分程与选择控制系统
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制器有积分作用，就会产生积分饱和现象。
第三节
2、选择性控制系统
防止积分饱和 1）PI-P法，对于电动控制器，当其输出在某一极限内，具有PI作 用；当超过这一极限时则为存比例作用，可避免积分饱和。 2）外反馈法 采用外部信号作为控制器的积分反馈信号。
第三节
2、选择性控制系统
如图所示，选择性控制系统的两个比例积分控制器输出分别为P1、P2，通
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。
第三节
2、选择性控制系统
构成选择性系统应具备两方面: 一是：生产操作上有一定的选择性规律； 二是：组成控制系统的各个环节中，必须包含具有选择性功能的选 择单元。
取代测量变送
一、连续型选择性控制系统 1、选择器位于两个
r2
+
设定值
_ 取代控制器
以内时，系统才自动重新恢复到之前的连续控制。
第三节
2、选择性控制系统
三、选择性控制系统的设计 步骤: 1）从安全角度考虑，确定控制阀的气开和气关类型； 2）确定正常工况和取代工况时的对象特性，即放大倍数的
正、负； 3）确定正常控制器和取代控制器的正、反作用；
4）根据取代控制器的输出信号类型，确定选择器是高选器还 是低选器；
第三节
1、分程控制系统
分程控制系统就控制阀的气开、气关形式可分为两类： 一类是控制阀同向动作。两个控制阀同为气开式或同为气关式，
100%
阀开度
A
阀开度
100%
B
A
B B
A
B
0
20
60 控 制 阀 输 出 /kP a a
100
0
A
20 60 控 制 阀 输 出 /kP a b 100
第三节
1、分程控制系统
第三节
2、选择性控制系统
取代测量变送 _
四、积分饱和及其防止
r2 +
产生积分饱和有三个条件: 1.控制器具有积分作用；
设定值
取代控制器
y
选择器 控制阀 过程
r1 +
设定值
_
正常控制器
2.控制器处于开环工作状态， 既其输出没有被送往控制阀； 3.控制器的输入偏差信号一直存在。
正常测量变送
在选择性控制系统中，总有一个控制器处于开环状态，若此控
60 控 制 阀 输 出 /k P a a
100
0
100
第三节
1、分程控制系统
100%
阀开度
二、分程控制的应用场合
A
（1）用于节能
热物料 TC TT
A
B B
0
20
60 控 制 阀 输 出 /k P a a W c(s)
W
vA ( 1 0 0 s)
R (s)
热水 蒸汽
+
_
W
A为——阀，B为——阀 W vB (s) Z (s) e=z-r 制器正反作用？
经自动切换，蒸汽压力控制系统重新恢复运行。
第三节
2、选择性控制系统
2、选择器位于控制器之前 特点：
r +
设定值
y
控制器 _ 控制阀 过程3 过程2 过程1
多个变送器共用一个
控制器，选择器位于控制 器之前，对变送器的输出
选择器 测量变送3
测量变送2
信号进行选择。其用途主
要有两个:
测量变送1
一是选出几个检测变送信号的最高或最低信号用于控制，即竞争 控制系统。
B
A
20 60 控 制 阀 输 出 /k P a a 100
4 0
A
20 60 控 制 阀 输 出 /k P a b 100
第三节
1、分程控制系统
另外，控制阀的泄漏量大小是实现分程控制的一个很重要的问题。选用 的控制阀应不泄漏或泄漏量极小，尤其是大、小阀并联工作，若大阀泄漏量 过大，小阀将不能充分发挥其控制作用，甚至起不到控制作用。
（4）用于不同工况下的控制
T T T C
A
釜式间歇反应器温度分成控制系统
第三节
1、分程控制系统
1）确定阀的类型 从安全的角度考虑，冷水阀A选择气关式，蒸汽阀B选择气开式 2）控制器正反作用 该系统中，温度控制器应为反作用。 3）确定分程区间
100%
e=z-r 制器反作用
e↓ 则 e↑则 u↑ u↓
过程处于相对安全的状态。 缺点:这种硬保护措施经常使生产停车，造成较大的经济损失。
第三节
软保护措施:
2、选择性控制系统
通过一个特定设计的自动选择性控制系统，当生产短期内处于不正常 工况时，既不使设备停车又起到对生产进行自动保护的目的。 用一个控制不安全情况的控制方案自动取代正常生产情况下工作的控 制方案，用取代控制器代替正常控制器，直至使生产过程重新恢复正常， 而后又使原来的控制方案重新恢复工作，用正常控制器代替取代控制器。 通常系统中设有两个控制器（或两个以上的变送器），通过选择器选
控制器的输出端
r1 +
设定值
y
选择器 控制阀 过程
_
正常控制器
正常测量变送
第三节
锅炉为例
2、选择性控制系统
蒸汽 汽鼓 P 1T
e=z-r 制器反作用
P 1C
a
P 2C 炉膛 P 2T 水
e↓ 则 e↑则
u↑ u↓
b
LS
天然气
图2-5-32 压力选择性控制系统
第三节
2、选择性控制系统
正常情况下，通过控制燃料量来保证蒸汽压力的稳定。 当蒸汽用量增加时，蒸汽压力就会下降，为保证蒸汽压力不变，
第三节
1、分程控制系统
2、采用分程信号重叠法。
使两个阀有部分区段重叠的控制器输出信号，这样不等到小阀全开，大 阀就已渐开。
100 100 75
q /m 3 /h
B A
q /m 3 /h
10 4 B 2 1 A
50 25
B A
20 60 控 制 阀 输 出 /k P a b
0
A
B
20
另一类是控制阀异向动作。两个控制阀一个为气开式，一个为气关 式。
B A
阀开度
100%
阀开度
100%
A
B
A
B
0
20
60 控 制 阀 输 出 /kP a a
100
0
B
20 60
A
100
控 制 阀 输 出 /kP a b
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。
第三节
1、分程控制系统
第三节
1、分程控制系统
第三节
1、分程控制系统
T T T C
蒸汽 冷水
图2-5-30 釜式间歇反应器温度分程控制系统
第三节
一、概述
1、分程控制系统
前面介绍的控制系统中，通常是一个控制器的输出只用来控制一个
控制阀，一般工作在较小的工作区域内，在系统出现较小的干扰时可以
达到较好的控制效果。 如果系统的工作条件不满足于较小调节范围或系统受到较大干扰甚 至出现事故时，系统的控制质量就可能满足不了生产过程的控制要求。 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
第三节
2、选择性控制系统
从安全角度考虑，燃料气控制阀应为气开式。 正常情况下，燃料气压力低于给定值，由于P2C是反作用，其输出a 将是高信号，而蒸汽压力控制器P1C的输出b则为低信号。此时，低选器 选中b信号来控制阀,使蒸汽压力满足工艺要求。 而当燃料气压力上升到超过脱火压力时，由于P2C是反作用，其输出 a将是低信号，a被低选器选中，这样便取代了蒸汽压力控制器，防止脱 火现象的发生,其结果是控制阀的开度关小，阀后压力下降，起到自动保 护的作用。 当燃料气压力恢复正常时，蒸汽压力控制器P1C的输出b又成为低信号，
第三节
1、分程控制系统
分程控制中，控制阀流量特性的选择非常重要，为使总的流量特性 比较平滑，一般考虑如下措施：
1、尽量选用对数控制阀，除非控制阀范围扩展不大时（此时两个控
制阀的流通能力很接近）可选用线性阀。
100 75 100 75
q /m 3 /h
50 25 4 0
B
q /m 3 /h
50 25
阀开度
A
B
100
0
B
20 60
A
100
控 制 阀 输 出 /k P a b
第三节
2、选择性控制系统
一类是硬保护措施 一类是软保护措施
非正常工况时的控制系统安全保护性措施有两类：
硬保护措施： 就是联锁保护系统，当生产工况超出一定范围时，联锁保护系统采取
一系列相应的措施，如有声和光警报产生、自动到手动、联锁等，使生产
必须在增加供水量的同时，相应地增加燃料气量。
然而，燃料气的压力也随燃料气量的增加而升高，当燃料气压力 过高超过某一安全极限时，会产生脱火现象。一旦脱火现象发生，燃 烧室内由于积存大量燃料气与空气的混合物，会有爆炸的危险。 锅炉控制系统中常采用蒸汽压力与燃料气压力的选择性控制系统，
以防止脱火现象产生。
a
b
第三节
1、分程控制系统
e=z-r 制器正反作用？ e↓ 则
放空 PC
阀A为气开、阀B为气关。控制器反作用
u↑
e↑则
A N
PT
u↓
B
2
100%
阀开度
B
A
N
2
0
20
60 控 制 阀 输 出 /k P a
100
a
b
第三节
1、分程控制系统
1）确定阀的类型 2）控制器正反作用 3）确定分程区间
B
蒸汽 冷水
p2 K
1 e2 c2 TI 2
e1 d t
二是为防仪表故障造成事故，对同一检测点采用多个仪表测量，选
出可靠的测量值，即冗余系统。
第三节
2、选择性控制系统
冗余系统
竞争控制系统
第三节
2、选择性控制系统
二、开关型选择性控制系统 这种控制系统一般有两个可供选择的变量。 一个变量是工艺操作的主要技术指标，另一个变量只在工艺上对 其有一限值要求，只要不超出该限值，就能保证生产的正常进行。因 此，正常情况下就按照影响生产的主要变量来进行连续控制。 一旦另一变量达到极限要求时，为了防止事故的发生，选择性控 制系统将通过专门的装置（电接点、信号器、切换器等）切断主要变 量控制器的输出，而将控制阀迅速打开或关闭，直到该变量回到限值
过选择器选中其中之一送至控制阀，送往控制阀的信号又同时引回到两个控 制器的积分环节。假设P1<P2.
1 p 1 K c1 e1 e1 d t T I1
给定1 PI 控制器 测量1 1 积分外反馈 PI 控制器 2 给定1
p1
LS
测量1
p2
图2-5-33 积分外反馈原理示意图
为了实现分程控制，一般需要在每个控制阀上引入阀门定位器。
p1
100%
阀开度
A
阀开度
100%
B
A
B B
A 位置 反馈
0
B
p0
控制器
气源
定位器
A
0Fra Baidu bibliotek
20
60 控 制 阀 输 出 /k P a a
100
20
60 控 制 阀 输 出 /k P a
100
阀门定位器功能示意图 b
阀门定位器相当于一台放大系数可变且零点可调的放大器。借助于 它对信号的转换功能，多个控制阀在分别接受控制器输出的不同信号段 后，均被调整为0.02MPa～0.1MPa，使之走完全行程。
控制，有效地提高了过程控制系统的控制能力。
第三节
1、分程控制系统
调节阀A
r +
设定值
y
_ 控制器 调节阀B 过程
z
温度变送器
例如: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。
因此两阀组合在一起的可调范围将扩大到
R 104 0 . 134 780 30
第三节
1、分程控制系统
（3）用于保证生产过程的安全和稳定 采用氮封技术的工艺要求是保持贮罐内的氮气压力为微正压。 阀A、B为气开，气关方式？控制器正反作用？
放空 PC
B
A
N
PT
2
100%
阀开度
B
A
N
2
0
20
60 控 制 阀 输 出 /k P a
Kv
A max
4 , Kv
B max
100
且两阀的可调范围相等，即
R R
A
R B 30
第三节
1、分程控制系统
忽略大阀的泄漏量，当采用分程控制后，其最小流通能力为：
Kv
最大流通能力为：
min
4 30
0 . 134
C max C A max C B max 4 100 104
A B
e↓ 则 e↑则
冷物料 a
u↑ u↓ W
m
(s)
b
第三节
1、分程控制系统
（2）用于扩大控制阀的可调范围，以改善控制品质。 控制阀有一个重要指标是阀的可调范围R，即
Kv Kv
max min
R＝
式中 Kvmax——阀的最大流通能力；
Kvmin——阀的最小流通能力；
第三节
1、分程控制系统
图中，若
第三节
2、选择性控制系统
防止积分饱和 1）PI-P法，对于电动控制器，当其输出在某一极限内，具有PI作 用；当超过这一极限时则为存比例作用，可避免积分饱和。 2）外反馈法 采用外部信号作为控制器的积分反馈信号。
第三节
2、选择性控制系统
如图所示，选择性控制系统的两个比例积分控制器输出分别为P1、P2，通
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。
第三节
2、选择性控制系统
构成选择性系统应具备两方面: 一是：生产操作上有一定的选择性规律； 二是：组成控制系统的各个环节中，必须包含具有选择性功能的选 择单元。
取代测量变送
一、连续型选择性控制系统 1、选择器位于两个
r2
+
设定值
_ 取代控制器
以内时，系统才自动重新恢复到之前的连续控制。
第三节
2、选择性控制系统
三、选择性控制系统的设计 步骤: 1）从安全角度考虑，确定控制阀的气开和气关类型； 2）确定正常工况和取代工况时的对象特性，即放大倍数的
正、负； 3）确定正常控制器和取代控制器的正、反作用；
4）根据取代控制器的输出信号类型，确定选择器是高选器还 是低选器；
第三节
1、分程控制系统
分程控制系统就控制阀的气开、气关形式可分为两类： 一类是控制阀同向动作。两个控制阀同为气开式或同为气关式，
100%
阀开度
A
阀开度
100%
B
A
B B
A
B
0
20
60 控 制 阀 输 出 /kP a a
100
0
A
20 60 控 制 阀 输 出 /kP a b 100
第三节
1、分程控制系统
第三节
2、选择性控制系统
取代测量变送 _
四、积分饱和及其防止
r2 +
产生积分饱和有三个条件: 1.控制器具有积分作用；
设定值
取代控制器
y
选择器 控制阀 过程
r1 +
设定值
_
正常控制器
2.控制器处于开环工作状态， 既其输出没有被送往控制阀； 3.控制器的输入偏差信号一直存在。
正常测量变送
在选择性控制系统中，总有一个控制器处于开环状态，若此控
60 控 制 阀 输 出 /k P a a
100
0
100
第三节
1、分程控制系统
100%
阀开度
二、分程控制的应用场合
A
（1）用于节能
热物料 TC TT
A
B B
0
20
60 控 制 阀 输 出 /k P a a W c(s)
W
vA ( 1 0 0 s)
R (s)
热水 蒸汽
+
_
W
A为——阀，B为——阀 W vB (s) Z (s) e=z-r 制器正反作用？
经自动切换，蒸汽压力控制系统重新恢复运行。
第三节
2、选择性控制系统
2、选择器位于控制器之前 特点：
r +
设定值
y
控制器 _ 控制阀 过程3 过程2 过程1
多个变送器共用一个
控制器，选择器位于控制 器之前，对变送器的输出
选择器 测量变送3
测量变送2
信号进行选择。其用途主
要有两个:
测量变送1
一是选出几个检测变送信号的最高或最低信号用于控制，即竞争 控制系统。
B
A
20 60 控 制 阀 输 出 /k P a a 100
4 0
A
20 60 控 制 阀 输 出 /k P a b 100
第三节
1、分程控制系统
另外，控制阀的泄漏量大小是实现分程控制的一个很重要的问题。选用 的控制阀应不泄漏或泄漏量极小，尤其是大、小阀并联工作，若大阀泄漏量 过大，小阀将不能充分发挥其控制作用，甚至起不到控制作用。
（4）用于不同工况下的控制
T T T C
A
釜式间歇反应器温度分成控制系统
第三节
1、分程控制系统
1）确定阀的类型 从安全的角度考虑，冷水阀A选择气关式，蒸汽阀B选择气开式 2）控制器正反作用 该系统中，温度控制器应为反作用。 3）确定分程区间
100%
e=z-r 制器反作用
e↓ 则 e↑则 u↑ u↓
过程处于相对安全的状态。 缺点:这种硬保护措施经常使生产停车，造成较大的经济损失。
第三节
软保护措施:
2、选择性控制系统
通过一个特定设计的自动选择性控制系统，当生产短期内处于不正常 工况时，既不使设备停车又起到对生产进行自动保护的目的。 用一个控制不安全情况的控制方案自动取代正常生产情况下工作的控 制方案，用取代控制器代替正常控制器，直至使生产过程重新恢复正常， 而后又使原来的控制方案重新恢复工作，用正常控制器代替取代控制器。 通常系统中设有两个控制器（或两个以上的变送器），通过选择器选
控制器的输出端
r1 +
设定值
y
选择器 控制阀 过程
_
正常控制器
正常测量变送
第三节
锅炉为例
2、选择性控制系统
蒸汽 汽鼓 P 1T
e=z-r 制器反作用
P 1C
a
P 2C 炉膛 P 2T 水
e↓ 则 e↑则
u↑ u↓
b
LS
天然气
图2-5-32 压力选择性控制系统
第三节
2、选择性控制系统
正常情况下，通过控制燃料量来保证蒸汽压力的稳定。 当蒸汽用量增加时，蒸汽压力就会下降，为保证蒸汽压力不变，
第三节
1、分程控制系统
2、采用分程信号重叠法。
使两个阀有部分区段重叠的控制器输出信号，这样不等到小阀全开，大 阀就已渐开。
100 100 75
q /m 3 /h
B A
q /m 3 /h
10 4 B 2 1 A
50 25
B A
20 60 控 制 阀 输 出 /k P a b
0
A
B
20
另一类是控制阀异向动作。两个控制阀一个为气开式，一个为气关 式。
B A
阀开度
100%
阀开度
100%
A
B
A
B
0
20
60 控 制 阀 输 出 /kP a a
100
0
B
20 60
A
100
控 制 阀 输 出 /kP a b
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。
第三节
1、分程控制系统
第三节
1、分程控制系统
第三节
1、分程控制系统
T T T C
蒸汽 冷水
图2-5-30 釜式间歇反应器温度分程控制系统
第三节
一、概述
1、分程控制系统
前面介绍的控制系统中，通常是一个控制器的输出只用来控制一个
控制阀，一般工作在较小的工作区域内，在系统出现较小的干扰时可以
达到较好的控制效果。 如果系统的工作条件不满足于较小调节范围或系统受到较大干扰甚 至出现事故时，系统的控制质量就可能满足不了生产过程的控制要求。 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
第三节
2、选择性控制系统
从安全角度考虑，燃料气控制阀应为气开式。 正常情况下，燃料气压力低于给定值，由于P2C是反作用，其输出a 将是高信号，而蒸汽压力控制器P1C的输出b则为低信号。此时，低选器 选中b信号来控制阀,使蒸汽压力满足工艺要求。 而当燃料气压力上升到超过脱火压力时，由于P2C是反作用，其输出 a将是低信号，a被低选器选中，这样便取代了蒸汽压力控制器，防止脱 火现象的发生,其结果是控制阀的开度关小，阀后压力下降，起到自动保 护的作用。 当燃料气压力恢复正常时，蒸汽压力控制器P1C的输出b又成为低信号，
第三节
1、分程控制系统
分程控制中，控制阀流量特性的选择非常重要，为使总的流量特性 比较平滑，一般考虑如下措施：
1、尽量选用对数控制阀，除非控制阀范围扩展不大时（此时两个控
制阀的流通能力很接近）可选用线性阀。
100 75 100 75
q /m 3 /h
50 25 4 0
B
q /m 3 /h
50 25
阀开度
A
B
100
0
B
20 60
A
100
控 制 阀 输 出 /k P a b
第三节
2、选择性控制系统
一类是硬保护措施 一类是软保护措施
非正常工况时的控制系统安全保护性措施有两类：
硬保护措施： 就是联锁保护系统，当生产工况超出一定范围时，联锁保护系统采取
一系列相应的措施，如有声和光警报产生、自动到手动、联锁等，使生产
必须在增加供水量的同时，相应地增加燃料气量。
然而，燃料气的压力也随燃料气量的增加而升高，当燃料气压力 过高超过某一安全极限时，会产生脱火现象。一旦脱火现象发生，燃 烧室内由于积存大量燃料气与空气的混合物，会有爆炸的危险。 锅炉控制系统中常采用蒸汽压力与燃料气压力的选择性控制系统，
以防止脱火现象产生。
a
b
第三节
1、分程控制系统
e=z-r 制器正反作用？ e↓ 则
放空 PC
阀A为气开、阀B为气关。控制器反作用
u↑
e↑则
A N
PT
u↓
B
2
100%
阀开度
B
A
N
2
0
20
60 控 制 阀 输 出 /k P a
100
a
b
第三节
1、分程控制系统
1）确定阀的类型 2）控制器正反作用 3）确定分程区间
B
蒸汽 冷水
p2 K
1 e2 c2 TI 2
e1 d t
二是为防仪表故障造成事故，对同一检测点采用多个仪表测量，选
出可靠的测量值，即冗余系统。
第三节
2、选择性控制系统
冗余系统
竞争控制系统
第三节
2、选择性控制系统
二、开关型选择性控制系统 这种控制系统一般有两个可供选择的变量。 一个变量是工艺操作的主要技术指标，另一个变量只在工艺上对 其有一限值要求，只要不超出该限值，就能保证生产的正常进行。因 此，正常情况下就按照影响生产的主要变量来进行连续控制。 一旦另一变量达到极限要求时，为了防止事故的发生，选择性控 制系统将通过专门的装置（电接点、信号器、切换器等）切断主要变 量控制器的输出，而将控制阀迅速打开或关闭，直到该变量回到限值
过选择器选中其中之一送至控制阀，送往控制阀的信号又同时引回到两个控 制器的积分环节。假设P1<P2.
1 p 1 K c1 e1 e1 d t T I1
给定1 PI 控制器 测量1 1 积分外反馈 PI 控制器 2 给定1
p1
LS
测量1
p2
图2-5-33 积分外反馈原理示意图
为了实现分程控制，一般需要在每个控制阀上引入阀门定位器。
p1
100%
阀开度
A
阀开度
100%
B
A
B B
A 位置 反馈
0
B
p0
控制器
气源
定位器
A
0Fra Baidu bibliotek
20
60 控 制 阀 输 出 /k P a a
100
20
60 控 制 阀 输 出 /k P a
100
阀门定位器功能示意图 b
阀门定位器相当于一台放大系数可变且零点可调的放大器。借助于 它对信号的转换功能，多个控制阀在分别接受控制器输出的不同信号段 后，均被调整为0.02MPa～0.1MPa，使之走完全行程。
控制，有效地提高了过程控制系统的控制能力。
第三节
1、分程控制系统
调节阀A
r +
设定值
y
_ 控制器 调节阀B 过程
z
温度变送器
例如: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。
因此两阀组合在一起的可调范围将扩大到
R 104 0 . 134 780 30
第三节
1、分程控制系统
（3）用于保证生产过程的安全和稳定 采用氮封技术的工艺要求是保持贮罐内的氮气压力为微正压。 阀A、B为气开，气关方式？控制器正反作用？
放空 PC
B
A
N
PT
2
100%
阀开度
B
A
N
2
0
20
60 控 制 阀 输 出 /k P a
Kv
A max
4 , Kv
B max
100
且两阀的可调范围相等，即
R R
A
R B 30
第三节
1、分程控制系统
忽略大阀的泄漏量，当采用分程控制后，其最小流通能力为：
Kv
最大流通能力为：
min
4 30
0 . 134
C max C A max C B max 4 100 104
A B
e↓ 则 e↑则
冷物料 a
u↑ u↓ W
m
(s)
b
第三节
1、分程控制系统
（2）用于扩大控制阀的可调范围，以改善控制品质。 控制阀有一个重要指标是阀的可调范围R，即
Kv Kv
max min
R＝
式中 Kvmax——阀的最大流通能力；
Kvmin——阀的最小流通能力；
第三节
1、分程控制系统
图中，若