化工自動(dòng)化及儀表-8;

1、8 復(fù)雜控制系統(tǒng) 常見的復(fù)雜控制系統(tǒng)有：串級(jí)、均勻、比值、分程、前饋等。,8.1 串級(jí)控制系統(tǒng) 8.1.1 串級(jí)控制系統(tǒng)的基本概念 8.1.1.1 什么叫串級(jí)控制系統(tǒng) a 加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級(jí)控制系統(tǒng) 加熱爐是煉化生產(chǎn)中常見的設(shè)備。用來加熱原料油或裂解重油，爐出口溫度控制十分重要。 通常工藝上要求爐出口 溫度在1 2范圍 內(nèi)波動(dòng)，若采用簡(jiǎn)單控制 系統(tǒng)，由于爐管等熱容較 大，而且燃料油至出口的 通道又相當(dāng)長(zhǎng)。為此采用 了串級(jí)控制方案。,分析：擾動(dòng)因素有：原料油的處理量和溫度，燃料壓力和成分，燃料霧化情況以及煙囪抽力等。除原料油處理量和溫度外，其余擾動(dòng)的變化首先影響爐膛溫度。為了解決時(shí)滯大

2、和控制要求高之間的矛盾，可根據(jù)爐膛溫度的變化預(yù)先控制燃料量，迅速實(shí)現(xiàn)“粗調(diào)”，然后再根據(jù)爐出口溫度來 控制燃料量，實(shí)現(xiàn)“細(xì)調(diào)”。這樣就構(gòu)成了爐出口溫度與爐膛溫度的串級(jí)控制系統(tǒng)。,b 聚合釜反應(yīng)溫度和冷卻水溫度的串級(jí)控制系統(tǒng) 在這個(gè)系統(tǒng)中，被控變量是聚合釜反應(yīng)溫度，如反應(yīng)溫度稍微偏離工藝指標(biāo)，將使產(chǎn)品質(zhì)量明顯下降或報(bào)廢，甚至還會(huì)引起爆炸危險(xiǎn)。因?yàn)榭刂仆ǖ赖臅r(shí)滯太大。因此，選擇滯后較小的夾套水溫和反應(yīng)溫度組成串級(jí)控制系統(tǒng)。,8.1.1.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和方框圖,兩套檢測(cè)變送器、兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)控制器（主控制器）的輸出作為后一個(gè)控制器（副控制器）的設(shè)定，后一個(gè)控制器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。主控制器

3、控制的變量稱主變量，即工藝控制指標(biāo)；副控制器控制的變量稱副變量，是引入的輔助變量。兩個(gè)控制回路，主回路和副回路。,8.1.1.3 串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程 a 擾動(dòng)作用于副回路 例如：燃料壓力發(fā)生變化，首先影響爐膛溫度，副調(diào)節(jié)器及時(shí)進(jìn)行控制，以維持爐膛溫度穩(wěn)定。如果擾動(dòng)量小，經(jīng)過副回路及時(shí)控制后，一般不影響爐出口溫度。在大幅度擾動(dòng)下，其大部分影響被副回路克服，小部分影響爐出口溫度的擾動(dòng)則由主回路來消除，此時(shí)副調(diào)節(jié)器的測(cè)量值與設(shè)定值兩方面的變化加在一起，控制作用加強(qiáng)，使主變量盡快地恢復(fù)到設(shè)定值上來。,b 擾動(dòng)作用于主過程 若進(jìn)入加熱爐的原料油流量發(fā)生變化而影響到爐出口溫度變化時(shí)，則由主調(diào)節(jié)器起控制

4、作用，此時(shí)副回路雖不能直接克服擾動(dòng)，但由于副回路的存在而改善了過程特性，縮短了控制通道，因此控制質(zhì)量有所提高。,c 擾動(dòng)同時(shí)作用于副回路和主過程 若擾動(dòng)作用使主、副變量按同一方向變化，即主、副變量同時(shí)升高或同時(shí)降低，此時(shí)主、副調(diào)節(jié)器對(duì)調(diào)節(jié)閥的控制方向是一致的，有利于提高控制質(zhì)量。 若擾動(dòng)作用使主、副變量朝相反方向變化，則此時(shí)主、副調(diào)節(jié)器對(duì)調(diào)節(jié)閥的控制方向是相反的，閥門開度只作小小變動(dòng)就能符合控制要求。例如，原料量減小使?fàn)t出口溫度升高，而燃料壓力降低使?fàn)t膛溫度降低。,8.1.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及適用場(chǎng)合 1) 對(duì)進(jìn)入副回路的擾動(dòng)具有較迅速、較強(qiáng)的克服能力 以加熱爐為例，如果燃料油壓力發(fā)生變化

5、，首先影響爐膛溫度，副回路很快起作用，將這一擾動(dòng)克服，這樣就削弱了擾動(dòng)對(duì)主變量爐出口溫度的影響。 另一方面，串級(jí)控制系統(tǒng)有主、副兩個(gè)控制器，兩者串聯(lián)使用，所以總的比例增益是主、副控制器比例增益的乘積，因而有較大的抗干擾能力。,2) 可以改善過程特性 把副回路看作是主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，稱為等效過程gp2，它的傳遞函數(shù) gp2(s)=g2(s)/r2(s)= gc2(s) gv(s) gp2(s) /1+ gc2(s) gv(s) gp2(s) hm2(s) 設(shè)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)分別為： gp2(s)=kp2/(tp2s+1) ， gc2(s)=kc2 ， gv(s) =kv ， hm2(s)=1 。

6、 g p2(s) =kc2 kv kp2 /（1+ kc2 kv kp2 ）/tp2s/ （1+ kc2 kv kp2 ）+1 令 k p2 =kc2 kv kp2 /（1+ kc2 kv kp2 ） t p2 =tp2/ （1+ kc2 kv kp2 ） 則 gp2(s)= kp2/(t p2s+1) 式中， k p2為等效過程的放大系數(shù)， t p2為等效過程的時(shí)間常數(shù)。因?yàn)?1十kc2kvkp2)1，所以t p2 tp2， kp2 kp2 。 當(dāng)kc2足夠大時(shí)， k p2趨近于1，t p2趨近于0，副回路可近似作為1 : 1的比例環(huán)節(jié)。,3) 可消除副過程非線性特性和調(diào)節(jié)閥流量特性不適合對(duì)

7、控制質(zhì)量的影響 由于副過程和調(diào)節(jié)閥被包括在副回路內(nèi)， kc2較大，副回路接近1 : 1的比例環(huán)節(jié)。 4) 可兼顧兩個(gè)變量 主控制器的比例度選得較大時(shí)，它的輸出變化很小。這一輸出是副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，因此副變量的變化也將比較平穩(wěn)，這樣可使主、副兩個(gè)變量都保持在一定范圍之內(nèi)。5) 可以實(shí)現(xiàn)靈活控制方式，必要時(shí)可以切除主調(diào)節(jié)器,8.1.3 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 主要三個(gè)問題：主、副變量的選擇;主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇;主、副調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇。 8.1.3.1 主、副變量的選擇主變量的選擇。主變量是工藝要求穩(wěn)定的量。選取能直接、正確、迅速地反映控制要求的工藝變量，如無直接變量，則應(yīng)選擇與之有一一對(duì)

8、應(yīng)關(guān)系的間接變量，而且應(yīng)便于測(cè)量、變送。,副變量的選擇。 (1) 應(yīng)當(dāng)考慮工藝上靜態(tài)特性的合理性。 操縱變量是先影響副變量，再由副變量去影響主變量。 (2) 副回路內(nèi)必須包括主要擾動(dòng)和盡量多的擾動(dòng)。 當(dāng)擾動(dòng)進(jìn)入副回路時(shí)，副回路能迅速而強(qiáng)有力地克服它，因此在選擇副變量時(shí)，一定要把主要擾動(dòng)包括在副回路內(nèi)，以充分發(fā)揮串級(jí)控制的最大優(yōu)點(diǎn)，把對(duì)主變量影響最嚴(yán)重、最劇烈、最頻繁的擾動(dòng)因素抑制到最低程度，以確保主變量的控制質(zhì)量。 (3) 適當(dāng)分割主、副過程，在時(shí)間常數(shù)和滯后上適當(dāng)匹配。,8.1.3.2 主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇 主調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇與簡(jiǎn)單定值控制系統(tǒng)相同，采用pid控制規(guī)律或pi控制規(guī)律

9、。 副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律常采用比例作用，一般不引入積分作用，副變量允許有余差存在，而且副調(diào)節(jié)器的比例增益通常較大，控制作用強(qiáng)，余差小。副調(diào)節(jié)器一般不引入微分作用。,8.1.3.3 主、副調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇 副控制器的正、反作用方向根據(jù)調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)型式來決定。 主控制器是通過副回路才起作用，所以，其正、反作用應(yīng)根據(jù)副變量對(duì)主變量的影響關(guān)系來確定。 例：加熱爐出口溫度和爐膛溫度串級(jí)控制系統(tǒng)。從生產(chǎn)安全出發(fā)，燃料油閥宜選用氣開式，一旦氣源中斷，調(diào)節(jié)閥處于關(guān)閉狀態(tài)，可避免爐管因過熱而損壞。副調(diào)節(jié)器應(yīng)選反作用，因?yàn)闋t膛溫度測(cè)量值上升時(shí)，調(diào)節(jié)閥需要關(guān)小，此時(shí)要求副調(diào)節(jié)器輸出下降。對(duì)于主調(diào)節(jié)器，在爐出

10、口溫度上升時(shí)，爐膛溫度必須降低，因此主調(diào)節(jié)器須選反作用。,8.2 均勻控制系統(tǒng) 均勻控制系統(tǒng)是指其所起的作用而言。 8.2.1 均勻控制系統(tǒng)的目的和要求 煉油、化工都是連續(xù)生產(chǎn)過程，前一設(shè)備的出料往往就是后一設(shè)備的進(jìn)料。如圖所示前塔的出料就是后塔的進(jìn)料。 要求前塔塔底液位和流出量?jī)蓚€(gè)變量都穩(wěn)定顯然是有矛盾的，解決這一矛盾的方法是采用均勻 控制系統(tǒng)。,為了保證前塔的分餾過程正常進(jìn)行，需要維持塔底液位穩(wěn)定。,為了使操作穩(wěn)定， 后塔進(jìn)料流量也應(yīng)該平穩(wěn)，,均勻控制的兩個(gè)特點(diǎn)： (1) 表征前后供求矛盾的兩個(gè)變量都應(yīng)該是作緩慢變化的。 圖：前一設(shè)備的液位和后一設(shè)備的進(jìn)料流量關(guān)系 1-液位變化曲線 2-流

11、量變化曲線,液位定值控制,流量定值控制,均勻控制,(2) 前后互相聯(lián)系又互相矛盾的兩個(gè)變量應(yīng)保持在工藝操作所允許的范圍內(nèi)。,8.2.2 均勻控制系統(tǒng)的形式 8.2.2.1 簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng),采用一個(gè)液位調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)均勻控制。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)看，它像是一個(gè)簡(jiǎn)單液位定值控制系統(tǒng)，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的不要求液位保持在設(shè)定值上，只控制在一定范圍內(nèi)作緩慢變化。與定值控制的區(qū)別在于調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定上。均勻控制要求兼顧兩個(gè)變量，控制作用弱，為此，比例度適當(dāng)加大，積分時(shí)間也適當(dāng)增加。,8.2.2.2 串級(jí)均勻控制系統(tǒng),當(dāng)系統(tǒng)的自衡能力較強(qiáng)時(shí)，簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)對(duì)壓力擾動(dòng)反應(yīng)不夠及時(shí)，控制效果較差。為此采用串級(jí)均勻控制系統(tǒng)。

12、 此時(shí)，引入流量副回路，形成液位-流量串級(jí)均勻控制系統(tǒng)，副回路所起的作用與串級(jí)控制系統(tǒng)中的副回路相同，主回路的要求與簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)相同。,8.3 比值控制系統(tǒng) 比值控制系統(tǒng)中至少有兩種物料。起主導(dǎo)作用而又不可控的物料流量稱為主動(dòng)量，另一種物料流量是隨動(dòng)的，稱為從動(dòng)量。在數(shù)值上兩者保持一定比值。 數(shù)學(xué)關(guān)系為 ： r=q2/q1 式中，r為流量比，q2為從動(dòng)量流量，q1為主動(dòng)量流量。,8.3.1 比值控制系統(tǒng)的類型 8.3.1.1 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)有兩種：一種是將主動(dòng)量的測(cè)量值經(jīng)比值器乘以比值系數(shù)后，作為從動(dòng)量調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，因此從動(dòng)量能依一定比值關(guān)系隨主動(dòng)量而變化，這是隨

13、動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖(a)。另一種是把從動(dòng)量和主動(dòng)量經(jīng)過除法器得出相除的商作為被控變量，設(shè)定值為比值系數(shù)，這是定值控制系統(tǒng)，如圖(b)。,乘法方案,除法方案,8.3.1.2 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 如果要求主動(dòng)量也保持定值，采用雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。,8.3.1.3 變比值控制系統(tǒng) 在有些生產(chǎn)過程中，需要兩種物料的比值隨具體工況改變，比值系數(shù)由另一個(gè)控制器來設(shè)定，從而構(gòu)成串級(jí)比值控制系統(tǒng)，也就是變比值控制系統(tǒng)。 在合成氨變換爐生產(chǎn)過程中，用蒸汽控制一段觸煤層溫度，蒸汽與半水煤氣的比值需要隨一段觸煤層溫度變化，這樣就構(gòu)成了串級(jí)比值控制系統(tǒng)。,8.4 分程控制系統(tǒng) 8.4.1 分程控制基本概念,簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)

14、方塊圖及其特性,分程控制系統(tǒng)方塊圖及其特性,分程控制系統(tǒng) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是一個(gè)控制器的輸出控制一個(gè)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，而分程控制系統(tǒng)是一個(gè)控制器的輸出去同時(shí)控制幾個(gè)工作范圍不同的調(diào)節(jié)閥。 分程的動(dòng)作是通過閥門定位器實(shí)現(xiàn)的。它將調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)分成幾段，每段控制一個(gè)閥門動(dòng)作。例如，一個(gè)閥門定位器的輸入范圍是20-60kpa，另一個(gè)是60-100kpa，不論哪一段，輸出到調(diào)節(jié)閥上的氣壓信號(hào)都是20-100kpa，使閥門全行程動(dòng)作。,分程控制特性類型： 兩個(gè)閥門時(shí)，有以下4種情況,分程控制特性類型,8.4.1 分程控制的應(yīng)用例1：反應(yīng)器溫度分程控制 反應(yīng)過程要求開始時(shí)用蒸汽加熱升溫以引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)開始后，

15、由于合成過程中放出熱量，若不及時(shí)移走反應(yīng)熱，則反應(yīng)越來越劇烈，以致產(chǎn)生爆炸事故，所以要通入冷水降溫將熱量移去。為此設(shè)置了(a)圖的分程控制系統(tǒng)，它由一個(gè)反作用調(diào)節(jié)器、氣關(guān)冷水調(diào)節(jié)閥a和氣開蒸汽閥b所組成。當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)在20-60kpa變化時(shí)，閥a由全開至全關(guān)；信號(hào)在60-100kpa變化時(shí)，閥b由全關(guān)至全開，兩個(gè)閥的動(dòng)作情況如(b)。,tt,tc,蒸汽,冷水,a 氣關(guān)閥,b 氣開閥,圖a 反應(yīng)器溫度分程控制,100,這一反應(yīng)的進(jìn)行和控制過程如下：反應(yīng)開始前，反應(yīng)器內(nèi)溫度低于設(shè)定值，反作用調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)增大，打開閥b，用蒸汽對(duì)冷水加熱以獲得熱水，再通過夾套對(duì)反應(yīng)器加熱使之升溫促使反應(yīng)開始。由

16、于是放熱反應(yīng)，一旦反應(yīng)進(jìn)行后，將產(chǎn)生熱量，使反應(yīng)溫度升高，當(dāng)大于設(shè)定值后，調(diào)節(jié)器輸出開始下降，漸漸關(guān)閉閥b，接著打開闊a，通入冷水，移走反應(yīng)熱，直至把反應(yīng)溫度控制在設(shè)定值為止。當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出為60kpa時(shí)，兩個(gè)閥都應(yīng)全關(guān)。,8.6 前饋控制系統(tǒng),8.6.1 前饋控制的概念,反饋控制（閉環(huán)控制）：控制器按照被控變量與設(shè)定制的偏差來進(jìn)行控制。 存在的問題：當(dāng)被控變量偏離設(shè)定值，產(chǎn)生偏差后才進(jìn)行控制，使得控制作用滯后。,前饋控制（開環(huán)控制）：控制器根據(jù)擾動(dòng)或設(shè)定值的變化按補(bǔ)償原理進(jìn)行工作。 特點(diǎn)：擾動(dòng)產(chǎn)生后，被控變量還未變化之前，根據(jù)擾動(dòng)的大小施加控制，控制超前。,8.6.2 前饋控制與反饋控制的比較,反饋控制特點(diǎn)： (1)是閉環(huán)控制系統(tǒng) (2)控制滯后 (3)可克服所有擾動(dòng),前饋控制特點(diǎn)： (1)是開環(huán)控制系統(tǒng) (2) 控制及時(shí) (3)只能克服所測(cè)量的擾動(dòng),加熱爐靜態(tài)前饋控制系統(tǒng),8.6.3 前饋控制系統(tǒng),前饋-反饋控制系統(tǒng),前饋控制系統(tǒng)只能在一定程度上補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響，因此將其與反饋控制相結(jié)合，構(gòu)成前饋-反饋控制。 優(yōu)點(diǎn)：前饋控制