化工仪表自动化7

化工仪表及自动化第七章复杂控制系统第七章复杂控制系统内容提要串级控制系统概述串级控制系统的工作过程串级控制系统的特点串级控制系统中副回路的确定主、副控制器控制规律及正、反作用的选择控制器参数的工程整定均匀控制系统均匀控制的目的均匀控制方案比值控制系统概述比值控制系统的类型第七章复杂控制系统前馈控制系统前馈控制系统及其特点前馈控制系统的主要形式前馈控制系统的应用场合选择性控制系统基本概念选择性控制系统的类型积分饱和及其防止分程控制系统概述分程控制的应用场合分程控制的几个问题多冲量控制系统内容提要第七章复杂控制系统基本内容和要求掌握串级控制系统的结构、工作过程、特点及应用场合，副变量的确定及主、副控制器正、反作用的选择，了解主、副控制器参数的工程整定方法。熟悉设置均匀控制系统的目的及控制方案。了解比值控制系统的各种类型，熟悉单闭环比值控制方案的结构及特点。熟悉前馈控制系统的结构、特点及应用场合。理解连续型选择性控制系统的结构特点及控制方案，了解开关型选择性控制系统，了解积分饱和现象的产生及防止方法。理解分程控制系统的结构及应用场合。了解多冲量控制系统的意义，理解三冲量控制系统的结构特点。教学大纲第七章复杂控制系统教学重点和难点各种复杂控制系统（涉及串级、均匀、比值、前馈、选择性、分程、多冲量）的结构、特点、控制方案及应用场合。教学大纲第七章复杂控制系统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取代控制系统三冲量控制系统概述第七章复杂控制系统第一节串级控制系统一、概述当对象的滞后较大，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图7-1管式加热炉出口温度控制系统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。控制好温度第七章复杂控制系统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原因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。第七章复杂控制系统第一节串级控制系统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7-2管式加热炉出口温度串级控制系统图7-3管式加热炉出口温度串级控制系统的方块图第七章复杂控制系统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。第七章复杂控制系统第一节串级控制系统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。第七章复杂控制系统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。副控制器第七章复杂控制系统第一节串级控制系统图7-4串级控制系统典型方块图第七章复杂控制系统第一节串级控制系统二、串级控制系统的工作过程以管式加热炉为例，来说明串级控制系统是如何有效地克服滞后提高控制质量的。假定执行器采用气开形式，断气时关闭控制阀，以防止炉管烧坏而酿成事故，温度控制器T1C和T2C都采用反作用方向。第七章复杂控制系统第一节串级控制系统1.干扰进入副回路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。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。小结第七章复杂控制系统第一节串级控制系统2.干扰作用于主对象F1变化→θ1↑→T1C输出↓→T2C设定值↓→T2C输出↓→恢复给定值所以，在串级控制系统中，如果干扰作用于主对象，由于副回路的存在，可以及时改变副变量的数值，以达到稳定主变量的目的。第七章复杂控制系统第一节串级控制系统3.干扰同时作用于副回路和主对象回复设定值副控制器的输出差值给定值与输出炉膛温度主控制器的输出原料油出口温度炉膛温度121212CT在干扰作用下，主、副变量的变化方向相同。主、副变量的变化方向相反，一个增加，另一个减小。副控制器输出不变，偏差为零时副控制器的测定值主控制器的输出原料油出口温度炉膛温度212,第七章复杂控制系统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。小结第七章复杂控制系统第一节串级控制系统三、串级控制系统的特点（1）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；有两个测量变送器，分别测量主变量和副变量。在串级控制系统中，主回路是个定值控制系统，而副回路是个随动控制系统。（2）在串级控制系统中，有两个变量：主变量和副变量。主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺变量。第七章复杂控制系统第一节串级控制系统适用范围：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控制质量的要求时，采用串级控制系统是适宜的。（4）串级控制系统由于增加了副回路，因此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。（3）在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制作用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量。第七章复杂控制系统第一节串级控制系统四、串级控制系统中副回路的确定根据生产工艺的具体情况，选择一个合适的副变量，从而构成一个以副变量为被控变量的副回路。副回路的确定确定的原则1.主、副变量间应有一定的内在联系选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量；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，减少对主变量的影响。选择副变量的两类情况第七章复杂控制系统第一节串级控制系统举例图7-5精馏塔塔釜温度串级控制系统1—精馏塔；2—再沸器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。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。第七章复杂控制系统第一节串级控制系统2.要使系统的主要干扰被包围在副回路内图7-6加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统在本系统中，由于选择了燃料油压力作为副变量，副对象的控制通道很短，时间常数很小，因此控制作用非常及时，比起图8-2所示的控制方案，能更及时有效地克服由于燃料油压力波动对原料油出口温度的影响，从而大大提高了控制质量。确定的原则第七章复杂控制系统第一节串级控制系统注意如果管式加热炉的主要干扰来自燃料油组分（或热值）波动时，就不宜采用图7-6所示的控制方案，因为这时主要干扰并没有被包围在副环内，所以不能充分发挥副环抗干扰能力强的这一优点。第七章复杂控制系统第一节串级控制系统3.在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰如果在生产过程中，除了主要干扰外，还有较多的次要干扰，或者系统的干扰较多且难于分出主要干扰与次要干扰，在这种情况下，选择副变量应考虑使副环尽量多包围一些干扰，这样可以充分发挥副环的快速抗干扰能力，以提高串级控制系统的控制质量。注意在考虑到使副环包围更多干扰时，也应同时考虑到副环的灵敏度。确定的原则第七章复杂控制系统第一节串级控制系统随着副回路包围干扰的增多，副环将随之扩大，副变量离主变量也就越近。这样一来，副对象的控制通道就变长，滞后也就增大，从而会削弱副回路的快速、有力控制的特性。在选择副变量时，既要考虑到使副环包围较多的干扰，又要考虑到使副变量不要离主变量太近。结论第七章复杂控制系统第一节串级控制系统4.副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防“共振”的发生为了保证副回路具有快速的抗干扰性能；由于串级系统中主、副回路之间是密切相关的，副变量的变化会影响到主变量，而主变量的变化通过反馈回路又会影响到副变量。在串级控制系统中，主、副对象的时间常数不能太接近。确定的原则第七章复杂控制系统第一节串级控制系统小结在选择副变量时，应注意使主、副对象的时间常数之比为3～10，以减少主、副回路的动态联系，避免“共振”。当然，也不能盲目追求减小副对象的时间常数，否则可能使副回路包围的干扰太少，使系统抗干扰能力反而减弱了。第七章复杂控制系统第一节串级控制系统5.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对于含有大纯滞后的对象，可采用串级控制系统，并通过合理选择副变量将纯滞后部分放到主对象中去，以提高副回路的快速抗干扰功能，及时克服干扰的影响，将其抑制在最小限度内，从而可以使主变量的控制质量得到提高。确定的原则第七章复杂控制系统第一节串级控制系统举例某化纤厂胶液压力的控制问题图7-7压力与压力串级控制系统1—计量泵；2—板式热交换器；3—过滤器在计量泵和冷却器之间，靠近计量泵的适当位置，选择压力测量点，并作为副变量组成一个压力与压力的串级控制系统，以提高控制质量。图中主控制器P1C的输出作为副控制器P2C的给定值，由副控制器的输出来改变计量泵的转速，从而控制纺丝胶液的压力。该法有很大局限性：只有当纯滞后环节被划入主对象中时，才有效。第七章复杂控制系统第一节串级控制系统五、主、副控制器控制规律及正、反作用的选择1.控制规律的选择控制规律是根据控制的要求来进行选择的。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。如果时间滞后比较大，可选择比例积分微分控制。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。积分作用会使跟踪变缓；微分作用会使系统波动太大！第七章复杂控制系统第一节串级控制系统2.控制器正、反作用的选择（1）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8-2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