【正文】 對被控變量的定值或跟蹤控制。下面介紹三種基本的反饋控制模式：比例控制（P）、比例積分控制(PI) 、比例積分微分控制（PID）。 （21）式中，為控制器的輸入信號；為設(shè)定值和測量值之差；為控制器的增益，通常無量綱；偏置是控制器的穩(wěn)態(tài)輸出，反應(yīng)了比例控制的工作點(diǎn)。 （22）理想比例控制器的輸出特性對于控制器的輸出沒有物理限制，而實(shí)際的控制器是具有物理限制的，當(dāng)輸出達(dá)到上限或者下限，控制器就飽和了。增加能使控制精度提高，但穩(wěn)定程度變差。純比例控制器有一個缺點(diǎn)就是當(dāng)設(shè)定值改變后總是存在一定的余差。不過對于那些允許余差存在的應(yīng)用，純比例控制器往往由于它的簡單而得到青睞。2. 比例積分控制作用 積分作用的輸出是誤差相當(dāng)于時間的積分，如式（23）所示。積分作用的一個優(yōu)點(diǎn)就是能消除余差。偏差不為零時，偏差積分后使控制器的輸出向上或向下變化。因?yàn)榉e分作用比較慢，需要誤差的積累達(dá)到一定程度才能產(chǎn)生較為明顯的控制作用。增加了比例作用后，控制器對偏差變化的響應(yīng)迅速很多。 （24）傳遞函數(shù)如（25）所示。同時積分作用會引起的相角滯后，從而使系統(tǒng)的動態(tài)性能惡化。 由于積分作用而使信號超越“信號有效范圍”的情況叫積分飽和，目前，常用的一種防積分飽和的方法是當(dāng)發(fā)現(xiàn)控制器輸出飽和時，就停止控制器的積分作用；當(dāng)控制器輸出不再飽和時再恢復(fù)積分作用。理想的微分控制作用如式（26）所示。當(dāng)誤差是常數(shù)時，即，微分控制器的輸出就等于初始值。一個理想的PID控制器可用式(27)所示。它的傳遞函數(shù)如式（28）所示。微分作用通過提供超前作用使得被控過程趨于穩(wěn)定，因此它常用來抵消積分作用帶來的不穩(wěn)定趨勢，同時微分作用也能減小過渡過程時間，從而改善被控變量的動態(tài)響應(yīng)。如果測量值含有很大的噪聲，即含有高頻或隨機(jī)的變化，由于微分作用會對高頻噪聲起到了放大作用，小的噪聲也會使控制閥產(chǎn)生很大的動作。另外對于純滯后過程，由于在純滯后階段，微分作用為零，所以附加微分作用對純滯后是不起作用的。PID調(diào)節(jié)原理簡單、易于整定、使用方便；PID調(diào)節(jié)可用于補(bǔ)償系統(tǒng)使之達(dá)到大多數(shù)品質(zhì)指標(biāo)的要求。在PID調(diào)節(jié)作用下，對誤差信號分別進(jìn)行了比例、積分、微分運(yùn)算，三個作用分量之和作為控制信號輸出給被控對象。 （29）其中：——PID調(diào)節(jié)器的輸出信號——放大倍數(shù)——積分時間常數(shù)——微分時間常數(shù)——設(shè)定值與測量值的偏差信號式中：,其中是系統(tǒng)的設(shè)定信號，是被控量的測量值。 （210）式中：為比例增益，為積分增益，為微分增益。數(shù)字PID控制算法通常分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。設(shè)采樣周期為T，按模擬PID控制算法的算式，以一系列的采樣時刻點(diǎn)kT代替連續(xù)時間t，以和式代替積分，以增量代替微分，采樣周期T必須足夠短，上述離散過程才能保證有足夠的精度。 (211)為了書寫方便，將簡化表示為，即省去采樣周期，如式（212）所示。由于控制器的輸出直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如閥門)，的值和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置(如閥門開度)是一一對應(yīng)的，所以通常式(211)或(212)稱為位置式PID控制算法。而且，因?yàn)橛嬎銠C(jī)的輸出對應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如計算機(jī)出現(xiàn)故障，的大幅度變化，會引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的，在某些場合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故，因而產(chǎn)生了增量式PID算法。 (213)用式(212)減去(213)得式（214）?？梢钥闯?，由于一般計算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期，一旦確定了，和，只要使用前后三次測量值的偏差，即可由上式求出控制增量。對應(yīng)閥門實(shí)際位置的控制量，可通過式（215）計算出來[7]。(2)手動／自動切換時沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無擾動切換。(3)算式中不需要累加，控制增量的確定僅與最近三次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得較好的控制效果[8]。反饋控制的一個突出優(yōu)點(diǎn)是本身不形成閉合回路，不存在閉環(huán)穩(wěn)定性問題，因而也就不存在控制精度與穩(wěn)定性的矛盾?！安蛔冃浴笔侵缚刂葡到y(tǒng)的被控變量不受擾動變量變化的影響。不變性原理是通過前饋控制器的校正作用，消除擾動對被控變量的這種影響。不變性的定義如式（216）所示。一般情況下存在著以下幾種類型的不變性。誤差不變性 誤差不變性又稱不變性，是指在擾動的作用下，被控變量的波動小于一個很小的值，如式（217）所示。對于大量工程上應(yīng)用的前饋或前饋反饋控制系統(tǒng)，由于實(shí)際補(bǔ)償?shù)哪Ｐ团c理想的補(bǔ)償模型之間存在誤差，以及測量變送裝置精度的限制，有時難以實(shí)現(xiàn)絕對不變性控制。這種誤差不變性系統(tǒng)由于滿足工程領(lǐng)域的實(shí)際要求，獲得了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。即系統(tǒng)在擾動的作用下，穩(wěn)態(tài)時被控變量的偏差為零，靜態(tài)前饋系統(tǒng)就是屬于這種穩(wěn)態(tài)不變性系統(tǒng)，工程上常將不變性與穩(wěn)態(tài)不變性結(jié)合起來應(yīng)用，這樣構(gòu)成的系統(tǒng)既能消除靜態(tài)偏差，又能滿足工藝上對動態(tài)偏差的要求?；诓蛔冃栽斫M成的自動控制系統(tǒng)稱為前饋控制系統(tǒng)，它實(shí)際上是根據(jù)不變性原理對干擾進(jìn)行補(bǔ)償?shù)囊环N開環(huán)控制系統(tǒng)。從理論上說，當(dāng)干擾發(fā)生后，被控變量還未發(fā)生變化，前饋控制器就產(chǎn)生了控制作用把偏差徹底消除。前饋控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng) 反饋控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，而前饋控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。從一定意義上來說前饋控制系統(tǒng)是開環(huán)控制系統(tǒng)這一點(diǎn)是前饋控制的不足之處，由于前饋控制不存在閉環(huán)，因此前饋控制的效果無法通過反饋加以檢驗(yàn)。前饋控制采用的是由對象特性確定的“專用”控制器 一般的反饋控制系統(tǒng)均采用通用的PID控制器，而前饋控制器是專用控制器，對于不同的對象特性，前饋控制器的形式將是不同的。在理論上，前饋控制可以實(shí)現(xiàn)被控變量的不變性，但在工程實(shí)踐中，由于下列原因前饋控制系統(tǒng)仍然會存在偏差。因而一般僅選擇幾個主要干擾加前饋控制。受前饋控制模型精度的限制。尤其當(dāng)綜合得到的前饋控制算式中包含有純超前環(huán)節(jié)或純微分環(huán)節(jié)時，在物理上是不能實(shí)現(xiàn)的。3. 前饋控制應(yīng)用的場合 實(shí)現(xiàn)前饋控制的前提是干擾可以測量的。(1)系統(tǒng)中存在幅度大，頻率高且可測的干擾，該干擾對被控參數(shù)影響顯著，反饋控制難以克服，而工藝上對被控參數(shù)又要求十分嚴(yán)格，這時可引入前饋控制來改善系統(tǒng)的質(zhì)量。(3)當(dāng)對象干擾通道和控制通道的時間常數(shù)相差不大時，引入前饋控制可以很好地改善控制質(zhì)量。這時只有當(dāng)對控制質(zhì)量要求較高時，才有必要引入前饋控制。4. 前饋反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)中，不存在被控變量的反饋，即對補(bǔ)償?shù)男Ч麤]有檢驗(yàn)的手段。為了解決前饋控制的這一局限性，在工程上往往將前饋與反饋結(jié)合起來應(yīng)用，構(gòu)成前饋反饋控制系統(tǒng)。前饋反饋控制系統(tǒng)具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)。(2)從反饋控制角度，由于前饋控制的存在，對干擾作了及時的粗調(diào)作用，大大減小了反饋控制的負(fù)擔(dān)。但是如果干擾不可測量或者無法獲得干擾與被控變量之間的模型時，就不能采用前饋控制策略。第二個測量點(diǎn)應(yīng)該比被控變量更快感知到干擾的影響，這樣才能在干擾對被控變量產(chǎn)生很大的影響之前通過第二個反饋回路迅速克服干擾的影響。如圖22所示。副變量：被控制過程中引入的中間變量。主對象:主變量與副變量之間的通道特性。副控制器:接受的是副變量的偏差，其輸出去操縱閥門。主回路：若將副回路看成一個以主控制器輸出為輸入，以副變量為輸出的等效環(huán)節(jié)，則串級系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個單回路，稱這個單回路為主回路。兩個控制器都具有各自的測量輸入，但只有主控制器具有自己獨(dú)立的設(shè)定值，只有副控制器的輸出信號送給執(zhí)行器，這樣組成的系統(tǒng)稱為串級控制系統(tǒng)。因此，主變量在干擾作用下的過渡過程和單回路定值控制系統(tǒng)的過渡過程具有相同的品質(zhì)指標(biāo)。(1) 副回路具有快速調(diào)節(jié)作用，能有效克服發(fā)生與副回路的干擾影響(2) 串級系統(tǒng)對副對象和控制閥特性的變化具有較好的魯棒性副回路具有較高的增益時，副回路前向通道（這里主要是指控制閥和副對象）特性的變化不大會影響副回路等效環(huán)節(jié)的特性。這里需要注意以下兩點(diǎn): 主回路對副對象及控制閥的特性變化具有魯棒性，但副回路本身卻并沒有這種特性。 主回路對副回路反饋通道特性的變化沒有魯棒性。經(jīng)過精細(xì)凈化除去一切毒物的氫氮混合氣，由壓縮機(jī)壓縮至一定的壓力（在采用活塞式壓縮機(jī)的場合，要經(jīng)過除油）后，引入合成系統(tǒng)。反應(yīng)后，氫氮混合氣不能全部轉(zhuǎn)化成氨，必須將其中的氨進(jìn)行分離，剩下的氫氮混合氣由循環(huán)壓縮機(jī)（以下簡稱循環(huán)機(jī)）補(bǔ)充壓力后（在用活塞式循環(huán)機(jī)時，仍然應(yīng)除油），與壓縮機(jī)送來的新鮮氣混合，再次進(jìn)行合成，如此連續(xù)循環(huán)操作。在實(shí)現(xiàn)上述原則流程時，又有各種具體的做法，使流程盡量完善。對于氨合成生產(chǎn)流程綜合考慮（諸如壓縮氮?dú)浠旌蠚夂脱h(huán)氣的功率消耗，壓縮機(jī)的軸馬力、效率和轉(zhuǎn)速，以及氨合成反應(yīng)速度、轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品分離和熱量利用等各方面的因素），普遍的趨向具有以下特點(diǎn)：。至于更高的壓力，如350公斤/厘米2以上看來不會發(fā)展。此外，要使生產(chǎn)向大型化發(fā)展，必須進(jìn)一步注意到流程的合理性，諸如對惰性氣的放空、循環(huán)氣中的氨含量等等，都要采取相應(yīng)措施。因此，在新的氨合成流程中，都設(shè)有反應(yīng)熱的回收裝置?？傊?，在冷卻反應(yīng)氣體的同時，將反應(yīng)熱都盡量加以回收利用。下面介紹比較典型的兩次分離液氨產(chǎn)品的流程，氨在兩個部位—水冷器和氨冷器中回收。這種流程通常用于合成壓力較高的循環(huán)回路中，如壓力為280～340公斤/厘米2的循環(huán)回路，是傳統(tǒng)的中壓流程。屬于這類兩次分離產(chǎn)品方案的流程，單系列容量最高的已達(dá)到1500噸/每天，在采用離心式循環(huán)壓縮機(jī)的大型合成氨廠中，由于離心式循環(huán)壓縮機(jī)不用油潤滑，沒有油污污染合成氣的危險?；旌蠚鈴难h(huán)機(jī)出來，經(jīng)過換熱后，直接進(jìn)入合成塔。這種流程的優(yōu)點(diǎn)是：只需要對全部氨被分離以后的氣體進(jìn)行壓縮，因而可以節(jié)省循環(huán)機(jī)用功。如附件中合成氨流程圖所示，合成塔出口氣經(jīng)水冷器冷卻至常溫，其中部分氨被冷凝，液氨在氨分離器中分出。而后氣體進(jìn)冷凝塔的上部熱交換器與分離液氨后的低溫循環(huán)氣換熱降溫，經(jīng)氨冷器冷卻到0～8℃，使氣體中絕大部分氨冷凝下來，在氨冷凝塔的下部將氣液分開。該流程的特點(diǎn)如下：、氨含量較低的部位以減少氨損失和原料氣消耗；、第二氨分離器之間，循環(huán)氣溫度較低有利于壓縮作業(yè)；，在第二次氨分離時可以進(jìn)一步達(dá)到凈化目的，可除去油污以及帶入的微量co2和水分。氨合成塔包括包括兩個主要部分：高壓外筒和內(nèi)件。內(nèi)件結(jié)構(gòu)對塔的生產(chǎn)影響很大，從工藝角度看，對合成塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)一般應(yīng)具備以下條件：(1)單塔生產(chǎn)能力高。(2)操作上便于調(diào)劑控制。(3)具有高的單塔生產(chǎn)能力的同時，整個系統(tǒng)也能在高效率下運(yùn)轉(zhuǎn)（系統(tǒng)阻力低，冷凍，分離和循環(huán)用功較少等）。為了保證上述工藝條件的實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然在機(jī)械結(jié)構(gòu)上必須做到堅固，可靠，便于運(yùn)輸，拆卸和檢修等等。1. 內(nèi)部換熱式內(nèi)件結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)一般僅有一個連續(xù)的催化劑床層，在床層中設(shè)置連續(xù)的換熱裝置，也有少數(shù)是反過來將催化劑置于換熱管中的，通過換熱管內(nèi)及床層內(nèi)冷熱氣流的間接換熱，以調(diào)節(jié)催化劑床層的溫度。根據(jù)催化劑床層和換熱管內(nèi)氣流方向間相對關(guān)系的不同，此種結(jié)構(gòu)通常又可分為逆流式及并流式兩種：逆流式的以逆流單管型為代表；并流式的原來都是以雙套管型為典型，但是從溫度發(fā)布及傳熱結(jié)構(gòu)來看，實(shí)際上雙套管型是屬于此兩種結(jié)構(gòu)的混合，而后來發(fā)展的三套管及并流單管型才純屬于并流式。圖31并流雙套管式氨合成塔雙套管內(nèi)件結(jié)構(gòu)的氣體流程是：氣體主流從合成塔頂進(jìn)口管入塔，在環(huán)隙中沿塔壁流下至塔底，反向而上經(jīng)下部換熱器殼程，然后到分氣盒分別進(jìn)入各內(nèi)冷管，到頂部折至外冷管，氣體被逐漸預(yù)熱至反應(yīng)起始溫度，流入中心管（內(nèi)設(shè)開工電加熱器），向上到頂部，折入催化劑層，氣體在催化劑層中從上向下，進(jìn)行合成反應(yīng)，出催化劑筐，至下部熱交換器管程，降低溫度后出塔。2. 間斷換熱式內(nèi)件結(jié)構(gòu)這種形式的內(nèi)件結(jié)構(gòu)通常都將催化劑床層分成約3—6層，借催化劑各層間的換熱調(diào)節(jié)催化劑床層的溫度。由于間層換熱方式的不同，這種結(jié)構(gòu)的內(nèi)件又可分為直接式與間接式兩種。(1)多層冷激式 多層冷激式合成塔的結(jié)構(gòu)如圖32所示。床外熱交換器裝在催化劑筐的上部，其管束長度受催化劑筐的限制較小?？刂品磻?yīng)氣體溫度用的冷激氣由頂部球形封頭上的接管進(jìn)入，經(jīng)直管到環(huán)形管，再從環(huán)形管的孔眼中噴出。擋板有中心孔，供反應(yīng)氣體通過。中心孔底下有分布板，其作用是使通過中心孔的氣體沿整個催化劑床層截面重新分布。圖32多層直接冷激式氨合成塔a軸向氨合成塔 b徑向氨合成塔第一段床層上有盤管。生產(chǎn)時可控制第一層催化劑床的進(jìn)口溫度。流過各段催化劑床層，至催化劑床層底部折返向上，穿過中心管和床外熱交換器管程，最后經(jīng)連接管流出管外。下面分別介紹各工藝條件的選擇。另外，通過它對質(zhì)量速度和流體特性的作用，可以影響傳熱條件，同樣也會因?yàn)橐饸怏w重度得變化而使壓力降有所改變。對反應(yīng)速度及反應(yīng)平衡來說，最好的氫氮比幾乎都與3:1有些微偏離。例如，當(dāng)新鮮氫氮混合氣中氫氮比為3:1時，若忽略氣體在液氨中的溶解，則循環(huán)氣也是3:，:1時，:1；反之，:1，:，由此可見。當(dāng)使用新的高效催化劑，而其生產(chǎn)能力又較為富裕時，往往會出現(xiàn)一些問題。2）惰性氣含量氨合成循環(huán)是將未反應(yīng)的氫氮混合氣返回氨合成反應(yīng)器再度利用的，而壓縮的新鮮氫氮混合氣作為原料，源源不斷地送入循環(huán)系統(tǒng)，同時相應(yīng)的液氨產(chǎn)品不斷從系統(tǒng)取出，雖然在液氨中溶解了一些氣體，如氫氮和惰性氣體，以及微量水分，但是由于在新鮮氣中惰性氣的含量不是很低的，因此在一般情況下，如不進(jìn)行排放，僅靠溶解不易使帶入和帶出的惰性氣體達(dá)到平衡，往往會使惰性氣體積累至較高的濃度。循環(huán)氣中的惰性氣含量和很多因素有關(guān)，最主要的是新鮮氫氮混合氣中的惰性氣含量、排放量，以及合成系統(tǒng)的工作壓力等。排放量的選定，與各系統(tǒng)的特殊條件密切相關(guān)。另外，也可以利用改變惰性氣含量以改變催化劑床層的溫度分布。還有，在一般情況下，系統(tǒng)在給定的壓力下操作時，為了維持一定的產(chǎn)量，則惰性氣含量越高，要求下部換熱器長度也