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五、过渡过程质量的改善
1.控制器参数的整定
要获得一个好的控制质量，首先取决于控制方案本身是否合理，操作人员可以做的只是如何将控制器的参数操作在合适的值，这就要通过控制器的参数整定来解决。所谓控制器参数的整定，就是求取最好的过渡过程中控制器的比例度δ、积分时间 Ｔi、微分时间 Ｔd的具体数值的工作。
本节知识问答：
控制器参数整定的一般规则有哪些？
工程整定控制器参数的方法有哪几种？
2．控制器参数整定原则
控制器的参数整定，一般遵循以下原则：
(1) 要具有一定的稳定裕度，以便在对象特性有所改变时，控制器的参数仍能适应。对于定值控制系统常取衰减比N为1/4；对于随动系统常取衰减比N为1/10。
(2) 在满足稳定裕度的前提下，使其它品质指标尽可能好些。
(3) 选择δ、TI、TD通常遵循如下规则：
①、 δ应大于临界值一倍以上
②、TI应取振荡周期的（0.5~1）倍
③、取TD=（0.25~0.5）TI
2
①、K0大时， δ应大些
②、引入积分后， δ 应比单纯比例时增大10%~20%
③、引入微分后， δ 应比单纯比例时减小10%~20%
3
①、 δ↓→衰减比N↓→振荡倾向↑
②、TI↓→衰减比N↓→振荡倾向↑
③、TD↑ →衰减比N ↑（但太大时，衰减比N↓）
1
3．控制器参数整定的工程整定
（1）临界比例度法：在纯比例作用下，找出达到等幅振荡的临界比例度δK及临界周期TK，然后按“临界比例度法参数整定表”所示内容确定控制参数。
控制规律 控制器参数
δ % TI TD
P 2δK
PI 2.2 δK 0.85 TK
PID 1.7 δK 0.50 TK 0.125 TK
临界比例度法参数整定表
（2）衰减曲线：在纯比例作用下，找出达到规定衰减比N下的比例度δS及周期TS或上升时间TR，然后按“衰减曲线法参数整定表”所示内容确定控制器参数。
控制规律 控制器参数（N=4：1）
δ % TI TD
P δS
PI 1.2 δS 0.5 TS
PID 0.8 δS 0.3 TS 0.1 TS
衰减曲线法参数整定表
控制规律 控制器参数（N=10：1）
δ % TI TD
P δS
PI 1.2 δS 2 TR
PID 0.8 δS 1.2 TR 0.4 TR
衰减曲线法参数整定表
（3）经验法：经验法即根据δ、TI和TD对过渡过程的定性关系进行凑试，从控制品质曲线逐步找到最佳整定参数，各种控制系统控制器参数的大致范围见“经验法参数整定表”。
经验线法参数整定表
被控变量 特点 δ % TI TD
流量 对象时间常数小， δ应较大，TI较小，一般不用微分。 40~100 0.1~1
温度 对象容量多，过渡滞后大，需用微分。 20~60 3~10 0.5~8
压力 对象过渡滞后一般不大，不大用微分。 30~70 0.4~3
液位 在容许有余差时，不必用积分，一般不用微分。 20~80
第二节 简单控制系统
本节主要知识点：
简单自动控制系统的组成及特点
简单控制系统的投运及故障分析
本节知识问答：
什么叫简单控制系统 其特点是什么？
流量、温度、压力、液位控制系统有何特点？
一、简单控制系统的组成和特点
1. 组成
凡是用一个测量元件或变送器、一个控制器和一个控制阀，对一个被控变量进行控制的系统，都叫做简单控制系统。
控制器
调节阀
被控对象
变送器
x
z
e
p
q
y
f1
fn
简单控制系统方块图
2. 特点
只有一个被控变量y和一个设定值x，亦即是单参数的定值控制系统。
控制系统采用的控制器是连续作用的。为适应不同对象的需要，控制器本身的参数（比例度σ、积分时间Ti和微分时间Td）均可以根据需要而改变。
控制系统是按偏差原理进行的，只有当设定值x与被控变量经变送器变换成测量值z，并出现偏差e时，控制器才有输出p，作用在调节阀上，系统才开始产生新的控制作用q，克服扰动f1，f2……对被控对象的影响。
二、 简单控制系统的投运工作步骤如下：
1. 准备工作。投运前必须熟悉工艺过程、了解对象特性、弄通控制方案及各个环节的具体情况。例如，测量元件和调节阀规格、安装情况及走向，对象特性曲线试验等等。
2. 检查管线、电线线路。
导线、导管是自动控制系统的信号通道，为保证信息的正确传递，必须作好以下几项工作：
① 气源和导压管线的查错、查漏、查堵。
② 电源和信号线的查错（包括标号、极性和外接电阻等）；查短路和绝缘电阻；查端子接触情况。
3. 检查仪表及执行机构。
投运前仪表及执行机构的现场检查，一般采用系统校验。即在调节阀的切断阀关死的情况下，进行控制系统的闭环试投，详细观察各个环节是否合乎要求（如测量仪表示值、量程、精度；控制器正、反作用、控制点偏差、PID参数；调节阀正反向行程变差等等）。如发现某环节有不符合技术要求的，抽出单独检查校验。在系统校验中，测量信号根据需要采用各种信号源。
4. 测量仪表的投运及控制器的手动遥控。控制系统闭环试投后，可将测量仪表投入运行，用控制阀的旁通阀手动控制使工艺稳定，被控变量稳定在设定值。然后进行旁通阀控制阀的手动遥控切换。
三、控制系统中常见问题及处理方法
自动控制系统投运后，经过长期运行，还会出现各种问题。在实际操作中，应具体问题具体分析，下面从控制方面举几种情况作为分析问题的启发。
１.被控对象特性变化；
２.测量系统的问题；
３.控制阀使用中的问题；
４.控制器故障；
５.工艺操作的问题。
本节主要内容：
串级控制系统的任务及基本组成
均匀控制系统的思想
比值控制系统的方案
多冲量控制系统的方案
本节知识问答：
1. 什么是串级控制系统？串级控制系统的特点是什么？
2. 均匀控制系统的特点是什么？有那些方案？
3. 比值控制系统有哪几种方案？分别适用于什么场合？
第三节 复杂控制系统介绍
一、 串级控制系统
例：把加热炉出口温度作 为 炉膛 温 度 控 制 器 的炉膛温度控制设定值，与炉膛 温 度 比 较 后 的 偏 差， 作 为 炉膛温度控制器的输入。炉膛温度控制器据此发出控制信号，去操作比例阀门，改变控制变量（燃料流量），以控制出口介质温度的稳定。
1. 组成
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。
主控制器
副控制器
调节阀
对象1
对象2
变送器1
变送器2
扰动2
扰动1
设定值
串级控制系统方框图
2. 特点
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) 可迅速地克服进入副回路的扰动。由于副回路的快速作用，对于进入副回路的扰动具有很强的克服能力，对主参数来说起到了粗调作用。副控制器的放大倍数越高（比例度越小），克服扰动的能力就越强，串级控制的优越性就越显著。
(2) 提高了控制系统的工作频率。由于副回路的存在，减小了对象的滞后，因此，主控制器的放大倍数可以比同等条件下的单回路系统整定得更大一些（即主控制器的比例度可以小一些），所以系统的工作频率将会有所提高。
(3) 可兼顾两个变量。由于副回路的存在，可以有意将主控制器的比例度选得宽些，于是它的输出变化小，该输出又是副控制器的给定，故副变量的变化也将比较平稳，这就兼顾了主、副两个变量都维持在一定范围，以满足某种工艺的要求，这就是后面要谈的均匀控制。
(4) 可消除调节阀等非线性的影响。由于调节阀和一部分对象被包括在副回路之内，而副回路本身又是接近于1：1的比例环节，所以它们的非线性都将被副回路所克服。
(5) 具有一定的自适应能力。串级控制，就其主回路来看，它是一个定值控制系统，但其副回路却是一个随动控制系统，主控制器根据工艺及负荷要求，不断纠正副控制器的设定值，从这个意义来看，它具有一事实上的自适应能力。
3. 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。
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。
(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。
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。
二、均匀控制系统
１. 均匀控制系统的概念
“均匀”的含义是指系统的功能而不是指系统的结构。
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。
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。
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
２. 均匀控制系统方案
（１）单回路均匀控制系统　
（2）串级均匀控制系统
三、比值控制系统
?1. 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。
２. 比值控制系统方案
（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。
（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。
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：
（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。
四、多冲量控制系统
多冲量是多参数的意思。这只是一种习惯叫法，不是物理学中定义的 “冲量”。为了说明多冲量控制的概念及特点，下面分析蒸汽锅炉汽包水位的控制系统。
1.单冲量控制系统
一旦负荷急剧变化，虚假液体出现，控制器就会误以为液位升高而关小供水阀门，结果，使急需供水的汽包反而减少供水，影响了生产甚至造成危险。
2.双冲量控制系统。
当负荷突然变化时，蒸汽的流量信号通过加液器，使它的作用与水位信号作用相反，假水位出现时，液位信号ａ 要关小给水阀，而蒸汽信号ｂ要开大水阀，从而克服了 “虚假液位”的影响。
3. 三冲量控制系统
在双冲量控制系统的基础上再增加一个冷水流量的冲量ｃ，使它与液位信号作用一致，这样形成了三冲量控制系统，就比较完善了。

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