化工自动化及仪表第八章

第八章复杂控制系统华东理工大学信息学院自动化系必要性：•生产过程变得大型化和复杂化，变量之间的关系更加复杂，对操作条件的要求也更加严格。需要引入——复杂控制系统。•现代化生产对产品质量的要求更高了。•生产过程中的某些特殊要求，如物料配比、前后生产工序的协调等问题。根据系统的结构和功能可分为：串级、均匀、比值、分程、选择性、前馈、、多冲量等复杂控制系统:在单回路控制系统的基础上，增加计算环节、控制环节或其他环节，实现某些特殊功能的控制系统。8.1串级控制系统本章主要内容：8.4均匀控制系统8.6前馈控制系统8.2分程控制系统8.3比值控制系统8.1.1组成原理T被加热原料TTTC燃料油出口温度图8-1加热炉温度控制系统控制通道过程分析：温度系统滞后太大，导致误差长时间不能克服，误差太大，不符合工艺要求。主要问题：滞后太大，控制不及时。8.1串级控制系统被控变量的偏差是由什么引起的？解决问题思路分析：答：控制住这些扰动，应该可以减小被控变量的波动。答：是由于各种扰动引起的。最容易想到的解决问题的办法是什么？T被加热原料TTTC燃料油出口温度•燃料压力的波动加热炉温度控制系统该加热炉的主要扰动有哪些呢？•燃料热值的波动•原料流量的调整或波动•原料入口温度的波动等如果我们对每种扰动都进行控制，肯定满足工艺要求。但是，这样控制系统就变得非常复杂、成本大大提高。实际工业控制过程对控制系统的要求：人们研究出了一种不需要增加多少仪表就可以提高控制精度的方法——串级控制系统。在满足工艺要求的前提下，尽可能简单、经济串级控制系统的思想：把时间常数较大的被控对象分解为两个时间常数较小的被控对象。图8-2加热炉控制过程分解加热炉设备出口温度T燃料流量炉膛温度到被控变量TM的设备从燃料流量到炉膛温度Ts的设备炉膛温度TS出口温度T燃料流量被控对象1被控对象2T被加热原料TTTC燃料油出口温度图8-3加热炉温度串级控制系统T被加热原料TMCTMT燃料油出口温度TSTTSC图8-4加热炉温度串级控制系统方块图urSeMyMrMTMCTSC控制阀温度对象1温度对象2TS测量变送TM测量变送出口温度TM干扰f1干扰f2干扰f3炉膛温度TS-ySeS-qT被加热原料TMCTMT燃料油出口温度TSTTSC图8-3加热炉温度串级控制系统图8-5串级控制系统组成原理及术语(1)组成原理①将原被控对象分解为两个串联的被控对象。副被控变量副设定值操纵变量主测量值主控制器副控制器主设定值执行器副对象主对象副测量、变送主测量、变送主被控变量干扰干扰-副测量值-副回路（副控制系统）主回路②以分解后的两个被控对象的中间变量作为副被控变量，构成一个副回路（简单控制系统）。③将原被控变量作为主被控变量构成主回路。④主控制系统控制器的输出信号作为副控制系统控制器的设定值，副控制系统的输出信号作为主被控对象的输入信号。(2)串级控制系统术语主变量：生产过程所需要控制的工艺参数，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引入的辅助变量。副被控变量副设定值操纵变量主测量值主控制器副控制器主设定值执行器副对象主对象副测量、变送主测量、变送主被控变量干扰干扰-副测量值-副回路（副控制系统）主回路副对象：副变量表征其特性的工艺生产设备。主对象：主变量表征其特性的生产设备或生产过程。副被控变量副设定值操纵变量主测量值主控制器副控制器主设定值执行器副对象主对象副测量、变送主测量、变送主被控变量副干扰主干扰-副测量值-副回路（副控制系统）主回路副控制器：其设定值来自主控制器的输出，并按副变量的测量值与设定值的偏差而工作的控制器（又名随动控制器）。为什么把副控制器又称为随动控制器呢？主控制器：按主变量的测量值与设定值偏差而工作，其输出作为副变量设定值的控制器（主导控制器）。副被控变量副设定值操纵变量主测量值主控制器副控制器主设定值执行器副对象主对象副测量、变送主测量、变送主被控变量副干扰主干扰-副测量值-副回路（副控制系统）主回路主回路：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。也称为外环或主环。副回路：由负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。也称为内环或副环。副被控变量副设定值操纵变量主测量值主控制器副控制器主设定值执行器副对象主对象副测量、变送主测量、变送主被控变量干扰干扰-副测量值-副回路（副控制系统）主回路主测量值、副测量值：相应被控变量的测量值。主设定值、副设定值：主设定值是主被控变量的期望值，由主控制器内部设定。副设定值由主控制器的输出信号提供。副被控变量副设定值操纵变量主测量值主控制器副控制器主设定值执行器副对象主对象副测量、变送主测量、变送主被控变量干扰干扰-副测量值-副回路（副控制系统）主回路8.1.2控制过程只考虑上图中的f1、f2ifPS进入炉膛燃料油T一方面：另一方面：SSTT通过副回路负反馈SMSTTT通过主回路负反馈小结：由于副环的作用使控制作用变得更快、更强。(1)扰动作用于副对象：urSeMyMrMTMCTSC控制阀温度对象1温度对象2TS测量变送TM测量变送出口温度TM干扰f1干扰f2干扰f3炉膛温度TS-ySeS-q(2)扰动作用于主对象：只考虑下图中的f33SMMfTTT不变通过整个系统负反馈urSeMyMrMTMCTSC控制阀温度对象1温度对象2TS测量变送TM测量变送出口温度TM干扰f1干扰f2干扰f3炉膛温度TS-ySeS-q小结：扰动作用于主对象时，串级控制也能有效地克服扰动。结论：串级控制系统，副环的增加使得整个系统克服扰动的能力更强、作用更及时，控制性能明显提高。8.1.3系统特点(1)分级控制思想(2)串级系统结构——将一个控制通道较长的对象分解为两个对象。——两个对象、两个控制器、两个测量变送器、一个执行器(3)系统的工作方式(4)控制性能——副环是随动控制系统；主环是定值控制系统。——由于副回路的引入，改善了对象特性，系统对于扰动反映更及时，可有效地克服滞后，提高控制性能。8.1.4系统设计主被控变量的选择原则：与简单控制系统相同(1)主、副被控变量的选择•尽量选择能直接反映产品质量的变量作为被控变量；•所选被控变量能满足生产工艺稳定﹑安全﹑高效的要求；•必须考虑自动化仪表及装置的现状。副被控变量的选择原则：①必须保证它是操纵变量到主被控变量通道中的一个适当中间变量。——串级控制系统设计的关键②使主要扰动作用于副对象上③使副对象包含适当多的扰动④主、副对象的时间常数不能太接近——通常使Ts明显TM原因：一方面：如果相差很小，失去设置副环的意义另一方面：如果基本相等，系统可能出现“共振”，降低控制质量甚至会出现不稳定(2)控制规律的选择主控制器控制规律：原则：与简单控制类似从工艺上来说，采用串级控制系统的主被控变量是主要参数，不允许有余差。PI/PID(滞后较大时)副控制器控制规律：依据：副环是随动控制系统，副被控变量的控制可以有余差。为了使副环尽可能的发挥其作用。所以：一般选择P控制，而且比例度选的较小。尽快地克服扰动(3)控制器作用方向的选择依据：使系统为负反馈系统副控制器方向的选择与简单系统类似。如何选择？副控制器正、反作用的选择根据调节阀的气开、气关形式来确定。主控制器正、反作用的选择根据副被控变量对主被控变量的影响关系来确定。例题：下图所示为加热炉温度-压力串级控制系统，试画出该系统的方块图，并分别确定主、副控制器的正、反作用。图8-6加热炉温度-压力串级控制系统T被加热原料TCTT燃料油出口温度PTPC气开阀图8-7加热炉温度-压力串级控制系统方块图urSeMyMrMTCPC=TM控制阀压力对象温度对象P测量变送TM测量变送出口温度T干扰f1干扰f2干扰f3管道压力P-ySeS-q解答：(1)阀的气开、气关特性（应如何选择？）T被加热原料TCTT燃料油出口温度PTPC气开阀依据安全原则，当供气中断时，应使控制阀处于全关闭状态，不致烧坏加热炉，所以应选气开阀PePusy燃料量阀开度副控制器(2)控制器的正、反作用（如何确定？）T被加热原料TCTT燃料油出口温度PTPC气开阀所以：副控制器应选反作用。因为：所以：主控制器应选反作用。若两者一致，则选正作用。PTT要求才能使因为：主控制器T被加热原料TCTT燃料油出口温度PTPC气开阀结论：副调节器正、反作用的选择要依据阀门的气开、气关特性；主调节器正、反作用的选择与阀门的气开、气关形式无关。DDZ-Ⅲ仪表投运步骤：①将主控制器设定为内设定方式，副控制器设定为外设定方式；（为什么？）②在副控制器处于软手动状态下进行遥控操作，使主被控变量在主设定值附近稳定下来；③将副控制器切入自动；④最后将主控制器切入自动。先手动后自动，先内后外(4)系统投运串级系统的投运与所选仪表有关。(5)主、副控制器参数的工程整定两步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器。步骤如下：①在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用的条件下，将主控制器的比例度先固定在100%，然后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（4:1或10:1）过渡过程下的副控制器的比例度δss和振荡周期Tss。②在副控制器的比例度为δss的条件下，逐步减小主控制器的比例度，在同样衰减比下，得到主控制器的δMM和TMM。③根据得到的δss、Tss、δMM和TMM，查找主、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”的整定方法，将得到的控制器参数加到控制器上。⑤观察控制过程，再作适当调整。一步整定法：只整定主控制器，副控制器的参数按经验值设定。依据：在串级控制系统中，主变量是工艺的主要操作指标，直接关系到产品的质量，对它要求比较严格。而设置副变量的目的主要是为了提高主变量的控制质量，对副变量本身没有很高的要求，允许它在一定范围内变化。一步整定法的具体步骤如下：①在生产正常，系统为纯比例运行条件下，根据经验将副控制器的比例度调到某一适当值。②利用简单控制系统的任一参数整定方法整定主控制器的参数。③如果出现“共振”现象，适当调整主控制器和副控制器的参数整定值。副控制器的经验值：表8-1一步整定法副控制器比例度的经验值副变量类型副控制器比例度δSS(%)副控制器比例放大倍数KPS温度流量压力液位5.0~1.2520~8040~8030~7020~602.5~1.253.0~1.45.0~1.7串级控制系统适用场合：（1)要求被控变量的误差范围很小，采用简单控制质量较差，不能满足工艺要求（2）当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁的情况。复杂控制系统中用的最多的一种。例题：如图所示为一锅炉汽包液位控制系统的示意图，要求锅炉不能烧干。（1）确定控制阀的气开、气关型式，确定控制器的正、反作用，并简述当加热室温度升高导致蒸汽蒸发量增加时，该控制系统是如何克服干扰的？LTLC加热室汽包蒸汽冷水（2）如果冷水阀前后压力波动较大，请设计一个以汽包液位为主变量、冷水压力为副变量的串级控制系统。要求画出带控制点的工艺流程图，确定主、副控制器的正、反作用。解：（1）因为：从安全的角度考虑，锅炉汽包内的液位不能过低。因此，当供气中断时，冷水阀应该全开。所以：控制阀应该选择气关阀。因为：所以：控制器应选正作用。LyeLu阀开度当加热室温度升高导致蒸汽蒸发量增加时，液位L降低，检测变送环节LT把信息送给控制器LC，LC根据偏差及控制规律发出控制信号给执行器开大冷水阀，使液位L回升到设定值。（2）以汽包液位为主变量、冷水压力为副变量的串级控制系统带控制点的工艺流程图为：副控制器：因为：所以：副控制器选正作用。主控制器：因为：所以：主控制器选反作用。PyePu阀开度LPL要求才能使LTLC加热室汽包蒸汽冷水PTPC8.4分程控制系统8.4.1分程控制基本概念c(t)R(t)执行器对象测量变送控制器-c(t)R(t)执行器