马宾过程控制与自动化仪表第6章复杂调节系统

1、 第第6 6章章 复杂控制系统复杂控制系统 串级、均匀、比值、前馈控制系统的概念、串级、均匀、比值、前馈控制系统的概念、特点。特点。内容：内容： 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 第二节第二节 均匀控制系统均匀控制系统 第三节第三节 比值控制系统比值控制系统 第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统 重点：重点：一、基本概念一、基本概念 由主副两个参数、两个调节器构由主副两个参数、两个调节器构成两个控制回路，其中一个调节器的成两个控制回路，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值，而输出作为另一个调节器的给定值，而后者的输出去控制调节阀的系统就是后者的输出去控制调节阀的系统就是串级调节

2、系统。串级调节系统。 例：管式加热炉物料出口温度串例：管式加热炉物料出口温度串级调节系统。级调节系统。燃料t1tt2tt1ct2c原料加热炉串级控制系统加热炉串级控制系统二、串级调节系统的特点二、串级调节系统的特点 1、结构上：两个控制回路，主回路为定值调节，副回、结构上：两个控制回路，主回路为定值调节，副回路为随动调节系统。路为随动调节系统。 2、对于进入副回路的干扰作用具有很好的克服能力，、对于进入副回路的干扰作用具有很好的克服能力，有效地克服了控制通道的滞后，大大提高了控制质量。有效地克服了控制通道的滞后，大大提高了控制质量。 3、改善了对象特性，使系统具有一定的自适应能力。、改善了对象

3、特性，使系统具有一定的自适应能力。 三、串级调节系统副回路的设计原则三、串级调节系统副回路的设计原则 1、应使副回路包含较多干扰。、应使副回路包含较多干扰。 2、主、副变量之间应有一定的内在联系。、主、副变量之间应有一定的内在联系。 3、应使主、副变量之间的时间常数相匹配，防止共振、应使主、副变量之间的时间常数相匹配，防止共振四、主、副调节器的选择四、主、副调节器的选择 1、控制规律的选择：、控制规律的选择： 主调节器：主调节器：pi、pid，副调节器：一般为，副调节器：一般为p(克服干扰而克服干扰而设立，所以一般无设立，所以一般无i) 2、正反作用的选择、正反作用的选择 先选副调节器正反作用

4、，然后按照：主、副变量同时增先选副调节器正反作用，然后按照：主、副变量同时增加（或减小）时，由工艺分析阀的动作方向是一致时，主加（或减小）时，由工艺分析阀的动作方向是一致时，主调节器选反作用，反之亦反。调节器选反作用，反之亦反。五、系统的投运及参数整定五、系统的投运及参数整定 1、系统投运：先副后主、系统投运：先副后主 (1)、主、副控制器均置于手动，主调节器置于内给定，、主、副控制器均置于手动，主调节器置于内给定，副调节器置于外给定，选择正确的正反作用，预置控制器副调节器置于外给定，选择正确的正反作用，预置控制器的的pid参数参数 (2)、副控制器手动控制，使主副变量接近工艺给定值。、副控制

5、器手动控制，使主副变量接近工艺给定值。 (3)、副控制器投入自动，待主变量接近给定值，副变量、副控制器投入自动，待主变量接近给定值，副变量比较平稳时，调节主控制器手动输出，使副控制器偏差为比较平稳时，调节主控制器手动输出，使副控制器偏差为零，将副控制器切向自动。零，将副控制器切向自动。 (4)、主控制器投自动。、主控制器投自动。 六、串级调节系统的应用场合六、串级调节系统的应用场合 1、对象容量滞后较大，系统内存在激烈且幅值较大的干、对象容量滞后较大，系统内存在激烈且幅值较大的干扰作用扰作用 2、被控对象的纯滞后比较长。、被控对象的纯滞后比较长。 3、被控对象具有较大的非线性，而且负荷变化较大

6、、被控对象具有较大的非线性，而且负荷变化较大 。 一、均匀控制的目的一、均匀控制的目的 均匀控制系统是为解决连续生产过程中前后设备供求之间均匀控制系统是为解决连续生产过程中前后设备供求之间的矛盾而设置的。的矛盾而设置的。 在生产过程中，凡是用来保持前后两个设备供求间的被控在生产过程中，凡是用来保持前后两个设备供求间的被控变量在规定的范围内缓慢、均匀变化的系统，都称为均匀控制变量在规定的范围内缓慢、均匀变化的系统，都称为均匀控制系统。系统。 b 均匀控制被控变量变化过程均匀控制被控变量变化过程二、系统的特点二、系统的特点1、表征前后供求的两个参数都应是变化的，而且应是缓慢、表征前后供求的两个参数

7、都应是变化的，而且应是缓慢变化的。变化的。2、参数应在允许范围内变化。、参数应在允许范围内变化。 3、结构上仍然是简单控制系统或串级控制系统。、结构上仍然是简单控制系统或串级控制系统。 前一设备的液位和后一设备的进料量之间的关系前一设备的液位和后一设备的进料量之间的关系 1液位变化曲线液位变化曲线 2流量变化曲线流量变化曲线 实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，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系统。称为比值控制系统。通常为流量比值控制系统。 12qqk 副流量与主流量的比值副流量与主流量的比值 系统的类型系统的类型 1 1、开

8、环比值控制系统、开环比值控制系统 这种控制方案结构简单，但这种控制方案结构简单，但 对对副流量副流量q q2 2本身无抗干扰能力本身无抗干扰能力 2、单闭环比值控制系统、单闭环比值控制系统 3、双闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统 4、变比值控制系统、变比值控制系统 前馈控制是改善反馈控制不及时的一种方法，它是按前馈控制是改善反馈控制不及时的一种方法，它是按引起被控变量变化的干扰大小进行调节的，当干扰刚刚出引起被控变量变化的干扰大小进行调节的，当干扰刚刚出现且能被测出时，控制器就能发出控制信号进而克服这种现且能被测出时，控制器就能发出控制信号进而克服这种干扰，无需等被控变量的变化。干扰，无需

9、等被控变量的变化。 例：管式加热炉例：管式加热炉 前馈前馈- -反馈控制系统反馈控制系统 在实际中会有多种不同的干扰，但在实际中会有多种不同的干扰，但不可能对每个干扰均实行前馈控制。构不可能对每个干扰均实行前馈控制。构成前馈成前馈- -反馈控制系统，对选择对象中反馈控制系统，对选择对象中最主要的反馈控制系统不易克服的干扰最主要的反馈控制系统不易克服的干扰进行前馈控制，其它一些干扰则由反馈进行前馈控制，其它一些干扰则由反馈调节，确保被控变量的控制质量。调节，确保被控变量的控制质量。应用场合应用场合(1)(1)干扰幅值大而频繁，对被控变量影干扰幅值大而频繁，对被控变量影响大，反馈控制难于达到要求的

10、场合。响大，反馈控制难于达到要求的场合。(2)(2)主要干扰可测，但对反馈控制又是主要干扰可测，但对反馈控制又是不可控的参数。不可控的参数。(3)(3)当控制系统控制通道滞后大，反馈当控制系统控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差，可考虑前馈控制不及时，控制质量差，可考虑前馈- -反馈控制系统。反馈控制系统。一、传热设备的控制方案一、传热设备的控制方案 1、控制载热体流量、控制载热体流量 改变载热体流量的大小，将引起传热系数和平均温度改变载热体流量的大小，将引起传热系数和平均温度的变化。如果载热体上游压力不平稳，则采取稳压措施使的变化。如果载热体上游压力不平稳，则采取稳压措施使其稳定，或采

11、用温度与流量其稳定，或采用温度与流量(或压力或压力)的串级控制系统。的串级控制系统。 当主要干扰是生产负荷（即工艺介质），且工艺对出当主要干扰是生产负荷（即工艺介质），且工艺对出口温度要求较高时，可采用前馈口温度要求较高时，可采用前馈反馈控制方案。反馈控制方案。 2、工艺介质分路、工艺介质分路 二、加热炉的控制二、加热炉的控制 1、加热炉的温度控制方案、加热炉的温度控制方案 加热炉的主要质量指标是工艺介质经加热炉加热后的加热炉的主要质量指标是工艺介质经加热炉加热后的出口温度。不少加热炉对出口温度有严格的要求，允许波出口温度。不少加热炉对出口温度有严格的要求，允许波动范围仅为动范围仅为12。影响

12、出口温度的干扰有：工艺介质的。影响出口温度的干扰有：工艺介质的流量、温度、组分；燃料油（或气流量、温度、组分；燃料油（或气)压力、成分压力、成分(或热值或热值)；燃料油的雾化情况；空气过量情况；喷嘴阻力及烟囱抽力燃料油的雾化情况；空气过量情况；喷嘴阻力及烟囱抽力等。这些干扰中有的可控，有的则不可控。等。这些干扰中有的可控，有的则不可控。 加热炉温度控制系统的操纵变量一般是燃料油加热炉温度控制系统的操纵变量一般是燃料油(或燃料或燃料气气)的流量。的流量。 （1）单回路控制系统）单回路控制系统 （2）炉出口温度与炉膛温度的串级控制）炉出口温度与炉膛温度的串级控制 （3）炉出口温度与燃料油（或气）流

13、量的串级控制）炉出口温度与燃料油（或气）流量的串级控制 （4）炉出口温度与燃料油（或气）压力的串级控制）炉出口温度与燃料油（或气）压力的串级控制 （5）前馈）前馈-反馈控制系统反馈控制系统 2、加热炉燃烧系统的控制、加热炉燃烧系统的控制 燃烧系统控制的目的，一是为了保证燃料充分、完全地燃烧系统控制的目的，一是为了保证燃料充分、完全地燃烧，以便发挥燃料的热效；二是为了防止燃料的波动造燃烧，以便发挥燃料的热效；二是为了防止燃料的波动造成干扰，影响加热炉出口温度的控制质量；三是出自安全成干扰，影响加热炉出口温度的控制质量；三是出自安全的目的，防止出现事故。的目的，防止出现事故。 燃烧系统控制包括有燃

14、料油（或气）的压力控制，使用燃烧系统控制包括有燃料油（或气）的压力控制，使用燃料油时的雾化蒸汽压力控制，以及安全联锁保护等。燃料油时的雾化蒸汽压力控制，以及安全联锁保护等。 三、锅炉设备的控制三、锅炉设备的控制 锅炉设备的控制任务主要是根据生产负荷的需要，供应锅炉设备的控制任务主要是根据生产负荷的需要，供应一定规格一定规格(压力、温度等压力、温度等)的蒸汽，同时使锅炉在安全、经济的蒸汽，同时使锅炉在安全、经济的条件下运行。的条件下运行。 主要包括：主要包括： (1)锅炉供应的蒸汽量适应负荷变化的需要或保持给定锅炉供应的蒸汽量适应负荷变化的需要或保持给定负荷；负荷； (2)锅炉供给用汽设备的蒸汽

15、压力保持在一定范围内；锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定范围内； (3)过热蒸汽温度保持在一定范围内；过热蒸汽温度保持在一定范围内； (4)汽包中的水位保持在一定范围内；汽包中的水位保持在一定范围内； (5)保持锅炉燃烧的经济性和安全运行；保持锅炉燃烧的经济性和安全运行； (6)炉膛负压保持在炉膛负压保持在定范围内。定范围内。 1、汽包水位控制系统、汽包水位控制系统 （1）单冲量水位控制系统）单冲量水位控制系统 （2）双冲量水位控制系统）双冲量水位控制系统 （3）三冲量水位控制系统）三冲量水位控制系统 2、锅炉燃烧系统的控制、锅炉燃烧系统的控制 蒸汽压力控制、燃料与空气比值控制、炉膛负压控制

16、蒸汽压力控制、燃料与空气比值控制、炉膛负压控制 右图包括：右图包括： (1)蒸汽出口压力与燃料流量串级蒸汽出口压力与燃料流量串级控制系统。控制系统。 (2)燃料流量与空气量的单闭环比燃料流量与空气量的单闭环比值控制系统。值控制系统。 (3)空气量过少时自动减少燃料流空气量过少时自动减少燃料流量的选择性控制系统。量的选择性控制系统。 (4)蒸汽出口压力降低时自动加蒸汽出口压力降低时自动加大空气量的选择性控制系统。大空气量的选择性控制系统。 五、化学反应器的控制五、化学反应器的控制 1、单回路温度控制系统、单回路温度控制系统 图图a和图和图b所示是两个单回路温度控制系统，反应热量所示是两个单回路温

17、度控制系统，反应热量由冷剂带走。图由冷剂带走。图a的控制方案是通过控制冷剂的流量来稳的控制方案是通过控制冷剂的流量来稳定反应温度。该方案冷剂流量相对较小，釜温与冷剂温度定反应温度。该方案冷剂流量相对较小，釜温与冷剂温度差较大，当反应器内部温度不均匀时，易造成局部过热或差较大，当反应器内部温度不均匀时，易造成局部过热或过冷。图过冷。图b的控制方案是通过冷剂的温度变化来保持反应的控制方案是通过冷剂的温度变化来保持反应温度不变。冷剂是强制循环式，流量大，传热效果好，但温度不变。冷剂是强制循环式，流量大，传热效果好，但釜温与冷剂温度差较小。釜温与冷剂温度差较小。2、串级控制系统、串级控制系统 上述的单回路温度控制系统，常用载热体作为操纵变上述的单回路温度控制系统，常用载热体作为操纵变量，其滞后时间较大，对温度调节质量有较大影响，有时量，其滞后时间较大，对温度调节