第二章 第6节 选择性控制系统
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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
2、参数整定
主控制器：同一般的单回路控制器 副控制器：采用大比例度和长积分时间
3、图2-47 所示不同方案下的过渡过程曲线
例2 加热炉温度控制系统
例3 反应釜温度的阀位控制 系统
例4 蒸汽透平的阀位控制 系统
二、系统分析
1、系统通用框图如图2-45，等价框图如图2-46
从框图上可以看出： 动态时：相当于主控制器Gc1(s)与G01(s)组成简单控制系统 稳态时：VA对应小开度，相当于由Gc2(s)与G02(s)构成的 单回路系统
二、选择性控制系统的基本形式
1、选择器位于两个控制器与一个执行器之间
两个控制器共用一个控制阀。一个控制器在正常情况下工 作，另一个控制器处于开环待命状态，一旦工况不稳定，替 代控制器工作，而正常控制器处于待命开环，两个控制器在 各自工作时，其受控变量是不同的。
例：氨冷器出口温度控制系统如图2-34 例：
（2）控制方案 调节阀选气开阀；TC选正作用；LC选反作用；选择器 性质的选择只与超驰控制器LC有关。液位 ↑，LC输出↓， 要求在选择器中选中，因此是低选器 （3）控制过程 正常情况下，液氨的液位低于极限值，LC的测量值低 于设定值，其输出增加且大于TC的输出，则LS选通TC来控 制， 反之， 选LC来控制
主动量不足时，从动量会随之而变，反之则不行，引入超驰 控制系统 例：如图2-39所示系统 例： 3种物料A、B、C,A为主动量，主动量A不再是来自FC1,而 是来自LS的输出
FC1 LS VPC
VPC是阀位控制器， 其设定值对应一个较大的阀位（如 95%）
（1） B或C有一个供应不足→经过HS→送给VPC, VPC反作用 →VPC输出下降→LS选通VPC来控制A物料的流量 （2） 正常情况下， 则LS选通FC1,仍是定值控制 （3） 积分外反馈，以LS的输出作为外反馈信号
防超限的两种手段： （1）硬保护:参数达第一极限时报警→设法排除故障→若没 有及时排除故障参数会达第二极限→经联锁装置动作→自动 停车 （2）软保护：参数达第一极限时报警→设法排除故障→同 时改变操作方式，以使该超限参数脱离这种极限值为主要控 制目标进行控制，以防止该参数继续超限。这种控制方式是 以降低原有的控制质量为代价，但能继续维持生产，避免停 车。 超驰控制:用于设备软保护的一类选择性控制系统
第六节 选择型控制系统
一、基本原理：
1、定义：
凡是在控制回路中引入选择器的系统都称为选择性控制系统 常用的选择器有低选器（LS）和高选器（HS）
u1 u2 un
HS
u1 u2 u0 un
LS u0
U0=max(u1,u2,…..un)
U0=min(u1,u2,…..un)
2、软保护：
控制系统分类:物料平衡控制，质量控制，极限控 制 极限控制特点：在正常工作下，该参数不会超 极限控制特点： 限，所以不必考虑对它直接控制，而在非正常的工 作情况下，该参数达到极限值，这时要采取有力的 控制手段，避免超限
① 由TT，TC和旁路VA及对象构成主回路，TC直接控制VA 因此系统有良好的动态品质 ② 以VA的阀位信号作为受控变量， 以VPC和VB及对象构成 副控制回路， VPC的设定值对应VA的较小开度，通过合理 的参数整定使它具有缓慢的控制动作，当系统稳定时，保 证VA处于较小开度
VA + 对象 TC + VPC 测量 变送 VB y
此时废品燃料阀开度由u(1+K)来控制，而补充燃料阀全关 当废品燃料不足时: PC输出< u(1+K) ，LS选通PC 输出 uw=umax﹤u(1+K) us=u(1+1/K)-uw (1／K )=[u(1+K)-uw] (1／K)﹥0 此时废品燃料阀开度由umax来控制，而补充燃料阀也打 开，开度由[u(1+K)-uw] (1／K)来控制。 u(1+K) 代表所需要的总的热流量，其中K表示补充燃料 与废品燃料的最大热流量之比 即
TT1 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
பைடு நூலகம்
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
图 2-44
VA VB
ө0
（1）当只考虑旁路流量作为操纵变量时，由于通道动态滞后 小，动态品质好 （2）当采用加热蒸汽作为操纵变量时， 通道时间常数大，控 制不及时，动态品质差 （3）当只考虑动态品质时， 可以设计物料出口温度——物料 旁路流量的单回路，但物料旁路是通过未加热物料和加热物 料在出口混合来实现出口温度控制，造成了热损失，设置旁 路是不合理的，旁路阀全关才是最节能的，所以采用载热体 流量在工艺上更合理。 （4）希望系统既有良好的动态性能， 同时在稳态时使A阀处于 较小的开度上，设计了如图2-44所示系统
2、控制器类型的确定
正常控制器的控制规律选择同简单控制系统 超驰控制器的要选择小比例度的P或PI
3、防积分饱和
当选择器在两个控制器之间切换，如两个控制器采用PI 控制，那么当一个控制器被另一个控制器切换后，它的偏 差依然存在，经过一段时间后，就可能发生积分饱和， 即控制器的输出达到深度饱合 ，就会操作不及时，而且 不能及时切换
5：高压蒸汽的压力控制：选择性 系统实现
第七节 阀位控制系统
一、基本原理
在生产中有时多个操作变量均能影响同一个受控变量。有的 操纵变量具有良好的动态性能，但是静态性能却是比较差的 因而从提高受控变量品质的角度应采用动态性能好的变量， 但是从稳态优化的角度考虑却是不合适的，为了解决这个矛 盾，可采用阀位控制系统 例1：换热器出口温度控制系统 受控变量：换热器出口温度 受控变量： 操纵变量：旁路流量， 操纵变量： 加热蒸汽量
（1）工艺流程： 氨冷器是一个换热设备，它利用液氨汽化需吸收大量热量来 冷却流经管内的物料，工艺要求被冷却物料的出口温度保持 恒定，所以选择出口温度为受控变量，液氨流量为操纵变 量，构成单回路控制系统，这是正常工况下的控制系统。 这个方案实质是采用改变传热面积来控制温度的，为防止液 氨的液位过高，而导致进入后续工序中的氨气带有液态氨， 在原温度控制系统基础上还要增加一个防液位超限的控制系 统。
3、采用多种燃料，并使补充燃料量为最小的选择性 控制
即有几种操纵变量的情况，如高低两种价格的燃料，先燃烧低 价格的 ，后燃烧高价格的
FY1：压力校正计算装置 FY2,FY3,：开方器 FY4：加法器， 输入来自FC和LS的输出 废品燃料控制阀的信号Uw来自LS 补充燃料控制阀的信号Us来自FY4 LS： FY4的输入信号 正常情况下： u(1+K) ＜PC输出，LS选通u(1+K), 即PC 的输出实际上对应废品燃料所能提供的最大流量 umax,如供应不足，压力也会偏低 uw=u(1+K); us=u(1+1/K)-uw(1／K)=0
节水系统流程图
5：高压蒸汽的压力控制：选择性
5：高压蒸汽的压力控制：选择性 控制要求 :
开车时,废热锅炉产生的高压蒸汽通过155 阀减压后 进入中压蒸汽管网,以保持高压蒸汽管网压力稳定; 当KT1501 开车时,随着其转速的提高,155 阀开度逐渐 减小,直至关闭; 正常生产时,155 阀是关闭的,废热锅炉产生的高压蒸 汽全部进入KT1501 ; 当KT1501/ K1501事故停车时, 155 阀应立即打开, 使 原来进入KT1501 的高压蒸汽改由155 阀减压后进入中压 管网
5：高压蒸汽的压力控制：选择性 控制方案：选择性控制的应用
两个调节器， 正常工作时：A调节器工作，155阀全关，通过调速 阀调节PT155 异常时：B调节器工作，155阀先打开到30％开度， 然后按照PID规律控制，
5：高压蒸汽的压力控制：选择性 控制方案：选择性控制的应用
155阀为气关阀;调速阀为气关阀 ； A调节器为反作 用
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
那么若e2=0 ,且系统处于较平稳的情况，则上式为：u2=u1 从而实现了跟踪，一旦偏差e2反向，控制器2的输出信号立 即 会被选上。 不仅实现了防积分饱和还实现了信号跟踪。
四、系统示例
1、具有逻辑规律的比值控制
不仅使两个物料的比值一定，而且通过选择器使得两个流 量的提降先后满足一定的逻辑关系。 例：转化炉的蒸汽/天然气流量比值控制系统 例： 在提量时，应先提蒸汽量，后提天然气流量；在降量时， 先 降天然气流量， 后降蒸汽流量。如图2-38所示 FY1与FY2，开方器；FY3,比值器；FY4,高选器；FY5,低选器 SP，负荷的设定值 SP↑时： FY4选通SP，蒸汽量先提 FY5选通FY1的输出即蒸汽流量作为FC2的设定值，天然 气随蒸汽量逐渐增大
SP↓时： FY5选通SP，天然气先降 FY4选通FY3 的输出，即随天然气流量的变化而成比例 的变化
例：锅炉燃料/空气比值控制系统 例： 压力－燃料油流量串级 燃料油/空气比值 PC: 反作用控制器, 气开阀 负荷增大 → 的设定值 压力下降→ PC输出增加→HS选通PC输出作F2C
2、从动量供应不足时的自动比值控制
2、选择器位于变送器和控制器之间
（1）选择几个受控变量中最高或最低值来进行控制 例：固定反应器的温度控制：为了保证产品质量，应控制其 例： 最高温度，但最高温度会因为某些原因而有所移动，因此将反 应器中各处的温度加以比较，选择其中最高的用于温度的控制. 如图2-35a所示
图2-35：最高值的选取
（2）在几个测量值中选出中间值 例：如图2-5-4所示，系统是从几个测量值选出中间值， 例： 使用了两个HS和两个LS，以实现取中间值的逻辑关系
4、反应器节水系统， 具有选择性控制的分程控制
例：如图2-41所示系统，尽量利用热水槽所供应的循环热水 例： LC2控制：A,B,C三个阀 LC1控制：C，D阀 除氧器液位偏低时：关小B,开大C，再打开A 当凝液储槽液位偏高时：开大C阀，再打开D LY：低选器，尽可能保证C阀处于开启，C阀为气关阀。
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
2、参数整定
主控制器：同一般的单回路控制器 副控制器：采用大比例度和长积分时间
3、图2-47 所示不同方案下的过渡过程曲线
例2 加热炉温度控制系统
例3 反应釜温度的阀位控制 系统
例4 蒸汽透平的阀位控制 系统
二、系统分析
1、系统通用框图如图2-45，等价框图如图2-46
从框图上可以看出： 动态时：相当于主控制器Gc1(s)与G01(s)组成简单控制系统 稳态时：VA对应小开度，相当于由Gc2(s)与G02(s)构成的 单回路系统
二、选择性控制系统的基本形式
1、选择器位于两个控制器与一个执行器之间
两个控制器共用一个控制阀。一个控制器在正常情况下工 作，另一个控制器处于开环待命状态，一旦工况不稳定，替 代控制器工作，而正常控制器处于待命开环，两个控制器在 各自工作时，其受控变量是不同的。
例：氨冷器出口温度控制系统如图2-34 例：
（2）控制方案 调节阀选气开阀；TC选正作用；LC选反作用；选择器 性质的选择只与超驰控制器LC有关。液位 ↑，LC输出↓， 要求在选择器中选中，因此是低选器 （3）控制过程 正常情况下，液氨的液位低于极限值，LC的测量值低 于设定值，其输出增加且大于TC的输出，则LS选通TC来控 制， 反之， 选LC来控制
主动量不足时，从动量会随之而变，反之则不行，引入超驰 控制系统 例：如图2-39所示系统 例： 3种物料A、B、C,A为主动量，主动量A不再是来自FC1,而 是来自LS的输出
FC1 LS VPC
VPC是阀位控制器， 其设定值对应一个较大的阀位（如 95%）
（1） B或C有一个供应不足→经过HS→送给VPC, VPC反作用 →VPC输出下降→LS选通VPC来控制A物料的流量 （2） 正常情况下， 则LS选通FC1,仍是定值控制 （3） 积分外反馈，以LS的输出作为外反馈信号
防超限的两种手段： （1）硬保护:参数达第一极限时报警→设法排除故障→若没 有及时排除故障参数会达第二极限→经联锁装置动作→自动 停车 （2）软保护：参数达第一极限时报警→设法排除故障→同 时改变操作方式，以使该超限参数脱离这种极限值为主要控 制目标进行控制，以防止该参数继续超限。这种控制方式是 以降低原有的控制质量为代价，但能继续维持生产，避免停 车。 超驰控制:用于设备软保护的一类选择性控制系统
第六节 选择型控制系统
一、基本原理：
1、定义：
凡是在控制回路中引入选择器的系统都称为选择性控制系统 常用的选择器有低选器（LS）和高选器（HS）
u1 u2 un
HS
u1 u2 u0 un
LS u0
U0=max(u1,u2,…..un)
U0=min(u1,u2,…..un)
2、软保护：
控制系统分类:物料平衡控制，质量控制，极限控 制 极限控制特点：在正常工作下，该参数不会超 极限控制特点： 限，所以不必考虑对它直接控制，而在非正常的工 作情况下，该参数达到极限值，这时要采取有力的 控制手段，避免超限
① 由TT，TC和旁路VA及对象构成主回路，TC直接控制VA 因此系统有良好的动态品质 ② 以VA的阀位信号作为受控变量， 以VPC和VB及对象构成 副控制回路， VPC的设定值对应VA的较小开度，通过合理 的参数整定使它具有缓慢的控制动作，当系统稳定时，保 证VA处于较小开度
VA + 对象 TC + VPC 测量 变送 VB y
此时废品燃料阀开度由u(1+K)来控制，而补充燃料阀全关 当废品燃料不足时: PC输出< u(1+K) ，LS选通PC 输出 uw=umax﹤u(1+K) us=u(1+1/K)-uw (1／K )=[u(1+K)-uw] (1／K)﹥0 此时废品燃料阀开度由umax来控制，而补充燃料阀也打 开，开度由[u(1+K)-uw] (1／K)来控制。 u(1+K) 代表所需要的总的热流量，其中K表示补充燃料 与废品燃料的最大热流量之比 即
TT1 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
பைடு நூலகம்
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
图 2-44
VA VB
ө0
（1）当只考虑旁路流量作为操纵变量时，由于通道动态滞后 小，动态品质好 （2）当采用加热蒸汽作为操纵变量时， 通道时间常数大，控 制不及时，动态品质差 （3）当只考虑动态品质时， 可以设计物料出口温度——物料 旁路流量的单回路，但物料旁路是通过未加热物料和加热物 料在出口混合来实现出口温度控制，造成了热损失，设置旁 路是不合理的，旁路阀全关才是最节能的，所以采用载热体 流量在工艺上更合理。 （4）希望系统既有良好的动态性能， 同时在稳态时使A阀处于 较小的开度上，设计了如图2-44所示系统
2、控制器类型的确定
正常控制器的控制规律选择同简单控制系统 超驰控制器的要选择小比例度的P或PI
3、防积分饱和
当选择器在两个控制器之间切换，如两个控制器采用PI 控制，那么当一个控制器被另一个控制器切换后，它的偏 差依然存在，经过一段时间后，就可能发生积分饱和， 即控制器的输出达到深度饱合 ，就会操作不及时，而且 不能及时切换
5：高压蒸汽的压力控制：选择性 系统实现
第七节 阀位控制系统
一、基本原理
在生产中有时多个操作变量均能影响同一个受控变量。有的 操纵变量具有良好的动态性能，但是静态性能却是比较差的 因而从提高受控变量品质的角度应采用动态性能好的变量， 但是从稳态优化的角度考虑却是不合适的，为了解决这个矛 盾，可采用阀位控制系统 例1：换热器出口温度控制系统 受控变量：换热器出口温度 受控变量： 操纵变量：旁路流量， 操纵变量： 加热蒸汽量
（1）工艺流程： 氨冷器是一个换热设备，它利用液氨汽化需吸收大量热量来 冷却流经管内的物料，工艺要求被冷却物料的出口温度保持 恒定，所以选择出口温度为受控变量，液氨流量为操纵变 量，构成单回路控制系统，这是正常工况下的控制系统。 这个方案实质是采用改变传热面积来控制温度的，为防止液 氨的液位过高，而导致进入后续工序中的氨气带有液态氨， 在原温度控制系统基础上还要增加一个防液位超限的控制系 统。
3、采用多种燃料，并使补充燃料量为最小的选择性 控制
即有几种操纵变量的情况，如高低两种价格的燃料，先燃烧低 价格的 ，后燃烧高价格的
FY1：压力校正计算装置 FY2,FY3,：开方器 FY4：加法器， 输入来自FC和LS的输出 废品燃料控制阀的信号Uw来自LS 补充燃料控制阀的信号Us来自FY4 LS： FY4的输入信号 正常情况下： u(1+K) ＜PC输出，LS选通u(1+K), 即PC 的输出实际上对应废品燃料所能提供的最大流量 umax,如供应不足，压力也会偏低 uw=u(1+K); us=u(1+1/K)-uw(1／K)=0
节水系统流程图
5：高压蒸汽的压力控制：选择性
5：高压蒸汽的压力控制：选择性 控制要求 :
开车时,废热锅炉产生的高压蒸汽通过155 阀减压后 进入中压蒸汽管网,以保持高压蒸汽管网压力稳定; 当KT1501 开车时,随着其转速的提高,155 阀开度逐渐 减小,直至关闭; 正常生产时,155 阀是关闭的,废热锅炉产生的高压蒸 汽全部进入KT1501 ; 当KT1501/ K1501事故停车时, 155 阀应立即打开, 使 原来进入KT1501 的高压蒸汽改由155 阀减压后进入中压 管网
5：高压蒸汽的压力控制：选择性 控制方案：选择性控制的应用
两个调节器， 正常工作时：A调节器工作，155阀全关，通过调速 阀调节PT155 异常时：B调节器工作，155阀先打开到30％开度， 然后按照PID规律控制，
5：高压蒸汽的压力控制：选择性 控制方案：选择性控制的应用
155阀为气关阀;调速阀为气关阀 ； A调节器为反作 用
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
那么若e2=0 ,且系统处于较平稳的情况，则上式为：u2=u1 从而实现了跟踪，一旦偏差e2反向，控制器2的输出信号立 即 会被选上。 不仅实现了防积分饱和还实现了信号跟踪。
四、系统示例
1、具有逻辑规律的比值控制
不仅使两个物料的比值一定，而且通过选择器使得两个流 量的提降先后满足一定的逻辑关系。 例：转化炉的蒸汽/天然气流量比值控制系统 例： 在提量时，应先提蒸汽量，后提天然气流量；在降量时， 先 降天然气流量， 后降蒸汽流量。如图2-38所示 FY1与FY2，开方器；FY3,比值器；FY4,高选器；FY5,低选器 SP，负荷的设定值 SP↑时： FY4选通SP，蒸汽量先提 FY5选通FY1的输出即蒸汽流量作为FC2的设定值，天然 气随蒸汽量逐渐增大
SP↓时： FY5选通SP，天然气先降 FY4选通FY3 的输出，即随天然气流量的变化而成比例 的变化
例：锅炉燃料/空气比值控制系统 例： 压力－燃料油流量串级 燃料油/空气比值 PC: 反作用控制器, 气开阀 负荷增大 → 的设定值 压力下降→ PC输出增加→HS选通PC输出作F2C
2、从动量供应不足时的自动比值控制
2、选择器位于变送器和控制器之间
（1）选择几个受控变量中最高或最低值来进行控制 例：固定反应器的温度控制：为了保证产品质量，应控制其 例： 最高温度，但最高温度会因为某些原因而有所移动，因此将反 应器中各处的温度加以比较，选择其中最高的用于温度的控制. 如图2-35a所示
图2-35：最高值的选取
（2）在几个测量值中选出中间值 例：如图2-5-4所示，系统是从几个测量值选出中间值， 例： 使用了两个HS和两个LS，以实现取中间值的逻辑关系
4、反应器节水系统， 具有选择性控制的分程控制
例：如图2-41所示系统，尽量利用热水槽所供应的循环热水 例： LC2控制：A,B,C三个阀 LC1控制：C，D阀 除氧器液位偏低时：关小B,开大C，再打开A 当凝液储槽液位偏高时：开大C阀，再打开D LY：低选器，尽可能保证C阀处于开启，C阀为气关阀。