第七章 复杂控制系统的分析与设计

F1 FT FC
F2
开环比值控制系统
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开环控制方案构成简单，使用仪表少，只需要一 台纯比例控制器或一台乘法器即可。开环比值控制系 统只能保持阀门开度与F1之间成一定的比例关系。而 当F2因阀前后压力差变化而波动时，系统不起控制作 用，实质上很难保证F1与F2之间的比值关系。该方案 对F2无抗干扰能力，只适用于F2很稳定的场合，故在 实际生产中很少使用。
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复杂控制系统 简单控制系统是目前过程控制系统中最基本、最广泛 使用的系统，解决了大量工艺变量的定值控制问题。随着 现代化生产对产品质量的要求越来越高，要求过程控制的 手段也随之提高。由于工业过程的发展、生产工艺的更新、 特别是生产规模的大型化和生产过程的复杂化，必然导致 各变量之间的相互关系更加复杂、对控制手段的要求日益 提升。为适应更高层次的要求，在简单控制系统基础上， 出现了串级、均匀、比值、分程、前馈、选择等复杂控制 系统以及一些更新型的控制系统。
图4-2
双闭环串级控制系统
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（二）串级控制的特点 （1）主回路为定值控制系统，而副回路是随动控制系统。 结构上是主、副控制器串联，主控制器的输出作为副控制 器的外设定，形成主、副两个回路，系统通过副控制器操 纵执行器。 （2）抗干扰能力强，对进入副回路扰动的抑制力更强，控 制精度高，控制滞后小。因此，它特别适用于滞后大的对 象如温度等系统。 （3）副回路反应快，副环一般要比主环至少快三倍。 （4）所选择的副变量一定是影响主变量的直接因素。
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在比值控制系统中，其中一种物料处于主导地 位，是主物料（主流量），称为主动量F1；而另一 种物料按主物料进行配比，在控制过程中，随主物 料变化而变化，称为从动量F2。F1与F2的比值称为 比值系数，用K表示。比值系数K= F1/F2。
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1-精馏塔塔釜 2-再沸器 图4-1 精馏塔塔底温度控制
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显然，使蒸汽流量平稳成为关键问题。图4-1（b） 所示的“简单流量控制方案”可以解决蒸汽流量稳定的 问题。这是一种预防扰动的方案，就克服蒸汽流量影响 这一点，应该说是很好的。但是对精馏塔而言，影响塔 釜温度的不只是蒸汽流量，比如说进料流量、温度、成 分的干扰，也同样会使塔釜温度发生改变，方案4-1（b） 简单系统对此亦无能为力。
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把控制器的输出信号分成两段，利用不同的输 出信号分别控制两个控制阀。如阀A在控制器的输 出信号为0.02MPa～0.06MPa范围内工作，阀B则在
控制器输出信号为0.06MPa～0.1MPa范围内工作，
每个控制阀的动作信号范围都是相同的。
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复杂控制系统的分析与 调试 一、串级控制系统 （一）串级控制系统的组成 在复杂控制系统中，串级控制系统的应用是最广泛的。 以精馏塔控制为例（如图4-1所示），工艺上要求精馏塔的塔釜温 度保持恒定，才能保证塔底产品分离的纯度，以利于生产质量的提 高。拟解决方案为：以塔釜温度T为被控变量Y，以对塔釜温度影响 最大的加热蒸汽流量F为操纵变量q组成“简单温度控制系统”，如 图4-1（a）所示。但是实际生产过程中，如果蒸汽流量频繁波动， 将会引起塔釜温度的频繁变化，尽管图4-1（a）的温度简单控制系 统能克服这种扰动。可是，这种克服是在扰动对温度已经产生作用， 使温度发生变化之后进行的。这势必对产品质量产生很大的影响， 因此这种方案控制效果不理想。
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三、比值控制系统 （一）比值控制系统组成 在工业生产中，常会遇到将两种或两种以上物料按 一定比例（比值）混合或进行化学反应的问题。如合成 氨反应中，氢氮比要求严格控制在3∶1，否则，就会使 氨的产量下降；加热炉的燃料量与鼓风机的进氧量也要 求符合一定的比值关系，否则，会影响燃烧效果。为实 现两种或两种以上物料（变量）的比例关系控制的系统 叫比值控制系统。
的影响。
（3）前馈控制属于“正反馈”闭环环控制系统，系统稳定性差。 （4）前馈控制没有通用的控制器，而是视对象而定“专用”控制
器。
（5）一种前馈只能克服一种干扰。
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3．前馈-反馈控制系统 较理想的做法是综合二者 的优点，构成前馈-反馈 控制系统，如图4-9示。 用前馈来克服主要干扰， 再用反馈来克服其它干扰 以使被控变量稳定在所要 求的设定值上。
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另一类是控制阀异向动作，即随着控制器输出信号的 增加或减小，控制阀中一个逐渐开大，另一个逐渐减小， 异向分程控制的两个控制阀一个为气开式，一个为气关式。 分程控制中控制阀同向或异向的选择，要根据生产工 艺的实际需要来确定。
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复杂控制系统的分析与 调试 串级控制系统中有两个被控变量（主、副变量），两 个测量变送器，两个控制器，两个对象，一个控制阀，组 成“双闭环反馈系统”，如图4-2所示。
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（二）比值控制系统分类 （1）开环比值控制系统 图4-6 开环控制系统， F1为不可控的主动量，F2 为从动量。当F1变化时， 要求F2跟踪F1变化，以保 持F1/ F2= K。由于F2的调 整不会影响F1，故为开环 系统。
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图4-4均匀控制系统示图
图4-5 串级均匀控制系统示图
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（三）均匀控制的特点
多数均匀控制系统都是要求兼顾液位和流量两个变量， 也有兼顾压力和流量的，其特点是：不仅要使被控变量保持 不变（不是定值控制），而又要使两个互相联系的变量都在 允许的范围内缓慢变化。
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所以，最好的办法是将二者结合起来。即将最主要、 最强的干扰以图4-1（b）流量控制的方式预先处理（粗 调），而其它干扰的影响最终用图4-1（a）温度控制的 方式彻底解决（细调），控制方案如图4-1（c）所示， 即将温度控制器的输出串接在流量控制器的外设定上。 因出现信号相串联形式，故称该系统为“提馏段温度串 级控制系统”。在此方案中，为稳定主要变量（温度）， 引入了一个副变量（流量），组成“复杂控制系统”。
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（二）均匀控制系统分类 （1）简单均匀控制系统 简单均匀控制系统如图4-4所示，在结构上与一般的单 回路定值控制系统是完全一样，只是在控制器的参数设臵 上有区别。 （2）串级均匀控制系统 简单均匀控制系统结构非常简单，操作方便。但对于 复杂工艺对象常常存在着控制滞后的问题。减小滞后的最 好方法就是加副环构成串级控制系统，这就形成了串级均 匀控制系统，如图4-5所示。
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假设由于扰动作用，使A塔塔釜液位升高，则液位控制系统 会使阀门1开度开大，以使A塔液位达到要求。而这一动作的 结果，却使B塔进料量增大高于设定值，则流量定值控制系 统又会关小阀门2，以保持流量稳定，于是两塔的供需就出 现了矛盾，在同一个管道上两阀“开大”、“关小”使连续 流动的流体无所适从。为解决前后工序的供求矛盾，使两个 变量之间能够互相兼顾和协调操作，则采用“均匀控制系 统”。
图4-9 换热器的前馈-反馈控制
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五、分程控制系统 （一）概述 分程控制系统是将一个控制器的输出分成若干个信号范围， 由各个信号段去控制相应的控制阀，从而实现了一个控制器 对多个控制阀的控制，有效地提高了过程控制系统的控制能 力。
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复杂控制系统的分析与 调试 （2）单闭环比值控制系统 为了解决开环比值控制对 副流量无抗干扰能力的问题， 现增加一个副流量闭环控制系 统，构成单闭环比值控制系统， 如图4-7所示，结构上与串级 控制系统很相似，由于单闭环 比值控制系统主动量F1仍为开 环状态，而串级控制系统主、 副变量形成的是两个闭环，所 以二者还是有区别的。
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图4-8
换热器的前馈控制
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