《過程控制系統(tǒng)與儀表》課件及教案,過程控制系統(tǒng)與儀表,過程,控制系統(tǒng),儀表,課件,教案 第7章 復(fù)雜控制系統(tǒng) 教學(xué)目的：了解基本概念：串級、前饋、比值、均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)。 教學(xué)重點：串級、前饋、比值控制系統(tǒng)的工作方案及參數(shù)整定。 教學(xué)難點：串級、前饋控制系統(tǒng)的分析及應(yīng)用。 簡單控制系統(tǒng)是過程控制中最基本、應(yīng)用最廣的控制形式，約占全部控制系統(tǒng)的80％。但是： 有些生產(chǎn)工藝和控制要求比較特殊。 隨著生產(chǎn)過程的大型化和復(fù)雜化，操作條件更加嚴格，變量之間的關(guān)系更加復(fù)雜。 隨著技術(shù)發(fā)展，對工藝的控制目標(biāo)多樣化，如產(chǎn)量、質(zhì)量、節(jié)能、環(huán)保效率等。 為此，設(shè)計出各種復(fù)雜控制系統(tǒng)。 7.1 串級控制系統(tǒng) 當(dāng)對象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時，采用簡單控制系統(tǒng)往往控制質(zhì)量較差，滿足不了工藝上的要求，這時，可考慮采用串級控制系統(tǒng)。 7.1.1串級控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作過程 串級控制是在簡單控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上的改進。 例 管式加熱爐是煉油、化工生產(chǎn)中的重要裝置之一，它的任務(wù)是把原油加熱到一定溫度，以保證下道工藝的順利進行。因此，需要控制原油加熱后的出口溫度。 簡單溫控系統(tǒng)存在的問題： 控制通道容量滯后很大，控制緩慢。如： 燃料壓力變化 爐膛溫度變化 原料溫度變化 出口溫度變化 15min 3min T1T、 T1C 調(diào)燃料量 原料出口溫度θ1(t) 原料 T1C T1T 燃料 管式加熱爐 解決措施：在影響出口溫度的通道中，增加爐膛溫度的測量，提前控制。 原料出口溫度θ1(t) T2T、T2C先粗調(diào)燃料量 燃料壓力變化 爐膛溫度變化 原料溫度變化 出口溫度變化 3min T1T、 T1C再細調(diào)燃料量 原料 T1C T1T 燃料 管式加熱爐 T2C T2T 管式加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)框圖為： 主控制器 調(diào)節(jié)閥 x1 爐膛 原料油 f3、f4 f1、f2 管壁 溫度變送器1 溫度變送器2 副控制器 ＋ x2(t) θ2(t) θ1(t) － － ＋ 標(biāo)準(zhǔn)框圖為： 主控制器 執(zhí)行器 副對象 主對象 主變送器 副變送器 副控制器 ＋ － － ＋ 主變量 副變量 給定 干擾 結(jié)構(gòu)特點： 系統(tǒng)有兩個閉合回路，形成內(nèi)外環(huán)。主變量是工藝要求控制的變量，副變量是為了更好地控制主變量而選用的輔助變量。 主、副調(diào)節(jié)器是串聯(lián)工作的，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值。 控制過程分析： 1．干擾進入副回路 如燃料壓力f3(t)、燃料熱值f4(t)發(fā)生擾動 進入副回路的干擾首先影響爐膛溫度，副變送器提前測出，副控制器立即開始控制，控制過程大為縮短。 2．干擾進入主回路 如原油流量 f1(t)、原油入口溫度 f2(t)發(fā)生擾動 對進入主回路的干擾，雖然副變送器不能提前測出，但副回路的閉環(huán)負反饋，使對象爐膛部分特性的時間常數(shù)大為縮短，則主控制器的控制通道被縮短，控制效果也得到改善。 3．副回路和主回路同時出現(xiàn)干擾 干擾的綜合影響有兩種情況： （1）主副回路的干擾影響方向相同，主副回路同向調(diào)節(jié)。如：? ? 副控制器輸出↓ 燃料壓力f3(t)↑?爐膛溫度↑?出口溫度↑?主控制器輸出↓ 原油流量f1(t)↓?出口溫度↑?主控制器輸出↓ （2）主副回路的干擾影響方向相反。主副回路反向調(diào)節(jié)。如： 燃料壓力f3(t)↑?爐膛溫度↑?出口溫度↑?主控制器輸出↓ 原油流量f1(t)↑?出口溫度↓?主控制器輸出↑ 副控制器輸出↓ ? ? 原料 T1C T1T 燃料 管式加熱爐 T2C T2T 反 反 正 7.1.2串級控制系統(tǒng)的特點及其分析 將副環(huán)等效成單回路控制系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)。 Gc1(s) Gv(s) ＋ 　 Go2(s) F3(s)、F4(s) Go1(s) Gc2(s) ＋　 X2(s) Θ2(s) F1(s)、F2(s) Gm2(s) Gm1(s) － － 方框部分等效為： F3(s)、F4(s) G*o2(s) G’o2(s) X2(s) Θ2(s) 7.1.2.1串級控制系統(tǒng)能改善被控過程的動態(tài)特性 控制通道等效副對象的傳函： 設(shè)： T02′<< T02 K02 ′≈1/Km2 則： T02 ′<< T02 ，說明主環(huán)控制通道時間常數(shù)縮短，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。 串級控制等效 Gc1(s) X1(s) Θ1(s) ＋ 　 G*o2(s) F3(s)、F4(s) Go1(s) G’o2(s) Θ2(s) F1(s)、F2(s) Gm1(s) － 單回路控制 G*c1(s) Gv(s) X1(s) Θ1(s) ＋ 　 Go2(s) F3(s)、F4(s) Go1(s) F1(s)、F2(s) Gm1(s) － 從系統(tǒng)特征方程：1+Gc1(s)G’o2(s)Go1(s)Gm1(s)=0 可求出系統(tǒng)的工作頻率ωc 通過對系統(tǒng)振蕩頻率的推導(dǎo)可知： 副回路的引入可提高系統(tǒng)的工作頻率，也改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。 7.1.2.2串級控制系統(tǒng)抗干擾能力增強 對于進入副回路的干擾，串級控制和單回路控制前向通道的區(qū)別： 干擾通道的傳函： T02*<< T02 K02 *<< K02 K02 *<< K02 說明干擾通道的影響力降低； T02 *<< T02 說明干擾通道時間常數(shù)縮短。 對于進入主回路的干擾，串級控制和單回路控制閉環(huán)回路的區(qū)別： T02′<< T02 K02 ′ T02 ′<< T02 ，說明主環(huán)通道時間常數(shù)被縮短，加快了系統(tǒng)的控制速度。 7.1.2.3串級控制系統(tǒng)對負荷和操作條件變化的適應(yīng)能力增強 有些生產(chǎn)過程的工藝條件經(jīng)常變化。而在不同的工藝點，對象的放大倍數(shù)往往不同。如果是單回路控制，這會導(dǎo)致控制質(zhì)量下降。 單回路控制 G*c1(s) Gv(s) X1(s) Θ1(s) ＋ 　 Go2(s) F3(s)、F4(s) Go1(s) F1(s)、F2(s) Gm1(s) － 對于串級控制，部分對象被包含在副回路中，其放大倍數(shù)被負反饋壓制。因而工藝負荷或操作條件變化時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量。 K02 ′≈1/Km2 串級系統(tǒng)特點總結(jié)： ①對進入副回路的干擾有很強的克服能力； ②改善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；對進入主回路的干擾控制效果也有改善； ③對負荷或操作條件的變化有一定自適應(yīng)能力。 調(diào)節(jié)效果比較 串級控制 單回路控制 t y 7.1.3 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計與參數(shù)整定 7.1.3.1串級控制系統(tǒng)的方案設(shè)計 1．主回路設(shè)計 主回路設(shè)計與單回路控制系統(tǒng)一樣。 2．副回路設(shè)計 副回路設(shè)計中，最重要的是選擇副回路的被控參數(shù)（串級系統(tǒng)的副參數(shù)）。副參數(shù)的選擇一般應(yīng)遵循下面幾個原則： ①主、副變量有對應(yīng)關(guān)系 ②副參數(shù)的選擇必須使副回路包含變化劇烈的主要干擾，并盡可能多包含一些干擾 ③副參數(shù)的選擇應(yīng)考慮主、副回路中控制過程的時間常數(shù)的匹配，以防“共振” 的發(fā)生 ④應(yīng)注意工藝上的合理性和經(jīng)濟性 3．主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇 串級系統(tǒng)中的主參數(shù)是系統(tǒng)控制的任務(wù)，副參數(shù)是輔助變量。這是選擇調(diào)節(jié)規(guī)律的基本出發(fā)點。 主參數(shù)是生產(chǎn)工藝要求的控制指標(biāo)，一般要求比較嚴格，主調(diào)節(jié)器通常選用PI或PID調(diào)節(jié)。 副參數(shù)是為了提高主參數(shù)的控制質(zhì)量而增加的，工藝上沒有嚴格的指標(biāo)要求，副調(diào)節(jié)器一般選P調(diào)節(jié)就可以了。 4．主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定 對串級控制系統(tǒng)來說，主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇原則依然是使系統(tǒng)構(gòu)成負反饋。 選擇的順序是： 1、根據(jù)工藝安全或節(jié)能要求確定調(diào)節(jié)閥的正、反作用； 2、按照副回路構(gòu)成負反饋的原則確定副調(diào)節(jié)器的正、反作用； 3、依據(jù)主回路構(gòu)成負反饋的原則，確定主調(diào)節(jié)器的正、反作用。 以管式加熱爐為例，說明串級控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式的確定方法。 1、從生產(chǎn)工藝安全出發(fā)，燃料油調(diào)節(jié)閥選用氣開式（正作用）。一旦出現(xiàn)故障或氣源斷氣，調(diào)節(jié)閥應(yīng)關(guān)閉，切斷燃料油進入加熱爐，確保設(shè)備安全。 原料 T1C T1T 燃料 管式加熱爐 T2C T2T 正 2、副回路中，調(diào)節(jié)閥開大，爐膛溫度升高，測量信號增大，說明副對象和變送器都是正作用。為保證副回路為負反饋，副調(diào)節(jié)器應(yīng)為反作用方式。 原料 T1C T1T 燃料 管式加熱爐 T2C T2T 反 正 正 正 3、對于主調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)閥開大、爐膛溫度升高時，原料油出口溫度也升高，說明主對象也是正作用，而主調(diào)信號通過副調(diào)的給定端時不反向。為保證主回路為負反饋，主調(diào)節(jié)器也應(yīng)為反作用方式。 原料 T1C T1T 燃料 管式加熱爐 T2C T2T 反 反 正 正 正 正 正 4．串級系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用 當(dāng)生產(chǎn)工藝要求高，采用簡單控制系統(tǒng)滿足不了工藝要求的情況下，可考慮采用串級控制系統(tǒng)。 串級控制系統(tǒng)常用于下面一些生產(chǎn)過程： 1）容量滯后較大的過程 2）純滯后較大的過程 3）干擾幅度大的過程 4）非線性嚴重的過程 7.1.3.2串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定 有逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法。 1．逐步逼近法 依次整定副回路、主回路。并循環(huán)進行，逐步接近主、副回路最佳控制狀態(tài)。 2．兩步整定法 系統(tǒng)處于串級工作狀態(tài)，第一步按單回路方法整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)；第二步把已經(jīng)整定好的副回路視為一個環(huán)節(jié)，仍按單回路對主調(diào)節(jié)器進行參數(shù)整定。 3．一步整定法 所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗，先將副調(diào)節(jié)器參數(shù)一次調(diào)好，不再變動，然后按一般單回路控制系統(tǒng)的整定方法直接整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。 表7.1一步整定法副調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇范圍 副參數(shù)類型 副調(diào)節(jié)器比例度δ2（%） 副調(diào)節(jié)器比例增益Kc2 溫度 20～60 5.0～1.7 壓力 30～70 3.0～1.4 流量 40～80 2.5～1.25 液位 20～80 5.0～1.25 7.2前饋控制系統(tǒng) t y 前面討論的都是反饋控制，其結(jié)構(gòu)特點是對被控變量進行檢測，只要干擾引起被控變量的變化，控制器即根據(jù)偏差進行調(diào)節(jié)，屬于事后調(diào)節(jié)。最好的控制效果是： 給定值 ＋ － 測量變送器 控制器 執(zhí)行器 對象 控制變量 被控變量 干擾 為了改變事后調(diào)節(jié)的狀況，提出前饋控制的思路：監(jiān)測干擾事先調(diào)節(jié)，即在干擾引起被控變量變化之前進行控制。 如果前饋控制量大小、速度準(zhǔn)確，可以完全抵消干擾對被控變量的影響，實現(xiàn)不變性調(diào)節(jié)。 測量變送器 控制器 執(zhí)行器 對象 控制變量 被控變量 干擾 7.2.1前饋控制的工作原理及其特點 1、反饋控制系統(tǒng)的特點 例 換熱器出口溫度反饋控制系統(tǒng) 存在的主要干擾有：物料入口流量變化F、物料入口溫度變化θ1、蒸汽壓力變化Ph。 M TT TC 蒸汽 換熱器 物料入口 物料出口 冷凝水 反饋控制的特點： 1、 根據(jù)偏差進行調(diào)節(jié)，被控變量必定變化。 2、 閉環(huán)系統(tǒng)存在穩(wěn)定性問題，限制了控制質(zhì)量的進一步提高。 3、 可以消除反饋環(huán)內(nèi)各種擾動的影響。 2、前饋控制的原理與特點 前饋控制的原理是：當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時即將其測量出來，前饋控制器根據(jù)擾動量的大小事先進行控制。 例 針對換熱器物料流量干擾的前饋控制系統(tǒng) M 蒸汽 換熱器 物料入口 物料出口 冷凝水 FT FB Gv(s) Gb(s) Gm(s) F(s) Gfs) Go(s) ＋ ＋ Y(s) Gb(s) Gfs) Go(s) Gm(s) Gv(s) M 蒸汽 換熱器 物料入口 物料出口 冷凝水 FT FB F(s) Y(s) 補償原理 如果補償量和干擾量以同樣的大小和速度作用于被控變量，且作用方向相反的話，被控變量不變。 Y(S)=F(S)Gf(s)+F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s) = 0 前饋控制的特點： ①前饋控制是按干擾進行控制的， 稱為“擾動補償”。控制作用幾乎與干擾同步產(chǎn)生。 ②前饋控制是開環(huán)控制，沒有穩(wěn)定性問題。 ③前饋控制規(guī)律是根據(jù)對象特性確定的。 ④前饋控制只對特定的干擾有控制作用，對其它干擾無效。 前饋控制的局限性 ①實際工業(yè)過程中干擾很多，不可能對每個干擾設(shè)計一套控制系統(tǒng)。 ②前饋控制器的補償控制規(guī)律很難精確實現(xiàn)，而開環(huán)系統(tǒng)對誤差無法自我糾正。 7.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 前饋控制的結(jié)構(gòu)有靜態(tài)補償和動態(tài)補償兩種。 1．靜態(tài)前饋控制系統(tǒng) 所謂靜態(tài)前饋控制，是前饋控制器只進行靜態(tài)增益補償，不考慮速度補償。 （S=0時） Gv(s) Gb(s) Gm(s) F(s) Gfs) Go(s) ＋ ＋ Y(s) 靜態(tài)前饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，前饋控制器就是一個比例放大器。但控制過程中，動態(tài)偏差依然存在。 2．動態(tài)前饋控制系統(tǒng) 完全按照補償控制規(guī)律制作控制器，能在每個時刻都完全補償擾動對被控參數(shù)的影響。 3．前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng) 為了克服前饋控制的局限性，將前饋控制與反饋控制結(jié)合起來，組成前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。 前饋控制針對主要干擾，反饋控制針對所有干擾。如換熱器出口溫度前饋—反饋復(fù)合： ∑ TT TC M 蒸汽 換熱器 物料入口 物料出口 冷凝水 FT FB Gv(s) Gb(s) GmF(s) F(s) Gf(s) Go(s) ＋ ＋ Y(s) GmT(s) Gc(s) ＋ ＋ ＋ － X(s) 設(shè)定值X(s)和干擾F(s)對輸出Y(s)的共同影響為： 前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的特點 干擾F(s)對輸出Y(s)的影響為： 1、傳函的分子即是前饋控制系統(tǒng)的補償條件。表明復(fù)合控制系統(tǒng)與前饋控制系統(tǒng)的補償條件完全相同，并不因為引進反饋控制而有所改變；且由于反饋控制回路的存在，前饋控制的精度比開環(huán)前饋控制高。 2、傳函的分母與反饋控制系統(tǒng)的傳函分母相同。表明反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性并不因為引進前饋控制而有所改變。 復(fù)合控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點： ①在反饋控制的基礎(chǔ)上對主要干擾進行前饋補償。既提高了控制速度，又保證了控制精度。 ②反饋控制回路的存在，降低了對前饋控制器的精度要求，有利于簡化前饋控制器的設(shè)計和實現(xiàn)。 ③復(fù)合控制系統(tǒng)能在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，提高控制品質(zhì)。 4．前饋——串級復(fù)合控制系統(tǒng) 對于慢過程的控制，如果生產(chǎn)過程中的主要干擾頻繁而又劇烈，而工藝對被控參量的控制精度要求又很高，可以考慮采用前饋——串級復(fù)合控制方案。 Gv(s) Gb(s) GmF(s) F(s) Gf(s) Go1(s) ＋ ＋ Y(s) Gm2(s) Gc1(s) ＋ ＋ ＋ － X(s) Gc2(s) Go2(s) － Gm1(s) ≈1/Gm2(S) 從前饋—串級復(fù)合控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可知： 1、串級控制回路的傳函和單純的串級控制系統(tǒng)一樣 2、前饋控制器的傳函主要由擾動通道和主對象特性決定 5．前饋控制器的通用模型 前面按照不變性條件，求得前饋控制器的傳遞函數(shù)表達式 實際上，要得到上式的精確數(shù)學(xué)模型比較困難，準(zhǔn)確實現(xiàn)也比較困難，還不如用簡約化模型。 令：Go(S)、 Gf(S)為帶滯后的一階特性 Gv(S)、 Gm(S)為比例特性 代入： 得前饋控制器的通用模型： Kb —靜態(tài)放大系數(shù)；T1 —加速系數(shù)；T2 — 減速系數(shù)；τ —純滯后時間。 根據(jù)通用模型制作的前饋控制器稱為通用前饋控制器。 通用前饋控制器使用時根據(jù)補償要求調(diào)整各個系數(shù)值，就可獲得不同的前饋補償效果。 目前，比較高檔的控制儀表中都配備通用前饋控制模塊，供用戶選用。 前饋控制的應(yīng)用場合 （1）某個干擾對被控變量影響劇烈。 （2）對象的控制通道滯后大，單純的反饋控制速度慢、質(zhì)量差。 （3）用串級控制，效果改善不明顯。 7.3大滯后過程控制系統(tǒng) 工業(yè)生產(chǎn)過程通常存在純滯后。一般將控制通道τ0 / T ＞0.3 的過程稱之為大滯后過程。 大滯后過程是公認較難控制的過程，其主要原因是純滯后的增加使閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。為了保證穩(wěn)定裕度，不得不減小控制器的放大系數(shù)，造成控制質(zhì)量的下降。 針對大滯后過程有特別的控制方案。 7.3.1大滯后過程的采樣控制 采樣控制是最早出現(xiàn)的方案，即控制器按周期T進行采樣控制。在兩次采樣之間，保持控制信號不變，直到下一個控制信號到來。如： 采樣控制器 y(t) 過程 x(t) 保持器 執(zhí)行器 _ e*(t) u*(t) u(t) S1 S2 + 變送器 圖中，S1、S2表示采樣控制開關(guān)，它們同時接通或斷開。S1、S2接通時，采樣控制器閉環(huán)工作；S1、S2斷開時，采樣控制器停止工作，輸出為零，但是上一時刻的控制值u*(t)通過保持器持續(xù)輸出。 采樣控制每隔周期T 動作一次，T必須大于τ0這種“調(diào)一調(diào)，等一等”的核心思想就是放慢控制速度，減少控制器的過度調(diào)節(jié)。 采樣控制是以犧牲速度來獲取穩(wěn)定的控制效果，如果在采樣間隔內(nèi)出現(xiàn)干擾，必須要等到下一次采樣后才能作出反應(yīng)。 7.3.2大滯后過程的Simth預(yù)估補償控制 Simth預(yù)估補償控制是按照對象特性，設(shè)計一個模型加入到反饋控制系統(tǒng)，提早估計出對象在擾動作用下的動態(tài)響應(yīng)，提早進行補償，使控制器提前動作，從而加速調(diào)節(jié)過程，降低超調(diào)量。 為理解Smith預(yù)估控制的工作原理，先分析采用簡單控制方案時，大滯后過程的特性。 如圖是簡單控制系統(tǒng)框圖。其中變送器的傳遞函數(shù)簡化為1 ；Go(s)e －τoS為控制通道的廣義傳遞函數(shù)，并特別將純滯后環(huán)節(jié)e －τoS單獨寫出。該系統(tǒng)X(s)與Y(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： Y(s) Gf(s) X(s) Gc(s) Go(s)e-τoS _ U(s) + F(s) 若能將中的Go(s)e －τoS和e －τoS補償?shù)?，則實現(xiàn)無滯后控制。Smith提出了一種大滯后系統(tǒng)預(yù)估補償控制方法，圖7.17是Smith預(yù)估補償控制系統(tǒng)框圖，Gb(s) 是Smith預(yù)估補償器的傳遞函數(shù)。 Y(s) Gf(s) X(s) Gc(s) Go(s)e-τoS _ U(s) + F(s) Gb(s) + + + + Y’(s) 采用預(yù)估補償器后，控制量U(s)與反饋信號Y’(s)之間的傳遞函數(shù)是兩個并聯(lián)通道G0(s) e –τoS與Gb(s)之和，如果等于G0(s)，則消除了純滯后。 得： 根據(jù)Smith預(yù)估器的傳遞函數(shù)Gb(s)表達式，就可得到圖7.18的Smith預(yù)估補償控制系統(tǒng)實施框圖。 Y(s) Gf(s) X(s) Gc(s) Go(s)e-τoS _ U(s) + F(s) Go(s) + + + + Y’(s) e-τoS _ 采用Smith預(yù)估補償?shù)男Ч治觯? 一、預(yù)估補償后，設(shè)定值通道的控制品質(zhì)和無滯后的控制過程相同。 設(shè)定值X(s)與Y(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： 和無預(yù)估補償?shù)目刂葡到y(tǒng)相比： 1、 預(yù)估補償控制的特征方程中不包含e –τoS項，即預(yù)估補償消除了控制通道純滯后對系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性的影響。 2、分子中的e –τoS項說明被控參數(shù)y(t)的響應(yīng)在時間上推遲了τ0時段。 預(yù)估補償控制 無預(yù)估補償控制 二、預(yù)估補償后，干擾通道的控制品質(zhì)有所改善。 干擾F(s)與Y(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： 和無預(yù)估補償?shù)目刂葡到y(tǒng)相比： 1、 干擾通道的特征方程中也不包含e –τoS項，即預(yù)估補償消除了純滯后對系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性的影響。 2、 第二項含有e –τoS，表明系統(tǒng)的控制作用比干擾作用純滯后τ0時間，并沒有消除純滯后對干擾F(s)抑制過程的影響。 干擾作用 控制作用 因此，Smith預(yù)估補償系統(tǒng)對設(shè)定值擾動的控制效果很好，對負荷擾動的控制效果有所改善。 另外，Smith預(yù)估補償系統(tǒng)對補償模型的誤差十分敏感，補償效果取決于補償器模型的精度。 7.4 比值控制系統(tǒng) 生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要幾種物料的流量保持一定的比例關(guān)系。例如，在鍋爐的燃燒系統(tǒng)中，要保持燃料和空氣量的一定比例，以保證燃燒的經(jīng)濟性。 定義：實現(xiàn)兩個或多個參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。 例如要實現(xiàn)兩種物料的比例關(guān)系，則表示為： Q2=K Q1 其中：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檢測主物料流量Q1；由控制器FC和控制閥來控制副流量Q2。 控制目標(biāo)為： Q2=K Q1 FT FC Q1 Q2 2. 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 為了克服開環(huán)比值控制的不足，在開環(huán)比值控制的基礎(chǔ)上，增加對副流量的閉環(huán)控制。特點： 對Q2進行閉環(huán)控制，比值控制精度提高。 控制目標(biāo)：Q2=K Q1 對Q1只測量、不控制。Q1變化，Q2跟著變化，總流量不穩(wěn)定。 F1T Q1 Q2 K F2T F2C 3. 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 如果要求比值控制中主流量也受控制，則增加主流量控制回路。特點：有兩個閉環(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。兩個流量都可控，因此總流量穩(wěn)定。 F1T Q1 Q2 F1C F2T F2C K 4．變比值控制系統(tǒng) 兩種物料流量的比值隨第三個工藝參數(shù)的需要而變化的控制系統(tǒng)，稱為變比值控制系統(tǒng)。 例如，變換爐工藝中，煤氣與水蒸氣（5~8倍）在觸媒的催化下，轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫氣，溫度越高轉(zhuǎn)化率越高。 但溫度過高會影響觸媒壽命，如果根據(jù)觸媒層的溫度調(diào)節(jié)其比例系數(shù)，就能保持最佳的觸媒溫度和最高的轉(zhuǎn)化率。 F1T F2T TT 轉(zhuǎn)化氣 溫度控制器TC根據(jù)觸媒的實際溫度與給定溫度的偏差，計算流量比值的給定值。 除法器算出蒸汽與煤氣流量的實際比值，輸入到流量控制器FC 通過調(diào)整蒸汽量（改變蒸汽與半水煤氣的比值）來使變換爐觸媒層的溫度恒定在給定值上。 Gc2(s) Y(s) + Gv2(s) G02(s) G0(s) Gc1(s) X (s) Gm(s) Q1(s) Q2(s) Gm2(s) Gm1(s) ÷ + K' Kr' _ _ 變比值控制系統(tǒng)框圖 應(yīng)當(dāng)注意，在變比值控制系統(tǒng)中，流量比值只是一種控制手段，不是最終目的，而第三參數(shù)（如本例中溫度）往往是主要被控參數(shù)。 7.4.2比值控制系統(tǒng)的設(shè)計與參數(shù)整定 1．比值控制系統(tǒng)設(shè)計 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，其余的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成本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，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 應(yīng)根據(jù)不同的生產(chǎn)要求確定控制方案，同時兼顧經(jīng)濟性原則。 ①如果工藝上僅要求兩物料流量之比值一定，而對總流量無要求，可用單閉環(huán)比值控制方案。 ②如果主、副流量的擾動頻繁，而工藝要求主、副物料總流量恒定的生產(chǎn)過程，可用雙閉環(huán)比值控制方案。 ③當(dāng)生產(chǎn)工藝要求兩種物料流量的比值要隨著第三參數(shù)的需要進行調(diào)節(jié)時，可用變比值控制方案。 3）調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的確定 比值控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律是根據(jù)控制方案和控制要求而定。 在單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中，比值器K起比值計算作用，若用調(diào)節(jié)器實現(xiàn)，則選P調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)器F2C使副流量穩(wěn)定，為保證控制精度可選PI調(diào)節(jié)。 F1T Q1 Q2 K F2T F2C p pI 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、副流量均要實現(xiàn)定值控制，所以兩個調(diào)節(jié)器均應(yīng)選PI調(diào)節(jié)；比值器選P調(diào)節(jié)。 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、副流量均要實現(xiàn)定值控制，所以兩個調(diào)節(jié)器均應(yīng)選PI調(diào)節(jié)；比值器選P調(diào)節(jié)。 F1T Q1 Q2 F1C F2T F2C K pI pI p 4）正確選擇流量計及其量程 各種流量計都有一定的適用范圍（一般正常流量選在滿量程的70％左右），可參考有關(guān)設(shè)計資料、產(chǎn)品手冊正確地選擇和使用。 5）比值系數(shù)的計算 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’后才能進行比值設(shè)定。 變送器的轉(zhuǎn)換特性不同，比值系數(shù)K’的計算公式不同。 （l）流量與測量信號之間成線性關(guān)系 如果Q1的流量計測量范圍為0～Q1max 、Q2的流量計測量范圍為0～Q2max，則變送器輸出電流信號和流量之間的關(guān)系如下： Q1=(I1-4)Q1max /16 Q2=(I2-4)Q2max /16 代入工藝比值公式： 儀表比值： 得換算公式： （2）流量與測量信號之間成非線性關(guān)系 利用節(jié)流原理測流量時，流量計輸出信號與流量的平方成正比： ?I=CQ2 則： 代入工藝比值公式： 得換算公式： 6）流量測量中的溫度、壓力補償 用差壓流量計測量氣體流量時，被測氣體溫度和壓力的變化會使其密度發(fā)生變化，流量的測量值將產(chǎn)生誤差。 對于溫度、壓力變化較大、而控制質(zhì)量要求較高的對象，必須進行溫度、壓力補償，以保證流量測量值的準(zhǔn)確。 7.4.2.2 比值控制系統(tǒng)的實施與參數(shù)整定 1）比值系數(shù)的實現(xiàn) 比值系統(tǒng)的實現(xiàn)有相乘和相除二種方法。在工程上可采用比值器、乘法器、除法器等儀表實現(xiàn)；用計算機控制時，通過比例、乘、除運算程序?qū)崿F(xiàn)。 2）比值控制系統(tǒng)的參數(shù)整定 比值系統(tǒng)的主流量回路，可按單回路控制系統(tǒng)進行整定；比值系統(tǒng)的副流量整定為振蕩與不振蕩的邊界為佳，即過渡過程既不振蕩而反應(yīng)又快。 7.5 均勻控制系統(tǒng) 在連續(xù)生產(chǎn)過程中，有許多裝置是前后緊密聯(lián)系的。前一設(shè)備的出料，往往是后一設(shè)備的進料，各設(shè)備的操作也互相關(guān)聯(lián)、互相影響。例如圖7.24所示的兩個連續(xù)操作的精餾塔。 1#塔要求液位穩(wěn)定，設(shè)液位控制系統(tǒng)。 2#塔要求進料量穩(wěn)定，設(shè)流量控制系統(tǒng)。 LC 1# 2# FT FC LT 顯然，這兩套控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)存在矛盾： 7.5.1均勻控制系統(tǒng)工作原理及特點 為使兩個在控制上互相矛盾的工藝參數(shù)都能滿足工藝要求而設(shè)計的控制系統(tǒng)稱為均勻控制系統(tǒng)。 如此例用一個簡單控制系統(tǒng)，通過整定，實現(xiàn)對液位和流量兩個工藝參數(shù)同時兼顧、協(xié)調(diào)控制。 和其它控制方式相比，均勻控制的特點如下： （1）兩個工藝參數(shù)在控制過程中都作緩慢變化 因為若將1#塔液位控制成最佳，會導(dǎo)致2#塔的進料量波動很大；反之若將2#塔的進料量控制成最佳，會導(dǎo)致1#塔液位波動很大。 LC 1# 2# LT 即然無法實現(xiàn)兩個被控參數(shù)都很平穩(wěn)，只有讓兩者互相兼顧。雖然控制過程都延長，但波動都比較緩慢、且幅度較小，才有可能同時符合控制要求。 1#塔液位、2#塔流量均控制緩慢 L F L F t O （2）前后互相聯(lián)系又互相矛盾的兩個變量應(yīng)保持在所允許的范圍內(nèi)波動。 如圖，1#塔塔釜液位的升降變化不能超過規(guī)定的上下限。2#塔進料流量也不能超越規(guī)定的上下限，否則就不能滿足工藝要求。 7.5.2均勻控制方案 均勻控制常用的結(jié)構(gòu)有簡單均勻控制、串級均勻控制等形式，下面介紹這兩種控制結(jié)構(gòu)方案。 1．簡單均勻控制 結(jié)構(gòu)與簡單液位定值控制系統(tǒng)一樣，但系統(tǒng)控制的目的不同。均勻控制的目的是協(xié)調(diào)控制液位和排出流量兩個變量。 由于控制目的不同，均勻控制要求兼顧兩個變量，是通過調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定來實現(xiàn)的。 簡單均勻控制系統(tǒng)中的控制器一般都是純比例作用，而且將比例度整定得很大。 當(dāng)液位變化時，控制器的輸出變化很小，排出流量只作微小緩慢的變化，以較弱的控制作用達到均勻控制的目的。 2．串級均勻控制 為了克服簡單均勻控制只有一個控制回路，只能保證一個被控變量精度的缺點，可在簡單均勻控制方案基礎(chǔ)上增加一個副控制回路，構(gòu)成串級均勻控制。 結(jié)構(gòu)與串級控制系統(tǒng)相同。增加了流量控制回路，可以及時克服壓力干擾，保證流量控制精度。 LC 1# 2# FT FC LT 串級均勻控制方案中，主、副變量都有控制要求，所以控制手法上與串級控制不同。 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。 串級均勻控制方案適用于干擾較大的場合。使用儀表較多，投運、維護較復(fù)雜。 7.6分程控制系統(tǒng) 在分程控制系統(tǒng)中，一個控制器的輸出信號被分割成幾個行程段，每一段行程各控制一個調(diào)節(jié)閥，故取名為分程控制系統(tǒng)。 例如，一個控制器的輸出信號分程控制兩個調(diào)節(jié)閥A和B ， A和B的輸入信號各占一半行程。 可調(diào)整閥門定位器來縮小調(diào)節(jié)閥的輸入量程 。 C A B M M 7.6.1分程控制系統(tǒng)工作原理及類型 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)過程中，每次投料完畢后，需要先對其加熱引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。 一旦反應(yīng)開始進行，就會持續(xù)產(chǎn)生大量的反應(yīng)熱，如果不及時降溫，物料溫度會越來越高，有發(fā)生爆炸的危險。因此，必須降溫。 TT 冷卻水 B TC A 為此，可設(shè)計以反應(yīng)器內(nèi)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。 為保證安全，熱水閥采用氣開式，冷水閥采用氣關(guān)式，則溫度調(diào)節(jié)器設(shè)為反作用。 工作原理如下： 當(dāng)裝料完成、化學(xué)反應(yīng)開始前，溫度測量值小于設(shè)定值。調(diào)節(jié)器TC輸出氣壓大于0.06MPa，A（冷水）閥關(guān)閉，B（熱水）閥開啟，反應(yīng)器夾套中進的熱水使反應(yīng)物料溫度上升。 圖7.29 調(diào)節(jié)閥分程關(guān)系曲線 MPa 0 100% 0.02 0.06 0.10 A閥 B閥 反應(yīng)開始后，反應(yīng)物溫度逐漸升高，調(diào)節(jié)器輸出逐漸下降，熱水閥逐漸關(guān)小；當(dāng)反應(yīng)物料溫度達到并高于設(shè)定值時，調(diào)節(jié)器輸出氣壓將小于0.06MPa，熱水閥完全關(guān)閉，冷水閥逐漸打開，冷水進入夾套將反應(yīng)熱帶走，使反應(yīng)物料溫度保持在設(shè)定值。 2．分程控制系統(tǒng)的類型 按照調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式和分程信號區(qū)段不同，可分為以下兩種類型： ①調(diào)節(jié)閥同向動作的分程控制系統(tǒng) 例：兩個調(diào)節(jié)閥同向動作 A、B均為正作用閥 A、B均為反作用閥 MPa 0 100% 0.02 0.06 0.10 A閥 B閥 0 100% 0.02 0.06 0.10 A閥 B閥 ②調(diào)節(jié)閥異向動作的分程控制系統(tǒng) 例：兩個調(diào)節(jié)閥異向動作 MPa 0 100% 0.02 0.06 0.10 A閥 B閥 MPa 0 100% 0.02 0.06 0.10 A閥 B閥 在0.02~0.06MPa區(qū)間，B閥全開、A閥逐漸開大；在0.06~0.10MPa區(qū)間，A閥全開、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)?。辉?.06~0.10MPa區(qū)間，A閥全關(guān)、B閥逐漸開大。 7.6.2 分程控制系統(tǒng)設(shè)計及工業(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)別是：單回路控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器輸出控制一個調(diào)節(jié)閥，分程控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器輸出控制多個調(diào)節(jié)閥。因此，系統(tǒng)設(shè)計上有所不同。 給定 － 執(zhí)行器1 對象 變送器 控制器 干擾 執(zhí)行器2 7.6.2.1 控制信號的分段 在分程控制中，調(diào)節(jié)器輸出信號分段是由生產(chǎn)工藝要求決定的。調(diào)節(jié)器輸出信號需要分成幾段，哪一段信號控制哪一個調(diào)節(jié)閥，完全取決于工藝要求。 如在此例反應(yīng)器溫度控制中，工藝需要控制兩個調(diào)節(jié)閥。因此，調(diào)節(jié)器輸出信號需要分成兩段。 7.6.2.2 調(diào)節(jié)閥特性的選擇與應(yīng)注意的問題 1. 根據(jù)工藝要求選擇同向或異向工作的調(diào)節(jié)閥 上例中，為保證安全，熱水閥采用氣開式，冷水閥采用氣關(guān)式。又因工藝要求一個閥打開時，另一個必須關(guān)閉。這就決定了兩個調(diào)節(jié)閥異向工作。因此兩個閥的特性組合應(yīng)是： MPa 0 100% 0.02 0.06 0.10 A閥 B閥 2. 流量特性的平滑銜接 兩個同向特性的調(diào)節(jié)閥并聯(lián)分程控制一種介質(zhì)的流量時，總流量特性是兩個閥流量特性的疊加組合。 如圖為蒸汽壓力減壓系統(tǒng)。小負荷時只有A閥控制、B閥不開；負荷較大時A閥全開、B閥控制。 MPa 0 100% 0.02 0.06 0.10 A閥 B閥 PT 如果兩個調(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： 流量 Q（%） 0 100 0.02 0.06 0.10 ? 45 （a）二閥特性比較接近 流量 Q（%） 0 100 0.02 0.06 0.10 ? 45 （b）二閥特性差距較大 如果兩個調(diào)節(jié)閥的增益差距較大，組合后的總流量特性有突變點，會影響調(diào)節(jié)品質(zhì)。 如果調(diào)節(jié)閥是對數(shù)流量特性，其總流量特性銜接處必有突變點。 可以通過兩個調(diào)節(jié)閥分程信號部分重迭的辦法，使調(diào)節(jié)閥流量特性實現(xiàn)平滑過渡。即將兩個閥的工作范圍擴大，形成一段重迭區(qū)。 流量 Q（%） （a）分程信號不重疊 P（MPa） 0 100 0.02 0.06 0.10 ? 流量 Q（%） （b）分程信號重疊 P（MPa） 0 100 0.02 0.06 0.10 3）調(diào)節(jié)閥的泄漏量 在分程控制中，調(diào)節(jié)閥的泄漏量太大會影響控制質(zhì)量。尤其當(dāng)大、小閥并聯(lián)工作時，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。 因為大閥的泄漏量相當(dāng)于存在一個不受控制的旁路管道，所以要求大閥的泄漏量很小。 7.6.2.3 分程控制的實現(xiàn) 分程控制要求調(diào)節(jié)閥的輸入量程進行壓縮。通過調(diào)整閥門定位器的輸入信號零點和量程，使調(diào)節(jié)閥在規(guī)定的信號區(qū)段作全行程動作。 例如，使調(diào)節(jié)閥A在0.02~0.07MPa范圍內(nèi)作全行程動作；使調(diào)節(jié)閥B在0.05~0.10MPa范圍內(nèi)作全行程動作。 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，介紹應(yīng)用比較多的兩種形式： 1、用于擴大調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍 有的生產(chǎn)工藝要求控制的流量變化范圍較大，但是調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍是有限的（國產(chǎn)統(tǒng)一設(shè)計柱塞調(diào)節(jié)閥可調(diào)范圍R＝30）。若采用一個調(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，這時可考慮采用兩個控制閥并聯(lián)的分程控制方案。 例 某廠蒸汽壓力減壓系統(tǒng) 用節(jié)流減壓的方法將10MPa的高壓蒸汽減壓成4MPa的中壓蒸汽。中壓蒸汽的使用量變化很大。 如果只用一個閥門控制，只能選擇大口徑閥。而大口徑閥在小開度下工作時，控制效果變差。 如果用兩個閥分程控制，小負荷時只開小閥，負荷增大時再開大閥。則兩個調(diào)節(jié)閥組合后，可調(diào)范圍擴大。 設(shè)大小兩個調(diào)節(jié)閥的最大流通能力分別為： CBmax=105 m3 、CAmax=4.2m3；可調(diào)范圍均為 R= 30 則兩個閥的最小流通能力分別為： CBmin= CBmin / R=105/ 30=3.5 m3 CAmin= CAmin / R=4.2/ 30=0.14 m3 兩個調(diào)節(jié)閥并聯(lián)使用時： 最小流通能力為：Cmin= CAmin =0.14 最大流通能力為： Cmax= CBmax+CAmax=107.2 m3 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、用于一個控制回路需要操縱多個控制變量 例如在工業(yè)廢液中和處理工藝中，需要根據(jù)廢液的酸堿性（pH值），分別控制加酸量或加堿量。 pHT 反 反 正 廢液 pHC 正 堿液 酸液 中和液 MPa 0 100% 0.02 0.06 0.10 酸閥 堿閥 7.7 選擇性控制系統(tǒng) 通常的自動控制系統(tǒng)是在正常生產(chǎn)狀態(tài)下對某參數(shù)進行穩(wěn)定性控制。一旦生產(chǎn)過程出現(xiàn)非正常狀態(tài)，就得放棄對此參數(shù)的控制，否則會發(fā)生事故。 燃氣 鍋爐給水 蒸汽 汽包 爐膛 P1T P1C 正 反 傳統(tǒng)的生產(chǎn)保護措施是硬保護。對危險參數(shù)設(shè)有監(jiān)測裝置，當(dāng)生產(chǎn)操作達到安全極限時發(fā)出聲、光報警。操作工立即將控制器切到手動操作、或是通過專門設(shè)置的聯(lián)鎖保護線路實現(xiàn)自動停車，排除險情。 如果控制系統(tǒng)具有自動應(yīng)變能力，對不同的生產(chǎn)狀態(tài)能自動選擇不同的控制方案，不需要通過人工操作或停車對生產(chǎn)進行保護，稱為軟保護措施。 當(dāng)生產(chǎn)出現(xiàn)不正常狀況時，能自動切換到保護性控制回路，讓保護性控制回路來恢復(fù)生產(chǎn)狀態(tài)；當(dāng)生產(chǎn)恢復(fù)正常時，再自動切回穩(wěn)定性控制回路。 選擇性控制系統(tǒng)就是能根據(jù)生產(chǎn)狀態(tài)自動選擇控制方案的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)有有多個控制回路，由選擇器根據(jù)設(shè)計的邏輯關(guān)系選通某個控制回路。 7.7.1選擇性控制系統(tǒng)的類型 選擇性控制系統(tǒng)通過選擇器實現(xiàn)選擇功能。選擇器可以接在調(diào)節(jié)器的輸出端，對控制信號進行選擇；也可以接在變送器的輸出端，對測量信號進行選擇。 1. 對調(diào)節(jié)器輸出信號進行選擇 給定2 ＋ － 變送器2 執(zhí)行器 對象 被控量2 給定1 ＋ － 變送器1 控制器1 選擇器 被控量1 干擾 控制器2 正?？刂? 取代控制 例1 鍋爐蒸汽壓力的控制 工藝要求鍋爐輸出蒸汽壓力穩(wěn)定。若用單回路控制系統(tǒng)控制，則根據(jù)蒸汽出口壓力控制燃氣量。 如果蒸汽用量大幅度變化，蒸汽壓力控制系統(tǒng)會使燃氣閥門開度大幅變化。但煤氣壓力過高會發(fā)生脫火。 燃氣 鍋爐給水 蒸汽 汽包 爐膛 P1T P1C 正 反 為防止產(chǎn)生脫火現(xiàn)象，增加一個燃氣高壓保護控制回路。用P2T測燃氣壓力，P2C的設(shè)定值為燃氣高壓上限值，當(dāng)燃氣壓力低于上限值時， P2C輸出高值信號。 燃氣 P2C 鍋爐給水 ＜ 蒸汽 汽包 爐膛 選擇器1 P2T P1T P1C 反 反 正 用低選器自動地選擇兩個控制信號中較低的一個，作為閥門的控制信號。 P2C輸出高值時，LS選中P1C作為輸出。系統(tǒng)是以蒸汽壓力為被控變量的簡單控制系統(tǒng)。當(dāng)煤氣壓力超過P2C給定值時， P2C輸出低值， LS將改選P2C作為輸出。 系統(tǒng)處于燃氣壓力控制時，蒸汽出口壓力控制回路被燃氣壓力安全保護回路所取代。 在蒸汽壓力定值控制與燃氣高壓自動保護的選擇控制過程中，還可能出現(xiàn)另一種事故：如果因蒸汽負荷很低，導(dǎo)致燃氣流量過低，會出現(xiàn)熄火現(xiàn)象，也必須加以防止。 為防止出現(xiàn)熄火現(xiàn)象，再增加一個燃氣低壓保護控制回路 — P3T、 P3C。 P3C的設(shè)定值為燃氣壓力下限值，當(dāng)燃氣壓力低于下限值時， P3C輸出高值信號，被HS選中。 燃氣 P2C 鍋爐給水 ＜ 蒸汽 汽包 爐膛 ＞ 選擇器1 選擇器2 P3T P3C P2T P1T P1C 正 反 反 反 當(dāng)燃氣壓力高于下限值時， P3C輸出低值信號，不會被HS選中。 本系統(tǒng)的選擇器在控制器之后，是三選一系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)處于燃氣壓力保護控制期間，蒸汽出口壓力不能保證符合工藝要求。 2．對變送器輸出信號進行選擇 這種系統(tǒng)的選擇器裝在控制器之前，對變送器輸出信號進行選擇。用于幾個被控變量的給定值、控制規(guī)律都一樣的場合。 給定 ＋ － 變送器2 執(zhí)行器 對象 被控量2 變送器1 選擇器 被控量1 干擾 控制器 正常控制 例2 固定床反應(yīng)器中熱點溫度的控制 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)生的熱量若不及時被冷卻液帶走，溫度過高會燒壞催化劑。因催化劑的老化、變質(zhì)和流動等原因，固定床不同位置的溫度可能不同。 ＞ 冷卻液 入料 T1T TC 反 T2T T3T 反應(yīng)器 產(chǎn)品 反 在不同位置分別安裝溫度傳感器，由選擇器選出熱點溫度信號，送入控制器進行控制。 在此設(shè)備中，三點被控溫度是串聯(lián)關(guān)系。因此，控制系統(tǒng)方框圖中對象特性可等效為串聯(lián)的三段。 給定 ＋ － 變送器2 執(zhí)行器 對象3段 變送器1 選擇器 被控量1 控制器 對象2段 對象1段 變送器1 7.7.2選擇性控制系統(tǒng)的設(shè)計原則 選擇性控制系統(tǒng)是多個常規(guī)控制系統(tǒng)的組合。與常規(guī)控制系統(tǒng)的設(shè)計相比，主要不同點是選擇器的設(shè)計選型和調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)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。 選擇器類型的確定，是根據(jù)執(zhí)行器的作用方向和控制回路的切換條件決定的。 例1 蒸汽壓力與燃氣壓力的自動選擇控制 由于燃氣閥是正作用閥，防止燃氣壓力過高的選擇器1就應(yīng)當(dāng)是低選，防止燃氣壓力過低的選擇器2就應(yīng)當(dāng)是高選。 例2 固定床反應(yīng)器中熱點溫度的控制 控制思路就是按最高點溫度控制，所有的點的溫度都不會超標(biāo)，所以用高選器。 2．調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的確定 對于正常工況下運行的調(diào)節(jié)器，由于有較高的控制精度要求，可用PI調(diào)節(jié)或PID調(diào)節(jié)；對于取代調(diào)節(jié)器，一般只要求其迅速發(fā)揮保護作用，可用P調(diào)節(jié)。 3．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)的整定方法進行整定。對于取代調(diào)節(jié)器，要求能及時產(chǎn)生自動保護作用，其比例度P應(yīng)整定得小一些。 4．選擇性控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器抗積分飽和 選擇性控制系統(tǒng)運行中，無論在正常工況下，還是在異常工況下，總是有調(diào)節(jié)器處于開環(huán)待命狀態(tài)。 如果調(diào)節(jié)器使用了積分作用，當(dāng)其處于開環(huán)待命狀態(tài)時，偏差輸入信號一直存在。 那么積分作用將使控制器的輸出不斷增加或減小，一直達到輸出的極限值為止，這種現(xiàn)象稱之為“積分飽和”。 當(dāng)積分電路處于積分飽和狀態(tài)時，它的輸出將達到最大或最小的極限值，積分運放正負輸入端電位不再相等：V－= Vo2 ; V＋= VB 此時若切回控制器，要讓其重新發(fā)揮作用，必須等它退出飽和區(qū)，使輸出慢慢返回到執(zhí)行器的有效輸入范圍。 這種控制的不及時，有時會給系統(tǒng)帶來嚴重的后果，因而必須設(shè)法防止。 抗積分飽和措施 抗積分飽和是調(diào)節(jié)器的一個附加功能，可供用戶選擇。在儀表中采用的方法有： （1）PI-P法 用監(jiān)測電路監(jiān)測積分電容CM兩端電壓 當(dāng)其接近飽和電壓時，給CM兩端接通一個并聯(lián)電阻，將積分電路改為比例電路。 （2）積分切除法 當(dāng)控制器未被選中處于開環(huán)工作狀態(tài)時，控制儀表內(nèi)部電路自動切換到比例電路，或數(shù)字控制算法改為比例算法。 （3）限幅法 通過設(shè)置限幅電路，對積分電容兩端電壓加以限制。 限幅電路 7.8 解耦控制 有些生產(chǎn)過程中，在一個設(shè)備上需要設(shè)置若干個控制系統(tǒng)，分別對多個被控參數(shù)進行控制。在這種情況下，多個控制系統(tǒng)之間就有可能存在相互關(guān)聯(lián)和相互影響，稱為相互耦合。 控制系統(tǒng)間的耦合，會妨礙各被控參數(shù)的獨立控制，嚴重時甚至?xí)茐母飨到y(tǒng)的正常工作。 通過采取措施，把相互關(guān)聯(lián)的多參數(shù)控制過程轉(zhuǎn)化為幾個彼此獨立的控制系統(tǒng)。把這樣的系統(tǒng)稱為解耦控制系統(tǒng)（或自治控制系統(tǒng)）。 7.8.1被控過程的耦合現(xiàn)象及對控制過程的影響 下面用一個實例來分析被控過程的耦合現(xiàn)象及對控制過程的影響。 圖7.37 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 T2C T2T T1C 蒸汽QS 進料F 塔頂產(chǎn)品QD u2 T1T 冷凝器 回流罐 圖中，精餾塔的塔頂溫度控制系統(tǒng)和塔底溫度控制系統(tǒng)存在耦合現(xiàn)象。 塔頂溫度控制系統(tǒng)和塔底溫度控制系統(tǒng)的耦合關(guān)系，可抽象為方框圖表示（將變送器、執(zhí)行器環(huán)節(jié)特性簡化為1）。 圖7.38 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) T10 T20 + - + + + + + - 7.8.2解耦控制系統(tǒng)設(shè)計 解耦控制就是通過解耦環(huán)節(jié)，使存在耦合的多變量控制系統(tǒng)變?yōu)橄嗷オ毩⒌膯巫兞靠刂葡到y(tǒng)。 下面討論幾種常用的解耦方法。 1．前饋補償解耦設(shè)計 前饋補償解耦是最早用于多變量耦合控制系統(tǒng)的解耦方法，是利用前饋控制原理實現(xiàn)解耦。 圖7.39所示為應(yīng)用前饋環(huán)節(jié)實現(xiàn)（二變量）解耦的系統(tǒng)框圖。 根據(jù)不變性原理可得： U1(s) G21(s)+ U1(s) N21(s) G22(s)=0 U2(s) G12(s)+ U2(s) N12(s) G11(s)=0 圖7.39 前饋補償解耦系統(tǒng)框圖 G11(s) Y1(s) U1(s) G21(s) G12(s) G22(s) U2(s) Gc2(s) Gc1(s) Y2(s) X1 X2 + - + + + + + - N21(s) N12(s) + + + + 求得解耦環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型： 2．對角矩陣解耦設(shè)計 對角矩陣設(shè)計法是設(shè)計一個解耦器，使解耦器的傳遞函數(shù)陣與被控過程的傳遞函數(shù)陣的乘積成為對角陣，以消除多變量被控過程變量之間的相互耦合。 圖7.40 雙變量解耦系統(tǒng)框圖 G11(s) Y1(s) U1(s) G21(s) G12(s) G22(s) U2(s) Gc2(s) Gc1(s) Y2(s) X1 X2 + - + + + + + - N11(s) N21(s