过程控制技术-第五章 复杂控制系统

过程控制技术5复杂控制系统简单控制系统占所有控制系统总数的80%，在绝大多数场合下已能满足生产要求，但在某些应用场合会显得“力不从心”。例如，某些过程具有大纯滞后现象，存在较明显的非线性或时变特性；某些过程中存在的扰动信号频率较高且幅度大，使用简单控制系统很难有效抑制干扰；现代工业生产又有一些控制任务特殊的生产过程需要开发和应用实现特殊要求的过程控制系统；要满足这些要求，解决这些问题，仅靠简单控制系统是不行的，需要引入更为复杂、更为先进的控制系统。本章介绍一类应用非常广泛的、运用常规仪表即可实现的复杂控制系统，主要有串级、均匀、比值三种复杂控制系统。5复杂控制系统5.1串级控制系统串级控制系统是所有复杂控制系统中应用最多的一种，当要求被控变量的误差范围很小，简单控制系统不能满足要求时，可考虑采用串级控制系统5复杂控制系统5.1.1组成原理加热炉是工业生产中常用的设备之一。工艺要求被加热物料的温度为某一定值。5复杂控制系统为此，选择炉膛温度为被控参数，燃料量为控制参数，构成图5-1（a）单回路控制系统。也可设计图5-1（b）所示控制系统，以维持炉出口温度为没一定值。该系统的特点是对于扰动f2（t），f3（t）能及时有效地克服，但是扰动f1（t）未包括在系统内，系统不能克服扰动f1（t）对炉出口温度的影响，仍然不能达到生产工艺要求。5复杂控制系统5复杂控制系统综上分析，为了充分应用上述两种方案的优点，选取炉出口温度为被控参数，选择炉膛温度为中间辅助变量，把炉出口温度控制器的输出作为炉膛温度控制器的设定值构成了图5-2和图5-3所示的炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统。这样扰动f2（t）、f3（t）对炉出口温度的影响主要由炉膛温度控制器T2构成的控制回路来克服，扰动f1（t）对炉出口温度的影响由炉出口温度控制器T1构成的控制回路来消除。5复杂控制系统（1）串级控制系统的构成原理将原被控对象分解为两个串联的被控对象，如图5-3所示。以连接分解后的两个被控对象的中间变量为副被控变量，构成一个简单控制系统，称为副控制系统或副环。以原对象的输出信号为主被控变量，即分解后的第二个被控对象的输出信号，构成一个控制系统，称为主控制系统或主回路。主控制系统中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。如图5-2、5-3所示。5复杂控制系统（2）串联控制统的名词术语为了便于分析问题，下面介绍串联控制系统常用的名词术语。主被控变量——在串联控制系统中起主导作用的那个被控参数。如上例中的炉出温度。副被控变量——串联控制系统中为了稳定主量而引入的中间辅助参数。如上例中的炉膛温度。主被控过程——由主被控变量表征其特征的生产过程，其输入量为副被控参数。输出量为主被控参数。副被控过程——由副被控变量为输出的生产过程，其输入量为控制参数。主控制器——按主被控变量的测量值与设定值的偏差进行工作的控制器，其输出作为副控制器的设定值。5复杂控制系统副控制器——按副被控变量的测量值与主控制器输出的偏差进行工作的控制器，其输出直接控制控制阀动作。主回路——由主副控制器、控制阀、主副被控过程、主测量变送器组成的闭合回路。副回路——由副控制器、副被控过程和副测量变送器组成的闭合回路。一次扰动——不包括在副回路能的扰动。如图5-2中被加热料的流量和炉前温度变化。二次扰动——包括在副回路内的扰动。如图5-2中燃料方面的扰动和烟囱抽力的变化。5复杂控制系统5.1.2串级控制系统的控制过程设控制阀为气开式，主副控制器均为反作用。当生产过程处在稳定工况时，被加热物料的流量和温度不变，燃料的流量与热值不变，烟囱抽力也不变，炉出口温度和炉膛温度均处在相对平衡状态，控制阀保持一定的开度，此是炉出口温度稳定在设定值上。当扰动破坏了平衡工况时，串级控制系统便开始了其控制过程。根据不同扰动。分三种情况讨论。5复杂控制系统①二次扰动来自燃料压力、热值和烟囱抽力变化。扰动先影响炉膛温度，于是副控制器立即发出校正信号。控制阀的开度，改变燃料量，克服上述扰动对炉膛温度的影响。如果扰动量不大，经过副回路的及时控制一般不影响炉出口温度；如果扰动的幅值较大，虽然经过副回路的及时校正、但还将影响炉出口温度，此时再由主回路的进一步调节，从而完全克服上述扰动。使炉出口温度调回到设定值上。5复杂控制系统②一次扰动来自被加热物料的流量和炉前温度变化。扰动使炉出口温度变化时，主回路产生校正作用，克服对炉出口温度的影响。由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对炉出口温度的影响比单回路系统时要小。③一次扰动和二次扰动同时存在。在该系统中，假设控制阀为气开式、主、副控制器均为反作用。如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数同时增大或同时减小时，主、副控制器对控制阀的控制方向是一致的，即大幅度关小或开大阀门，加强控制作用，使炉出口温度很快地调回到设定值上。5复杂控制系统综上分析可知，串级控制系统副控制器具有“粗调”作用，主控制器具有“细调”的作用，从而使控制品质得到进一步提高。5复杂控制系统5.1.3系统特点串级控制系统由于其独特的系统结构，而具有如下特点。（1）具有较强的抗干扰能力（2）改善了对象特性，提高了工作频率（3）串级系统具有一定的自适应能力5复杂控制系统5.1.4工业应用及示例由上所述，串级控制系统与单回路控制系统相比具有许多特点，其控制质量较高，但是所用仪表较多，投资较高，控制器参数整定较复杂。所以在工业应用中，凡用单回路控制系统能满足生产要求，就不要用串级控制系统。串级控制有时效果显著，有时效果并不一定理想，并不是任何场合都使用的。下面例举其工业应用场合与示例。5复杂控制系统（1）用于克服被控对象较大的容量滞后在现代工业生产过程中，一些以温度等为被控参数的过程，往往其容量滞后较大，控制要求又较高，若采用单回路控制系统，其控制质量不能满足生产要求。因此，可以选用串级控制系统，以充分利用其改善过程的动态特性、提高其工作频率的特点。为此，可选择一个滞后较小的副变量，组成一个快速动作的副回路，以减小等效过程的时间常数，加快响应速度，从而取得较好的控制质量。但是，在设计和应用串级控制系统时要注意：副回路时间常数不宜过小，以防止包括的扰动太少，但也不宜过大，以防止产生共振。5复杂控制系统例如，图5-2所示的加热炉，由于主过程时间常数为15min,扰动因素多，为了提高控制质量，选择时间常数和滞后较小的炉膛温度为副变量，构成炉出口温度对炉膛温度的串级控制系统，运用使等效过程时间常数减小和副回路的快速作用，有效地提高控制质量，满足了生产工艺要求。5复杂控制系统（2）用于克服被控对象的纯滞后当工业过程纯滞后时间较长，有时可应用串级控制系统来改善其控制质量。即在离控制阀较近、纯滞后较小的地方，选择一个副变量，构成一个纯滞后较小的副回路。把主要扰动包括在副回路中。在其影响主变量前，由副回路实现对主要扰动的及时控制，从而提高控制质量。下面举例说明。5复杂控制系统（3）用于抑制变化剧烈而且幅度大的扰动由前所述，串级控制系统的副回路对于进入其中的扰动具有较强的抑制能力。所以，在工业应用中只要将变化剧烈、而且幅度大的扰动包括在串级系统副回路之中，就可以大大减小其对主变量的影响。5复杂控制系统（4）用于克服被控过程的非线性在过程控制中，一般工业过程特性都有一定的非线性，当负荷变化时，过程特性会发生变化，会引起工作点的移动。这种特性的变化通常可通过选用控制阀的特性来补偿，使广义过程的特性在整个工作范围内保持不变，然而这种补偿的局限性很大，不可能完全补偿，过程仍然有较大的非线性。5复杂控制系统此时单回路系统往往不能满足生产工艺要求，如果采用串级控制系统，由于它能适应负荷和操作条件的变化，自动调整副控制阀的开度，使系统运行在新的工作点上。当然，这里会使副回路的衰减率有所变化，但是对整个系统的稳定性影响却很小。5复杂控制系统例如，如图5-9所示，为醋酸和乙炔合成反应器，其中部温度是保证合成气质量的重要参数，工艺要求对其进行严格控制。由于在它的控制通道中包含两个换热器和一个合成反映器，具有明显的非线性，使整个过程特性随着负荷的变化而变化，具有较大的非线性。如果选取反应器温度为主变量，换热器出口温度为副变量构成串级控制系统，把随负荷变化的那一部分非线性过程特性包含在副回路里，由于串级系统对于负荷变化具有一定的自适应能力，从而提高了控制质量。实践证明，系统的衰减率基本保持不变，主变量保持平稳，达到了工艺要求。5复杂控制系统5.1.5系统设计主、副被控变量的选择主被控变量的选择与简单控制系统相同。副被控变量的选择必须保证它是操纵变量到主被控变量这个控制通道中的一个适当的中间变量。这是串级控制系统设计的关键问题。副被控变量的选择还要考虑以下几个因素。5复杂控制系统①使主要扰动作用在副对象上，这样副回路能更快更好地克服扰动，副回路的作用才能得以发挥。如在加热炉温度—温度控制系统中，炉膛温度作为副被控变量，就能较好地克服燃料热值等扰动的影响。但如果燃料油压力是主要扰动，则应采用燃料油压力作为副被控变量，可以更及时地克服扰动，如图5-10所示。这时副对象仅仅是一段管道，时间常数很小，控制作用很及时。图5-105复杂控制系统②使副对象包含适当多的扰动，实际上是副被控变量选择的问题。副被控变量越靠近主被控变量，它包含的扰动量越多，但同时通道变长，滞后增加；副被控变量越靠近操纵变量，它包含的扰动越少，通道越短。因此，要选择一个适当位置，使副对象在包含主要扰动的同时，能包含适当对的扰动，从而使副环的控制作用得以更好地发挥。5复杂控制系统③主、副对象的时间常数不能太接近。通常、副对象的时间常数小于主对象的时间常数。这是因为如果副对象时间常数很小，说明副被控变量的位置很靠近主被控变量。两个变量几乎同时变化，失去设置副环的意义。5复杂控制系统如果两个对象时间常数基本相等，由于主、副回路是密切相关的，系统可能出现“共振”，使系统控制质量下降甚至出现不稳定的问题。因此，通常使副对象的时间常数明显小于主对象的时间常数。5复杂控制系统（2）主、副控制器控制规律的选择在串级控制系统中，主、副控制器所起的作用是不同的。主控制器起定值控制作用。副控制器起随动控制作用，这是选择控制规律的基本出发点。5复杂控制系统主变量是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要求无余差，因此，主调节器应选PI或PID控制规律。副变量的设置是为了保证主变量的控制质量，可以允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副控制器只要选P制规律就可以了。一般不引入积分控制规律，因为副变量允许有余差，而且副控制器的放大系数较大，控制作用强，余差小，若采用积分规律会延长控制过程，减弱副回路的快速作用。5复杂控制系统但是，在选择流量为副被控变量时，为了保持系统稳定，比例度必须选得较大，这样，比例控制作用偏弱，为此引入积分作用，采用PI控制规律。此时引入积分作用的主要目的不是清除余差，而是增强控制作用。副控制器一般也不引入微分控制规律，副回路本身起着快速作用，再引入微分规律会使控制阀动作过大，对控制不利。5复杂控制系统主、副控制器正、反作用方式的选择为了满足生产工艺指标的要求，为了确保串级控制系统的正常运行，主、副控制器正、反作用方式必须正确选择。在具体选择时，是在控制阀气开、气关形式已经选定的基础上进行的。首先根据工艺生产安全等原则选择控制阀的气开、气关形式；然后根据生产工艺条件和控制阀形式确定副控制器的正、反作用方式；最后再根据主、副变量的关系，决定主调节器的正、反作用方式。5复杂控制系统串级控制系统主、副控制器正、反作用方式确定是否正确，可做如下校验：当炉出口温度升高时，主控制器输出减小，即副控制器的设定值减小，因此，副控制器输出减小，使调节阀开度减小。这样，进入管式加热炉的燃料油减小，从而使炉膛温度和炉出口温度降低图5-10精馏塔塔釜温度串级控制系统5-10精馏塔塔釜温度-流量串级