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过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲第第5 5章章 常用复杂控制系统常用复杂控制系统在各自特定的条件下，采用复杂控制系统对提高控在各自特定的条件下，采用复杂控制系统对提高控制品质，扩大自动化应用范围，起着关键性的作用。制品质，扩大自动化应用范围，起着关键性的作用。作粗略估计，通常复杂控制系统约占全部控制系统作粗略估计，通常复杂控制系统约占全部控制系统数的数的10%10%左右。左右。依照系统的结构形式和所完成的功能来分，常用复依照系统的结构形式和所完成的功能来分，常用复杂控制系统有：串级、比值、均匀、分程、选择、杂控制系统有：串级、比值、均匀、分程、选择、前馈、双重控制等控制系统。前馈、双重控制等控制系统。5.1 5.1 串级控制系统串级控制系统 5.1.1 5.1.1 串级控制系统的基本原理和结构串级控制系统的基本原理和结构 采用不止一个控制器，而且控制器间相采用不止一个控制器，而且控制器间相串接，一个控制器的输出作为另一个控制串接，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值的系统，称为串级控制系统。器的设定值的系统，称为串级控制系统。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲加热炉出口温度控制系统加热炉出口温度控制系统 过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲该系统的被控变量是出口温度，用燃料气作为该系统的被控变量是出口温度，用燃料气作为操纵变量。操纵变量。可以组成图可以组成图5-15-1（a a）所示的简单控制系统。因）所示的简单控制系统。因为加热炉炉管等热容较大，控制不够及时。为加热炉炉管等热容较大，控制不够及时。如果改用图如果改用图5-15-1（b b）所示的流量控制系统，则）所示的流量控制系统，则对温度来说是开环的，此时对于阀前压力等扰对温度来说是开环的，此时对于阀前压力等扰动，可以迅速克服，但对进料负荷，燃料气热动，可以迅速克服，但对进料负荷，燃料气热值变化等扰动，却完全无能为力。值变化等扰动，却完全无能为力。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲人们日常操作经验是：当温度偏高时，把燃料气人们日常操作经验是：当温度偏高时，把燃料气流量控制器的设定值减少一些；当温度偏低的时流量控制器的设定值减少一些；当温度偏低的时候，燃料气流量控制器的设定值应该增加一些。候，燃料气流量控制器的设定值应该增加一些。按照上述操作经验，把两个控制器串接起来，流按照上述操作经验，把两个控制器串接起来，流量控制器的设定值由温度控制器输出决定，即流量控制器的设定值由温度控制器输出决定，即流量控制器的设定值不是固定的量控制器的设定值不是固定的,系统结构如图系统结构如图5-5-1 1（c c）所示。这样能迅速克服影响流量的扰动作）所示。这样能迅速克服影响流量的扰动作用，又能使温度在其它扰动作用下也保持在设定用，又能使温度在其它扰动作用下也保持在设定值，这就是串级控制系统。值，这就是串级控制系统。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲串级控制系统框图串级控制系统框图 过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲串级控制系统框图串级控制系统框图 主被控变量主被控变量y y1 1是串级控制系统中要保持平稳控制是串级控制系统中要保持平稳控制的主要被控变量，副被控变量的主要被控变量，副被控变量y y2 2是串级控制系统是串级控制系统的辅助被控变量。主控制器的输出作为副控制器的辅助被控变量。主控制器的输出作为副控制器的设定值。主控制器在内部设定情况下工作，因的设定值。主控制器在内部设定情况下工作，因此是定值控制副控制器是在外部设定情况下工作，此是定值控制副控制器是在外部设定情况下工作，此时是随动控制主（控制）回路；副（控制）回此时是随动控制主（控制）回路；副（控制）回路。路。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲控制系统的调节过程如下：控制系统的调节过程如下：当燃料气压力或流量波动时，加热炉出口温度当燃料气压力或流量波动时，加热炉出口温度还没有变化，因此，主控制器输出不变，燃料还没有变化，因此，主控制器输出不变，燃料气流量控制器因扰动的影响，使燃料气流量测气流量控制器因扰动的影响，使燃料气流量测量值变化，按定值控制系统的调节过程，副控量值变化，按定值控制系统的调节过程，副控制器改变控制阀开度，使燃料气流量稳定。与制器改变控制阀开度，使燃料气流量稳定。与此同时，燃料气流量的变化也影响加热炉出口此同时，燃料气流量的变化也影响加热炉出口温度，使主控制器输出，即副控制器的设定变温度，使主控制器输出，即副控制器的设定变化，副控制器的设定和测量的同时变化，进一化，副控制器的设定和测量的同时变化，进一步加速了控制系统克服扰动的调节过程，使主步加速了控制系统克服扰动的调节过程，使主被控变量回复到设定值。被控变量回复到设定值。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲当加热炉出口温度和燃料气流量同时变化时，当加热炉出口温度和燃料气流量同时变化时，主控制器通过主环及时调节副控制器的设定，主控制器通过主环及时调节副控制器的设定，使燃料气流量变化保持炉温恒定，而副控制器使燃料气流量变化保持炉温恒定，而副控制器一方面接受主控制器的输出信号，同时，根据一方面接受主控制器的输出信号，同时，根据燃料气流量测量值的变化进行调节，使燃料气燃料气流量测量值的变化进行调节，使燃料气流量跟踪设定值变化，使燃料气流量能根据加流量跟踪设定值变化，使燃料气流量能根据加热炉出口温度及时调整，最终使加热炉出口温热炉出口温度及时调整，最终使加热炉出口温度迅速回复到设定值。度迅速回复到设定值。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲5.1.2 5.1.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点能迅速克服进入副回路扰动的影响能迅速克服进入副回路扰动的影响 串级控制系统由于副回路的存在，改善串级控制系统由于副回路的存在，改善了对象特性，提高了工作频率了对象特性，提高了工作频率 串级控制系统的自适应能力串级控制系统的自适应能力 过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲5.1.3 5.1.3 串级控制系统的设计串级控制系统的设计 主、副回路的设计主、副回路的设计主被控变量的选择和主回路的设计，仍可用单主被控变量的选择和主回路的设计，仍可用单回路控制系统的设计原则进行。回路控制系统的设计原则进行。副回路应尽量包含生产过程中主要的、变化剧副回路应尽量包含生产过程中主要的、变化剧烈、频繁和幅度大的扰动，并力求包含尽可能烈、频繁和幅度大的扰动，并力求包含尽可能多的扰动。多的扰动。设计副回路应注意工艺上的合理性设计副回路应注意工艺上的合理性 应考虑经济性应考虑经济性 注意主、副对象时间常数的匹配注意主、副对象时间常数的匹配 过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲 串级控制系统中主、副控制器控制规串级控制系统中主、副控制器控制规律的选择律的选择主、副控制规律的选择主、副控制规律的选择 串级控制系统中，主、串级控制系统中，主、副控制器所起的作用是不同的。主控制器起定副控制器所起的作用是不同的。主控制器起定值控制作用，副控制器对主控制器输出起随动值控制作用，副控制器对主控制器输出起随动控制作用，而对扰动作用起定值控制作用，因控制作用，而对扰动作用起定值控制作用，因此主被控变量要求无余差，副被控变量却允许此主被控变量要求无余差，副被控变量却允许在一定范围内变动。这是选择控制规律的基本在一定范围内变动。这是选择控制规律的基本出发点。出发点。一般主控制器可采用比例、积分两作用或比例、一般主控制器可采用比例、积分两作用或比例、积分、微分三作用控制规律，副控制器单比例积分、微分三作用控制规律，副控制器单比例作用或比例积分作用控制规律即可。作用或比例积分作用控制规律即可。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲 主、副控制器正、反作用的选择主、副控制器正、反作用的选择 先依据控制阀的气开、气关形式，副对象的放先依据控制阀的气开、气关形式，副对象的放大倍数大倍数,决定副控制器正反作用方式决定副控制器正反作用方式,即必须使的即必须使的Kc2KvKp2Km2Kc2KvKp2Km2乘积为正值，其中乘积为正值，其中Km2Km2通常总是正值。通常总是正值。然后，决定主控制器的正、反作用方式然后，决定主控制器的正、反作用方式,主控主控制器的正、反作用主要取决于主对象的放大倍数，制器的正、反作用主要取决于主对象的放大倍数，至于控制阀的气开、气关形式不影响主控制器正、至于控制阀的气开、气关形式不影响主控制器正、反作用的选择，因为控制阀已包含在副回路内。反作用的选择，因为控制阀已包含在副回路内。总之，应使总之，应使Kc1Kp1Km1Kc1Kp1Km1的乘积为正值的乘积为正值,通常通常Km1Km1总总是正值是正值,因此主控制器的正、反作用选择应使因此主控制器的正、反作用选择应使Kc1Kp1Kc1Kp1为正值。为正值。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲图图5-45-4所示加热炉出口温度和炉所示加热炉出口温度和炉膛温度串级控制系统中控制器膛温度串级控制系统中控制器正反作用的选择步骤如下：正反作用的选择步骤如下：控制阀：从安全角度考虑，选控制阀：从安全角度考虑，选择气开型控制阀，择气开型控制阀，KvKv00；副被控对象：燃料油流量增加，副被控对象：燃料油流量增加，炉膛温度升高，因此，炉膛温度升高，因此，KpKp2020；副控制器：为保证负反馈，应副控制器：为保证负反馈，应满足：满足：KcKc2 2KvKpKvKp2 2KmKm2020。因。因Km2Km200；应选；应选KcKc2020。即选用反。即选用反作用控制器；作用控制器；过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲主控制器：为保证负反馈，应满主控制器：为保证负反馈，应满足：足：KcKc1 1KpKp1 1KmKm1010。因。因KmKm1010；应；应选选KcKc1010。即选用反作用控制器。即选用反作用控制器。该串级控制系统的调节过程如下：该串级控制系统的调节过程如下：当扰动或负荷变化使炉膛温度升当扰动或负荷变化使炉膛温度升高时，因副控制器是反作用，因高时，因副控制器是反作用，因此，控制器输出减小，控制阀是此，控制器输出减小，控制阀是气开型，因此，控制阀开度减小，气开型，因此，控制阀开度减小，燃料量减小，使炉膛温度下降；燃料量减小，使炉膛温度下降；同时，炉膛温度升高，使出口温同时，炉膛温度升高，使出口温度升高，通过反作用的主控制器，度升高，通过反作用的主控制器，使副控制器的设定降低，通过副使副控制器的设定降低，通过副控制回路的调节，减小燃料量，控制回路的调节，减小燃料量，减低炉膛温度，进而降低出口温减低炉膛温度，进而降低出口温度，以保持出口温度恒定。度，以保持出口温度恒定。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲图图5-55-5所示夹套反应釜进行放热所示夹套反应釜进行放热反应，串级控制系统控制器正反应，串级控制系统控制器正反作用的选择步骤如下：反作用的选择步骤如下：控制阀：从安全角度考虑，选控制阀：从安全角度考虑，选择气关型控制阀，择气关型控制阀，KvKv00；副被控对象：冷却水流量增加，副被控对象：冷却水流量增加，夹套温度下降，因此，夹套温度下降，因此，KpKp202020。因。因Km2Km200；应选；应选KcKc2020。即选用反。即选用反作用控制器；作用控制器；过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲主被控对象：当夹套温度升主被控对象：当夹套温度升高时，反应釜温度升高，因高时，反应釜温度升高，因此，此，KpKp1010；主控制器：为保证负反馈，主控制器：为保证负反馈，应满足：应满足：KcKc1 1KpKp1 1KmKm1010。因。因KmKm1010；应选；应选KcKc1010。即选用。即选用反作用控制器。反作用控制器。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲 串级控制系统中副环检测变送环节的串级控制系统中副环检测变送环节的非线性非线性当检测变送环节采用孔板、差压变送器和开方当检测变送环节采用孔板、差压变送器和开方器（或流量变送器）时，由于副环输入输出间器（或流量变送器）时，由于副环输入输出间的关系通常是线性关系。这时，如果主被控对的关系通常是线性关系。这时，如果主被控对象是线性特性，就采用线性控制规律；如果主象是线性特性，就采用线性控制规律；如果主被控对象是非线性特性，则需用控制器的非线被控对象是非线性特性，则需用控制器的非线性控制规律来补偿，而不能用控制阀流量特性性控制规律来补偿，而不能用控制阀流量特性进行补偿。进行补偿。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲5.1.4 5.1.4 串级控制系统控制器参数的整定串级控制系统控制器参数的整定串级控制系统常用的控制器参数整定方法串级控制系统常用的控制器参数整定方法有三种：有三种：逐步逼近法逐步逼近法两步法两步法一步法一步法对新型智能控制仪表和对新型智能控制仪表和DCSDCS控制装置构成的控制装置构成的串级控制系统，可以将主控制器选为具备串级控制系统，可以将主控制器选为具备自整定功能。自整定功能。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲5.1.5 5.1.5 串级控制系统的变型串级控制系统的变型采用常规仪表时，为减少仪表投资，采用加采用常规仪表时，为减少仪表投资，采用加法器等运算单元来实现串级控制系统，以节法器等运算单元来实现串级控制系统，以节省控制器的投资。省控制器的投资。采用阀门定位器，引入串级控制系统，这时采用阀门定位器，引入串级控制系统，这时副控制器参数通常不调整。副控制器参数通常不调整。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲5.1.6 5.1.6 串级控制系统应用实例串级控制系统应用实例某大型氨厂引入驰放气作为辅助冲量的一段转某大型氨厂引入驰放气作为辅助冲量的一段转化炉出口温度与燃料量串级控制系统。化炉出口温度与燃料量串级控制系统。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲5.2 5.2 比值控制系统比值控制系统5.2.1 基本原理和结构凡是用来实现两个或两个以上的物料按一定比例关系控制以达到某种控制目的的控制系统，称为比值控制系统。主动量 ，从动量 ，比值单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统和变比值控制系统。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统 过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统 过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲变比值控制系统变比值控制系统 变比值控制系统的比值是变化的，比值由另一个变比值控制系统的比值是变化的，比值由另一个控制器设定。控制器设定。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲5.2.2 5.2.2 比值系数的计算比值系数的计算采用线性流量检测单元情况采用线性流量检测单元情况 采用线性流量检测单元情况时，只有在采用线性流量检测单元情况时，只有在F1max=F2maxF1max=F2max的场的场合，合，k=Kk=K。在同样的比值。在同样的比值k k下，通过调整下，通过调整F1max,F2maxF1max,F2max亦可亦可以改变比值。以改变比值。采用电动和气动仪表时，乘法器输入的比值电流或气压采用电动和气动仪表时，乘法器输入的比值电流或气压和相除方案中比值控制器设定电流或气压可按下列公式和相除方案中比值控制器设定电流或气压可按下列公式计算：计算：过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲5.2.2 5.2.2 比值系数的计算比值系数的计算一般标准公式：输入信号一般标准公式：输入信号=仪表量程范围仪表量程范围K K+零点零点在采用相乘的方案中，采用分流器、加法器等在采用相乘的方案中，采用分流器、加法器等仪表可直接设置仪表比值系数仪表可直接设置仪表比值系数K K。在采用相除的方案中，如果计算所得的仪表比在采用相除的方案中，如果计算所得的仪表比值系数值系数K K大于大于1 1，则除法器的输入信号更换，即，则除法器的输入信号更换，即主动量信号作为被除数信号，从动量信号作为主动量信号作为被除数信号，从动量信号作为除数信号。除数信号。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲采用差压变送器（非线性检测变送环节）采用差压变送器（非线性检测变送环节）比值系数计算示例比值系数计算示例 合成氨一段转化反应中，为保证甲烷的转化率，需保合成氨一段转化反应中，为保证甲烷的转化率，需保持甲烷、蒸汽和空气三者的比值为持甲烷、蒸汽和空气三者的比值为1:3:1.41:3:1.4。流量测量。流量测量都采用节流装置和差压变送器，未装开方器，其中，都采用节流装置和差压变送器，未装开方器，其中，蒸汽最大流量为蒸汽最大流量为31100m3/h31100m3/h；天然气最大流量为；天然气最大流量为11000m3/h11000m3/h；空气最大流量为；空气最大流量为14000m3/h14000m3/h；采用相乘和；采用相乘和相除方案，确定各差压变送器的量程，仪表比值系数相除方案，确定各差压变送器的量程，仪表比值系数K K1 1和和K K2 2，乘法器和除法器输入电流，乘法器和除法器输入电流I I k1k1和和I I k2k2。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲从仪表精确度考虑，流量仪表测量范围分为十挡：从仪表精确度考虑，流量仪表测量范围分为十挡：1 1、1.251.25、1.61.6、2 2、2.52.5、3.23.2、4 4、5 5、6.36.3、810n810n（n n为整数）。根据题意，各差压变送器的量程应为整数）。根据题意，各差压变送器的量程应选择为：选择为：F Fsmaxsmax=32000m3/h=32000m3/h；F Fhmaxhmax=12500m3/h=12500m3/h；F Famaxamax=16000m3/h=16000m3/h；采用蒸汽作为主动量采用蒸汽作为主动量FsFs，天然气，天然气FhFh和空气和空气FaFa为从为从动量。防止水碳比过低造成析碳。动量。防止水碳比过低造成析碳。工艺比值系数为：工艺比值系数为：k k1=1=；k k2=2=。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲因采用非线性检测变送环节，仪表比值系数的计因采用非线性检测变送环节，仪表比值系数的计算公式为：算公式为：即即 ；假设采用电动假设采用电动IIIIII型仪表，则乘法器输入电流（即型仪表，则乘法器输入电流（即恒流给定器输出）和相除方案中比值控制器设定恒流给定器输出）和相除方案中比值控制器设定电流应为：电流应为：mAmA；mAmA；过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲5.2.3 5.2.3 比值控制系统设计和工程应用比值控制系统设计和工程应用中的问题中的问题(1)(1)主动量和从动量的选择主动量和从动量的选择主动量通常选择可测量但不可控制的过程变量；主动量通常选择可测量但不可控制的过程变量；从安全考虑，如该过程变量供应不足会不安全时，从安全考虑，如该过程变量供应不足会不安全时，应选择该过程变量为主动量，例如，水蒸汽和甲应选择该过程变量为主动量，例如，水蒸汽和甲烷进行甲烷转化反应，由于水蒸气不足会造成析烷进行甲烷转化反应，由于水蒸气不足会造成析碳，因此，应选择水蒸汽作为主动量；碳，因此，应选择水蒸汽作为主动量；从动量通常应是既可测量又可控制，并需要保持从动量通常应是既可测量又可控制，并需要保持一定比值的过程变量。一定比值的过程变量。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲(2)(2)比值控制系统类型的选择比值控制系统类型的选择主动量不可控时，选用单闭环比值控制系统，主动量不可控时，选用单闭环比值控制系统，例如，主动量来自上一工序；例如，主动量来自上一工序；主动量可控可测，并且变化较大时，宜选双闭主动量可控可测，并且变化较大时，宜选双闭环比值控制系统；环比值控制系统；当比值根据生产过程的需要由另一个控制器进当比值根据生产过程的需要由另一个控制器进行调节时，应选择变比值控制系统；行调节时，应选择变比值控制系统；当质量偏离控制指标需要改变流量的比值时，当质量偏离控制指标需要改变流量的比值时，应采用变比值控制系统；应采用变比值控制系统；变比值控制系统的第三过程变量通常选择过程变比值控制系统的第三过程变量通常选择过程的质量指标，例如，烟道气中的氧含量等。的质量指标，例如，烟道气中的氧含量等。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲比值控制系统的实施方案有相乘和相除两比值控制系统的实施方案有相乘和相除两类。类。一般情况下，宜选择相乘控制方案。一般情况下，宜选择相乘控制方案。采用计算机或采用计算机或DCSDCS控制时，应选择相乘控制控制时，应选择相乘控制方案。方案。需要获得主从动量流量的实际比值时，建需要获得主从动量流量的实际比值时，建议用除法器作比值运算，但不包含在控制议用除法器作比值运算，但不包含在控制回路内部。回路内部。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲(3)(3)比值函数环节的选择比值函数环节的选择 比值函数环节可从乘法器、分流器、加法器比值函数环节可从乘法器、分流器、加法器等仪表中选择。等仪表中选择。采用乘法器需要配套恒流给定器，但比值系采用乘法器需要配套恒流给定器，但比值系数设置的精度较高；数设置的精度较高；分流器比较简单，可直接用电位器实施，但分流器比较简单，可直接用电位器实施，但精度不高；精度不高；加法器实施时可直接用控制器的输入乘以比加法器实施时可直接用控制器的输入乘以比值系数，同样，设置比值系数的精度也不高。值系数，同样，设置比值系数的精度也不高。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲计算机控制装置或计算机控制装置或DCSDCS实施比值控制时，仪表实施比值控制时，仪表比值系数采用工艺比值系数直接设置，使用系比值系数采用工艺比值系数直接设置，使用系统内部乘法运算或比值控制功能模块直接完成统内部乘法运算或比值控制功能模块直接完成比值运算（采用相乘控制方案）。比值运算（采用相乘控制方案）。采用常规仪表实施，如果采用常规仪表实施，如果K K大于大于1 1，应将比值函数，应将比值函数环节设置在从动量控制回路内。用环节设置在从动量控制回路内。用DCSDCS或计算机实或计算机实施时，施时，K K可大于可大于1 1，比值函数环节仍设置在从动量，比值函数环节仍设置在从动量控制回路设定值通道。控制回路设定值通道。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲（4 4）变送器量程的选择：）变送器量程的选择：常规仪表实施比值控制系统时，为提高控制精确度，常规仪表实施比值控制系统时，为提高控制精确度，通常应使通常应使KFKF1 1的数值位于从动量控制器量程范围的中间的数值位于从动量控制器量程范围的中间（仪表比值系数小于（仪表比值系数小于1 1），或者使），或者使KFKF2 2的数值位于从的数值位于从动量控制器量程范围的中间（仪表比值系数大于动量控制器量程范围的中间（仪表比值系数大于1 1）。）。采用计算机采用计算机DCSDCS组成比值控制系统时，为提高控制精确组成比值控制系统时，为提高控制精确度，可适当缩小检测变送器的量程范围，并且，不需度，可适当缩小检测变送器的量程范围，并且，不需计算仪表比值系数。计算仪表比值系数。采用常规仪表时，如果采用线性检测变送环节，主、采用常规仪表时，如果采用线性检测变送环节，主、从动量的仪表量程范围相等，则工艺比值系数从动量的仪表量程范围相等，则工艺比值系数k k与仪表与仪表比值系数比值系数K K相等；如果采用非线性检测变送环节，主、相等；如果采用非线性检测变送环节，主、从动量的仪表量程范围满足：从动量的仪表量程范围满足：则工艺比值系数则工艺比值系数k k与仪表比值系数与仪表比值系数K K相等。相等。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲（5 5）流量的温度压力补偿：流量的温度压力补偿：当采用孔板等节流装置测量气体流量时，如果当采用孔板等节流装置测量气体流量时，如果设计计算时的工况温度和压力与实际运行时的设计计算时的工况温度和压力与实际运行时的工况温度和压力有偏差，就会对气体流量测量工况温度和压力有偏差，就会对气体流量测量造成误差。因此，当被测气体的工况温度较高，造成误差。因此，当被测气体的工况温度较高，变化较大或工况压力较高，变化较大时应对该变化较大或工况压力较高，变化较大时应对该气体流量进行温度压力补偿。其中，温度应换气体流量进行温度压力补偿。其中，温度应换算到凯氏温度，压力应换算到绝对压力。算到凯氏温度，压力应换算到绝对压力。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲5.2.4 5.2.4 比值控制系统的参数整定和投运比值控制系统的参数整定和投运单闭环比值控制系统是随动控制系统，应按照随动单闭环比值控制系统是随动控制系统，应按照随动控制系统的整定原则整定从动量控制器的参数。即控制系统的整定原则整定从动量控制器的参数。即整定为非振荡或衰减比整定为非振荡或衰减比10:110:1的过渡过程为宜。的过渡过程为宜。双闭环比值控制系统中主动量的控制系统是定值控双闭环比值控制系统中主动量的控制系统是定值控制系统，以衰减比为制系统，以衰减比为4:14:1整定主控制器参数，从动整定主控制器参数，从动量控制系统是随动控制系统为主的控制系统，以非量控制系统是随动控制系统为主的控制系统，以非振荡或衰减比为振荡或衰减比为10:110:1整定从动量控制器参数。整定从动量控制器参数。变比值控制系统中从动量控制系统是串级控制系统变比值控制系统中从动量控制系统是串级控制系统的副环，因此，按串级控制系统副环的整定方法整的副环，因此，按串级控制系统副环的整定方法整定参数，变比值控制器按串级控制系统主对象整定定参数，变比值控制器按串级控制系统主对象整定控制器参数。控制器参数。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲5.2.5 5.2.5 比值控制系统应用实例比值控制系统应用实例一段转化炉的主要功能是将原料转化为合成所需一段转化炉的主要功能是将原料转化为合成所需要的氢，该转化过程是在一定的温度条件下进行要的氢，该转化过程是在一定的温度条件下进行的，所以转化过程中原料量与加热燃料量有一定的，所以转化过程中原料量与加热燃料量有一定的比例关系，为此设计了双闭环比值控制系统。的比例关系，为此设计了双闭环比值控制系统。简化的控制系统方框图如简化的控制系统方框图如5-155-15所示。比值控制系所示。比值控制系统的主动量为原料量，从动量为燃料量，其目的统的主动量为原料量，从动量为燃料量，其目的是随着生产负荷的变化，相应实时的提高或减少是随着生产负荷的变化，相应实时的提高或减少加热燃料气量，以保证转化温度。同时，为了克加热燃料气量，以保证转化温度。同时，为了克服燃料气压力的扰动等影响，一段炉的温度还采服燃料气压力的扰动等影响，一段炉的温度还采用了串级控制系统。用了串级控制系统。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲5.3 5.3 均匀控制系统均匀控制系统 5.3.1 5.3.1 均匀控制系统的基本原理和结构均匀控制系统的基本原理和结构 均匀控制系统是指一种控制方案所起的作用而均匀控制系统是指一种控制方案所起的作用而言，因为就控制方案的结构来看，它可能象是言，因为就控制方案的结构来看，它可能象是液位或压力的简单定值控制系统，也可能象是液位或压力的简单定值控制系统，也可能象是液位与流量或压力与流量的串级控制系统。液位与流量或压力与流量的串级控制系统。均匀控制系统应具有既允许表征前后供求矛盾均匀控制系统应具有既允许表征前后供求矛盾的两个变量都有一定范围的变化，又要保证它的两个变量都有一定范围的变化，又要保证它们的变化不应过于剧烈的特点。们的变化不应过于剧烈的特点。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲简单均匀控制系统简单均匀控制系统 简单均匀控制系统如图简单均匀控制系统如图5-175-17所所示，从方案外表上看，它象一示，从方案外表上看，它象一个简单液位定值控制系统，并个简单液位定值控制系统，并且常被误解为简单液位定值控且常被误解为简单液位定值控制系统，使设计思想得不到体制系统，使设计思想得不到体现。该系统与定值控制系统的现。该系统与定值控制系统的不同是主要在控制器的控制规不同是主要在控制器的控制规律选择和参数整定问题上。律选择和参数整定问题上。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲简单均匀控制系统简单均匀控制系统 在均匀控制系统中不应该选在均匀控制系统中不应该选择微分作用，有时还可能需择微分作用，有时还可能需要选择反微分作用。在参数要选择反微分作用。在参数整定上，一般比例度要大于整定上，一般比例度要大于100%100%，并且积分时间要长一，并且积分时间要长一些，这样液位仍会变化，但些，这样液位仍会变化，但变化不会太剧烈。同时，控变化不会太剧烈。同时，控制器输出很和缓，阀位变化制器输出很和缓，阀位变化不大，流量波动也相当小。不大，流量波动也相当小。这样就实现了均匀控制的要这样就实现了均匀控制的要求。求。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲串级均匀控制系统串级均匀控制系统 图图5-185-18所示为一精馏塔底液所示为一精馏塔底液位与塔底流量的串级均匀控位与塔底流量的串级均匀控制系统。从外表上看，它与制系统。从外表上看，它与典型的串级控制系统没有区典型的串级控制系统没有区别，但是它的目的是实现均别，但是它的目的是实现均匀控制。匀控制。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲串级均匀控制系统串级均匀控制系统 系统中副回路流量控制的目的系统中副回路流量控制的目的是为了消除控制阀前后压力干是为了消除控制阀前后压力干扰及自衡作用对流量的影响。扰及自衡作用对流量的影响。因此，副回路与串级控制中副因此，副回路与串级控制中副回路一样，副控制器参数整定回路一样，副控制器参数整定的要求与前面所讨论的串级控的要求与前面所讨论的串级控制对副回路的要求相同。而主制对副回路的要求相同。而主控制器即液位控制器，则与简控制器即液位控制器，则与简单均匀控制系统的控制器的参单均匀控制系统的控制器的参数整定相同，以满足均匀控制数整定相同，以满足均匀控制的要求，使液位与流量均可保的要求，使液位与流量均可保证在较小的幅度内缓慢的变化。证在较小的幅度内缓慢的变化。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲双冲量均匀控制系统双冲量均匀控制系统 这种控制系统是串级控制这种控制系统是串级控制系统的变型，它将两个需系统的变型，它将两个需兼顾被控变量的差（或和）兼顾被控变量的差（或和）作为被控变量。图作为被控变量。图5-195-19是是双冲量控制系统的结构图。双冲量控制系统的结构图。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲双冲量均匀控制系统双冲量均匀控制系统 当控制阀安装在出口时，当控制阀安装在出口时，液位偏高或流量偏低时，液位偏高或流量偏低时，都应开大控制阀，因此，都应开大控制阀，因此，应取液位和流量信号之差应取液位和流量信号之差作为测量值。正常情况下，作为测量值。正常情况下，该差值可能为零，负值或该差值可能为零，负值或正值，因此，在加法器正值，因此，在加法器FYFY引入偏置值，用于降低零引入偏置值，用于降低零位，使正常情况下加法器位，使正常情况下加法器的输出在量程的中间值。的输出在量程的中间值。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲5.3.2 5.3.2 均匀控制系统的控制规律的选择均匀控制系统的控制规律的选择及参数整定及参数整定(1)(1)控制规律作用的选择控制规律作用的选择对一般的简单均匀控制系统的控制器，选择对一般的简单均匀控制系统的控制器，选择纯比例控制规律。纯比例控制规律。对一些输入流量存在急剧变化的场合或液位对一些输入流量存在急剧变化的场合或液位存在存在“噪声噪声”的场合，特别是希望液位正常的场合，特别是希望液位正常稳定工况时保持在特定值附近时，则应选用稳定工况时保持在特定值附近时，则应选用比例积分控制规律。比例积分控制规律。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲(2)(2)参数的整定参数的整定 纯比例控制规律纯比例控制规律先将比例度放置在不会引起液位超值但相对较大的先将比例度放置在不会引起液位超值但相对较大的数值。数值。观察趋势，若液位的最大波动小于允许的范围，则观察趋势，若液位的最大波动小于允许的范围，则可增加比例度。可增加比例度。当发现液位的最大波动大于允许范围，则减小比例当发现液位的最大波动大于允许范围，则减小比例度。度。反复调整比例度，直至液位的波动小于且接近于允反复调整比例度，直至液位的波动小于且接近于允许范围止。许范围止。比例积分控制规律比例积分控制规律按纯比例控制方式进行整定，得到所适用的比例度按纯比例控制方式进行整定，得到所适用的比例度值。值。适当加大比例度值，然后，投入积分作用。由大至适当加大比例度值，然后，投入积分作用。由大至小逐渐调整积分时间，直到记录趋势出现缓慢的周小逐渐调整积分时间，直到记录趋势出现缓慢的周期性衰减振荡为止。期性衰减振荡为止。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲5.4 5.4 前馈控制系统前馈控制系统5.4.15.4.1基本原理基本原理前馈控制系统是一种开环控制系统，根据扰动前馈控制系统是一种开环控制系统，根据扰动或设定值的变化按补偿原理而工作或设定值的变化按补偿原理而工作 其特点是当扰动产生后，被控变量还未变化以其特点是当扰动产生后，被控变量还未变化以前，根据扰动作用的大小进行控制，以补偿扰前，根据扰动作用的大小进行控制，以补偿扰动作用对被控变量的影响。动作用对被控变量的影响。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲换热器的前馈控制系统及其方块图换热器的前馈控制系统及其方块图 过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲在大多数实际应用中，往往都是将反馈控在大多数实际应用中，往往都是将反馈控制与前馈控制结合起来，设计成前馈制与前馈控制结合起来，设计成前馈反馈控制系统。反馈控制系统。这样，可以利用前馈控制来克服可以预见这样，可以利用前馈控制来克服可以预见的主要扰动；而对于前馈控制补偿不完全的主要扰动；而对于前馈控制补偿不完全的部分既扰动依旧作用于被控变量所产生的部分既扰动依旧作用于被控变量所产生的偏离及其余扰动，由反馈控制来消除。的偏离及其余扰动，由反馈控制来消除。即使在大而频繁的扰动下，仍然可以获得即使在大而频繁的扰动下，仍然可以获得优良的控制品质。优良的控制品质。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲5.4.2 5.4.2 前馈控制的主要结构形式前馈控制的主要结构形式静态前馈静态前馈 静态前馈是在扰动作用下，前馈补偿作用静态前馈是在扰动作用下，前馈补偿作用只能最终使被控变量回到要求的设定值，而不只能最终使被控变量回到要求的设定值，而不考虑补偿过程中的偏差大小。在有条件的情况考虑补偿过程中的偏差大小。在有条件的情况下，可以通过物料平衡和能量平衡关系求得采下，可以通过物料平衡和能量平衡关系求得采用多大校正作用。用多大校正作用。静态前馈控制不包含时间因子，实施简静态前馈控制不包含时间因子，实施简便。而事实证明，在不少场合，特别是控制通便。而事实证明，在不少场合，特别是控制通道和扰动通道的时间常数相差不大时，应用静道和扰动通道的时间常数相差不大时，应用静态前馈控制可以获得很好的控制精度。态前馈控制可以获得很好的控制精度。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲前馈反馈控制系统前馈反馈控制系统过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲多变量前馈控制系统多变量前馈控制系统 前馈控制只针对特定的扰动变量，当有多个扰动变量前馈控制只针对特定的扰动变量，当有多个扰动变量时可组成多变量前馈控制系统。分为多输入单输出的时可组成多变量前馈控制系统。分为多输入单输出的多变量前馈控制系统和多输入多输出的多变量前馈控多变量前馈控制系统和多输入多输出的多变量前馈控制系统。制系统。当被控过程的扰动不止一个，而它们变化幅度较大且当被控过程的扰动不止一个，而它们变化幅度较大且频繁时，可采用多输入单输出的多变量前馈控制系统。频繁时，可采用多输入单输出的多变量前馈控制系统。当被控过程是多输入多输出过程，为了消除相互之间当被控过程是多输入多输出过程，为了消除相互之间的影响，可用多输入多输出的多变量前馈控制系统进的影响，可用多输入多输出的多变量前馈控制系统进行控制系统的解耦。行控制系统的解耦。过程控制过程控制系统系统第九讲第九讲5.4.3 5.4.3 前馈控制系统的设计及工程实施前馈控制系统的设计及工程实施中若干问题中若干问题 前馈控制系统主要用于克服