化工自动化及仪表-复杂控制系统

1、 8 复杂控制系统复杂控制系统 常见的复杂控制系统有：串级、均常见的复杂控制系统有：串级、均匀、比值、分程、前馈等。匀、比值、分程、前馈等。8.1 串级控制系统串级控制系统8.1.1 串级控制系统的基本概念串级控制系统的基本概念8.1.1.1 什么叫串级控制系统什么叫串级控制系统 A 加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统 加热炉是炼化生产中常见的设备。用来加热加热炉是炼化生产中常见的设备。用来加热原料油或裂解重油，炉出口温度控制十分重要。原料油或裂解重油，炉出口温度控制十分重要。 通常工艺上要求炉出口通常工艺上要求炉出口 温度在温度在1 2范围范围 内波动，

2、若采用简单控制内波动，若采用简单控制 系统，由于炉管等热容较系统，由于炉管等热容较 大，而且燃料油至出口的大，而且燃料油至出口的 通道又相当长。为此采用通道又相当长。为此采用 了串级控制方案。了串级控制方案。 分析：分析：扰动因素有：原料油的处理量和温度，燃扰动因素有：原料油的处理量和温度，燃料压力和成分，燃料雾化情况以及烟囱抽力等。料压力和成分，燃料雾化情况以及烟囱抽力等。除原料油处理量和温度外，其余扰动的变化首先除原料油处理量和温度外，其余扰动的变化首先影响炉膛温度。为了解决时滞大和控制要求高之影响炉膛温度。为了解决时滞大和控制要求高之间的矛盾，可根据炉膛温度的变化预先控制燃料间的矛盾，可

3、根据炉膛温度的变化预先控制燃料量，迅速实现量，迅速实现“粗调粗调”，然后再根据炉出口温度，然后再根据炉出口温度来来 控制燃料量，实现控制燃料量，实现“细调细调”。这样就构成了炉出。这样就构成了炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统。口温度与炉膛温度的串级控制系统。TT1TC1TC2TT2燃料油燃料油原料油原料油B 聚合釜反应温度和冷却水温度的串级控制系统聚合釜反应温度和冷却水温度的串级控制系统 在这个系统中，被控变量是聚合釜反应温度，如在这个系统中，被控变量是聚合釜反应温度，如反应温度稍微偏离工艺指标，将使产品质量明显下降反应温度稍微偏离工艺指标，将使产品质量明显下降或报废，甚至还会引起爆炸危险。

4、因为控制通道的时或报废，甚至还会引起爆炸危险。因为控制通道的时滞太大。因此，选择滞后较小的夹套水温和反应温度滞太大。因此，选择滞后较小的夹套水温和反应温度组成串级控制系统。组成串级控制系统。8.1.1.2 串级控制系统的结构和方框图串级控制系统的结构和方框图 TT1TC1TC2TT2燃料油燃料油原料油原料油两套检测变送器、两个调节器，前两套检测变送器、两个调节器，前一个控制器（主控制器）的输出作一个控制器（主控制器）的输出作为后一个控制器（副控制器）的设为后一个控制器（副控制器）的设定，后一个控制器的输出送往调节定，后一个控制器的输出送往调节阀。主控制器控制的变量称主变量，阀。主控制器控制的变

5、量称主变量，即工艺控制指标；副控制器控制的即工艺控制指标；副控制器控制的变量称副变量，是引入的辅助变量。变量称副变量，是引入的辅助变量。两个控制回路，主回路和副回路。两个控制回路，主回路和副回路。8.1.1.3 串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程 A 扰动作用于副回路扰动作用于副回路 例如：燃料压力发生变化，首先影响炉膛温度，副调节器例如：燃料压力发生变化，首先影响炉膛温度，副调节器及时进行控制，以维持炉膛温度稳定。如果扰动量小，经过副回及时进行控制，以维持炉膛温度稳定。如果扰动量小，经过副回路及时控制后，一般不影响炉出口温度。在大幅度扰动下，其大路及时控制后，一般不影响炉出口温度。

6、在大幅度扰动下，其大部分影响被副回路克服，小部分影响炉出口温度的扰动则由主回部分影响被副回路克服，小部分影响炉出口温度的扰动则由主回路来消除，此时副调节器的测量值与设定值两方面的变化加在一路来消除，此时副调节器的测量值与设定值两方面的变化加在一起，控制作用加强，使主变量尽快地恢复到设定值上来。起，控制作用加强，使主变量尽快地恢复到设定值上来。TT1TC1TC2TT2燃料油燃料油原料油原料油B 扰动作用于主过程扰动作用于主过程 若进入加热炉的原料油流量发生变化而影响到炉出若进入加热炉的原料油流量发生变化而影响到炉出口温度变化时，则由主调节器起控制作用，此时副回路虽口温度变化时，则由主调节器起控制

7、作用，此时副回路虽不能直接克服扰动，但由于副回路的存在而改善了过程特不能直接克服扰动，但由于副回路的存在而改善了过程特性，缩短了控制通道，因此控制质量有所提高。性，缩短了控制通道，因此控制质量有所提高。C 扰动同时作用于副回路和主过程扰动同时作用于副回路和主过程 若扰动作用使主、副变量按同一方向变化，即主、若扰动作用使主、副变量按同一方向变化，即主、副变量同时升高或同时降低，此时主、副调节器对调节阀副变量同时升高或同时降低，此时主、副调节器对调节阀的控制方向是一致的，有利于提高控制质量。的控制方向是一致的，有利于提高控制质量。 若扰动作用使主、副变量朝相反方向变化，则此时若扰动作用使主、副变量

8、朝相反方向变化，则此时主、副调节器对调节阀的控制方向是相反的，阀门开度只主、副调节器对调节阀的控制方向是相反的，阀门开度只作小小变动就能符合控制要求。例如，原料量减小使炉出作小小变动就能符合控制要求。例如，原料量减小使炉出口温度升高，而燃料压力降低使炉膛温度降低。口温度升高，而燃料压力降低使炉膛温度降低。8.1.2 串级控制系统的特点及适用场合串级控制系统的特点及适用场合 1) 对进入副回路的扰动具有较迅速、较强的克服对进入副回路的扰动具有较迅速、较强的克服能力能力 以加热炉为例，如果燃料油压力发生变化，首以加热炉为例，如果燃料油压力发生变化，首先影响炉膛温度，副回路很快起作用，将这一扰动先影

9、响炉膛温度，副回路很快起作用，将这一扰动克服，这样就削弱了扰动对主变量炉出口温度的影克服，这样就削弱了扰动对主变量炉出口温度的影响。响。 另一方面，串级控制系统有主、副两个控制器，另一方面，串级控制系统有主、副两个控制器，两者串联使用，所以总的比例增益是主、副控制器两者串联使用，所以总的比例增益是主、副控制器比例增益的乘积，因而有较大的抗干扰能力。比例增益的乘积，因而有较大的抗干扰能力。 2) 可以改善过程特性可以改善过程特性 把副回路看作是主回路的一个环节，称为等效过程把副回路看作是主回路的一个环节，称为等效过程Gp2，它的，它的传递函数传递函数 Gp2(s)=G2(s)/R2(s)= Gc

10、2(s) Gv(s) Gp2(s) /1+ Gc2(s) Gv(s) Gp2(s) Hm2(s)设各环节的传递函数分别为：设各环节的传递函数分别为： Gp2(s)=Kp2/(Tp2s+1) ， Gc2(s)=Kc2 ， Gv(s) =Kv ， Hm2(s)=1 。 G p2(s) =Kc2 Kv Kp2 /（1+ Kc2 Kv Kp2 ）/Tp2s/ （1+ Kc2 Kv Kp2 ）+1 令令 K p2 =Kc2 Kv Kp2 /（1+ Kc2 Kv Kp2 ） T p2 =Tp2/ （1+ Kc2 Kv Kp2 ） 则则 Gp2(s)= Kp2/(T p2s+1) 式中，式中， K p2为等

11、效过程的放大系数，为等效过程的放大系数， T p2为等效过程的时间常数。为等效过程的时间常数。因为因为(1十十Kc2KvKp2)1，所以，所以T p2 Tp2， Kp2 Kp2 。 当当Kc2足够大时，足够大时， K p2趋近于趋近于1，T p2趋近于趋近于0，副回路可近似作，副回路可近似作为为1 : 1的比例环节。的比例环节。3) 可消除副过程非线性特性和调节阀流量特性可消除副过程非线性特性和调节阀流量特性不适合对控制质量的影响不适合对控制质量的影响 由于副过程和调节阀被包括在副回路内，由于副过程和调节阀被包括在副回路内， Kc2较大，副回路接近较大，副回路接近1 : 1的比例环节。的比例环

12、节。 4) 可兼顾两个变量可兼顾两个变量 主控制器的比例度选得较大时，它的输出变主控制器的比例度选得较大时，它的输出变化很小。这一输出是副调节器的设定值，因此副化很小。这一输出是副调节器的设定值，因此副变量的变化也将比较平稳，这样可使主、副两个变量的变化也将比较平稳，这样可使主、副两个变量都保持在一定范围之内。变量都保持在一定范围之内。5) 可以实现灵活控制方式，必要时可以切除主可以实现灵活控制方式，必要时可以切除主调节器调节器8.1.3 串级控制系统的设计串级控制系统的设计 主要三个问题：主、副变量的选择主要三个问题：主、副变量的选择; ;主、主、副调节器控制规律的选择副调节器控制规律的选择

13、; ;主、副调节器正、主、副调节器正、反作用的选择。反作用的选择。8.1.3.1 主、副变量的选择主、副变量的选择主变量的选择。主变量的选择。主变量是工艺要求稳定的量。主变量是工艺要求稳定的量。选取能直接、正确、迅速地反映控制要求的选取能直接、正确、迅速地反映控制要求的工艺变量，如无直接变量，则应选择与之有工艺变量，如无直接变量，则应选择与之有一一对应关系的间接变量，而且应便于测量、一一对应关系的间接变量，而且应便于测量、变送。变送。 副变量的选择。副变量的选择。 (1) 应当考虑工艺上静态特性的合理性。应当考虑工艺上静态特性的合理性。 操纵变量是先影响副变量，再由副变量去影响主变操纵变量是先

14、影响副变量，再由副变量去影响主变量。量。 (2) 副回路内必须包括主要扰动和尽量多的扰动。副回路内必须包括主要扰动和尽量多的扰动。 当扰动进入副回路时，副回路能迅速而强有力地克当扰动进入副回路时，副回路能迅速而强有力地克服它，因此在选择副变量时，一定要把主要扰动包括在服它，因此在选择副变量时，一定要把主要扰动包括在副回路内，以充分发挥串级控制的最大优点，把对主变副回路内，以充分发挥串级控制的最大优点，把对主变量影响最严重、最剧烈、最频繁的扰动因素抑制到最低量影响最严重、最剧烈、最频繁的扰动因素抑制到最低程度，以确保主变量的控制质量。程度，以确保主变量的控制质量。 (3) 适当分割主、副过程，在

15、时间常数和滞后上适适当分割主、副过程，在时间常数和滞后上适当匹配。当匹配。 8.1.3.2 主、副调节器控制规律的选择主、副调节器控制规律的选择 主调节器控制规律的选择与简单定值控制主调节器控制规律的选择与简单定值控制系统相同，采用系统相同，采用PID控制规律或控制规律或PI控制规律。控制规律。 副调节器的控制规律常采用比例作用，一副调节器的控制规律常采用比例作用，一般不引入积分作用，副变量允许有余差存在，般不引入积分作用，副变量允许有余差存在，而且副调节器的比例增益通常较大，控制作用而且副调节器的比例增益通常较大，控制作用强，余差小。副调节器一般不引入微分作用。强，余差小。副调节器一般不引入

16、微分作用。 8.1.3.3 主、副调节器正、反作用的选择主、副调节器正、反作用的选择 副控制器的正、反作用方向根据调节阀气副控制器的正、反作用方向根据调节阀气开、气关型式来决定。开、气关型式来决定。 主控制器是通过副回路才起作用，所以，主控制器是通过副回路才起作用，所以，其正、反作用应根据副变量对主变量的影响关系其正、反作用应根据副变量对主变量的影响关系来确定。来确定。 例：加热炉出口温度和炉膛温度串级控制例：加热炉出口温度和炉膛温度串级控制系统。从生产安全出发，燃料油阀宜选用气开式，系统。从生产安全出发，燃料油阀宜选用气开式，一旦气源中断，调节阀处于关闭状态，可避免炉一旦气源中断，调节阀处于

17、关闭状态，可避免炉管因过热而损坏。副调节器应选反作用，因为炉管因过热而损坏。副调节器应选反作用，因为炉膛温度测量值上升时，调节阀需要关小，此时要膛温度测量值上升时，调节阀需要关小，此时要求副调节器输出下降。对于主调节器，在炉出口求副调节器输出下降。对于主调节器，在炉出口温度上升时，炉膛温度必须降低，因此主调节器温度上升时，炉膛温度必须降低，因此主调节器须选反作用。须选反作用。 8.2 均匀控制系统均匀控制系统 均匀控制系统是指其所起的作用而言。均匀控制系统是指其所起的作用而言。 8.2.1 均匀控制系统的目的和要求均匀控制系统的目的和要求 炼油、化工都是连续生产过程，前一设备的出炼油、化工都是

18、连续生产过程，前一设备的出料往往就是后一设备的进料。如图所示前塔的出料就料往往就是后一设备的进料。如图所示前塔的出料就是后塔的进料。是后塔的进料。 要求前塔塔底液位和流出量两个变量都稳定显要求前塔塔底液位和流出量两个变量都稳定显然是有矛盾的，解决这一矛盾的方法是采用均匀然是有矛盾的，解决这一矛盾的方法是采用均匀 控制系统。控制系统。为了保证前塔的分为了保证前塔的分馏过程正常进行，馏过程正常进行，需要维持塔底液位需要维持塔底液位稳定。稳定。为了使操作稳定，为了使操作稳定，后塔进料流量也应后塔进料流量也应该平稳，该平稳， 均匀控制的两个特点：均匀控制的两个特点： (1) 表征前后供求矛盾的两个变量

19、都应该是表征前后供求矛盾的两个变量都应该是作缓慢变化的。作缓慢变化的。 图：前一设备的液位和后一设备的进料流量关系图：前一设备的液位和后一设备的进料流量关系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液位定值控液位定值控制制流量定值控流量定值控制制均匀控制均匀控制(2) 前后互相联系又互相矛盾的两个变量应前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在工艺操作所允许的范围内。保持在工艺操作所允许的范围内。8.2.2 均匀控制系统的形式均匀控制系统的形式8.2.2.1 简单均匀控制系统简单均匀控制系统 采用一个液位调节器实现均匀控制。从系统结构看，它像是一采用一个液位调节器实现均匀控制。从

20、系统结构看，它像是一个简单液位定值控制系统，但系统设计的目的不要求液位保持在设个简单液位定值控制系统，但系统设计的目的不要求液位保持在设定值上，只控制在一定范围内作缓慢变化。与定值控制的区别在于定值上，只控制在一定范围内作缓慢变化。与定值控制的区别在于调节器的参数整定上。均匀控制要求兼顾两个变量，控制作用弱，调节器的参数整定上。均匀控制要求兼顾两个变量，控制作用弱，为此，比例度适当加大，积分时间也适当增加。为此，比例度适当加大，积分时间也适当增加。 8.2.2.2 串级均匀控制系统串级均匀控制系统 当系统的自衡能力较强时，简单均匀控制系统对压当系统的自衡能力较强时，简单均匀控制系统对压力扰动反

21、应不够及时，控制效果较差。为此采用串级均匀力扰动反应不够及时，控制效果较差。为此采用串级均匀控制系统。控制系统。 此时，引入流量副回路，形成液位此时，引入流量副回路，形成液位-流量串级均匀控流量串级均匀控制系统，副回路所起的作用与串级控制系统中的副回路相制系统，副回路所起的作用与串级控制系统中的副回路相同，主回路的要求与简单均匀控制系统相同。同，主回路的要求与简单均匀控制系统相同。 8.3 比值控制系统比值控制系统 比值控制系统中至少有两种物料。起主导比值控制系统中至少有两种物料。起主导作用而又不可控的物料流量称为主动量，另一种作用而又不可控的物料流量称为主动量，另一种物料流量是随动的，称为从

22、动量。在数值上两者物料流量是随动的，称为从动量。在数值上两者保持一定比值。保持一定比值。 数学关系为数学关系为 ： R=q2/q1 式中，式中，R为流量比，为流量比，q2为从动量流量，为从动量流量，q1为主动为主动量流量。量流量。 8.3.1 比值控制系统的类型比值控制系统的类型 8.3.1.1 单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统 单闭环比值控制系统有两种：一种是将主动量的单闭环比值控制系统有两种：一种是将主动量的测量值经比值器乘以比值系数后，作为从动量调节器的测量值经比值器乘以比值系数后，作为从动量调节器的设定值，因此从动量能依一定比值关系随主动量而变化，设定值，因此从动量能依一定比值关系

23、随主动量而变化，这是随动控制系统，如图这是随动控制系统，如图(a)。另一种是把从动量和主。另一种是把从动量和主动量经过除法器得出相除的商作为被控变量，设定值为动量经过除法器得出相除的商作为被控变量，设定值为比值系数，这是定值控制系统，如图比值系数，这是定值控制系统，如图(b)。乘法方案乘法方案除法方案除法方案 8.3.1.2 双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统 如果要求主动量也保持定值，采用双闭环比值控如果要求主动量也保持定值，采用双闭环比值控制系统。制系统。 8.3.1.3 变比值控制系统变比值控制系统 在有些生产过程中，需要两种物料的比值随具体在有些生产过程中，需要两种物料的比值随具体工

24、况改变，比值系数由另一个控制器来设定，从而构成工况改变，比值系数由另一个控制器来设定，从而构成串级比值控制系统，也就是变比值控制系统。串级比值控制系统，也就是变比值控制系统。 在合成氨变换炉生产过程中，用蒸汽控制一段触在合成氨变换炉生产过程中，用蒸汽控制一段触煤层温度，蒸汽与半水煤气的比值需要随一段触煤层温煤层温度，蒸汽与半水煤气的比值需要随一段触煤层温度变化，这样就构成了串级比值控制系统。度变化，这样就构成了串级比值控制系统。8.4 分程控制系统分程控制系统8.4.1 分程控制基本概念分程控制基本概念 c(t) R (t) 执 行 器 对 象 测 量 变 送 控 制 器 - c(t) R(t

25、) 执 行 器1 对 象 测 量 变 送 控 制 器 - 执 行 器2 简单控制系统方块图及其特性简单控制系统方块图及其特性分程控制系统方块图及其特性分程控制系统方块图及其特性 100 0.1 控 制 信 号 0.02 阀 门 开 度 (% ) P /M P a 0 0.06 100 0.1 控 制 信 号 0.02 阀 门 开 度 (% ) P/M Pa 0 1 2 分程控制系统分程控制系统 简单控制系统是一个控制器的输出控制一简单控制系统是一个控制器的输出控制一个调节阀动作，而分程控制系统是一个控制器的个调节阀动作，而分程控制系统是一个控制器的输出去同时控制几个工作范围不同的调节阀。输出去

26、同时控制几个工作范围不同的调节阀。 分程的动作是通过阀门定位器实现的。分程的动作是通过阀门定位器实现的。它它将调节器的输出信号分成几段，每段控制一个阀将调节器的输出信号分成几段，每段控制一个阀门动作。例如，一个阀门定位器的输入范围是门动作。例如，一个阀门定位器的输入范围是20-60kPa，另一个是，另一个是60-100kPa，不论哪一段，不论哪一段，输出到调节阀上的气压信号都是输出到调节阀上的气压信号都是20-100kPa，使阀门全行程动作。使阀门全行程动作。分程控制特性类型分程控制特性类型：两个阀门时，有以下两个阀门时，有以下4 4种情况种情况 0.06 100 0.1 控制信号 0.02

27、阀门 开度 (%) P/MPa 0 1 2 (a) 0.06 100 0.1 控制信号 0.02 阀门 开度 (%) P/MPa 0 1 2 (b) 0.06 100 0.1 控制信号 0.02 阀门 开度 (%) P/MPa 0 1 2 c) 0.06 100 0.1 控制信号 0.02 阀门 开度 (%) P/MPa 0 1 2 (d) 分程控制特性类型分程控制特性类型8.4.1 分程控制的应用分程控制的应用例例1：反应器温度分程控制：反应器温度分程控制 反应过程要求开始时用蒸汽加热升温以引发化学反应，反反应过程要求开始时用蒸汽加热升温以引发化学反应，反应开始后，由于合成过程中放出热量，若

28、不及时移走反应热，则应开始后，由于合成过程中放出热量，若不及时移走反应热，则反应越来越剧烈，以致产生爆炸事故，所以要通入冷水降温将热反应越来越剧烈，以致产生爆炸事故，所以要通入冷水降温将热量移去。为此设置了量移去。为此设置了(a)图的分程控制系统，它由一个反作用调图的分程控制系统，它由一个反作用调节器、气关冷水调节阀节器、气关冷水调节阀A和气开蒸汽阀和气开蒸汽阀B所组成。当调节器输出所组成。当调节器输出信号在信号在20-60kPa变化时，阀变化时，阀A由全开至全关；信号在由全开至全关；信号在60-100kPa变化时，阀变化时，阀B由全关至全开，两个阀的动作情况如由全关至全开，两个阀的动作情况如

29、(b)。TTTC蒸汽冷水A 气关阀B 气开阀图图a 反应器温度分程控制反应器温度分程控制100阀开度（%）P(kPa)02060100气关阀 气开阀AB图图b 调节阀分程动作关系调节阀分程动作关系 这一反应的进行和控制过程如下：反应开始前，反应器内温度这一反应的进行和控制过程如下：反应开始前，反应器内温度低于设定值，反作用调节器输出信号增大，打开阀低于设定值，反作用调节器输出信号增大，打开阀B，用蒸汽对冷，用蒸汽对冷水加热以获得热水，再通过夹套对反应器加热使之升温促使反应开水加热以获得热水，再通过夹套对反应器加热使之升温促使反应开始。由于是放热反应，一旦反应进行后，将产生热量，使反应温度始。由

30、于是放热反应，一旦反应进行后，将产生热量，使反应温度升高，当大于设定值后，调节器输出开始下降，渐渐关闭阀升高，当大于设定值后，调节器输出开始下降，渐渐关闭阀B，接，接着打开阔着打开阔A，通入冷水，移走反应热，直至把反应温度控制在设定，通入冷水，移走反应热，直至把反应温度控制在设定值为止。当调节器输出为值为止。当调节器输出为60kPa时，两个阀都应全关。时，两个阀都应全关。8.6 前馈控制系统前馈控制系统8.6.1 前馈控制的概念前馈控制的概念反馈控制（闭环控制）：反馈控制（闭环控制）：控制器按照被控变量与设控制器按照被控变量与设定制的偏差来进行控制。定制的偏差来进行控制。存在的问题：存在的问题：当被控变量偏离设定值，产生偏差后当被控变量偏离设定值，产生偏差后才进行控制，使得控制作用滞后。才进行控制，使得控制作用滞后。前馈控制（开环控制）：前馈控制（开环控制）：控制器根据扰动或设定值控制器根据扰动或设定值的变化按补偿原理进行工作。的变化按补偿原理进行工作。特点：特点：扰动产生后，被控变量还未变化之前，根据扰动产生后，被控变量还未变化之前，根据扰动的大小施加控制，控制超前。扰动的大小施加控制，控制超前。8.6.2 前馈控制与反馈控制的比较前馈控制与反馈控制的比较 T 被加