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4 复杂控制系统
化 工 仪 表 及 自 动 化
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4 复杂控制系统
教学内容：
4.1 复杂控制系统简介
4.1.1 串级控制系统
4.1.2 比值控制系统
4.1.3 前馈控制系统
4.1.4 均匀控制系统
4.1.5 分程控制系统
4.2 安全保护系统
4.2.1 报警系统
4.2.2 选择性控制系统
4.2.3联锁保护系统
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—复杂控制系统—
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常见的复杂控制系统包括串级控制系统、比值控制系统、前馈控制系统、均匀控制系统、选择控制系统等。
随着计算机用于生产控制，许多常规控制仪表难以实现的控制方法也得以实现，如自适应控制、多变量解耦等新型控制系统等，这给工艺生产带来了许多方便，大大提高了控制系统的控制质量。
4.1 复杂控制系统简介
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4.1.1 串级控制系统
例：采用改变加热蒸汽量来克服各种扰动（如进料流量、温度以及组分等的变化）对温度的影响，保证塔釜温度的稳定。当精馏塔的主要扰动是蒸汽流量的波动，增加一个流量控制系统，将温度控制器的输出信号作为流量控制器的给定值。这样就把温度控制器和流量控制器串联在一起，形成一种较复杂的控制系统，称为精馏塔塔釜温度与蒸汽流量的串级控制系统。
4.1.1.1 串级控制系统的作用、特点及系统构成
TT
TC
FC
FT
图4-1 精馏塔塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统
（1）串级控制系统的作用
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用两个控制器串联，控制一个被调变量的控制系统，叫做串级控制系统。其组成如下图所示。整个系统包括主、副两个调节回路。主调节回路的输出作为副控制器的给定，副控制器的输出送往调节阀。
主对象1
串级控制系统方框图
主控制器
副控制器
调节阀
副对象2
变送器1
变送器2
扰动2
扰动1
设定值
-
-
（2） 组成
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从总体上扯看，串级控制系统仍然是定值控制系统，但比单回路控制增加了一个随动的副回路，因而具有如下几个特点：
①由于副回路快速作用，对进入副回路的扰动能够快速克服，如果副回路未能够快速克服而影响到主变量，可由主控制器的进一步控制，因此总的控制效果比单回路控制系统大大提高。
②串级控制系统能改善对象的特征。由于副回路的存在，可使控制通道的滞后减小，提高主回路的调节质量。而且，副对象的非线性特性也得以改善为近似线性特征。
③对负荷和操作条件具有一定的自适应能力。主回路是一个定值调节系统，但副回路是一个随动系统，主调节器能按对象操作条件及负荷情况随时校正副调节器的给定值，从而使副参数能随时跟踪操作条件负荷的变化而变化。
（3） 特点
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（1）扰动进入副回路 进入副回路的扰动会首先影响到副对象，继而影响到副变量。当扰动较大，副回路未能够完全克服，必然引起主变量的变化。系统因主控制器的作用使副控制器控制力度加强，控制效果增强。
(2) 扰动进入主回路 此时主控制器动作，通过副控制器改变阀门开度，改变蒸汽流量，克服扰动。由于两个控制器起作用，相当于缩短了控制通道，控制质量得到提高。
（3）扰动同时进入主副回路 如果扰动使主、副控制器按同一方向变化，即同时要求阀门开度增加或减小，情况同与扰动进入副回路而影响到主回路，加强了控制作用，有利于提高控制质量。如果扰动使主、副变量变化相反，阀门开度只须稍做作变化就可满足要求。
由上述分析可知，因引入副回路，不仅能迅速克服副回路干扰，且对主对象的干扰也能迅速克服，即副回路具有先调、粗调、快调的特点。
4.1.1.2 串级控制系统的控制过程
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4.1.1.3 串级控制系统的应用
串级控制系统，使用中应注意的几个问题：
(1) 主、副变量的选择
主变量应选择最能反应生产过程质量、最能反映调节要求（准确、快速）而且便于测量的变量。这个问题和单回路系统一样，只是因为有了副回路、主变量可以反应慢一些。
副变量的选择则是串级控制特有的问题。主要应考虑以下三点：
工艺上的合理性。从方框图看，操作变量Q先影响Y2，再由Y2去影响Y1。因此，副变量的选择必须具有这样的串联对应关系。如果Q对Y2和Y1是并联关系，显然是行不通的。
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使主要扰动包括在副回路之内。因为迅速克服进入副回路的扰动，是串级控制的最大优点。
要使对象能适当地分割，在滞后和时间常数上要适当匹配。一般T主/T副=3~10，若副回路时间常数太小，即T主/T副>10。不仅使副回路包含的扰动因素太少，副回路克服扰动能力太低，同时还会使系统的稳定性受到破坏。
若副回路时间常数大，与主回路接近，即T主/T副<3。这样虽然使副回路包含的扰动因素多了，但由于副回路滞后加大，时间常数增加，反应不灵敏，因而失去了串级控制的越性。更应指出的是，主、副对象时间常数接近，动态联系十分密切，易形成主、副回路的共振效应，其危害十分严重。
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(2) 主、副控制器正、反作用的选择
应先选择副控制器的正、反作用。副控制器正、反作用要根据阀门的气开、气关情况来选择。
主控制器是通过副回路起作用的，所以其正、反作用应按副回路的正确作用来选择，而与调节阀情况无关。
(3) 主、副控制规律的选择
由于主控制器是定值控制，要达到最终质量标准，主变量要求无余差，所以通常使用P、I、D控制规律。
副控制器是随动控制，允许在一定范围内变动，要求调节快，所以用比例控制规律就行了。
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4.1.1.4 投运
串级控制系统的投运和简单控制系统一样，要求投运过程保证做到无扰动切换。其投运方法有两种：先副后主和先主后副。一般多采用前者，由于采用的仪表不同，投运的具体方法也不同，但大致方法是一样的。
① 先把各开关或旋钮置于正确位置 （正反作用的确定与简单控制系统一样）。主、副控制器均置于 “手动”，主控制器 “内外”设定开关置于 “内”，副 控制器则置于 “外”。ＰＩＤ控制可置于预定位置。
② 用副控制器的手操旋钮或手轮手动遥控，在主变量接近设定值，副变量也较平稳时，用手操控制器的输出，来控制副控制器的外设定值，使其等于副变量的值。当偏差为零时，即可把副控制器的切换开关切向 “自动”，完成副控制器的手动向自动的无扰动切换。
③ 当副回路稳定，副变量等于它的设定值，控制主控制器的内设定旋钮或手轮，当手操作的值与主变量相等时，也就是表上的设定值与测量值相等时，即可将主控制器切向 “自动”。至此，完成了串级控制。串级控制是为更好地保证主变量的控制质量而设计的。快而有力的副回路是 “粗调”，作为主导的主回路是进行最后的 “细调”，两者结合就产生了很好的控制效果。这就是最常用和最重要的复杂控制系统———串级控制系统的投运操作。
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?比值控制系统的概念
凡使两个以上参数保持规定比值关系的控制系统，称为比值控制系统。通常是指流量之间的比值控制，被控对象就是两个流量管道。一般以生产中主要物料的流量为主动信号，以另一物料的流量为从动信号；或者以不可控物料流量为主动信号，以可控物料流量为从动信号。
4.1.2 比值控制系统
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（１）开环比值控制
这种方案的优点是结构简单，只用一台比例作用控制器就可以实现。但 Ｆ２无抗扰动能力，因此，只适用于 Ｆ２很稳定的场合。
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（２）单闭环比值控制系统
这种方案实施方便，两物料量的比值较为精确，但主动流量不可 控，使 总 物料量不 固定，对某些直接参与化学反应的过程含有不利的影响。
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丁烯洗涤塔的单闭环比值控制。该装置的任务是用水洗去丁烯馏分中的乙腈，为保证质量并节约用水，设置了比值控制。含有微量乙腈的丁烯馏分流量为生产负荷，是主动流量，洗涤用水是从动流量。它上面设闭环控制，所以水量控制平稳，又随丁烯馏分的变化而变化，保持比值关系。
例：
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（３）变比值控制系统
变比值控制系统又叫串级比值控制系统，一般比值控制为副回路，而比值由另一个控制器来设定，所以形成串级的形式。如图所示，比值的变化由温度控制器依据催化剂温度的变化而向副控制器输出设定值，使原来的比值随新的要 求 变 化。 这 种 变 比 值 控 制 系 统 精 度 较 高， 应 用广泛。
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4.1.3 前馈控制系统
按照扰动量的变化来补偿对被控变量的影响，从而达到被控变量完全不受扰动量影响的控制方式，这种按照扰动进行控制的开环控制方式称为前馈控制，简称FFC 。根据前馈补偿控制器的设计要求不同，前馈控制包括静态前馈和动态前馈两大类 。
TC
入料
出料
回水
蒸汽
Gff
入料
出料
回水
蒸汽
（a）反馈控制 (b)前馈控制
图4-8 换热器的两种控制方案
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4.1.4 均匀控制系统
4.1.4.1 均匀控制系统的作用、特点和系统组成
“均匀”的含义是指系统的功能而不是指系统的结构。
（1）均匀控制系统的作用
如图所示，是连续精馏的多塔分离过程。甲塔的出料为乙塔的进料。甲塔的液位上升，则液位控制就要开大出料阀门 １，这将引起乙塔进料的增大，于是乙塔的流量控制系统又要关小阀门 ２。可见，两塔的供求关系是矛盾的。
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为了使生 产 能 正 常 进 行，就 必 须 解 决 它 们 物
料 的 供 求 矛盾，操作上要前后兼顾，使液位和流量均
匀变化，为此组成的系统叫均匀控制系统。在具体实施时，
要根据工艺生产的实际需要，哪一个参数要求高就多照顾
一些，而不存在绝对平均的意思。
（2）均匀控制系统的特点
均匀控制是指一种控制目的。从其控制质量要求来看，有如下特点。
① 两个参数在控制过程中都应当是变化的，不是恒定的。
② 两个参数在控制过程中的变化应当是缓慢的。
③ 两个参数的变化应在各自允许的范围之内。所以，均匀控制与一般的定值控制不同，不能用对定值控制的要求来衡量它
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（3）均匀控制系统的组成
（１）单回路均匀控制系统　
（2）串级均匀控制系统
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4.1.5 分程控制系统
分程控制系统是指将一个控制器的输出分成两段或以上，分别控制两个或两个以上的控制阀的控制系统。分程控制系统是通过阀门定位器或电-气阀门定位器来实现的，即将控制器的分段信号分别转换成20～100kPa。
例如，反应釜的温度控制，以反应设定温度为分界点，将信号分程两段，温度高对应的信号控制冷却水阀，温度低对应的信号控制蒸汽阀。为防止控制阀的频繁动作，可在分程点的上下设置一个不灵敏区，在该范围内，控制阀不发生切换或动作。
冷剂
热剂
TT
TC
图4-12 反应釜的温度分程控制系统
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4.2 安全保护系统
为确保生产安全，工艺中常设置生产安全报警系统、选择性控制系统和联锁保护系统。
报警系统是当工艺变量超限后，通过声光提醒操作人员注意。工业生产过程中会出现一般自动控制系统无法适应的情况，通常有两种处理方法，一是利用联锁保护停车；二是采用选择性控制系统。
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4.2.1 报警系统
信号报警系统由故障检测元件和信号报警器以及其附属的信号灯、音响器和按钮等组成。
警系统可以根据情况的不同设计成多种形式，如一般报警系统、能区别事故第一原因的报警系统和能区别瞬间原因的信号报警系统。按照是否闪光可分成闪光报警系统和不闪光报警系统。
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报警器实物图
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（1）一般闪光报警系统的情况
状态 报警灯 音响器
正常
不正常
确认(消音)
恢复正常
试验 灭
闪光
平光
灭
全亮 不响
响
不响
不响
响
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（2）能区别第一原因的闪光报警系统的情况
状态 第一原因报警灯 其余报警灯 音响器
正常
不正常
确认(消音)
恢复正常
试验 灭
闪光
闪光
灭
全亮 灭
平光
平光
灭
全亮 不响
响
不响
不响
响
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（3）能区别瞬间原因的信号报警系统
状态 报警灯 音响器
正常 灭 不响
不正常 闪光 响
确认(消音) 瞬间事故 灭
持续事故 平光 不响
恢复正常 灭 不响
试验 全亮 响
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4.2.2 选择性控制系统
LC
TT
TC
LS
LT
热料
液
氨氨
气氨
冷料
图8-14 氨冷器的选择性控制系统
选择控制系统又称为取代控制系统，也叫超驰控制系统。当生产趋近危险区时，用一个取代控制器自动取代正常工况下的控制器，通过取代控制器的作用，使过程脱离危险逐步回到正常工况，然后取代控制器自动退出而变为备用等待状态，原来的控制器又恢复正常工作，构成选择控制系统。
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4.2.3联锁保护系统
联锁保护实质是一种自动操纵保护系统，联锁保护包括以下四个方面：
①工艺联锁
②机组联锁
③程序联锁
④各种泵类的开停 单机受联锁触点控制。
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例：加热炉联锁保护
加热炉中的主要危险。
①当被加热工艺介质流量过低或中断时，会将加热炉管烧坏、烧裂，造成很大事故；
②当火焰熄灭时，会在燃烧室里形成危险性气体—空气混合物；
③当燃料压力过低即流量过小时，会造成回火现象；
④当燃料气压力过高时，会使喷嘴出现脱火现象，造成灭火。当在燃烧室里形成大量燃料气-空气混合物时，很容易造成爆炸事故。
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原料
T1T
T1C
燃料
LS
FT
FSA
PT
PC
BS
FT
FSA
加热炉的安全联锁保护系统
L1
L2
S
R
D/Q
气源
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本章节小结
（1）串级控制系统是一种常用的复杂控制系统。串级控制系统构成特点是两个控制器串联在一起，其中一个控制器的输出作为另一个控制器的输入。
（2）比值控制系统是主要是为了保证两种或两种以上的物料流量成一定的比例。比值控制系统控制方案包括开环比值、单闭环比值、双闭环比值和串级比值。控制方案的实现采用乘法方案和除法方案。
（3）前馈控制系统是一种开环控制系统，前馈控制由于是按照扰动量大小进行的一种控制，因此，控制补偿较快。但由于是开环，所以控制精度较低。单纯的前馈控制使用很少，生产中一般使用前馈-反馈控制或前馈-串级控制。
（4）均匀控制系统是为了协调两个要求相互矛盾的变量的控制要求而设置的一种控制系统。常用的有简单均匀控制系统与串级均匀控制系统两种类型。
（5）分程控制系统是将一个控制器的信号分成两段或两段以上，分别控制两个或两个以上的执行器的控制系统。
（6）常用的安全保护系统包括软保护系统（选择性控制系统）和硬保护系统（联锁报警系统）。
（7）报警是指变量超限后采用的声光形式提醒操作人员的措施；联锁控制是指一些重要的变量超限后，采用的安全停车的措施；选择性控制系统是在某取代被控变量超过要求值后取代正常工作的被控变量的安全控制系统。
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