化工仪表及其自动化控制第八章复杂控制系统课件

1、第8章 复杂控制系统串级控制系统 均匀控制系统 比值控制系统 分程控制系统 前馈控制系统 多冲量控制系统 10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件第8章 复杂控制系统串级控制系统 10/10/2022化工仪第一节 串级控制系统FC进料塔底采出12蒸汽方案2：控制蒸汽流量恒定TC进料塔底采出12蒸汽方案1：控制塔釜温度恒定单回路控制的局限性目标：控制塔釜温度稳定方案1优点：将所有对温度的干扰都概括在控制回路内。缺点：当蒸汽压力波动较大时，由于温度对象滞后较大，控制质量不理想。方案2优点：能及时克服蒸汽压力的干扰对温度的影响缺点：不能克服进料流量、物料温度等其他因素对温度的影响。10/11/

2、2022化工仪表及其自动化控制课件第一节 串级控制系统FC进料塔底采出12蒸汽方案2：控制蒸蒸汽TC进料塔底采出12FC方案3：串级控制系统FCTC进料塔底采出12蒸汽希望在塔釜温度不变时蒸汽流量能保持设定值，而当塔釜温度在外来干扰的作用下偏离给定值时，又要求蒸汽流量能作相应的变化，使塔釜温度保持在设定值上。 O10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件蒸汽TC进料塔底采出12FC方案3：串级控制系统FCTC进料流量控制器TC2执行器 流量对象温度T设定值干扰f1精馏塔控制系统方块图温度对象温度控制器TC1+干扰f2测量、变送y1测量、变送y2F副控制器执行器 副对象主变量设定值主干扰串级

3、控制系统方块图主对象主控制器+副干扰主测量、变送副测量、变送副变量副回路主回路常用的名词主变量副变量主对象副对象主控制器副控制器主回路 副回路串级控制系统方块图10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件流量控执行器流量对象温度T设定值干扰f1精馏塔控制系统方块图串级控制系统的工作过程在串级控制系统中，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。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

4、用，大大提高了控制质量。 干扰作用于副对象 由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干扰进入副回路时，可以获得比单回路控制系统超前的控制作用，有效地克服蒸汽压力变化对塔釜温度的影响 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。 10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件串级控制系统的工作过程在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副串级控制系统的特点及应用范围 (1) 从系统结构来看，串级控制系统有主、副两个闭合回路；有主、副两个控制器；有分别测量主变量和副变量的两个测量变送器。 在串级控制系统中，主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统。(2)

5、在串级控制系统中，有两主、副两个变量。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。控制的目的在于使这一变量等于工艺规定的给定值。(3) 从系统特性来看，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，具有超前控制的作用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量。适用范围：当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而且频繁、负荷变化大，简单控制系统满足不了控制质量的要求时，可采用串级控制系统。 10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件串级控制系统的特点及应用范围 (1) 从系统结构来看，串级控串级控制系统主、副回路的选择主变量的选择 与单回路控制时被控变量的选择原则是一样的

6、，能直接或间接地表征生产过程质量的参数都可以作为控制系统的被控变量。 副变量的选择 副变量的变化应在很大程度上影响主变量的变化 副回路应将生产过程中的主要干扰包围在内 在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰 副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防发生“共振”。 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。 10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件串级控制系统主、副回路的选择主变量的选择副变量的选择10/1主副控制器控制规律的选择 串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量。 主变量是生产工艺的主要控制指标，它直接关系到产品

7、的质量或生产的正常，工艺上对它的要求比较严格。一般来说，主变量不允许有余差。所以，主控制器通常都选用比例积分控制规律，以实现主变量的无余差控制。 在串级控制系统中，稳定副变量并不是目的，设置副变量的目的就在于保证和提高主变量的控制质量。 副变量的给定值是随主控制器输出变化而变化的。所以，在控制过程中，对副变量的要求一般都不很严格，允许它有波动。因此，副控制器一般采用比例控制规律。10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件主副控制器控制规律的选择 串级控制系统的目的是为了高精度地稳主副控制器正、反作用的选择 选择副回路控制器的正反作用与简单控制系统中控制器“正”、“反”作用的选择方式相同，先

8、判断副对象的正反作用，然后根据工艺安全等要求，选定执行器的“正”、“反”作用方式，并按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定副回路控制器的正反作用。 选择主回路控制器的正反作用确定原则：当主、副变量在增加(或减小)时，如果由工艺分析得出，为使主、副变量减小(或增加)，要求控制阀的动作方向是一致的，主控制器应选“反”作用，反之，则应选“正”作用。物料进 物料出 冷却器流量温度串级控制系统 10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件主副控制器正、反作用的选择 选择副回路控制器的正反作用 选择主副控制器参数的工程整定 两步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器(1) 在工况稳定，主、副控制

9、器都在纯比例作用的条件下，将主控制器的比例度先固定在100的刻度上，然后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4：1)过渡过程下的副控制器比例度2S和操作周期2S。(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1S 。(3) 根据上面得到的1S、1S、2S、2S按表7-2(或表7-3)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”的整定方法，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

10、。10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件主副控制器参数的工程整定 两步整定法：先整定副控制器， 一步整定法：即根据经验先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。 采用一步整定法副控制器参数选择范围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20605.01.7压力30703.01.4流量40802.51.25液位20805.01.25一步整定法的整定步骤如下。(1)在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照上表所列的数据，将副控制器比例度调到某一适当的数值。(2)利用简单控制系中任一种参数整定方法整定主控制器的参数。(3)如果出

11、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。10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件 一步整定法：即根据经验先将副控制器一次放好，不再变动，第二节 其他复杂控制系统均匀控制问题的提出连续精馏的多塔分离过程 对甲塔来说，塔釜液位是一个重要的工艺参数，必须保持在一定范围之内，为此配备了液位控制系统； 对乙塔来说，从自身平稳操作的要求出发，希望进料量稳定，所以设置了流量控制系统； 这样，甲、乙两塔间的供求关系就出现了矛盾。 为解决这一前后工序供求矛盾，希望设计一种控制系统使液位与流量同时平稳；同时“均匀”地变化。一、均匀控制系统10/11/2022化工仪表及其自动化

12、控制课件第二节 其他复杂控制系统均匀控制问题的提出连续精馏的多塔1、表征前后供求矛盾的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。 1液位变化曲线 2流量变化曲线均匀控制的要求10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件1、表征前后供求矛盾的两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化的不同于常规的定值控制系统，而对被控变量(CV)与控制变量(MV)都有平稳的要求；为解决CV与MV都希望平稳这一对矛盾，只能要求CV与MV都渐变。均匀控制通常要求在最大干扰下，CV在上下限内波动，而MV应在一定范围内平缓渐变。均匀控制指的是控制功能，而不是控

13、制方案。因为就系统的结构来看，有时象简单控制系统，有时象串级控制系统。所以要识别控制方案是否起均匀控制作用，应从控制的目的进行确定。 均匀控制的特点10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件不同于常规的定值控制系统，而对被控变量(CV)与控制变量(M单回路均匀控制系统串级均匀控制系统常用的两种均匀控制方案10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件单回路均匀控制系统串级均匀控制系统常用的两种均匀控制方案10通过控制器参数的设置，而不是改变控制系统的结构，来实现前后两个变量间的相互协调的。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的范围内作缓慢的变化。控制器参数一般都采用

14、纯比例作用，且控制器比例度放的很大，以使输出变化缓慢，只是在要求较高时，为了防止偏差超过允许范围，才引入适当的积分作用。 均匀控制系统小结10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件通过控制器参数的设置，而不是改变控制系统的结构，来实现前后两二、 比值控制系统问题的提出比值控制的目的是为了实现几种物料按一定比例混合，使生产能安全、正常的进行。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。 在需要保持比值关系的两种物料中，必有一种物料处于主导地位，成为主物料、主动量、主流量，用Q1表示；而另一种物料按主物料进行配比，在控制过程中随主物料而变化，因此称为

15、从物料、从动量、副流量，用Q2表示；副流量Q2与主流量Q1的比值关系为 Q2KQ1 式中K为副流量与主流量的流量比值系数。 10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件二、 比值控制系统问题的提出比值控制的目的是为了实现几种物比值控制方案1：开环比值控制系统控制器执行器对象测量、变送给定Q2Q1开环比值控制系统方块图 主、副流量均开环；由于系统开环，该方案对副流量Q2无克服干扰的能力，只适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件比值控制方案1：开环比值控制系统控制器执行器对象测量、变送给比值控制方案2：单闭环比值控制系统控制器F2C执行器对象副测量

16、、变送控制器F1C给定主测量、变送Q1Q2单闭环比值控制系统方块图 副流量闭环控制主流量开环控制适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合 10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件比值控制方案2：单闭环比值控制系统控制器F2C执行器对象副测比值控制方案3：双闭环比值控制系统给定K对象主流量控制器执行器主测量、变送对象副流量控制器执行器副测量、变送Q1Q2双闭环比值控制系统方块图 主、副流量均闭环控制；该系统既实现了比较精确的流量比值控制，又确保了两物料总量的基本不变主要适用于主流量干扰频繁、工艺上不允许负荷有较大波动或工艺 上经常需要提降负荷的场合。10/11/2022化工仪表及其自动化控

17、制课件比值控制方案3：双闭环比值控制系统给定K对象主流量控制器执比值控制方案4：变比值控制系统Q2Q1喷射泵 触媒层 变换炉 蒸汽 煤气 要求主、副流量的比值能跟随第三变量的需要而加以调整；存在问题：Q2回路存在非线性，Q1流量减少时，回路增益增大，有可能使系统不稳定，并可能出现“除零”运算。比值控制器执行器副流量对象Q2测量、变送温度控制器给定主测量、变送Q1测量、变送除法器主对象（变换炉）Q1Q2变比值控制系统方块图K=Q2/Q1 10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件比值控制方案4：变比值控制系统Q2Q1喷射泵 触媒层 变换炉三、 分程控制系统给定对象控制器控制阀A控制阀B测量、

18、变送分程控制系统方块图 分程控制系统中，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； 分程控制系统中控制器按输出信号的不同区间去控制不同的阀门； 分段一般是由附设在控制阀上的阀门定位器来实现。 什么是分程控制10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件三、 分程控制系统给定对象控制器控制阀A控制阀B测量、变送A阀A阀A阀A阀B阀B阀B阀B阀两阀同向动作两阀异向动作(a)(a)(b)(b)阀门开度100阀门开度100阀门开度100阀门开度100阀压kPa阀压kPa阀压kPa阀压kPa分程控制的种类10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件A阀A阀A阀A阀B阀B阀B阀B阀两阀同向动

19、作两阀异向动作(a分程控制应用1：提高控制阀的可调比4Mpa中压蒸汽给水10Mpa中压蒸汽汽包蒸汽减压系统分程控制系统控制阀的可调比 RQmax/Qmin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可能相差太大，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。A阀B阀A阀小口径 B阀大口径10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件分程控制应用1：提高控制阀的可调比4Mpa给水10Mpa中压分程控制应用2：用于控制两种不同的介质 蒸汽反应器分程控制系统冷水C回水A阀B阀A阀气关，B阀气开，TC反作用对于间歇式化学反应器，既要考虑反应前的加

20、热问题，又需要考虑过程中移走热量的问题为此可采用分程控制系统，在该系统中，利用A、B两台控制阀，分别控制冷水与蒸汽两种不同介质，以满足工艺上需要冷却和加热的不同需要工作原理：反应前升温阶段温度测量值小于给定值，控制器TC输出较大， A阀将关闭，B阀被打开，蒸汽通入加热反应物；反应物开始放热控制器输出逐渐减小，A阀将打开，B阀关闭，冷水通入冷却反应物，维持反应温度不变；10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件分程控制应用2：用于控制两种不同的介质 蒸汽反应器分程控制系分程控制应用3：用作安全生产的保护措施 “反”储罐氮封分程控制方案A阀B阀阀门开度100阀压kPa化工厂的贮油罐需要进行氮封

21、，以使油品与空气隔绝。一个问题就是贮罐中物料量的增减会导致氮封压力的变化。为了维持罐压平衡，需要在物料被抽取时加氮补压，而在物料进料时排气减压。贮压升高时，测量值将大于给定值，压力控制器PC的输出将下降，A阀关闭，B阀打开，排气减压贮压降低时，测量值小于给定值时，控制器输出将变大， A阀打开，B阀关闭，补氮增压。A阀气关，B阀气开，PC反作用10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件分程控制应用3：用作安全生产的保护措施 “反”储罐氮封分程控分程控制系统应用中应注意的几个问题 (1)控制阀流量特性要正确选择。因为在两阀分程点上，控制阀的放大倍数可能出现突变，表现在特性曲线上产生斜率突变的折

22、点，这在大小控制阀并联时尤其重要。如果两控制阀均为线性特性，情况更严重。如果采用对数特性控制阀，分程信号重叠一小段，则情况会有所改善。(2)大小阀并联时，大阀的泄漏量不可忽视，否则就不能充分发挥扩大可调范围的作用。当大阀的泄漏量较大时，系统的最小流通能力就不再是小阀的最小流通能力了。(3)分程控制系统本质上是简单控制系统，因此控制器的选择和参数整定，可参照简单控制系统处理。不过在运行中，如果两个控制通道特性不同，就是说广义对象特性是两个，控制器参数不能同时满足两个不同对象特性的要求。遇此情况，只好照顾正常情况下的被控对象特性，按正常情况下整定控制器的参数。对另一台阀的操作要求，只要能在工艺允许

23、的范围内即可。10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件分程控制系统应用中应注意的几个问题 (1)控制阀流量特性要正四、 前馈控制系统测量、变送设定值控制器执行器干扰对象干扰对象测量、变送执行器控制器反馈控制系统前馈控制系统反馈控制方案前馈控制方案反馈与前馈10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件四、 前馈控制系统测量、变送设定值控制器执行器干扰对象干D1，Dn为可测扰动；u，y分别为被控对象的操作变量与受控变量。前馈思想：在扰动还未影响输出以前，直接改变操作变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。前馈思想全补偿原理控制目标：d (t)、u (t)、y (t) 分别表示工艺介质流量（

24、外部干扰）、蒸汽流量（控制变量）与工艺介质的出口温度（被控变量）；GFF(s)为前馈控制器的动态特性；GYD(s)、GYC(s)分别为干扰通道与控制通道的的动态特性。10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件D1，Dn为可测扰动；u，y分别为被控对象的操作变量与 前馈控制比反馈控制及时，并且不受系统滞后大小的限制。 前馈控制属于开环控制 前馈控制规律与对象特性密切相关 一种前馈作用只能克服一种干扰 前馈控制的特点10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件 前馈控制比反馈控制及时，并且不受系统滞后大小的限制。 前馈前馈控制形式1：静态前馈控制系统蒸汽Q2冷物料Q1T1T2给定值换热器静态

25、前馈控制方案根据热量平衡原理，近似的平衡关系是蒸汽冷凝放出的热量等于进料流体获得的热量。 式中 蒸汽冷凝热； 被加热物料的比热容； 进料流量； 蒸汽流量。 当进料流量Q1变化后，为使出口温度为T2保持不变，应增加的蒸汽量为:10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件前馈控制形式1：静态前馈控制系统蒸汽Q2冷物料Q1T1T2给前馈控制形式2：动态前馈控制系统蒸汽Q2冷物料Q1T1T2给定值换热器动态前馈控制方案补偿器在静态前馈控制的基础上，加上延迟环节或微分环节，以达到对干扰作用的近似补偿。 相对于干扰通道而言，控制通道反应快的给它加强延迟作用，反应慢的给它加强微分作用。根据两通道的特性适当

26、调整、的数值，使两通道反应合拍便可以实现动态补偿，消除动态偏差。10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件前馈控制形式2：动态前馈控制系统蒸汽Q2冷物料Q1T1T2给前馈控制形式：前馈-反馈控制系统给定前馈反馈控制系统方块图反馈控制器执行器对象测量、变送前馈控制器测量、变送干扰蒸汽进料出料换热器前馈反馈控制系统用“前馈”来克服主要干扰，再用“反馈”来克服其他干扰10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件前馈控制形式：前馈-反馈控制系统给定前馈反馈控制系统方块图前馈控制的应用场合 干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，仅采用反馈控制达不到要求的对象。 主要干扰是可测而不可控的变量。所谓可

27、测，是指干扰量可以用检测变送装置将其在线转化为标准的电信号。所谓不可控，主要是指这些干扰难以通过设置单独的控制系统进行控制，这类干扰在连续生产过程中是经常遇到的，其中也包括一些虽能控制但生产上不允许控制的变量，例负荷量等。 当对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差时，可采用前馈或前馈反馈控制系统，提高控制质量。10/11/2022化工仪表及其自动化控制课件前馈控制的应用场合 干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，仅五、多冲量控制系统 单冲量控制系统给水汽包蒸汽虚假水位造成的错误信号将带来一定的危险，为了克服这种由于“虚假液位”而引起的控制系统的误动作，引入了双冲量控制系统。在锅炉的正常运行中，汽包水位是重要的操作指标，给水控制系统的作用就是自动控制锅炉的给水量，使其适应蒸发量的变化，维持汽包水位在允许的范围内。 左图控制系统属于简单的单回路