5 选择性控制
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4 5选择性控制解析
4-5-2 选择性控制系统的设计原则
例：氨冷却器出口温度与液 氨液位选择性控制系统
控制阀：气开
LC：反作用 TC：正作用
物料 气氨
LC
液氨
TC 选择器
+
WmT(S)
WTC(S)
+
+L - T
- LS WV(S) WOL(S)
WOT(S)
WLC(S)
WmL(S)
4-5-2 选择性控制系统的设计原则
1.硬保护
参数达到第一极限时报警 →设法排除故障 →若没有及时排除故障， 参数值会达到更严重的第二极限，经连锁装置动作，自动停车。达 到保护生产的目的。
2.软保护
参数达到第一极限时报警 →设法排除故障 →在这同时，改变 操作方式，按使该参数脱离极限值为主要控制目标进行控制， 以防该参数进一步超限。这种操作方式一般会使原有的控制质 量降低，但能维持生产的继续运转，避免了停车。
? 要构成选择性控制，生产操作必须有一定选择性逻辑 关系。而选择性控制的实现则需要具有选择功能的自 动选择器(高值选择器和低值选择器)或有关切换装置来 完成。
4-5-1选择性控制系统的类型
1. 选择器位于调节器之后，对调节器输出信号进行选择的系统
例如：蒸汽压力与燃料气压力的选择性控制系统 大型合成氨工厂中，蒸汽锅炉是一个很重要的动力设 备，它直接担负着向全厂提供蒸汽的任务。因此必须 对锅炉的正常运行采取一系列的保护措施。 问题：当燃料压力过高时，会将燃烧喷嘴的火焰吹灭， 产生脱火现象。一旦发生脱火不仅会因未燃烧而导致 烟囱冒黑烟，而且会在燃烧室内积存大量燃料气与空 气的混合物，会有爆炸的危险。
过程系统试题及答案
1 一台PID三作用式控制器，如果将比例度调到100%，积分时间调到最大（∞），微分时间调到零，则此时调节器的作用为：（ C ）
A PI
B PD
C P
D PID
2雷达跟踪系统属于（B）
A 定值控制系统
B 随动控制系统
C 程序控制系统
D 前馈控制系统
3 在自动控制系统中，（ B ）变量一般是生产过程中需要控制的变量。
A 操纵变量
B 被控变量
C 干扰变量
D 中间变量
4 如果被控过程的变化小，仪表指针移动量很大，则该仪表的（ C ）
A 精确度高
B 精确度低
C 灵敏度高
D 灵敏度低
5 某二阶系统采用了PID控制方法，若比例度低于了临界比例度，系统将出现（ C ）
A 衰减振荡
B 等幅振荡
C 发散振荡
D 不振荡
6 微分作用具有“超前调节”的特点，所以它可以用来克服（ B ）
A 纯滞后
B 调节通道的时间常数过大
C 干扰通道的时间常数过大
D 调节通道的放大倍数过小
7 自动控制系统在运行过程中，由于种种原因使对象特性改变了，并由此导致过渡过程曲线变差了，为了获得较好的过渡曲线，通常采用的解决方法是（ A ）A 重新整定调节器的参数 B 更换调节器 C 重新设计控制系统 D 要求工艺做调整
8 检测仪表的品质指标为（A ）
A 变差
B 余差
C 最大偏差
D 过渡过程时间
9 在阶跃扰动作用下，被控变量随时间变化情况中（ B ）是我们最希望得到的，（ C ）是绝对不允许出现的。
A 等幅振荡
B 衰减振荡
C 发散振荡
D 不振荡的非周期性过程
10 用差压变送器测量液位的方法是基于（ B ）原理
A 浮力压力
B 静压
C 电容原理
第4章5-2 选择性控制系统
5 工业典型应用
1、实现软保护 避免天然气脱火现象发生。
LS起到自动保护作用。
属于调节器输出信号选择
2、实现多点平均温度选择
轧钢厂在对钢件轧制前，要加热到一定程度。 由于加热炉体积很大，内部状态不可能完全一样。 采用分三个区，每个用两个温度计测量，用高值选择器，然后对 三个区值取平均值的方法。 属于测量输出信号选择：
当蒸汽用量增加，蒸汽总管压力 降低，此时正常调节器输出信号去开大调节阀，以增加天然气量。 同时，天然气压力也随燃料量的增加而加大。当天然气压力超过 某一安全极限时会产生脱火现象，可能造成生产事故。
设计选择性控制系统选择正常工况与非正常工况控制。
(1)选择调节阀。从生产安全 应选气开式调节阀。 (2)调节器正反作用选择 正常调节器：蒸汽压力 升高，调节器输出信号应减小， 故应选其为反作用方式。
选择性控制：把工业生产过程中的限制条件所构 成的逻辑关系，叠加到正常的自动控制系统上去的一 种组合控制方法。
即在一个过程控制系统中，设有两个调节器(或两 个以上的变送器)，通过高、低值选择器选出能适应生 产安全状况的控制信号实现对生产过程的自动控制。
四
1 2 3 4 5
选择性控制系统
概述 选择性控制系统类型 选择性控制系统的设计 积分饱和及其防止措施 典型应用
其他应用：比如实现产量自动调整；实现反应器节水等等
5节SCADA系统控制逻辑课件
• （3）现场反馈信号都失效时，SCADA应没任何输出信号动作阀门， 只报警提示。
• （4）阀门开关超时或故障报警时，SCADA应没任何输出信号动作阀 门，只报警提示。
07:19
25
2.机泵的启停控制
• 2.1 SCADA系统与现场信号包括： • （1）现场过来的信号： • 就地/远程信号，运行信号。 • （2）SCADA输出到现场的信号包括： • 启泵信号、停泵信号。
以灯光或音响的形式发出警报，提示操作员注意，并及时加以处理。 • 联锁保护实际是一种自动操作系统，能使有关设备按照规定的条件或
程序完成操作任务，达到消除异常，防止事故的目的。 • 联锁保护的最高级别是ESD保护，ESD是Emergency Shutdown
System的简称，中文意思是紧急停车系统，它用于监视装置或独立单 元的操作，如果生产过程超出安全操作范围，可以使其进入安全状态， 确保装置或独立单元具有一定的安全度。
07:19
13Leabharlann Baidu
例如主管道出口压力控制阀，对于入口压力控制回路来说，只
要入口压力高于设定压力，调节器的输出就不断开大，直到100%， 这时以低选器选择出口压力调节的输出来控制出口阀，但是，一旦入 口压力低于入口的设定压力，调节器的输出不断向下减小，当调节器 输出下行到小于泵出口压力调节的输出时，低选器把控制权切换给入 口压力控制器，达到选择控制的目的，流量低选回路的工作原理相同。
• （4）阀门开关超时或故障报警时，SCADA应没任何输出信号动作阀 门，只报警提示。
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2.机泵的启停控制
• 2.1 SCADA系统与现场信号包括： • （1）现场过来的信号： • 就地/远程信号，运行信号。 • （2）SCADA输出到现场的信号包括： • 启泵信号、停泵信号。
以灯光或音响的形式发出警报，提示操作员注意，并及时加以处理。 • 联锁保护实际是一种自动操作系统，能使有关设备按照规定的条件或
程序完成操作任务，达到消除异常，防止事故的目的。 • 联锁保护的最高级别是ESD保护，ESD是Emergency Shutdown
System的简称，中文意思是紧急停车系统，它用于监视装置或独立单 元的操作，如果生产过程超出安全操作范围，可以使其进入安全状态， 确保装置或独立单元具有一定的安全度。
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13Leabharlann Baidu
例如主管道出口压力控制阀，对于入口压力控制回路来说，只
要入口压力高于设定压力，调节器的输出就不断开大，直到100%， 这时以低选器选择出口压力调节的输出来控制出口阀，但是，一旦入 口压力低于入口的设定压力，调节器的输出不断向下减小，当调节器 输出下行到小于泵出口压力调节的输出时，低选器把控制权切换给入 口压力控制器，达到选择控制的目的，流量低选回路的工作原理相同。
4.5 分程与选择控制
+
Q
=4
QA min =
QA max 4 = = 0.134 RA 30
QB max = 4 + 100 = 104
R= 104 = 780 0.134
所以两个阀组合在一起的可调范围扩大到： 所以两个阀组合在一起的可调范围扩大到：
用于节能控制
用于保证生产过程的安全稳定
用于控制满足工艺上操作的特殊要求
B阀
A阀
B阀
60 阀压/kPa 阀压/kPa
60 阀压/kPa 阀压/kPa
100
A 阀
B 阀
A阀
B阀
60 阀压/kPa 阀压/kPa
60 阀压/kPa 阀压/kPa
100
百度文库
分程控制方案中，阀的开闭形式，可分同向 异向两种 同向和 分程控制方案中，阀的开闭形式，可分同向和异向两种
三. 分程控制系统的应用
60～100 KPa ～
变送器
控制器
电⁄气 气
20～60 KPa ～ A 20～100 ～ KPa B 20～100 ～ KPa
二、分程控制的类型
100 (%) 阀 A阀 开 度 0 20 100 (%) 阀 开 度 0 20 100 (%) 阀 开 度 100 0 20 100 (%) 阀 开 度 100 0 20
用于扩大控制阀的可调范围
Q
=4
QA min =
QA max 4 = = 0.134 RA 30
QB max = 4 + 100 = 104
R= 104 = 780 0.134
所以两个阀组合在一起的可调范围扩大到： 所以两个阀组合在一起的可调范围扩大到：
用于节能控制
用于保证生产过程的安全稳定
用于控制满足工艺上操作的特殊要求
B阀
A阀
B阀
60 阀压/kPa 阀压/kPa
60 阀压/kPa 阀压/kPa
100
A 阀
B 阀
A阀
B阀
60 阀压/kPa 阀压/kPa
60 阀压/kPa 阀压/kPa
100
百度文库
分程控制方案中，阀的开闭形式，可分同向 异向两种 同向和 分程控制方案中，阀的开闭形式，可分同向和异向两种
三. 分程控制系统的应用
60～100 KPa ～
变送器
控制器
电⁄气 气
20～60 KPa ～ A 20～100 ～ KPa B 20～100 ～ KPa
二、分程控制的类型
100 (%) 阀 A阀 开 度 0 20 100 (%) 阀 开 度 0 20 100 (%) 阀 开 度 100 0 20 100 (%) 阀 开 度 100 0 20
用于扩大控制阀的可调范围
串级控制系统通用方块图
副控制器 — 按副变量的测量值与主控制器的输出信 号的偏差进行工作的控制器，其输出直 接控制执行器的动作。
炉出口温度控制器
炉膛温度控制器
9
主回路 — 由主测量变送器、主控制器、副回路等效 环节和主对象组成的闭合回路，又称外环 或主环。
副回路 — 由副测量变送器、副控制器、执行器和副 对象所组成的闭合回路，又称内环或副环。
助变量。 炉出口温度
炉膛温度
7
主对象 — 由主变量表征其主要特征的工艺设备或过 程，其输入量为副变量，输出量为主变量。
副对象 — 由副变量表征其特性的工艺生产设备或过 程，其输入量为系统的操纵变量，输出量为副变量。 炉出口温度对象
炉膛温度对象
8
主控制器 — 按主变量的测量值与给定值的偏差进行 工作的控制器，其输出作为副控制器的 给定值。
32
汇报结束
谢谢大家! 请各位批评指正
(2)工艺对主变量要求较高，对副变量也有一定的要 求。 ➢保证主变量的控制精度，主控制器需选择PI作用。 ➢副变量在干扰作用下需达到一定的控制质量，副控 制器也应该选择PI作用。
26
练习题
锅炉供水控制系统如图所示， 1，从锅炉安全考虑，防止因 断水导致锅炉烧爆，选择气开， 气关阀？选择控制器+-，构 成负反馈系统。 2，若锅炉给水流量波动频繁 且为主要干扰，原来的液位控 制系统很难满足控制要求，试 问应采取何种措施来提高控制 精度？设计控制方案？画出系 统方块图？
炉出口温度控制器
炉膛温度控制器
9
主回路 — 由主测量变送器、主控制器、副回路等效 环节和主对象组成的闭合回路，又称外环 或主环。
副回路 — 由副测量变送器、副控制器、执行器和副 对象所组成的闭合回路，又称内环或副环。
助变量。 炉出口温度
炉膛温度
7
主对象 — 由主变量表征其主要特征的工艺设备或过 程，其输入量为副变量，输出量为主变量。
副对象 — 由副变量表征其特性的工艺生产设备或过 程，其输入量为系统的操纵变量，输出量为副变量。 炉出口温度对象
炉膛温度对象
8
主控制器 — 按主变量的测量值与给定值的偏差进行 工作的控制器，其输出作为副控制器的 给定值。
32
汇报结束
谢谢大家! 请各位批评指正
(2)工艺对主变量要求较高，对副变量也有一定的要 求。 ➢保证主变量的控制精度，主控制器需选择PI作用。 ➢副变量在干扰作用下需达到一定的控制质量，副控 制器也应该选择PI作用。
26
练习题
锅炉供水控制系统如图所示， 1，从锅炉安全考虑，防止因 断水导致锅炉烧爆，选择气开， 气关阀？选择控制器+-，构 成负反馈系统。 2，若锅炉给水流量波动频繁 且为主要干扰，原来的液位控 制系统很难满足控制要求，试 问应采取何种措施来提高控制 精度？设计控制方案？画出系 统方块图？
自动控制原理第二章复习总结(第二版)
第二章 过程装备控制基础
本章内容：简单过程控制系统的设计
复杂控制系统的结构、特点及应用。
第一节 被控对象的特性
一、被控对象的数学描述
（一） 单容液位对象
1．有自衡特性的单容对象
2．无自衡特性的单容对象
（二） 双容液位对象
1．典型结构：双容水槽如图2-5所示。
图2-5 双容液位对象 图2-6 二阶对象特性曲线
2．平衡关系：水槽1的动态平衡关系为：
3．二阶被控对象：
1222122221)(Q K h dt dh T T dt
h d T T ⨯=+++
式（2-18）就是描述图2-5所示双容水槽被控对象的二阶微分方程式。称二阶被控对象。
二、被控对象的特性参数
（一）放大系数K（又称静态增益）
（二）时间常数T
（三）滞后时间τ
（1）．传递滞后τ0（或纯滞后）：
（2）．容量滞后τ
c
可知τ=τ
0+τ
c
。
三、对象特性的实验测定
对象特性的求取方法通常有两种：
1．数学方法
2．实验测定法
（一）响应曲线法：
（二）脉冲响应法
第二节单回路控制系统
定义：（又称简单控制系统），是指由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统。
一、单回路控制系统的设计
设计步骤：
1．了解被控对象
2．了解被控对象的动静态特性及工艺过程、设备等
3．确定控制方案
4．整定调节器的参数
（一）被控变量的选择
（二）操纵变量的选择
（三）检测变送环节的影响
（四）执行器的影响
二、调节器的调节规律
1．概念调节器的输出信号随输入信号变化的规律。
2．类型位式、比例、积分、微分。
（一）位式调节规律
1．双位调节
2．具有中间区的双位调节
过控复习资料
过控复习题库
一、判断
1、集散控制系统的特点是结构分散、控制集中。（）
2、设计数字控制器时，采样周期应远大于对象的时间常数。（）
3、串级控制系统主回路——随动控制系统，副回路——定值控制系统。（）
4、红外线气体分析仪可以测量双原子气体。（）
5、设计数字控制器时，采样周期应远大于对象的扰动周期。（）
6、对于非线性被控过程调节阀应选用直线特性。（）
7、使用热电耦测温时冷端温度补偿是对冷端温度 t000的补偿。（）
8、采用热电阻测量温度时，应采用三线制接法。（）
9、系统对控制通道的要求是放大系数要大、时间常数适当、纯滞后尽可能小。（）
10、气动执行机构可看做一个惯性关节。（）
11、过程控制系统投运顺序：控制器投运、检测系统投入运行、调节阀手动遥控。（）
12、对于由几个一阶环节组成的过程应尽量设法使几个时间常数相等。（）
13、PID控制中微分的作用是提高稳定性。（）
14、前馈控制是基于偏差控制的。（）
15、在分程控制中，调节阀流量特性的选择应尽量选用对数调节阀，且应有一定的重叠区。（）
16、串级控制系统调节器参数整定方法中，当主、副过程时间常数相差较大时，采用逐步整定法。（）
17、串级控制系统调节器参数整定原则：先副后主、先比例后积分。（）
18、PID控制中积分的作用是提高精度。（）
19、安装流量测量仪表时，节流件端面与管道轴线应垂直，孔板尖锐测应迎着流向。（）
20、红外线气体分析仪可以测量惰性气体。（）
21、微分调节可消除余差，它是依据偏差是否存在来进行调节的。（）
22、工程上比例度就是放大倍数。（）
过程控制练习题(带答案)
练习题
一、填空题
1．定比值控制系统包括：（开环比值控制系统）、（单闭环比值控制系统）和（双闭环比值控制系统）。
2．控制阀的开闭形式有（气开）和（气关）。3．对于对象容量滞后大和干扰较多时，可引入辅助变量构成（串级）控制系统，使等效对象时间常数（减少），提高串级控制系统
的工作频率。
4．测量滞后包括测量环节的（容量滞后）和信号测量过程的（纯滞后）。5．锅炉汽包水位常用控制方案为：（单冲量水位控制系统）、（双冲量控制系统）、（三冲量控制系统）。
6．泵可分为（容积式）和（离心式）两类，其控制方案主要有：（出口直接节流）、（调节泵的转速）、（调节旁路流量）。
7．精馏塔的控制目标是，在保证产品质量合格的前提下，使塔的总收益最大或总成本最小。具体对一个精馏塔来说，需从四个方面考虑，设置必要的控制系统，分别是：物料平
衡控制、（能量平衡控制）、（约束条件控制）和（质量控制）。
1.前馈控制系统的主要结构形式包括：单纯的前馈控制系统、（前馈反馈控制系统）和（多变量前馈控制系统）。
2.反馈控制系统是具有被控变量负反馈的闭环回路，它是按着（偏差）进行控制的；前馈控制系统是按（扰动）进行的开环控制系统。
3.选择性控制系统的类型包括：（开关型）、（连续型）和（混合型）。
4.常用控制阀的特性为（线性）、（快开）、（对数）、和（抛物线）特性。
5.阀位控制系统就是在综合考虑操纵变量的（快速性）、（经济性）、（合理性）、和（有效性）基础上发展起来的一种控制系统。
6.压缩机的控制方案主要有：（调速）、（旁路）和节流。
7.化学反应器在石油、化工生产中占有很重要的地位，对它的控制一般有四个方面，分别是：物料平衡控制、（能量平衡控制）、（质量控制）和（约束条件控制）。
过程控制及仪表(邵裕森版)答案
第三个阶段。70 年代以来，随着现代工业生产的迅猛发展，仪表与硬件的开发，微型 计算机的开发应用，使生产过程自动化的发展达到一个新的水平。其主要特点：对全工厂 或整个工艺流程的集中控制、应用计算机系统进行多参数综合控制，或者用多台计算机对 生产过程进行控制和经营管理。过程控制发展到现代过程控制的新阶段。在新型的自动化 技术工具方面，开始采用以微处理器为核心的智能单元组合仪表（包括可编程序调节 器）；在测量变送器方面，较为突出的是成分在线检测与数据处理（如气相色普和液相色 普与质普等）的应用日益广泛；在模拟式调节仪表方面，不仅Ⅲ型仪表产品品质增加，可 靠性能提高，而且本质安全防爆（电动），适应了各种复杂控制系统要求。70 年代中期， DCS 问世，从此工业生产过程自动化进入一个新的时代。在过程控制理论方面，智能控制 与优化。 3．什么是过程控制系统？试述其组成。
答 从测量体与被测介质接触与否来分有接触式测量和非接触式测量。 接触式测量：通过测量体与被测介质的接触来测量物体的温度；测温简单可靠，测量 精度高。但是由于测温元件需要与被测介质接触进行充分的热交换，才能达到热平衡，因 而产生了滞后现象，而且可能与被测介质产生化学反应。另外由于受到耐高温材料的限 制，接触式测量不能应用于很高温度的测量。 非接触式测量：通过接收被测物体发出的辐射热来判断温度。由于测温元件不与被测 介质接触，因而其测量范围很广，其测温上限原则上不受限制；测温速度也较快，而且可 以对运动体进行测量，但是，它受到物体的发射率、被测对象到仪表之间的距离、烟尘和 水汽等其他介质的影响，一般测温误差比较大。 15．什么是变送器的量程调整、零点和零点迁移？为什么要进行量程调整和零点迁移？Ⅲ 型温度变送器是怎样进行调零和量程调整的？怎样实现热电偶的冷端温度补偿？ 答 量程调整是使变送器的输出信号的上限值 ymax 与测量范围的上限值相对应；量 程程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率； 零点是指变送器的输出信号的下限值。 零点调整是指使变送器的输出信号的下限值 ymin 与测量范围的下限值 xmin 相对应。对于 DDZ-III 型仪表来说，xmin=0 时，而 y 不为 4mADC，则进行零点调整使之为 4mADC；xmin ≠0 时，y≠ymin 则需要零点迁移。 零点迁移：把测量起始点由零迁移到某一正值或负值。当测量起始点由零迁至某一正值， 称为正迁移；当测量起始点由零迁至某一负值，称为负迁移；迁移的实质：改变量程的上 下限，而不改变量程的大小。若采用零点迁移，再辅以量程压缩，可以提高仪表的测量精 确度和灵敏度。 如图 15.1 所示，W1 为调零电位器，W2 为调量程电位器，当变送器输入热电势为 Vmin
答 从测量体与被测介质接触与否来分有接触式测量和非接触式测量。 接触式测量：通过测量体与被测介质的接触来测量物体的温度；测温简单可靠，测量 精度高。但是由于测温元件需要与被测介质接触进行充分的热交换，才能达到热平衡，因 而产生了滞后现象，而且可能与被测介质产生化学反应。另外由于受到耐高温材料的限 制，接触式测量不能应用于很高温度的测量。 非接触式测量：通过接收被测物体发出的辐射热来判断温度。由于测温元件不与被测 介质接触，因而其测量范围很广，其测温上限原则上不受限制；测温速度也较快，而且可 以对运动体进行测量，但是，它受到物体的发射率、被测对象到仪表之间的距离、烟尘和 水汽等其他介质的影响，一般测温误差比较大。 15．什么是变送器的量程调整、零点和零点迁移？为什么要进行量程调整和零点迁移？Ⅲ 型温度变送器是怎样进行调零和量程调整的？怎样实现热电偶的冷端温度补偿？ 答 量程调整是使变送器的输出信号的上限值 ymax 与测量范围的上限值相对应；量 程程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率； 零点是指变送器的输出信号的下限值。 零点调整是指使变送器的输出信号的下限值 ymin 与测量范围的下限值 xmin 相对应。对于 DDZ-III 型仪表来说，xmin=0 时，而 y 不为 4mADC，则进行零点调整使之为 4mADC；xmin ≠0 时，y≠ymin 则需要零点迁移。 零点迁移：把测量起始点由零迁移到某一正值或负值。当测量起始点由零迁至某一正值， 称为正迁移；当测量起始点由零迁至某一负值，称为负迁移；迁移的实质：改变量程的上 下限，而不改变量程的大小。若采用零点迁移，再辅以量程压缩，可以提高仪表的测量精 确度和灵敏度。 如图 15.1 所示，W1 为调零电位器，W2 为调量程电位器，当变送器输入热电势为 Vmin
选择控制
2014-1-17
过程控制 青海大学
20
设计举例：汽包燃气压力控制
在锅炉的运行中，蒸汽负荷 随用户需要而经常波动，在正 常情况下，用控制燃料量的方 法来维持蒸汽压力的稳定。当 蒸汽用量增加，蒸汽总管压力 降低，此时正常调节器输出信 号去开大调节阀，以增加天然 气量。同时，天然气压力也随燃料量的增加而加大。 当天然气压力超过某一安全极限时会产生脱火现象 ，可能造成生产事故。
2.7.2 、被控变量测量值的选择
几个变送器合用一个调节器，通过选择器选择变 送器输出信号。一般有两个目的。 1、选出最高或最低值 例：在反应器中，由 于流体流动和触媒老化 ，反应程度在各个位置 不同。为防止烧坏触媒 ，要找出最高温度点。
2014-1-17
过程控制 青海大学
13
2、选出可靠的测量值
2014-1-17
水碳比过低，催化剂表面析碳 提量时， SP升高，— HS选中SP — 蒸汽FC1设定升高 控制要求： — 蒸汽量先提升— 经过FT1 — LS选中— FC2设定按 比例增加— 天然气后提升 提量时，先提蒸汽，后提天然气 减量时， SP降低，— LS选中SP — 蒸汽FC2设定降低 减量时，先提天然气，后提蒸汽 — T天然气先降量— 经过FT2 — HS选中— FC1设定 按比例减少—蒸汽量后降 过程控制 青海大学
2014-1-17
第5章复杂控制系统实验
7
3）主、副控制器正、反作用的选择 与简单控制系统一样，一个串级控制系统要实现正 常运行，其主、副回路都必须构成负反馈，因而必须正 确选择主、副控制器的正、反作用方式。 (1) 副控制器正、反作用的选择 副控制器作用方式的选择，是根据工艺安全等要求， 在选定调节阀的气开、气关形式后，按照使副回路构成 副反馈系统的原则来确定的。因此，副控制器的作用方 式与副对象特性及调节阀的气开、气关形式有关，其选 择方法与简单控制系统中控制器正、反作用方式的选择 方法相同。这时可不考虑主控制器的作用方式，只是将
16
(2)整定主环 主、副环仍然闭合，副调节器置于2s值上，用同 样方法整定主调节器，得到主调节器在＝0．75下 的比例带1s值和被调量的振荡周期T10。 (3)依据上面两次整定得到的1s、2s 和T10与T20，按 所选调节器的类型，利用“衰减购线法”的计算公 式，分别求出调节器的整定参数值。 当然，按计算出来的整定参数进行投运，不一定 能满足要求，仍需继续试验，适当修正，直到符合 要求。
14
(4)重新整定主环 同样是在两个回路闭合、副调节器整定参数 为[Gc2]2 的情况下，重新整定主调节器，得到 [Gc1]2。 (5)如果调节过程仍未达到品质要求，按上面③、 ④步继续进行，直到控制效果满意为止。
一般情况下，完成第③步甚至只要完成第② 步就已满足品质要求，无需继续进行。这种方 法往往费时较多。
第二章 第6节 选择性控制系统
正作用 TC LS LC 反作用
例:上图所示系统中，液位上升，则LC输出降低，例如当 LC﹤10mA 时， LS选中LC，此时我们希望TC的输出最好保 持在10mA,使得一旦LC>10mA,就立刻切换到正常工作下， 由TC控制，但由于TC的偏差一直存在，且是PI控制系统， 此时TC↑到饱和区 ，这样当LC上升到10mA就不会及时切 换TC控制，尽管此时液位已经在安全限之内了
积分外反馈 串级系统的主控制器的防积分饱和就是积分外反馈 法，将选择器的输出作为积分外反馈信号
设定1 控制 测量1 器1 LS 控制 器2
设定2 测量2
图2-5-6
当控制器1工作时，其积分反馈信号是其自身的输出 信号；而控制器2的反馈信号来自控制器1， 即是外 部反馈信号，控制器2的输出为：
1 U 2 = K c2 e2 + U1 T2 s + 1
Tቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1 HS TT2 TT3 LS LS HS
图2-5-4：中间值的选取
3、利用选择器实现非线性控制规律
如图2-36（a）所示
三、工程设计和实施时的几个问题
1、选择器的类型的确定及设计
（1）首先根据工艺要求确定控制阀的气开/气关形式 （2）根据对象特点及控制阀的气开/气关来确定控制器的正反 作用 （3）确定选择器类型（HS或LS），由对象特点及工艺要求决 定
例:上图所示系统中，液位上升，则LC输出降低，例如当 LC﹤10mA 时， LS选中LC，此时我们希望TC的输出最好保 持在10mA,使得一旦LC>10mA,就立刻切换到正常工作下， 由TC控制，但由于TC的偏差一直存在，且是PI控制系统， 此时TC↑到饱和区 ，这样当LC上升到10mA就不会及时切 换TC控制，尽管此时液位已经在安全限之内了
积分外反馈 串级系统的主控制器的防积分饱和就是积分外反馈 法，将选择器的输出作为积分外反馈信号
设定1 控制 测量1 器1 LS 控制 器2
设定2 测量2
图2-5-6
当控制器1工作时，其积分反馈信号是其自身的输出 信号；而控制器2的反馈信号来自控制器1， 即是外 部反馈信号，控制器2的输出为：
1 U 2 = K c2 e2 + U1 T2 s + 1
Tቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1 HS TT2 TT3 LS LS HS
图2-5-4：中间值的选取
3、利用选择器实现非线性控制规律
如图2-36（a）所示
三、工程设计和实施时的几个问题
1、选择器的类型的确定及设计
（1）首先根据工艺要求确定控制阀的气开/气关形式 （2）根据对象特点及控制阀的气开/气关来确定控制器的正反 作用 （3）确定选择器类型（HS或LS），由对象特点及工艺要求决 定
第3章 复杂控制系统-过程控制系统-慕延华-清华大学出版社
第3章 复杂控制系统
11
3.1.1 串级控制系统的基本原理和结构
• 主对象为工业过程中所要控制的、由主被控变量表征其主 要特性的生产设备或过程，如图3-4中排管的管壁；
• 副对象为工业过程中影响主被控变量的、由副被控变量表 征其特性的辅助生产设备或辅助过程，如图3-4中燃料油的 管路；
• 副回路是由副控制器、副变送器、控制阀和副对象所构成 的闭环回路；
– （2）被加热油料方面的扰动D2（被加热油料的流量和入口温度）；
– （3）配风、炉膛漏风和大气温度方面的扰动D3；
– （4）喷油用的过热蒸汽压力波动D4。
TC
TT
出口温度 1
2021/4/16
燃料油 第3章 复杂控制系统
被加热油料 6
3.1.1 串级控制系统的基本原理和结构
• 最基本的控制方案是选取被加热油料的出口温度为被控变 量，燃油量的流量为操纵变量，构成的简单控制系统。
• 据粗略估计，复杂控制系统约占全部控制系统的10%左右。
2021/4/16
第3章 复杂控制系统
3
第3章 复杂控制系统
• 3.1 串级控制系统 • 3.2 比值控制系统 • 3.3 均匀控制系统 • 3.4 前馈控制系统 • 3.5 选择性控制系统 • 3.6 分程控制系统 • 3.7 双重控制系统
流量传感器
ym1
第6、7章 选择控制系统和分程阀位控制系统
图7.3 蒸汽减压分程控制系统
教学进程
7.1.2 分程控制的应用场合
（2）同时控制两种介质，满足工艺要求
TC A A.C
A
B
B A.O
图7.4 间歇式化学反应器分程控制系统
教学进程
7.1.2 分程控制的应用场合
（2）同时控制两种介质，满足工艺要求 工艺要求：投料后，需由蒸汽加温，以达到反应温度，反 应进行后，放出热量，需要将热量移走。 两个控制阀：冷水阀A（气关）、蒸汽阀B（气开）—— 安全角度设置 温度控制器TC（反作用）—— 副反馈要求 T<设定值，TC输出增加，A阀关闭、B阀逐渐打开 T>设定值，TC输出减小，A阀逐渐打开、B阀关闭
液位
温度控制器 开 关 控制阀
温度
液位对象
温度对象
图6—2 开关型选择性控制系统方块图
教学进程
6.2.1 开关型选择性系统
裂解气（88℃） 气丙烯 信号器
当液位低于75％时 pz＝0
信号器 液丙烯 PZ 当液位达到75％时 pz＝0．1MPa 切换器
TC
PY PX
切换器
当pz＝0时，pY＝px
pz＝0．1MPa时， pY＝0
教学进程
6.4.1 积分饱和的产生及其危害性
PI控制器的特性关系：
传递函数：
1 u t K p et Ti
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工艺特点:绿油塔釜液 位高于30%可保证该塔 操作稳定性 控制目的 保证绿油塔正常操作 的塔釜最低液位同时尽 量保持丙烷塔进料稳定 性
5.2.3 混合型选择性控制系统 开关型与连续性的结合应用 例：锅炉燃烧控制系统
蒸汽
P 1C
P 2C
LS
给水
P 2T
燃料
控制要求：防止燃料压力 过低而引起回火现象发生
r极限
开关信号发生器 蒸发器液位测量变送
r
开 关 控制器
控制阀
回流罐对象
蒸发器对象
回流罐液位测量变送
乙烯生产回流罐与蒸发器液位开关型选择性控制方框图
特点： 开关动作发生后，调节阀开度处于某一极限开 度，表现为调节过程为非连续过程。
5.2.2 连续型选择性控制系统
1)
a.
硬件构成及动作特点 硬件 控制器： 正常控制器：正常工况时的控制操作 取代控制器：非正常工况的操作控制 选择器： 高选器(HS)：选择各输入信号中高值信号输出 低选器(LS)：选择各输入信号中低值信号输出 中选器(MS)：选择中间值信号输出 选择器表示：
设计举例
例1 反应器触媒保护控制 目的：防止触媒过热失活 要求：利用调解冷激水防止 触媒过热 特点：温度最高点随条件改 变位置 设计： 采用串级控制系统 采用多检测点方式 选择器：高选器（HS）
物料
冷激水
HS S TT
FT FC
反应器
TC
例2： 压缩机连续型选择性控制系统
P1T
PIN
P1C 正作用
软保护系统是将工艺生产过程的极限条件所构成 的逻辑关系叠加到正常的自动控制系统上的一种 控制。
例：液氨蒸发器的物料出口温度控制 控制要求： 物料出口温度稳定 由蒸发器抽出的气态氨 不能带液。保证足够的 蒸发空间。
气氨 物料
物料 气氨 气氨 物料 物料
LT
LC
液氨 液氨
气氨
LT
LC
TT
TC
TT
冷凝液罐
工艺描述： 塔顶产品中含有一 定的不凝气体，随着 不凝气体量的增加， 冷凝液罐中的液面将 被压下降，将引发生 产的不稳定。
控制要求： 正常工况：利用回流量控制塔顶产品输出管道压力 异常工况：冷凝液罐液面过低，排出不凝气。
排 气 PZ 正作用 PC ∑ LS PY 气开式 P1 正作用 P2 LC 冷 剂
A变量控制回路
B变量测量回路 开关及开关信号发生器
开关型选择控制系统构成及应用例
乙烯生产过程回流罐与蒸发器液位控制
开关信号 发生器
L2T
丙二烯 蒸发器
75%
L2C
开关
回流罐
L1T
L1C
极限状态信号 正常状态信号
A变量：回流罐液位 B变量：蒸发器液位 B变量设定极限范围：< 75%
控制方框图
HS MS LS
高选器
中选器
低选器
b.
控制回路及动作特点 控制回路 正常控制回路： 由正常控制器、调节阀、主要工艺指标测量变 送装置构成，用于正常工况控制。 取代控制回路： 由取代控制器、调节阀、极限工艺指标测量变 送装置构成，用于极限工况控制。
取代控制特点
取代发生后，阀门开度不趋于极限位置，而是在 原开度基础上，由另一控制器接手实施控制。
反作用
S LS
P 2C
P2T
PO
气开式
目的：保证供气并防止喘振 工艺特点：当压缩机进口压力下降至一定程度时，压缩机 会产生喘振 控制回路设计：如图 正常操作：压缩机出口压力控制 取代操作：压缩机入口压力控制 选择器： 低选器
5.4 选择性控制系统设计
1) 设计内容： 控制方案设计 控制阀选择：口径、特性、开关方式 控制器选择：控制规律、参数整定、作用形式 选择器确定：高选器，中选器，低选器
控制方案设计 根据工艺要求的一些参数的极限设定，设计保 护性控制回路，并通过选择器将其与正常的工 艺控制回路相结合构成选择性控制方案。 控制阀的选择同前； 控制器作用形式的选择同前； 参数整定： 要求被保护的参数能尽快恢复正常，窄比例带 参数整定。 选择器的选择， 以非正常条件下，选择器能够选中非正常控制 器的输出信号（或能够按设计方案选中对应信 号）为原则。
冷凝液罐
信号关系： 正常工况：低选器 选通压力控制器信 号 pY=p1, pZ=p1-pY=0 排气阀门关闭
非正常工况：低选器选通冷凝液罐液位控制器信号 pY=p2, pZ=p1-p2>0, 排气阀门开启，排出不凝气体 恢复正常控制：冷凝液罐液面恢复到安全位置，低 选器选中压力控制器输出，恢复正常工况控制。
控制器参数整定 正常控制器：按照常规控制器整定 取代控制器：按照窄比例带控制整定
2) 连续型选择性控制系统举例 例1 锅炉蒸汽压力与燃料供应阀后压力的选择性控制 原理图：
蒸汽
P 1T
P 1C
P 2C
LS
给水
P 2T
P
P
燃料
生产目的：提供稳压蒸汽 限制事件：阀后燃料气压力过高（产生脱火现象）
例（前图）
物料
气氨
LT
反作用 气开阀
LC TT TC LS
液氨
正作用
正常控制器： 温度控制器（TC） 非正常控制器： 液位控制器（LC） 确定选择器类型： 确定阀门开关形式、控制器作用形式 选择器类型： 低选器（LS） 注意：选择器类型要在确定了阀门和控制器作用形式 后确定。
5.2 选择性控制系统类型
TC
S 液氨
液氨
工艺操作切换 举例：加热炉燃料介质流切换
b.
采用两种燃料燃烧的 控制参数选择性控制 系统图。 载热体的出口温度作 为被控参数。 其中燃料A （气）为 主要燃料 燃料B （油）作为补 充（候选）燃料。限 量使用。
选择性控制系统硬件构成
1）控制器 正常控制器 承担正常工况操作的控制器 非正常控制器Байду номын сангаас承担异常情况处理的控制器 2）选择器 选择器常见类型 高值选择器（HS） 类型 低值选择器（LS） 中值选择器（MS） 选择器类型选择原则 保证在非正常情况时，选用的选择器能够选通 非正常控制器输出的控制信号。
特点： ▽ 选择信号：变送器输出信号 ▽ 变送器个数：两个以上 ▽ 某一时间点有且仅有一个变送器信号送达控制 器 即：由多个检测变送单元通过选择器与一个控制器 和调节阀构成多点控制网络，而在每一时间点， 控制回路仅根据某一检测点信号实施控制动作。
3) 变结构（通道）选择性控制
例：图
排 气 PZ 正作用 PC ∑ LS PY 气开式 P1 正作用 P2 LC 冷 剂
2)
选择器在变送器与控制器之间 例：反应器温度控制回路 原理图：
进料
TC
HS
冷剂
产品
方框图
GC(s) GV(s) GP1(s) Gm1(s) Gm2(s) GP2(s) GP3(s) GP4(s)
S
Gm3(s) Gm4(s)
主要应用 a. 选用极限值 多点测量，选用大（小）值信号作为控制依据 b. 选用可信值 同一测点置多个测量元件，选用中间值（可靠性 较大）信号作为控制依据。
连续型选择性控制方框图
主要工艺指标测变 正常控制器 选择器 取代控制器 限制工艺指标测变 控制阀 对象2
燃料气管道压力
对象1
锅炉蒸汽压力
例2 绿油塔液位与去丙烯塔流量选择性控制
绿 油 塔
FC
30% LC
丙 烷 塔
r
LS
设计: 选择性控制与均匀控制结合方案 正常控制器：丙烷塔进料流量控制器，反作用 取代控制器：绿油塔塔釜也为控制器，正作用 选择器：低选器
蒸汽
P1T
P1C
PA
P2C
PB
LS
给水
P2T
控制要求： ﹡正常工况： 依据蒸汽压力调节需要实 施燃料量控制 ﹡极限工况： 由燃料压力控制器取代蒸 汽压力控制器实行控制。 保证生产安全，节能。
正常状态信号通道 阀后压力过高状态信号通道
P
燃料
控制设备 调 节 阀：气开式调节阀 正常控制器：出口蒸汽压力控制器（P1C, 反作用） 取代控制器：阀后燃料压力控制器（P2C, 反作用） 选 择 器：低选器（LS）
5. 选择性控制
5.1 基本概念 定义： 依据不同的生产状态，自动选取不同的被控变量、 操作变量或控制方案，进而实现对生产操作的自动 控制。
应用目的： a. 处理非正常情况，保证生产安全的需要 b. 实现工艺操作的切换
非正常状态处理-----极限控制 系统变量操作特点 一般具有两个或两个以上的监控变量。 其中一个为主要工艺指标，对该变量要按照工 艺要求加以时时控制。 另外还具有工艺上对其有一定界限限制的变量， 称为极限控制变量。 一般该变量不会经常逼近或超越设定极限，所 以正常工况下不用实施控制。但是，一旦超越极 限，则需要施以严厉的控制，限制其超越极限。
开关型选择性控制
连续型选择性控制 混合型选择性控制
5.2.1 开关型选择性控制
应用目的 一般作为系统的极限保护 参数构成 a. 主要工艺控制指标（A） 被控变量类型 b. 有一定限制的工艺指标 （B） 控制特点 ＊ B变量允许范围内，依据A变量实施操作控制 ＊ B变量逼近或达到设定的极限，切断A变量的控制 输出，迫使B变量迅速返回设定极限范围内。 系统基本构成
a.
处理手段 硬保护： 根据生产操作状态，在处于极度危险状态下，使 用极端手段（连锁保护），自动地将生产全过程 或部分装置硬性停车的保护动作。
例如： 加热炉炉膛断火， 锅炉供水中断连锁保护等。 注意：硬保护实施后需要由操作人员恢复正常操作。
软保护： 根据生产操作状态，在达到安全极限时，借助于 选择性控制，按照事先设定的一套异常处理控制 方案，自动改变操作方式，使操作参数迅速返回 正常状态，并能自动切换回正常操作方式的控制 模式
设计： 控制器 P1C：正常控制器 P2C：取代控制器 （防止脱火） P3C：开关信号发生器 （防止回火） 选择器 LS：低选器
5.3 选择性控制应用
根据选择器的位置主要有两种应用形式 a. 选择器在控制器与调节阀之间 b. 选择器在变送器与控制器之间 1) 选择器在控制器与调节阀之间 特点： a. 选择信号：控制器输出信号 b. 控制器数量：两个以上 c. 某一时间点有且仅有一个控制器输出信号送达 调节阀 即：一个调节阀通过选择器与多个控制器共同组成了 多个控制回路；在每一个时间点，一个且仅一个 控制回路在正常工作。