过程控制系统考试知识点复习和总结终极版

第五章 复杂控制系统（串级、比值、均匀、分程、选择、前馈、双 重控制）
串级控制系统
定义：采用不止一个控制器，而且控制器间相串接，一个控制器的输 出作为另一个控制器的设定值的系统。

Q Q Q
主醍控变量仞是串级控制系烷中要偎持平摆控制的主要被控变■
副険控变S 諷控刮系统的辅助般控畫捷
主控制器的酗出作为副揑帯一詐的设定恒
主技制罂在内郵设定情应下工作.因此是定値控制
謝技制器是在外邮设走情况下工作，此时是匹动控酬 主（烹制）回鬲鼠（控制）回
銘
调节过程:
当燃料气压力或流量波动时，加热炉出口温度还没有变化，因此, 主控制器输出不变，燃料气流量控制器因扰动的影响，使燃料气流量 测量值变化，按定值控制系统的调节过程，副控制器改变控制阀开度， 使燃料气流量稳定。

与此同时，燃料气流量的变化也影响加热炉出口 温度，使主控制器输出，即副控制器的设定变化，畐蛀空制器的设定和 测量的同时变化，进一步加速了控制系统克服扰动的调节过程，使主 被控变量回复到设定值。

当加热炉出口温度和燃料气流量同时变化时， 主控制器通过主环 及时调节副控制器的设定，使燃料气流量变化保持炉温恒定， 而副控 制器一方面接受主控制器的输出信号， 同时，根据燃料气流量测量值 的变化进行调节，使燃料气流量跟踪设定值变化，使燃料气流量能根
据加热炉出口温串级控制系统框图
度及时调整，最终使加热炉出口温度迅速回复到设定值。

特点：
能迅速克服进入副回路扰动的影响
串级控制系统由于副回路的存在，改善了对象特性，提高了工作
频率
串级控制系统的自适应能力
设计：
⑴主、畐U回路
副回路应尽量包含生产过程中主要的、变化剧烈、频繁和幅度大的扰动，并力求包含尽可能多的扰动。

设计副回路应注意工艺上的合理
性；应考虑经济性；注意主、副对象时间常数的匹配
⑵串级控制系统中主、副控制器控制规律
主控制器起定值控制作用，副控制器对主控制器输出起随动控制作用，而对扰动作用起定值控制作用。

主被控变量要求无余差，副被控变量却允许在一定范围内变动。

主控制器可采用比例、积分两作用或比例、积分、微分三作用控制规律，畐蛀空制器单比例作用或比例积分作用控制规律。

⑶主、畐U控制器正、反作用的选择
先依据控制阀的气开、气关形式，副对象的放大倍数，决定副控
制器正反作用方式，即必须使的Kc2KvKp2Km乘积为正值，其中Km2 通常总是正值
主控制器的正、反作用主要取决于主对象的放大倍数，至于控制阀的气开、气关形式不影响主控制器正、反作用的选择，因为控制阀已包含在副
回路内。

应使KcIKpIKm的乘积为正值，通常Km总是正值, 因此主控制器的正、反作用选择应使 KcIKp伪正值。

图5-4所示加热炉出口温度和炉膛温度串级控制系统中控制器正反作
控制阀：从安全角度考虑，选择气开型控制阀，Kv>0；
副被控对象：燃料油流量增加，炉膛温度升高，因此，Kp2>0;
副控制器：为保证负反馈，应满足：Kc2KvKf2Kr2>0。

因Km20;应
选Kc2>0。

即选用反作用控制器；
主被控对象：当炉膛温度升高时，出口温度升高，因此，Kp1>0;
主控制器：为保证负反馈，应满足：Kc1Kp1Km>0。

因Km>0；应选
Kc1>0。

即选用反作用控制器。

调节过程：当扰动或负荷变化使炉膛温度升高时，因副控制器是反作用，因此，控制器输出减小，控制阀是气开型，因此，控制阀开度减小，燃料量减小，使炉膛温度下降；同时，炉膛温度升高，使出口温度升高，通过反作用的主控制器，使副控制器的设定降低，通过副控制回路的调节，减小燃料
量，减低炉膛温度，进而降低出口温度，以保持出口温度恒定。

图5-5所示夹套反应釜进行放热反应，串级控制系统控制器正反作用
控制阀：从安全角度考虑，选择气关型控制阀，Kv<0;
副被控对象：冷却水流量增加，夹套温度下降，因此，Kp2<0;
副控制器：为保证负反馈，应满足：Kc2KvKf2Kr2>0。

因Km20;应
选Kc2>0。

即选用反作用控制器；
主被控对象：当夹套温度升高时，反应釜温度升高，因此，Kp1>0；主控制器：为保证负反馈，应满足：Kc1 Kp1 Kr1>0o因Krrt>0;应选Kc1>0。

即选用反作用控制器。

参数的整定：（逐步逼近法；两步法；一步法）
变型:
米用常规仪表时，为减少仪表投资，米用加法器等运算单兀来实现串级控制系统，以节省控制器的投资。

采用阀门定位器，引入串级控制系统，这时副控制器参数通常不调整。

某大型氨厂引入驰放气作为辅助冲量的一段转化炉出口温度与燃
料量串级控制系统
邀5-9—段坯此炉出二一亘雯W上匸昼圭蛀到至萤
比值控制系统
定义：凡是用来实现两个或两个以上的物料按一定比例关系控制以达到某
种控制目的的控制系统。

关系式：主动量F1,从动量F2,比值K=F2/F1。

分类：单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统和变比值控制系统
单闭环比值控制系统双闭环比值控制系统
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变比值控制系统：变比值控制系统的比值是变化的，比值由另一个 控制器设定。

比值系数的计算： 采用线性流量检测单元情况
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b 相陰方赛
b 构怎方M
HEE
采用电动和气动仪表时，乘法器输入的比值电流或气压和相除方案 中比值控制器设定电流或气压可按下列公式计算：
输入信号二仪表量
程范围x K +零点
采用差压变送器（非线性检测变送环节）： F 2 F 2 F 2 2
1 max
2 1 max k F 2 F 2
F 2 1 2 max 2 max
例题：合成氨一段转化反应中，为保证甲烷的转化率，需保持甲烷、 蒸汽和空气三者的比值为1:3:1.4。

流量测量都采用节流装置和差压 变送器，未装开方器，其中，蒸汽最大流量为 31100m3/h;天然气最 大流量为
11000m3/h;空气最大流量为14000m3/h;采用相乘和相除方 案，确定各差压变送器的量程，仪表比值系数 K 1和K 2,乘法器和除 法器输入电流I k1和I k2。

K K = F
2 F 2 max F i F i max F 2 ( F 1 max F 1 F 2 max
F 1max )
意“各差压变送器的量程应选择为：
Fsmaj<=32000m 3411 刊［71眾=12500|¥13/卜 Famax=l6000m^h ；
动・F 缶天然汽Fh 和空TFa 为从动量=防止水碳 工艺比（S 系数为*斛=耳弹・
1“ ； k2= F 訂兀=1一斗门 .
主乏用非嵯性检测变送环节，仪表比值乘数的计算公武为：K H 瑾一
即2好字V 竺匚伽2 ；紀拥字■卑咤7讪盂
I a ■昨 +4-15.43 砧=1^1 + 4=17.94 比值控制系统设计和工程应用中的问题 1）、主动量和从动量的选择:
主动量通常选择可测量但不可控制的过程变量;
从安全考虑，如该过程变量供应不足会不安全时， 应选择该过程
变量为主动量，例如，水蒸汽和甲烷进行甲烷转化反应，由于水蒸气
不足会造成析碳，因此，应选择水蒸汽作为主动量；
从动量通常应是既可测量又可控制，并需要保持一定比值的过程
变量。

2）、类型的选择
:
頼瞬器瞬舷 输入电蓝（脈恒应给定茶输出｝
mA
；
mA
主动量不可控时，选用单闭环比值控制系统，例如，主动量来自上
一工序；
主动量可控可测，并且变化较大时，宜选双闭环比值控制系统；
当比值根据生产过程的需要由另一个控制器进行调节时，应选择变比值控制系统；
当质量偏离控制指标需要改变流量的比值时，应采用变比值控制系
统；
变比值控制系统的第三过程变量通常选择过程的质量指标，例如，
烟道气中的氧含量等。

3）、比值函数环节（乘法器、分流器、加法器）
4）、变送器量程的选择：
采用常规仪表时，如果采用线性检测变送环节，主、从动量的仪表量
程范围相等，则工艺比值系数k与仪表比值系数K相等；如果采用非
F
2 max
k ~~2—
线性检测变送环节，主、从动量的仪表量程范围满足：fax，则工艺比值系数k与仪表比值系数K相等。

5）、流量的温度压力补偿：温度应换算到凯氏温度，压力应换算到绝对压力。

比值控制系统的参数整定和投运
单闭环比值控制系统：非振荡或衰减比10：1的过渡过程。

1、
2、双闭环比值控制系统：主动量：衰减比为 4:1整定主控制器参数; 动量
控制系统：以非振荡或衰减比为10:1整定从动量控制器参数。

均匀控制系统
定义：均匀控制系统是指一种控制方案所起的作用而言，因为就控制方案的结构来看，它可能象是液位或压力的简单定值控制系统，也可能象是液位与流量或压力与流量的串级控制系统。

特点：均匀控制系统应具有既允许表征前后供求矛盾的两个变量都有
一定范围的变化，又要保证它们的变化不应过于剧烈的特点。

参数整定：在均匀控制系统中不应该选择微分作用，有时还可能需要选择反微分作用。

在参数整定上，一般比例度要大于 100%并且积分时间要长一些，这样液位仍会变化，但变化不会太剧烈。

同时，控制器输出很和缓，阀位变化不大，流量波动也相当小。

这样就实现了均
串级均匀控制系统
系统中副回路流量控制的目的是为了消除控制阀前后压力干扰及自衡作用对流量的影响
均匀控制系统的控制规律的选择及参数整定
(1)控制规律作用的选择
对一般的简单均匀控制系统的控制器，选择纯比例控制规律。

对一些输入流量存在急剧变化的场合或液位存在“噪声”的场合，特别是希望液位正常稳定工况时保持在特定值附近时，则应选用比例积分控制规律。

前馈控制系统
原理：前馈控制系统是一种开环控制系统，根据扰动或设定值的变化按补偿原理而工作。

特点：当扰动产生后，被控变量还未变化以前，根据扰动作用的大小进行控制，以补偿扰动作用对被控变量的影响。

曲L画■^蛊
换热器的前馈控制系统及其方块图
前馈一反馈控制系统：利用前馈控制来克服可以预见的主要扰动； 而 对于前馈控制补偿不完全的部分及扰动依旧作用于被控变量所产生 的偏离及其余扰动，由反馈控制来消除。

即使在大而频繁的扰动下， 仍然可以获得优良的控制品质。

前馈控制的主要结构形式：静态前馈
静态前馈是在扰动作用下，前馈补偿作用只能最终使被控变量回到 要求的设定值，而不考虑补偿过程中的偏差大小。

在有条件的情况下， 可以通过物料平衡和能量平衡关系求得采用多大校正作用。

静态前馈控制不包含时间因子，实施简便
前馈控制系统的设计及工程实施中若干问题
前馈控制系统主要用于克服控制系统中对象滞后大、由扰动而造 成的被控变量偏差消除时间长、系统不易稳定、控制品质差等弱点， 因此采用前馈控制系统的条件是：①扰动可测但是不可控②变化频 繁且变化幅度大的扰动③ 扰动对被控变量影响显著，反馈控制难以 及时克服，且过程对控制精度要求又十分严格的情况。

前馈补偿装置及偏置的选择: 原料
M
$
4H 燃料
图5-22加热炉前馈反馈控制系统(相加型)
前馈反馈控制系统
湘乘型) 加 热
/炉\
(a)前馈加反馈 * (b)前馈加串级反馈
采用DCS或计算机控制：前馈-反馈控制算法
常规仪表实施：静态前馈
选择性控制系统
选择性控制系统(取代控制、超驰控制和保护控制)定义：在控制系统中含有选择单元的系统。

选择器：低选器、高选器uo二mi n
(ui1,ui2,--- uij)uo二max (ui1,ui2,---uij)
(1)选择器位于两个控制器与一个执行器之间
超驰(override)控制系统是选择性控制系统中常用的类型。

图
5-25为液氨蒸发器的超驰控制系统，液氨蒸发器是一个换热设备，在工业生产上用得很多。

液氨的汽化，需要吸收大量的汽化热，因此，它可以常用来冷却流经管内的被冷却物料。

在正常工况下，控制阀由温度控制器TC的输出来控制，这样可以保证被冷却物料的温度为设定值。

但是，蒸发器需要有足够汽化空间，来保证良好的汽化条件以及避免出口氨气带液，为此又设计了液面超
驰控制系统。

在液面达到高限的工况，此时，即便被冷却物料的温度高于设定值，也不再增加氨液量，而由液位控制器LC取代温度控制
器TC进行控制。

这样，既保证了必要的汽化空间又保证了设备安全。

(2)操纵变量的选择性控制加热炉燃料有低价燃料 A和补充燃料B, A最大供应量为AH,燃料A 超过AH时启用补充燃料B,为此设计了图5-26所示选择性控制系统。

正常工况时：m<AH温度控制器TC的输出m经低选器作为燃料A 流量控制
器F1C的设定值，构成温度控制器 TC与燃料A流量控制器串级控制。

补充燃料B流量控制器F2C设定值<0。

当m>AH燃料A流量控制器F1C为定值控制，设定值为AH温度控制器TC
的输出m至加法器，m-n>0作为补充燃料B流量控制器 F2C的设定值，
构成温度控制器 TC与燃料B流量控制器串级控制。

图5-26 燃料燃烧的选择性控制系统
选择性控制系统设计和工程应用中的问题
(2)控制器的选择
超驰控制系统的控制要求是超过安全软限时能够迅速切换到取代控制
器。

取代控制器应选择比例度较小的比例或比例积分控制器。

控制器的正反
作用可：负反馈准则
(3)防积分饱和
由于偏差为零时，两个控制器的输出不能及时切换的现象称为选择 性控制系统的积分饱和。

保持控制器切换时跟踪的方法：积分外反馈：选择器输出作为积分外 反馈信号，分别送两个控制器。

图5-30选择性控制系统的防积分 饱和措施
燃料压力变送器
图5-31 —段转化炉燃烧安全选择性控制系统方框图 选择性控制系统应用实例
一段转化炉燃烧安全选择性控制系统
分程控制系统 定义：一个控制器的输出同时送往两个或多个执行器， 而各个执行器 的工作范围不同（阀门定位器）。

------- 图5-34分程控制系统的分程组合
不同工况需要不同的控制手段：间歇式搅拌槽反应器的温度控制，在 开始时需要加热升温，而到反应开始并逐渐剧烈时，反应放热，又需 要冷却降温。

温度
设定值 温度 控制器 压力
设定值
-►加法器 控制阀 弛
放
气 燃料流量变送器*
温度变送器
积分外反馈 积分外反馈
低选器 流量/压力
对象
燃 料 量
热水阀V1和冷却水阀V2由同一个温度控制器操纵，需要分程工作。

图5-35间歇式搅拌槽反应器的温度分程控制
扩大控制阀的可调范围
控制阀最大流通能力
R=控制阀最小流通能力
国产控制阀的R一般为30。

例如，大阀A的C Amax=100小阀B的
C Bmax=4则C Bmin=4/30=0.133;假设大阀泄漏量为0,则分程控制
后，最小总流通能力为0.133，最大总流通能力为100+4；系统的可
调范围为（100+4）/0.133=780。

双重控制系统双重或多重控制系统定义：一个被控变量采用两个或两个以上的操纵变量进行控制的控制系统。

这类控制系统采用不止一个控制器，其中，一个控制器输出作为另一个控制器的测量信号。

系统操纵变量的选择需从操作优化的要求综合考虑。

它既要考虑工艺
的合理和经济，又要考虑控制性能的快速性。

而两者又常常在一个生产过程
中同时存在。

双重控制系统是综合这些操纵变量的各自优点，克服各自弱点
进行优化控制的。

5.7.2双重控制系统设计和工程应用中的问题
(1)主、副操纵变量的选择
主操纵变量：有较快动态响应；副操纵变量：较好静态性能。

双重控制系统应用实例
在食品加工、化工等工业中应用的喷雾干燥过程如图5-39所示。

浆料经阀V后从喷头喷淋下来，与热风接触换热，进料被干燥并从干燥塔底部排出，干燥的程度由间接指标温度控制。

为了获得高精度的温度控制及尽可能节省蒸汽的消耗量，采用图示的双重控制系统，取得良好的控制效果。

控制阀：气动、电动、液动 控制阀选择的内容：结构形式及材质的选择，口径大小及开闭形式的
选择，流量特性的选择，以及阀门定位器的选择等。

控制阀：执行机构、调节机构两部分 组成。

执行机构有三种类型：薄膜式、活塞式和长行程式
控制阀气开、气关形式的选择：对于一个具体的控制系统来说，究竟 选气开阀还是气关阀，即在阀的气源信号发生故障或控制系统某环节 失灵时，阀是处于全开的位置安全，还是处于全关的位置安全，要由 具体的生产工艺来决定。

控制阀气开、气关形式的选择应遵循几条原则
① 首先要从生产安全出发，即当气源供气中断，或控制器出故障而无 输出，或控制阀膜片破裂而漏气等而使控制阀无法正常工作以致阀芯 回复到无能源的初始状态 （气开阀回复到全关， 气关阀回复到全开） 应能确保生产5.8差拍控制系统
第四章简单控制系统
扰动
操纵
变量 扰动通道
被控变量 执行
器: ■执行器
*被控对象 检测变送+ 设定^差［控制器
(b)
图4-2简单控制系统的框图
工艺设备的安全，不致发生事故。

如生产蒸汽的锅炉水位控制系统中的给水控制阀，为了保证发生上述情况时不致把锅炉烧坏 , 控制阀应选气关式。

②从保证产品质量出发，当发生控制阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应降低产品的质量，如精馏塔回流量控制阀常采用气关式，一旦发生事故，控制阀全开，使生产处于全回流状态 , 防止不合格产品的蒸出，从而保证塔顶产品的质量。

③从降低原料、成品、动力损耗来考虑。

如控制精馏塔进料的控制阀就常采用气开式 , 一旦控制阀失去能源即处于气关状态，不再给塔进料，以免造成浪费。

④从介质的特点考虑。

精馏塔塔釜加热蒸汽控制阀一般选气开式，以保证在控制阀失去能源时能处于全关状态避免蒸汽的浪费，但是如果釜液是易凝、易结晶、易聚合的物料时，控制阀则应选气关式以防调节阀失去能源时阀门关闭，停止蒸汽进入而导致釜内液体的结晶和凝聚。

国内常用的理想流量特性有线性、等百分比和快开等几种阀门定位器有以下三方面的功能：
改善控制阀的动、静态特性
改善控制阀的流量特性
实现分程控制
第三章控制器的控制规律
比例控制
(1)比例控制规律(P)
控制器输出信号u(t)与输入信号e(t)之间的关系为
△ u(t)= Kc e(t) 式中Kc 是控制器的比例增益。

控制器的输出变化量与输入偏差成正比例，在时间上没有延 G c (s 普卡
比例增益Kc 是控制器的输出变量△ u(t)与输入变量e(t)之比。

Kc 越大，在相同偏差e(t)输入下，输出△ u(t)也越大。

因此Kc 是衡量比例作用强弱的因素。

工业生产上所用的控制器，一般都用比例度
S 来表示比例作用的 强弱。

(2) 比例度3
=j Z max Z m i
n 100% △
u
8定义为 U max 一 U min 式中，e 为控制器输入信号的变化 比例控制器的传递函数为:
滞
量，即偏差信号；A u为控制器输出信号的变化量，即控制命令；(Zmax-Zmi n)为控制器输入信号的变化范围，即量程；(umax-umi n) 为控制器输出信号的变化范围。

、=上umax一umin100% —umax一umin100%
j改写为匚u Z
max - Z min
Kc Z
max _ Z min 1
100%
单元组合仪表
Kc
因此比例度8与比例增益Kc成反比。

8越小，则Kc越大，比
例控制作用就越强；反之，8越大，则Kc越小，比例控制作用就
越弱。

积分控制
积分控制是控制器的输出变化量与输入偏差值随时间的积分成正比的控制规律，亦即控制器的输出变化速度与输入偏差值成正比。

t 1 t
u 二K| °e(t)dt e(t)dt
0 Ti 0传递函数为:
1
U(s) E(s)
I i S
式中Ki —控制器的积分速度;
Ki —控制器的积分时间 比例积分控制
U(s)= K c 1+ 丄 E(s)g 二 K c
(e+ 丄 Jedt)
i Ts 丿 T 「0
防止积分饱和现象有三种办法:
（1） 对控制器的输出加以限幅，使其不超过额定的最大值或最小值; （2） 限制控制器积分部分的输出，使之不超出限值。

对于气动仪表， 可采用外部信号作为其积分反馈信号，使之不能形成偏差积分作用； 对于电动仪表，可改进仪表内部线路；
（3）积分切除法，即在控制器的输出超过某一限值时，将控制器的 调节规律由比例积分自动切换成纯比例调节状态。

比例微分控制
比例微分控制器的数学表达式
1 + T d s
U(s)二心
E(s) e)
1 —s
K D
当输入偏差为阶跃信号时，比例微分（PD
控制器的输出为
T d K D du
dt
比例积分微分控制
理想
piD “K c
(e
T>edt T
境
T
i 0
dt
U(s) 二
K c (1
实际 PID:
△u = K c (e +丄
fedt +e(K D -1)e T I K D t Td
) U(s) % 1丄
1
" "1 4 J K D E(s) 当输入偏差为阶跃变化时,
实际PID 控制器的输出为:
厂 K C A 学t K C A(K
D
I i
_K o t
-1)e
T
d
液位：一般要求不高，用 P 或PI 控制规律；
流量：时间常数小，测量信息中杂有噪音，用 PI 或加反微分控制规 律； 压力：介质为液体的时间常数小，介质为气体的时间常数中等，用 P
或PI 控制规律；
温度：容量滞后较大，用PID 控制规律。

离散PID 控制算法 ① 位置式PID 控制算法
k
二 K c e(k) K 「e(i) K D 〔e(k) - e(k -1)1
i =0
② 增量式PID 控制算法
u(k)二 u(k)- u(k - 1)
二 K c e(k) K I e(k) K D [(e(k) - e(k -1)) -(e(k -1) - e(k)
二 K c [e(k) - e(k- 1)] Kp(k) K D
[e(k) - 2e(k - 1) e(k-
2)
u(k) = K c e(k) 享' e(i).，t 5
T i i jo
e(k) - e(k - 1)
③速度式PID控制算法
v(k)二u(kV t
e(k) K c K c T d, I 二K c-e(k) c 2 e(k)一2e(k - 1) e(k - 2)1
t T「( t)2
离散PID控制离算法的特点
PID三种控制作用是相互独立，没有控制器参数之间的关联。

离散PID控制器的参数可以在更大范围设置。

散PID控制器是采样控制，相当于引入时滞为Ts/2的环节，所以控
制品质差于连续PID控制。

用控制度表示连续控制与离散控制控制品质的差异程度。

bin e2dt DDC _ min(ISE)DDC
控制度二'min e2dt】ANA min(ISE)ANA
控制度总是大于1,采样周期Ts越小，控制度也越小。

离散PID控制算法的改进。