第7章复杂控制系统教学课件.pptx

第七章 复杂控制系统 化工仪表及自动控制Chemical Industry Instrument and Automation control化工仪表及自动化内容提要n串级控制系统n串级控制的结构n串级控制的抗干扰过程n串级控制的特点n串级控制系统的设计n前馈控制系统n均匀控制系统n比值控制系统n分程控制系统n选择性控制系统化工仪表及自动化复杂控制系统串级控制系统 均匀控制系统比值控制系统分程控制系统 前馈控制系统 选择控制系统 绪论化工仪表及自动化第一节 串级控制系统n 一、串级控制的结构串级控制系统是复杂控制系统中应用最广泛的一种。当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，采用简单控制系统控制质量较差，满足不了工艺上的要求，这时，可考虑在简单控制系统的基础上增加一个控制回路，构成串级控制系统来提高控制质量。化工仪表及自动化一、串级控制的结构工艺要求原料油的出口温度保持为某一定值，所以选择原料油的出口温度为被控变量。影响炉出口温度的因素很多，主要有被加热物料的流量和初始温度，燃料油压力的波动、流量的变化、燃料热值的变化、烟囱抽力变化、配风、炉膛漏风和环境温度的影响等。 （a） （b）图7-1 管式加热炉出口温度控制系统化工仪表及自动化 在实际生产过程中，特别是当加热炉的燃料压力或燃料本身的热值有较大波动时，该简单控制系统的控制质量往往很差，原料油的出口温度波动较大，难以满足生产上的要求。 根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度 一、串级控制的结构化工仪表及自动化 当燃料压力或燃料本身的热值变化后，先影响炉膛的温度，然后通过传热过程才能逐渐影响原料油的出口温度，这个通道容量滞后很大，时间常数约15min左右，反应缓慢，而温度控制器TC是根据原料油的出口温度与给定值的偏差工作的。所以当干扰作用在对象上后，并不能较快地产生控制作用以克服干扰被控变量的影响。当工艺上要求原料油的出口温度非常严格时，为了解决容量滞后问题，还需对加热炉的工艺作进一步分析。一、串级控制的结构化工仪表及自动化一、串级控制的结构p 考虑设计出以炉膛温度为被控变量，燃料量为操纵变量的另一简单控制系统，如图7-1（b）所示。p 当然这样做会使控制通道容量滞后减少，时间常数约为3min。虽然控制作用比较及时，但是炉温度毕竟不能真正代表原料油的出口温度，如果炉膛温度控制好了，其原料油的出口温度并不一定就能满足生产的要求，因为即使炉膛温度恒定，原料油本身的流量或入口温度变化仍会影响其出口温度。化工仪表及自动化 一、串级控制的结构图7-2 管式加热炉出口温度-温度串级控制系统化工仪表及自动化 一、串级控制的结构图7-3管式加热炉出口温度串级控制系统的方框图化工仪表及自动化 在上述控制系统中，有两个控制器T1C和T2C，接收来自对象不同部位的测量信号y1和y2。T1C的输出作为T2C的给定值，而后者的输出去控制执行器以改变操纵变量。从系统的结构看，这两个控制器是串接工作的。 工艺控制指标，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。一、串级控制的结构化工仪表及自动化为主变量表征其特性的生产设备。为副变量表征其特性的工艺生产设备。按主变量的测量值与给定值而工作，其输出作为副变量给定值的那个控制器。串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量。一、串级控制的结构化工仪表及自动化由主变量的测量变送装置。副变量的测量变送装置。其给定值来自主控制器的输出，并按副变量的测量值与给定值的偏差而工作的那个控制器。一、串级控制的结构化工仪表及自动化由主变量的测量变送装置，主、副控制器，执行器和主、副对象构成的外回路。由副变量的测量变送装置，副控制器执行器和副对象所构成的内回路。一、串级控制的结构化工仪表及自动化图7-4串级控制系统典型方块图一、串级控制的结构化工仪表及自动化(1)干扰作用于副回路二、串级控制的抗干扰过程 以管式加热炉为例，来说明串级控制系统是如何有效地克服滞后提高控制质量的。(2)干扰作用于主回路(3)干扰同时作用于副回路和主回路假定从工艺安全角度出发，执行器采用气开式，断气时控制阀关闭，以防止炉管烧坏而酿成事故，温度控制器T1C和T2C都采用反作用方向。化工仪表及自动化(1)干扰作用于副回路p f2引起炉膛温度变化，控制器T2C及时进行控制，使其很快稳定下来；p 如果干扰量小，经过副回路控制后，此干扰一般影响不到原料油出口温度y1；p 如果干扰量大，其大部分影响为副回路所克服，波及到原料油出口温度y1已影响不大，再由主回路进一步控制，彻底消除干扰的影响，使被控变量回复到给定值。二、串级控制的抗干扰过程化工仪表及自动化由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干扰进入回路时，可以获得比单回路控制系统超前的控制作用，有效地克服燃料油压力或热值变化对原料油出口温度的影响，从而大大提高了控制质量。二、串级控制的抗干扰过程化工仪表及自动化(2)干扰作用于主回路f1变化 y1 T1C输出T2C设定值 T2C输出 恢复给定值 所以，在串级控制系统中，如果干扰作用于主对象，由于副回路的存在，可以及时改变副变量的数值，以达到稳定主变量的目的。 f2不存在，只有f1作用于主对象受热管道上，这时干扰作用就作用于主回路。二、串级控制的抗干扰过程化工仪表及自动化(3)(3)干扰同时作用于副回路和主回路干扰同时作用于副回路和主回路在干扰作用下，主、副变量的变化方向相同。二、串级控制的抗干扰过程炉膛温度 f2原料油出口温度y1 主控制器T1C输出测量值给定值 副控制器T2C输出 y1恢复给定值化工仪表及自动化主、副变量的变化方向相反，一个增加，另一个减小。二、串级控制的抗干扰过程炉膛温度 f2原料油出口温度y1主控制器T1C输出，副控制器的测量值f2 ，偏差为零时 副控制器T2C输出不变化工仪表及自动化在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服过程。副回路具有副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。影响能彻底加以克服。因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。 二、串级控制的抗干扰过程化工仪表及自动化三、串级控制的特点 1.系统结构串级控制系统有两个闭合回路。主回路是个定值控制系统, 副回路是个随动系统。在串级控制系统中,主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺参数。副变量的引入往往是为了提高主变量的控制质量,它是基于主,副变量之间具有一定的内在关系而工作的。 化工仪表及自动化2.系统特性l 串级控制系统，主、副控制器是串联工作的。主控制器的输出作为副控制器的给定值（副控制器的给定值是随时变化的），通过副控制器的输出去操纵执行器动作，实现对主变量的定值控制。l 在系统控制过程中，主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统。三、串级控制的特点化工仪表及自动化3.分级控制串级控制系统将一个控制通道较长的对象分为两级，即主对象和副对象，分别构成两个闭合回路：主回路和副回路，大部分干扰在第一级副回路中就能基本克服，剩余干扰的影响再有第二级主回路加以克服。三、串级控制的特点化工仪表及自动化4.控制效果与简单控制系统相比较，串级控制系统由于引入了副回路，因此改善了对象的特性，系统对干扰反应更及时，使控制过程加快，具有超前控制的作用，从而有效地克服了系统滞后，提高了控制质量。三、串级控制的特点化工仪表及自动化由于串级控制系统比单回路控制系统多了一个副回路，因此串级系统不仅具有单回路控制系统的全部功能，而且可适用于对象容量滞后较大、纯滞后时间较长、负荷变化频繁、干扰剧烈的被控过程。四、串级控制系统的设计在进行串级控制系统设计时，必须解决u主变量的选择和主回路的设计；u副变量的选择和副回路的确定；u主、副控制器控制规律的选择u主、副控制器正、反作用的确定；u串级控制系统中控制器参数的工程整定。化工仪表及自动化1.主变量的选择和主回路的设计串级控制系统的主回路仍是一个定值控制系统，主变量的选择和主回路的设计基本上按照简单控制系统的设计原则进行。化工仪表及自动化2.副变量的选择和副回路的确定p 副回路的设计是保证串级控制系统性能优越的关键所在。p 副回路设计的合理，串级系统的优势就会得到充分发挥，控制质量将比单回路控制系统的有明显的提高；p 副回路设计不合适，串级系统的优势将得不到发挥，控制质量的提高将不明显，甚至弄巧成拙，这就失去设计串级控制系统的意义了。p 副回路的选择，实际上就是根据生产工艺的具体情况，确定合适的副变量，从而引入一个包括副变量的副回路。化工仪表及自动化n 选择串级控制系统的副变量一般有两类情况 一类情况是选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量; 另一类选择的副变量就是操纵变量本身,这样能及时克服它的波动,减小对主变量的影响。 （1）主、副变量间应有一定的内在联系2.副变量的选择和副回路的确定化工仪表及自动化n一类情况是选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量;（1）主、副变量间应有一定的内在联系在前面所讲图7-2所示管式加热炉温度-温度串级控制系统中，选的副变量是燃料进入量至原料油出口温度通道中间的一个变量，即炉膛温度。由于它的滞后小，反应快，可以提前预报主变量y1的变化。因此控制炉膛温度y2对平稳原料油出口温度y1波动有显著的作用。2.副变量的选择和副回路的确定化工仪表及自动化n另一类选择的副变量就是操纵变量本身,这样能及时克服它的波动,减小对主变量的影响。 通过这个串级控制系统，能够在塔釜温度稳定不变时，以使能量的需要与供给之间得到平衡，从而使塔釜温度保持在要求的数值上。选择的副变量就是操纵变量（加热蒸汽量）本身。这样，当干扰来自蒸汽压力或流量的波动时，副回路能够及时加以克服，从而减少这种干扰对主变量的影响，提高塔釜温度的控制质量。图7-5精馏塔塔釜温度-流量串级控制系统1精馏塔；2再沸器2.副变量的选择和副回路的确定化工仪表及自动化（2）副回路内应要包围系统的主要干扰和更多的次要干扰2.副变量的选择和副回路的确定图7-6 加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统 在本系统中，由于选择了燃料油压力作为副变量，副对象的控制通道很短，时间常数很小，因此控制作用非常及时，比起图7-2所示的控制方案，能更及时有效地克服由于燃料油压力波动对原料油出口温度的影响，从而大大提高了控制质量。化工仪表及自动化（3）副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数适当匹配，以防发生“共振”。2.副变量的选择和副回路的确定在串级控制系统中，主、副对象的时间常数不能太在串级控制系统中，主、副对象的时间常数不能太接近。接近。 是为了保证副回路具有快速的抗干扰性能； 是由于串级系统中主、副回路之间是密切相关的，副变量的变化会影响到主变量，而主变量的变化通过反馈回路又会影响到副变量。 化工仪表及自动化（4）当对象具有大的纯滞后时，在选择副变量时应使副环尽量少包含或不包含纯滞后。2.副变量的选择和副回路的确定对于含有大纯滞后的对象，往往由于控制不及时而使控制质量很差，这时可采用串级控制系统，并通过合理选择副变量将纯滞后部分放到主对象中去，以提高副回路的快速干扰功能，即时克服干扰的影响，将其抑制在最小限度内，使主变量的控制质量得以提高。化工仪表及自动化3.主、副控制器控制规律的选择目的 为了高精度地稳定主变量。主控制器通常都选用比例积分控制规律，以实现主变量的无差控制。 副变量的给定值是随主控制器的输出变化而变化的。副控制器一般采用比例控制规律。 图7-7压力与压力串级控制系统1计量泵；2板式热交换器；3过滤器化工仪表及自动化4.主、副控制器正、反作用的确定 串级控制系统中的副控制器作用方向的选择，根据工艺安全等要求，选定执行器的气开、气关形式后，按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定。 例如图7-2所示的管式加热炉温度-温度串级控制系统中的副回路。 气源中断，停止供给燃料油时，执行器选气开阀， “正”方向。燃料量加大时，炉膛温度y2（副变量）增加，副对象 “正”方向。为使副回路构成一个负反馈系统，副控制器T2C选择“反” 方向。（1）副控制器作用方向的选择化工仪表及自动化 当主、副变量增加（减小）时，如果由工艺分析得出，为使主、副变量减小（增加），要求控制阀的动作方向是一致的时候，主控制器应选“反”作用；反之，则应选“正”作用。（2）主控制器作用方向的选择例如图7-2所示的管式加热炉串级控制系统。 主变量y1或副变量y2增加时，都要求关小控制阀，减少供给的燃料量，才能使y1或y2降下来，所以此时主控制器T1C应确定为反作用方向。 4.主、副控制器正、反作用的确定化工仪表及自动化（3）其他情况4.主、副控制器正、反作用的确定由于工艺过程的需要，控制阀由气开改为气关，或由气关改为气开时，只要改变副控制器的正反作用而不需改变主控制器的正反作用。 图7-8冷却器温度-流量串级控制系统化工仪表及自动化在有些生产过程中，要求控制系统既可以进行串级控制，又可以实现主控制器单独工作。即若系统由串级切换为主控时，是用主控制器的输出代替原先副控制器的输出去控制执行器，而若系统由主控切换为串级时，是用副控制器的输出代替主控制器的输出去控制执行器。4.主、副控制器正、反作用的确定化工仪表及自动化串级控制系统主、副控制器的参数整定的两种方法。1.两步整定法 按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的方法。 5.主、副控制器参数的工程整定化工仪表及自动化（1）在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用运行的条件下，将主控制器的比例度先固定在100的刻度上，逐渐减小副控制器的比例度，求取副回路在满足某种衰减比（如4 1）过渡过程下的副控制器比例度和操作周期，分别用2s和T2s表示。（2）在副控制器比例度等于2s的条件下，逐步减小主控制器的比例度，直至得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度1s和操作周期T1s。 5.主、副控制器参数的工程整定化工仪表及自动化（3）根据上面得到的1s、T1s、2s、T2s，按表6-2中的经验关系计算主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。（4）按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定规律，将计算出的控制器参数加到控制器上。（5）观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。 5.主、副控制器参数的工程整定化工仪表及自动化共振问题如果主、副对象时间常数相差不大，动态联系密切，可能会出现“共振共振”现象。 可适当减小副控制器比例度或积分时间，以达到减小副回路操作周期的目的。同理，可以加大主控制器的比例度或积分时间，以期增大主回路操作周期，使主、副回路的操作周期之比加大，避免“共振”。 如果主、副对象特性太接近，就不能完全靠控制器参数的改变来避免“共振”了。5.主、副控制器参数的工程整定化工仪表及自动化2.2.一步整定法一步整定法 副控制器的参数按经验直接确定,主控制器的参数按简单控制系统整定。经验证明 这种整定方法，对于对主变量要求较高，而对副变量没有什么要求或要求不严，允许它在一定范围内变化的串级控制系统，是很有效的。 5.主、副控制器参数的工程整定化工仪表及自动化表表 7-1采用一步整定法时副变量的选择范围采用一步整定法时副变量的选择范围5.主、副控制器参数的工程整定副变量类型副变量类型副控制器比例度副控制器比例度2/%副控制器比例放大倍数副控制器比例放大倍数/KP2温度20605.01.7压力30703.01.4液位20805.01.25流量40802.51.25化工仪表及自动化一步整定法的整定步骤： 在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照表7-1显示数据，将副控制器比例度调到某一适当的数值。利用简单控制系统中任一种参数整定方法整定主控制器的参数。如果出现“共振”现象，可加大主控制器或减小副控制器的参数整定值，一般即能消除。5.主、副控制器参数的工程整定化工仪表及自动化五、串级控制分析与设计实例1.聚合釜反应温度串级控制系统 图7-9 聚合釜反应工艺流程图（1）生产工艺概况 氯化烯在釜内进行聚合反应，生成聚氯乙烯，并由釜下端出料。 聚合反应的速度较快，为更好的完成聚合，釜内物料采用搅拌机搅拌均匀。 聚合反应生成聚氯乙烯会产生大量的热聚合反应温度是影响产品质量指标的间接参数，其控制精度要求较高。化工仪表及自动化（2）控制系统设计1.聚合釜反应温度串级控制系统被控对象为聚合釜被控变量为聚合釜内反应温度该被控变量受到的干扰因素，有参与反应的原料的流量，初始温度冷却，水的流量和冷却水的温度变化等，若反应釜内反应，温度受到干扰，偏离给定值，可以通过改变夹套中流动的冷却水的流量，将夹套内壁的热量带走，使反应温度回到给定值附近，但由于聚合釜体积大，时间常数大，故容量延时大。化工仪表及自动化（2）控制系统设计1.聚合釜反应温度串级控制系统综合工艺要求和过程特性，可见单回路控制系统不能满足工艺要求，为改善过程特性，提高系统的工作效率，组成以釜内反应温度为主变量，夹套冷却水温度为副变量，冷却水流量为操纵变量的聚合釜反应温度串级控制系统。图7-10反应釜反应温度串级控制系统的方块图化工仪表及自动化（2）控制系统设计1.聚合釜反应温度串级控制系统检测变送器的选择：由于温度不高，而控制准确度高，检测元件选择Pt100铂电阻，配DDZ-型温度变送器。执行器的选择：选择控制阀的流量特性为等百分比流量特性。为生产安全起见，一旦气源中断，应保证冷却水供应，以免反应温度过高，故选择气关阀。控制器控制规律的选择：为保证副回路控制迅速的特点，副控制器选择比例（P）控制规律；由于过程时间常数和容量滞后较大，余差要求较小（0.3），故主控制器选择比例积分微分（PID）控制规律。化工仪表及自动化（2）控制系统设计控制器正、反作用的确定：首先确定副回路控制器的正、反作用，执行器为气关阀，为“反”作用；当冷却水流量增加时，副变量T2下降，故副对象夹套为“反”作用；根据副回路要构成负反馈控制系统，所以副控制器选择“反”作用控制器。然后确定主回路控制器的正、反作用，不论是主变量T1或副变量T2增加时，都要求开大控制阀，增加供给的冷却水量，才能使T1或T2降下来，控制阀动作方向的要求是一致的，故此时主控制器T1C应确定为反作用控制器。控制器参数的整定：可利用工程整定法的任何一种方法整定主、副控制器的参数。化工仪表及自动化（2）控制系统设计图7-11聚合釜反应温度串级控制系统流程图组成以釜内反应温度为主变量、夹套冷却水温度为副变量、冷却水流量为操纵变量的聚合釜反应温度串级控制系统，化工仪表及自动化（1）生产工艺概况图7-12 造纸网前箱工艺流程图（过大）在造纸厂中，纸浆用泵从贮槽送至混合器，在混合器内用蒸汽加热至72左右，经过立筛、圆筛除去杂质后送到网前箱，再经铜网脱水，其系统流程图如图7-12所示。2.某造纸厂网前箱温度控制系统化工仪表及自动化（2）控制系统设计利用进入混合器的纸浆或蒸汽做阶跃实验测定，从混合器到网前箱纯滞后时间0达90s左右。为了克服大约90s的纯滞后对控制品质的影响，根据前面选择副变量的原则可知，将纯滞后部分放到主对象中去，以提高副回路的快速抗干扰功能，因此选择混合器出口温度T2为副变量，该控制系统的控制流程图如图7-13所示。2.某造纸厂网前箱温度控制系统化工仪表及自动化实验测定结果表明，当纸浆流量波动为35kg/min时，网前箱出口纸浆温度最大偏差为1，过渡过程时间仅为200s，完全满足工艺要求。2.某造纸厂网前箱温度控制系统图7-13 网前箱温度控制系统流程图化工仪表及自动化第二节 前馈控制系统反馈与前馈控制图7-14换热器的反馈控制系统图7-15前馈控制系统化工仪表及自动化一、前馈控制的工作原理(a)反馈控制系统 （b）与前馈控制系统图7-16反馈控制与前馈控制方块图化工仪表及自动化一、前馈控制的工作原理 不论什么干扰,只要引起被控变量变化,都可以进行控制,这是反馈控制的优点。 前馈控制是一种按扰动变化大小进行控制的系统,控制作用在扰动发生的同时就产生, 这就是前馈控制的主要特点。 往往用“前馈”来克服主要干扰,再用“反馈”来克服其他干扰,组成“复合”的前馈-反馈控制系统。化工仪表及自动化 用前馈控制来克服由于进料量波动对被控变量的影响,而用温度控制器的控制作用来克服其他干扰对被控变量的影响,前馈与反馈控制作用相加,共同改变加热蒸汽量,以使出料温度维持在给定值上。第二节 前馈控制系统图7-17前馈控制系统的补偿过程化工仪表及自动化二、前馈控制的特点1.前馈控制是基于不变性原理工作的，比反馈控制及时、有效 前馈控制是根据干扰的变化产生控制作用的。 反馈控制与前馈控制的检测信号与控制信号有不同的特点： 图7-18换热器出口温度y的前馈-反馈控制化工仪表及自动化二、前馈控制的特点 反馈控制的依据是被控变量与给定值的偏差，检测的信号是被控变量，控制作用发生时间是在偏差出现以后。 前馈控制的依据是干扰的变化，检测的信号是干扰量的大小，控制作用的发生时间是在干扰作用的瞬间而不需等到偏差出现之后。化工仪表及自动化三、前馈控制的结构 要考虑对象的动态特性，从而确定前馈控制器的规律，才能获得动态前馈补偿。 可在静态前馈控制的基础上，加上延迟环节或微分环节，以达到干扰作用的近似补偿。 按此原理设计的一种前馈控制器，有三个可以调整的参数K、T1、T2。 K为放大倍数，是为了静态补偿用的。T1、T2是时间常数，都有可调范围，分别表示延迟作用和微分作用的强弱。 化工仪表及自动化三、前馈控制的结构2.2.前馈前馈- -反馈控制系统反馈控制系统 图7-18所示的换热器出口温度前馈-反馈控制系统，图中当进料量发生变化时，则有前馈控制器FC改变蒸汽量进行补偿，用来克服由于进料量波动，对被控变量的影响，而温度控制器TC起反馈作用，用来克服其他各种干扰，（如进料组分、温度、蒸汽压力等）对被控变量的影响及前馈通道补偿不准确带来的偏差，前馈控制和反馈控制作用各取其长，相辅相成。化工仪表及自动化三、前馈控制的结构 图7-19是前馈反馈控制系统的方块图，从图可以看出，前馈反馈控制系统虽然也有两个控制器，但在结构上与串级控制系统是完全不同的，串级控制系统是由内外两个反馈回路组成，而且前馈反馈控制系统是由一个反馈回路和一个开环的补偿回路组合而成。图7-19前馈-反馈控制系统方块图化工仪表及自动化三、前馈控制的结构3.3.前馈前馈- -串级控制系统串级控制系统 为了进一步提高系统前馈控制的精度，可在图7-19所示的前馈反馈控制系统中，增加一个蒸汽流量的回路，用前馈控制器的输出去改变流量回路的给定值，从而构成钱串级控制系统，其方案图如图7-20所示。图7-20 前馈-反馈控制系统方块图化工仪表及自动化四、前馈控制的适用场合（1）干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，仅采用反馈控制达不到要求的对象。 （2）主要干扰是可测而不可控的变量。（3）当对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差，可采用前馈或前馈-反馈控制系统，以提高控制质量。化工仪表及自动化五、前馈控制的应用实例图7-21所示的控制系统图是将初始浓度为50%的葡萄糖溶液用泵送入生降膜式蒸发器，经蒸汽加热蒸发至浓度为73%的葡萄糖溶液，然后送至后工序结晶由蒸发工艺可知在给定压力作用下溶液的浓度同溶液沸点与水的沸点之差有较好的单值对应关系，故以温差来反应葡萄糖溶液的浓度，选择温差为被控变量。影响葡萄糖浓度的因素很多，主要有进料溶液的浓度、温度、流量、加热蒸汽的压力和流量及溶液真空度、不凝性气体含量等。在上述各种因素中，对浓度影响最大的是进料溶液的流量和加热蒸汽的流量，为克服这两个干扰，可以设计以加热蒸汽流量为前馈信号，温差为被控变量进料溶液为操纵变量的前馈反馈控制系统。化工仪表及自动化五、前馈控制的应用实例图7-21 葡萄糖溶液蒸发过程浓度化工仪表及自动化第三节 均匀控制系统1塔:为了稳定操作需保持塔釜液位稳定，必然频繁地改变塔底的排出量。 2塔：从稳定操作要求出发，希望进料量尽量不变或少变。1、2两塔间的供求关系出现了矛盾。 为了解决前后工序供求矛盾，达到前后兼顾协调操作，使液位和流量均匀变化，组成的系统称为均匀控制系统。一、均匀控制的工作原理图7-22前后精馏塔的供求关系 1出料阀；2小阀化工仪表及自动化二、均匀控制的特点（1）两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化的。（2）前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内波动。 图7-23塔1的液位和塔2的进料量之关系化工仪表及自动化目的 为了协调液位与排出流量之间的关系，允许它们都在各自许可的范围内作缓慢的变化。 满足均匀控制要求的方法通过控制器的参数整定来实现。 （1）简单均匀控制三、均匀控制的结构图7-24简单均匀控制系统化工仪表及自动化（2）串级均匀控制 可在简单均匀控制方案基础上增加一个流量副回路，即构成串级均匀控制。 参数整定的方法 由小到大地进行调整。 串级均匀控制系统的主、副控制器一般都采用纯比例作用的。只在要求较高时，为了防止偏差过大而超过允许范围，才引入适当的积分作用。 三、均匀控制的结构图7-25串级均匀控制系统化工仪表及自动化第四节 比值控制系统 工业上为了保持两种或两种以上物料的比值为一定的控制叫比值控制比值控制。 p在需要保持比值关系的两种物料中，必有一种物料处于主导地位，这种物料称之为主物料或主动量，其流量称之为主流量，用 Q1 表示；p另一种物料按主物料进行配比，在控制 过程中随主物料量而变化，因此称之为从物料或从动量，其流量称之为副流量，用 Q2 表示。 化工仪表及自动化一、比值控制的工作原理比值控制系统就是要实现主流量 Q1 与副流量 Q2 成一定比值关系，满足如下关系式：12QQK式（7-2）中，K为副流量与主流量的流量比值。 在比值控制系统中，副流量是随主流量按一定比例变化的，因此，比值控制系统实际上是一种随动控制系统。化工仪表及自动化1.开环比值控制二、比值控制的结构图7-26 开环比值控制图7-27 开环比值控制系统方块图化工仪表及自动化2.单闭环比值控制 单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统是为了克服开环比值控制方案的不足，在开环比值控制系统的基础上，通过增加一个副流量的闭环控制系统而组成的。 图7-28单闭环比值控制图7-29单闭环比值控制系统方块图二、比值控制的结构化工仪表及自动化图7-30丁烯洗涤塔进料与洗涤水单闭环比值控制系统二、比值控制的结构化工仪表及自动化l 它能实现副流量随主流量的变化而变化，还可以克服副流量本身干扰对比值的影响。 l 结构简单，实施方便，尤其适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合。l 虽然能保持两物料量比值一定，但由于主流量是不受控制的，当主流量变化时，总的物料量就会跟着变化。 特点：特点：二、比值控制的结构化工仪表及自动化3.双闭环比值控制系统 在单闭环比值控制的基础上增加了主流量控制回路，使得主流量也构成了闭合回路图7-32双闭环比值控制系统方块图图7-31 双闭环比值控制二、比值控制的结构化工仪表及自动化l 实现了比较精确的流量比值，也确保了两物料总量基本不变。l 提降负荷比较方便，只要缓慢地改变主流量控制器的给定值，就可以提降主流量，同时副流量也就自动跟踪提降，并保持两者比值不变。 l 结构较复杂，使用的仪表较多，投资较大，系统调整较麻烦。 l 主要适用于主流量干扰频繁、工艺上不允许负荷有较大波动或工艺上经常需要提降负荷的场合。 二、比值控制的结构化工仪表及自动化4.变比值控制系统 要求两种物料的比值能灵活地随第三参数的需要而加以调整，这样就出现一种变比值控制系统。图7-34 变换炉的半水煤气与水蒸气变比值控制系统图7-33 二氧化碳与氧气流量的双闭环比值控制系统二、比值控制的结构化工仪表及自动化图7-35变换炉变比值控制系统方块图图7-36氧化炉温度对氨气/空气串级变比值控制系统二、比值控制的结构化工仪表及自动化三、比值控制系统的设计比值控制系统的设计包括主、从物料流量的确定、控制方案的选择、控制规律的确定和比值系数的计算等内容。1.主、从物料的确定设计原则：（1）在生产过程中起主导作用的物料流量，一般选为主流量，其余的物料流量以它为准，跟随其变化而变化，选为副流量。（2）在生产过程中不可控的物料流量，一般选为主流量，而可控的物料流量作为副流量。（3）在可能的情况下，选择流量较小的物料作为副流量，这样，控制阀可以选得小一些，控制比较灵活。（4）在生产过程中价格较贵的物料流量可选为主流量，或者工艺上不允许控制的物料流量作为主流量，这样不仅节约成本且可以提高产量。化工仪表及自动化（1）单闭环比值控制能使两种物料间的比值一定，方案实施方便，但主流量变化会导致副流量的变化。（2）在生产过程中，主，副流量的干扰频繁，负荷变化较大，同时要保证主、从物料的总量恒定，则可选用双闭环比值控制方案。（3）当生产要求两种物料流量的比值能灵活地随第三变量的需要进行调节时，则可选用变比值控制方案。三、比值控制系统的设计2.控制方案的选择化工仪表及自动化3.控制器控制规律的选择比值控制器控制规律是由不同控制方案和控制要求来确定的。（1）在单闭环比值控制系统中，主流量控制器F1C仅接收主流量的测量信号，仅起比值控制作用，故选择P控制规律或用一个比值器；副流量控制器F2C起比值控制和使副流量相对稳定的作用，故应选PI控制规律。（2）在双闭环比值控制系统中，控制器不仅要起到比值控制作用，而且要起稳定各自的物料流量的作用，所以两个控制器均应选择PI控制规律。（3）变比值控制系统，又称为串级比值控制系统，它具有串级控制系统的一些特点，仿效串级控制系统控制器控制规律的选择原则，主控制器选择PI或PID控制规律，副控制器选用P控制规律。三、比值控制系统的设计化工仪表及自动化第五节 分程控制系统 分程控制系统是一个控制器的输出信号分段分别控制两个或两个以上控制阀动作的系统。图7-37分程控制示意框图一、分路控制的工作原理一、分路控制的工作原理 为实现图中分程控制的目的，一般需要在每个控制阀上附设阀门定位器，阀门定位器相当于一台可变放大系数且可调零点的放大器，借助于它来完成对信号的转换功能。化工仪表及自动化一、分路控制的工作原理图7-38分程控制系统示意图图7-38所示为分程控制系统示意图，图中采用了一台控制器去控制两台分程控制阀A和控制阀B。在控制过程中，当控制器（包括电气转换器）输出信号小于60kPa时，就只有控制阀A随着信号压力的变化改变自己的开度，而控制阀B则处于某一极限位置（全开或全关）不动；当控制器输出信号大于60kPa时，则控制阀A因已移至极限位置开度不再变化，控制阀B的开度随着信号大小的变化而变化，从而实现分程控制过程。化工仪表及自动化二、分程控制的结构 分程控制系统中，根据控制阀的气开气关形式的不同，可分为同向和异向两种类型。1、控制阀同向操作、控制阀同向操作 所谓控制阀同向是指两个控制阀的动作方向相同，即随着控制器输出信号（即阀压）的增大或减小，两控制阀都逐渐开大或逐渐关小，其动作过程如图7-39所示。这种情况可以扩大控制阀的可调范围，改善控制系统的品质，使系统更为合理可靠。图7-39控制阀同向动作的分程控制系统（a）气开阀 （b）气关阀化工仪表及自动化二、分程控制的结构2、控制阀异向、控制阀异向动作动作 所谓控制阀异向是指两个控制阀的动作方向相反，即随着控制器输出信号的增大或减小，一个控制阀逐渐开大，另一个控制阀则逐渐关小，其动作过程如图7-40所示。图7-40（a）表示A阀为气关阀、B阀为气开阀的情况。图7-40（b）是A阀为气开阀，B阀为气关阀的情况。（a）气开阀（b）气关阀图7-40 控制阀异向动作的分程控制系统化工仪表及自动化三、分程控制的特点u 该方案，采用了A、B两个控制阀，假定根据工艺要求选择两阀均为气开阀。其中A阀在控制器的输出压力为20-60kPa时，从全关到全开，B阀在控制器的输出压力为60-100kPa时，由全关到全开。u 在正常情况下，即小负荷时，B阀处于关闭状态，只通过A阀开度的变化来进行控制。u 当大负荷时，A阀已全开仍然满足不了蒸汽量的需要，中压蒸汽管线的压力仍未达到给定值，这时压力控制器PC输出超过了60kPa，就使B阀也逐渐打开，以弥补蒸汽供应量的不足。 图7-41蒸汽减压系统分程控制 分程控制既满足了工艺要求，又不会使得阀门开度太小，且扩大了控制阀的可调范围，改善了阀的工作条件，提高了控制质量。化工仪表及自动化三、分程控制的特点2.可以控制两种不同的介质，以满足工艺生产的可以控制两种不同的介质，以满足工艺生产的特殊要求特殊要求图7-42间歇式反应器温度分程控制系统 图7-42所示是间歇反应器温度分程控制系统。利用A、B两个控制阀，分别控制冷水与蒸汽这两种不同介质，以满足生产工艺上需要冷却和加热的不同需求。化工仪表及自动化三、分程控制的特点图7-43两阀A、B的反应器分程控制系统输入输出特性图 分程控制图中，冷水控制阀A为气关式，蒸汽控制阀B为气开式，温度控制器TC选择为反作用方向。反应器分程控制的两阀A、B输入输出关系如图7-43所示。 本方案中选择蒸汽控制阀为气开式，冷水控制阀为气关式，都是从生产安全角度考虑的。因为一旦出现供气中断时，阀A将处于全开，阀B将处于全关，这样就不会因为反应器温度过高而导致生产事故。化工仪表及自动化三、分程控制的特点3.用作生产安全的保护措施用作生产安全的保护措施图7-44贮罐氮封分程控制系统图7-45氮封分程控制两阀特性图 图7-44所示的分程控制系统，控制器为反作用方向，进氮气阀A为气开式，排氮气阀B为气关式。 图7-45为氮封控制两阀分程动作特性图，由图看出，在两控制阀信号交接处存在一个中间区，即控制阀输出信号为5862kPa，主要目的是为了防止储罐中压力在给定值附近变化时A、B两阀频繁动作，从而影响阀门的使用寿命。化工仪表及自动化四、分程控制系统的设计 分程控制系统本质上属于单回路控制系统，因此单回路控制系统的设计原则完全适用于分程控制系统的设计。但是，它与单回路控制系统相比，主要区别是控制器的输出信号需要分程且控制阀较多。1.1.分程信号的确定分程信号的确定 在分程控制中，控制器输出信号的分段是由生产工艺要求决定的。2.2.控制阀特性的选择控制阀特性的选择（1）根据工艺需求选择分程阀同向或异向动作。（2）控制阀的泄漏量不可忽视。化工仪表及自动化四、分程控制系统的设计（a）线性阀 （b）对数阀图7-46分程控制阀门特性（3）控制阀流量特性要正确选择。）控制阀流量特性要正确选择。 在两个控制阀的分程点上，控制阀的放大倍数可能出现突变，则会影响阀门的特性曲线，主要表现在曲线会产生斜率突变的折点，这在大小控制阀并联时尤其重要，如图7-46所示的阀门特性。化工仪表及自动化四、分程控制系统的设计3.控制器控制规律选择和参数整定控制器控制规律选择和参数整定 分程控制系统本质上属于简单控制系统，因此控制器控制规律的选择及参数整定可参照简单控制系统进行。但是在分程控制系统运行中，两个控制通道特性不会完全相同，就是说广义对象特性是两个，控制器参数不能同时满足两个不同对象特性的要求。这时只好照顾正常情况下的被控对象特性，去完成控制器参数的整定，而对另一个阀的操作要求，只要能在工艺允许的范围内即可。也就是说采用互相兼顾的办法，选取一组较为合适的参数整定值就好。化工仪表及自动化第六节 选择性控制系统 生产的软保护措施，就是通过设计一个特定的自动选择性控制系统，当生产短期内处于不正常情况时，既不使设备停车又能起到对生产进行自动保护的目的。这种自动选择性控制系统是把工业生产过程中的限制条件所构成的逻辑关系叠加到正常的自动控制系统中去的一种组合控制方法。选择性控制的实现需要具有选择功能的高、低值选择器选出能适应生产安全状况的控制信号，来实现对生产过程的自动控制。一、选择性控制系统工作原理化工仪表及自动化二、选