第七章：控制系统资料

第七章 控制系统

1.概述

1.1控制系统的工作原理及组成

在石油、化工等生产中，对各个工艺生产过程中的物理量（或称工艺参数）都有一定的控制要求。有些工艺参数直接表征生产过程，对产品的产量和质量起着决定性的作用。如化学反应器的反应温度必须保持平稳，才能使效率达到最佳指标等等。而有些参数虽不直接影响产品的产量和质量，然而保持它平稳却是使生产获得良好控制的先决条件。如用蒸汽加热反应器或再沸器，若蒸汽总管压力波动剧烈，要把反应温度或塔釜温度控制好是很困难的。还有些工艺参数是决定生产工厂的安全问题，如受压容器的压力等，不允许超过最大的控制指标，否则将会发生设备爆炸等严重事故，危及工厂的安全等等。对以上各种类型的参数，在生产过程中都必须加以必要的控制。

图2-7-1设置了一个水位自动控制系统，它由气动单元组合仪表组成。图中检测元件与变送器的作用是检测水位高低，当水位高度与正常给定水位之间出现偏差时，调节器就会立即根据偏差的大小去控制给水阀门（开大或关小），使水位回到给定值上，从而实现了锅炉水位的自动控制。

自动控制系统由被控对象、检测元件（包括变送器）、控制器和调节阀等四部分组成。自动控制系统组成的方块图如图2-7-2所示。

控制系统中常用的名词术语如下。

图2-7-1 锅炉水位自动控制示意图 1－汽包；2－加热室；3－变送器；4－调节阀；5－控制器；6－定值器

图2-7-2 锅炉水位控制系统方块图

①被控对象：需要实现控制的设备、机器或生产过程，称为被控对象，例如锅炉。

②被控变量：对象内要求保持设定值（接近恒定值或按预定规律变化）的物理量，称为被控变量，如

锅炉水位。

③操纵变量：受控制器操纵，用以使被控变量保持设定值（给定值）的物料量，称为操纵变量，如锅

炉给水。

④干扰（扰动）：除操纵变量以外，作用于对象并能引起被控变量变化的因素，称为干扰或扰动。负

荷变化就是一种典型的扰动，如蒸汽变量的变化对锅炉水位控制是一种典型干扰。

⑤设定值（给定值）：被控变量的设定值与实际值之差。但是能够直接获取的是被控变量的测量值信

号而不是实际值，因此，通常把给定值与测量值之差称作为偏差。

1.2控制系统的分类

由于控制技术的广泛应用以及控制理论的发展，使得控制系统具有各种各样的形式。但总的来说可分为两大类，即开环系统和闭环系统。

1.开环控制系统

控制系统的输出信号（被控变量）不反馈到系统的输入端，因而也不对控制作用产生影响的系统称为开环控制系统。

开环控制系统又分两种。一种是按设定值进行控制，入蒸汽加热器，其蒸汽流量与设定值保持一定的函数关系，当设定值变化时，操纵变量随之变化，图2-7-3（a）为其原理图。另一种是按扰动量进行控制，即所谓前馈控制，如图2-7-3（b）所示。在蒸汽加热器中，若负荷为主要干扰，如果使蒸汽流量与冷流量保持一定的函数关系，当扰动出现时，操纵变量随之变化。

图2-7-3 控制系统的基本结构

（a）按设定值控制的开环系统；（b）按扰动而控制的开环系统；（c）闭环控制系统

2.闭环控制系统

从图2-7-2块图可以看出，系统的输出（被控变量）通过测量变送环节，又返回到系统的输入端，与给定信号比较，以偏差的形式进入控制器，对系统起控制作用，整个系统构成了一个封闭的反馈回路，这种控制系统被称为闭环控制系统，或称反馈控制系统。如在蒸汽加热器的出口温度控制系统中，温度控制器接受检测元件及变送器送来的测量信号，并与设定值相比较，根据偏差情况，按一定控制规律调整蒸汽阀门的开度，以改变蒸汽量，其原理如图2-7-3（c）所示。

在闭环控制系统中，按照设定值的情况不同，又可分类为三种类型。

（1）定值控制系统所谓定值控制系统，是指这类控制系统的给定值恒定不变的。如蒸汽加热器在工艺上要求出口温度按给定值保持不变，因而它是一个定值控制系统。定值控制系统的基本任务是克服扰动对被控变量的影响，即在扰动作用下仍能使被控变量保持在设定值（给定值）或在允许范围内。

（2）随动控制系统随动控制系统也称为自动跟踪系统，这类系统的设定值是一个未知的变化量。这类控制系统的主要任务是：使被控变量能够尽快地、准确无误地跟踪设定值的变化，而不考虑扰动对被控变量的影响。在化工生产中，有些比值控制系统就属于此类。

（3）程序控制系统程序控制系统也称顺序控制系统。这类控制系统的设定值也是变化的，但它是时间的已知函数，即设定值按一定的时间程序变化。在化工生产中，如间歇反应器的升温控制系统就是程序控制系统。

闭环控制系统的过渡过程及其品质指标如下。

（1）闭环孔子系统的过渡过程一个处于平衡状态的自动控制系统在受到扰动作用后，被控变量发生变化；与此同时，控制系统的控制作用将被控变量重新稳定下来，并力图使其回到设定值或设定值附近。一个控制系统在外界干扰或给定干扰作用下，从原有稳定状态过渡到新的稳定状态的整个过程，称为控制系统的过渡过程。控制系统的过渡过程是衡量控制系统品质优劣的重要依据。

在阶跃干扰作用下，控制系统的过渡过程有如图2-7-4所示的几种形式。图2-7-4（b）为发散振荡过程，它表明这个控制系统在受到阶跃干扰作用后，非但不能使被控变量回到设定值，反而使它越来越剧烈地振荡起来。显然，这类过渡过程的控制系统是不能满足生产要求的。图2-7-4（c）为等幅振荡过程，它表示系统受到阶跃干扰后，别调参数将作振幅恒定的振荡而不能稳定下来。因此，除了简单的位式控制外，这类过渡过程一般也是不允许的。图2-7-4（e）为非周期衰减振荡过程，它表明被控变量最终也能稳定下来，但由于被控变量达到新的稳定值的过程太缓慢。。而且被控变量长期偏离设定值一边，一般情况下工艺上也是不允许的，而只有工艺允许被控变量不能振荡时才采用。

图2-7-4 过渡过程的几种基本形式

（2）过渡过程的质量指标从以上几种过渡过程情况可知，一个合格的、稳定的控制系统，当受到外界干扰以后，被控变量的变化应是一条衰减的曲线。图2-7-5表示了一个定值调节系统受到外界阶跃干扰以后的过渡过程曲线，对此曲线，用过渡过程质量指标来衡量控制系统的好坏时，常采用以下几个指标。

①衰减比：它是表征系统受到干扰以后，被控变量衰减程度的指标。其值为前后两个相邻峰值之比，即图中的B1/B2，一般希望它能在4：1到10：1之间。

②余差：它是指控制系统受到干扰后，过渡过程结束时被控变量的残余偏差，即图中的C。C值也就是被控变量在扰动后的稳态值与设定值之差。控制系统的余差要满足工艺要求，有的控制系统工艺上不允许有余差，即C＝0。

图2-7-5 一个控制系统的过渡过程

③最大偏差：它表示被控变量偏离给定值的最大程度。对于一个衰减的过渡过程，最大偏差就是一个波的峰值，即图中的A值。A值就是被控变量所产生的最大动态偏差。对于一个没有余差的过渡过程来说，A＝B1。

④过渡过程时间：又称调节时间。它表示从干扰产生的时刻起，直至被控变量建立起新的平衡状态为止的这一段时间，图中以Ta来表示。过渡过程时间愈短愈好。

⑤振荡周期：被控变量相邻两个波峰之间的时间叫振荡周期，图中以T来表示。在衰减比相同的条件下，周期与过渡时间成正比，因此一般希望周期也是愈短愈好。

2.简单控制系统

2.1简单控制系统的组成

简单控制系统又称单回路反馈控制系统，是指由一个别控对象、一个测量量变送器、一个控制器和一只调节阀所组成的单回路闭合控制系统。它是石油、化工等许多部门生产过程中最常见、应用最广泛、数量最多的控制系统。简单控制系统结构简单，投资少，易于调整和投运，能满足一般生产过程的控制要求，因而应用广泛。它由其适用于别控对象纯滞后小，时间常数小，负荷和干扰变化比较平缓，或者对被控变量要求不太高的场合。简单控制系统常用被控变量来划分，最常见的是温度、压力、流量、液位和成分等五种控制系统。

1. 别控变量的选择

别控变量的选择是十分重要的，它是自动控制系统设计的第一步，应该从生产过程对自动控制的要求出发，合理地选择别控变量。在一个化工生产过程中，可能发生波动的工艺变量很多，但并非对所有的工艺变量都要加以控制，而且也不可能都加以控制。应在工艺流程图上找出对稳定生产，对产品的产量和质量，对确保经济效益和安全生产有决定性作用的工艺变量，或者人工操作过于频繁、紧张而难以满足工艺要求的工艺变量作为被控变量，来设计自动控制系统。生产中作为物料平衡控制的工艺变量通常是流量、液位和压力等工艺参数，它们可以直接被检测出来作为被控变量。而作为产品质量控制的成

分往往找不到合适的、可靠的在线分析仪表，因此，常采用反应器的温度、精馏塔某一块灵敏板的温度或温度差来代替成分作为被控变量。这种间接的被控变量——温度或温差，只要与成分有对应关系，并且有足够的灵敏度，则完全是适用的，而且被石油、化工生产中广泛应用。

综上所述，被控变量的选择原则为“

①选用质量指标作为被控变量，它最直接也最有效；

②当不能用质量指标作为被控变量时，应选择一个与产品质量（成分）有单值对应关系的参数（如

温度或温差）作为别控变量；

③当被表征的质量指标变化时，被控变量必须具有足够的变化灵敏度和足够得到大小的信号；

④选择被控变量时，必须考虑到工艺过程的合理性、生产安全性以及国内外仪表生产的现状等。

2.操纵变量的选择

在被控变量选定以后，下一步就是要选择控制系统的操纵变量，去克服扰动对被控变量的影响。当工艺上容许有几种操纵变量可供选择时，要根据对象控制通道和扰动通道特性对控制质量的影响，合理地选择操纵变量。

在化工生产中，工艺总是要求被控变量能稳定在设定值上，因为工艺变量的设定值是按一定的生产负荷、原料组分、质量要求、设备能力、安全极限和合理的单位能耗等因素综合平衡而确定的，工艺变量稳定在设定值上，一般都能得到最大的经济效益。然而由于种种外部和内部的因素，对工艺过程的稳定运转存在着许多干扰。因此，自控设计人员必须蒸汽选择操纵变量，建立一个合理的控制系统，确保生产过程的稳定操作。

现状操作变量时，必须考虑以下几个原则：

①首先从工艺上考虑，它应允许在一定范围内改变；

②在选择操纵变量时，应使扰动通道的时间常数大些；而使控制通道的时间常数适当地小些。控

制通道的纯滞后时间越小越好。

③被选上的操纵变量的控制通道，放大系数要大，这样对克服扰动较为有利。

④应尽量使扰动作用点靠近调节阀处。

⑤被选上的操纵变量应对装置中其他控制系统的影响和关联较小，不会对其他控制系统的运行产

生较大的扰动等等。

另外，要组成一个好的控制系统，除了正确选择被控变量和操纵变量外，还应该注意以下几个问题。

①纯滞后：纯滞后使测量信号不能及时反映被控变量的实际值，从而降低了控制系统的控制质量。

因此，必须注意别控变量的测量点（安装位置）应具有真正的代表性，并且纯滞后越小越好。

②测量滞后：是指由检测元件时间常数所引起的动态误差。如测温元件测温时，由于存在着热阻

和热容，它本身具有一定的时间常数，因而测温元件的输出总是滞后于被控变量的变化，从而引起幅值的降低和相位的滞后，如图2-7-6所示。如果控制器接受的是一个幅值降低的，相位滞后的失真信号，它就不能正常发挥校正作用，因此控制系统的控制质量也会大大降低。所以必须选择快速检测元件，以减小测量滞后。

图2-7-6 被控变量的真实值与测量值比较

③传递滞后：为了减小传输时间，当气动传输管线长度超过150cm时，在中间可采用气动继动器，

以缩短传输时间。当调节阀膜头容积过大时，为减少容量滞后，可使用阀门定位器。

④选择控制规律：对滞后较大的温度、成分控制系统，可选用带微分作用的调节器，借助微分作

用来克服测量滞后的影响。对滞后特别大（特别是有纯滞后存在）的系统，微分作用将难以见效，此时，为了保证控制质量，可采用串级控制系统，借助于副回路来克服纯滞后和对象时间常数等。一般的压力下、流量和液位等简单控制系统常常采用比例积分作用即可。

2.2被调参数的选择

根据工艺要求而设计的单回路调节系统，是为了工艺上某一目的的服务的。例如为了控制工艺操作参数，设计了液面、压力、流量、温度等调节系统，很明显被调参数就是液面、压力、流量及温度等。但在实际工作还存在一些特殊情况：

一种是某些质量指标，因无合适的测量方法直接地反映质量指标，从而采取用测量间接指标的方法。选用间接指标要注意与直接指标之间必须有单值线性对应关系和足够大小的信号，或是存在一定的数学关系。

另一种情况是虽有直接参数可测，但信号微弱，还不如选用具有单值线性对应关系的间接信号为好。

被调参数的选择十分重要，它关系到系统能否达到稳定操作、增加产量、提高质量、改善劳动条件等目的，关系到调节方案的成败。如果被测参数选取不当，不管组成什么型式的调节系统，也不管配上多么精确的工业自动化仪表，都不能达到预期的调节效果。

被调参数的选择是与生产工艺密切相关的。我们知道，影响一个生产过程正常操作的因素是很多的，但并非所有影响因素都要加以自动调节。我们必须深入实际，调查研究，分析工艺，找出影响生产的关键参数作为被调参数。关键参数即对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用，而人工操作又难以满足要求的；或者虽然人工操作可以满足要求，然而，这种操作是即紧张而又频繁的。

例如：要对一个生产饱和蒸汽的锅炉蒸汽质量进行调节。有三种方案：

（1）P（压力）与T（温度）皆为被调参数；

（2）T为被调参数；

（3）P为被调参数。

为了使所选的方案最为合理，必须深入了解工艺，首先弄清表征饱和蒸汽的质量指标，P与T之间的联系，是否是独立变量，若为独立变量则应选取两个参数，否则则可取其中一个参数。如图2-7-7

所示，应用物料化学中的相律关系进行鉴别。

F ＝C －P ＋2

式中 F ——自由度。

C ——组分度。

P ——相数。

作为饱和蒸汽，实质上存在着气、液两相，即P ＝2.而其组分皆为水，即组分分数C ＝1，所以F ＝1－2＋2＝1。表示饱和蒸汽的自由度为1，或者说独立变量只有1个，所以反映蒸汽质量，不必选两个被调参数，只要选取温度或者压力两者之一就足够了。至于究竟选压力还是温度，可从测量元件时间常数小，元件简单可靠等方面来考虑，以选择压力为宜。

如果不遵循独立被调参数，即为调节系统数的原则，当设计出即有温度，又有压力为被调参数的系统方案，那么这种调节系统将是无法投运的。

假如现在讨论的是过热蒸汽的质量调节，因为蒸汽在过热状态下只存在一个气相，所以根据相律，其自由度为2。在这种情况下把压力与温度都选作被调参数，则是完全必要的。

总的来说，选择被调参数时，一般要遵循下列原则：

（1）被调参数应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺状态，一般都是工艺过程中比较重要的

参数。

（2）被调参数在工艺操作过程中常常要受到一些干扰影响而变化。为维持被调参数的恒定，需要

较频繁的调节。

（3）尽量采用直接指标作为被调参数。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大

时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被调参数。

（4）被调参数应能被测量出来，并且有足够大的灵敏度。

（5）选择被调参数时，必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。

（6）被调参数应是独立可调的。

2.3调节参数的选择

当对象的被调参数被选定后，下一步是如何构成简单调节回路，选择什么调节参数去克服干扰对被调参数的影响。为此设计调节回路时，要认真分析各种干扰，深入研究对象特性，

正确地选择被调参数。

（a ）饱和蒸汽 （b ）过热蒸汽 图2-7-7 饱和蒸汽与过热蒸汽

干扰是影响调节系统平稳运行的破坏因素，调节参数则是克服干扰影响，使调节系统正常运行的积极因素。没有干扰就不需要调节；干扰和调节是互相矛盾的，对立的，只要合理地克服干扰影响，使被调参数回复到给定值。

一般来说，选择调节参数的原则是：

（1）首先要考虑工艺上的合理性，除物料平衡调节外，应避免用主物料流量为调节参数，调节参数应有克服干扰影响的校正能力。

（2）调节参数应是可控的，即工艺上允许调节的参数。

（3）调节参数一般应比其他干扰对被调参数的影响更加灵敏。为此，应通过合理选择调节参数，使调节通道的放大倍数适当大，时间常数适当小，滞后时间尽量小。为使其他干扰对被调参

数的影响减小，应使干扰通道的放大倍数尽可能小，时间常数尽可能大。

干扰通道与调节通道如图2-7-8所示。

图2-7-8 干扰通道与调节通道示意图

2.4简单控制系统的投运及调节器的参数的整定

1.简单控制系统的投运

所谓控制系统的投运，是指当系统设计、安装就绪，或者经过停车检修之后，使控制系统投入使用的过程。要使控制系统顺利地投入运行，首先必须保证整个系统的每一个组成环节都处于完好的待命状态。这就要求操作人员（包括仪表人员）在系统投运之前，对控制系统的各种装置、连接管线、供气、供电等情况进行全面检查。同时要求操作人员掌握工艺流程，熟悉控制方案，了解设计意图，明确控制目的与指标，懂得主要设备的功能，以及所用仪表的工作原理和操作技术等。

简单控制系统的投运步骤如下。

（1）现场手动操作简单控制系统的构成如图2-7-9所示。先将切断阀1和阀2关闭，手动操作旁通阀3，待工况稳定后，可以转入手动遥控调节。

（2）手动遥控 由手动操作变换为手动遥控的过程是：先将阀1全开，然后慢慢地开大阀2，关小阀3，与此同时，拨动控制器的手操拨盘，逐渐改变调节阀的开度，使被控变量基本不变，直到旁通阀3全关，切断阀2全开为止。待工况稳定后，即被控变量等于或接近设定值后，就可以从手动切换到自动控制。

（3）由手动遥控切换到自动 在进行手动到自动切换前，需将控制器的比例度、积分时间和微分时间置于已整定好的数值上。对于第一次投运的系统，控制器参数可参照表7-1，预置在该类系统控制器参数常见范围的某一数值上。然后观察被控变量是否基本上稳定在设定值或极小偏差，若是，立即把切换开关从手动切换到自动（指无中间平衡类控制器），再继续观察，如被控变量仍然稳定在给定值上，切换成功。如切自动后，被控变量波动剧烈，可反切到手动，重复上述步骤；如果切自动后，被控变量有波动，且不很理想时，可通过控制器的参数整定，使自动控制达到正常运行状态，即被控变量基本上稳定在设定值上或附近，最大偏差不超过工艺允许值。

2.控制器参数的工程整定

通过调节系统的工程整定，使控制器获得最佳参数，即过渡过程要有较好的稳定性与快速性。一般希望调节过程具有较大的衰减比，超调量要小些，调节时间越短越好，又要没有余差。对于定值控制系统，一般希望有4：1的衰减比，即过程曲线振动一个半波就大致稳定。如对象时间常数太大，调整时间太长时，可采用10：1衰减。有了以上最佳标准，就可整定控制器参数在最佳值上。

最常用的工程整定方法有经验法、临界比例度法、衰减曲线法和反应曲线法等。

图2-7-9 精馏塔塔顶温度调节系统原理图

表2-7-1 选择δ、Ti 和T D 的一些规则

（1）临界比例度法 临界比例度法是应用较广的一种整定调节器参数的方法。它的特点是不需要求得被控对象的特性，而直接在闭环情况下进行参数整定。具体整定方法如下：先在纯比例作用下，即将控制器的Ti 放到最大，T D 置于零，逐步地减小比例度δ，直至系统出现等幅振荡为止，记下此时的比例度和振荡周期，分别称作为临界比例度δk 和临界振荡周期Tk ，见图7-10。δk 和Tk 就是控制器参数整定的依据。然后可按表2.7.2中所列的经验算式，分别求出三种不同情况下的控制器最佳参数值。

（2）衰减曲线法 临界比例度法是要使系统产生等幅振荡，还要多次试凑，而用衰减曲线法较为简单，而且可直接求得调节器比例度。衰减曲线法分为4：1和10：1两种。

① 4：1 衰减曲线法：使系统处于纯比例作用下，在达到稳定时，用给定值改变的方法加入阶跃干扰，观察被控变量记录曲线的衰减比，然后逐渐从大到小改变比例度，使其出现4：1的衰减比为止，如图7-11所示。记下此时的比例度δ（4：1衰减比例度）和它的衰减周期Ts 。然后按表7-3的经验公式确定三种不同规律控制下的调节器的最佳参数值。

② 10：1衰减曲线法：有的生产过程，由于采用4：1

的衰减仍嫌振荡太强，则可采用10：1衰减曲线法。

方法同上，使被控变量记录曲线得到10:1的衰减时，

记下这时的比例度δs 和上升时间Ts （见图2-7-12）。

然后再按表2.7.4的经验公式来确定调节器的最佳参

数值。

采用衰减曲线法时必须注意以下几点。

a. 加给定干扰不能太大，要根据工艺操作要求来定，一般 为5％左右（全量程），但也有特殊的情况。

图2-7-10 临界振荡过程

表2-7-2 临界比例度法整定参数的经验算式表 图2-7-11 4：1衰减调节过程曲线

b. 必须在工况稳定的情况下才能加设定干扰，否则得不到较正

确的δs 、Ts 和δs ′、Ym ′。

c. 对于快速反应的系统，如流量、管道压力等控制系统，想

在记录纸上得到理想的4：1曲线是不可能的。此时，通常

以被控变量来回波动两次而达到稳定，就近似地认为4：1

的衰减过程。

（3）经验试凑法 经验法是根据参数整定的实际经验，

对生产上最常见的温度、流量、压力和液位等四大控制系统进

行调节。将调节器参数预先放置在常见范围（见表2.7.5）的某些数值上，然后改变设定值，观察控制系统的过渡过程曲线。如过渡过程曲线不够理想，则按一定的程序改变控制器参数，这样反复凑试，直到获得满意的控制质量为止。

经验凑试法的程序有两种。应用较多的一种是先试凑比例度，再加积分，最后引入微分。

这种凑试法的程序为：先将Ti 置于最大，T D 放在零，比例度δ取表2.7.5中常见范围内的某一数值后，把控制系统投入自动。若过渡过程时间太长，则应减小比例度；若振荡过于剧烈，则应加大比例度，直到取得教满意的过渡过程曲线为止。

引入积分作用时，需将已调好的比例度适当放大10％～20％，然后将积分时间Ti 由大到小不断凑试，直到获得满意的过渡过程。

微分作用最后加入，这时δ可放得比纯比例作用时更小些，积分时间Ti 也可相应的减小些。微分时间T D 一般取（1/3～1/4）Ti ，但也需不断地凑试，使过渡过程时间最短，超调量最小。

另一种凑试法的程序是：先选定某一Ti 和T D ，Ti 取表2.7.5中所列范围内的某个数值，T D 取（1/3～

表2-7-3 4：1衰减曲线法算表 表2-7-4 10：1衰减曲线法算表 图2-7-12 10：1衰减曲线示意图 表2-7-5 各种控制系统PID 参数经验数据表

1/4）Ti，然后对比例度δ进行凑试。若过渡过程不够理想，则可对Ti和T D作适当调整。实践证明，对许多被控对象来说，要达到相近的控制质量，δ、Ti和T D不同数值的组合有很多，因此，这种试凑程序也是可行的。

经验凑试法的几点说明如下。

①表2.7.5中所列的数据是各类控制系统控制器参数的常见范围，但也有特殊情况。例如有的温度控制系统的积分时间长达15分钟以上，有的流量系统的比例度可大到200％左右等。

②凡是δ太大时，都会使被控变量变换缓慢，不能使系统很快达到稳定状态。这两者的区别是：δ过大，曲线漂移较大，变化较不规律（见图2-7-13曲线a）；Ti过大，曲线虽然带有振荡分量，但它漂移在给定值的一边，而且逐渐地靠近给定值，见图2-7-13b曲线。

图2-7-13 两种曲线的比较图2-7-14 三种过渡过程曲线

③凡是δ过小，Ti过小或TD过大，都会使系统剧烈振荡，甚至产生等幅振荡。它们的区别是：Ti过小时，系统振荡的周期较长；TD太大时，振荡周期较短；δ过小时，振荡周期介于上述两者之间，图2-7-14是这三种由于参数整定不当而引起系统等幅振荡的情况。

④等幅振荡不一定都是由于参数整定不当所引起的。例如，阀门定位器、控制器或变送器调校不良，调节阀的传动部分存在间隙，往复泵出口管线的流量等等，都表现为被控变量的等幅振荡。因此，整定参数时必须联系上面这些情况，作出正确判断。

经验法的实质是：看曲线，作分析，调参数，寻最佳，方法简单可靠，对外界干扰比较频繁的控制系统尤为合适，因此，在实际生产中得到了最广泛的应用。

3.复杂控制系统

按控制系统的结构特征分类，控制系统一般又可分为简单控制系统和复杂控制系统两大类。所谓复杂，就相对于简单而言的。凡是多参数，具有两个以上变送器、两个以上控制器或两个以上调节阀组成多回路的自动控制系统，称之为复杂控制系统。

目前常用的复杂控制系统有串级、均匀、比值、前缀－反馈、选择性、分程以及三冲量等，并且随着生产发展的需要和科学技术的进步，又陆续出现了许多其他新型的复杂控制系统。

3.1串级控制系统

串级控制系统是应用最早，效果最好，使用最广泛的一种复杂控制系统。它的特点是两个控制器相串联，主控制器的输出作为副控制器的设定，适用于时间常数及纯滞后较大的被控对象，如加热炉的温度控制等等。

1.串级控制系统的基本概念与方块图

图2-7-15所示为加热炉原油出口温度控制系统。若采用简单温度控制，当负荷发生变化时，由温度变送器、控制器和调节阀组成一个单回路控制系统，去克服由于负荷变化二引起的原油出口温度的波动，以保持出口温度在设定值上。但是，当燃料气压力波动大且频繁时，由于加热炉滞后很大，将引起原油出口温度t 的大幅度波动。为此，先构成一个燃料气压力（或流量）的控制系统（回路Ⅱ），首先稳定燃料气压力（或流量），而把原油出口温度控制器TC 的输出，作为压力控制器PC 的设定值，形成回路Ⅰ，使压力控制器随着原油出口温度控制器的需要而动作，这样就构成了如图中所示的温度－压力串级控制系统。

串级控制系统方块图见图2-7-16。

在这个控制系统中，原油出口温度t 称为主被控变量，简称主变量。调节阀阀后的燃料气压力称为副被控变量，简称为副变量。温度控制称为主控制器，压力控制器称为服控制器。从燃料阀（调节阀）阀后到原油出口温度这个温度对象称为主对象。调节阀阀后压力对象称为副对象。由副控制器、调节阀、副对象、副测量变送器组成的回路称为副回路。而整个串级控制系统包括主对象、主控制器、副回路等效环节和主变量测量变送器，称为主回路，又称主环或外环。

2.串级控制系统的特点

从总体上看，串级控制系统仍是定值控制系统，因此，主被控变量在扰动作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标和类似的形式。但是，串级控制系统在结构上增加了一个随动的副回路，因此，与单回路相比有以下几个特点：

① 对进入副回路的扰动具有较迅速、较强的克服能力；

图2-7-15 加热炉出口温度与燃料气压力串级控制系统

图2-7-16 串级控制系统方块图