第八章复杂控制系统课件

化工仪表及自动化第八章复杂控制系统,主讲人：史继斌E-mail:shijibin56,第八章复杂控制系统返回首页,第一节串级控制系统第二节均匀控制系统第三节比值控制系统第四节分程控制系统第五节选择性控制系统第六节前馈控制系统,随着科学技术的发展，现代过程工业规模越来越大，复杂程度越来越高，产品的质量要求越来越严格，以及相应的系统安全问题，管理与控制一体化问题等，越来越突出，因此要满足这些要求，解决这些问题，仅靠简单控制系统是不行的，需要引入更为复杂、更为先进的控制系统。由于采用复杂控制系统的装置或对象都是工厂中的重要装置或关键岗位，因此需要予以特别的重视。本章介绍的复杂控制系统包括串级、均匀、比值、选择性、分程、前馈和多冲量等。,第一节串级控制系统,串级控制系统是所有复杂控制系统中应用最多的一种，当要求被控变量的误差范围很小，简单控制系统不能满足要求时，可考虑采用串级控制系统。,一、组成原理,如左图所示是一个加热炉温度控制系统。被加热原料的出口温度T是该控制系统的被控变量，燃料量是该系统的调节变量，这是一个简单控制系统。如果对出口温度T的误差范围要求不高，这个控制方案是可行的。如果出口温度T的误差范围要求很小，则简单控制系统难以胜任。,分析如下：该系统的调节通道，调节器TC发出的信号送给调节阀，调节阀改变阀门开度，送入加热炉的燃料流量改变，燃料在炉膛里燃烧，炉膛温度改变，传热给管道，最终使原料温度得到调整，稳定在所希望的温度附近。由于传热过程的时间常数大，达到15分钟左右，等到出口温度发生偏差后再进行调节，导致偏差在较长的时间内不能被克服，误差太大，不符合工艺要求。如何解决这个问题呢？根据反馈原理，被控变量的任何偏差，都是由种种干扰引起的，如果能把这些干扰抑制住，则被控变量的波动将会减小许多。,在控制系统中，每一个干扰到被控变量之间都是一条干扰通道。对于该加热炉，主要的干扰有：燃料压力的波动、燃料热值的波动、原料流量的调整或波动、原料入口温度的波动等等。如果对每一个主要干扰都用一个控制系统来克服波动，则整个系统的主要目标（原料的出口温度），肯定能被控制得很好。但实际上，有些量的控制很不方便，而且，这样做整个控制工程的投资将是很大的。实践中，人们探索出一种复杂控制系统，不需要增加太多的仪表即可使被控制量达到较高的控制精度。这就是串级控制系统。,该系统的主要问题在于传热过程时间常数很大。串级控制的思想是把时间常数较大的被控对象分解为二个时间常数较小的被控对象，如从燃料量到炉膛温度Ts的设备可作为第一个被控对象，炉膛温度到被控变量TM的设备作为第二个对象，也就是在原被控制对象中找出一个中间变量炉膛温度Ts，它能提前反映干扰的作用，增加对这个中间变量的有效控制，即根据炉膛温度的变化，先控制燃料量，再根据原料出口温度与给定值之差，进一步控制燃料量，可使整个系统的被控制变量得到较精确的控制。,构成的串级控制系统及方块图如右图和下图所示。,该串级控制系统中，干扰F1和F2作用在温度对象1上，它们首先影响到Ts，然后再影响到TM。由于Ts能被测量并加以控制，因此，它的波动范围比未加以控制前大大减小，所以干扰F1和F2对Tm的影响也大大减少。,1组成原理,（l）将原被控对象分解为两个串联的被控对象，如下图所示。,（2）以连接分解后的两个被控对象的中间变量为副被控变量，构成一个简单控制系统，称为副调节系统或副环。（3）以原对象的输出信号为主被控变量，即分解后的第二个被控对象的输出信号，构成一个调节系统，称为主调节系统或主环。,（4）主调节系统中调节器的输出信号作为副调节系统调节器的给定值，副调节系统的输出信号作为主被控对象的输入信号，如右图所示。,2、串级控制系统术语,（l）主对象、副对象，也称主被控对象、副被控对象，如图4所示，主对象与副对象是由原被控对象分解而得到的。（2）主变量、副变量也称为主被控变量、副被控变量。主变量是主被控对象的输出信号，副变量是副被控对象的输出信号，是原被控对象的某个中间变量，同时也是主被控对象的输入信号。（3）主测量值、副测量值是相应被控制变量的测量值。,（4）主调节器、副调节器：副调节器负责虚线框中副环被控对象的调节任务，使副变量符合副给定值的要求；主调节器负责整个系统的调节任务。（5）主给定值、副给定值：主给定值是主变量的期望值，由主调节器内部设定；副给定值是副变量的期望值，由主调节器的输出信号提供。（6）主环、副环：也称为主回路、副回路。副环为图4中虚线框内部分；主环为包括副环的整个控制系统。,二、作用方向及调节过程,为了便于分析调节过程，首先对图3加热炉温度串级控制系统各方块的性能进行分析和选择。主对象：输入信号为炉膛温度，输出信号为原料出口温度，故输入信号增加，输出信号亦增加，是正作用单元；副对象：输入信号为燃料流量，输出信号是炉膛温度，故输入信号增加，输出信号亦增加，是正作用单元；,主测量变送方块与副测量变送方块：均为输入信号增加，则输出信号增加，是正作用单元；调节阀：为防止调节阀气信号中断时烧坏炉管，选气开阀，即当调节阀气信号中断时，阀门全关，较安全，是正作用单元；,副调节器：调节器方块选正作用方向，连同比较点一起，调节器是反作用调节器，即测量增加，调节器输出减少；主调节器：调节器方块选正作用方向，连同比较点一起，调节器也是反作用调节器。,下面根据上述系统各部件的选择，对控制系统的调节过程进行分析。1干扰作用于副对象：2干扰作用于主对象：3干扰同时作用于主、副对象分为两种情况来讨论。（1）受干扰作用，主、副变量变化方向相同：（2）受干扰作用，主、副变量变化方向相反：,综上所述，在串级控制系统中，由于从对象提取出副变量并增加了一个副环，整个系统克服干扰的能力更强，克服干扰的作用更及时，控制性能明显提高。,第二节均匀控制系统,均匀控制系统从系统结构上无法看出它与简单控制系统和串级控制系统的区别。其控制思想体现在调节器的参数整定中。,一、均匀控制原理,在如图8所示的双塔系统中，甲塔的液位需要稳定，乙塔的进料亦需要稳定，这两个要求是相互矛盾的。甲塔的液位控制系统，用来稳定甲塔的液位，其调节参数是甲塔的底部出料，显然，稳定了甲塔液位，甲塔底部出料必然要波动。但甲塔底部出料又是乙塔的进料，乙搭进料流量的控制系统，为了稳定进料流量，需要经常改变阀门的开度，使流量保持不变。因此，要使这两个控制系统正常工作是不可能的。,要彻底解决这个矛盾，只有在甲、乙两个塔之间增加一个中间储罐。但增加设备就增加了流程的复杂性，加大了投资。另外，有些生产过程连续性要求高，不宜增设中间储罐。在理想状态不能实现的情况下，只有冲突的双方各自降低要求，以求共存。均匀控制思想就是在这样的应用背景下提出来的。,通过分析，可以看到这类系统的液位和流量都不是要求很高的被控变量，可以在一定范围内波动，这也是可以采用均匀控制的前提条件，即控制目标发生了变化。,图9中（a）为冲突的无法实现的两个控制目标，（b）为调整后体现均匀控制思想的可实现的控制目标。在图9（b）中，由于干扰使液位升高时，不是迅速有力地调整，使液位几乎不变，而是允许有一定幅度的上升。同时，流量也相应地增加一些，分担液位受到的干扰；同理，流量受到干扰而变化时，液位也分担流量受到的干扰。如此“均匀”地互帮互助，相互共存。,二、均匀控制的实现方案,1、简单均匀控制系统下图是一个简单均匀控制系统，可以实现基本满足甲塔液位和乙搭进料流量的控制要求。,从系统结构上看，它与简单液位控制系统一样。为了实现“均匀”控制，在整定调节器参数时，要按均匀控制思想进行。通常采用纯比例调节器，且比例度放在较大的数值上，实践中要同时观察两个被控变量的过渡过程来调整比例度，以达到满意地“均匀”。有时为了防止液位超限，也引入较弱的积分作用。微分作用与均匀思想矛盾，不能采用。,2串级均匀控制系统,简单均匀控制系统，结构简单，实现方便。但对于压力干扰反应不及时，另外，当系统自衡能力较强时，控制效果也较差。为了克服这两个缺点或这两个方面的干扰，引入副环构成串级均匀控制系统，如下图所示。,上图从结构上看，它与液位-流量串级控制系统完全一样。串级控制中副变量的控制要求不高，这一点与均匀控制的要求类似。在这里的串级均匀中，副环用来克服塔压变化；主环中，不对主变量提出严格的控制要求，采用纯比例，一般不用积分。整定调节器参数时，主副调节器都采用纯比例控制规律，比例度一般都较大。整定时不是要求主、副变量的过渡过程呈某个衰减比的变化，而是要看主、副变量能否“均匀”地得到控制。,第三节比值控制系统,一、比值控制原理在炼油、化工、制药等许多生产过程中，经常需要两种物料或两种以上的物料保持一定的比例关系。最常见的是燃烧过程，燃料与空气要保持一定的比例关系，才能满足生产和环保的要求：造纸过程中，浓纸浆与水要以一定的比例混合，才能制造出合格的纸浆；许多化学反应的诸个进料要保持一定的比例。,通常，在两个需要保持一定比例关系的物料中，一个是主动量或关键量，另一个是从动量或辅助量。由于物料通常是液体，因此称主动量为主流量FM，从动量为副流量FS。FM与FS之间的关系为FsKFM（8l）式中，K为比值系数。因此，只要主副流量的给定值保持比值关系，或者副流量给定值随主流量按一定比例关系而变化即可实现比值控制。,二、比值控制系统的类型,l单闭环比值控制系统左图表示一个燃烧过程单闭环比值控制系统，主流量是燃料，副流量是空气。FMT测量出主流量并变换为标准信号，乘以比值系数K后，作为副流量控制系统中被控变量Fs的给定值。如此，可以保持主流量与副流量之间的比例关系。,从系统结构外观上看，似乎单闭环比值控制系统与串级控制系统很相似。但它们的方块图是不同的，功能也是不同的。单闭环比值控制系统的方块图如下图所示。,从上图中可以看到，没有主对象和主调节器，这是单闭环比值控制系统在结构上与串级不同的地方，串级中的副变量是调节变量到被控变量之间总对象的一个中间变量，而比值中，副流量不会影响主流量，这是两者之间本质上的区别。,副流量控制系统是一个随动控制系统，它的给定值由系统外部的KFM提供，它的任务就是使副流量Fs尽可能地保持与KFM相等，随FM的变化而变化，始终保持FM与Fs的比值关系。当系统处于稳态时，比值关系是比较精确的；在动态过程中，比值关系相对而言不够精确。另外，当主流量处于不变的状态时，副流量控制系统又相当于一个定值控制系统。,总之，单闭环比值控制系统，能克服副流量的波动，能随着主流量的变化而变化，使FM与Fs保持比值关系。但是单闭环比值控制系统不能克服主流量的变化，当希望主流量也较稳定时，单闭环比值控制系统就无法胜任了。因此，它应用于主流量不允许被控制的场合和主流量没有必要进行控制的场合。,2双闭环比值控制系统,在主流量也需要控制的情况下，增加一个主流量闭环控制系统，单闭环比值控制系统就成为双闭环比值控制系统，见下图。,由于增加了主流量闭环控制系统，主流量得以稳定，从而使得总流量能保持稳定。双闭环比值控制系统主要应用于总流量需要经常调整（即工艺负荷提降）的场合。如果没有这个要求，两个单独的闭环控制系统也能使两个流量保持比例关系，仅仅在动态过程中，比例关系不能保证。,3变比值控制系统,如果工艺上要求两种流量的比值依据其他条件可以调整，则可构建变比值控制系统。左图是加热炉变比值控制系统，进料中燃料和空气要保持一定的比值关系，以维持正常的燃烧，而燃烧的实际状况又要从加热炉出烟的氧含量来加以判断。因此，由AT测出烟气中的氧含量，送给AC，AC是调节器，其输出作为单闭环比值控制系统的比值的给定值。,该系统的方块如下图所示。图中单闭环比值系统采用的是相除方案，双闭环比值系统一样可以构成变比值系统。另外，该系统又是一个串级控制系统，是氧含量-流量比值串级控制系统。,第四节分程控制系统,分程控制原理：通常，在一个控制系统中，一个调节器的输出信号只控制一个执行器或调节阀（以下均以气动执行器为例），其结构与特性见下图。,上图中的阀门为气开阀，即控制信号P为最小（002MPa）时，阀门全关闭；P为最大（01MPa）时，阀门全打开。图中（C）是调节阀的特性图，（b）是阀门结构图。,如果一个调节器的输出信号同时送给两个调节阀，构成如下图所示的系统，这就是一种分程控制系统。这里两个阀门并联使用，它们都是气开阀，其工作特性如图（b）所示。,阀门A：控制信号P为002MPa时，全关；随着P增加，开度增加，当P增至006MPa时，阀门全部打开；P继续增加，阀门保持全开状态，直至P达最大。阀门B：在控制信号P从002增加到0.06MPa之间一直保持全关状态。从0.06MPa起，阀门逐步打开；至01MPa处，阀门全开。可见，两个阀门在控制信号的不同区间从全关到全开，走完整个行程。,由于阀门有气开和气关两种特性，两个阀门就有四种组合特性，如上图所示。图（a）和（b）时两个阀门同方向运动，（c）和（d）表明两个阀门作用方向相异。理论上讲，分程控制可以是两个以上阀门共同控制，但实际上，一般采用的都是两个阀门分程。,综上所述，从结构上看，简单控制系统只有一个调节阀，而分程控制有两个调节阀；从特性上看，分程控制的阀门特性如上图所示，简单控制的阀门特性如图17（c）所示。当然，分程控制可以应用于任何类型的控制系统之中。,第五节选择性控制系统,一、选择性控制原理通常的自动控制系统都是在生产过程处于正常工况时发挥作用的，如遇到不正常工况，则往往要退出自动控制而切换为手动，待工况基本恢复再投入自动控制状态。,现代石油、化工等过程工业中，越来越多的生产装置要求控制系统既能在正常工艺状况下发挥控制作用，又能在非正常工况下仍然起到自动控制作用，使生产过程尽快恢复到正常工况，至少也是有助于或有待于工况恢复正常。这种非正常工况时的控制系统属于安全保护措施，安保措施有两大类，一是硬保护，二是软保护。,硬保护措施就是联锁保护控制系统。当生产过程工况超出一定范围时，联锁保护系统采取一系列相应的措施，如报警、自动到手动、联锁动作等，使生产过程处于相对安全的状态。但这种硬保护措施经常使生产停车，造成较大的经济损失。于是，人们在实践中探索出许多更为安全经济的软保护措施来减少停车造成的损失。,所谓软保护措施，就是当生产工况超出一定范围时，不是消极地输入联销保护甚至停车，而是自动地切换到一种新控制系统中，这个新的控制系统取代了原来的控制系统对生产过程进行控制，当工况恢复时，又自动地切换到原来的控制系统中。由于要对工况是否正常进行判断，要在两个控制系统当中选择。因此，称为选择性控制系统，有时也称为取代控制或超驰控制。,选择性控制系统在结构上的最大特点是有一个选择器，通常是两个输入信号，一个输出信号，如下图。对于高选器，输出信号Y等于X1和X2中数值较大的一个，如X1=5mA，X24mA，Y5mA。对于低选器，输出信号Y等于X1和X2中数值较小的一个。,高选器时，正常工艺情况下参与控制的信号应该比较强，如设为X1，则X1应明显大于X2。出现不正常工艺时，X2变得大于X1，高选器输出Y转而等于X2；待工艺恢复正常后，X2又下降到小于X1，Y又恢复为选择X1。这就是选择性控制原理。,二、选择性控制系统的类型,l、开关型选择性控制系统,如图26所示是一个丙稀冷却器温度控制系统，目的是使裂解气的温度下降并稳定在一定的温度上。测量裂解气出口温度T，如T偏高，使液丙烯流量加大，冷却器中的液丙烯液面升高，载有裂解气的列管与液丙稀的接触面积增大，换热加快，T下降，达到控制的目的。这是正常的工况时的控制作用。,如果干扰很大，裂解气进口温度很高，液面上升到全部列管均已浸在液丙烯中，仍然不能将T降下来，控制系统势必要继续加大液丙稀的流量。但这时，继续加大液丙烯流量不能进一步增加列管与液丙烯的换热面积，而且，由于液面很高，液丙烯的蒸发空间太小，使换热效率下降。更为严重的问题是，出口气丙烯中可能带有液体，即带液现象，带液气丙烯送入压缩机会损坏压缩机，这是不允许的。因此，在非正常工况时，无法用图26所示的简单控制系统解决。,根据选择性控制思想，设计一个开关型选择性控制系统如图27所示。比简单控制系统增加了液位变送器和电磁三通阀。正常工况时，三通阀将温度调节器来的控制信号P送至气动调节器室，系统与简单控制系统相同。当液位上升到一定位置时，液位变送器的上限节点接通，电磁阀通电，切断控制信号P的通路，将大气（即表压为0）通入气室，阀门关闭。液位回降至一定位置时，液位变送器上的上限节点断开，电磁三通阀失电，系统恢复为简单温度控制系统。,这个系统的方块图如图28所示。,2连续型选择性控制系统,开关型选择性控制系统中的调节阀，在正常工况向非正常工况切换时不是全开就是全关。连续型选择性控制系统则是切换到另一个连续控制系统。如图29是压缩机的连续型选择性控制系统。,正常工况时，P2C的输出信号小于P1C的输出信号，LS选P2C的输出信号，系统维持压缩机的出口压力P2比稳定不变。当压缩机进口压力P1下降至一定程度时，压缩机会产生喘振，这成为主要的问题。由于采用了低选器LS，当P1降至一定数值时，P1C的输出信号会低于P2C的输出信号，LS选择P1C的输出信号为输出，系统切换成为进口压力控制系统，将阀门关小，以维持P1不低于安全限；当进口压力P1回升，P1C使阀门开大，P2回升，待P2回升到一定程度时，P2C的输出变得小于P1C的输出，低选器动作，系统恢复正常。,3混合型选择性控制系统,同时在一个控制系统中使用开关型与连续型选择性控制，就是混合型选择控制系统。在锅炉的燃烧系统中，正常情况下，燃料气量根据蒸汽出口压力来调整。但有两种非正常工况可能出现：一是燃料气压力过高，产生“脱火”现象，燃烧室中火焰熄灭，大量未燃烧的燃料气积存在燃烧室内，烟囱冒黑烟，并有爆炸的危险，因此，应采取措施，使燃料气压力不致过高；二是燃料气压力也不能过低，太低的燃料气压力有“回火”的危险，导致燃料气贮罐燃烧和爆炸，因此，也需要采取措施，使燃料气压力不过低。,结合两种非正常工况的需要，设计混合型选择性系统如图30。,正常工况时，蒸气压力P1上升，a下降，d下降，阀门关小，燃料气流量减小，使P1下降，实现控制。如P2上升至有“脱火”危险时，b小于a，db，阀门关小，使P2下降，起防“脱火”作用。P2降至正常后，系统恢复蒸汽压力控制系统，是连续型选择性控制。,如P3下降至有“回火”危险时，P3C的下限节点接通，使三通电磁阀通电，电磁阀动作，气动调节阀膜头气室通大气，气动调节阀关闭，起防止“回火”作用。P3回升后，系统恢复为蒸汽压力控制系统，是开关型选择性控制。选择器的使用，还可以构成其他类型的复杂控制系统，有时也可以说，凡是应用选择器的控制系统就是选择性控制系统。,三、积分饱和问题,l积分饱和现象在选择性控制系统中，由于采用了选择器，未被选用的调节器就处于开环状态，如调节器有积分作用，偏差又长期存在，则调节器的输出就会持续地朝一个方向变化，直至极限状态。超出气动调节阀的正常输入信号范围（00201MPa），这时就进入了积分饱和状态。,如果在这种状态下，该调节器重新被选用，它不能迅速地从极限状态（即饱和状态）的014MPa或OMPa进入气动调节阀的正常输入信号范围002-01MPa之内。控制系统不能及时地进行控制，系统质量和安全等性能都受到影响，甚至造成事故。积分饱和现象并不是选择性控制系统所特有的，只要符合产生积分饱和的三个条件，即：调节器具有积分作用；调节器处于开环状况；调节器的偏差长期存在，系统都会发生积分饱和现象。,2抗积分饱和的措施,（l）限幅法：采用技术措施，将调节器输出信号限制在工作信号范围之内。DDZ-型调节器系列有限幅型调节器，可以克服积分饱和。（2）积分切除法：当调节器处于开环状态时，自动切除其积分作用，就不会出现积分饱和。如DDZ-型调节器系列中有PIP调节器，它在闭环中是PI作用；处于开环时，调节器为纯比例作用P。,第六节前馈控制系统,一前馈控制原理前面讨论的所有控制系统，都属于反馈控制系统，无论其系统结构如何，它们的调节回路的基本工作原理都是一样的。下面要介绍的前馈控制系统则有着截然不同的控制思想。前馈控制思想及应用由来已久，但主要是由于技术条件的限制，发展较慢。随着计算机和现代检测技术的飞速发展，前馈控制正受到更多的重视和应用。,在反馈控制系统中，都是把被控变量测量出来，并与给定值相比较；而在前馈控制系统中，不测量被控变量，而是测量干扰变量，也不与被控变量的给定值进行比较。这是前馈与反馈的主要区别。为了系统地说明前馈控制思想，同时也为了在比较中进一步加深对反馈控制思想的理解，画出图31进行比较分析。,图31中的（a）是反馈控制，（b）是前馈控制。在前馈控制中，测量需要被加热的原油的流量，流量偏大就增加燃料量，原油流量偏小就减少燃料量，以达到稳定原油出口温度的目的。,从动态过程分析，当原油流量增大时，一段时间后，出口温度会下降。但前馈测量出原油流量的增加量，迅速增加燃料量。如果燃料增加的量和时机都很好，有可能在炉膛中将干扰克服，几乎不影响原油出口温度。如果该加热炉只存在原油流量这一个干扰，那么理论上讲，前馈控制可以把原油出口温度控制得很精确，甚至被控变量一点也不波动。这就是前馈控制思想，也是前馈控制的生命力所在。,二前馈控制与反馈控制的比较,通常认为，前馈控制有如下几个特点：（l）是“开环”控制系统；（2）对所测干扰反应快，控制及时；（3）采用专用调节器；（4）只能克服系统中所能测量的干扰。,下面从几个方面比较前馈控制与反馈控制。画出图31两个控制系统的方块图如图32所示。,l前馈是“开环”，反馈是“闭环”控制系统,从图32可以看到，表面上，两种控制系统都形成了环路，但反馈控制系统中，在环路上的任一点，沿信号线方向前行，可以回到出发点形成闭合环路，成为“闭环”控制系统。而在前馈控制系统中，在环路上的任一点，沿信号线方向前行，不能回到出发点，不能形成闭合环路，因此称其为“开环”控制系统。,2前馈系统中测量干扰量，反馈系统中测量被控变量,在单纯的前馈控制系统中，不测量被控变量，而单纯的反馈控制系统中不测量干扰量。,3前馈需要专用调节器，反馈一般只要通用调节器,由于前馈控制的精确性和及时性取决于干扰通道和调节通道的特性，且要求较高，因此，通常每一种前馈控制都采用特殊的专用调节器，而反馈基本上不管干扰通道的特性，且允许被控变量有波动，因此，可采用通用调节器。,4前馈只能克服所测量的干扰，反馈则可克服所有干扰,前馈控制系