復(fù)雜控制系統(tǒng)F

1、 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng) 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng) 均勻控制系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng) 分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng) 選擇型控制系統(tǒng)選擇型控制系統(tǒng) 前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng) 解耦控制系統(tǒng)解耦控制系統(tǒng) 5.5 5.5 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng) 比值控制系統(tǒng)：比值控制系統(tǒng)： 實現(xiàn)兩個或兩個以上參實現(xiàn)兩個或兩個以上參 數(shù)符合一定比例關(guān)系的數(shù)符合一定比例關(guān)系的 控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。 QA : QB = K QAC 物料物料B 物料物料A DTDT R 合合 成成 爐爐 QA QB IA IB IB* 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥管路管路比值器比值器 變送器變送器 QB QA 變

2、送器變送器 IBIB* IA 范圍范圍4-20mA4-20mA 一、比值系數(shù)一、比值系數(shù)的計算的計算 1. 流量與其測量信號成非線性關(guān)系流量與其測量信號成非線性關(guān)系 流量 P CQ 以“DDZ-型儀表”為例： PK P CQ 22 2 1 Q K P 物料物料A： 物料物料B： 2 2 BBB AAA QKP QKP 最大流量最大流量 2 maxmax 2 maxmax BBB AAA QKP QKP 任意流量任意流量 416 416 max max B B B A A A P P I P P I 416 416 2 max 2 2 max 2 BB BB B AA AA A QK QK I

3、QK QK I 416 416 2 max 2 2 max 2 B B B A A A Q Q I Q Q I 4)4( * BB II AB II * 416 2 max 2 * B B B Q Q I 2 max max A B B A Q Q Q Q 假設(shè)假設(shè) B A Q Q K 2 max max2 A B Q Q K 2. 流量與其測量信號成線性關(guān)系流量與其測量信號成線性關(guān)系 44 44 BB AA II II QAC 物料物料B 物料物料A DTDT R 合合 成成 爐爐 QA QB IAIB IB* IB IA AB II* 4)4( * BB II 4)444(44 BA II

4、 4 4 B A I I max max max max 4 4 A B B A B B A A Q Q Q Q Q Q Q Q 416 416 2 max 2 2 max 2 B B B A A A Q Q I Q Q I max max A B Q Q K 二、比值系統(tǒng)中的非線性特性二、比值系統(tǒng)中的非線性特性 1. 非線性關(guān)系非線性關(guān)系 2 max 32 A A A A p Q Q dQ dI k 2. 線性關(guān)系線性關(guān)系 max 4 AA A p QdQ Id k 416 2 max 2 A A A Q Q I 44 AA II 4 4 max A A A Q Q I 三、常見比值控制系統(tǒng)

5、三、常見比值控制系統(tǒng) 1. 開環(huán)比值控制系統(tǒng)開環(huán)比值控制系統(tǒng) 副流量副流量 主流量主流量 Q1T Q1 Q2 Q2C 優(yōu)點：優(yōu)點：簡單，成本低簡單，成本低 缺點：缺點：無抗干擾能力，當(dāng)副流管線壓力等改變時，不能保證所要求的比值。無抗干擾能力，當(dāng)副流管線壓力等改變時，不能保證所要求的比值。 適用場合：適用場合： 控制目標(biāo)：控制目標(biāo)：Q2 : Q1= K 調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥 設(shè)定值設(shè)定值 比值器比值器 流量變送器流量變送器 Q1 Q1T Q2C 2. 閉環(huán)定比值控制系統(tǒng)閉環(huán)定比值控制系統(tǒng) 副流量副流量 主流量主流量 Q1 Q2 Q2C Q1TR Q2T (1)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 優(yōu)點：

6、優(yōu)點：不但能實現(xiàn)副流量跟隨主不但能實現(xiàn)副流量跟隨主 流量變化，而且能克服流量干擾流量變化，而且能克服流量干擾 等。結(jié)構(gòu)較簡單，應(yīng)用較廣泛。等。結(jié)構(gòu)較簡單，應(yīng)用較廣泛。 缺點：缺點：主流量不受控。主流量不受控。 適用場合：適用場合：適用于負荷變化不大，適用于負荷變化不大， 兩物料比值要求較精確的過程。兩物料比值要求較精確的過程。 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥對象對象比值器比值器 流量變送器流量變送器 Q1 Q2 流量變流量變 送器送器 副流量副流量 主流量主流量 Q1 Q2 Q2C Q1T Q1C R Q2T (2)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 主流量回路：主流量回路：克服主流量擾動，實現(xiàn)克

7、服主流量擾動，實現(xiàn) 其定值控制。其定值控制。 副流量回路：副流量回路：抑制副回路中的擾動，抑制副回路中的擾動， 使副流量與主流量成比值關(guān)系。使副流量與主流量成比值關(guān)系。 優(yōu)點：優(yōu)點：克服單閉環(huán)主流量不受控的不足，控制系統(tǒng)克服單閉環(huán)主流量不受控的不足，控制系統(tǒng) 更為穩(wěn)定；升降負荷比較方便。更為穩(wěn)定；升降負荷比較方便。 適用場合：適用場合：適用于主副流量擾動頻繁，負荷變化較適用于主副流量擾動頻繁，負荷變化較 大或經(jīng)常需要提降負荷的場合。大或經(jīng)常需要提降負荷的場合。 主流量主流量 Q1 Q2 主調(diào)節(jié)器主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥 主流量變送器主流量變送器 調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥副流量副流量副調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器 副流量變送

8、器副流量變送器 比值器比值器 3. 變比值控制系統(tǒng)（串級比值控制系統(tǒng)）變比值控制系統(tǒng)（串級比值控制系統(tǒng)） 變比值控制系統(tǒng)是一個變比值控制系統(tǒng)是一個 以第三個變量為主變量以第三個變量為主變量(質(zhì)量質(zhì)量 指標(biāo)指標(biāo))、以兩個流量比為副變、以兩個流量比為副變 量的串級控制系統(tǒng)。量的串級控制系統(tǒng)。 反反 應(yīng)應(yīng) 器器 空氣空氣氨氣氨氣 QTQT QC CT 溫度調(diào)節(jié)器溫度調(diào)節(jié)器流量調(diào)節(jié)器流量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥氨氣流量氨氣流量 流量檢測變送器流量檢測變送器除法器除法器 溫度檢測變送器溫度檢測變送器 流量檢測變送器流量檢測變送器 + + 溫度溫度給定給定 空氣流量空氣流量 反應(yīng)器溫度反應(yīng)器溫度 四、比值方案的

9、實施四、比值方案的實施 相乘實施方案相乘實施方案 根據(jù)F2kF1，對F1的測量 值乘以比值k作為F2流量調(diào) 節(jié)器的設(shè)定值。 相除實施方案相除實施方案 根據(jù)F2F1 k，將F2與F1的 測量值相除之后的數(shù)值作為比 值控制器的測量值。 (1) 單閉環(huán)比值控制單閉環(huán)比值控制 副流量控制回路是跟隨主流量而變化的隨動系統(tǒng)，因此要 求反映快速、準(zhǔn)確。故應(yīng)采用PI控制方式控制方式，并將過渡過程整定成 非周期臨界情況。 五、系統(tǒng)選用原則與工程整定五、系統(tǒng)選用原則與工程整定 調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定步驟可歸納如下： l 根據(jù)工藝要求的流量比值K，求得比值系數(shù)比值系數(shù)。 l 將積分時間置于最大值積分時間置于最大值，由大到

10、小逐步改變比例度改變比例度，直到在 階躍干擾下過渡過程處于振蕩與不振蕩的臨界過程振蕩與不振蕩的臨界過程為止。 l 適當(dāng)放寬比例度的情況下，逐步緩慢地減小積分時間減小積分時間，直到 出現(xiàn)振蕩與不振蕩的臨界過程或稍有一點超調(diào)的情況為止。 （2）雙閉環(huán)比值控制）雙閉環(huán)比值控制 主流量控制環(huán)實現(xiàn)定值控制，從流量控制環(huán)實現(xiàn)自身的穩(wěn)定 控制和對主流量變化的跟蹤，從而實現(xiàn)主、副流量的比值恒定。 l 兩閉環(huán)調(diào)節(jié)器均應(yīng)選擇PI控制規(guī)律控制規(guī)律； l 使副流量控制環(huán)響應(yīng)較主流量控制環(huán)快使副流量控制環(huán)響應(yīng)較主流量控制環(huán)快，這樣副流量控制系統(tǒng) 才有能跟上主流量的變化，保證主、副流量比值恒定； l 主、副控制回路都應(yīng)將

11、過渡過程整定成非周期臨界情況整定成非周期臨界情況； l 整定參數(shù)需防止副動量回路共振問題共振問題。 （3）變比值控制（串級比值控制系統(tǒng)）變比值控制（串級比值控制系統(tǒng)） 當(dāng)兩種物料流量的比值與第三工藝參量有內(nèi)在關(guān)系，需 要根據(jù)主流量的測得值和第三工藝參量的給定值調(diào)整主副物 料流量的比值實現(xiàn)對第三工藝參量給定值的跟蹤控制（或定 值控制）時，應(yīng)選用變比值控制方案。 仿效串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇原則，主調(diào)節(jié)主調(diào)節(jié) 器選擇器選擇PI或或PID控制規(guī)律；副調(diào)節(jié)器（即副流量調(diào)節(jié)器）可控制規(guī)律；副調(diào)節(jié)器（即副流量調(diào)節(jié)器）可 按單閉環(huán)控制系統(tǒng)進行整定。按單閉環(huán)控制系統(tǒng)進行整定。 （4）主副物料的選擇）主

12、副物料的選擇 主副物料的確定是控制系統(tǒng)設(shè)計的首要一步，主要依循 以下原則： l 貴重原則 l 不可控原則 l 主導(dǎo)作用原則 l 流量大小原則 l 工藝需要原則 丁稀洗滌塔的作用是用水丁稀洗滌塔的作用是用水 除去丁稀餾分所夾帶的微量乙除去丁稀餾分所夾帶的微量乙 腈，為保證洗滌質(zhì)量，要求根腈，為保證洗滌質(zhì)量，要求根 據(jù)進料流量配以一定比例的洗據(jù)進料流量配以一定比例的洗 滌水流量。滌水流量。 1. 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 洗洗 滌滌 塔塔 含乙腈的含乙腈的 丁稀餾分丁稀餾分 含乙腈的洗滌水含乙腈的洗滌水 K 洗滌水洗滌水 QC 丁稀丁稀 比值器比值器 檢測變送器檢測變送器 1 Q 2

13、Q 對象對象調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥 檢測變送器檢測變送器 六、比值控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例六、比值控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例 2. 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) K 1 QC 2 QC 2 Q 1 Q 混混 合合 反反 應(yīng)應(yīng) 器器 二二 氧氧 化化 碳碳 氧氧 氣氣 1 Q 主對象主對象調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥 主流量變送器主流量變送器 r Q 1 調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥 2 Q 副對象副對象調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 副流量變送器副流量變送器 比值器比值器 二氧化碳與氧氣流量的雙閉環(huán)比值控制二氧化碳與氧氣流量的雙閉環(huán)比值控制 3. 變比值控制系統(tǒng)變比值控制系統(tǒng) 空氣空氣 氧氧 化化 爐爐 預(yù)預(yù) 熱熱 TC 氨氣氨氣 混混

14、合合 QC 空氣空氣 氧氧 化化 爐爐 預(yù)預(yù) 熱熱 TC 氨氣氨氣 混混 合合 y 主對象主對象調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥流量對象流量對象 2 Q 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 流量變送器流量變送器 r y 比值器比值器 流量變送器流量變送器 1 Q 除法器除法器 主參數(shù)檢測變送器主參數(shù)檢測變送器 例例1 自來水消毒過程要求氯氣注入量和自來水量保持一定 的比值關(guān)系，用DDZ-型儀表組成一控制系統(tǒng)。氯氣的正 常流量為120kg/h，儀表量程為0240kg/h；自來水的正常流 量為240kg/h，儀表量程為0360kg/h。試設(shè)計控制氯氣的單 閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，并分別計算引入開方器和不引入開方器 時系統(tǒng)的比值系數(shù)。 氯氣 QA

15、 QBCQBT R QAT QB 來自過濾器的凈化水 供用戶 75. 0 240 360 240 120 max max 1 B A A B Q Q Q Q 5625. 0 2 1 2 max max 2 2 B A A B Q Q Q Q 解：采用乘法器的單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，如下圖所示，其中QA 為物料A自來水的流量，QB為物料B氯氣的流量。 (1) 引入開方器時： (2) 不引入開方器時： 均勻控制系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng) 均勻控制系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng)是指兩個工藝參數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)能緩慢地、均勻是指兩個工藝參數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)能緩慢地、均勻 地變化，使前后設(shè)備在物料供求上相互兼顧、均勻協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。地變化，使

16、前后設(shè)備在物料供求上相互兼顧、均勻協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。 甲塔甲塔 LCLT QC QT 乙塔乙塔 液位與流量不協(xié)調(diào)控制方案液位與流量不協(xié)調(diào)控制方案 一一均勻控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案均勻控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案 1. 簡單均勻方案簡單均勻方案 Q H t 0 H 0 Q 0 Q H Q H t 0 H 0 Q 0 H Q Q H t 0 H 0 Q 0 H Q 甲塔甲塔 LCLT Q H 乙塔乙塔 簡單均勻方案簡單均勻方案 液位定值控制液位定值控制 流量定值控制流量定值控制液位與流量均勻控制液位與流量均勻控制 特點：特點：結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，成本結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，成本 低，但是控制效果較差。低，但是控制效果較差。

17、 適用于擾動較小，對流量的均勻程適用于擾動較小，對流量的均勻程 度要求較低的場合。度要求較低的場合。 2. 串級均勻方案串級均勻方案 甲塔甲塔 LCLT QC QT 乙塔乙塔 串級均勻方案串級均勻方案 特點：特點：能克服調(diào)節(jié)閥前后壓力波動較大的擾動，使主、副參數(shù)變化均能克服調(diào)節(jié)閥前后壓力波動較大的擾動，使主、副參數(shù)變化均 勻緩慢平穩(wěn)，控制質(zhì)量較高，應(yīng)用廣泛。勻緩慢平穩(wěn)，控制質(zhì)量較高，應(yīng)用廣泛。 分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng) 分程控制方框圖分程控制方框圖 分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)是將一個調(diào)節(jié)器的輸出分成若干個信號是將一個調(diào)節(jié)器的輸出分成若干個信號 范圍，由各個信號段去控制相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥，從而實現(xiàn)了一范

18、圍，由各個信號段去控制相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥，從而實現(xiàn)了一 個調(diào)節(jié)器對多個調(diào)節(jié)閥的控制，有效地提高了過程控制系個調(diào)節(jié)器對多個調(diào)節(jié)閥的控制，有效地提高了過程控制系 統(tǒng)的控制能力。統(tǒng)的控制能力。 例例一個氣動調(diào)節(jié)閥在調(diào)節(jié)器一個氣動調(diào)節(jié)閥在調(diào)節(jié)器 輸出信號輸出信號20KPa60KPa； 另 一 個 氣 動 調(diào) 節(jié) 閥 在另 一 個 氣 動 調(diào) 節(jié) 閥 在 60KPa100KPa范圍內(nèi)工作。范圍內(nèi)工作。 一、分類一、分類 1、調(diào)節(jié)閥同向動作、調(diào)節(jié)閥同向動作 a a）調(diào)節(jié)閥）調(diào)節(jié)閥A A、B B均為氣開閥均為氣開閥b b）調(diào)節(jié)閥）調(diào)節(jié)閥A A、B B均為氣關(guān)閥均為氣關(guān)閥 2、調(diào)節(jié)閥異向動作、調(diào)節(jié)閥異向動作 a a

19、）調(diào)節(jié)閥）調(diào)節(jié)閥A A為氣開閥，為氣開閥，B B為氣關(guān)閥為氣關(guān)閥b b）調(diào)節(jié)閥）調(diào)節(jié)閥A A為氣關(guān)閥，為氣關(guān)閥，B B為氣開閥為氣開閥 二、分程控制的應(yīng)用場合二、分程控制的應(yīng)用場合 1、用于節(jié)能控制、用于節(jié)能控制 冷水閥應(yīng)在低信號區(qū)工作（冷水閥應(yīng)在低信號區(qū)工作（20KPa60KPa），）， 蒸汽閥應(yīng)在高信號區(qū)工作（蒸汽閥應(yīng)在高信號區(qū)工作（60KPa100KPa）。）。 min max C C R 2、用于擴大調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍、用于擴大調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍 假設(shè)100, 4 maxmax BA CC 且兩閥的可調(diào)范圍均為30 BA RRR 133.0 30 4 min C小閥的最小流量系數(shù)為 104

20、1004 maxmaxmax BA CCC 最大流量系數(shù)為 30782 133.0 104 R分程控制系統(tǒng)的可調(diào)范圍將擴大到 3、用于保證生產(chǎn)過程的安全、穩(wěn)定、用于保證生產(chǎn)過程的安全、穩(wěn)定 a a）儲罐氮封分程控制系統(tǒng)）儲罐氮封分程控制系統(tǒng)b b）調(diào)節(jié)閥）調(diào)節(jié)閥A A、B B異向動作圖異向動作圖 某些間歇式某些間歇式 生產(chǎn)的化學(xué)生產(chǎn)的化學(xué) 反應(yīng)過程反應(yīng)過程 4、用于控制兩種不同的介質(zhì)、用于控制兩種不同的介質(zhì) 釜式間歇反應(yīng)器的溫度控制釜式間歇反應(yīng)器的溫度控制 四、注意事項四、注意事項 2、調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇、調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇 a a）直線性閥）直線性閥A A、B B的流量特性的流量特性b

21、b）對數(shù)閥）對數(shù)閥A A、B B的流量特性的流量特性 采用分程信號重疊法采用分程信號重疊法 1、調(diào)節(jié)閥的泄漏量、調(diào)節(jié)閥的泄漏量 選擇性控制系統(tǒng)選擇性控制系統(tǒng) 非正常工況時的控制系統(tǒng)安全保護性措施有兩類：非正常工況時的控制系統(tǒng)安全保護性措施有兩類： 一類是硬保護措施一類是硬保護措施 一類是軟保護措施一類是軟保護措施 通常系統(tǒng)中設(shè)有兩個控制器（或兩個以上的變送器），通常系統(tǒng)中設(shè)有兩個控制器（或兩個以上的變送器）， 通過選擇器選出能適應(yīng)生產(chǎn)安全狀況的控制信號，實現(xiàn)對通過選擇器選出能適應(yīng)生產(chǎn)安全狀況的控制信號，實現(xiàn)對 生產(chǎn)過程的自動控制。生產(chǎn)過程的自動控制。 液面超限控制液面超限控制 系統(tǒng)系統(tǒng) a)一

22、般控制系統(tǒng)一般控制系統(tǒng) b)選擇性控制系統(tǒng)選擇性控制系統(tǒng) 液氨液氨 冷卻控制系統(tǒng)冷卻控制系統(tǒng) 一、選擇性控制系統(tǒng)的類型 1連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng)連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng) （1）選擇器位于兩個控制器與一個執(zhí)行器之間這是選擇性）選擇器位于兩個控制器與一個執(zhí)行器之間這是選擇性 控制系統(tǒng)中常用的類型?？刂葡到y(tǒng)中常用的類型。 蒸汽壓力與燃料氣壓力的選擇性控制系統(tǒng)蒸汽壓力與燃料氣壓力的選擇性控制系統(tǒng) 例例以鍋爐為例以鍋爐為例 （2）選擇器位于控制器之前）選擇器位于控制器之前 特點：特點：多個變送器共用一個控制器，選擇器位于控制器之前，對多個變送器共用一個控制器，選擇器位于控制器之前，對 變送器的輸出信號進行選擇。變送器的輸出信號進行選擇。 冗余系統(tǒng) 競爭控制系統(tǒng) 用途主要有：用途主要有： 一個變量一個變量是工藝操作的主要技術(shù)指標(biāo)；是工藝操作的主要技術(shù)指標(biāo)； 另一個變量另一個變量只在工藝上對其有一限值要求，只要不超出該限只在工藝上對其有一限值要求，只要不超出該限 值，就能保證生產(chǎn)的正常進行。值，就能保證生產(chǎn)