第7章_复杂过程控制系统

1、主要内容主要内容7.1 串级控制系统7.2 前馈控制系统7.3 大滞后过程控制系统7.4 比值控制系统7.5 选择性控制系统7.6 分程过程控制系统第七章 复杂过程控制系统7.1 串级控制系统-基本原理 串级控制系统-由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值。 举例1：加热炉温度控制选取物料出口温度为被控参数，炉膛温度为中间辅助变量，把物料出口温度调节器的输出作为炉膛温度给定值；燃料量为控制参数7.1 串级控制系统-基本原理 1. 能迅速克服进入副回路的干扰 7.1 串级控制系统-特点 *022022c2v02m2( )( )( )( )1( )( )(

2、)( )GsY sGsF sGs G s Gs Gs*c1c2v02011*1c1c2v0201m1( )( )( )( )( )( )( )1( )( )( )( )( )( )Gs Gs G s Gs GsY sR sGs Gs G s Gs Gs Gs*02011*2c1c2v0201m1( )( )( )( )1( )( )( )( )( )( )Gs GsY sF sGs Gs G s Gs Gs Gs11c1c2v12( )( )( )( )( )( )( )Y s R sG s Gs G sY s F s越接近于“1”，则系统的控制性能越好越接近于“零”，则系统的抗干扰能力越强。

3、 衡量控制系统控制性能和抗干扰能力的综合指标。该比值越大，系统的控制性能和抗干扰能力越强。 2.改善了过程的动态特性，提高了系统的工作频率 7.1 串级控制系统-特点 010201 020102010201 020102()1()1TTT TTTTTT TTT串单01020102TTTT串单当主、副被控过程的时间常数比值一定时，副控制器的比例增益越大，串级控制系统的工作频率就越高；而当副控制器的比例放大系数一定时，时间常数比值越大，串级控制系统的工作频率也越高。系统工作频率提高，使系统的振荡周期缩短，从而提高整个系统的控制质量。 c2v02020202c2v02m20202(1)( )1(1)

4、1K K KT sKGsK K K KT sT s02020202,TTKK3. 对负荷和操作条件的变化适应性强 7.1 串级控制系统-特点 副被控过程的等效放大系数： c2v0202c2v02m21K K KKK K K K对非线性过程，如果负荷变化过大，即偏离该工作点较远，若采用单回路控制系统，且不重新整定控制器参数，控制质量就会下降。 当副被控过程或调节阀的放大系数随负荷变化时，对副被控过程等效放大系数的影响不大，因此不需要重新整定控制器参数；副回路是一个随动系统，当负荷或操作条件改变时，主控制器将改变其输出，调整副控制器的设定值，从而使系统能快速适应上述变化，保持较好的控制品质。 c2

5、vm20211K K KK副参数的选择-必须是物理可测的，-应使副回路调节过程的时间常数小，时间滞后小。目的：调节通道尽可能短，使等效的时间常数减小，提高整个系统的工 作效率，加快反应速度，缩短调节时间，改善系统的控制品质。（1）7.1 串级控制系统-设计1.副回路的设计与副被控变量的选择 （2）副回路应包括生产过程中变化剧烈、频繁而且幅度大的主要干扰 扰动不能太多，否则使通道加长，时间常数变大，不利于副回路快速克服扰动。3）使主副过程的时间常数适当匹配 原则上，主、副回路时间常数之比应在310范围内7.1 串级控制系统-设计1.副回路的设计与副被控变量的选择 当主、副回路的工作频率相互接近时

6、，容易引起“共振”，即当一个参数发生振荡时，会使另一个参数也发生振荡，不利于生产正常进行。 （4）副回路设计应考虑工艺上的合理性和经济性7.1 串级控制系统-设计1.副回路的设计与副被控变量的选择 将冷剂液位作为副被控变量。该方案投资少，适用于对出口温度的控制质量要求不高场合 以冷剂蒸发压力作为副被控变量，该方案投资多，但副回路相当灵敏，出口温度的控制质量比较高。 主调节器起定值控制作用，副调节器起随动作用。主调节器选用PI或PID控制规律调节器选择P控制规律主参数是工艺操作的主要指标，主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围小，一般要求无余差允许波动的范围小，一般要求无余差副参数的设置是为

7、了主参数的控制质量，副参数的设置是为了主参数的控制质量，可允许在一定的范围内变化，允许有余差可允许在一定的范围内变化，允许有余差2.主、副控制器控制规律的选择 7.1 串级控制系统-设计7.1 串级控制系统-设计序号主被控过程(K01)副被控过程(K02)调节阀(Kv)主控制器(Kc1)副控制器(Kc2)1正正正1正2正2正正负正负3负负正负负4负负负负正5负正正负正6负正负负负7正负正正负8正负负正正3.主、副控制器正、反作用方式 参数整定实质通过改变调节器的PID参数来,改善系统的静态和动态特性，以获得最佳控制质量。7.1 串级控制系统-参数整定 两步整定法逐步逼近法 1）逐步逼近法1）在

8、主回路断开的情况下，求取副调节器的整定参数，2）将副调节器的参数设置在所求的数值上，使串级控制系统主回路闭合，以求取主调节器的整定参数值，3）将主调节器参数设置在所求值上，再进行整定求出第二调节器的整定参数值。7.1 串级控制系统-参数整定 1）整定求取副调节器的比例度和操作周期。2）求取主调节器的比例度和操作时间 。3）计算主、副调节器的比例度，积分时间和微分时间的数值。 4）必要时进行适当的调整 ，直到系统质量达到最佳为止。 将副调节器的比例度置于所得数值上，把副回路作为主回路的一个环节用同样方法整定工况稳定，主回路闭合，主、副回路都在纯比例作用的条件下，主调节器的比例度置100%， 用单

9、回路控制系统的衰减曲线法按先副后主，先比例，后积分，最后微分的整定程序，设置主、副调节器参数，再观察过渡过程曲线2）两步整定法7.1 串级控制系统-参数整定 根据副过程的特性或经验先确定副调节器的， 然后再按照单回路控制系统的整定方法整定贮调节器的参数。（1）当生产工况稳定，系统在纯比例作用下， 由KC1KC20.5或由经验确定KC2，并设置在副调节器上；（2）按照单回路控制系统的衰减曲线法， 整定主调节器的参数；（3）观察被控过程，根据KC1与KC2互相匹配的原理， 适当调整调节器的参数使主被控参数满足工艺要求。步骤3）一步整定法7.1 串级控制系统-参数整定 1)应用于克服被控过程较大的容

10、量滞后；7.1 串级控制系统-应用 7.1 串级控制系统-应用 2) 用于纯滞后较大的过程 3) 应用于抑制变化剧烈而且幅度大的扰动；7.1 串级控制系统-应用 4) 应用于参数关联过程7.1 串级控制系统-应用 5)应用于非线性过程7.1 串级控制系统-应用 7.2 前馈控制系统 当扰动发生后，经过过过程的扰动通道引起被控量的变化时，前馈控制器根据扰动的性质和大小对过程通道施加抑制，使被控量发生于前者相反的变化，以抵消扰动对被控量的影响。7.2 前馈控制系统-原理 换热器温度反馈控制 换热器温度前馈控制 7.2 前馈控制系统-原理 干扰通过干扰通道产生干扰作用影响被控量 干扰通过检测变送单元

11、和前馈控制产生补偿控制作用，再经过过程的控制通道去影响输出量 控制作用和干扰作用对被控量的影响是相反的。当两种作用对被控量的影响大小相等时，被控量就不会随着干扰而变化，抵消了干扰对被控量的影响。 FB0( )( )( )( )0( )Y sG sGs G sF s满足不变性要求的前馈控制器 FB0( )( )( )GsGsGs 1）前馈控制属于开环控制。 -只要系统中各环节是稳定的，控制系统必然稳定。 反馈控制是闭环控制。 -即使各环节稳定，也不能保证闭环系统稳定。 2）前馈控制是“基于干扰来消除干扰对被控量的影响”。 -通过前馈控制器的补偿作用及时抑制干扰对被控变量的影响。 反馈控制是“基于

12、偏差来消除偏差”。 -当干扰引起被控变量产生偏差后才能产生控制作用。3）前馈控制器的控制规律取决于过程特性，是一个专用控制器。 反馈控制系统中，控制器通常采用P、PI、PD、PID等典型控制策略。 4）前馈控制只能抑制可测不可控的干扰对被控变量的影响。 反馈控制则对包含在其回路中的多种干扰都具有抑制作用。 7.2 前馈控制系统-特点7.2 前馈控制系统-局限性1）只能克服可测不可控的干扰，对不可测干扰无法实现前馈控制。 实际生产过程中存在着很多干扰。针对每个干扰设置一套前馈控制器， 系统复杂且投资增加，是不现实的。2）前馈控制器的调节规律取决于过程的干扰通道特性和控制通道特性。 准确掌握上述特

13、性是困难的，前馈控制器难以获得；工程上难于实现。 被控过程的非线性，使其动态特性发生变化，原有前馈控制器不再 适用，无法实现干扰的动态完全补偿。前馈控制往往不能单独使用。 1）静态前馈控制系统7.2 前馈控制系统-结构形式 前馈控制器采用比例控制FBB0( )KGsKK 前馈控制器比例增益过程干扰通道的静态放大系数过程控制通道的静态放大系数只能保证被控变量的静态偏差接近或等于零。简单，不用专用控制器，用DDZ-型仪表中比例控制器或比值器就满足要求。当干扰通道与控制通道的时间常数相差不大时，采用静态前馈控制。 2）动态前馈控制系统7.2 前馈控制系统-结构形式 消除控制过程的动态偏差。当干扰通道

14、与控制通道的动态特性，采用专门控制器，结构复杂。干扰变化频繁且动态控制精度要求高的过程，采用动态前馈控制。 FB0( )( )( )GsGsGs 3）前馈-反馈复合控制系统c0FB0c0c0( )( )( )( )( )( )( )( )1( )( )1( )( )G s G sG sG s G sY sR sF sG s G sG s G s反馈控制前馈控制干扰F(s)对被控量的影响要比采用单纯前馈控制时减小1+ Gc(s)G0(s)倍 FB0c0( )( )( )( )0( )1( )( )G sGs G sY sF sG s G sc01( )( )0G s G s系统稳定性由反馈控制回

15、路决定。加不加前馈控制器并不影响系统的稳定性。7.2 前馈控制系统-结构形式 4）前馈-串级复合控制系统 串级控制前馈控制*c10102FB010211*c10102c10102( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )1( )( )( )1( )( )( )Gs Gs GsG sGs Gs GsY sR sF sGs Gs GsGs Gs Gs*FB01021*1c10102( )( )( )( )( )0( )1( )( )( )GsGs Gs GsY sF sGs Gs GsB*0102( )( )( )( )FGsGsGs Gs G02*(s)1 B01( )( )(

16、 )FGsGsGs 多个变化频繁且剧烈的干扰影响，同时对被控变量的控制质量和稳定性要求较高 7.2 前馈控制系统-结构形式 1）实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测既不可控性2）当过程控制通道的时间常数比干扰通道的时间常数大，且反馈控制不 及时而导致控制质量较差时，选用前馈控制。3）当主要干扰无法用串级控制使其包含在副回路内或者副回路滞后过大 时，选用前馈控制。4）经济性原则。通常动态前馈控制器的投资高于静态前馈控制器。 若静态前馈控制能够达到工艺要求时，应采用静态前馈控制。 7.2 前馈控制系统-选用原则7.3 大滞后控制系统-原理 当控制作用产生后，在滞后时间范围内，被控变量没有输出响应。

17、 /0.3T/0.3T一般滞后过程 大滞后过程 7.3 大滞后控制系统-原理 1）检测信号提供不及时而产生的纯滞后，会导致控制器不能及时产生控制作用，影响控制质量。2）控制量的介质传输而产生的纯滞后，会导致执行器的调节作用不能及时作用，影响调节效果。3）纯滞后会引起开环相频特性的相角滞后随频率的增大而增大，其开环频率特性包围（-1,j0）点的可能性增大，导致闭环系统的稳定裕度下降，超调量增大，过渡过程时间增加，稳定性降低。为保证系统的稳定裕度不变，就要减小控制器的放大系数，从而造成控制质量的下降。7.3大滞后控制系统-史密斯预估控制根据过程特性预先估计出被控过程的动态模型，然后设计一个预估器对

18、其进行补偿，力图使被滞后的被控量超前反映到控制器的输入端，使控制器提前动作，减小超调量、加速调节过程。 7.3大滞后控制系统-史密斯预估控制没有预估补偿器的单回路控制系统 c0c0( )( )( )( )1( )( )ssG s G s eY sR sG s G s e有预估补偿器的单回路控制系统 闭环特征方程式中含有的滞后项，会对系统的稳定性产生不利影响。0s0( )( )( )( )( )sY sGs eG sGsU ss0( )( )(1)sG sG se7.3大滞后控制系统-史密斯预估控制c0csc0c0csc0cs( )( )1( )( )( )( )( )( )( )( )1( )

19、( )( )( )11( )( )ssssGs Gs eGs GsGs Gs eY sGs Gs eR sGs GsGs Gs eGs Gsc0c0c0c0c0( )( )( )( )1( )( )(1)( )( )1( )( )ssssG s G s eG s G s eG s G seG s G s eG s G s消除了纯滞后对系统控制品质的不利影响。 7.3大滞后控制系统-改进型史密斯预估控制史密斯预估器的设计需要知道被控过程的精确数学模型。如果被控过程的特性不能精确得到，就很难得到预期的控制效果。 目的-两种物料保持比值关系。 q1主物料， q2从物料。工业过程中，经常需要控制两种或

20、两种以上的物料保持一定的比例关系. 如：造纸过程中，纸浆和水要成一定的比例关系 石化重油气化，重油和氧气量要成一定的比例关系 锅炉燃烧，煤气和空气成一定的比例关系，等等 7.4 比值控制系统 主物料主物料/ /主流量：主流量： 处于比值控制中的主导地位 q1从物料从物料/ /从流量：从流量： 按主物料进行配比 q2 比值控制系统：要求副流量q2与主流量q1成一定的比值关系，K为流量比值 12qqK 7.4 比值控制系统-概念 开环比值控制系统当主动量发生变化时，通过控制调节阀来调节从动量，从而使两种物料的流量在稳定工况下满足比例要求。 主动量或从动量均没有流量自控作用。适用于从物料比较稳定，且

21、比值控制精度要求不高的场合。 7.4 比值控制系统-分类 单闭环比值控制系统具有一个闭合的副流量控制回路。从动量是闭环随动系统，主动量是开环的，结构简单；能确保二者比值不变。由于主动量不受控制，因而不能保证总流量固定，这对于负荷变化较大且直接参与化学反应的过程是不适宜的。 7.4 比值控制系统-分类 双闭环比值控制系统主动量控制回路能克服主动量干扰，实现对主动量的定值控制；从动量控制回路抑制作用于从动量回路中的干扰，使主、从动量均比较稳定，能保持在一定的比值，使总物料量也保持平稳。 缺点：使用的仪表较多；若主副回路工作频率相近时，容易产生共振 7.4 比值控制系统-分类 变比值控制系统按工艺指

22、标自行修正比值系数的比值控制系统。按工艺指标自行修正比值系数的比值控制系统。7.4 比值控制系统-分类 7.4 比值控制系统-设计 2）控制方案的确定 单闭环比值控制: 适用于主动量不可控，或者主动量可控但变化不大的情况;从动回路控制器要求具有稳定从动量的作用，因此选用PI控制。 双闭环比值控制: 适用于主动量可测可控但变化较大的情况，其中的主、从动回路控制器要起到稳定各自物料流量的作用，因此均选用PI控制。 变比值控制: 适用于比值需要由另一个控制器来调节的情况，其控制器设计按照串级控制系统中的选取原则。1）主动量和从动量的选取 主动量：一般选用在生产过程中起主导作用、可测但不可控、影响到生

23、产安 全且较昂贵的过程变量； 从动量：既可测又可控，并需要保持一定比值的过程变量。7.4 比值控制系统-实施 采用相乘式时，比值运算器FY为乘法器，将主动量检测值与给定比值的乘积作为从动量控制器的给定值。 采用相除式，比值运算器为除法器，将主动量检测值与从动量检测值实际比值作为从动量控制器实测反馈值，从动量控制器根据给定比值来控制调节阀。 7.4 比值控制系统-整定 双闭环比值控制的主动量回路-按单回路控制系统整定。变比值控制的主控制器-按串级控制系统的整定方法。从动量回路的整定: 从动量回路本质上是随动控制系统，要求从动量快速、准确地跟随主动量变化，而且不宜有超调，所以需要将参数整定在振荡与

24、不振荡的临界状态。 7.4 比值控制系统-整定 具体步骤 根据生产工艺要求，计算比值控制器的比值系数，并将系统投入运行。 将积分时间置于最大，并由大到小逐渐调节比例度，使系统处于振荡与不振荡的临界状态。 投入积分作用时，先适当增大比例度，再投入积分作用，并逐步减小积分时间，直到系统出现临界状态。7.5 选择性控制系统-概念 将工艺生产过程的限制条件所构成的逻辑关系叠加到正常自动控制系统上去的一种控制方法。当生产操作趋向极限条件时，通过选择器，选择一个用于不正常工况下的备用控制系统自动取代正常工况下的控制系统；待工况脱离极限条件回到正常工况后，备用控制系统又通过选择器自动脱离进入备用状态，同时将正常工况下的控制系统自动投入运行。7.5 选择性控制系统-分类 1）选择器位于控制器输出端，对控制器输出信号进行选择的系统 生产正常时，正常控制器的输出信号控制调节阀，取代控制器处于开路状态。生产工况不正常时，取代控制器对系统进行控制，正常控制器处于开路状态。一旦生产状况恢复正常，选择器进行自动切换，重新由正常控制器来控制生产的正常进行。 两个控制器共用一个调节阀。7.5