化工自動(dòng)化及儀表：第八章 復(fù)雜控制系統(tǒng)

1、第八章 復(fù)雜控制系統(tǒng)主要內(nèi)容串級(jí)控制比值控制均勻控制分程控制選擇性控制前饋控制8.1串級(jí)控制系統(tǒng)8.1.1 串級(jí)控制系統(tǒng)的基本原理和結(jié)構(gòu)采用不止一個(gè)控制器，而且控制器間相串接，一個(gè)控制器的輸出作為另一個(gè)控制器的設(shè)定值的系統(tǒng)，稱為串級(jí)控制系統(tǒng)。 串級(jí)控制方塊圖8.1.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)能迅速克服進(jìn)入副回路擾動(dòng)的影響串級(jí)控制系統(tǒng)由于副回路的存在，改善了對(duì)象特性，提高了工作頻率串級(jí)控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力能夠更精確控制操縱變量的流量可實(shí)現(xiàn)更靈活的操作方式8.1.3. 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主、副回路的設(shè)計(jì)主回路仍是一個(gè)定值控制系統(tǒng)。主被控變量的選擇和主回路的設(shè)計(jì)，仍可用單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。副回

2、路應(yīng)盡量包含生產(chǎn)過程中主要的、變化劇烈、頻繁和幅度大的擾動(dòng)，并力求包含盡可能多的擾動(dòng)。副被控變量的選擇原則：必須保證它是操縱變量到主被控變量通道中的一個(gè)適當(dāng)中間變量。串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵使主要擾動(dòng)作用于副對(duì)象上使副對(duì)象包含適當(dāng)多的擾動(dòng)主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)不能太接近通常使Ts明顯TM原因：一方面：如果相差很小，失去設(shè)置副環(huán)的意義 另一方面：如果基本相等，系統(tǒng)可能出現(xiàn)“共振”，降低控制質(zhì)量甚至?xí)霈F(xiàn)不穩(wěn)定主、副控制器控制規(guī)律的選擇主控制器控制規(guī)律：原則：與簡單控制類似從工藝上來說，采用串級(jí)控制系統(tǒng)的主被控變量是主要參數(shù)，不允許有余差。PI/PID(滯后較大時(shí))副控制器控制規(guī)律：依據(jù)：副環(huán)是隨動(dòng)控

3、制系統(tǒng)，副被控變量的控制可以有余差。為了使副環(huán)盡可能的發(fā)揮其作用，一般選擇P控制，而且比例度選的較小。當(dāng)流量為副被控變量時(shí)，它的時(shí)間常數(shù)及時(shí)滯很小，為了使其在需要時(shí)可單獨(dú)使用，可采用PI控制主、副控制器正、反作用的選擇依據(jù)：使系統(tǒng)為負(fù)反饋系統(tǒng)副控制器方向的選擇與簡單系統(tǒng)類似。副控制器正、反作用的選擇根據(jù)調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式來確定。主控制器正、反作用的選擇根據(jù)副被控變量對(duì)主被控變量的影響關(guān)系來確定。結(jié)論：副調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇要依據(jù)閥門的氣開、氣關(guān)特性；主調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇與閥門的氣開、氣關(guān)形式無關(guān)。例題：8.2. 比值控制系統(tǒng)8.2.1.基本原理和結(jié)構(gòu)8.2.1.基本原理和結(jié)構(gòu)凡是用來

4、實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上的物料按一定比例關(guān)系控制以達(dá)到某種控制目的的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。主動(dòng)量 ，從動(dòng)量 ，比值單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)和變比值控制系統(tǒng)。 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 變比值控制系統(tǒng) 變比值控制系統(tǒng)的比值是變化的，比值由另一個(gè)控制器設(shè)定。 8.2.2. 比值系數(shù)的計(jì)算采用線性流量檢測(cè)單元情況采用差壓法未經(jīng)開方的流量檢測(cè)單元情況8.3. 均勻控制系統(tǒng)8.3.1 均勻控制系統(tǒng)的基本原理和結(jié)構(gòu)均勻控制系統(tǒng)是指一種控制方案所起的作用而言，因?yàn)榫涂刂品桨傅慕Y(jié)構(gòu)來看，它可能象是液位或壓力的簡單定值控制系統(tǒng)，也可能象是液位與流量或壓力與流量的串級(jí)控制系統(tǒng)。 均勻控

5、制系統(tǒng)應(yīng)具有既允許表征前后供求矛盾的兩個(gè)變量都有一定范圍的變化，又要保證它們的變化不應(yīng)過于劇烈的特點(diǎn)。 簡單均勻控制系統(tǒng) 串級(jí)均勻控制系統(tǒng) 8.3.2. 均勻控制系統(tǒng)的控制規(guī)律的選擇及參數(shù)整定(1) 控制規(guī)律作用的選擇對(duì)一般的簡單均勻控制系統(tǒng)的控制器，選擇純比例控制規(guī)律。對(duì)一些輸入流量存在急劇變化的場合或液位存在“噪聲”的場合，特別是希望液位正常穩(wěn)定工況時(shí)保持在特定值附近時(shí)，則應(yīng)選用比例積分控制規(guī)律。(2) 參數(shù)的整定 純比例控制規(guī)律先將比例度放置在不會(huì)引起液位超值但相對(duì)較大的數(shù)值。 觀察趨勢(shì)，若液位的最大波動(dòng)小于允許的范圍，則可增加比例度。當(dāng)發(fā)現(xiàn)液位的最大波動(dòng)大于允許范圍，則減小比例度。反復(fù)

6、調(diào)整比例度，直至液位的波動(dòng)小于且接近于允許范圍止。 比例積分控制規(guī)律按純比例控制方式進(jìn)行整定，得到所適用的比例度值。適當(dāng)加大比例度值，然后，投入積分作用。由大至小逐漸調(diào)整積分時(shí)間，直到記錄趨勢(shì)出現(xiàn)緩慢的周期性衰減振蕩為止。8.4 前饋控制系統(tǒng)8.4.1基本原理前饋控制系統(tǒng)是一種開環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)擾動(dòng)或設(shè)定值的變化按補(bǔ)償原理而工作 其特點(diǎn)是當(dāng)擾動(dòng)產(chǎn)生后，被控變量還未變化以前，根據(jù)擾動(dòng)作用的大小進(jìn)行控制，以補(bǔ)償擾動(dòng)作用對(duì)被控變量的影響。 換熱器的前饋控制系統(tǒng)及其方塊圖 8.4.2. 前饋控制的主要結(jié)構(gòu)形式靜態(tài)前饋 靜態(tài)前饋是在擾動(dòng)作用下，前饋補(bǔ)償作用只能最終使被控變量回到要求的設(shè)定值，而不考慮補(bǔ)償

7、過程中的偏差大小。在有條件的情況下，可以通過物料平衡和能量平衡關(guān)系求得采用多大校正作用。 靜態(tài)前饋控制不包含時(shí)間因子，實(shí)施簡便。而事實(shí)證明，在不少場合，特別是控制通道和擾動(dòng)通道的時(shí)間常數(shù)相差不大時(shí)，應(yīng)用靜態(tài)前饋控制可以獲得很好的控制精度。前饋反饋控制系統(tǒng) 8.4.3. 采用前饋控制系統(tǒng)的條件前饋控制系統(tǒng)主要用于克服控制系統(tǒng)中對(duì)象滯后大、由擾動(dòng)而造成的被控變量偏差消除時(shí)間長、系統(tǒng)不易穩(wěn)定、控制品質(zhì)差等弱點(diǎn)采用前饋控制系統(tǒng)的條件是： 擾動(dòng)可測(cè)但是不可控。 變化頻繁且變化幅度大的擾動(dòng)。 擾動(dòng)對(duì)被控變量影響顯著，反饋控制難以及時(shí)克服，且過程對(duì)控制精度要求又十分嚴(yán)格的情況。8.5 選擇性控制系統(tǒng)基本原理

8、和結(jié)構(gòu) 在控制系統(tǒng)中含有選擇單元的系統(tǒng)，通常稱為選擇性控制系統(tǒng)。常用的選擇器是低選器和高選器，它們各有兩個(gè)或更多個(gè)輸入，低選器把低信號(hào)作為輸出，高選器把高信號(hào)作為輸出，即分別是 uo=min (ui1,ui2,- uij)和 uo=max (ui1,ui2,- uij) 選擇性控制又稱取代控制、超馳控制和保護(hù)控制等。選擇性控制系統(tǒng)是為使控制系統(tǒng)既能在正常工況下工作,又能在一些特定的工況下工作而設(shè)計(jì)的，因此，選擇性控制系統(tǒng)應(yīng)具備：生產(chǎn)操作上有一定的選擇性規(guī)律。組成控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，必須包含具有選擇性功能選擇單元。8.6 分程控制系統(tǒng)一個(gè)控制器的輸出同時(shí)送往兩個(gè)或多個(gè)執(zhí)行器，而各個(gè)執(zhí)行器的工作

9、范圍不同，這樣的系統(tǒng)稱之為分程控制系統(tǒng)。例如，一個(gè)控制器的輸出同時(shí)送往氣動(dòng)控制閥甲和乙,閥甲在氣壓20-60kPa范圍內(nèi)由全開到全關(guān),而閥乙在氣壓60-100kPa范圍內(nèi)由全開到全關(guān)，控制閥分程工作。 為了實(shí)現(xiàn)分程動(dòng)作，一般需要引入閥門定位器。 8.6.1. 不同工況需要不同的控制手段間歇式攪拌槽反應(yīng)器的溫度控制，在開始時(shí)需要加熱升溫，而到反應(yīng)開始并逐漸劇烈時(shí)，反應(yīng)放熱，又需要冷卻降溫。熱水閥V1和冷卻水閥V2由同一個(gè)溫度控制器操縱，需要分程工作。 8.6.2. 擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍為了使控制系統(tǒng)在小流量和大流量時(shí)都能夠精確控制，應(yīng)擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍R，R=國產(chǎn)控制閥的R一般為30，如果采用兩個(gè)口徑不同的控