇式生產(chǎn)的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，每次投料完畢后，需要先對(duì)其加熱引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。一旦反應(yīng)開(kāi)始，就會(huì)持續(xù)產(chǎn)生大量反應(yīng)熱，如果不及時(shí)降溫，物料溫度會(huì)越來(lái)越高，有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)，因此，必須進(jìn)行冷卻降溫。

TT熱水冷卻水B

TCA

TT熱水冷卻水B

TCA反正反反/正為此，可設(shè)計(jì)以反應(yīng)器內(nèi)(物料)溫度為被控參數(shù)、以熱水流量和冷卻水流量為控制變量的分程控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)閥A、B分別控制冷卻水和熱水。為保證設(shè)備安全，加熱調(diào)節(jié)閥B采用氣開(kāi)方式，冷卻水調(diào)節(jié)閥A采用氣關(guān)方式，溫度控制器TC應(yīng)采用反作用工作方式。圖7.29調(diào)節(jié)閥分程關(guān)系曲線MPa0100%0.020.060.10A閥B閥放熱反應(yīng)器溫度分程控制工作原理反應(yīng)釜裝料完成、化學(xué)反應(yīng)開(kāi)始前，反應(yīng)物料溫度測(cè)量值小于設(shè)定值。系統(tǒng)啟動(dòng)，控制器TC(反作用工作方式)

輸出(經(jīng)過(guò)電/氣轉(zhuǎn)換器)

氣壓大于0.06MPa，A(冷卻)

閥關(guān)閉，B(加熱)

閥開(kāi)啟，進(jìn)入反應(yīng)器夾套的熱水使反應(yīng)物料溫度上升。

TT熱水冷卻水B

TCA反正反反/正隨著溫度升高→物料開(kāi)始反應(yīng)→反應(yīng)物溫度逐漸升高→控制器輸出逐漸下降→加熱水閥B逐漸關(guān)小→當(dāng)反應(yīng)物料溫度達(dá)到并高于設(shè)定值時(shí)→控制器輸出氣壓小于0.06MPa→加熱水閥B完全關(guān)閉，冷卻閥A逐漸打開(kāi)→冷卻水進(jìn)入夾套將反應(yīng)熱帶走，使反應(yīng)物料溫度保持在設(shè)定值。圖7.29調(diào)節(jié)閥分程關(guān)系曲線MPa0100%0.020.060.10A閥B閥

TT熱水冷卻水B

TCA反正反反/正7.6.1.2分程控制系統(tǒng)的類型按照調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式和分程信號(hào)區(qū)段不同，分程控制系統(tǒng)可分為以下兩種類型：①調(diào)節(jié)閥同向動(dòng)作的分程控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥同向動(dòng)作分程控制系統(tǒng)的二種形式。A、B均為正作用閥A、B均為反作用閥MPa0100%0.020.060.10A閥B閥MPa0100%0.020.060.10A閥B閥MPa0100%0.020.060.10A閥B閥②調(diào)節(jié)閥異(反)向動(dòng)作的分程控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥異(反)向動(dòng)作分程控制系統(tǒng)的二種形式。在0.02~0.06MPa區(qū)間，B閥全開(kāi)、A閥逐漸開(kāi)大；在0.06~0.10MPa區(qū)間，A閥全開(kāi)、B閥逐漸關(guān)小。在0.02~0.06MPa區(qū)間，B閥全關(guān)、A閥逐漸關(guān)小；在0.06~0.10MPa區(qū)間，A閥全關(guān)、B閥逐漸開(kāi)大。MPa0100%0.020.060.10A閥B閥SV－執(zhí)行器1被控過(guò)程變送器控制器干擾執(zhí)行器2+被控參數(shù)PV7.6.2分程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工業(yè)應(yīng)用分程控制系統(tǒng)本質(zhì)上屬于單回路控制系統(tǒng)。二者的主要區(qū)別：?jiǎn)位芈房刂葡到y(tǒng)中控制器輸出控制一個(gè)調(diào)節(jié)閥，分程控制系統(tǒng)中控制器輸出控制二/多個(gè)調(diào)節(jié)閥，因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法上有所區(qū)別。7.6.2.1控制信號(hào)的分段在分程控制中，控制器輸出信號(hào)分段由生產(chǎn)工藝要求決定?？刂破鬏敵鲂盘?hào)需要分成幾段，哪一段信號(hào)控制哪一個(gè)調(diào)節(jié)閥，完全取決于工藝要求。如在此例釜式反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)，生產(chǎn)工藝需要控制兩個(gè)調(diào)節(jié)閥。因此，控制器輸出信號(hào)需要分成兩段。

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TCA反正反反/正7.6.2.2調(diào)節(jié)閥特性選擇與應(yīng)注意的問(wèn)題

1.根據(jù)工藝要求選擇同向或異向工作調(diào)節(jié)閥在此例中，為保證安全，加熱閥采用氣開(kāi)式，冷卻閥采用氣關(guān)式，兩個(gè)調(diào)節(jié)閥異向工作；又因工藝要求一個(gè)閥打開(kāi)時(shí)，另一個(gè)必須關(guān)閉，兩個(gè)閥的特性組合如下左圖所示。MPa0100%0.020.060.10A閥B閥

TT熱水冷卻水B

TCA反正反反/正

2.流量特性的平滑銜接如圖為蒸氣壓力減壓系統(tǒng)。小負(fù)荷時(shí)A閥控制、B閥關(guān)閉；負(fù)荷較大時(shí)A閥全開(kāi)、由B閥進(jìn)行控制。兩個(gè)同向特性調(diào)節(jié)閥并聯(lián)控制一種介質(zhì)流量時(shí)，總流量特性是兩個(gè)閥流量特性的疊加組合。PTMPa0100%0.020.060.10A閥B閥SV如果兩個(gè)調(diào)節(jié)閥的增益差距較大，組合后的總流量特性有突變點(diǎn)，會(huì)影響系統(tǒng)控制品質(zhì)。P（MPa）a）二閥特性比較接近0Q（%）1000.020.060.1045?b）二閥特性差距較大01000.020.060.1045P（MPa）Q（%）?如果兩個(gè)調(diào)節(jié)閥都用直線特性，組合后的總流量特性有下列兩種情況：b）分程信號(hào)重疊P（MPa）01000.020.060.10Q（%）a）分程信號(hào)不重疊P（MPa）Q（%）01000.020.060.10??如果調(diào)節(jié)閥是對(duì)數(shù)流量特性，其總流量特性銜接處必有突變（點(diǎn)）?？梢酝ㄟ^(guò)兩個(gè)調(diào)節(jié)閥分程信號(hào)部分重迭的辦法，使調(diào)節(jié)閥流量特性實(shí)現(xiàn)平滑過(guò)渡，即將兩個(gè)閥的工作范圍擴(kuò)大，形成一段重迭區(qū)。3.調(diào)節(jié)閥的泄漏量

在分程控制中，調(diào)節(jié)閥的泄漏量太大會(huì)影響控制質(zhì)量。尤其當(dāng)大、小閥并聯(lián)工作時(shí)，若大閥的泄漏量接近或大于小閥的正常的調(diào)節(jié)量，則小閥的調(diào)節(jié)能力大大降低。

因?yàn)榇箝y的泄漏量相當(dāng)于存在一個(gè)不受控制的旁路管道，所以要求大閥的泄漏量小。PT7.6.2.3分程控制的實(shí)現(xiàn)

分程控制要求調(diào)節(jié)閥的輸入量程進(jìn)行壓縮。通過(guò)調(diào)整閥門定位器的輸入信號(hào)零點(diǎn)和量程，使調(diào)節(jié)閥在規(guī)定的信號(hào)區(qū)段作全行程動(dòng)作。例如，使調(diào)節(jié)閥A在0.02~0.07MPa范圍內(nèi)作全行程動(dòng)作；使調(diào)節(jié)閥B在0.05~0.10MPa范圍內(nèi)作全行程動(dòng)作；二者在0.05~0.07MPa重疊。分程信號(hào)存在部分重疊P（MPa）01000.020.060.10Q（%）7.6.2.4分程控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用分程控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用廣泛，下面介紹應(yīng)用比較多的兩種形式。1.用于擴(kuò)大調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍有些生產(chǎn)工藝要求控制的流量變化范圍較大，而調(diào)節(jié)閥可調(diào)范圍有限（國(guó)產(chǎn)統(tǒng)一設(shè)計(jì)柱塞調(diào)節(jié)閥可調(diào)范圍R＝30）。若采用一個(gè)調(diào)節(jié)閥，能夠控制的最大流量和最小流量相差不可能太懸殊，滿足不了生產(chǎn)上流量大范圍變化的要求，這時(shí)可考慮采用兩個(gè)調(diào)節(jié)閥并聯(lián)的分程控制方案。例

某蒸汽壓力減壓控制系統(tǒng)用節(jié)流減壓的方法將10MPa的高壓蒸氣減壓成4MPa的中壓蒸氣，中壓蒸氣的使用量變化很大。如果只用一個(gè)閥門控制，只能選擇大口徑閥。而大口徑閥在小開(kāi)度下工作時(shí)，閥門特性變差，控制效果不好。如果用兩個(gè)閥分程控制，小負(fù)荷時(shí)只開(kāi)小閥，負(fù)荷增大時(shí)再開(kāi)大閥。則兩個(gè)調(diào)節(jié)閥組合后，可調(diào)范圍擴(kuò)大。PT

設(shè)大、小兩個(gè)調(diào)節(jié)閥的最大流通能力分別為：

CBmax=105m3、CAmax=4.2m3；可調(diào)范圍均為

R=

30

則兩個(gè)閥的最小流通能力分別為：

CBmin=CBmin/R=105/30=3.5m3CAmin=CAmin/R=4.2/30=0.14m3

兩個(gè)調(diào)節(jié)閥并聯(lián)使用時(shí)：最小流通能力為：Cmin=CAmin=0.14

最大流通能力為：Cmax=CBmax+CAmax=107.2m3

可調(diào)范圍：R并=Cmax/Cmin=107.2/0.14=780

并聯(lián)使用后調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍增大了26倍。2.用于一個(gè)控制回路需要控制多個(gè)操縱量

例

在工業(yè)廢液中和處理工藝中，需要根據(jù)廢液的酸堿性（pH值），分別控制加酸液量或加堿液量。pHT反反正廢液pHC正堿液酸液中和廢液MPa0100%0.020.060.10A閥B閥7.7選擇性控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)是在正常生產(chǎn)過(guò)程狀態(tài)下對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行控制。一旦生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)非正常狀態(tài)（參數(shù)超過(guò)安全限），就不得不放棄對(duì)此參數(shù)控制，否則會(huì)發(fā)生事故。待采取保護(hù)措施，消除異常、重新恢復(fù)正常狀態(tài)后，控制系統(tǒng)再重新投入工作。傳統(tǒng)的生產(chǎn)保護(hù)措施是硬保護(hù)措施。當(dāng)生產(chǎn)操作達(dá)到安全極限時(shí)，發(fā)出聲、光報(bào)警，操作人員立即將控制器切到手動(dòng)操作，或通過(guò)專門設(shè)置的聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停車，防止事故險(xiǎn)情進(jìn)一步惡化。如果控制系統(tǒng)具有自動(dòng)應(yīng)變能力，對(duì)于不同的生產(chǎn)狀態(tài)，能自動(dòng)選擇不同的控制方案—當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)不正常狀況時(shí)，能自動(dòng)切換到保護(hù)性控制回路，由保護(hù)性控制回路來(lái)恢復(fù)生產(chǎn)狀態(tài)；當(dāng)生產(chǎn)恢復(fù)正常時(shí)，再自動(dòng)切回穩(wěn)定性控制回路。這樣就不需要通過(guò)人工或連鎖停車操作，對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，這種安全保護(hù)稱為軟保護(hù)（措施）。所謂選擇性控制系統(tǒng)，就是能根據(jù)生產(chǎn)狀態(tài)自動(dòng)選擇合適的控制方案的控制系統(tǒng)。選擇性控制系統(tǒng)設(shè)有多個(gè)控制回路，由選擇器根據(jù)設(shè)計(jì)控制決策邏輯，自動(dòng)選通合適控制回路。7.7.1選擇性控制系統(tǒng)的類型

選擇性控制系統(tǒng)通過(guò)選擇器實(shí)現(xiàn)選擇功能。選擇器可以接在控制器的輸出端，對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行選擇；也可以接在變送器輸出端，對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行選擇。

1.對(duì)控制器輸出信號(hào)進(jìn)行選擇給定2＋－變送器2執(zhí)行器對(duì)象1被控參數(shù)2給定1＋－變送器1控制器1選擇器被控參數(shù)1干擾控制器2正?？刂迫〈刂茖?duì)象2例

鍋爐蒸氣壓力選擇控制系統(tǒng)工藝要求鍋爐輸出蒸氣壓力穩(wěn)定。若用單回路控制系統(tǒng)控制，則根據(jù)蒸氣出口壓力控制燃?xì)饬俊Ｈ細(xì)忮仩t給水蒸氣汽包爐膛P1TP1C正反

如果下游生產(chǎn)過(guò)程蒸氣用量大幅度變化，蒸氣壓力控制系統(tǒng)會(huì)使燃?xì)忾y門開(kāi)度大幅變化。但燃?xì)鈮毫^(guò)高會(huì)發(fā)生脫火。

為防止產(chǎn)生脫火現(xiàn)象，增加一個(gè)燃?xì)飧邏罕Ｗo(hù)控制回路。用P2T測(cè)燃?xì)鈮毫?，P2C的設(shè)定值為燃?xì)飧邏荷舷拗担?dāng)燃?xì)鈮毫Φ陀谏舷拗禃r(shí)，P2C輸出高值信號(hào)。

用低選器自動(dòng)地選擇兩個(gè)控制信號(hào)中較低的一個(gè)，作為閥門的控制信號(hào)，系統(tǒng)原理如右圖所示。燃?xì)釶2C鍋爐給水＜蒸氣汽包爐膛選擇器P2TP1TP1C反反正

P2C輸出高值時(shí)，LS選中P1C作為輸出。系統(tǒng)是以蒸氣壓力為被控變量的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。當(dāng)煤氣壓力超過(guò)P2C給定值時(shí)，

P2C輸出低值，

LS將改選P2C作為輸出。

系統(tǒng)處于燃?xì)鈮毫刂茣r(shí)，蒸氣出口壓力控制回路被燃?xì)鈮毫Π踩Ｗo(hù)回路所取代。燃?xì)釶2C鍋爐給水＜蒸氣汽包爐膛選擇器P2TP1TP1C反反正

在蒸氣壓力定值控制與燃?xì)飧邏鹤詣?dòng)保護(hù)的選擇控制過(guò)程中，還可能出現(xiàn)另一種事故：如果因蒸氣負(fù)荷很低，導(dǎo)致燃?xì)饬髁窟^(guò)低，會(huì)出現(xiàn)熄火現(xiàn)象，也必須防止。

燃?xì)釶2C鍋爐給水＜蒸氣汽包爐膛選擇器P2TP1TP1C反反正

為防止出現(xiàn)熄火現(xiàn)象，再增加一個(gè)燃?xì)獾蛪罕Ｗo(hù)控制回路—P3T、P3C，系統(tǒng)原理如下頁(yè)圖所示。P3C的設(shè)定值為燃?xì)鈮毫ο孪拗?，?dāng)燃?xì)鈮毫Φ陀谙孪拗禃r(shí)，

P3C輸出高值信號(hào)，被HS選中。

當(dāng)燃?xì)鈮毫Ω哂谙孪拗禃r(shí)，P3C輸出低值信號(hào)，不會(huì)被HS選中。燃?xì)釶2C鍋爐給水＜蒸氣汽包爐膛＞選擇器1選擇器2P3TP3CP2TP1TP1C正反反反這類系統(tǒng)的選擇器裝在控制器之后（三選一系統(tǒng)）。在控制系統(tǒng)處于燃?xì)鈮毫ΡＷo(hù)控制狀態(tài)時(shí)，不能保證蒸氣出口壓力符合工藝要求。燃?xì)釶2C鍋爐給水＜蒸氣汽包爐膛＞選擇器1選擇器2P3TP3CP2TP1TP1C正反反反2．對(duì)變送器輸出信號(hào)進(jìn)行選擇這種系統(tǒng)的選擇器裝在控制器之前、檢測(cè)變送器之后，對(duì)多個(gè)變送器輸出信號(hào)進(jìn)行選擇。用于幾個(gè)被控參數(shù)給定值、控制規(guī)律都一樣的場(chǎng)合。

給定＋－變送器n執(zhí)行器被控對(duì)象被控參數(shù)n變送器1選擇器被控參數(shù)1……干擾控制器…………例

固定床反應(yīng)器(高溫)熱點(diǎn)溫度控制反應(yīng)器內(nèi)固定床上裝有催化劑以加速反應(yīng)，而反應(yīng)產(chǎn)生的熱量若不及時(shí)被冷卻液帶走，溫度過(guò)高會(huì)燒壞催化劑。因催化劑的老化、變質(zhì)和流動(dòng)等原因，固定床不同位置的溫度可能不同。在不同位置分別安裝溫度傳感器，由選擇器(高選HS)選出熱點(diǎn)溫度信號(hào)，送入控制器進(jìn)行控制。＞冷卻液入料T1TTC反T2TT3T反應(yīng)器產(chǎn)品反冷卻液給定＋－變送器2執(zhí)行器對(duì)象3段變送器1選擇器被控參數(shù)1控制器對(duì)象2段對(duì)象1段變送器1被控參數(shù)2被控參數(shù)3反應(yīng)器內(nèi)三點(diǎn)被控溫度是串聯(lián)關(guān)系，因此，控制系統(tǒng)方框圖中(對(duì)象)特過(guò)程性可等效為串聯(lián)的三段。＞冷卻液入料T1TTC反T2TT3T反應(yīng)器產(chǎn)品反冷卻液

7.7.2選擇性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則選擇性控制系統(tǒng)是多個(gè)常規(guī)控制系統(tǒng)的組合。與常規(guī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相比，主要不同點(diǎn)是選擇器的設(shè)計(jì)選型和控制器控制規(guī)律的確定。1．選擇器的選型選擇器有高值選擇器HS與低值選擇器LS兩種。選擇器類型，由執(zhí)行器的作用方向和控制回路的切換條件決定。例1

蒸汽壓力與燃?xì)鈮毫Φ淖詣?dòng)選擇控制由于燃?xì)忾y是正作用閥，防止燃?xì)鈮毫^(guò)高的選擇器1就應(yīng)當(dāng)是低選（LS），防止燃?xì)鈮毫^(guò)低的選擇器2就應(yīng)當(dāng)是高選（HS）。燃?xì)釶2C鍋爐給水＜蒸氣汽包爐膛＞選擇器1選擇器2P3TP3CP2TP1TP1C正反反反例2

固定床反應(yīng)器中熱點(diǎn)溫度選擇控制控制目標(biāo)是最高溫度點(diǎn)不超過(guò)觸媒（催化劑）耐溫上限，則所有測(cè)溫點(diǎn)溫度都不會(huì)超標(biāo)，所以用高選器（HS）。＞冷卻液入料T1TTC反T2TT3T反應(yīng)器產(chǎn)品反冷卻液

2．控制器調(diào)節(jié)規(guī)律的確定

對(duì)于正常工況下運(yùn)行的調(diào)節(jié)器，由于有較高的控制精度要求，可用PI控制或PID控制；對(duì)于取代控制器，一般只要求其迅速發(fā)揮保護(hù)作用，可用P控制。

燃?xì)釶2C鍋爐給水＜蒸氣汽包爐膛＞選擇器1選擇器2P3TP3CP2TP1TP1C正PPIDP3．調(diào)節(jié)器參數(shù)整定

正常工作調(diào)節(jié)器的整定要求與常規(guī)控制系統(tǒng)相同，可按常規(guī)控制系統(tǒng)的整定方法進(jìn)行整定。對(duì)于取代調(diào)節(jié)器，要求能及時(shí)產(chǎn)生自動(dòng)保護(hù)作用，其比例度P應(yīng)整定得小一些。燃?xì)釶2C鍋爐給水＜蒸氣汽包爐膛＞選擇器1選擇器2P3TP3CP2TP1TP1C正PPIDP

4．選擇性控制系統(tǒng)控制器抗積分飽和選擇性控制系統(tǒng)運(yùn)行中，無(wú)論在正常工況下，還是在異常工況下，總是有控制器處于開(kāi)環(huán)待命狀態(tài)。如果控制器有積分作用，當(dāng)其處于開(kāi)環(huán)待命狀態(tài)時(shí)，偏差輸入信號(hào)一直存在。那么積分作用將使控制器的輸出不斷增加或減小，使輸出進(jìn)入深度深度飽和狀態(tài)，失去控制功能。一旦選擇器選擇其進(jìn)入控制工作狀態(tài)，其退出飽和以后才開(kāi)始正常工作，這種現(xiàn)象稱之為積分飽和。這種控制不及時(shí)有時(shí)會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的后果，必須設(shè)法防止。

抗積分飽和是控制器的一個(gè)附加功能，可供用戶選擇。常用的抗積分飽和措施有以下幾種。①PI-P法當(dāng)控制器輸出在一定范圍內(nèi)，采用PI或PID控制，超出設(shè)定范圍，采用P或PD，避免積分飽和。②積分切除法當(dāng)控制器被選中時(shí)，采用PI或PID控制，一旦處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)自動(dòng)切除積分功能。③限幅法利用限幅器，使控制器輸出信號(hào)不超過(guò)正常信號(hào)的上下限（不進(jìn)入飽和狀態(tài)）。7.8解耦控制

有些生產(chǎn)過(guò)程要在一個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)上設(shè)置若干個(gè)控制系統(tǒng)，分別對(duì)多個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行控制。這種情況下，多個(gè)控制系統(tǒng)之間就有可能存在相互關(guān)聯(lián)和相互影響，稱為耦合?？刂葡到y(tǒng)間的耦合會(huì)妨礙各被控參數(shù)的獨(dú)立控制，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致控制系統(tǒng)無(wú)法正常工作。通過(guò)采取措施把相互關(guān)聯(lián)、存在耦合的多參數(shù)過(guò)程控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個(gè)控制變量只對(duì)一個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行獨(dú)立控制的多個(gè)單輸入-單輸出控制系統(tǒng)，這樣的控制系統(tǒng)稱為解耦控制系統(tǒng)(或自治控制系統(tǒng))。7.8.1被控過(guò)程的耦合現(xiàn)象及對(duì)控制過(guò)程的影響

精餾塔頂溫度T1控制系統(tǒng)和塔底溫度T2控制系統(tǒng)存在耦合。下面用一個(gè)實(shí)例來(lái)分析被控過(guò)程的耦合現(xiàn)象及對(duì)控制過(guò)程的影響。右下圖中，塔頂溫度T1的控制變量QL對(duì)塔底溫度T2產(chǎn)生影響；同理，溫度T2的控制變量QS影響塔底溫度T2。圖7.38

精餾塔溫度控制系統(tǒng)再沸器回流QL塔底產(chǎn)品QW精餾塔T2CT2TT1C蒸氣QS進(jìn)料F塔頂產(chǎn)品QD

T1T冷凝器回流罐塔頂溫度T1控制系統(tǒng)和塔底溫度T2控制系統(tǒng)的耦合關(guān)系，可抽象為如下方框圖表示（將變送器、執(zhí)行器環(huán)節(jié)特性簡(jiǎn)化為1）。圖7.39精餾塔溫度控制系統(tǒng)框圖G11(s)T1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)T2(s)T1rT2r+-+++++-耦合通道

7.8.2解耦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)解耦控制通過(guò)解耦環(huán)節(jié)，使存在耦合的多變量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗷オ?dú)立的單變量控制系統(tǒng)。下面討論幾種常用的解耦方法。1.前饋補(bǔ)償解耦利用前饋補(bǔ)償控制原理，對(duì)存在耦合的多變量過(guò)程進(jìn)行解耦，是最早采用的解耦控制方法。圖7.40所示（見(jiàn)下頁(yè)）為應(yīng)用前饋解耦環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)（二變量）解耦的系統(tǒng)框圖。根據(jù)不變性（補(bǔ)償）原理可得圖7.40前饋補(bǔ)償解耦系統(tǒng)框圖G11(s)Y1(s)Uc1(s)G21(s)G12(s)G22(s)Uc2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)Y1rY2r+-+++++-N21(s)N12(s)++++耦合通道前饋解耦環(huán)節(jié)G12(s)Uc2(s)+G11(s)N12(s)Uc2(s)=0G21(s)Uc1(s)+G22(s)N21(s)Uc1(s)=0U1(s)U2(s)求得前饋解耦環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)圖7.40前饋補(bǔ)償解耦系統(tǒng)框圖G11(s)Y1(s)Uc1(s)G21(s)G12(s)G22(s)Uc2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)Y1rY2r+-+++++-N21(s)N12(s)++++耦合通道前饋解耦環(huán)節(jié)U1(s)U2(s)圖7.41雙變量對(duì)角解耦系統(tǒng)框圖2．對(duì)角矩陣解耦設(shè)計(jì)對(duì)角矩陣解耦是設(shè)計(jì)一個(gè)解耦環(huán)節(jié)，使解耦環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)陣與被控過(guò)程傳遞函數(shù)陣乘積成為對(duì)角陣，消除多變量被控過(guò)程被控參數(shù)之間的耦合。

例G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)Y1rY2r+-+++++-N11(s)N21(s)N12(s)N22(s)++++Uc1(s)Uc2(s)耦合通道解耦環(huán)節(jié)對(duì)被控過(guò)程的兩個(gè)控制量和被控參數(shù)之間的關(guān)系，可以列出描述過(guò)程輸出的方程組：Y1(s)=G11(s)U1(s)+G12(s)U2(s)Y2(s)=G21(s)U1(s)+G22(s)U2(s)G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)Y1rY2r+-+++++-N11(s)N21(s)N12(s)N22(s)++++Uc1(s)Uc2(s)耦合通道解耦環(huán)節(jié)可簡(jiǎn)寫(xiě)成Y(s)為輸出向量；Uc(s)為輸入向量；G(s)為被控(過(guò)程)對(duì)象傳遞矩陣。將上面方程組寫(xiě)成矩陣形式，即式中解耦環(huán)節(jié)N(s)接在控制器Gc(s)和被控(對(duì)象)過(guò)程G(s)之間，即U1(s)

=N11(s)Uc1(s)+N12(s)Uc2(s)U2(s)

=N21(s)Uc1(s)+N22(s)Uc2(s)G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)Y1rY2r+-+++++-N11(s)N21(s)N12(s)N22(s)++++Uc1(s)Uc2(s)耦合通道解耦環(huán)節(jié)可簡(jiǎn)寫(xiě)成式中Uc(s)—解耦環(huán)節(jié)輸入向量，即控制器輸出向量；U(s)—解耦環(huán)節(jié)輸出向量；N(s)—解耦環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)陣：將以上方程組寫(xiě)成矩陣形式，即U

(s)=N(s)?Uc(s)

這時(shí)控制器輸出控制作用Uc(s)與被控參數(shù)向量Y(s)之間傳遞關(guān)系可用矩陣乘積表示：Y(s)=G(s)?N(s)?Uc(s)G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)Y1rY2r+-+++++-N11(s)N21(s)N12(s)N22(s)++++Uc1(s)Uc2(s)耦合通道解耦環(huán)節(jié)如果G(s)?N(s)為對(duì)角陣GP(s)，則有表明y1、y2之間已完全解耦，據(jù)此條件可求出解耦環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)矩陣中，如果Y(s)=G(s)?N(s)?Uc(s)N(s)=G-1(s)?GP(s)實(shí)現(xiàn)對(duì)角解耦之后的等效系統(tǒng)框圖如下：式中G11(s)Y1(s)U1c(s)G22(s)U2c(s)Gc2(s)Gc1(s)Y1r+-+-Y2rY2(s)對(duì)于存在耦合且被控參數(shù)數(shù)量超過(guò)兩個(gè)的多變量系統(tǒng)，可采用類似方法求出解耦環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)矩陣，只是傳函矩陣隨著維數(shù)升高，實(shí)現(xiàn)難度更大。7.8.3解耦控制的進(jìn)一步討論解耦設(shè)計(jì)的目的是為了能構(gòu)成獨(dú)立的單回路控制系統(tǒng)，獲得滿意的控制性能。在設(shè)計(jì)解耦器時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況特別注意以下幾方面。7.8.3.1控制變量與被控參數(shù)的配對(duì)存在耦合的被控過(guò)程中，一個(gè)控制變量會(huì)影響多個(gè)被控參數(shù)。設(shè)計(jì)解耦時(shí)，首先要確定每個(gè)被控參數(shù)被哪個(gè)控制變量控制最合理，即解決耦合過(guò)程中被控參數(shù)與被控變量之間的配對(duì)問(wèn)題。對(duì)匹配關(guān)系比較明顯的多變量(對(duì)象)過(guò)程，憑經(jīng)驗(yàn)就可確定控制變量與被控參數(shù)之間配對(duì)關(guān)系。對(duì)關(guān)聯(lián)關(guān)系比較復(fù)雜的多變量過(guò)程，則需要進(jìn)行深入分析才能確定控制變量與被控參數(shù)之間的配對(duì)關(guān)系。采用Bristol-Shinskey提出的相對(duì)增益概念，是評(píng)價(jià)變量之間的耦合程度、是否需要解耦的分析方法和進(jìn)行變量配對(duì)的常用方法。1.相對(duì)增益的定義對(duì)一n輸入n輸出多變量過(guò)程，設(shè)輸入列向量、輸出列向量分別為U、Y在系統(tǒng)開(kāi)環(huán)情況下，其他ur(r≠j)都保持不變，輸出yi與輸入uj的穩(wěn)態(tài)傳遞關(guān)系(或放大系數(shù))，即到pij是

uj到

yi

之間通道的靜態(tài)開(kāi)環(huán)增益，稱為第一放大系數(shù)。在其他所有yr(r≠i)都保持不變的情況下，輸出yi與輸入uj

的穩(wěn)態(tài)傳遞關(guān)系（放大系數(shù)），即qij稱為

uj到

yi之間通道的第二放大系數(shù)。在

pij、qij的基礎(chǔ)上，定義λij到為uj到y(tǒng)i通道的相對(duì)增益。對(duì)一n輸入n輸出多變量過(guò)程，可得相對(duì)增益矩陣由定義以上可知，pij為其他輸入ur不變的條件下，uj到y(tǒng)i穩(wěn)態(tài)傳遞關(guān)系(增益)；qij為其他輸出yr不變的條件下，uj到y(tǒng)i穩(wěn)態(tài)傳遞關(guān)系（增益）；而

λij則是二者的比值，其大小反映了對(duì)應(yīng)變量（即對(duì)應(yīng)通道）之間的耦合程度：λij=1，表示二種約束條件下，uj到y(tǒng)i穩(wěn)態(tài)傳遞關(guān)系(增益)不變；表明uj到y(tǒng)i通道不受其他其他輸入變量的影響，不存在其他通道對(duì)yi的耦合；λij=0，表示pij=0，即uj對(duì)yi沒(méi)有影響；0<λij<1，則表示uj到y(tǒng)i通道與其他通道之間存在不同程度的耦合；到1<λij，表明耦合減弱了uj對(duì)yi；0>λij，表明耦合改變了uj對(duì)yi控制作的方向(極性)。到從上述定性分析可知，相對(duì)增益值λij反映了某個(gè)控制通道的輸入、輸出作用強(qiáng)弱和其它通道對(duì)它耦合的強(qiáng)弱，因此可作為變量配對(duì)、選擇控制通道和確定解耦措施的依據(jù)。2.相對(duì)增益的求取按照相對(duì)增益定義，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)，或者利用變量之間的解析關(guān)系式，求出放大系數(shù)pij、qij，通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算求出相對(duì)增益λij，進(jìn)而得到相對(duì)增益陣Λ。性質(zhì)

相對(duì)增益陣Λ任一列或行的元素之和為1。到3.相對(duì)增益陣的性質(zhì)與變量配對(duì)根據(jù)相對(duì)增益陣Λ元素λij值進(jìn)行配對(duì)矩陣Λ對(duì)角元素為1，其他元素為0，過(guò)程通道之間沒(méi)有耦合；若Λ矩陣非對(duì)角元素為1，而對(duì)角元素為0，則表示過(guò)程變量配對(duì)（控制通道）錯(cuò)選，應(yīng)更換輸入輸出間的配對(duì)關(guān)系；到矩陣Λ的元素都在[0,1]區(qū)間內(nèi)，表示過(guò)程控制通道之間存在耦合。λij越接近于1，表示uj到y(tǒng)i的通道受其它通道其他耦合的影響越??；若Λ矩陣同一行或者列的元素值相等，或λ值比較接近，表示通道之間的耦合很強(qiáng)，要實(shí)現(xiàn)單回路控制，必須采取相應(yīng)的解耦措施；若Λ矩陣中某元素值大于1，則同一行和列中必有λ<0元素存在，表示過(guò)程變量或通道之間存在不穩(wěn)定耦合，在設(shè)計(jì)解耦或控制回路時(shí)，必須采取鎮(zhèn)定措施。例

對(duì)一2輸入、2輸出被控過(guò)程，如果控制變量u1控制被控參數(shù)y1、用控制變量u2控制變量和被控參數(shù)配對(duì)顯然不合理。如果用u1控制y2、用u2控制y1，則相對(duì)增益陣變?yōu)橛蚁滤?。通道之間耦合強(qiáng)度大為減弱，配對(duì)更為合理?？刂票豢貐?shù)y2，并采用實(shí)驗(yàn)或解析分析求得其相對(duì)增益陣如右上所示。說(shuō)明

相對(duì)增益只考慮了靜態(tài)耦合特性而沒(méi)有涉及動(dòng)態(tài)耦合特性，不完全適用于動(dòng)態(tài)解耦的分析與設(shè)計(jì)。7.8.3.2部分解耦所謂部分解耦是指：對(duì)耦合關(guān)系復(fù)雜的(對(duì)象)過(guò)程，只對(duì)部分耦合通道采取解耦措施。從解耦器傳遞函數(shù)的求解可以看出，解耦器實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。為了降低成本，可以只對(duì)部分耦合通道采取解耦措施。當(dāng)然，部分解耦的控制性能肯定比完全解耦要差。部分解耦是一種有選擇的解耦，使用時(shí)必須首先確定對(duì)哪些過(guò)程進(jìn)行解耦，選擇依據(jù)有以下二條。1.被控參數(shù)的相對(duì)重要性控制(對(duì)象)過(guò)程中各被控參數(shù)的重要性是不同的。對(duì)相對(duì)重要的被控參數(shù)，控制要求高，最好采用解耦措施消除或減弱其他變量(通道)對(duì)其耦合作用。如圖精餾過(guò)程，若對(duì)塔頂產(chǎn)品的純度指標(biāo)遠(yuǎn)高于對(duì)塔底產(chǎn)品的純度要求，再沸器回流QL塔底產(chǎn)品QW精餾塔T2CT2TT1C蒸汽QS進(jìn)料F塔頂產(chǎn)品QDuc2

T1T冷凝器回流罐T1T2可采用前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)消除QS對(duì)塔頂溫度T1的耦合。2.被控參數(shù)動(dòng)態(tài)特性(響應(yīng)速度)

各個(gè)被控參數(shù)對(duì)控制變量的響應(yīng)速度是不一樣的。響應(yīng)快的被控參數(shù)受慢的參數(shù)影響小，而響應(yīng)慢的參數(shù)受來(lái)自快的參數(shù)影響大。如溫度、成分等參數(shù)變化較慢，壓力、流量等參數(shù)變化較快。因此，在部分解耦設(shè)計(jì)時(shí)，往往對(duì)響應(yīng)慢的被控參數(shù)受到的耦合需要進(jìn)行解耦。G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Y2(s)++++3.解耦環(huán)節(jié)的簡(jiǎn)化從被控(對(duì)象)過(guò)程的傳遞函數(shù)求得的解耦裝置數(shù)學(xué)模型(傳遞函數(shù))越復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)越困難。如果對(duì)求出的解耦環(huán)節(jié)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，可使解耦系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)化可以從以下兩個(gè)方面考慮：①在高階系統(tǒng)中，如果存在小時(shí)間常數(shù)，它與其它時(shí)間常數(shù)的比值接近或小于1/10時(shí)，可將小時(shí)間常數(shù)忽略，以降低解耦模型階數(shù)；如果幾個(gè)時(shí)間常數(shù)值相近，也可取同一值代替。例如，某被控過(guò)程的傳遞函數(shù)陣為按照上面的簡(jiǎn)化原則，可以簡(jiǎn)化為②省略解耦函數(shù)的動(dòng)態(tài)部分，只采用靜態(tài)解耦。例如一個(gè)2×2的系統(tǒng)，求出的解耦環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)矩陣為如采用靜態(tài)解耦，即s=0，則解耦環(huán)節(jié)簡(jiǎn)化為比例環(huán)節(jié)（傳遞函數(shù)陣退化為常數(shù)矩陣），顯然更容易實(shí)現(xiàn)。工程實(shí)踐表明，當(dāng)(對(duì)象)過(guò)程各通道動(dòng)特性相等或相近時(shí)，用靜態(tài)解耦能夠獲得滿意的解耦效果。由于被控(對(duì)象)過(guò)程特性測(cè)試、計(jì)算都是忽略了一些因素后獲得的近似值，所求得的解耦環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型往往是近似的，加之實(shí)現(xiàn)時(shí)的誤差，很難做到理想的全解耦。G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Y2(s)++++7.9雙重控制系統(tǒng)

當(dāng)1個(gè)被控參數(shù)可用2個(gè)或2個(gè)以上的控制變量進(jìn)行控制的系統(tǒng)稱為雙重(dualcontrolling)或多重控制系統(tǒng)，與串級(jí)(一個(gè)調(diào)節(jié)閥和兩個(gè)控制器)控制、分程(一個(gè)控制器和2個(gè)或2個(gè)以上調(diào)節(jié)閥)控制系統(tǒng)有所不同。7.9.1雙重控制系統(tǒng)工作原理分析在控制方案設(shè)計(jì)中，控制變量選擇必須從操作工藝、生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化等角度綜合考慮，既要考慮工藝合理性，還要考慮參數(shù)控制性能的要求。選擇不同控制變量所確定的控制通道和對(duì)應(yīng)的控制方案在工藝合理性、生產(chǎn)效率以及被控參數(shù)控制性能方面存在一定差異（參見(jiàn)6.5）。當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程有2（或多）個(gè)容許的控制變量可供選擇，而單一控制變量無(wú)法滿足生產(chǎn)過(guò)程多方面的控制要求時(shí)，可考慮雙重（或多重）控制方案，綜合每個(gè)控制變量的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的高質(zhì)量（快速、高精度）和高效率（工藝的合理性、生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性）運(yùn)行，雙（多）重控制就是在這種背景下提出來(lái)的。下面用一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明雙重控制的工作原理與特點(diǎn)。右下圖是一個(gè)采用雙重控制方案實(shí)現(xiàn)換熱器出口溫度控制的實(shí)例。被控參數(shù)是換熱器出口溫度T，操縱變量有兩個(gè)：一個(gè)是旁路流量，響應(yīng)速度快；另一個(gè)是加熱蒸氣流量，工藝上更合理。雙重控制系統(tǒng)工作原理如下。當(dāng)熱物料溫度T偏離設(shè)定值Tr出現(xiàn)偏差時(shí)，主(溫度)控制器(TC)輸出直接控制旁通閥開(kāi)度，調(diào)整旁通閥Vb流量，快速控制被控參數(shù)T回到設(shè)定值Tr。此時(shí)，旁通閥開(kāi)度(或流量)偏離設(shè)定值Vbr；與此同時(shí)，這一代表旁路流量的控制信號(hào)又作為閥位控制器（VPCValve-PositionController）測(cè)量值(Vb)送入閥位控制器(VPC)，閥位控制器緩慢控制加熱蒸氣流量閥V開(kāi)度調(diào)整蒸氣流量，以消除旁路閥開(kāi)度(流量)的偏差，使Vb回復(fù)到Vbr。當(dāng)系統(tǒng)重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，換熱器出口溫度T

恢復(fù)到設(shè)定值Tr

，旁通閥開(kāi)度(對(duì)應(yīng)的旁路流量)

Vb也回到設(shè)定值Vbr。最終，由蒸氣流量變化來(lái)消除擾動(dòng)所引起的溫度偏差；即快速消除溫度偏差由旁通流量變化實(shí)現(xiàn)，而最終的穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷仍由加熱蒸氣流量承擔(dān)。由于副被控變量為旁通閥開(kāi)度，所以雙重控制也稱為閥位控制(VPCValve-PositionControl）雙重控制方案對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)框圖如圖7-45所示。

由上圖可知，當(dāng)溫度T出現(xiàn)偏差時(shí)，雙重控制系統(tǒng)一方面利用旁路溫度控制快速響應(yīng)的良好動(dòng)態(tài)特性，及時(shí)消除溫度偏差，使被控參數(shù)T迅速恢復(fù)到設(shè)定值Tr

，保證溫度控制具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)；另一方面又利用熱換器工藝合理的特性，使控制系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能，使熱物料產(chǎn)量回復(fù)到額定值。雙重控制使換熱器溫度控制系統(tǒng)在溫度控制性能和平穩(wěn)生產(chǎn)兩方面都可獲得較理想