化工儀表及其自動化控制第八章復(fù)雜控制系統(tǒng)

第8章復(fù)雜控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)多沖量控制系統(tǒng)1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件第一節(jié)串級控制系統(tǒng)FC進(jìn)料塔底采出12蒸汽方案2：控制蒸汽流量恒定TC進(jìn)料塔底采出12蒸汽方案1：控制塔釜溫度恒定單回路控制的局限性目的：控制塔釜溫度穩(wěn)定方案1優(yōu)點(diǎn)：將一切對溫度的干擾都概括在控制回路內(nèi)。缺陷：當(dāng)蒸汽壓力動搖較大時，由于溫度對象滯后較大，控制質(zhì)量不理想。方案2優(yōu)點(diǎn)：能及時抑制蒸汽壓力的干擾對溫度的影響缺陷：不能抑制進(jìn)料流量、物料溫度等其他要素對溫度的影響。1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件蒸汽TC進(jìn)料塔底采出12FC方案3：串級控制系統(tǒng)FCTC進(jìn)料塔底采出12蒸汽希望在塔釜溫度不變時蒸汽流量能堅(jiān)持設(shè)定值，而當(dāng)塔釜溫度在外來干擾的作用下偏離給定值時，又要求蒸汽流量能作相應(yīng)的變化，使塔釜溫度堅(jiān)持在設(shè)定值上。1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件流量控制器TC2執(zhí)行器

流量對象溫度T設(shè)定值干擾f1精餾塔控制系統(tǒng)方塊圖溫度對象溫度控制器TC1－+－+干擾f2丈量、變送y1丈量、變送y2F副控制器執(zhí)行器

副對象主變量設(shè)定值主干擾串級控制系統(tǒng)方塊圖主對象主控制器＋－+＋－+副干擾主丈量、變送副丈量、變送副變量副回路主回路－－常用的名詞主變量副變量主對象副對象主控制器副控制器主回路副回路串級控制系統(tǒng)方塊圖1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件串級控制系統(tǒng)的任務(wù)過程在串級控制系統(tǒng)中，由于引入一個閉合的副回路，不僅能迅速抑制造用于副回路的干擾，而且對作用于主對象上的干擾也能加速抑制。副回路具有先調(diào)、粗調(diào)、快調(diào)的特點(diǎn)；主回路具有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn)，并對于副回路沒有完全抑制掉的干擾影響能徹底加以抑制。因此，在串級控制系統(tǒng)中，由于主、副回路相互配合、相互補(bǔ)充，充分發(fā)揚(yáng)了控制造用，大大提高了控制質(zhì)量。干擾作用于副對象由于副回路控制通道短，時間常數(shù)小，所以當(dāng)干擾進(jìn)入副回路時，可以獲得比單回路控制系統(tǒng)超前的控制造用，有效地抑制蒸汽壓力變化對塔釜溫度的影響干擾作用于主對象由于副回路的存在，可以及時改動副變量的數(shù)值，以到達(dá)穩(wěn)定主變量的目的。1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及運(yùn)用范圍(1)從系統(tǒng)構(gòu)造來看，串級控制系統(tǒng)有主、副兩個閉合回路；有主、副兩個控制器；有分別丈量主變量和副變量的兩個丈量變送器。在串級控制系統(tǒng)中，主回路是定值控制系統(tǒng)，而副回路是隨動控制系統(tǒng)。(2)在串級控制系統(tǒng)中，有兩主、副兩個變量。主變量是反映產(chǎn)質(zhì)量量或消費(fèi)過程運(yùn)轉(zhuǎn)情況的主要工藝變量。控制的目的在于使這一變量等于工藝規(guī)定的給定值。(3)從系統(tǒng)特性來看，串級控制系統(tǒng)由于副回路的引入，改善了對象的特性，使控制過程加快，具有超前控制的作用，從而有效地抑制滯后，提高了控制質(zhì)量。適用范圍：當(dāng)對象的滯后和時間常數(shù)很大，干擾作用強(qiáng)而且頻繁、負(fù)荷變化大，簡單控制系統(tǒng)滿足不了控制質(zhì)量的要求時，可采用串級控制系統(tǒng)。1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件串級控制系統(tǒng)主、副回路的選擇主變量的選擇與單回路控制時被控變量的選擇原那么是一樣的，能直接或間接地表征消費(fèi)過程質(zhì)量的參數(shù)都可以作為控制系統(tǒng)的被控變量。副變量的選擇副變量的變化應(yīng)在很大程度上影響主變量的變化副回路應(yīng)將消費(fèi)過程中的主要干擾包圍在內(nèi)在能夠的情況下，應(yīng)使副環(huán)包圍更多的次要干擾副變量的選擇應(yīng)思索到主、副對象時間常數(shù)的匹配，以防發(fā)生“共振〞。當(dāng)對象具有較大的純滯后而影響控制質(zhì)量時，在選擇副變量時應(yīng)使副環(huán)盡量少包含純滯后或不包含純滯后。1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件主副控制器控制規(guī)律的選擇串級控制系統(tǒng)的目的是為了高精度地穩(wěn)定主變量。主變量是消費(fèi)工藝的主要控制目的，它直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量或消費(fèi)的正常，工藝上對它的要求比較嚴(yán)厲。普通來說，主變量不允許有余差。所以，主控制器通常都選用比例積分控制規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)主變量的無余差控制。在串級控制系統(tǒng)中，穩(wěn)定副變量并不是目的，設(shè)置副變量的目的就在于保證和提高主變量的控制質(zhì)量。副變量的給定值是隨主控制器輸出變化而變化的。所以，在控制過程中，對副變量的要求普通都不很嚴(yán)厲，允許它有動搖。因此，副控制器普通采用比例控制規(guī)律。1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件主副控制器正、反作用的選擇選擇副回路控制器的正反作用與簡單控制系統(tǒng)中控制器“正〞、“反〞作用的選擇方式一樣，先判別副對象的正反作用，然后根據(jù)工藝平安等要求，選定執(zhí)行器的“正〞、“反〞作用方式，并按照使副控制回路成為一個負(fù)反響系統(tǒng)的原那么來確定副回路控制器的正反作用。選擇主回路控制器的正反作用確定原那么：當(dāng)主、副變量在添加(或減小)時，假設(shè)由工藝分析得出，為使主、副變量減小(或添加)，要求控制閥的動作方向是一致的，主控制器應(yīng)選“反〞作用，反之，那么應(yīng)選“正〞作用。物料進(jìn)物料出冷卻器流量－溫度串級控制系統(tǒng)1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件主副控制器參數(shù)的工程整定兩步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器(1)在工況穩(wěn)定，主、副控制器都在純比例作用的條件下，將主控制器的比例度先固定在100％的刻度上，然后逐漸減小副控制器的比例度，求取副回路在滿足某種衰減比(如4：1)過渡過程下的副控制器比例度δ2S和操作周期Τ2S。(2)在副控制器比例度等于δ2S，的條件下，逐漸減小主控制器的比例度，直至得到同樣衰減比下的過渡過程，記下此時主控制器的比例度δ1S。和操作周期Τ1S。(3)根據(jù)上面得到的δ1S、、Τ1S、δ2S、、Τ2S按表7-2(或表7-3)的規(guī)定關(guān)系計(jì)算主、副控制器的比例度、積分時間和微分時間。(4)按“先副后主〞、“先比例次積分后微分〞的整定方法，將計(jì)算出的控制器參數(shù)加到控制器上。(5)察看控制過程，適當(dāng)調(diào)整，直到獲得稱心的過渡過程。1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件一步整定法：即根據(jù)閱歷先將副控制器一次放好，不再變動，然后按普通單回路控制系統(tǒng)的整定方法直接整定主控制器參數(shù)。采用一步整定法副控制器參數(shù)選擇范圍副變量類型副控制器比例度δ2％副控制器比例放大倍數(shù)KP2溫度20～605.0～1.7壓力30～703.0～1.4流量40～802.5～1.25液位20～805.0～1.25一步整定法的整定步驟如下。(1)在消費(fèi)正常，系統(tǒng)為純比例運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下，按照上表所列的數(shù)據(jù)，將副控制器比例度調(diào)到某一適當(dāng)?shù)臄?shù)值。(2)利用簡單控制系中任一種參數(shù)整定方法整定主控制器的參數(shù)。(3)假設(shè)出現(xiàn)“共振〞景象，可加大主控制器或減小副控制器的參數(shù)整定值，普通即能消除。1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件第二節(jié)其他復(fù)雜控制系統(tǒng)

均勻控制問題的提出延續(xù)精餾的多塔分別過程對甲塔來說，塔釜液位是一個重要的工藝參數(shù)，必需堅(jiān)持在一定范圍之內(nèi)，為此配備了液位控制系統(tǒng)；對乙塔來說，從本身平穩(wěn)操作的要求出發(fā)，希望進(jìn)料量穩(wěn)定，所以設(shè)置了流量控制系統(tǒng)；這樣，甲、乙兩塔間的供求關(guān)系就出現(xiàn)了矛盾。為處理這一前后工序供求矛盾，希望設(shè)計(jì)一種控制系統(tǒng)使液位與流量同時平穩(wěn)；同時“均勻〞地變化。一、均勻控制系統(tǒng)1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件1、表征前后供求矛盾的兩個變量在控制過程中都應(yīng)該是緩慢變化的。2、前后相互聯(lián)絡(luò)又相互矛盾的兩個變量應(yīng)堅(jiān)持在所允許的范圍內(nèi)動搖。1－液位變化曲線2－流量變化曲線均勻控制的要求1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件不同于常規(guī)的定值控制系統(tǒng)，而對被控變量(CV)與控制變量(MV)都有平穩(wěn)的要求；為處理CV與MV都希望平穩(wěn)這一對矛盾，只能要求CV與MV都漸變。均勻控制通常要求在最大干擾下，CV在上下限內(nèi)動搖，而MV應(yīng)在一定范圍內(nèi)平緩漸變。均勻控制指的是控制功能，而不是控制方案。由于就系統(tǒng)的構(gòu)造來看，有時象簡單控制系統(tǒng)，有時象串級控制系統(tǒng)。所以要識別控制方案能否起均勻控制造用，應(yīng)從控制的目的進(jìn)展確定。均勻控制的特點(diǎn)1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件單回路均勻控制系統(tǒng)串級均勻控制系統(tǒng)常用的兩種均勻控制方案1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件經(jīng)過控制器參數(shù)的設(shè)置，而不是改動控制系統(tǒng)的構(gòu)造，來實(shí)現(xiàn)前后兩個變量間的相互協(xié)調(diào)的。參數(shù)整定的目的不是使變量盡快地回到給定值，而是要求變量在允許的范圍內(nèi)作緩慢的變化?？刂破鲄?shù)普通都采用純比例作用，且控制器比例度放的很大，以使輸出變化緩慢，只是在要求較高時，為了防止偏向超越允許范圍，才引入適當(dāng)?shù)姆e分作用。均勻控制系統(tǒng)小結(jié)1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件二、比值控制系統(tǒng)

問題的提出比值控制的目的是為了實(shí)現(xiàn)幾種物料按一定比例混合，使消費(fèi)能平安、正常的進(jìn)展。實(shí)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。在需求堅(jiān)持比值關(guān)系的兩種物料中，必有一種物料處于主導(dǎo)位置，成為主物料、自動量、主流量，用Q1表示；而另一種物料按主物料進(jìn)展配比，在控制過程中隨主物料而變化，因此稱為從物料、從動量、副流量，用Q2表示；副流量Q2與主流量Q1的比值關(guān)系為Q2＝KQ1式中K為副流量與主流量的流量比值系數(shù)。1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件比值控制方案1：開環(huán)比值控制系統(tǒng)控制器執(zhí)行器對象丈量、變送給定－Q2Q1開環(huán)比值控制系統(tǒng)方塊圖主、副流量均開環(huán)；由于系統(tǒng)開環(huán)，該方案對副流量Q2無抑制干擾的才干，只適用于副流量較平穩(wěn)且比值要求不高的場所。1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件比值控制方案2：單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)控制器F2C執(zhí)行器對象副丈量、變送－控制器F1C給定－主丈量、變送Q1Q2單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方塊圖副流量閉環(huán)控制主流量開環(huán)控制適用于主物料在工藝上不允許進(jìn)展控制的場所1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件比值控制方案3：雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)給定－K對象主流量控制器執(zhí)行器主丈量、變送－對象副流量控制器執(zhí)行器副丈量、變送Q1Q2雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方塊圖主、副流量均閉環(huán)控制；該系統(tǒng)既實(shí)現(xiàn)了比較準(zhǔn)確的流量比值控制，又確保了兩物料總量的根本不變主要適用于主流量干擾頻繁、工藝上不允許負(fù)荷有較大動搖或工藝上經(jīng)常需求提降負(fù)荷的場所。1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件比值控制方案4：變比值控制系統(tǒng)Q2Q1放射泵觸媒層變換爐蒸汽煤氣要求主、副流量的比值能跟隨第三變量的需求而加以調(diào)整；存在問題：Q2回路存在非線性，Q1流量減少時，回路增益增大，有能夠使系統(tǒng)不穩(wěn)定，并能夠出現(xiàn)“除零〞運(yùn)算。比值控制器執(zhí)行器副流量對象Q2丈量、變送溫度控制器給定－主丈量、變送Q1丈量、變送除法器主對象〔變換爐〕Q1Q2變比值控制系統(tǒng)方塊圖K=Q2/Q11/12/2024化工儀表及其自動化控制課件三、分程控制系統(tǒng)給定－對象控制器控制閥A控制閥B丈量、變送分程控制系統(tǒng)方塊圖分程控制系統(tǒng)中，一臺控制器的輸出可以同時控制兩臺甚至兩臺以上的控制閥；分程控制系統(tǒng)中控制器按輸出信號的不同區(qū)間去控制不同的閥門；分段普通是由附設(shè)在控制閥上的閥門定位器來實(shí)現(xiàn)。什么是分程控制1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件A閥A閥A閥A閥B閥B閥B閥B閥兩閥同向動作兩閥異向動作(a)(a)(b)(b)閥門開度100％閥門開度100％閥門開度100％閥門開度100％閥壓kPa閥壓kPa閥壓kPa閥壓kPa分程控制的種類1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件分程控制運(yùn)用1：提高控制閥的可調(diào)比4Mpa中壓蒸汽給水10Mpa中壓蒸汽汽包蒸汽減壓系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)控制閥的可調(diào)比R＝Qmax/Qmin由于口徑固定，采用同一個控制閥，可以控制的最大流量和最小流量不能夠相差太大，滿足不了消費(fèi)上流量大范圍變化的要求，在這種情況下可采用兩個控制閥并聯(lián)的分程控制方案。A閥B閥A閥小口徑B閥大口徑1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件分程控制運(yùn)用2：用于控制兩種不同的介質(zhì)蒸汽反響器分程控制系統(tǒng)冷水C回水A閥B閥A閥氣關(guān)，B閥氣開，TC反作用對于間歇式化學(xué)反響器，既要思索反響前的加熱問題，又需求思索過程中移走熱量的問題為此可采用分程控制系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，利用A、B兩臺控制閥，分別控制冷水與蒸汽兩種不同介質(zhì)，以滿足工藝上需求冷卻和加熱的不同需求任務(wù)原理：反響前升溫階段——溫度丈量值小于給定值，控制器TC輸出較大，A閥將封鎖，B閥被翻開，蒸汽通入加熱反響物；反響物開場放熱——控制器輸出逐漸減小，A閥將翻開，B閥封鎖，冷水通入冷卻反響物，維持反響溫度不變；1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件分程控制運(yùn)用3：用作平安消費(fèi)的維護(hù)措施“反〞儲罐氮封分程控制方案A閥B閥閥門開度100％閥壓kPa化工廠的貯油罐需求進(jìn)展氮封，以使油品與空氣隔絕。一個問題就是貯罐中物料量的增減會導(dǎo)致氮封壓力的變化。為了維持罐壓平衡，需求在物料被抽取時加氮補(bǔ)壓，而在物料進(jìn)料時排氣減壓。貯壓升高時，丈量值將大于給定值，壓力控制器PC的輸出將下降，A閥封鎖，B閥翻開，排氣減壓貯壓降低時，丈量值小于給定值時，控制器輸出將變大，A閥翻開，B閥封鎖，補(bǔ)氮增壓。A閥氣關(guān)，B閥氣開，PC反作用1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件分程控制系統(tǒng)運(yùn)用中應(yīng)留意的幾個問題(1)控制閥流量特性要正確選擇。由于在兩閥分程點(diǎn)上，控制閥的放大倍數(shù)能夠出現(xiàn)突變，表如今特性曲線上產(chǎn)生斜率突變的折點(diǎn)，這在大小控制閥并聯(lián)時尤其重要。假設(shè)兩控制閥均為線性特性，情況更嚴(yán)重。假設(shè)采用對數(shù)特性控制閥，分程信號重疊一小段，那么情況會有所改善。(2)大小閥并聯(lián)時，大閥的走漏量不可忽視，否那么就不能充分發(fā)揚(yáng)擴(kuò)展可調(diào)范圍的作用。當(dāng)大閥的走漏量較大時，系統(tǒng)的最小流通才干就不再是小閥的最小流通才干了。(3)分程控制系統(tǒng)本質(zhì)上是簡單控制系統(tǒng)，因此控制器的選擇和參數(shù)整定，可參照簡單控制系統(tǒng)處置。不過在運(yùn)轉(zhuǎn)中，假設(shè)兩個控制通道特性不同，就是說廣義對象特性是兩個，控制器參數(shù)不能同時滿足兩個不同對象特性的要求。遇此情況，只好照顧正常情況下的被控對象特性，按正常情況下整定控制器的參數(shù)。對另一臺閥的操作要求，只需能在工藝允許的范圍內(nèi)即可。1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件四、前饋控制系統(tǒng)丈量、變送設(shè)定值＋－控制器執(zhí)行器干擾對象干擾對象丈量、變送執(zhí)行器控制器反響控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)反響控制方案前饋控制方案反響與前饋1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件D1，……，Dn為可測擾動；u，y分別為被控對象的操作變量與受控變量。前饋思想：在擾動還未影響輸出以前，直接改動操作變量，以使輸出不受或少受外部擾動的影響。前饋思想全補(bǔ)償原理控制目的：d(t)、u(t)、y(t)分別表示工藝介質(zhì)流量〔外部干擾〕、蒸汽流量〔控制變量〕與工藝介質(zhì)的出口溫度〔被控變量〕；GFF(s)為前饋控制器的動態(tài)特性；GYD(s)、GYC(s)分別為干擾通道與控制通道的的動態(tài)特性。1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件前饋控制比反響控制及時，并且不受系統(tǒng)滯后大小的限制。前饋控制屬于開環(huán)控制前饋控制規(guī)律與對象特性親密相關(guān)一種前饋?zhàn)饔弥荒芤种埔环N干擾前饋控制的特點(diǎn)1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件前饋控制方式1：靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)蒸汽Q2冷物料Q1T1T2給定值換熱器靜態(tài)前饋控制方案根據(jù)熱量平衡原理，近似的平衡關(guān)系是蒸汽冷凝放出的熱量等于進(jìn)料流體獲得的熱量。

式中——蒸汽冷凝熱；——被加熱物料的比熱容；——進(jìn)料流量；——蒸汽流量。當(dāng)進(jìn)料流量Q1變化后，為使出口溫度為T2堅(jiān)持不變，應(yīng)添加的蒸汽量為:1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件前饋控制方式2：動態(tài)前饋控制系統(tǒng)蒸汽Q2冷物料Q1T1T2給定值換熱器動態(tài)前饋控制方案補(bǔ)償器在靜態(tài)前饋控制的根底上，加上延遲環(huán)節(jié)或微分環(huán)節(jié)，以到達(dá)對干擾作用的近似補(bǔ)償。

相對于干擾通道而言，控制通道反響快的給它加強(qiáng)延遲作用，反響慢的給它加強(qiáng)微分作用。根據(jù)兩通道的特性適當(dāng)調(diào)整、的數(shù)值，使兩通道反響合拍便可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)補(bǔ)償，消除動態(tài)偏向。1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件前饋控制方式：前饋-反響控制系統(tǒng)給定前饋－反響控制系統(tǒng)方塊圖反響控制器執(zhí)行器對象丈量、變送－＋前饋控制器丈量、變送干擾＋蒸汽進(jìn)料出料換熱器前饋－反響控制系統(tǒng)用“前饋〞來抑制主要干擾，再用“反響〞來抑制其他干擾1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件前饋控制的運(yùn)用場所干擾幅值大而頻繁，對被控變量影響猛烈，僅采用反響控制達(dá)不到要求的對象。主要干擾是可測而不可控的變量。所謂可測，是指干擾量可以用檢測變送安裝將其在線轉(zhuǎn)化為規(guī)范的電信號。所謂不可控，主要是指這些干擾難以經(jīng)過設(shè)置單獨(dú)的控制系統(tǒng)進(jìn)展控制，這類干擾在延續(xù)消費(fèi)過程中是經(jīng)常遇到的，其中也包括一些雖能控制但消費(fèi)上不允許控制的變量，例負(fù)荷量等。當(dāng)對象的控制通道滯后大，反響控制不及時，控制質(zhì)量差時，可采用前饋或前饋—反響控制系統(tǒng)，提高控制質(zhì)量。1/12/2024化工儀表及其自動化控制課件五、多沖量控制系統(tǒng)單沖量控制系統(tǒng)給水汽包蒸汽虛偽水位呵斥的錯誤信號將帶來一定的危險(xiǎn)，為了抑制這種由于“虛偽液位〞而引起的控制系統(tǒng)的誤動作，引入了雙沖量控制系統(tǒng)。在鍋爐的正常運(yùn)轉(zhuǎn)中，汽包水位是重要的操作目的，給水控制系統(tǒng)的作用就是自動控制鍋爐的給水量，使其順應(yīng)蒸發(fā)量的變化，維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。

左圖控制系統(tǒng)屬于簡單的單