1、第八章第八章 复杂控制系统复杂控制系统 华东理工大学信息学院自动化系华东理工大学信息学院自动化系 必要性：必要性： 随着生产过程的随着生产过程的大型化和复杂化大型化和复杂化，对操作条件的要，对操作条件的要 求更加严格，变量之间的关系更加复杂。求更加严格，变量之间的关系更加复杂。 需要引入需要引入复杂控制系统复杂控制系统。 现代化生产对产品质量提出了现代化生产对产品质量提出了更高要求更高要求。 生产过程中的某些生产过程中的某些特殊要求特殊要求，如物料配比、前后生，如物料配比、前后生 产工序的协调等问题。产工序的协调等问题。 根据系统的根据系统的结构结构和和所担负的任务所担负的任务来分：来分： 串
2、级、均匀、比值、分程、串级、均匀、比值、分程、选择性、选择性、前馈、前馈、多多 冲量等冲量等 8.1 串级控制系统串级控制系统 本章主要内容：本章主要内容： 8.2 均匀控制系统均匀控制系统 8.6 前馈控制系统前馈控制系统 8.4 分程控制系统分程控制系统 8.3 比值控制系统比值控制系统 8.1.1 组成原理组成原理 T 被加热原料 TT TC 燃料油 出口温度 图图8-1 加热炉温度加热炉温度 控制系统控制系统 控制通道过程分析：控制通道过程分析： 温度系统滞后太大，温度系统滞后太大， 导致误差长时间不能导致误差长时间不能 克服，误差太大，不克服，误差太大，不 符合工艺要求。符合工艺要求
3、。 主要问题：主要问题： 滞后太大，控制不及时滞后太大，控制不及时。 8.1 串级控制系统串级控制系统 被控变量的偏差是由什么引起的？被控变量的偏差是由什么引起的？ 问题解决思路分析：问题解决思路分析： 答：控制住这些扰动，应该可以减小被控变量答：控制住这些扰动，应该可以减小被控变量 的波动。的波动。 答：是由于各种答：是由于各种扰动扰动引起的。引起的。 最容易想到的解决问题的办法是什么？最容易想到的解决问题的办法是什么？ T 被加热原料 TT TC 燃料油 出口温度 燃料压力的波动燃料压力的波动 加热炉温度控制系统加热炉温度控制系统 该加热炉的该加热炉的主要扰动主要扰动有哪些呢？有哪些呢？
4、燃料热值的波动燃料热值的波动 原料流量的调整或波动原料流量的调整或波动 原料入口温度的波动等原料入口温度的波动等 如果我们对每种扰动如果我们对每种扰动 都进行控制，肯定满都进行控制，肯定满 足工艺要求。但是，足工艺要求。但是， 这样控制系统就变得这样控制系统就变得 非常复杂、成本大大非常复杂、成本大大 提高。提高。 实际工业控制过程对控制系统的要求：实际工业控制过程对控制系统的要求： 在满足工艺要求的前提下，尽可能简单、经济在满足工艺要求的前提下，尽可能简单、经济 人们研究出了一种不需要增加太多的仪表就可以人们研究出了一种不需要增加太多的仪表就可以 使被控变量达到较高的控制精度的方法使被控变量
5、达到较高的控制精度的方法串级控制串级控制 系统。系统。 复杂、成本高复杂、成本高 串级控制系统的思想：串级控制系统的思想： 把时间常数较大的被控对象分解为两把时间常数较大的被控对象分解为两 个时间常数较小的被控对象。个时间常数较小的被控对象。 图图8 8- -2 2 加热炉控制过程分解加热炉控制过程分解 加热炉设 备 出口温度 T 燃料流量 炉膛温度到被控 变量 TM的设备 从燃料量到炉膛 温度 Ts 的设备 炉膛温度TS 出口温度 T 燃料流量 被控对象 1 被控对象 2 图图8-3 加热炉温度串级控制系统加热炉温度串级控制系统 T 被加热原料被加热原料 TMC TMT 燃料油燃料油 出口温
6、度出口温度 TST TSC 图图8-4 加热炉温度串级控制系统方块图加热炉温度串级控制系统方块图 u rS eM yM rM TMC TSC 控制阀 温度对象 1 温度对象 2 TS测量变送 TM测量变送 出 口 温 度 TM 干扰 f1 干扰 f2 干扰 f3 炉 膛 温 度 TS - yS eS - q T 被加热原料被加热原料 TMC TMT 燃料油燃料油 出口温度出口温度 TST TSC 图图8-3 加热炉温度串级控制系统加热炉温度串级控制系统 图图8-5 串级串级 控制控制 系统系统 组成组成 原理原理 及术及术 语语 (1) 组成原理组成原理 将原被控对象分解为两个串联的被控对象。
7、将原被控对象分解为两个串联的被控对象。 以分解后的两个被控对象的中间变量作为副被控变量，构成以分解后的两个被控对象的中间变量作为副被控变量，构成 一个副回路（简单控制系统）。一个副回路（简单控制系统）。 将原被控变量作为主被控变量构成主回路。将原被控变量作为主被控变量构成主回路。 主控制系统控制器的输出信号作为副控制系统控制器的设定主控制系统控制器的输出信号作为副控制系统控制器的设定 值值，副控制系统的输出信号作为主被控对象的输入信号，副控制系统的输出信号作为主被控对象的输入信号。 副被控 变量 副设 定值 操纵 变量 主测量值 主控 制器 副控 制器 主设 定值 执行器 副对象 主对象 副测
8、量、变送 主测量、变送 主被控 变量 干扰 干扰 - 副测量值 - 副回路（副控制系统） 主回路 (2) 串级控制系统术语串级控制系统术语 主变量：主变量：生产过程所需要控制的工艺参数，在串级生产过程所需要控制的工艺参数，在串级 控制系统中起主导作用的被控变量。控制系统中起主导作用的被控变量。 副变量：副变量：串级控制系统中为了稳定主变量或因某种串级控制系统中为了稳定主变量或因某种 需要引入的辅助变量。需要引入的辅助变量。 副被控 变量 副设 定值 操纵 变量 主测量值 主控 制器 副控 制器 主设 定值 执行器 副对象 主对象 副测量、变送 主测量、变送 主被控 变量 干扰 干扰 - 副测量
9、值 - 副回路（副控制系统） 主回路 副对象：副变量副对象：副变量表征其特性的工艺生产设备。表征其特性的工艺生产设备。 主对象：主变量主对象：主变量表征其特性的生产设备或生产过程。表征其特性的生产设备或生产过程。 副被控 变量 副设 定值 操纵 变量 主测量值 主控 制器 副控 制器 主设 定值 执行器 副对象 主对象 副测量、变送 主测量、变送 主被控 变量 副干扰 主干扰 - 副测量值 - 副回路（副控制系统） 主回路 副控制器：副控制器：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控制器（又名量的测量值与给定值的偏差而工作的控
10、制器（又名随随 动控制器动控制器）。）。 为什么把副控制器又称为随动控制器呢？为什么把副控制器又称为随动控制器呢？ 主控制器：主控制器：按主变量的按主变量的测量值测量值与与给定值给定值偏差偏差而工作，而工作， 其输出作为副变量给定值的控制器（其输出作为副变量给定值的控制器（主导控制器主导控制器）。）。 副被控 变量 副设 定值 操纵 变量 主测量值 主控 制器 副控 制器 主设 定值 执行器 副对象 主对象 副测量、变送 主测量、变送 主被控 变量 副干扰 主干扰 - 副测量值 - 副回路（副控制系统） 主回路 主回路：主回路：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、
11、副控制器， 执行器和主、副对象构成的外回路。也称为外环或执行器和主、副对象构成的外回路。也称为外环或 主环。主环。 副回路：副回路：由负变量的测量变送装置、副控制器、执由负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。也称为内环或副环。行器和副对象所构成的内回路。也称为内环或副环。 副被控 变量 副设 定值 操纵 变量 主测量值 主控 制器 副控 制器 主设 定值 执行器 副对象 主对象 副测量、变送 主测量、变送 主被控 变量 干扰 干扰 - 副测量值 - 副回路（副控制系统） 主回路 主测量值、副测量值：主测量值、副测量值：相应被控变量的测量值。相应被控变量的测量值。 主设
12、定值、副设定值：主设定值、副设定值：主设定值是主被控变量的期主设定值是主被控变量的期 望值，由主控制器内部设定。副设定值由主控制器望值，由主控制器内部设定。副设定值由主控制器 的输出信号提供。的输出信号提供。 副被控 变量 副设 定值 操纵 变量 主测量值 主控 制器 副控 制器 主设 定值 执行器 副对象 主对象 副测量、变送 主测量、变送 主被控 变量 干扰 干扰 - 副测量值 - 副回路（副控制系统） 主回路 8.1.2 控制过程控制过程 只考虑上图中的只考虑上图中的f1、f2 if P S 进入炉膛燃料油T 一方面：一方面： 另一方面：另一方面： SS TT通过副回路负反馈 SMS T
13、TT通过主回路负反馈 小结小结：由于副环的作用使控制作用变得更快、更强。由于副环的作用使控制作用变得更快、更强。 (1)扰动作用于副对象扰动作用于副对象： u rS eM yM rM TMC TSC 控制阀 温度对象 1 温度对象 2 TS测量变送 TM测量变送 出 口 温 度 TM 干扰 f1 干扰 f2 干扰 f3 炉 膛 温 度 TS - yS eS - q (2)扰动作用于主对象扰动作用于主对象： 只考虑下图中的只考虑下图中的f3 3S MM fT TT 不变 通过整个系统负反馈 u rS eM yM rM TMC TSC 控制阀 温度对象 1 温度对象 2 TS测量变送 TM测量变送
14、 出 口 温 度 TM 干扰 f1 干扰 f2 干扰 f3 炉 膛 温 度 TS - yS eS - q 小结小结：扰动作用于主对象时，串级控制也能有效扰动作用于主对象时，串级控制也能有效 地克服扰动。地克服扰动。 结论结论： 串级控制系统，副环的增加使得整个系统克服扰动串级控制系统，副环的增加使得整个系统克服扰动 的能力的能力更强更强、作用、作用更及时更及时，控制性能明显提高。，控制性能明显提高。 8.1.3 系统特点系统特点 (1)(1)分级控制思想分级控制思想 (2)(2)串级系统结构串级系统结构 将一个控制通道较长的对象分解为两个对象。将一个控制通道较长的对象分解为两个对象。 两个对象
15、、两个控制器、两个测量变送器、一两个对象、两个控制器、两个测量变送器、一 个执行器个执行器 (3)(3)系统的工作方式系统的工作方式 (4)(4)控制性能控制性能 副环既是随动又是定值控制系统；主环是定值副环既是随动又是定值控制系统；主环是定值 控制系统。控制系统。 由于副回路的引入，改善了对象特性，系统对由于副回路的引入，改善了对象特性，系统对 于扰动反映更及时，可有效地克服于扰动反映更及时，可有效地克服滞后滞后，提高控制，提高控制 性能。性能。 8.1.4 系统设计系统设计 主被控变量的选择原则：主被控变量的选择原则：与简单控制系统相同与简单控制系统相同 (1)(1)主、副被控变量的选择主
16、、副被控变量的选择 尽量选择能直接反映产品质量的变量作为被控尽量选择能直接反映产品质量的变量作为被控 变量；变量； 所选被控变量能满足生产工艺稳定所选被控变量能满足生产工艺稳定安全安全高高 效的要求；效的要求； 必须考虑自动化仪表及装置的现状。必须考虑自动化仪表及装置的现状。 副被控变量的选择原则：副被控变量的选择原则： 必须保证它是操纵变量到主被控变量通道中的一个必须保证它是操纵变量到主被控变量通道中的一个 适当中间变量。适当中间变量。串级控制系统设计的关键串级控制系统设计的关键 使主要扰动作用于副对象上使主要扰动作用于副对象上 使副对象包含使副对象包含适当多适当多的扰动的扰动 主、副对象的
17、时间常数不能太接近主、副对象的时间常数不能太接近通常使通常使T Ts s明明 显显 T TM M 原因：原因：一方面：如果相差很小，失去设置副环的意义一方面：如果相差很小，失去设置副环的意义 另一方面：如果基本相等，系统可能出现另一方面：如果基本相等，系统可能出现“共共 振振”，降低控制质量甚至会出现不稳定，降低控制质量甚至会出现不稳定 (2)(2)控制规律的选择控制规律的选择 主控制器控制规律：主控制器控制规律：原则：与简单控制类似原则：与简单控制类似 从工艺上来说，采用串级控制系统的主被控变量是从工艺上来说，采用串级控制系统的主被控变量是 主要参数，不允许有余差。主要参数，不允许有余差。P
18、I/PID(PI/PID(滞后较大时滞后较大时) ) 副控制器控制规律：副控制器控制规律： 依据：依据：副环是随动控制系统，副被控变量的控制可副环是随动控制系统，副被控变量的控制可 以有余差。为了使副环尽可能的发挥其作用。以有余差。为了使副环尽可能的发挥其作用。 所以：所以：一般选择一般选择P P控制，而且比例度选的较小。控制，而且比例度选的较小。 (3)(3)控制器作用方向的选择控制器作用方向的选择 依据：使系统为负反馈系统依据：使系统为负反馈系统 副控制器方向的选择与简单系统类似。副控制器方向的选择与简单系统类似。如何选择？如何选择？ 副控制器正、反作用的选择根据调节阀的气开、气副控制器正
19、、反作用的选择根据调节阀的气开、气 关形式来确定。关形式来确定。 主控制器正、反作用的选择根据副被控变量对主被主控制器正、反作用的选择根据副被控变量对主被 控变量的影响关系来确定。控变量的影响关系来确定。 例题：下图所示的加热炉温度例题：下图所示的加热炉温度- -压力串级控制系压力串级控制系 统，试画出该系统的方块图，并分别确定主、统，试画出该系统的方块图，并分别确定主、 副控制器的正、反作用。副控制器的正、反作用。 图图8-6 加热炉温度加热炉温度-压力串级控制系统压力串级控制系统 T 被加热原料被加热原料 TC TT 燃料油燃料油 出口温度出口温度 PT PC 气开阀气开阀 图图8-7 加
20、热炉温度加热炉温度- -压力压力串级控制系统方块图串级控制系统方块图 u rS eM yM rM TC PC =TM 控制阀 压力对象 温度对象 P 测量变送 TM测量变送 出 口 温 度 T 干扰 f1 干扰 f2 干扰 f3 管 道 压 力 P - yS eS - q 解答：解答： (1)(1)阀的气开、气关特性阀的气开、气关特性（应如何选择？）（应如何选择？） T 被加热原料被加热原料 TC TT 燃料油燃料油 出口温度出口温度 PT PC 气开阀气开阀 依据安全原则，当供气中断时，应使控制阀处于全依据安全原则，当供气中断时，应使控制阀处于全 关闭状态，不致烧坏加热炉，所以应选气开阀关闭
21、状态，不致烧坏加热炉，所以应选气开阀 Pe Pu s y 燃料量阀开度 副控副控 制器制器 (2)(2)控制器的正、反作用控制器的正、反作用（如何确定？）（如何确定？） T 被加热原料被加热原料 TC TT 燃料油燃料油 出口温度出口温度 PT PC 气开阀气开阀 所以：副控制器应选所以：副控制器应选反作用反作用。 因为：因为： 所以：主控制器应选所以：主控制器应选反作用反作用。 若两者一致，则选正作用。若两者一致，则选正作用。 PTT 要求才能使因为：因为： 主控主控 制器制器 T 被加热原料被加热原料 TC TT 燃料油燃料油 出口温度出口温度 PT PC 气开阀气开阀 结论：结论：副调节
22、器正、反作用的选择要依据阀门的副调节器正、反作用的选择要依据阀门的 气开、气关特性；主调节器正、反作用的选择与气开、气关特性；主调节器正、反作用的选择与 阀门的气开、气关形式无关。阀门的气开、气关形式无关。 DDZDDZ- -仪表投运步骤：仪表投运步骤： 将主控制器设定为将主控制器设定为内设定方式内设定方式，副控制器设定为，副控制器设定为 外设定方式外设定方式；为什么？为什么？ 在副控制器处于软手动状态下进行遥控操作，使在副控制器处于软手动状态下进行遥控操作，使 主被控变量在主设定值附近稳定下来；主被控变量在主设定值附近稳定下来； 将副控制器切入自动；将副控制器切入自动； 最后将主控制器切入自
23、动。最后将主控制器切入自动。 先手动后自动，先内后外先手动后自动，先内后外 (4)(4)系统投运系统投运 串级系统的投运与所选仪表有关。串级系统的投运与所选仪表有关。 (5)(5)主、副控制器参数的工程整定主、副控制器参数的工程整定 两步整定法：两步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器。先整定副控制器，后整定主控制器。 步骤如下：步骤如下： 在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用的条件下，将在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用的条件下，将 主控制器的比例度先固定在主控制器的比例度先固定在100%100%，然后逐渐减小副控制器的，然后逐渐减小副控制器的 比例度，求取副回路在比例度，求取副回路
24、在满足某种衰减比（满足某种衰减比（4:14:1或或10:110:1）过渡）过渡 过程下的副控制器的比例度过程下的副控制器的比例度ssss和振荡周期和振荡周期T Tssss。 在副控制器的比例度为在副控制器的比例度为ssss的条件下，逐步减小主控制器的条件下，逐步减小主控制器 的比例度，在的比例度，在同样衰减比下，得到主控制器的同样衰减比下，得到主控制器的MMMM和和T TMMMM 。 根据得到的根据得到的ssss、T Tss ss 、MMMM和和T TMMMM ，查找主、副控制器的，查找主、副控制器的 比例度、积分时间和微分时间。比例度、积分时间和微分时间。 按按“先副后主先副后主”、“先比例
25、次积分后微分先比例次积分后微分”的整定方法，的整定方法， 将得到的控制器参数加到控制器上。将得到的控制器参数加到控制器上。 观察控制过程，再作适当调整。观察控制过程，再作适当调整。 一步整定法：一步整定法：只整定主控制器，副控制器的参数按经只整定主控制器，副控制器的参数按经 验值设定。验值设定。 依据：依据：在串级控制系统中，主变量是工艺的主要操作在串级控制系统中，主变量是工艺的主要操作 指标，直接关系到产品的质量，对它要求比较严格。指标，直接关系到产品的质量，对它要求比较严格。 副变量的设置主要是为了提高主变量的控制质量，对副变量的设置主要是为了提高主变量的控制质量，对 副变量本身没有很高的
26、要求，允许它在一定范围内变副变量本身没有很高的要求，允许它在一定范围内变 化。化。 步骤如下：步骤如下： 在生产正常，系统为纯比例运行条件下，根据经验在生产正常，系统为纯比例运行条件下，根据经验 将副控制器的比例度调到某一适当值。将副控制器的比例度调到某一适当值。 利用简单控制系统的任一参数整定方法整定主控制利用简单控制系统的任一参数整定方法整定主控制 器的参数。器的参数。 如果出现如果出现“共振共振”现象，适当调整主控制器和副控现象，适当调整主控制器和副控 制器的参数整定值。制器的参数整定值。 副控制器的经验值：副控制器的经验值： 表表8 8- -1 1 一步整定法副控制器比例度的经验值一步
27、整定法副控制器比例度的经验值 副变量类型 副控制器比例度 SS(%) 副控制器比例放大倍数 KPS 温度 流量 压力 液位 5.01.25 2080 4080 3070 2060 2.51.25 3.01.4 5.01.7 串级控制系统适用场合：串级控制系统适用场合： 采用简单控制质量较差，或要求被控变量的误差采用简单控制质量较差，或要求被控变量的误差 范围很小，简单控制系统不能满足工艺要求。范围很小，简单控制系统不能满足工艺要求。 当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁，当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁， 复杂控制系统中用的最多的一种。复杂控制系统中用的最多的一种。 例题：如图所示为一锅炉
28、汽包液位控制系统的示意例题：如图所示为一锅炉汽包液位控制系统的示意 图，要求锅炉不能烧干。图，要求锅炉不能烧干。 （1 1）确定控制阀的气开、气关型式，确定控制器）确定控制阀的气开、气关型式，确定控制器 的正、反作用，并简述当加热室温度升高导致蒸汽的正、反作用，并简述当加热室温度升高导致蒸汽 蒸发量增加时，该控制系统是如何克服干扰的？蒸发量增加时，该控制系统是如何克服干扰的？ LTLT LCLC 加加 热热 室室 汽汽 包包 蒸汽蒸汽 冷水冷水 （2 2）如果冷水阀前后压力波）如果冷水阀前后压力波 动较大，请设计一个以汽包液动较大，请设计一个以汽包液 位为主变量、冷水压力为副变位为主变量、冷水
29、压力为副变 量的串级控制系统。要求画出量的串级控制系统。要求画出 带控制点的工艺流程图，确定带控制点的工艺流程图，确定 主、副控制器的正、反作用，主、副控制器的正、反作用， 简要说明该系统是如何克服扰简要说明该系统是如何克服扰 动影响的。动影响的。 解：（解：（1 1）因为：从安全的角度考虑，锅炉汽包）因为：从安全的角度考虑，锅炉汽包 内的液位不能过低。因此，当供气中断时，冷水内的液位不能过低。因此，当供气中断时，冷水 阀应该全开。阀应该全开。 所以：控制阀应该选择气关阀。所以：控制阀应该选择气关阀。 因为：因为： 所以：控制器应选正作用。所以：控制器应选正作用。 当加热室温度升高导致蒸汽蒸发
30、量增加时，液位当加热室温度升高导致蒸汽蒸发量增加时，液位 L L降低，检测变送环节降低，检测变送环节LTLT把信息送给控制器把信息送给控制器LCLC， LCLC根据偏差及控制规律开大冷水阀，使液位根据偏差及控制规律开大冷水阀，使液位L L回回 升到设定值。升到设定值。 Lye Lu 阀开度 （2 2）以汽包液位为主变量、冷水流量为副变量）以汽包液位为主变量、冷水流量为副变量 的串级控制系统带控制点的工艺流程图为：的串级控制系统带控制点的工艺流程图为： 副控制器：副控制器： 因为：因为： 所以：副控制器选正作用。所以：副控制器选正作用。 主控制器：主控制器： 因为：因为： 所以：主控制器选反作用
31、。所以：主控制器选反作用。 Pye Pu 阀开度 LPL要求才能使 LTLT LCLC 加加 热热 室室 汽汽 包包 蒸汽蒸汽 冷水冷水 PTPT PCPC 8.2 均匀控制系统均匀控制系统 图图8 8- -8 8 前后精馏塔的物料平衡关系前后精馏塔的物料平衡关系 （矛盾）（矛盾） LT LC FT FC 甲塔 乙塔 8.2.1 均匀控制的原理均匀控制的原理 图图8 8- -8 8 为连续精馏的为连续精馏的 多塔分离过程。多塔分离过程。 甲塔甲塔：塔釜液位是一：塔釜液位是一 个重要工艺参数。个重要工艺参数。 乙塔乙塔：希望进料量稳：希望进料量稳 定，即流量是其要控定，即流量是其要控 制的工艺参
32、数制的工艺参数 矛盾的解决办法：矛盾的解决办法：中间增加储罐（增加流程复杂性，中间增加储罐（增加流程复杂性， 投资增加）。投资增加）。怎么办？怎么办？ 图图8 8- -8 8 前后精馏塔的物料平衡关系前后精馏塔的物料平衡关系 （矛盾）（矛盾） LT LC FT FC 甲塔 乙塔 为了求共存：为了求共存： 均匀控制的目的：均匀控制的目的： 从控制方案出发，解决前后工序供求矛盾，达到从控制方案出发，解决前后工序供求矛盾，达到 前后兼顾协调工作（如使液位和流量均匀变化）。前后兼顾协调工作（如使液位和流量均匀变化）。 矛盾双方都矛盾双方都 降低要求降低要求 采用均匀控制的前提采用均匀控制的前提 条件：
33、条件： 系统需要控制的两系统需要控制的两 个或多个变量的要求个或多个变量的要求 不是很高，可以在一不是很高，可以在一 定范围内波动。定范围内波动。 图图8 8- -9 9 控制目标的调整控制目标的调整 (a) 流量 液位 液位 流量 (b) t t 液位 流量 (c) LT LC FT FC 甲塔 乙塔 均匀控制的特点：均匀控制的特点： 表征前后供求矛盾的两个变量在控制过程中都应表征前后供求矛盾的两个变量在控制过程中都应 该是缓慢变化的。该是缓慢变化的。 前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所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。允许的范围内波动。 均匀控制的实现方
34、法：均匀控制的实现方法： 通过控制器的通过控制器的参数整定参数整定来实现。来实现。 8.2.2 均匀控制方案均匀控制方案 (1)(1)简单均匀控制系统简单均匀控制系统 LT LC 甲塔 乙塔 图图8 8- -10 10 简单均匀控制系统简单均匀控制系统 左图可以实现基本满左图可以实现基本满 足甲塔液位和乙塔进足甲塔液位和乙塔进 料流量的控制要求。料流量的控制要求。 结构与简单液位控制结构与简单液位控制 系统一样。系统一样。 参数整定：参数整定：要按照要按照均匀控制思想均匀控制思想进行。一般采用进行。一般采用P P控控 制，且制，且先放在较大，然后同时观察两个被控变量的先放在较大，然后同时观察两
35、个被控变量的 过渡过程，达到均匀的目的。有时为了防止液位超限，过渡过程，达到均匀的目的。有时为了防止液位超限， 也引入较弱的积分作用。微分作用与均匀矛盾，不能也引入较弱的积分作用。微分作用与均匀矛盾，不能 采用。采用。 与简单控制系与简单控制系 统相比，有何统相比，有何 特点？特点？ (2)(2)串级均匀控制系统串级均匀控制系统 LT LC FT FC 甲塔 乙塔 图图8 8- -11 11 串级均匀控制系统串级均匀控制系统 简单均匀控制系统对简单均匀控制系统对 压力扰动反映不及时。压力扰动反映不及时。 另外，当系统的自衡另外，当系统的自衡 能力较强时，控制效能力较强时，控制效 果也较差。为此
36、引入果也较差。为此引入 串级均匀控制系统。串级均匀控制系统。 串级均匀控制器主、副控制器均采用串级均匀控制器主、副控制器均采用P P控制，只控制，只 是在要求较高时，为了防止偏差超过范围，才是在要求较高时，为了防止偏差超过范围，才 引入适当的引入适当的I I作用。作用。 与串级控制系与串级控制系 统相比，有何统相比，有何 特点？特点？ 参数整定：参数整定：在串级均匀控制系统中，参数整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变化。是要求变量在允许的范围内作缓慢变化。整整 定方法也与一般的串级控制系统
37、不同。定方法也与一般的串级控制系统不同。不是不是 要求主、副变量的过渡过程成某个衰减比变要求主、副变量的过渡过程成某个衰减比变 化，而是要求主、副变量化，而是要求主、副变量“均匀均匀”的得到控的得到控 制。制。均匀控制器参数值一般较大。均匀控制器参数值一般较大。 适用场合：适用场合：串级均匀控制系统适用于调节阀前后串级均匀控制系统适用于调节阀前后 压力扰动较大，过程自衡作用较显著以及对流量压力扰动较大，过程自衡作用较显著以及对流量 要求比较平稳的场合，其控制质量较高。要求比较平稳的场合，其控制质量较高。 8.3 比值控制系统比值控制系统 8.3.1 比值控制基本概念比值控制基本概念 目的：目的
38、：在工业生产过程当中，常常需要将两种或两在工业生产过程当中，常常需要将两种或两 种以上的物料按一定的比例关系进行混合。比值控种以上的物料按一定的比例关系进行混合。比值控 制的目的是为了实现几种物料按一定比例混合，使制的目的是为了实现几种物料按一定比例混合，使 生产安全、正常地进行。生产安全、正常地进行。 定义：定义：实现两个或两个以上参数符合一定比例关系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。的控制系统，称为比值控制系统。 主动量（主流量）主动量（主流量）：在需要保持比值关系的两种物料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，称此物料为主动量中，
39、必有一种物料处于主导地位，称此物料为主动量 ( (F FM M) )。 从动量（从流量）：从动量（从流量）：另一种物料按主物料进行配比，另一种物料按主物料进行配比， 在控制过程中随主物料而变化，因此称为从动量在控制过程中随主物料而变化，因此称为从动量( (F FS S) )。 从动量与主动量要满足关系式从动量与主动量要满足关系式： / SM kFF 其中，其中，k为从动量与主动量的比值。为从动量与主动量的比值。 类型：类型： 单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统 双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统 变比值控制系统变比值控制系统 8.3.2 比值控制系统类型比值控制系统类型 (1)(1)单闭环
40、比值控制系统单闭环比值控制系统 FMT FSC FST K 主动量 从动量 炉 膛 左图左图(a)为一燃烧过程。为一燃烧过程。 主动量：燃料主动量：燃料 从动量：空气从动量：空气 图图(b)为其方块图。为其方块图。 (a) 燃烧过程比值控制系统燃烧过程比值控制系统 (b)加热炉温度加热炉温度-压力串级控压力串级控 制系统方块图制系统方块图 8-12 单闭单闭 环比环比 值控值控 制系制系 统统 T 被加热原料被加热原料 TC TT 燃料油燃料油 出口温度出口温度 PT PC 气开阀气开阀 单闭环比值控制系统与串级控单闭环比值控制系统与串级控 制系统的区别制系统的区别 主流量 副流量 主测量变送
41、 副测量变送 控制器 控制阀 对象 FM KFM FS K - (a)单闭环比值控制系统方块图单闭环比值控制系统方块图 副被控 变量 副设 定值 操纵 变量 主测量值 主控 制器 副控 制器 主设 定值 执行器 副对象 主对象 副测量、变送 主测量、变送 主被控 变量 副干扰 主干扰 - 副测量值 - 副回路（副控制系统） 主回路 （b）串）串级控制系统方块图级控制系统方块图 结构上：没有主对象、主控制器；结构上：没有主对象、主控制器； 串级中，副变量是操纵变量到主被控变量之间串级中，副变量是操纵变量到主被控变量之间 的一个中间变量，会影响主被控变量，在比值的一个中间变量，会影响主被控变量，在
42、比值 中，从动量不会影响主动量。中，从动量不会影响主动量。本质区别本质区别 单闭环比值控制系统与串级控制系统的区别：单闭环比值控制系统与串级控制系统的区别： 从动量控制系统既是一个从动量控制系统既是一个随动控制系统随动控制系统又是一又是一 个个定值控制系统。定值控制系统。 单闭环比值控制系统能克服单闭环比值控制系统能克服从动量的波动，从动量的波动，使使 其随主动量的变化而变化，使它们保持比值关系。其随主动量的变化而变化，使它们保持比值关系。 结论：结论： 在单闭环控制系统的基础上，增加一在单闭环控制系统的基础上，增加一 个主动量控制系统，就构成双闭环控个主动量控制系统，就构成双闭环控 制系统。
43、框图如下：制系统。框图如下： (2)(2)双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统 主流量 设定值 主流量 副流量 主测量变送 副测量变送 副控制器 副控制阀 副流量对象 FM KFM FS K - 主流量对象 主控制阀 主控制器 - 副流量 设定值 8-13 双闭环比值控制系统方块图双闭环比值控制系统方块图 8-13 双闭环比值控制系统方块图双闭环比值控制系统方块图 双闭环控制系统双闭环控制系统实际上是由一个实际上是由一个定值控制系统定值控制系统和和 一个一个随动控制系统随动控制系统组成，它不仅能保持两个流量之间组成，它不仅能保持两个流量之间 的比值，而且能保证总流量不变。的比值，而且能保证总流
44、量不变。 适用场合：适用场合：主要应用于主要应用于总流量总流量需要调整的场合。需要调整的场合。 主流量 设定值 主流量 副流量 主测量变送 副测量变送 副控制器 副控制阀 副流量对象 FM KFM FS K - 主流量对象 主控制阀 主控制器 - 副流量 设定值 (3)(3)变比值控制系统变比值控制系统 在有些生产过程中，需要两种物料的比值按在有些生产过程中，需要两种物料的比值按 具体的工矿而改变，此时就需用变比值控制系统。具体的工矿而改变，此时就需用变比值控制系统。 TC FC TT 水蒸气 半水煤气 触煤层 变换炉 FMT FST 8-14 变比值控制系统变比值控制系统 右图是合成氨生产过
45、程右图是合成氨生产过程 中煤造气工段的变比值中煤造气工段的变比值 控制系统示意图。控制系统示意图。 从结构上看，实际上是水蒸气、半水煤气的比值串从结构上看，实际上是水蒸气、半水煤气的比值串 级控制系统。级控制系统。 目的是使变换炉触煤层的温度目的是使变换炉触煤层的温度 恒定在工艺要求的设定值上。恒定在工艺要求的设定值上。 在生产过程中，半水煤在生产过程中，半水煤 气与水蒸气的量需保持气与水蒸气的量需保持 一定的比值，但其比值一定的比值，但其比值 系数要能随一段触煤层系数要能随一段触煤层 的温度变化而变化，才的温度变化而变化，才 能在较大负荷变化下保能在较大负荷变化下保 持良好的控制质量。持良好
46、的控制质量。 FM 测量变送 比值控制器 执行器 副流量对象 - 主对象 (变换炉) 测量变送 除法器 主控制器 - 主、测量变送 FS 该控制系统控制精度高，虽然系统结构较复杂，但该控制系统控制精度高，虽然系统结构较复杂，但 应用范围还较广。应用范围还较广。 8-15变比值控制系统方块图变比值控制系统方块图 8.3.3 比值系数的计算比值系数的计算 比值系数比值系数K是设置于比值函数模块或比值控制器是设置于比值函数模块或比值控制器 (RC)的参数。的参数。 流量比流量比k是流量是流量FS(F2) / FM(F1)的比值。的比值。 在相乘方案中，当采用电动单元组合仪表时，流量在相乘方案中，当采
47、用电动单元组合仪表时，流量q 与变送器输出电流与变送器输出电流I的对应关系是的对应关系是 maxminmin max () q IIII q 其中其中,qmax是变送器量程是变送器量程。 (1)(1)流量与其测量信号呈线性关系流量与其测量信号呈线性关系 （用差压变送器时带有开方器）（用差压变送器时带有开方器） 从动量流量调节器的从动量流量调节器的 测量信号测量信号 2 2maxminmin 2max () q IIII q 设定设定 信号信号 1 11minminmaxminmin 1max ()() q IK IIIKIII q 控制控制 结果结果 2max2 12 11max , qq I
48、IK qq 即 因此 1max1max2 12max2max qqq Kk qqq 当采用当采用气动单元组合仪表气动单元组合仪表时，流量时，流量q 与变送器输出气压与变送器输出气压p的对应关系为的对应关系为 maxminmin max () q pppp q 即即 max 8020 q p q 其中，其中，qmax为变送器量程。为变送器量程。 从动量流量调节器从动量流量调节器 的测量信号的测量信号 设定信号设定信号 控制结果控制结果 因此因此 2 2 2max 8020 q p q 11 1 1max (20)20 8020 pK p q K q 2max2 12 11max , qq ppK qq 即 1max1max2 12max2max qqq Kk qqq 1max1max2 12max2m
