《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》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(jí)、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(diǎn)：串級(jí)、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(diǎn)：串級(jí)、前饋控制系統(tǒng)的分析及應(yīng)用。 簡(jiǎn)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(yán)格，變量之間的關(guān)系更加復(fù)雜。 隨著技術(shù)發(fā)展，對(duì)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(jì)出各種復(fù)雜控制系統(tǒng)。 7.1 串級(jí)控制系統(tǒng) 當(dāng)對(duì)象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時(shí)，采用簡(jiǎn)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(shí)，可考慮采用串級(jí)控制系統(tǒng)。 7.1.1串級(jí)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作過程 串級(jí)控制是在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上的改進(jìn)。 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(jìn)行。因此，需要控制原油加熱后的出口溫度。 簡(jiǎn)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(cè)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(xì)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(jí)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(duì)象 主對(duì)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(diǎn)： 系統(tǒng)有兩個(gè)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(jìn)入副回路 如燃料壓力f3(t)、燃料熱值f4(t)發(fā)生擾動(dòng) 進(jìn)入副回路的干擾首先影響爐膛溫度，副變送器提前測(cè)出，副控制器立即開始控制，控制過程大為縮短。 2．干擾進(jìn)入主回路 如原油流量 f1(t)、原油入口溫度 f2(t)發(fā)生擾動(dòng) 對(duì)進(jìn)入主回路的干擾，雖然副變送器不能提前測(cè)出，但副回路的閉環(huán)負(fù)反饋，使對(duì)象爐膛部分特性的時(shí)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(shí)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(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及其分析 將副環(huán)等效成單回路控制系統(tǒng)的一個(gè)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(jí)控制系統(tǒng)能改善被控過程的動(dòng)態(tài)特性 控制通道等效副對(duì)象的傳函： 設(shè)： T02′<< T02 K02 ′≈1/Km2 則： T02 ′<< T02 ，說明主環(huán)控制通道時(shí)間常數(shù)縮短，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 串級(jí)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(duì)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(dòng)態(tài)性能。 7.1.2.2串級(jí)控制系統(tǒng)抗干擾能力增強(qiáng) 對(duì)于進(jìn)入副回路的干擾，串級(jí)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(shí)間常數(shù)縮短。 對(duì)于進(jìn)入主回路的干擾，串級(jí)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(shí)間常數(shù)被縮短，加快了系統(tǒng)的控制速度。 7.1.2.3串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷和操作條件變化的適應(yīng)能力增強(qiáng) 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(diǎn)，對(duì)象的放大倍數(shù)往往不同。如果是單回路控制，這會(huì)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(duì)于串級(jí)控制，部分對(duì)象被包含在副回路中，其放大倍數(shù)被負(fù)反饋壓制。因而工藝負(fù)荷或操作條件變化時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量。 K02 ′≈1/Km2 串級(jí)系統(tǒng)特點(diǎn)總結(jié)： ①對(duì)進(jìn)入副回路的干擾有很強(qiáng)的克服能力； ②改善了被控過程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；對(duì)進(jìn)入主回路的干擾控制效果也有改善； ③對(duì)負(fù)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(jí)控制 單回路控制 t y 7.1.3 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與參數(shù)整定 7.1.3.1串級(jí)控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 1．主回路設(shè)計(jì) 主回路設(shè)計(jì)與單回路控制系統(tǒng)一樣。 2．副回路設(shè)計(jì) 副回路設(shè)計(jì)中，最重要的是選擇副回路的被控參數(shù)（串級(jí)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(gè)原則： ①主、副變量有對(duì)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(shí)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(jì)性 3．主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇 串級(jí)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(diǎn)。 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(yán)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(yán)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(duì)串級(jí)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(fù)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(fù)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(fù)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(jí)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(jìn)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(cè)量信號(hào)增大，說明副對(duì)象和變送器都是正作用。為保證副回路為負(fù)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(duì)于主調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)閥開大、爐膛溫度升高時(shí)，原料油出口溫度也升高，說明主對(duì)象也是正作用，而主調(diào)信號(hào)通過副調(diào)的給定端時(shí)不反向。為保證主回路為負(fù)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(jí)系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用 當(dāng)生產(chǎn)工藝要求高，采用簡(jiǎn)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(jí)控制系統(tǒng)。 串級(jí)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(yán)重的過程 7.1.3.2串級(jí)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(jìn)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(jí)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(gè)環(huán)節(jié)，仍按單回路對(duì)主調(diào)節(jié)器進(jìn)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(yàn)，先將副調(diào)節(jié)器參數(shù)一次調(diào)好，不再變動(dòng)，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(diǎn)是對(duì)被控變量進(jìn)行檢測(cè)，只要干擾引起被控變量的變化，控制器即根據(jù)偏差進(jìn)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(cè)量變送器 控制器 執(zhí)行器 對(duì)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(cè)干擾事先調(diào)節(jié)，即在干擾引起被控變量變化之前進(jìn)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(duì)被控變量的影響，實(shí)現(xiàn)不變性調(diào)節(jié)。 測(cè)量變送器 控制器 執(zhí)行器 對(duì)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(diǎn) 1、反饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 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(diǎn)： 1、 根據(jù)偏差進(jìn)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(jìn)一步提高。 3、 可以消除反饋環(huán)內(nèi)各種擾動(dòng)的影響。 2、前饋控制的原理與特點(diǎn) 前饋控制的原理是：當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)即將其測(cè)量出來，前饋控制器根據(jù)擾動(dòng)量的大小事先進(jìn)行控制。 例 針對(duì)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(bǔ)償原理 如果補(bǔ)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(diǎn)： ①前饋控制是按干擾進(jìn)行控制的， 稱為“擾動(dòng)補(bǔ)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(duì)象特性確定的。 ④前饋控制只對(duì)特定的干擾有控制作用，對(duì)其它干擾無效。 前饋控制的局限性 ①實(shí)際工業(yè)過程中干擾很多，不可能對(duì)每個(gè)干擾設(shè)計(jì)一套控制系統(tǒng)。 ②前饋控制器的補(bǔ)償控制規(guī)律很難精確實(shí)現(xiàn)，而開環(huán)系統(tǒng)對(duì)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(bǔ)償和動(dòng)態(tài)補(bǔ)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(jìn)行靜態(tài)增益補(bǔ)償，不考慮速度補(bǔ)償。 （S=0時(shí)） 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(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，前饋控制器就是一個(gè)比例放大器。但控制過程中，動(dòng)態(tài)偏差依然存在。 2．動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng) 完全按照補(bǔ)償控制規(guī)律制作控制器，能在每個(gè)時(shí)刻都完全補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)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(duì)主要干擾，反饋控制針對(duì)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(duì)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(diǎn) 干擾F(s)對(duì)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(bǔ)償條件。表明復(fù)合控制系統(tǒng)與前饋控制系統(tǒng)的補(bǔ)償條件完全相同，并不因?yàn)橐M(jìn)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?yàn)橐M(jìn)前饋控制而有所改變。 復(fù)合控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)： ①在反饋控制的基礎(chǔ)上對(duì)主要干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)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(duì)前饋控制器的精度要求，有利于簡(jiǎn)化前饋控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)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(jí)復(fù)合控制系統(tǒng) 對(duì)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(duì)被控參量的控制精度要求又很高，可以考慮采用前饋——串級(jí)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(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可知： 1、串級(jí)控制回路的傳函和單純的串級(jí)控制系統(tǒng)一樣 2、前饋控制器的傳函主要由擾動(dòng)通道和主對(duì)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(dá)式 實(shí)際上，要得到上式的精確數(shù)學(xué)模型比較困難，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)也比較困難，還不如用簡(jiǎn)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(shí)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(shí)根據(jù)補(bǔ)償要求調(diào)整各個(gè)系數(shù)值，就可獲得不同的前饋補(bǔ)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(chǎng)合 （1）某個(gè)干擾對(duì)被控變量影響劇烈。 （2）對(duì)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(jí)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(rèn)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(duì)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(jìn)行采樣控制。在兩次采樣之間，保持控制信號(hào)不變，直到下一個(gè)控制信號(hào)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(shí)接通或斷開。S1、S2接通時(shí)，采樣控制器閉環(huán)工作；S1、S2斷開時(shí)，采樣控制器停止工作，輸出為零，但是上一時(shí)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(dòng)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(bǔ)償控制 Simth預(yù)估補(bǔ)償控制是按照對(duì)象特性，設(shè)計(jì)一個(gè)模型加入到反饋控制系統(tǒng)，提早估計(jì)出對(duì)象在擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，提早進(jìn)行補(bǔ)償，使控制器提前動(dòng)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(jiǎn)單控制方案時(shí)，大滯后過程的特性。 如圖是簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)框圖。其中變送器的傳遞函數(shù)簡(jiǎn)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(dú)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(bǔ)償?shù)?，則實(shí)現(xiàn)無滯后控制。Smith提出了一種大滯后系統(tǒng)預(yù)估補(bǔ)償控制方法，圖7.17是Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)框圖，Gb(s) 是Smith預(yù)估補(bǔ)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(bǔ)償器后，控制量U(s)與反饋信號(hào)Y’(s)之間的傳遞函數(shù)是兩個(gè)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(dá)式，就可得到圖7.18的Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)實(shí)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(bǔ)償?shù)男Ч治觯? 一、預(yù)估補(bǔ)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(bǔ)償?shù)目刂葡到y(tǒng)相比： 1、 預(yù)估補(bǔ)償控制的特征方程中不包含e –τoS項(xiàng)，即預(yù)估補(bǔ)償消除了控制通道純滯后對(duì)系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性的影響。 2、分子中的e –τoS項(xiàng)說明被控參數(shù)y(t)的響應(yīng)在時(shí)間上推遲了τ0時(shí)段。 預(yù)估補(bǔ)償控制 無預(yù)估補(bǔ)償控制 二、預(yù)估補(bǔ)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(bǔ)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(xiàng)，即預(yù)估補(bǔ)償消除了純滯后對(duì)系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性的影響。 2、 第二項(xiàng)含有e –τoS，表明系統(tǒng)的控制作用比干擾作用純滯后τ0時(shí)間，并沒有消除純滯后對(duì)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(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值擾動(dòng)的控制效果很好，對(duì)負(fù)荷擾動(dòng)的控制效果有所改善。 另外，Smith預(yù)估補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)補(bǔ)償模型的誤差十分敏感，補(bǔ)償效果取決于補(bǔ)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(jì)性。 定義：實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)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(shí)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(cè)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(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=K Q1 對(duì)Q1只測(cè)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(diǎn)：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。兩個(gè)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(gè)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(huì)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(shí)際溫度與給定溫度的偏差，計(jì)算流量比值的給定值。 除法器算出蒸汽與煤氣流量的實(shí)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(jì)與參數(shù)整定 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(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 應(yīng)根據(jù)不同的生產(chǎn)要求確定控制方案，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之比值一定，而對(duì)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(dòng)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(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，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(jì)算作用，若用調(diào)節(jié)器實(shí)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(shí)現(xiàn)定值控制，所以兩個(gè)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(shí)現(xiàn)定值控制，所以兩個(gè)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(jì)及其量程 各種流量計(jì)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(jì)資料、產(chǎn)品手冊(cè)正確地選擇和使用。 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。 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。 （l）流量與測(cè)量信號(hào)之間成線性關(guān)系 如果Q1的流量計(jì)測(cè)量范圍為0～Q1max 、Q2的流量計(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(cè)量信號(hào)之間成非線性關(guān)系 利用節(jié)流原理測(cè)流量時(shí)，流量計(jì)輸出信號(hào)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(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。 7.4.2.2 比值控制系統(tǒng)的實(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。在工程上可采用比值器、乘法器、除法器等儀表實(shí)現(xiàn)；用計(jì)算機(jī)控制時(shí)，通過比例、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)的主流量回路，可按單回路控制系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)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(gè)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(jìn)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(diǎn) 為使兩個(gè)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(jì)的控制系統(tǒng)稱為均勻控制系統(tǒng)。 如此例用一個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，通過整定，實(shí)現(xiàn)對(duì)液位和流量?jī)蓚€(gè)工藝參數(shù)同時(shí)兼顧、協(xié)調(diào)控制。 和其它控制方式相比，均勻控制的特點(diǎn)如下： （1）兩個(gè)工藝參數(shù)在控制過程中都作緩慢變化 因?yàn)槿魧?#塔液位控制成最佳，會(huì)導(dǎo)致2#塔的進(jìn)料量波動(dòng)很大；反之若將2#塔的進(jìn)料量控制成最佳，會(huì)導(dǎo)致1#塔液位波動(dòng)很大。 LC 1# 2# LT 即然無法實(shí)現(xiàn)兩個(gè)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(zhǎng)，但波動(dòng)都比較緩慢、且幅度較小，才有可能同時(shí)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(gè)變量應(yīng)保持在所允許的范圍內(nèi)波動(dòng)。 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(jìn)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(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結(jié)構(gòu)方案。 1．簡(jiǎn)單均勻控制 結(jié)構(gòu)與簡(jiǎn)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?jī)蓚€(gè)變量。 由于控制目的不同，均勻控制要求兼顧兩個(gè)變量，是通過調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定來實(shí)現(xiàn)的。 簡(jiǎn)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(shí)，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(dá)到均勻控制的目的。 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)被控變量精度的缺點(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。 LC 1# 2# FT FC LT 串級(jí)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(jí)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(jí)均勻控制方案適用于干擾較大的場(chǎng)合。使用儀表較多，投運(yùn)、維護(hù)較復(fù)雜。 7.6分程控制系統(tǒng) 在分程控制系統(tǒng)中，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(duì)其加熱引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。 一旦反應(yīng)開始進(jìn)行，就會(huì)持續(xù)產(chǎn)生大量的反應(yīng)熱，如果不及時(shí)降溫，物料溫度會(huì)越來越高，有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)。因此，必須降溫。 TT 冷卻水 B TC A 為此，可設(shè)計(jì)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(cè)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(jìn)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)??；當(dāng)反應(yīng)物料溫度達(dá)到并高于設(shè)定值時(shí)，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(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。 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(hào)區(qū)段不同，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) 例：兩個(gè)調(diào)節(jié)閥同向動(dòng)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(dòng)作的分程控制系統(tǒng) 例：兩個(gè)調(diào)節(jié)閥異向動(dòng)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)??；在0.06~0.10MPa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(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)別是：?jiǎn)位芈房刂葡到y(tǒng)中調(diào)節(jié)器輸出控制一個(gè)調(diào)節(jié)閥，分程控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器輸出控制多個(gè)調(diào)節(jié)閥。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)上有所不同。 給定 － 執(zhí)行器1 對(duì)象 變送器 控制器 干擾 執(zhí)行器2 7.6.2.1 控制信號(hào)的分段 在分程控制中，調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)分段是由生產(chǎn)工藝要求決定的。調(diào)節(jié)器輸出信號(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。 如在此例反應(yīng)器溫度控制中，工藝需要控制兩個(gè)調(diào)節(jié)閥。因此，調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)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(gè)閥打開時(shí)，另一個(gè)必須關(guān)閉。這就決定了兩個(gè)調(diào)節(jié)閥異向工作。因此兩個(gè)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(gè)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(shí)，總流量特性是兩個(gè)閥流量特性的疊加組合。 如圖為蒸汽壓力減壓系統(tǒng)。小負(fù)荷時(shí)只有A閥控制、B閥不開；負(fù)荷較大時(shí)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(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： 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(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)影響調(diào)節(jié)品質(zhì)。 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)。 可以通過兩個(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)平滑過渡。即將兩個(gè)閥的工作范圍擴(kuò)大，形成一段重迭區(qū)。 流量 Q（%） （a）分程信號(hào)不重疊 P（MPa） 0 100 0.02 0.06 0.10 ? 流量 Q（%） （b）分程信號(hào)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(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很小。 7.6.2.3 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。 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(kuò)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(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)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(gè)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(shí)，控制效果變差。 如果用兩個(gè)閥分程控制，小負(fù)荷時(shí)只開小閥，負(fù)荷增大時(shí)再開大閥。則兩個(gè)調(diào)節(jié)閥組合后，可調(diào)范圍擴(kuò)大。 設(shè)大小兩個(gè)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(gè)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(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=107.2 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(gè)控制回路需要操縱多個(gè)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(dòng)控制系統(tǒng)是在正常生產(chǎn)狀態(tài)下對(duì)某參數(shù)進(jìn)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(duì)此參數(shù)的控制，否則會(huì)發(fā)生事故。 燃?xì)? 鍋爐給水 蒸汽 汽包 爐膛 P1T P1C 正 反 傳統(tǒng)的生產(chǎn)保護(hù)措施是硬保護(hù)。對(duì)危險(xiǎn)參數(shù)設(shè)有監(jiān)測(cè)裝置，當(dāng)生產(chǎn)操作達(dá)到安全極限時(shí)發(fā)出聲、光報(bào)警。操作工立即將控制器切到手動(dòng)操作、或是通過專門設(shè)置的聯(lián)鎖保護(hù)線路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停車，排除險(xiǎn)情。 如果控制系統(tǒng)具有自動(dòng)應(yīng)變能力，對(duì)不同的生產(chǎn)狀態(tài)能自動(dòng)選擇不同的控制方案，不需要通過人工操作或停車對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行保護(hù)，稱為軟保護(hù)措施。 當(dāng)生產(chǎn)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，讓保護(hù)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(shí)，再自動(dòng)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(dòng)選擇控制方案的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)有有多個(gè)控制回路，由選擇器根據(jù)設(shè)計(jì)的邏輯關(guān)系選通某個(gè)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(shí)現(xiàn)選擇功能。選擇器可以接在調(diào)節(jié)器的輸出端，對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行選擇；也可以接在變送器的輸出端，對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行選擇。 1. 對(duì)調(diào)節(jié)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 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 正常控制 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?xì)饬俊? 如果蒸汽用量大幅度變化，蒸汽壓力控制系統(tǒng)會(huì)使燃?xì)忾y門開度大幅變化。但煤氣壓力過高會(huì)發(fā)生脫火。 燃?xì)? 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(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)。 燃?xì)? 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(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)。 P2C輸出高值時(shí)，LS選中P1C作為輸出。系統(tǒng)是以蒸汽壓力為被控變量的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。當(dāng)煤氣壓力超過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)，蒸汽出口壓力控制回路被燃?xì)鈮毫Π踩Ｗo(hù)回路所取代。 在蒸汽壓力定值控制與燃?xì)飧邏鹤詣?dòng)保護(hù)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(fù)荷很低，導(dǎo)致燃?xì)饬髁窟^低，會(huì)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(gè)燃?xì)獾蛪罕Ｗo(hù)控制回路 — P3T、 P3C。 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。 燃?xì)? 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?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。 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?xì)鈮毫ΡＷo(hù)控制期間，蒸汽出口壓力不能保證符合工藝要求。 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，對(duì)變送器輸出信號(hào)進(jìn)行選擇。用于幾個(gè)被控變量的給定值、控制規(guī)律都一樣的場(chǎng)合。 給定 ＋ － 變送器2 執(zhí)行器 對(duì)象 被控量2 變送器1 選擇器 被控量1 干擾 控制器 正?？刂? 例2 固定床反應(yīng)器中熱點(diǎn)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(shí)被冷卻液帶走，溫度過高會(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。 ＞ 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(diǎn)溫度信號(hào)，送入控制器進(jìn)行控制。 在此設(shè)備中，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)象特性可等效為串聯(lián)的三段。 給定 ＋ － 變送器2 執(zhí)行器 對(duì)象3段 變送器1 選擇器 被控量1 控制器 對(duì)象2段 對(duì)象1段 變送器1 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?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^高的選擇器1就應(yīng)當(dāng)是低選，防止燃?xì)鈮毫^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(diǎn)溫度的控制 控制思路就是按最高點(diǎn)溫度控制，所有的點(diǎn)的溫度都不會(huì)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(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調(diào)節(jié)或PID調(diào)節(jié)；對(duì)于取代調(diào)節(jié)器，一般只要求其迅速發(fā)揮保護(hù)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(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。 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(yùn)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(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，一直達(dá)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(shí)，它的輸出將達(dá)到最大或最小的極限值，積分運(yùn)放正負(fù)輸入端電位不再相等：V－= Vo2 ; V＋= VB 此時(shí)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(shí)，有時(shí)會(huì)給系統(tǒng)帶來嚴(yán)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(gè)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(cè)電路監(jiān)測(cè)積分電容CM兩端電壓 當(dāng)其接近飽和電壓時(shí)，給CM兩端接通一個(gè)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(shí)，控制儀表內(nèi)部電路自動(dòng)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(duì)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(gè)設(shè)備上需要設(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。在這種情況下，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，稱為相互耦合。 控制系統(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?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(gè)彼此獨(dú)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(duì)控制過程的影響 下面用一個(gè)實(shí)例來分析被控過程的耦合現(xiàn)象及對(duì)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(jìn)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(jiǎn)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(jì) 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?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)償解耦設(shè)計(jì) 前饋補(bǔ)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(shí)現(xiàn)解耦。 圖7.39所示為應(yīng)用前饋環(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(bǔ)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(duì)角矩陣解耦設(shè)計(jì) 對(duì)角矩陣設(shè)計(jì)法是設(shè)計(jì)一個(gè)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(duì)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