ch6高性能过程控制

第6章常用高性能过程控制系统6.1串级控制系统6.2前馈控制系统6.3大滞后过程控制系统

6.1串级控系统

6.1.1串级控制系统的基本概念

一、什么是串级控制？其组成结构怎样?

工艺流程?控制要求?系统分析…问题：过渡过程时间长，调节不及时解决办法：串级控制串级控制系统的框图结构特点…一、串级控制系统的结构与工作过程基本思路：以加热炉控制为例，介绍串级控制思想的提出、串级控制系统的基本构成、基本术语与工作过程

6.1串级控系统

6.1.1串级控制系统的基本概念

什么是串级控制？其组成结构怎样?

工艺流程?控制要求?系统分析…加热炉温度控制系统方案1：出口温度为被控参数

燃料量为控制参数T1CT1T影响出口温度的因素：方案1的分析方案1的分析所有的扰动都包含在环内，理论上都可以由温度控制器予以克服；控制通道的时间常数和容量滞后比较大，控制作用不及时，系统克服扰动的能力比较差。方案2：选择炉膛温度为被控参数T1CT1T方案2的分析：方案2的分析能及时有效地克服扰动f2(t)、f3(t)的影响；f1(t)未包含在环内，系统不能克服扰动f1(t)对出口温度的影响。

总之，两种方案各有不同的优点，因此，可以综合考虑二者的优点。二、串级控制系统的构成综合考虑两种方案的优点：选取炉出口温度为主被控变量，选取炉膛温度为副被控变量，把炉出口温度控制器的输出作为炉膛控制器的给定值。串级控制系统流程图T1CT1TT2CT2T串级控制系统的框图三、串级控制系统的基本术语主参数（主变量）：对象的主控参数副参数（副变量）：为了稳定主参数而引入的辅助参数主对象：由主参数表征其特性的生产过程副对象：由副参数为输出的生产过程，副回路所包含的对象。串级控制系统的基本术语主调节器（主控制器）：按主参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器。副调节器（副控制器）：按副参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的调节器。主回路与副回路串级控制系统的基本术语一次扰动：不包括在副回路内的扰动。二次扰动：包括在副回路内的扰动。四、加热炉串级控制系统工作过程五、串级控制系统的实施方案一般的串级方案主控制器副控制器电气转换器控制阀副对象主对象副变送器主变送器双笔记录仪RY--通过双笔记录仪对主、副变量记录。电气转换器是阀门定位器。能实现主控-串级切换的串级方案主控制器副控制器电气转换器控制阀副对象主对象副变送器主变送器双笔记录仪RY--T串级控制系统的实施主、副控制器控制规律的选择；主、副控制器正、反作用形式的选择；串级与主控直接切换条件。六、主、副控制器控制规律选择主控制器控制规律：主控制器起定值控制作用，主变量是主要指标，允许波动小，一般要求无余差，因此一般要选择PI或PID。主、副控制器控制规律选择副控制器起随动控制作用，副变量的设置是为了保证主变量的控制质量，对快速性要求较高，可以在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器一般选P控制规律即可。副调节器一般不引入I或D引入I：会延长控制作用，减弱副回路的快速作用。引入D：因为副回路本身起快速作用，再引入D会使控制阀动作过大，对控制不利。主副控制器正、反作用方式的选择基本原则：整个控制系统构成负反馈系统具体做法：主通道各环节放大系数极性乘积必须为正极性规定：与单回路系统相同应用举例加热炉温度控制系统T1CT1TT2CT2T主变量：出口温度；副变量：炉膛温度燃料控制阀的选择：从安全角度出发，一旦调节阀损坏，保证控制阀处于全关状态，切断燃料进入加热炉，确保设备安全，所以要选择气开式调节阀。副回路的分析主回路的分析调节过程出口温度升高主控制器输出减小副控制器给定减小控制阀开度减小加热炉燃料减少炉膛温度下降出口温度下降反作用形式随动系统副控制器输出减小气开式形成闭环控制相当于测量值增加6.1.2串级控制系统的控制效果1.能迅速克服二次干扰方框图等效为：

控制能力和抗干扰能力综合定义为：单回路系统(图6－7）及传递函数控制能力和抗干扰能力综合为：一般情况下有：结论：提高了控制质量2.能改善控制通道的动态特性，提高工作频率（1）等效时间常数减小，响应速度加快；(分析比较图6－5和图6－7）(2)提高了系统的工作频率串级系统的特征方程为：则串级控制系统的工作频率为：对同一过程，采用单回路控制方案，用同样的分析方法，可得：若两种方案的阻尼系数相同，则有：结论：副回路改善了动特性、提高了响应速度和工作频率；当主、副时间常数比值一定，副调节器的比例系数越大，工作频率越高；同样，当比例系数一定，主、副时间常数比值越大，工作频率也越高。其结果使振荡周期缩短，提高了系统的控制质量。3能适应负荷和操作条件的剧烈变化副回路的等效放大系数为：2）能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速反应能力；3）对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的适应能力。综上所述，串级控制系统的主要特点有：1）对进入副回路的干扰有很强的抑制能力；结论一1.在串级控制系统中，由于增加了一个副回路，使等效被控过程的时间常数减小了，从而改善了系统的动态特性。

2.等效副对象放大系数减小可以通过增大主控制器放大倍数的办法加以补偿。串级控制系统具有较强的抗干扰能力由于串级控制系统副回路的存在，能迅速克服进入副回路的二次扰动，从而大大减小了二次扰动的影响，提高了控制质量。干扰作用于主环，由于副环的存在，等效对象时间常数减小了，工作频率提高，比单回路更为及时地对干扰进行控制。结论二串级控制系统具有一定的自适应能力如果系统为非线性（放大倍数与工作点有关），或具有时变性（放大倍数随时间变化），当控制器参数整定好不变时，在工作过程中，控制质量与预期的希望会发生变化。对单回路系统，上述问题难以克服，而串级控制系统则具有一定的适应能力。结论三主回路是一个定值系统，副回路是一个随动系统。当操作条件和负荷发生变化，主变量发生变化，主调节器输出发生变化，相当于副调节器的给定值发生变化，主调节器能按照负荷和操作条件的变化不断改变副调节器的给定值，使副调节器的给定值适应负荷和操作条件的变化，即具有一定的自适应能力。结论三6.1.3串级控制系统的适用范围1.适用于容量滞后较大的过程：选容量滞后较小的辅助变量，减小时常，提高频率。（图6－8）2.适用于纯滞后较大的过程：（图6－9,）工艺要求：过滤前的压力稳定在250Pa;特点：距离长，纯滞后时间长。仿丝胶液压力与压力串级控制。3.适用于干扰变化剧烈、幅度大的过程：（图6－10）工艺要求：汽包液位控制，特点：快装锅炉容量小，蒸汽流量与水压变化频繁、激烈→三冲量液位串级控制。4.适用于参数互相关联的过程：（图6－11）同一种介质控制两种参数(图6－11)单回路控制：两套装置，不经济又无法工作；常压塔塔顶出口温度和一线温度串级控制。5.适用于非线性过程特点：负荷或操作条件改变导致过程特性改变。若：单回路控制，需随时改变调节器整定参数以保证系统的衰减率不变；串级控制，则可自动调整调节器的整定参数。（图6－12）合成反应器温度串级控制：换热器呈非线性特性注意：串级控制虽然应用范围广，但必须根据具体情况，充分利用优点，才能收到预期的效果。

当被控对象纯滞后时间较长时，在离控制阀较近、纯滞后时间较小的地方选择一个副变量，把干扰拉入副回路。利用副回路的超前作用来克服对象的纯滞后仅仅是对二次干扰而言的，一次干扰不直接影响副变量。例如下图所示：一、用于克服对象的纯滞后6.1.3串级控制系统的适用范围副变量：过热蒸汽温度，位于滞后较小的B点。被控参数：A点温度控制参数：减温水流量主要干扰：减温水压力波动。二、用于克服对象的容量滞后 容量滞后会使被控对象反应迟钝，超调大，过渡过程长。 以温度或质量作为被控量的控制对象，其容量滞后往往比较大，致使控制质量变差。 对象容量滞后大、干扰复杂的情况下，串级控制系统的使用最为普遍，效果较好。 此时应选择一个滞后较小的辅助变量组成副回路。 副环的时间常数不能过大，以防共振；也不能过小，力求多包含一些干扰。 例如下张图：

燃料油热值变化后，炉膛反应滞后3分钟，而出口温度则需15分钟。三.适用于干扰变化剧烈、幅度大的过程工艺要求：汽包液位控制特点：快装锅炉容量小，蒸汽流量与水压变化频繁、激烈。串级控制系统对二次干扰具有很强的克服能力。设计时应把变化剧烈、幅值大的干扰包含在副回路中。副回路放大系数应大些，会使抗干扰能力大大提高。四、适用于参数互相关联的过程同一种介质控制两种参数(图6－11)单回路控制：两套装置，不经济又无法工作；常压塔塔顶出口温度和一线温度串级控制。五、用于克服对象的非线性负荷变化会引起工作点的移动。当负荷变化大且频繁时，只有高级控制系统才有重整参数以适应控制要求的能力。

一般控制系统中，有效办法是采用串级控制。

例在图中，其中部温度要严控，则将具有非线性特性的换热器包含在副回路。

a）：燃料油压力为主要干扰；b）：燃料油粘度、成分、热值、处理量为主要干扰6.1.4串级控制系统的设计1.副回路的设计与副参数的选择选择原则：（1）副参数要物理可测、副对象的时间常数要小、纯滞后时间要尽可能短。（2）副回路要尽可能多地包含变化频繁、幅度大的干扰，但也不能越多越好。并不是副回路包括的扰动愈多愈好，应该是合理的，因为扰动愈多，通道愈长，副回路将失去快速克服扰动的能力。（3）主、副过程的时间常数要适当匹配.当串级控制与单回路控制的阻尼系数相等时，有假设

为常量(图6－14）图示说明。。。；主、副被控过程时常不能太大也不能太小？频率的比值大于3，主、副过程时间常数之比应在3~10之间。目的：保证安全生产、防止共振如果副过程的时间常数比主过程小得太多，即副过程时间常数小，副回路反应灵敏，控制作用快，但这种情况一般副回路包含的扰动少，对过程特性的改善减小了。如果副过程的时间常数大于主过程的时间常数，此时，副回路对过程特性的改善效果显著，但反映迟钝，不能及时有效地克服扰动。如果副过程的时间常数与主过程的时间常数接近，此时，主、副过程的动态联系密切，当一个参数发生振荡时，会使另一个参数也发生振荡，即“共振”，它不利于生产的正常运行。（4）应综合考虑控制质量和经济性要求(图6－15）冷剂液位为副参数，投资少，控制质量不高；b)冷剂蒸发压力为副参数，投资多，控制质量较高。选择应视具体情况而定。2主、副调节器调节规律的选择主调：定值控制；副调：随动控制。主被控参数要无静差→PI,PID调节；副被控参数允许有静差→P,不引入PI；为保稳定，P选大时，可引入积分；不引入微分。3主、副调节器正、反作用方式的选择（开环放大系数为正）选择步骤：工艺要求→调节阀的气开、气关→副调节器的正、反作用→主、副过程的正、反作用→主调节器的正、反作用。示例燃油阀气开，副对象为正过程，副调为反作用调节器；主对象也为正过程，主调为反作用调节器6.1.5串级控制系统的参数整定

整定原则：尽量加大副调节器的增益，提高副回路的频率，使主、副回路的频率错开，以减少相互影响1.逐步逼近整定法1）主开环、副闭环，整定副调的参数；记为2)副回路等效成一个环节，闭合主回路，整定主调节器参数，记为3）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即为否则，再整定副调节器参数，记为。。。反复进行，满意为止。该方法适用于主、副过程时常相差不大、主、副回路动态联系密切，需反复进行，费时较多2.两步整定法(应用最广泛)1）主、副闭合，主调为比例,比例度为百分之一百，先用4比1衰减曲线法整定副调节器的参数，求得比例度和操作周期；2)等效副回路，整定主调参数，求得主回路在4比1衰减比下的比例度和操作周期；

根据两种情况下的比例度和操作周期，按经验公式求出主、副调节器的积分时间和微分时间，

然后再按先副后主、先比例后积分再微分的次序投入运行，观察曲线，适当调整，满意为止。

3.一步整定法思路：先根据副过程特性或经验确定副调节器的参数，然后一步完成主调节器的参数的整定。1）主、副调节器均置比例控制，根据约束条件或经验确定条件下，主、副过程特性一定时，为一常数。2)等效副回路，按衰减曲线法整定主调节器参数；3）观察曲线，在约束条件下，适当调整主、副调节器的参数，满意为止。；理论依据：主、副调节器的放大系数在4.应用举例:硝酸生产用氧化炉，主参数：炉温，PI调节；副参数：氨气流量，P调节；主、副动态联系小，两步整定法。为100％→为32％，为15s；1）2）副调置于32％，得主调的为50％，为7min。3）运用计算公式得：为60％，为3.5min,为32%。

①、在系统设计时，主控制器选用PI控制规律，副控制器选用P控制规律。在系统稳定允许条件下，主、副控制器均置于纯比例作用，主控制器的比例度置于100%，用4：1衰减曲线法整定副控制器的参数，得2s=32%,T2s=15s。

应用举例:在硝酸生产过程中，有一个氧化炉温度与氨气流量的串级控制系统。温度为主参数，工艺要求较高，温度最大偏差不能超过5℃，氨气流量为副参数，允许在一定范围内变化，要求不高。系统控制器参数采用两步整定法，过程如下。②将副控制器的比例度置于32%上，用相同的方法整定，将主控制器的比例度由大到小逐渐调节，取得主控制器的1S=50%,T1S=7min。

③根据上述求得的各参数，运用4：1衰减曲线法整定计算公式(见上表4-1)，计算主、副控制器的整定参数为：主控制器(温度控制器)：比例度1=1.21S=60%，积分时间T1=0.5T1S=3.5min副控制器(流量控制器)：比例度2=2S=32%④把上述计算的参数，按先P后I的次序，分别设置在主、副控制器上，并使串级控制系统在该参数下运行。实际运行，氧化炉温度稳定，完全满足生产工艺的要求。应用实例：造纸厂网前箱温度串级控制混合器T1CT1TT2CT2T立筛圆筛网前箱去铜网脱水蒸汽水纸浆纸浆用泵从储槽送至混合器，在混合器内用蒸汽加热至72度，经过立筛、圆筛除去杂质后送至网前箱，再去铜网脱水。工艺要求网前箱温度保持在61度左右，允许偏差不超过1度。若采用单回路，由于从混合器到网前箱纯滞后达90秒，不能满足工艺要求。为了克服纯滞后，在调节阀较近处选择混合器温度为副参数，网前箱出口温度为主参数，构成串级控制系统，把纸浆流量波动包括在副回路中。注意：副回路尽量少包括或不包括纯滞后。6.2前馈控制系统

反馈控制是基于被控量的偏差进行的，没有偏差也就不存在反馈控制。当然，只要存在偏差，控制系统就不可能保持在理想控制要求上，而是在理想要求附近摆动。所以，反馈控制是接近理想要求，但永远也无法保持理想要求的控制。

单回路、串级控制系统都是反馈闭环控制系统反馈控制其特点是：当被控过程受到扰动后，须等到被控参数出现偏差时，控制器才动作，以补偿扰动对被控参数的影响，算是一种“事后”补偿。被控参数正是因为有扰动才产生偏差，若能在扰动出现时就进行控制，而并非是在偏差发生后再进行控制，这样的控制方案一定可以更有效地消除扰动对被控参数的影响。“前馈控制”正是基于这种思路而提出的。

当被控对象呈现大延迟（如含有较大的容积延迟或纯延迟）或所受干扰较多，干扰频率较高，要求系统快速反应实现控制目的时，反馈控制系统的控制效果往往不够理想。6.2前馈控制系统6.2前馈控制系统6.2.1前馈控制的基本概念

又称干扰补偿控制：按干扰大小进行调节，克服干扰比反馈快；理论上，可实现理想控制。

与反馈控制相比，前馈控制很好的弥补了反馈控制的一些缺点。前馈控制是针对扰动量及其变化进行控制的。前馈控制是相对于反馈控制而言的。1、反馈控制：Feedbackcontrol简称FBC反馈控制在被控参数偏离给定值后，依据偏差，控制器发出控制指令，补偿扰动对被控参数的影响

反馈控制特点：当干扰已经发生，但是被控参数尚未变化，偏差=0，则控制器不产生调节作用。例如：闭环中的干扰：冷流体流量波动干扰设定

测量变送

反馈控制器

执行器被控变量对象偏差——基于偏差的控制反馈控制总要滞后扰动，是一种不及时的控制。反馈控制是闭环控制，存在稳定性问题。对闭环回路中扰动都有调节作用。调节器一般采用P、I、D控制规律，具有通用性。干扰设定

测量变送

反馈控制器

执行器被控变量对象偏差2、前馈控制Feedforwardcontrol简称FFC

当扰动一旦出现，调节器就根据扰动的大小和性质进行控制，补偿扰动对系统的影响，使被控参数不变。例如：闭环中的干扰：冷流体流量波动—突然增加这种直接根据造成偏差原因--扰动进行的控制，按干扰大小进行调节，克服干扰比反馈快，称为前馈控制，又称干扰补偿控制理论上可实现理想控制。前馈控制：当冷流体流量增加N时，其对输出温度影响假如为Y1，当其一产生，即改变蒸汽流量Fs，使得蒸汽Fs对输出温度影响为-Y1，那么输出温度就不会变化。对象干扰前馈调节器

执行器被控变量

测量变送器干扰通道Y1-Y1通过设计前馈调节器，使得调节器改变的量刚好补偿干扰对对象的影响。方框图：

前馈控制特点：①前馈控制器是“测量扰动，消除扰动对被控量的影响”。前馈调节器又称为“扰动补偿器”。②扰动发生，前馈控制器动作及时，对抑制由于扰动引起的动、静态偏差比较快速有效。③前馈控制属开环控制，只要系统中各环节稳定，控制系统必定稳定。对象干扰前馈控制器执行器被控变量

测量变送器干扰通道Y1-Y1④只对被测量的可测的扰动有校正作用，而对系统中的其他扰动无校正作用。即前馈控制具有指定性补偿的局限性。⑤前馈控制器的控制规律，取决于被控对象的特性，因此，有时控制规律比较复杂。对象干扰前馈控制器执行器被控变量

测量变送器干扰通道Y1-Y13.前馈控制与反馈控制比较干扰设定

测量变送

反馈控制器

执行器被控变量对象偏差对象干扰前馈控制器执行器被控变量

测量变送器干扰通道Y1-Y1

特点比较：前馈基于干扰控制，反馈基于偏差控制抑制干扰，前馈控制比反馈控制及时有效前馈控制属于开环控制系统，反馈控制是闭环控制系统前馈控制使用的是与实施对象特性而定的专用控制器，反馈控制采用通用PID控制器一种前馈控制只能克服一种干扰，反馈控制只用一个控制器就可克服多个干扰4.前馈控制的应用场合

系统中存在着可测但不可控的变化幅度大，且频繁的干扰，这些干扰对被控参数影响显著，单用反馈控制达不到质量要求时。

当控制系统的控制通道滞后时间较长，由于反馈控制不及时影响控制质量时，可采用前馈或前馈－反馈控制系统。小结：前馈控制与反馈控制的比较反馈控制前馈控制1控制的依据被控变量的偏差干扰量的大小2检测的信号被控变量干扰量3控制作用发生的时间偏差出现后偏差出现前4系统结构闭环控制开环控制5控制质量有过渡过程立即补偿控制6控制器通用PID专用控制器7经济性和可靠性一种系统可克服多种干扰对每一种都要有一个控制系统原理说明。。。前馈调节器（前馈补偿器）的计算：5.前馈调节器（前馈补偿器）的计算：例：某前馈系统，满足什么条件，能实现对干扰的全补偿26.2.2前馈控制的特点及局限性1.前馈控制的特点1）开环控制；2）比反馈控制及时；3）补偿器为专用2.

前馈控制的局限性：无法实现对干扰的完全补偿1）只能抑制可测干扰；2）不能对每个干扰实现补偿；3）补偿器难以精确得到，即使得到有时物理上也难以实现结论：不单独使用6.2.3静态补偿与动态补偿1.静态补偿：该补偿器用比例调节器即可实现2.动态补偿：由于精确模型难以得到或难以实现，只有要求严格控制动态偏差时才采用。

单纯前馈控制的存在问题：

(1)补偿效果无法检验：单纯前馈不存在被控变量的反馈，补偿效果没有检验的手段，前馈作用并没有最后消除偏差时，系统无法得知这一信息而作进一步的校正。（2）多个干扰成本大：由于工业对象存在多个干扰，势必要设置多个前馈控制通道，因而增加了投资费用和维护工作量。（3）控制精度不高：前馈控制模型的精度也受到多种因素的限制，对象特性要受到负荷和工况等因素的影响而产生漂移，导致Wo(s)和Wf(s)的变化。6.2.4前馈－反馈复合控制反馈控制的优点：任何扰动对系统的影响均可消除；系统准确性高。反馈控制的缺点：有偏差才控制;不能事先规定调节器的输出。将前馈、反馈控制结合可优势互补，扬长避短前馈与反馈相结合，构成前馈—反馈控制系统（FFC-FBC）前馈、反馈控制分别在系统中作用：前馈控制克服反馈控制不易克服的主要干扰，而对其它干扰则进行反馈控制。6.2.4前馈－反馈复合控制作用机理分析：复合控制系统的特征方程式：，与前馈补偿器无关设计步骤：1）独立设计反馈控制系统；2）再设计前馈补偿器前馈—反馈控制系统优点：

（1）由于增加了反馈回路，只需对主要的干扰进行前馈补偿，其它干扰可由反馈控制予以校正，大大简化了原有前馈控制系统；

（2）反馈回路的存在，降低了前馈控制模型的精度要求；（3）负荷变化时，模型特性也要变化，可由反馈控制加以补偿，因此系统具有一定自适应能力。

（4）当前馈信号加在反馈信号之前时，前馈控制器特性不仅与扰动通道特性和控制通道特性有关，而且与反馈控制器特性有关。例：一单回路水位控制系统。如果蒸气用量经常发生变化，为了改善控制质量，将单回路控制系统改为前馈-反馈复合控制系统，画出控制系统工艺流程图和框图，并对新增回路的功能进行简单说明。6.2.5引入前馈的原则及应用实例1.引入前馈控制的原则

1）系统存在频率高、幅值大、可测不可控的干扰，反馈控制难以克服、控制要求高时；2）控制通道时常大于干扰通道时常，反馈控制不及时，控制质量差；3）主要干扰无法用串级控制使其包含于副回路或副回路滞后过大时；4）尽可能采用静态补偿而不采用动态补偿。2.复合控制系统应用实例（1）蒸发过程的浓度控制(图6－19）50％→73％←溶液沸点与水沸点之温差（被控量）←进料溶液浓度、温度、流量，加热蒸汽压力、流量方案：蒸汽流量为前馈信号、温差为反馈信号、进料溶液为控制参数的复合控制（2）锅炉汽包水位控制水位控制的重要性。。。影响因素：蒸汽用量（不可控）、给水流量（选为控制参数）问题：“虚假水位”。。。→影响控制效果。解决方案：蒸汽流量为前馈信号，给水流量为副参数，水位为主参数→前馈－反馈串级控制(图6－20）纯滞后：介质传输、化学反应、管道混合、皮带传送、轧辊传输、多容器串联成分测量等。纯滞后的程度：称为一般纯滞后；称为大纯滞后。大纯滞后难于控制：