馬賓過程控制與自動化儀表第6章復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)

1、 第第6 6章章 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 串級、均勻、比值、前饋控制系統(tǒng)的概念、串級、均勻、比值、前饋控制系統(tǒng)的概念、特點。特點。內(nèi)容：內(nèi)容： 第一節(jié)第一節(jié) 串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng) 第二節(jié)第二節(jié) 均勻控制系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng) 第三節(jié)第三節(jié) 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng) 第四節(jié)第四節(jié) 前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng) 重點：重點：一、基本概念一、基本概念 由主副兩個參數(shù)、兩個調(diào)節(jié)器構(gòu)由主副兩個參數(shù)、兩個調(diào)節(jié)器構(gòu)成兩個控制回路，其中一個調(diào)節(jié)器的成兩個控制回路，其中一個調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個調(diào)節(jié)器的給定值，而輸出作為另一個調(diào)節(jié)器的給定值，而后者的輸出去控制調(diào)節(jié)閥的系統(tǒng)就是后者的輸出去控制調(diào)節(jié)閥的系統(tǒng)就是串級調(diào)節(jié)

2、系統(tǒng)。串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 例：管式加熱爐物料出口溫度串例：管式加熱爐物料出口溫度串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。燃料t1tt2tt1ct2c原料加熱爐串級控制系統(tǒng)加熱爐串級控制系統(tǒng)二、串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點二、串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點 1、結(jié)構(gòu)上：兩個控制回路，主回路為定值調(diào)節(jié)，副回、結(jié)構(gòu)上：兩個控制回路，主回路為定值調(diào)節(jié)，副回路為隨動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。路為隨動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 2、對于進入副回路的干擾作用具有很好的克服能力，、對于進入副回路的干擾作用具有很好的克服能力，有效地克服了控制通道的滯后，大大提高了控制質(zhì)量。有效地克服了控制通道的滯后，大大提高了控制質(zhì)量。 3、改善了對象特性，使系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。、改善了對象

3、特性，使系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。 三、串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)副回路的設(shè)計原則三、串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)副回路的設(shè)計原則 1、應(yīng)使副回路包含較多干擾。、應(yīng)使副回路包含較多干擾。 2、主、副變量之間應(yīng)有一定的內(nèi)在聯(lián)系。、主、副變量之間應(yīng)有一定的內(nèi)在聯(lián)系。 3、應(yīng)使主、副變量之間的時間常數(shù)相匹配，防止共振、應(yīng)使主、副變量之間的時間常數(shù)相匹配，防止共振四、主、副調(diào)節(jié)器的選擇四、主、副調(diào)節(jié)器的選擇 1、控制規(guī)律的選擇：、控制規(guī)律的選擇： 主調(diào)節(jié)器：主調(diào)節(jié)器：pi、pid，副調(diào)節(jié)器：一般為，副調(diào)節(jié)器：一般為p(克服干擾而克服干擾而設(shè)立，所以一般無設(shè)立，所以一般無i) 2、正反作用的選擇、正反作用的選擇 先選副調(diào)節(jié)器正反作用

4、，然后按照：主、副變量同時增先選副調(diào)節(jié)器正反作用，然后按照：主、副變量同時增加（或減?。r，由工藝分析閥的動作方向是一致時，主加（或減小）時，由工藝分析閥的動作方向是一致時，主調(diào)節(jié)器選反作用，反之亦反。調(diào)節(jié)器選反作用，反之亦反。五、系統(tǒng)的投運及參數(shù)整定五、系統(tǒng)的投運及參數(shù)整定 1、系統(tǒng)投運：先副后主、系統(tǒng)投運：先副后主 (1)、主、副控制器均置于手動，主調(diào)節(jié)器置于內(nèi)給定，、主、副控制器均置于手動，主調(diào)節(jié)器置于內(nèi)給定，副調(diào)節(jié)器置于外給定，選擇正確的正反作用，預(yù)置控制器副調(diào)節(jié)器置于外給定，選擇正確的正反作用，預(yù)置控制器的的pid參數(shù)參數(shù) (2)、副控制器手動控制，使主副變量接近工藝給定值。、副控制

5、器手動控制，使主副變量接近工藝給定值。 (3)、副控制器投入自動，待主變量接近給定值，副變量、副控制器投入自動，待主變量接近給定值，副變量比較平穩(wěn)時，調(diào)節(jié)主控制器手動輸出，使副控制器偏差為比較平穩(wěn)時，調(diào)節(jié)主控制器手動輸出，使副控制器偏差為零，將副控制器切向自動。零，將副控制器切向自動。 (4)、主控制器投自動。、主控制器投自動。 六、串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應(yīng)用場合六、串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應(yīng)用場合 1、對象容量滯后較大，系統(tǒng)內(nèi)存在激烈且幅值較大的干、對象容量滯后較大，系統(tǒng)內(nèi)存在激烈且幅值較大的干擾作用擾作用 2、被控對象的純滯后比較長。、被控對象的純滯后比較長。 3、被控對象具有較大的非線性，而且負荷變化較大

6、、被控對象具有較大的非線性，而且負荷變化較大 。 一、均勻控制的目的一、均勻控制的目的 均勻控制系統(tǒng)是為解決連續(xù)生產(chǎn)過程中前后設(shè)備供求之間均勻控制系統(tǒng)是為解決連續(xù)生產(chǎn)過程中前后設(shè)備供求之間的矛盾而設(shè)置的。的矛盾而設(shè)置的。 在生產(chǎn)過程中，凡是用來保持前后兩個設(shè)備供求間的被控在生產(chǎn)過程中，凡是用來保持前后兩個設(shè)備供求間的被控變量在規(guī)定的范圍內(nèi)緩慢、均勻變化的系統(tǒng)，都稱為均勻控制變量在規(guī)定的范圍內(nèi)緩慢、均勻變化的系統(tǒng)，都稱為均勻控制系統(tǒng)。系統(tǒng)。 b 均勻控制被控變量變化過程均勻控制被控變量變化過程二、系統(tǒng)的特點二、系統(tǒng)的特點1、表征前后供求的兩個參數(shù)都應(yīng)是變化的，而且應(yīng)是緩慢、表征前后供求的兩個參數(shù)

7、都應(yīng)是變化的，而且應(yīng)是緩慢變化的。變化的。2、參數(shù)應(yīng)在允許范圍內(nèi)變化。、參數(shù)應(yīng)在允許范圍內(nèi)變化。 3、結(jié)構(gòu)上仍然是簡單控制系統(tǒng)或串級控制系統(tǒng)。、結(jié)構(gòu)上仍然是簡單控制系統(tǒng)或串級控制系統(tǒng)。 前一設(shè)備的液位和后一設(shè)備的進料量之間的關(guān)系前一設(shè)備的液位和后一設(shè)備的進料量之間的關(guān)系 1液位變化曲線液位變化曲線 2流量變化曲線流量變化曲線 實現(xiàn)兩個或兩個以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)兩個或兩個以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。通常為流量比值控制系統(tǒng)。稱為比值控制系統(tǒng)。通常為流量比值控制系統(tǒng)。 12qqk 副流量與主流量的比值副流量與主流量的比值 系統(tǒng)的類型系統(tǒng)的類型 1 1、開

8、環(huán)比值控制系統(tǒng)、開環(huán)比值控制系統(tǒng) 這種控制方案結(jié)構(gòu)簡單，但這種控制方案結(jié)構(gòu)簡單，但 對對副流量副流量q q2 2本身無抗干擾能力本身無抗干擾能力 2、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 3、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 4、變比值控制系統(tǒng)、變比值控制系統(tǒng) 前饋控制是改善反饋控制不及時的一種方法，它是按前饋控制是改善反饋控制不及時的一種方法，它是按引起被控變量變化的干擾大小進行調(diào)節(jié)的，當(dāng)干擾剛剛出引起被控變量變化的干擾大小進行調(diào)節(jié)的，當(dāng)干擾剛剛出現(xiàn)且能被測出時，控制器就能發(fā)出控制信號進而克服這種現(xiàn)且能被測出時，控制器就能發(fā)出控制信號進而克服這種干擾，無需等被控變量的變化。干擾，無需

9、等被控變量的變化。 例：管式加熱爐例：管式加熱爐 前饋前饋- -反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng) 在實際中會有多種不同的干擾，但在實際中會有多種不同的干擾，但不可能對每個干擾均實行前饋控制。構(gòu)不可能對每個干擾均實行前饋控制。構(gòu)成前饋成前饋- -反饋控制系統(tǒng)，對選擇對象中反饋控制系統(tǒng)，對選擇對象中最主要的反饋控制系統(tǒng)不易克服的干擾最主要的反饋控制系統(tǒng)不易克服的干擾進行前饋控制，其它一些干擾則由反饋進行前饋控制，其它一些干擾則由反饋調(diào)節(jié)，確保被控變量的控制質(zhì)量。調(diào)節(jié)，確保被控變量的控制質(zhì)量。應(yīng)用場合應(yīng)用場合(1)(1)干擾幅值大而頻繁，對被控變量影干擾幅值大而頻繁，對被控變量影響大，反饋控制難于達到要求的

10、場合。響大，反饋控制難于達到要求的場合。(2)(2)主要干擾可測，但對反饋控制又是主要干擾可測，但對反饋控制又是不可控的參數(shù)。不可控的參數(shù)。(3)(3)當(dāng)控制系統(tǒng)控制通道滯后大，反饋當(dāng)控制系統(tǒng)控制通道滯后大，反饋控制不及時，控制質(zhì)量差，可考慮前饋控制不及時，控制質(zhì)量差，可考慮前饋- -反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)。一、傳熱設(shè)備的控制方案一、傳熱設(shè)備的控制方案 1、控制載熱體流量、控制載熱體流量 改變載熱體流量的大小，將引起傳熱系數(shù)和平均溫度改變載熱體流量的大小，將引起傳熱系數(shù)和平均溫度的變化。如果載熱體上游壓力不平穩(wěn)，則采取穩(wěn)壓措施使的變化。如果載熱體上游壓力不平穩(wěn)，則采取穩(wěn)壓措施使其穩(wěn)定，或采

11、用溫度與流量其穩(wěn)定，或采用溫度與流量(或壓力或壓力)的串級控制系統(tǒng)。的串級控制系統(tǒng)。 當(dāng)主要干擾是生產(chǎn)負荷（即工藝介質(zhì)），且工藝對出當(dāng)主要干擾是生產(chǎn)負荷（即工藝介質(zhì)），且工藝對出口溫度要求較高時，可采用前饋口溫度要求較高時，可采用前饋反饋控制方案。反饋控制方案。 2、工藝介質(zhì)分路、工藝介質(zhì)分路 二、加熱爐的控制二、加熱爐的控制 1、加熱爐的溫度控制方案、加熱爐的溫度控制方案 加熱爐的主要質(zhì)量指標(biāo)是工藝介質(zhì)經(jīng)加熱爐加熱后的加熱爐的主要質(zhì)量指標(biāo)是工藝介質(zhì)經(jīng)加熱爐加熱后的出口溫度。不少加熱爐對出口溫度有嚴(yán)格的要求，允許波出口溫度。不少加熱爐對出口溫度有嚴(yán)格的要求，允許波動范圍僅為動范圍僅為12。影響

12、出口溫度的干擾有：工藝介質(zhì)的。影響出口溫度的干擾有：工藝介質(zhì)的流量、溫度、組分；燃料油（或氣流量、溫度、組分；燃料油（或氣)壓力、成分壓力、成分(或熱值或熱值)；燃料油的霧化情況；空氣過量情況；噴嘴阻力及煙囪抽力燃料油的霧化情況；空氣過量情況；噴嘴阻力及煙囪抽力等。這些干擾中有的可控，有的則不可控。等。這些干擾中有的可控，有的則不可控。 加熱爐溫度控制系統(tǒng)的操縱變量一般是燃料油加熱爐溫度控制系統(tǒng)的操縱變量一般是燃料油(或燃料或燃料氣氣)的流量。的流量。 （1）單回路控制系統(tǒng)）單回路控制系統(tǒng) （2）爐出口溫度與爐膛溫度的串級控制）爐出口溫度與爐膛溫度的串級控制 （3）爐出口溫度與燃料油（或氣）流

13、量的串級控制）爐出口溫度與燃料油（或氣）流量的串級控制 （4）爐出口溫度與燃料油（或氣）壓力的串級控制）爐出口溫度與燃料油（或氣）壓力的串級控制 （5）前饋）前饋-反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng) 2、加熱爐燃燒系統(tǒng)的控制、加熱爐燃燒系統(tǒng)的控制 燃燒系統(tǒng)控制的目的，一是為了保證燃料充分、完全地燃燒系統(tǒng)控制的目的，一是為了保證燃料充分、完全地燃燒，以便發(fā)揮燃料的熱效；二是為了防止燃料的波動造燃燒，以便發(fā)揮燃料的熱效；二是為了防止燃料的波動造成干擾，影響加熱爐出口溫度的控制質(zhì)量；三是出自安全成干擾，影響加熱爐出口溫度的控制質(zhì)量；三是出自安全的目的，防止出現(xiàn)事故。的目的，防止出現(xiàn)事故。 燃燒系統(tǒng)控制包括有燃

14、料油（或氣）的壓力控制，使用燃燒系統(tǒng)控制包括有燃料油（或氣）的壓力控制，使用燃料油時的霧化蒸汽壓力控制，以及安全聯(lián)鎖保護等。燃料油時的霧化蒸汽壓力控制，以及安全聯(lián)鎖保護等。 三、鍋爐設(shè)備的控制三、鍋爐設(shè)備的控制 鍋爐設(shè)備的控制任務(wù)主要是根據(jù)生產(chǎn)負荷的需要，供應(yīng)鍋爐設(shè)備的控制任務(wù)主要是根據(jù)生產(chǎn)負荷的需要，供應(yīng)一定規(guī)格一定規(guī)格(壓力、溫度等壓力、溫度等)的蒸汽，同時使鍋爐在安全、經(jīng)濟的蒸汽，同時使鍋爐在安全、經(jīng)濟的條件下運行。的條件下運行。 主要包括：主要包括： (1)鍋爐供應(yīng)的蒸汽量適應(yīng)負荷變化的需要或保持給定鍋爐供應(yīng)的蒸汽量適應(yīng)負荷變化的需要或保持給定負荷；負荷； (2)鍋爐供給用汽設(shè)備的蒸汽

15、壓力保持在一定范圍內(nèi)；鍋爐供給用汽設(shè)備的蒸汽壓力保持在一定范圍內(nèi)； (3)過熱蒸汽溫度保持在一定范圍內(nèi)；過熱蒸汽溫度保持在一定范圍內(nèi)； (4)汽包中的水位保持在一定范圍內(nèi)；汽包中的水位保持在一定范圍內(nèi)； (5)保持鍋爐燃燒的經(jīng)濟性和安全運行；保持鍋爐燃燒的經(jīng)濟性和安全運行； (6)爐膛負壓保持在爐膛負壓保持在定范圍內(nèi)。定范圍內(nèi)。 1、汽包水位控制系統(tǒng)、汽包水位控制系統(tǒng) （1）單沖量水位控制系統(tǒng)）單沖量水位控制系統(tǒng) （2）雙沖量水位控制系統(tǒng)）雙沖量水位控制系統(tǒng) （3）三沖量水位控制系統(tǒng)）三沖量水位控制系統(tǒng) 2、鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制、鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制 蒸汽壓力控制、燃料與空氣比值控制、爐膛負壓控制

16、蒸汽壓力控制、燃料與空氣比值控制、爐膛負壓控制 右圖包括：右圖包括： (1)蒸汽出口壓力與燃料流量串級蒸汽出口壓力與燃料流量串級控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)。 (2)燃料流量與空氣量的單閉環(huán)比燃料流量與空氣量的單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。值控制系統(tǒng)。 (3)空氣量過少時自動減少燃料流空氣量過少時自動減少燃料流量的選擇性控制系統(tǒng)。量的選擇性控制系統(tǒng)。 (4)蒸汽出口壓力降低時自動加蒸汽出口壓力降低時自動加大空氣量的選擇性控制系統(tǒng)。大空氣量的選擇性控制系統(tǒng)。 五、化學(xué)反應(yīng)器的控制五、化學(xué)反應(yīng)器的控制 1、單回路溫度控制系統(tǒng)、單回路溫度控制系統(tǒng) 圖圖a和圖和圖b所示是兩個單回路溫度控制系統(tǒng)，反應(yīng)熱量所示是兩個單回路溫

17、度控制系統(tǒng)，反應(yīng)熱量由冷劑帶走。圖由冷劑帶走。圖a的控制方案是通過控制冷劑的流量來穩(wěn)的控制方案是通過控制冷劑的流量來穩(wěn)定反應(yīng)溫度。該方案冷劑流量相對較小，釜溫與冷劑溫度定反應(yīng)溫度。該方案冷劑流量相對較小，釜溫與冷劑溫度差較大，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)部溫度不均勻時，易造成局部過熱或差較大，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)部溫度不均勻時，易造成局部過熱或過冷。圖過冷。圖b的控制方案是通過冷劑的溫度變化來保持反應(yīng)的控制方案是通過冷劑的溫度變化來保持反應(yīng)溫度不變。冷劑是強制循環(huán)式，流量大，傳熱效果好，但溫度不變。冷劑是強制循環(huán)式，流量大，傳熱效果好，但釜溫與冷劑溫度差較小。釜溫與冷劑溫度差較小。2、串級控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng) 上述的單回路溫度控制系統(tǒng)，常用載熱體作為操縱變上述的單回路溫度控制系統(tǒng)，常用載熱體作為操縱變量，其滯后時間較大，對溫度調(diào)節(jié)質(zhì)量有較大影響，有時量，其滯后時間較大，對溫度調(diào)節(jié)