第十三章 自动控制系统

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1、第十三章 自动限制系统第一节概述一、 自动限制系统的组成自动限制系统在化工生产过程中常常用到，它一般由被控对象、检测元件（包括变送器）、限制器和调整阀四部分组成。方块图如下：变送器调整阀限制器扰动f对象设定x偏差e操纵变量被控变量- z测量（1） 被控对象：须要实现限制的设备或生产过程，称为被控对象。（2） 被控变量：被控对象内要求保持设定值的物理量称为被控变量。（3） 操纵变量：受限制器操作，用以使被控变量保持设定值的物料量称为操纵变量。（4） 干扰（扰动）：除操纵变量外，作用于对象，并能引起被控变量变更的因素称为干扰（扰动）（5） 设定值：被控变量的目标值称为设定值。（6） 偏差：偏差是指

2、被测变量的设定值与实际值之差，但是在实际生产过程中能够干脆获得的是被 控变量的测量值信号，而不是实际值，因此通常把给定值与测量值之差称为偏差。二、 限制系统的分类限制系统的分类方法许多，若按被控参数的名称来分，有温度、压力、流量、液位、成份等限制系统。按系统完成的功能来分，有比值、匀称、分程和选择性限制系统。按被控变量的多少来分，有单变量和多变量限制系统。但是最基本的分类方法有下列几种：（一）按系统的结构特点来分1、反馈限制系统（闭环限制系统）反馈限制系统是指系统的输出（被控变量）通过变送器环节，又返回到系统的输入端，与给定信号相比较，以偏差的形式进入限制器，对系统起限制作用。由于整个系统构成

3、了一个封闭的反馈回路，所以该系统也称为闭环限制系统。该系统是依据被控变量与给定值的偏差进行工作的。偏差是限制的依据，最终要达到减小或消退偏差的目的。它是限制系统中一种最基本的形式。2、 前馈限制系统（开环限制系统）限制系统的输出信号（被控变量）不反馈到输入端，因而也不对限制作用产生影响的系统称为前馈限制系统，也称为开环限制系统。前馈限制系统是依据扰动量的大小进行工作的，扰动是限制的依据。由于前馈限制系统最终无法检查限制的效果，因而在实际生产过程中是不能单独采纳的。3、 复合限制系统（前馈反馈限制系统）在反馈限制系统中引入前馈限制，构成复合限制系统，从而可以提高限制质量。（二）按给定信号的特点来

4、分1、 定值限制系统：所谓定值限制系统是指这类限制系统的给定值是恒定的。该系统的基本任务是克服扰动对被控变量的影响，即在扰动作用下仍能使被控变量保持在设定值（给定值）或在允许范围内。2、 随动限制系统：随动限制系统是一种被控变量的给定值随时间随意变更的限制系统。它的主要作用是克服一切扰动，使被控变量随时跟踪给定值。在化工生产过程中，有些比值限制系统就属于此类。3、 依次限制系统：依次限制系统是被控量的给定值按预定的时间程序来变更的限制系统。三、 限制系统的过渡过程及品质指标（一） 限制系统的过渡过程一个处于平衡状态的自动限制系统在受到扰动作用后，被控变量发生变更；与此同时限制系统的限制作用将被

5、控变量重新稳定下来，并力图使其回到设定值或设定值旁边。一个限制系统在外界干扰或给定干扰作用下，从原有的稳定状态过渡到新的稳定状态的过程称为限制系统的过渡过程。限制系统的过渡过程有以下几种形式：1、 发散振荡过程：限制系统受到干扰作用后，非但不能使被控变量回到设定值，反而使它越来越猛烈地振荡起来。2、 等幅振荡过程：系统受到干扰后，被调参数做振幅恒定的振荡而不能稳定下来。3、 衰减振荡过程：被控变量经过一段时间的衰减振荡后，最终能够重新稳定下来。4、 非周期衰减过程：被控变量最终也能稳定下来，但过程缓慢，而且被控变量长期偏离设定值一边。也称为单调过程。（二）、过渡过程品质指标一个合格的、稳定的限

6、制系统，当受到外界干扰后，被控变量的变更应是一条衰减的曲线。常采纳以下几个指标来衡量一个过渡过程：1、 衰减比：它是表征系统受到干扰后，被控变量衰减程度的指标。其值为该衰减曲线上前后 两个相邻峰值之比，一般希望在4:1至10:1之间。2、 余差：它是指限制系统受到干扰后，过渡过程结束时被控变量的残余偏差，即被控变量在扰动后的稳态值与设定值之差。余差要满足要求。3、 最大偏差：它表示被控变量偏离给定值的最大程度。4、 过渡过程时间：也称调整时间，它是指干扰产生后，直至被控变量建立新的平衡状态为止的这段时间。过渡过程时间愈短愈好。5、 振荡周期：被控变量两个相邻波峰之间的时间叫振荡周期，一般也希望

7、振荡周期越短越好。第二节 简洁限制系统一、简洁限制系统的组成简洁限制系统又称单回路反馈限制系统，是指由一个被控对象，一个测量变送器，一个限制器和一台调整阀组成的单回路闭合限制系统。简洁限制系统常用被控变量来划分，最常见的是温度、压力、流量、液位、成分等五种限制系统。1、 选择被控变量被控变量选择是非常重要的，应当从生产过程对自动限制的要求动身，合理地选择被控变量。被控变量的选择原则为：（1） 选用质量指标作为被控变量，它最干脆也最有效。（2） 当不能用质量指标作为被控变量时，应选择一个与产品质量有单值对应关系的参数作为被控变量。（3） 当被表征的质量指标变更时，被控变量必需有足够的灵敏度和足够

8、大小的信号。（4） 选择被控变量时，必需考虑到工艺过程的合理性、平安性以及国内外仪表生产现状等。2、 选择操纵变量操纵变量的选择要依据对象限制通道和扰动通道特性对限制质量的影响合理地选择操纵变量。选择操纵变量时，必需考虑以下几个原则：（1）首先从工艺考虑，它应允许在肯定范围内变更。（2）选择操纵变量时，应使扰动通道的时间常数大些；从而使限制通道的时间常数适当小些。限制通道的纯滞后时间越小越好。（3）被选的操纵变量的限制通道放大系数要大。这样对克服扰动有利。（4）应尽量使扰动作用点靠近调整阀处。（5）被选的操纵变量应对装置中其它限制系统的影响和关联少，不会对其它限制系统的运行产生较大的扰动。另外

9、，要组成一个好的限制系统，除了正确选择被控变量和操纵变量外，还应留意以下问题：（1） 纯滞后：纯滞后使测量信号不能刚好反映被控变量的实际值。（2） 测量滞后：是指由检测元件时间常数引起的动态误差（3） 传递滞后。以上三项要尽量克服、削减这三方面的滞后对限制系统的影响。（4） 要选择适当的限制规律：对滞后较大的限制回路（如温度、成分等）可选用带微分作用的调整器。对滞后特殊大的系统（特殊是纯滞后存在），可采纳串级限制系统，一般的压力、流量、液位等简洁限制系统可采纳比例积分作用即可。二、调整器的选择及调整规律由限制理论可知，为了使系统正常运行，必需保证系统是负反馈，在限制系统设计时，负反馈的实现是靠

10、确定调整器的正反作用来保证的1、 常用调整器的调整规律及选用原则：（1） 比例限制规律（P）比例限制规律是最基本的调整规律，它能较快地克服扰动的影响，使系统稳定下来。它是依据偏差的大小来动作，它的输出与偏差的大小形成比例。比例调整刚好、有力，但有余差。它用比例度来表示其作用的强弱，越小，调整作用越强，但比例作用太强时，会引起振荡。它适用于限制通道滞后较小、负荷变更不大、限制要求不高、被控参数允许在肯定范围内有余差的场合。（2） 比例积分限制规律（PI）在工程上，PI规律是应用最广泛的一种限制规律，积分调整是依据“偏差是否存在”来动作的。它的输出与偏差对时间的积分成比例，其作用是消退余差，当余差

11、消逝时，积分作用才会停止。但积分作用使最大动偏差增大，延长了调整时间。它用积分作用时间Ti 来表示其作用的强弱，Ti越小，作用越强，但积分作用太强时，也会引起振荡。它适用于限制通道滞后较小、负荷变更不大、被控参数不允许有余差的场合。（3） 比例微分限制规律（PD）微分调整依据“偏差变更速度”来动作。它的输出与输入偏差变更的速度成比例，其效果是阻挡被调参数的一切变更，有超前调整作用，对滞后大的对象有很好的效果。它使调整过程偏差减小，时间缩短，余差也减小（但不能消退）。它用微分时间Td来表示其作用的强弱，Td越大，作用越强，但Td太大，也会引起振荡。它适用于限制通道的时间常数或容量滞后较大的场合。

12、（4） 比例积分微分限制规律（PID）PID限制规律是一种最志向的限制规律，它在比例的基础上加入积分，可以消退余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于过程限制通道时间常数或容量滞后较大的场合。2、 确定调整器的正反作用调整器有正作用和反作用调整器两种。调整器正反作用的选择同被控过程的特性及调整阀的气开、气关形式有关。被控过程也分正反两种。当被控过程的输入量（通过调整阀的物料或能量）增加（或减小）时，其输出（被控参数）亦增加（或减小），此时称其被控过程为正作用；反之，当被控过程的输入量增加时，其输出却减小，称其过程为反作用。一个限制系统能够正常工作，则其组成的各个环节的极性（可用其静

13、态放大系数表示）相乘必需为正。由于变送器的静态放大系数Km通常为正极性，故只需调整器静态放大系数Kc，调整阀静态放大系数Kv和过程的静态放大系数Ko极性相乘必需为正即可。对于限制系统各环节的极性是这样规定的：正作用调整器，即当系统的测量值增加时，调整器的输出亦增加，其Kc 取负；反作用调整器，即当系统的测量值增加时，调整器的输出减小，其Kc取正。气开阀Kv取正，气闭阀Kv取负。正作用被控过程，其Ko取正，反作用被控过程，其Ko取负。确定调整器的正反作用次序为：首先依据工艺平安等原则确定调整阀的气开、气闭形式，然后依据被控过程特性，确定其正反作用；最终依据上述组成该系统的各环节的静态放大系数极性

14、相乘必需为正的原则来确定调整器的正反作用形式。三、 简洁限制系统的投运限制系统的投运是指当系统设计、安装就绪或者经过停车检修之后，使限制系统投入运用的过程。投运步骤如下：1、 现场工艺手动操作，并将检测系统投入运行，待工况稳定后，可以转入手动遥控调整。2、 手动遥控：渐渐变更调整阀的开度，使被控量基本不变，待工况稳定后，即被控变量等于或接近设定值后，可由手动遥控切换到自动限制。3、 系统投运：完成以上两步后，就满足了工艺开车的须要，待回路工况稳定后可投入自动。为此，首先检查调整器的正反作用是否正确，然后把调整器PID参数设置合适位置，当其偏差接近零时，即将调整器由手动切换到自动。再视察系统过渡

15、过程曲线，若还不够志向，则接着调整调整器参数，直到满足为止。四、 调整器参数整定调整器参数整定是指设定调整器的比例度、积分时间Ti和、微分时间Td的详细数值。整定的实质是通过变更调整器参数，使其特性与过程特性相匹配，以变更系统的静态特性和动态特性，取得最佳限制效果。整定调整器参数的方法许多，归纳起来分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。理论计算整定法通常用于科研中。下面重点介绍工程整定法。工程整定法有阅历法、衰减曲线法、临界比例度法和响应曲线法。1、 阅历凑试法：阅历法是依据参数整定的实际阅历，对生产上最常见的温度、流量、压力和液位等四大限制系统进行整定。将调整器参数预先放置在常见范围（见

16、表14-2-1）的某些数值上，然后变更设定值，视察限制系统的过渡过程曲线。如曲线不志向，则按肯定的依次变更参数，这样反复凑试，直到获得满足的限制质量为止。表14-2-1各种限制系统PID参数阅历表被控变量调整器参数比例度%积分时间Ti min微分时间Td min温度20603100.53液位208015压力30700.43流量401000.11详细整定步骤为：（1）先把调整器的积分时间Ti调至最大，微分时间Td改为0；比例度取表14-2-1中常见范围内的某一数值后，把限制系统投入自动，若过渡过程时间太长，则应减小比例度；若振荡过于激烈，则应加大比例度。直到取得满足的4：1过渡过程曲线为止。（2

17、）引入积分作用（此时应将原设的比例度放大1.2倍），然后将积分时间Ti由大到小不断地凑试，直到获得满足的过渡过程。（3）若需引入微分作用时，则将微分时间Td依据阅历或者按（微分时间约为积分时间的1/31/4）设置，而且比例度放得要比纯比例作用更小些，积分时间Ti也可相应地减小些。若曲线超调量大而衰减慢，则需增大微分时间Td。若曲线振荡厉害，则应减小微分时间Td。视察曲线，适当调整比例度和积分时间Ti，反复调试，直至获得满足的过渡过程曲线为止。关于阅历法的几点说明：（1） 表14-2-1所列的各类数据是各类限制系统的参数的常见范围，但也有特殊状况。（2） 凡是比例度太大或积分时间Ti太长时，都会

18、使被控变量变更缓慢，不能使系统很快地达到稳定状态，这二者的区分是：比例度较大，曲线漂移较大，变更不规则；积分时间Ti过长，曲线虽然带有振荡重量，但它漂移在给定值的一边；而且渐渐地靠近给定值。（3） 凡是过小，Ti过小或Td过大，都会使系统产生猛烈振荡，甚至是等幅振荡。它们的区分是：Ti过小时，系统振荡的周期较长，Td太大时系统振荡的周期较短；较小时，振荡周期介于上述两者之间。（4） 等幅振荡不肯定都是由于参数的设置不当引起的，一些外部因素也可能使被控变量等幅振荡。例如阀门定位器、调整器、变送器调校不良。阅历法的实质是：看曲线，作分析，调参数，寻最佳。2、 临界比例度法临界比例度法是目前工程应用

19、最广泛的一种调整器的整定方法。在闭合的限制系统里将调整器置于纯比例作用下，由大到小渐渐变更调整器的比例度，得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例度称为临界比例度k，相邻两个波峰间的时间间隔称为临界振荡周期Tk。通过计算即可求得调整器的整定参数，详细步骤为：（1） 将调整器的积分时间Ti置于最大，微分时间Td置零，比例度适当，平稳操作一段时间，把系统投入自动。（2） 将比例度渐渐减小，得到一个等幅振荡过程，登记临界比例度k值和临界振荡周期Tk值。（3） 依据k和Tk值采纳表14-2-2中的阅历公式，计算出调整器各个参数。表14-2-2临界振荡整定公式调整器参数限制规律（%）Ti (min)Td (m

20、in)P2kPI2.2k0.85TkPID1.6k0.5Tk0.25Ti3、 衰减曲线法衰减曲线法是在总结临界比例度法的基础上，经过反复试验提出来的。衰减曲线法较为简洁，而且可干脆求得比例度，衰减曲线法分为4：1衰减曲线法和10：1衰减曲线法两种。（1）4：1衰减曲线法，其整定步骤如下：a、先把过程限制系统中调整器参数设成纯比例作用（Ti，Td=0）,使系统投入运行。再把比例度从大渐渐调小，直到出现4：1衰减过程曲线，此时的比例度为4：1衰减比例度s，两个相邻波峰间的时间间隔称为4：1衰减振荡周期Ts。b、 据s和Ts，运用表14-2-3所示公式，即可计算出调整器的各个参数。c、 按“先P后I

21、最终D”的操作程序，将求得的整定参数放置到调整器上，再视察整定曲线，若不太志向，还可作适当调整。（2）10：1衰减曲线法：有的生产过程，由于采纳4：1的衰减仍嫌振荡太强，则可采纳10：1衰减曲线法，方法同上。只是计算公式不一样，见表2-4，其中s为衰减比例度，Tr为达到第一个波峰时的响应时间。表14-2-34：1衰减曲线法整定计算公式限制规律%Ti （min）Td （min）PsPI1.2s0.5TsPID0.8s0.3Ts0.1Ts 表14-2-4 10:1衰减曲线法整定计算公式限制规律%Ti （min）Td （min）PsPI1.2s2TrPID0.8s1.2Tr0.4Tr 应用衰减曲线法

22、整定调整器参数时需留意以下状况：（1） 加给定干扰时，干扰不能太大，要依据工艺操作要求来定，一般为5%左右（全量程）（2） 必需在工况稳定的状况下才能加设定干扰，否则得不到正确的s、Ts和Tr 值。（3） 对于快速反应的系统，如流量、压力等限制系统，想在记录纸上得到志向的4：1曲线是不行能的。此时，通常一被控变量来回波动两次而达到稳定时，就近似地认为是4：1的衰减过程。（4） 对于扰动频繁或限制过程不规则的系统，不允许用这种方法第三节 串级限制系统。限制系统一般分为简洁限制系统和困难限制系统。凡是多参数、具有两个以上变送器、两个以上限制器或两个以上调整阀组成的多回路的自动调整系统称为困难限制系

23、统。困难限制系统有串级、比值、分程、前馈-反馈、选择性、三冲量等系统，串级是其中的一种、一 串级系统的结构串级系统是应用最早、效果最好、运用最广泛的一种困难限制系统。它的特点是两个限制器相串接，主限制器的输出作为副限制器的设定，适用于时间常数及纯滞后较大的限制对象。1、 串级系统的基本概念与方块图图14-3-1所示为加热炉原油出口温度限制系统。若采纳简洁温度限制，当负荷发生变更时，由温度变送器、限制器和调整阀组成一个单回路限制系统，去克服由于负荷变更而引起的原油出口温度的波动，以保持出口温度在设定值上，但是，当燃料气压力波动大且频繁时，由于加热炉滞后很大，将引起原油出口温度t的大幅度波动。为此

24、，先构成一个燃料气压力（或流量）的限制系统（回路），首先稳定燃料气压力的输出，作为压力调整器PC的设定值，形成回路I，使压力调整器随着原油出口温度限制器的须要而动作，这样就构成了如图中所示的温度压力串级限制系统。TTTCPCPT燃料气原料图14-3-1加热炉出口温度与燃料气压力串级限制系统串级限制系统的方块图14-3-2。主调主对象副对象副调执行器x1 e1 x2 e2 y2 y1 副变 z1 z2主变 图14-3-2串级限制系统方块图2、 串级限制系统的名词术语为了便于分析问题，下面介绍串级限制系统常用的名词术语。主被控参数在串级限制系统中起主导作用的那个被控参数。副被控参数串级限制系统中为

25、了稳定主参数而引入的中间协助参数。主被控过程由主被控参数表征其特性的生产过程，其输入量为副被控参数。副被控过程由副被控参数为输出的生产过程，其输入量为限制参数。主调整器按主被控参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调整器，其输出作为副调整器的给定值。副调整器按副被控参数的测量与主调整器输出的偏差进行工作的调整器，其输出干脆限制调整阀动作。主回路由主回路调整器、调整阀、主副被控过程、主测量变送器组成的闭合回路。副回路由副调整器、副被控过程和副测量变送器组成的闭合回路。一次扰动不包括在副回路内的扰动。二次扰动包括在副回路内的扰动。二、串级限制系统的特点从总体上看，串级限制系统仍是定值限制系统。因此，

26、主被控变量在扰动作用下的过渡过程和单回路定值限制系统的过渡过程具有相同的品质指标和类似的形式，但是，串级限制系统在结构上增加了一个随动的副回路，因此，与单回路相比较有以下几个特点：1、 对进入副回路的扰动具有较快速、较强的克服实力；2、 可以改善对象特性，提高工作频率；3、 可消退调整阀等非线性特性的影响；4、 串级限制系统具有肯定的自适应实力。三、 主副调整器、调整规律的选择及主副调整器正反作用的确定在串级限制中，主调整器起定值限制作用，一般选PI或PID规律，副调整器起随动限制作用，一般选P或PI规律。对于串级限制系统来说，主副调整器正反作用的选择原则是使整个系统构成负反馈，即其主通道各环

27、节放大系数乘积必需为正。四、串级限制系统的投运串级限制系统的投运同简洁限制系统的投运一样。要求投运过程保证做到无扰动切换，一般投运方法为：先把副限制器投入自动，然后在整个系统比较稳定的状况下，再把主限制投入自动，实现串级限制。五 串级限制系统的参数整定串级限制系统主、副限制器的参数整定方法主要有下列两种。1、 两步整定法：先整定副限制器参数，后整定主限制器参数的方法叫做两步整定法。整定过程如下：A、 在稳定工况，主、副限制器都在纯比例作用下运行，将主限制器的比例度固定在100%刻度上，渐渐减小副限制器的比例度，求取副回路在4：1或10：1的衰减过渡过程的比例度2s和操作周期T2s；B、 在副限

28、制器比例度等于2s的条件下,渐渐减小主限制器的比例度,直至也得到4:1或10:1,衰减比下的过度曲线,登记此时主限制器的比例度1s和操作周期T1sC、 依据上面得到的1s、T1s和2s、T2s,按表14-2-3或14-2-4的阅历公式,算出主副限制器的比例度,积分时间 ,和微分时间.D、 按“先副后主”“先比例后积分再加微分”的规律,将计算出的限制器参数加到限制器上.E、 视察被控变量的过程曲线,适当调整,直到获得满足的过渡过程.2 一步整定法:所谓一步整定法,就是副限制器的参数按阅历法放置,主限制器的参数按单回路限制系统进行整定 .副限制器的阅历参数可参照单回路限制器参数的阅历数值,见表14

29、-2-4 整定步骤如下:A 在生产正常,系统为纯比例运行的条件下.依据表14-2-1阅历数值,把副限制器的比例度调到某一数值上.B 利用简洁限制系统的任一参数整定方法,整定主限制器的参数.C 假如出现“共振”现象,可加大主限制器或减小副限制器参数设定值.第四节 比值限制系统在化工生产过程中, 常常用到要求两种或两种以上的物料,按肯定的比例混合后进行化学反应，工业上为保持两种或两种以上物料比值为肯定的限制叫比值限制在比值限制系统中,首先要明确那种物料是主物料,另一种物料按主物料来配比系统中主物料或主流量用表示一般状况下，总以生产中的主要物料作为主流量另一种物料随主流量的变更而变更，称之为从物料或

30、副流量，用表示一比值限制方案常见的比值限制系统有单闭环比值、双闭环比值和串级比值三种单闭环比值限制系统单闭环限制比值系统的方框图见图14-4-1从限制部分看，是一个随动的闭环限制回路，而主物料流量的限制部分则是开环的。主流量G1经比值运算后使输出信号与输入信号成肯定比例，并作为副流量限制器的给定信号值。在稳定状态时，主、副流量满足工艺要求的比值，即KG2/G1为一常数。当主流量负荷变更时，其流量的给定经变送器到比值器，比值器则按预先设置好的比值使输出成比例地变更，即成比例地变更了副流量限制器的给定值，则G2经调整作用自动跟随G1变更，使得在新稳态下G2/G1=K保持不变。当副流量由于扰动作用而

31、变更时，因主流量不变，即限制器的给定值不变，这样，对于副流量的扰动，闭合回路相当于一个定值限制系统加以克服，使工艺要求的流量比值不变。扰动对象调整阀限制器比值器G2检测、变送检测、变送G1图14-4-1单闭环比值系统的方块图2、双闭环比值限制系统假如要求主流量也要保持定值，那么对主流量也要有个闭合的限制回路，主、副流量通过比值器来实现比值关系，这样就构成了双闭环比值限制系统。其方块图如图14-4-2所示。扰动调整阀调整器1对象G1检测、变送比值器对象调整阀调整器2G2检测、变送图14-4-2 双闭环比值限制系统的方框图双闭环比值限制系统实质上是由一个定值限制系统和一个随动限制系统所组成，它不仅

32、能保持两个流量之间的比值关系，而且能保证总流量不变。与采纳两个单回路流量限制系统相比，其优越性在于主流量一旦失调，仍能保持原定的比值。并且当主流量因扰动而发生变更时，在限制过程中仍能保持原定的比值关系。双闭环比值限制系统除了能克服单闭环比值限制的缺点外，另一个优点是提降负荷比较便利，只要缓慢地变更主流量限制器的设定值，就可提、降主流量，同时副流量也就自动地跟踪主流量，并保持两者比值不变。3、串级比值限制系统以上介绍的两种限制系统，其流量比是固定不变的，故也可称定比值限制系统。然而，在某些生产过程中，却须要两种的比值按详细工况而变更，比值的大小由另一个限制器来设定，比值限制系统作为副回路，从而构

33、成串级比值限制系统，也称变比值限制系统。其方块图见图14-4-3。扰动2扰动1主调整器副限制器主对象副对象调整阀检测变送2G2除法器检测变送1G1检测变送图14-4-3 串级比值限制系统方块图二、比值限制系统的实施方案在比值限制系统中，可用两种方案达到比值限制的目的。一种是相除方案。即G2/G1=R，可把G2与G1相除的商作为比值限制器的测量值。另一种是相乘方案，由于G2RG1，可将主流量G1乘以系数R作为从流量G2限制器的设定值。三、 比值限制系统的投运和参数的整定比值限制系统在设计、安装好以后，就可进行系统的投运。投运的步骤大致与简洁限制系统相同。系统投运前，比值系数不肯定要精确设置，可以

34、在投运过程中，渐渐进行校正，直到工艺认为比值合格为止。对于变比值限制系统，因结构上是串级限制系统，因此，主限制器可按串级限制系统的主限制器整定。双闭环比值限制系统的主物料回路可按单回路定值限制系统来整定。但对于单闭环比值限制系统和双闭环的从物料回路、变比值回路来说，它们实质上均属于随动限制系统，即主流量变更后，希望副流量能速地随主流量按肯定的比例作相应的变更。因此，它不应当按定值限制系统4：1最佳衰减曲线法的要求进行整定，而应当整定在振荡与不振荡的边界为好。其整定步骤大致如下：1、 据工艺要求的两流量比值，进行比值系数计算。在现场整定时，依据计算的比值系数投运，在投运过程中再作适当调整，以满足

35、工艺要求。2、 Ti，在纯比例作用下，调整比例度（使由大到小变更），直到系统处于振荡与不振荡的临界过程为止。3、 在适当放大比例度的状况下，一般放大20%，然后渐渐地减小积分时间，引入积分作用，直到出现振荡与不振荡的临界过程或微振荡过程为止。第五节选择性限制系统一般限制系统都是在正常工况下工作的。当生产不正常时，通常的处理方法有两种。一种是切入手动，进行遥控操作；另一种是联锁爱护紧急停车，防止事故发生，即所谓硬限限制。由于硬限制对生产和操作都不利，近年来采纳了平安软限限制。所谓平安软限限制，是指当一个工艺参数将要达到危急值时，就适当降低生产要求，让它短暂维持生产，并渐渐调整生产，使之朝正常工况

36、发展，能实现软限限制的限制系统称为选择性限制系统，又称为取代限制系统或超驰限制系统。选择性限制系统种类许多，图14-5-1是常见的选择性限制系统示意图。参数参数调整器调整器选择器调整阀图14-5-1 选择性限制示意图 在正常状况下，选择器选中正常限制器，使之输出送至调整阀，实现对参数的正常限制。这时的限制系统工作状况与一般的限制系统是一样的。但是，一旦参数将要达到危急值，选择器就自动选中限制器的信号，从而取代限制器操纵调整阀。这时对参数来说可能限制质量不高，但生产仍在接着进行，并通过限制器的调整，使生产渐渐趋于正常，待到复原正常后，限制器又取代限制器的工作。这样，就保证在参数达到越限前就自动实

37、行新的限制手段，不必硬性停车。一、 选择性限制系统的类型选择性限制系统在结构上的特点是运用了选择器。选择器可以接在两个或两个以上的调整器的输出端，也可接在几个变送器的输出端，对测量信号进行选择，以适应不同工况的须要。1、选择器装在限制器与调整阀之间这类选择性限制系统的特点是几个限制器公用一个调整阀。通常是两个限制器合用一只调整阀，其中一个限制器在正常工况下工作，另一个处于待命备用状态，遇到工艺生产不正常时，就由它取而代之，直到工况复原正常，再由原来的限制器进行限制。2、选择器装在变送器与限制器之间这种类型的选择性限制系统的特点是，几个变送器合用一只限制器。选择的目的有两种：（1） 选出最高或最

38、低测量值。（2） 选取牢靠测量值。以上两种选择都可提高系统运行的牢靠性。3、操纵变量选择性限制系统若一个被控变量有几种操纵变量可供选择，也可用选择性限制系统按不同工况选择不同的操纵变量。二、积分饱和及其防止措施对于具有积分作用的限制器，若处于开环状态，由于偏差存在，限制器的输出随着时间增加，会达到最大或最小极限值，这就是限制器的积分饱和现象。在选择性限制系统（被控变量选择性限制系统）中，两个限制器中总有一个是处于开环状态，不论哪个限制器，只要有积分作用存在，都有可能产生积分饱和现象。常用的防积分饱和现象有三种：1、限幅法采纳高值或低值限幅器，使限制器的输出信号不超过工作信号的最高值或最低值。2

39、、积分切除法所谓积分切除法，即当限制器具有PI作用时，一旦处于开环状态，马上切除积分功能，只具有比例限制规律。3、积格外反馈法限制器在开环状态下不选用限制器自身的输出值作反馈，而是借用其他相应的信号用外反馈的方法作为限制器的反馈信号，这样可以防止限制器积分饱和的现象的产生。三、 选择性限制系统的选型1、选择器的选型选择器分为高值选择器和低值选择器两类。前者允许较大的信号通过，后者允许较小信号通过。选型时可依据使系统脱离“危急”区域的手段，以及调整阀的开、关形式来选。如有可能，应尽量选用低值选择器，这样更加平安牢靠。因为对调整阀气开、气关的选择，考虑的是在没有气压信号输入阀门的状况，阀门处在全开

40、的位置平安，还是全关的位置平安，所以，当选择器送出低信号时，往往较为平安，万一发生故障，危害性较小。2、限制器的选型对于正常工况下运行的正常限制器，选型与简洁限制系统的选型一样，采纳PI或PID限制规律。对于不正常工况下运行的取代限制器的选型，则要求取代时动作快速牢靠，为此，一般常选用狭比例限制器，或采纳双位限制器。第六节 分程限制系统简洁限制系统是一个限制器的输出带动一个调整阀动作，而分程限制系统的特点是一个限制器的输出同时限制几个工作范围不同的调整阀。例如一个调整阀在2060kPa范围内工作，另一个调整阀在60100kPa的范围内工作。其方块图如图14-6-1所示。对象调整阀调整器调整阀测

41、量、变送图14-6-1分程限制系统方块图分程是靠阀门定位器或电气阀门定位器来实现的。假如限制器的输出信号范围是0.020.1MPa气信号，要限制A、B两只调整阀，那么只要在A、B调整阀上分别装上气动阀门定位器，A阀上的定位器调整为：当输入0.020.06MPa时，输出为0.020.1MPa，而B阀上的定位器调整为：当输入为0.060.1MPa时，输出为0.020.1MPa。即当限制器输出在0.020.06MPa时，A调整阀动作，而限制器输出在0.060.1MPa时，B调整阀动作，从而达到了分程的目的。一、 分程限制的应用1、 采纳几种根本不同的限制手段2、 扩大调整阀的可调范围在某些场合，调整

42、手段虽然只有一种，但要求操纵变量的流量有很大的可调范围，例如大于100以上。而国产统一设计的调整阀的可调范围最大只有30，满足了大流量就不能满足小流量，反之亦然。为此，可采纳两个大小阀并联运用，在小流量时用小阀，大流量时用大阀，这样就大大地扩大了可调范围。二、分程限制系统对调整阀的要求1、关于流量特性的问题因为在两只调整阀的分程点上，调整阀的流量特性会产生突变，这在大、小阀并联时更为突出。假如两只调整阀都是线性特性，状况更严峻。解决方法有两个：（1）采纳两只对数特性调整阀，这样从小阀向大阀过渡时，调整阀的流量特性相对要平滑些，（2）采纳分程信号重叠的方法。如两个信号段可分为0.020.065M

43、Pa和0.0550.1MPa，即不等小阀全开时，大阀已经小开了，这样流量特性会改善。2、依据工艺要求选择同向或异向规律的调整阀在分程限制系统中，调整阀的开关形式可分为两类。一类称为同向规律调整阀，即随着调整阀输入信号的增加，两个阀门都开大或关小，另一类称为异向规律的调整阀，即随着调整阀输入信号的增加，一个阀门关闭，而另一个阀门开大，或者相反。3、泄漏量问题分程限制系统中，尽量应使两只调整阀都无泄漏，特殊是对大、小并联运用时，假如大阀的泄漏量过大，小阀将不能正常发挥作用，调整阀的流量可调范围仍旧得不到增加。4、限制器参数整定问题当分程限制系统中两只调整阀分别限制两个操纵变量时，这两只阀所对应的通

44、道特性可能差异很大，即广义对象特性差异很大。这时，限制器参数整定必需留意，须要兼顾两种状况，选取一组合适的限制器参数。第七节 前馈限制系统简洁限制系统属于反馈限制，它的特点是按被控变量的偏差进行限制，因此只有在偏差产生后，限制器才对操纵变量进行限制，以补偿扰动变量对被控变量的影响，若扰动已经产生，而被控变量尚未变更，限制作用是不会产生的，所以，这种限制作用总是落后于扰动作用的，是不刚好的限制。对于滞后大的被控对象，或扰动幅度大而频繁时，采纳简洁限制往往不能满足工艺生产的要求，若引入前馈限制，实现前馈反馈限制就能获得显著的限制效果。前馈限制是依据干扰作用的大小来进行限制的。当扰动一出现，就能依据

45、扰动的测量信号限制操纵变量，刚好补偿扰动对被控变量的影响，限制是刚好的，假如补偿作用完善，可以使被控变量不产生偏差。图14-7-1所示为一个浓度比的简洁限制系统和前馈限制系统方块图。+ f f c - +Go(s)Gf(s)GH(s)Gv(s)Go(s)Gc(s)Hm(s) c + (a) 反馈(b)前馈图14-7-1 前馈限制与反馈限制从两者的方块图可以看出，信号的传递方式有不同。对于简洁限制系统，浓度信号从系统的输出端返回到输入端，因此是反馈，并且它有一个闭合的回路。而对于前馈限制见图14-7-1(b)，水流量信号却是始终向系统的输出送，因此它是前馈，而且是开环的。从方块图中还可看出，前馈

46、限制规律不采纳PID形式，它的限制规律由前馈通道和扰动通道的传递函数得到，其极性恰好相反，即Gff(s)=-Gf(s)/Go(s)由此可见，前馈装置的输出是依据详细对象来确定的，假如Gff(s)严格地满足上式关系，就能完全补偿扰动作用。但是，若对象的传递函数略有偏差，或Gff(s)达不到上式的功能，那么就不能完全补偿扰动的影响，被控变量也无法再回到原来的数值上。前馈限制只能克服可测扰动，即扰动可以是不行控的，但必需是可测量的。对于不行测的扰动，前馈限制不能采纳。前馈限制坚扰动的补偿是一一对应的，所以，当有几个扰动存在时，要同时测量几个扰动才行。另外，由于Gff(s)不宜太困难，而且Gf(s)和

47、 Go(s)也不易测准，因此前馈补偿是不行能得到完全补偿的。同时，扰动也不止一个，两个，因此，在实际运用中往往采纳前馈与反馈复合在一起的限制系统，被称为前馈反馈限制系统，有时简称前馈限制系统，利用前馈限制系统克服主要干扰，用反馈限制消退其他干扰。一、 前馈限制系统的结构形式作为一个完整的前馈限制，不但要考虑最终补偿的结果能否使前馈限制作用恰好与扰动作用进行相互补偿（抵消），使被控变量不产生偏差，而且还应考虑在补偿过程中它们的动态响应要保持一样。前者不考虑动态响应，扰动和校正之间与时间变量无关，这种称为静态前馈；后者则考虑到对象两条通道的动态响应和时间因素，故称为动态前馈。1、 态前馈限制系统静

48、态前馈是在扰动作用下，前馈校正作用只能在补偿过程最终使被控变量回到给定值，而不考虑补偿过程中的偏差大小。其校正作用（前馈装置）的大小，可以通过系统的物料量和能量的平衡关系来得到。2、 态前馈系统动态前馈不仅在静态放大系数上进行补偿，而且在时间上亦考虑进行补偿，使其补偿过程比较合拍。动态前馈补偿装置的限制规律由式（14-7-1）确定。假如对象特性是一阶的，其限制通道和扰动通道的传递函数分别为：Go(s)=Ko/(Tos+1) (其中包括调整阀)Gf(s)=Kf/(Tfs+1)则动态前馈装置（也称前馈调整器）的传递函数）：GH(s)=-Gf(s)/Go(s)=-Kf(Tos+1)/Ko(Tfs+1

49、)=-KH(T1s+1)/(T2s+1) (14-7-1)若时间常数ToTf，即扰动通道比限制通道反应快，则取前馈调整器的T1T2，就是在前馈校正通道上增加一些正微分作用，使校正作用与扰动作用对被控变量的影响在时间上恰好合拍，而使扰动作用完全抵消。反之，若ToTf时，则可取T1T2，使前馈装置起一个滞后的作用（亦称反微分作用），在时间上使校正作用与扰动作用合拍而相互抵消。当两条通道的时间常数很接近，即ToTf时，则可取T1T2，这时，就相当于静态前馈补偿。3、前馈反馈限制系统综上所述，前馈限制是开环限制的结构形式，对补偿作用有检验的手段，因此，无法知道被控变量是否存在偏差，也就无法作进一步的校

50、正。而且实际对象中常有多个扰动存在，有的扰动还不行测量，因此，单独采纳前馈限制是很难满足工艺要求的。所以在实际应用中，往往用前馈反馈相结合的限制方案，这样主要干扰用前馈来快速克服，其他干扰仍由反馈限制系统来克服，从而大大提高了限制系统的调整质量，满足工艺生产要求。二、前馈限制系统的应用1、前馈限制调整器限制规律的选择 当ToTf时，由于限制通道很灵敏，克服干扰实力强，简洁回路限制就能达到满足的限制质量，此时，不必采纳前馈限制。 当ToTf时，只要采纳静态前馈反馈限制，就可较好地改善调整品质。 当ToTf时，可采纳动态前馈反馈限制改善调整品质，效果尚好。 关于纯滞后时间的补偿。当fo时，则前馈限

51、制规律应为：GH(s)=-Gf(s)e-(f-o)s/Go(s)=-Kff(T1s+1)e-ffs/(T2s+1)但当fo时，要求前馈调整器具有纯超前环节effs是做不到的，所以，此时不能运用前馈限制。2、前馈限制的应用前馈限制应用于以下场合： 扰动变更频繁而且幅值较大的场合； 主要干扰可测而不行控的场合； 扰动对被控变量的影响显著，单纯的反馈限制难以达到限制要求时，可用前馈限制。三、前馈参数的整定1、先设置静态前馈系数Kff通常采纳闭环整定法，即先断开前馈回路而利用反馈回路来整定Kff值。在工况稳定状况下，登记扰动的稳值f1和限制器输出的稳态值u1。然后，施加扰动，扰动量为f2，待系统重新稳

52、定后，再次登记限制器的输出u2和f2。则Kff可按下式求出：Kff=(u2-u1)/(f2-f1)=u/f这种方法是借助反馈校正的原理来设置静态前馈系数Kff。2、再调整动态前馈参数T1和T2整定时，可预先设置一个T1值，渐渐变更T2，视察过渡曲线确定T2的值，然后再逐步变更T1，视察过渡过程，直到满足为止。在实际的化工生产过程中，有时依据生产特点，也用到其它的一些困难限制系统，如三冲量限制、双重限制、自适应限制等等。由于运用的较少，这里不再一一介绍，有爱好的同志可以参看别的参考书，了解这方面的学问。复习题一、 填空题1、 自动限制系统一般由（）、（）、（）、（）四部分构成。答：被控对象，检测

53、元件（包括变送器），限制器（调整器），调整阀2、 限制系统按系统的结构特点分为（）、（）、（）三类，按给定信号的特点分为（）、（）、（）三类。答：反馈限制系统（闭环限制系统），前馈限制系统（开环限制系统），复合限制系统（前馈反馈限制系统），定值限制系统，随动限制系统，依次限制系统3、 限制系统的过渡过程要有（）、（）、（）、（）四种形式。答：发散振荡过程，等幅振荡过程，衰减振荡过程，非周期衰减过程（单调过程） 4、 恒量一个限制系统的品质指标主要有（）、（）、（）、（）、（）五个指标。答：衰减比，余差，最大偏差，过渡过程时间，振荡周期5、 简洁限制系统是指由一个（）、一个（）、一个（）和一台（

54、）组成的单回路闭合限制系统。答：被控对象，测量变送器，限制器，调整阀6、 简洁限制系统常用被控变量来划分最常见的是（）、（）、（）、（）、（）等五种限制系统。答：温度，压力，流量，液位，成分、调整系统中调整器的正反作用的确定依据是（）答：实现闭环回路的副反馈、对于限制系统的各个环节的静态特性是这样规定的：正作用调整器其c取（），反作用调整器其c取（），气开阀v取（），气闭阀v取（），正作用被控过程其o取（），反作用被控过程其o取（）。答：负，正，正，负，正，负9、在PID调整中，比例作用是依据（）来动作的，在系统中起着（）的作用，调整器比例度越大，则放大倍数Kc（），比例调整作用就（），过渡过

55、程曲线越（），但余差也（）。答：偏差的大小，稳定被调参数，越小，越弱，平稳，越大。10、在PID调整中积分作用是依据（）来动作的，在系统中起着（）的作用，积分时间Ti越小，则积分速度（），积分特性曲线的斜率（），积分作用（），消退余差（）。答：偏差是否存在，消退余差，越大，越大，越强，越快。11、在PID调整中，微分是依据（）来动作的，在系统中起着（）作用，微分时间Td越大，微分作用越（）。答：偏差变更速度，超前作用，越强。12、自动调整系统中常用的参数整定法有（）、（）、（）、（）。答：阅历法，衰减曲线法，临界比例度法，反应曲线法。13、某调整系统采纳PI调整器，在用先比例后积分的试凑法来整

56、定调整器的参数，若比例带的数值已合适，在加入积分的过程中应（）。答：适当增加比例带。14、选择串级调整系统调整器的形式主要是依据（）、（）和（）而定，一般状况下，主回路选择（）或（）调整器，副回路选择（）和（）调整器。答：工艺要求，对象特性，干扰性质，PI，PID，P，PI。15、常见的比值限制系统有（）、（）、（）三种。答：单闭环比值，双闭环比值，串级比值。16、单纯的前馈调整是一种能对（）进行补偿的调整系统。答：干扰量的变更。17、定值系统是按（）进行调整的，而前馈调整是按（）进行调整的，前者是（）调整，后者是（）调整。答：测量给定的偏差大小，扰动量大小，闭环，开环。18、在选择性调整系统中，防止积分饱和的方法有（）、（）、（）三种。答：限幅法，积分切除法，外反馈法。19、在液位调整系统中，比例度阅历值为（）%，积分时间阅历值为（）min。答：2080，15。19、在温度调整系统中，比例度阅历值为（）%，积分时间为（）min，微分时间为（）min。答：2060，310，0.53。二、简答题1、 什么是限制系统的过渡过程？答：一个限制系统在处界干扰或给定干扰作用下，从原有的稳定状态过渡到新的稳定状态的过程称为过渡过程。2、 什么是比例、积分、微分调整