选择性控制系统的类型及应用领域

6.8.2.1 被控变量的选择性控制系统

在这一类选择性控制系统中，通常有几个可供选择的变量，其中有一个变量是生产工艺过程中的主要控制指标，它直接关系到生产的质量；而其他变量，工艺上对它有一个极限要求，生产过程在该极限要求值以内系统安全运行，一旦超过极限值，生产过程就有发生事故的危险。为此，设计对被控变量的选择性控制系统。

液态氨冷却器系统如图6-47所示，它是利用液氨的气化需要吸收大量的热量，以此来冷却流经管内物料的。在生产工艺上，往往要求被冷却物料的出口温度稳定，所以系统的被控变量为冷却物料的出口温度，操纵变量选择间接反映液位高度的液氨流量，构成正常工况下的单回路定值控制系统。为了防止液氨带液进入氨压缩机后危及压缩机的安全，控制阀选择为气开式。液氨流量增大，应有更多的液态氨气化，使被控冷却物温度下降，所以温度控制器选择为正作用方式。

单回路控制方案是通过改变传热面积来调节传热量的，因此温度控制系统的控制通道滞后比较大。当物料出口处温度远高于设定值时，需要大大增加液氨流量。管内液氨的液位上升，当液位淹没了换热器的所有列管时，传热面积的增加已达到上限高度——安全软限，如果继续增加液氨的流量，由于液氨来不及完全蒸发，使气氨中携带一部分液氨进入压缩机，损坏压缩机，造成严重事故。所以液氨蒸发器上部必须有足够的空间，以保证液氨完全气化。所以，当液位超过安全软限时，管内液位的高度变成了主导被控变量，构成液氨进料量的控制取代温度控制，系统的操纵变量只有液氨的流量，而被控变量有出口处的温度和液位高度两个，形成被控变量的选择性控制系统如图6-48所示。液位控制器选择为反作用方式，选择器为低值选择器LS，即在正常工况下（液位高度没有达到极限值），液位控制器的反作用使其输出高于温度控制器的输出，从而低值选择器选择温度控制，液位控制不工作；而当液氨的液位达到极限值时，被冷却物料出口温度的偏离成为次要因素，而使压缩机不致损坏上升为主要矛盾，液位升高而液位控制器的输出减小。同时，物料出口温度较高，正作用的温度控制器输出较大，低值选择器选择液位控制器，温度控制器断开，取代控制器代替了正常控制器的工作。在液位控制器的作用下，液位逐渐恢复到极限值内，系统故障消除后，选择器选择温度控制，系统又自动恢复工作。

被控变量选择性控制系统的框图如图6-49所示。

图6-47 液态氨冷却器单回路定值控制系统

图6-48 液氨蒸发器选择性控制系统

图6-49 被控变量选择性控制系统的框图

被控变量选择性控制系统的仿真框图如图6-50所示，控制器的选择及控制器参数整定类同于单回路控制系统。假设被控对象的数学模型分别为

采用开关选择作为逻辑选择器，控制器采用PID控制规律，系统的Simulink仿真框图如图6-50所示。

图6-50 系统的Simulink仿真框图

正常控制器采用PI规律，控制器参数整定采用临界比例度法优化得K_P＝0.2、T_I＝200，此时系统的阶跃响应曲线如图6-51所示；取代控制器采用PI规律，控制器参数整定采用临界比例度法优化得K_P＝1.1、T_I＝20，系统的阶跃响应曲线如图6-52所示。

图6-51 正常控制器作用下系统的阶跃响应

假设低选器的阈值为5，系统阶跃响应曲线如图6-53所示依次为正常控制器的输出、系统温度输出值、取代控制器输出、系统液位输出值和低选器输出信号。此时，液位高度均没有超过阈值5，所以系统是正常控制器工作，选择器输出为正常控制器的输出。

图6-52 取代控制器作用下系统的阶跃响应

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图6-53 系统的阶跃响应曲线（阈值为5）

假设低选器的阈值为2.8，系统阶跃响应曲线如图6-54所示，在液位高度小于阈值2.8时，系统是正常控制器工作，而当液位高度大于阈值2.8时，取代控制代替正常控制器工作。

图6-54 系统的阶跃响应曲线（阈值为2.8）

在液位输出端施加幅值为3的随机扰动信号，系统的Simulink仿真框图如图6-55所示。

图6-55 系统的Simulink仿真框图

低选器的阈值设为5，系统阶跃响应曲线如图6-56所示。

低选器的阈值设为2.8，系统阶跃响应曲线如图6-57所示。

图6-56 扰动作用下系统的阶跃响应（阈值5）

6.8.2.2 对操纵变量的选择性控制系统

为了充分利用能源，实际节能系统采用多种燃料，应尽量利用废品燃料或低价格的燃料，不足时才补充高价格的燃料。加热炉燃料的选择性系统如图6-58所示。系统有最大供应量为F_maxA的低价燃料A和最大供应量为F_maxB的补充燃料B，载热体的出口温度为被控变量。

加热炉燃料选择性控制系统中的FYA、FYB、FYC是乘法器；FYD是加法器；LY是低选器；FCA、FCB、TC分别是低价燃料、高价燃料、温度控制器；FTA、FTB、TT分别是低价燃料、高价燃料、加热炉温度检测变送器。流量控制器设计为反作用方式。

当低价燃料A足够，即时，低选器LY选中，并作为FCA的设定值，组成出口温度与低价燃料量的串级控制系统。而补充燃料控制器的设定值为，补充燃料阀门全关。

当低价燃料A供应不足，即时，低选器LY选中F_maxA，使低价燃料油阀门全开，燃料流量达到F_maxA，此时补充燃料控制器的设定值为，组成温度与补充燃料量的串级控制系统，调节补充燃料阀门的开度。

图6-57 扰动作用下系统的阶跃响应（阈值2.8）

图6-58 加热炉燃料选择性控制系统

6.8.2.3 对测量信号的选择性控制

在生化反应过程中，反应器内各点温度变化不一，为此选择其中的最高温度来完成系统的温度控制，构成对测量信号的选择性控制，如图6-59所示。