复杂控制系统

1、复杂控制系统内容提要串级控制系统概述串级控制系统的工作过程串级控制系统的特点串级控制系统中副回路的确定主、副控制器控制规律及正、反作用的选择控制器参数的工程整定均匀控制系统均匀控制的目的均匀控制方案19/24/2022复杂控制系统内容提要比值控制系统概述比值控制系统的类型前馈控制系统前馈控制系统及其特点前馈控制系统的主要形式前馈控制系统的应用场合29/24/2022复杂控制系统内容提要取代控制系统基本概念取代控制系统的类型积分饱和及其防止分程控制系统概述分程控制的应用场合分程控制的几个问题多冲量控制系统39/24/2022复杂控制系统概述4根据系统的结构和所担负的任务复杂控制系统串级控制系统

2、均匀控制系统比值控制系统分程控制系统 前馈控制系统 取代控制系统 多冲量控制系统 9/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统一、概述5 当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，可考虑采用串级控制系统。举例说明串级控制系统的结构及其工作原理图13-1 管式加热炉出口温度控制系统 可延长炉子寿命，防止炉管烧坏； 可保证后面精馏分离的质量。 控制好温度9/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统 在实际生产过程中，特别是当加热炉的燃料压力或燃料本身的热值有较大波动时，该简单控制系统的控制质量往往很差，原料油的出口温度波动较大，难以满足生产上的要求。 根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门

3、的开度 69/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统7 当燃料压力或燃料本身的热值变化后，先影响炉膛的温度，然后通过传热过程才能逐渐影响原料油的出口温度，这个通道容量滞后很大，时间常数约15min左右，反应缓慢，而温度控制器TC是根据原料油的出口温度与给定值的偏差工作的。所以当干扰作用在对象上后，并不能较快地产生控制作用以克服干扰被控变量的影响。当工艺上要求原料油的出口温度非常严格时，为了解决容量滞后问题，还需对加热炉的工艺作进一步分析。存在的问题9/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统8以原料油出口温度为主要被控变量的炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统 图13-2管式加热炉

4、出口温度串级控制系统解决方案9/24/2022复杂控制系统图13-3管式加热炉出口温度串级控制系统的方块图99/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统 在上述控制系统中，有两个控制器T1C和T2C，接收来自对象不同部位的测量信号1和2。T1C的输出作为T2C的给定值，而后者的输出去控制执行器以改变操纵变量。从系统的结构看，这两个控制器是串接工作的。几个串级控制系统中常用的名词 主变量工艺控制指标，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。109/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统11主对象为主变量表征其特性的生产设备。副对象为副变量表征其特性的工艺生产设备。主控制器按主变量的测

5、量值与给定值而工作，其输出作为副变量给定值的那个控制器。副变量串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量。9/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统主回路由主变量的测量变送装置，主、副控制器，执行器和主、副对象构成的外回路。副回路由副变量的测量变送装置，副控制器执行器和副对象所构成的内回路。其给定值来自主控制器的输出，并按副变量的测量值与给定值的偏差而工作的那个控制器。副控制器129/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统13图13-4串级控制系统典型方块图9/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统二、串级控制系统的工作过程14 以管式加热炉为例，来说明串

6、级控制系统是如何有效地克服滞后提高控制质量的。假定执行器采用气开形式，断气时关闭控制阀，以防止炉管烧坏而酿成事故，温度控制器T1C和T2C都采用反作用方向。 9/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统1.干扰进入副回路F2引起2变化，控制器T2C及时进行控制，使其很快稳定下来如果干扰量小，经过副回路控制后，F2一般影响不到温度1；如果干扰量大，其大部分影响为副回路所克服，波及到被控变量温度1再由主回路进一步控制，彻底消除干扰的影响，使被控变量回复到给定值。159/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统 由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干扰进入回路时，可以获得比单回路控制

7、系统超前的控制作用，有效地克服燃料油压力或热值变化对原料油出口温度的影响，从而大大提高了控制质量。 小结169/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统172.干扰作用于主对象F1变化 1 T1C输出T2C设定值 T2C输出 恢复给定值 所以，在串级控制系统中，如果干扰作用于主对象，由于副回路的存在，可以及时改变副变量的数值，以达到稳定主变量的目的。 9/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统3.干扰同时作用于副回路和主对象在干扰作用下，主、副变量的变化方向相同。189/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅速克服作用于

8、副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服过程。副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。 小结199/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统三、串级控制系统的特点20（1）在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路；有两个控制器；主控制器和副控制器；有两个测量变送器，分别测量主变量和副变量。在串级控制系统中，主回路是个定值控制系统，而副回路是个随动控制系统。 （2）在串级控制系统中，有两

9、个变量：主变量和副变量。主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺变量。9/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统适用范围：当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而频繁，负荷变化大，简单控制系统满足不了控制质量的要求时，采用串级控制系统是适宜的。（4）串级控制系统由于增加了副回路，因此具有一定的自适应能力，可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。 （3）在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制作用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量。 219/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统四、串级控制系统中副回路的确定22根据生产工

10、艺的具体情况，选择一个合适的副变量，从而构成一个以副变量为被控变量的副回路。 副回路的确定确定的原则1.主、副变量间应有一定的内在联系9/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统232.要使系统的主要干扰被包围在副回路内3. 在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰4.副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防“共振”的发生5. 当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时，在选择副变量时应使副环尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后9/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统五、主、副控制器控制规律及正、反作用的选择241.控制规律的选择控制规律是根据控制的要求来进行选择的。目的为了

11、高精度地稳定主变量。主控制器通常都选用比例积分控制规律，以实现主变量的无差控制。 副变量的给定值是随主控制器的输出变化而变化的。副控制器一般采用比例控制规律。 9/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统252.控制器正、反作用的选择（1）串级控制系统中的副控制器作用方向的选择，根据工艺安全等要求，选定执行器的气开、气关形式后，按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定。 例如图13-2所示的管式加热炉温度-温度串级控制系统中的副回路。 气源中断，停止供给燃料油时，执行器选气开阀， “正”方向。燃料量加大时，炉膛温度2（副变量）增加，副对象 “正”方向。为使副回路构成一个负反馈系统，

12、副控制器T2C选择“反” 方向。9/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统（2）串级控制系统中主控制器作用方向的选择： 当主、副变量增加（减小）时，如果由工艺分析得出，为使主、副变量减小（增加），要求控制阀的动作方向是一致的时候，主控制器应选“反”作用；反之，则应选“正”作用。26例如图13-2所示的管式加热炉串级控制系统。 主变量1或副变量2增加时，都要求关小控制阀，减少供给的燃料量，才能使1或2降下来，所以此时主控制器T1C应确定为反作用方向。 9/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统六、控制器参数的工程整定27串级控制系统主、副控制器的参数整定的两种方法。1.两步整定法

13、 按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的方法。 9/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统（1）在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用运行的条件下，将主控制器的比例度先固定在100的刻度上，逐渐减小副控制器的比例度，求取副回路在满足某种衰减比（如41）过渡过程下的副控制器比例度和操作周期，分别用2s和T2s表示。（2）在副控制器比例度等于2s的条件下，逐步减小主控制器的比例度，直至得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度1s和操作周期T1s。 整定过程289/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统29（3）根据上面得到的1s、T1s、2s

14、、T2s，按表12-1（或表13-1）的规定关系计算主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。（4）按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定规律，将计算出的控制器参数加到控制器上。（5）观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。 9/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统共振问题 如果主、副对象时间常数相差不大，动态联系密切，可能会出现“共振”现象。 可适当减小副控制器比例度或积分时间，以达到减小副回路操作周期的目的。同理，可以加大主控制器的比例度或积分时间，以期增大主回路操作周期，使主、副回路的操作周期之比加大，避免“共振”。 如果主、副对象特性太接近，就不能完全靠控制器参

15、数的改变来避免“共振”了。309/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统2.一步整定法 根据经验将副控制器一次放好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。 实践证明 这种整定方法，对于对主变量要求较高，而对副变量没有什么要求或要求不严，允许它在一定范围内变化的串级控制系统，是很有效的。 319/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统32副变量类型副控制器比例度2副控制器比例放大倍数KP2温度压力流量液位20 6030 7040 13020 1305.0 1.73.0 1.42.5 1.255.0 1.25表 13-1采用一步整定法时副控制器参数选择范

16、围9/24/2022复杂控制系统第一节 串级控制系统33一步整定法的整定步骤： （1）在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照表13-1所列的数据，将副控制器比例度调到某一适当的数值。（2）利用简单控制系统中任一种参数整定方法整定主控制器的参数。（3）如果出现“共振”现象，可加大主控制器或减小副控制器的参数整定值，一般即能消除。9/24/2022复杂控制系统第二节 均匀控制系统一、均匀控制的目的34图13-5前后精馏塔的供求关系甲塔:为了稳定操作需保持塔釜液位稳定，必然频繁地改变塔底的排出量。 乙塔：从稳定操作要求出发，希望进料量尽量不变或少变。甲、乙两塔间的供求关系出现了矛盾。 为了解决前

17、后工序供求矛盾，达到前后兼顾协调操作，使液位和流量均匀变化，组成的系统称为均匀控制系统。9/24/2022复杂控制系统第二节 均匀控制系统35均匀控制的要求（1）两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化的。（2）前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内波动。 图13-6前一设备的液位和后一设备的进料量之关系1液位变化曲线；2流量变化曲线9/24/2022复杂控制系统第二节 均匀控制系统二、均匀控制方案361.简单均匀控制图13-7简单均匀控制目的 为了协调液位与排出流量之间的关系，允许它们都在各自许可的范围内作缓慢的变化。 满足均匀控制要求的方法通过控制器的参数整定来实现。 9/24

18、/2022复杂控制系统第二节 均匀控制系统372.串级均匀控制图13-8 串级均匀控制 可在简单均匀控制方案基础上增加一个流量副回路，即构成串级均匀控制。 参数整定的方法 由小到大地进行调整。 串级均匀控制系统的主、副控制器一般都采用纯比例作用的。只在要求较高时，为了防止偏差过大而超过允许范围，才引入适当的积分作用。 9/24/2022复杂控制系统第二节 均匀控制系统特点 由于增加了副回路，可以及时克服由于塔内或排出端压力改变所引起的流量变化。 串级均匀控制系统协调两个变量间的关系是通过控制器参数整定来实现的。 在串级均匀控制系统中，参数整定的目的不是使变量尽快地回到给定值，而是要求变量在允许

19、的范围内作缓慢的变化。389/24/2022复杂控制系统第三节 比值控制系统一、概况39 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。 几个概念主物料、主动量（Q1 、主流量）从物料、从动量（Q2 、副流量）副流量Q2与主流量Q1的比值关系为（13-1）9/24/2022复杂控制系统第三节 比值控制系统二、比值控制系统的类型401.开环比值控制系统图13-9 开环比值控制图13-10 开环比值控制方块图9/24/2022复杂控制系统第三节 比值控制系统 结构简单，只需一台纯比例控制器，其比例度可以根据比值要求来设定。 主、副流量均开环； 这种比值

20、控制方案对副流量Q2本身无抗干扰能力。所以这种系统只能适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。 419/24/2022复杂控制系统第三节 比值控制系统422.单闭环比值控制系统 单闭环比值控制系统是为了克服开环比值控制方案的不足，在开环比值控制系统的基础上，通过增加一个副流量的闭环控制系统而组成的。 图13-11单闭环比值控制图13-12单闭环比值控制系统方块图9/24/2022复杂控制系统第三节 比值控制系统 它能实现副流量随主流量的变化而变化，还可以克服副流量本身干扰对比值的影响。 结构简单，实施方便，尤其适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合。 虽然能保持两物料量比值一定，但由于主流量

21、是不受控制的，当主流量变化时，总的物料量就会跟着变化。 439/24/2022复杂控制系统第三节 比值控制系统443.双闭环比值控制系统 它是在单闭环比值控制的基础上，增加了主流量控制回路而构成的。 图13-13 双闭环比值控制图13-14双闭环比值控制系统方块图9/24/2022复杂控制系统第三节 比值控制系统 实现了比较精确的流量比值，也确保了两物料总量基本不变。 提降负荷比较方便，只要缓慢地改变主流量控制器的给定值，就可以提降主流量，同时副流量也就自动跟踪提降，并保持两者比值不变。 结构较复杂，使用的仪表较多，投资较大，系统调整较麻烦。 主要适用于主流量干扰频繁、工艺上不允许负荷有较大波

22、动或工艺上经常需要提降负荷的场合。 459/24/2022复杂控制系统第三节 比值控制系统464.变比值控制系统图13-15变比值控制系统 要求两种物料的比值能灵活地随第三变量的需要而加以调整，这样就出现一种变比值控制系统。图13-16变比值控制系统方块图9/24/2022复杂控制系统第四节 前馈控制系统一、前馈控制系统及其特点47反馈与前馈图13-17 换热器的反馈控制图13-18 换热器的前馈控制图13-19反馈控制与前馈控制方块图9/24/2022复杂控制系统第四节 前馈控制系统481.前馈控制是基于不变性原理工作的，比反馈控制及时、有效图13-20前馈控制系统的补偿过程 前馈控制是根据

23、干扰的变化产生控制作用的。 反馈控制与前馈控制的检测信号与控制信号有不同的特点： 9/24/2022复杂控制系统第四节 前馈控制系统 反馈控制的依据是被控变量与给定值的偏差，检测的信号是被控变量，控制作用发生时间是在偏差出现以后。 前馈控制的依据是干扰的变化，检测的信号是干扰量的大小，控制作用的发生时间是在干扰作用的瞬间而不需等到偏差出现之后。499/24/2022复杂控制系统第四节 前馈控制系统50前馈-反馈控制 将反馈和前馈控制组合起来，取长补短，使前馈控制用来克服主要干扰，反馈控制用来克服其他的多种干扰，两者协同工作，能提高控制质量。图13-21换热器的前馈-反馈控制图13-22前馈-反

24、馈控制系统方块图9/24/2022复杂控制系统第五节 取代控制系统一、基本概念51 在这些大型工艺生产过程中，除了要求控制系统在生产处于正常运行情况下，能够克服外界干扰，维持生产的平稳运行外，当生产操作达到安全极限时，控制系统应有一种应变能力，能采取相应的保护措施，促使生产操作离开安全极限，返回到正常情况。 9/24/2022复杂控制系统第五节 取代控制系统52生产保护性措施有两类：一类是硬限控制； 一类是软限控制。 生产的软限控制 通过一个特定设计的自动取代控制系统，当生产短期内处于不正常情况时，既不使设备停车又起到对生产进行自动保护的目的。 9/24/2022复杂控制系统第五节 取代控制系

25、统53 要构成取代控制，生产操作必须要具有一定选择性的逻辑关系。 取代控制的实现则需要靠具有选择功能的自动选择器（高值选择器或低值选择器）或有关的切换装置（切换器、带电接点的控制器或测量仪表）来完成。9/24/2022复杂控制系统第五节 取代控制系统54连续型取代控制系统特点当取代作用发生后，控制阀不是立即全开或全关，而是在阀门原来的开度基础上继续进行连续控制。 一般具有两台控制器，它们的输出通过一台选择器（高选器或低选器）后，送往执行器。 这两台控制器，一台在正常情况下工作，另一台在非正常情况下工作。 9/24/2022复杂控制系统第五节 取代控制系统55举例大型合成氨工厂的蒸汽锅炉图13-

26、23 辅助锅炉压力取代控制系统图13-24 蒸汽压力与燃料气压力取代控制系统方块图9/24/2022复杂控制系统第五节 取代控制系统56 当系统处于燃料气压力控制时，蒸汽压力的控制质量将会明显下降，但这是为了防止事故发生所采取的必要的应急措施，这时的蒸汽压力控制系统实际上停止了工作，被属于非正常控制的燃料气压力控制系统所取代。注意9/24/2022复杂控制系统第六节 分程控制系统一、概述 一台控制器的输出可以同时控制两台甚至两台以上的控制阀。控制器的输出信号被分割成若干个信号范围段，由每一段信号去控制一台控制阀，称为分程控制系统。 图13-25分程控制系统方块图579/24/2022复杂控制系

27、统第六节 分程控制系统就控制阀的开、关形式分类 两个控制阀同向动作，即随着控制器输出信号（即阀压）的增大或减小，两控制阀都开大或关小。 两个控制阀异向动作，即随着控制器输出信号的增大或减小，一个控制阀开大，另一个控制阀则关小。 589/24/2022复杂控制系统第六节 分程控制系统图13-27两阀异向动作图13-26两阀同向动作599/24/2022复杂控制系统第六节 分程控制系统二、分程控制的应用场合1.生产中需用多种物料作调节介质的过程图13-28热交换器分程控制609/24/2022复杂控制系统第六节 分程控制系统2.用来保证在不同负荷下的正常控制61由于口径固定，采用同一个控制阀，能够控制的最大流量和最小流量不会相差太大，满足不了生产上流量大范围变化的要求，在这种情况下可采用两个控制阀并联的分程控制方案。9/24/2022复杂控制系统第六节 分程控制系统3.用以补充控制手段维持安全生产 有时为了生产安全起见，需要采取不同的控制手段，可采用分