一、串級(jí)控制系統(tǒng)
為了提高大滯后和大時(shí)間常數(shù)過(guò)程的控制質(zhì)量，在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)控制回路，構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中應(yīng)用極為廣泛。
(一)串級(jí)控制系統(tǒng)的基本概念
串級(jí)控制系統(tǒng)是在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。當(dāng)對(duì)象的滯后較大，千擾比較劇烈、頻繁時(shí)，采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)往往控制質(zhì)量較差，滿足不了工藝上的要求，這時(shí)，可考慮采用串級(jí)控制系統(tǒng)。
下面以管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)為例說(shuō)明串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其工作原理。
煉油廠管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)如圖3-4所示。管式加熱爐是石油工業(yè)生產(chǎn)中常用的設(shè)備之一。工藝要求原料油的出口溫度保持為某一定值，所以選擇原料油的出口溫度為被控變量。根據(jù)原料油的出口溫度的變化來(lái)控制燃料閥門(mén)的開(kāi)度，即通過(guò)改變?nèi)剂狭渴乖嫌偷某隹跍囟缺３衷诠に囁?guī)定的數(shù)值上，可見(jiàn)，這是一個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。
在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，特別是當(dāng)加熱爐的燃料壓力或燃料本身的熱值有較大波動(dòng)時(shí)上述簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量往往很差，原料油的出口溫度波動(dòng)較大，難以滿足生產(chǎn)工藝的要求，
因?yàn)楫?dāng)燃料壓力或燃料本身的熱值變化后，首先影響爐膛的溫度，然后通過(guò)傳熱過(guò)程才能逐漸影響原料油的出口溫度，這個(gè)通道容量滯后很大，反應(yīng)緩慢，而溫度控制器TC是根據(jù)原料油的出口溫度與給定值的偏差工作的。所以，當(dāng)干擾作用于對(duì)象后，并不能較快地通過(guò)控制作用克服干擾對(duì)被控變量的影響。由于控制不及時(shí)，因此，控制質(zhì)量很差。當(dāng)生產(chǎn)工藝對(duì)原料油的出口溫度要求非常嚴(yán)格時(shí)，上述簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是難以滿足要求的。為了解決容量滯后的問(wèn)題，需要對(duì)管式加熱爐的工藝進(jìn)行進(jìn)一步分析。
管式加熱爐內(nèi)有一根很長(zhǎng)的受熱管道，它的熱負(fù)荷很大。燃料在爐膛內(nèi)燃燒后，通過(guò)爐膛與原料油的溫差將熱量傳遞給原料油。因此，燃料量的變化或燃料本身的熱值變化，首先會(huì)使?fàn)t膛溫度發(fā)生變化，那么是否能以爐膛溫度作為被控變量組成簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)呢?當(dāng)然這樣一來(lái)會(huì)使控制通道容量滯后減小，控制比較及時(shí)。但是爐膛溫度不能代表原料油的出口溫度，如果爐膛溫度控制好了，原料油的出口溫度并不一定就能滿足生產(chǎn)工藝的要求。因?yàn)榧偃鐮t膛溫度恒定的話，原料油的流量或入口溫度變化仍然會(huì)影響其出口溫度。
為了解決管式加熱爐原料油出口溫度的控制問(wèn)題，在生產(chǎn)實(shí)踐中，往往是根據(jù)爐膛溫度的變化，先改變?nèi)剂狭�，然后再根�?jù)原料油的出口溫度與給定值的偏差，進(jìn)一步改變?nèi)剂狭�，以保持原料油的出口溫度恒定。這樣就構(gòu)成了以原料油的出口溫度為主要被控變量的爐出口溫度與爐膛溫度的串級(jí)控制系統(tǒng)。
在穩(wěn)定工況下，原料油的出口溫度和爐膛溫度都處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，控制燃料油的閥門(mén)保持在一定的開(kāi)度。假定在某一時(shí)刻，燃料油的壓力或燃料本身的熱值發(fā)生變化，這個(gè)干擾首先使?fàn)t膛溫度θ₂發(fā)生變化，它的變化促使溫度控制器T₂C進(jìn)行工作，改變?nèi)剂系募尤肓�，從而使�(fàn)t膛溫度與其給定值的偏差隨之減小。與此同時(shí)，由于爐膛溫度的變化，或原料油的流量或人口溫度發(fā)生變化，會(huì)使原料油的出口溫度θ₁發(fā)生變化。θ₁的變化通過(guò)溫度控制器T₁C不斷地去改變溫度控制器T₂C的給定值。這樣兩個(gè)控制器協(xié)同工作，直到原料油的出口溫度θ₁重新穩(wěn)定到給定值時(shí)，控制過(guò)程才結(jié)束。
管式加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖如圖3-6所示。根據(jù)信號(hào)傳遞的關(guān)系，圖中將管式加熱爐分為兩部分。一部分為受熱管道，圖中標(biāo)為溫度對(duì)象1,它的輸出變量為原料油的出口溫度θ₁。另一部分為爐膛及燃燒裝置，圖中標(biāo)為溫度對(duì)象2,它的輸出變量為爐膛溫度θ₂。干擾F₂表示燃料油的壓力、組分等的變化，它通過(guò)溫度對(duì)象2首先影響爐膛溫度θ₂,然后再通過(guò)溫度對(duì)象1影響原料油的出口溫度θ。
干擾F,表示原料油的流量、人口溫度等的變化，它通過(guò)溫度對(duì)象1直接影響原料油的出口溫度θ₁。
在上述控制系統(tǒng)中，有兩個(gè)控制器T₁C和T₂C,分別接收來(lái)自對(duì)象不同部位的測(cè)量信號(hào)θ₁和θ₂。其中一個(gè)控制器T₁C的輸出作為另一個(gè)控制器T₂C的給定值，而后者的輸出去控制執(zhí)行器以改變操縱變量。從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看，這兩個(gè)控制器是串接工作的，因此，這樣的系統(tǒng)稱為串級(jí)控制系統(tǒng)。
(二)串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程
下面以管式加熱爐為例，來(lái)說(shuō)明串級(jí)控制系統(tǒng)是如何有效地克服滯后提高控制質(zhì)量的。對(duì)于圖3-5所示的管式加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級(jí)控制系統(tǒng)，為了便于分析問(wèn)題，假定執(zhí)行器采用氣開(kāi)形式，斷氣時(shí)控制閥關(guān)閉，以防止燒壞爐管而釀成事故，溫度控制器T₁C和T₂C都采用反作用方向。下面針對(duì)不同情況來(lái)分析該控制系統(tǒng)的工作過(guò)程。
1.干擾進(jìn)入副回路
當(dāng)系統(tǒng)的干擾只是燃料油的壓力或組分波動(dòng)時(shí)，也就是說(shuō)在圖3-6所示的管式加熱爐出口溫度與爐膛溫度申級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖中，干擾F,不存在，只有干擾F₂作用在溫度對(duì)象2上，這時(shí)干擾進(jìn)入副回路。干擾F₂引起爐膛溫度θ₂變化，溫度控制器T₂C及時(shí)進(jìn)行控制，使其很快穩(wěn)定下來(lái)，如果干擾量小，經(jīng)過(guò)副回路控制后，干擾F,一般影響不到原料油出口溫度θ₁;如果干擾量幅度較大，其大部分影響會(huì)被副回路所克服，波及到原料油出口溫度θ₁的部分再由主回路進(jìn)一步控制，這樣，就能徹底消除干擾的影響，使被控變量回復(fù)到給定值。
如果燃料油的壓力或熱值增加，使?fàn)t膛溫度θ₂升高。顯然，這時(shí)溫度控制器T₂C的測(cè)量值θ₂是增加的。另外，由于爐膛溫度θ₂升高，會(huì)使原料油出口溫度θ,也升高。因?yàn)闇囟瓤刂破鱐₁C采用反作用方向，其輸出降低，因而使溫度控制器T₂C的給定值降低。由于溫度控制器T₂C也采用反作用方向，給定值降低與測(cè)量值θ₂增加，同時(shí)使輸出降低，從而使氣開(kāi)式閥門(mén)關(guān)小。由于燃料量減少，因而克服了由于燃料油的壓力或熱值增加所造成的影響，使原料油出口溫度θ₁波動(dòng)減小，并且能盡快地回復(fù)到給定值。
由于副回路控制通道短，時(shí)間常數(shù)小，所以當(dāng)干擾進(jìn)入回路時(shí)，可以獲得比簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)超前的控制作用，從而有效地克服因燃料油壓力或熱值變化對(duì)原料油出口溫度θ₁的影響，提高了控制質(zhì)量。
2.干擾作用于主對(duì)象
假如在某一時(shí)刻，由于原料油的入口流量或溫度發(fā)生變化，也就是說(shuō)在圖3-6所示的管式加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖中，干擾F₂不存在，只有干擾F₁作用在溫度對(duì)象1上。如果干擾F₁的作用結(jié)果使原料油出口溫度θ₁升高，這時(shí)，溫度控制器T₁C的測(cè)量值θ₁增加，因而T₁C的輸出降低，即T₂C的給定值降低。由于這時(shí)爐膛溫度θ₂暫時(shí)沒(méi)變，即T₂C的測(cè)量值θ₂沒(méi)變，因而T₂C的輸出將隨著給定值的降低而降低。隨著T₂C的輸出降低，氣開(kāi)式閥門(mén)的開(kāi)度也隨之減小，于是燃料的供給量減少，促使原料油出口溫度θ₁降低直至恢復(fù)到給定值。在整個(gè)控制過(guò)程中，溫度控制器T₂C的給定值不斷變化，要求爐膛溫度θ₂也隨之不斷變化，這主要是為了維持原料油出口溫度θ₁不變。如果由于干擾F₁作用的結(jié)果使原料油出口溫度θ;增加超過(guò)給定值，那么必須相應(yīng)地降低爐膛溫度θ₂,才能使原料油出口溫度θ₁回復(fù)到給定值。所以，在串級(jí)控制系統(tǒng)中，如果干擾作用于主對(duì)象，由于副回路的存在，可以通過(guò)及時(shí)改變副變量的數(shù)值，達(dá)到穩(wěn)定主變量的目的。
3.干擾同時(shí)作用于副回路和主對(duì)象
如果除了進(jìn)入副回路的干擾外，還有其他干擾作用在主對(duì)象上，也就是說(shuō)在圖3-6所示的管式加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖中，干擾F₁和F₂同時(shí)存在，分別作用在主、副對(duì)象上。這時(shí)可以根據(jù)干擾作用下，主、副變量的變化方向，分兩種情況進(jìn)行研究。
一種情況是在干擾作用下，主、副變量的變化方向相同，即同時(shí)增加或減小。如在圖3-5所示的管式加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級(jí)控制系統(tǒng)中，一方面由于燃料油壓力增加使?fàn)t膛溫度θ₂升高，同時(shí)由于原料油的入口流量減少或溫度升高而使原料油出口溫度θ₁升高。這時(shí)，主控制器T₁C的輸出因測(cè)量值θ的增加而減小。副控制器T₂C由于測(cè)量值θ₂增加，給定值減小，這樣一來(lái)給定值和爐膛溫度θ₂之間的差值就更大了，所以，副控制器T₂C的輸出也就大大減小，以使控制閥關(guān)得更小一些，這樣，就大大減小了燃料的供給量，直至原料油出口溫度θ₁回復(fù)到給定值為止。由于此時(shí)主、副控制器的控制作用都是使閥門(mén)關(guān)小的，所以，既加強(qiáng)了控制作用也加快了控制過(guò)程。
另一種情況是在干擾作用下，主、副變量的變化方向相反，一個(gè)增加，另一個(gè)減小。如在管式加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級(jí)控制系統(tǒng)中，一方面由于燃料油壓力增加使?fàn)t膛溫度θ₂升高，另一方面由于原料油的入口流量增加或溫度降低而使原料油出口溫度θ₁降低。這時(shí)，主控制器T₁C的測(cè)量值0,降低，其輸出增大，這樣一來(lái)就使副控制器T₂C的給定值也隨之增大，而這時(shí)副控制器T₂C的測(cè)量值θ₂也在增大，如果兩者的增加量恰好相等，則偏差為零，這時(shí)，副控制器T₂C的輸出不變，不需要閥門(mén)動(dòng)作；如果兩者的增加量雖不相等，由于能夠互相抵消掉一部分，這樣偏差也不大，只要控制閥稍微動(dòng)作一點(diǎn)，就可使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。
通過(guò)以上分析可以看出，在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入一個(gè)閉合的副回路，不僅能迅速克服作用于副回路的干擾，而且對(duì)作用于主對(duì)象上的干擾也能加速克服過(guò)程。副回路具有先調(diào)、粗調(diào)、快調(diào)的特點(diǎn)；主回路具有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn)，并對(duì)于副回路沒(méi)有完全克服掉的干擾影響能徹底加以克服。因此，在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于主、副回路相互配合、相互補(bǔ)充，充分發(fā)揮了控制作用，大大提高了控制質(zhì)量。
(三)串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)
綜上所述，可以看出串級(jí)控制系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。
(1)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路，即主回路和副回路；有兩個(gè)控制器，即主控制器和副控制器；有兩個(gè)測(cè)量變送器，分別測(cè)量主變量和副變量。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，兩個(gè)控制器是串聯(lián)工作的。主控制器的輸出作為副控制器的給定值，系統(tǒng)通過(guò)副控制器的輸出去控制執(zhí)行器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)主變量的定值控制。所以，主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，而副回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。
(2)在串級(jí)控制系統(tǒng)中，有兩個(gè)變量，即主變量和副變量。通常主變量是反映產(chǎn)品質(zhì)量或生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)行情況的主要工藝變量。
(3)在系統(tǒng)特性上，串級(jí)控制系統(tǒng)由于引入了副回路，改善了對(duì)象的特性，使控制過(guò)程加快，具有超前控制的作用，從而可以有效地克服滯后，提高了控制質(zhì)量。
(4)串級(jí)控制系統(tǒng)由于增加了副回路，因此具有一定的自適應(yīng)能力，可用于負(fù)荷和操作條件有較大變化的場(chǎng)合。
由于串級(jí)控制系統(tǒng)具有上述特點(diǎn)，所以，當(dāng)對(duì)象的滯后和時(shí)間常數(shù)很大，干擾作用強(qiáng)而頻繁，負(fù)荷變化大，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)滿足不了控制質(zhì)量的要求時(shí)，采用串級(jí)控制系統(tǒng)是適宜的。
(四)串級(jí)控制系統(tǒng)的適用場(chǎng)合
簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)和串級(jí)控制系統(tǒng)各有其特點(diǎn)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的指導(dǎo)思想是：如果采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)能夠滿足生產(chǎn)要求，就不要采用串級(jí)控制系統(tǒng)。同時(shí)，串級(jí)控制系統(tǒng)也并不是到處都適用，它也有自己的應(yīng)用場(chǎng)合。
1.應(yīng)用于容量滯后較大的過(guò)程
當(dāng)過(guò)程的容量滯后較大時(shí)，若采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)控制，則系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，超調(diào)量大，控制質(zhì)量往往不能滿足生產(chǎn)要求。若采用串級(jí)控制系統(tǒng)，則根據(jù)對(duì)其特點(diǎn)的分析表明，可以選擇一個(gè)滯后較小的副變量，構(gòu)成一個(gè)副回路，使等效過(guò)程的時(shí)間常數(shù)減小，以提高系統(tǒng)的工作頻率，加快反應(yīng)速度，得到較好的控制效果。因此，對(duì)于很多以溫度或質(zhì)量參數(shù)為被控變量的過(guò)程，其容量滯后往往比較大，而生產(chǎn)上對(duì)這些變量的控制質(zhì)量要求又比較高，此時(shí)宜采用串級(jí)控制系統(tǒng)。
2.應(yīng)用于純滯后較大的過(guò)程
當(dāng)過(guò)程純滯后較大，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)不能滿足工藝要求時(shí)，有時(shí)可以用串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)改善系統(tǒng)的控制質(zhì)量，因?yàn)椴捎么?jí)控制系統(tǒng)后，就可以在離控制閥較近、純滯后較小的地方，選擇一個(gè)輔助參數(shù)為副變量，構(gòu)成一個(gè)純滯后較小的副回路。當(dāng)干擾作用于副回路時(shí)，在它通過(guò)純滯后較大的主過(guò)程去影響主變量之前，由副回路實(shí)現(xiàn)對(duì)主要干擾的控制，從而克服純滯后的影響，副回路純滯后小，控制及時(shí)，可以大大減小干擾對(duì)主變量的影響。
3.應(yīng)用于干擾變化激烈的過(guò)程
串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路對(duì)于進(jìn)入其中的干擾具有較強(qiáng)的校正能力。所以，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，只要將變化激烈而且幅度大的干擾包圍在副回路之中，就可以大大減小這種變化激烈而且幅度大的干擾對(duì)主變量的影響。
4.應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過(guò)程
在有些生產(chǎn)過(guò)程中，有時(shí)兩個(gè)互相關(guān)聯(lián)的參數(shù)需要利用同一介質(zhì)進(jìn)行控制。在這種情況下，若采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，則需要安裝兩套裝置。如在同一條管道上要安裝兩個(gè)控制閥，這不僅不經(jīng)濟(jì)，而且也是無(wú)法工作的，對(duì)于這樣的過(guò)程可以采用串級(jí)控制系統(tǒng)。即分清互相關(guān)聯(lián)參數(shù)的主次，組成串級(jí)控制，以滿足工藝上的要求。
5.應(yīng)用于非線性的過(guò)程
在過(guò)程控制中，過(guò)程特性一般都是非線性的。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，過(guò)程特性會(huì)發(fā)生變化，即會(huì)引起工作點(diǎn)的移動(dòng)。這種特性的變化，可以通過(guò)選擇控制閥特性來(lái)補(bǔ)償，使得廣義過(guò)程特性在整個(gè)工作范圍內(nèi)保持不變。然而，這種補(bǔ)償?shù)木窒扌院艽�，常受到控制閥品種等各種條件的限制而不可能完全補(bǔ)償，所以過(guò)程仍然有較大的非線性。此時(shí)，若采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，可以通過(guò)改變控制器參數(shù)的辦法來(lái)保證系統(tǒng)的衰減比不變。但是，負(fù)荷的變化是經(jīng)常發(fā)生的，因此，用改變控制器的整定參數(shù)來(lái)保證系統(tǒng)的衰減比不變的辦法是不行的。如果采用申級(jí)控制系統(tǒng)，由于它能適應(yīng)負(fù)荷和操作條件的變化，自動(dòng)調(diào)整副控制器的給定值，從而改變控制閥的開(kāi)度，使系統(tǒng)運(yùn)行在新的工作點(diǎn)。最終使主變量保持平穩(wěn)，從而達(dá)到工藝上的要求。
串級(jí)控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用范圍雖然較廣，但是必須根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的具體情況，充分利用串級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，才能收到預(yù)期的效果。
二、均勻控制系統(tǒng)
均勻控制系統(tǒng)具有使控制變量與被控變量在一定范圍內(nèi)緩慢地變化的特殊功能。在定值控制系統(tǒng)中，為了保持被控變量恒定，控制變量的幅度可以較大地變化，而在均勻控制系統(tǒng)中，控制變量與被控變量通常是同樣重要的�？刂频哪康氖鞘箖烧咴诟蓴_作用下緩慢而均勻地變化。
(一)均勻控制系統(tǒng)的基本概念
在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中，前一設(shè)備的出料往往是后一設(shè)備的進(jìn)料。隨著生產(chǎn)的不斷強(qiáng)化，前后生產(chǎn)過(guò)程的聯(lián)系也越來(lái)越緊密，這就要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)有全局觀念。連續(xù)精餾的多塔分離過(guò)程如圖3-7所示。圖中甲塔的出料為乙塔的進(jìn)料，對(duì)于甲塔來(lái)說(shuō)，為了穩(wěn)定操作需保持塔釜液位穩(wěn)定，因此，必然頻繁地改變塔底的排出量，這樣就使塔釜失去了緩沖作用。對(duì)于乙塔來(lái)說(shuō)，從穩(wěn)定操作要求出發(fā)，希望進(jìn)料量盡量不變或少變，這樣甲、乙兩塔間的供求關(guān)系就出現(xiàn)了矛盾。
為了解決這兩個(gè)塔供求之間的矛盾，可以在兩個(gè)塔之間增加一個(gè)中間緩沖容器。這樣既能滿足甲塔控制塔釜液位的要求，又能緩沖乙塔進(jìn)料流量的波動(dòng)。但這樣做必然會(huì)增加投資，而且對(duì)于某些生產(chǎn)連續(xù)性很強(qiáng)的過(guò)程又不允許中間儲(chǔ)存的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。因此，還需從自動(dòng)控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)上尋求解決問(wèn)題的辦法，即設(shè)計(jì)一個(gè)均勻控制系統(tǒng)。均勻控制系統(tǒng)是把液位和流量的控制統(tǒng)一在一個(gè)系統(tǒng)中，從系統(tǒng)內(nèi)部解決工藝參數(shù)之間的矛盾。具體來(lái)說(shuō)，就是讓甲塔的塔釜液位在允許的范圍內(nèi)波動(dòng)，與此同時(shí)，也讓乙塔的進(jìn)料流量平穩(wěn)緩慢地變化。
為了解決前后工序供求之間的矛盾，達(dá)到前后兼顧協(xié)調(diào)操作，使液位和流量均勻變化，為此設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)稱為均勻控制系統(tǒng)。
均勻控制系統(tǒng)通常是對(duì)液位和流量?jī)蓚�(gè)變量同時(shí)兼顧，通過(guò)均勻控制，使兩個(gè)互相矛盾的變量達(dá)到下列要求。
(1)兩個(gè)變量在控制過(guò)程中都應(yīng)該是緩慢變化的。因?yàn)榫鶆蚩刂剖侵盖昂笤O(shè)備物料供求之間的均勻，所以，表征前后供求矛盾的兩個(gè)變量都不應(yīng)該穩(wěn)定在某一固定的數(shù)值。在圖3-8(a)中把液位控制成比較平穩(wěn)的直線，下一設(shè)備的進(jìn)料量就會(huì)有很大的波動(dòng)，這樣的控制過(guò)程只不過(guò)是液位的定值控制，而不是均勻控制。在圖3-8(b)中把后一設(shè)備的進(jìn)料量控制成比較平穩(wěn)的直線，就會(huì)導(dǎo)致前一設(shè)備的液位有很大的波動(dòng)，所以，該控制過(guò)程可看作是流量的定值控制。
(2)前后互相聯(lián)系又互相矛盾的兩個(gè)變量應(yīng)保持在所允許的范圍內(nèi)波動(dòng)。在圖3-7中，甲塔塔釜液位的變化不能超出規(guī)定的上下限，乙塔的進(jìn)料流量也不能超出它所能承受的最大負(fù)荷或低于最小處理量。在設(shè)計(jì)均勻控制系統(tǒng)時(shí)必須滿足這兩個(gè)限制條件。
(二)均勻控制方案
實(shí)現(xiàn)液位和流量的均勻控制主要有簡(jiǎn)單均勻控制、串級(jí)均勻控制以及雙沖量均勻控制三種控制方案，本書(shū)將介紹簡(jiǎn)單均勻控制和串級(jí)均勻控制兩種控制方案。
1.簡(jiǎn)單均勻控制
簡(jiǎn)單均勻控制采用單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式上看，它與簡(jiǎn)單的液位定值控制系統(tǒng)沒(méi)有什么不同，但是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的不同。液位定值控制系統(tǒng)是通過(guò)改變排出流量以維持液位的穩(wěn)定，而簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)是為了協(xié)調(diào)液位與排出流量之間的關(guān)系，允許它們?cè)诟髯运试S的范圍內(nèi)緩慢而均勻地變化。
簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)是通過(guò)控制器的參數(shù)整定來(lái)實(shí)現(xiàn)均勻控制的要求的。簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)中的控制器一般都采用純比例控制規(guī)律，比例度的整定不能按4:1(或10:1)衰減振蕩過(guò)程來(lái)整定，而是將比例度整定得很大，以保證當(dāng)液位變化時(shí)，控制器的輸出變化很小，排出流量緩慢而均勻地變化。有時(shí)為了防止連續(xù)出現(xiàn)同向干擾時(shí)被控變量超出工藝規(guī)定的上下限范圍，可適當(dāng)引入積分作用。
簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，成本低，但控制質(zhì)量差，適用于干擾小控制要求較低的場(chǎng)合。
2.串級(jí)均勻控制
簡(jiǎn)單均勻控制方案雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但有局限性。當(dāng)塔內(nèi)壓力或排出端壓力變化時(shí)，即使控制閥的開(kāi)度不變，流量也會(huì)隨控制閥前后壓差的變化而改變，等到流量的變化影響到液位變化后，液位控制器才進(jìn)行控制，顯然控制是不及時(shí)的。為了克服這一缺點(diǎn)，可在原控制方案的基礎(chǔ)上增加一個(gè)流量副回路。
從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式上看，它與串級(jí)控制系統(tǒng)是相同的。由于增加了一個(gè)流量副回路，可以及時(shí)克服塔內(nèi)壓力或排出端壓力變化所引起的流量變化。但是，由于設(shè)計(jì)這一控制系統(tǒng)的目的是為了協(xié)調(diào)液位和流量這兩個(gè)變量的關(guān)系，使它們?cè)诟髯运试S的范圍內(nèi)緩慢而均勻地變化，所以，本質(zhì)上還是均勻控制。
串級(jí)均勻控制系統(tǒng)也是通過(guò)控制器的參數(shù)整定來(lái)實(shí)現(xiàn)均勻控制的要求的。控制器參數(shù)的整定方法也與一般的控制系統(tǒng)不同。一般控制系統(tǒng)的比例度和積分時(shí)間是由大到小進(jìn)行調(diào)整的，而均勻控制系統(tǒng)正好相反，是由小到大進(jìn)行調(diào)整，而且控制器的參數(shù)值一般都很大。
串級(jí)均勻控制系統(tǒng)的主、副控制器一般都采用純比例控制規(guī)律，只是在要求較高時(shí)，為了防止偏差過(guò)大而超過(guò)允許的范圍，才引入適當(dāng)?shù)姆e分作用。
三、比值控制系統(tǒng)
某些生產(chǎn)過(guò)程的控制任務(wù)比較特殊，為了滿足這類(lèi)生產(chǎn)過(guò)程的控制要求，應(yīng)設(shè)計(jì)一種能夠滿足某些特定要求的控制系統(tǒng)。
(一)比值控制的基本概念
在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，常常要求兩種或多種物料流量成一定比例關(guān)系，如果一旦比例失調(diào)，就會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量，甚至?xí)斐缮a(chǎn)事故。
實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。通常為流量比值控制系統(tǒng)。
在比值控制系統(tǒng)中，需要保持比值關(guān)系的兩種物料必有一種處于主導(dǎo)地位，這種物料稱為主物料或主流量，用Q₁表示。另一種物料隨主流量的變化而變化，因此稱為從物料或副流量，用Q₂表示。
比值控制系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)副流量Q₂和主流量Q成一定的比例關(guān)系，滿足如下關(guān)系式：
K=Q2\Q1
式中： K——副流量與主流量的流量比值。
(二)比值控制方案
比值控制系統(tǒng)主要有以下幾種方案。
1.開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)
開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)是最簡(jiǎn)單的比值控制方案，開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)的示意圖如圖310所示。在穩(wěn)定工況下，兩種物料的流量應(yīng)滿足Q₂=KQ₁的要求。
開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)的方框圖如圖3-11所示。從圖3-11中可以看到，該系統(tǒng)的測(cè)量信號(hào)取自主流量Q₁,而控制器的輸出控制的是從物料的流量Q₂,系統(tǒng)沒(méi)有構(gòu)成閉環(huán)，所以，該系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。
開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需一臺(tái)純比例控制器，其比例度可以根據(jù)比值要求來(lái)設(shè)定。但是，這種控制系統(tǒng)對(duì)副流量Q₂沒(méi)有抗干擾能力，當(dāng)副流量管線壓力改變時(shí)，就滿足不了所要求的比值關(guān)系。所以，這種開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)只能適用于副流量比較平穩(wěn)而且對(duì)比值精度要求不高的場(chǎng)合。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，副流量Q,本身常常要受到千擾，因此，在生產(chǎn)上很少采用開(kāi)環(huán)比值控制方案。
2.單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)
單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是為了克服開(kāi)環(huán)比值控制方案的不足，在開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加一個(gè)副流量的閉環(huán)控制系統(tǒng)而組成的。
單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)與串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式類(lèi)似，但兩者是不同的。單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中的主流量Q₁類(lèi)似于串級(jí)控制系統(tǒng)中的主變量，但主流量Q₁并沒(méi)有構(gòu)成閉環(huán)，副流量Q₂的變化并不會(huì)影響到主流量Q,盡管控制系統(tǒng)中也有兩個(gè)控制器，但只有一個(gè)閉環(huán)，這是兩者的根本區(qū)別。
在穩(wěn)定工況下，主、副流量能夠滿足工藝要求的比值K=Q₂/Q。當(dāng)主流量Q₁變化時(shí)，經(jīng)過(guò)主測(cè)量變送器送至主流量控制器F₁C。主流量控制器F₁C按照預(yù)先設(shè)置好的比值使輸出成比例地變化，此時(shí)副流量單閉環(huán)控制系統(tǒng)為一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，從而使副流量Q₂跟隨主流量Q₁變化，使得在新的工況下，流量比值K保持不變。當(dāng)主流量Q₁沒(méi)有變化而副流量Q₂因干擾發(fā)生變化時(shí)，此時(shí)副流量閉環(huán)控制系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)定值控制系統(tǒng)，通過(guò)控制克服干擾，使工藝要求的流量比值K仍保持不變。
單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)不但能實(shí)現(xiàn)副流量跟隨主流量的變化而變化，而且還能克服副流量本身干擾對(duì)流量比值的影響，因此主、副流量的比值精度較高。另外，這種控制方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)施起來(lái)也較為方便，所以，在生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用。
單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)雖然能保持兩種物料量的比值一定，但由于主流量是不受控制的，當(dāng)主流量變化時(shí)，總的物料量就會(huì)跟著變化。
3.雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)
雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是為了克服單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的主流量不受控制，生產(chǎn)負(fù)荷在較大范圍內(nèi)波動(dòng)的不足而設(shè)計(jì)的。它是在單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了主流量控制回路而構(gòu)成的。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的示意圖如圖3-14所示。從圖中可以看到，當(dāng)主流量Q₁變化時(shí)，一方面通過(guò)主流量控制器F₁C對(duì)它進(jìn)行控制，另一方面通過(guò)比值控制器K后作為副流量控制器F₂C的給定值，使副流量跟隨主流量的變化而變化。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的方框圖如圖3-15所示。該控制系統(tǒng)具有兩個(gè)閉合回路，分別對(duì)主、副流量進(jìn)行定值控制。同時(shí)，由于比值控制器K的存在，使得主流量Q由受到干擾作用開(kāi)始到重新穩(wěn)定到給定值這段時(shí)間內(nèi)，副流量能夠跟隨主流量的變化而變化。這樣不僅保證了比較精確的流量比值，也確保了兩種物料總量基本不變。另外，雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)提降負(fù)荷比較方便，只要緩慢地改變主流量控制器的給定值，就可以提降主流量，同時(shí)副流量也就自動(dòng)跟蹤提降，并保持兩者比值不變。
雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，使用的儀表較多，投資較大，系統(tǒng)調(diào)整較麻煩。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主要適用于主流量干擾頻繁、工藝上不允許負(fù)荷有較大波動(dòng)或工藝上經(jīng)常需要提降負(fù)荷的場(chǎng)合。
4.變比值控制系統(tǒng)
上面介紹的幾種控制方案都是屬于定比值控制系統(tǒng)，控制的目的是要保持主、從物料的比值關(guān)系為定值。但是有些化學(xué)反應(yīng)過(guò)程要求兩種物料的比值能靈活地隨第三變量的需要而加以調(diào)整，這樣就出現(xiàn)了一種變比值控制系統(tǒng)。
變換爐的半水煤氣與水蒸氣變比值控制系統(tǒng)的示意圖如圖3-16所示。在變換爐的生產(chǎn)過(guò)程中，半水煤氣與水蒸氣的量需要保持一定的比值關(guān)系，但其比值系數(shù)要能隨一段觸媒層溫度的變化而變化，這樣才能在較大負(fù)荷變化時(shí)獲得較好的控制效果。
從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看，這個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)。
※復(fù)習(xí)與總結(jié)※
1.簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)指的是單輸入——單輸出(SISO)的線性控制系統(tǒng)，是控制系統(tǒng)的基本形式。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且具有相當(dāng)廣泛的適應(yīng)性。
2.復(fù)雜控制系統(tǒng)包括串級(jí)控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)等。
3.串級(jí)控制系統(tǒng)是在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。當(dāng)對(duì)象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時(shí)，采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)往往控制質(zhì)量較差，滿足不了工藝上的要求，這時(shí)，可考慮采用串級(jí)控制系統(tǒng)；均勻控制系統(tǒng)具有使控制變量與被控變量在一定范圍內(nèi)緩慢地變化的特殊功能；比值控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，通常為流量比值控制系統(tǒng)。