自动化仪表复杂控制系统

化工仪表及自动化第八章复杂控制系统

1内容提要串级控制系统串级控制系统概述串级控制系统的特点及应用主、副控制器控制规律的选择主、副控制器正反作用的选择控制器参数工程整定与系统投运其他复杂控制系统均匀控制系统12内容提要比值控制系统前馈控制系统取代控制系统分程控制系统多冲量控制系统23概述3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

均匀控制系统比值控制系统分程控制系统

前馈控制系统选择控制系统

三冲量控制系统4第一节串级控制系统一、串级控制系统概述4

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

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。控制好温度图13-1管式加热炉出口温度控制系统5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的开度

56第一节串级控制系统6

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。原因7第一节串级控制系统7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13-3管式加热炉出口温度串级控制系统的方框图图13-2管式加热炉出口温度串级控制系统8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θ1和θ2。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。89第一节串级控制系统9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。10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1011第一节串级控制系统11图13-4串级控制系统典型方块图12第一节串级控制系统二、串级控制系统的特点及应用12

1.系统的结构串级控制系统有两个闭合回路。主回路是个定值控制系统,副回路是个随动系统。在串级控制系统中,主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺参数。副变量的引入往往是为了提高主变量的控制质量,它是基于主,副变量之间具有一定的内在关系而工作的。13第一节串级控制系统选择串级控制系统的副变量一般有两类情况：

一类情况是选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量;

另一类选择的副变量就是操纵变量本身,这样能及时克服它的波动,减小对主变量的影响。1314第一节串级控制系统14举例

通过这套串级控制系统，能够在塔釜温度稳定不变时，蒸汽流量能保持恒定值，而当温度在外来干扰作用下偏离给定值时，又要求蒸汽流量能作相应的变化，以使能量的需要与供给之间得到平衡，从而保持釜温在要求的数值上。图13-5精馏塔塔釜温度串级控制系统1—精馏塔；2—再沸器15第一节串级控制系统

在上例中，选择的副变量就是操纵变量（加热蒸汽量）本身。这样，当干扰来自蒸汽压力或流量的波动时，副回路能及时加以克服，以大大减少这种干扰对主变量的影响，使塔釜温度的控制质量得以提高。1516第一节串级控制系统(1)干扰作用于副回路F2引起θ2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θ1；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θ1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。162.系统的特性17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。在确定副回路时，除了要考虑它的快速性外，还应该使副回路包括主要干扰，可能条件下应力求包括较多的次要干扰。小结1718第一节串级控制系统图13-6加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统如果燃料油的压力比较稳定,而燃料油的组分波动较大,那么,该图串级控制系统的副回路作用就不大。1819第一节串级控制系统(2)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。1920第一节串级控制系统20主、副变量的变化方向相反，一个增加，另一个减小。21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2122第一节串级控制系统

3.自适应能力由于增加了副回路,使串级控制系统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。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要求时,使用串级控制系统是合适的,尤其是当主要干扰来自控制阀方面时,选择控制介质的流量或压力作为副变量来构成串级控制系统是很适宜的。2223第一节串级控制系统三、主、副控制器控制规律的选择23目的为了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。24第一节串级控制系统选择方法序号对变量的要求应选控制规律备注主变量副变量主控副控1234重要指标,要求很高主要指标,要求较高允许变化,要求不高要求不高,互相协调允许变化,要求不严主要指标,要求较高要求较高,变化较快要求不高,互相协调PIPIPPPPIPIP主控必要时引入微分工程上很少采用表13-1主、副变量不同时应选用的控制规律2425第一节串级控制系统25四、主、副控制器正反作用的选择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θ2（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，副控制器T2C选择“反”方向。1.副控制器作用方向的选择26第一节串级控制系统

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。262.主控制器作用方向的选择例如图13-2所示的管式加热炉串级控制系统。

主变量θ1或副变量θ2增加时，都要求关小控制阀，减少供给的燃料量，才能使θ1或θ2降下来，所以此时主控制器T1C应确定为反作用方向。27第一节串级控制系统五、控制器参数整定与系统投运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。28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4∶1）过渡过程下的副控制器比例度和操作周期，分别用δ2s和T2s表示。（2）在副控制器比例度等于δ2s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δ1s和操作周期T1s。整定过程2829第一节串级控制系统29（3）根据上面得到的δ1s、T1s、δ2s、T2s，按表12-3（或表12-4）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。30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数的改变来避免“共振”了。3031第一节串级控制系统2.一步整定法副控制器的参数按经验直接确定,主控制器的参数按简单控制系统整定。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。3132第一节串级控制系统32副变量放大倍数Kc2比例度δ2s／％温度压力流量液位5.0～1.73.0～1.42.5～1.255.0～1.2520～6030～7040～8020～80表13-2采用一步整定法时副变量的选择范围33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13-2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。34一、比值控制原理

在石化、制药等生产过程中，经常要两种或两种以上的物料保持一定的比例关系。燃烧过程：燃料与空气要保持一定比例，才能满足生产和环保要求。造纸过程：浓纸浆与水要以一定比例混合，才能制造出合格的纸浆。不少化学反应过程，多个进料要保持一定的比例。8.2比值控制系统35第二节其他复杂控制系统二、比值控制系统39工业上为了保持两种或两种以上物料的比值为一定的控制叫比值控制。几个概念比值控制中，需要保持比例的两种物料：处于主导地位的称为主动量，通常用FM表示，如燃烧中的燃料量。另一种物料称为从动量，用FS表示，如燃烧比值系统中的空气（氧气）量。比值控制系统要实现：

FS/FM=kk为从动量与主动量的比值。36第二节其他复杂控制系统401.开环比值控制比值控制系统的类型：从物料量Q2与主物料量Q1的比值关系为图

开环比值控制37第二节其他复杂控制系统

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；这种比值控制方案对从物料量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。

41特点38第二节其他复杂控制系统422.单闭环比值控制

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13-12单闭环比值控制这种方案的优点是结构简单,能确保两流量比值不变,是应用最多的方案。39第二节其他复杂控制系统在比值控制系统中,我们一般用比值系数K′来表示两种物料经过变送器以后的流量信号之间的比值，假定（13-1）当流量信号与流量成线性关系时,则有（13-2）当流量信号与流量成平方关系时,则有（13-3）4340

单闭环比值控制系统方框图及与串级控制系统比较控制器控制阀41单闭环比值控制系统与串级控制系统的区别：

结构上：没有主对象、主控制器；串级中，副变量是操纵变量到主被控变量之间的一个中间变量，会影响主被控变量，在比值中，从动量不会影响主动量。串级控制的副环与比值控制系统的从动量控制子系统都是随动控制系统。

——本质区别42

比值控制系统中，从动量控制系统是随动控制系统，其设定值由系统外部的kFM提供，其任务就是使从动量FS尽可能地保持与KFM相等，随着FM的变化，始终保持FM与FS的比值关系。在系统稳定时，该比值是比较精确的，在动态过程中，比值关系相对不够精确。当主动量处于不变状态时，从动量控制系统又相当于一个定值控制系统。43

单闭环比值控制系统：能克服从动量的波动；能随主动量的变化而变化，使FM与FS保持比值关系。442、双闭环比值控制系统

在主动量也需要控制时，增加一个主动量闭环控制系统，单闭环比值控制系统成为双闭环比值控制系统，如图8-2-6所示。增加了主动量闭环控制后，主动量得以稳定，从而使总流量能保持稳定。双闭环比值控制系统主要用于总流量需要经常调整（即工艺负荷的升降）的场合，如无此要求，可采用两个单独的闭环控制系统来保持比值关系。45图9－14双闭环比值控制系统方框图462、双闭环比值控制系统

在主动量也需要控制时，增加一个主动量闭环控制系统，单闭环比值控制系统成为双闭环比值控制系统，如图8-2-6所示。增加了主动量闭环控制后，主动量得以稳定，从而使总流量能保持稳定。双闭环比值控制系统主要用于总流量需要经常调整（即工艺负荷的升降）的场合，如无此要求，可采用两个单独的闭环控制系统来保持比值关系。47第二节其他复杂控制系统443.变比值控制系统

要求两种物料的比值能灵活地随第三参数的需要而加以调整，这样就出现一种变比值控制系统。图13-13变比值控制系统488.3前馈控制系统一．前馈控制原理前面讨论的所有控制系统，都属于反馈控制系统，无论其系统结构如何，它们的调节回路的基本工作原理都是一样的。下面要介绍的前馈控制系统则有着截然不同的控制思想。前馈控制思想及应用由来已久，但主要是由于技术条件的限制，发展较慢。随着计算机和现代检测技术的飞速发展，前馈控制正受到更多的重视和应用。49在反馈控制系统中，都是把被控变量测量出来，并与给定值相比较；而在前馈控制系统中，不测量被控变量，而是测量干扰变量，也不与被控变量的给定值进行比较。这是前馈与反馈的主要区别。为了系统地说明前馈控制思想，同时也为了在比较中进一步加深对反馈控制思想的理解，画出图31进行比较分析。50图31中的（a）是反馈控制，（b）是前馈控制。在前馈控制中，测量需要被加热的原油的流量，流量偏大就增加燃料量，原油流量偏小就减少燃料量，以达到稳定原油出口温度的目的。51从动态过程分析，当原油流量增大时，一段时间后，出口温度会下降。但前馈测量出原油流量的增加量，迅速增加燃料量。如果燃料增加的量和时机都很好，有可能在炉膛中将干扰克服，几乎不影响原油出口温度。如果该加热炉只存在原油流量这一个干扰，那么理论上讲，前馈控制可以把原油出口温度控制得很精确，甚至被控变量一点也不波动。这就是前馈控制思想，也是前馈控制的生命力所在。52二．前馈控制与反馈控制的比较通常认为，前馈控制有如下几个特点：（l）是“开环”控制系统；（2）对所测干扰反应快，控制及时；（3）采用专用调节器；（4）只能克服系统中所能测量的干扰。53下面从几个方面比较前馈控制与反馈控制。画出图31两个控制系统的方块图如图32所示。54

l．前馈是“开环”，反馈是“闭环”控制系统从图32可以看到，表面上，两种控制系统都形成了环路，但反馈控制系统中，在环路上的任一点，沿信号线方向前行，可以回到出发点形成闭合环路，成为“闭环”控制系统。而在前馈控制系统中，在环路上的任一点，沿信号线方向前行，不能回到出发点，不能形成闭合环路，因此称其为“开环”控制系统。552．前馈系统中测量干扰量，反馈系统中测量被控变量在单纯的前馈控制系统中，不测量被控变量，而单纯的反馈控制系统中不测量干扰量。563．前馈需要专用调节器，反馈一般只要通用调节器由于前馈控制的精确性和及时性取决于干扰通道和调节通道的特性，且要求较高，因此，通常每一种前馈控制都采用特殊的专用调节器，而反馈基本上不管干扰通道的特性，且允许被控变量有波动，因此，可采用通用调节器。57

4．前馈只能克服所测量的干扰，反馈则可克服所有干扰前馈控制系统中若干扰量都不可测量，前馈就不可能加以克服。而反馈控制系统中，任何干扰，只要它影响到被控变量，都能在一定程度上加以克服。585．前馈理论上可以无差，反馈必定有差如果系统的干扰数量很少，前馈控制可以逐个测量干扰，加以克服，理论上可以做到被控变量无差。而反馈控制系统，无论干扰的多与少、大与小，只有当干扰影响到被控变量，产生“差”之后，才能知道有了干扰，然后加以克服，因此必定有差。59第二节其他复杂控制系统三、前馈控制系统45反馈与前馈图13-14换热器的反馈控制图13-15换热器的前馈控制60第二节其他复杂控制系统反馈控制与前馈控制比较不论什么干扰,只要引起被控变量变化,都可以进行控制,这是反馈控制的优点。前馈控制是一种按扰动变化大小进行控制的系统,控制作用在扰动发生的同时就产生,这就是前馈控制的主要特点。往往用“前馈”来克服主要干扰,再用“反馈”来克服其他干扰,组成“复合”的前馈-反馈控制系统。4661第二节其他复杂控制系统图13-16换热器的前馈-反馈控制

用前馈控制来克服由于进料量波动对被控变量θ的影响,而用温度控制器的控制作用来克服其他干扰对被控变量θ的影响,前馈与反馈控制作用相加,共同改变加热蒸汽量,以使出料温度θ维持在给定值上。4762第二节其他复杂控制系统

多冲量控制系统指在控制系统中，有多个变量信号，经过一定的运算后，共同控制一台执行器，以使某个被控的工艺变量有较高的控制质量。

多冲量控制系统在锅炉给水系统控制中应用比较广泛。主要用来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。定义适用范围55

四、多冲量控制系统63第二节其他复杂控制系统1.单冲量液位控制系统原理根据汽包液位的信号来控制给水量。优点结构简单、使用仪表少。

缺点不能适应蒸汽负荷的剧烈变化。易根据“假液位”引起控制系统的误动作。56图13-23单冲量控制系统64第二节其他复杂控制系统2.双冲量液位控制系统双冲量——液位信号和蒸汽流量信号从结构上看，它实际上是一个前馈

-反馈控制系统。当供水压力扰动比较频繁时，该系统的控制质量较差。

57图13-24双冲量控制系统65第二节其他复杂控制系统3.三冲量液位控制系统58图13-25三冲量控制系统

该系统除了液位、蒸汽流量信号外,再增加一个给水流量的信号。它有助于及时克服由于供水压力波动而引起的汽包液位的变化。66例题分析1.某聚合反应釜内进行放热反应,釜温过高会发生事故,为此采用夹套水冷却。由于釜温控制要求较高,且冷却水压力、温度波动较大,故设置串级控制系统,如图所示。试确定控制阀的气开、气关型式与控制器的正、反作用。聚合釜温度控制解：为了在气源中断时保证冷却水继续供给,以防止釜温过高,故控制阀应采用气关型,为“-”方向。5967例题分析

当冷却水流量增加时,釜温和夹套温度都是下降的,故对象为“-”方向。测量变送器为“+”方向故按单回路系统的确定原则,副控制器T2C应为“反”作用。主控制器T1C的作用方向可以这样来确定