7. 第七讲——复杂过程控制系统.pdf 
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过程控制原理应用I （检测技术与过程控制原理） 主讲人：安剑奇 教授 中国地质大学（武汉） 自动化学院 2020年10月 1 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 第7章 复杂过程控制系统 2 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 复杂过程控制系统 简单反馈控制回路中，增加计算环节，控制环节或其他环节的 控制系统，称为复杂过程控制系统 从输入输出关系看，该类系统仍属于单输入单输出系统 在大多数情况下，单回路系统能够满足工艺生产的基本要求 串级控制，前馈控制，大滞后过程控制等复杂的控制系统是为 适应对系统控制品质高要求而提出的 3 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 第7章 复杂过程控制系统 7.1 串级控制系统 7.2 前馈控制系统 7.3 大滞后过程控制系统 7.4 比值控制系统 7.5 选择性控制系统 7.6 分程控制系统 7.7 本章小结 4 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.1 串级控制系统的基本原理 连续反应釜温度控制系统 工艺过程 • 物料自顶部连续进入釜中 • 反应产生的热量由夹套中冷却水带走 • 工艺要求对反应温度进行严格控制 被控过程有三个热容器 • 夹套中的冷却水（油） • 釜壁 • 釜中物料 5 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.1 串级控制系统的基本原理 被控量：反应温度 控制量：冷却水流量 执行机构：调节阀 进料（F1） 反应温度T1干扰因素 • 进料流量、进料温度及成分(F1) TT 水 T1 • 冷却水的入口温度和阀前压力(F2) TC Tr 冷却水（F2） 夹套 出料 6 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.1 串级控制系统的基本原理 连续反应釜单回路温度控制系统框图 F2 F1 T1 Tr 控制器 执行器 夹套 釜壁 釜 - 温度检测变送单元 单回路温度控制系统的缺点 从干扰引起温度T1下降到调节阀动作使温度升高需要经过三个热容过程 控制通道的时间常数和容量滞后较大 最终会使T1因调解不及时而出现较大的偏差 7 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.1 串级控制系统的基本原理 解决的关键 如何在干扰出现后及时产生控制作用，如图可见，来自冷却水的干 扰F2会使夹套温度很快发生变化，如何抑制F2对反应温度T1的干扰？ 如果能及时检测夹套T2的变化并加以控制，就可以使调节阀尽早动作 F2 F1 T1 Tr 控制器 执行器 夹套 釜壁 釜 温度检测变送单元 9 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.1 串级控制系统的基本原理 连续反应釜串级控制系统 控制器T2C通过稳定夹套温度来及时抑制F2对反应温度T1影响 但控制器T2C不能克服F1对反应温度T1影响 适当改变T2C设定值T2r，确保夹套温度使T1稳定在工艺所要求的数值上 进料（F1） T1T Tr1 T1C Tr 2 水 T2T T1 T2C T2 冷却水（F2） 夹套 出料 10 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.2 串级控制系统特点与分析 串级控制系统的框图 F2 Tr1 - 主控制器 Tr2 - 副控制器 执行器 F1 夹套 T2 T1 釜壁 釜 副温度检测变送单元 主温度检测变送单元 将两个（或多个）控制器串联在一起，一个控制器的输出作 为另一个控制器的设定值，各自完成不同任务的系统结构， 称为串级控制系统 11 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.2 串级控制系统特点与分析 串级控制系统的框图 F2 Tr1 主控制器 - Tr2 - 副控制器 执行器 F1 夹套 T2 T1 釜壁 釜 副温度检测变送单元 主温度检测变送单元 分析： 反应温度与夹套温度构成串级控制系统，反应温度为主被控量，夹套 温度为副被控量 反应温度控制的输出作为夹套温度控制的设定值 干扰F2由副控制器克服、干扰F1由主控制器克服 12 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.2 串级控制系统特点与分析 串级控制系统的一般框图 F2(s) R1(s) R2(s) E1(s) Gc1(s) - E2(s) U(s) Gc2(s) - F1(s) Y2(s) Q(s) Gv(s) G02(s) Y1(s) G01(s) Z2(s) Gm2(s) Z1(s) Gm1(s) 特点： 串级控制系统增加一个检测变送单元和一个控制器，形成两个闭环 • 里面的闭环称为副环（或副回路），它是一个随动系统 • 外面的闭环称为主环（或主回路），它是一个定值控制系统 13 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.2 串级控制系统特点与分析 串级控制系统的优势1: 能迅速克服进入副回路的干扰 • 以干扰作为输入，副回路传递函数 G02 ( s ) Y2 ( s ) (s) = G= F2 ( s ) 1 + Gc 2 ( s )Gv ( s )G02 ( s )Gm 2 ( s ) * 02 F2(s) R1(s) R2(s) E1(s) Gc1(s) - E2(s) U(s) Gc2(s) - F1(s) Y2(s) Q(s) Gv(s) G02(s) Y1(s) G01(s) Z2(s) Gm2(s) Z1(s) Gm1(s) 14 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.2 串级控制系统特点与分析 为了便于分析，我们将一般框图等效为下图所示 F2(s) R1(s) U(s) Gc1(s) - Gc2(s) F1(s) Y2(s) Q(s) Gv(s) G*02(s) Y1(s) G01(s) Z1(s) Gm1(s) 此时系统输出对输入的传递函数 * Gc1 ( s )Gc 2 ( s )Gv ( s )G02 ( s )G01 ( s ) Y1 ( s ) = * R1 ( s ) 1 + Gc1 ( s )Gc 2 ( s )Gv ( s )G02 ( s )G01 ( s )Gm1 ( s ) 15 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.2 串级控制系统特点与分析 在干扰F2的作用下，得到系统输出对干扰输入的传递函数为 * G02 ( s )G01 ( s ) Y1 ( s ) = * F2 ( s ) 1 + Gc1 ( s )Gc 2 ( s )Gv ( s )G02 ( s )G01 ( s )Gm1 ( s ) F2(s) R1(s) U(s) Gc1(s) - Gc2(s) F1(s) Y2(s) Q(s) Gv(s) G*02(s) Y1(s) G01(s) Z1(s) Gm1(s) 16 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.2 串级控制系统特点与分析 对一个控制系统而言 𝑌𝑌1 (𝑠𝑠)/𝑅𝑅1 (𝑠𝑠) 越接近于“1”，则系统的控制性能越好 𝑌𝑌1 (𝑠𝑠)/𝐹𝐹2 (𝑠𝑠)越接近于“0”，则系统的抗干扰能力越强 在工程上通常将二者的比值作为衡量系统控制性能和抗干扰能力的 综合指标，该值越大，则系统控制性能和抗干扰能力越强 表达式为： Y1 ( s ) R1 ( s ) = Gc1 ( s )Gc2 ( s )Gv ( s ) Y1 ( s ) F2 ( s ) 17 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.2 串级控制系统特点与分析 我们假设 Gc1 ( s ) K= K= Kv = c1 , Gc2 ( s ) c2 , Gv ( s ) 可以推出： Y1 ( s ) R1 ( s ) = K c1 K c2 K v Y1 ( s ) F2 ( s ) 结论：主、副控制器的比例增益乘积越大，抗干扰能力越强， 控制品质越好 18 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.2 串级控制系统特点与分析 为了便于比较，给出上述过程的单回路控制系统 F1(s) F2(s) Y1(s) R1(s) Gc(s) - Gv(s) G02(s) G01(s) Z1(s) Gm(s) 在给定信号𝑅𝑅1 (𝑠𝑠) 的作用下，传递函数为 Gc ( s )Gv ( s )G02 ( s )G01 ( s ) Y1 ( s ) = R1 ( s ) 1 + Gc ( s )Gv ( s )G02 ( s )G01 ( s )Gm ( s ) 在干扰𝐹𝐹2 的作用下，传递函数为 G02 ( s )G01 ( s ) Y1 ( s ) = F2 ( s ) 1 + Gc ( s )Gv ( s )G02 ( s )G01 ( s )Gm1 ( s ) 19 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.2 串级控制系统特点与分析 由上式可得单回路控制系统的控制性能和抗干扰能力的综合指标为： Y1 ( s ) R1 ( s ) = Gc ( s )Gv ( s ) Y1 ( s ) F2 ( s ) 假设 则 = Gc ( s ) K= Kv c , Gv ( s ) Y1 ( s ) R1 ( s ) = Kc Kv Y1 ( s ) F2 ( s ) 20 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.2 串级控制系统特点与分析 单回路综合指标为 Y1 ( s ) R1 ( s ) = Kc Kv Y1 ( s ) F2 ( s ) 串级系统的综合指标为 Y1 ( s ) R1 ( s ) = K c1 K c 2 K v Y1 ( s ) F2 ( s ) 在一般情况下， K c1 K c2 > K c 结论：串级系统副回路提高控制作用的总放大系数，能迅速克服 副回路干扰，使控制性能和抗干扰能力的综合指标有明显的提高 21 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.2 串级控制系统特点与分析 串级控制系统优势2：改善过程动态特性，提高系统工作频率 • 将副回路看成一个等效过程，其传递函数： ′02 ( s ) G= Y2 ( s ) Gc 2 ( s )Gv ( s )G02 ( s ) = R2 ( s ) 1 + Gc 2 ( s )Gv ( s )G02 ( s )Gm 2 ( s ) F2(s) R1(s) R2(s) E1(s) Gc1(s) - E2(s) U(s) Gc2(s) - F1(s) Y2(s) Q(s) Gv(s) G02(s) Y1(s) G01(s) Z2(s) Gm2(s) Z1(s) Gm1(s) 22 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.2 串级控制系统特点与分析 假设副回路中各环节的传递函数为 K 02 G02 ( s ) = T02 s + 1 Gc 2 ( s ) = K c 2 = G02' ( s ) Gv ( s ) = K v K c2 K v K 02 (T02 s + 1) K 02' = 1 + K c2 K v K 02 K m2 (T02 s + 1) T02' s + 1 Gm 2 ( s ) = K m 2 ' 式中 K 02 、 T02' 为等效过程的放大系数和时间常数 K c2 K v K 02 K 02' ( s ) = 1 + K c2 K v K 02 K m2 T02 T (s) = 1 + K c2 K v K 02 K m2 ' 02 23 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.2 串级控制系统特点与分析 比较 T02 和 T02' ( s ) = 由 推出： T02 1 + K c2 K v K 02 K m2 (1 + K c2 K v K 02 K m2 ) >> 1 T02' << T02 结论：由于副回路的存在，改善了控制通道的动态特性，使等效 过程的时间常数缩小了 (1 + K c2 K v K 02 K m2 ) 倍 24 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.2 串级控制系统特点与分析 串级系统的工作频率 串级系统的特征方程式为： ′ ( s )G01 ( s )Gm1 ( s ) = 1 + Gc1 ( s )G02 0 假设主回路各环节的传递函数为： K 01 , Gc1 ( s ) K= = G01 ( s ) = K m1 c1 , Gm1 ( s ) T01s + 1 带入上式，可得： Tp1 + Tp′2 1 + K c1 K ′p 2 K p1 K m1 0 s + s+ = Tp1Tp′2 Tp1Tp′2 2 25 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.2 串级控制系统特点与分析 化为标准式为： s 2 + 2ξω0 s + ω 2 0 = 0 从自动控制原理可知，当 0< ξ <1 时，系统的工作频率为： ω串= ω0 1 − ξ 2= 1 − ξ 2 T01 + T02′ 2ξ T01T02′ 同理，可求得单回路控制系统的工作频率为： ω单= ω0′ 1 − ξ ′2= 1 − ξ ′2 T01 + T02 2ξ ′ T01T02 26 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.2 串级控制系统特点与分析 如果通过控制器的参数整定，使串级控制系统与单回路控制系统具有 相同的衰减率，即ξ = ξ′，则： T01 1+ ω串 T02′ = >> 1 ω单 1 + T01 T02 所以： ω串 >> ω单 结论：当主副被控过程均为一节惯性环节，主副控制器均为比例控 制时，副回路改善了被控过程的动态特性，提高了系统工作频率 27 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.2 串级控制系统特点与分析 串级控制系统的优势3: 对负荷和操作条件的变化适应性强 对非线性过程，如果负荷变化过大，偏离该工作点较远，若采用单 回路控制系统，控制质量就会下降 但在串级控制系统中 K c2 K v K 02 K = 1 + K c2 K v K 02 K m2 ' 02 一般情况下： K c 2 K v K 02 K m 2 >> 1 因此当副被控过程或调节阀的放大系数 K 02 或 K v 随负荷变化时， ′ 影响不大 对 K 02 由于副回路是一个随动系统，当负荷或者操作变化时，主控制器将 改变其输出，使系统适应上述变化 28 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.3 串级控制系统的设计 副回路的设计与副被控变量的选择 （1）副被控变量必须是物理可测的，且应使副被控过程的时间常 数小，纯滞后时间短 • 目的：保证副回路的快速反应能力、缩短调节时间 • 例：连续反应釜温度控制系统，选夹套温度为副被控变量，对冷却 水入口温度、调节阀前压力变化等干扰具有较强的快速抑制能力 30 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.3 串级控制系统的设计 加热炉控制实例 工艺流程 燃料与空气按比例送入加热炉燃烧 物料温度达到生产要求后，进入下个环节 主被控量：物料温度 副被控量：炉膛温度 控制量：燃料流量 控制器：调节阀 干扰量 • 燃料压力、燃料成分、烟囱抽力的变化 31 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.3 串级控制系统的设计 （2）副回路应包含生产过程中变化剧烈、频繁且幅度大的主要干扰 • 副回路包含的扰动不能太多，否则使通道加长，时间常数变大，不 利于副回路快速克服扰动 • 例：炼油厂管式加热炉原油出口温度控制 工艺流程： 燃料油经过蒸汽雾化后在炉膛中燃烧， 被加热油料流过炉膛四周的排管中，就 被加热到出口温度 32 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.3 串级控制系统的设计 方案1： 方案2： 主被控量：燃料油出口温度 主被控量：燃料油出口温度 副被控量：燃料油阀后压力 副被控量：炉膛温度 控制器：调节阀 控制器：调节阀 干扰：燃料油压力 干扰：燃料油粘度、成分、热值 33 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.3 串级控制系统的设计 （3）使主副过程的时间常数适当匹配 当T01/T02 > 10时，则 T02 很小，副回路包括的干扰很少，作用未发挥 当T01/T02 < 3时，说明 T02 过大，副回路的控制作用不及时 当T01/T02 ≈ 1 时，主、副回路易出现“共振效应”。主、副回路的动 态联系十分紧密，当一个参数发生振荡时，会使另一个参数也发生 振荡，使系统稳定性变差 所以为使主副回路的动态联系减少，避免共振，主、副回 路时间常数之比应在3~10范围内 34 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.3 串级控制系统的设计 （4）副回路设计应考虑工艺上的合理性和经济性 例：冷却器温度串级控制的两种方案 方案1：将冷剂液位作为副被控变量。 方案2：以冷剂蒸发压力作为副被控 该方案投资少，适用于对出口温度的 变量，该方案投资多，但副回路相当 控制质量要求不高场合 灵敏，出口温度的控制质量比较高 35 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.3 串级控制系统的设计 主、副控制器控制规律的选择 主控制器起定值控制作用，副控制器起随动控制作用 主控制器选用PI或PID控制规律 • 主参数是工艺主要指标，允许波动的范围小，一般要求无余差 副控制器选择P控制规律 • 副参数为了主参数控制质量，允许有余差 • 引入积分控制，会延长控制过程，减弱副回路的速作用 • 引入微分控制，因副回路本身起着快速作用，再引入微分作用会 使调节阀动作过大，对控制不利 36 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.3 串级控制系统的设计 不同情况下，选用的控制规律 序号 工艺对变量的要求 应选规律 主变量 副变量 主控制器 副控制器 1 重要指标，要求较高 主要指标，允许有余差 PID P 2 主要指标，要求较高 主要指标，要求较高 PI PI 3 要求不高，相互协调 要求不高，互相协调 P P 37 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.3 串级控制系统的设计 主、副控制器正、反作用方式的确定 确定的方法： • 根据工艺生产安全性，确定调节阀的气开、气关形式 • 根据生产工艺条件和调节阀形式，确定副控制器的正、反作用 • 根据主副参数的关系，确定主控制器的正、反作用 对于串级控制系统来说，主、副控制器中正、反作用方式的 选择原则是使整个控制系统构成负反馈系统 即主通道各环节放大系数正、负极性相乘必须为正 38 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.3 串级控制系统的设计 例. 加热炉的温度控制系统，说明正、负作用方式的确定 调节阀选择：Kv > 0 • 从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式，即一旦控制器损 坏，调节阀处于全关状态，以切断燃料油进人管式加热炉，确保其 设备安全，故调节阀 Kv >0. 副过程确定：K02 > 0 • 调节阀开度增大，燃料油增加， 炉膛温度升高，故副过程 K02 为正 39 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.3 串级控制系统的设计 副控制器放大系数：K2 > 0 • 为保证副回路为负反馈，副控制器放大系数 K2 应取正，即负作用 主过程确定：K01 > 0 • 由于炉膛温度升高，则炉出口温度也升高，故主过程 K01>0. 主控制器放大系数: K1 > 0 • 为保证整个回路为负反馈，则主控制器 放大系数 K1 应为正，即为负作用控制器 40 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.3 串级控制系统的设计 主、副控制器正、反作用方式的确定 序号 主被控过程 (K01) 副被控过程 (K02) 调节阀(Kv) 主控制器 (Kc1) 副控制器 (Kc2) 1 正 正 正(1) 正(2) 正 2 正 正 负 正 负 3 负 负 正 负 负 4 负 负 负 负 正 5 负 正 正 负 正 6 负 正 负 负 负 7 正 负 正 正 负 8 正 负 负 正 正 （1）当Kv为正时，调节阀为气开式，否则为气关式（2）当Kc1为正时，控制器为反作用，否则为正作用 41 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.4 串级控制系统的参数整定 参数整定实质 通过改变控制器的PID参数来改善系统静态和动态特性，以获得 最佳控制质量 串级控制系统中，两个控制器是相互关联的 系统运行时，一般副回路的频率较高，主回路的频率较低 整定时应尽量加大副控制器的增益以提高副回路的工作特性 在工程实践中，串级系统常用的参数整定方法有：逐步逼近法、 两步整定法、一步整定法 42 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.4 串级控制系统的参数整定 逐步逼近法 步骤 • 在主回路开环的情况下，整定副控制器参数 • 使主回路闭合，整定主控制器参数 • 在主回路闭合的情况下，整定副控制器参数，完成一次逼近 • 反复逐步逼近，直到获得满意的控制质量指标为止 该方法适用于主、副过程的时间常数相差不大，主、副回路 的动态联系比较密切的情况 整定须反复进行，逐步逼近，因而往往费时较多 43 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.4 串级控制系统的参数整定 两步整定法 原理 • 整定副控制器参数 • 把副控制器视为系统的一个环节，整定主控制器参数 依据： • 主、副对象的时间参数一般要求 T01/T02=3~10 • 对主变量的控制质量要求较高，对副变量的控制要求较低。牺 牲一点副变量的控制质量也是允许的 44 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.4 串级控制系统的参数整定 两步整定法整定步骤 整定副控制器的比例度和操作周期 • 在工况稳定、主副回路闭合下，主控制器为纯比例运行，比例度 固定在100％，用4：1衰减曲线法整定副控制器参数，求得副控 制器在4：1衰减过程下的比例度 δ2s 和操作周期 T2s 求取主控制器的比例度和操作时间 • 在副控制器比例度 δ2s 条件下，逐步降低主控制器比例度，求取 同样的递减比过程中主控制器的比例度 δ1s 和操作周期 T1s 45 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.4 串级控制系统的参数整定 计算主、副控制器的比例度，积分时间和微分时间的数值 • 根据δ1s 、δ2s 、T2s、 T2s，结合控制器选型，按单回路控制系统衰 减曲线法整定参数的经验公式，整定主、副控制器参数 必要时进行适当的调整 ，直到系统质量达到最佳为止 • 按照先副后主、先P次I后D的顺序，将计算出的参数值设置到控制 器上，作一些扰动实验，观察过度过程曲线，适当调整，直至过 度过程质量最佳 46 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.4 串级控制系统的参数整定 一步整定法 由副被控过程的特性或者经验先确定副控制器的参数，然后按 单回路控制系统的整定方法，对主控制器的参数进行整定 具体步骤： • 当工况稳定，在纯比例作用下，由Kc1Kc2≦0.5或由经验确定Kc2 • 将副回路等效成主回路的一个环节，按照单回路控制系统的衰减曲 线法，整定主控制器的参数 • 根据Kc1与Kc2互相匹配的原理，适当调整控制器的参数使控制品质 满足工艺要求 47 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.5 串级控制系统的应用范围 应用于容量滞后较大的过程 温度、质量等容量滞后较大且控制质量要求较高的系统 例如：加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统 48 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.5 串级控制系统的应用范围 应用于纯延时较大的过程 在离控制阀较近、纯延时较小地方选择一个副参数，把干扰纳 入副回路中 例：网前箱温度-温度串级控制系统 49 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.5 串级控制系统的应用范围 工艺流程 • 纸浆被送至混合器，在混合器中 被蒸汽加热至72摄氏度，经过处 理去除杂质后送到网前箱 串级控制 • 主被控量：网前箱温度 • 副被控量：混合箱温度 单回路控制 • 控制器：调节阀 • 当纸浆流量 35 kg/min，温度最大偏 • 干扰：纸浆流量波动 差为8.5摄氏度，过渡时间为450s • 控制结果：最大偏差不超过1摄 氏度，过渡时间为200s 50 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.5 串级控制系统的应用范围 应用于有变化剧烈和幅度较大扰动的过程 将变化剧烈且幅度大的干扰包括在副回路中 例：精馏塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统，要求：塔釜温度 要控制在±1.5摄氏度范围内 51 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.5 串级控制系统的应用范围 工艺流程 • 利用来料混合成分中各组分挥发度不同， 通过精馏操作，分离成组分较纯的产品 串级控制 • 主被控量：塔釜温度 • 副被控量：蒸汽流量 • 控制器：调节阀 单回路控制 • 干扰：蒸汽压力 • 温度最大偏差为±10度 • 控制结果：最大偏差在±1.5度范围内 52 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.5 串级控制系统的应用范围 应用于参数互相关联的过程 有些过程中，对两个互相关联的参数需要用同一种介质控制 若采用单回路控制系统，需要装两套装置 若采用串级控制系统，可根据互相关联的主次，满足工艺要求 例：一线温度与塔顶温度的串级控制 53 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.5 串级控制系统的应用范围 工艺流程 • 进入常压塔的油品，通过精馏将各组分分离成塔顶汽油、一线航空 煤油等 串级控制 • 主被控量：塔顶出口温度 • 副被控量：一线温度 • 控制器：调节阀 • 干扰：油品压力 54 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.5 串级控制系统的应用范围 应用克服被控过程的非线性 采用串级控制系统，利用其对负荷和操作条件变化所具有的自 适应性，可在一定程度上补偿非线性对系统动态特性的影响 例：合成反应器温度串级控制 55 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.1.5 串级控制系统的应用范围 工艺流程 • 包括两个热交换器和一个合成反应器，当混合流量发生变化时，换热 器出口温度随负荷减小而明显增加，并呈明显非线性变化 串级控制 • 主被控量：中部温度 • 副被控量：换热器出口温度 • 控制器：调节阀 • 干扰：气体压力 56 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 作业 课后习题：7-12 57 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 第7章 复杂过程控制系统 7.1 串级控制系统 7.2 前馈控制系统 7.3 大滞后过程控制系统 7.4 比值控制系统 7.5 选择性控制系统 7.6 分程控制系统 7.7 本章小结 58 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.2 前馈控制系统 反馈控制系统基于偏差调节，当被控量出现偏差进行调节， 控制不及时 如果能在干扰出现时就进行控制，就可以在偏差出现以前消 除干扰的影响 如何设计呢？ 59 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.2.1 前馈控制的基本原理 换热器控制过程 工艺要求：热流体出口温度 T2 稳定 被控变量：热流体出口温度T2 控制变量：蒸汽流量Fs 主要扰动： 冷流体流量F1、 P0，Fs 冷流体入口温度T1、 蒸汽压力P0 冷流体 F1，T1 冷凝液 热流体 F2，T2 60 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.2.1 前馈控制的基本原理 换热器温度反馈控制 干扰 偏差 反馈控制器 执行器 对 象 被控 变量 - 测量变送 蒸汽 T C 设定温度T0 B P0，Fs 冷流 体 F1，T1 冷凝液 T T 热流体 F2，T2 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.2.1 前馈控制的基本原理 换热器温度前馈控制 干扰 测量变送器 干扰通道 -Y 前馈调节器 执行器 对象 Y 被控变量 蒸汽 前馈控制器 P0，Fs F T 冷流体 F1，T1 热流体 F2，T2 冷凝液 62 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.2.1 前馈控制的基本原理 换热器温度前馈控制 D(s) Gff (s) Go(s) Gf (s) D(s)：扰动量输入；Y(s)：被控量输出 Gf(s)：扰动通道传递函数； Gff(s)：前馈控制器传递函数（包括测量部分） Y(s) Go(s)：控制通道传递函数（包含执行器） Y ( s ) = D( s ) × G ff ( s ) × Go ( s ) + D( s ) × G f ( s ) Y (s) = G ff ( s ) × Go ( s ) + G f ( s ) = 0 D( s) ⇒ 前馈控制器模型为： G f (s) G ff ( s ) = （全补偿条件） Go ( s ) 63 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.2.1 前馈控制的基本原理 前馈控制系统仿真实例 扰动为：在 t = 5s 时值为1的阶跃 前馈控制对结构已知扰动有很好的提前抑制作用 64 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.2.2 前馈控制的特点及局限性 前馈控制系统特点 基于干扰的大小进行控制，比反馈控制要及时 开环控制，不存在稳定性问题，控制效果不能通过反馈验证， 因此对控制器设计的要求比较严格 只能用来克服生产过程中主要的、可测不可控的扰动 • 不可控：扰动量和控制量之间相互独立，干扰通道与控制通道之间无关 联，从而控制量无法改变扰动量大小，即扰动量不可控 视对象特性而定的“专用”控制器；前算法依对象而不同 65 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.2.2 前馈控制的特点及局限性 前馈控制系统局限性 只能实现局部补偿，完全补偿难以实现 • 原因：准确地掌握干扰通道特性和控制通道特性不容易，控制 规律难以准确获得 只能克服可测不可控扰动 一种前馈控制只能控制一种干扰 不能单独使用，一般使用前馈-反馈复合控制系统 • 前馈控制及时有效减小主要干扰对被控变量的动态影响； • 反馈控制使被控量稳定在设定值，保证系统控制质量 66 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.2.2 前馈控制的特点及局限性 前馈控制与反馈控制的比较 反馈控制 前馈控制 1 控制的依据 被控变量的偏差 干扰量的波动 2 检测的信号 被控变量 干扰量 3 控制作用发生的时间 偏差出现后 偏差出现前，扰动发生时 4 系统结构 闭环控制 开环控制 5 控制质量 动态有差控制 无差控制（理想状态） 6 控制器 常规PID控制器 专用控制器 7 经济性 一种系统可克服多种干扰 每一种都要有一个控制系统 67 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.2.2 前馈控制的特点及局限性 比较在扰动已知和未知两种情况下前馈控制结果 扰动结构已知 扰动结构未知 d −1000 s − 1 s +1 d 1 s +1 1 1000 s + 1 + + y −1000 s − 1 s +1 （系统结构图） y 1 s +1 ？ 1 1000 s + 1 + + y y （系统输出） t t 前馈控制对已知扰动抑制效果更好 68 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.2.2 前馈控制的特点及局限性 比较未知扰动在反馈控制和前馈控制下的效果 d d −1000 s − 1 ? ? 1 1000 s + 1 + + 0 y e + PID - 1 1000 s + 1 + + 反馈控制结构图 前馈控制结构图 y y t t 反馈控制对未知扰动的控制效果更好 69 y 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.2.2 前馈控制的特点及局限性 比较已知扰动在反馈控制和前馈控制下的效果 y 前馈控制 y 反馈控制 t 前馈控制对已知扰动比反馈控制更及时，效果更好 70 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.2.3 前馈控制系统的选用原则 引入前馈控制的原则 若控制通道惯性和迟延较大，反馈控制达不到良好的控制效 果时，可引入前馈控制 系统中存在着经常变动、可测而不可控的扰动 当工艺上要求实现变量间的某种特殊的关系，而需要通过建 立数学模型来实现控制时，可以引入前馈控制 经济实用原则。在决定选用前馈控制方案后，当静态前馈能 满足工艺要求时，就不必选用动态前馈 71 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.2.4 前馈控制系统的主要结构形式 静态前馈控制 使被控变量的静态偏差接近或等于零，不考虑其动态偏差 前馈控制器采用比例控制 过程干扰通道的静 态放大系数 前馈控制器比 例增益 KF GB ( s) = − = −KB K0 过程控制通道的静态 放大系数 只能保证被控变量的静态偏差接近或等于零 特点：简单，不用专用控制器 适用：当干扰通道与控制通道时间常数相差不大，用静态前馈控制 72 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.2.4 前馈控制系统的主要结构形式 换热器温度控制系统中，F1与T1为主要干扰。则热量平衡式为 F1 ⋅ c p (T2 − T1 ) = FS ⋅ hS cp—物料的比热容 hs—蒸气的汽化潜热 F T 若T1不变，控制通道的静态放大系数 dT2 hs = K0 = dFs F1c p 而干扰通道的放大系数为 Kf = 蒸 汽 前馈控制 器 P0，Fs 冷流体 F1，T1 冷凝液 热流体 F2，T2 dT2 T −T =− 2 1 dF1 F1 所以，静态前馈控制器的比例增益为： Kf c p (T2 − T1 ) KB = − = − K0 hs 73 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.2.4 前馈控制系统的主要结构形式 动态前馈控制 GF ( s ) GB ( s ) = − G0 ( s ) 可消除控制过程的动态偏差 根据干扰与控制的动态特性，设计专门控制器，结构复杂 干扰变化频繁且动态控制精度要求高的过程，采用动态前馈控制 74 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.2.4 前馈控制系统的主要结构形式 前馈-反馈复合控制系统 发挥前馈控制及时有效抑制主要干扰对被控变量影响的优点 保持反馈控制能抑制多种干扰影响的优势 同时可降低系统对前馈控制器的要求，便于工程实现 Gc ( s )G0 ( s ) GF ( s ) + GB ( s )G0 ( s ) = Y (s) R( s) + F (s) 1 + Gc ( s )G0 ( s ) 1 + Gc ( s )G0 ( s ) 75 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.2.4 前馈控制系统的主要结构形式 前馈-反馈复合控制系统 Gc ( s )G0 ( s ) GF ( s ) + GB ( s )G0 ( s ) = Y (s) R( s) + F (s) 1 + Gc ( s )G0 ( s ) 1 + Gc ( s )G0 ( s ) 反馈控制 前馈控制 单纯前馈控制时 Y ( s ) GF ( s ) + GB ( s )G0 ( s ) = = 0 1 + Gc ( s )G0 ( s ) F (s) Y (s) = GF ( s ) + GB ( s )G0 ( s ) F (s) 干扰F(s)对被控量的影响要比采用单纯前馈控制时减小[1+ Gc(s)G0(s)]倍 。 0 系统特征方程为 1 + Gc ( s )G0 ( s ) = 分析：系统稳定性由反馈控制回路决定。加不加前馈控制器并不影响系统 的稳定性 76 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.2.4 前馈控制系统的主要结构形式 前馈-反馈复合控制系统 在设计复合控制系统时，可先根据系统工艺过程特性和控制 品质要求设计反馈控制系统，暂不考虑前馈控制器的设计 在反馈控制系统设计好后，再根据不变性原理设计前馈控制 器，进一步消除主要干扰对被控量的影响 77 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.2.4 前馈控制系统的主要结构形式 前馈-串级复合控制系统 工业过程中，有些生产过程受多个变化频繁且剧烈的干扰影响，同 时对被控量的控制质量和稳定性要求较高，此时采用前馈-串级复 合控制系统 * * Gc1 ( s )G01 ( s )G02 ( s) GF ( s ) + GB ( s )G01 ( s )G02 (s) Y1 ( s ) R ( s ) + F1 ( s ) * * 1 + Gc1 ( s )G01 ( s )G02 ( s ) 1 + Gc1 ( s )G01 ( s )G02 ( s ) 78 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.2.4 前馈控制系统的主要结构形式 前馈-串级复合控制系统 * * Gc1 ( s )G01 ( s )G02 ( s) GF ( s ) + GB ( s )G01 ( s )G02 (s) Y1 ( s ) R ( s ) F1 ( s ) + * * 1 + Gc1 ( s )G01 ( s )G02 ( s ) 1 + Gc1 ( s )G01 ( s )G02 ( s ) 串级控制 前馈控制 * (s) Y1 ( s ) GF ( s ) + GB ( s )G01 ( s )G02 GF ( s ) = = 0 ⇒ GB ( s ) = − * * F1 ( s ) 1 + Gc1 ( s )G01 ( s )G02 ( s ) G01 ( s )G02 (s) GF ( s ) G ( s ) ≈ 1 ⇒ GB ( s ) ≈ − G01 ( s ) ' 02 结论：前馈控制器可由干扰通道特性和主被控过程特性来确定 79 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.2.5 前馈控制系统应用 蒸发过程的浓度控制 工艺流程 初始浓度50%的葡萄糖溶液用泵送至升降 模式蒸发器，经加热蒸发至73%的葡萄糖 液，然后送至后道工序结晶 被控量：温差（溶液沸点和水沸点） 控制量：进料溶液 前馈信号：加热蒸汽流量 干扰量：进料液浓度、温度和流量，加 热蒸汽的压力和流量 80 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.2.5 前馈控制系统应用 锅炉汽包水位控制 工艺流程 水量适应蒸汽量变化的需求，并 保持锅筒水位在规定的范围内。 存在虚假液位情况。 前馈信号：蒸汽流量 主被控量：锅筒水位 副被控量：给水流量 干扰量：给水压力，虚假水位 81 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.2.5 前馈控制系统应用 为实现锅炉系统液位的更好控制，建立前馈-反馈控制系统 y t 82 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 第7章 复杂过程控制系统 7.1 串级控制系统 7.2 前馈控制系统 7.3 大滞后过程控制系统 7.4 比值控制系统 7.5 选择性控制系统 7.6 分程控制系统 7.7 本章小结 88 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.3.1 大滞后过程控制系统 惯性时滞，又称为容积时滞。主要来源于多个容积存在，容积越 大或数量越多，其滞后的时间就越长 纯时滞，当控制作用产生后，在滞后时间 τ 范围内，被控变量没 有输出响应。如物料传输、分析仪表检测流体的成分等过程 τ / T < 0.3 τ / T > 0.3 一般滞后过程 大滞后过程 89 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.3.1 大滞后过程控制系统 系统无时滞的情况 G (s) = 2 s 2 + 4s + 1 90 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.3.1 大滞后过程控制系统 系统有时滞的情况 时滞环节 滞后时间为0.001s 滞后时间为0.1s 滞后时间为1s 滞后时间为1000s 91 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.3.1 大滞后对控制品质的影响 大滞后过程较难控制，主要原因： 检测信号提供不及时 控制量的介质传输时间较长 纯滞后的增加导致开环相频相角滞后增大，使闭环系统的稳定性下降 解决方案 采样控制 史密斯预估补偿控制 改进型史密斯预估补偿控制 内模控制 92 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.3.2 采样控制 采样控制 一种定周期的断续PID控制方式 按周期 T 进行采样控制。在两次采样之间控制信号不变。 保持的时间 T 与必须大于纯滞后时间 τ0 核心思想就是放慢控制速度，减少控制器的过度调节 采样控制是以牺牲速度来获取稳定的控制效果，如果在采样间隔内 出现干扰，必须要等到下一次采样后才能作出反应 93 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.3.2 采样控制 S1 x(t) S2 采样控制器 + _ e*(t) 保持器 u(t) 执行器 过程 y(t) u*(t) 变送器 采样控制器每隔采样周期T 动作一次。S1、S2为采样器，同时接通或同时断开 S1、S2 接通时，采样控制器闭环工作； S1、S2 断开时，采样控制器停止工作， 输出为零，但是上一时刻的控制值u*(t)通过保持器持续输出 94 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.3.2 采样控制 普通PID控制 滞后时间：10s 采样时间：12s 采样控制 95 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.3.3 史密斯预估补偿控制 加利福尼亚大学Smith教授1957、1959年在《Chemical Engineering Progress》及《ISA Journal》发表 “Closer Control of Loops with Dead Time”、“A Controller to Overcome Dead Time” 基本原理 根据过程特性预先估计出被控过程的动态模型 设计一个预估器对其进行补偿，使被滞后的被控量超前反映到 控制器的输入端 使控制器提前动作，减小超调量、加速调节过程 96 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.3.3 史密斯预估补偿控制 没有预估补偿器的单回路控制系统 R(s) + _ Gc (s) G0 ( s )e −τ 0 s Y (s) Gc ( s )Go ( s )e −τ 0 s Y (s) = R( s ) 1 + Gc ( s )Go ( s )e −τ 0 s 97 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.3.3 史密斯预估补偿控制 Smith预估补偿控制系统框图 U (s) R (s) + _ Gc (s) G0 ( s )e Y (s) −τ 0 s + Gs (s) + Y’ (s) 采用预估补偿器后，控制量U(s)与反馈信号Y’(s)之间的传递函数是 两个并联通道 G0 ( s )e −τ 0 s 与Gs(s)之和，并且应当等于G0(s)： Y ′( s ) −τ 0 s = Go ( s )e + Gs (= s ) Go ( s ) U (s) 98 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.3.3 史密斯预估补偿控制 Y ′( s ) = Go ( s )e −τ o s + Gs (= s ) Go ( s ) ⇒ Gs ( s ) = G0 ( s )(1 − e −τ 0 s ) U (s) 一般称上式表示的预估补偿器为史密斯预估器 U (s) R (s) + _ Gc (s) Y (s) G0 ( s )e −τ 0 s G0 (s) e −τ 0 s + _ + Y’ (s) 99 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.3.3 史密斯预估补偿控制 R(s) + _ Gc (s) U (s) G0 ( s )e G0 (s) Y (s) −τ 0 s e −τ 0 s + _ + Y’ (s) Gc ( s )G0 ( s )e −τ s 1 + Gc ( s )Gs ( s ) Gc ( s )G0 ( s )e −τ s Y (s) = = Gc ( s )G0 ( s )e −τ s 1 + Gc ( s )Gs ( s ) + Gc ( s )G0 ( s )e −τ s R( s) 1+ 1 + Gc ( s )Gs ( s ) Gc ( s )G0 ( s )e −τ s Gc ( s )G0 ( s )e −τ s = 1 + Gc ( s )G0 ( s )(1 − e −τ s ) + Gc ( s )G0 ( s )e −τ s 1 + Gc ( s )G0 ( s ) 100 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.3.3 史密斯预估补偿控制 Gc ( s )G0 ( s ) −τ 0 s Y (s) = e R( s ) 1 + Gc ( s )G0 ( s ) Gc ( s )G0 ( s )e −τ 0 s Y (s) = R( s ) 1 + Gc ( s )G0 ( s )e −τ 0 s 预估补偿控制 单回路控制 Smith预估补偿控制系统的特征方程中已不包含 e −τ 0 s 项，即预估补偿消 除了控制通道纯滞后对系统闭环稳定性的影响 分子中的 e −τ 0 s 项只是将被控参数y(t)的响应在时间上推迟了τ0 时段。说 明预估补偿后，设定值通道的控制品质和过程无滞后时完全相同 101 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.3.3 史密斯预估补偿控制 仿真实例 2e −4 s 已知大纯滞后系统的被控广义对象传递函数为 G0 ( s ) = 4s + 1 设定控制用PID调节器 对系统的PID控制与Smith控制分别进行仿真 无时滞PID控制 102 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.3.3 史密斯预估补偿控制 普通PID控制 103 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.3.3 史密斯预估补偿控制 无时滞PID控制 史密斯预估控制 104 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.3.3 史密斯预估补偿控制 史密斯预估器的设计需要知道被控过程的精确数学模型 如果被控过程的特性不能精确得到，就很难得到预期的控制效果 105 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 第7章 复杂过程控制系统 7.1 串级控制系统 7.2 前馈控制系统 7.3 大滞后过程控制系统 7.4 比值控制系统 7.5 选择性控制系统 7.6 分程控制系统 7.7 本章小结 119 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.4 比值控制系统 工业过程经常需要控制两种或多种物料保持一定比例关系混合 比例失调，影响产品的质量，造成环境污染，甚至造成生产事故 造纸过程中，纸浆和水要成一定的比例关系，保证成纸质量 石化重油气化，重油和氧气量要成一定的比例关系，确保安全以及产品的质量 锅炉燃烧，煤气和空气成一定的比例关系，确保燃烧效率 120 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.4 比值控制系统 比值控制系统：一种物料随另一种按一定比例变化的控制系统 主物料/主动量：处于比值控制中的主导地位， q1 从物料/从动量：按主物料进行配比， q2 比值控制系统：要求从动量q2与主动量q1成一定的比值关系，即满足： q2 =K q1 常用的比值控制系统 开环比值控制系统 单闭环比值控制系统 双闭环比值控制系统 变比值控制系统 121 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 1 开环比值控制系统 开环比值控制系统 如图q1是主流量，q2是副流量 流量变送器FT检测主物料流量q1 由控制器及阀门来控制副流量q2 控制目标：q2＝K q1 特点 当主动量发生变化时，通过控制调节阀来调节从动量，从而使两 种物料的流量在稳定工况下满足比例要求 主动量或从动量均没有流量自控作用 适用于从物料比较稳定，且比值控制精度要求不高的场合 122 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 1 开环比值控制系统 开环比值控制系统仿真 没有扰动时 以4倍比值实现开环比值控制 123 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 1 开环比值控制系统 开环比值控制系统仿真 q1有扰动时 阶跃扰动幅值为3 以4倍比值实现开环比值控制 124 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 1 开环比值控制系统 开环比值控制系统仿真 q2有扰动时 阶跃扰动幅值为3 以4倍比值实现开环比值控制 125 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 1 开环比值控制系统 开环比值控制系统仿真 q1、q2有扰动时 阶跃扰动幅值为3 以4倍比值实现开环比值控制 126 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 2 单闭环比值控制系统 单闭环比值控制系统 增加一个副流量的闭环控制系统 实现副流量跟随主流量变化，克服副流量本身干扰对比值的影响 q1 经比值运算器FY的输出作为 q2 的给定 q2 按照系统设定的比值系数 K 随变化，确保二者比值一定 存在的问题 不适合主回路负荷变化幅度大的场合 无法保证动态比值 127 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 2 单闭环比值控制系统 单闭环比值控制系统仿真 没有扰动时 阶跃扰动幅值为3 以4倍比值实现开环比值控制 128 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 2 单闭环比值控制系统 单闭环比值控制系统仿真 没有扰动时和开环系统对比 （单回路蓝线，开环红线） q2 变化曲线 129 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 2 单闭环比值控制系统 单闭环比值控制系统仿真 q2扰动时 阶跃扰动幅值为3 以4倍比值实现开环比值控制 130 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 2 单闭环比值控制系统 单闭环比值控制系统仿真 q2扰动时和开环比值系统对比（单回路蓝线，开环红线） q2 变化曲线 131 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 2 单闭环比值控制系统 单闭环比值控制系统仿真 q1扰动时 阶跃扰动幅值为3 以4倍比值实现开环比值控制 132 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 2 单闭环比值控制系统 单闭环比值控制系统仿真 q1扰动时和开环比值系统对比 （单回路蓝线，开环红线） q2 变化曲线 133 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 2 单闭环比值控制系统 单闭环比值控制系统仿真 q1 、q2扰动时 阶跃扰动幅值为3 以4倍比值实现开环比值控制 134 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 2 单闭环比值控制系统 单闭环比值控制系统仿真 q1 、q2扰动时和开环比值系统对比 q2 变化曲线 135 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3 双闭环比值控制系统 双闭环比值控制系统 主动量控制回路能克服主动量干扰，实现对主动量的定值控制 从动量控制回路抑制作用于从动量回路中的干扰，使主、从动量 均比较稳定，能保持在一定的比值，使总物料量也保持平稳 缺点 使用的仪表较多 若主副回路工作频率相近时，容易产生共振 136 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3 双闭环比值控制系统 双闭环比值控制系统仿真 没有扰动时 阶跃扰动幅值为3 以4倍比值实现开环比值控制 137 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3 双闭环比值控制系统 双闭环比值控制系统仿真 没有扰动时和单闭环比值系统对比（双闭环蓝线，单闭环红线） q2 变化曲线 138 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3 双闭环比值控制系统 双闭环比值控制系统仿真 q2扰动时 阶跃扰动幅值为3 以4倍比值实现开环比值控制 139 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3 双闭环比值控制系统 双闭环比值控制系统仿真 q2扰动时和单闭环比值系统对比（双闭环蓝线，单闭环红线） q2 变化曲线 140 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3 双闭环比值控制系统 双闭环比值控制系统仿真 q1扰动时 阶跃扰动幅值为3 以4倍比值实现开环比值控制 141 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3 双闭环比值控制系统 双闭环比值控制系统仿真 q1扰动时和单闭环比值系统对比（双闭环蓝线，单闭环红线） q2 变化曲线 142 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3 双闭环比值控制系统 双闭环比值控制系统仿真 q1、q2扰动时 阶跃扰动幅值为3 以4倍比值实现开环比值控制 143 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3 双闭环比值控制系统 双闭环比值控制系统仿真 q1、q2扰动时和单闭环比值系统对比（双闭环蓝线，单闭环红线） q2 变化曲线 144 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 4 变比值控制系统 氧化炉温度对氨气/空气变比值控制系统 工艺流程 • 氨气+空气按照一定比值进入氧化炉，840度温度下，放热反应产 生硝酸和一氧化氮 • 氨气浓度对温度有影响，浓度每下降1%，温度下降64度。所以比 值不是定值，要补偿温度的变化 主副变量选择 氨气F2 • 以氧化炉的反应温度作为主被控量 • 氨气与空气之比作为副被控量 FC ÷ 空气F1 混 合 TC 氧 化 炉 热 预 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 4 变比值控制系统 变比值控制系统 以某种质量指标（第三参数）为主变量，以两个流量比为副变量 的串级控制系统 即：按照工艺指标自行修正比值系数的变化值。（副回路是个比 值控制系统的串级控制系统） 146 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 4 变比值控制系统 稳态时，主、副量恒定，其输出（比值）作为比值控制器的测量反馈 信号。主参数恒定，比值控制器输出稳定，主动量符合工艺要求，产 品质量合格 当𝑄𝑄1 ， 𝑄𝑄2 出现扰动，通过比值控制回路，保持比值一定，不影响或 大大减小扰动对产品质量影响（相当于串级控制系统的副回路调节） 147 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 4 变比值控制系统 变比值控制系统仿真 没有扰动时（系统输入红线，外环输出蓝线，比值黑线） 148 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 4 变比值控制系统 变比值控制系统仿真 外环有扰动时（系统输入红线，外环输出蓝线，比值黑线） 阶跃扰动幅值为3 149 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 4 变比值控制系统 变比值控制系统仿真 内环有扰动时（系统输入红线，外环输出蓝线，比值黑线） 阶跃扰动幅值为3 150 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 4 变比值控制系统 变比值控制系统仿真 内外环有扰动时（系统输入红线，外环输出蓝线，比值黑线） 阶跃扰动幅值为3 151 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.4.2 比值控制系统的设计 1、主动量和从动量的选取 主动量：选用起主导作用、可测但不可控、影响到生产安全且较昂 贵的过程变量 从动量：既可测又可控，并需要保持一定比值的过程变量 2、控制方案的确定 单闭环比值控制：主动量不可控，或主动量可控但变化不大；从动 回路控制器要求具有稳定从动量的作用，选用PI控制 双闭环比值控制：主动量可测可控但变化较大的情况，其中的主、 从动回路控制器要起到稳定各自物料流量的作用，选用PI控制 变比值控制：比值需要由另一个控制器来调节，其控制器设计按照 串级控制系统中的选取原则 152 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.4.2 比值控制系统的设计 3、比值控制系统的实施 具体实现可采用两种方式：相乘式和相除式 可采用相乘式、相除式， 相乘式 相除式 153 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.4.2 比值控制系统的设计 4、比值控制系统的参数整定 双闭环比值控制的主动量回路：按单回路控制系统整定 变比值控制的主控制器：按串级控制系统的整定方法 从动量回路的整定：从动量回路本质上是随动控制系统，要求从 动量快速、准确地跟随主动量变化，而且不宜有超调，所以需要 将参数整定在振荡与不振荡的临界状态 154 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.4.2 比值控制系统的设计 具体步骤 根据生产工艺要求，计算比值控制器的比值系数，并将系统投入运行 将积分时间置于最大，并由大到小逐渐调节比例度，使系统处于振荡与 不振荡的临界状态 投入积分作用时，先适当增大比例度，再投入积分作用，并逐步减小积 分时间，直到系统出现临界状态 155 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.4.2 比值控制系统的设计 比值系数的确定 工艺上规定的比值K是指两种物料的流量（体积或质量）之比，而目前 通用仪表使用统一的标准信号，因此必须把工艺规定的流量比值K折算 成仪表信号的比值系数K'，才能进行比值设定 变送器的输出检测信号与被测流量是非线性关系 • 当物料从0变到𝑞𝑞𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 时，变送器输出对应为DC4~20mA。假设变送 器的输出信号和被测流量之间呈平方关系，则主、从物料流量𝑞𝑞1 ， 𝑞𝑞2 所对应的输出信号为 = I1 = I2 q12 q1max 2 ×16 + 4 2 ×16 + 4 q2 2 q2max 156 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.4.2 比值控制系统的设计 又因为生产工艺要求 = I1 q K= 2 q1 = I2 所以 q12 q1max 2 ×16 + 4 2 ×16 + 4 q2 2 q2max q2max 2 q2 2 q2max 2 ( I 2 − 4) = = = K′ K 2 2 q1 q1max ( I1 − 4) q1max 2 2 即 q2max 2 K′ = K q1max 2 2 虽然变送器的输出检测信号与被测流量是非线性关系，但是比值系数为一个 常数 只与主从物料变送器的最大量程有关，与负荷无关 157 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.4.2 比值控制系统的设计 变送器的输出检测信号与被测流量是线性关系 • 则 I= 1 I= 2 • q1max q2 q2max ×16 + 4 ×16 + 4 所以 = K • q1 q q2 q2max ( I 2 − 4) = = K ′ 2max q1 q1max ( I1 − 4) q1max 因此 K′ = K q2max q1max 158 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.4.2 比值控制系统的设计 5、比值控制系统的非线性特性补偿 被控过程的静态放大系数随负荷变化而变化 以上图为例，若流量检测采用节流装置，则被测流量和变送器输出信号 之间为非线性关系 设𝐼𝐼2 为从动量变送器输出电流信号， 𝑞𝑞2𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 为从动量检测的最大值， 𝑞𝑞2 为从动量的检测值，则 = I2 q2 2 q2max 2 ×16 + 4 设𝑞𝑞20 为𝑞𝑞2 的静态工作点（负荷），则静态放大系数为 = K2 ∂I 2 32 = q q2 = q20 2 20 ∂q2 q2max 159 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.4.2 比值控制系统的设计 K2 = ∂I 2 32 q = q2 = q20 2 20 q2max ∂q2 可知静态放大系数与负荷成正比，随负荷的变化而变化，是一个非线性特性 由于此非线性包含在广义过程中，即使其他环节是线性的，系统总的放大系 数也是非线性的 当系统处于小负荷状态时，参数整定后，系统稳定；当负荷变大时，若控制 器参数不能随之调整，系统的运行质量会下降 为了克服流量检测环节的非线性特性对系统的不利影响，在变送器后串联一 个开方器，进行补偿 160 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.4.2 比值控制系统的设计 设开方器输出电流信号为 I 2′= 带入 = I2 则 ′ I= 2 I2 − 4 + 4 q2 2 q2max 2 q2 q2max ×16 + 4 ×4+ 4 此时总的静态放大系数为 ∂I 2′ 4 ′ K2 = = q =q ∂q2 2 20 q2max 可知为一个常数，不受负荷的影响 若控制精度较高、负荷变化较大，引入开方器；否则，无需使用 161 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.4.2 比值控制系统的设计 6、比值控制系统中主从动量的比值 某些特殊的生产工艺中，对比值控制要求非常高，不仅在静态工况下要 求两种物料流量的比值一定，在动态情况下，也要求两种物料流量的比 值一定 q1 (s) - Gc1(s) Gv1(s) G01 (s) Hm1 (s) Gz (s) 𝐾𝐾 ′ - q2 (s) Gc2 (s) Gv2 (s) Gm2 (s) G02 (s) 162 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.4.2 比值控制系统的设计 由图可知主动量对从动量的传递函数为 q2 ( s ) Gm1 ( s )Gz ( s ) K ′Gc 2 ( s )Gv2 ( s )G02 ( s ) = 1 + Gc 2 ( s )G02 ( s )Gv2 ( s )Gm 2 ( s ) q1 ( s ) 加开方器，为使主从动量动态比值一定，则 K′ = K q2max q1max 带入，则 Gz ( s ) = 1 + Gc 2 ( s )Gv2 ( s )G02 ( s )Gm 2 ( s ) q2max Gm1 ( s )Gc 2 ( s )Gv2 ( s )G02 ( s ) q1max 实际应用中，由于从动量总要滞后于主动量，所以动态补偿环节一般具 有超前特性 163 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 第7章 复杂过程控制系统 7.1 串级控制系统 7.2 前馈控制系统 7.3 大滞后过程控制系统 7.4 比值控制系统 7.5 选择性控制系统 7.6 分程控制系统 7.7 本章小结 164 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.5 选择性控制系统 控制系统要求： 正常时，克服干扰，维持生产平稳运行 达到安全极限时，具有应变能力，采取相应的措施，使生产离开安 全极限，返回正常情况 采取的措施包括： • 硬保护：采用自动报警或自动联锁，自动停机等方法。一些连续生 产、控制高度集中的大型企业，硬保护措施无法满足生产的需要 • 软保护：既能保证对被控过程的正常控制，又能适应短期内生产异 常对系统保护的控制方法。选择性控制系统属于软保护 165 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.5 选择性控制系统 选择控制系统 又称取代控制，超驰控制 将限制条件的逻辑关系叠加到自动控制系统上去的一种控制方法 当生产操作趋向极限条件时，通过选择器，选择一个用于不正常工 况下的备用控制系统自动取代正常工况下的控制系统 待工况脱离极限条件回到正常工况后，备用控制系统通过选择器自 动脱离进入备用状态，同时将正常工况下的控制系统自动投入运行 正常控制器与备用控制器的自动切换由选择器进行判别 控制回路中有选择器的控制系统称为选择性控制系统 166 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.5.1 选择性控制系统的常见类型 选择器位于控制器输出端，对控制器输出信号进行选择 两个控制器共用 一个调节阀 生产正常时，正常控制器的输出信号控制调节阀 生产工况不正常时，取代控制器对系统进行控制 一旦生产状况恢复正常，选择器进行自动切换，重新由正常控制器来 控制生产的正常进行 167 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.5.1 选择性控制系统的常见类型 例：锅炉蒸汽压力的控制 要求锅炉输出蒸汽压力稳定 单回路控制系统控制根据蒸汽 蒸汽 P1T 出口压力控制燃气量 如果蒸汽用量大幅度变化，蒸 汽包 P1C 反 汽压力控制系统会使燃气阀门 开度大幅变化。 但煤气压力过高会发生脱火 炉膛 正 燃气 锅炉给水 168 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.5.1 选择性控制系统的常见类型 为防止脱火，增加一个燃气高压保护控制回路 用P2T测燃气压力，P2C的设定值为燃气高压上限值，当燃气压力低于上 限值时， P2C输出高值信号 用低值选择器选择两个控制信号中较低的一个，作为阀门的控制信号 蒸汽 P1T 反 P1C 反 ＜ 选择器1 正 燃气 汽包 P2C P2T 炉膛 锅炉给水 169 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.5.1 选择性控制系统的常见类型 P2C输出高值时，低值选择器选中P1C作为输出。系统是以蒸汽压力为被 控变量的简单控制系统 当压力超过P2C给定值时， P2C输出低值，低值选择器改选P2C作为输出 蒸汽 P1T 汽包 反 P2C P1C 反 ＜ 选择器1 正 燃气 P2T 炉膛 锅炉给水 170 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.5.1 选择性控制系统的常见类型 在蒸汽压力定值控制与燃气高压自动保护的选择控制过程中，还可能出 现另一种事故：如果因蒸汽负荷很低，导致燃气流量过低，会出现熄火 现象，也必须加以防止 蒸汽 P1T 反 P1C 反 ＜ 选择器1 正 燃气 汽包 P2C P2T 炉膛 锅炉给水 171 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.5.1 选择性控制系统的常见类型 为防止熄火，再增加一个燃气低压保护控制回路 — P3T、 P3C。 P3C的 设定值为燃气压力下限值，当燃气压力低于下限值时， P3C输出高值信 号，被高值选择器选中 当燃气压力高于下限值时， P3C输出低值信号，不会被高值选择器选中 蒸汽 P1T P1C 反 反 汽包 P2C ＜ 选择器1 ＞ 选择器2 正 燃气 反 P2T 炉膛 锅炉给水 P3C P3T 172 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.5.1 选择性控制系统的常见类型 选择器位于控制器之前，对变送器输出信号进行选择的系统 具有多个变送器，且变送器共用一个选择器 选择器装在控制器之前，对变送器输出信号进行选择 用于几个被控变量的给定值、控制规律都一样的场合 目的在于选出最高或者最低的测量值或最可靠的测量值 干扰 给定 ＋ 控制器 － 执行器 被控量1 对象 被控量2 正常控制 变送器1 选择器 变送器2 173 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.5.1 选择性控制系统的常见类型 例：固定床反应器中热点温度的控制 反应器内固定床上装有催化剂以加速反应，而反应产生的热量若不 及时被冷却液带走，温度过高会烧坏催化剂。因催化剂的老化、变 质和流动等原因，固定床不同位置的温度可能不同 在不同位置分别安装温度传感器，由选择器选出热点温度信号，送 入料 入控制器进行控制 T1T 反 TC ＞ T2T 反应器 T3T 冷却液 反 产品 174 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.5.1 选择性控制系统的常见类型 在此设备中，三点被控温度是串联关系。因此，控制系统方框图中 对象特性可等效为串联的三段 给定 ＋ 被控量1 控制器 执行器 对象3段 对象2段 对象1段 － 选择器 变送器1 变送器2 变送器1 175 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.5.2 选择性控制系统的设计 选择性控制系统的设计包括： 控制器控制规律及正反作用方式的确定 选择器的选型 系统参数整定 176 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.5.2 选择性控制系统的设计 控制器控制规律选择及参数整定 正常调节器，由于有较高的控制精度要求，可用PI调节或PID调节 取代调节器，一般只要求其迅速发挥保护作用，可用P调节 进行参数整定时，二者分别工作，可以按照单回路系统的参数整定 方法进行整定 取代控制器运行时，比例度应该整定的小一点；采用积分控制，积 分控制要弱一点 177 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.5.2 选择性控制系统的设计 总是有调节器处于开环待命状态，由于设定值与实际值之间 存在偏差，只要有积分作用就会使控制器的输出到达最大或 最小，产生积分饱和现象 克服积分饱和的方法 外反馈法 积分切除法 限幅法 178 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.5.2 选择性控制系统的设计 选择器的类型 高值选择器：选择高值信号通过 低值选择器：选择低值信号通过 根据调节阀的选用原则，确定调节阀的气开、气关形式 确定控制器的正、反作用方式 根据生产处于不正常情况时，取代控制器的输出信号为高值或低值 来确定选择器的类型。 如果取代控制器的输出信号为高值，则选用高值选择器；如果取代 控制器的输出信号为低值，则选用低值选择器 179 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 第7章 复杂过程控制系统 7.1 串级控制系统 7.2 前馈控制系统 7.3 大滞后过程控制系统 7.4 比值控制系统 7.5 选择性控制系统 7.6 分程控制系统 7.7 本章小结 180 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.6.1 分程控制系统的基本原理 将控制器输出信号分段，控制两个或多个分程动作控制阀，使每 个阀根据要求，在控制器输出的某段信号范围内动作 扩大系统的控制范围，提高系统的控制能力 分程控制系统根据调节阀气开，气关形式和分程信号区段不同， 可以划分为调节阀同相动作和调节阀异相动作两类 181 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.6.1 分程控制系统的基本原理 1、调节阀同相动作 同相分程控制是指随着调节阀输入信号的增加或减小，调节阀的开 度均逐渐增大或减小，即系统中的调节阀同为气开式或气关式 调节阀同为气开式 调节阀同为气关式 182 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.6.1 分程控制系统的基本原理 2、调节阀异相动作 异相分程控制是指随着调节阀输入信号的增加或减小，调节阀的 开度按一个逐渐增大，另一个逐渐减小的方向动作，即系统中的 调节阀一个为气开式，一个为气关式 阀A为气开式，阀B为气关式 阀A为气关式，阀B为气开式 183 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.6.2 分程控制系统的设计 分程点的确定 分程点是由一个调节阀动作转到另一个调节阀动作的交替点。 分程点的个数、取值等要根据工艺要求确定。 为保证在分程点处的流量特性平滑，需认真选择调节阀的流量特 性，以保证系统具有较好的控制效果。 调节阀选择 如果调节阀放大系数不同，会在分程点处引起流量特性的突变 可以采用分程信号重叠法解决该问题 184 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.6.2 分程控制系统的设计 分程信号重叠法 首先选择流量特性合适的调节阀，使两个调节阀的流量特性衔接 成直线 然后将两个调节阀在分程点附近重叠一段控制器的输出信号，从 而使小阀在全开以前，大阀就开始动作，保证两个调节阀的平滑 衔接 阀开度(%) 大阀B 分程信号重叠法 小阀A 0 0.02 0.06 压力(MPa) 0.1 阀开度(%) 100 100 0 0.02 0.06 压力(MPa) 0.1 185 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.6.2 分程控制系统的设计 若两个调节阀都用直线特性，组合后总流量特性有下列两种情况： 流量 流量 Q（%） 100 45 0 0.02 Q（%） 100 • 0.06 0.10 P（MPa） （a）二阀特性比较接近 45 0 0.02 • 0.06 0.10 P（MPa） （b）二阀特性差距较大 如果两个调节阀的增益差距较大，组合后的总流量特性有突变点，会影响调节品质 186 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.6.2 分程控制系统的设计 如果调节阀是对数流量特性，其总流量特性衔接处必有突变点 通过两个调节阀分程信号部分重迭的办法，使调节阀流量特性 实现平滑过渡，即将两个阀的工作范围扩大，形成一段重迭区 流量 Q（%） 流量 Q（%） 100 100 • 0 0.02 0.06 0.10 P（MPa） （a）分程信号不重叠 0 0.02 0.06 0.10 P（MPa） （b）分程信号重叠 187 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.6.3 分程控制系统的应用 节能控制 热交换过程中，冷物料通过通过热交换器用热水对其进行加热， 当热水不能满足其要求时，需要同时采用蒸汽进行加热。由于热 水采用工业废水，所以可以节约能源 TC TT 热物料 蒸汽 B 热水 A 冷凝水 冷物料 188 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.6.3 分程控制系统的应用 采用气开阀，控制器为反作用。正常情况下，调节器输出信号使阀A工作 （分程点以下），阀B关闭。当干扰特别大时，使出口物料温度下降太大 时，阀A全开（分程点以上） ，阀B打开，蒸汽助力。 TC TT 热物料 蒸汽 B 热水 A 冷凝水 冷物料 189 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.6.3 分程控制系统的应用 2. 用于扩大调节阀的可调范围 采用分程控制，将流通能力不同、可调范围相同的两个调节阀当作一个调 节阀使用，扩大可调范围，满足工艺要求 例：废水处理的PH值控制 • 工艺流程 • 要求调节阀的可调范围较大，废液流量变化达到4~5倍 • 假设分程控制中两个调节阀的最小流通能力分别为𝐶𝐶1𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 0.14和 𝐶𝐶2𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 =3.5，可调范围分别为𝑅𝑅1 = 𝑅𝑅2 =30，调节阀的最大流通能力分别 • 为𝐶𝐶1𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 4.2和𝐶𝐶2𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 =105 • 能力为𝐶𝐶𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 =109.2，则可调范围为𝑅𝑅 = (𝐶𝐶𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 +𝐶𝐶𝑚𝑚𝑎𝑎𝑎𝑎 )/ 𝐶𝐶𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 =781 若合并为一个调节阀使用，则最小流通能力为𝐶𝐶𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 =0.14，最大流通 可见，分程控制可调范围相对单个调节阀扩大了26倍 190 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.6.3 分程控制系统的应用 3. 用于保证生产过程的安全、稳定 工业生产过程中，有时需要使用不同的控制方式，如图所示的例子 封氮：有些油品储罐的顶部需要填充氮气，以隔绝油品与空气中氧气的作用 储罐顶部充满氮气，保持微正压。随着液位变化，顶部压力会变化 • 液位升高，压力增加 • 液位下降，压力下降 压力增加多或下降多都是不允许的 191 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.6.3 分程控制系统的应用 封氮分程控制过程： 液位上升时，阀门B关闭，阀门A打开，排出氮气维持压力不变 液位下降时，阀门B打开，阀门A关闭，补充氮气维持压力不变 液位在小范围波动时，压力也在小范围波动，控制系统不动作，即不补充也 不排出氮气，称为安全区间。可以避免阀门频繁动作，保持系统稳定。 192 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.6.3 分程控制系统的应用 4. 用于控制两种不同的介质 对于放热化学反应过程，在反应的初始阶段，需要对物料加热，以启 动反应过程 由于是放热反应，反应器中的热量在不断累积，所以需要补偿的热量 在逐步减小，当放出的热量超过反应过程需要的热量后，不仅不能再 补充热量，反而需要冷却反应器，以移走反应过程产生的多余热量。 193 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 7.6.3 分程控制系统的应用 为避免气源中断造成反应温度过高，蒸汽阀选气开式、冷水阀选气关式 温度控制取反作用 当温度偏高时，先关小蒸汽再开大冷水；温度控制器为反作用，温度升 高，输出信号下降，信号下降时先关小蒸汽，再开大冷水 蒸汽阀的分程为0.06~0.1MPa、冷水0.02~0.06MPa 194