第6章復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)i

1、第第6章章 復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng) 單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)解決了工程上大量的控制問題，它是一單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)解決了工程上大量的控制問題，它是一種最簡單、使用最廣泛的控制系統(tǒng)，也是我們學(xué)習(xí)過程控制種最簡單、使用最廣泛的控制系統(tǒng)，也是我們學(xué)習(xí)過程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。但是，現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對調(diào)節(jié)質(zhì)量的要系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。但是，現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對調(diào)節(jié)質(zhì)量的要求越來越高，操作調(diào)節(jié)越來與嚴格，任務(wù)越來越負責(zé)或特殊，求越來越高，操作調(diào)節(jié)越來與嚴格，任務(wù)越來越負責(zé)或特殊，為此需要在簡單控制回路的基礎(chǔ)上再增加一些計算環(huán)節(jié)、反為此需要在簡單控制回路的基礎(chǔ)上再增加一些計算環(huán)節(jié)、反饋環(huán)節(jié)或其它控制環(huán)節(jié)，構(gòu)成復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)。饋環(huán)節(jié)

2、或其它控制環(huán)節(jié)，構(gòu)成復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 復(fù)雜控制系統(tǒng)包括：復(fù)雜控制系統(tǒng)包括：串級、比值、前饋、選擇性控制系統(tǒng)串級、比值、前饋、選擇性控制系統(tǒng)等等。這些系統(tǒng)有的以它們的結(jié)構(gòu)命名，有的以功能特征或原理。這些系統(tǒng)有的以它們的結(jié)構(gòu)命名，有的以功能特征或原理命名，因此出現(xiàn)了交叉的復(fù)雜局面，而且它們還可以相互融合，命名，因此出現(xiàn)了交叉的復(fù)雜局面，而且它們還可以相互融合，幾者結(jié)合在一起。幾者結(jié)合在一起。6.1 串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)串級調(diào)節(jié)系統(tǒng) 串級控制是提高響應(yīng)速度，改善系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的極為有串級控制是提高響應(yīng)速度，改善系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的極為有效的方法，在工程上得到了廣泛的應(yīng)用。效的方法，在工程上得到了廣泛的應(yīng)用。1 1 、

3、6.1.1 過程控制系統(tǒng)設(shè)計的步驟過程控制系統(tǒng)設(shè)計的步驟2、對調(diào)節(jié)滯后的解決方法、對調(diào)節(jié)滯后的解決方法 對于冷卻水方面的擾動，如對于冷卻水方面的擾動，如冷卻水的入口溫度、閥前冷卻水的入口溫度、閥前壓力壓力等擾動，夾套冷卻水溫度等擾動，夾套冷卻水溫度T T2 2比反應(yīng)槽溫度比反應(yīng)槽溫度T T1 1能更快能更快地感受到。因而可設(shè)計夾套水溫單回路控制系統(tǒng)地感受到。因而可設(shè)計夾套水溫單回路控制系統(tǒng)TCTC2 2以盡以盡快地克服冷卻水方面的擾動。但快地克服冷卻水方面的擾動。但TCTC2 2的設(shè)定值應(yīng)根據(jù)的設(shè)定值應(yīng)根據(jù)T T1 1的的控 制 要 求 作 相 應(yīng) 的 變 化 （ 這 一 要 求 可 用 反

4、應(yīng) 溫控 制 要 求 作 相 應(yīng) 的 變 化 （ 這 一 要 求 可 用 反 應(yīng) 溫度調(diào)節(jié)器度調(diào)節(jié)器TCTC1 1來自動實現(xiàn)）。來自動實現(xiàn)）。“串級控制串級控制”3、 6.1.2 串級控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)串級控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu) 過程響應(yīng)是緩慢的，或者某一特定擾動變量過程響應(yīng)是緩慢的，或者某一特定擾動變量d2持續(xù)存在，持續(xù)存在，并且對系統(tǒng)影響較大，為了改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性，如果我們并且對系統(tǒng)影響較大，為了改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性，如果我們能找到一個中間變量，滿足以下條件：能找到一個中間變量，滿足以下條件：什么樣的過程適合于采用串級控制？什么樣的過程適合于采用串級控制？（1）該變量可以測量，并且對被控變量施

5、加影響；）該變量可以測量，并且對被控變量施加影響；（2）該變量可清晰的反映出擾動變量）該變量可清晰的反映出擾動變量d2的影響；的影響；（3）該變量可控，即可以通過）該變量可控，即可以通過u對其施加影響；對其施加影響；（4）該變量對）該變量對u的響應(yīng)比輸出變量的響應(yīng)比輸出變量y要快。要快。則我們可以引入如圖所示的一般串級控制。則我們可以引入如圖所示的一般串級控制。副回路用來快速克服副回路用來快速克服二次擾動的影響二次擾動的影響 而落在內(nèi)環(huán)外的所有主回路內(nèi)而落在內(nèi)環(huán)外的所有主回路內(nèi)的擾動都有主回路克服的擾動都有主回路克服 對應(yīng)的串級控制傳遞函數(shù)方框圖為：對應(yīng)的串級控制傳遞函數(shù)方框圖為： 從圖中可以

6、看出，整個內(nèi)環(huán)可以看做是執(zhí)行器，可從圖中可以看出，整個內(nèi)環(huán)可以看做是執(zhí)行器，可稱為是稱為是“偽執(zhí)行器偽執(zhí)行器”，而內(nèi)環(huán)的輸出變量，即中間過程，而內(nèi)環(huán)的輸出變量，即中間過程變量針對主對象來說就相當(dāng)是操作變量，可稱為變量針對主對象來說就相當(dāng)是操作變量，可稱為“偽操偽操作變量作變量”。6.1.3 串級控制系統(tǒng)的特點和效串級控制系統(tǒng)的特點和效果分析果分析 我們已經(jīng)知道對象（包括干擾通道和調(diào)節(jié)通道）動我們已經(jīng)知道對象（包括干擾通道和調(diào)節(jié)通道）動特性對系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)性能的影響，下面我們來具體分析特性對系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)性能的影響，下面我們來具體分析串級控制結(jié)構(gòu)是如何改善對象動特性，從而提高閉環(huán)調(diào)串級控制結(jié)構(gòu)是如何

7、改善對象動特性，從而提高閉環(huán)調(diào)節(jié)性能的。節(jié)性能的。 串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)與單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比，增加了一串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)與單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比，增加了一個檢測元件，一個變送器和一個控制器，復(fù)雜程度有所個檢測元件，一個變送器和一個控制器，復(fù)雜程度有所增加，我們主要從以下幾個方面改善系統(tǒng)的性能。增加，我們主要從以下幾個方面改善系統(tǒng)的性能。1 1 、迅速克服進入副回路的擾動、迅速克服進入副回路的擾動 串級控制系統(tǒng)主要是用來迅速克服進入副回路的二次擾串級控制系統(tǒng)主要是用來迅速克服進入副回路的二次擾動的動的 。因此，設(shè)計時應(yīng)設(shè)法讓主要擾動的進入點位于副回路之。因此，設(shè)計時應(yīng)設(shè)法讓主要擾動的進入點位于副回路之內(nèi)，使該擾動

8、在影響主被調(diào)量之前，副調(diào)節(jié)器就可對其進行及內(nèi)，使該擾動在影響主被調(diào)量之前，副調(diào)節(jié)器就可對其進行及時矯正。時矯正。 如圖所示，在引入副回路之前，二次擾動如圖所示，在引入副回路之前，二次擾動D2到輸出到輸出y2之之間的傳遞函數(shù)為：間的傳遞函數(shù)為：222( )( )( )dY sGsD s22( )( )( )Y sR sD s 引入中間變量的內(nèi)部反饋之后，擾動引入中間變量的內(nèi)部反饋之后，擾動D2到輸出到輸出y2之間的之間的傳遞函數(shù)為：傳遞函數(shù)為：22222( )( )1dcvpGY sD sG G G 對于動態(tài)滯后較小對于動態(tài)滯后較小的副回路，在通頻帶的副回路，在通頻帶內(nèi)一般有：內(nèi)一般有：221c

9、vpG G G2 2 、副回路的響應(yīng)相位滯后由于引入副回路而顯著減、副回路的響應(yīng)相位滯后由于引入副回路而顯著減小，進而改善主回路的調(diào)節(jié)性能。小，進而改善主回路的調(diào)節(jié)性能。 串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)作為雙閉環(huán)系統(tǒng)，其中的副對象由開環(huán)轉(zhuǎn)串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)作為雙閉環(huán)系統(tǒng)，其中的副對象由開環(huán)轉(zhuǎn)為了閉環(huán)結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致主回路的等效對象特性發(fā)生改變。為了閉環(huán)結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致主回路的等效對象特性發(fā)生改變。 以上圖為例，假設(shè)以上圖為例，假設(shè)Gc2=Kc2， Gv=Kv ，并且假設(shè)副對象為，并且假設(shè)副對象為一階慣性環(huán)節(jié)，如下式所示：一階慣性環(huán)節(jié)，如下式所示：222( )1pppKGsT s 則等效廣義對象（整個內(nèi)環(huán)）的傳遞函數(shù)為：則

10、等效廣義對象（整個內(nèi)環(huán)）的傳遞函數(shù)為：222221pvvppvvKK KT sKK K 221ppKTs其中，其中，3 3 、對副環(huán)內(nèi)各環(huán)節(jié)的特性變化具有一定的自適應(yīng)能、對副環(huán)內(nèi)各環(huán)節(jié)的特性變化具有一定的自適應(yīng)能力，并能自動的克服副對象增益或調(diào)節(jié)閥特性的非線力，并能自動的克服副對象增益或調(diào)節(jié)閥特性的非線性對控制性能的影響性對控制性能的影響 總體來說，副對象由于引入閉環(huán)結(jié)構(gòu)，使得副回路的閉環(huán)總體來說，副對象由于引入閉環(huán)結(jié)構(gòu)，使得副回路的閉環(huán)傳遞函數(shù)的穩(wěn)態(tài)增益趨近于傳遞函數(shù)的穩(wěn)態(tài)增益趨近于1，實現(xiàn)跟隨特性。，實現(xiàn)跟隨特性。4 4 、副回路可按照主回路的需要對質(zhì)量流量或能量流、副回路可按照主回路的需

11、要對質(zhì)量流量或能量流量實施準確的控制量實施準確的控制 這一特點體現(xiàn)在副回路為流量控制回路的場合，在未引入這一特點體現(xiàn)在副回路為流量控制回路的場合，在未引入流量副回路時，像閥門的回差和閥前壓力擾動等因素，都會影流量副回路時，像閥門的回差和閥前壓力擾動等因素，都會影響操作變量的流量，使其不能與控制器輸出信號保持嚴格的對響操作變量的流量，使其不能與控制器輸出信號保持嚴格的對應(yīng)關(guān)系。采用串級控制系統(tǒng)后，引入流量副回路，會使得實際應(yīng)關(guān)系。采用串級控制系統(tǒng)后，引入流量副回路，會使得實際流量與主控制器的輸出基本保持一致，從而可以更精確的控制流量與主控制器的輸出基本保持一致，從而可以更精確的控制流量。流量。5

12、 5 、可以實現(xiàn)更為靈活的控制方式，主調(diào)節(jié)器或副調(diào)、可以實現(xiàn)更為靈活的控制方式，主調(diào)節(jié)器或副調(diào)節(jié)器在必要時可以忽略節(jié)器在必要時可以忽略 串級控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)串級控制、主控或者副控等多種控串級控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)串級控制、主控或者副控等多種控制方式，其中主控方式是切除副回路，由主控制器直接驅(qū)動執(zhí)制方式，其中主控方式是切除副回路，由主控制器直接驅(qū)動執(zhí)行器，以主被控變量作為被控變量的單回路控制；副控方式是行器，以主被控變量作為被控變量的單回路控制；副控方式是切除主回路，由副回路單獨工作的單回路控制方式。切除主回路，由副回路單獨工作的單回路控制方式。6.1.4 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計、投串級控制系統(tǒng)的設(shè)計、投

13、運和參數(shù)整定運和參數(shù)整定 1 1 、主、副回路的設(shè)計原則、主、副回路的設(shè)計原則1） 副回路應(yīng)包含被控對象中主要的、變化劇烈、頻繁副回路應(yīng)包含被控對象中主要的、變化劇烈、頻繁和幅度大的擾動和幅度大的擾動 ；2）盡可能將帶有非線性或時變特性的環(huán)節(jié)包含于副回）盡可能將帶有非線性或時變特性的環(huán)節(jié)包含于副回路中。路中。3） 副參數(shù)的選擇應(yīng)使副對象的時間常數(shù)比主對象的時間副參數(shù)的選擇應(yīng)使副對象的時間常數(shù)比主對象的時間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反應(yīng)靈敏；也就是副回路具有常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反應(yīng)靈敏；也就是副回路具有良好的隨動性能，否則系統(tǒng)可能發(fā)生良好的隨動性能，否則系統(tǒng)可能發(fā)生“共振共振”現(xiàn)象。現(xiàn)象。 當(dāng)可能發(fā)生

14、共振的時候，從當(dāng)可能發(fā)生共振的時候，從主控制器來看，內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞主控制器來看，內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)的幅頻特性可用二階振蕩函數(shù)的幅頻特性可用二階振蕩環(huán)節(jié)來近似描述，如圖所示：環(huán)節(jié)來近似描述，如圖所示： 當(dāng)阻尼系數(shù)滿足關(guān)系當(dāng)阻尼系數(shù)滿足關(guān)系00 0.7070.707時，時，會在諧振頻率會在諧振頻率 r2r2處出現(xiàn)諧振峰值，并處出現(xiàn)諧振峰值，并且在滿足且在滿足: :2123r 的頻率區(qū)間內(nèi)，內(nèi)環(huán)動態(tài)增益會大于的頻率區(qū)間內(nèi)，內(nèi)環(huán)動態(tài)增益會大于1 1，會對外環(huán)控制器輸出信號，會對外環(huán)控制器輸出信號起到放大作用，有可能導(dǎo)致起到放大作用，有可能導(dǎo)致“共振共振”現(xiàn)象的發(fā)生，因此，通常將上述區(qū)現(xiàn)象的發(fā)生，因此，通常

15、將上述區(qū)域稱為域稱為“廣義共振區(qū)廣義共振區(qū)”。為了避免。為了避免“共振共振”現(xiàn)象的發(fā)生，就應(yīng)該使得外現(xiàn)象的發(fā)生，就應(yīng)該使得外環(huán)的工作頻率盡量避開此區(qū)域，即滿足如下條件：環(huán)的工作頻率盡量避開此區(qū)域，即滿足如下條件：1213dr122dr 或或 當(dāng)然，外環(huán)應(yīng)該比內(nèi)環(huán)的工作頻率低，一般要求主副回路的工作頻當(dāng)然，外環(huán)應(yīng)該比內(nèi)環(huán)的工作頻率低，一般要求主副回路的工作頻率應(yīng)該錯開，相差三倍以上，或者副對象的時間常數(shù)和時滯應(yīng)比主對象率應(yīng)該錯開，相差三倍以上，或者副對象的時間常數(shù)和時滯應(yīng)比主對象小一些，一般選擇：小一些，一般選擇：2 2 、主、副回路控制器的選擇、主、副回路控制器的選擇1 1）副調(diào)節(jié)器常選擇）副

16、調(diào)節(jié)器常選擇PIPI控制律控制律原因：原因：副回路為隨動系統(tǒng)，其設(shè)定值及擾動變化頻繁，一般不宜加微分作用；另外，副回路的主要目的是快速克服內(nèi)環(huán)中的各種擾動，為加大副回路的調(diào)節(jié)能力，理想上不用加積分作用。但實際運行中，串級系統(tǒng)有時會斷開主回路，因而，通常需要加入積分作用。但積分作用要求弱些積分作用要求弱些以保證副回路較強的抗干擾能力。2 2）主調(diào)節(jié)器常選擇）主調(diào)節(jié)器常選擇PIPI或或PIDPID控制律控制律原因：原因：主回路的任務(wù)是滿足主參數(shù)的定值控制要求。因而對于主參數(shù)為溫度的串級系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器必須加入較強的積分作用。當(dāng)主對象的調(diào)節(jié)滯后較大，而主參數(shù)變化較平緩時，可加入通常大小的微分作用。3

17、3 、主、副回路正、反作用的選擇、主、副回路正、反作用的選擇 控制器正、反作用的選擇原則是：要使系統(tǒng)成為負反控制器正、反作用的選擇原則是：要使系統(tǒng)成為負反饋系統(tǒng)，為保證所設(shè)計的串級控制系統(tǒng)的正、副回路成為負饋系統(tǒng)，為保證所設(shè)計的串級控制系統(tǒng)的正、副回路成為負反饋系統(tǒng)，必須正確選擇主副回路的正反作用。反饋系統(tǒng)，必須正確選擇主副回路的正反作用。1） 先依據(jù)控制閥的氣開（先依據(jù)控制閥的氣開（Kv為正）、氣關(guān)（為正）、氣關(guān)（Kv為負）形式，為負）形式，副對象的放大倍數(shù)副對象的放大倍數(shù)Kp2 ，決定副控制器的正反作用方式；，決定副控制器的正反作用方式；2） 主控制器的正反作用主要取決于廣義對象的放大倍主

18、控制器的正反作用主要取決于廣義對象的放大倍數(shù)數(shù)Kp2 Kp1 Ks1 ，由于，由于Kp2 Ks1通常總為正值，因此實際通?？倿檎?，因此實際取決于主對象的放大倍數(shù)取決于主對象的放大倍數(shù)Kp1 。4 4 、串級系統(tǒng)的投運與參數(shù)整定、串級系統(tǒng)的投運與參數(shù)整定兩步整定法l先斷開主回路，按單回路方式整定副調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)。l在主調(diào)節(jié)器為“手動”、副回路閉環(huán)的情況下，測試得到主回路廣義對象的動態(tài)特性與相應(yīng)特征參數(shù)。l采用單回路調(diào)節(jié)參數(shù)的工程整定法（如Z-N準則），確定主回路的PID參數(shù)。舉例：舉例： 石油工業(yè)中的管式加熱爐的主要任務(wù)是把原油或重油加石油工業(yè)中的管式加熱爐的主要任務(wù)是把原油或重油加熱到一

19、定溫度，以保證下道工序的順利進行，其工藝流程如熱到一定溫度，以保證下道工序的順利進行，其工藝流程如圖所示。被加熱的原料油流過爐膛四周的排管后，被加熱到圖所示。被加熱的原料油流過爐膛四周的排管后，被加熱到出口溫度出口溫度T T，工藝上要求油料出口溫度穩(wěn)定，試分別制定單回，工藝上要求油料出口溫度穩(wěn)定，試分別制定單回路和串級控制方案。（這里，燃料油的流入量為主要擾動）路和串級控制方案。（這里，燃料油的流入量為主要擾動）燃料油流入量燃料油流入量原油出口溫度原油出口溫度燃料油流入量燃料油流入量原油出口溫度原油出口溫度副控：正作用，副控：正作用，P P或或PIPI主控：反作用，主控：反作用，PIPI或或P

20、IDPID6.2 前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng) 串級控制的基本思想是：串級控制的基本思想是：如果擾動發(fā)生后，其首先影響到如果擾動發(fā)生后，其首先影響到的是過程中間變量，如果可以通過檢測中間變量感知擾動的發(fā)的是過程中間變量，如果可以通過檢測中間變量感知擾動的發(fā)生，并及時做出補償，那么整個閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)就會更加及時。生，并及時做出補償，那么整個閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)就會更加及時。 如果負荷擾動本身就可以直接測量如果負荷擾動本身就可以直接測量 ，我，我們是否有可能在負荷擾動剛一出現(xiàn)就及時做出們是否有可能在負荷擾動剛一出現(xiàn)就及時做出補償？補償？答案是肯定的，這就是前饋控制。答案是肯定的，這就是前饋控制。 采用前饋控

21、制方案，在很多情況下可以極大的減輕反饋控采用前饋控制方案，在很多情況下可以極大的減輕反饋控制的負擔(dān)。制的負擔(dān)。 一些由于本性難控而不能控制得很好的過程，對各一些由于本性難控而不能控制得很好的過程，對各種負荷變化所引起的擾動是很敏感的，種負荷變化所引起的擾動是很敏感的， 反饋控制并不能取得很反饋控制并不能取得很好得控制效果，因為單純的反饋控制存在以下局限性：好得控制效果，因為單純的反饋控制存在以下局限性： 反饋控制的本質(zhì)是反饋控制的本質(zhì)是“基于偏差的控制基于偏差的控制”。著意味著必須首。著意味著必須首先存在一個可以檢測出來的偏差，才有可能產(chǎn)生一個恢復(fù)先存在一個可以檢測出來的偏差，才有可能產(chǎn)生一個

22、恢復(fù)力，因此反饋控制是一種力，因此反饋控制是一種“不及時不及時”的控制，不可能獲得的控制，不可能獲得“完美完美”的控制。的控制。 反饋控制是基于反饋控制是基于“試湊法試湊法”來進行控制的，即對于任意擾來進行控制的，即對于任意擾動輸入，調(diào)節(jié)器并不知道其輸出值最終應(yīng)該取多大，而是動輸入，調(diào)節(jié)器并不知道其輸出值最終應(yīng)該取多大，而是不停的改變其輸出，直到測量值與給定值達到一致，自動不停的改變其輸出，直到測量值與給定值達到一致，自動“摸索摸索”出合適的數(shù)值為止，這正是反饋回路出現(xiàn)振蕩的出合適的數(shù)值為止，這正是反饋回路出現(xiàn)振蕩的原因。原因。 任何反饋回路，都有一個自然頻率，假如加入擾動頻繁，并且其間隔小于

23、三個自然振蕩周期，那么回路就很難達到穩(wěn)定狀態(tài)，這就類似于串級控制的“共振”現(xiàn)象。 反饋控制系統(tǒng)，因構(gòu)成閉環(huán)構(gòu)成閉環(huán)，故而存在一個穩(wěn)定性問題存在一個穩(wěn)定性問題。即使組成閉環(huán)系統(tǒng)的每個環(huán)節(jié)都是穩(wěn)定的，閉環(huán)后是否穩(wěn)定，仍然需要作進一步的分析。 前饋控制則不然，它是前饋控制則不然，它是 “基于擾動的控制基于擾動的控制”，這種控制方法，這種控制方法是要把影響過程的主要擾動因素測量出來，連同設(shè)定值一起，是要把影響過程的主要擾動因素測量出來，連同設(shè)定值一起，用來計算正確的輸出，以適當(dāng)當(dāng)前的狀態(tài)。無論擾動何時出現(xiàn)，用來計算正確的輸出，以適當(dāng)當(dāng)前的狀態(tài)。無論擾動何時出現(xiàn)，都立即開始校正，使擾動在影響到被調(diào)量之前

24、就被抵消掉。都立即開始校正，使擾動在影響到被調(diào)量之前就被抵消掉。6.2.1 前饋控制的基本結(jié)構(gòu)與工前饋控制的基本結(jié)構(gòu)與工作原理作原理 前饋控制的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。前饋控制的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。前饋控制的特點：前饋控制的特點： u 相對于串級控制，這里是在擾動還未影響輸出以前，更更及時及時地調(diào)整操作變量，以使輸出不受或少受外部擾動的影響。u前饋控制系統(tǒng)的主要特點是信息的向前流動信息的向前流動，而且系統(tǒng)沒有利用被調(diào)量，因為如果利用了被調(diào)量就相當(dāng)于構(gòu)成了閉環(huán)反饋。 u前饋控制器正是利用已知的給定值去改變調(diào)節(jié)量，同時測量擾動并對其做出補償，以使被調(diào)量達到設(shè)定值。 u單純從擾動補償?shù)慕嵌葋砜矗谏鲜銮梆伩?/p>

25、制系統(tǒng)中，從擾動作用點（負荷分量的變化）到被調(diào)量之間實際上存在著兩條平行的通道，即過程干擾通道過程干擾通道以及前饋補償通道前饋補償通道；如果這兩個通道對輸出影響的大小相同，而作用方向相反，則系統(tǒng)輸出量完全不受擾動的影響，即實現(xiàn)了不變性，這就是所謂實現(xiàn)不變實現(xiàn)不變性的雙通道原理性的雙通道原理。下面以換熱器溫度控制系統(tǒng)為例，說明前饋控制的基本原理。下面以換熱器溫度控制系統(tǒng)為例，說明前饋控制的基本原理。 圖中加熱蒸汽通過換熱器中的排管的外面，把熱量傳給圖中加熱蒸汽通過換熱器中的排管的外面，把熱量傳給排管內(nèi)流過的被加熱介質(zhì)，介質(zhì)的出口溫度排管內(nèi)流過的被加熱介質(zhì)，介質(zhì)的出口溫度T用蒸汽管上的用蒸汽管上的

26、調(diào)節(jié)閥來進行調(diào)節(jié)。引起溫度改變的擾動量很多，主要擾動調(diào)節(jié)閥來進行調(diào)節(jié)。引起溫度改變的擾動量很多，主要擾動是來自上一道工序的被加熱介質(zhì)的流量是來自上一道工序的被加熱介質(zhì)的流量q。 如果采用單回路調(diào)節(jié)，如圖所示。如果采用單回路調(diào)節(jié)，如圖所示。 當(dāng)發(fā)生負荷擾動的時候，出口溫度就會當(dāng)發(fā)生負荷擾動的時候，出口溫度就會有偏差，通過溫度控制器改變蒸汽的流量，有偏差，通過溫度控制器改變蒸汽的流量，此后，又要經(jīng)過熱交換過程的慣性，才會此后，又要經(jīng)過熱交換過程的慣性，才會使出口溫度變化而反映出調(diào)節(jié)效果，這就使出口溫度變化而反映出調(diào)節(jié)效果，這就使得出口溫度產(chǎn)生較大的動態(tài)偏差。使得出口溫度產(chǎn)生較大的動態(tài)偏差。 如果根

27、據(jù)負荷流量的測量信號來控如果根據(jù)負荷流量的測量信號來控制調(diào)節(jié)閥，如右圖所示的前饋控制，當(dāng)制調(diào)節(jié)閥，如右圖所示的前饋控制，當(dāng)負荷擾動產(chǎn)生后，就不必等到流量變化負荷擾動產(chǎn)生后，就不必等到流量變化引起出口溫度變化以后再去控制，而是引起出口溫度變化以后再去控制，而是可以直接根據(jù)負荷流量的變化計算出需可以直接根據(jù)負荷流量的變化計算出需要補償?shù)恼羝髁?，立即對調(diào)節(jié)閥進行要補償?shù)恼羝髁浚⒓磳φ{(diào)節(jié)閥進行控制?？刂啤?.2.2 前饋控制器的設(shè)計及其性前饋控制器的設(shè)計及其性能分析能分析 假設(shè)被控過程干擾通道與調(diào)節(jié)通道如圖所示，假設(shè)被控過程干擾通道與調(diào)節(jié)通道如圖所示， 某一特定擾動變量某一特定擾動變量 d2 持

28、續(xù)存在，持續(xù)存在，并且對系統(tǒng)影響較大，如果我們發(fā)現(xiàn)并且對系統(tǒng)影響較大，如果我們發(fā)現(xiàn) d2 滿足如下條件：滿足如下條件： 該擾動變量可以可靠地測量；該擾動變量可以可靠地測量； 不受過程輸入變量的影響（即不構(gòu)成閉環(huán)不受過程輸入變量的影響（即不構(gòu)成閉環(huán)反饋）；反饋）； 此干擾通道與調(diào)節(jié)通道的動態(tài)特性相近此干擾通道與調(diào)節(jié)通道的動態(tài)特性相近 則可以在控制方框圖中引入前饋控制，其中包括插入一檢測擾動變量的傳感器傳感器，改變操作變量通常采用的執(zhí)行器執(zhí)行器，以及一個新的前饋控制器前饋控制器用來調(diào)節(jié)閥的開度，如圖所示。 上式中，增益Kff代表干擾通道與調(diào)節(jié)通道中過程穩(wěn)態(tài) 增益的比值，超前時間常數(shù)Tlead、滯后

29、時間常數(shù)Tlag則分別代表調(diào)節(jié)通道與干擾通道內(nèi)對象的等效時間常數(shù)，ff則為干擾通道與調(diào)節(jié)通道純滯后時間之差。這四個參數(shù)可以象PID控制器參數(shù)那樣，進行現(xiàn)場調(diào)整，使取得被控變量對于擾動的良好響應(yīng)特性。 四個參數(shù)當(dāng)中，增益的作用是放大補償器的響應(yīng)輸出，純滯后時間常數(shù)則是延遲控制器的響應(yīng)，當(dāng)擾動通道純滯后比調(diào)節(jié)通道過程純滯后大時，使補償器不會過早地影響受控變量。然而，如果情況相反，即擾動通道純滯后小，則理想的控制要求負的，這意味著前饋控制器要能夠預(yù)測未來擾動的發(fā)生，提前動作。 超前、滯后參數(shù)可對控制器的動態(tài)響應(yīng)進行整形。例如，如果TlagTlead，則控制器輸出隨時間單調(diào)增長，當(dāng)干擾通道內(nèi)擾動比調(diào)節(jié)

30、通道內(nèi)調(diào)節(jié)變量行進得慢的情況下有必要這樣設(shè)置；如果情況相反，則需要一開始就提供更加劇烈的調(diào)節(jié)器動作，以彌補響應(yīng)速率上的不足，此時需要設(shè)置Tlead Tlag。 實際上可以采用前饋控制的大部分過程，其擾動通道和調(diào)節(jié)實際上可以采用前饋控制的大部分過程，其擾動通道和調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)在性質(zhì)上和數(shù)量上都是相近的。雖然在兩者中通道的傳遞函數(shù)在性質(zhì)上和數(shù)量上都是相近的。雖然在兩者中還可能碰到純延遲，但是它們的數(shù)值一般也比較接近。所以在還可能碰到純延遲，但是它們的數(shù)值一般也比較接近。所以在大多數(shù)情況下，只需要考慮主要的慣性環(huán)節(jié)，也就是實現(xiàn)部分大多數(shù)情況下，只需要考慮主要的慣性環(huán)節(jié)，也就是實現(xiàn)部分補償，而上述

31、簡單的超前補償，而上述簡單的超前-滯后裝置作為動態(tài)補償器也就能夠滿滯后裝置作為動態(tài)補償器也就能夠滿足要求了。足要求了。 單純的前饋控制在實際應(yīng)用過程中還是存單純的前饋控制在實際應(yīng)用過程中還是存在著一定的局限性在著一定的局限性 ，包括：，包括： 前饋控制屬開環(huán)控制方式前饋控制屬開環(huán)控制方式 在開環(huán)控制下被控量的偏差沒有進行檢驗。在前面所討在開環(huán)控制下被控量的偏差沒有進行檢驗。在前面所討論的換熱器溫度前饋控制的例子中，被控溫度是不存在反饋論的換熱器溫度前饋控制的例子中，被控溫度是不存在反饋的，因此，如果前饋控制效果不佳，或其它擾動出現(xiàn)，被控的，因此，如果前饋控制效果不佳，或其它擾動出現(xiàn)，被控溫度將

32、偏離給定值溫度將偏離給定值，由于前饋系統(tǒng)無法獲得這一偏差信息而由于前饋系統(tǒng)無法獲得這一偏差信息而不能做進一步的校正。故單純的前饋控制方案一般不宜采用。不能做進一步的校正。故單純的前饋控制方案一般不宜采用。 完全補償難以滿足完全補償難以滿足 前饋控制只有在實現(xiàn)完全補償?shù)那疤嵯?，才能使得系統(tǒng)前饋控制只有在實現(xiàn)完全補償?shù)那疤嵯?，才能使得系統(tǒng)得到良好的動態(tài)品質(zhì)。但完全補償幾乎是難以做到的，因得到良好的動態(tài)品質(zhì)。但完全補償幾乎是難以做到的，因為：為：a) a) 要準確地掌握過程擾動通道特性及控制通道特性是不容要準確地掌握過程擾動通道特性及控制通道特性是不容易的，故而前饋控制器模型難以準確；且被控對象常含

33、有易的，故而前饋控制器模型難以準確；且被控對象常含有非線性特性，在不同的運行工況下其動態(tài)特性參數(shù)將產(chǎn)生非線性特性，在不同的運行工況下其動態(tài)特性參數(shù)將產(chǎn)生明顯的變化，原有的前饋模型此時就不能適應(yīng)了，因此無明顯的變化，原有的前饋模型此時就不能適應(yīng)了，因此無法實現(xiàn)動態(tài)上的完全補償。法實現(xiàn)動態(tài)上的完全補償。b) b) 即使前饋模型能準確求出有時工程上也難以實現(xiàn)。即使前饋模型能準確求出有時工程上也難以實現(xiàn)。 c c) ) 實際的生產(chǎn)過程中，往往同時存在著若干個擾動實際的生產(chǎn)過程中，往往同時存在著若干個擾動, ,如上述如上述換熱器溫度系統(tǒng)中，物料流量、物料入口溫度、蒸汽壓換熱器溫度系統(tǒng)中，物料流量、物料入

34、口溫度、蒸汽壓力等的變化均將引起出口溫度的變化。如果要對一種擾力等的變化均將引起出口溫度的變化。如果要對一種擾動都實行前饋控制，就是對每一個擾動至少使用一套測動都實行前饋控制，就是對每一個擾動至少使用一套測量變送儀表和一個前饋控制器，這將會使控制系統(tǒng)龐大量變送儀表和一個前饋控制器，這將會使控制系統(tǒng)龐大且復(fù)雜，從而將增加大量自動化設(shè)備的投資；且復(fù)雜，從而將增加大量自動化設(shè)備的投資； d）另外，尚有一些擾動量至今無法對其實現(xiàn)在線測量）另外，尚有一些擾動量至今無法對其實現(xiàn)在線測量，而而若僅對某些可測擾動進行前饋控制，則無法消除其它擾若僅對某些可測擾動進行前饋控制，則無法消除其它擾動對被控參數(shù)的影響。

35、這些因素均限制了前饋控制的應(yīng)動對被控參數(shù)的影響。這些因素均限制了前饋控制的應(yīng)用范圍用范圍。6.2.3 復(fù)合控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng) 自動控制的核心是反饋控制，自動控制的核心是反饋控制，反饋控制的最反饋控制的最大優(yōu)點之一就是對引起被控變量偏差給定值的大優(yōu)點之一就是對引起被控變量偏差給定值的所有擾動均有校正作用所有擾動均有校正作用；同時，反饋控制系統(tǒng)；同時，反饋控制系統(tǒng)相對于前饋控制來說，調(diào)節(jié)規(guī)律通常比較簡單。相對于前饋控制來說，調(diào)節(jié)規(guī)律通常比較簡單。在考慮到前饋控制所具有的局限性，促使我們在考慮到前饋控制所具有的局限性，促使我們考慮，在前饋控制的基礎(chǔ)上可針對最終被控變考慮，在前饋控制的基礎(chǔ)上可針對最

36、終被控變量再引入反饋結(jié)構(gòu)，形成所謂量再引入反饋結(jié)構(gòu)，形成所謂“前饋前饋- -反饋反饋”復(fù)復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 前饋前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出為：復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出為：( )( )( )( )( )1( )( )( )( )pvcspvcGs G s G sY sR sG s Gs G s G s11( )( )1( )( )( )( )dspvcGsD sG s Gs G s G s22( )( )( )( )( )( )1( )( )( )( )dvpffsfspvcGsG s Gs Gs GsD sG s Gs G

37、s G s 如果要實現(xiàn)針對擾動如果要實現(xiàn)針對擾動d2的完全補償或者稱完全不變的完全補償或者稱完全不變性，則要求第二項為零，也就是：性，則要求第二項為零，也就是：22( )( )( )( )( )( )01( )( )( )( )dvpffsfspvcGsG s Gs Gs GsD sG s Gs G s G s即：即：2( )( )( )( )( )dffvpsfGsGsG s Gs Gs復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)的幾點結(jié)論：復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)的幾點結(jié)論：（1）反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件并不因為引入前饋環(huán)節(jié)而）反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件并不因為引入前饋環(huán)節(jié)而有所改變；有所改變；（2）復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)與開環(huán)的前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)具

38、有同一前饋補）復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)與開環(huán)的前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有同一前饋補償調(diào)節(jié)算法，并不因為引入基于偏差的反饋控制而有所改變；償調(diào)節(jié)算法，并不因為引入基于偏差的反饋控制而有所改變；（3）前饋擾動針對被控變量的影響由于反饋的引入而大大）前饋擾動針對被控變量的影響由于反饋的引入而大大減弱。減弱。（4）針對其他擾動，由于沒有引入前饋補償通道，因此不可）針對其他擾動，由于沒有引入前饋補償通道，因此不可能實現(xiàn)完全補償，但是由于引入了反饋控制，當(dāng)采用積分調(diào)能實現(xiàn)完全補償，但是由于引入了反饋控制，當(dāng)采用積分調(diào)節(jié)規(guī)律的時候，還是可以實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)不變性。節(jié)規(guī)律的時候，還是可以實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)不變性。 在實際應(yīng)用中，可以選擇對象中主要的

39、一些可測擾動作在實際應(yīng)用中，可以選擇對象中主要的一些可測擾動作為前饋信號引入前饋控制，對其他引起被調(diào)參數(shù)變化的各種干為前饋信號引入前饋控制，對其他引起被調(diào)參數(shù)變化的各種干擾則采用反饋調(diào)節(jié)，充分利用前饋和反饋這兩種控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)擾則采用反饋調(diào)節(jié)，充分利用前饋和反饋這兩種控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，使調(diào)節(jié)質(zhì)量進一步提高。點，使調(diào)節(jié)質(zhì)量進一步提高。 關(guān)于復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定，顯然，反饋控制器關(guān)于復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定，顯然，反饋控制器Gc與與前饋控制器前饋控制器Gff都要依據(jù)被控過程的特性進行參數(shù)整定，反饋控都要依據(jù)被控過程的特性進行參數(shù)整定，反饋控制器需要有關(guān)制器需要有關(guān)Gm的知識，而前饋控制器則需要同時了解

40、的知識，而前饋控制器則需要同時了解Gm 和和Gd2的屬性，在前饋控制器建立好了之后，則主要依據(jù)設(shè)定值的屬性，在前饋控制器建立好了之后，則主要依據(jù)設(shè)定值r及擾動量及擾動量d2的響應(yīng)特性進行控制器的響應(yīng)特性進行控制器Gc的參數(shù)調(diào)整。的參數(shù)調(diào)整。舉例：舉例： 石油工業(yè)中的管式加熱爐的主要任務(wù)是把原油或重油加石油工業(yè)中的管式加熱爐的主要任務(wù)是把原油或重油加熱到一定溫度，以保證下道工序的順利進行，其工藝流程如熱到一定溫度，以保證下道工序的順利進行，其工藝流程如圖所示。被加熱的原料油流過爐膛四周的排管后，被加熱到圖所示。被加熱的原料油流過爐膛四周的排管后，被加熱到出口溫度出口溫度T T，工藝上要求油料出口

41、溫度穩(wěn)定，試，工藝上要求油料出口溫度穩(wěn)定，試 制串級前饋制串級前饋控制方案。（這里，源糧油和燃料油的流入量為主要擾動）控制方案。（這里，源糧油和燃料油的流入量為主要擾動）擾動量：擾動量：燃料油波動、原油波動燃料油波動、原油波動TC(TC(主控主控) )：反作用，：反作用， PID PID FF( FF(前饋前饋) )： G Gff ff控制器：控制器：FC(FC(副控副控) )：正作用，：正作用， P P 或或PIPI 燃燒爐的前饋串級復(fù)合調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)燃燒爐的前饋串級復(fù)合調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示：的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示：6.4 選擇控制系統(tǒng)選擇控制系統(tǒng) 通常的自動控制系統(tǒng)是在正常情況下，為保

42、證工藝過程通常的自動控制系統(tǒng)是在正常情況下，為保證工藝過程的物料平衡、能量平衡或保護產(chǎn)品質(zhì)量而設(shè)計的。但是，在故的物料平衡、能量平衡或保護產(chǎn)品質(zhì)量而設(shè)計的。但是，在故障狀態(tài)下的安全生產(chǎn)問題，即當(dāng)操作條件到達安全極限時的安障狀態(tài)下的安全生產(chǎn)問題，即當(dāng)操作條件到達安全極限時的安全保護措施也應(yīng)引起足夠的重視。全保護措施也應(yīng)引起足夠的重視。這其中，用于設(shè)備軟保護的這其中，用于設(shè)備軟保護的一類選擇控制器，又稱為一類選擇控制器，又稱為“超馳控制超馳控制”系統(tǒng)應(yīng)用較為普遍，并系統(tǒng)應(yīng)用較為普遍，并且具有一定的共性且具有一定的共性。在本節(jié)中重點予以介紹。在本節(jié)中重點予以介紹。6.4.1 選擇性控制系統(tǒng)的基本概念

43、選擇性控制系統(tǒng)的基本概念 一般的說，凡是在控制回路中引入選擇器的系統(tǒng)都可稱為一般的說，凡是在控制回路中引入選擇器的系統(tǒng)都可稱為選擇性控制系統(tǒng)。隨著自動控制技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用計算機邏輯選擇性控制系統(tǒng)。隨著自動控制技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用計算機邏輯控制算法進行選擇性控制十分方便。這其中，最為常見的是超控制算法進行選擇性控制十分方便。這其中，最為常見的是超馳控制，它也屬于極限控制一類，是從生產(chǎn)安全角度提出來的，馳控制，它也屬于極限控制一類，是從生產(chǎn)安全角度提出來的，廣泛應(yīng)用于包括大型透平壓縮機的防噴振，化學(xué)反應(yīng)器的安全廣泛應(yīng)用于包括大型透平壓縮機的防噴振，化學(xué)反應(yīng)器的安全操作等工業(yè)生產(chǎn)過程中。操作等工業(yè)生產(chǎn)過

44、程中。 極限控制的特點是：極限控制的特點是：在正常工況下，該參數(shù)不會超限，在正常工況下，該參數(shù)不會超限，所以也不考慮對它進行直接（極限）控制；而在非正常工況下，所以也不考慮對它進行直接（極限）控制；而在非正常工況下，該參數(shù)會達到極限值，這時就要求采取強有力的手段，避免超該參數(shù)會達到極限值，這時就要求采取強有力的手段，避免超限。限。 具體采取的措施包括以下兩類：具體采取的措施包括以下兩類： （1）硬保護。）硬保護。當(dāng)參數(shù)達到第一極限時報警，提示操作工當(dāng)參數(shù)達到第一極限時報警，提示操作工設(shè)法排除故障；若沒有及時排除故障，參數(shù)值會達到更嚴重設(shè)法排除故障；若沒有及時排除故障，參數(shù)值會達到更嚴重的第二極

45、限，此時需要經(jīng)連鎖裝置動作，自動停車。的第二極限，此時需要經(jīng)連鎖裝置動作，自動停車。 （2）軟保護。）軟保護。當(dāng)參數(shù)達到極限時報警，并設(shè)法排除故障。當(dāng)參數(shù)達到極限時報警，并設(shè)法排除故障。但同時，改變操作方式，按使該參數(shù)脫離極限值為主要控制但同時，改變操作方式，按使該參數(shù)脫離極限值為主要控制目標進行控制，以防該參數(shù)進一步超限。這種操作方式會使目標進行控制，以防該參數(shù)進一步超限。這種操作方式會使原有控制質(zhì)量暫時降低，但能夠維持生產(chǎn)的繼續(xù)運轉(zhuǎn)，避免原有控制質(zhì)量暫時降低，但能夠維持生產(chǎn)的繼續(xù)運轉(zhuǎn)，避免了停車。了停車。 由于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的復(fù)雜性與快速性，操作人員處理事由于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的復(fù)雜性與快速性，操

46、作人員處理事故的速度往往滿足不了需要，而且處理過程容易出錯；而自動故的速度往往滿足不了需要，而且處理過程容易出錯；而自動連鎖停機的辦法又往往造成頻繁的設(shè)備停機，嚴重時甚至造成連鎖停機的辦法又往往造成頻繁的設(shè)備停機，嚴重時甚至造成無法開車。所以，一些高度集中控制的大型工廠中，僅僅依靠無法開車。所以，一些高度集中控制的大型工廠中，僅僅依靠硬保護措施滿足不了生產(chǎn)需要。硬保護措施滿足不了生產(chǎn)需要。 而超馳控制屬于軟保護措施，而超馳控制屬于軟保護措施，它是把由工藝生產(chǎn)過程的它是把由工藝生產(chǎn)過程的限制條件所構(gòu)成的邏輯關(guān)系疊加到正常自動控制系統(tǒng)上去的一限制條件所構(gòu)成的邏輯關(guān)系疊加到正常自動控制系統(tǒng)上去的一種

47、控制方法種控制方法。當(dāng)生產(chǎn)操作趨向于極限條件時，通過選擇器，一當(dāng)生產(chǎn)操作趨向于極限條件時，通過選擇器，一個用于控制不安全情況的備用控制系統(tǒng)自動取代正常工況下的個用于控制不安全情況的備用控制系統(tǒng)自動取代正常工況下的控制系統(tǒng)，待工況脫離極限條件回到正常工況后，備用的控制控制系統(tǒng)，待工況脫離極限條件回到正常工況后，備用的控制系統(tǒng)又通過選擇器自動脫離，正常工況下的控制系統(tǒng)又重新自系統(tǒng)又通過選擇器自動脫離，正常工況下的控制系統(tǒng)又重新自動投入運行動投入運行。6.4.2 選擇性控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇性控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理與工作原理 下面以液氨蒸發(fā)器溫度控制系統(tǒng)為例，來說明選擇性控制下面以液氨蒸發(fā)器溫度控制系

48、統(tǒng)為例，來說明選擇性控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理。 液氨蒸發(fā)器是一個換熱設(shè)備，液氨蒸發(fā)器是一個換熱設(shè)備，在工業(yè)上應(yīng)用極為廣泛。它是利用液在工業(yè)上應(yīng)用極為廣泛。它是利用液氨的汽化需要吸收大量熱量，以此來氨的汽化需要吸收大量熱量，以此來冷卻流經(jīng)管內(nèi)的被冷物料。在生產(chǎn)上，冷卻流經(jīng)管內(nèi)的被冷物料。在生產(chǎn)上，往往要求被冷物料的出口溫度恒定。往往要求被冷物料的出口溫度恒定。被控變量被控變量調(diào)節(jié)量調(diào)節(jié)量 典型的單回路控制如右圖所示典型的單回路控制如右圖所示，這一控制方案用的是改變傳熱面積來這一控制方案用的是改變傳熱面積來調(diào)節(jié)傳熱量的方法。因液位高度會影調(diào)節(jié)傳熱量的方法。因液位高度會影響熱交

49、換器的浸潤傳熱面積，因此，響熱交換器的浸潤傳熱面積，因此，液位高度間接反映了傳熱面積的變化液位高度間接反映了傳熱面積的變化情況。情況。 由此可見，液氨蒸發(fā)器實質(zhì)上是一由此可見，液氨蒸發(fā)器實質(zhì)上是一個單輸入（液氨流量）個單輸入（液氨流量）兩輸出（溫度和液位）系統(tǒng)兩輸出（溫度和液位）系統(tǒng)。液氨流量即會影響溫度，又會影。液氨流量即會影響溫度，又會影響液位，溫度和液位有一個粗略的對應(yīng)性。通過工藝的合理性響液位，溫度和液位有一個粗略的對應(yīng)性。通過工藝的合理性設(shè)計，在正常工況下當(dāng)溫度得到控制后，液位也應(yīng)該在一定允設(shè)計，在正常工況下當(dāng)溫度得到控制后，液位也應(yīng)該在一定允許區(qū)間內(nèi)。許區(qū)間內(nèi)。LS 超限現(xiàn)象總是因

50、為出現(xiàn)了非正常工況的緣故超限現(xiàn)象總是因為出現(xiàn)了非正常工況的緣故。在這里，。在這里，不不妨假設(shè)有雜質(zhì)油漏入被冷物料管線，使傳熱系數(shù)猛降，為了取妨假設(shè)有雜質(zhì)油漏入被冷物料管線，使傳熱系數(shù)猛降，為了取走同樣的熱量，就要大大增加傳熱面積，但當(dāng)液位浸沒了換熱走同樣的熱量，就要大大增加傳熱面積，但當(dāng)液位浸沒了換熱器的所有列管時，傳熱面積的增加已達極限，如果繼續(xù)增加氨器的所有列管時，傳熱面積的增加已達極限，如果繼續(xù)增加氨蒸發(fā)器內(nèi)液氨量，并不會提高傳熱量蒸發(fā)器內(nèi)液氨量，并不會提高傳熱量。但是液位的繼續(xù)升高，。但是液位的繼續(xù)升高，卻可能帶來生產(chǎn)事故，這是因為汽化的氨是要回收重復(fù)使用的，卻可能帶來生產(chǎn)事故，這是因

51、為汽化的氨是要回收重復(fù)使用的，氨氣將進入壓縮機入口，若氨氣帶液，液滴會損壞壓縮機葉片，氨氣將進入壓縮機入口，若氨氣帶液，液滴會損壞壓縮機葉片，因而液氨蒸發(fā)器上部必須有足夠的汽化空間，以保證良好的汽因而液氨蒸發(fā)器上部必須有足夠的汽化空間，以保證良好的汽化條件，為了保持足夠的汽化空間，就要限制液氨液位不得高化條件，為了保持足夠的汽化空間，就要限制液氨液位不得高于某一最高限值，為此，在原有溫度控制基礎(chǔ)上，增加一個防于某一最高限值，為此，在原有溫度控制基礎(chǔ)上，增加一個防液位超限的控制系統(tǒng)。液位超限的控制系統(tǒng)。 實現(xiàn)上述功能的超限控制方案，實現(xiàn)上述功能的超限控制方案，如右圖所示。它有兩臺控制器，通過如右

52、圖所示。它有兩臺控制器，通過選擇器對兩個輸出信號的選擇來實現(xiàn)選擇器對兩個輸出信號的選擇來實現(xiàn)對控制閥的兩種控制方式。對控制閥的兩種控制方式。 （1 1）在正常工況下，應(yīng)選溫度控）在正常工況下，應(yīng)選溫度控制器輸出信號；制器輸出信號； （2 2）當(dāng)液位達到極限時，應(yīng)選擇）當(dāng)液位達到極限時，應(yīng)選擇液位控制器輸出信號；液位控制器輸出信號； 這種控制方式，習(xí)慣上稱為這種控制方式，習(xí)慣上稱為“超馳控制超馳控制”，也有人稱為，也有人稱為“取代控制取代控制”，由于系統(tǒng)中具有選擇器，所以又歸為，由于系統(tǒng)中具有選擇器，所以又歸為“選擇性選擇性控制控制”。6.4.3 選擇性控制系統(tǒng)的設(shè)計選擇性控制系統(tǒng)的設(shè)計 選擇性

53、控制系統(tǒng)的設(shè)計包括選擇器的類型，調(diào)節(jié)器控制選擇性控制系統(tǒng)的設(shè)計包括選擇器的類型，調(diào)節(jié)器控制規(guī)律以及正反作用方式，調(diào)節(jié)閥氣開氣閉形式，系統(tǒng)參數(shù)整定規(guī)律以及正反作用方式，調(diào)節(jié)閥氣開氣閉形式，系統(tǒng)參數(shù)整定等內(nèi)容。等內(nèi)容。 超馳控制系統(tǒng)設(shè)計選擇器的類型，是指選用低值選擇器，超馳控制系統(tǒng)設(shè)計選擇器的類型，是指選用低值選擇器，還是高值選擇器還是高值選擇器。低值選擇器常用低值選擇器常用“LS”或者或者“”表示。確定選擇器類型的前提表示。確定選擇器類型的前提是預(yù)先確定控制閥的氣開、氣關(guān)性質(zhì)以及控制器的正反作用方是預(yù)先確定控制閥的氣開、氣關(guān)性質(zhì)以及控制器的正反作用方式，式， 以液氨蒸發(fā)器的控制以液氨蒸發(fā)器的控制

54、為例，當(dāng)起源中斷時，為使為例，當(dāng)起源中斷時，為使氨蒸發(fā)器的液位不致因過高氨蒸發(fā)器的液位不致因過高而滿溢，而滿溢， 則：則：氣開閥氣開閥正作用正作用反作用反作用 選擇器的性質(zhì)之取決于起超馳作用的這只控制器，選擇器的性質(zhì)之取決于起超馳作用的這只控制器，即液位控制器，由于液位控制器為反作用，當(dāng)液位測量即液位控制器，由于液位控制器為反作用，當(dāng)液位測量值超過設(shè)定值時，控制器輸出信號會減少，該信號減小值超過設(shè)定值時，控制器輸出信號會減少，該信號減小后，要求被選擇器選中，以便及時減小流量，因此，該后，要求被選擇器選中，以便及時減小流量，因此，該選擇器為低值選擇器。選擇器為低值選擇器。 溫度溫度-液位選擇控制

55、器系統(tǒng)框圖如圖所示：液位選擇控制器系統(tǒng)框圖如圖所示： 另外，需要指出，另外，需要指出，在超馳控制系統(tǒng)中，總有一臺控制器在超馳控制系統(tǒng)中，總有一臺控制器處于開環(huán)狀態(tài)，而處于開環(huán)狀態(tài)的控制器只要具有積分作用，處于開環(huán)狀態(tài)，而處于開環(huán)狀態(tài)的控制器只要具有積分作用，都會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象都會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象。這是由于長時間存在偏差，會使調(diào)節(jié)這是由于長時間存在偏差，會使調(diào)節(jié)器的輸出達到最大或者最小極限值的緣故。積分飽和現(xiàn)象會使器的輸出達到最大或者最小極限值的緣故。積分飽和現(xiàn)象會使調(diào)節(jié)器不能及時反向動作而暫時喪失控制功能，必須經(jīng)過一段調(diào)節(jié)器不能及時反向動作而暫時喪失控制功能，必須經(jīng)過一段時間后才能恢復(fù)控制功

56、能時間后才能恢復(fù)控制功能。這將給安全生產(chǎn)帶來嚴重影響。這將給安全生產(chǎn)帶來嚴重影響。 為此，我們可將選擇器的實際輸出信號反饋到控制器內(nèi)，為此，我們可將選擇器的實際輸出信號反饋到控制器內(nèi)，圍繞其積分器進行相應(yīng)的抗積分飽和處理，如圖所示：圍繞其積分器進行相應(yīng)的抗積分飽和處理，如圖所示： 下面再以原料加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)為例，說明選擇控下面再以原料加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)為例，說明選擇控制的應(yīng)用，同時介紹加熱爐安全聯(lián)鎖保護系統(tǒng)，以此進一步說制的應(yīng)用，同時介紹加熱爐安全聯(lián)鎖保護系統(tǒng)，以此進一步說明軟硬保護措施在實際工業(yè)中的應(yīng)用。明軟硬保護措施在實際工業(yè)中的應(yīng)用。 在以燃料氣為燃料的加熱爐中，在以燃料氣為燃料的加熱爐中，出口