化工仪表及自动化：chap14 复杂控制系统

第十四章 复杂控制系统 第一节 概述 第二节 串级控制系统 第三节 均匀控制系统 第四节 比值控制系统 第五节 分程控制系统 第六节 前馈控制系统简单控制系统一个被控对象一个被控对象 一个控制器一个控制器一个执行器一个执行器 一个变送器一个变送器 第一节 概述复杂控制系统 在简单控制系统的基础上，增加计算环节、控制环节或其他环节的系统。一种控制仪表多于一个。简单控制系统第一节 概述复杂控制系统 最简单，最基本，应用最广泛，解决大多数参数定值控制问题,占60%以上。被控对象的容量滞后比较大；负荷变化比较剧烈、频繁；工艺对产品质量要求很高；单回路控制系统很难满足控制要求，需要设计复杂的控制系统对生产流程加以控制。第一节 概述复杂控制系统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 复杂控制系统种类繁多，根据系统的结构和所负担的任务来说，常见的复杂控制系统分为两大类：1）提高响应曲线性能指标的控制系统，如串级、前馈、纯滞后补偿等。2）按某些特定要求而开发的系统，如比值、均匀、分程、选择、推断等。第十四章 复杂控制系统 第一节 概述 第二节 串级控制系统 第三节 均匀控制系统 第四节 比值控制系统 第五节 分程控制系统 第六节 前馈控制系统第二节 串级控制系统 一、串级控制系统基本概念 二、串级控制系统的特点 三、串级控制系统副回路的设计 四、串级控制系统主副控制器的设计 五、串级控制系统的投运 六、串级控制系统应用场合TCTT燃 料原 料一、串级控制系统基本概念1、单回路的局限性简单控制系统操纵变量：燃料油流量被控变量：原料出口温度对控制要求不高的场合是可行的、合理的。存在问题：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；通道容量滞后很大，时间常数约15min左右，反应缓慢。原料油的出口温度波动较大，难以满足生产上的要求。2、串级控制方案控制器D2、D3温度测量变送器-tst调节阀炉膛炉管油料D1图15-2 加热炉出口温度控制系统方框图（1）影响炉出口温度的干扰因素分析原料方面(入口流量/温度/组分)D1燃料方面(组分/热值/压力)D2鼓风、炉膛抽力和环境温度方面 D3 D2、D3首先反应在炉膛，且D2使炉膛温度变化仅需3分钟左右，反应快。一、串级控制系统基本概念2、串级控制方案u由于传热过程时间常数很大。串级控制的思想是把时间常数较大的被控对象分解为二个时间常数较小的被控对象；1）燃料到炉膛温度的设备；2）炉膛温度到出口温度的设备；一、串级控制系统基本概念u找出一个中间变量-炉膛温度，能提前反映干扰的作用，对这个中间变量增加控制回路进行控制；u再根据原料出口温度与给定值之差，进一步控制燃料量，可使整个系统的被控制变量得到较精确的控制。（2）方案提出2、串级控制方案 出口温度控制器T1C与炉膛温度控制器T2C串联，T1C输出作为T2C给定值，T2C输出直接控制执行器。即：炉出口温度-炉膛温度串级控制系统：一、串级控制系统基本概念（2）方案提出2、串级控制方案一、串级控制系统基本概念1）若仅有干扰D2、D3存在 炉膛温度控制回路因控制通道时间常数小，调节及时迅速，先调、粗调、快调；然后出口温度控制回路慢调、细调，很快消除偏差。若两个控制器参数设置合适，在同样D2、D3干扰下，t1的偏差比简单回路减小10100倍。（3）工作过程分析2、串级控制方案一、串级控制系统基本概念（3）工作过程分析2）若只有D1存在T2C 不能直接克服此干扰，但炉膛温度控制回路的引入，增强了控制作用，t1偏差比简单回路减小25倍。3）若D1与D2、D3同时存在 T1C和T2C控制器共同作用，以t1为主，t2不需保持定值，可使t1很快稳定，控制质量大大提高。2、串级控制方案炉膛温度控制回路（内环）：先调，粗调，快、可波动、可有余差炉出口温度控制回路：慢调，细调，最终消除余差一、串级控制系统基本概念（3）工作过程分析3、串级控制系统术语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。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。副回路副回路主回路主回路一、串级控制系统基本概念3、串级控制系统术语主对象生产过程中所要控制的，由主变量表征其特性的生产设备。副对象由副变量表征其特性的工艺生产设备。副回路副回路主回路主回路一、串级控制系统基本概念3、串级控制系统术语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。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。副控制器副回路副回路主回路主回路一、串级控制系统基本概念3、串级控制系统术语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。副回路副回路主回路主回路一、串级控制系统基本概念第二节 串级控制系统 一、串级控制系统基本概念 二、串级控制系统的特点 三、串级控制系统副回路的设计 四、串级控制系统主副控制器的设计 五、串级控制系统的投运 六、串级控制系统应用场合二、串级控制系统的特点1、两个控制回路。主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统。2、具有很强的抗干扰能力。因副回路的快速调节，有效地克服控制通道的滞后，提高控制质量。3、改善了对象特性，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。第二节 串级控制系统 一、串级控制系统基本概念 二、串级控制系统的特点 三、串级控制系统副回路的设计 四、串级控制系统主副控制器的设计 五、串级控制系统的投运 六、串级控制系统应用场合三、串级控制系统副回路的设计 若燃料压力波动为主要干扰，再选炉膛温度做副变量则滞后大，控制效果差。应选燃料压力做副变量。2、主、副变量间应有一定内在联系 副变量选择合理可行，提前预报主变量的变化。3、应使主、副对象时间常数相匹配 防止“共振效应”而产生振荡。主、副对象的时间常数比一般控制在T主/T副=310。1、应使副回路包含较多干扰，尤其包括主要干扰。包含干扰控制通道加长滞后克服干扰能力但是：三、串级控制系统副回路的设计2、主、副变量间应有一定内在联系。3、应使主、副对象时间常数相匹配。1、应使副回路包含较多干扰，尤其包括主要干扰。4、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。第二节 串级控制系统 一、串级控制系统基本概念 二、串级控制系统的特点 三、串级控制系统副回路的设计 四、串级控制系统主副控制器的设计 五、串级控制系统的投运 六、串级控制系统应用场合四、串级控制系统主副控制器的设计1、控制规律的选择u 串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量。u在串级控制系统中，设置副变量的目的就在于保证和提高主变量的控制质量。主变量是生产工艺的主要控制指标，它直接关系到产品的质量或生产的正常，一般来说，主变量不允许有余差。主控制器通常都选用PI或PID控制规律，以实现主变量的无余差控制。副变量的给定值是随主控制器输出变化而变化的,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。副控制器不能加微分，否则会使调节阀动作过大，对控制不利。四、串级控制系统主副控制器的设计2、正反作用的选择先阀后副再主（1）副控制器正反作用选择方法1：根据工艺操作要求分析，若主、副变量同时增加（减小）时，要求执行器动作方向一致，主控制器选反作用；反之，动作方向不一致，主控制器选正作用。先选定调节阀气开、气关形式，按照使副回路构成负反馈系统的原则，确定副控制器正、反作用。（2）主控制器正反作用选择四、串级控制系统主副控制器的设计2、正反作用的选择先阀后副再主方法2：将副回路看做一个整体，且为正，按负反馈要求选择主控制器。（2）主控制器正反作用选择副回路（+）难点：主对象确认四、串级控制系统主副控制器的设计2、正反作用的选择先阀后副再主（1）副控制器正反作用选择方法1：主、副变量同时增加（减小）时，要求执行器动作方向一致，主控制器选反作用；反之，选正作用。副回路构成负反馈系统（2）主控制器正反作用选择气开反作用反作用方法2：副变量炉膛温度升高，炉出口温度增加，则主对象为正，主控制器选为反作用。四、串级控制系统主副控制器的设计2、正反作用的选择先阀后副再主（1）副控制器正反作用选择方法1：主、副变量同时增加（减小）时，要求执行器动作方向一致，主控制器选反作用；反之，选正作用。副回路构成负反馈系统（2）主控制器正反作用选择蒸汽FCFTTTTC精馏塔塔釜温度串级控制系统气开反作用反作用不允许塔内温度过高方法2：主对象为正，主控制器选反作用；四、串级控制系统主副控制器的设计2、正反作用的选择 主、副变量同时增加（减小）时，要求执行器动作方向一致，主控制器选反作用；反之，选正作用。1）要求物料温度不能过高气关FC正作用TC正作用2）要求物料温度不能过低气开FC反作用TC正作用气开、气关变化时，只需改变副控制器的正反作用，无需改变主控制器正反作用冷却器出口温度-冷剂流量串级控制系统四、串级控制系统主副控制器的设计2、正反作用的选择冷却器出口温度-冷剂流量串级控制系统要求物料温度不能过高气关FC正作用TC正作用1）若冷剂压力升高，该系统如何消除干扰影响？2）若物料入口温度升高，该系统如何消除干扰影响？第二节 串级控制系统 一、串级控制系统基本概念 二、串级控制系统的特点 三、串级控制系统副回路的设计 四、串级控制系统主副控制器的设计 五、串级控制系统的投运 六、串级控制系统应用场合五、串级控制系统的投运“先副后主”，即先将副回路投“自动”再投运主回路。（1）主、副控制器均置“手动”。主控选择内给定 副控选外给定 且选择好正、反作用，PID参数放到预定值。（2）副控制器手动控制。手动控制调节阀开度，使主、副变量接近给定值。五、串级控制系统的投运“先副后主”，即先将副回路投“自动”再投运主回路。（3）副控制器投自动。当主变量接近给定值、副变量较平稳时，调节主控制器手动输出，使副控制器偏差=0，将副控器切换到“自动”。系统处于副回路自动控制工作状态。五、串级控制系统的投运“先副后主”，即先将副回路投“自动”再投运主回路。（4）主控制器投自动。副回路控制稳定后，调节主控制器手动输出，使主控制器偏差=0，将主控器切换到“自动”。主、副回路全部进入自控状态，完成串级控制系统投运。第二节 串级控制系统 一、串级控制系统基本概念 二、串级控制系统的特点 三、串级控制系统副回路的设计 四、串级控制系统主副控制器的设计 五、串级控制系统的投运 六、串级控制系统应用场合六、串级控制系统应用场合1、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；2、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；3、控制系统内存在变化激烈且幅值很大的干扰；4、被控对象具有较大的非线性，而负荷变化又较大；第十四章 复杂控制系统 第一节 概述 第二节 串级控制系统 第三节 均匀控制系统 第四节 比值控制系统 第五节 分程控制系统 第六节 前馈控制系统第三节 均匀控制系统 一、均匀控制系统基本概念 二、均匀控制系统的特点 三、均匀控制系统的构成方案一、均匀控制系统基本概念甲塔：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。前后精馏塔的供求关系解决办法：工艺上可在两塔之间加入缓冲罐 增加投资 控制系统上解决均匀控制系统一、均匀控制系统基本概念均匀控制思路：把两个过程变量统一考虑，通过调整控制器参数来实现。均匀控制的目的 流量平稳或缓慢变化，液位在最大干扰下不超出工艺允许范围。第三节 均匀控制系统 一、均匀控制系统基本概念 二、均匀控制系统的特点 三、均匀控制系统的构成方案二、均匀控制系统的特点 1、前后供求的两个变量都应缓慢变化应根据前后设备大小及重要性等确定均匀的主次。2、变量应在允许范围内变化3、结构上仍是简单控制或串级控制系统能否实现均匀控制，主要在于控制器的参数整定。“均匀”并非平均分配。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流量变化曲线第三节 均匀控制系统 一、均匀控制系统基本概念 二、均匀控制系统的特点 三、均匀控制系统的构成方案三、均匀控制系统的构成方案 1、简单均匀控制简单均匀控制目的：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。实现：通过控制器的参数整定来实现。一般采用比例控制规律PB较大，作用较弱，不要求4:110:1衰减比。若需消除余差，Ti较大，PB100，微分作用绝不能采用。用一个控制器使两个过程变量都得到控制，抗干扰能力较差，控制质量不高。三、均匀控制系统的构成方案 2、串级均匀控制实现：通过控制器的参数整定来实现。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。控制器参数整定，不是使变量尽快回到给定值，而是在允许范围内缓慢变化。投运方法与简单控制、串级控制系统相同。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。LTLC甲乙FTFC液位-流量串级均匀控制第十四章 复杂控制系统 第一节 概述 第二节 串级控制系统 第三节 均匀控制系统 第四节 比值控制系统 第五节 分程控制系统 第六节 前馈控制系统第四节 比值控制系统 一、比值控制系统基本概念 二、比值控制系统的结构比值控制：控制两个物料流量比值的控制系统；一个物料流量（从动量）跟随另一个物料流量（主动量）变化。分类：按结构分类开环、闭环（单闭环、双闭环）；按比值分类定比值、变比值；K主动量F1 ：关键物料，可测，一般不可控。从动量F2：可测且可控，供应有余。一、比值控制系统基本概念第四节 比值控制系统 一、比值控制系统基本概念 二、比值控制系统的结构1、开环比值控制系统二、比值控制系统的结构（1）开环系统：整个系统没有构成闭环。（2）抗干扰能力差。如果管线压力变化（干扰）引起Q2波动时，系统不起调节作用。所以只能适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。Q1是主流量，Q2是从流量。特点：21QQK 与Q1成比例的实际上是阀位，当无干扰时，Q1/Q2=K当有管线压力干扰时，阀前后差压变化，阀位不变，但Q2变化，所以Q1/Q2k2、单闭环比值控制系统二、比值控制系统的结构l在开环比值控制系统的基础上，增加一个副流量的闭环控制系统。（2）结构形式较简单、实施起来也比较方便，所以得到广泛的应用，尤其适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合。（3）缺点：单闭环比值控制系统，虽然能保持两物料量比值一定，但由于主流量是不受控制的，当主流量变化时，总的物料量就会跟着变化。（总量不定）特点：（1）克服副流量干扰对比值的影响，因此主、副流量的比值较为精确；3、双闭环比值控制系统二、比值控制系统的结构不仅实现了比较精确的流量比值，而且也确保了两物料总量基本不变，这是它的一个主要优点。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。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。第十四章 复杂控制系统 第一节 概述 第二节 串级控制系统 第三节 均匀控制系统 第四节 比值控制系统 第五节 分程控制系统 第六节 前馈控制系统第五节 分程控制系统 一、分程控制的基本概念 二、分程控制的适用场合一、分程控制的基本概念分程控制：就是由一个控制器的输出信号控制两个或更多个执行器（调节阀），每个执行器在控制器输出信号的某段范围内工作。结构属简单控制系统，多个调节阀实现分段动作控制。一、分程控制的基本概念分程控制：就是由一个控制器的输出信号控制两个或更多个执行器（调节阀），每个执行器在控制器输出信号的某段范围内工作。分程控制示意框图结构属简单控制系统，多个调节阀实现分段动作控制。一、分程控制的基本概念 采用两个调节阀时，由气开气关形式和分程动作的同、异向，四种组合：两阀同向动作 两阀异向动作 第五节 分程控制系统 一、分程控制的基本概念 二、分程控制的适用场合二、分程控制的适用场合根据不同工况需要选取不同控制手段 小负荷时用燃气，大负荷时用两种燃料。第十四章 复杂控制系统 第一节 概述 第二节 串级控制系统 第三节 均匀控制系统 第四节 比值控制系统 第五节 分程控制系统 第六节 前馈控制系统第六节 前馈控制系统 一、前馈控制的基本概念 二、前馈-反馈控制系统一、前馈控制的基本概念 反馈控制系统按偏差进行控制，必须在干扰引起偏差之后才能产生控制作用。对时间常数较大或滞后较大的对象往往控制不及时。前馈控制是针对可测干扰，及时根据干扰变化采取控制作用，无需等偏差出现。前馈控制器干扰F燃料Q温度T1、前馈控制的提出一、前馈控制的基本概念2、反馈控制与前馈控制的区别（1）前馈是开环控制系统，不是闭环；前馈控制不存在测量值与给定的比较，未引入反馈量。（2）检测的信号不同。前馈控制检测的是干扰量，不是被控变量。前馈控制器干扰F燃料Q温度T（3）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。（4）一个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。一、前馈控制的基本概念3、应用场合（1）干扰幅值大而频繁、对被控变量影响较大，反馈控制难以达到工艺要求的场合；（2）主要干扰可测，反馈控制又无法及时控制的场合。前馈控制器干扰F燃料Q温度T（3）控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差的控制系统。第六节 前馈控制系统 一、前馈控制的基本概念 二、前馈-反馈控制系统二、前馈-反馈控制系统 吸收前馈与反馈控制的优点，选择对象中最重要、反馈不易克服的干扰进行前馈控制，其它则由反馈控制。第十四章 小结一、串级控制系统二、均匀控制系统四、分程控制系统构成、特点；特点和使用场合，构成。与简单控制系统、串级控制系统的区别。基本概念。控制器控制规律选择，正反作用选择；投运的基本方法。三、比值控制系统构成，特点。五、前馈控制系统基本概念。