课件：化工仪表自动化第8章 复杂过程控制系统.ppt

化学工业出版社化学工业出版社 化工仪表及自动化化工仪表及自动化第八章第八章 复杂控制系统复杂控制系统 化学工业出版社化学工业出版社 n 内容提要内容提要n 串级控制系统串级控制系统n概述概述n串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程n串级控制系统的特点串级控制系统的特点n串级控制系统中副回路的确定串级控制系统中副回路的确定n主、副控制器控制规律及正、反作用的选择主、副控制器控制规律及正、反作用的选择n控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定n 均匀控制系统均匀控制系统n均匀控制的目的均匀控制的目的n均匀控制方案均匀控制方案1化学工业出版社化学工业出版社 n 内容提要内容提要n 比值控制系统比值控制系统n概述概述n比值控制系统的类型比值控制系统的类型n比值控制系统的几个问题比值控制系统的几个问题n 前馈控制系统前馈控制系统n前馈控制系统及其特点前馈控制系统及其特点n前馈控制系统的主要形式前馈控制系统的主要形式n前馈控制系统的应用场合前馈控制系统的应用场合n 选择性控制系统选择性控制系统n基本概念基本概念n选择性控制系统的类型选择性控制系统的类型n积分饱和及其防止积分饱和及其防止2化学工业出版社化学工业出版社 n 内容提要内容提要n 分程控制系统分程控制系统n概述概述n分程控制的应用场合分程控制的应用场合n分程控制的几个问题分程控制的几个问题n 多冲量控制系统多冲量控制系统n概述概述n单冲量液位控制系统单冲量液位控制系统n双冲量液位控制系统双冲量液位控制系统n三冲量液位控制系统三冲量液位控制系统3化学工业出版社化学工业出版社 n 概述概述4复杂控制系统复杂控制系统串级串级控制控制系统系统 均匀均匀控制控制系统系统比值比值控制控制系统系统分程分程控制控制系统系统 前馈前馈控制控制系统系统 取代取代控制控制系统系统 三冲量三冲量控制系控制系统统 化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统n 一、概述一、概述5 由两个调节器，一个调节阀，两个变送器和两个对象组成的由两个调节器，一个调节阀，两个变送器和两个对象组成的控制系统。控制系统。举例举例说明串级控制系统的结构及其工作原理说明串级控制系统的结构及其工作原理管式加热炉出口温度控制系统管式加热炉出口温度控制系统 可延长炉子寿命，防止炉管烧坏；可延长炉子寿命，防止炉管烧坏； 可保证后面精馏分离的质量。可保证后面精馏分离的质量。 化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度 6 当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，可考当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，可考虑采用串级控制系统。虑采用串级控制系统。化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统7 当燃料压力或燃料本身的热值变化后，先影响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，时间常数油的出口温度，这个通道容量滞后很大，时间常数约约15min左右，反应缓慢，而温度控制器左右，反应缓慢，而温度控制器TC是根据是根据原料油的出口温度与给定值的偏差工作的。所以当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，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。还需对加热炉的工艺作进一步分析。化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统8 管式加热炉出口温度串级控制系统管式加热炉出口温度串级控制系统管式加热炉出口温度串级控制系统的方块图管式加热炉出口温度串级控制系统的方块图化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 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1和2。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工艺控制指标，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。作用的被控变量。9化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统10为主变量表征其特性的生产设备。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。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。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。种需要而引入的辅助变量。化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统由主变量的测量变送装置，主、副控制器，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。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。副对象所构成的内回路。其给定值来自主控制器的输出，并按副变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量的测量值与给定值的偏差而工作的那个控制器。控制器。11化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统12串级控制系统典型方块图化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统n 二、串级控制系统的工作过程二、串级控制系统的工作过程13 以管式加热炉为例，来说明串级控制系统是如何有以管式加热炉为例，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。假定执行器采用气开形效地克服滞后提高控制质量的。假定执行器采用气开形式，断气时关闭控制阀，以防止炉管烧坏而酿成事故，式，断气时关闭控制阀，以防止炉管烧坏而酿成事故，温度控制器温度控制器T1C和和T2C都采用反作用方向。都采用反作用方向。 化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统F2引起引起2变化，控制器变化，控制器T2C及时进行控制，使其很快及时进行控制，使其很快稳定下来稳定下来如果干扰量小，经过副回路控制后，如果干扰量小，经过副回路控制后，F2一般影响不到一般影响不到温度温度1；如果干扰量大，其大部分影响为副回路所克服，如果干扰量大，其大部分影响为副回路所克服，波及到被控变量温度波及到被控变量温度1再由主回路进一步控制，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。彻底消除干扰的影响，使被控变量回复到给定值。14化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 由于副回路控制通道短，时间常数小，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。的影响，从而大大提高了控制质量。 15化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统16F1变变化化 1 T1C输出输出T2C设定值设定值 T2C输出输出 恢复给定值恢复给定值 所以，在串级控制系统中，如果干扰作用于主对象，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。到稳定主变量的目的。 化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统在干扰作用下，主、副变量的变化方向相同。在干扰作用下，主、副变量的变化方向相同。回复设定值副控制器的输出差值给定值与输出炉膛温度主控制器的输出原料油出口温度炉膛温度121212CT17化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统18主、副变量的变化方向相反，一个增加，另一个减小。主、副变量的变化方向相反，一个增加，另一个减小。副控制器输出不变，偏差为零时副控制器的测定值主控制器的输出原料油出口温度炉膛温度212,化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副在串级控制系统中，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，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而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服过程。过程。因此，在串级控制系统中，由于因此，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。了控制作用，大大提高了控制质量。 19化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统n 三、串级控制系统的特点三、串级控制系统的特点20（1 1）在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：）在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路；有两个控制器；主控制器和副控制主回路和副回路；有两个控制器；主控制器和副控制器；有两个测量变送器，分别测量主变量和副变量。器；有两个测量变送器，分别测量主变量和副变量。在串级控制系统中，在串级控制系统中，主回路是个定值控制系统，而副主回路是个定值控制系统，而副回路是个随动控制系统回路是个随动控制系统。 （2 2）在串级控制系统中，有两个变量：主变）在串级控制系统中，有两个变量：主变量和副变量。主变量是反映产品质量或生产量和副变量。主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺变量。过程运行情况的主要工艺变量。化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统当对象的滞后和时间常数很大，干扰作当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而频繁，负荷变化大，简单控制系统满足不了用强而频繁，负荷变化大，简单控制系统满足不了控制质量的要求时，采用串级控制系统是适宜的。控制质量的要求时，采用串级控制系统是适宜的。（4 4）串级控制系统由于增加了副回路，因此具有一）串级控制系统由于增加了副回路，因此具有一定的自适应能力，可用于负荷和操作条件有较大变化定的自适应能力，可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。的场合。 （3 3）在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引）在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前入，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制作用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量。控制作用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量。 21化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统n 四、串级控制系统中副回路的确定四、串级控制系统中副回路的确定22根据生产工艺的具体情况，选择根据生产工艺的具体情况，选择一个合适的副变量，从而构成一一个合适的副变量，从而构成一个以副变量为被控变量的副回路。个以副变量为被控变量的副回路。 化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 选择与主变量有一定关系的某一中间变量选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量；作为副变量； 选择的副变量就是操纵变量本身，这样能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，减少对主变量的影响。及时克服它的波动，减少对主变量的影响。 23化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统24精馏塔塔釜温度串级控制系统精馏塔塔釜温度串级控制系统1精馏塔；2再沸器 通过这套串级控制系统，能够在塔釜温度稳定不变时，蒸汽流量能保持恒定值，而当温度在外来干扰作用下偏离给定值时，又要求蒸汽流量能作相应的变化，以使能量的需要与供给之间得到平衡，从而保持釜温在要求的数值上。化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 在上例中，选择的副变量就是操纵在上例中，选择的副变量就是操纵变量（加热蒸汽量）本身。这样，当干变量（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，副回扰来自蒸汽压力或流量的波动时，副回路能及时加以克服，以大大减少这种干路能及时加以克服，以大大减少这种干扰对主变量的影响，使塔釜温度的控制扰对主变量的影响，使塔釜温度的控制质量得以提高。质量得以提高。25化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统26加热炉出口温度与燃料油压力串级控加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统制系统 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，比起如图所示的控制方案，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。化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 如果管式加热炉的主要干扰来自燃料如果管式加热炉的主要干扰来自燃料油组分（或热值）波动时，就不宜采用上图油组分（或热值）波动时，就不宜采用上图所示的控制方案，因为这时主要干扰并没有所示的控制方案，因为这时主要干扰并没有被包围在副环内，所以不能充分发挥副环抗被包围在副环内，所以不能充分发挥副环抗干扰能力强的这一优点。干扰能力强的这一优点。 27化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统28 如果在生产过程中，除了主要干扰外，还有较多的次要干扰，或者系统的干扰较多且难于分出主要干扰与次要干扰，在这种情况下，选择副变量应考虑使副环尽量多包围一些干扰，这样可以充分发挥副环的快速抗干扰能力，以提高串级控制系统的控制质量。 在考虑到使副环包围更多干扰时，也应同时考虑到副环的灵敏度。 化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 随着副回路包围干扰的增多，副环将随之扩大，副变量离主变量也就越近。这样一来，副对象的控制通道就变长，滞后也就增大，从而会削弱副回路的快速、有力控制的特性。 在选择副变量时，既要考虑到使副环包在选择副变量时，既要考虑到使副环包围较多的干扰，又要考虑到使副变量不要离围较多的干扰，又要考虑到使副变量不要离主变量太近。主变量太近。 29化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统30 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。 在串级控制系统中，主、副对象的时间常数在串级控制系统中，主、副对象的时间常数不能太接近。不能太接近。化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 在选择副变量时，应注意使主、副对象的时间常数之比为310，以减少主、副回路的动态联系，避免“共振”。当然，也不能盲目追求减小副对象的时间常数，否则可能使副回路包围的干扰太少，使系统抗干扰能力反而减弱了。31化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 对于含有大纯滞后的对象，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抗干扰功能，及时克服干扰的影响，将其抑制在最小限度内，从而可以使主变量的控制质量得到提高。 32化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统33某化纤厂胶液压力的控制问题某化纤厂胶液压力的控制问题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 在计量泵和冷却器之间，靠近计量泵的适当位置，选择压力测量点，并作为副变量组成一个压力与压力的串级控制系统，以提高控制质量。 图中主控制器P1C的输出作为副控制器P2C的给定值，由副控制器的输出来改变计量泵的转速，从而控制纺丝胶液的压力。 。化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统n 五、主、副控制器控制规律及正、反作用的选择五、主、副控制器控制规律及正、反作用的选择34控制规律是根据控制的要求来进行选择的。控制规律是根据控制的要求来进行选择的。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。 化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统35（1）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。 例如图所示的管式加热炉温度例如图所示的管式加热炉温度- -温温度串级控制系统中的副回路。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2（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。管式加热炉出口温度串级控制系统管式加热炉出口温度串级控制系统化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统如图所示的精馏塔塔釜温度与蒸如图所示的精馏塔塔釜温度与蒸汽流量的串级控制系统。汽流量的串级控制系统。 基于工艺上的考虑，选择执行器为气关阀。 为使副回路是一个负反馈控制系统，副控制器FC的作用方向应选择为“正”作用。 （2）串级控制系统中主控制器作用方向的选择： 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。36精馏塔塔釜温度串级控制系统精馏塔塔釜温度串级控制系统化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统37例如图管式加热炉串级控制系统。例如图管式加热炉串级控制系统。 主变量1或副变量2增加时，都要求关小控制阀，减少供给的燃料量，才能使1或2降下来，所以此时主控制器T1C应确定为反作用方向。 如图所示的精馏塔塔釜温度与蒸汽流量的串级控制系统。如图所示的精馏塔塔釜温度与蒸汽流量的串级控制系统。 蒸汽流量（副变量）或塔釜温度（主变量）增加时，都需要关小控制阀，它们对控制阀的动作方向要求是一致的，所以主控制器TC也应为反作用方向。化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统38冷却器温度串级控制系统 冷却器温度串级控制系统是以被冷却物料出口温度为主变量，冷剂流量为副变量的串级控制系统。 分析冷却器的特性可以知道，当主变量即被冷却物料出口温度增加时，需要开大控制阀，而当副变量即冷剂流量增加时，需要关小控制阀，它们对控制阀动作方向的要求是不一致的，因此主控制器TC的作用方向应选用正作用。 化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统39（3）当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。 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。化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 当主变量变化时，串级时副控制器的输出与主控时主控制器的输出信号方向完全一致。 无论哪一种切换，都必须保证当主变量变化时，去控制阀的信号完全一致。40化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统n 六、控制器参数的工程整定六、控制器参数的工程整定41串级控制系统主、副控制器的参数整定的两种方法。串级控制系统主、副控制器的参数整定的两种方法。1.1.两步整定法两步整定法 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。 化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统（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41）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。 42化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统43（3）根据上面得到的1s、T1s、2s、T2s，按表7-2（或表7-3）的规定关系计算主、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。 化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 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。44化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统2.2.一步整定法一步整定法 根据经验将副控制器一次放好，不再变动，然后按一根据经验将副控制器一次放好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。 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。 45化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统46副变量类副变量类型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温度温度压力压力流量流量液位液位20 6030 7040 8020 805.0 1.73.0 1.42.5 1.255.0 1.25表 7-1采用一步整定法时副控制器参数选择范围化学工业出版社化学工业出版社 n 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统47 （1）在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照表7-1所列的数据，将副控制器比例度调到某一适当的数值。（2）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。（3）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。化学工业出版社化学工业出版社 n 第二节第二节 均匀控制系统均匀控制系统n 一、均匀控制的目的一、均匀控制的目的48前后精馏塔的供求关系前后精馏塔的供求关系甲塔: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。 乙塔：从稳定操作要求出发，希望进料量尽量不变或少变。甲、乙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，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。使液位和流量均匀变化，组成的系统称为均匀控制系统。化学工业出版社化学工业出版社 n 第二节第二节 均匀控制系统均匀控制系统49（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。 前一设备的液位和后一设备的进料量之关系前一设备的液位和后一设备的进料量之关系1液位变化曲线；2流量变化曲线化学工业出版社化学工业出版社 n 第二节第二节 均匀控制系统均匀控制系统n 二、均匀控制方案二、均匀控制方案50简单均匀控制简单均匀控制 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。 通过控制器的参数整定来实现。 化学工业出版社化学工业出版社 n 第二节第二节 均匀控制系统均匀控制系统51串级均匀控制串级均匀控制 可在简单均匀控制方案基础可在简单均匀控制方案基础上增加一个流量副回路，即构成上增加一个流量副回路，即构成串级均匀控制。串级均匀控制。 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。 化学工业出版社化学工业出版社 n 第二节第二节 均匀控制系统均匀控制系统 由于增加了副回路，可以及时克服由于塔内或排出端压力改变所引起的流量变化。 串级均匀控制系统协调两个变量间的关系是通过控制器参数整定来实现的。 在串级均匀控制系统中，参数整定的目的不是使变量尽快地回到给定值，而是要求变量在允许的范围内作缓慢的变化。52化学工业出版社化学工业出版社 n 第三节第三节 比值控制系统比值控制系统n 一、概况一、概况53 实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。通常为流量比值控制系统。 主物料、主动量（主物料、主动量（Q1 、主流量）、主流量）从物料、从动量（从物料、从动量（Q2 、副流量）、副流量）副流量Q2与主流量Q1的比值关系为12QQK 化学工业出版社化学工业出版社 n 第三节第三节 比值控制系统比值控制系统n 二、比值控制系统的类型二、比值控制系统的类型54开环比值控制开环比值控制方块图化学工业出版社化学工业出版社 n 第三节第三节 比值控制系统比值控制系统 结构简单，只需一台纯比例控制器，其比例度可以根据比值要求来设定。 主、副流量均开环； 这种比值控制方案对副流量Q2本身无抗干扰能力。所以这种系统只能适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。 55化学工业出版社化学工业出版社 n 第三节第三节 比值控制系统比值控制系统56 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。 单闭环比值控制单闭环比值控制单闭环比值控制系统方块图单闭环比值控制系统方块图化学工业出版社化学工业出版社 n 第三节第三节 比值控制系统比值控制系统 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。 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。 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。 57化学工业出版社化学工业出版社 n 第三节第三节 比值控制系统比值控制系统58 它是在单闭环比值控制的基础上，增加了主流量控制回路而构成的。 双闭环比值控制双闭环比值控制双闭环比值控制系统方块图双闭环比值控制系统方块图化学工业出版社化学工业出版社 n 第三节第三节 比值控制系统比值控制系统 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。 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。 结构较复杂，使用的仪表较多，投资较大，系统调整较麻烦。 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。 59化学工业出版社化学工业出版社 n 第三节第三节 比值控制系统比值控制系统60变比值控制系统变比值控制系统 要求两种物料的比值能灵活地随第三变量的需要而加以调整，这样就出现一种变比值控制系统。变比值控制系统方块图变比值控制系统方块图化学工业出版社化学工业出版社 n 第三节第三节 比值控制系统比值控制系统三、比值控制系统的几个问题三、比值控制系统的几个问题1.主、从动量的确定2.控制方案的选择3.比值系数的计算4.控制方案的实施61化学工业出版社化学工业出版社 n 第三节第三节 比值控制系统比值控制系统1. 1. 主、从动量的确定主、从动量的确定设计比值控制系统时，首先需要确定主、从动量。其确定设计比值控制系统时，首先需要确定主、从动量。其确定原则：原则： 生产过程中主要物料的流量为主动量，次要物料的流量生产过程中主要物料的流量为主动量，次要物料的流量为从动量。为从动量。 两物料中有一个物料的量为可测但不可控时，则应选不两物料中有一个物料的量为可测但不可控时，则应选不可控的物料流量为主动量，另一个可控的物料为从动量。可控的物料流量为主动量，另一个可控的物料为从动量。以上只是选择主动量的一般原则，如工艺有特殊要求还要以上只是选择主动量的一般原则，如工艺有特殊要求还要根据工艺情况做具体分析。根据工艺情况做具体分析。 62化学工业出版社化学工业出版社 n 第三节第三节 比值控制系统比值控制系统2. 2. 控制方案的选择控制方案的选择 控制方案的选择主要根据各种控制方案的特点及工控制方案的选择主要根据各种控制方案的特点及工艺的具体情况来确定。艺的具体情况来确定。 63化学工业出版社化学工业出版社 n 第三节第三节 比值控制系统比值控制系统3. 3. 比值系数的计算比值系数的计算 设计比值控制系统时，比值系数的计算是一个十分重要设计比值控制系统时，比值系数的计算是一个十分重要的问题，工艺给出的是两种物料得体积（质量）流量比值，的问题，工艺给出的是两种物料得体积（质量）流量比值，即即 。而实施比值控制时会采用适当的传感器和仪表，目。而实施比值控制时会采用适当的传感器和仪表，目前仪表采用的标准信号为前仪表采用的标准信号为4-20mA4-20mA或或20-100kPa20-100kPa，在仪表上所放，在仪表上所放置的是两个信号的比值系数置的是两个信号的比值系数 ( (或或 ) )，显然仪表信号，显然仪表信号K K与工与工艺比值艺比值 之间具有一定对应关系，因此必须将流量的比值系数之间具有一定对应关系，因此必须将流量的比值系数 折算成仪表上的比值系数才能进行比值设定。折算成仪表上的比值系数才能进行比值设定。12QQK 12/IIK 12PP64化学工业出版社化学工业出版社 n 第三节第三节 比值控制系统比值控制系统具体计算方法如下：具体计算方法如下： 流量与其测量信号之间呈线性关系流量与其测量信号之间呈线性关系 如用转子流量计、涡轮流量计等方法测量或用差压法测量如用转子流量计、涡轮流量计等方法测量或用差压法测量但经开方器后输出信号也和流量值之间成线性关系，则可用但经开方器后输出信号也和流量值之间成线性关系，则可用8-28-2式进行计算。式进行计算。max2max1QQKK 式中式中 测量测量F F1 1所用变速器的最大量程所用变速器的最大量程 测量测量F F2 2所用变速器的最大量程所用变速器的最大量程max1Qmax2Q65化学工业出版社化学工业出版社 n 第三节第三节 比值控制系统比值控制系统 流量和测量信号之间呈非线形关系流量和测量信号之间呈非线形关系 如用差压法测流量而未用开方器时，因流量与压差如用差压法测流量而未用开方器时，因流量与压差之间呈非线性（开方）关系可用之间呈非线性（开方）关系可用8-38-3式计算。式计算。max22max12QQKK 将计算出的比值系数设置在比值计算器上，比将计算出的比值系数设置在比值计算器上，比值控制系统就能按工艺要求正常进行。值控制系统就能按工艺要求正常进行。66化学工业出版社化学工业出版社 n 第三节第三节 比值控制系统比值控制系统4. 4. 控制方案的实施控制方案的实施 比值控制方案的实施主要有相乘方案和相除方案。相乘比值控制方案的实施主要有相乘方案和相除方案。相乘方案中比值系数的实施可采用比值器、乘法器、配比器等来方案中比值系数的实施可采用比值器、乘法器、配比器等来实现。相除方案的比值系数采用除法器实现，但应注意除法实现。相除方案的比值系数采用除法器实现，但应注意除法器的非线性对系统动态性能的影响。器的非线性对系统动态性能的影响。67化学工业出版社化学工业出版社 n 第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统n 一、前馈控制系统及其特点一、前馈控制系统及其特点68换热器的反馈控制换热器的前馈控制反馈控制与前馈控制方块图化学工业出版社化学工业出版社 n 第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统69前馈控制系统的补偿过程前馈控制系统的补偿过程 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：信号与控制信号有不同的特点： 化学工业出版社化学工业出版社 n 第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统 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。70化学工业出版社化学工业出版社 n 第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统 反馈控制系统是一个闭环控制系统，而前馈控制是一个“开环”控制系统。 反馈控制由于是闭环系统，控制结果能够通过反馈获得检验，而前馈控制其控制效果并不通过反馈来加以检验。要想综合一个合适的前馈控制作用，必须对被控对象的特性作深入的研究和彻底的了解。 71化学工业出版社化学工业出版社 n 第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统72 一般的反馈控制系统均采用通用类型的PID控制器，而前馈控制要采用专用前馈控制器。前馈控制器的控制规律取决于干扰通道的特性与控制通道的特性。对于不同的对象特性，就应该设计具有不同控制规律的控制器。反馈控制只用一个控制回路就可克服多个干扰。 化学工业出版社化学工业出版社 n 第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统n 二、前馈控制的主要形式二、前馈控制的主要形式 根据对干扰补偿的特点，可分为静态前馈控制和动态前馈控制。73化学工业出版社化学工业出版社 n 第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统74 在上图中，前馈控制器的输出信号是按干扰大小随时间变化的，它是干扰量和时间的函数。而当干扰通道和控制通道动态特性相同时，便可以不考虑时间函数，只按静态关系确定前馈控制作用。 如果主要干扰是进料流量的波动Q1，那么前馈控制器的输出mf为 1QKmff化学工业出版社化学工业出版社 n 第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统 静态前馈控制实施方案 热交换器是应用前馈控制较多的场合，换热器有滞后大、时间常数大、反应慢的特性，前馈控制就是针对这种对象特性设计的，故能很好发挥作用。 75化学工业出版社化学工业出版社 n 第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统1212PcQLQ 121122PcQQLQQ76根据热平衡原理来分析1212PcQLQ11122QKQLcQPKQQ12（8-2）进料增加为Q1+Q1时（8-3）式（8-3）减式（8-2）（8-4）则（8-5）化学工业出版社化学工业出版社 n 第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统77 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。 动态前馈控制实施方案动态前馈控制实施方案 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，有三个可以三个可以调整的参数调整的参数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。 化学工业出版社化学工业出版社 n 第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统78 将它们组合起来，取长补短，使前馈控制用来克服主要干扰，反馈控制用来克服其他的多种干扰，两者协同工作，能提高控制质量。换热器的前馈换热器的前馈-反馈控制反馈控制前馈前馈-反馈控制系统方块图反馈控制系统方块图化学工