第6章 其他典型控制系统.

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1 第6章 其他典型控制系统

2 复习： 1.串级控制系统的方框图： 2.串级控制系统的三个特点： (1)副回路具有快速调节作用，能有效地克服发生于副回路的扰动影响。
T2 2.串级控制系统的三个特点： (1)副回路具有快速调节作用，能有效地克服发生于副回路的扰动影响。 (2)能改善控制通道的动态特性，提高工作频率。 (3)串级控制系统对副对象和控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性。

3 3.主副调节器正反作用方式的确定： （1）首先根据工艺要求决定调节阀的气开、气关形式。 （2）然后再决定副调节器的正、反作用。 （3）再依据主、副参数的关系最后决定主调节器的正、反作用。 4.串级控制系统的参数整定： 逐步逼近法、两步整定法、一步整定法。 （1）所谓两步整定法，就是第一步整定副调节器参数， 第二步整定主调节器参数。 （2）所谓一步整定法，就是根据副过程的特性或经验先确定副调节器的参数，然后再按照单回路控制系统的整定方法整定主调节器的参数。

4 6 其他典型控制系统 6.1 比值控制系统 6.2 均匀控制系统 6.3 选择性控制系统 6.4 分程控制系统 6.5 阀位控制系统

5 6.1 比值控制系统 在现代工业生产过程中，经常需要两种或两种以上的物料按一定比例混合或进行化学反应。一旦比例失调，轻则会造成产品质量不合格，重则会造成生产事故或发生危险。 例如： 1）在工业锅炉燃烧过程中，需要自动保持燃料量与空气量按一定比例混合后送入炉膛。 2）在制药生产过程中，要求将药物和注入剂按规定比例混合。 3）聚乙烯醇生产中，树脂和氢氧化钠(NaOH)必须按一定比例进行混合，否则树脂将发生自聚而影响生产的正常进行。 4）在硝酸生产过程中，进入氧化炉的氨气和空气的流量要有合适的比例。但同时还应从安全角度考虑，因为当氨气在空气中的含量低温时在（15～28）％之间，高温时在（14～30）％之间都会有产生爆炸的危险。因此，保证氨气和空气进料量的比例，不让它进入爆炸范围，这对安全生产来说具有重要意义。

6 为了实现上述种种特殊的要求，必须设计一种特殊的过程控制系统，即比值控制系统。
比值控制的目的，就是为了使几种物料混合后符合一定比例关系，使生产能安全正常进行。 1 .定义： 所谓比值控制系统，简单地说，就是使一种物料随另一种物料按一定比例变化的控制系统。 ( 实现使两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统称为比值控制系统。) 通常以保持两种或两种以上物料的流量为一定比例关系的系统，称为流量比值控制系统。

7 2 主物料：在比值控制系统中，需要保持比值的两种物料必有一种处于主导地位，这种物料称为主物料，表征这种物料的参数称为主动量，或主流量，用 Q1表示。
一般情况下，总是把生产中主要物料定为主物料。在有些场合，是将不可控物料作为主物料，用改变可控物料即从物料来实现它们之间的比值关系。 3 . 比值控制系统就是要实现副流量和主流量成一定的比例关系，即满足Q2／Q1＝k，k为副流量和主流量的比值。 如上所述，在比值控制系统中，从动量是随主动量按一定比例变化的，因此，比值控制系统实际上是一种随动控制系统。

8 【例6-1】某厂生产中需连续使用6％～8％NaOH溶液，工艺上采用30％NaOH溶液加水稀释配置，如图6-1所示。一般由电化厂提供的30％浓度的NaOH溶液比较稳定，引起混合器出口溶液浓度变化的主要原因是入口处水的流量变化。按反馈控制原理，为了保证出口浓度，可设计以出口浓度为被控变量，入口处的水流量为操纵变量的反馈控制系统。但是，浓度信号的获取较为困难，即使可以获得浓度信号并组成控制系统，往往也因测量环节和对象控制通道的滞后较大，影响控制品质。 图6-1 溶液配制

9 若某一输入物料流量变化时，另一物料也能按比例跟随变化，则可以达到对出口浓度的完全补偿。
对于上述混合问题，通过简单的化学计算可知，只要使入口的30%浓度的NaOH溶液和水的质量流量之比保持在1：4～1：2.75之间，就可满足出口NaOH溶液浓度达到6%~8%。对于这样一个浓度控制问题，也就成为流量比值控制问题。 生产上这种类似的控制问题很多，都可以通过保持物料的流量比来保证最终质量。 显然，保持流量比只是一种控制手段，保证最终质量才是控制目的。

10 定比值控制 1.开环比值控制 图6-2所示为开环比值控制系统原理图。FT为检测变送器，FC为比值控制器。在稳定工况下，两种物料的流量应满足Q2=kQ1的要求。 Q2／Q1＝k （6-1） 优点：结构简单，投资省。 图6-2 开环比值控制系统原理图

11 对于例6-1中的生产过程，为保证混合后的浓度，可设计如图6-3(a)所示的控制系统，其中FC21为纯比例控制器。 当流量Q1随高位槽液面变化时， 控制器FC的输出按比例变化。若选线性 控制阀，则Q2也随着Q1按比例变化。 在保持流量间比例关系的两物料中， Q1处于主导地位，选择为主流量， Q2随着Q1变化，选择为副流量。 该系统中的控制器只起比例作用， 可用比值器代替，改变控制器的 比例度或比值器的比值系数， 就可以改变两流量的比值k。 图6-3 开环比值控制系统

12 1) 缺点：该系统对副流量无抗干扰能力，当副流量管线压力改变时，就满足不了所要求的比值。
系统的方框图如图6-3(b)所示，因为系统是开环的，故称为开环比值控制系统。由于该系统的副流量Q2无反馈校正，因此对于副流量本身无抗干扰能力。如本例中的水流量，若入口压力变化，就无法保证两流量的比值。 1) 缺点：该系统对副流量无抗干扰能力，当副流量管线压力改变时，就满足不了所要求的比值。 2) 应用范围： 对于开环比值方案，虽然结构简单，但一般很少采用，只有当副流量较平稳且流量比值要求不高的场合才可采用。 图6-3 开环比值控制系统方框图

13 2.单闭环比值控制系统 为了克服开环比值控制系统的弱点，可对副流量引入一个反馈回路，组成如图6-4(a)所示的控制系统。当主流量Q1变化时，其流量信号经测量变送器送到比值器R中。比值器按预先设置好的比值系数使输出成比例变化，并作为副流量控制器的设定值。此时，副流量控制是一个随动系统，Q2经反馈控制自动跟随Q1变化，使其在新的工况下保持两流量比值k不变。 当副流量由于自身的干扰而变化时， 因为它是一个闭环系统，经反馈控制后 可以克服自身的干扰。一般流量控制器 都采用PI作用，能消除余差，使工艺要求 的流量比k保持不变。 图6-4 单闭环比值控制系统

14 从方框图可以看出，系统只包含一个闭合回路，故称为单闭环比值控制。
原理图 图6-4 单闭环比值控制系统 从方框图可以看出，系统只包含一个闭合回路，故称为单闭环比值控制。 分析：当主流量受扰动而变化时，其流量信号经变送器送到比值计算器，比值计算器则按预先设置的比值器参数使输出成比例地变化，即成比例地改变副控制器FC的给定值，使副流量Q2跟随主流量Q1而变化，从而保证原设定的比值不变。 当主、副流量同时受到扰动时，控制器FC在克服副流量扰动的同时，又根据新的给定值，改变调节阀的开度，使主、副流量在新的流量数值的基础上，保持其原设定值的比值关系。

15 可见，该系统能确保主、副两个流量的比值不变，而系统的结构又较简单，所以在工业生产过程自动化中应用较广。 稳态下，从动量回路是定值控制。 当主动量受干扰变化，从动量回路是随动控制。 1) 应用场合：尤其适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合。 2) 优点： 不但实现副流量随主流量的变化而变化，而且可以克服副流量本身干扰对比值的影响，因此，主、副流量的比值较为精确。实施亦较方便，所以得到了广泛的应用。 2) 缺点： 主流量Q1是可变的，因而其总流量是不固定的，这对于直接去化学反应器的场合是不太合适的，因为负荷波动会对反应过程造成一定的影响，有可能使整个反应器的热平衡遭到破坏，甚至造成严重事故。这是单闭环比值控制系统无法克服的一个弱点。 因此，单闭环比值控制方案一般在负荷变化不太大时选用为宜。

16 应用举例 丁烯洗涤塔的任务是用水除去丁烯馏分中所夹带的乙腈，为了保证洗涤质量，要求根据进料流量配以一定比例的洗涤水量。

17 3.双闭环比值控制系统 为了既能实现两个流量的比值恒定，又能使进入系统的总负荷平稳，在单闭环比值控制的基础上又出现了双闭环比值控制。 组成：由一个定值控制的主流量控制回路和一个跟随主流量变化 的副流量控制回路组成。 主流量控制回路：克服主流量扰动，实现其定值控制。 副流量控制回路:抑制作用于副回路的干扰，从而使主、副流量均比较 稳定，使总物料量也比较平稳。 2) 应用场合：在工业生产过程中，当要求负荷变化比较平稳时，可以 采用这种控制方案。

18 例如： 在以石脑油为原料的合成氨生产中，进入一段转化炉的石脑油要求与水蒸气成一定比例，同时还要求各自的流量比值稳定，所以设计了如图6-5所示的控制系统，图中R1是流量Q1的设定值。它与单闭环比值控制系统的差别就在于主流量也构成了闭合回路，故称为双闭环比值控制系统。 图6-5 双闭环比值控制系统及方框图

19 由于有两个流量闭合回路，可以克服各自的外界干扰，使主、副流量都比较平稳，流量间的比值可通过比值器实现。这样，系统的总负荷也将是平稳的，克服了单闭环比值控制总流量不稳定的缺点。
但该方案所用仪表较多，投资高，一般情况下，采用两个单回路定值控制系统分别稳定主流量和副流量，也可达到目的。 总结： 上述三种比值控制方案的一个共同特点是： 它们都以保持两物料流量比值一定为目的，比值器的参数经计算设置好后不再变动，工艺要求的实际流量比值k也就固定不变，因此统称为定比值控制系统。

20 6.1.2 变比值控制 流量之间实现一定比例的目的仅仅是保证产品质量的一种手段，而定比值控制的各种方案只考虑如何来实现这种比值关系。
变比值控制 流量之间实现一定比例的目的仅仅是保证产品质量的一种手段，而定比值控制的各种方案只考虑如何来实现这种比值关系。 由于工业生产过程的干扰因素很多，当系统中存在着除流量干扰以外的其他干扰（如温度、压力、成分以及反应器中催化剂老化等的干扰）时，原来设定的比值器参数就不能保证产品的最终质量，需进行重新设置。但是，这种干扰往往是随机的，且干扰幅度各不相同，无法用人工经常去修正比值系数，因此出现了按照某一工艺指标自动修正流量比值的变比值控制系统。它的一般结构形式如图6-6所示。

21 在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第三个工艺参 数的需要而变化，为满足这种工艺的要求，开发并设计了变比值控 制系统。图6-6为用除法器构成的变比值控制系统方块图。
特点： 以第三参数或称以主参数和两个流量比为副参数所组成的串级 比值控制系统。 图6-6 变比值控制系统的方框图

22 流量的检测是靠差压变送器，而差压变送器加上开方器后才能得到线性的流量信号。这里假设采用的流量测量变送器给出的信号都是线性流量信号。 在稳定状态下，主、副流量Q1和Q2恒定(即Q2／Q1=k为一定值)。它们分别经测量变送器 送除法器相除，其输出表征了它们 的比值，同时作为比值控制器FC的 测量信号。这时表征最终质量指标 的主参数y也恒定，所以主控制器 AC输出信号稳定，且和比值控制 器的测量信号相等。比值控制器 输出稳定，控制阀开度一定， 产品质量合格。 图6-6 变比值控制系统的一般结构

23 当系统中出现除流量干扰外的其他干扰引起主参数y变化时，通过主反馈回路使主控制器输出变化，修改两流量的比值设定值，以保持主参数稳定。
对于进入系统的主流量Q1干扰，由于比值控制回路的快速随动跟踪，使副流量Q2=kQ1相应变化，以保持主参数y稳定，它起了静态前馈的作用。 对于副流量本身的干扰，同样可以通过自身的控制回路克服，它相当于串级控制系统的副回路。 由于两流量比值是由表征最终质量的第三参数y给出的，因此也有人把这种变比值控制系统称为由第三参数给定的比值控制系统。

24 图6-7所示的硝酸生产中氧化炉温度对氨气／空气串级控制系统就是这类变比值控制系统的一个实例。
在硝酸生产过程中，氨气和空气混合后进入氧化炉，在铂触媒作用下进行氧化反应，该反应为放热反应，反应温度必须严格控制在(8405o)C。反应方程为： 4NH3+5O NO+6H2O+Q （6-2) 反应放出的热量可使炉内温度高达750～820OC，反应后生成的一氧化氮气体通过废热锅炉进行热量回收，并经快速冷却器降温，再进入硝酸吸收塔，与空气第二次氧化后再与水作用而生成稀硝酸。

25 当温度受其他干扰（如触媒老化等）而发生变化时，则可通过主控制器(此处为温度控制器)改变氨量 即改变氨、空气比来补偿，
而影响温度的主要因素是氨气和空气的比值，保证了混合器的氨、空气比值，基本上控制了氧化炉的温度。 当温度受其他干扰（如触媒老化等）而发生变化时，则可通过主控制器(此处为温度控制器)改变氨量 即改变氨、空气比来补偿， 以满足工艺的要求。所以设计 了以氧化炉反应温度为主参数， 氨气与空气之比为副参数的 串级比值控制系统，即变比值 控制系统。 若把该系统画成方框图 则与上述一般结构形式完全 一致，只要将主参数y 用温度T代替即可。 图6-7 氧化炉温度对氨气/空气串级控制系统

26 注意： 在变比值控制系统中，流量比值只是一种控制手段，不是最终目的，而第三参数往往是产品质量指标。

27 比值控制的实施 比值系数的折算 (难点) 在工业生产中，比值控制是解决物料流量之间的比例关系问题。工艺要求的流量比值k，指两流量的体积流量或重量流量之比，而通常所用的单元组合式仪表使用的是统一的标准信号。比值器参数K’则是仪表的读数，它是流量比值k的函数，一般情况并不相等。 因此，在设计和运用比值控制系统时，必须把工艺上的比值k折算成仪表的读数k’。当使用单元组合仪表时，参数均以相应的统一标准信号互相联系。 所以，比值器参数的计算也就是将k折算成相应仪表的标准统一信号k’。 1）流量与测量信号成非线性关系。 对于节流元件来说，压差与流量的平方成正比，即 式中，C为差压式流量计的比例系数。

28 I1、I2为测量Q1、Q2所用变送器的输出电流信号。
当流量从0～Qmax变化时，压差从0~Pmax变化，变送器的输出为4~20mA.DC(对DDZ-III型仪表而言）则任一中间流量值Q1或Q2所对应的变送器的输出信号为 式中，Q1－主流量的体积流量或重量流量 Q2－副流量的体积流量或重量流量 Q1max—测量Q1所用变送器的最大量程 Q2max—测量Q2所用变送器的最大量程 I1、I2为测量Q1、Q2所用变送器的输出电流信号。 由于生产工艺要求Q2/Q1=k，则 为仪表信号之比

29 补充： DDZ-II：0～10mA.DC QDZ变送器：20~100KPa 其任一中间流量Q即相应压力P所对应于变送器的输出为：
即为所要求的比值器参数 补充： DDZ-II：0～10mA.DC QDZ变送器：20~100KPa 其任一中间流量Q即相应压力P所对应于变送器的输出为： DDZ-III: DDZ-II: QDZ仪表: 推导： 比值系数均为： 上式说明： 虽然流量与其测量信号成非线性关系，但是比值器参数却是一个常数，它只与测量流量变送器的最大量程有关，而与负荷大小无关。

30 (2)流量与测量信号成线性关系 在有些系统中，当在变送器后又加上了开方器，或直接用线性流量计，如转子流量计、涡轮流量计、椭圆齿轮流量计等进行测量时，流量与测量信号之间呈线性关系。此时，比值器参数的计算需要稍加改变，此时有 则： 主流量变送器量程上限 即： 副流量变送器量程上限 补充:(信号范围为20~100KPa的气动仪表) 当流量由0变至Qmax时,变送器对应输出信号为20~100KPa,变送器的转换关系为:

31 上式中k’应为仪表输出信号变化量之比，所以均需减去仪表信号的起始值。 则：
式中P2—副流量测量信号值 P1—主流量测量信号值 上式中k’应为仪表输出信号变化量之比，所以均需减去仪表信号的起始值。 则： 结论： 1）流量比值k与比值器参数k’是两个不同的概念，不能混淆。 2）比值器参数k’的大小与流量比值k有关，也与变送器的量程有关，但与负荷的大小无关。 3）流量与测量信号之间有无非线性关系对计算式有直接影响，但仪表的信号范围不一及起始点是否为零，均对计算式无影响。 4）线性测量与非线性测量（平方根关系）情况下k’间的关系为k’非＝（k’线)2。

32 复习： 1.比值控制系统的定义： 2.比值控制系统的类型： （1）就是使一种物料随另一种物料按一定比例变化的控制系统。
（2）实现使两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统称为比值控制系统。 Q2／Q1＝k，k为副流量和主流量的比值 2.比值控制系统的类型： （1）开环比值控制系统 （2）单闭环比值控制系统 （3）双闭环比值控制系统 （4）变比值控制系统 定比值控制

33 3.比值系数的折算 工艺要求的流量比值k，指两流量的体积流量或重量流量之比，而通常所用的单元组合式仪表使用的是统一的标准信号。
（1）流量与测量信号成非线性关系 DDZ-II: 0~10mA.DC DDZ-III: 4~20mA.DC QDZ: 20~100KPa

34 （1）流量与测量信号成非线性关系 （2）流量与测量信号成线性关系 QDZ: 20~100KPa 结论：
主流量变送器量程上限 （1）流量与测量信号成非线性关系 （2）流量与测量信号成线性关系 副流量变送器量程上限 QDZ: 20~100KPa 结论： ①比值器参数k＇的大小与流量比值k有关，也与变送器的量程有关，但与负荷的大小无关。 ②流量与测量信号之间有无非线性关系对计算式有直接影响，但仪表的信号范围不一及起始点是否为零，均对计算式无影响。 ③线性测量与非线性测量（平方根关系）情况下k＇间的关系为k＇非＝（k＇线)2。

35 1)不加开方器时，实际流量与测量信号成非线性关系，故采用(6—3)式计算仪表的比值器参数 k＇，即
例 已知某比值控制系统，采用差压式流量计（即由孔板和差压变送器组成）测量主副流量，主流量变送器的最大量程为Q1max=12.5m3/h，副流量变送器的最大量程为Q2max=20m3/h ，生产工艺要求Q2/Q1=1.4。 试求：(1)不加开方器时仪表的比值器参数 ; (2)加开方器后仪表的比值器参数 。 k＇ k＇ 解: 根据题意， 1)不加开方器时，实际流量与测量信号成非线性关系，故采用(6—3)式计算仪表的比值器参数 k＇，即 2)当加开方器时，实际流量与测量信号成线性关系，故采用式(6—4)计算仪表的比值器参数 k＇，即

36 比值控制的实施方法 比值控制系统有两种实现方案，依据Q2=kQ1就可以对Q1的测量值乘以比值k，作为Q2流量控制器的设定值，称为相乘的方案。 而依据 就可以将Q2与Q1的测量值相除，作为比值控制器的测量值，称为相除的方案。 在工程上，具体实施比值控制时，通常可采用比值器、乘法器和除法器等仪表，来解决两个流量的配比问题。 在计算机控制系统中，则可以通过简单的乘、除运算来实现。

37 （1）应用比值器方案 右图为应用比值器实施的单闭环比值控制系统。图中的虚线框表示对流量检测信号是否进行线性化处理。以DDZ-III型电动比值器为例，比值器的输入、输出信号关系式为 ： 在流量比值稳定操作时，控制器的测量值应等于设定值，即 由上式可知，只要将比值器的比值器参数 k＇按前面讲的换算公式求得后设置，就可实现比值控制。

38 （2）应用乘法器方案（仍以电动仪表DDZ-III为例） 设计的主要任务： 按照工艺要求的流量比值k，正确设置乘法器的设定值I0。
乘法器的运算信号为 式中 I1,I0——乘法器的输入信号； I1＇——输出信号 

39 因为系统在稳态时，控制器的设定值I1＇和测量值I2相等，所以将I1＇=I2代入上式可得
如果采用开方器，流量为线性变送时， 则 如果没有使用开方器，流量为非线性变送时， 则

40 所以在选择流量检测仪表的量程时，应满足 其中: kmax为工艺要求的可能最大比值。
根据DDZ-III单元组合式仪表的输入、输出信号只能为4～20mA，由上式可知，要保证I0在标准信号范围内，则要求 所以在选择流量检测仪表的量程时，应满足 其中: kmax为工艺要求的可能最大比值。 

41 （3）应用除法器方案（以DDZ-III单元组合式仪表为例） 除法器的信号关系为
由于稳态时Is=I0，所以  因为除法器的输出就是两流量的比值，所以对比值可以直接显示，非常直观。 而且控制器的设定值就是比值，便于精确设定，操作方便。 若将比值设定改作第三参数，就可实现变比值控制。

42 6.1.4 比值控制系统的设计与投运 1.主、从动量的设计 设计比值控制系统时，需要先确定主、从动量。
原则：在生产过程中起主导作用、可测而不可控，且较昂贵的物料流量一般为主动量，其余的物料流量以它为准进行配比，则为从动量。 另外，当生产工艺有特殊要求时，主、从动量的确定应服从工艺需要。 2.控制方案的选择 根据不同工艺情况、负荷变化、扰动性质、控制要求进行合理选择。 如:工艺上仅要求两物料流量之比值一定，负荷变化不大，而对总流量变化无要求，则选用单闭环比值控制方案。 又如：在生产过程中，主副流量的扰动频繁，负荷变化较大，同时要保证主、副物料总量恒定，则可选用双闭环比值控制方案。 再如：当生产要求两种物料流量的比值能灵活地随第三参数的需要进行调节时，则可选用变比值控制方案。 总之，控制方案选择应根据不同的生产要求进行具体分析而定，同时还需考虑经济性原则。

43 3.控制器控制规律的确定： 由不同控制方案和控制要求确定。 ①单闭环比值控制系统： 比值器：仅接受主流量的测量信号，仅起比值计算作用，故选P控制规律； 单闭环从动回路控制器：PI（起比值控制和稳定从动量的作用） ②双闭环比值控制系统： 双闭环主、从动回路控制器均选用PI控制规律，因为它不仅起比值控制作用，而且起稳定各自的物料流量的作用。 ③变比值控制系统： 可仿效串级系统控制器控制规律的选用原则，主控制器选PI或PID控制规律，比值控制器选用P控制规律。

44 4.正确选用流量计与变送器 流量测量与变送是实现比值控制的基础，必须正确选用。 用差压流量计测量气体流量时，若环境温度和压力发生变化，其流量测量值将发生变化。所以对于温度、压力变化较大，控制质量要求较高的场合，必须引入温度、压力补偿装置，对其进行补偿，以获得精确的流量测量信号。 5.比值控制系统的投运 比值控制系统投运前的准备工作及投运步骤与单回路控制系统相同。 6.比值控制系统的整定 在比值控制系统中，变比值控制系统因结构上是串级控制系统，因此主控制器按串级控制系统整定。 双闭环比值控制系统的主流量回路可按单回路定值控制系统整定。

45 下面对单闭环比值控制系统、双闭环以及变比值回路的副流量回路的参数整定作简单介绍。 比值控制系统中副流量回路是一个随动系统，工艺上希望副流量能迅速正确地跟随主流量变化，并且不宜有超调。由此可知，比值控制系统实际上是要达到振荡与不振荡的临界过程。 一般整定步骤如下： ①根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，可根据计算的比值系数k＇投入运行。 ②控制器需采用PI控制。整定时可先将积分时间置于最大，由大到小的调整比例度，直至系统达到振荡与不振荡的临界过程为止。 ③在适当放宽比例度的情况下，一般放大20％，然后慢慢把积分时间减少，直到出现振荡与不振荡的临界过程或微振荡的过程。

46 6.1.5 比值控制系统中的若干问题 1.关于开方器的选用
由比值系数的计算可知，比值系数与流量大小无关。也就是说，不管流量变送器是否为线性，当负荷变化时，上面介绍的比值控制系统均能保持静态比值恒定。然而，流量测量变送环节的非线性对系统的动态特性是会有影响的。由前述可知，用差压法测流量时，测量信号与流量之间的关系是 它的静态增益是 式中，Q0是Q的静态工作点。

47 由上式可知，采用差压法测量流量时，静态增益Km正比于流量，即随负荷的增加而增大。这样一个环节，将影响系统的动态品质，即小负荷时系统稳定，大负荷时稳定性下降，甚至会不稳定。 若将差压法测得的流量信号经过开方运算，使流量测量变送器环节(含开方器)成为线性环节，它的静态增益与负荷大小无关，从而使系统动态性能不再受负荷变化影响。 因此在采用差压法测量流量的比值控制系统中，是否选用开方器，要根据对被控变量控制精度及负荷变化情况而定。 当被控变量控制精度要求一般且负荷变化不大时，可以不采用开方器。反之，当被控变量控制精度要求较高，且负荷变化较大时，就必须设置开方器，以保证系统有较好的控制品质。

48 2.比值控制中的动态跟踪问题 随着生产的发展，对自动化的要求越来越高，对比值控制提出了更高的要求。在有些场合，不仅稳态时要求物料间保持一定比值，还要求动态比值一定。动态跟踪就是研究两流量的动态特性，使它们在受到外界干扰时，能够接近同步变化。 图6-8 具有动态补偿的比值控制系统及方块图

49 图6-8所示是一个具有动态补偿环节Gz(s)的比值控制系统及其方框图。主流量对副流量的传递函数为 要求副流量跟踪主流量的变化，在同步情况下无相位差，即 Q2(s)=kQ1(s) (6-11) 将式(6-11)代入式(6-10)，得 因为 (假设流量与测量信号为线性关系)，所以可得严格的补偿式为 在已知式(6-13)等号右边各环节的传递函数后，经换算可求得补偿环节的传递函数。在生产上应用时，可以用近似关系去逼近。由于副流量滞后于主流量，所以这类动态补偿环节应具有超前特性。

50 3.主、副流量的逻辑提降关系 在比值控制系统中，有时两个流量提降的先后顺序需要满足某种逻辑关系。 例如，在锅炉燃烧过程中，燃料量和空气量采用比值控制系统。为了使燃料完全燃烧，在提负荷时要求先提空气量，后提燃料量；在降负荷时要求先降燃料量，后降空气量。 图6-9就是能满足这种逻辑提降要求的比值控制系统，其中k＇为比值器。

51 1.正常工况（稳态）时，IP=I1=I2，HS,LS不起作用；
2.当系统提量时（蒸汽压力减小），PC输出增加，IP增大，I2<IP,LS选中I2,FC21的设定值为I2，Q1暂时不变；HS选中IP，FC22的设定值为IP增加，FC22输出增加，因为调节阀为气开式，Q2增加（空气先行），I2增加，FC21输出增加，Q1增加（燃料后行）。 3.当系统降量时（蒸汽压力增加），PC输出减少，IP减小，I1>IP，HS选中I1，FC22的设定值为I1，Q2暂时不变；LS选中Ip，FC21的设定值为Ip减少，FC21输出减少，因为调节阀为气开式，Q1减少（燃料先行），I1减少，FC22输出减少，Q2减少（空气后行）。 反作用 Ip I2 反作用 反作用 I1 气开阀 气开阀 图6-9 具有逻辑提降量的比值控制系统

52 6.1.6工业应用举例 上述控制系统满足了提量时先提空气量后提燃料量，减量时先减燃料量后减空气量的逻辑关系，保证了充分燃烧。
1 . 自来水消毒的比值控制 （1）工艺简介： 来自江河湖泊的水，虽然经过净化，但往往还有大量的微生物，这些微生物对人体健康是有害的。因此，自来水厂将自来水供给用户之前，还必须进行消毒处理。

53 氯气是常用的消毒剂，氯气具有很强的杀菌能力，但如果用量太少，则达不到灭菌的作用，而用量太多，则会对人们饮用带来副作用，同时过多的氯气注入水中，不但造成浪费，而且使水的气味难闻，另外对餐具会产生强烈的腐蚀作用。

54 （2）为了使氯气注入自来水中的量合适，必须使氯气注入量与自来水量成一定的比值关系，故设计如图所示的比值控制系统。
图6-10 自来水消毒的比值控制系统

55 2 . 药剂配制过程的比值控制系统 （1）工艺简介： 在制药工业中，为了增强药效，需要对某种成份的药物注入一定量的镇定剂、缓冲剂，或加一定量的酸、碱，使药物呈现酸性或碱性。这种注入过程一般都在一个混合槽中进行。 （2）工艺要求： ①生产药物与注入剂混合后的含量必须符合规定的比例; ②同时在混合过程中，不允许药物流量突然发生变化，以免引起混合过程产生局部的化学副反应。

56 为了防止药物流量G1产生急剧变化，通常在混合槽前面增加一个停留槽，如图所示，使药物流量先进入停留槽，然后再进入混合槽，同时停留槽设有液位控制，从而使Gi经停留槽后的流量G1平稳地变化。

57 图6-11 药物配制过程的比值控制系统

58 6.2 均匀控制 均匀控制的由来 过程工业中生产过程往往有一个“流程”。按物料流经各生产环节的先后，分成前工序和后工序。前工序的出料即是后工序的进料，而后者的出料又源源不断地输送给其他后续设备作为进料。 均匀控制是针对“流程”工业中协调前后工序的物料流量而提出来的。 以连续精馏的多塔分离过程为例，如图6-12所示。A塔塔底的出料作为B塔的进料。A塔出料多，B塔进料也必然多；A塔出料少，B塔进料也必然少，两者是息息相关的。

59 然而，由于两个塔都力求自己操作平稳，这将引起两塔之间的矛盾： 对A塔来说，当它经受干扰而使操作平稳被破坏时，它就要通过调整物料量来克服，这样就会引起出料量的波动，也就是说出料量的波动是适应A塔操作所必需的； 而对B塔来说，为了本塔操作平稳，它总是希望进料量越平稳越好。 图 前后精馏塔的供求关系

60 为了兼顾流量平稳，同时液位在允许区间这两个因素，应该配以控制系统。均匀控制的出现就是为了满足这一要求的。
要使一个变化剧烈的流量变成一个变化较平缓的流量，一种方法是在前后工序之间增加一个缓冲罐。但这会增加设备投资和扩大装置占地面积，并且有些化工中间产品，增加停留时间可能产生副反应，所以增加缓冲罐可能不是理想办法。 为了兼顾流量平稳，同时液位在允许区间这两个因素，应该配以控制系统。均匀控制的出现就是为了满足这一要求的。 A塔——液位控制系统 B塔——流量控制系统 相互矛盾 解决方案 1 两个塔之间增加中间缓冲罐 2 设计一个均匀控制系统

61 均匀控制系统： 把液位、流量的控制统一在一个系统中，从系统内部解决工艺参数之间的矛盾。 具体地说，就是让A塔的液位在允许的范围内波动，与此同时，也让流量平稳缓慢地变化。 假如把图6－12中的流量控制系统删去，只设置一个液位控制系统，其结果可能出现三种情况，如图6—13所示。

62 由此可见： 只有图b才符合均匀控制的要求。
其中，图a的液位控制系统具有较强的控制作用，所以在干扰作用下，为使液位不变，流量需产生较大的变化。 图b的液位控制系统的控制作用相对适中，在干扰作用下，液位在较小的范围内发生一些变化，与此同时，流量也在一定范围内产生了缓慢变化； 图c的液位控制系统其控制作用较小。 在干扰作用下，由于流量的调节作用很小（即基本不变），从而导致液位产生大幅度波动。 由此可见： 只有图b才符合均匀控制的要求。

63 1. 均匀控制含义： 均匀控制系统的名称来自生产工艺所要求的特殊控制任务，其控制目的是使前后设备的工艺参数相互协调、统筹兼顾，以确保生产的正常进行。均匀控制系统具有能使被控量与控制量均匀缓慢地在一定范围内变化的特殊功能。 所谓均匀控制就是指控制方案具有这种作用而言的。 2. 均匀控制的三个特点： （1）系统结构无特殊性 从图6—13可以看出，同样一个单回路液位控制系统，由于控制作用强弱不一，既可以是单回路定值控制系统，如图a；也可以是简单的均匀控制系统，如图b。

64 因此，均匀控制是指控制目的而言，而不是由控制系统的结构决定的，在结构上，它没有任何特殊性。它可以是一个单回路控制系统，也可以是一个串级控制系统的结构形式，或者是其他结构形式。
所以，一个普通结构形式的控制系统，能否实现均匀控制的目的，主要在于其控制器的参数整定如何。 均匀控制是靠降低控制回路的灵敏度而不是靠结构的变化体现的。 （2）参数均应缓慢地变化 均匀控制的任务是使前后设备物料供求之间相互协调，所以表征物料的所有参数都应缓慢变化。那种试图把两个参数都稳定不变或使其中一个变一个不变的想法都不能实现均匀控制。由此可见，图6-13a和图6-13c均不符合均匀控制的思想，只有图6-13b才是均匀控制。

65 均匀控制系统使前后设备在物料供求上相互均匀、协调、统筹兼顾。
此外，还需注意的是，均匀控制在有些场合无需将两个参数平均分配，而是视前后设备的特性及重要性等因素来确定其主次，有时以液位参数为主，有时则以流量参数为主。 （3）参数变化应限制在允许范围内 在均匀控制系统中，参数的缓慢变化必须被限制在一定的范围内，如在图6—12中所示两个串联的精馏塔中，A塔的液位变化有一个规定的上、下限，过高或过低可能造成“冲塔”现象或“抽干”的危险。同样，B塔的进料流量也不能超过它所能承受的最大负荷和最低处理量，否则不能保证精馏过程的正常进行。 总之： 均匀控制系统使前后设备在物料供求上相互均匀、协调、统筹兼顾。

66 简单均匀控制采用单回路控制系统的结构形式，如图6-14所示。
6.2.2 均匀控制系统的设计 均匀控制系统的设计主要包括以下内容。 1.控制方案的选择 均匀控制通常有多种可供选择的方案，常见的有简单均匀控制系统、串级均匀控制系统等，各自适用于不同的场合和不同的控制要求。 （1）简单均匀控制 简单均匀控制采用单回路控制系统的结构形式，如图6-14所示。

67 从系统结构形式上看，它与单回路液位定值控制系统没有什么不同。但由于它们的控制目的不同，因此在调节器的参数整定上有所不同。
均匀控制系统在控制器参数整定时，比例作用和积分作用均不能太强，通常需设置较大的比例度(大于100％)和较长的积分时间，以较弱的控制作用达到均匀控制的目的。 最大优点：结构简单、投运方便、成本低。 缺点：控制效果差，它只能适用于干扰较小，对控制要求较低的场合。 当被控过程的自平衡能力较强时，简单均匀控制的效果较差。 当调节阀两端的压差变化较大时，流量大小不仅取决于调节阀开度的大小，还将受到压差波动的影响。此时，简单均匀控制已不能满足要求，需要采用较为复杂的均匀控制方案。

68 （ 2）串级均匀控制 为了克服调节阀前后压差波动对流量的影响，设计了以液位为主参数、以流量为副参数的串级均匀控制系统，如图6－15所示。 从结构上看，它与一般的液位－流量串级控制系统没有什么区别。 但采用串级形式的目的——并不是为了提高主参数液位的控制精度。 而流量副回路的引入——主要是为了克服阀前后压差波动对流量的影响，使流量变化平缓。 为了使液位的变化也比较平缓， 以达到均匀控制的目的，液位调节器 的参数整定与简单均匀控制系统类似。

69 2、控制规律的选择 （2） 串级均匀控制系统的主调节器 一般采用纯比例作用、有时也可采用比例积分控制规律 一般采用纯比例作用。
（1） 简单均匀控制系统的调节器 （2） 串级均匀控制系统的主调节器 一般采用纯比例作用、有时也可采用比例积分控制规律 （3） 串级均匀控制的副调节器： 一般采用纯比例作用。 如果为了照顾流量副参数，使其变化更稳定，也可选用比例积分控制规律。 说明： 在所有的均匀控制系统中，都不应采用微分调节。 因为微分作用是加速动态过程的，与均匀控制的目的不符。

70 3、控制器参数整定 均匀控制系统控制器的参数整定与定值控制系统基本相同。但由于均匀控制系统所要完成的控制功能与一般定值控制系统不同，因此，其控制器参数整定也有所不同。 比例度PB和积分时间Ti都比定值控制系统大得多。 下面仅介绍串级均匀控制系统的整定方法。 （1）经验法 对于大多数串级均匀控制系统，主、副控制器都不必加积分，这样就可用经验法进行整定。 所谓经验法，就是先根据经验，按照“先副后主”的原则，把主、副控制器的比例度PB调到某一适当值，然后由大到小进行调节，使系统的过渡过程缓慢地、非周期衰减变化； 最后，再根据过程的具体情况，给主控制器加上积分作用，积分时间要调得大一些。

71 步骤： 1）先将副控制器比例度放于适当数值上，然后由大到小地调整，直至副参数呈现缓慢的非周期衰减过程为止。 2）再将主控制器比例度放于一适当数值，并且由大到小地调整，直至主参数呈现缓慢的非周期衰减过程为止。 如果为了避免在同向干扰下主参数出现过大的余差，可适当加一点积分作用，但积分时间不能放得太小。 （2）停留时间法 停留时间法是指被控参数在允许变化的范围内、依据控制介质流过被控过程所需要的时间整定控制器参数的方法。据推证，停留时间约等于对象时间常数T的一半，即1/2T。因此，按停留时间整定控制器参数，实际上是按对象特性进行参数整定。 如果没有对对象特性进行测定而不知时间常数T时，可根据对象的容器结构和液位控制范围进行计算确定。

72 对于所示的立式容器，其有效容积为V=(/4)D2H，因此停留时间为： = V/Q= D2H/(4Q)
对于如图所示的卧式容器，设液位控制范围为H，容器直径为D，则可计算出可控范围的截面积F；再设容器的有效长度为L（两端凸出部分根据具体情况估算或忽略），则可求得有效容积V=L·F。若正常生产时的流量为Q，则停留时间为： =V/Q=(L·F)/Q 对于所示的立式容器，其有效容积为V=(/4)D2H，因此停留时间为： = V/Q= D2H/(4Q) 立式容器 卧式容器

73 1）副控制器按简单均匀控制系统的方法整定。 2）计算停留时间，然后根据表6－1确定液位控制器的整定参数。
表6-1 整定参数与停留时间的关系 停留时间/min <20 20~40 >40 比例度PB/(%) 100~150 150~200 200~250 积分时间Ti/min 5 10 15 整定步骤： 1）副控制器按简单均匀控制系统的方法整定。 2）计算停留时间，然后根据表6－1确定液位控制器的整定参数。 3）根据工艺要求，适当调整主、副控制器的参数，直到液位、流量的曲线都符合要求为止。

74 6.3 选择性控制系统 6.3.1用于设备软保护的选择性控制
一般来说，凡是在控制回路中引入选择器的系统都可称为选择性控制系统。 6.3.1用于设备软保护的选择性控制 从整个生产过程控制的角度来看，所有控制系统可分为三类：物料平衡(或能量平衡)控制、质量控制和极限控制。 用于设备保护的选择性控制属于极限控制一类，它们一般是从生产安全的角度提出来的，如要求温度、压力、流量、液位等参数不能超限。

75 在生产上需防超限的场合很多，一般可采取以下两种做法。
极限控制的特点是：在正常工况下，该参数不会超限，所以不考虑对它进行控制；在非正常工况下，该参数会达到极限值，这时就要求采取强有力的控制手段，避免超限。 在生产上需防超限的场合很多，一般可采取以下两种做法。 ①参数达到第一极限时报警 设法排除故障 若没有及时排除故障，参数值会达到更严重的第二极限，经联锁装置动作，自动停车。这种做法称为硬保护。 ②参数达到极限时报警 设法排除故障 同时改变操作方式，按使该参数脱离极限值为主要控制目标进行控制，以防该参数进一步超限。 这种操作方式一般会使原有控制质量降低，但能维持生产的持续运转，避免了停车。这种做法称为软保护。 选择性控制就是为实现软保护而设计的控制系统。

76 1. 选择性控制： 是指将工艺生产过程的限制条件所构成的逻辑关系叠加到正常自动控制系统上而形成的一种控制方法。 2
1 .选择性控制： 是指将工艺生产过程的限制条件所构成的逻辑关系叠加到正常自动控制系统上而形成的一种控制方法。 2.工作原理： 当生产操作趋向极限条件时，通过选择器，一个用于不正常工况下的备用控制系统自动取代正常工况下的控制系统，使工况能自动脱离极限条件回到正常工作状态。此时，备用控制系统又通过选择器自动脱离工作状态重新进入备用状态，而正常工况下的控制系统又自动投入运行。

77 图6-16(a)、(b)两图，可用来说明液氨蒸发器是如何从一个满足正常生产情况的控制方案，演变成为同时考虑极限情况的选择性控制的实例。
图6-16 液氨蒸发器的控制方案

78 液氨蒸发器是一个换热设备，在工业上应用极其广泛。它是利用液氨的汽化需要吸收大量热量来冷却流经管内的被冷却物料。在生产上，往往要求被冷却物料的出口温度稳定，这就构成了以被冷却物料出口温度为被控变量，以液氨流量为操纵变量的控制方案，见图6-16(a)。这个控制方案用的是改变传热面积来调节传热量的方法。蒸发器内的液位高度会影响热交换器的浸润传热面积，因此液位高度间接反映了传热面积的变化情况。 由此可见，液氨流量既会影响温度，也会影响液位，温度和液位有一种粗略的对应关系。通过工艺的合适设计，在正常工况下当温度得到控制后，液位也应该在允许区间内。

79 超限现象总是因为出现了非正常工况的缘故。 假设有杂质油漏入被冷物料管线，使传热系数猛降。为了取走同样的热量，需要大大增加传热面积。但是，当液位淹没了换热器的所有列管时，传热面积的增加已达极限。此时继续增加液氨蒸发器内的液氨量，并不会提高传热量。但是液位的继续升高，却可能带来生产事故。由于汽化的氨是需要回收利用的，若氨气带液，进入压缩机后液滴会损坏压缩机叶片。 因此液氨蒸发器的上部必须留有足够的汽化空间，以保证良好的汽化条件。为了保证有足够的汽化空间，就要限制氨液位不得高于某一限值。 为此，需在原有温度控制基础上，增加一个防止液位超限的控制系统。

80 这两个控制器工作的逻辑规律： 在正常工况下，由温度控制器操纵阀门进行温度控制；当出现异常工况使得引起氨的液位达到高限时，被冷却物料的出口温度即使仍然偏高，但此时温度的偏离暂时成为次要因素，而保护氨压缩机不被损坏已上升为主要矛盾，于是液位控制器应取代温度控制器工作(即操纵阀门)。等引起生产不正常的因素消失，液位恢复到正常区域，此时又应恢复温度控制器的闭环运行。 实现上述功能的防超限控制方案，如图6-16(b)所示。它具有两台控制器，通过选择器对两个输出的控制信号进行选择来实现对控制阀的调节。在正常工况下，应选温度控制器输出信号，而当液位到达极限值时，则应选液位控制器的输出。

81 自动选择性控制系统按选择器所选信号不同大致可分为两类。
3.选择性控制系统的类型及工作过程 自动选择性控制系统按选择器所选信号不同大致可分为两类。 （1） 选择控制器的输出信号 对控制器输出信号进行选择的系统框图如图6-18所示。 图6-18 对控制器输出信号进行选择的系统框图

82 特点： 系统含有取代调节器和正常调节器，两者的输出信号都作为选择器的输入。 在生产正常状况下，选择器选出能适应生产安全状况的正常调节器的输出信号控制调节阀，以实现对正常生产过程的自动控制。 当生产工况不正常时，选择器也能选出适应生产安全状况的控制信号，由取代调节器取代正常调节器的工作，实现对非正常工况下的自动控制。 一旦生产状况恢复正常，选择器则进行自动切换，重新由正常调节器来控制生产的正常进行。 这类系统结构简单，应用比较广泛。

83 特点: 该系统至少采用两个或两个以上的变送器。变送器的输出信号均送入选择器，选择器选择符合工艺要求的信号反馈至调节器。
（2） 选择变送器的输出信号 框图如图6-19所示。 特点: 该系统至少采用两个或两个以上的变送器。变送器的输出信号均送入选择器，选择器选择符合工艺要求的信号反馈至调节器。 图6-19 选择性控制系统

84 图6-20为一化学过程反应器峰值温度选择性控制系统。
反应器内装有固定触煤层，为防止反应温度过高而烧坏触煤，在触煤层的不同位置安装多个温度检测点，其测温信号全部送到高值选择器，由高值选择器选出峰值温度信号并加以控制，以保证触煤层的安全。 图6-20 反应器峰值温度自动选择控制系统

85 4.自动选择性控制系统的设计 （1 ）调节阀气开、气关形式的选择 根据生产工艺安全原则来选择。
选择性控制系统的设计包括调节阀气开、气关形式的选择，调节器控制规律及其正、反作用方式的确定，选择器的选型及系统参数整定等内容。 （1 ）调节阀气开、气关形式的选择 根据生产工艺安全原则来选择。 （2） 调节器控制规律的选取及其作用方式的确定。 在自动选择性控制系统中，若采用两个调节器，其中必有一个为正常调节器，另一个为取代调节器。 正常调节器：由于有较高的控制精度，选用PI控制规律或PID 取代调节器： 由于在正常生产中开环备用，仅在生产将要出现事故时，才迅速动作，以防事故发生，故一般选用P控制规律即可。

86 调节器正、反作用方式: 按照单回路控制系统设计原则来确定。 （3）调节器参数整定： 在进行调节器参数整定时，因两个调节器是分别工作的，故可按单回路控制系统的参数整定方法处理。但是，当备用控制系统投入运行时，取代调节器必须发出较强的调节信号以产生及时的自动保护作用，所以，其比例度应该整定得小一些。如果需要积分作用，则积分作用应该整定得弱一些。 （4） 选择器的选型 选择器是自动选择性控制系统中的一个重要环节。选择器有高值选择器和低值选择器。 前者选择高值信号通过，后者选择低值信号通过。 在确定选择器的选型时，先要根据调节阀的选用原则，确定调节阀的气开、气关形式，进而确定调节器的正、反作用方式，最后确定选择器的类型。

87 确定原则：根据生产处于不正常情况下，取代调节器的输出信号为高值或为低值来确定选择器的类型。 如果取代调节器输出信号为高值时，则选用高值选择器，反之，选用低值选择器。 对上述例子，当气源中断时，为使液氨蒸发器的液位不致因过高而满溢，应选用气开阀。相应地，温度控制器应选正作用特性，液位控制器选反作用特性。 选择器的性质只取决于起安全 保护作用的控制器。由于液位 控制器为反作用，当测量值超 过设定值时，控制器输出信号 会减小。该信号减小后，要求 在选择器中被选中，显然该 选择器应为低值选择器。 反作用 正作用

88 5. 系统设计原则应用举例 在锅炉的运行中，蒸汽负荷随用户需要而经常波动。在正常情况下，用控制燃料量的方法来维持蒸汽压力稳定。 当蒸汽用量增加时，蒸汽总管压力将下降，此时正常调节器输出信号去开大调节阀，以增加燃料量。同时，燃料气压力也随燃料量的增加而升高。 当燃料气压力过高时，会将燃烧喷嘴的火焰吹灭，产生脱火现象。一旦脱火现象发生，大量燃料气就会因未燃烧而导致烟囱冒黑烟，这不但会污染环境更重要的是燃烧室内积存大量燃料气与空气的混合物，会有爆炸的危险。

89 为此，设计如图所示的蒸汽压力与燃料气压力的选择性控制系统。
当燃料压力不足时，燃料气管线的压力有可能低于燃烧室压力，这样就会出现危险的“回火”现象，这会危及燃料气罐发生燃烧和爆炸。因此，必须设法加以防止。 为此，设计如图所示的蒸汽压力与燃料气压力的选择性控制系统。 图6-21 锅炉燃烧过程压力自动选择控制

90 系统方案设计： （1）选择调节阀： 从生产安全考虑，当气源发生故障时，应当切断天然气，故应选气开式调节阀。 （2）调节器正、反作用方式的确定 对正常调节器来说，蒸汽压力升高，天然气流量应减小，调节阀应关小。由于调节阀为气开式，故应选为反作用式。 对于取代调节器，当天然气压力升高到一定程度时，应使其输出压力减小，以便被选取其去关小调节阀，故应选为反作用式。 （3）选择器选型 在正常情况下，燃气压力低于脱火压力，取代调节器输出信号大于正常调节器的输出信号。而在燃气压力接近脱火压力时，取代调节器的输出信号小于正常调节器的输出信号，故选用低值选择器。

91 系统分析： 如图所示：P1c是正常工况时的调节器，P2c是压力过高时要投入的调节器。调节阀为气开式，PC调节器与三通电磁阀构成自动联锁保护(硬保护)系统。 在系统正常运行过程中，Pc下限节点是断开的，电磁阀失电，低选器从输出直通调节阀。 当蒸汽压力上升时，调节器P1c输出减小，关小调节阀，使天然气流量减小、蒸汽压力下降，反之亦然。 当由于工艺原因，天然气压力下降到某一下限值，达到有可能回火的边缘时，Pc下限节点接通，电磁阀得电，于是便切断了低选器LS至调节阀的通路，并使调节阀的膜头与大气相通，于是调节阀关闭，进行硬保护。

92 当蒸汽压力下降过大，致使调节阀后压力增大到脱火边缘时，此时P2c调节器的输出大幅度下降，且低于P1c调节器的输出，通过低值选择器，调节阀的开度由P2c来控制，使调节阀阀后压力下降，避免脱火事故的发生。
当工况恢复正常后，P1c（蒸汽调节器）的输出又低于P2c（天然气压力调节器）的输出，P2c自动切除，P1c又自动投入运行。天然气压力调节器又处于开环状态。

93 6.积分饱和及其克服措施 （1）积分饱和的定义：
在选择性控制系统中，由于采用了选择器，未被选用的调节器总是处于开环状态。不论哪一个调节器处于开环状态，只要有积分作用都有可能产生积分饱和，即由于长时间存在偏差而导致调节器的输出达到最大或最小。 （1）积分饱和的定义： 对于在开环状态下具有积分作用的调节器，由于长时间存在偏差，调节器的积分动作要使其输出不停地变化，致使调节器的输出将达到某个极限值（如气动调节器的积分饱和上限约为气源压力0.14MPa，下限值接近大气压）并停留在该值上，这种情况称为积分饱和。

94 （2）积分饱和的危害： 积分饱和现象使处于备用状态的调节器一旦启用不能及时动作而短时丧失控制功能，必须退出饱和后才能正常工作，这会给生产安全带来严重影响。 （3）积分饱和产生的必要条件： 调节器具有积分控制规律 调节器输入偏差长期存在 调节器处于开环工作状态

95 （4）目前防止积分饱和的方法： a．外反馈法 外反馈法是指调节器在开环状态下不选用调节器自身的输出作反馈，而是用其他相应的信号作反馈以限制其积分作用的方法。图6-22所示为外反馈原理示意图。 在选择性控制系统中，设两台PI调节器输出分别为P1、P2。选择器选中之一后，一方面送至调节阀，同时又反馈到两个调节器的输入端，以实现积分外反馈。 图6-22 积分外反馈原理示意图

96 若选择器为低值选择器，设P1<P2，调节器1被选中工作，其输出为
因此，调节器l仍保持PI控制规律。此时，调节器2处于备用待选状态，其输出为 上式积分项的偏差是e1并非其本身的偏差e2，因此不存在对e2的积累而带来的积分饱和问题。 当系统处于稳定时，e1=0，调节器2仅具有比例作用。所以，处在开环状态的备用调节器不会产生积分饱和。 一旦生产过程出现异常，而该调节器的输出P2又被选中时，其输出反馈到自身的积分环节，立即产生PI调节动作，投入系统运行。 (当调节器处于开环时，借其他信号对调节器引入积分反馈信号，从而限制积分作用，防止积分饱和)

97 b．积分切除法 所谓积分切除法，是指调节器具有PI－P调节规律。 当调节器被选中时具有PI调节规律，一旦处于开环状态，立即切除积分功能，只具有比例功能。 这是一种特殊设计的调节器。若用计算机进行选择性控制，只要利用计算机的逻辑判断功能，编制出相应的程序即可。 c．限幅法 所谓限幅法，是指利用高值或低值限幅器使调节器的输出信号不超过工作信号的最高值或最低值。 至于用高值限幅器还是用低值限幅器，则要根据具体工艺来决定。 如调节器处于备用、开环状态时，调节器由于积分作用会使输出逐渐增大，则要用高值限幅器。反之，则用低值限幅器。

98 6.3.2 其他选择性控制系统 (1)用于被控变量测量值的选择 如：固定床反应器中热点温度的控制。热点温度(即最高温度点)的位置可能会随催化剂的老化、变质和流动等原因而有所移动。反应器各处温度都应参加比较，择其高者用于温度控制。其控制方案见图6-23。 图6-23 高选器用于控制反应器热点温度

99 类似的一种情况是使用成分检测仪表时的控制问题。成分分析仪一般比其他仪表的可靠性差。在图6-24所示的系统中，采用了两台分析仪，假设分析仪故障时，其输出接近零，因此用高值选择器来决定仪表信号的选取，所以万一哪一台分析仪出现故障时，仍然可以维持正常的控制作用。 图6-24 用选择性对成分仪表检测信号进行选择

100 图6-25中系统是精馏塔控制的一部分。来自精馏塔塔顶的物料蒸汽在进入冷凝器后被冷凝为液体。冷凝液流入冷凝液贮罐，并用泵输送回塔。
(2)用于“变结构控制” 有时在系统达到某一约束区间后，需要将控制器的输出从一个阀门切换到另一个阀上去，图6-25的冷凝器控制系统即属于这种情况。 图6-25 精馏过程中冷凝器控制系统 图6-25中系统是精馏塔控制的一部分。来自精馏塔塔顶的物料蒸汽在进入冷凝器后被冷凝为液体。冷凝液流入冷凝液贮罐，并用泵输送回塔。

101 在正常运行条件下，全部蒸汽都是可凝的。塔顶蒸汽的压力可以通过改变回流量来进行控制。改变回流量的目的是为了调整冷凝器中的冷凝液位。如回流量减小 液位增高 缩小了冷凝器中暴露于蒸汽中的传热表面积 使冷凝量减小 蒸汽压力上升。在此期间，回流罐液位升高，液位控制器产生高输出信号，但这个信号不会被低值选择器选中，此时，送给减法器的两个信号相等，减法器输出至排气阀的信号为零，相应地排气阀应处于全关状态。 如有不凝气体在冷凝器中累积，压力就会升高。压力控制器将加大回流量，但可能冷凝器中的液体抽完，压力仍然降不下来。这时，为了避免抽空冷凝贮罐和气蚀回流泵，液位控制器必须接替压力控制器控制回流量。对于已经空了的冷凝器，只能依靠排出不凝气体来降低压力。

102 在图6-25系统中，当选择液位控制器控制回流量时，压力控制就被平稳地切换到排气阀上。在切换点，送给减法器的两个输入信号开始有所不同，产生一个打开排气阀的信号。 压力控制器的输出以控制排气阀代替了控制回流阀。压力控制器参数应当在它控制回流量时进行整定。当它控制排气阀时，可以通过调整减法器通道系数K的办法加以调整。 液位控制器需要采用外部反馈以防止积分饱和，但压力控制器没有这个必要，因为不论通过哪一个阀门进行控制，它的回路总是闭合的。

103 6.4 分程控制系统 6.4.1 概述 在一般的反馈控制系统中，通常是一台调节器的输出只控制一个调节阀。但在某些工业生产中，根据工艺要求，需将调节器的输出信号分段，按输出信号的不同区间操作不同阀门，以便使每个调节阀在调节器输出的某段信号范围内作全行程动作，这种控制系统通常称为分程控制系统。 分程控制系统中的调节器的输出信号一般可分为2~4段，每一段带动一个调节阀动作。例如，对于二级分程控制，根据生产工艺要求将调节器输出信号分为： 0～5mA 或 4～12mA 或 ～0.06MPa 5～10mA或 12～20mA 或 ～0.1MPa 两个区段，分别去控制两个分程动作的调节阀作全行程工作。

104 图6-26为分程控制系统的简图，图中表示一台控制器去操纵两只阀门。为了分程目的，需借助于附设在每只控制阀上的阀门定位器，借助于它对信号的转换功能。例如对图中A、B两阀，要求A阀在控制器输出信号压力在0.02～0.06MPa变化时，做阀的全行程动作，则要求附在A阀上的阀门定位器，对输入信号在0.02～0.06MPa时，相应输出为0.02～0.1MPa。 而B阀上的定位器，应调整成在输入信号为0.06～0.1MPa时，相应输出为0.02～0.1MPa。按照这些条件，当控制器(包括电／气转换器)输出信号小于0.06MPa时A阀动作，B阀不动；当信号大于0.6MPa时，则A阀动至极限，B阀动作。由此实现分程控制。 图6-26 分程控制系统示意图

105 复习： 1.选择性控制系统选择器的选择原则： 根据生产处于不正常情况下，取代调节器的输出信号为高值或为低值来确定选择器的类型。 2.积分饱和的危害及防止措施 危害：积分饱和现象使处于备用状态的调节器一旦启用不能及时动作而短时丧失控制功能，必须退出饱和后才能正常工作，这会给生产安全带来严重影响。 防止方法：外反馈法、积分切除法、限幅法 3.分程控制系统：分程控制系统中的调节器的输出信号一般可分为2~4段，每一段带动一个调节阀动作。

106 1．调节阀同向动作的分程控制系统 图6—27所示为调节阀同向分程动作的示意图。
根据调节阀的气开、气关形式和分程信号区段不同，分程控制系统可分为以下两种类型： 1．调节阀同向动作的分程控制系统 图6—27所示为调节阀同向分程动作的示意图。 图a)表示两个调节阀均为气开型。当调节器输出信号从0.02MPa增大时，阀A打开；当信号增大到0.06MPa时，A阀全开；同时阀B开始打开；当信号达到0.1MPa时，阀B全开。 图b)表示两个调节阀均为气关型。当调节器输出信号从0.02MPa增大时，阀A由全开状态开始关闭；当信号达到0.06MPa时，阀A全关；而阀B则由全开状态开始关闭；当信号达到0.1MPa时，阀B也全关。 A、B均为气关 A、B均为气开 图6-27 调节阀同向动作示意图

107 2．调节阀异向动作的分程控制系统 图6-28所示为调节阀异向分程动作的示意图。
图a)：调节阀A选用气开型，调节阀B选用气关型。当调节器输出信号大于0.06MPa时，阀A全开，同时阀B启动；当信号达到 0.1MPa时，阀B全关。 图b)：调节阀A选用气关型，调节阀B选用气开型，其调节阀动作与图a)相反。 A为气开 B为气关 A为气关 B为气开 图6-28调节阀异向动作示意图 分程控制中调节阀同向或异向动作的选择完全由生产工艺安全与要求决定。

108 6.4.2 分程控制系统的设计与分程控制的实现 分程控制系统本质：单回路控制系统 与单回路主要区别：调节器输出信号需要分程且调节阀多
1．调节器输出信号的分程 在分程控制中，调节器输出信号需要分成几个区段，哪一区段信号控制哪一个调节阀工作，完全取决于工艺要求。

109 例如: 间歇式生产的化学反应过程，需在规定的温度中进行。 工艺简介：
每次加料完毕后，为了达到规定的反应温度，需要用蒸汽对其进行加热。当反应过程开始后，由于会产生大量的反应热，又必须用冷却剂冷却，以取走反应热，保证反应在规定的温度下进行。 设计如图6-29所示：为了设备安全，在系统出现故障时避免反应器温度过高，要求系统无信号时输入热量处于最小的情况，因而蒸汽阀选为气开式，冷水阀选为气关式，温度调节器选为反作用方式。 被控参数：反应器温度 控制参数：蒸汽流量和冷却水流量 蒸汽阀B：采用气开式 冷水阀A：采用气关式 温度调节器：反作用 蒸汽阀和冷水阀的分程关系见图6－30。 气关式 气开式 图6-29 化学反应器温度分程控制

110 根据节能要求，当温度偏高时，总是先关小蒸汽阀再开大冷水阀。由于温度调节器为反作用，温度增高时调节器的输出信号下降。
将两者综合起来即要求在信号下降时先关小蒸汽阀，再开大冷水阀。这就意味着蒸汽阀的分程区间处在高信号区（如0.060.1MPa）；冷水阀的分程区处在低信号区（0.020.06MPa）。 图6-30 调节阀分程关系曲线

111 该反应器温度分程控制系统的工作过程是： 在化学反应开始前，釜温低于给定值，具有反作用的调节器输出信号处于高信号区，蒸汽阀门B打开并工作，加入适量蒸汽升温；当温度逐渐升高则调节器输出信号逐渐减小，B阀开度也随之减小，直至温度等于设定值，引发化学反应； 当化学反应开始后，会产生大量的反应热，实际温度高于给定值，此时调节器的输出信号继续下降至低信号区，B阀关闭，A阀打开并工作，去控制冷却水阀门A（阀A为气关式)，加入适量的冷却水移走反应热，使反应温度最终稳定在设定值上。 总之，具体问题应具体分析。

112 2. 调节阀特性的选择与注意的问题 （1）调节阀类型的选择 根据工艺要求选择同向工作或异向工作的调节阀。 （2）流量特性的平滑衔接 在分程控制中，实际上是把两个调节阀作为一个调节阀使用，因此要求从一个阀向另一个阀过渡时，其流量变化要平滑。但由于两个阀的放大系数不同，在分程点上常会引起流量特性的突变，尤其是大、 小阀并联工作时，更需注意。 为了说明问题，设系统中两只控制阀为线性阀，且采用均分的分程信号。假设两阀为气开阀，于是可得总的流量特性如图6-31所示。

113 图6-31 两只线性阀组成的分程系统综合流量特性
图6-31(a)、(b)分别为A，B阀的流量特性，(c)为总的流量特性。由图可见，原本都为线性的阀门，组合在一起后，总的流量特性在0.06MPa气压处出现了大的转折，呈严重的非线性。

114 为使总的流量特性比较平滑，一般应考虑如下措施：
1）尽量选用对数调节阀。 2）采用分程信号重叠法。 如：大阀为0.054~0.1MPa，小阀为0.02~0.064MPa，重叠信号范围为0.054~0.064MPa，这样，不等小阀全开，大阀就已开始启动，从而使两阀特性衔接平滑。

115 （3）调节阀的泄漏量 所谓泄漏量即为阀门完全关闭时的流动量。 在分程控制系统中，必须保证： 在调节阀全关时，不泄漏或泄漏量极小。 需要说明：
泄漏量与阀的最小流通能力是两个性质不同的概念。 以气开阀为例，当输入气压为0.02MPa时的流通量应与最小流通能力相应，而当输入气压为0，阀门完全关闭时的流动量应与泄漏量相应。 在大阀与小阀并联分程时，要求大阀的泄漏量要小，否则小阀将不能充分发挥其控制作用，甚至不起控制作用。

116 3. 分程控制的实现 仪表厂家生产的控制阀，接受的控制信号范围一般都为0.02~0.1MPa，自身没有信号分程能力。 可利用阀门定位器，通过调整阀门定位器的零点和范围来实现信号分程。 例如: 一个阀门定位器的输入信号为0.02～0.06MPa时，通过改变调节弹簧，使其输出为0.02～0.1MPa，从而使一个调节阀从全开到全关，或从全关到全开作全行程动作。 另一个阀门定位器的输入信号为0.06~0.1MPa时，采取同样的方法使其输出信号为0.02~0.1MPa，从而使另一个调节阀作全行程动作。

117 6.4.3分程控制系统的工业应用 分程控制系统的工业应用很广泛，通常用得比较多的有以下几个方面：
1. 用于节能控制，即通过分程控制手段减少能量消耗，提高经济效益。 例如: 在某生产过程中，冷物料通过热交换器用热水(工业废水)对其进行加热，当用热水加热不能满足出口温度的要求时，则同时使用蒸汽加热。为达此目的，可设计图6-32所示的温度分程控制系统。 图6-32 温度分程控制

118 在正常情况下，热水阀全开仍不能满足出口温度要求时，调节器输出信号同时使蒸汽阀打开，以满足出口温度的要求。
被控参数：热物料出口温度 控制参数：热水流量 蒸汽流量 调节阀：热水阀A 蒸汽阀B 温度调节器：反作用 气开式 分析： 在正常情况下，热水阀全开仍不能满足出口温度要求时，调节器输出信号同时使蒸汽阀打开，以满足出口温度的要求。 可见，采用分程控制，可节省能源，降低能耗。

119 2. 用于扩大调节阀的可调范围，改善调节阀的工作特性。
在过程控制中，有些场合需要调节阀的可调范围很宽。 （1）如果仅用一只大口径的调节阀，当调节阀工作在小开度时，阀门压差很大，使阀门剧烈振动，严重的影响阀的寿命和控制系统的稳定。 （2）若将调节阀换小，其可调范围又满足不了生产需要，致使系统不能正常工作。 在这种情况下，可将两个调节阀当作一个调节阀使用，扩大其可调范围，改善其特性，使得在小流量时有更精确的控制，以满足其工艺要求。

120 阀的可调范围R定义为： 式中，Cmax是阀的最大流通能力，流量单位；Cmin是阀的最小流通能力，流量单位；国产柱塞型阀固有可调范围为R=30，所以有 对于化工生产过程的绝大部分场合，采用R=30的控制阀已足够满足生产要求了。但有极少数场合，可调范围要求特别大，如废水处理中的pH值控制。 如果采用两个口径不同的调节阀实现分程，能使可调范围扩大。 分程控制用于扩展控制阀可调范围时，总是采用两只同向动作的控制阀并联地安装在同一流体管道上，如图6-33所示的A、B两阀。

121 若CAmax=4，CBmax=100，且两阀的可调范围相等，即
R=RA=RB=30 并设B阀的泄漏量为最大流通能力的0.02 %，即 CBs=0.02％CBmax 当采用分程控制后，最小流通能力和最大流通能力分别为 图6-33 用于扩展范围的分程控制 因此两阀组合在一起的可调范围将扩大到

122 例如：某工厂的燃烧天然气压力分程控制系统，如图6-34所示。
（1）当开车时，燃烧喷咀数逐个打开，天然气用量逐渐增加，因而开始时天然气用量不能很大，否则将产生脱火现象； （2）若在生产中短暂停车时，为了保持炉温，也需要加入少量的天然气； （3）当正常生产时，则需开大调节阀，以满足大负荷的生产要求。 在图示分程控制系统中，调节阀A的口径为调节阀B的10倍，在开车、停车时，用调节阀B来控制；在正常生产时，用阀A来调节，从而保证了燃烧的稳定与生产的安全。 大阀 图6-34 天然气压力分程控制

123 3.用于满足工艺操作的特殊要求 如图6-35所示的罐顶氮封分程控制。 在炼油厂或石油化工厂中，有许多贮罐存放着各种油品或石油化工产品。这些贮罐建造在室外，为使这些油品或产品不与空气中的氧气接触而被氧化变质，或引起爆炸危险，常采用罐顶充氮气的办法，使储存物与外界空气隔绝。 实行氮封的技术要求：要始终保持贮罐内的氮气压微量正压。贮罐内储存物料量增减时，将引起罐顶压力的升降，应及时进行控制，否则将使贮罐变形，更有甚者，会将贮罐吸扁。 因此，当贮罐内液面上升时，应停止继续补充氮气，并将压缩的氮气适量排出。反之，当液面下降时应停止放出氮气，并适量补充氮气。只有这样才能达到既隔绝空气，又保证容器不变形的目的。

124 构成这一氮气压力分程控制方案所用的仪表皆为气动仪表。控制器具有反作用，采用PI控制规律，进入贮罐的氮气阀门A具有气开特性，而排放氮气的阀门B具有气关特性，两阀的分程动作关系，见图6-36。
图6-36 控制阀分程动作关系 图6-35 贮罐氮封分程控制

125 由图6-36可见，B阀接受控制器的输出信号为0. 02～0. 058MPa，而A阀接受的信号为0. 062～0
由图6-36可见，B阀接受控制器的输出信号为0.02～0.058MPa，而A阀接受的信号为0.062～0.1MPa。因此，在两个控制阀之间存在着一个间歇区(△=0.004MPa)或称不灵敏区。针对一般贮罐顶部空隙较大，压力对象时间常数大，而氮的压力控制精度要求不高的实际情况，存在一个间歇区是允许的。设计间歇区的好处是避免两只阀的频繁开闭，以有效地节省氮气。 图6-36 控制阀分程动作关系

126 3. 用于同一被控参数两个不同控制介质的生产过程。
3. 用于同一被控参数两个不同控制介质的生产过程。 例如：工业废液中和过程的控制系统 工艺简介： 由于工业生产中排放的废液来自不同的工段，有时呈酸性，有时呈碱性。因此，需要根据废液的酸碱度，决定加酸或加碱。 通常，废液的酸碱度都用PH值的大小来表示。 当PH值小于7时，废液为酸性； 当PH值大于7时，废液为碱性； 当PH值等于7时，即为中性。 工艺要求排放的废液pH值要维持在7附近。 图6-37 废液中和过程分程控制

127 图中，PH计是废液氢离子浓度测量仪, pH值愈小，pH计的输出电流愈大。 设： pH值等于7时，其输出电流为 IH*。
当pH计的输出电流IH>IH*时，废液呈酸性，此时分程控制系统中的PH调节器的输出信号使调节阀B打开，加入适量碱。 反之，当IH<IH*时，废液呈碱性，调节器输出信号控制调节阀A工作，加入适量的酸，使废液呈中性，此时调节阀B是关闭的。 图6-37 废液中和过程分程控制

128 6.5 阀位控制系统 6.5.1 概述 一个控制系统在受到外界干扰时，被控变量将偏离原先的给定值而发生变化。为了克服干扰的影响，将被控变量拉回到给定值，需要对操纵变量进行调整。对一个系统来说，可供选择作为操纵变量的可能不只是两个，而是有多个，这就有一个如何选择操纵变量的问题。 所选的操纵变量既要考虑到它的经济性和合理性，又要考虑到它的快速性和有效性。但是，在有些情况下，所选择的操纵变量很难做到两者兼顾。阀位控制系统就是在综合考虑操纵变量的快速性、有效性和经济性、合理性基础上发展起来的一种控制系统。

129 阀位控制系统的原理结构图如图6-38所示。 在阀位控制系统中选用了两个操纵变量A和B。其中操纵变量A从经济性和工艺的合理性考虑比较合适，但是对克服干扰的影响不够及时、有效。操纵变量B却正好相反，快速性、有效性较好，即克服扰动的影响比较迅速、及时，但是经济性、合理性较差。这两个操纵变量分别由两只控制器来控制。其中控制操纵变量B的为主控制器C1，控制操纵变量A的为阀位控制器C2。主控制器的给定值即产品的质量指标，阀位控制器的给定值是操纵变量B管线上控制阀的阀位。阀位控制系统也因此而得名。 经济性、合理性好 快速性、有效性好 图6-38 阀位控制系统结构原理图

130 6.5.2阀位控制系统的应用 (1)管式加热炉原油出口温度控制
管式加热炉原油出口温度控制，一般都选原油出口温度为被控变量，选择燃料油(或气)作为操纵变量，组成温度控制系统。 该系统中选用燃料油(或气)作为操纵变量是经济的、合理的，然而它对克服外界干扰的影响却不及时。这是因为燃料量的变化至出口温度这一通道容量较大(即时间常数较大)，燃料量变化所改变的燃烧热要通过辐射、传导和对流等传热过程，将热量传给管道中的原油后， 才能使原油出口温度发生变化，这段时间比较长(有的多至十几分钟)，这样，对克服干扰的有效性就比较差。

131 如果在原油入口和出口之间直接引一条支管，并以它作为操纵变量B，从而构成如图6-39所示的阀位控制系统，就可以明显地提高系统的控制质量。
显然操纵变量B对控制原油出口温度十分及时、有效，然而，从工艺考虑是不经济的(增加能耗)，因此，通过它来控制原油出口温度是不合理的。图6-39将操纵变量A和B有机地结合起来，却能达到提高控制质量的效果。 在分析系统工作之前，先假定VA、VB两控制阀均选为气开阀，主控制器TC为正作用，阀位控制器VPC为反作用(控制阀开闭形式选择与前同)。 VA 正作用 VB 反作用 图6-39加热炉温度阀位控制系统

132 系统稳定情况下，被控变量等于主控制器的设定值R，控制阀VA处于某一开度，控制阀VB处于阀位控制器VPC所设置的小开度r。当系统受到外界干扰使原油出口温度上升时，温度控制器的输出将增大(因为它是正作用)，这一增大的信号送往两处：其一去VB，其二去VPC。送往VB的信号将使VB开度增大，这会将原油出口温度拉下来；送往VPC的信号是作为后者的测量值，在r不变的情况下，测量值增大，VPC的输出将减小，VA的开度将减小，燃料量则随之减少，出口温度也将因此而下降。这样VA、VB两只控制阀动作的结果都将会使温度上升的趋势减低。 气开阀 VA 正作用 VB 反作用 气开阀

133 随着出口温度的上升趋势的下降，TC输出逐渐减小，于是阀VB的开度逐渐减小，阀VA的开度逐渐加大。这一过程一直进行到温度控制器TC及阀位控制器VPC的偏差都等于零时为止。温度控制器偏差等于零，意味着出口温度等于给定值及阀位控制器偏差等于零，意味着控制阀VB的阀压与阀位控制器VPC的设定值r相等，而VB的开度与阀压是有着一一对应的关系，也就是说阀VB最终会回到设定值r所对应的开度。 由上面的分析中可以看到，本系统利用操纵变量B的有效性和快速性，在扰动一旦出现影响到被控变量偏离给定值时，先行通过对操纵变量B的调整来克服干扰的影响。随着时间的增长，对操纵变量B的调整逐渐减弱，而控制出口温度的任务逐渐转让给操纵变量A来承担。最终阀VB停在一个很小的开度(由设定值r来决定)上，而维持控制的合理性和经济性。

134 (2)蒸汽透平控制 透平利用中压蒸汽驱动，做了功的蒸汽排入低压蒸汽管网。控制的要求是低压管网压力恒定。 4MPa的中压蒸汽减压成0
(2)蒸汽透平控制 透平利用中压蒸汽驱动，做了功的蒸汽排入低压蒸汽管网。控制的要求是低压管网压力恒定。 4MPa的中压蒸汽减压成0.3MPa的低压蒸汽，一般使中压蒸汽经过一个起节流作用的控制阀VA就可以了。但是这样做不经济(能量白白耗费在克服控制阀的阻力上)。如果将中压蒸汽通过中压透平后转为低压蒸汽，则可使透平做功，使能量得到有效的利用，这是一举两得的事。于是可按图6-40所示构成一低压总管压力阀位控制系统。 系统中压力控制器PC为主控制器，它的输出同时作为阀VB的控制信号，又作为阀位控制器VPC的测量信号，控制阀VA由阀位控制器进行控制，而阀位控制器的给定值r则决定着阀VB的开度(通常设置r值都是一个较小的值)。

135 最后当低压总管压力回到给定值R达到稳定时，阀VB回复到原先由r所设定的小开度，而阀VA则处于一个新的开度。
在正常情况下，低压总管压力等于PC的给定值R，阀VB处于某一个小开度(与VPC设定值r相对应)，阀VA也处于某一个开度。一旦由于某种原因(如低压管线用户增加)低压总管压力下降了，这时PC输出变化，立即使阀VB开大，紧接着在VPC的控制下阀VA也开大，于是低压总管压力开始回升。随着低压总管压力的回升，阀VB逐渐关小，而阀VA则继续逐渐开大，渐渐将压力控制的任务转移到阀VA的身上。 最后当低压总管压力回到给定值R达到稳定时，阀VB回复到原先由r所设定的小开度，而阀VA则处于一个新的开度。 r VA VB R 图6-40 低压蒸汽总管压力阀位控制

136 讨论： 从结构上看，分程控制系统和阀位控制系统都是具有多个控制变量和单个被控变量的过程。
分程控制要求各个控制变量接替工作，而阀位控制是要求被选作辅助变量的阀位在稳态时处于某个较小(或较大)值上，以满足另外指标优化的要求。