过程控制策略课件

过过 程程 控控 制制 系系 统统主讲人：钱艳平主讲人：钱艳平2010.092过程控制策略过程控制策略n开关（开关（ON/OFF）控制）控制nPID控制控制uPID控制算法、数字控制算法、数字PID算法算法uPID改进算法改进算法n复杂过程控制复杂过程控制u串级控制、前馈控制、解耦控制等串级控制、前馈控制、解耦控制等n先进过程控制（先进过程控制（APC）u预测控制、智能控制等预测控制、智能控制等3第六讲第六讲 复杂控制策略复杂控制策略n6.1 串级控制串级控制n6.2 前馈及时滞控制前馈及时滞控制n6.3 解耦控制解耦控制n6.4 比值控制比值控制n6.5 均匀及超驰控制均匀及超驰控制n6.6 分程控制分程控制46.1 串级控制串级控制n6.1.1 引言引言温度单回路控制系统：温度单回路控制系统：若温度变化较大，若温度变化较大，如何解决？如何解决？TTTC饱和蒸汽饱和蒸汽加热物料加热物料56.1.1 引言引言n人工控制的解决办法人工控制的解决办法u仿照人工操作，仿照人工操作，不仅观察容器不仅观察容器内的温度，还要观察入口蒸汽流量内的温度，还要观察入口蒸汽流量！u温度低，则开大蒸汽阀门；若蒸汽流量不够，及时温度低，则开大蒸汽阀门；若蒸汽流量不够，及时再开大阀门，直到得到希望的温度为止。再开大阀门，直到得到希望的温度为止。u若不观察蒸汽流量量，只开大或关小阀门的，则很若不观察蒸汽流量量，只开大或关小阀门的，则很有可能调节过头或感觉不及时！有可能调节过头或感觉不及时！u这其实就是过程控制中所谓的这其实就是过程控制中所谓的“串级控制串级控制”思想。思想。TTTC66.1.1 引言引言n温度串级控制解决方案温度串级控制解决方案76.1.1 引言引言n温度串级控制解决方案温度串级控制解决方案n与单回路控制相比，增加了一个流量计和一个流量控与单回路控制相比，增加了一个流量计和一个流量控制器。制器。86.1.2 串级控制结构及特点串级控制结构及特点n（一）串级控制的结构（一）串级控制的结构96.1.2 串级控制结构及特点串级控制结构及特点n（二）串级控制的特点（二）串级控制的特点u1、串级控制系统有主、副两个闭合回路。串级控制系统有主、副两个闭合回路。主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统。主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统。u2、副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路副回路具有先调、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。完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。106.1.3 串级控制性能分析及仿真串级控制性能分析及仿真n（一）串级控制性能分析（一）串级控制性能分析u1、增强系统的抗干扰能力、增强系统的抗干扰能力 串级控制系统的副环能够有效地克服串级控制系统的副环能够有效地克服二次扰动的影响。二次扰动的影响。116.1.3 串级控制性能分析及仿真串级控制性能分析及仿真n（一）串级控制性能分析（一）串级控制性能分析u2、改善对象动态特性，提高系统的工作频率、改善对象动态特性，提高系统的工作频率 串级控制系统的副环具有较快的响应串级控制系统的副环具有较快的响应速度，提高了系统的工作效率。速度，提高了系统的工作效率。126.1.4 串级控制设计串级控制设计n（二）主、副对象的时间常数匹配（二）主、副对象的时间常数匹配u1、若副回路设计得太大，主、副对象时间常数比、若副回路设计得太大，主、副对象时间常数比较接近，易引起较接近，易引起“共振共振”问题。问题。u2、串级控制系统的主、副回路既独立又密切相关。、串级控制系统的主、副回路既独立又密切相关。136.1.4 串级控制设计串级控制设计n（三）（三）主副控制器控制规律的选择主副控制器控制规律的选择u主控制器一般选主控制器一般选PI或或PID控制规律；控制规律；u副控制器一般选副控制器一般选P或或PI控制规律：控制规律：n对于温度副回路过程，若采用积分，会减弱副回对于温度副回路过程，若采用积分，会减弱副回路的快速作用；但对流量副回路过程常采用路的快速作用；但对流量副回路过程常采用PIPI规规律。律。n作为随动环节，由于给定值经常变化，显然不宜作为随动环节，由于给定值经常变化，显然不宜引入微分规律。若确需引入，可采用微分先行规引入微分规律。若确需引入，可采用微分先行规律。律。146.1.4 串级控制设计串级控制设计n（四）（四）串级控制系统投运串级控制系统投运u先副回路，后主回路；先副回路，后主回路；u副回路或主回路投运步骤与单回路相同。副回路或主回路投运步骤与单回路相同。u无扰动切换。无扰动切换。156.1.4 串级控制设计串级控制设计n（五）（五）串级控制系统参数整定串级控制系统参数整定u串级控制系统主回路是一个定值控制系统，要求主串级控制系统主回路是一个定值控制系统，要求主参数有较高的控制精度，其品质指标与单回路定值参数有较高的控制精度，其品质指标与单回路定值控制系统一样。控制系统一样。u副回路是一个随动系统，只要求副参数能快速而准副回路是一个随动系统，只要求副参数能快速而准确地跟随主控制器的输出变化即可。确地跟随主控制器的输出变化即可。u在工程实践中，串级控制系统采用先副后主的整定在工程实践中，串级控制系统采用先副后主的整定方式。方式。166.1.4 串级控制设计串级控制设计n（五）（五）串级控制系统参数整定串级控制系统参数整定u整定步骤整定步骤:n断开主回路，把副回路按单回路控制系统的参数断开主回路，把副回路按单回路控制系统的参数整定，求取副控制器的整定参数值。整定，求取副控制器的整定参数值。n闭合主回路，将副回路作为一个等效环节，按单闭合主回路，将副回路作为一个等效环节，按单回路整定方法，求取主控制器的整定参数值。回路整定方法，求取主控制器的整定参数值。176.1.5 串级控制应用实例串级控制应用实例n主要应用场合：主要应用场合：u用于克服被控过程较大的容量滞后或纯滞后；用于克服被控过程较大的容量滞后或纯滞后；u用于抑制变化剧烈而且幅度较大的扰动；用于抑制变化剧烈而且幅度较大的扰动；u用于克服被控过程的非线性。用于克服被控过程的非线性。186.1.5 串级控制应用实例串级控制应用实例 n在冶金行业选矿在冶金行业选矿工艺中，大量使工艺中，大量使用矿石破碎机对用矿石破碎机对矿石进行破碎。矿石进行破碎。n破碎系统的主体破碎系统的主体设备是破碎机，设备是破碎机，要求给矿料位稳要求给矿料位稳定。定。196.1.5 串级控制应用实例串级控制应用实例n下矿量的波动（如粒度、下矿量的波动（如粒度、粘度发生变化）是系统中粘度发生变化）是系统中的一个主要扰动。的一个主要扰动。n若仅以机腔料位作为被控若仅以机腔料位作为被控参数构成单回路控制系统，参数构成单回路控制系统，当扰动发生后，由于给矿当扰动发生后，由于给矿皮带的传输需要一定的时皮带的传输需要一定的时间，即存在纯滞后，单回间，即存在纯滞后，单回路控制系统往往会引起很路控制系统往往会引起很大的超调，甚至振荡。大的超调，甚至振荡。206.1.5 串级控制应用实例串级控制应用实例n为了克服系统的纯滞后，决定采用串级控制：为了克服系统的纯滞后，决定采用串级控制：即在给矿皮带上安装皮带秤，以给矿量为副参即在给矿皮带上安装皮带秤，以给矿量为副参数、以机腔料位为主参数构成串级控制系统数、以机腔料位为主参数构成串级控制系统。216.1.5 串级控制应用实例串级控制应用实例n主控制器（料位控制器）采用主控制器（料位控制器）采用PI规律，反作用；规律，反作用；n副控制器（矿量控制器）采用副控制器（矿量控制器）采用PI规律，反作用。规律，反作用。n投运：先皮带秤、料位计投运；手动操纵电液投运：先皮带秤、料位计投运；手动操纵电液推杆控制下矿量；稳定运行一段时间后无扰动推杆控制下矿量；稳定运行一段时间后无扰动切换，并整定。切换，并整定。226.2 前馈及时滞控制前馈及时滞控制 n前馈控制前馈控制u结构、原理及特点结构、原理及特点u静态前馈、动态前馈静态前馈、动态前馈u前馈前馈-反馈复合控制系统反馈复合控制系统n时间滞后控制系统时间滞后控制系统uSmith预估补偿方案预估补偿方案u采样控制方案采样控制方案236.2.1 前馈控制前馈控制 n（一）引言（一）引言u原油加热炉出口温度的控制原油加热炉出口温度的控制若原油流量是主要扰动，那么该如何处理？若原油流量是主要扰动，那么该如何处理？T1TT2C燃料原油T1CT2T原油是生产原油是生产负荷！不可负荷！不可调节。调节。246.2.1 前馈控制前馈控制 u人工控制的基本思想人工控制的基本思想（1）若原油流量不可调节，）若原油流量不可调节，而扰动幅度又大，则可测量而扰动幅度又大，则可测量原油流量，据此及时调节燃原油流量，据此及时调节燃料阀门的开度，以减少对出料阀门的开度，以减少对出口温度的影响。口温度的影响。（2）这就是所谓）这就是所谓“前馈控制前馈控制（Feed Forward）”的基的基本思想：若无法控制此扰动，本思想：若无法控制此扰动，则测量它，且不等扰动影响则测量它，且不等扰动影响到被控量就提前及时调节。到被控量就提前及时调节。25（二）前馈控制的结构（二）前馈控制的结构u 前馈控制器；前馈控制器；u 过程控制通道传递函数；过程控制通道传递函数；u 过程扰动通道传递函数。过程扰动通道传递函数。)(sGff)(sGp)(sGd开环结构开环结构26（三）前馈控制设计原理（三）前馈控制设计原理 n1 1、“不变性不变性”原理原理u在扰动作用下，使控制系统的被控量与扰动作用完在扰动作用下，使控制系统的被控量与扰动作用完全无关（或在一定准确度下无关）。全无关（或在一定准确度下无关）。27（三）前馈控制设计原理（三）前馈控制设计原理 n2 2、前馈控制器、前馈控制器u由不变性原理由不变性原理,前馈控制器是由过程扰动通道与控前馈控制器是由过程扰动通道与控制通道特性之比决定的，即：制通道特性之比决定的，即：)()()(sGsGsGpdff 28（三）前馈控制设计原理（三）前馈控制设计原理 n3 3、前馈控制的必要条件、前馈控制的必要条件u“可测可测”：指扰动量可以通过测量变送器，在线地：指扰动量可以通过测量变送器，在线地将其转换为前馈补偿器所能按受的信号。将其转换为前馈补偿器所能按受的信号。u“不可控不可控”：指这些扰动量不可以通过控制回路予：指这些扰动量不可以通过控制回路予以控制。以控制。如之前的生产负荷。如之前的生产负荷。294 4、前馈控制与反馈控制比较、前馈控制与反馈控制比较反馈控制反馈控制前馈控制前馈控制控制依据控制依据基于偏差来消除偏差。基于偏差来消除偏差。基于扰动来消除扰动对被控基于扰动来消除扰动对被控量的影响。量的影响。控制作用控制作用发生时间发生时间总要等到引起被控量发生偏差总要等到引起被控量发生偏差后，控制器才动作，是一种后，控制器才动作，是一种“不不及时及时”的控制。的控制。扰动发生后，前馈控制器扰动发生后，前馈控制器“及及时时”动作。动作。控制结构控制结构闭环控制。存在稳定性问题。闭环控制。存在稳定性问题。开环控制。只要各环节稳定，开环控制。只要各环节稳定，则控制系统必然稳定。则控制系统必然稳定。校正范围校正范围可消除被包围在闭环内的一切可消除被包围在闭环内的一切扰动对被控量的影响。扰动对被控量的影响。只对被前馈的扰动有校正作只对被前馈的扰动有校正作用，具有指定性补偿局限性。用，具有指定性补偿局限性。控制规律控制规律通常是通常是P、PI、PD、PID等典型等典型规律。规律。取决于过程扰动通道与控制取决于过程扰动通道与控制通道特性之比。通道特性之比。30（四）（四）静态前馈与动态前馈静态前馈与动态前馈 n1 1、静态前馈、静态前馈u工程上要实现完全补偿是很难的，所以一般要求控工程上要实现完全补偿是很难的，所以一般要求控制系统能在一定准确度下获得近似补偿：制系统能在一定准确度下获得近似补偿：u或者，系统在稳态工况下被控量与扰动无关：或者，系统在稳态工况下被控量与扰动无关：u静态前馈控制器采用静态前馈控制器采用比例控制比例控制，是前馈模型中最简，是前馈模型中最简单的形式：单的形式：ffpdffKsGsGsG )()()(0)(,)(tdty 0)(,0)(lim tdtyt31（四）（四）静态前馈与动态前馈静态前馈与动态前馈 n2 2、动态前馈、动态前馈u当工艺上对控制精度要求很高，静态方案难以满足当工艺上对控制精度要求很高，静态方案难以满足时，可考虑使用动态前馈方案。时，可考虑使用动态前馈方案。u为避免对扰动通道及控制通道数学模型的过分依赖，为避免对扰动通道及控制通道数学模型的过分依赖，且便于整定，根据被控过程的非周期、过阻尼特性，且便于整定，根据被控过程的非周期、过阻尼特性，动态前馈系统常采用如下典型的控制规律：动态前馈系统常采用如下典型的控制规律：11)(21 ssKsGffff 32（五）（五）前馈前馈-反馈复合控制系统反馈复合控制系统 n1 1、前馈控制的局限性、前馈控制的局限性u属于开环控制方式。准确地说，应称之为属于开环控制方式。准确地说，应称之为前馈补偿前馈补偿！u完全补偿难以满足，因为：完全补偿难以满足，因为：n要准确掌握扰动通道要准确掌握扰动通道 及控制通道特性及控制通道特性 是不容易的；是不容易的；n即使前馈模型即使前馈模型 能准确求出，有时工程上也能准确求出，有时工程上也难以实现；难以实现；n对每一个扰动至少使用一套测量变送仪表和一个对每一个扰动至少使用一套测量变送仪表和一个前馈控制器，这将会使控制系统庞大而复杂；前馈控制器，这将会使控制系统庞大而复杂；n有一些扰动无法在线测量！有一些扰动无法在线测量！)(sGd)(sGp)(sGff33（五）（五）前馈前馈-反馈复合控制系统反馈复合控制系统 n2 2、前馈、前馈-反馈复合控制系统反馈复合控制系统u将前馈和反馈结合，既利用前馈控制及时克服主要将前馈和反馈结合，既利用前馈控制及时克服主要扰动，又保持反馈控制克服多个扰动的长处；扰动，又保持反馈控制克服多个扰动的长处；u复合控制降低了系统对前馈补偿器的要求，使其在复合控制降低了系统对前馈补偿器的要求，使其在工程上更易于实现。工程上更易于实现。34（五）（五）前馈前馈-反馈复合控制系统反馈复合控制系统 n3 3、前馈反馈控制系统的设计原则、前馈反馈控制系统的设计原则u采用前馈控制主要是针对那些采用前馈控制主要是针对那些“可测不可控可测不可控”、变、变化频繁且幅值较大的扰动量化频繁且幅值较大的扰动量；u工程中，工程中，一般选用静态前馈一般选用静态前馈-反馈控制方案，即可反馈控制方案，即可得到较为满意的控制效果得到较为满意的控制效果。35（六）（六）前馈控制设计举例前馈控制设计举例 36（六）（六）前馈控制设计举例前馈控制设计举例 376.2.2 时滞控制时滞控制 n时间滞后是指纯滞后过程。纯滞后往往是由于时间滞后是指纯滞后过程。纯滞后往往是由于物料或能量需要经过一个传输过程而形成的。物料或能量需要经过一个传输过程而形成的。n纯滞后极大地影响系统动态性能，引起闭环控纯滞后极大地影响系统动态性能，引起闭环控制系统稳定性明显降低，过渡过程时间加长。制系统稳定性明显降低，过渡过程时间加长。n若若 0.3，就被认为是具有较大纯滞后的，就被认为是具有较大纯滞后的工艺过程，工艺过程，时滞系统的控制是世界公认的控制时滞系统的控制是世界公认的控制难题难题。可考虑的方案：。可考虑的方案：u预估补偿方案；预估补偿方案；u采样控制方案。采样控制方案。T/38（一）（一）SmithSmith预估补偿预估补偿n1 1、基本原理、基本原理u一种以模型为基础的预估补偿控制方法；一种以模型为基础的预估补偿控制方法；u预先估计出被控过程动态数学模型；预先估计出被控过程动态数学模型；u预估预估出过程对出过程对扰动扰动的动态响应，并将预估结果作为的动态响应，并将预估结果作为反馈提早供给控制器动作，以提前对扰动进行反馈提早供给控制器动作，以提前对扰动进行补偿补偿。39（一）（一）SmithSmith预估补偿预估补偿n2 2、SmithSmith预估补偿结构预估补偿结构 采用采用SmithSmith预估补偿控制可以消除预估补偿控制可以消除纯滞后环节对控制系统品质的影响。纯滞后环节对控制系统品质的影响。40（一）（一）SmithSmith预估补偿预估补偿n3 3、SmithSmith预估补偿的不足预估补偿的不足uSmith预估器在应用中很不尽如人意预估器在应用中很不尽如人意，主要原因：，主要原因：n需要确知被控对象的精确数学模型。需要确知被控对象的精确数学模型。n即使是最简单的一阶模型，放大系数、时间常数即使是最简单的一阶模型，放大系数、时间常数或纯滞后哪怕只有或纯滞后哪怕只有10%10%的误差，也易产生振荡！的误差，也易产生振荡！n只能用于线性定常系统。只能用于线性定常系统。n对负载扰动无所助益。对负载扰动无所助益。41（一）（一）SmithSmith预估补偿预估补偿n4 4、SmithSmith预估补偿的改进预估补偿的改进42（二）（二）采样控制方案采样控制方案n1 1、基本原理、基本原理u“调一下，等一等调一下，等一等”（Wait and See)Wait and See)的办法的办法:n当控制器输出后，一段时间内不再增加或减小，当控制器输出后，一段时间内不再增加或减小，而是保持此值（保持的时间比纯滞后时间而是保持此值（保持的时间比纯滞后时间0 0稍稍长些），长些），直到控制作用的效果在被控量变化中反直到控制作用的效果在被控量变化中反映出来为止映出来为止；n接着，根据偏差的大小再决定下一步控制作用的接着，根据偏差的大小再决定下一步控制作用的大小和方向。大小和方向。43（二）（二）采样控制方案采样控制方案n2 2、采样控制的特点、采样控制的特点u核心思想就是核心思想就是避免控制器不必要的误操作，而宁愿避免控制器不必要的误操作，而宁愿让控制作用弱一些让控制作用弱一些。u无需掌握精确的过程动态特性，就能克服被控过程无需掌握精确的过程动态特性，就能克服被控过程中纯滞后的不利影响。中纯滞后的不利影响。u需注意采样周期的选取应略大于过程的纯滞后时间。需注意采样周期的选取应略大于过程的纯滞后时间。44（三）几点说明（三）几点说明n工业实际过程控制中，一旦出现了大时滞过程，工业实际过程控制中，一旦出现了大时滞过程，要想取得满意的动静态控制效果是很难的。要想取得满意的动静态控制效果是很难的。n在进行控制系统方案设计时，应尽一切可能避在进行控制系统方案设计时，应尽一切可能避免大时滞控制系统的出现。免大时滞控制系统的出现。比如，在条件允许比如，在条件允许的情况下，不采用简单的单回路控制系统，而的情况下，不采用简单的单回路控制系统，而引入中间变量构成串级控制系统等。引入中间变量构成串级控制系统等。n微分作用对时滞控制无能为力；所谓微分作用对时滞控制无能为力；所谓“先进控先进控制制”尚未见实际效果。尚未见实际效果。456.3 解耦控制解耦控制n6.3.1 控制回路间的耦合控制回路间的耦合u（一）什么是耦合？（一）什么是耦合？u如果需要同时控制泵出口的压力和流量，如果需要同时控制泵出口的压力和流量，试分析两试分析两个控制系统的运行情况？个控制系统的运行情况？466.3.1 控制回路间的耦合控制回路间的耦合PCA阀11()GsPT压力设定压力设定泵出口压力泵出口压力FCB阀22()GsFT流量设定流量设定泵出口流量泵出口流量对象对象12()Gs21()Gs47（二）耦合程度如何分析？（二）耦合程度如何分析？n1、相对增益定义、相对增益定义u相对增益相对增益ij是是调节量调节量j相对于相对于过程中其他调节量对过程中其他调节量对被控量被控量yi而言的增益（而言的增益（j yi）；）；uij定义为：定义为：ijijijqp p pij 第一放大系数第一放大系数 q qij 第二放大系数第二放大系数48（二）耦合程度如何分析？（二）耦合程度如何分析？n（）第一放大系数（）第一放大系数pij u指耦合系统中，除指耦合系统中，除j到到yi通道外，其它通道通道外，其它通道全部断开时所得到的全部断开时所得到的j到到yi通道的静态增益通道的静态增益;u即，除调节量即，除调节量j改变了改变了 j以外，其它调节量以外，其它调节量k（kj）均不变。）均不变。upij可表示为：可表示为：jkkjiijyp ,j yi的增益的增益（仅（仅j yi通道投运，通道投运，其他通道不投运）其他通道不投运）49（二）耦合程度如何分析？（二）耦合程度如何分析？n（）第二放大系数（）第二放大系数qij u指除所观察的指除所观察的j到到yi通道之外，其它通道均通道之外，其它通道均闭合且保持闭合且保持yk（kj）不变时，）不变时，j到到yi通道之通道之间的静态增益间的静态增益。uqij可表示为：可表示为：kyjiijyq j yi的增益的增益（不仅不仅j yi通道投运，通道投运，其他通道也投运）其他通道也投运）50（二）耦合程度如何分析？（二）耦合程度如何分析？n2、相对增益含义、相对增益含义 u两放大系数相同，其它回路存在与否对该通道没有两放大系数相同，其它回路存在与否对该通道没有影响，即该通道与其他通道不存在耦合；影响，即该通道与其他通道不存在耦合；u放大系数不同，各通道间有耦合。放大系数不同，各通道间有耦合。51（二）耦合程度如何分析？（二）耦合程度如何分析？n2、相对增益含义、相对增益含义uij=1 无静态耦合无静态耦合uij=0 耦合严重耦合严重 其他回路未投入时其他回路未投入时yi不受不受j影响（影响（pij=0）投入后却有影响（投入后却有影响（ij0）了）了uij=耦合严重耦合严重 uij 1 有耦合有耦合 其他回路投入后，其他回路投入后，j yi通道的增益下降通道的增益下降 需要解耦需要解耦uij 1 有耦合有耦合 需要解耦需要解耦uij 0 耦合严重耦合严重 其他回路的投入与否使系统由正反馈变成负反其他回路的投入与否使系统由正反馈变成负反 馈，系统由不稳定性变为稳定，或相反。馈，系统由不稳定性变为稳定，或相反。52（二）耦合程度如何分析？（二）耦合程度如何分析？n3、相对增益的计算、相对增益的计算u（1）第一放大系数）第一放大系数pij的计算的计算第一放大系数第一放大系数pij是在其余通道开路情况下，该通道是在其余通道开路情况下，该通道的静态增益。的静态增益。53（二）耦合程度如何分析？（二）耦合程度如何分析？计算计算p11时时,其他回路要开环其他回路要开环n或者或者(2)(3)(4)开环开环n或者令或者令Kc2=0，使，使2 2=0=0所以所以p11=K11，p21=K21，p12=K12，p22=K2254（二）耦合程度如何分析？（二）耦合程度如何分析？n（2）第二放大系数）第二放大系数qij的计算的计算u第二放大系数第二放大系数qij是在其它通道闭合且保持是在其它通道闭合且保持 yk（k i）恒定的条件下，该通道的静态增益。恒定的条件下，该通道的静态增益。55（二）耦合程度如何分析？（二）耦合程度如何分析？计算计算q q1111时时,其他回路要闭环且其他回路要闭环且y y2 2固定不变固定不变令令K Kc2c2=，使，使y y2 2跟随跟随R R2 2而固定不变而固定不变56（二）耦合程度如何分析？（二）耦合程度如何分析？222122122112111222222111111)(1KKKKKKKKKKKKKKycccc 221221221111112limKKKKKyqcK 57（二）耦合程度如何分析？（二）耦合程度如何分析？n同理，类似的可确定：同理，类似的可确定：112112221122212112221112122112221121KKKKKqKKKKKqKKKKKq58（二）耦合程度如何分析？（二）耦合程度如何分析？n直接根据定义计算相对增益直接根据定义计算相对增益 ij：211222112211222222221121122112212121221121122112121212211222112211111111KKKKKKqpKKKKKKqpKKKKKKqpKKKKKKqp 59（二）耦合程度如何分析？（二）耦合程度如何分析？n4、相对增益的特性、相对增益的特性u相对增益矩阵中每行元素之和为相对增益矩阵中每行元素之和为1u相对增益矩阵中每列元素之和也为相对增益矩阵中每列元素之和也为1。此结论也同样适用于多变量耦合系统。此结论也同样适用于多变量耦合系统。此结论可用作验算所求得的相对增益矩阵是否正确。此结论可用作验算所求得的相对增益矩阵是否正确。60（三）如何进行解耦？（三）如何进行解耦？u解耦控制的目的：解耦控制的目的：解除耦合解除耦合 或或 减弱耦合减弱耦合u解耦方法：解耦方法：分四种。分四种。61（三）如何进行解耦？（三）如何进行解耦？n1、减少控制回路、减少控制回路u2个回路，捡一个重要的回路进行控制，另一个次个回路，捡一个重要的回路进行控制，另一个次要回路不控制。要回路不控制。62（三）如何进行解耦？（三）如何进行解耦？n2、通过控制参数来减弱两个回路的耦合度、通过控制参数来减弱两个回路的耦合度u通过整定控制器参数，使两个控制回路的工作频率通过整定控制器参数，使两个控制回路的工作频率错开。错开。如果把流量作为如果把流量作为主被控变量主被控变量，那么流量控制回路按正，那么流量控制回路按正常方法进行整定，保证有控制精度、灵敏度的响应要求；常方法进行整定，保证有控制精度、灵敏度的响应要求；而把压力作为从属被控变量，压力控制回路整定得而把压力作为从属被控变量，压力控制回路整定得“松松”一些，即比例度大一些，积分时间长一些。一些，即比例度大一些，积分时间长一些。63（三）如何进行解耦？（三）如何进行解耦？n3、正确匹配被控变量与控制变量、正确匹配被控变量与控制变量u对有些系统来说，减少与解除耦合的途径可通过被对有些系统来说，减少与解除耦合的途径可通过被控变量与控制变量间的正确匹配来解决，这是最简控变量与控制变量间的正确匹配来解决，这是最简单的有效手段。单的有效手段。643、正确匹配被控变量与控制变量、正确匹配被控变量与控制变量n例：对液体混合系统例：对液体混合系统求被控量与调节量之间的求被控量与调节量之间的正确配对关系正确配对关系混合液的成份混合液的成份y1总流量总流量y2液体液体液体液体212 y2111 y653、正确匹配被控变量与控制变量、正确匹配被控变量与控制变量n根据定义，先计算根据定义，先计算1到到y1通道间的第一和第二通道间的第一和第二放大系数，得放大系数，得n因此，可求得相对增益因此，可求得相对增益:21111112yyyp 2111112yyqy 11111111yqp 663、正确匹配被控变量与控制变量、正确匹配被控变量与控制变量n由相对增益矩阵的特性，可得相对增益矩阵为由相对增益矩阵的特性，可得相对增益矩阵为n当当y1=0.3时，合理的配对是：时，合理的配对是：u用用1控制混合液成份控制混合液成份y1u用用2控制混合液总流量控制混合液总流量y2 22211211 112111211 1yyyyyy 674、正儿八经的解耦控制、正儿八经的解耦控制压力控制回路压力控制回路PCA阀11()GsPT压力设定压力设定泵出口压力泵出口压力流量控制回路流量控制回路FCB阀22()GsFT流量设定流量设定对象对象12()Gs21()Gs泵出口流量泵出口流量12()Ds21()Ds解耦器解耦器11()Ds22()Ds686.3.2 解耦控制系统设计解耦控制系统设计n常用的解耦控制方法常用的解耦控制方法u适当选择变量配对，将大系统分解为若干相对独立适当选择变量配对，将大系统分解为若干相对独立的子系统。的子系统。u对角矩阵解耦法（含单位矩阵解耦法）。对角矩阵解耦法（含单位矩阵解耦法）。u前馈补偿解耦法前馈补偿解耦法，是目前工业上应用最普遍的一种，是目前工业上应用最普遍的一种解耦方法解耦方法。696.3.2 解耦控制系统设计解耦控制系统设计n（一）对角矩阵解耦法（一）对角矩阵解耦法)()()(sUsGsYp)()()(sUsDsUc)()()()(sUsDsGsYcp 对角阵对角阵706.3.2 解耦控制系统设计解耦控制系统设计n（一）对角矩阵解耦法（一）对角矩阵解耦法2R1Y2cU1cU1R2Y)(1sGc)(2sGc)(11sGp)(22sGp716.3.2 解耦控制系统设计解耦控制系统设计n（二）单位矩阵解耦法（二）单位矩阵解耦法)()()(sUsGsYp)()()(sUsDsUc)()()()(sUsDsGsYcp 单位阵单位阵726.3.2 解耦控制系统设计解耦控制系统设计n（二）单位矩阵解耦法（二）单位矩阵解耦法u不但消除了耦合，也改变了等效被控对象的特性，不但消除了耦合，也改变了等效被控对象的特性，由于此时对象特性为由于此时对象特性为1，理论上极大提高了系统的，理论上极大提高了系统的稳定性。稳定性。u缺点：解耦网络模型可能难以实现。缺点：解耦网络模型可能难以实现。2R1Y2cU1cU1R2Y)(1sGc)(2sGc11736.3.2 解耦控制系统设计解耦控制系统设计n（三）前馈补偿解耦法（三）前馈补偿解耦法u将有耦合的控制参数当作扰动量，根据不变性原理将有耦合的控制参数当作扰动量，根据不变性原理设计前馈补偿解耦网络。设计前馈补偿解耦网络。u解耦网络较对角阵解耦简洁，工业应用广泛。解耦网络较对角阵解耦简洁，工业应用广泛。74（三）前馈补偿解耦法（三）前馈补偿解耦法)(/)()(222121sGsGsDpp )(/)()(111212sGsGsDpp 756.4 比值控制比值控制n6.4.1 基本概念基本概念n（一）定义（一）定义u两个或多个参数自动维持一定比值关系的过程控制两个或多个参数自动维持一定比值关系的过程控制系统。系统。u例如：例如：1、燃烧过程中，为保证燃烧经济性，需保持燃料、燃烧过程中，为保证燃烧经济性，需保持燃料量和空气量按一定比例混合后送入炉膛；量和空气量按一定比例混合后送入炉膛；2、造纸过程中，为保证纸浆浓度，必须控制纸浆、造纸过程中，为保证纸浆浓度，必须控制纸浆量和水量按一定的比例混合。量和水量按一定的比例混合。766.4.1 基本概念基本概念n（二）（二）主动量和从动量主动量和从动量u比值控制系统中，起主导作用的物料流量一般称为比值控制系统中，起主导作用的物料流量一般称为主动量主动量Q1。如燃烧过程中的燃料量、造纸中的纸浆。如燃烧过程中的燃料量、造纸中的纸浆量；量；u随主动量变化的物料流量称为随主动量变化的物料流量称为从动量从动量Q2。如燃烧过。如燃烧过程中的空气量、造纸中的水量。程中的空气量、造纸中的水量。uQ2与与Q1保持一定的比值保持一定的比值，即：，即：1212 kQQQQk 或或776.4.2 比值控制方案比值控制方案n根据工业生产过程的不同需求，常用的比值控根据工业生产过程的不同需求，常用的比值控制方案有：制方案有：u开环比值控制开环比值控制u单闭环比值控制单闭环比值控制u双闭环比值控制双闭环比值控制u变比值控制变比值控制n开环、单闭环或双闭环比值控制中，比值系数开环、单闭环或双闭环比值控制中，比值系数固定不变；而变比值控制中，比值系数可变。固定不变；而变比值控制中，比值系数可变。78（一）开环比值控制（一）开环比值控制u主、副流量均开环；主、副流量均开环；u由于系统开环，对副流量由于系统开环，对副流量Q2的扰动没有克服能力，的扰动没有克服能力，只适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。只适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。Q2比值比值控制器控制器控制阀控制阀流量对象流量对象Q1测量变送器测量变送器79（二）（二）单闭环比值控制单闭环比值控制控制器控制器执行器执行器副测量、变送副测量、变送比值比值控制器控制器主测量、变送主测量、变送Q1Q2对象对象n从动量从动量Q2是一个闭环控制系统；是一个闭环控制系统；n主动量主动量Q1开环，开环，Q2 的给定是的给定是k Q1，故从动量又是一，故从动量又是一个随动控制系统。个随动控制系统。n特点：结构简单，可克服作用于从动量回路中的扰特点：结构简单，可克服作用于从动量回路中的扰动，应用于动，应用于主动量可测不可控主动量可测不可控场合。场合。80（三）双闭环比值控制（三）双闭环比值控制u特点：实现主动量定值控制，使总物料量稳定。特点：实现主动量定值控制，使总物料量稳定。可可克服克服主动量和从动量的扰动，适用于要求负荷变化主动量和从动量的扰动，适用于要求负荷变化平稳的场合，但控制稍复杂。平稳的场合，但控制稍复杂。控制器控制器执行器执行器副测量、变送副测量、变送比值比值控制器控制器Q2对象对象控制器控制器执行器执行器主测量、变送主测量、变送Q1对象对象给定给定81（四）变比值控制（四）变比值控制u变比值控制系统通过控制流量比值，来实现变比值控制系统通过控制流量比值，来实现第三参第三参数数的稳定不变。本质上是一个以第三参数为主参数、的稳定不变。本质上是一个以第三参数为主参数、以流量比为副参数的串级控制系统。第三参数往往以流量比为副参数的串级控制系统。第三参数往往是产品质量指标。是产品质量指标。u变比值控制中，比值只是手段，而不是最终目的。变比值控制中，比值只是手段，而不是最终目的。826.4.3 比值控制应用比值控制应用n一次磨矿工艺与控制要求：一次磨矿工艺与控制要求：u产量基本稳定；产量基本稳定；u磨机内部磨矿浓度稳定。磨机内部磨矿浓度稳定。836.4.3 比值控制应用比值控制应用n控制方案：控制方案：u对一段磨机而言，浓度发生变化对一段磨机而言，浓度发生变化后，要求矿和水两种物料流量的后，要求矿和水两种物料流量的比值要随之变化，决定采用变比比值要随之变化，决定采用变比值控制方案。值控制方案。u主动量为主动量为磨矿浓度；从动量为矿磨矿浓度；从动量为矿和水两种物料流量的比值。和水两种物料流量的比值。u在从动量调节过程中，由于矿量在从动量调节过程中，由于矿量是生产负荷，起主导地位，故以是生产负荷，起主导地位，故以调节水量为主来改变比值。调节水量为主来改变比值。846.4.3 比值控制应用比值控制应用n控制结构图：控制结构图：856.5 均匀及超驰控制均匀及超驰控制n6.5.1 均匀控制均匀控制u连续生产过程中，前一设备的出料往往是后一设备连续生产过程中，前一设备的出料往往是后一设备的进料，工艺常常要求前一设备液位稳定，后一设的进料，工艺常常要求前一设备液位稳定，后一设备流入量稳定。备流入量稳定。866.5.1 均匀控制均匀控制n解决办法：删去流量控制，解决办法：删去流量控制，只设置液位控制系统。只设置液位控制系统。n目标：让控制量流量小幅目标：让控制量流量小幅变化，使被控量液位保持变化，使被控量液位保持在允许的范围内即可。将在允许的范围内即可。将液位、流量的控制统一在液位、流量的控制统一在一个控制系统中，即所谓一个控制系统中，即所谓“均匀控制均匀控制”（Loose Control）。）。876.5.1 均匀控制均匀控制n在定值控制系统中，为了在定值控制系统中，为了保持被控量为定值，控制保持被控量为定值，控制量可作较大幅度变化，控量可作较大幅度变化，控制作用很制作用很“强强”。n在均匀控制中，控制量和在均匀控制中，控制量和被控量同样重要，控制目被控量同样重要，控制目的要使它们在一定的范围的要使它们在一定的范围内都缓慢而内都缓慢而均匀均匀地变化。地变化。为实现均匀控制，其为实现均匀控制，其控制控制器参数比例度器参数比例度和积分时间和积分时间TI都比定值控制系统大得都比定值控制系统大得多，即控制作用很多，即控制作用很“弱弱”。886.5.1 均匀控制均匀控制n均匀控制的特点均匀控制的特点u均匀控制与定值控制均匀控制与定值控制在控制结构上没有任何区别，在控制结构上没有任何区别，其区别在于控制目的不同。其区别在于控制目的不同。u均匀控制的目的是保证前后装置或设备供求矛盾的均匀控制的目的是保证前后装置或设备供求矛盾的两个参数（一个是被控量，另一个是控制量），在两个参数（一个是被控量，另一个是控制量），在工艺允许的范围内，都缓慢均匀变化。工艺允许的范围内，都缓慢均匀变化。896.5.2 超驰控制超驰控制n工艺控制中，有些参数工艺控制中，有些参数在正常工况下不会超限，在正常工况下不会超限，不考虑对它施加控制或采取非常控制手段；而不考虑对它施加控制或采取非常控制手段；而在非正常工况下，该参数会达到极限值，此时在非正常工况下，该参数会达到极限值，此时要求采取强有力的控制手段，避免超限，即所要求采取强有力的控制手段，避免超限，即所谓谓“超弛控制超弛控制”。n超弛控制（超弛控制（Override Control）属于极限控属于极限控制，制，一般基于生产安全角度，如要求温度、压一般基于生产安全角度，如要求温度、压力、物位不能越限等等。又称选择性控制、取力、物位不能越限等等。又称选择性控制、取代控制或软保护控制。代控制或软保护控制。906.5.2 超驰控制超驰控制n工艺控制中，有些参数工艺控制中，有些参数在正常工况下不会超限，在正常工况下不会超限，不考虑对它施加控制或采取非常控制手段；而不考虑对它施加控制或采取非常控制手段；而在非正常工况下，该参数会达到极限值，此时在非正常工况下，该参数会达到极限值，此时要求采取强有力的控制手段，避免超限，即所要求采取强有力的控制手段，避免超限，即所谓谓“超弛控制超弛控制”。n超弛控制（超弛控制（Override Control）属于极限控属于极限控制，制，一般基于生产安全角度，如要求温度、压一般基于生产安全角度，如要求温度、压力、物位不能越限等等。又称选择性控制、取力、物位不能越限等等。又称选择性控制、取代控制或软保护控制。代控制或软保护控制。916.5.2 超驰控制超驰控制n硬保护是指当参数达到高限或低限时，系统开硬保护是指当参数达到高限或低限时，系统开始报警，这时需设法排除故障，若没能及时排始报警，这时需设法排除故障，若没能及时排除故障，则当参数达到高高限或低低限时，系除故障，则当参数达到高高限或低低限时，系统经联锁装置动作，统经联锁装置动作，自动停车自动停车。n软保护是指当参数达到高限或低限时，系统开软保护是指当参数达到高限或低限时，系统开始改变控制方式，始改变控制方式，以参数脱离极限值作为当前以参数脱离极限值作为当前控制的第一指标控制的第一指标，此时的控制方式一般会使控，此时的控制方式一般会使控制质量有所降低，但可维持生产继续进行，制质量有所降低，但可维持生产继续进行，避避免停车免停车（因为停车往往会造成较大的经济损（因为停车往往会造成较大的经济损失）。失）。926.5.2 超驰控制超驰控制n超驰控制的实现超驰控制的实现u在超弛控制系统中，设有两个控制器：一个用于正在超弛控制系统中，设有两个控制器：一个用于正常工况的控制，另一个用于非正常工况的控制。常工况的控制，另一个用于非正常工况的控制。u通过选择判断，自动选出能满足正常生产或适应生通过选择判断，自动选出能满足正常生产或适应生产安全状况的控制。产安全状况的控制。936.5.2 超驰控制超驰控制n氨冷器温度氨冷器温度液位超弛控制液位超弛控制u正常情况下，根据物料出口温度控制液氨流入量。正常情况下，根据物料出口温度控制液氨流入量。u但当氨冷器中液位过高时，会使气氨中带液，损坏但当氨冷器中液位过高时，会使气氨中带液，损坏后续设备。需用液位控制取代温度控制，限制液氨后续设备。需用液位控制取代温度控制，限制液氨流入量。流入量。946.5.2 超驰控制超驰控制n氨冷器温度氨冷器温度液位超弛控制液位超弛控制956.6 分程控制分程控制n（一）定义（一）定义u分程控制（分程控制（Split-range Control）中，一个控制）中，一个控制器的输出被分割成不同的控制段，分别控制不同的器的输出被分割成不同的控制段，分别控制不同的调节阀。调节阀。966.6 分程控制分程控制n（二）气动分程控制系统的分类（二）气动分程控制系统的分类976.6 分程控制分程控制n（三）分程控制目的（三）分程控制目的u1、扩大控制阀的可调范围，以改善控制品质（一、扩大控制阀的可调范围，以改善控制品质（一般采用两阀气开或两阀气关式）。般采用两阀气开或两阀气关式）。u2、为了满足工艺操作的特殊需要（一般采用气开、为了满足工艺操作的特殊需要（一般采用气开气关式或气关气开式）气关式或气关气开式）。u3、用作安全生产的防护措施（一般采用气开气关、用作安全生产的防护措施（一般采用气开气关式或气关气开式）。式或气关气开式）。986.6 分程控制分程控制n（四）分程控制应用（四）分程控制应用u、蒸汽减压系统、蒸汽减压系统采用两只调节阀来控采用两只调节阀来控制中压蒸汽。制中压蒸汽。99（四）分程控制应用（四）分程控制应用n、蒸汽减压系统、蒸汽减压系统u设设A、B两阀最大流通能力两阀最大流通能力Cmax均为均为100，可调范围，可调范围R为为30，则：，则：u采用两只流通能力相同的调节阀构成分程控制系统，采用两只流通能力相同的调节阀构成分程控制系统，可调范围比单只调节阀扩大一倍。可满足生产负荷可调范围比单只调节阀扩大一倍。可满足生产负荷变化较大的要求，且提高控制精度，改善控制质量。变化较大的要求，且提高控制精度，改善控制质量。6033.3/200/33.330/100/2002minmaxmaxminmaxmaxmaxmax CCRRCCCCCCABA100（四）分程控制应用（四）分程控制应用n、间歇反应器的分程控制、间歇反应器的分程控制u按要求配比原料，放入反应器，开始时温度达不到按要求配比原料，放入反应器，开始时温度达不到反应要求，需通蒸汽加热，诱发化学反应；反应要求，需通蒸汽加热，诱发化学反应；u达到反应温度并开始反应后，会产生大量反应热，达到反应温度并开始反应后，会产生大量反应热，需及时移走热量，否则会因温度过高而发生危险。需及时移走热量，否则会因温度过高而发生危险。101（四）分程控制应用（四）分程控制应用n、间歇反应器的分程控制、间歇反应器的分程控制A A阀气关，阀气关，B B阀气开，阀气开，TCTC反作用反作用102（四）分程控制应用（四）分程控制应用n3、油品储罐氮封分程控制、油品储罐氮封分程控制u氮封要求罐内氮气微量正压。罐内存储的物料增减氮封要求罐内氮气微量正压。罐内存储的物料增减时，罐顶压力将产生变化。时，罐顶压力将产生变化。uA阀气开，阀气开，B阀气关。阀气关。PC反作用。反作用。103（四）分程控制应用（四）分程控制应用n3、油品储罐氮封分程控制、油品储罐氮封分程控制u间歇区可避免两阀频繁交替开闭，并有效节省氮气。间歇区可避免两阀频繁交替开闭，并有效节省氮气。u一般贮罐顶部空隙较大，压力对象时间常数大，而一般贮罐顶部空隙较大，压力对象时间常数大，而压力控制精度要求不高，允许存在间歇区。压力控制精度要求不高，允许存在间歇区。104（五）分程控制注意事项（五）分程控制注意事项n、分程控制中调节阀的泄漏量问题、分程控制中调节阀的泄漏量问题u选用的调节阀应不泄漏或泄漏量极小。尤其是在大、选用的调节阀应不泄漏或泄漏量极小。尤其是在大、小阀并联工作时，若大阀泄漏量过大，小阀将不能小阀并联工作时，若大阀泄漏量过大，小阀将不能充分发挥其控制作用。充分发挥其控制作用。105（五）分程控制注意事项（五）分程控制注意事项n、分程控制中阀流量特性选择问题、分程控制中阀流量特性选择问题u如把两个调节阀作为一个阀使用，要求从一个阀向如把两个调节阀作为一个阀使用，要求从一个阀向另一个阀过渡时，其流量变化要平滑。另一个阀过渡时，其流量变化要平滑。u若两个阀的放大系数不同，在分程点上会引起流量若两个阀的放大系数不同，在分程点上会引起流量特性突变。特性突变。106（五）分程控制注意事项（五）分程控制注意事项n、分程控制中阀流量特性选择问题、分程控制中阀流量特性选择问题u解决方案：解决方案：（）选择合适的调节阀流量特性（）选择合适的调节阀流量特性（）采用分程信号重叠法。（）采用分程信号重叠法。107作业作业nP183：5.4、5.5nP184：6.3、6.9