揭秘何为复杂控制系统。随着工业生产的发展，工艺不断革新，产品的品种不断翻新，操作条件更为复杂，对产品质量提出了更高的要求，单回路控制系统已不能满足生产过程的要求，因此，我们在工程设计中会采用复杂控制系统。 　　什么是复杂控制系统？用最简单的语言表述就是：同时具有两个以上变送器、控制器或执行器所组成回路的控制系统，这种多变量控制系统被称为复杂控制系统，又称多回路控制系统。

　　复杂控制系统包含：串级控制系统、均匀控制系统、比值控制系统、分程控制系统、自动选择性控制系统、前馈控制系统和三冲量控制系统等。

　　串级控制系统和均匀控制系统

　　1）串级控制系统：从以下的图例中可以看出，包含2个变送器，2个控制器，一个控制器的输出值是另一个控制器的给定值，2个控制器之间互相串接。

　　对于进入副环的干扰，T2C副环控制器具有较快、较强的克服干扰能力；可以改善主调节器的广义对象的特性，提高工作频率；消除调节阀等非线性特性的影响，更精确地控制操纵变量；具有一定的自适应能力，实现更灵活的控制方式。

　　图：串级控制系统 　　2）均匀控制系统：均匀控制是一种以功能来命名控制系统。当有扰动进入时，它是通过调节器整定的参数，使得被控参数不会发生剧烈变化，在一定的控制范围内缓慢而均匀的变化，而不是严格的控制在某一个给定值上。

　　均匀控制系统分为：简单均匀控制系统、串级均匀控制系统、双冲量均匀控制系统等。

　　均匀控制的基本任务是保持两个有互相矛盾的参数，在允许波动的范围内互相兼顾，平滑变化。但是均匀调节并不是前后被控参数平均分配，而是根据被调参数的重要性来确定均匀调节的主次及轻重缓急。

　　3）比值控制系统：在生产过程中，往往有两种或两种以上的物料需按精确比例（比值）混合进行生产加工，要求精确控制各种物料的比例，在实际应用中通常就采用比值控制系统。

　　下面我们以单闭环比值控制系统为例：主动变量F1没有反馈控制，因而是可变的，F2是从动变量，是随着F1而变，在稳定时能保持F2=KF1(K为比例系数)，从方块图中可以看到F2形成的是一个闭环控制回路，所以我们称之为单闭环比值控制系统。

　　单闭环比值控制系统一般用在F1参数变化不大的场合，比如计量泵的输出流量。如果F1的变化影响下一个工序，那么就要采用双闭环比值控制系统，或根据工艺特定要求采用串级比值控制系统等。 　　4）分程控制系统：设置分程控制系统的主要目的是扩大可调范围R,以能满足特殊调节系统的要求；改善调节品质，节省能源，改善调节阀的工作条件；满足开停车时小流量和正常生产时的大流量的要求，使之都能有较好的调节质量；满足正常生产和事故状态下的稳定性和安全性。

　　以下面的方块图为例，通过热水阀A与蒸汽阀B加热物料，要求热交换器出口的物料温度保持恒定。为了节省蒸汽，只有当热水阀A全开，温度还达不到我们要求的设定值时，才补充蒸汽，开蒸汽阀B。

　　从图中可以看到，热水阀A全部打开后，温度仍比给定值低，温控器输出高达60kPa以上，此时蒸汽阀打开，补充蒸汽，以使温度达到给定值。

　　这个例子是将调节器的输出分成两段，控制两个气开调节阀，还可根据工艺需求设计一个气开调节阀，一个气关调节阀或两个气关调节阀。为了满足工艺生产特殊要求，分程控制还可将控制器输出信号的全程分割成若干个信号段，每个信号段控制一个控制阀，每个控制阀仅在控制器输出信号整个范围里的某段内工作。 　　5）自动选择性控制系统：当压缩机、泵、鼓风机等设备过载时，反应器反应到极限时，大型生产装置开停车等等紧急状况时，通常的自控系统已不能满足其控制要求，若由操作人员操作来解决这些问题，势必操作人员紧张繁忙，还容易出错，因此采用了自动选择性控制系统也称超驰控制系统来解决生产的安全保护和自动开停车的问题。

　　这种控制方式是把由工艺生产过程中的限制条件所构成逻辑关系叠加到通常的调节系统中，当生产过程趋向限制条件时，不安全状况出现以前，即切换到一个用于控制不安全情况的调节器，由不安全情况的调节器取代通常的调节系统工作，直到生产过程回到安全范围内，通常的调节系统工作又自动恢复工作，这种自动选择控制有时也称自动保护控制系统。

　　以下图为例：氨和空气的流量通过流量变送器将信号送入除法器进行比值计算后，输出比值信号分别作为KC比值调节器和KY超驰调节器的测量值，KC比值调节器和KY超驰调节器的输出信号接到LS低选择器后去控制阀。

　　正常生产时，KY超驰调节器的输出为100kPa，LS低选择器只通过KC比值调节器输出信号到控制阀。如果生产过程发生波动，氨气和空气流量比值大于允许的安全极限时，KY超驰调节器工作，输出减小，控制阀关小，直到氨气和空气流量比值回到正常范围，KC比值调节器自动恢复工作。（氨气管线上的控制阀一般选气开阀） 　　6）前馈控制系统：前馈控制系统与反馈控制系统的不同点是：当扰动出现时，反馈控制系统是按照测量值与给定值的偏差进行调节的；而前馈控制系统是按照扰动作用的大小进行调节的。

　　反馈控制系统必须是被测参数出现偏差后，调节器才对调节参数进行调节，克服干扰对被调参数的影响。但在一些工艺流程中，往往具有滞后性，当扰动已经发生，而被调参数需要一定的时间发生变化，这段时间调节器就不会进行调节，它落后于扰动作用。

　　我们采用了前馈控制系统时，当扰动发生后，被调参数还没发生变化前，变送器已经检测到扰动的大小，调节器就进行了调节，这种及时的、恰到好处的调节，使得被测参数不会因为干扰作用产生偏差。

　　在实际的工艺对象控制应用中，很少用单纯的前馈控制系统来调节被调参数，一般根据具体的调节对象采用反馈调节加前馈调节，或比值调节加前馈调节等方案，下面的三冲量控制系统就是前馈调节加串级调节回路的例子。

　　7）三冲量控制系统：三冲量控制系统最典型的运用是锅炉的给水系统，锅炉汽包的液位会随着蒸汽负荷增减等因素而变化。当蒸汽负荷突然大幅度增加时，由于汽包内蒸汽压力瞬间下降，水的沸腾加剧，汽泡量迅速增加，汽泡不仅出现于水的表面，而且出现于水面以下，由于汽泡的体积比水的体积大许多倍，结果形成汽包内液位升高的现象。因为这种升高的液位不代表汽包内储液量的真实情况，所以称为“假液位”。

　　如果不引入三冲量控制系统，液位控制器就会发送错误信息，关小进水阀，实际液位进一步降低，汽包中的水更加剧沸腾，汽泡量更进一步急速增加，锅炉就会有发生爆炸的危险。

　　三冲量控制系统就是针对锅炉汽包的液位控制所制定的方案，它引进了给水流量参数和蒸汽的输出流量参数，汽包液位被控变量，通过运算器，作为给水流量副环控制器的给定值，最终达到汽包液位、给水流量、蒸汽流量平衡。蒸汽流量作为前馈信号，给水流量副环控制回路，其实这是一个前馈+串级控制回路。

　　上面讲的只是三冲量控制系统的一个例子，在实际运用中，根据不同的工艺要求，有不同的三冲量控制方案，也有单冲量控制，双冲量控制，应根据需要制定恰当的控制方案。

　　锅炉液位的三冲量控制示意图 　　锅炉液位的三冲量控制方块图