HG第八章復(fù)雜控制系統(tǒng)

第八章

復(fù)雜控制系統(tǒng)

單回路控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)）：在一般情況下能夠滿足生產(chǎn)控制要求。特殊情況：系統(tǒng)干擾因素多、干擾劇烈，以及工藝特殊要求—復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)主要有：串級(jí)控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)選擇控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)多沖量控制系統(tǒng)等1第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)例：管式加熱爐出口溫度的單回路控制系統(tǒng)出口溫度原料燃料TC控制好溫度可延長(zhǎng)爐子壽命，防止?fàn)t管燒壞；可保證后面精餾分離的質(zhì)量。2第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)例：管式加熱爐出口溫度的單回路控制系統(tǒng)出口溫度原料燃料TC存在的問(wèn)題？在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，特別是當(dāng)加熱爐的燃料壓力或燃料本身的熱值有較大波動(dòng)時(shí)，該簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量往往很差，原料油的出口溫度波動(dòng)較大，難以滿足生產(chǎn)上的要求。

3解決方法－以原料油出口溫度為主要被控變量的爐出口溫度與爐膛溫度的串級(jí)控制系統(tǒng)

出口溫度原料燃料T1CT2C爐膛溫度分析工作過(guò)程。主控制器副控制器控制閥副對(duì)象主對(duì)象主測(cè)量變送副測(cè)量變送T1CT2CT1測(cè)量變送T2測(cè)量變送主變量干擾2干擾1--給定值副變量1、方塊圖42、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)主控制器副控制器控制閥副對(duì)象主對(duì)象主測(cè)量變送副測(cè)量變送主變量干擾2干擾1--給定值副變量在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路：主回路和副回路；有兩個(gè)控制器：主控制器和副控制器(串接工作)；有兩個(gè)測(cè)量變送器。有兩個(gè)變量：主變量，副變量。5串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)-2主控制器副控制器控制閥副對(duì)象主對(duì)象主測(cè)量變送副測(cè)量變送主變量干擾2干擾1--給定值副變量在系統(tǒng)特性上，串級(jí)控制系統(tǒng)由于副回路的引入，改善了對(duì)象特征，使控制過(guò)程加快，具有超前控制的作用。6串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)-3主控制器副控制器控制閥副對(duì)象主對(duì)象主測(cè)量變送副測(cè)量變送主變量干擾2干擾1--給定值副變量串級(jí)控制系統(tǒng)由于增加了副回路，具有有一定的自適應(yīng)能力?？蓱?yīng)用于負(fù)荷和操作條件變化較大的場(chǎng)合。73、串級(jí)控制系統(tǒng)副變量的選擇及副回路的設(shè)計(jì)選擇串級(jí)控制系統(tǒng)的副變量一般有兩類情況：

一類情況是選擇與主變量有一定關(guān)系的某一中間變量作為副變量;

另一類選擇的副變量就是操縱變量本身,這樣能及時(shí)克服它的波動(dòng),減小對(duì)主變量的影響。83、串級(jí)控制系統(tǒng)副變量的選擇及副回路的設(shè)計(jì)主副變量間應(yīng)有一定的內(nèi)在聯(lián)系；系統(tǒng)的主要干擾應(yīng)包圍在副回路中；在可能的情況下，應(yīng)使副環(huán)包圍更多的次要干擾；副變量的選擇應(yīng)考慮主副對(duì)象時(shí)間常數(shù)的匹配，防止共振的發(fā)生；當(dāng)對(duì)象具有較大的純滯后而影響控制質(zhì)量時(shí)，在選擇副變量時(shí)應(yīng)使副環(huán)盡量少包含純滯后或不包含純滯后。94、主、副控制器控制規(guī)律的選擇主變量是生產(chǎn)工藝的主要操作指標(biāo)，要求比較嚴(yán)格，一般不允許有余差，副變量是粗調(diào)，一般要求不嚴(yán)格，允許有波動(dòng)和余差。主控制器（定值控制）一般選擇比例積分控制規(guī)律，有時(shí)為了克服對(duì)象滯后，也加入微分作用；副控制器（隨動(dòng)控制）力求快速反應(yīng)，所以，一般不加入積分作用，只選擇比例控制規(guī)律；只要主控制器有積分規(guī)律，主變量就可以保證沒(méi)有余差，不管干擾出現(xiàn)在什么位置；105、主、副控制器正反作用的選擇選擇順序：先副后主副控制器：副回路按單回路獨(dú)立考慮，與主回路沒(méi)有關(guān)系，即從穩(wěn)定性考慮，開環(huán)放大倍數(shù)必須為“負(fù)”。要求，知道副對(duì)象的正反作用，以及執(zhí)行器的正反作用。主控制器：考慮主環(huán)內(nèi)各個(gè)環(huán)節(jié)的正反作用。主控制器、主對(duì)象，以及副回路。副回路可以看作是一個(gè)符號(hào)為“正”的環(huán)節(jié)——隨動(dòng)系統(tǒng)，跟蹤主控制器的輸出。因此，主控制器的符號(hào)主要取決于主對(duì)象的符號(hào)，即，主對(duì)象為“正”，則主控制器取“反”作用，主對(duì)象為“負(fù)”，則主控制器取“正”作用。11舉例：主、副控制器正反作用的選擇出口溫度原料燃料T1CT2C爐膛溫度＋＋＋－－圖中：“＋”號(hào)表示正作用；“－”號(hào)表示反作用；12串級(jí)與主控的切換條件串級(jí)→主控：用主控制器代替原副控制器的輸出，直接控制控制閥。主控→串級(jí)：用副控制器代替原主控制器的輸出，直接控制控制閥。無(wú)論哪種切換，必須保證閥的控制方向正確——直接切換條件。13串級(jí)與主控的切換條件－續(xù)副控制器為反作用（負(fù)）：正偏差→輸出減小、負(fù)偏差→輸出增大主控制器輸出增加→副控制器負(fù)偏差，輸出增加——對(duì)控制閥的方向沒(méi)有影響主控制器輸出減小→副控制器正偏差，輸出減小——對(duì)控制閥的方向沒(méi)有影響可見(jiàn)，此時(shí)主、副控制器輸出信號(hào)變化一致。副控制器為正作用（正）：此時(shí)主、副控制器輸出信號(hào)變化不一致。直接切換條件：副控制器必須為反作用。因此，在控制閥氣開閉形式可任選的情況下，應(yīng)選擇使得副控制器為反作用，可直接切換。146、系統(tǒng)工程整定方法逐步逼近法、兩步法、一步法；先副環(huán)，后主環(huán)。（1）兩步法分兩步整定兩個(gè)控制器A、主環(huán)控制器比例度100%，積分時(shí)間最大，微分時(shí)間最小，按4：1整定方法直接整定副環(huán)，確定副環(huán)4：1振蕩過(guò)程時(shí)的比例度和振蕩周期；B、放好副控制器4：1的比例度，積分時(shí)間最大，微分時(shí)間最小，同樣方法整定主控制器，確定副環(huán)4：1振蕩過(guò)程時(shí)的比例度和振蕩周期；C、按照得到的四個(gè)參數(shù)，可按單回路系統(tǒng)的公式計(jì)算PID參數(shù)；D、先副后主、先比例次積分后微分投入，再小范圍調(diào)整。15（2）一步法主要整定主控制器，比兩步法簡(jiǎn)單、實(shí)用。A、副控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置值；B、按單回路方法直接整定主控制器；C、觀察控制過(guò)程，適當(dāng)調(diào)整主控制器K值，或適當(dāng)調(diào)整副控制器的參數(shù)。167、串級(jí)控制系統(tǒng)適應(yīng)場(chǎng)合被控對(duì)象的控制通道純滯后時(shí)間較長(zhǎng)，用單回路控制系統(tǒng)不能滿足質(zhì)量指標(biāo)；對(duì)象容量滯后比較大，用單回路控制系統(tǒng)不能滿足質(zhì)量指標(biāo)；控制系統(tǒng)內(nèi)存在變化激烈且幅值很大的干擾；被控對(duì)象具有較大的非線性，而負(fù)荷變化又較大；17第二節(jié)均勻控制系統(tǒng)一、均勻控制系統(tǒng)的基本概念甲、乙兩塔間的供求關(guān)系出現(xiàn)了矛盾。中間儲(chǔ)罐，緩沖作用；自動(dòng)控制模擬前后精餾塔的供求關(guān)系

1—出料閥；2—小閥均勻控制的目的甲塔:為了穩(wěn)定操作需保持塔釜液位穩(wěn)定，必然頻繁地改變塔底的排出量。乙塔：從穩(wěn)定操作要求出發(fā)，希望進(jìn)料量盡量不變或少變。18第二節(jié)均勻控制系統(tǒng)一、均勻控制系統(tǒng)的基本概念為了解決前后工序供求矛盾，達(dá)到前后兼顧協(xié)調(diào)操作，使液位和流量均勻變化，組成的系統(tǒng)稱為均勻控制系統(tǒng)。前后精餾塔的供求關(guān)系

1—出料閥；2—小閥均勻控制的目的甲塔:為了穩(wěn)定操作需保持塔釜液位穩(wěn)定，必然頻繁地改變塔底的排出量。乙塔：從穩(wěn)定操作要求出發(fā)，希望進(jìn)料量盡量不變或少變。19構(gòu)成均勻控制系統(tǒng)，液位和流量?jī)蓚€(gè)參數(shù)的變化應(yīng)滿足如下要求：小結(jié)：均勻控制系統(tǒng)，是指兩個(gè)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)。1.兩個(gè)參數(shù)在控制過(guò)程中都應(yīng)該是變化的，且變化是緩慢的。

2.兩個(gè)參數(shù)必須在允許的范圍內(nèi)變化，均勻控制要求在最大干擾作用下，液位在塔釜的上下限內(nèi)波動(dòng)，而流量應(yīng)在一定的范圍內(nèi)平穩(wěn)漸變，避免對(duì)后段工序產(chǎn)生較大的干擾。20二、簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與單回路液位控制系統(tǒng)相同；液位與流量協(xié)調(diào)變化用控制器控制規(guī)律實(shí)現(xiàn)；控制規(guī)律采用純比例控制，參數(shù)整定比例度大于100%；加積分、積分時(shí)間常數(shù)要大；不能加微分。21三、串級(jí)均勻控制系統(tǒng)FCLC

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)與串級(jí)控制系統(tǒng)完全相同；副環(huán)流量控制與串級(jí)副環(huán)相同；副環(huán)參數(shù)整定與串級(jí)對(duì)副環(huán)的要求相同；主控制器與簡(jiǎn)單均勻控制要求相同主、副控制器一般都采用純比例控制規(guī)律。簡(jiǎn)單均勻控制缺點(diǎn)：壓力干擾→流量變化→液位變化→液位控制。

控制不及時(shí)22第三節(jié)比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)。流量比值較多。主物料-----處于主導(dǎo)地位的物料表征該物料的參數(shù)為主動(dòng)量Q1（主流量）從物料-----隨主物料的變化呈比例的變化的另一種物料表征該物料的參數(shù)從動(dòng)量Q2

（副流量）流量比值副流量主流量23比值控制系統(tǒng)的類型一、開環(huán)比值控制系統(tǒng)FCQ1Q2控制器控制閥對(duì)象Q2測(cè)量變送Q1給定整個(gè)控制系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)，Q2流量根據(jù)Q1流量，按比例系數(shù)開閉閥門。無(wú)論Q1或Q2均沒(méi)有流量自我穩(wěn)定（自控）作用，特別是Q2必須要求管道壓力不發(fā)生波動(dòng)，才能實(shí)現(xiàn)比值控制作用。這種方案應(yīng)用較少。24二、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)在開環(huán)比值控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)副流量的閉環(huán)控制系統(tǒng)。F1CF2CQ1Q2從方塊圖上看，與串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相似，只是主參數(shù)沒(méi)有閉環(huán)，Q2不影響Q1

副流量系統(tǒng)閉環(huán)，穩(wěn)定副流量，定值控制。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，特別是在主流量參數(shù)工藝不能控制的場(chǎng)合實(shí)施。Q2Q1給定控制器F1C控制器F2C執(zhí)行器對(duì)象主測(cè)量變送副測(cè)量變送25單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)與串級(jí)控制系統(tǒng)比較主控制器副控制器控制閥副對(duì)象主對(duì)象主測(cè)量變送副測(cè)量變送主變量干擾2干擾1--給定值副變量Q2Q1給定控制器F1C控制器F2C執(zhí)行器對(duì)象主測(cè)量變送副測(cè)量變送26三、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)KF1CF2CQ1Q2Q2Q1給定主控制器F1C副控制器F2C執(zhí)行器主流量對(duì)象主測(cè)量變送副測(cè)量變送K執(zhí)行器副流量對(duì)象在單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了主流量控制回路。由于主流量控制回路的存在，實(shí)現(xiàn)了主流量定值控制，克服了對(duì)主流量的干擾的影響另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，提升主負(fù)荷比較容易，緩慢改變主控制器的給定值。缺點(diǎn)：使用的儀表較多，另外，若主副回路工作頻率相近時(shí)，容易產(chǎn)生共振。27變比值比值控制系統(tǒng)（自學(xué)）特點(diǎn)------兩種物料流量的比值能靈活地隨第三變量的需要而變化。定比值控制方案只能克服流量干擾對(duì)比值的影響，當(dāng)其它參數(shù)存在對(duì)比值系數(shù)的擾動(dòng)時(shí)，必須時(shí)時(shí)修正比值系數(shù)，變比值控制例如：變換爐的半水煤氣與水蒸氣的變比值控制系投，比值系數(shù)要能隨一段觸煤層溫度的變化而變化。見(jiàn)教材圖8-19。28變比值比值控制系統(tǒng)（自學(xué)）例如：變換爐的半水煤氣與水蒸氣的變比值控制系投，比值系數(shù)要能隨一段觸煤層溫度的變化而變化。見(jiàn)教材圖8-19。變比值控制系統(tǒng)29第四節(jié)前饋控制系統(tǒng)反饋控制：干擾造成影響后進(jìn)行控制，干擾頻繁、滯后大→控制不及時(shí)。前饋控制：干擾產(chǎn)生就進(jìn)行控制，已知主要干擾時(shí)。一、概述30前饋控制系統(tǒng)與反饋控制比較執(zhí)行器測(cè)量變送-偏差ez測(cè)量值給定值x控制器被控變量yf干擾作用對(duì)象執(zhí)行器測(cè)量變送-前饋控制器被控變量f干擾作用對(duì)象前饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)31前饋控制的特點(diǎn)（1）按干擾作用的大小進(jìn)行控制——提前，控制及時(shí)。前饋與反饋的控制比較。（2）前饋控制屬于開環(huán)控制。系統(tǒng)方塊圖。開環(huán)控制，控制效果不能通過(guò)反饋驗(yàn)證，因此對(duì)控制器設(shè)計(jì)的要求比較嚴(yán)格32前饋控制的特點(diǎn)－續(xù)（3）是一種根據(jù)對(duì)象特性設(shè)計(jì)的“專用”控制器。不象反饋控制通用PID算法，前饋控制算法依對(duì)象不同而不同。前饋控制器設(shè)計(jì)依據(jù)“擾動(dòng)補(bǔ)償理論”。33二、前饋控制系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式

（1）單純前饋控制靜態(tài)前饋34（1）單純前饋控制（續(xù)）

動(dòng)態(tài)前饋：動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)35（2）前饋—反饋控制

吸收前饋與反饋控制的優(yōu)點(diǎn)，即前饋控制作用及時(shí)的優(yōu)點(diǎn)及反饋控制能克服多個(gè)擾動(dòng)和具有對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行反饋檢測(cè)的長(zhǎng)處。實(shí)例36三、前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合系統(tǒng)中存在著可測(cè)但不可控的變化幅度大，且頻繁的干擾，這些干擾對(duì)被控參數(shù)影響顯著，反饋控制達(dá)不到質(zhì)量要求時(shí)。當(dāng)控制系統(tǒng)的控制通道滯后時(shí)間較長(zhǎng)，由于反饋控制不及時(shí)影響控制質(zhì)量時(shí)，可采用前饋或前饋－反饋控制系統(tǒng)。主要干擾是可測(cè)不可控的干擾。37第五節(jié)選擇性控制系統(tǒng)（自學(xué)）兩種系統(tǒng)保護(hù)措施硬保護(hù)：極限情況下，聲光報(bào)警，轉(zhuǎn)入人工控制或停車；軟保護(hù)：極限情況下，轉(zhuǎn)入另一種控制模式，進(jìn)行自動(dòng)處理——選擇性控制系統(tǒng)。根據(jù)處理方法不同，選擇性控制系統(tǒng)可以分為三類；開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)：由限位信號(hào)切斷控制器輸出；連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng)：由限位信號(hào)切換為另一個(gè)控制器輸出給執(zhí)行器；