-复合控制系统

1、L/O/G/O第十三章第十三章 自动控制系统自动控制系统13-1 简单控制系统简单控制系统13-2 复合控制系统复合控制系统13-3计算机控制系统计算机控制系统13-1 单回路控制系统单回路控制系统一、被控变量的选取一、被控变量的选取v 1、选择对产品产量和质量、安全生产、经济运行和环境、选择对产品产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护等具有决定作用的，可直接测量的工艺参数作为被控保护等具有决定作用的，可直接测量的工艺参数作为被控变量。变量。v 2、当不能用直接参数作为被控变量时，应选择与直接参、当不能用直接参数作为被控变量时，应选择与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控变量。数有单值函

2、数关系的间接参数作为被控变量。v 3、被控变量必须具有足够大的灵敏度。、被控变量必须具有足够大的灵敏度。v 4、被控变量的选取，必须考虑工艺过程的合理性和所采、被控变量的选取，必须考虑工艺过程的合理性和所采用的测量仪表的性能。用的测量仪表的性能。二、操作量的选取二、操作量的选取v 1、对象静态特性对控制质量的影响、对象静态特性对控制质量的影响v 主要指对象控制通道或干扰通道的静态放大系数对控制质主要指对象控制通道或干扰通道的静态放大系数对控制质量的影响。量的影响。v 2、对象动态特性对控制质量的影响、对象动态特性对控制质量的影响v （1）干扰通道动态特性的影响）干扰通道动态特性的影响v （2）

3、控制通道动态特性的影响）控制通道动态特性的影响v （3）选择控制参数的一般原则）选择控制参数的一般原则 v （a）选择控制通道的静态放大系数）选择控制通道的静态放大系数 要适当大一些，时间要适当大一些，时间常数要适当小一些，纯滞后时间则愈小愈好；常数要适当小一些，纯滞后时间则愈小愈好；v （b）选择干扰通道的静态放大系数）选择干扰通道的静态放大系数 应尽可能小，时间常应尽可能小，时间常数数 愈大，干扰引入系统的位置离被控变量愈远，控制质量愈大，干扰引入系统的位置离被控变量愈远，控制质量愈高；愈高；v （c）当广义对象的控制通道由数个一阶惯性环节组成时，）当广义对象的控制通道由数个一阶惯性环节组

4、成时，为了提高系统的品质指标，应尽量使各环节时间常数错开为了提高系统的品质指标，应尽量使各环节时间常数错开，即使，即使 减少，减少， 增加，系统稳定；增加，系统稳定；v （d）应注意工艺上是允许的控制变量。）应注意工艺上是允许的控制变量。三、控制规律的选择三、控制规律的选择v（一）选择原则（一）选择原则v主要根据广义对象（包括加热、加湿等装置）特性主要根据广义对象（包括加热、加湿等装置）特性、负荷变化状况（大小、速度）、主要干扰和对控、负荷变化状况（大小、速度）、主要干扰和对控制品质的要求等方面。制品质的要求等方面。v（二）线性控制规律的选择（二）线性控制规律的选择v1、比例控制（、比例控制（

5、P）v2、比例积分控制（、比例积分控制（PI）v3、比例微分控制、比例微分控制v4、比例积分微分控制、比例积分微分控制四、控制系统的调整四、控制系统的调整v1、经验试凑法、经验试凑法v（1）将）将T1放在最大位置上，放在最大位置上，TD放在最小位置上（即放在最小位置上（即TD=0），从大到小），从大到小改变比例带直到得到较好的调节过程曲线。改变比例带直到得到较好的调节过程曲线。v （2）将上述比例带放大到）将上述比例带放大到1.2倍，从大到小改变积分时间，以求得较好的倍，从大到小改变积分时间，以求得较好的控制过程曲线。控制过程曲线。v （3）积分时间）积分时间T1保持不变，改变（增大或减小）比

6、例带，观察控制过程曲保持不变，改变（增大或减小）比例带，观察控制过程曲线是否改善，则继续调整比例带减小一些，再变更积分时间，以改善调节过线是否改善，则继续调整比例带减小一些，再变更积分时间，以改善调节过程曲线。如此多次反复，直至找到合适的比例带和积分时间。程曲线。如此多次反复，直至找到合适的比例带和积分时间。v （4）初步整定和）初步整定和T1值之后，引入微分时间值之后，引入微分时间TD，引入微分后可适当减小比，引入微分后可适当减小比例带和几分时间，设置微分时间为积分时间的例带和几分时间，设置微分时间为积分时间的1/61/4。观察控制过程曲。观察控制过程曲线，还可适当调整比例带、积分时间和微分

7、时间。线，还可适当调整比例带、积分时间和微分时间。2、临界比例带法、临界比例带法v 当控制系统在纯比例控制作用下，开始作周期性的等幅振荡时，称调节系当控制系统在纯比例控制作用下，开始作周期性的等幅振荡时，称调节系统处于统处于“临界振荡临界振荡”状态。此时控制器的比例带称状态。此时控制器的比例带称“临界比例带临界比例带”，以，以 表表示，此时的振荡周期为临界周期，以示，此时的振荡周期为临界周期，以 表示。表示。v 整定步骤：整定步骤：v （1）将）将T1放在最大位置上，微分时间放在最小位置上（即放在最大位置上，微分时间放在最小位置上（即TD=0），）， 取取最大值，逐步减小最大值，逐步减小 ，直

8、至被调量的记录曲线出现等幅振荡为止，这时得到，直至被调量的记录曲线出现等幅振荡为止，这时得到临界比例带临界比例带 和临界周期和临界周期 。v （2）在表）在表13-4中，根据中，根据 、 之值，可计算求得控制器各参数值之值，可计算求得控制器各参数值 、T1和和TDv （3）在控制器上，取稍大于求的比例带值，再依次调整所需的积分和微）在控制器上，取稍大于求的比例带值，再依次调整所需的积分和微分时间，最后把比例带放在上述计算值；若被调量记录曲线不符合要求，分时间，最后把比例带放在上述计算值；若被调量记录曲线不符合要求，在适当调整控制器的参数。在适当调整控制器的参数。3、相应曲线法、相应曲线法v 根

9、据对象阶跃反应曲线进行的，不需要反复试凑，整定事件短，尤其适根据对象阶跃反应曲线进行的，不需要反复试凑，整定事件短，尤其适用于对象特性已经掌握的情况用于对象特性已经掌握的情况。 v 13-2 多回路控制系统多回路控制系统v一、串级控制系统一、串级控制系统 TCFC串级控制系统：串级控制系统：特点：特点： TCFC温度控制器流量控制器流量控制器控制阀控制阀流量变送器流量变送器流量对象流量对象温度对象温度对象温度变送器温度变送器 F形成两个环: 副环或副回路“ 粗调”作用 主环或主回路“ 细调”作用 定值控制系统，给定值由工艺设定，主控制器输出作为副控制器的设定 随动控制系统，给定值由主控制器输出

10、给定，副控制器输出控制控制阀F副环中有副调节器、副变送器、副对象以及调节阀主环中有主调节器、主变送器、主对象，无调节阀TCFC蒸汽蒸汽进料进料 流量控制器：流量控制器：“粗调粗调” 温度控制器：温度控制器：“细调细调” 蒸汽流量突然增大蒸汽流量突然增大（一段时间：提馏段温度不变，温度控制器输出不（一段时间：提馏段温度不变，温度控制器输出不变，流量控制器设定值不变，但流量测量增大变，流量控制器设定值不变，但流量测量增大（流量控制器正偏差，（流量控制器正偏差，流量控制器输出减小，控制阀关小）流量控制器输出减小，控制阀关小）蒸汽流量减小，削弱对提馏段温蒸汽流量减小，削弱对提馏段温度的影响）度的影响）

11、 提馏段温度缓慢上升提馏段温度缓慢上升（温度控制器正偏差，温度控制器输出减小，（温度控制器正偏差，温度控制器输出减小，输出到流量控制器的设定值减小）输出到流量控制器的设定值减小）流量控制器设定值减小，流量控制流量控制器设定值减小，流量控制阀开度进一步减小。阀开度进一步减小。FCFCspsp 温度控制器：温度控制器：“细调细调” 结论：结论：流量控制器：流量控制器：“粗调粗调”温度控制器流量控制器流量控制器控制阀控制阀流量对象流量对象温度对象温度对象温度变送器温度变送器流量变送器流量变送器 主变量是生产工艺的主要操作指标，要求比较严格，主变量是生产工艺的主要操作指标，要求比较严格，一般不允许有余

12、差一般不允许有余差 副变量是粗调，一般要求不严格，允许有波动和余差；副变量是粗调，一般要求不严格，允许有波动和余差；主控制器（定值控制）一般选择比例积分控制规律，有时为了克服主控制器（定值控制）一般选择比例积分控制规律，有时为了克服对象滞后，也加入微分作用；对象滞后，也加入微分作用；副控制器（随动控制）力求快速反应，所以，一般不加入积分作用，副控制器（随动控制）力求快速反应，所以，一般不加入积分作用，只选择比例控制规律；只选择比例控制规律；只要主控制器有积分规律，主变量就可以保证没有余差，不管干扰只要主控制器有积分规律，主变量就可以保证没有余差，不管干扰出现在什么位置。出现在什么位置。（1）主

13、、副控制器控制规律的选择）主、副控制器控制规律的选择 选择顺序：先副后主选择顺序：先副后主 副控制器：副回路按单回路独立考虑，与主回路没有关系副控制器：副回路按单回路独立考虑，与主回路没有关系 即从稳定性考虑，开环放大倍数必须为即从稳定性考虑，开环放大倍数必须为“负负” 要求，知道副对象的符号，以及控制阀的符号要求，知道副对象的符号，以及控制阀的符号 主控制器：考虑主环内各个环节的符号情况主控制器：考虑主环内各个环节的符号情况 主控制器、主对象，以及副回路。主控制器、主对象，以及副回路。 副回路可以看作是一个符号为副回路可以看作是一个符号为“正正”的环节的环节 随动系统，跟踪主随动系统，跟踪主

14、控制器的输出。控制器的输出。 （2）主、副控制器正反作用的选择）主、副控制器正反作用的选择主控制器的符号主要取决于主对象的符号，即，主对象偏差为正，则主主控制器的符号主要取决于主对象的符号，即，主对象偏差为正，则主控制器控制阀门关小，主对象偏差为负，则主控制器开大阀门；控制器控制阀门关小，主对象偏差为负，则主控制器开大阀门； 例例2 2 加热炉出口温度与燃料压力的串级控制系统加热炉出口温度与燃料压力的串级控制系统PCTC燃料燃料物料物料副控制器：副控制器： 控制阀选控制阀选“气开气开”式式正正 副对象，压力对象，阀门开大，负，反作用副对象，压力对象，阀门开大，负，反作用 压力上升压力上升正正

15、变送器一般均为正变送器一般均为正主控制器：主控制器： 副环副环正正 主对象，温度对象，主对象，温度对象， 燃料压力增大时，燃料量增加，负，反作用燃料压力增大时，燃料量增加，负，反作用 出口温度上升出口温度上升正正例例3 3精馏塔提馏段温度与再沸器加热蒸汽流量串级控制系统精馏塔提馏段温度与再沸器加热蒸汽流量串级控制系统副控制器：副控制器： 控制阀选控制阀选“气闭气闭”式式负负 正对象，流量对象，阀门开大，正对象，流量对象，阀门开大， 流量增大流量增大正正 变送器一般均为正变送器一般均为正主控制器：主控制器： 副环副环正正 主对象，温度对象，主对象，温度对象， 蒸汽流量增大时，加热量增加，蒸汽流量

16、增大时，加热量增加， 提馏段温度上升提馏段温度上升正正FCTC结论结论 串级串级主控：用主控制器代替原副控制器的输出，直接控制控制阀主控：用主控制器代替原副控制器的输出，直接控制控制阀 主控主控串级：用副控制器代替原主控制器的输出，直接控制控制阀串级：用副控制器代替原主控制器的输出，直接控制控制阀 无论哪种切换，必须保证阀的控制方向正确无论哪种切换，必须保证阀的控制方向正确直接切换条件直接切换条件 （3）串级与主控的切换条件）串级与主控的切换条件 特别是干扰出现在副环内的时候，相当于两个控制器进行特别是干扰出现在副环内的时候，相当于两个控制器进行控制，副控制，副“粗调粗调”，主，主“细调细调”

17、，副环起到超前调节的作用，副环起到超前调节的作用 据统计，当干扰作用于副环时，控制质量可提高据统计，当干扰作用于副环时，控制质量可提高10100倍，倍，干扰作用于主环时，也可提高干扰作用于主环时，也可提高25倍倍 例：精馏塔提馏段温度控制系统 1）副环干扰 2）主环干扰（2）串级控制系统具有较强的抗干扰能力）串级控制系统具有较强的抗干扰能力（3）串级系统具有一定的自适应能力）串级系统具有一定的自适应能力 自适应问题：控制器的参数往往是根据一定的控制对象自适应问题：控制器的参数往往是根据一定的控制对象设置的，设置的， 当控制对象特性发生变化时（非线性特性，当控制对象特性发生变化时（非线性特性，操

18、作条件变化、负操作条件变化、负 荷变化），原来好的控制器参数就荷变化），原来好的控制器参数就变得不好了（不适应了）变得不好了（不适应了） 串级系统中，副控制系统是随动系统，主控制器可根据串级系统中，副控制系统是随动系统，主控制器可根据操作条件的变化，不断修改副控制器的给定值操作条件的变化，不断修改副控制器的给定值自适应能力自适应能力 “能力有限能力有限”，自适应控制（现代控制技术），自适应控制（现代控制技术） 串级系统的关键在于副环的设计串级系统的关键在于副环的设计 设计合理，能有效发挥串级系统的优势设计合理，能有效发挥串级系统的优势 设计不合理，失去了串级的意义，而使控制系统复杂化设计不合理

19、，失去了串级的意义，而使控制系统复杂化 关键：对工艺进行细致的分析关键：对工艺进行细致的分析 包含有两方面的内容包含有两方面的内容:1) 主参数的确定主参数的确定2) 副参数的确定副参数的确定例例5 5加热炉出口温度控制系统加热炉出口温度控制系统PCTCA）炉出口温度与燃料压力串级方案）炉出口温度与燃料压力串级方案燃料压力波动燃料压力波动例例6 6加热炉出口温度控制系统加热炉出口温度控制系统B）炉出口温度与炉膛温度串级方案）炉出口温度与炉膛温度串级方案燃料组成波动燃料组成波动TC2TC1 TC1TC2例例 7 7醋酸乙烯合成反应器反应温度控制系统醋酸乙烯合成反应器反应温度控制系统。 PC2PC

20、2 =0.216(n=1:4)2.01.01/320.51.01.5c0.60 图图 丙烯冷却器两种不同串级控制方案丙烯冷却器两种不同串级控制方案(a)TCLC(b)LCPCTC前馈前馈-反馈控制系统反馈控制系统13-2-2图图5-7 5-7 换热器换热器FFC-FBCFFC-FBC系统系统+GffTCFSF1 FFC按负荷按负荷F的变化校正蒸汽量的变化校正蒸汽量FsFBC根据温度偏差，对蒸汽量根据温度偏差，对蒸汽量Fs进行进一步校正。进行进一步校正。 FFC与与FBC作用叠加，又称复合控制系统。作用叠加，又称复合控制系统。前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点前馈控制系统的特

21、点（1）按干扰作用的大小进行控制按干扰作用的大小进行控制提前，控制及时提前，控制及时 控制的依据控制的依据检测的信号检测的信号 控制作用的控制作用的 发生时间发生时间反馈控制反馈控制前馈控制前馈控制被控变量的偏差被控变量的偏差干扰量的大小干扰量的大小被控变量被控变量干扰量干扰量偏差出现后偏差出现后偏差出现前偏差出现前缺点缺点3-2 前馈控制系统基础知识前馈控制系统基础知识k精馏塔的动态前馈控制某精馏塔的动态前馈控制系统及其控制方框图。其中输出物料浓度为被控制对象，蒸汽流量为控制量，物料流量为系统的主要干扰因素。(具体内容请参阅教材)T2CT1CGff+TC燃油燃油原料油原料油(a)串级控制系统

22、(b)前馈反馈控制系统图514加热炉的两种控制系统比值控制比值控制v问题的提出：在工业生产过程中，要求两种或问题的提出：在工业生产过程中，要求两种或多种物料流量成一定比例关系，要求严格控制多种物料流量成一定比例关系，要求严格控制比例。比例。基本概念：基本概念：v比值控制系统（流量比值控制系统）：实现两个比值控制系统（流量比值控制系统）：实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统。或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统。v主物料或主动量：在保持比例关系的两种物料中主物料或主动量：在保持比例关系的两种物料中处于主导地位的物料，称为主物料；表征主物料处于主导地位的物料，称为主物料；表征主物料

23、的参数，称为主动量（主流量），用的参数，称为主动量（主流量），用F1表示。表示。比值控制系统的类型比值控制系统的类型v开环比值控制系统开环比值控制系统v单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统v双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统v变比值比值控制系统变比值比值控制系统v串级和比值混合系统串级和比值混合系统开环比值控制系统开环比值控制系统v随着随着F1的变化，的变化，F2跟着跟着变化，满足变化，满足F2=KF1的的要求（阀门开度与要求（阀门开度与F1之之间成一定的比例关系。间成一定的比例关系。FCF1F2控制器控制器控制阀控制阀对象对象测量变送测量变送F1F2-单闭环比值控制单闭环比值控制v增加一个

24、副流量闭环控制系统增加一个副流量闭环控制系统KF1F2FC单闭环比值控制单闭环比值控制K)(sGV)(0sG)(2sGm)(2sGC)(1sGm1F2F变化。按一定比值跟随的给定，作为经比值器1221FFFKF双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统v增设了主流量控制回路增设了主流量控制回路KF1F2F2CF1C双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统)(1sGC)(1sGV)(01sG)(1sGmK)(2sGC)(2sGV)(02sG)(2sGm)(sR1F2F双闭环比值控制系统工作原理双闭环比值控制系统工作原理v主动量控制回路克服主动量扰动，实现主动量控制回路克服主动量扰动，实现定值控定值控制制；从动量控制回路克服从动量扰动，实现；从动量控制回路克服从动量扰动，实现随随动控制动控制；当扰动消除后，主、从动量都回到原；当扰动消除后，主、从动量都回到原设定值上，其比值不