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。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？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？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8-2 8-2 加热炉控制过程分解加热炉控制过程分解图图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8-4 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。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。(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，在串级控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。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。副控制器：副控制器：其给定值来自主控制器的输出，并按副变量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（又名的测量值与给定值的偏差而工作的控制器（又名随动控随动控制器制器）。）。 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，其而工作，其输出作为副变量给定值的控制器（输出作为副变量给定值的控制器（主导控制器主导控制器）。）。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、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。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。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 一方面：一方面：另一方面：另一方面：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：(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 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、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、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变尽量选择能直接反映产品质量的变量作为被控变量；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效高效的要求；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。PI/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、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图图8-7 加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？）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状态，不致烧坏加热炉，所以应选气开阀副控副控制器制器(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？）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。因为：因为：主控主控制器制器结论：结论：副调节器正、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。DDZ-DDZ-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 Tssss 、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8-1 8-1 一步整定法副控制器比例度的经验值一步整定法副控制器比例度的经验值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？ LTLTLCLC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。（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。所以：主控制器选反作用。LTLTLCLC加加热热室室汽汽包包蒸汽蒸汽 冷水冷水PTPTPCPC8.2 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）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）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）。矛盾双方都降矛盾双方都降低要求低要求采用均匀控制的前提条采用均匀控制的前提条件：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不个或多个变量的要求不是很高，可以在一定范是很高，可以在一定范围内波动。围内波动。图图8-9 8-9 控制目标的调整控制目标的调整均匀控制的特点：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图图8-10 8-10 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控制，控制，且且先放在较大，然后同时观察两个被控变量的过渡先放在较大，然后同时观察两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，也过程，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，不能采引入较弱的积分作用。微分作用与均匀矛盾，不能采用。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图图8-11 8-11 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：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，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：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)单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统左图左图(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燃烧过程比值控制系统统(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(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（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。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。(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。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。持良好的控制质量。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设定设定信号信号控制控制结果结果因此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即即其中，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我们得到我们得到的结果的结果书上结果书上结果结论：结论：比值系数与变送器的量程、要求的从动量比值系数与变送器的量程、要求的从动量与主动量的对应比例关系有关，与变送气的电器零与主动量的对应比例关系有关，与变送气的电器零点无关。点无关。(2)(2)流量与其测量信号呈平方关系流量与其测量信号呈平方关系（用差压变送器时不带开方器）（用差压变送器时不带开方器）其中其中,qmax是变送器量程是变送器量程。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设定信号设定信号控制结果控制结果因此因此从动量流量调节器的测量信号从动量流量调节器的测量信号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即即从动量流量调节从动量流量调节器的测量信号器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我们得到我们得到的结果的结果书上结果书上结果(1)用或不用开放器都可以进行比值控制，只是前者的用或不用开放器都可以进行比值控制，只是前者的K与与k成正比，后者的成正比，后者的K与与k2 成正比，当量程不变，仪成正比，当量程不变，仪表表K值的调节范围一定时，不带开放器时的值的调节范围一定时，不带开放器时的k的可调范的可调范围缩小了。例如，围缩小了。例如，K的可调范围为的可调范围为0.254,则不带开放则不带开放器时器时R的可调范围不是的可调范围不是0.254，只有只有0.52。(2)使使K=k的条件：带开放器的是的条件：带开放器的是q1max=q2max，不带开方不带开方器的是器的是kq21max=q22max 。(3)在同样的比值在同样的比值k下，通过调整下，通过调整q1max、q2max 也可改变比也可改变比值系数值系数K。结论：结论：8.4 分程控制系统分程控制系统8.4.1 分程控制基本概念分程控制基本概念8-16 简单控制系统方块图及其特性简单控制系统方块图及其特性8-17 分程控制系统方块图及其特性分程控制系统方块图及其特性分程控制特性类型分程控制特性类型：两个阀门时，有以下两个阀门时，有以下4 4种情况种情况8-18 分程控制特性类型分程控制特性类型分程控制系统的特点分程控制系统的特点：分程的实现：分程的实现：是通过是通过阀门定位器阀门定位器或电气阀门定位器来实现的，或电气阀门定位器来实现的，将调将调节器的输出信号分为几段，每段控制一个阀门动作。节器的输出信号分为几段，每段控制一个阀门动作。简单控制系统：一个控制器的输出信号只控制一个执简单控制系统：一个控制器的输出信号只控制一个执行器行器分程控制系统：一个控制器的输出信号同时控制几个分程控制系统：一个控制器的输出信号同时控制几个工作范围不同的调节器工作范围不同的调节器8.4.2 分程控制的应用分程控制的应用(1)(1)提高控制阀的可调比提高控制阀的可调比在有些场合，调节手段只有一种，但要求操纵变在有些场合，调节手段只有一种，但要求操纵变量的流量需要极大的可调范围（如量的流量需要极大的可调范围（如100100：1 1），而），而国产阀的可调范围只有国产阀的可调范围只有3030。此时可将两个大、小。此时可将两个大、小阀并联使用。阀并联使用。例题：例题：设大、小两个调节阀的最大流通能力分别为设大、小两个调节阀的最大流通能力分别为CAmax=100，CBmax=4，可调范围可调范围RA=RB=30，两个阀两个阀均为气开阀，试求两个阀并联后的可调范围。均为气开阀，试求两个阀并联后的可调范围。解：解： 因为因为故，可得小阀的最小流通能力为故，可得小阀的最小流通能力为 当大、小阀并联组合在一起时，阀的最小流通能当大、小阀并联组合在一起时，阀的最小流通能力为力为0.133，最大流通能力为，最大流通能力为104，所以调节阀的可调，所以调节阀的可调范围为范围为 分程后阀的可调范围比用单个阀的可调范围约增分程后阀的可调范围比用单个阀的可调范围约增大了大了26.1倍，大大扩展了可调范围。倍，大大扩展了可调范围。(2)(2)交替使用不同的控制方式交替使用不同的控制方式左图左图8-178-17为储罐氮封分程控为储罐氮封分程控制方案及特性图。制方案及特性图。有些油品储罐的顶部需要充有些油品储罐的顶部需要充满氮气以隔绝油品与空气中满氮气以隔绝油品与空气中氧气的氧化作用。氧气的氧化作用。储罐顶部充满氮气，顶部氮储罐顶部充满氮气，顶部氮气压力一般为微正压。生产气压力一般为微正压。生产过程中，压力过程中，压力p p会产生波动。会产生波动。8-19 储罐氮封分程控制方案储罐氮封分程控制方案方法：采用分程控制方法：采用分程控制8-19 储罐氮封分程控制储罐氮封分程控制A: 气关阀气关阀B: 气开阀气开阀采用分程控制的结果：采用分程控制的结果：A: 气关阀气关阀B: 气开阀气开阀注：用反作用调节器注：用反作用调节器(3)(3)满足生产过程不同阶段的需要满足生产过程不同阶段的需要采用反作用控制器采用反作用控制器分程控制的结果：分程控制的结果：反应开始前：反应开始前：反应进行一段时间后：反应进行一段时间后：8-21 间歇反应器温间歇反应器温度分程控制系统度分程控制系统8.4.2 分程控制对调节阀的要求分程控制对调节阀的要求(1)(1)根据根据工艺要求工艺要求选择具有不同特性的分程类型选择具有不同特性的分程类型(2)(2)泄漏量问题泄漏量问题 应尽量使两个调节阀都无泄漏，特别是大、小阀并联时，应尽量使两个调节阀都无泄漏，特别是大、小阀并联时，如果大阀泄漏量过大，小阀不能充分发挥作用，可调范围得不如果大阀泄漏量过大，小阀不能充分发挥作用，可调范围得不到增加到增加(3)(3)流量特性问题流量特性问题在两个调节阀的分程点上，调节阀的放大系数可能会出现突变，在两个调节阀的分程点上，调节阀的放大系数可能会出现突变，表现在特性曲线上是折点，这在大、小阀并联时尤其需要考虑表现在特性曲线上是折点，这在大、小阀并联时尤其需要考虑两阀为线性特性时情况严重；两阀为对数特性是好一点。两阀为线性特性时情况严重；两阀为对数特性是好一点。解决办法：解决办法：选择阀的特性时要注意选择阀的特性时要注意 使分程信号重叠搭接一小段区域使分程信号重叠搭接一小段区域8.6 前馈控制系统前馈控制系统8.6.1 前馈控制的概念前馈控制的概念反馈控制（闭环控制）：反馈控制（闭环控制）：控制器按照被控变量与设定值的控制器按照被控变量与设定值的偏差来进行控制。偏差来进行控制。存在的问题：存在的问题：当被控变量偏离设定值，产生偏差后才进行当被控变量偏离设定值，产生偏差后才进行控制，使得控制，使得控制作用滞后。控制作用滞后。前馈控制（开环控制）：前馈控制（开环控制）：控制器根据扰动或设定值的变化控制器根据扰动或设定值的变化按按补偿原理补偿原理进行工作。进行工作。特点：特点：扰动产生后，被控变量还未变化之前，根据扰动的大扰动产生后，被控变量还未变化之前，根据扰动的大小施加控制，小施加控制，控制超前。控制超前。8.6.2 前馈控制与反馈控制的比较前馈控制与反馈控制的比较8-22两两种种加加热热炉炉温温度度控控制制系系统统(a)反反馈馈控控制制(b)前前馈馈控控制制反馈：反馈：偏偏差会较大差会较大前馈：前馈：偏偏差较小差较小(a)反馈控制反馈控制(b)前馈控制前馈控制8-23 两种加热炉温度控制系统方块图两种加热炉温度控制系统方块图反馈控制特点反馈控制特点：(1)是闭环控制系统是闭环控制系统(2)控制滞后控制滞后(3)可克服所有扰动可克服所有扰动前馈控制特点前馈控制特点：(1)是开环控制系统是开环控制系统(2) 控制及时控制及时(3)只能克服所测量的只能克服所测量的扰动扰动8.6.3 前馈控制系统类型前馈控制系统类型(1)单纯的前馈控制系统单纯的前馈控制系统静态前馈：静态前馈：在扰动作用下，前馈补偿作用只能使被控变量回在扰动作用下，前馈补偿作用只能使被控变量回到要求的设定值，而不考虑补偿过程中的偏差大小。到要求的设定值，而不考虑补偿过程中的偏差大小。 前馈控制器的输出信号与输入信号只要保持比例关系前馈控制器的输出信号与输入信号只要保持比例关系其中，其中，p是输出信号，是输出信号，F是输入信号，是输入信号，Kd是前馈系数是前馈系数 如果为了进一步改善控制质量，就需要测量更多的扰动量如果为了进一步改善控制质量，就需要测量更多的扰动量增加了燃料流量、进料原油的温度，构成了下面的静态前馈控增加了燃料流量、进料原油的温度，构成了下面的静态前馈控制系统制系统8-24 加热炉静态前馈控制系统加热炉静态前馈控制系统该系统既是一个该系统既是一个单闭环比值控制系统：单闭环比值控制系统：从流量的角度来说从流量的角度来说又是一个又是一个静态前馈控制系统：静态前馈控制系统：从被控变量从被控变量T的角度的角度动态前馈：动态前馈：目的是在任何时刻均实现对扰动影响的补偿，使目的是在任何时刻均实现对扰动影响的补偿，使被控变量完全或基本上保持不变。被控变量完全或基本上保持不变。通过调节前馈控制器的时间常数来实现。通过调节前馈控制器的时间常数来实现。(3) 前馈前馈-反馈控制系统反馈控制系统 前馈控制系统只能在一定程度上补偿扰动对被控变量的影前馈控制系统只能在一定程度上补偿扰动对被控变量的影响，因此将其与反馈控制相结合，构成响，因此将其与反馈控制相结合，构成前馈前馈-反馈控制反馈控制。优点：优点：前馈控制来克服可以预见的主要扰动；反馈控制用来消前馈控制来克服可以预见的主要扰动；反馈控制用来消除对于前馈控制不能补偿的一些扰动。除对于前馈控制不能补偿的一些扰动。8-25 加热炉前馈加热炉前馈-反馈控制系统及方块图反馈控制系统及方块图(4) 前馈控制系统的应用前馈控制系统的应用前馈控制作用的选择前馈控制作用的选择通过通过分析过程控制通道和扰动通道的反应快慢（的大分析过程控制通道和扰动通道的反应快慢（的大小）来合理选用。小）来合理选用。当当T0 Tf 时，可采用动态前馈时，可采用动态前馈-反馈控制反馈控制采用前馈控制的条件（适用场合）采用前馈控制的条件（适用场合）扰动变化频繁而幅值又较大时；扰动变化频繁而幅值又较大时；主要扰动主要扰动可测不可控可测不可控；扰动对被控变量影响显著，单纯用反馈控制难以扰动对被控变量影响显著，单纯用反馈控制难以达到控制要求。达到控制要求。前馈控制和串级控制都是用于时滞过大的过程，或前馈控制和串级控制都是用于时滞过大的过程，或用于扰动大而频繁的场合。用于扰动大而频繁的场合。串级控制：串级控制：是通过合理选择副变量和副回路来有效是通过合理选择副变量和副回路来有效地克服进入副回路的扰动。地克服进入副回路的扰动。前馈控制：前馈控制：当副回路滞后过大或当主要扰动在副回当副回路滞后过大或当主要扰动在副回路之外时，串级控制克服扰动的效果较差，此时采路之外时，串级控制克服扰动的效果较差，此时采用前馈控制。用前馈控制。前馈控制与串级控制的比较：前馈控制与串级控制的比较：前馈控制与串级控制的流程图比较：前馈控制与串级控制的流程图比较：（a a）串级控制）串级控制（b b）前馈）前馈- -反馈控制反馈控制前馈控制与串级控制的方块图比较：前馈控制与串级控制的方块图比较：（a a）串级控制）串级控制（b b）前馈）前馈- -反馈控制反馈控制(a)(a)(b)(b)