HG第八章复杂控制系统

第八章

复杂控制系统

单回路控制系统（简单控制系统）：在一般情况下能够满足生产控制要求。特殊情况：系统干扰因素多、干扰剧烈，以及工艺特殊要求—复杂控制系统复杂控制系统主要有：串级控制系统比值控制系统均匀控制系统前馈控制系统选择控制系统分程控制系统多冲量控制系统等1第一节串级控制系统例：管式加热炉出口温度的单回路控制系统出口温度原料燃料TC控制好温度可延长炉子寿命，防止炉管烧坏；可保证后面精馏分离的质量。2第一节串级控制系统例：管式加热炉出口温度的单回路控制系统出口温度原料燃料TC存在的问题？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。

3解决方法－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

出口温度原料燃料T1CT2C炉膛温度分析工作过程。主控制器副控制器控制阀副对象主对象主测量变送副测量变送T1CT2CT1测量变送T2测量变送主变量干扰2干扰1--给定值副变量1、方块图42、串级控制系统的特点主控制器副控制器控制阀副对象主对象主测量变送副测量变送主变量干扰2干扰1--给定值副变量在系统结构上，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(串接工作)；有两个测量变送器。有两个变量：主变量，副变量。5串级控制系统的特点-2主控制器副控制器控制阀副对象主对象主测量变送副测量变送主变量干扰2干扰1--给定值副变量在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象特征，使控制过程加快，具有超前控制的作用。6串级控制系统的特点-3主控制器副控制器控制阀副对象主对象主测量变送副测量变送主变量干扰2干扰1--给定值副变量串级控制系统由于增加了副回路，具有有一定的自适应能力。可应用于负荷和操作条件变化较大的场合。73、串级控制系统副变量的选择及副回路的设计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。83、串级控制系统副变量的选择及副回路的设计主副变量间应有一定的内在联系；系统的主要干扰应包围在副回路中；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主副对象时间常数的匹配，防止共振的发生；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。94、主、副控制器控制规律的选择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，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，不管干扰出现在什么位置；105、主、副控制器正反作用的选择选择顺序：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，即从稳定性考虑，开环放大倍数必须为“负”。要求，知道副对象的正反作用，以及执行器的正反作用。主控制器：考虑主环内各个环节的正反作用。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“正”的环节——随动系统，跟踪主控制器的输出。因此，主控制器的符号主要取决于主对象的符号，即，主对象为“正”，则主控制器取“反”作用，主对象为“负”，则主控制器取“正”作用。11举例：主、副控制器正反作用的选择出口温度原料燃料T1CT2C炉膛温度＋＋＋－－图中：“＋”号表示正作用；“－”号表示反作用；12串级与主控的切换条件串级→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→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——直接切换条件。13串级与主控的切换条件－续副控制器为反作用（负）：正偏差→输出减小、负偏差→输出增大主控制器输出增加→副控制器负偏差，输出增加——对控制阀的方向没有影响主控制器输出减小→副控制器正偏差，输出减小——对控制阀的方向没有影响可见，此时主、副控制器输出信号变化一致。副控制器为正作用（正）：此时主、副控制器输出信号变化不一致。直接切换条件：副控制器必须为反作用。因此，在控制阀气开闭形式可任选的情况下，应选择使得副控制器为反作用，可直接切换。146、系统工程整定方法逐步逼近法、两步法、一步法；先副环，后主环。（1）两步法分两步整定两个控制器A、主环控制器比例度100%，积分时间最大，微分时间最小，按4：1整定方法直接整定副环，确定副环4：1振荡过程时的比例度和振荡周期；B、放好副控制器4：1的比例度，积分时间最大，微分时间最小，同样方法整定主控制器，确定副环4：1振荡过程时的比例度和振荡周期；C、按照得到的四个参数，可按单回路系统的公式计算PID参数；D、先副后主、先比例次积分后微分投入，再小范围调整。15（2）一步法主要整定主控制器，比两步法简单、实用。A、副控制器参数经验设置值；B、按单回路方法直接整定主控制器；C、观察控制过程，适当调整主控制器K值，或适当调整副控制器的参数。167、串级控制系统适应场合被控对象的控制通道纯滞后时间较长，用单回路控制系统不能满足质量指标；对象容量滞后比较大，用单回路控制系统不能满足质量指标；控制系统内存在变化激烈且幅值很大的干扰；被控对象具有较大的非线性，而负荷变化又较大；17第二节均匀控制系统一、均匀控制系统的基本概念甲、乙两塔间的供求关系出现了矛盾。中间储罐，缓冲作用；自动控制模拟前后精馏塔的供求关系

1—出料阀；2—小阀均匀控制的目的甲塔: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。18第二节均匀控制系统一、均匀控制系统的基本概念为了解决前后工序供求矛盾，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。前后精馏塔的供求关系

1—出料阀；2—小阀均匀控制的目的甲塔: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。19构成均匀控制系统，液位和流量两个参数的变化应满足如下要求：小结：均匀控制系统，是指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地、均匀地变化，使前后设备在物料供求上相互兼顾，均匀协调的系统。1.两个参数在控制过程中都应该是变化的，且变化是缓慢的。

2.两个参数必须在允许的范围内变化，均匀控制要求在最大干扰作用下，液位在塔釜的上下限内波动，而流量应在一定的范围内平稳渐变，避免对后段工序产生较大的干扰。20二、简单均匀控制系统结构与单回路液位控制系统相同；液位与流量协调变化用控制器控制规律实现；控制规律采用纯比例控制，参数整定比例度大于100%；加积分、积分时间常数要大；不能加微分。21三、串级均匀控制系统FCLC

特点：结构与串级控制系统完全相同；副环流量控制与串级副环相同；副环参数整定与串级对副环的要求相同；主控制器与简单均匀控制要求相同主、副控制器一般都采用纯比例控制规律。简单均匀控制缺点：压力干扰→流量变化→液位变化→液位控制。

控制不及时22第三节比值控制系统比值控制系统：实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统。流量比值较多。主物料-----处于主导地位的物料表征该物料的参数为主动量Q1（主流量）从物料-----随主物料的变化呈比例的变化的另一种物料表征该物料的参数从动量Q2

（副流量）流量比值副流量主流量23比值控制系统的类型一、开环比值控制系统FCQ1Q2控制器控制阀对象Q2测量变送Q1给定整个控制系统处于开环状态，Q2流量根据Q1流量，按比例系数开闭阀门。无论Q1或Q2均没有流量自我稳定（自控）作用，特别是Q2必须要求管道压力不发生波动，才能实现比值控制作用。这种方案应用较少。24二、单闭环比值控制系统在开环比值控制系统的基础上，增加了一个副流量的闭环控制系统。F1CF2CQ1Q2从方块图上看，与串级控制系统的结构相似，只是主参数没有闭环，Q2不影响Q1

副流量系统闭环，稳定副流量，定值控制。结构简单，特别是在主流量参数工艺不能控制的场合实施。Q2Q1给定控制器F1C控制器F2C执行器对象主测量变送副测量变送25单闭环比值控制系统与串级控制系统比较主控制器副控制器控制阀副对象主对象主测量变送副测量变送主变量干扰2干扰1--给定值副变量Q2Q1给定控制器F1C控制器F2C执行器对象主测量变送副测量变送26三、双闭环比值控制系统KF1CF2CQ1Q2Q2Q1给定主控制器F1C副控制器F2C执行器主流量对象主测量变送副测量变送K执行器副流量对象在单闭环比值控制系统的基础上，增加了主流量控制回路。由于主流量控制回路的存在，实现了主流量定值控制，克服了对主流量的干扰的影响另一个优点是，提升主负荷比较容易，缓慢改变主控制器的给定值。缺点：使用的仪表较多，另外，若主副回路工作频率相近时，容易产生共振。27变比值比值控制系统（自学）特点------两种物料流量的比值能灵活地随第三变量的需要而变化。定比值控制方案只能克服流量干扰对比值的影响，当其它参数存在对比值系数的扰动时，必须时时修正比值系数，变比值控制例如：变换炉的半水煤气与水蒸气的变比值控制系投，比值系数要能随一段触煤层温度的变化而变化。见教材图8-19。28变比值比值控制系统（自学）例如：变换炉的半水煤气与水蒸气的变比值控制系投，比值系数要能随一段触煤层温度的变化而变化。见教材图8-19。变比值控制系统29第四节前馈控制系统反馈控制：干扰造成影响后进行控制，干扰频繁、滞后大→控制不及时。前馈控制：干扰产生就进行控制，已知主要干扰时。一、概述30前馈控制系统与反馈控制比较执行器测量变送-偏差ez测量值给定值x控制器被控变量yf干扰作用对象执行器测量变送-前馈控制器被控变量f干扰作用对象前馈控制系统反馈控制系统31前馈控制的特点（1）按干扰作用的大小进行控制——提前，控制及时。前馈与反馈的控制比较。（2）前馈控制属于开环控制。系统方块图。开环控制，控制效果不能通过反馈验证，因此对控制器设计的要求比较严格32前馈控制的特点－续（3）是一种根据对象特性设计的“专用”控制器。不象反馈控制通用PID算法，前馈控制算法依对象不同而不同。前馈控制器设计依据“扰动补偿理论”。33二、前馈控制系统的几种结构形式

（1）单纯前馈控制静态前馈34（1）单纯前馈控制（续）

动态前馈：动态补偿环节35（2）前馈—反馈控制

吸收前馈与反馈控制的优点，即前馈控制作用及时的优点及反馈控制能克服多个扰动和具有对被控参数进行反馈检测的长处。实例36三、前馈控制系统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，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。主要干扰是可测不可控的干扰。37第五节选择性控制系统（自学）两种系统保护措施硬保护：极限情况下，声光报警，转入人工控制或停车；软保护：极限情况下，转入另一种控制模式，进行自动处理——选择性控制系统。根据处理方法不同，选择性控制系统可以分为三类；开关型选择性控制系统：由限位信号切断控制器输出；连续型选择性控制系统：由限位信号切换为另一个控制器输出给执行器；