復(fù)雜控制系統(tǒng)

1、復(fù)雜控制系統(tǒng)第1頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)一、串級(jí)控制系統(tǒng)組成 串級(jí)控制系統(tǒng)(cascade control system)是一種常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)，它根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)命名。由兩個(gè)或兩個(gè)以上的控制器串聯(lián)連接組成，一個(gè)控制器的輸出作為另一個(gè)控制器的設(shè)定值，這類(lèi)控制系統(tǒng)稱(chēng)為串級(jí)控制系統(tǒng)。第2頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二(一)串級(jí)控制結(jié)構(gòu)特點(diǎn)【組成】?jī)蓚€(gè)閉環(huán)，內(nèi)環(huán)(副環(huán))和外環(huán)(主環(huán))；【內(nèi)環(huán)】包括副控制器、副對(duì)象、副變送器，組成隨動(dòng)控制系統(tǒng)，給定值由主控制器輸出給定，副控制器輸出控制控制閥；【外環(huán)】包括主控制器、主對(duì)象、主

2、變送器，組成定值控制系統(tǒng)，給定值由工藝設(shè)定，主控制器輸出作為副控制器的設(shè)定。串級(jí)控制系統(tǒng)框圖_主控制器控制閥副對(duì)象主對(duì)象副檢測(cè)變送主檢測(cè)變送擾動(dòng)y2擾動(dòng)y1副控制器_第3頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二(二)有關(guān)術(shù)語(yǔ)主控(變)量：指工藝控制指標(biāo)，是在串級(jí)控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被控量。副控(變)量：為了穩(wěn)定主控變量或某種需要引入的輔助量。主對(duì)象：由主控變量表征其主要特性的生產(chǎn)設(shè)備。 副對(duì)象：由副控變量表征其主要特性的生產(chǎn)設(shè)備。主控制器：在系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的控制器，按主控變量的測(cè)量值與工藝規(guī)定值之間的偏差工作，其輸出作為副控制器的設(shè)定值。副控制器：按副控變量的測(cè)量值與主控

3、制器來(lái)的設(shè)定值之間的偏差工作，其輸出直接操縱執(zhí)行器。主回路：由主對(duì)象、主測(cè)量變送器、主控制器、副控制器、控制閥及副對(duì)象構(gòu)成的外回路，亦稱(chēng)外環(huán)或主環(huán)。副回路：由副對(duì)象、副測(cè)量變送器、副控制器及控制閥構(gòu)成的回路，亦稱(chēng)內(nèi)環(huán)或副環(huán)第4頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二二、串級(jí)控制工作過(guò)程(一)擾動(dòng)進(jìn)入副回路溫度控制器流量控制器控制閥流量對(duì)象溫度對(duì)象溫度變送器流量變送器(二)擾動(dòng)進(jìn)入主回路溫度控制器流量控制器控制閥流量對(duì)象溫度對(duì)象溫度變送器流量變送器第5頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二(三)擾動(dòng)同時(shí)進(jìn)入主、副回路結(jié)論：串級(jí)控制系統(tǒng)具有單回路控制系統(tǒng)的全部

4、功 能，控制品質(zhì)優(yōu)于單回路系統(tǒng)，且實(shí)現(xiàn)方便， 生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用比較普遍。溫度控制器流量控制器控制閥流量對(duì)象溫度對(duì)象溫度變送器流量變送器第6頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二三、設(shè)計(jì)與應(yīng)用1.容量滯后較大的過(guò)程2.純延時(shí)較大的過(guò)程3.干擾變化激烈且幅度 較大的過(guò)程第7頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二4.參數(shù)相關(guān)聯(lián)的過(guò)程5.非線性過(guò)程第8頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二第二節(jié)前饋控制系統(tǒng) 換熱器進(jìn)料量F1為主要干擾量，換熱器滯后明顯，單回路反饋控制往往達(dá)不到工藝的要求，此時(shí)可采用前饋控制：通過(guò)測(cè)量進(jìn)料量(干擾)，由前饋控制器

5、控制閥門(mén)，改變操縱量以補(bǔ)償進(jìn)料量變化DF1對(duì)被控量(出口溫度)的影響。前饋控制及其補(bǔ)償原理示意圖前饋補(bǔ)償干擾DF1一、反饋控制局限與前饋控制的提出第9頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二二、前饋控制基本概念前饋控制是指按照擾動(dòng)產(chǎn)生校正作用的控制方法?；驹恚簻y(cè)取進(jìn)入過(guò)程的擾動(dòng)量(外界擾動(dòng)和設(shè)定值變 化)，并按照其信號(hào)產(chǎn)生合適的控制作用去改變控 制量，已抵消(補(bǔ)償)擾動(dòng)對(duì)被控量的影響。特點(diǎn)：按引起被控量變化的擾動(dòng)大小直接進(jìn)行控制，無(wú)須等 待被控量的變化。三、前饋控制補(bǔ)償原理 由前饋控制系統(tǒng)方框圖可得：Y(s)=GFW(s)GP(s)-GF(s)N(s) 顯然當(dāng)GFW(s)

6、GP(s)-GF(s)=0時(shí)，擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)被控量不會(huì)產(chǎn)生影響。全補(bǔ)償條件是：第10頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二四、前饋控制與反饋控制的區(qū)別控制依據(jù)檢測(cè)變量作用時(shí)間反饋控制偏差被控量偏差出現(xiàn)后前饋控制擾動(dòng)量大小擾動(dòng)量偏差出現(xiàn)前五、前饋控制類(lèi)型(一)靜態(tài)前饋控制 靜態(tài)前饋控制，是指控制器的輸出量mf僅是其輸入量D的函數(shù)而與時(shí)間無(wú)關(guān)，即mf=f(D)。為了便于工程上實(shí)施，這種關(guān)系可以近似表示為線性關(guān)系：mf =Kf D。第11頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二 按照上式，應(yīng)用儀表裝置構(gòu)建前饋系統(tǒng)如下圖。系統(tǒng)不但實(shí)現(xiàn)了對(duì)F1的前饋控制，同時(shí)還考慮了次

7、要的擾動(dòng)F2和T1i的變化，控制質(zhì)量較高，可把冷流體出口溫度穩(wěn)定在設(shè)定值Tx。例圖示換熱器， F1為主要擾動(dòng)，F(xiàn)2、T1i為次要擾動(dòng)，試設(shè)計(jì)前饋控制系統(tǒng)，以保證T1o滿足要求(穩(wěn)定于設(shè)定值Tx)。第12頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二(二)動(dòng)態(tài)前饋控制 為了提高動(dòng)態(tài)品質(zhì)，可在靜態(tài)前饋基礎(chǔ)上適當(dāng)加入動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)前饋控制。(三)前饋反饋控制 選擇對(duì)象中最主要的、反饋控制不易克服的擾動(dòng)進(jìn)行前饋控制，其他一些擾動(dòng)則進(jìn)行反饋控制，如下圖。 換熱器前饋反饋控制方案FCTC換熱器FY冷流體F1, T1i+F2,T2iT10TSP載熱體鍋爐汽包液位控制第13頁(yè)，共39頁(yè)，202

8、2年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二第三節(jié) 其它復(fù)雜控制系統(tǒng)一、比值控制系統(tǒng) 使兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)保持一定比值關(guān)系的控制系統(tǒng)，稱(chēng)為比值控制系統(tǒng)。在需要保持比值關(guān)系的兩種物料中，必有一種處于主導(dǎo)地位稱(chēng)之為主物料(主動(dòng)量)，其流量稱(chēng)為主流量，用F1表示；另一種物料則按主物料進(jìn)行配比稱(chēng)之為從物料(從動(dòng)量) ，其流量稱(chēng)之為從流量或副流量，用F2表示。 第14頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二(一)開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng) 由于是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，若副流量的溫度、壓力稍有變化，副流量也發(fā)生變化，兩物料間的實(shí)際比值很難保持不變，因此控制質(zhì)量通常很差，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。 FYF1

9、F2FC(二)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 圖中的從流量變送器FT2、控制器FC、控制閥V2以及對(duì)象(指從流量的檢測(cè)點(diǎn)到執(zhí)行器之間的一段管道)等構(gòu)成一個(gè)閉合的從動(dòng)回路。 FYF1F2FCFT2V2FT1只能保證F2的閥門(mén)開(kāi)度與F1成比例，不能 保證F2與F1成比例。能保證F2與F1成比例。第15頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二(三)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 主、副物料都有各自的控制系統(tǒng)，主物料進(jìn)行定值控制；副物料進(jìn)行隨動(dòng)控制。FYF1F2F1CF2CV1V2能保證F2與F1成比例，且能穩(wěn)定F1。(四)變比值控制系統(tǒng) 根據(jù)第三參數(shù)的需要而不斷改變兩物料比值的控制系統(tǒng)就稱(chēng)為變比值控制系統(tǒng)

10、。第16頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二(五)比值系數(shù)的計(jì)算比 值：k =Q2/Q1比值系數(shù)：K =（I2-4）/（I1-4） 流量與測(cè)量信號(hào)成非線性關(guān)系時(shí) 流量與測(cè)量信號(hào)成線性關(guān)系時(shí)第17頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二(七)比值控制實(shí)施問(wèn)題具體實(shí)現(xiàn)方案有兩種:2.把一個(gè)流量的測(cè)量值乘以比值系數(shù)，其乘積作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，稱(chēng)為相乘控制方案。 1.把兩個(gè)流量的測(cè)量值相除，其商作為調(diào)節(jié)器的反饋值，稱(chēng)為相除控制方案。第18頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二二、 選擇性控制系統(tǒng)（一）概述 一般的過(guò)程控制系統(tǒng)是在正常工況下，

11、為保證生產(chǎn)過(guò)程的物料平衡、能量平衡和生產(chǎn)安全而設(shè)計(jì)的，它們沒(méi)有考慮到在事故狀態(tài)下的安全生產(chǎn)問(wèn)題。但當(dāng)操作條件到達(dá)安全極限時(shí)，應(yīng)有保護(hù)性措施。如大型透平壓縮機(jī)的防喘振、化學(xué)反應(yīng)器的安全操作及鍋爐燃燒系統(tǒng)的防脫火和防回火等。 事故狀態(tài)下的保護(hù)性措施大致可分成兩種： 一種是自動(dòng)報(bào)警，然后由人工進(jìn)行處理，或采用自動(dòng)連鎖、自動(dòng)停機(jī)的方法進(jìn)行保護(hù)，稱(chēng)為“硬保護(hù)”。 另一種措施稱(chēng)為“軟保護(hù)”，即所謂的選擇性控制系統(tǒng)。 第19頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二（二）系統(tǒng)的類(lèi)型及工作過(guò)程1.選擇調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)對(duì)調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)進(jìn)行選擇的系統(tǒng)框圖為：第20頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20

12、日，13點(diǎn)26分，星期二例：鍋爐燃燒過(guò)程壓力自動(dòng)選擇控制 ：第21頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)第22頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二2.選擇變送器的輸出信號(hào) 這種系統(tǒng)至少采用兩個(gè)或兩個(gè)以上的變送器。變送器的輸出信號(hào)均送入選擇器，選擇器選擇符合工藝要求的信號(hào)反饋至調(diào)節(jié)器。 第23頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二例：化學(xué)反應(yīng)過(guò)程峰值溫度自動(dòng)選擇性控制系統(tǒng)流程圖 第24頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二 在自動(dòng)選擇性控制系統(tǒng)中，若采用兩個(gè)調(diào)節(jié)器，其中必有一個(gè)為正常調(diào)節(jié)器，另一

13、個(gè)為取代調(diào)節(jié)器。對(duì)于正常調(diào)節(jié)器，由于有較高的控制精度而應(yīng)選用PI或PID調(diào)節(jié)規(guī)律；對(duì)于取代調(diào)節(jié)器，由于在正常生產(chǎn)中開(kāi)環(huán)備用，僅在生產(chǎn)將要出現(xiàn)事故時(shí)，才迅速動(dòng)作，以防事故發(fā)生，故一般選用P調(diào)節(jié)規(guī)律即可。（三）、調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的確定 第25頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二三、分程控制系統(tǒng)間歇式化學(xué)反應(yīng)器分程控制系統(tǒng) 在一般的控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的輸出只控制一個(gè)調(diào)節(jié)閥，但在某些工業(yè)生產(chǎn)中，根據(jù)工藝要求，需將調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)分段，去分別控制兩個(gè)或兩個(gè)以上的調(diào)節(jié)閥。這種控制系統(tǒng)通常稱(chēng)為：分程控制系統(tǒng)。（一）定義第26頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二（二）

14、方框圖（三）控制閥動(dòng)作方向1.同向動(dòng)作第27頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二2.異向動(dòng)作（四）分程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 分程控制系統(tǒng)本質(zhì)上是屬于單回路控制系統(tǒng)。 由于調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)要進(jìn)行分程而且所用調(diào)節(jié)閥較多，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上也有一些特殊之處。 第28頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二分程即將調(diào)節(jié)器輸出分成幾個(gè)區(qū)段，一段信號(hào)控制一個(gè)調(diào)節(jié)閥。1.調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的分程 2.調(diào)節(jié)閥特性選擇與注意的問(wèn)題 同向與異向的選擇：根據(jù)工藝要求選擇同向工作或異向工作的調(diào)節(jié)閥 流量特性的平滑銜接：在分程控制中，當(dāng)把兩個(gè)調(diào)節(jié)閥作為一個(gè)調(diào)節(jié)閥使用時(shí)，要求分程點(diǎn)處的流量特性

15、平滑。 調(diào)節(jié)閥的泄露量：在分程控制系統(tǒng)中，必須保證在調(diào)節(jié)閥全關(guān)時(shí)無(wú)泄漏或泄漏量極小。第29頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二（五）工業(yè)應(yīng)用1.用于節(jié)能控制，減少能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。2.用于擴(kuò)大調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍 第30頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二3.用于兩個(gè)不同控制介質(zhì)的生產(chǎn)過(guò)程 廢液中和過(guò)程分程控制第31頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二4.滿足生產(chǎn)過(guò)程不同階段的需要 B(氣開(kāi))A(氣關(guān))蒸汽0.020.060.10AB100冷卻水TTTCP(MPa)l/L(%)5.交替使用不同控制方式，保證設(shè)備安全 如圖所示，貯罐

16、頂部充填氮?dú)?，頂部氮?dú)鈮毫一般為微正壓。生產(chǎn)過(guò)程中，隨著液位的變化，P會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。液位上升，P上升，超過(guò)一定數(shù)值，貯罐會(huì)被鼓壞；液位下降，P下降，降至一定數(shù)值，貯罐會(huì)被吸癟。故設(shè)置分程控制系統(tǒng)以保證儲(chǔ)罐安全。第32頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二四、均勻控制系統(tǒng)（一）問(wèn)題提出ABLCLTFCFT第33頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二 圖a圖c是普通的單回路控制系統(tǒng)的控制結(jié)果，只有圖b才體現(xiàn)了均勻控制的思想，即L和F都緩慢波動(dòng)且都穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。 將液位控制與流量控制統(tǒng)一在一個(gè)控制系統(tǒng)中，從系統(tǒng)內(nèi)部解決兩種工藝參數(shù)供求之間的矛盾，即使A塔的

17、液位在允許的范圍內(nèi)波動(dòng)的同時(shí)，也使流量平穩(wěn)緩慢地變化。 均勻控制的設(shè)計(jì)思想：自動(dòng)控制時(shí)前后設(shè)備的液位、流量關(guān)系 第34頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二（二）均勻控制的特點(diǎn)1.結(jié)構(gòu)上無(wú)特殊性 同樣一個(gè)單回路液位控制系統(tǒng)，由于控制作用強(qiáng)弱不一，既可以是單回路定值控制系統(tǒng)，也可以是均勻控制系統(tǒng)。因此均勻控制是靠降低控制回路的靈敏度而不是靠結(jié)構(gòu)變化獲得的。2.參數(shù)有變化，而且是緩慢地變化 因?yàn)榫鶆蚩刂剖乔昂笤O(shè)備物料供求之間的均勻，所以表征兩個(gè)物料的參數(shù)都不應(yīng)是某一固定值。那種試圖把兩個(gè)參數(shù)都穩(wěn)定不變的想法絕非均勻控制的目的。無(wú)需將兩個(gè)參數(shù)平均分配，而是視前后設(shè)備的特性及重要件

18、等因素來(lái)確定其主次。3.參數(shù)應(yīng)在限定范圍內(nèi)變化 在均勻控制系統(tǒng)中，被控變量是非單一、非定值的，允許它們?cè)谝欢ǖ姆秶鷥?nèi)變化。第35頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二（三）均勻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 均勻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括：控制方案的選擇、調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇、調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定等。 1.控制方案的選擇（1）簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng) 注意：當(dāng)調(diào)節(jié)閥兩端的壓差變化較大時(shí)，流量大小不僅取決于調(diào)節(jié)閥開(kāi)度 的大小，還將受到壓差波動(dòng)的影響。 第36頁(yè)，共39頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二（2）串級(jí)均勻控制系統(tǒng) 為了克服調(diào)節(jié)閥前后壓力波動(dòng)和被控過(guò)程的自平衡待性對(duì)流量的影響，設(shè)計(jì)了以流量為副參數(shù)、以液位為主參數(shù)的串級(jí)均勻控制系統(tǒng)。 從結(jié)構(gòu)上看，它與一般的液位和流量串級(jí)控制系統(tǒng)是一致的。但這里采用串級(jí)形式的目