第 12章 复杂控制系统
? 串级控制系统
? 均匀控制系统
? 比值控制系统
? 分程控制系统
? 前馈控制系统
? 多冲量控制系统
第一节 串级控制系统
FC
进料
塔底采出
1
2
蒸汽
方案 2：控制蒸汽流量恒定
TC
进料
塔底采出
1
2
蒸汽
方案 1：控制塔釜温度恒定
单回路控制的局限性
目标：控制塔釜温度稳定
方案 1
优点：将所有对温度的干扰都概括在控
制回路内。
缺点：当蒸汽压力波动较大时，由于温
度对象滞后较大，控制质量不理想。
方案 2
优点：能及时克服蒸汽压力的干扰对温
度的影响
缺点：不能克服进料流量、物料温度等
其他因素对温度的影响。
蒸汽
TC
进料
塔底采出
1
2
FC
方案 3：串级控制系统
FC
TC
进料
塔底采出
1
2
蒸汽
希望在塔釜温度不变时蒸汽流量能保
持设定 值, 而当塔釜温度在外来干扰
的作用下偏离给定值时, 又要求蒸汽
流量能作相应的变化, 使塔釜温度保
持在设定值上 。
流量控
制器 TC2
执行器
流量对象
温度 T 设定值
干扰 f1
精馏塔控制系统方块图
温度对象
温度控
制器 TC1
－ + － +
干扰 f2
测量、变送 y1
测量、变送 y2
F
副控
制器
执行器
副对象
主变量 设定值
主干扰
串级控制系统方块图
主对象
主控
制器
＋ － + ＋ － +
副干扰
主测量、变送
副测量、变送
副变量
副回路
主回路
－ －
常用的名词
主变量
副变量
主对象
副对象
主控制器
副控制器
主回路
副回路
串级控制系统方块图
串级控制系统的工作过程
在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅速克服
作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服。
副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢
调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克
服。 因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补
充，充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。
? 干扰作用于副对象
由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干扰进入副回路时，
可以获得比单回路控制系统超前的控制作用，有效地克服蒸汽压力变
化对塔釜温度的影响
? 干扰作用于主对象
由于副回路的存在，可以及时改变副变量的数值，以达到稳定主变量
的目的。
串级控制系统的特点及应用范围
(1) 从 系统结构 来看, 串级控制系统有主, 副两个闭合回路；有主, 副
两个控制器；有分别测量主变量和副变量的两个测量变送器 。
在串级控制系统中, 主回路是定值控制系统, 而副回路是随动控制
系统 。
(2) 在串级控制系统中, 有两主, 副两个变量 。 主变量是反映产品质量
或生产过程运行情况的主要工艺变量 。 控制的目的在于使这一变量等于工
艺规定的给定值 。
(3) 从系统特性来看, 串级控制系统由于副回路的引入, 改善了对象的
特性, 使控制过程加快, 具有超前控制的作用, 从而有效地克服滞后, 提
高了控制质量 。
适用范围：当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而且频繁、负荷变
化大，简单控制系统满足不了控制质量的要求时，可采用串级控制系统。
串级控制系统主、副回路的选择
主变量的选择
与单回路控制时被控变量的选择原则是一样的，能直接或间接地表
征生产过程质量的参数都可以作为控制系统的被控变量。
副变量的选择
? 副变量的变化应在很大程度上影响主变量的变化
? 副回路应将生产过程中的主要干扰包围在内
? 在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰
? 副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防发生, 共
振, 。
? 当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时，在选择副变量时应使副
环尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后。
主副控制器控制规律的选择
? 串级控制系统的 目的 是为了高精度地稳定主变量。
主变量是生产工艺的主要控制指标，它直接关系到产品的质量或生产
的正常，工艺上对它的要求比较严格。一般来说，主变量不允许有余差
。所以，主控制器通常都选用比例积分控制规律，以实现主变量的无余
差控制。
? 在串级控制系统中，稳定副变量并不是目的，设臵副变量的目的就在于
保证和提高主变量的控制质量。
副变量的给定值是随主控制器输出变化而变化的。所以，在控制过程中
，对副变量的要求一般都不很严格，允许它有波动。因此，副控制器一
般采用比例控制规律。
主副控制器正、反作用的选择
? 选择副回路控制器的正反作用
与简单控制系统中控制器, 正,,, 反, 作用的选择方式相同，先判断
副对象的正反作用，然后根据工艺安全等要求，选定执行器的, 正,,
,反, 作用方式，并按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确
定副回路控制器的正反作用。
? 选择主回路控制器的正反作用
确定原则,当主、副变量在增加 (或减
小 )时，如果由工艺分析得出，为使主
、副变量减小 (或增加 )，要求控制阀的
动作方向是一致的，主控制器应选, 反
” 作用，反之，则应选, 正, 作用。
物料进 物料出
冷却器流量－温度串级控制系统
主副控制器参数的工程整定
两步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器
(1) 在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用的条件下，将主控制器的
比例度先固定在 100％的刻度上，然后逐渐减小副控制器的比例度，求取
副回路在满足某种衰减比 (如 4,1)过渡过程下的副控制器比例度 δ2S和操作
周期 Τ2S。
(2) 在副控制器比例度等于 δ2S，的条件下，逐步减小主控制器的比例度，
直至得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度 δ1S。和操
作周期 Τ1S 。
(3) 根据上面得到的 δ1S、, Τ1S,δ2S、, Τ2S按表 7-2(或表 7-3)的规定关系计算
主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。
(4) 按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定方法，将计算出的
控制器参数加到控制器上。
(5)观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。
一步整定法：即根据经验先将副控制器一次放好，不再变动，然后按
一般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。
采用一步整定法副控制器参数选择范围
副变量类型
副控制器比例度 δ2％
副控制器比例放大倍数 KP2
温度 20～ 60 5.0～ 1.7
压力
30～ 70
3.0～ 1.4
流量
40～ 80
2.5～ 1.25
液位
20～ 80
5.0～ 1.25
一步整定法的整定步骤如下 。
(1)在生产正常, 系统为纯比例运行的条件下, 按照上表所列的数据, 将
副控制器比例度调到某一适当的数值 。
(2)利用简单控制系中任一种参数整定方法整定主控制器的参数 。
(3)如果出现, 共振, 现象, 可加大主控制器或减小副控制器的参数整定
值, 一般即能消除 。
第二节 其他复杂控制系统
均匀控制问题的提出
连续精馏的多塔分离过程
? 对甲塔来说，塔釜液位是一个重要的工艺
参数，必须保持在一定范围之内，为此配备
了液位控制系统；
对乙塔来说，从自身平稳操作的要求出发，
希望进料量稳定，所以设臵了流量控制系统；
这样, 甲, 乙两塔间的供求关系就出现了
矛盾 。
? 为解决这一前后工序供求矛盾, 希望设计
一种控制系统使液位与流量同时平稳； 同时
,均匀, 地变化 。
一、均匀控制系统
1、表征前后供求矛盾的两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化的 。
2、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 。
1－液位变化曲线 2－流量变化曲线
均匀控制的要求
? 不同于常规的定值控制系统，而对被控变量 (CV)与控制变量 (MV)
都有 平稳 的要求；
? 为解决 CV与 MV都希望平稳这一对矛盾，只能要求 CV与 MV都 渐变 。
均匀控制通常要求在最大干扰下,CV在上下限内波动，而 MV应
在一定范围内平缓渐变。
? 均匀控制指的是 控制功能,而不是控制方案。因为就系统的结
构来看，有时象简单控制系统，有时象串级控制系统。所以要
识别控制方案是否起均匀控制作用，应从 控制的目的 进行确定。
均匀控制的特点
LC
塔
甲
塔
乙
单回路均匀控制系统
LC
h ( t )
q
o
( t )
塔
甲
FC
塔
乙
串级均匀控制系统
常用的两种均匀控制方案
? 通过控制器 参数 的设臵，而不是改变控制系统的结构，来实现
前后两个变量间的相互协调的。
? 参数整定的目的不是使变量尽快地回到给定值，而是要求变量
在允许的范围内作缓慢的变化。
? 控制器参数一般都采用纯比例作用，且控制器比例度放的很大，
以使输出变化缓慢，只是在要求较高时，为了防止偏差超过允
许范围，才引入适当的积分作用。
均匀控制系统小结
二,比值控制系统
问题的提出
? 比值控制的目的是为了实现几种物料按一定比例混合，使生产
能安全、正常的进行。实现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 。通常为流量比值控制。
? 在需要保持比值关系的两种物料中, 必有一种物料处于主导地
位, 成为主物料, 主动量, 主流量, 用 Q1表示；而另一种物料
按主物料进行配比, 在控制过程中随主物料而变化, 因此称为
从物料, 从动量, 副流量, 用 Q2表示；
? 副流量 Q2与主流量 Q1的比值关系为
Q2＝ KQ1
式中 K为副流量与主流量的流量比值系数 。
比值控制方案 1：开环比值控制系统
控制器 执行器 对象
测量、变送
给定
－
Q2
Q1
开环比值控制系统方块图
? 主、副流量均开环；
? 由于系统开环，该方案对副流量 Q2无克服干扰的能力，只适用
于副流量较平稳且比值要求不高的场合。
比值控制方案 2：单闭环比值控制系统
控制器 F2C 执行器 对象
副测量、变送
－
控制器 F1C
给定
－
主测量、变送
Q1
Q2
单闭环比值控制系统方块图
? 副流量闭环控制
? 主流量开环控制
? 适用于主物料在工艺上不允许
进行控制的场合
比值控制方案 3：双闭环比值控制系统
给定
－
K
对象 主流量控制器 执行器
主测量、变送
－ 对象 副流量控制器 执行器
副测量、变送
Q1
Q2
双闭环比值控制系统方块图
? 主、副流量均闭环控制；
? 该系统既实现了比较精确的流量比值控制，又确保了两物料总
量的基本不变
? 主要适用于主流量干扰频繁、工艺上不允许负荷有较大波动或
工艺 上经常需要提降负荷的场合。
比值控制方案 4：变比值控制系统
Q2
Q1
喷射泵
触媒层
变换炉
蒸汽
煤气
? 要求主、副流量的比值能跟随
第三变量的需要而加以调整；
? 存在问题,Q2回路存在非线性，
Q1流量减少时，回路增益增大，
有可能使系统不稳定，并可能
出现, 除零, 运算。
比值控制器 执行器 副流量对
象
Q2测量、变送
温度控制器
给定
－
主测量、变送
Q1测量、变送
除法器
主对象
（变换炉）
Q1
Q2
变比值控制系统方块图
K=Q2/Q1
三,分程控制系统
给定
－
对象 控制器
控制阀 A
控制阀 B
测量、变送
分程控制系统方块图
? 分程控制系统中，一台控制器的输出可以同时控制两台甚至两台以
上的控制阀；
? 分程控制系统中控制器按输出信号的不同区间去控制不同的阀门；
? 分段一般是由附设在控制阀上的阀门定位器来实现。
什么是分程控制
A阀 A阀
A阀 A阀
B阀 B阀
B阀 B阀
两阀同向动作
两阀异向动作
(a)
(a)
(b)
(b)
阀
门
开
度10
0
％
阀
门
开
度10
0
％
阀
门
开
度10
0
％
阀
门
开
度10
0
％
阀压 kPa 阀压 kPa
阀压 kPa 阀压 kPa
分程控制的种类
分程控制应用 1：提高控制阀的可调比
4Mpa
中压蒸汽 给水
10Mpa中压蒸汽
汽
包
蒸汽减压系统分程控制系统
控制阀的可调比 R＝ Qmax/Qmin
由于 口径固定,采用同一个控制阀，能够
控制的最大流量和最小流量不可能相差太
大，满足不了生产上流量大范围变化的要
求，在这种情况下可采用两个控制阀并联
的分程控制方案。
A阀 B阀
A阀小口径 B阀大口径
分程控制应用 2：用于控制两种不同的介质
蒸汽
反应器分程控制系统
冷水
C
回
水
A阀 B阀
A阀气关,B阀气开,TC反作用
对于间歇式化学反应器，既要考虑反应前
的加热问题，又需要考虑过程中移走热量
的问题
为此可采用分程控制系统，在该系统中，
利用 A,B两台控制阀，分别控制冷水与蒸
汽两种不同介质，以满足工艺上需要 冷却
和 加热 的不同需要
工作原理,
反应前升温阶段 ——温度测量值小于给定
值，控制器 TC输出较大,A阀将关闭,B阀
被打开，蒸汽通入加热反应物；
反应物开始放热 ——控制器输出逐渐减小
,A阀将打开,B阀关闭，冷水通入冷却反
应物，维持反应温度不变；
分程控制应用 3：用作安全生产的保护措施
“反
”
储罐氮封分程控制方案
A阀 B阀
阀
门
开
度100
％
阀压 kPa
化工厂的贮油罐需要进行氮封，以使油品与
空气隔绝。
一个问题就是贮罐中物料量的增减会导致氮
封压力的变化。为了维持罐压平衡，需要在
物料被抽取时加氮补压，而在物料进料时排
气减压。
贮压升高时，测量值将大于给定值，压力控
制器 PC的输出将下降,A阀关闭,B阀打开，
排气减压
贮压降低时，测量值小于给定值时，控制器
输出将变大,A阀打开,B阀关闭，补氮增
压。
A阀气关,B阀气开,PC反作用
分程控制系统应用中应注意的几个问题
(1)控制阀流量特性要正确选择 。 因为在两阀分程点上, 控制阀的放大
倍数可能出现突变, 表现在特性曲线上产生斜率突变的折点, 这在大小
控制阀并联时尤其重要 。 如果两控制阀均为线性特性, 情况更严重 。 如
果采用对数特性控制阀, 分程信号重叠一小段, 则情况会有所改善 。
(2)大小阀并联时, 大阀的泄漏量不可忽视, 否则就不能充分发挥扩大
可调范围的作用 。 当大阀的泄漏量较大时, 系统的最小流通能力就不再
是小阀的最小流通能力了 。
(3)分程控制系统本质上是简单控制系统, 因此控制器的选择和参数整
定, 可参照简单控制系统处理 。 不过在运行中, 如果两个控制通道特性
不同, 就是说广义对象特性是两个, 控制器参数不能同时满足两个不同
对象特性的要求 。 遇此情况, 只好照顾正常情况下的被控对象特性, 按
正常情况下整定控制器的参数 。 对另一台阀的操作要求, 只要能在工艺
允许的范围内即可 。
四,前馈控制系统
测量、变送
设定值
＋
－
控制器 执行器
干扰
对象
干扰
对象
测量、变送
执行器
控制器
反馈控制系统 前馈控制系统
反馈控制方案
TC
蒸汽
凝液
工艺介质
c
p
,R
F
,T
1 T
2
H
V
,R
V
蒸汽
凝液
工艺
介质
c
p
,R
F
,T
1
T
2
H
V
,R
V
FF
R
F
前馈控制方案
反馈与前馈
D
1
D
n
前馈
控制器
对象
u
y
D1,……, Dn为可测扰动； u,y分别为
被控对象的操作变量与受控变量。
前馈思想：在扰动还未影响输出以前，
直接改变操作变量，以使输出不受或少
受外部扰动的影响。
前馈思想
全补偿原理
G YD ( s )
＋
＋
d ( t )
G FF ( s ) G Y C ( s ) y ( t )
u ( t )
控制目标,
0)()()()( )( ??? sGsGsGsD sY YCFFYD
d (t),u (t),y (t) 分
别 表示工艺介质流量（外
部干扰）、蒸汽流量（控
制变量）与工艺介质的出
口温度（被控变量）；
GFF(s)为前馈控制器的动
态特性； GYD(s),GYC(s)分
别为干扰通道与控制通道
的的动态特性。
? 前馈控制比反馈控制 及时,并且不受系统滞后大小的限制。
? 前馈控制属于 开环 控制
? 前馈控制规律与对象特性密切相关
? 一种前馈作用只能克服一种干扰
前馈控制的特点
前馈控制形式 1：静态前馈控制系统
蒸汽 Q2
冷物料 Q1
T1
T2
给定值
换热器
静态前馈控制方案
根据热量平衡原理, 近似的平衡关系是
蒸汽冷凝放出的热量等于进料流体获得
的热量 。
? ?2 1 2 1pQ L Q c T T??
式中 ——蒸汽冷凝热；
——被加热物料的比热容；
——进料流量；
——蒸汽流量。
L
pc
1Q
2Q
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2 1 1
p
f
c T TQ Q K Q
L
?? ? ? ? ?
当进料流量 Q1变化后, 为使出口温度为 T2保持不变, 应增加的蒸汽量为,
前馈控制形式 2：动态前馈控制系统
蒸汽 Q2
冷物料 Q1
T1
T2
给定值
换热器
动态前馈控制方案
补偿器
在静态前馈控制的基础上, 加上延迟环
节或微分环节, 以达到对干扰作用的近
似补偿 。
相对于干扰通道而言，控制通道反应快的给它加强延迟作用，反应慢
的给它加强微分作用。根据两通道的特性适当调整、的数值，使两通
道反应合拍便可以实现动态补偿，消除动态偏差。
前馈控制形式：前馈 -反馈控制系统
给定
前馈－反馈控制系统方块图
反馈控制器 执行器 对象
测量、变送
－
＋
前馈控制器 测量、变送
干扰
＋
蒸汽
进料
出料
换热器前馈－反馈控制系统
用“前馈”来克服主要干扰，再用“反
馈”来克服其他干扰
前馈控制的应用场合
? 干扰幅值大而频繁,对被控变量影响剧烈，仅采用反馈控制达不到要
求的对象。
? 主要干扰是可测而不可控的变量 。所谓可测，是指干扰量可以用检测
变送装臵将其在线转化为标准的电信号。所谓不可控，主要是指这些干
扰难以通过设臵单独的控制系统进行控制，这类干扰在连续生产过程中
是经常遇到的，其中也包括一些虽能控制但生产上不允许控制的变量，
例负荷量等。
? 当 对象的控制通道滞后大,反馈控制不及时，控制质量差时，可采用
前馈或前馈 —反馈控制系统，提高控制质量。
五、多冲量控制系统
单冲量控制系统
给水
汽包 蒸汽
虚假水位造成的错误信号将带来一定的危险，为了克服这种由于, 虚
假液位, 而引起的控制系统的误动作，引入了双冲量控制系统。
在锅炉的正常运行中，汽包水位是重要的操作
指标，给水控制系统的作用就是自动控制锅炉
的给水量，使其适应蒸发量的变化，维持汽包
水位在允许的范围内。
左图控制系统属于简单的单回路控制系统，根
据汽包液位的信号来控制给水量
被控变量 ——汽包水位
控制变量 ——给水量
存在问题：不能适应蒸汽负荷的剧烈变化。即当蒸汽负荷突然增加，汽
包内蒸汽压力瞬间下降，汽包内沸腾加剧，随着汽泡的迅速增多，汽包
水位显示偏高，形成了虚假水位上升现象，称为, 虚假液位, 。
单冲量液位控制系统
双冲量液位控制系统
双冲量控制系统
汽包
蒸汽
给水
－
给定
双冲量控制系统方块图
液位控制器 执行器 汽包对象
测量、变送
－
测量、变送
干扰
＋
? 双冲量是指液位信号和蒸汽流量信号。
? 实际上是一个 前馈 -反馈控制系统 。当蒸汽
负荷的变化引起液位大幅度波动时，蒸汽流
量信号的引入起着超前的控制作用 (即前馈作
用 )，它可以在液位还未出现波动时提前使控
制阀动作，从而减少因蒸汽负荷量的变化而
引起的液位波动，从而改善控制品质。
三冲量液位控制系统
－
给定
三冲量控制系统方块图
液位控制器 执行器
测量、变送
－
测量、变送
汽包对象
蒸汽流量
流量控制器
测量、变送
流量对象
－
影响锅炉汽包液位的因素还包括供水压力的变化 。 当供水压力变化时,
会引起供水流量变化, 进而引起汽包液位的变化 。 双冲量控制系统对这
种干扰的克服是比较迟缓的 。 它要等到汽包液位变化以后再由液位控制
器来调整, 使进水阀开大或关小 。 所以, 当供水压力扰动比较频繁时,
双冲量液位控制系统的控制质量较差, 这时可采用三冲量液位控制系统 。
? 实际上是一个 前馈 —串级控制系统 。
? 汽包液位是被控变量，也是串级控制系统中的主变量，是工艺的主要
控制指标；
? 给水流量是串级控制系统中的副变量，引入这一变量的目的是为了利
用副回路克服干扰的快速性来及时克服给水压力变化对汽包液位的影响；
? 蒸汽流量是作为前馈信号引入的，其目的是为了及时克服蒸汽负荷变
化对汽包液位的影响。
? 串级控制系统
? 均匀控制系统
? 比值控制系统
? 分程控制系统
? 前馈控制系统
? 多冲量控制系统
第一节 串级控制系统
FC
进料
塔底采出
1
2
蒸汽
方案 2：控制蒸汽流量恒定
TC
进料
塔底采出
1
2
蒸汽
方案 1：控制塔釜温度恒定
单回路控制的局限性
目标：控制塔釜温度稳定
方案 1
优点：将所有对温度的干扰都概括在控
制回路内。
缺点：当蒸汽压力波动较大时，由于温
度对象滞后较大，控制质量不理想。
方案 2
优点：能及时克服蒸汽压力的干扰对温
度的影响
缺点：不能克服进料流量、物料温度等
其他因素对温度的影响。
蒸汽
TC
进料
塔底采出
1
2
FC
方案 3：串级控制系统
FC
TC
进料
塔底采出
1
2
蒸汽
希望在塔釜温度不变时蒸汽流量能保
持设定 值, 而当塔釜温度在外来干扰
的作用下偏离给定值时, 又要求蒸汽
流量能作相应的变化, 使塔釜温度保
持在设定值上 。
流量控
制器 TC2
执行器
流量对象
温度 T 设定值
干扰 f1
精馏塔控制系统方块图
温度对象
温度控
制器 TC1
－ + － +
干扰 f2
测量、变送 y1
测量、变送 y2
F
副控
制器
执行器
副对象
主变量 设定值
主干扰
串级控制系统方块图
主对象
主控
制器
＋ － + ＋ － +
副干扰
主测量、变送
副测量、变送
副变量
副回路
主回路
－ －
常用的名词
主变量
副变量
主对象
副对象
主控制器
副控制器
主回路
副回路
串级控制系统方块图
串级控制系统的工作过程
在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅速克服
作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服。
副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢
调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克
服。 因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补
充，充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。
? 干扰作用于副对象
由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干扰进入副回路时，
可以获得比单回路控制系统超前的控制作用，有效地克服蒸汽压力变
化对塔釜温度的影响
? 干扰作用于主对象
由于副回路的存在，可以及时改变副变量的数值，以达到稳定主变量
的目的。
串级控制系统的特点及应用范围
(1) 从 系统结构 来看, 串级控制系统有主, 副两个闭合回路；有主, 副
两个控制器；有分别测量主变量和副变量的两个测量变送器 。
在串级控制系统中, 主回路是定值控制系统, 而副回路是随动控制
系统 。
(2) 在串级控制系统中, 有两主, 副两个变量 。 主变量是反映产品质量
或生产过程运行情况的主要工艺变量 。 控制的目的在于使这一变量等于工
艺规定的给定值 。
(3) 从系统特性来看, 串级控制系统由于副回路的引入, 改善了对象的
特性, 使控制过程加快, 具有超前控制的作用, 从而有效地克服滞后, 提
高了控制质量 。
适用范围：当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而且频繁、负荷变
化大，简单控制系统满足不了控制质量的要求时，可采用串级控制系统。
串级控制系统主、副回路的选择
主变量的选择
与单回路控制时被控变量的选择原则是一样的，能直接或间接地表
征生产过程质量的参数都可以作为控制系统的被控变量。
副变量的选择
? 副变量的变化应在很大程度上影响主变量的变化
? 副回路应将生产过程中的主要干扰包围在内
? 在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰
? 副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防发生, 共
振, 。
? 当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时，在选择副变量时应使副
环尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后。
主副控制器控制规律的选择
? 串级控制系统的 目的 是为了高精度地稳定主变量。
主变量是生产工艺的主要控制指标，它直接关系到产品的质量或生产
的正常，工艺上对它的要求比较严格。一般来说，主变量不允许有余差
。所以，主控制器通常都选用比例积分控制规律，以实现主变量的无余
差控制。
? 在串级控制系统中，稳定副变量并不是目的，设臵副变量的目的就在于
保证和提高主变量的控制质量。
副变量的给定值是随主控制器输出变化而变化的。所以，在控制过程中
，对副变量的要求一般都不很严格，允许它有波动。因此，副控制器一
般采用比例控制规律。
主副控制器正、反作用的选择
? 选择副回路控制器的正反作用
与简单控制系统中控制器, 正,,, 反, 作用的选择方式相同，先判断
副对象的正反作用，然后根据工艺安全等要求，选定执行器的, 正,,
,反, 作用方式，并按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确
定副回路控制器的正反作用。
? 选择主回路控制器的正反作用
确定原则,当主、副变量在增加 (或减
小 )时，如果由工艺分析得出，为使主
、副变量减小 (或增加 )，要求控制阀的
动作方向是一致的，主控制器应选, 反
” 作用，反之，则应选, 正, 作用。
物料进 物料出
冷却器流量－温度串级控制系统
主副控制器参数的工程整定
两步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器
(1) 在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用的条件下，将主控制器的
比例度先固定在 100％的刻度上，然后逐渐减小副控制器的比例度，求取
副回路在满足某种衰减比 (如 4,1)过渡过程下的副控制器比例度 δ2S和操作
周期 Τ2S。
(2) 在副控制器比例度等于 δ2S，的条件下，逐步减小主控制器的比例度，
直至得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度 δ1S。和操
作周期 Τ1S 。
(3) 根据上面得到的 δ1S、, Τ1S,δ2S、, Τ2S按表 7-2(或表 7-3)的规定关系计算
主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。
(4) 按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定方法，将计算出的
控制器参数加到控制器上。
(5)观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。
一步整定法：即根据经验先将副控制器一次放好，不再变动，然后按
一般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。
采用一步整定法副控制器参数选择范围
副变量类型
副控制器比例度 δ2％
副控制器比例放大倍数 KP2
温度 20～ 60 5.0～ 1.7
压力
30～ 70
3.0～ 1.4
流量
40～ 80
2.5～ 1.25
液位
20～ 80
5.0～ 1.25
一步整定法的整定步骤如下 。
(1)在生产正常, 系统为纯比例运行的条件下, 按照上表所列的数据, 将
副控制器比例度调到某一适当的数值 。
(2)利用简单控制系中任一种参数整定方法整定主控制器的参数 。
(3)如果出现, 共振, 现象, 可加大主控制器或减小副控制器的参数整定
值, 一般即能消除 。
第二节 其他复杂控制系统
均匀控制问题的提出
连续精馏的多塔分离过程
? 对甲塔来说，塔釜液位是一个重要的工艺
参数，必须保持在一定范围之内，为此配备
了液位控制系统；
对乙塔来说，从自身平稳操作的要求出发，
希望进料量稳定，所以设臵了流量控制系统；
这样, 甲, 乙两塔间的供求关系就出现了
矛盾 。
? 为解决这一前后工序供求矛盾, 希望设计
一种控制系统使液位与流量同时平稳； 同时
,均匀, 地变化 。
一、均匀控制系统
1、表征前后供求矛盾的两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化的 。
2、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 。
1－液位变化曲线 2－流量变化曲线
均匀控制的要求
? 不同于常规的定值控制系统，而对被控变量 (CV)与控制变量 (MV)
都有 平稳 的要求；
? 为解决 CV与 MV都希望平稳这一对矛盾，只能要求 CV与 MV都 渐变 。
均匀控制通常要求在最大干扰下,CV在上下限内波动，而 MV应
在一定范围内平缓渐变。
? 均匀控制指的是 控制功能,而不是控制方案。因为就系统的结
构来看，有时象简单控制系统，有时象串级控制系统。所以要
识别控制方案是否起均匀控制作用，应从 控制的目的 进行确定。
均匀控制的特点
LC
塔
甲
塔
乙
单回路均匀控制系统
LC
h ( t )
q
o
( t )
塔
甲
FC
塔
乙
串级均匀控制系统
常用的两种均匀控制方案
? 通过控制器 参数 的设臵，而不是改变控制系统的结构，来实现
前后两个变量间的相互协调的。
? 参数整定的目的不是使变量尽快地回到给定值，而是要求变量
在允许的范围内作缓慢的变化。
? 控制器参数一般都采用纯比例作用，且控制器比例度放的很大，
以使输出变化缓慢，只是在要求较高时，为了防止偏差超过允
许范围，才引入适当的积分作用。
均匀控制系统小结
二,比值控制系统
问题的提出
? 比值控制的目的是为了实现几种物料按一定比例混合，使生产
能安全、正常的进行。实现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 。通常为流量比值控制。
? 在需要保持比值关系的两种物料中, 必有一种物料处于主导地
位, 成为主物料, 主动量, 主流量, 用 Q1表示；而另一种物料
按主物料进行配比, 在控制过程中随主物料而变化, 因此称为
从物料, 从动量, 副流量, 用 Q2表示；
? 副流量 Q2与主流量 Q1的比值关系为
Q2＝ KQ1
式中 K为副流量与主流量的流量比值系数 。
比值控制方案 1：开环比值控制系统
控制器 执行器 对象
测量、变送
给定
－
Q2
Q1
开环比值控制系统方块图
? 主、副流量均开环；
? 由于系统开环，该方案对副流量 Q2无克服干扰的能力，只适用
于副流量较平稳且比值要求不高的场合。
比值控制方案 2：单闭环比值控制系统
控制器 F2C 执行器 对象
副测量、变送
－
控制器 F1C
给定
－
主测量、变送
Q1
Q2
单闭环比值控制系统方块图
? 副流量闭环控制
? 主流量开环控制
? 适用于主物料在工艺上不允许
进行控制的场合
比值控制方案 3：双闭环比值控制系统
给定
－
K
对象 主流量控制器 执行器
主测量、变送
－ 对象 副流量控制器 执行器
副测量、变送
Q1
Q2
双闭环比值控制系统方块图
? 主、副流量均闭环控制；
? 该系统既实现了比较精确的流量比值控制，又确保了两物料总
量的基本不变
? 主要适用于主流量干扰频繁、工艺上不允许负荷有较大波动或
工艺 上经常需要提降负荷的场合。
比值控制方案 4：变比值控制系统
Q2
Q1
喷射泵
触媒层
变换炉
蒸汽
煤气
? 要求主、副流量的比值能跟随
第三变量的需要而加以调整；
? 存在问题,Q2回路存在非线性，
Q1流量减少时，回路增益增大，
有可能使系统不稳定，并可能
出现, 除零, 运算。
比值控制器 执行器 副流量对
象
Q2测量、变送
温度控制器
给定
－
主测量、变送
Q1测量、变送
除法器
主对象
（变换炉）
Q1
Q2
变比值控制系统方块图
K=Q2/Q1
三,分程控制系统
给定
－
对象 控制器
控制阀 A
控制阀 B
测量、变送
分程控制系统方块图
? 分程控制系统中，一台控制器的输出可以同时控制两台甚至两台以
上的控制阀；
? 分程控制系统中控制器按输出信号的不同区间去控制不同的阀门；
? 分段一般是由附设在控制阀上的阀门定位器来实现。
什么是分程控制
A阀 A阀
A阀 A阀
B阀 B阀
B阀 B阀
两阀同向动作
两阀异向动作
(a)
(a)
(b)
(b)
阀
门
开
度10
0
％
阀
门
开
度10
0
％
阀
门
开
度10
0
％
阀
门
开
度10
0
％
阀压 kPa 阀压 kPa
阀压 kPa 阀压 kPa
分程控制的种类
分程控制应用 1：提高控制阀的可调比
4Mpa
中压蒸汽 给水
10Mpa中压蒸汽
汽
包
蒸汽减压系统分程控制系统
控制阀的可调比 R＝ Qmax/Qmin
由于 口径固定,采用同一个控制阀，能够
控制的最大流量和最小流量不可能相差太
大，满足不了生产上流量大范围变化的要
求，在这种情况下可采用两个控制阀并联
的分程控制方案。
A阀 B阀
A阀小口径 B阀大口径
分程控制应用 2：用于控制两种不同的介质
蒸汽
反应器分程控制系统
冷水
C
回
水
A阀 B阀
A阀气关,B阀气开,TC反作用
对于间歇式化学反应器，既要考虑反应前
的加热问题，又需要考虑过程中移走热量
的问题
为此可采用分程控制系统，在该系统中，
利用 A,B两台控制阀，分别控制冷水与蒸
汽两种不同介质，以满足工艺上需要 冷却
和 加热 的不同需要
工作原理,
反应前升温阶段 ——温度测量值小于给定
值，控制器 TC输出较大,A阀将关闭,B阀
被打开，蒸汽通入加热反应物；
反应物开始放热 ——控制器输出逐渐减小
,A阀将打开,B阀关闭，冷水通入冷却反
应物，维持反应温度不变；
分程控制应用 3：用作安全生产的保护措施
“反
”
储罐氮封分程控制方案
A阀 B阀
阀
门
开
度100
％
阀压 kPa
化工厂的贮油罐需要进行氮封，以使油品与
空气隔绝。
一个问题就是贮罐中物料量的增减会导致氮
封压力的变化。为了维持罐压平衡，需要在
物料被抽取时加氮补压，而在物料进料时排
气减压。
贮压升高时，测量值将大于给定值，压力控
制器 PC的输出将下降,A阀关闭,B阀打开，
排气减压
贮压降低时，测量值小于给定值时，控制器
输出将变大,A阀打开,B阀关闭，补氮增
压。
A阀气关,B阀气开,PC反作用
分程控制系统应用中应注意的几个问题
(1)控制阀流量特性要正确选择 。 因为在两阀分程点上, 控制阀的放大
倍数可能出现突变, 表现在特性曲线上产生斜率突变的折点, 这在大小
控制阀并联时尤其重要 。 如果两控制阀均为线性特性, 情况更严重 。 如
果采用对数特性控制阀, 分程信号重叠一小段, 则情况会有所改善 。
(2)大小阀并联时, 大阀的泄漏量不可忽视, 否则就不能充分发挥扩大
可调范围的作用 。 当大阀的泄漏量较大时, 系统的最小流通能力就不再
是小阀的最小流通能力了 。
(3)分程控制系统本质上是简单控制系统, 因此控制器的选择和参数整
定, 可参照简单控制系统处理 。 不过在运行中, 如果两个控制通道特性
不同, 就是说广义对象特性是两个, 控制器参数不能同时满足两个不同
对象特性的要求 。 遇此情况, 只好照顾正常情况下的被控对象特性, 按
正常情况下整定控制器的参数 。 对另一台阀的操作要求, 只要能在工艺
允许的范围内即可 。
四,前馈控制系统
测量、变送
设定值
＋
－
控制器 执行器
干扰
对象
干扰
对象
测量、变送
执行器
控制器
反馈控制系统 前馈控制系统
反馈控制方案
TC
蒸汽
凝液
工艺介质
c
p
,R
F
,T
1 T
2
H
V
,R
V
蒸汽
凝液
工艺
介质
c
p
,R
F
,T
1
T
2
H
V
,R
V
FF
R
F
前馈控制方案
反馈与前馈
D
1
D
n
前馈
控制器
对象
u
y
D1,……, Dn为可测扰动； u,y分别为
被控对象的操作变量与受控变量。
前馈思想：在扰动还未影响输出以前，
直接改变操作变量，以使输出不受或少
受外部扰动的影响。
前馈思想
全补偿原理
G YD ( s )
＋
＋
d ( t )
G FF ( s ) G Y C ( s ) y ( t )
u ( t )
控制目标,
0)()()()( )( ??? sGsGsGsD sY YCFFYD
d (t),u (t),y (t) 分
别 表示工艺介质流量（外
部干扰）、蒸汽流量（控
制变量）与工艺介质的出
口温度（被控变量）；
GFF(s)为前馈控制器的动
态特性； GYD(s),GYC(s)分
别为干扰通道与控制通道
的的动态特性。
? 前馈控制比反馈控制 及时,并且不受系统滞后大小的限制。
? 前馈控制属于 开环 控制
? 前馈控制规律与对象特性密切相关
? 一种前馈作用只能克服一种干扰
前馈控制的特点
前馈控制形式 1：静态前馈控制系统
蒸汽 Q2
冷物料 Q1
T1
T2
给定值
换热器
静态前馈控制方案
根据热量平衡原理, 近似的平衡关系是
蒸汽冷凝放出的热量等于进料流体获得
的热量 。
? ?2 1 2 1pQ L Q c T T??
式中 ——蒸汽冷凝热；
——被加热物料的比热容；
——进料流量；
——蒸汽流量。
L
pc
1Q
2Q
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2 1 1
p
f
c T TQ Q K Q
L
?? ? ? ? ?
当进料流量 Q1变化后, 为使出口温度为 T2保持不变, 应增加的蒸汽量为,
前馈控制形式 2：动态前馈控制系统
蒸汽 Q2
冷物料 Q1
T1
T2
给定值
换热器
动态前馈控制方案
补偿器
在静态前馈控制的基础上, 加上延迟环
节或微分环节, 以达到对干扰作用的近
似补偿 。
相对于干扰通道而言，控制通道反应快的给它加强延迟作用，反应慢
的给它加强微分作用。根据两通道的特性适当调整、的数值，使两通
道反应合拍便可以实现动态补偿，消除动态偏差。
前馈控制形式：前馈 -反馈控制系统
给定
前馈－反馈控制系统方块图
反馈控制器 执行器 对象
测量、变送
－
＋
前馈控制器 测量、变送
干扰
＋
蒸汽
进料
出料
换热器前馈－反馈控制系统
用“前馈”来克服主要干扰，再用“反
馈”来克服其他干扰
前馈控制的应用场合
? 干扰幅值大而频繁,对被控变量影响剧烈，仅采用反馈控制达不到要
求的对象。
? 主要干扰是可测而不可控的变量 。所谓可测，是指干扰量可以用检测
变送装臵将其在线转化为标准的电信号。所谓不可控，主要是指这些干
扰难以通过设臵单独的控制系统进行控制，这类干扰在连续生产过程中
是经常遇到的，其中也包括一些虽能控制但生产上不允许控制的变量，
例负荷量等。
? 当 对象的控制通道滞后大,反馈控制不及时，控制质量差时，可采用
前馈或前馈 —反馈控制系统，提高控制质量。
五、多冲量控制系统
单冲量控制系统
给水
汽包 蒸汽
虚假水位造成的错误信号将带来一定的危险，为了克服这种由于, 虚
假液位, 而引起的控制系统的误动作，引入了双冲量控制系统。
在锅炉的正常运行中，汽包水位是重要的操作
指标，给水控制系统的作用就是自动控制锅炉
的给水量，使其适应蒸发量的变化，维持汽包
水位在允许的范围内。
左图控制系统属于简单的单回路控制系统，根
据汽包液位的信号来控制给水量
被控变量 ——汽包水位
控制变量 ——给水量
存在问题：不能适应蒸汽负荷的剧烈变化。即当蒸汽负荷突然增加，汽
包内蒸汽压力瞬间下降，汽包内沸腾加剧，随着汽泡的迅速增多，汽包
水位显示偏高，形成了虚假水位上升现象，称为, 虚假液位, 。
单冲量液位控制系统
双冲量液位控制系统
双冲量控制系统
汽包
蒸汽
给水
－
给定
双冲量控制系统方块图
液位控制器 执行器 汽包对象
测量、变送
－
测量、变送
干扰
＋
? 双冲量是指液位信号和蒸汽流量信号。
? 实际上是一个 前馈 -反馈控制系统 。当蒸汽
负荷的变化引起液位大幅度波动时，蒸汽流
量信号的引入起着超前的控制作用 (即前馈作
用 )，它可以在液位还未出现波动时提前使控
制阀动作，从而减少因蒸汽负荷量的变化而
引起的液位波动，从而改善控制品质。
三冲量液位控制系统
－
给定
三冲量控制系统方块图
液位控制器 执行器
测量、变送
－
测量、变送
汽包对象
蒸汽流量
流量控制器
测量、变送
流量对象
－
影响锅炉汽包液位的因素还包括供水压力的变化 。 当供水压力变化时,
会引起供水流量变化, 进而引起汽包液位的变化 。 双冲量控制系统对这
种干扰的克服是比较迟缓的 。 它要等到汽包液位变化以后再由液位控制
器来调整, 使进水阀开大或关小 。 所以, 当供水压力扰动比较频繁时,
双冲量液位控制系统的控制质量较差, 这时可采用三冲量液位控制系统 。
? 实际上是一个 前馈 —串级控制系统 。
? 汽包液位是被控变量，也是串级控制系统中的主变量，是工艺的主要
控制指标；
? 给水流量是串级控制系统中的副变量，引入这一变量的目的是为了利
用副回路克服干扰的快速性来及时克服给水压力变化对汽包液位的影响；
? 蒸汽流量是作为前馈信号引入的，其目的是为了及时克服蒸汽负荷变
化对汽包液位的影响。
