化工儀表及自動化第七章復雜控制系統

化工儀表及自動化第七章復雜控制系統1內容提要串級控制系統概述串級控制系統的工作過程串級控制系統的特點串級控制系統中副回路的確定主、副控制器控制規律及正、反作用的選擇控制器參數的工程整定均勻控制系統均勻控制的目的均勻控制方案1內容提要串級控制系統1內容提要比值控制系統概述比值控制系統的類型前饋控制系統前饋控制系統及其特點前饋控制系統的主要形式前饋控制系統的應用場合選擇性控制系統基本概念選擇性控制系統的類型積分飽和及其防止2內容提要比值控制系統2內容提要分程控制系統概述分程控制的應用場合分程控制的幾個問題多沖量控制系統3內容提要分程控制系統3概述4根據根據系統的結構和所擔負的任務復雜控制系統串級控制系統

均勻控制系統比值控制系統分程控制系統

前饋控制系統取代控制系統

三沖量控制系統概述4根據根據系統的結構和所擔負的任務復雜控制系統串級控制系第一節串級控制系統一、概述5

當對象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時，可考慮采用串級控制系統。舉例說明串級控制系統的結構及其工作原理圖7-1管式加熱爐出口溫度控制系統

可延長爐子壽命，防止爐管燒壞；可保證后面精餾分離的質量。控制好溫度第一節串級控制系統一、概述5當對象的滯后較大第一節串級控制系統

在實際生產過程中，特別是當加熱爐的燃料壓力或燃料本身的熱值有較大波動時，該簡單控制系統的控制質量往往很差，原料油的出口溫度波動較大，難以滿足生產上的要求。根據原油出口溫度的變化來控制燃料閥門的開度

6第一節串級控制系統在實際生產過程中，特別是當第一節串級控制系統7

當燃料壓力或燃料本身的熱值變化后，先影響爐膛的溫度，然后通過傳熱過程才能逐漸影響原料油的出口溫度，這個通道容量滯后很大，時間常數約15min左右，反應緩慢，而溫度控制器TC是根據原料油的出口溫度與給定值的偏差工作的。所以當干擾作用在對象上后，并不能較快地產生控制作用以克服干擾被控變量的影響。當工藝上要求原料油的出口溫度非常嚴格時，為了解決容量滯后問題，還需對加熱爐的工藝作進一步分析。原因第一節串級控制系統7當燃料壓力或燃料本身的熱值第一節串級控制系統8以原料油出口溫度為主要被控變量的爐出口溫度與爐膛溫度的串級控制系統

圖7-3管式加熱爐出口溫度串級控制系統的方塊圖圖7-3管式加熱爐出口溫度串級控制系統的方塊圖圖7-2管式加熱爐出口溫度串級控制系統第一節串級控制系統8以原料油出口溫度為主要被控變量的爐出口第一節串級控制系統

在上述控制系統中，有兩個控制器T1C和T2C，接收來自對象不同部位的測量信號θ1和θ2。T1C的輸出作為T2C的給定值，而后者的輸出去控制執行器以改變操縱變量。從系統的結構看，這兩個控制器是串接工作的。主變量工藝控制指標，在串級控制系統中起主導作用的被控變量。9幾個串級控制系統中常用的名詞

第一節串級控制系統在上述控制系統中，有兩個控第一節串級控制系統10主對象為主變量表征其特性的生產設備。副對象為副變量表征其特性的工藝生產設備。主控制器按主變量的測量值與給定值而工作，其輸出作為副變量給定值的那個控制器。副變量串級控制系統中為了穩定主變量或因某種需要而引入的輔助變量。第一節串級控制系統10主對象為主變量表征其特性的生產設備。第一節串級控制系統主回路由主變量的測量變送裝置，主、副控制器，執行器和主、副對象構成的外回路。副回路由副變量的測量變送裝置，副控制器執行器和副對象所構成的內回路。其給定值來自主控制器的輸出，并按副變量的測量值與給定值的偏差而工作的那個控制器。副控制器11第一節串級控制系統主回路由主變量的測量變送裝置，主、副控制第一節串級控制系統12圖7-4串級控制系統典型方塊圖第一節串級控制系統12圖7-4串級控制系統典型方塊圖第一節串級控制系統二、串級控制系統的工作過程13

以管式加熱爐為例，來說明串級控制系統是如何有效地克服滯后提高控制質量的。假定執行器采用氣開形式，斷氣時關閉控制閥，以防止爐管燒壞而釀成事故，溫度控制器T1C和T2C都采用反作用方向。第一節串級控制系統二、串級控制系統的工作過程13第一節串級控制系統1.干擾進入副回路F2引起θ2變化，控制器T2C及時進行控制，使其很快穩定下來如果干擾量小，經過副回路控制后，F2一般影響不到溫度θ1；如果干擾量大，其大部分影響為副回路所克服，波及到被控變量溫度θ1再由主回路進一步控制，徹底消除干擾的影響，使被控變量回復到給定值。14第一節串級控制系統1.干擾進入副回路F2引起θ2變化，控制第一節串級控制系統

由于副回路控制通道短，時間常數小，所以當干擾進入回路時，可以獲得比單回路控制系統超前的控制作用，有效地克服燃料油壓力或熱值變化對原料油出口溫度的影響，從而大大提高了控制質量。小結15第一節串級控制系統由于副回路控制通道第一節串級控制系統162.干擾作用于主對象F1變化→θ1↑→T1C輸出↓→T2C設定值↓→T2C輸出↓→恢復給定值

所以，在串級控制系統中，如果干擾作用于主對象，由于副回路的存在，可以及時改變副變量的數值，以達到穩定主變量的目的。第一節串級控制系統162.干擾作用于主對象F1變化→θ第一節串級控制系統3.干擾同時作用于副回路和主對象在干擾作用下，主、副變量的變化方向相同。17第一節串級控制系統3.干擾同時作用于副回路和主對象在干擾作第一節串級控制系統18主、副變量的變化方向相反，一個增加，另一個減小。第一節串級控制系統18主、副變量的變化方向相反，一個增加，第一節串級控制系統在串級控制系統中，由于引入一個閉合的副回路，不僅能迅速克服作用于副回路的干擾，而且對作用于主對象上的干擾也能加速克服過程。副回路具有先調、粗調、快調的特點；主回路具有后調、細調、慢調的特點，并對于副回路沒有完全克服掉的干擾影響能徹底加以克服。因此，在串級控制系統中，由于主、副回路相互配合、相互補充，充分發揮了控制作用，大大提高了控制質量。小結19第一節串級控制系統在串級控制系統中，由于引入一個閉合的副回第一節串級控制系統三、串級控制系統的特點20（1）在系統結構上，串級控制系統有兩個閉合回路：主回路和副回路；有兩個控制器；主控制器和副控制器；有兩個測量變送器，分別測量主變量和副變量。在串級控制系統中，主回路是個定值控制系統，而副回路是個隨動控制系統。（2）在串級控制系統中，有兩個變量：主變量和副變量。主變量是反映產品質量或生產過程運行情況的主要工藝變量。第一節串級控制系統三、串級控制系統的特點20（1）在系統結第一節串級控制系統適用范圍：當對象的滯后和時間常數很大，干擾作用強而頻繁，負荷變化大，簡單控制系統滿足不了控制質量的要求時，采用串級控制系統是適宜的。（4）串級控制系統由于增加了副回路，因此具有一定的自適應能力，可用于負荷和操作條件有較大變化的場合。（3）在系統特性上，串級控制系統由于副回路的引入，改善了對象的特性，使控制過程加快，具有超前控制作用，從而有效地克服滯后，提高了控制質量。21第一節串級控制系統適用范圍：當對象的滯后和時間常數很大，干第一節串級控制系統四、串級控制系統中副回路的確定22根據生產工藝的具體情況，選擇一個合適的副變量，從而構成一個以副變量為被控變量的副回路。副回路的確定確定的原則1.主、副變量間應有一定的內在聯系第一節串級控制系統四、串級控制系統中副回路的確定22根據生第一節串級控制系統

選擇與主變量有一定關系的某一中間變量作為副變量；選擇的副變量就是操縱變量本身，這樣能及時克服它的波動，減少對主變量的影響。選擇副變量的兩類情況23第一節串級控制系統選擇與主變量有一定關系的某一中間變量作第一節串級控制系統24舉例圖7-5精餾塔塔釜溫度串級控制系統1—精餾塔；2—再沸器

通過這套串級控制系統，能夠在塔釜溫度穩定不變時，蒸汽流量能保持恒定值，而當溫度在外來干擾作用下偏離給定值時，又要求蒸汽流量能作相應的變化，以使能量的需要與供給之間得到平衡，從而保持釜溫在要求的數值上。第一節串級控制系統24舉例圖7-5精餾塔塔釜溫度串級控制第一節串級控制系統

在上例中，選擇的副變量就是操縱變量（加熱蒸汽量）本身。這樣，當干擾來自蒸汽壓力或流量的波動時，副回路能及時加以克服，以大大減少這種干擾對主變量的影響，使塔釜溫度的控制質量得以提高。25第一節串級控制系統在上例中，選擇的副第一節串級控制系統262.要使系統的主要干擾被包圍在副回路內圖7-6加熱爐出口溫度與燃料油壓力串級控制系統

在本系統中，由于選擇了燃料油壓力作為副變量，副對象的控制通道很短，時間常數很小，因此控制作用非常及時，比起圖7-2所示的控制方案，能更及時有效地克服由于燃料油壓力波動對原料油出口溫度的影響，從而大大提高了控制質量。第一節串級控制系統262.要使系統的主要干擾被包圍在副回路第一節串級控制系統注意

如果管式加熱爐的主要干擾來自燃料油組分（或熱值）波動時，就不宜采用圖7-6所示的控制方案，因為這時主要干擾并沒有被包圍在副環內，所以不能充分發揮副環抗干擾能力強的這一優點。27第一節串級控制系統注意如果管式加熱爐的主要干第一節串級控制系統283.在可能的情況下，應使副環包圍更多的次要干擾

如果在生產過程中，除了主要干擾外，還有較多的次要干擾，或者系統的干擾較多且難于分出主要干擾與次要干擾，在這種情況下，選擇副變量應考慮使副環盡量多包圍一些干擾，這樣可以充分發揮副環的快速抗干擾能力，以提高串級控制系統的控制質量。注意在考慮到使副環包圍更多干擾時，也應同時考慮到副環的靈敏度。第一節串級控制系統283.在可能的情況下，應使副環包圍更第一節串級控制系統

隨著副回路包圍干擾的增多，副環將隨之擴大，副變量離主變量也就越近。這樣一來，副對象的控制通道就變長，滯后也就增大，從而會削弱副回路的快速、有力控制的特性。

在選擇副變量時，既要考慮到使副環包圍較多的干擾，又要考慮到使副變量不要離主變量太近。結論29第一節串級控制系統隨著副回路包圍干擾的增多，副第一節串級控制系統304.副變量的選擇應考慮到主、副對象時間常數的匹配，以防“共振”的發生

是為了保證副回路具有快速的抗干擾性能；是由于串級系統中主、副回路之間是密切相關的，副變量的變化會影響到主變量，而主變量的變化通過反饋回路又會影響到副變量。在串級控制系統中，主、副對象的時間常數不能太接近。第一節串級控制系統304.副變量的選擇應考慮到主、副對象時第一節串級控制系統小結

在選擇副變量時，應注意使主、副對象的時間常數之比為3～10，以減少主、副回路的動態聯系，避免“共振”。當然，也不能盲目追求減小副對象的時間常數，否則可能使副回路包圍的干擾太少，使系統抗干擾能力反而減弱了。31第一節串級控制系統小結在選擇副變量時第一節串級控制系統5.當對象具有較大的純滯后而影響控制質量時，在選擇副變量時應使副環盡量少包含純滯后或不包含純滯后

對于含有大純滯后的對象，可采用串級控制系統，并通過合理選擇副變量將純滯后部分放到主對象中去，以提高副回路的快速抗干擾功能，及時克服干擾的影響，將其抑制在最小限度內，從而可以使主變量的控制質量得到提高。32第一節串級控制系統5.當對象具有較大的純滯后而影響控制質第一節串級控制系統33舉例某化纖廠膠液壓力的控制問題圖7-7壓力與壓力串級控制系統1—計量泵；2—板式熱交換器；3—過濾器

在計量泵和冷卻器之間，靠近計量泵的適當位置，選擇壓力測量點，并作為副變量組成一個壓力與壓力的串級控制系統，以提高控制質量。

圖中主控制器P1C的輸出作為副控制器P2C的給定值，由副控制器的輸出來改變計量泵的轉速，從而控制紡絲膠液的壓力。該法有很大局限性。第一節串級控制系統33舉例某化纖廠膠液壓力的控制問題圖7-第一節串級控制系統五、主、副控制器控制規律及正、反作用的選擇341.控制規律的選擇控制規律是根據控制的要求來進行選擇的。目的為了高精度地穩定主變量。主控制器通常都選用比例積分控制規律，以實現主變量的無差控制。副變量的給定值是隨主控制器的輸出變化而變化的。副控制器一般采用比例控制規律。第一節串級控制系統五、主、副控制器控制規律及正、反作用的選第一節串級控制系統352.控制器正、反作用的選擇（1）串級控制系統中的副控制器作用方向的選擇，根據工藝安全等要求，選定執行器的氣開、氣關形式后，按照使副控制回路成為一個負反饋系統的原則來確定。例如圖7-2所示的管式加熱爐溫度-溫度串級控制系統中的副回路。氣源中斷，停止供給燃料油時，執行器選氣開閥，“正”方向。燃料量加大時，爐膛溫度θ2（副變量）增加，副對象“正”方向。為使副回路構成一個負反饋系統，副控制器T2C選擇“反”方向。第一節串級控制系統352.控制器正、反作用的選擇（1）串級第一節串級控制系統如圖7-5所示的精餾塔塔釜溫度與蒸汽流量的串級控制系統。

基于工藝上的考慮，選擇執行器為氣關閥。為使副回路是一個負反饋控制系統，副控制器FC的作用方向應選擇為“正”作用。（2）串級控制系統中主控制器作用方向的選擇：

當主、副變量增加（減小）時，如果由工藝分析得出，為使主、副變量減小（增加），要求控制閥的動作方向是一致的時候，主控制器應選“反”作用；反之，則應選“正”作用。36第一節串級控制系統如圖7-5所示的精餾塔塔釜溫度與蒸汽流量第一節串級控制系統37例如圖7-2所示的管式加熱爐串級控制系統。

主變量θ1或副變量θ2增加時，都要求關小控制閥，減少供給的燃料量，才能使θ1或θ2降下來，所以此時主控制器T1C應確定為反作用方向。如圖7-5所示的精餾塔塔釜溫度與蒸汽流量的串級控制系統。

蒸汽流量（副變量）或塔釜溫度（主變量）增加時，都需要關小控制閥，它們對控制閥的動作方向要求是一致的，所以主控制器TC也應為反作用方向。第一節串級控制系統37例如圖7-2所示的管式加熱爐串級控制第一節串級控制系統38圖7-8冷卻器溫度串級控制系統

冷卻器溫度串級控制系統是以被冷卻物料出口溫度為主變量，冷劑流量為副變量的串級控制系統。分析冷卻器的特性可以知道，當主變量即被冷卻物料出口溫度增加時，需要開大控制閥，而當副變量即冷劑流量增加時，需要關小控制閥，它們對控制閥動作方向的要求是不一致的，因此主控制器TC的作用方向應選用正作用。第一節串級控制系統38圖7-8冷卻器溫度串級控制系統第一節串級控制系統39（3）當由于工藝過程的需要，控制閥由氣開改為氣關，或由氣關改為氣開時，只要改變副控制器的正反作用而不需改變主控制器的正反作用。在有些生產過程中，要求控制系統既可以進行串級控制，又可以實現主控制器單獨工作。即若系統由串級切換為主控時，是用主控制器的輸出代替原先副控制器的輸出去控制執行器，而若系統由主控切換為串級時，是用副控制器的輸出代替主控制器的輸出去控制執行器。第一節串級控制系統39（3）當由于工藝過程的需要，控制閥由第一節串級控制系統系統串級與主控切換的條件：

當主變量變化時，串級時副控制器的輸出與主控時主控制器的輸出信號方向完全一致。

無論哪一種切換，都必須保證當主變量變化時，去控制閥的信號完全一致。40第一節串級控制系統系統串級與主控切換的條件：第一節串級控制系統六、控制器參數的工程整定41串級控制系統主、副控制器的參數整定的兩種方法。1.兩步整定法

按照串級控制系統主、副回路的情況，先整定副控制器，后整定主控制器的方法。第一節串級控制系統六、控制器參數的工程整定41串級控制系統第一節串級控制系統（1）在工況穩定，主、副控制器都在純比例作用運行的條件下，將主控制器的比例度先固定在100％的刻度上，逐漸減小副控制器的比例度，求取副回路在滿足某種衰減比（如4∶1）過渡過程下的副控制器比例度和操作周期，分別用δ2s和T2s表示。（2）在副控制器比例度等于δ2s的條件下，逐步減小主控制器的比例度，直至得到同樣衰減比下的過渡過程，記下此時主控制器的比例度δ1s和操作周期T1s。整定過程42第一節串級控制系統（1）在工況穩定，主、副控制器都在純比例第一節串級控制系統43（3）根據上面得到的δ1s、T1s、δ2s、T2s，按表7-2（或表7-3）的規定關系計算主、副控制器的比例度、積分時間和微分時間。（4）按“先副后主”、“先比例次積分后微分”的整定規律，將計算出的控制器參數加到控制器上。（5）觀察控制過程，適當調整，直到獲得滿意的過渡過程。第一節串級控制系統43（3）根據上面得到的δ1s、T1s、第一節串級控制系統共振問題

如果主、副對象時間常數相差不大，動態聯系密切，可能會出現“共振”現象。

可適當減小副控制器比例度或積分時間，以達到減小副回路操作周期的目的。同理，可以加大主控制器的比例度或積分時間，以期增大主回路操作周期，使主、副回路的操作周期之比加大，避免“共振”。

如果主、副對象特性太接近，就不能完全靠控制器參數的改變來避免“共振”了。44第一節串級控制系統共振問題如果主、副對象時間常數相第一節串級控制系統2.一步整定法

根據經驗將副控制器一次放好，不再變動，然后按一般單回路控制系統的整定方法直接整定主控制器參數。實踐證明

這種整定方法，對于對主變量要求較高，而對副變量沒有什么要求或要求不嚴，允許它在一定范圍內變化的串級控制系統，是很有效的。45第一節串級控制系統2.一步整定法根據經驗將副控第一節串級控制系統465.0～1.73.0～1.42.5～1.255.0～1.2520～6030～7040～8020～80溫度壓力流量液位副控制器比例放大倍數KP2副控制器比例度δ2／％副變量類型表7-1采用一步整定法時副控制器參數選擇范圍第一節串級控制系統465.0～1.720～60溫度副控第一節串級控制系統47一步整定法的整定步驟：

（1）在生產正常，系統為純比例運行的條件下，按照表7-1所列的數據，將副控制器比例度調到某一適當的數值。（2）利用簡單控制系統中任一種參數整定方法整定主控制器的參數。（3）如果出現“共振”現象，可加大主控制器或減小副控制器的參數整定值，一般即能消除。第一節串級控制系統47一步整定法的整定步驟：（1）在生產第二節均勻控制系統一、均勻控制的目的48圖7-9前后精餾塔的供求關系甲塔:為了穩定操作需保持塔釜液位穩定，必然頻繁地改變塔底的排出量。乙塔：從穩定操作要求出發，希望進料量盡量不變或少變。甲、乙兩塔間的供求關系出現了矛盾。

為了解決前后工序供求矛盾，達到前后兼顧協調操作，使液位和流量均勻變化，組成的系統稱為均勻控制系統。第二節均勻控制系統一、均勻控制的目的48圖7-9前后精餾第二節均勻控制系統49均勻控制的要求（1）兩個變量在控制過程中都應該是緩慢變化的。（2）前后互相聯系又互相矛盾的兩個變量應保持在所允許的范圍內波動。圖7-10前一設備的液位和后一設備的進料量之關系1—液位變化曲線；2—流量變化曲線第二節均勻控制系統49均勻控制的要求（1）兩個變量在控制過第二節均勻控制系統二、均勻控制方案501.簡單均勻控制圖7-11簡單均勻控制目的

為了協調液位與排出流量之間的關系，允許它們都在各自許可的范圍內作緩慢的變化。滿足均勻控制要求的方法通過控制器的參數整定來實現。第二節均勻控制系統二、均勻控制方案501.簡單均勻控制圖7第二節均勻控制系統512.串級均勻控制圖7-12串級均勻控制

可在簡單均勻控制方案基礎上增加一個流量副回路，即構成串級均勻控制。參數整定的方法

由小到大地進行調整。

串級均勻控制系統的主、副控制器一般都采用純比例作用的。只在要求較高時，為了防止偏差過大而超過允許范圍，才引入適當的積分作用。第二節均勻控制系統512.串級均勻控制圖7-12串級均勻第二節均勻控制系統特點

由于增加了副回路，可以及時克服由于塔內或排出端壓力改變所引起的流量變化。

串級均勻控制系統協調兩個變量間的關系是通過控制器參數整定來實現的。

在串級均勻控制系統中，參數整定的目的不是使變量盡快地回到給定值，而是要求變量在允許的范圍內作緩慢的變化。52第二節均勻控制系統特點由于增加了副回路，可以及時克第三節比值控制系統一、概況53

實現兩個或兩個以上參數符合一定比例關系的控制系統，稱為比值控制系統。通常為流量比值控制系統。幾個概念主物料、主動量（Q1

、主流量）從物料、從動量（Q2

、副流量）副流量Q2與主流量Q1的比值關系為（7-1）第三節比值控制系統一、概況53實現兩第三節比值控制系統二、比值控制系統的類型541.開環比值控制系統圖7-13開環比值控制圖7-14開環比值控制方塊圖第三節比值控制系統二、比值控制系統的類型541.開環比值控第三節比值控制系統

結構簡單，只需一臺純比例控制器，其比例度可以根據比值要求來設定。主、副流量均開環；這種比值控制方案對副流量Q2本身無抗干擾能力。所以這種系統只能適用于副流量較平穩且比值要求不高的場合。

55第三節比值控制系統結構簡單，只需一臺純比例控制器，其比例第三節比值控制系統562.單閉環比值控制系統

單閉環比值控制系統是為了克服開環比值控制方案的不足，在開環比值控制系統的基礎上，通過增加一個副流量的閉環控制系統而組成的。

圖7-15單閉環比值控制圖7-16單閉環比值控制系統方塊圖第三節比值控制系統562.單閉環比值控制系統第三節比值控制系統

它能實現副流量隨主流量的變化而變化，還可以克服副流量本身干擾對比值的影響。結構簡單，實施方便，尤其適用于主物料在工藝上不允許進行控制的場合。雖然能保持兩物料量比值一定，但由于主流量是不受控制的，當主流量變化時，總的物料量就會跟著變化。57第三節比值控制系統它能實現副流量隨主流量的變化而變化，還第三節比值控制系統583.雙閉環比值控制系統

它是在單閉環比值控制的基礎上，增加了主流量控制回路而構成的。

圖7-17雙閉環比值控制圖7-18雙閉環比值控制系統方塊圖第三節比值控制系統583.雙閉環比值控制系統第三節比值控制系統

實現了比較精確的流量比值，也確保了兩物料總量基本不變。提降負荷比較方便，只要緩慢地改變主流量控制器的給定值，就可以提降主流量，同時副流量也就自動跟蹤提降，并保持兩者比值不變。結構較復雜，使用的儀表較多，投資較大，系統調整較麻煩。主要適用于主流量干擾頻繁、工藝上不允許負荷有較大波動或工藝上經常需要提降負荷的場合。59第三節比值控制系統實現了比較精確的流量比值，也確保了兩物第三節比值控制系統604.變比值控制系統圖7-19變比值控制系統

要求兩種物料的比值能靈活地隨第三變量的需要而加以調整，這樣就出現一種變比值控制系統。圖7-20變比值控制系統方塊圖第三節比值控制系統604.變比值控制系統圖7-19變比值第四節前饋控制系統一、前饋控制系統及其特點61反饋與前饋圖7-21換熱器的反饋控制圖7-22換熱器的前饋控制圖7-24反饋控制與前饋控制方塊圖第四節前饋控制系統一、前饋控制系統及其特點61反饋與前饋圖第四節前饋控制系統621.前饋控制是基于不變性原理工作的，比反饋控制及時、有效圖7-23前饋控制系統的補償過程

前饋控制是根據干擾的變化產生控制作用的。

反饋控制與前饋控制的檢測信號與控制信號有不同的特點：第四節前饋控制系統621.前饋控制是基于不變性原理工作的，第四節前饋控制系統

反饋控制的依據是被控變量與給定值的偏差，檢測的信號是被控變量，控制作用發生時間是在偏差出現以后。前饋控制的依據是干擾的變化，檢測的信號是干擾量的大小，控制作用的發生時間是在干擾作用的瞬間而不需等到偏差出現之后。63第四節前饋控制系統反饋控制的依據是被控變量與給定值的偏差第四節前饋控制系統2.前饋控制是屬于“開環”控制系統

反饋控制系統是一個閉環控制系統，而前饋控制是一個“開環”控制系統。

反饋控制由于是閉環系統，控制結果能夠通過反饋獲得檢驗，而前饋控制其控制效果并不通過反饋來加以檢驗。要想綜合一個合適的前饋控制作用，必須對被控對象的特性作深入的研究和徹底的了解。64第四節前饋控制系統2.前饋控制是屬于“開環”控制系統第四節前饋控制系統653.前饋控制使用的是視對象特性而定的“專用”控制器

一般的反饋控制系統均采用通用類型的PID控制器，而前饋控制要采用專用前饋控制器。前饋控制器的控制規律取決于干擾通道的特性與控制通道的特性。對于不同的對象特性，就應該設計具有不同控制規律的控制器。4.一種前饋作用只能克服一種干擾反饋控制只用一個控制回路就可克服多個干擾。第四節前饋控制系統653.前饋控制使用的是視對象特性而定的第四節前饋控制系統二、前饋控制的主要形式1.單純的前饋控制形式

根據對干擾補償的特點，可分為靜態前饋控制和動態前饋控制。66第四節前饋控制系統二、前饋控制的主要形式1.單純的前饋控制第四節前饋控制系統67（1）靜態前饋控制系統

在圖7-22中，前饋控制器的輸出信號是按干擾大小隨時間變化的，它是干擾量和時間的函數。而當干擾通道和控制通道動態特性相同時，便可以不考慮時間函數，只按靜態關系確定前饋控制作用。

如果主要干擾是進料流量的波動ΔQ1，那么前饋控制器的輸出Δmf為第四節前饋控制系統67（1）靜態前饋控制系統在第四節前饋控制系統舉例蒸汽加熱的換熱器

圖7-25靜態前饋控制實施方案

熱交換器是應用前饋控制較多的場合，換熱器有滯后大、時間常數大、反應慢的特性，前饋控制就是針對這種對象特性設計的，故能很好發揮作用。68第四節前饋控制系統舉例蒸汽加熱的換熱器圖7-25靜態前第四節前饋控制系統69根據熱平衡原理來分析（7-2）進料增加為Q1+ΔQ1時（7-3）式（7-3）減式（7-2）（7-4）則（7-5）第四節前饋控制系統69根據熱平衡原理來分析（7-2）進料增第四節前饋控制系統70（2）動態前饋控制系統

要考慮對象的動態特性，從而確定前饋控制器的規律，才能獲得動態前饋補償。圖7-26動態前饋控制實施方案

可在靜態前饋控制的基礎上，加上延遲環節或微分環節，以達到干擾作用的近似補償。按此原理設計的一種前饋控制器，有三個可以調整的參數K、T1、T2。

K為放大倍數，是為了靜態補償用的。T1、T2是時間常數，都有可調范圍，分別表示延遲作用和微分作用的強弱。第四節前饋控制系統70（2）動態前饋控制系統要考第四節前饋控制系統712.前饋-反饋控制

將它們組合起來，取長補短，使前饋控制用來克服主要干擾，反饋控制用來克服其他的多種干擾，兩者協同工作，能提高控制質量。圖7-27換熱器的前饋-反饋控制圖7-28前饋-反饋控制系統方塊圖第四節前饋控制系統712.前饋-反饋控制將它第四節前饋控制系統前饋-反饋控制系統與串級控制系統的不同點

串級控制系統是由內、外（或主、副）兩個反饋回路所組成；而前饋-反饋控制系統是由一個反饋回路和另一個開環的補償回路疊加而成。72第四節前饋控制系統前饋-反饋控制系統與串級控制系統的不同點第四節前饋控制系統三、前饋控制的應用場合73（1）干擾幅值大而頻繁，對被控變量影響劇烈，僅采用反饋控制達不到要求的對象。（2）主要干擾是可測而不可控的變量。（3）當對象的控制通道滯后大，反饋控制不及時，控制質量差，可采用前饋或前饋-反饋控制系統，以提高控制質量。第四節前饋控制系統三、前饋控制的應用場合73（1）干擾幅值第五節選擇性控制系統一、基本概念74

在這些大型工藝生產過程中，除了要求控制系統在生產處于正常運行情況下，能夠克服外界干擾，維持生產的平穩運行外，當生產操作達到安全極限時，控制系統應有一種應變能力，能采取相應的保護措施，促使生產操作離開安全極限，返回到正常情況。第五節選擇性控制系統一、基本概念74第五節選擇性控制系統75生產保護性措施有兩類：一類是硬保護措施；一類是軟保護措施。生產的軟保護措施通過一個特定設計的自動選擇性控制系統，當生產短期內處于不正常情況時，既不使設備停車又起到對生產進行自動保護的目的。第五節選擇性控制系統75生產保護性措施有兩類：一類是硬保護第五節選擇性控制系統76

要構成選擇性控制，生產操作必須要具有一定選擇性的邏輯關系。選擇性控制的實現則需要靠具有選擇功能的自動選擇器（高值選擇器或低值選擇器）或有關的切換裝置（切換器、帶電接點的控制器或測量儀表）來完成。第五節選擇性控制系統76要構成選擇性控制，生產操作必須第五節選擇性控制系統二、選擇性控制系統的類型771.開關型選擇性控制系統

一般有A、B兩個可供選擇的變量。其中一個變量A假定是工藝操作的主要技術指標，它直接關系到產品的質量或生產效率；另一個變量B，工藝上對它有一個限值要求。開關型選擇性控制系統一般都用做系統的限值保護。第五節選擇性控制系統二、選擇性控制系統的類型771.開關型第五節選擇性控制系統78圖7-29丙烯冷卻器的兩種控制方案圖7-29（a）所示的方案實際上是通過改變換熱面積的方法來達到控制溫度的目的。第五節選擇性控制系統78圖7-29丙烯冷卻器的兩種控制方第五節選擇性控制系統79

當裂解氣溫度過高或負荷量過大時，控制閥將要大幅度地被打開。當冷卻器中的列管全部為液態丙烯所淹沒，而裂解氣出口溫度仍然降不到希望的溫度時，就不能再一味地使控制閥開度繼續增加了。注意

方案（b）是在方案（a）的基礎上增加了一個帶上限節點的液位變送器（或報警器）和一個連接于溫度控制器TC與執行器之間的電磁三通閥。第五節選擇性控制系統79當裂解氣溫度過高或負荷量過第五節選擇性控制系統80圖7-30開關型選擇性控制系統方塊圖

圖中的方塊“開關”實際上是一只電磁三通閥，可以根據液位的不同情況分別讓執行器接通溫度控制器或接通大氣。第五節選擇性控制系統80圖7-30開關型選擇性控制系統方81圖7-31開關型選擇性控制系統信號器的信號關系是：當液位低于75％時，輸出p2＝０；當液位達到75％時，p2＝0.1MPa。切換器的信號關系是：當p2＝０時，py＝px；當p2＝0.1MPa時，py＝０。第五節選擇性控制系統81圖7-31開關型選擇性控制系統信號器的信號關系是：第五822.連續型選擇性控制系統特點當取代作用發生后，控制閥不是立即全開或全關，而是在閥門原來的開度基礎上繼續進行連續控制。

一般具有兩臺控制器，它們的輸出通過一臺選擇器（高選器或低選器）后，送往執行器。這兩臺控制器，一臺在正常情況下工作，另一臺在非正常情況下工作。第五節選擇性控制系統822.連續型選擇性控制系統特點當取代作用發生后，控制閥不是83舉例大型合成氨工廠的蒸汽鍋爐圖7-32輔助鍋爐壓力取代控制系統圖7-33蒸汽壓力與燃料氣壓力選擇性控制系統方塊圖第五節選擇性控制系統83舉例大型合成氨工廠的蒸汽鍋爐圖7-32輔助鍋爐壓力取代84

當系統處于燃料氣壓力控制時，蒸汽壓力的控制質量將會明顯下降，但這是為了防止事故發生所采取的必要的應急措施，這時的蒸汽壓力控制系統實際上停止了工作，被屬于非正常控制的燃料氣壓力控制系統所取代。注意第五節選擇性控制系統84當系統處于燃料氣壓力控制時，蒸汽壓力的控制853.混合型選擇性控制系統

在這種混合型選擇性控制系統中，既包含有開關型選擇的內容，又包含有連續型選擇的內容。

當燃料氣壓力不足時，燃料氣管線的壓力就有可能低于燃燒室壓力，這樣就會出現危險的回火現象，危及燃料氣罐使之發生燃燒和爆炸。燃料氣管線壓力過低的危害

第五節選擇性控制系統853.混合型選擇性控制系統在這種混合型選擇性圖7-34混合型選擇性控制方案

增加了一個帶下限節點的壓力控制器P3C和一臺電磁三通閥。

一旦燃料氣壓力下降到極限值時，下限節點接通，電磁閥通電，切斷了低選器LS送往執行器的信號，使控制閥膜頭與大氣相通，膜頭內壓力迅速下降到零，于是控制閥將關閉，回火事故將不致發生。當燃料氣壓力上升達到正常時，下限節點斷開，電磁閥中失電，低選器的輸出又被送往執行器。86第五節選擇性控制系統圖7-34混合型選擇性控制方案增加了一個帶下限節點三、積分飽和及其防止1.積分飽和的產生及其危害性

一個具有積分作用的控制器，處于開環工作狀態時，如果偏差輸入信號一直存在，那么，由于積分作用的結果，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，該現象稱為“積分飽和”。87第五節選擇性控制系統三、積分飽和及其防止1.積分飽和的產生及其危害性產生積分飽和的條件

其一是控制器具有積分作用；其二是控制器處于開環工作狀態，其輸出沒有被送往執行器；其三是控制器的輸入偏差信號長期存在。

當控制器處于積分飽和狀態時，它的輸出將達到最大或最小的極限值，該極限值已超出執行器的有效輸入信號范圍。88第五節選擇性控制系統產生積分飽和的條件其一是控制器具有積分作用；當控制2.抗積分飽和措施目前防止積分飽和的兩種方法

（1）限幅法通過一些專門的技術措施對積分反饋信號加以限制，從而使控制器輸出信號被限制在工作信號范圍之內。（2）積分切除法當控制器處于開環工作狀態時，就將控制器的積分作用切除掉，這樣就不會使控制器輸出一直增大到最大值或一直減小到最小值，就不會產生積分飽和問題了。89第五節選擇性控制系統2.抗積分飽和措施目前防止積分飽和的兩種方法（1）限幅法第六節分程控制系統一、概述

一臺控制器的輸出可以同時控制兩臺甚至兩臺以上的控制閥。控制器的輸出信號被分割成若干個信號范圍段，由每一段信號去控制一臺控制閥，稱為分程控制系統。

圖7-35分程控制系統方塊圖90第六節分程控制系統一、概述一臺控制器的輸出可第六節分程控制系統就控制閥的開、關形式分類

兩個控制閥同向動作，即隨著控制器輸出信號（即閥壓）的增大或減小，兩控制閥都開大或關小。兩個控制閥異向動作，即隨著控制器輸出信號的增大或減小，一個控制閥開大，另一個控制閥則關小。91第六節分程控制系統就控制閥的開、關形式分類兩個控制閥同向第六節分程控制系統圖7-37兩閥異向動作圖7-36兩閥同向動作92第六節分程控制系統圖7-37兩閥異向動作圖7-36兩閥第六節分程控制系統二、分程控制的應用場合1.用于擴大控制閥的可調范圍，改善控制品質圖7-38蒸汽減壓系統分程控制93第六節分程控制系統二、分程控制的應用場合1.用于擴大控制閥第六節分程控制系統2.用于控制兩種不同的介質，以滿足工藝生產的要求圖7-39反應器分程控制系統

對間歇式化學反應器，既要考慮反應前的預熱問題，又需要考慮反應過程中移走熱量的問題。94第六節分程控制系統2.用于控制兩種不同的介質，以滿足工藝生第六節分程控制系統圖7-40

A、B閥特性圖

本方案中選擇蒸汽控制閥為氣開式，冷水控制閥為氣關式是從生產安全角度考慮的。因為，一旦出現供氣中斷情況，A閥將處于全開，B閥將處于全關。這樣，就不會因為反應器溫度過高而導致生產事故。95第六節分程控制系統圖7-40A、B閥特性圖本方案第六節分程控制系統3.用作生產安全的防護措施

有時為了生產安全起見，需要采取不同的控制手段，可采用分程控制方案。圖7-41貯罐氮封分程控制方案解決貯罐中物料量的增減會導致氮封壓力的變化的問題。圖7-42氮封分程閥特性圖96第六節分程控制系統3.用作生產安全的防護措施第六節分程控制系統三、分程控制中的幾個問題（1）控制閥流量特性要正確選擇。圖7-43閥門特性97第六節分程控制系統三、分程控制中的幾個問題（1）控制閥流量第六節分程控制系統（2）大小閥并聯時，大閥泄漏量不可忽視，否則就不能充分發揮擴大可調范圍的作用。當大閥泄漏量較大時，系統的最小流通能力就不再是小閥的最小流通能力。（3）控制器的選擇和參數整定，可參照簡單控制系統處理。如果在運行中，兩個控制通道特性不同，即廣義對象特性是兩個，控制器參數不能同時滿足兩個不同對象特性的要求。這時，只好照顧正常情況下的被控對象特性，按正常情況下整定控制器的參數。對另一臺閥的操作要求，只要能在工藝允許的范圍內即可。98第六節分程控制系統（2）大小閥并聯時，大閥泄漏量不可忽視，第七節多沖量控制系統

多沖量控制系統指在控制系統中，有多個變量信號，經過一定的運算后，共同控制一臺執行器，以使某個被控的工藝變量有較高的控制質量。

多沖量控制系統在鍋爐給水系統控制中應用比較廣泛。主要用來自動控制鍋爐的給水量，使其適應蒸發量的變化，維持汽包水位在允許的范圍內。定義適用范圍99第七節多沖量控制系統多沖量控制系統指在控制系統中，第七節多沖量控制系統1.單沖量液位控制系統圖7-44單沖量控制系統原理根據汽包液位的信號來控制給水量。優點結構簡單、使用儀表少。

缺點不能適應蒸汽負荷的劇烈變化。易根據“假液位”引起控制系統的誤動作。100第七節多沖量控制系統1.單沖量液位控制系統圖7-44單沖第七節多沖量控制系統2.雙沖量液位控制系統圖7-46雙沖量控制系統方塊圖雙沖量——液位信號和蒸汽流量信號圖7-45雙沖量控制系統從結構上看，它實際上是一個前饋-反饋控制系統。當供水壓力擾動比較頻繁時，該系統的控制質量較差。

101第七節多沖量控制系統2.雙沖量液位控制系統圖7-46雙沖第七節多沖量控制系統3.三沖量液位控制系統圖7-47三沖量控制系統圖7-48三沖量控制系統的一種實施方案102第七節多沖量控制系統3.三沖量液位控制系統圖7-47三沖第七節多沖量控制系統圖7-49三沖量控制系統方塊圖

這實質上是前饋-串級控制系統。汽包液位是被控變量，給水流量是串級控制系統中的副變量，蒸汽流量是作為前饋信號引入的。結論103第七節多沖量控制系統圖7-49三沖量控制系統方塊圖這END104END104化工儀表及自動化第七章復雜控制系統

化工儀表及自動化第七章復雜控制系統106內容提要串級控制系統概述串級控制系統的工作過程串級控制系統的特點串級控制系統中副回路的確定主、副控制器控制規律及正、反作用的選擇控制器參數的工程整定均勻控制系統均勻控制的目的均勻控制方案1內容提要串級控制系統1內容提要比值控制系統概述比值控制系統的類型前饋控制系統前饋控制系統及其特點前饋控制系統的主要形式前饋控制系統的應用場合選擇性控制系統基本概念選擇性控制系統的類型積分飽和及其防止2內容提要比值控制系統2內容提要分程控制系統概述分程控制的應用場合分程控制的幾個問題多沖量控制系統3內容提要分程控制系統3概述4根據根據系統的結構和所擔負的任務復雜控制系統串級控制系統

均勻控制系統比值控制系統分程控制系統

前饋控制系統取代控制系統

三沖量控制系統概述4根據根據系統的結構和所擔負的任務復雜控制系統串級控制系第一節串級控制系統一、概述5

當對象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時，可考慮采用串級控制系統。舉例說明串級控制系統的結構及其工作原理圖7-1管式加熱爐出口溫度控制系統

可延長爐子壽命，防止爐管燒壞；可保證后面精餾分離的質量。控制好溫度第一節串級控制系統一、概述5當對象的滯后較大第一節串級控制系統

在實際生產過程中，特別是當加熱爐的燃料壓力或燃料本身的熱值有較大波動時，該簡單控制系統的控制質量往往很差，原料油的出口溫度波動較大，難以滿足生產上的要求。根據原油出口溫度的變化來控制燃料閥門的開度

6第一節串級控制系統在實際生產過程中，特別是當第一節串級控制系統7

當燃料壓力或燃料本身的熱值變化后，先影響爐膛的溫度，然后通過傳熱過程才能逐漸影響原料油的出口溫度，這個通道容量滯后很大，時間常數約15min左右，反應緩慢，而溫度控制器TC是根據原料油的出口溫度與給定值的偏差工作的。所以當干擾作用在對象上后，并不能較快地產生控制作用以克服干擾被控變量的影響。當工藝上要求原料油的出口溫度非常嚴格時，為了解決容量滯后問題，還需對加熱爐的工藝作進一步分析。原因第一節串級控制系統7當燃料壓力或燃料本身的熱值第一節串級控制系統8以原料油出口溫度為主要被控變量的爐出口溫度與爐膛溫度的串級控制系統

圖7-3管式加熱爐出口溫度串級控制系統的方塊圖圖7-3管式加熱爐出口溫度串級控制系統的方塊圖圖7-2管式加熱爐出口溫度串級控制系統第一節串級控制系統8以原料油出口溫度為主要被控變量的爐出口第一節串級控制系統

在上述控制系統中，有兩個控制器T1C和T2C，接收來自對象不同部位的測量信號θ1和θ2。T1C的輸出作為T2C的給定值，而后者的輸出去控制執行器以改變操縱變量。從系統的結構看，這兩個控制器是串接工作的。主變量工藝控制指標，在串級控制系統中起主導作用的被控變量。9幾個串級控制系統中常用的名詞

第一節串級控制系統在上述控制系統中，有兩個控第一節串級控制系統10主對象為主變量表征其特性的生產設備。副對象為副變量表征其特性的工藝生產設備。主控制器按主變量的測量值與給定值而工作，其輸出作為副變量給定值的那個控制器。副變量串級控制系統中為了穩定主變量或因某種需要而引入的輔助變量。第一節串級控制系統10主對象為主變量表征其特性的生產設備。第一節串級控制系統主回路由主變量的測量變送裝置，主、副控制器，執行器和主、副對象構成的外回路。副回路由副變量的測量變送裝置，副控制器執行器和副對象所構成的內回路。其給定值來自主控制器的輸出，并按副變量的測量值與給定值的偏差而工作的那個控制器。副控制器11第一節串級控制系統主回路由主變量的測量變送裝置，主、副控制第一節串級控制系統12圖7-4串級控制系統典型方塊圖第一節串級控制系統12圖7-4串級控制系統典型方塊圖第一節串級控制系統二、串級控制系統的工作過程13

以管式加熱爐為例，來說明串級控制系統是如何有效地克服滯后提高控制質量的。假定執行器采用氣開形式，斷氣時關閉控制閥，以防止爐管燒壞而釀成事故，溫度控制器T1C和T2C都采用反作用方向。第一節串級控制系統二、串級控制系統的工作過程13第一節串級控制系統1.干擾進入副回路F2引起θ2變化，控制器T2C及時進行控制，使其很快穩定下來如果干擾量小，經過副回路控制后，F2一般影響不到溫度θ1；如果干擾量大，其大部分影響為副回路所克服，波及到被控變量溫度θ1再由主回路進一步控制，徹底消除干擾的影響，使被控變量回復到給定值。14第一節串級控制系統1.干擾進入副回路F2引起θ2變化，控制第一節串級控制系統

由于副回路控制通道短，時間常數小，所以當干擾進入回路時，可以獲得比單回路控制系統超前的控制作用，有效地克服燃料油壓力或熱值變化對原料油出口溫度的影響，從而大大提高了控制質量。小結15第一節串級控制系統由于副回路控制通道第一節串級控制系統162.干擾作用于主對象F1變化→θ1↑→T1C輸出↓→T2C設定值↓→T2C輸出↓→恢復給定值

所以，在串級控制系統中，如果干擾作用于主對象，由于副回路的存在，可以及時改變副變量的數值，以達到穩定主變量的目的。第一節串級控制系統162.干擾作用于主對象F1變化→θ第一節串級控制系統3.干擾同時作用于副回路和主對象在干擾作用下，主、副變量的變化方向相同。17第一節串級控制系統3.干擾同時作用于副回路和主對象在干擾作第一節串級控制系統18主、副變量的變化方向相反，一個增加，另一個減小。第一節串級控制系統18主、副變量的變化方向相反，一個增加，第一節串級控制系統在串級控制系統中，由于引入一個閉合的副回路，不僅能迅速克服作用于副回路的干擾，而且對作用于主對象上的干擾也能加速克服過程。副回路具有先調、粗調、快調的特點；主回路具有后調、細調、慢調的特點，并對于副回路沒有完全克服掉的干擾影響能徹底加以克服。因此，在串級控制系統中，由于主、副回路相互配合、相互補充，充分發揮了控制作用，大大提高了控制質量。小結19第一節串級控制系統在串級控制系統中，由于引入一個閉合的副回第一節串級控制系統三、串級控制系統的特點20（1）在系統結構上，串級控制系統有兩個閉合回路：主回路和副回路；有兩個控制器；主控制器和副控制器；有兩個測量變送器，分別測量主變量和副變量。在串級控制系統中，主回路是個定值控制系統，而副回路是個隨動控制系統。（2）在串級控制系統中，有兩個變量：主變量和副變量。主變量是反映產品質量或生產過程運行情況的主要工藝變量。第一節串級控制系統三、串級控制系統的特點20（1）在系統結第一節串級控制系統適用范圍：當對象的滯后和時間常數很大，干擾作用強而頻繁，負荷變化大，簡單控制系統滿足不了控制質量的要求時，采用串級控制系統是適宜的。（4）串級控制系統由于增加了副回路，因此具有一定的自適應能力，可用于負荷和操作條件有較大變化的場合。（3）在系統特性上，串級控制系統由于副回路的引入，改善了對象的特性，使控制過程加快，具有超前控制作用，從而有效地克服滯后，提高了控制質量。21第一節串級控制系統適用范圍：當對象的滯后和時間常數很大，干第一節串級控制系統四、串級控制系統中副回路的確定22根據生產工藝的具體情況，選擇一個合適的副變量，從而構成一個以副變量為被控變量的副回路。副回路的確定確定的原則1.主、副變量間應有一定的內在聯系第一節串級控制系統四、串級控制系統中副回路的確定22根據生第一節串級控制系統

選擇與主變量有一定關系的某一中間變量作為副變量；選擇的副變量就是操縱變量本身，這樣能及時克服它的波動，減少對主變量的影響。選擇副變量的兩類情況23第一節串級控制系統選擇與主變量有一定關系的某一中間變量作第一節串級控制系統24舉例圖7-5精餾塔塔釜溫度串級控制系統1—精餾塔；2—再沸器

通過這套串級控制系統，能夠在塔釜溫度穩定不變時，蒸汽流量能保持恒定值，而當溫度在外來干擾作用下偏離給定值時，又要求蒸汽流量能作相應的變化，以使能量的需要與供給之間得到平衡，從而保持釜溫在要求的數值上。第一節串級控制系統24舉例圖7-5精餾塔塔釜溫度串級控制第一節串級控制系統

在上例中，選擇的副變量就是操縱變量（加熱蒸汽量）本身。這樣，當干擾來自蒸汽壓力或流量的波動時，副回路能及時加以克服，以大大減少這種干擾對主變量的影響，使塔釜溫度的控制質量得以提高。25第一節串級控制系統在上例中，選擇的副第一節串級控制系統262.要使系統的主要干擾被包圍在副回路內圖7-6加熱爐出口溫度與燃料油壓力串級控制系統

在本系統中，由于選擇了燃料油壓力作為副變量，副對象的控制通道很短，時間常數很小，因此控制作用非常及時，比起圖7-2所示的控制方案，能更及時有效地克服由于燃料油壓力波動對原料油出口溫度的影響，從而大大提高了控制質量。第一節串級控制系統262.要使系統的主要干擾被包圍在副回路第一節串級控制系統注意

如果管式加熱爐的主要干擾來自燃料油組分（或熱值）波動時，就不宜采用圖7-6所示的控制方案，因為這時主要干擾并沒有被包圍在副環內，所以不能充分發揮副環抗干擾能力強的這一優點。27第一節串級控制系統注意如果管式加熱爐的主要干第一節串級控制系統283.在可能的情況下，應使副環包圍更多的次要干擾

如果在生產過程中，除了主要干擾外，還有較多的次要干擾，或者系統的干擾較多且難于分出主要干擾與次要干擾，在這種情況下，選擇副變量應考慮使副環盡量多包圍一些干擾，這樣可以充分發揮副環的快速抗干擾能力，以提高串級控制系統的控制質量。注意在考慮到使副環包圍更多干擾時，也應同時考慮到副環的靈敏度。第一節串級控制系統283.在可能的情況下，應使副環包圍更第一節串級控制系統

隨著副回路包圍干擾的增多，副環將隨之擴大，副變量離主變量也就越近。這樣一來，副對象的控制通道就變長，滯后也就增大，從而會削弱副回路的快速、有力控制的特性。

在選擇副變量時，既要考慮到使副環包圍較多的干擾，又要考慮到使副變量不要離主變量太近。結論29第一節串級控制系統隨著副回路包圍干擾的增多，副第一節串級控制系統304.副變量的選擇應考慮到主、副對象時間常數的匹配，以防“共振”的發生

是為了保證副回路具有快速的抗干擾性能；是由于串級系統中主、副回路之間是密切相關的，副變量的變化會影響到主變量，而主變量的變化通過反饋回路又會影響到副變量。在串級控制系統中，主、副對象的時間常數不能太接近。第一節串級控制系統304.副變量的選擇應考慮到主、副對象時第一節串級控制系統小結

在選擇副變量時，應注意使主、副對象的時間常數之比為3～10，以減少主、副回路的動態聯系，避免“共振”。當然，也不能盲目追求減小副對象的時間常數，否則可能使副回路包圍的干擾太少，使系統抗干擾能力反而減弱了。31第一節串級控制系統小結在選擇副變量時第一節串級控制系統5.當對象具有較大的純滯后而影響控制質量時，在選擇副變量時應使副環盡量少包含純滯后或不包含純滯后

對于含有大純滯后的對象，可采用串級控制系統，并通過合理選擇副變量將純滯后部分放到主對象中去，以提高副回路的快速抗干擾功能，及時克服干擾的影響，將其抑制在最小限度內，從而可以使主變量的控制質量得到提高。32第一節串級控制系統5.當對象具有較大的純滯后而影響控制質第一節串級控制系統33舉例某化纖廠膠液壓力的控制問題圖7-7壓力與壓力串級控制系統1—計量泵；2—板式熱交換器；3—過濾器

在計量泵和冷卻器之間，靠近計量泵的適當位置，選擇壓力測量點，并作為副變量組成一個壓力與壓力的串級控制系統，以提高控制質量。

圖中主控制器P1C的輸出作為副控制器P2C的給定值，由副控制器的輸出來改變計量泵的轉速，從而控制紡絲膠液的壓力。該法有很大局限性。第一節串級控制系統33舉例某化纖廠膠液壓力的控制問題圖7-第一節串級控制系統五、主、副控制器控制規律及正、反作用的選擇341.控制規律的選擇控制規律是根據控制的要求來進行選擇的。目的為了高精度地穩定主變量。主控制器通常都選用比例積分控制規律，以實現主變量的無差控制。副變量的給定值是隨主控制器的輸出變化而變化的。副控制器一般采用比例控制規律。第一節串級控制系統五、主、副控制器控制規律及正、反作用的選第一節串級控制系統352.控制器正、反作用的選擇（1）串級控制系統中的副控制器作用方向的選擇，根據工藝安全等要求，選定執行器的氣開、氣關形式后，按照使副控制回路成為一個負反饋系統的原則來確定。例如圖7-2所示的管式加熱爐溫度-溫度串級控制系統中的副回路。氣源中斷，停止供給燃料油時，執行器選氣開閥，“正”方向。燃料量加大時，爐膛溫度θ2（副變量）增加，副對象“正”方向。為使副回路構成一個負反饋系統，副控制器T2C選擇“反”方向。第一節串級控制系統352.控制器正、反作用的選擇（1）串級第一節串級控制系統如圖7-5所示的精餾塔塔釜溫度與蒸汽流量的串級控制系統。

基于工藝上的考慮，選擇執行器為氣關閥。為使副回路是一個負反饋控制系統，副控制器FC的作用方向應選擇為“正”作用。（2）串級控制系統中主控制器作用方向的選擇：

當主、副變量增加（減小）時，如果由工藝分析得出，為使主、副變量減小（增加），要求控制閥的動作方向是一致的時候，主控制器應選“反”作用；反之，則應選“正”作用。36第一節串級控制系統如圖7-5所示的精餾塔塔釜溫度與蒸汽流量第一節串級控制系統37例如圖7-2所示的管式加熱爐串級控制系統。

主變量θ1或副變量θ2增加時，都要求關小控制閥，減少供給的燃料量，才能使θ1或θ2降下來，所以此時主控制器T1C應確定為反作用方向。如圖7-5所示的精餾塔塔釜溫度與蒸汽流量的串級控制系統。

蒸汽流量（副變量）或塔釜溫度（主變量）增加時，都需要關小控制閥，它們對控制閥的動作方向要求是一致的，所以主控制器TC也應為反作用方向。第一節串級控制系統37例如圖7-2所示的管式加熱爐串級控制第一節串級控制系統38圖7-8冷卻器溫度串級控制系統

冷卻器溫度串級控制系統是以被冷卻物料出口溫度為主變量，冷劑流量為副變量的串級控制系統。分析冷卻器的特性可以知道，當主變量即被冷卻物料出口溫度增加時，需要開大控制閥，而當副變量即冷劑流量增加時，需要關小控制閥，它們對控制閥動作方向的要求是不一致的，因此主控制器TC的作用方向應選用正作用。第一節串級控制系統38圖7-8冷卻器溫度串級控制系統第一節串級控制系統39（3）當由于工藝過程的需要，控制閥由氣開改為氣關，或由氣關改為氣開時，只要改變副控制器的正反作用而不需改變主控制器的正反作用。在有些生產過程中，要求控制系統既可以進行串級控制，又可以實現主控制器單獨工作。即若系統由串級切換為主控時，是用主控制器的輸出代替原先副控制器的輸出去控制執行器，而若系統由主控切換為串級時，是用副控制器的輸出代替主控制器的輸出去控制執行器。第一節串級控制系統39（3）當由于工藝過程的需要，控制閥由第一節串級控制系統系統串級與主控切換的條件：

當主變量變化時，串級時副控制器的輸出與主控時主控制器的輸出信號方向完全一致。

無論哪一種切換，都必須保證當主變量變化時，去控制閥的信號完全一致。40第一節串級控制系統系統串級與主控切換的條件：第一節串級控制系統六、控制器參數的工程整定41串級控制系統主、副控制器的參數整定的兩種方法。1.兩步整定法

按照串級控制系統主、副回路的情況，先整定副控制器，后整定主控制器的方法。第一節串級控制系統六、控制器參數的工程整定41串級控制系統第一節串級控制系統（1）在工況穩定，主、副控制器都在純比例作用運行的條件下，將主控制器的比例度先固定在100％的刻度上，逐漸減小副控制器的比例度，求取副回路在滿足某種衰減比（如4∶1）過渡過程下的副控制器比例度和操作周期，分別用δ2s和T2s表示。（2）在副控制器比例度等于δ2s的條件下，逐步減小主控制器的比例度，直至得到同樣衰減比下的過渡過程，記下此時主控制器的比例度δ1s和操作周期T1s。整定過程42第一節串級控制系統（1）在工況穩定，主、副控制器都在純比例第一節串級控制系統43（3）根據上面得到的δ1s、T1s、δ2s、T2s，按表7-2（或表7-3）的規定關系計算主、副控制器的比例度、積分時間和微分時間。（4）按“先副后主”、“先比例次積分后微分”的整定規律，將計算出的控制器參數加到控制器上。（5）觀察控制過程，適當調整，直到獲得滿意的過渡過程。第一節串級控制系統43（3）根據上面得到的δ1s、T1s、第一節串級控制系統共振問題

如果主、副對象時間常數相差不大，動態聯系密切，可能會出現“共振”現象。

可適當減小副控制器比例度或積分時間，以達到減小副回路操作周期的目的。同理，可以加大主控制器的比例度或積分時間，以期增大主回路操作周期，使主、副回路的操作周期之比加大，避免“共振”。

如果主、副對象特性太接近，就不能完全靠控制器參數的改變來避免“共振”了。44第一節串級控制系統共振問題如果主、副對象時間常數相第一節串級控制系統2.一步整定法

根據經驗將副控制器一次放好，不再變動，然后按一般單回路控制系統的整定方法直接整定主控制器參數。實踐證明

這種整定方法，對于對主變量要求較高，而對副變量沒有什么要求或要求不嚴，允許它在一定范圍內變化的串級控制系統，是很有效的。45第一節串級控制系統2.一步整定法根據經驗將副控第一節串級控制系統465.0～1.73.0～1.42.5～1.255.0～1.2520～6030～7040～8020～80溫度壓力流量液位副控制器比例放大倍數KP2副控制器比例度δ2／％副變量類型表7-1采用一步整定法時副控制器參數選擇范圍第一節串級控制系統465.0～1.720～60溫度副控第一節串級控制系統47一步整定法的整定步驟：

（1）在生產正常，系統為純比例運行的條件下，按照表7-1所列的數據，將副控制器比例度調到某一適當的數值。（2）利用簡單控制系統中任一種參數整定方法整定主控制器的參數。（3）如果出現“共振”現象，可加大主控制器或減小副控制器的參數整定值，一般即能消除。第一節串級控制系統47一步整定法的整定步驟：（1）在生產第二節均勻控制系統一、均勻控制的目的48圖7-9前后精餾塔的供求關系甲塔:為了穩定操作需保持塔釜液位穩定，必然頻繁地改變塔底的排出量。乙塔：從穩定操作要求出發，希望進料量盡量不變或少變。甲、乙兩塔間的供求關系出現了矛盾。

為了解決前后工序供求矛盾，達到前后兼顧協調操作，使液位和流量均勻變化，組成的系統稱為均勻控制系統。第二節均勻控制系統一、均勻控制的目的48圖7-9前后精餾第二節均勻控制系統49均勻控制的要求（1）兩個變量在控制過程中都應該是緩慢變化的。（2）前后互相聯系又互相矛盾的兩個變量應保持在所允許的范圍內波動。圖7-10前一設備的液位和后一設備的進料量之關系1—液位變化曲線；2—流量變化曲線第二節均勻控制系統49均勻控制的要求（1）兩個變量在控制過第二節均勻控制系統二、均勻控制方案501.簡單均勻控制圖7-11簡單均勻控制目的

為了協調液位與排出流量之間的關系，允許它們都在各自許可的范圍內作緩慢的變化。滿足均勻控制要求的方法通過控制器的參數整定來實現。第二節均勻控制系統二、均勻控制方案501.簡單均勻控制圖7第二節均勻控制系統512.串級