过程控制原理与工程第6章课件

过程控制原理与工程于辉 主编过程控制原理与工程第6章6.1串级控制系统6.1.1串级控制系统的基本原理与结构6.1.2串级控制系统的工作过程6.1.3串级控制系统的特点6.1.4串级控制系统的设计6.1.5串级控制系统的工业应用场合及应用案例6.1.6串级控制系统的投运和主、副控制器的参数整定6.2均匀控制系统6.2.1均匀控制的目的和要求过程控制原理与工程第6章6.2.2均匀控制方案6.2.3控制器参数的整定6.3比值控制系统6.3.1概述6.3.2定比值控制系统6.3.3变比值控制系统6.3.4比值控制系统的实施6.3.5比值控制系统的投运和控制器参数的整定6.4分程控制系统6.4.1分程控制系统的构成过程控制原理与工程第6章6.4.2分程控制的应用场合6.5前馈控制系统6.5.1前馈控制的基本原理及特点6.5.2前馈控制系统的几种结构形式6.5.3前馈控制系统的选用6.6选择性控制系统6.6.1概述6.6.2选择性控制系统的构成6.6.3选择性控制系统的类型6.6.4积分饱和现象及其防止措施过程控制原理与工程6.1串级控制系统在复杂控制系统中，串级控制系统的应用是最广泛的。当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁，或是工艺对产品质量提出更高的要求(如产品纯度要求达到99.99%)，采用简单控制系统不能满足要求时，可考虑采用串级控制系统。过程控制原理与工程6.1.1串级控制系统的基本原理与结构1.串级控制系统概念2.框图及常用术语过程控制原理与工程1.串级控制系统概念图6-1加热炉温度控制系统过程控制原理与工程1.串级控制系统概念图6-2加热炉串级控制系过程控制原理与工程2.框图及常用术语图6-3加热炉出口温度串级控制系统框图主变量：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。如上例中的加热炉出口温度。过程控制原理与工程2.框图及常用术语副变量：串级控制系统中为了稳定主被控变量而引入的辅助变量。如上例中的炉膛温度。主对象：生产过程中所要控制的，由主被控变量表征其特性的生产设备或生产过程。如加热炉从炉膛温度检测点到炉出口温度检测点间的工艺生产设备。副对象：由副被控变量表征其特性的工艺生产设备。如上例中控制阀至炉膛温度检测点间的工艺生产设备。主控制器：按主被控变量的测量值与设定值的偏差进行工作的控制器，其输出作为副控制器的设定值。过程控制原理与工程2.框图及常用术语副控制器：其设定值来自主控制器的输出，并按副被控变量的测量值与设定值的偏差而工作的控制器。主变送器：实现对主被控变量进行测量以及信号转换的变送器。副变送器：实现对副被控变量进行测量以及信号转换的变送器。副回路：由副变送器、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。主回路：由主变送器、主控制器、主对象及副回路构成的回路。也称为外环或主环。过程控制原理与工程6.1.2串级控制系统的工作过程1.干扰作用于副回路2.干扰作用于主对象3.干扰同时作用于副回路和主对象过程控制原理与工程1.干扰作用于副回路当系统的干扰是燃料压力、热值和烟囱抽力变化时，这时干扰进入副回路，干扰先影响炉膛温度，于是副控制器立即发出校正信号，控制阀的开度，改变燃料量，克服上述扰动对炉膛温度的影响。如果干扰量不大，经过副回路的及时控制一般不影响炉出口温度；如果干扰的幅值较大，虽然经过副回路的及时校正，但还将影响炉出口温度，此时再由主回路进一步控制，从而完全克服上述干扰的影响，使炉出口温度回复到设定值上。由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干扰进入回路时，可以获得比单回路控制系统超前的控制作用，有效地克服燃料油压力或热值变化对加热炉出口温度的影响，从而大大提高了控制质量。过程控制原理与工程2.干扰作用于主对象若系统的干扰是冷物料的进口流量或温度变化作用于主对象上，从而使炉出口温度变化时，若冷物料的进口流量的变化使加热炉出口温度升高，这时主控制器的测量值增加，因而主控制器的输出降低，即副控制器的设定值降低。由于这时炉膛温度暂时还没有变，即副控制器的测量值没有变，因而副控制器的输出将随着设定值的降低而降低。随着副控制器的输出降低，气开式控制阀的开度也随之减小，于是燃料量减少，促使加热炉出口温度降低，直至恢复到设定值。所以，在串级控制系统中，如果干扰作用于主对象，主回路产生校正作用，克服干扰对炉出口温度的影响。由于副回路的存在加快了校正作用，使干扰对炉出口温度的影响比单回路控制时要小得多。过程控制原理与工程3.干扰同时作用于副回路和主对象如果除了进入副回路的干扰外，还有其他干扰作用在主对象上。亦即上述两类干扰同时出现，分别作用在主、副对象上，这时可以根据干扰作用下主、副变量变化的方向，分下列两种情况进行讨论。一种情况是干扰的作用使主、副变量的变化方向相同，即同时增加或同时减小。如在图6-3所示的温度串级控制系统中，一方面由于燃料油压力增加(或热值增加)使炉膛温度t2增加，同时由于冷物料进口温度增加(或流量减少)而使加热炉出口温度t1增加。这时主控制器的输出由于t1增加而减小。副控制器由于测量值增加，设定值(即主控制器输出)减小，这时设定值和炉膛温度t2之间的差值更大，所以副控制器的输出也就大大减小，以使控制阀关得更小些，大大减少了燃料供给量，直至主变量回复到设定值为止。由于此时主、副控制器的工作都是使阀门关小，所以加强了控制作用，加快了控制过程。过程控制原理与工程6.1.3串级控制系统的特点1.由于副回路的快速作用，使整个控制系统对进入副回路的干扰具有很强的克服能力2.由于副回路的存在，改善了对象的特性使系统的工作频率提高3.由于副回路的存在，具有一定的自适应能力过程控制原理与工程1.由于副回路的快速作用，使整个控制系统对进入副回路的干扰具有很强的克服能力图6-4副回路内扰动的影响过程控制原理与工程2.由于副回路的存在，改善了对象的特性使系统的工作频率提高串级控制系统在结构上用一个闭合的副回路代替了原来的一部分对象，所以把副回路等效为主回路中的一个等效副对象Go2(s)，如图6-4(b)所示。可得副回路的等效传递函数为G过程控制原理与工程3.由于副回路的存在，具有一定的自适应能力在单回路控制系统中，控制器的PID参数是根据对象的特性，按一定的质量指标要求整定得到的。如果对象具有非线性，那么，随着负荷和操作条件的改变，对象特性就会发生变化。特别是当负荷变化较大、较频繁时，原来整定适用于一定负荷下的控制器参数仍保持不变的话，则控制质量将会随着下降。在简单控制系统中，可以通过选取控制阀的流量特性来补偿对象特性的变化，使整个广义对象具有线性特性，但这种补偿是极其有限的，也不完全是理想的。过程控制原理与工程6.1.4串级控制系统的设计1.主、副被控变量的选择2.主、副控制器控制规律的选择3.主、副控制器正、反作用的选择过程控制原理与工程1.主、副被控变量的选择1)必须保证副变量是操纵变量到主变量通道中的一个适当中间变量。图6-5加热炉温度与压力串级控制系统过程控制原理与工程1.主、副被控变量的选择2)副回路必须包括主要干扰，因为串级控制系统的副回路对进入其中的干扰具有较强的克服能力。3)在可能情况下，应使副回路包含更多一些的干扰，充分发挥副回路的优越性。4)副回路的设计必须使主、副对象的时间常数适当匹配。5)副回路的设计应考虑工艺上的合理性、可靠性及经济性，能用简单控制系统时，就不要采用串级控制系统。过程控制原理与工程2.主、副控制器控制规律的选择从工艺上来说，串级控制系统的主变量是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要求无余差，因此，主控制器应选PI或PID控制规律。副变量的设置是为了保证主变量的控制质量，可以允许在一定范围内变化，允许有余差。因此副控制器一般选P控制规律就可以了，并且比例度选得较小，通常不引入积分控制规律。因为副变量允许有余差，而且副控制器的比例度选得较小，控制作用强，余差小，若采用积分控制规律会延长控制过程，减弱副回路的快速作用。但是，在选择流量为副变量时，它的时间常数及纯滞后很小，为了保持系统稳定，比例度须选得较大些，这样，比例控制作用偏弱，为此引入积分作用，采用PI控制规律。此时引入积分作用的主要目的不是消除余差，而是增强控制作用。副控制器一般也不引入微分控制规律，因当副控制器有微分作用时，一旦主控制器的输出稍有变化，控制阀就将大幅度地变化，这对控制也是不利的。只有当副对象容量滞后较大时，可适当加一点微分作用。过程控制原理与工程3.主、副控制器正、反作用的选择图6-6干燥器流程图过程控制原理与工程3.主、副控制器正、反作用的选择1)若蒸汽压力波动是主要干扰，应采用何种控制方案？为什么？试确定这时控制阀的气开、气关形式与控制器的正、反作用。2)若冷水流量波动为主要干扰，应采用何种控制方案？为什么？试确定这时控制器的正、反作用和控制阀的气开、气关形式。3)若冷水流量与蒸汽压力都经常波动，应采用何种控制方案？为什么？试画出这时的控制流程图，确定控制器的正、反作用。过程控制原理与工程3.主、副控制器正、反作用的选择图6-7干燥器控制方案过程控制原理与工程6.1.5串级控制系统的工业应用场合及应用案例1.克服被控对象较大的容量滞后2.用于克服被控对象较大的纯滞后3.克服控制对象较大的非线性及负荷变化4.克服变化剧烈、幅值大且对控制质量影响明显的干扰5.校正设定值的变化过程控制原理与工程1.克服被控对象较大的容量滞后根据串级控制系统的特点可知，当对象容量滞后比较大时，可选择一个滞后较小的辅助被控变量组成副回路，使对象的等效时间常数缩小，提高系统工作频率。特别是一些以温度等为被控变量的过程，其容量滞后通常都较大，控制要求又较高，若采用单回路控制系统，其控制质量不能满足工艺生产要求。因此，可以利用串级控制系统的特点，选择一个滞后较小的副变量，引入副回路，减小了等效对象的时间常数，改善了对象特性，系统对于干扰的反应更及时，可有效地克服滞后，提高控制性能。例如，图6-2所示的管式加热炉，选择时间常数和滞后较小的炉膛温度为副变量，构成炉出口温度对炉膛温度的串级控制系统就是一个典型的例子。过程控制原理与工程2.用于克服被控对象较大的纯滞后图6-8网前箱温度串级控制过程控制原理与工程3.克服控制对象较大的非线性及负荷变化图6-9合成反应炉温度串级控制系统过程控制原理与工程4.克服变化剧烈、幅值大且对控制质量影响明显的干扰图6-10温度与流量串级控制系统过程控制原理与工程5.校正设定值的变化图6-11进加料器一次风压力与一次风流量串级控制系统1提升管2加料器3待再生的催化剂过程控制原理与工程6.1.6串级控制系统的投运和主、副控制器的参数整定1.串级控制系统的投运2.串级控制系统的参数整定过程控制原理与工程1.串级控制系统的投运1)将副控制器置“内”给定，主控制器置“内”给定位置，并将主、副控制器“正、反作用开关”置正确位置，控制器参数置于预定数值。2)用副控制器的手动拨盘进行副环遥控，改变燃料流量，并使主变量温度逐渐趋近设定值。3)当主变量接近设定值，且副回路流量也较平稳时，可以将副环切入自动。4)要实现主控制器的手动遥控。5)最后主控制器投自动。过程控制原理与工程2.串级控制系统的参数整定(1)两步整定法所谓两步整定法，就是第一步整定副控制器参数，第二步整定主控制器参数。1)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设置在100%，然后逐渐减小副控制器的比例度，求取副回路在41衰减比过渡过程下的副控制器的比例度2S和振荡周期T2S。2)在副控制器的比例度为2S的条件下，把副回路作为主回路中的一个环节，逐步减小主控制器的比例度，在同样衰减比下，求取主控制器的比例度1S和操作周期T1S。过程控制原理与工程2.串级控制系统的参数整定3)根据求得的2S、T1S、2S、T2S数值，按单回路系统衰减曲线法整定公式计算主、副控制器的比例度、积分时间Ti和微分时间Td的数值。4)按“先副后主”、“先比例后积分最后微分”的整定方法，将得到的控制器参数设置在控制器上。5)再观察过渡过程曲线，作适当调整，直到系统质量达到最佳为止。(2)一步整定法两步整定法需寻求两个41的衰减振荡过程，比较费时。过程控制原理与工程2.串级控制系统的参数整定1)副控制器为纯比例作用，根据副变量的类型，按照表6-1的经验数据选好副控制器参数，并将其放在副控制器上。2)将串级控制系统投运后，利用简单控制系统中任一种参数整定方法整定主控制器的参数。3)如果出现“共振”现象，可加大主控制器或减小副控制器的参数整定值，一般即能消除。过程控制原理与工程2.串级控制系统的参数整定表6-1副控制器比例度经验值过程控制原理与工程2.串级控制系统的参数整定图6-12石油裂解气深冷分离过程中多塔工艺流程过程控制原理与工程6.2均匀控制系统过程控制原理与工程6.2.1均匀控制的目的和要求1)表征前后供求矛盾的两个变量都应该是变化的，且变化是缓慢的。2)前后互相联系又互相矛盾的两个变量应在所允许的范围内波动。过程控制原理与工程6.2.1均匀控制的目的和要求图6-13精馏塔前后物料供求关系过程控制原理与工程图6-14流量和液位参数不同要求时的记录曲线过程控制原理与工程6.2.2均匀控制方案1.简单均匀控制2.串级均匀控制过程控制原理与工程1.简单均匀控制图6-15精馏塔塔底液位与采出量均匀控制系统过程控制原理与工程2.串级均匀控制图6-16精馏塔塔底液位与采出流量串级均匀控制系统过程控制原理与工程2.串级均匀控制图6-17分离器压力与气体流量均匀控制1精馏塔2冷凝器3分离器过程控制原理与工程6.2.3控制器参数的整定1.整定原则2.方法步骤过程控制原理与工程1.整定原则1)首先将主控制器的比例度置于估计不会引起液位超过允许波动范围的一个参数。2)修正控制器参数，使液位最大波动范围接近允许范围，其目的是充分利用储罐的缓冲作用，使输出流量尽量平稳。过程控制原理与工程2.方法步骤(1)纯比例控制1)先将控制器的比例度放置在估计不会引起液位超越的数值上，如设比例度=100%左右。2)观察记录曲线，若液位的最大波动小于允许范围，则可增加比例度，其结果必然是液位“质量”降低，而使流量更加平稳。3)当发现液位的最大波动超过允许范围，则应减小值。4)这样多次反复调整值，直到液位最大波动接近允许范围为止。(2)比例积分控制过程控制原理与工程2.方法步骤1)按纯比例控制进行调整，得到液位最大波动接近允许范围时的值。2)适当增加值后，加积分作用。3)减小积分时间Ti，直到流量记录曲线将要出现缓慢的周期性衰减振荡过程为止。图6-18控制器比例度不同时的过渡过程曲线过程控制原理与工程6.3比值控制系统过程控制原理与工程6.3.1概述在现代化工、炼油生产中，经常需要两种或两种以上的物料按一定比例的混合或进行化学反应，一旦比例失调，轻则会造成产品质量不合格，重则会造成生产事故或发生危险。例如，稀硝酸生产中的氧化炉，氨和空气应保持一定的比例，否则将使反应不能正常进行，而氨和空气比超过一定极限将会引起爆炸。又如以重油为原料生产合成氨时，氧气和重油应保持一定的比例，若氧油比过高，温度急剧上升，烧坏炉子，严重时还会引起爆炸危险；若氧油比过低，燃烧不完全，使碳黑增多，则易发生堵塞。再如，在造纸生产过程中，必须使浓纸浆和水以一定比例混合，才能制造出一定浓度的纸浆，显然这个流量比对于产品质量有密切关系。这样类似的例子在各种工业生产中是大量存在的。过程控制原理与工程6.3.2定比值控制系统1.开环比值控制系统2.单闭环比值控制系统3.双闭环比值控制系统过程控制原理与工程1.开环比值控制系统图6-19开环比值控制方案过程控制原理与工程2.单闭环比值控制系统图6-20单闭环比值控制方案过程控制原理与工程2.单闭环比值控制系统图6-21丁烯洗涤塔单闭环比值控制系统过程控制原理与工程3.双闭环比值控制系统图6-22双闭环比值控制系统过程控制原理与工程6.3.3变比值控制系统1.相乘方式的变比值控制系统2.相除方式的变比值控制系统过程控制原理与工程1.相乘方式的变比值控制系统图6-23变比值控制系统(相乘方式)过程控制原理与工程2.相除方式的变比值控制系统图6-24变比值控制系统(相除方式)过程控制原理与工程6.3.4比值控制系统的实施1.相乘的方案2.相除方案过程控制原理与工程1.相乘的方案图6-25单闭环比值控制系统采用相乘的方式过程控制原理与工程1.相乘的方案图6-26电动比值器原理图(1)应用比值器的方案图6-26是应用比值器实现单闭环比值控制的实施方案。过程控制原理与工程1.相乘的方案过程控制原理与工程1.相乘的方案解按式(6-11)的计算公式得：过程控制原理与工程1.相乘的方案图6-27比值控制系统采用乘法器的方案过程控制原理与工程1.相乘的方案(2)应用乘法器的方案由于乘法器可实现乘常数及进行两输入信号相乘的运算，所以可用它组成定比值和变比值控制系统。过程控制原理与工程1.相乘的方案解按式(6-15)得：过程控制原理与工程1.相乘的方案解因按国家标准，国产流量计的通过标尺为1.0，1.25，1.6，2.0，2.5，3.2，4.0，5.0，6.3，8乘以10n(n为正整数)。故对NaOH的流量经圆整后，其标尺F1max=1过程控制原理与工程1.相乘的方案图6-28用除法器构成的比值控制系统过程控制原理与工程1.相乘的方案当kmax=4时，其比值系数K为当kmin=2.75时，其比值系数K为过程控制原理与工程2.相除方案图6-29电动除法器过程控制原理与工程6.3.5比值控制系统的投运和控制器参数的整定比值控制系统设计、安装好之后，即可投入使用。关于投运前的准备工作及投运步骤与单回路控制系统相同，只是在投运过程中注意的就是比值系数的设置问题。首先根据工艺规定的流量比k，按实际组成的方案来计算比值系数。由于采用差压法测量流量时，要做到精确计量有一定的困难，尽管对测量元件进行精确计算，在实际使用中尚有不少误差，想通过比值系数一次精确设置来保证流量比值是不可能的。因此，系统在投运前比值系数不一定要精确设置，可以在投运过程中逐渐校正，直至工艺认为合格为止。比值系统在运行时，控制器参数的整定是最重要的问题，如果参数整定不当，即使是设计、安装等都合理，系统也不能正常运行。所以，选择适当的控制器参数是保证和提高比值控制系统控制质量的一个重要的途径，这和其他控制系统的要求是一致的。过程控制原理与工程6.4分程控制系统过程控制原理与工程6.4.1分程控制系统的构成图6-30分程控制系统示意图过程控制原理与工程6.4.1分程控制系统的构成图6-31控制阀分程动作(同向)过程控制原理与工程6.4.1分程控制系统的构成图6-32控制阀分程动作(异向)过程控制原理与工程6.4.2分程控制的应用场合1.用于扩大控制阀的可调范围，改善控制系统的品质2.用于满足工艺生产上的特殊要求3.用于保证生产过程的安全与稳定过程控制原理与工程1.用于扩大控制阀的可调范围，改善控制系统的品质图6-33蒸汽减压系统分程控制过程控制原理与工程1.用于扩大控制阀的可调范围，改善控制系统的品质图6-34控制阀分程动作关系过程控制原理与工程2.用于满足工艺生产上的特殊要求(1)确定阀的气开、气关型式从安全角度，为了避免断电、断气源时引起反应器温度过高，应使无气时输入热量处于最小的情况，故蒸汽阀应选为气开式，冷水阀选气关式。(2)决定分程区间根据工艺要求，当温度偏高时，先关小蒸汽，再增大冷水。过程控制原理与工程2.用于满足工艺生产上的特殊要求图6-35反应器分程控制系统过程控制原理与工程2.用于满足工艺生产上的特殊要求图6-36A、B阀分程动作关系过程控制原理与工程3.用于保证生产过程的安全与稳定图6-37储罐氮封分程控制过程控制原理与工程3.用于保证生产过程的安全与稳定图6-38控制阀分程动作关系过程控制原理与工程6.5前馈控制系统过程控制原理与工程6.5.1前馈控制的基本原理及特点1.反馈控制的特点2.前馈控制的原理与特点过程控制原理与工程6.5.1前馈控制的基本原理及特点图6-39换热器的反馈控制过程控制原理与工程1.反馈控制的特点1)反馈控制是“基于偏差来消除偏差”。2)无论扰动发生在哪里，总要等到引起被控变量发生偏差后，控制器才开始动作，故控制器的动作总是落后于干扰作用的发生，是一种“不及时”的控制。3)反馈控制是闭环控制，控制的效果可以通过反馈获得检验。4)引起被控变量发生偏差的一切干扰，均被包围在闭环系统内，故反馈控制可消除多种干扰对被控变量的影响。5)反馈控制系统中，控制器控制规律的一般形式可表示为过程控制原理与工程2.前馈控制的原理与特点图6-40换热器前馈控制系统过程控制原理与工程2.前馈控制的原理与特点图6-41前馈控制系统全补偿过程过程控制原理与工程2.前馈控制的原理与特点1)前馈控制器是“基于扰动来消除扰动对被控量的影响”，故前馈控制又称为“扰动补偿”。2)由于前馈控制是一种按干扰作用进行控制的开环系统，它不会等干扰影响到被控变量后再进行控制，即在被控变量还没有出现偏差就及时产生控制作用，所以能及时克服干扰的影响。3)前馈控制属于开环控制，从图6-40b所示的框图中可以看出，前馈控制系统是一种开环控制系统，控制效果不通过反馈检验。过程控制原理与工程2.前馈控制的原理与特点4)由于前馈控制作用是按干扰进行工作的，因此根据一种干扰设计的控制系统只能克服这一干扰对被控变量的影响，而对系统中的其他扰动无抑制作用。5)前馈控制器的控制规律，取决于被控对象的特性。过程控制原理与工程6.5.2前馈控制系统的几种结构形式1.静态前馈控制2.动态前馈控制3.前馈-反馈控制系统4.前馈-串级控制系统过程控制原理与工程1.静态前馈控制过程控制原理与工程2.动态前馈控制静态前馈系统虽然结构简单、易于实现，在一定程度上可改善过程品质，但在干扰作用下，控制过程的动态偏差依然存在。对于干扰变化频繁和动态控制精度要求比较高的生产过程，静态前馈往往不能满足工艺上的要求，这时应采用动态前馈方案。图6-40a所示的换热器前馈控制系统即为单纯的动态前馈控制，前馈控制器的传递函数由式(6-21)式决定，其作用在于力求在任何时刻均实现对干扰的补偿。通过合适的前馈控制规律的选择，使干扰经过前馈控制器至被控变量这一通道的动态特性与对象干扰通道的动态特性完全一致，并使它们的符号相反，便可达到控制作用，完全补偿干扰对被控变量的影响。过程控制原理与工程3.前馈-反馈控制系统图6-42换热器前馈-反馈控制系统过程控制原理与工程4.前馈-串级控制系统图6-43换热器前馈-串级控制系统过程控制原理与工程6.5.3前馈控制系统的选用1)当系统中存在下列情况的主要干扰当系统中的干扰是可测不可控的，如果需要前馈的干扰是不可测的，就得不到具体干扰信号值，前馈控制也就无法实现。例如不少物料的化学成分或物性，至今尚是不可测的参数。假如干扰是可控的，则可以设置独立的控制系统予以克服，因此就无须设置比较复杂的系统进行前馈控制了。过程控制原理与工程6.5.3前馈控制系统的选用干扰的幅度大、频率高，虽然可以测出，但受工艺条件的约束不能用定值控制系统加以稳定时，例如工艺生产的负荷及其他控制系统的操纵变量，不能直接对它加以控制，此时可以采用前馈控制来改善控制品质。在系统中存在着对被控变量影响显著、反馈控制又难以克服的干扰，而工艺对控制精度要求又高时，可通过前馈补偿装置来改进反馈控制的质量。2)当系统中对象控制通道滞后大或干扰通道时间常数小时，可考虑引入前馈控制，以保证控制品质。过程控制原理与工程6.6选择性控制系统过程控制原理与工程6.6.1概述在现代化工生产过程中，要求设计的自动控制系统不但能够在正常工况下克服外界干扰，实现平稳操作，而且还必须考虑事故状态下能安全生产。当生产操作达到安全极限时，自动控制系统能采取必要的保护性措施，保证生产安全、平稳地进行。这种在非正常工况下采取的自动保护性措施有两类：一类是硬保护措施，一类是软保护措施。所谓硬保护措施就是当生产操作达到安全极限时，有声、光警报产生。这时，或是由操作工将控制器切到手动，进行手动操作和处理；或是通过专门设置的联锁保护线路，实现自动停车，达到生产安全的目的。这种通过事先专门设置的联锁保护线路，虽然能在生产操作达到安全极限时起到安全保护的作用，但是，这种硬性保护方法，动辄就使设备停车，这必然会影响到生产，经济损失也大，时间也长。过程控制原理与工程6.6.2选择性控制系统的构成通常在选择性控制系统中采用了称为高值(或低值)选择器的仪表，它接受两个输入信号，并进行比较，将较大的(或较低的)输入信号值按原值输出。在控制方案中用“”或“HS”表示高选器，用“”或“LS”表示低选器。液氨蒸发器是一个换热设备，在工业上应用极其广泛。它是利用液氨的汽化需要吸收大量热量，以此来冷却被冷却物料(主物料)的。气氨送到制冷压缩机压缩，并经冷却水冷却后循环使用，为了防止制冷压缩机的损坏，严禁气氨中带液氨。工艺操作上，显然被冷却物料的出口温度为被控变量，以液氨流量为操纵变量组成温度简单控制系统，如图6-44a所示。当被冷却物料出口温度升高时，则温度控制器(正作用)输出增加，使控制阀(气开阀)开度增加，从而使液氨冷冻量增加，这样就有更多的液氨气化吸收热量。使出口温度下降。这套系统属于正常情况下工作的温度自动控制系统。图6-44液氨蒸发器的控制方案但是液氨的蒸发需一定的蒸发空间，当蒸发器内液氨液位正常时，有正常的蒸发空间；但当液位上升，使蒸发空间减少时，大量的液氨蒸发汽化，使气氨中挟带部分液氨进入制冷压缩机，液氨会损坏压缩机叶片影响压缩机的安全运行，严重时会造成事故。若液位继续上升而导致无蒸发空间时，液氨将不能气化，从而失去制冷效果，该液氨将直接进入压缩机，产生严重事故。过程控制原理与工程6.6.2选择性控制系统的构成图6-44液氨蒸发器的控制方案过程控制原理与工程6.6.2选择性控制系统的构成图6-45液氨蒸发器自动选择性控制系统框图过程控制原理与工程6.6.3选择性控制系统的类型1.选择器装在变送器和控制器之间，对被控变量进行选择2.选择器装在控制器和控制阀之间，对控制器的输出信号进行选择过程控制原理与工程1.选择器装在变送器和控制器之间，对被控变量进行选择图6-46选择反应器热点温度的控制系统过程控制原理与工程1.选择器装在变送器和控制器之间，对被控变量进行选择(1)选择测量信号最高值(或最低值)图6-46所示为固定床反应器，在长期使用过程中，触媒活性会逐渐下降，这样反应器内的最高温度即热点温度位置会逐渐下移。图6-47用选择器对成分仪表检测信号进行选择过程控制原理与工程1.选择器装在变送器和控制器之间，对被控变量进行选择(2)选择可靠测量值对于生产过程中特别重要的工艺参数，为了绝对安全、可靠，往往在同一个检测点安装多台变送器，通过选择器选出可靠信号值进行自动控制。过程控制原理与工程2.选择器装在控制器和控制阀之间，对控制器的输出信号进行选择(1)选择不同控制器输出的选择性控制系统这种选择性控制系统，它可以按工艺约束条件的要求，选择两个不同控制器的输出到同一个控制阀上去，以实现软保护。图6-48压力选择性控制系统过程控制原理与工程2.选择器装在控制器和控制阀之间，对控制器的输出信号进行选择(2)选择不同操纵变量的选择性控制系统这种选择性控制系统，在达到某一工艺约束条件后，能按事先设计好的逻辑关系，把控制器的输出从一个控制阀转移到另一个控制阀上去。过程控制原理与工程6.6.4积分饱和现象及其防止措施1.积分饱和的产生及其危害2.防积分饱和措施过程控制原理与工程1.积分饱和的产生及其危害图6-49恒定偏差下的积分饱和过程过程控制原理与工程2.防积分饱和措施(1)限幅法电动型仪表中有专门设计的限幅型控制器，对积分反馈信号加以限制，使控制器输出信号限制在控制阀工作信号范围之内，从而防止积分饱和。(2)外反馈法控制器处于开环状态时，借用其他相应的信号(正常工作控制器的输出信号)，对控制器进行积分反馈来限制积分作用，防止积分饱和。(3)PI-P法控制器处于开环状态时，将控制器的积分作用切除掉，使之仅具有比例功能。过程控制原理与工程思考题与习题思考题与习题 6-1串级控制系统有哪些特点？主要使用在哪些场合？6-2为什么采用串级控制系统可以改善对象特性，其工作频率的提高取决于什么？6-3为什么串级控制系统比单回路系统具有较强的克服干扰的能力？6-4为什么说串级控制系统中的主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统？6-5串级控制系统中主、副变量应如何选择？6-6怎样选择串级控制系统中主、副控制器的控制规律？过程控制原理与工程6-7图6-50为一蒸汽加热器，物料出口温度需要控制且要求较严格，该系统中加热蒸汽的压力波动较大。试设计一控制系统满足上述要求，并画出控制系统的控制原理图及框图。图6-50蒸汽加热器6-8某反应器内进行放热反应，反应器温度过高会发生事故，为此采用夹套水冷却。由于釜温控制要求较高，且冷却水压力、温度波动较大，故设置控制系统如图6-51所示。问：(1)这是什么类型的控制系统？试画出其框图，说明其主变量和副变量是什么？(2)选择控制阀的气开、气关形式。(3)选择控制器的正、反作用。(4)选择主、副控制器的控制规律。(5)如主要干扰是冷却水的温度波动，试简述其控制过程。(6)如主要干扰是冷却水压力波动，试简述其控制过程，并说明这时可如何改进控制方案，以提高控制质量。过程控制原理与工程图6-51反应器温度控制系统图6-52管式加热炉温度控制6-9图6-52为一管式加热炉原油出口温度与炉膛温度串级控制系统。要求：(1)选择控制阀的开闭形式。(2)确定主、副控制器的正反作用。(3)在系统稳定的情况下，如果燃料气压力突然升高，结合控制阀开闭形式及控制器正反作用，分析该串级控制系统的工作过程。6-10串级控制系统主、副控制器参数的工程整定的两步整定法与一步整定方法有什么不同？一步整定法的依据是什么？6-11某串级控制系统采用两步整定法整定调节器参数，测得41衰减过程的参数为：1S=8%，T1S=100s；2S=40%，T2S=10s。若已知主调节器选用PID规律，副调节器选用P规律。试确定主、副调节器的参数为多少?6-12均匀控制的目的和特点是什么？6-13为什么要采用均匀控制？均匀控制方案与一般的控制方案有什么不同？6-14为什么说均匀控制系统的核心问题是控制器参数的整定问题？过程控制原理与工程图6-50蒸汽加热器过程控制原理与工程图6-51反应器温度控制系统过程控制原理与工程图6-52管式加热炉温度控制过程控制原理与工程图6-53压力-流量均匀控制系统过程控制原理与工程图6-54题6-24图过程控制原理与工程图6-55题6-26图过程控制原理与工程图6-56题6-27图过程控制原理与工程图6-57题6-30图过程控制原理与工程图6-58题6-33图