《串级控制》PPT课件.ppt

2019/8/4,1,第 二 章 复 杂 控 制 系 统,2019/8/4,2,复杂控制系统可分为两大类： 提高响应曲线性能指标为目的的控制系统，包括： 串级控制系统 前馈控制系统, 按某些特定要求而开发的控制系统，包括： 比值控制系统 均匀控制系统 分程控制系统和阀位控制系统 选择性控制（取代控制）系统,2019/8/4,3,加热炉温度控制,2.1 串级控制系统,可设计TO与GC的单回路PID控制,2.1.1 基本原理和结构,1、什么是串级控制系统,操纵变量：燃料气流量,分析 对象的特性：,加热炉内管有数百米长，热容很大，是典型的一阶加纯滞后过程。, 当输入变化时，输出要延迟一段时间，且变化缓慢, 若温度不变，T0 Gc的PID控制，则阀的开度不变,燃料气阀上游压力波动时，虽阀的开度不变， 但流量变化，将影响温度，温度燃料量的单回 路PID对此特定的过程控制不及时，不能满足工 艺要求。,2019/8/4,4,采用燃料气流量的单回路控制，虽可以保证燃料气的流量恒定，克服了阀前压力扰动的影响，但控制系统对温度是开环的，当负荷变化、燃料气燃烧值变化时，进料出口温度变化，流量控制系统不能保证温度恒定。,因此以上两种控制方案都不能满足工艺要求。,将温度和流量控制结合起来，设计一种新型的控制方案：,流量控制时，若温度增加，将流量控制器给定值降低，让燃料气的流量减小，以维持温度恒定，流量控制器的设定值随温度变化。由此产生了一种新的控制方案,由温度控制器去设定流量控制器的设定值串级控制,2019/8/4,5,内回路为副回路：包括副控制器、控制阀、副受控对象、 副变量测量变送器。,串级控制系统是由两个控制器的串接组成，一个控制器的输出做为 另一个控制器的设定值，两个控制器有各自独立的测量输入，只有一个控制器的给定由外部设定。,2、串级控制系统的结构 系统框图如下,系统由内外两个回路组成：,2019/8/4,6,外回路称为主回路：主控制器、副回路、主变量测量变送器、 主受控对象,3、系统的传递函数,主变量：工艺要求的主要控制变量,副变量：维持主变量平稳引出的中间变量,副对象：反映副变量与操纵变量之间的关系,主对象：反映主变量与副变量之间的关系,主控制器：接受主变量的偏差，去改变副控 制器的设定值,副控制器：接受副变量的偏差，去输出给控 制阀。,系统的特点：主控制器输出改变副控制器的 设定值，故副回路构成的是随动系统，设定值是变化的。,2019/8/4,7,2019/8/4,8,2019/8/4,9,设对象的特性分别为：,2.1.2 串级控制系统分析,1、举例,2019/8/4,10,副回路的开环传递函数：,临界频率可由下式求得：,2019/8/4,11,上例说明设计串级控制具有如下优点：,副对象的动态滞后总比整个对象的动态滞后小，因此副回路的临界频率高于单回路的临界频率。,主回路的开环传递函数：,同理可求得主回路临界越频率：,2019/8/4,12,副回路的动态响应比单回路快得多，对进入副回路的干扰具有较快 的抑制作用。,2、串级控制的主要优点,副回路的快速作用，对于进入副回路的干扰快速地克服，减小了 干扰对主变量的影响。,引入副回路，改善了副对象的特性(减小副对象的相位滞后)，提 高了主回路的响应速度，提高了干扰的抑制能力。,副回路可以按照主回路的要求对副变量进行精确控制。,串级系统对副对象及控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性。,2019/8/4,13,鲁棒性：控制系统的控制品质对特性变化的敏感程度，越不敏感，鲁棒性越好。,注意：,主回路对副对象及控制阀特性变化具有鲁棒性，但副回路本身并 没有此功能，副对象和阀的特性仍影响副回路的稳定性；,主回路对副回路反馈通道特性的变化没有鲁棒性。,为描述控制品质对对象特性的敏感程度，引入“鲁棒性”的概念。,由实际对象的非线性、时变性，当工艺状况变化时，对象特性变化，从而使原控制器的参数不再是“最佳”，系统的控制品质下降，性能变差。,当负反馈控制系统的环路增益足够大，其等效环节特性主要取决于反馈通道特性，而与前向通道特性无关。,2019/8/4,14,2.1.3 串级控制系统的设计,需要对流量实现精确的跟踪时，将流量选为副对象,主变量由工艺要求提出的主要操作参数,1、副变量的选择,为保证副回路的快速响应，副对象的滞后不能太长,为提高系统的鲁棒性，将具有非线性及时变部分包含于副对象中,2019/8/4,15,主变量：提馏段温度,蒸汽流量副变量有利于克服蒸汽气源压力或冷凝压力变化引起的干扰；对克服其它干扰作用不明显。,蒸汽压力副变量包含了再沸器热交换时间常数，有利于提高系统的工作频率；不能保证蒸汽流量恒定。,工艺介质气相流量将再沸器液位、再沸器温度及传热系数等变化包含于副回路中；对蒸汽气源压力波动克服较慢。,串级控制副变量的选择实际应用时，需要考虑工艺上的合理性和经济性。,例：精馏塔底质量指标控制,控制方案如图,2019/8/4,16,主要变量： 物料出口温度,操作手段： 燃料流量,控制方案分析：,温度对燃料流量串级,(1)温度对燃料流量串级：有利克服燃料流量波动，方案易于实现；采 用燃料油时，流量测量困难，对燃料物性变化不能及时克服。,(2)温度对燃料压力串级：正常情况下,阀后压力与燃料流量成正比，采 用燃料油时，避免测量流量的困难,方案易于实现；对燃料物性变化不能及 时克服。,(3)温度对炉膛温度串级：炉膛温度能及时反映燃料热值的变化，有利 于克服燃料物性变化扰动；温度副回路不如压力或流量响应迅速。,加热炉 温度控制,2019/8/4,17,2、控制器类型的选择,(1)副控制器选择,副对象的响应较快，滞后较小或不存在，可以选择P或PI控制器；,副回路系随动系统，允许有余差，可不引入积分作用，以提高副 回路的开环增益，提高抑制干扰能力；,流量(液体压力)副对象增益小，不引入积分，余差很大。此外， 串级系统有可能断开主回路，副回路单独工作，要考虑余差的允许范围；,温度副对象，可引入微分作用，但要视随动系统设定值的变化情 况而定，亦可采用纯比例作用。,(2)主控制器选择,根据对象的特点，参考单回路系统设计控制器的选择；,设计串级控制系统的场合，对象的滞后较大，可采用PID控制器。,2019/8/4,18,(2)方块图法,控制阀: 输入增大输出也增大为“”，气开为“”、气关为“”,先决定副控制器，后决定主控制器。,2019/8/4,19,串级控制系统主、副控制器正反作用的选择应满足负反馈的控制要求。具体选择步骤如下： 1.从安全角度选择控制阀的气开和气关型式（气开型，Kv0;气关型， Kv0); 2.根据工艺条件确定副被控对象的特性； 3.根据副控制回路为负反馈的准则，确定副控制器的正反作用； 4.根据工艺条件确定主被控对象的特性； 5.根据主控制回路为负反馈的准则，确定主控制器的正反作用。,2019/8/4,20,2019/8/4,21,2.1.4 系统投运及参数整定,1、系统投运,原则：保证无扰动切换，先副后主,根据经验法初步设置主、副控制器的参数,2、参数整定,原则：先副后主,由于副回路要求不高，可参照经验法一次设置；,主控制器参数整定与单回路类似。,2019/8/4,22,(2) 如果聚合釜温度不允 许过高，否则易发生事故， 试确定控制阀的气开/气关型式。,下图是一聚合釜温度控制系统：,(1) 这是一个什么类型的控 制系统？试画出其方块图。,(3)确定主、副控制器的正/反作用方向。,(4)如果冷却水的温度是经常波动的，上述系统应如何改进？,(5)如果选择夹套内的水温作为副变量构成串级控制系统，试画出 其方块图，并确定主、副控制器的正/反作用方向。,2019/8/4,23,前馈基本原理：对设定值、可测干扰的变化，根据其变化量的大小 改变控制作用，使系统达到平衡。,2.2 前馈控制系统,2.2.1 基本原理,存在的问题：对大扰动或大滞后系统效 果不理想,2019/8/4,24,从理论上讲，前馈控制的这种理想效果反馈控制是无法实现的；反 馈控制是基于偏差进行调节的，在干扰作用下，受控变量要经历一个偏 离设定值的过程。,若精确地了解系统(过程)的特性，就可以计算在可测干扰或新的设定 值作用下，系统达到平衡的控制作用。,输出不变，受控变量不受干扰变化扰动的影响。,2019/8/4,25,2019/8/4,26,2019/8/4,27,2、动态前馈,当扰动通道和控制通道的特性差异较大，特别在对控制品质要求较高 时，采用静态前馈还不能满足要求，此时须考虑动态补偿。,主要是针对非线性静态前馈补偿后，如何添加动态补偿。 对于非线性系统，要通过非线性动态方程来求取动态前馈补偿器是比较困难的。工程上采用的方法是：在正常工况下通过实验的方法取得各通道的动态特性，添加到非线性静态前馈补偿上。,图中设计了流量控 制回路，其目的是使蒸 汽流量按前馈补偿器的 要求实现精确控制。,静态前馈装置,2019/8/4,28,通过实验的方法，测得干扰通道和控制通道的传递函数，然后求得 前馈补偿器。（非线性动态前馈控制器的步骤）,2019/8/4,29, 前馈控制器是基于系统的数学模型得到的，任何模型的获得都是 在一定合理假设的基础上建立的机理模型、或是通过辨识系统的结构参数 而得到辨识模型；无论什么模型不可能绝对准确，即无法求得理想的补偿 器，因而造成补偿不完全。, 补偿器从数学形式上看是两个传递函数的比值形式，若得到的结 果分子阶次高于分母，或前馈控制算式中含有超前环节或微分环节，在物 理上不可实现的，此时构成的控制器只能是一种近似结构，也不可能对干 扰进行完全补偿。, 理想的前馈控制，对受控变量而言是开环的，无法检验补偿效果。,为了解决上述问题，引出前馈与反馈相结合的控制方案, 作用于实际过程的干扰不完全可测，前馈控制只能针对可测干扰 进行设计，对不可测干扰无法补偿；,2019/8/4,30,例1：精馏塔提馏段质量指标控制, 单纯的前馈控制,做到随进料量或进料成分的变化， 去调整载热体流量，以保证塔底成分 的要求。,载热体成分、换热器内压力等变 化时，气相回流量变化，塔底温度变 化，无法保证塔底成分要求；,此前馈控制方案对塔底温度是开 环的。,2019/8/4,31, 前馈反馈相结合（前馈控制与反馈控制作用相乘）,随进料量或进料成分的变化，调 整载热体流量的同时，根据塔底温度 的变化修正前馈控制器的输出；以克 服载热体成分、换热器内压力等变化 时对塔底温度的影响，保证塔底成分的要求。,此前馈反馈相结合控制方案对 塔底温度是闭环的。,引入提留段下部温度或塔釜温度反馈，克服了单纯前馈的缺点。,2019/8/4,32,一般控制方案在串级控制系统中已做了介绍，通过物料出口温度去改 变流量控制器的设定值,例2：加热炉温度控制,如果负荷为主要扰动，采用串级并不及时，将进料量测出设计前馈补 偿，可改善系统的调节品质。,特点： 进料流量变化后,在出口温度出现偏差前,燃料流量及时作相应的调整，避免温度调节过程中出现大的偏差。,(3) 前馈反馈相结合（前馈控制与反馈控制作用相加）,2019/8/4,33,串级控制系统方框图,2019/8/4,34,2.2.3 前馈控制系统的设计,一般可以写成：,2019/8/4,35,2.2.4 前馈控制系统的实施,(1) 用模拟仪表实施,1、前馈控制器的选择,(2) 用软件实现,2、参数整定,前馈反馈相结合，先整定反馈系统，再重复。, 通过特定的前馈控制器； 采用运算单元自行构造：多数工业对象采用一个带有纯滞后的“一阶超前/一阶滞后”环节来实现前馈补偿来近似。如： 式中：Kff=K2/K1；Lff=L2-L1,2019/8/4,36,非线性动态前馈控制器的步骤： 按物料平衡和能量平衡求取对象静态特性（一般为非线性关系)，进而求取静态前馈模型（一般为非线性模型）。 逐个测取对象各通道动态特性，并将它分成“静态部分”和“动态部分”。 将静态前馈模型中的非线性环节线性化。 在线性化后的静态前馈模型基础上，结合对象各通道的“动态部分”，按“全补偿”要求，添加动态补偿环节。 将线性化处理后的环节恢复成原有的非线性环节。,返回,2019/8/4,37,为此人们开发了一些具有特殊功能的系统。,2019/8/4,38,2.3 比值控制系统,怎么样完成上述功能来满足工艺要求呢？,2019/8/4,39,2.3.1 比值控制的基本原理,2019/8/4,40,(1) 开环比值控制,2019/8/4,41,(2)单闭环比值控制系统,在开环比值系统中，对副流量设计控制回路,比值计算器：,按预先设置好的比值系数使控制器的输出成比例变化,单闭环比值系统结构图,副流量控制回路为随动系统,特点：Q1变化，经流量变送到比值计算器R，R的输出作为副流量控制器 的设定值，Q2经调节自动跟踪Q1的变化，保持在新工况下Q2/Q1不变。,2019/8/4,42,当Q1不变，Q2可克服自身干扰(如阀前压力扰动),2019/8/4,43,2019/8/4,44,2019/8/4,45,变比值控制系统结构图 稳定状态：表征最终质量指标的主参数y恒定，主控输出(比值控制器 的给定)稳定；Q2/Q1=r=Constant。比值计算器输出(表征r)，作为比值控 制器的测量值与给定值相等。比值控制器输出稳定，控制阀开度一定， 产品质量合格。 主流量干扰发生：由比值控制回路快速控制，使Q2按Q2=rQ1变化，以 保持主参数y稳定。 除流量干扰外的干扰发生：主参数y变化，主控输出变化，修改r，以 保持主参数的稳定。 实质是以比值控制系统为副回路的静态前馈串级控制系统。,2019/8/4,46,例1 硝酸生产中氧化炉：氨氧化生成一氧化氮放热反应，温 度T是反应过程的主要指标，影响温度的主要因素是氨气一空气的比值r， r稳定T稳定。可构成温度T对氨气/空气(r)串级控制系统变比值控 制系统。当T受到其它干扰(如触媒老化)而发生变化时，可通过主控改变 r来补偿，以满足工艺要求。,2019/8/4,47,2019/8/4,48,从安全的角度考虑，当Q1、Q2都失控时,Q1做主动量和Q2做主动 量的结果可能不一样，哪种情况下安全(必须保持比值一定)，则选哪一作主流量。,因碳水比高于某一数值在炉管内催化剂积碳，堵塞炉管，造成事故,2.3.3 比值控制的实施,2019/8/4,49,2、应用比值器的方案,2019/8/4,50,比值系数K与流量比r的关系:,(1)流量与测量信号是线性关系,2019/8/4,51,(2)流量与测量信号是非线性关系（如差压法）,2019/8/4,52,当流量为线性变送时：,非线性时：,按工艺要求的流量比r，来设置us,(2)控制器采用PI形式，整定时先将积分时间置于最大，由大到小调 整比例度，直到系统处于振荡的临界过程为止。,2.3.4 比值控制的投运及参数整定,2019/8/4,53,(3)适当加大比例度，放大20%然后慢慢减小积分时间，直到出现振 荡与不振荡的临界过程为止。,(4)在变比值控制系统中，因系统在结构上是串级控制系统，主控制 器按串级控制系统整定。,2.3.5 比值控制系统中的几个问题,差压法测流量时：,负荷变化时, QO变化，K变化，影响系统的动态品质，QO小时系统稳定，QO增加，稳定性下降。,2019/8/4,54,是否引用开方器，根据工艺要求的精度、负荷的变化情况而定,2、比值控制中的动态跟踪问题,有些实际过程不仅要求稳态比值一定，而且要求动态比值一定。,动态跟踪：研究两流量的动态特性，使它们受外界干扰时，接近同 步变化。,动态补偿环节,2019/8/4,55,补偿关系式实际应用时，可以近似代替，由于副流量滞后于主流量， 所以此补偿环节应具有超前特性。,比值器的比值系数,因要求副流量随主流量变化，故,2019/8/4,56, 主、副流量的逻辑提降问题 在比值控制系统中，有时两个流量的提降先后需满足某种逻 辑关系。如锅炉燃烧控制系统中，燃料量和空气量的比值控制系统， 为使燃料完全燃烧，在提负荷时先提空气量，后提燃料量；在降负 荷时先降燃料量，后降空气量。,反作用,2019/8/4,57,2019/8/4,58,谢 谢！,2019/8/4,59,对初步设置参数的控制器进行参数整定，达到要求为止。,系统投运,工作内容:,详细了解工艺，对投运中可能遇到的问题应有相应的解决措施；,投运前全面细致地检查自控设备的安装、性能，确保安全可靠；,对控制系统的设计思想、达到的指标详细掌握；,设置控制器的正反作用；,设置或初步设置控制器的参数(P、I、D)；,按无扰动切换原则将控制器由手动切入自动；,由多个回路组成的系统应逐一进行，由次到主，由简单到复杂。,2019/8/4,60,2.4 均匀控制系统,2.4.1 均匀控制的基本原理,石油化工生产过程中的连续精馏，两个塔串联，塔1的出料为塔2的 进料。,2019/8/4,61,有些连续生产过程不希望或不允许加中间缓冲罐(有些化工产品经缓 冲罐后可能发生附加化学反应),2019/8/4,62,对上述过程可设计如下方案：,2019/8/4,63,均匀控制做到了液位、流量变化都比较缓和。,2019/8/4,64,目的是维持分离器压力及加氢反应器 的进料平稳。,串级均匀控制系统所用 仪表较多(常规控制)，适用 于控制阀前后压力干扰和自 衡作用显著、对流量的平稳 要求较高的场合。 克服简单均匀控制存在 的缺点。,2019/8/4,65,当液位扰动增加时，控制器输出开大阀门，流量增加，液位开始下降， 当两个测量信号之差逐渐接近某一值时，加法器输出重新恢复到控制器的 设定值。控制阀停留在新的开度上，液位的平衡数值比原来有所升高，流 量的平衡数值也比原来的有所增加，达到均匀控制的目的。,3、双冲量均匀控制,2019/8/4,66,2.4.3 均匀控制参数整定,2019/8/4,67,2.5.1.1 基本原理,在工业生产过程中，有时会遇到一个控制器去操纵几只阀门，并按输 出信号的不同区间操作不同的阀门，这样的控制系统叫做分程控制系统。,要求：釜内温度维持在一定范围 反应开始需要加热升温，到反应 开始趋于剧烈时，釜内温度升高，需 要冷却降温。 可采用一个温度控制器去同时操纵两个阀门:蒸汽和冷水阀，根据控制器输出的不同区间操纵不同的执行机构分程控制。,釜式间歇聚合反应器的温度控制,TT,TC,蒸汽,冷水,2019/8/4,68,2019/8/4,69,2.5.1.2 分程控制的作用,阀的泄漏量为：,2019/8/4,70,采用分程控制后：,开始加热升温，引发反应；等反应开始后，由于是放热反应，反应逐渐加剧，温度越来越高，因此需要降温冷却。 采用分程控制，利用温度控制器输出信号的不同区间分别控制这两只不同的阀门。,A,B,2019/8/4,71,针对罐顶空隙较大、气体压力对象时间常数大；罐顶压力控制要求不 高的实际情况，设计间歇区间，避免两只阀的频繁开闭。,2019/8/4,72,2.5.1.3 分程控制的组合形式,2019/8/4,73,2.5.2 阀位控制(VPC)系统,在生产中，有两个（或多个）变量均能影响同一个受控变量， 但具有良好动态性能的变量，其静态性能(指工艺上的某些性能)却是 低劣的。从提高受控变量控制品质的角度应采用动态性能好的变量， 但从稳态优化的角度却是不适合的。为协调矛盾，可采用包括阀位 控制系统在内的复合控制系统。,例1 加热炉温度控制节能,受控变量：物料出口温度 动态分析：旁路阀VA控制通 道滞后小，控制及时； 节能分析：旁路阀全关最节能 （两种冷热不同流体混合过程不 可逆，易造成损失。) 节能复合控制方案,2019/8/4,74,组成：两个回路 主回路：温变、温控、VA及对象，受控变量出口温度。 良好的动态品质 副回路：阀位控制器VPC、VB、及对象，受控变量VA阀位。其 设定值对应VA较小开度（如10%），控制器采用大比例度和 大积分时间，使具有缓慢的控制动作，以保证系统稳定时， VA处于小开度。 节能,2019/8/4,75,2019/8/4,76,两回路的工作频率差异很大，作粗略分析时，讨论主回路时可 将副回路看成开路；讨论副回路时，可将主回路中的某些快速环节 的动态滞后忽略。,例2 反应釜温度控制 与冷水相比，冷冻盐水的影响滞后小， 有良好的动态性能，但价格较冷水昂贵。 正常工况下，要求通过阀位控制器的 调整使之处于小流量，而当干扰使温度突 然升高时，快速打开盐水阀。,2019/8/4,77,结论： 从结构看：分程控制系统和阀位控制系统都具有多个控制变量 和单个受控变量； 从控制要求看：分程控制要求各个控制变量接替工作； 阀位控制要求被选作辅助变量的阀位在稳态时 处于某个较小（或较大）值上，以满足另外指标优 化的要求。,2019/8/4,78,凡在控制回路中引入选择器的系统均称为选择性控制系统。,一、选择性控制的基本原理和结构,2019/8/4,79,大型生产过程中，除了要求控制系统在生产处于正常运行下能克服外界干扰，维持生产的平稳运行外，当生产操作达到安全极限时，控制系统应有一种应变能力，能自动采取相应强有力的保护措施，促使生产操作离开安全极限，返回到正常工况，防止超限；或使生产暂时停下来，以防止事故的进一步扩大生产保护性,如大型压缩机的防喘振措施，精馏塔的防液泛措施等。,生产保护性措施有两类： 硬保护措施，即参数达到第一极限时（声、光报警）设法排除故障（人工）故障未被及时排除，参数达到第二极限启动联锁装置自动停车。, 软保护措施，即参数达到极限报警设法排除故障同时通过特定装置改变操作方式，按使该参数脱离极限值为主要控制目标进行控制，防止该参数进一步超限。当该参数脱离极限值时，系统自动重新回到原控制方式。,超驰控制：为实现软保护而设计的控制系统。,2019/8/4,80,分为三类： （）开关型 一般有A、B两个可供选择的参数。 A工艺操作的主要技术指标，直接关系到产品的质量； B工艺上只要求不超限，以确保生产的安全。,例如丙烯冷却器裂解气出口温度与丙烯液面选择性控制。 乙烯分离过程中，裂解气经五段压缩后温度达88，需进一步降 温15，以进行低温分离。,控制方案如图：,2019/8/4,81,（） 连续型选择性控制,与开关型不同：当取代作用发生后，控制阀门不是立即全关或全开，而是在阀门原有开度的基础上继续进行控制，即控制作用是连续的。,例：大型合成氨工厂中，蒸汽锅炉为重要的动力设备，负责向全厂提供蒸汽。其运行正常与否直接关系到合成氨生产的全局。必须对蒸汽锅炉的运行采取一系列的保护措施。锅炉燃烧系统的选择性控制系统就是这些保护性措施项目之一。,蒸汽锅炉主要控制系统是蒸汽压力控制。 脱火现象：当燃料气压力过高时产生，易造成大量燃料气未被完全燃烧，可能的后果