7.4比值控制系统实际生产过程中，经常需要几种物料流量保持一定比例关系。例如在锅炉的燃烧过程，要保持燃料和空气量成一定比例，以保证燃烧
经济性。定义：实现两个或多个参数（主要为流量）满足一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。如要实现两种物料流量的比例关系，可表示
为：Q2=KQ1式中：K—比值系数；Q1—主流量；Q2—副流量。Q1FTFCQ27.4.1比值控制系统的种类1.开环
比值控制系统如图Q1是主流量，Q2是副流量。流量变送器FT检测主物料流量Q1；由控制器FC及安装在从物料管道上的阀门来控制副流量Q
2。此控制方案的优点是结构简单、成本低。缺点是无抗干扰能力，当副流管线压力等改变时，不能保证所要求比值恒定。控制目标：Q2＝K
Q1Q1F1TKF2TF2CQ22.单闭环比值控制系统为了克服开环比值控制的不足，在开环比值控制的基础上，增加对副流量的闭环控
制。特点：对Q2进行闭环控制，比值控制精度提高；控制目标：Q2=KQ1；对Q1只测量、不控制。Q2跟随Q1成比例变化(Q2=KQ
1)，但Q1+Q2总流量不稳定。Q1F1TF1CKF2TF2CQ23.双闭环比值控制系统为了克服单闭环比值控制中主流量不受
控制的缺点，增加了主流量控制回路。有两个闭环控制回路，用比值器联系；控制目标：Q2=KQ1；Q1是主流量，Q2是副流量。对两
个流量(Q1,Q2)进行控制，因此，总流量Q1+Q2稳定。4.变比值控制系统以上讨论的都是定比值控制系统。在有些生产过程，要求
两种或两种以上物料流量的比值随第三个工艺参数的需要而变化，为满足这种工艺要求，就出现了变比值控制系统。在下图(见下页)的变换炉
工艺中，一定比例煤气与水蒸气（5~8倍）在触媒催化下，转化成二氧化碳和氢气。变换炉温度越高转化率越高，但温度过高会影响触媒寿命。如
果根据触媒层温度控制二者的比例系数，就能保持最高转化率和触媒安全与寿命。F1TTTF2T转化气温度控制器TC根据触媒实际温度与给
定温度偏差，计算流量比值给定值。除法器算出蒸汽与煤气流量实际比值，输入到流量控制器FC。最后通过调整蒸汽流量(改变蒸汽与半水煤气
比值)使变换炉触媒层的温度恒定在给定值。Q2(s)R(s)Kr''Y(s)Gv2(s)Gc1(s)Gc2(s)G02(s)G0(s)
++__Q1(s)Gm2(s)K''÷Gm1(s)Gm(s)图7.23变比值控制系统框图应当注意，在变比值控制系统中，改变流量比
值只是一种控制手段，不是最终目的，而第三参数（如上例中温度）往往是主要被控参数。7.4.2比值控制系统的设计与参数整定7.4.2
.1比值控制系统设计1.主流量、副流量的确定原则①生产中起主导作用的物料流量，一般选为主流量，其余物料流量跟随其变化，为副
流量;②工艺上不可控的物料流量，一般选为主流量;③价格较昂贵的物料流量一般选为主流量;④当生产工艺有特殊要求时，主、副物料流
量的确定应服从工艺需要。2.控制方案的选择控制方案选择应根据不同的生产要求确定，同时兼顾经济性原则。①如果工艺上仅要求两物料
流量比值一定，而对总流量无要求，采用单闭环比值控制方案。②如果主、副流量扰动频繁，工艺要求主、副物料总流量恒定的生产过程，可采用
双闭环比值控制方案。③当生产工艺要求两种物料流量比值随着第三参数的需要进行控制时，采用变比值控制方案。Q1F1TKF2TF2C
Q23.控制器控制规律的确定比值控制系统中，控制器的控制规律是根据控制方案和控制要求而定。在单闭环比值控制系统中，比值器K起比
值计算作用，若用控制器实现，则选P调节；控制器F2C使副流量稳定，为保证控制精度可选PI调节。PPIPIPQ1PIF1CF1TKF
2TF2CQ2双闭环比值控制不仅要求两流量保持恒定的比值关系，而且主、副流量均要实现定值控制，所以两个控制器均应选PI控制；比值器
选P控制。4.正确选择流量计及其量程各种流量计都有一定的适用范围（一般正常工作流量选在满量程的70％左右），必须正确地选择和
使用，可参考有关设计资料、产品手册。5.比值系数的计算工艺规定的流量（或质量）比值K不能直接作为仪表比值系数使用，必须根
据仪表的量程转换成仪表的比值系数K’后才能进行比值设定。流量变送器的转换特性不同，比值系数K’的计算公式不同。①流量与测量信号成线
性关系如果Q1检测流量计测量范围为0～Q1max、Q2检测流量计测量范围为0～Q2max，则变送器输出电流信号和流量Q之间的关系
如下：因代入工艺比值公式：仪表比值系数为得仪表比值系数换算公式：②流量与测量信号之间成非线性关系采用节流原理测流量时，差压与流量平
方成正比?p=CQ2而差压与传感器输出电流之间关系：I=?p+4则代入工艺流量比值公式得流量系数换算公式6.流量测量中的温度
、压力补偿用差压流量计测量气体流量时，被测气体温度和压力的变化会使其密度发生变化，流量的测量值将产生误差。对于温度、压力变化较大、
而控制质量要求较高的对象，必须进行温度、压力补偿，以保证流量测量值的准确；或者直接用质量流量计进行测量。7.4.2.2比值控制
系统实施与参数整定①比值系数的实现比值系统的实现有相乘和相除二种方法。可采用比值器、乘法器、除法器等仪表实现；采用计算机控制系统时
，可通过比例、乘、除运算程序实现。②比值控制系统的参数整定比值系统主流量控制回路可按单回路控制系统进行参数整定；比值系统副流量整定
为振荡与不振荡的边界为佳，即过渡过程既不振荡且反应快。7.4.2.2比值控制系统实施与参数整定①比值系数的实现比值系统的实现
有相乘和相除二种方法。可采用比值器、乘法器、除法器等仪表实现；采用计算机控制系统时，可通过比例、乘、除运算程序实现。②比值控制系统
的参数整定比值系统主流量控制回路可按单回路控制系统进行参数整定；比值系统副流量整定为振荡与不振荡的边界为佳，即过渡过程既不振荡且反
应快。对混合过程，则要考虑采用混合过程PID控制算法，并进行参数整定（参见3.3.2.6）1#2#LCLTFCFT7.5均匀控
制系统在连续生产过程中，有些装置前后紧密联系，前一设备的出料，往往是后一设备的进料；设备操作之间互相关联、互相影响。例如图7.24
所示的两个连续操作的精馏塔。1#塔要求液位稳定，设液位控制系统。2#塔要求进料量稳定，设流量控制系统。LCLTFCFT显然，这两套
控制系统的控制目标存在矛盾：1#塔液位控制阀1开度变化2#塔流量变化2#塔流量控制阀2开度变化1#塔液位变化解决方法1.设
中间贮槽，消除(减弱)前后影响，但成本高。2.采用控制方法—均匀控制系统。21#2#17.5.1均匀控制系统工作原理及特点为了
解决前后工序控制矛盾，达到前后兼顾、协调操作，使前后工序的控制参数均能符合要求而设计的控制系统称为均匀控制系统。如上例中，均匀控制
应通过对液位和流量两个参数同时兼顾的控制方案，使两个互相矛盾的变量相互协调，都能满足各自的工艺要求。和其它控制方式相比，均匀控制的
特点如下：①两个被控参数在小范围、缓慢变化LFFL0LFLLFLFF0tt0tc）1#塔液位、2#塔进料流量均小范围、缓慢
波动b）1#塔液位波动幅度大、2#塔进料流量稳定a）1#塔液位稳定、2#塔进料流量波动幅度大因为若将1#塔液位控制成平稳的直线，会
导致2#塔的进料流量波动很大；反之若将2#塔的进料流量控制成平稳的直线，会导致1#塔液位波动很大。无法实现两个被控参数都恒定。只有
让两者都有一定程度波动，但波动都比较缓慢、且幅度较小，才有可能同时符合生产工艺要求。LFLLCLTFCFTFt0②前后互相联
系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内波动。如下图，1#塔塔釜液位升降变化不能超过规定的上下限；2#塔进料流量也不能超越规定
的上下限，否则不满足工艺要求。21#2#1LCLT7.5.2均匀控制方案均匀控制常用的方案有简单均匀控制、串级均匀控制等形式，下面
介绍这两种控制方案。1．简单均匀控制系统结构与简单液位定值控制系统相同，但控制系统的目标不同。均匀控制的目标是协调控制液位和排出流
量两个被控参数。1#2#LCLT由于控制目的不同，均匀控制要求兼顾两个被控参数，通过控制器参数整定来实现这一目标。简单均匀控制系统
中的控制器一般都是纯比例作用，且将比例度整定得很大。当1#塔液位变化时，控制器输出变化很小，排出流量流量只作缓慢、小范围变化，以较
弱的控制作用达到均匀控制的目的。1#2#LCLT简单均匀控制的优点是结构简单，投运方便，成本低。但对另一个被控参数是不测不控的兼顾
操作，其控制精度不一定能保证。在本例中，当前后塔的压力变化较大时，尽管调节阀的开度不变，输出流量也会出现较大波动。简单均匀控制仅适
用于压力(扰动)干扰不大、对流量的均匀程度要求较低的场合。1#2#LCFCFTLT2．串级均匀控制为了克服简单均匀控制只有一个控
制回路，只能保证一个被控参数精度的缺点，可在简单均匀控制方案基础上增加一个副控制回路，构成串级均匀控制。结构与串级控制系统相同。
增加了流量控制回路，可以及时克服压力干扰，保证流量控制精度。1#2#FCLCFTLT串级均匀控制系统中，主、副变量都有控制精度要求
，二者均在规定的（小）范围内缓慢地变化，所以控制目标与串级控制不同。①主、副控制器一般都采用纯比例作用，而且将比例度整定得较大。②
串级均匀控制方案适用于压力(扰动)干扰较大的场合。但使用仪表较多，投运、维护复杂，成本高。1#2#7.5.3均匀控制系统参数整定
1．控制规律选择简单均匀控制系统的控制器及串级均匀控制系统的主控制器一般采用纯比例控制，有时也可采用比例积分控制；所有均匀控制都
不需要加入微分控制。积分作用的引入对液位参数有利，它可以避免由于长时间单方向干扰引起液位的越限。积分控制引入将使系统动态稳定性变差
。2．控制器参数整定简单均匀控制系统要整定的控制器只有一个，可以按照单回路控制系统的整定方法进行，只是要注意比例度要宽(P要大)
、积分时间要长(Ti要大)，通过“看曲线、调参数”，使液位和流量达到变化缓慢、协调均匀就可以了。下面简单介绍串级均匀控制系统参数
整定的经验法和停留时间法。①经验整定法所谓经验整定法，就是根据经验,将主、副控制器的比例度P1、P2设置为一个适当的数值，然后
按“先副后主”的顺序，由小到大进行调整，使被控参数的过渡过程曲线呈缓慢的非周期衰减过程。②停留时间法所谓停留时间τ，是指在正常
流速下，介质在被控参数允许变化范围(1#塔在液位上下限之间的有效容积)内流过所需要的时间，其计算公式式中，Q—是正常工况下的介质流
量；V—是容器在液位上下限之间的有效容量。停留时间τ与控制器整定参数间的关系见表7-2。表7-2停留时间τ与调节器参数的关系
停留时间τ(min)<2020~40>40比例度P(%)100～150150～200200～25积分时间Ti(min)
51015具体整定步骤如下副控制器(流量)按经验法整定；计算停留时间τ，按上表确定液位(主)控制器整定参数；按照已确定参数进行系
统运行试验，若不满足工艺要求，再适当调整控制器参数，直到液位、流量运行曲线均符合工艺要求。CBMMA7.6分程控制系统在分程控制系
统中，将一个控制器的输出信号被分割成几个行程段，每一段行程各控制一个调节阀，故取名为分程控制系统。例如，一个控制器的输出信号分程控
制两个调节阀A和B，A和B的输入信号各占控制器输出信号满量程一半(50%)。可通过调整阀门定位器或阀门驱动器，缩小调节阀输入
信号量程。TCTT7.6.1分程控制系统工作原理及类型7.6.1.1分程控制系统工作原理如某一间歇式生产的化学反应过程中，每
次投料完毕后，需要先对其加热引发化学反应。一旦反应开始，就会持续产生大量反应热，如果不及时降温，物料温度会越来越高，有发生爆炸的危
险，因此，必须进行冷却降温。A冷却水B热水TCTT为此，可设计以反应器内(物料)温度为被控参数、以热水流量和冷却水流量为控制变
量的分程控制系统，调节阀A、B分别控制冷却水和热水。为保证设备安全，加热调节阀B采用气开方式，冷却水调节阀A采用气关方式，温度控制
器TC应采用反作用工作方式。反A冷却水反B反/正热水正100%TCTTA阀B阀00.020.060.10MPa图7.29调
节阀分程关系曲线放热反应器温度分程控制工作原理反应釜装料完成、化学反应开始前，反应物料温度测量值小于设定值。系统启动，控制器TC(
反作用工作方式)输出(经过电/气转换器)气压大于0.06MPa，A(冷却)阀关闭，B(加热)阀开启，进入反应器夹套的热水使
反应物料温度上升。反A冷却水反B热水正反/正100%TCTTA阀B阀00.020.060.10MPa图7.29调节阀分程关
系曲线随着温度升高→物料开始反应→反应物温度逐渐升高→控制器输出逐渐下降→加热水阀B逐渐关小→当反应物料温度达到并高于设定值时→控
制器输出气压小于0.06MPa→加热水阀B完全关闭，冷却阀A逐渐打开→冷却水进入夹套将反应热带走，使反应物料温度保持在设定值。反A
冷却水反B热水正反/正100%100%B阀A阀A阀B阀000.020.060.10MPa0.020.060.10MPa7.6.1.
2分程控制系统的类型按照调节阀的气开、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调
节阀同向动作分程控制系统的二种形式。A、B均为正作用阀A、B均为反作用阀100%B阀A阀100%0A阀B阀0.020.10MPa0
.060MPa0.020.060.10②调节阀异(反)向动作的分程控制系统调节阀异(反)向动作分程控制系统的二种形式。在0.02
~0.06MPa区间，B阀全关、A阀逐渐关小；在0.06~0.10MPa区间，A阀全关、B阀逐渐开大。在0.02~0.06MPa区
间，B阀全开、A阀逐渐开大；在0.06~0.10MPa区间，A阀全开、B阀逐渐关小。干扰被控参数+SV控制器执行器1被控过程－PV
执行器2变送器7.6.2分程控制系统设计及工业应用分程控制系统本质上属于单回路控制系统。二者的主要区别：单回路控制系统中控制器输
出控制一个调节阀，分程控制系统中控制器输出控制二/多个调节阀，因此，系统设计方法上有所区别。TCTT7.6.2.1控制信号的
分段在分程控制中，控制器输出信号分段由生产工艺要求决定。控制器输出信号需要分成几段，哪一段信号控制哪一个调节阀，完全取决于工艺要
求。如在此例釜式反应器温度控制系统，生产工艺需要控制两个调节阀。因此，控制器输出信号需要分成两段。反A冷却水反B热水正反/正10
0%B阀A阀00.020.10MPa0.06TCTT7.6.2.2调节阀特性选择与应注意的问题1.根据工艺要求选择同向或
异向工作调节阀在此例中，为保证安全，加热阀采用气开式，冷却阀采用气关式，两个调节阀异向工作；又因工艺要求一个阀打开时，另一个必须
关闭，两个阀的特性组合如下左图所示。反A冷却水反B热水正反/正100%B阀A阀0SV0.020.060.10MPaPT2.流
量特性的平滑衔接如图为蒸气压力减压系统。小负荷时A阀控制、B阀关闭；负荷较大时A阀全开、由B阀进行控制。两个同向特性调节阀并联控制
一种介质流量时，总流量特性是两个阀流量特性的叠加组合。Q（%）100Q（%）10045?00.020.060.10P（MPa）45
?0a）二阀特性比较接近P（MPa）0.020.060.10b）二阀特性差距较大如果两个调节阀都用直线特性，组合后的总流量特性有下
列两种情况：如果两个调节阀的增益差距较大，组合后的总流量特性有突变点，会影响系统控制品质。Q（%）Q（%）100100??00P（
MPa）P（MPa）0.020.060.100.020.060.10a）分程信号不重叠b）分程信号重叠如果调节阀是对数流量特性，其
总流量特性衔接处必有突变（点）。可以通过两个调节阀分程信号部分重迭的办法，使调节阀流量特性实现平滑过渡，即将两个阀的工作范围扩大，
形成一段重迭区。PT3.调节阀的泄漏量在分程控制中，调节阀的泄漏量太大会影响控制质量。尤其当大、小阀并联工作时，若大阀的
泄漏量接近或大于小阀的正常的调节量，则小阀的调节能力大大降低。因为大阀的泄漏量相当于存在一个不受控制的旁路管道，所以要求大阀的泄
漏量小。Q（%）1000P（MPa）0.020.060.10分程信号存在部分重叠7.6.2.3分程控制的实现分程控制要求调节
阀的输入量程进行压缩。通过调整阀门定位器的输入信号零点和量程，使调节阀在规定的信号区段作全行程动作。例如，使调节阀A在0.02~
0.07MPa范围内作全行程动作；使调节阀B在0.05~0.10MPa范围内作全行程动作；二者在0.05~0.07MPa重叠。7
.6.2.4分程控制系统的工业应用分程控制系统的工业应用广泛，下面介绍应用比较多的两种形式。1.用于扩大调节阀的可调范围有
些生产工艺要求控制的流量变化范围较大，而调节阀可调范围有限（国产统一设计柱塞调节阀可调范围R＝30）。若采用一个调节阀，能够控制的
最大流量和最小流量相差不可能太悬殊，满足不了生产上流量大范围变化的要求，这时可考虑采用两个调节阀并联的分程控制方案。PT例某蒸
汽压力减压控制系统用节流减压的方法将10MPa的高压蒸气减压成4MPa的中压蒸气，中压蒸气的使用量变化很大。如果只用一个阀门控制，
只能选择大口径阀。而大口径阀在小开度下工作时，阀门特性变差，控制效果不好。如果用两个阀分程控制，小负荷时只开小阀，负荷增大时再开大
阀。则两个调节阀组合后，可调范围扩大。设大、小两个调节阀的最大流通能力分别为：CBmax=105m3、CAmax=4.2m
3；可调范围均为R=30则两个阀的最小流通能力分别为：CBmin=CBmin/R=105/30=3.5m3CA
min=CAmin/R=4.2/30=0.14m3两个调节阀并联使用时：最小流通能力为：Cmin=CAmin=0
.14最大流通能力为：Cmax=CBmax+CAmax=107.2m3可调范围：R并=Cmax/Cmin=107.
2/0.14=780并联使用后调节阀的可调范围增大了26倍。100%B阀A阀00.020.10MPa反0.06酸液pHC
pHT反正碱液正废液中和废液2.用于一个控制回路需要控制多个操纵量例在工业废液中和处理工艺中，需要根据废液的酸碱性（pH值
），分别控制加酸液量或加碱液量。7.7选择性控制系统自动控制系统是在正常生产过程状态下对被控参数进行控制。一旦生产过程出现非
正常状态（参数超过安全限），就不得不放弃对此参数控制，否则会发生事故。待采取保护措施，消除异常、重新恢复正常状态后，控制系统再重新
投入工作。传统的生产保护措施是硬保护措施。当生产操作达到安全极限时，发出声、光报警，操作人员立即将控制器切到手动操作，或通过专门设
置的联锁保护系统实现自动停车，防止事故险情进一步恶化。如果控制系统具有自动应变能力，对于不同的生产状态，能自动选择不同的控制方
案—当生产过程出现不正常状况时，能自动切换到保护性控制回路，由保护性控制回路来恢复生产状态；当生产恢复正常时，再自动切回稳定性控制
回路。这样就不需要通过人工或连锁停车操作，对生产系统进行保护，这种安全保护称为软保护（措施）。所谓选择性控制系统，就是能根据生产
状态自动选择合适的控制方案的控制系统。选择性控制系统设有多个控制回路，由选择器根据设计控制决策逻辑，自动选通合适控制回路。变送器1
给定1－干扰控制器1控制器2＋被控参数1对象1正常控制选择器执行器对象2被控参数2＋给定2－取代控制变送器27.7.1选择性控制系
统的类型选择性控制系统通过选择器实现选择功能。选择器可以接在控制器的输出端，对控制信号进行选择；也可以接在变送器输出端，对测量信
号进行选择。1.对控制器输出信号进行选择P1CP1T蒸气汽包反炉膛燃气正锅炉给水例锅炉蒸气压力选择控制系统工艺要求锅炉输出
蒸气压力稳定。若用单回路控制系统控制，则根据蒸气出口压力控制燃气量。如果下游生产过程蒸气用量大幅度变化，蒸气压力控制系统会使燃气
阀门开度大幅变化。但燃气压力过高会发生脱火。蒸气P1TP2CP2TP1C反汽包选择器＜反炉膛燃气正锅炉给水为防止产生脱火现象，增
加一个燃气高压保护控制回路。用P2T测燃气压力，P2C的设定值为燃气高压上限值，当燃气压力低于上限值时，P2C输出高值信号。用
低选器自动地选择两个控制信号中较低的一个，作为阀门的控制信号，系统原理如右图所示。蒸气P1TP2CP2TP1C反汽包选择器＜反炉膛
燃气正锅炉给水P2C输出高值时，LS选中P1C作为输出。系统是以蒸气压力为被控变量的简单控制系统。当煤气压力超过P2C给定值时，
P2C输出低值，LS将改选P2C作为输出。系统处于燃气压力控制时，蒸气出口压力控制回路被燃气压力安全保护回路所取代。蒸气P1
TP2CP2TP1C反汽包选择器＜反炉膛燃气正锅炉给水在蒸气压力定值控制与燃气高压自动保护的选择控制过程中，还可能出现另一种事故
：如果因蒸气负荷很低，导致燃气流量过低，会出现熄火现象，也必须防止。P1TP1CP3TP3CP2CP2T蒸气反反汽包选择器1＜反
选择器2＞炉膛正燃气锅炉给水为防止出现熄火现象，再增加一个燃气低压保护控制回路—P3T、P3C，系统原理如下页图所示。P
3C的设定值为燃气压力下限值，当燃气压力低于下限值时，P3C输出高值信号，被HS选中。当燃气压力高于下限值时，P3C输出
低值信号，不会被HS选中。P1TP1CP2CP3CP2TP3T蒸气反反汽包选择器1＜反选择器2＞炉膛正燃气锅炉给水这类系统的选择器
装在控制器之后（三选一系统）。在控制系统处于燃气压力保护控制状态时，不能保证蒸气出口压力符合工艺要求。干扰被控参数1……给定……
执行器被控对象＋被控参数n控制器－变送器1……选择器变送器n2．对变送器输出信号进行选择这种系统的选择器装在控制器之前、检测变送
器之后，对多个变送器输出信号进行选择。用于几个被控参数给定值、控制规律都一样的场合。T3TTCT1TT2T入料冷却液反＞反应器冷
却液反产品例固定床反应器(高温)热点温度控制反应器内固定床上装有催化剂以加速反应，而反应产生的热量若不及时被冷却液带走，温度过高
会烧坏催化剂。因催化剂的老化、变质和流动等原因，固定床不同位置的温度可能不同。在不同位置分别安装温度传感器，由选择器(高选HS)选
出热点温度信号，送入控制器进行控制。给定被控参数1执行器＋－被控参数3被控参数2对象2段对象1段对象3段选择器T3TT2TTCT1
T变送器2变送器1变送器1入料冷却液反控制器＞反应器冷却液反产品反应器内三点被控温度是串联关系，因此，控制系统方框图中(对象)
特过程性可等效为串联的三段。7.7.2选择性控制系统的设计原则选择性控制系统是多个常规控制系统的组合。与常规控制系统的设计相比，
主要不同点是选择器的设计选型和控制器控制规律的确定。1．选择器的选型选择器有高值选择器HS与低值选择器LS两种。选择器类型，由执行
器的作用方向和控制回路的切换条件决定。P1TP1CP2CP3CP2TP3T蒸气反反汽包选择器1＜反选择器2＞炉膛正燃气锅炉给水例1
蒸汽压力与燃气压力的自动选择控制由于燃气阀是正作用阀，防止燃气压力过高的选择器1就应当是低选（LS），防止燃气压力过低的选择器2
就应当是高选（HS）。T3TT2TTCT1T入料冷却液反＞反应器冷却液反产品例2固定床反应器中热点温度选择控制控制目标是最高温度
点不超过触媒（催化剂）耐温上限，则所有测温点温度都不会超标，所以用高选器（HS）。P1TP1CP2CP2TP3TP3C蒸气PID
P汽包选择器1＜P选择器2＞炉膛正燃气锅炉给水2．控制器调节规律的确定对于正常工况下运行的调节器，由于有较高的控制精度要求，可
用PI控制或PID控制；对于取代控制器，一般只要求其迅速发挥保护作用，可用P控制。P1TP1CP2CP2TP3TP3C蒸气PID
P汽包选择器1＜P选择器2＞炉膛正燃气锅炉给水3．调节器参数整定正常工作调节器的整定要求与常规控制系统相同，可按常规控制系统的整
定方法进行整定。对于取代调节器，要求能及时产生自动保护作用，其比例度P应整定得小一些。4．选择性控制系统控制器抗积分饱和选择
性控制系统运行中，无论在正常工况下，还是在异常工况下，总是有控制器处于开环待命状态。如果控制器有积分作用，当其处于开环待命状态时
，偏差输入信号一直存在。那么积分作用将使控制器的输出不断增加或减小，使输出进入深度深度饱和状态，失去控制功能。一旦选择器选择其进入
控制工作状态，其退出饱和以后才开始正常工作，这种现象称之为积分饱和。这种控制不及时有时会带来严重的后果，必须设法防止。抗积分饱和
是控制器的一个附加功能，可供用户选择。常用的抗积分饱和措施有以下几种。①PI-P法当控制器输出在一定范围内，采用PI或PID控制，
超出设定范围，采用P或PD，避免积分饱和。②积分切除法当控制器被选中时，采用PI或PID控制，一旦处于开环状态自动切除积分功能。③
限幅法利用限幅器，使控制器输出信号不超过正常信号的上下限（不进入饱和状态）。7.8解耦控制有些生产过程要在一个设备或系统上设置
若干个控制系统，分别对多个被控参数进行控制。这种情况下，多个控制系统之间就有可能存在相互关联和相互影响，称为耦合。控制系统间的耦
合会妨碍各被控参数的独立控制，严重时甚至导致控制系统无法正常工作。通过采取措施把相互关联、存在耦合的多参数过程控制系统转化为一个
控制变量只对一个被控参数进行独立控制的多个单输入-单输出控制系统，这样的控制系统称为解耦控制系统(或自治控制系统)。T1CT1
T冷凝器回流罐进料F塔顶产品QD回流QL精馏塔蒸气QS再沸器塔底产品QW图7.38精馏塔温度控制系统T2TT2C7.
8.1被控过程的耦合现象及对控制过程的影响下面用一个实例来分析被控过程的耦合现象及对控制过程的影响。右下图中，塔顶温度T1的
控制变量QL对塔底温度T2产生影响；同理，温度T2的控制变量QS影响塔底温度T2。精馏塔顶温度T1控制系统和塔底温度T2控制系
统存在耦合。-U1(s)+Gc1(s)G11(s)+T1r+T1(s)G21(s)G12(s)+T2rT2(s)+Gc2
(s)G22(s)+U2(s)-图7.39精馏塔温度控制系统框图塔顶温度T1控制系统和塔底温度T2控制系统的耦合关系，可抽象为
如下方框图表示（将变送器、执行器环节特性简化为1）。耦合通道7.8.2解耦控制系统设计解耦控制通过解耦环节，使存在耦合的多变量
控制系统转变为相互独立的单变量控制系统。下面讨论几种常用的解耦方法。1.前馈补偿解耦利用前馈补偿控制原理，对存在耦合的多变量过程
进行解耦，是最早采用的解耦控制方法。图7.40所示（见下页）为应用前馈解耦环节实现（二变量）解耦的系统框图。根据不变性（补偿）原
理可得G12(s)Uc2(s)+G11(s)N12(s)Uc2(s)=0G21(s)Uc1(s)+G22(s)N21(s
)Uc1(s)=0U1(s)-Uc1(s)+Gc1(s)G11(s)++Y1rY1(s)++N21(s)G21(s)前
馈解耦环节耦合通道N12(s)G12(s)++Y2rY2(s)++U2(s)Gc2(s)G22(s)+Uc2(s)-图7
.40前馈补偿解耦系统框图求得前馈解耦环节的传递函数-U1(s)Uc1(s)+Gc1(s)G11(s)++Y1rY1(s)+
+N21(s)G21(s)前馈解耦环节耦合通道N12(s)G12(s)++Y2rY2(s)++Gc2(s)G22(s)
U2(s)Uc2(s)-+图7.40前馈补偿解耦系统框图2．对角矩阵解耦设计对角矩阵解耦是设计一个解耦环节，使解耦环节传递函数阵
与被控过程传递函数阵乘积成为对角阵，消除多变量被控过程被控参数之间的耦合。例-Uc1(s)U1(s)+Gc1(s)N11(s)
G11(s)+Y1r++Y1(s)+N21(s)G21(s)解耦环节耦合通道N12(s)G12(s)+Y2(s)+Y2
r++Gc2(s)N22(s)G22(s)+Uc2(s)U2(s)-图7.41双变量对角解耦系统框图对被控过程的两个控制量和
被控参数之间的关系，可以列出描述过程输出的方程组：Y1(s)=G11(s)U1(s)+G12(s)U2(s)Y2(s)=G21(s
)U1(s)+G22(s)U2(s)-Uc1(s)U1(s)+Gc1(s)N11(s)G11(s)+Y1r++Y1(s)+
N21(s)G21(s)解耦环节耦合通道N12(s)G12(s)+Y2(s)+Y2r++Gc2(s)N22(s)G22(
s)+Uc2(s)U2(s)-将上面方程组写成矩阵形式，即可简写成式中Y(s)为输出向量；Uc(s)为输入向量；G(s)为被控
(过程)对象传递矩阵。解耦环节N(s)接在控制器Gc(s)和被控(对象)过程G(s)之间，即U1(s)=N11(s)Uc1(s
)+N12(s)Uc2(s)U2(s)=N21(s)Uc1(s)+N22(s)Uc2(s)-Uc1(s)U1(s)+Gc1(s
)N11(s)G11(s)+Y1r++Y1(s)+N21(s)G21(s)解耦环节耦合通道N12(s)G12(s)+Y2
(s)+Y2r++Gc2(s)N22(s)G22(s)+Uc2(s)U2(s)-将以上方程组写成矩阵形式，即可简写成U(
s)=N(s)?Uc(s)式中Uc(s)—解耦环节输入向量，即控制器输出向量；U(s)—解耦环节输出向量；N(s)—解耦环节传
递函数阵：这时控制器输出控制作用Uc(s)与被控参数向量Y(s)之间传递关系可用矩阵乘积表示：Y(s)=G(s)?N(s)?U
c(s)-Uc1(s)U1(s)+Gc1(s)N11(s)G11(s)+Y1r++Y1(s)+N21(s)G21(s)解
耦环节耦合通道N12(s)G12(s)+Y2(s)+Y2r++Gc2(s)N22(s)G22(s)+Uc2(s)U2(s
)-Y(s)=G(s)?N(s)?Uc(s)中，如果如果G(s)?N(s)为对角阵GP(s)，则有表明y1、y2之间已完全解
耦，据此条件可求出解耦环节传递函数矩阵N(s)=G-1(s)?GP(s)式中实现对角解耦之后的等效系统框图如下：-U1c(s)+
Y1(s)Y1rGc1(s)G11(s)Y2(s)G22(s)Gc2(s)Y2rU2c(s)+-对于存在耦合且被控参数数量超过
两个的多变量系统，可采用类似方法求出解耦环节传递函数矩阵，只是传函矩阵随着维数升高，实现难度更大。7.8.3解耦控制的进一步讨论
解耦设计的目的是为了能构成独立的单回路控制系统，获得满意的控制性能。在设计解耦器时，需要根据实际情况特别注意以下几方面。7.8
.3.1控制变量与被控参数的配对存在耦合的被控过程中，一个控制变量会影响多个被控参数。设计解耦时，首先要确定每个被控参数被哪个控
制变量控制最合理，即解决耦合过程中被控参数与被控变量之间的配对问题。对匹配关系比较明显的多变量(对象)过程，凭经验就可确定控制变量
与被控参数之间配对关系。对关联关系比较复杂的多变量过程，则需要进行深入分析才能确定控制变量与被控参数之间的配对关系。采用Brist
ol-Shinskey提出的相对增益概念，是评价变量之间的耦合程度、是否需要解耦的分析方法和进行变量配对的常用方法。1.相对增益
的定义对一n输入n输出多变量过程，设输入列向量、输出列向量分别为U、Y到在系统开环情况下，其他ur(r≠j)都保持不变，输
出yi与输入uj的稳态传递关系(或放大系数)，即pij是uj到yi之间通道的静态开环增益，称为第一放大系数。在其他所有yr
(r≠i)都保持不变的情况下，输出yi与输入uj的稳态传递关系（放大系数），即qij称为uj到yi之间通道的第二放大系
数。到在pij、qij的基础上，定义λij为uj到yi通道的相对增益。对一n输入n输出多变量过程，可得相对增益矩阵到由定义以上
可知，pij为其他输入ur不变的条件下，uj到yi稳态传递关系(增益)；qij为其他输出yr不变的条件下，uj到yi稳态传递
关系（增益）；而λij则是二者的比值，其大小反映了对应变量（即对应通道）之间的耦合程度：λij=1，表示二种约束条件下，uj到y
i稳态传递关系(增益)不变；表明uj到yi通道不受其他其他输入变量的影响，不存在其他通道对yi的耦合；λij=0，表示pij=0
，即uj对yi没有影响；0<λij<1，则表示uj到yi通道与其他通道之间存在不同程度的耦合；到1<λij，表明耦合减弱了uj对y
i；0>λij，表明耦合改变了uj对yi控制作的方向(极性)。从上述定性分析可知，相对增益值λij反映了某个控制通道的输入、输出作
用强弱和其它通道对它耦合的强弱，因此可作为变量配对、选择控制通道和确定解耦措施的依据。2.相对增益的求取按照相对增益定义，可通过实
验，或者利用变量之间的解析关系式，求出放大系数pij、qij，通过简单计算求出相对增益λij，进而得到相对增益阵Λ。到3.相对增
益阵的性质与变量配对性质相对增益阵Λ任一列或行的元素之和为1。根据相对增益阵Λ元素λij值进行配对矩阵Λ对角元素为1，其他元素为
0，过程通道之间没有耦合；若Λ矩阵非对角元素为1，而对角元素为0，则表示过程变量配对（控制通道）错选，应更换输入输出间的配对关系；
到矩阵Λ的元素都在[0,1]区间内，表示过程控制通道之间存在耦合。λij越接近于1，表示uj到yi的通道受其它通道其他耦合的影响越
小；若Λ矩阵同一行或者列的元素值相等，或λ值比较接近，表示通道之间的耦合很强，要实现单回路控制，必须采取相应的解耦措施；若Λ矩阵中
某元素值大于1，则同一行和列中必有λ<0元素存在，表示过程变量或通道之间存在不稳定耦合，在设计解耦或控制回路时，必须采取镇定措施。
例对一2输入、2输出被控过程，如果控制变量u1控制被控参数y1、用控制变量u2控制被控参数y2，并采用实验或解析分析求得其相
对增益阵如右上所示。控制变量和被控参数配对显然不合理。如果用u1控制y2、用u2控制y1，则相对增益阵变为右下所示。通道之间耦合
强度大为减弱，配对更为合理。说明相对增益只考虑了静态耦合特性而没有涉及动态耦合特性，不完全适用于动态解耦的分析与设计。7.8.3
.2部分解耦所谓部分解耦是指：对耦合关系复杂的(对象)过程，只对部分耦合通道采取解耦措施。从解耦器传递函数的求解可以看出，解耦器
实现比较复杂。为了降低成本，可以只对部分耦合通道采取解耦措施。当然，部分解耦的控制性能肯定比完全解耦要差。部分解耦是一种有选择的解
耦，使用时必须首先确定对哪些过程进行解耦，选择依据有以下二条。T1CT1TT2TT2C1.被控参数的相对重要性控制(对象
)过程中各被控参数的重要性是不同的。对相对重要的被控参数，控制要求高，最好采用解耦措施消除或减弱其他变量(通道)对其耦合作用。冷凝
器如图精馏过程，若对塔顶产品的纯度指标远高于对塔底产品的纯度要求，T1回流罐进料F塔顶产品QD回流QL精馏塔可采用前馈补偿
环节消除QS对塔顶温度T1的耦合。uc2T2蒸汽QS再沸器塔底产品QWU1(s)G11(s)+Y1(s)+G21(s)G12(
s)+Y2(s)+U2(s)G22(s)2.被控参数动态特性(响应速度)各个被控参数对控制变量的响应速度是不一样的。响应快的
被控参数受慢的参数影响小，而响应慢的参数受来自快的参数影响大。如温度、成分等参数变化较慢，压力、流量等参数变化较快。因此，在部分解
耦设计时，往往对响应慢的被控参数受到的耦合需要进行解耦。3.解耦环节的简化从被控(对象)过程的传递函数求得的解耦装置数学模型(传
递函数)越复杂，实现越困难。如果对求出的解耦环节进行适当简化，可使解耦系统易于实现。简化可以从以下两个方面考虑：①在高阶系统中，
如果存在小时间常数，它与其它时间常数的比值接近或小于1/10时，可将小时间常数忽略，以降低解耦模型阶数；如果几个时间常数值相近，也
可取同一值代替。例如，某被控过程的传递函数阵为按照上面的简化原则，可以简化为②省略解耦函数的动态部分，只采用静态解耦。例如一个2×
2的系统，求出的解耦环节传递函数矩阵为如采用静态解耦，即s=0，则解耦环节简化为比例环节（传递函数阵退化为常数矩阵），显然更容易
实现。U1(s)G11(s)+Y1(s)+G21(s)G12(s)+Y2(s)+U2(s)G22(s)工程实践表明，当(对
象)过程各通道动特性相等或相近时，用静态解耦能够获得满意的解耦效果。由于被控(对象)过程特性测试、计算都是忽略了一些因素后获得的
近似值，所求得的解耦环节数学模型往往是近似的，加之实现时的误差，很难做到理想的全解耦。7.9双重控制系统当1个被控参数可用2个
或2个以上的控制变量进行控制的系统称为双重(dualcontrolling)或多重控制系统，与串级(一个调节阀和两个控制器)
控制、分程(一个控制器和2个或2个以上调节阀)控制系统有所不同。7.9.1双重控制系统工作原理分析在控制方案设计中，控制变
量选择必须从操作工艺、生产效率、经济效益优化等角度综合考虑，既要考虑工艺合理性，还要考虑参数控制性能的要求。选择不同控制变量所确定
的控制通道和对应的控制方案在工艺合理性、生产效率以及被控参数控制性能方面存在一定差异（参见6.5）。当生产过程有2（或多）个容许
的控制变量可供选择，而单一控制变量无法满足生产过程多方面的控制要求时，可考虑双重（或多重）控制方案，综合每个控制变量的优点，实现生
产过程的高质量（快速、高精度）和高效率（工艺的合理性、生产的经济性）运行，双（多）重控制就是在这种背景下提出来的。下面用一个实例来
说明双重控制的工作原理与特点。右下图是一个采用双重控制方案实现换热器出口温度控制的实例。被控参数是换热器出口温度T，操纵变量有两个
：一个是旁路流量，响应速度快；另一个是加热蒸气流量，工艺上更合理。双重控制系统工作原理如下。当热物料温度T偏离设定值Tr出现偏差时
，主(温度)控制器(TC)输出直接控制旁通阀开度，调整旁通阀Vb流量，快速控制被控参数T回到设定值Tr。此时，旁通阀开度(或流
量)偏离设定值Vbr；与此同时，这一代表旁路流量的控制信号又作为阀位控制器（VPCValve-PositionControll
er）测量值(Vb)送入阀位控制器(VPC)，阀位控制器缓慢控制加热蒸气流量阀V开度调整蒸气流量，以消除旁路阀开度(流量)的偏差
，使Vb回复到Vbr。当系统重新达到稳态时，换热器出口温度T恢复到设定值Tr，旁通阀开度(对应的旁路流量)Vb也回到设定值V
br。最终，由蒸气流量变化来消除扰动所引起的温度偏差；即快速消除温度偏差由旁通流量变化实现，而最终的稳态热负荷仍由加热蒸气流量承担
。由于副被控变量为旁通阀开度，所以双重控制也称为阀位控制(VPCValve-PositionControl）双重控制方案对应
的控制系统框图如图7-45所示。由上图可知，当温度T出现偏差时，双重控制系统一方面利用旁路温度控制快速响应的良好动态特性，及时消
除温度偏差，使被控参数T迅速恢复到设定值Tr，保证温度控制具有良好的动态品质；另一方面又利用热换器工艺合理的特性，使控制系统具有
良好的静态性能，使热物料产量回复到额定值。双重控制使换热器温度控制系统在温度控制性能和平稳生产两方面都可获得较理想的效果。7.9.
2双重控制系统设计1.主、副控制(操纵)变量选择双重控制系统有1个被控参数、有2个控制变量。常见情况是，一个控制变量具有较好的
静态性能，工艺合理；另一个控制变量具有较好的动态特性。一般主控制变量选择具有较好动态特性的变量，而副变量选择工艺合理、经济性的控制
变量。2.主、副操控制器选择双重控制系统的主、副控制器均为定值控制。为了消除余差，主、副控制器均应选择具有积分控制作用的控制规
律；为加快被控参数动态响应速度，主控制器应加入微分作用；对于副控制器，由于主要起平缓的控制作用，通常可不加微分控制，当被控(对象)
过程时间常数较大时，可适当加微分。3.主、副操控制器正反作用选择双重控制系统主、副控制回路是并联单回路系统，主、副控制器正、
反作用的选择与单回路控制系统中控制器正、反作用的选择方法相同。4.双重控制系统投运与参数整定双重控制系统的投运与简单控制系统投运
相同。投运方式是先主、后副，即先使快响应对象切人自动，然后再切入平缓响应的副控制回路。主控制器参数整定与单回路控制系统参数整定相似
，要求具有快速响应的动态特性；副控器参数整定以缓慢变化、不造成对系统的扰动为目标，因此，可采用宽比例度（P较大）和大积分时间（T
I较大），甚至可采用纯积分作用。7.9.3双重控制系统工程应用案例某有机材料合成生产中，采用盘管与夹套双冷却器的连续搅釜式反应器
（CSTRContinuousStirred-TankReactor）实现聚合反应，反应过程释放大量反应热。为确保反应过程平
稳、安全进行，通过夹套或盘管内的冷却水与釜内反应物料进行热交换并带走反应热，使反应过程在额定(设定值)温度进行。夹套冷却器(容积大)特点是冷却水滞留时间长，换热充分，冷却水效率高，但换热面积小、换热速度慢，釜内物料温度动态响应速度慢、动态偏差大、动态稳定性差；盘管冷却器的特点是换热面积大，换热速度快，釜内物料温度动态响应速度快、温度动态偏差小，动态稳定性能好，但冷却水滞留时间短，换热不充分，冷却水效率低。在相同负荷的稳态工况下，采用盘管冷却时冷却水流量要远大于夹套冷却时的冷却水流量，表明盘管冷却方案冷却水消耗量大，经济性不如夹套冷却方案，但盘管冷却时温度控制的快速性比夹套冷却要好，温度的动态(稳定性)偏差要比加套冷却小得多。采用双重控制系统方案，以反应温度T为主被控参数，选择盘管冷却水调节阀VC（开度）流量和夹套冷却水调节阀VJ（开度）流量作为控制变量，对CSTR反应温度T进行定值控制。双重控制的主被控参数为反应温度T，控制变量为盘管冷却水调节阀VC（开度）流量；副被控参数为盘管冷却水调节阀VC开度（也代表盘管冷却水流量），对应控制变量为夹套冷却水流量，这样就构成如图7.46所示(见下页)的CSTR双重温度控制系统。当反应温度T偏离设定值Tr出现偏差时，上图双重控制系统中的温度控制器TC根据偏差，控制VC（开度）流量，对反应温度T进行控制。由于盘管冷却动态特性好，反应温度T很快恢复到设定Tr。由于盘管冷却效率低，温度动态控制过程的冷却水流量（变化）较大。另一方面，当温度控制器TC调整盘管冷却水调节阀开度时，VC开度（或流量）离开设定值Vpr出现阀位偏差。阀位控制器VPC根据阀位偏差控制夹套调节阀VJ开度（改变夹套冷却水流量），由夹套冷却器却逐渐替代盘管冷却器冷却负荷变化部分，使盘管冷却水剂调节阀VC开度重新返回设定值Vpr。在反应温度T返回设定值Tr、反应过程重新进入稳态工况时，CSTR主要冷却负荷仍由夹套承担；盘管冷却水剂调节阀VC开度保持在设定值Vpr。采用双重温度控制系统，可使聚合反应CSTR温度控制充分发挥两套冷却系统的优点，并克服各自的不足，使CSTR的温度T动态和静态性能都能取得满意的效果。本章总结控制系统结构特点控制特点两控制器串联两闭合回路形成内外环解决对象滞后大，干扰作用强而频繁，负荷变化大的问题串级前馈开环控制对特定干扰加补偿器反馈回路和开环的补偿回路叠加而成在干扰频繁，对象有较大滞后时，对主要干扰加补偿器＋反馈控制系统结构特点控制特点采样控制；Simth预估补偿控制调一调、等一等；利用预估器提前做出响应、提前控制大滞后单闭环双闭环变比值实现几个流量参数符合一定比例关系比值对两个有控制矛盾的被控参数，进行协调控制简单均匀控制串级均匀控制均匀控制系统结构特点控制特点实现多个操纵量协调操作一个控制器对多个控制阀分程多个控制回路对一个控制阀实现多个被控参数选择控制选择前馈解耦对角矩阵解耦消除或减弱控制回路间的耦合影响解耦二个控制变量控制一个被控参数发挥各自优势，以获得良好系统品质双重 |
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