2.3復雜控制系統串級控制系統均勻控制系統比值控制系統選擇控制系統分程控制系統前饋控制系統多沖量控制系統2.3.1串級控制系統氨氧化爐的溫度控制（HNO3生產）SP廢熱鍋爐反應區過濾器NO鼓風機混合氣空氣氣開NH3預熱器反作用TCNH3與空氣在氧化爐中（鉑觸媒催化）進行氧化反應：

工藝要求：氧化率大于97%，反應溫度840±5℃

氧化爐是個復雜的對象，氧化率的測取只能由間接指標（氧化爐的溫度）來反映。影響溫度的干擾有：NH3流量、NH3總管壓力、空氣流量、觸媒活性等。選擇NH3流量為操縱變量，調節氧化爐溫度在給定值上。這是一個簡單調節系統。該系統的特點是：所有影響反應溫度的干擾因素，統統包含在調節回路中，反應在溫度對設定值的偏差上，并且都由溫度控制器加以克服。問題：反應不靈敏，動作遲緩，過渡過程時間長，超調量大，當干擾稍大時，溫度偏差在±10℃（比手動操作時的20——30℃好些）。原因：對象調節通道長，溫度檢測滯后大，尤其對NH3流量方面的干擾不能及時克服，NH3流量變化1%，溫度就會變化64℃。若改成NH3流量的定值調節，NH3的流量很穩定，但溫度仍有±8℃的誤差。

分析對象：在穩定情況下，NH3流量幾乎是一條直線變化，但氧化爐的溫度卻不穩定（如早晚氣候的影響），空氣流量、系統壓力、鉑觸媒活性等也會影響溫度。這些干擾因為NH3的穩定而無法克服。一方面，NH3流量的穩定是必要的；另一方面，如果由于氧化爐溫度變化，氨的流量可以相應調整就好了！即根據爐溫的變化來調整NH3流量調節器的設定值，使氧化爐溫度減小波動。人們在生產實踐中發現，當NH3流量之外的干擾引起溫度變化時，就手動調整NH3流量調節器的SP值，從而改變NH3流量，使溫度恒定。這個經驗告訴我們，流量控制器應聽從反應溫度的指揮。即流量調節器的SP值應由反應溫度來決定變與不變、變多少、朝哪個方向變。因此，就出現了反應溫度信號來自動校正流量控制器設定值的方案。

這就是用氧化爐溫度自動調整NH3流量調節器給定值的調節系統。系統投入運行后，調節速度快，過渡過程短，調節品質高，偏差小，負荷變化大時，溫度偏差不超過±5℃。這就是串級控制系統。“TC”的輸出不直接作用于閥門，而是作為“FC”的設定值，通過與NH3流量信號的比較，“FC”的輸出作用于調節閥，改變NH3流量，把溫度穩定在給定值上。類似這樣利用兩個或更多個調節器串聯在一起進行調節，以更好地穩定一個被控變量的系統，就是串級調節系統。在這樣一個多回路調節系統中用了二臺調節器，它們分別接受來自對象不同部分的測量信號，其中一臺調節器的輸出作為另一臺調節器的外給定輸入，而由后者的輸出去控制閥門，以實現對生產過程的控制。從系統的結構圖看，這二臺調節器是串接的，故稱為串級調節系統。2.3.1串級控制系統FC進料塔底采出12蒸汽方案2：控制蒸汽流量恒定TC進料塔底采出12蒸汽方案1：控制塔釜溫度恒定單回路控制的局限性目標：控制塔釜溫度穩定方案1優點：將所有對溫度的干擾都概括在控制回路內。缺點：當蒸汽壓力波動較大時，由于溫度對象滯后較大，控制質量不理想。方案2優點：能及時克服蒸汽壓力的干擾對溫度的影響缺點：不能克服進料流量、物料溫度等其他因素對溫度的影響。PCTC進料塔底采出12蒸汽希望在塔釜溫度不變時蒸汽流量能保持設定值，而當塔釜溫度在外來干擾的作用下偏離給定值時，又要求蒸汽流量能作相應的變化，使塔釜溫度保持在設定值上。

蒸汽進料塔底采出12FC方案3：串級控制系統TCO流量控制器FC執行器

流量對象溫度T設定值干擾f1精餾塔控制系統方塊圖溫度對象溫度控制器TC－+－+干擾f2溫度檢測儀表流量檢測儀表F副控制器執行器

副對象主變量設定值主干擾串級控制系統方塊圖主對象主控制器－+－+副干擾主測量、變送副測量、變送副變量副回路主回路常用的名詞主變量副變量主對象副對象主控制器副控制器主回路副回路串級控制系統方塊圖串級控制系統的工作過程干擾作用于付回路NH3壓力增加流量增加調節器輸出減小溫度上升TC輸出減小NH3流量減小閥門開度減小偏差小干擾，付環解決；大干擾，主、付環共同解決。串級系統的特點總體來看，仍然是一個定值調節系統。1、能迅速克服進入副回路的干擾，副回路起到了“粗調”的作用。對于進入付回路的干擾有較強的抗干擾能力。（1）干擾的量因付回路的存在而減小（進入主回路），1/（1+KC2KVK02KM2）倍；（2）二個調節器，大大提高了調節器的總放大倍數，提高克服干擾的能力。2、改善對象特性，提高工作頻率，提高系統克服干擾的能力。3、適應能力增強。主回路對副對象具有“魯棒性”，提高了系統的控制精度。“魯棒性”又有“強壯性”，系統的控制品質對對象特性變化越不敏感，則該系統的“魯棒性”越好。主回路：定值，付回路：隨動。主調節器能根據對象操作條件和負荷變化情況，不斷糾正付調節器的給定值，以適應操作條件和負荷變化。串級控制系統的應用1、對象容量滯后大——當被控對象容量滯后比較大時，可以選擇一個滯后較小的輔助變量組成付回路，使對象的等效時間常數減小，以提高系統的工作頻率。最終提高控制質量。如：夾套反應器溫度控制系統，反應器內溫度為主參數，夾套內的溫度作為付參數。2、系統內存在變化頻繁且幅值大的干擾——串級系統對進入付回路的干擾具有較強的克服能力，因此，可以把變化頻繁且幅值大的干擾包含到付回路去，并且把付調節器的放大倍數整定得足夠大，使系統的抗干擾能力大大提高。3、被控對象純滯后時間比較長——在離調節閥比較近，純滯后比較小的地方選擇一個變量作為付參數。當干擾在它之前進入系統時，就可以在影響主參數之前及早在付參數上得到反映，付調節器就可及時采取措施予以克服。由于付回路控制通道短，滯后小，所以控制及時，過渡過程周期短，超調量小。對于在付參數檢測點之后進入系統的干擾，串級控制系統的優越性不大。4、當被控制變量的給定值需要根據工藝情況經常改變時——如圖，煉油廠催化裂化裝置中催化劑加料器一次風壓力與一次風流量串級控制系統。為了防止催化劑從進料器頂上吹出，并防止催化劑降落到加料器底部堵塞管道和容器，造成事故，一次風量必須隨一次風壓的變化不斷校正，為此以一次風壓主參數，一次風量為付參數構成串級系統，就可以實現這樣的要求。正作用正作用二次風鼓風機來熱風一次風來自反應器的催化劑氣關FCPC5、被控對象有非線性而負荷變化又較大時——串級系統具有一定的適應能力，負荷變化而引起對象工作點改變時，主調節器的輸出會重新調整付調節器的給定值，繼而由付調節器的輸出來改變調節閥的開度，這樣雖然付回路的衰減度變了，但是它的變化對整個系統的穩定性影響是很小的。主、付參數的選擇主參數：選擇原則與單回路控制系統一樣。付參數：選擇的關鍵，其原則為：（1）付回路必須包含主要干擾且應盡可能包含更多的干擾。但不是包含的干擾越多越好，干擾多，付對象的時間滯后必大。（2）付參數的選擇應使主、付對象時間常數匹配，以防“共振”。串級的控制頻率總比同等條件下單回路控制系統要高。T01/T02=3——10T01/T02大于10，T02小，相當于付回路包含的干擾太小；T01/T02小于3，T02大，反應不靈敏，對進入付回路的干擾不能及時克服。（3）付參數的選擇應考慮工藝的合理性和經濟性。氣態丙烯液態丙烯出料進料L氣態丙烯液態丙烯出料進料LTTP付參數：冷劑液位，投資少，適用于對溫度控制質量要求不高的場合付參數：冷劑蒸發壓力，投資高，但付參回路相當靈敏，溫度控制質量相當高（4）付被控制變量給定值需要自動校正而采用串級控制時，主、付被控變量的選取應根據工藝要求來確定。主參數應能及時反映變化的操作條件，而付參數必須能精確地、快速地跟蹤主調節器的輸出。（5）當對象具有非線性環節時，在設計時應使非線性環節處于副環之中。因為串級調節系統具有一定的自適應能力，當操作條件或負荷變化時，主控制器可以適當地修改副控制器的給定值，使副環在一個新的工作點上運行，以適應變化了的情況。當然，副回路的衰減系數和穩定程度會有所變化，然后，由于1+KC2KVKM2》1，因此操作條件或負荷的變化所引起的K02的變化對等效對象的放大倍數影響不大，所以當非線性環節包含在副環之中時，它的非線性對主對象的影響就很小了。某廠醋酸乙烯合成反應器中溫度控制問題就是一例。為了保證合成氣的質量，工藝要求對反應器中溫度進行控制，而特性隨著負荷的變化而變化。為此，可在換熱器的出口設置一溫度檢測點，并以它為副參數組成一個溫度與溫度串級控制系統。在本方案中，由于熱交換器這一非線性環節包含在副回路之中，負荷的變化所引起的對象非線性影響就為副回路本身所克服，因此它對主回路的影響就很小了。醋酸、乙烯混合物氣TC1TC2生成氣（6）當對象具有較大純滯后時，應使所設計的副回路盡量少包括或不包括純滯后。這樣做的原因就是盡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，及時對干擾采取控制措施，將干擾的影響抑制在最小限度內，從而提高主變量的控制質量。但是利用串級控制克服純滯后的方法有很大的局限性，即只有當純滯后環節能夠大部分乃全部可以劃入主對象中去時，這種方法才能有效地提高系統的控制質量，否則將不會獲得好的效果。主、付調節器調節規律的選取（1）主調節器

A、控制質量要求高，其允許波動范圍小，更不允許有余差存在時，用PI或PID；

B、控制質量要求不太高，其允許波動范圍較大，或是為了同時兼顧主、付參數時，用P或PI。（2）付調節器當付回路對象滯后小時，付調節器用“P”；當要求付參數能快速、準確地隨主調節器輸出時，付調節器用“PI”。當付對象為流量對象時，付調應用“PI”。“P”對噪聲較敏感，如將比例度放大，則控制作用又太弱，用“PI”來解決噪聲對控制質量的影響。付調一般不引入“D”作用，因付調對給定值的變化也起“D”作用，主調輸出稍有變化，調節閥的開度將作大幅度的波動，對控制不利。只有當付對象容量滯后較大時，付調可以適當加點“D”作用。主、付調節器正、反作用的選擇（1）遞推法先根據工藝要求確定調節閥的開關形式，然后決定付調節器的正、反作用，再依據主、付被控變量的關系確定主調節器的正、反作用。以HNO3生產氨氧化爐生產控制系統為例：

A、斷氣時，閥門應關，故選擇氣開閥。

B、付調節器：NH3流量增加——要求閥門開度降低——氣壓信號降低——調節器輸出降低。所以選擇反作用。

C、主調節器：主調的作用方式只與主對象的特性有關，因為付回路是一個負反饋回路，主調的作用方式與付調及閥門均無關。主對象輸入增加——輸出增加——主對象為正特性，主調選反作用；主對象輸入增加——輸出減小——主對象為負特性，主調選正作用。氨氧化爐：NH3流量增加——溫度上升，對象為正特性，所以主調選反作用。主副控制器參數的工程整定(1)在工況穩定，主、副控制器都在純比例作用的條件下，將主控制器的比例度先固定在100％的刻度上，然后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δ2S和操作周期Τ2S。(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，直至主回路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Τ1S

。(3)根據上面得到的δ1S、、Τ1S、δ2S、、Τ2S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”的整定方法，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。

兩步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器

一步整定法：即根據經驗先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。副變量類型副控制器比例度δ2％副控制器比例放大倍數KP2溫度20～605.0～1.7壓力30～703.0～1.4流量40～802.5～1.25液位20～805.0～1.25一步整定法的整定步驟如下。(1)在生產正常，系統為純比例運行的條件下，按照上表所列的數據，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。共振問題如果主、副對象時間常數相差不大，可能會出現“共振”現象這時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”。這樣做的結果會在一定程度上降低原先期望的控制質量。如果主、副對象特性太接近，則說明確定的控制方案欠妥當，變量的選擇不合適，有時就不能完全靠控制器參數的改變來避免“共振”了。

2.3.2均勻控制系統

連續精餾的多塔分離過程

對甲塔來說，塔釜液位是一個重要的工藝參數，必須保持在一定范圍