4复杂控制系统

1,第4章复杂控制系统,4.1串级控制系统4.2前馈控制系统4.3其它复杂系统4.4先进控制系统4.5智能控制系统,比值控制系统选择控制分程控制均匀控制系统,2,换热器温度控制,干扰：冷流体波动,如果加热蒸汽流量波动,结果：温度控制不稳定,解决办法：再加入一个蒸汽流量控制系统，可控制流量稳定。,4.1串级控制系统,4.1.1串级控制系统组成,3,换热器温度串级控制系统原理图、方框图,串级控制系统：两套控制系统的协调控制,希望在塔釜温度不变时蒸汽流量能保持设定值当塔釜温度在外来干扰的作用下偏离给定值时，又要求蒸汽流量能作相应的变化，使塔釜温度保持在设定值上。,O,串级控制系统,有没有问题？,例2：塔釜温度控制,4,温度T,温度设定值,干扰f1,温度对象,温度控制器TC,+,温度检测仪表,串级控制系统的方块图,主对象,副对象,主变量,副变量,主控制器,副控制器,主回路,副回路,5,如蒸汽压力波动,小干扰大干扰,特点：更及时，快！原因：副回路控制通道短，时间常数小,分两种情况：,：大部分影响被副回路克服；少部分可能波及主回路，由主回路彻底消除干扰的影响,4.1.2串级控制工作过程,6,f1变化TTC输出FC设定值FC输出F,如进料温度变化、进料量变化,特点：快原因：如果干扰作用于主对象，主控制器能更及时改变副控制器的设定值，副控制器可以更快地使系统回复平衡。,7,干扰同时作用于主、副对象,加强了控制作用，加快了控制过程。,FC输出（部分）互相抵消，阀稍稍动一点即可使系统稳定。,方向相同,方向相反,8,干扰仅作用于副对象干扰仅作用于主对象同时作用于主副对象,副回路快速调节,主回路正常调节、副回路加速调节,二者相互配合、相互补充，可大大提高了控制质量。,同向：开展加强；反向：部分抵消，稍作调整,副回路应具有：,先调、粗调、快调的特点,主回路应具有：,后调、细调、慢调的特点,适用范围：当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而且频繁、负荷变化大，简单控制系统满足不了控制质量的要求时，可采用串级控制系统。串级系统的主回路通常是定值控制，副回路是随动控制。,9,主变量的选择：副变量的选择：,与单回路控制系统的选择原则一样,副变量的变化应在很大程度上能影响主变量的变化副回路应包围主要干扰，尽可能包围更多的次要干扰主、副对象时间常数要有明显差别（3-10倍），以防“共振”副环尽量不包含纯滞后或少包含纯滞后。,“T-P”串级,副对象的控制通道时间常数控制作用包含的干扰,主要干扰：燃料热值波动,很短很小及时少,更长更大慢多,主要干扰：燃料压力波动,“T-T”串级,4.1.3串级控制系统主、副回路的选择,10,4.1.4主副控制器控制规律的选择,原则：副回路粗调、快调主回路细调、满调,稳定副变量并不是目的，目的就在于保证和提高主变量的控制质量,目的是为了高精度地稳定主变量,对副变量的要求一般都不很严格，允许它有一定的波动,副控制器一般采用纯比例控制规律,一般来说，主变量不允许有余差,主控制器通常选用PI或PID控制规律,11,4.1.5主副控制器正、反作用的选择,根据副对象、执行器特性，确定副控制器的正反作用。根据主对象的特性，确定主控制器正反作用。,假设调节阀为气开阀（正作用）,正、反作用的选择与简单控制系统类似,副环简化为正作用，与简单控制系统类似,12,例：主、副控制器正反作用确定,加热炉温度-压力串级控制系统,加热炉温度-压力串级控制系统方块图,13,解答：(1)阀的气开、气关特性依据安全原则，当供气中断时，应使控制阀处于全关闭状态，不致烧坏加热炉，所以应选气开阀,副控制器,(2)控制器的正、反作用,所以：副控制器应选反作用。,因为：,主控制器应选反作用。为什么？方法1：符号法方法2：主（T）、副（P）变量增加（减小）时，要求控制阀的动作方向一致，主控制器选反作用。,因为：,主控制器,用符号法确定,14,4.1.6主副控制器参数的工程整定,1.两步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器,工况稳定时主、副控制器都为纯比例作用整定副控制器的衰减曲线：将主控制器的比例度定为100逐渐减小副控制器的比例度，获得副变量满足某种衰减比(如4：1)的过渡过程记录此时副控制器的比例度2S和操作周期2S。整定主控制器的衰减曲线：副控制器比例度设为2S调整主控制器的比例度直至主回路得到同样衰减比下的过渡过程记录主控制器比例度1S和操作周期1S。根据得到1S、1S、2S、2S按有关表计算主、副控制器的、Ti和Td。按“先副后主”、“先比例次积分后微分”顺序把参数加到控制器上。观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。,15,2.一步整定法：根据经验先将副控制器一次设好，然后按单回路控制器参数整定方法直接整定主控制器参数。,采用一步整定法副控制器参数选择范围,共振问题：,如果主、副对象时间常数相差不大，可能会出现“共振”现象。防止共振的措施：适当减小副控制器或Ti，减小副回路操作周期，或适当加大主控制器的或Ti，增大主回路操作周期，即增大主、副回路的操作周期比。如果主、副对象特性太接近，则说明确定的控制方案欠妥当，变量的选择不合适，有时就不能完全靠控制器参数的改变来避免“共振”了。,16,17,该加热炉的主要扰动有：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。如果我们对每种扰动都进行控制，肯定满足工艺要求。但是，这样控制系统就变得非常复杂、成本大大提高。,加热炉的温度控制系统,加热炉温度控制,4.1.7应用实例,18,串级控制系统的思想：把时间常数较大的被控对象分解为两个时间常数较小的被控对象。,加热炉控制过程分解,19,加热炉温度串级控制系统,20,加热炉温度串级控制系统方块图,例：某聚合反应釜内进行放热反应，釜温过高会发生事故，为此采用夹套水冷却。由于釜温控制要求较高，且冷却水压力。温度波动较大，故设置控制系统如图所示。1）这是什么类型的控制系统？试画出其方块图，说明其主变量和副变量是什么？2）选择调节阀的气开、气关型式；3）选择调节器的正、反作用；4）如主要干扰是冷却水的温度波动，试简述其控制过程；5）如主要于扰是冷却水压力波动，试简述其控制过程。,21,答：1）这是串级控制系统。主变量是釜内温度T1，副变量是夹套内温度T2，其方块图如图所示。,2）为了在气源中断时保证冷却水继续供应，以防止釜温过高，故调节阀应采用气关型，为“一”方向。3）主调节器T1C的作用方向可以这样来确定：由于主、副变量(T1、T2）增加时，都要求冷却水的调节阀开大，因此主调节器应为“反”作用。副调节器T2C的作用方向可按简单（单回路）控制系统的原则来确定。由于冷却水流量增加时，夹套温度内是下降的，即副对象为“”方向。已知调节阀为气关型，“一”方向，故副调节器T2C应为“反”作用。,22,4）如主要干扰是冷却水的温度波动如釜内温度T1由于某些次要干扰（例进料流量、温度的波动）的影响而波动。5）如主要干扰是冷却水压力波动等。,23,如图所示为一氨冷却器，用液氨冷却铜液，要求出口铜液温度恒定。为保证氨冷却器内有一定汽化空间，并避免液氮带人冰机造成事故，采用温度-液位串级控制。1）试画出温度一液位串级控制系统示意图和方块图；2）试确定气动调节阀的气开、气关型式；3）试确定调节器的正、反作用形式。,24,答(1)串级控制系统示意图见图，方块图见图。(2)气开式调节阀；(3)液位调节器为反作用，温度调节器为正作用。,示意图,方块图,25,例：某干燥器的流程图如图所示。干燥器采用夹套加热和真空抽吸并行的方式来干燥物料。夹套内通入的是经列管式加热器加热后的热水，而加热器采用的是饱和蒸汽。为了提高干燥速度，应有较高的干燥温度T，但T过高会使物料的物性发生变化，这是不允许的，因此要求对干燥温度T进行严格控制。,26,1）如果蒸汽压力波动是主要干扰，应采用何种控制方案？为什么？试确定这时调节阀的气开、气关型式与调节器的正、反作用。2）如果冷水流量波动是主要干扰，应采用何种控制方案？为什么？试确定这时调节器的正、反作用和调节阀的气开、气关型式。3）如果冷水流量与蒸汽压力都经常波动，应采用何种控制方案？为什么？试画出这时的控制流程图，确定调节器的正、反作用。,T,27,答：1）应采用干燥温度与蒸汽流量的串级控制系统。这时选择蒸汽流量作为副变量。一旦蒸汽压力有所波动，引起蒸汽流量变化，马上由副回路及时得到克服，以减少或消除蒸汽压力波动对主变量T的影响，提高控制质量。调节阀应选择气开型，这样一旦气源中断，马上关闭蒸汽阀门，以防止干燥器内温度T过高。由于蒸汽流量(副变量）和干燥温度（主变量）升高时，都需要关小调节阀，所以主调节器TC应选“反”作用。由于副对象特性为“”(蒸汽流量因阀开大而增加)阀特性也为“”，故副调节器（蒸汽流量控制器）应为“反”作用。,1）如果蒸汽压力波动是主要干扰：,28,应采用干燥温度与冷水流量的串级控制系统。这时选择冷水流量作为副变量，以及时克服冷水流量波动对干燥温度的影响。调节阀应选择气关型，这样一旦气源中断，调节阀打开，冷水流量加大，以防止干燥温度过高。由于冷水流量（副变量）增加时，需要关小调节阀；而干燥温度增加时，需要打开调节阀。主、副变量增加时，对调节阀的动作方向不一致，所以主调节器TC应选“正”作用。由于副对象为“”，阀特性是“”，故副调节器（冷水流量调节器）应选“正”作用。,2）如果冷水流量波动是主要干扰：,29,30,4.2前馈控制系统,4.2.1反馈控制局限与前馈控制的提出换热器进料量F1为主要干扰量，换热器滞后明显，单回路反馈控制往往达不到工艺的要求，此时可采用前馈控制：通过测量进料量(干扰)，由前馈控制器控制阀门，改变操纵量以补偿进料量变化DF1对被控量(出口温度)的影响。,反馈控制与前馈控制示意图,31,4.2.2前馈控制基本概念,前馈控制是指按照扰动产生校正作用的控制方法。基本原理：测取进入过程的扰动量(外界扰动和设定值变化)，并按照其信号产生合适的控制作用去改变控制量，已抵消(补偿)扰动对被控量的影响。特点：按引起被控量变化的扰动大小直接进行控制，无须等待被控量的变化。,32,4.2.3前馈控制补偿原理,由前馈控制系统方框图可得：Y(s)=GFW(s)GP(s)-GF(s)N(s)显然当GFW(s)GP(s)-GF(s)=0时，扰动对系统被控量不会产生影响。全补偿条件是：,Y(s),前馈控制等效方框图,N(s),GFW(s),GF(s),GP(s),33,4.2.4前馈控制与反馈控制的区别,34,(一)反馈控制的特点1)反馈控制的本质是“基于偏差来消除偏差”。2)无论扰动发生在哪里，被控变量产生偏差，调节器才动作。不及时。3)反馈控制系统，构成闭环，存在一个稳定性的问题。4)所有扰动都包围在闭环内，可消除多种扰动。5)反馈控制系统中，调节规律：P、PI、PD、PID。,35,(二)前馈控制的特点,（1）前馈控制器是“基于扰动来消除扰动对被控量的影响”，称为扰动补偿。（2）按干扰作用的大小进行控制提前，控制及时。（3）前馈控制属于开环控制，不存在稳定性的问题：开环控制，控制效果不能通过反馈验证，因此对控制器设计的要求比较严格。（4）是一种根据对象特性设计的“专用”控制器。不象反馈控制通用PID算法，前馈控制算法依对象不同而不同。前馈控制器设计依据“扰动补偿理论”。（5）只对被前馈的可测不可控的主要扰动有校正作用。其它扰动无法控制，具有一定的局限性。,36,4.2.5前馈控制类型,4.2.5.1静态前馈控制静态前馈控制，是指控制器的输出量D仅是其输入量的函数而与时间无关，即mf=f(D)。为了便于工程上实施，这种关系可以近似表示为线性关系：mf=KfD。请看下例：,37,例：换热器静态前馈控制系统设计,忽略热损失，热平衡关系：F1C1(T10T1i)F2H2式中：F1和F2冷流体和载热体的流量；C1冷流体的平均比热；H2蒸汽的气化潜热；T1i和T10冷流体的进口和出口的温度。,当冷流体流量F1为主要扰动时，为保持出口温度T10不变，设冷流体增量为F1，需要载热体相应变化F2，则可得静态前馈控制方程为：(F1F1)C1(T10T1i)(F2F2)H2,38,如果考虑次要的扰动F2和T1i的变化，把冷流体出口温度稳定在设定值Tx，则由式可得静态前馈控制方程：,换热器静态前馈控制方案(单元仪表实现),39,4.2.5.2动态前馈控制为了提高动态品质，可在静态前馈基础上适当加入动态环节，实现动态前馈控制。,由前馈控制系统方框图可得：Y(s)=GFW(s)GP(s)-GF(s)N(s)显然当GFW(s)GP(s)-GF(s)=0时，扰动对系统被控量不会产生影响。全补偿条件是：,40,4.2.5.3前馈反馈控制单纯前馈控制的局限性：（1）不能根据偏差进行控制效果检验（不能反馈）而不断纠正偏差（2）受模型精度影响（3）一个前馈控制只能处理一个扰动,前馈反馈控制方案：对主要干扰进行前馈控制校正及时对其它干扰进行反馈控制反馈校正，多干扰控制,41,例：换热器FFC-FBC系统FFC按负荷F的变化校正蒸汽量F2FBC根据温度偏差对蒸汽量F2进行进一步校正。FFC与FBC作用叠加。完全补偿条件与单纯FFC相同。,42,例：下图所示为加热炉的三种控制方案。试分别画出(a)、(b)、(c)所示三种情况的方块图，并比较这三种控制方案的特点。,43,a）为典型的串级控制系统。主变量为加热炉出口温度T，副变量为燃料油流量Q1引人副变量Q1的目的是为了及时克服由于燃料油压力（流量）波动对主变量T的影响，以提高主变量T的控制质量。,44,图b）为典型的前馈一反馈控制系统。系统的被控变量是原油的出口温度。,综合了前馈与反馈控制的优点,原油流量变化,FC,燃料油的加入量,出口温度的变化,燃料量的加入量,TC,克服其它干扰,克服主干扰,45,图c）是一种形似串级控制但实际上是一种前馈一反馈控制的非标准结构形式。,两个调节器TC与FC串级工作，TC的输出作为FC的给定，形似串级控制，但并没有副回路，只有一个反馈回路，执行器的输出并不能改变原油的流量，所以不能认为是一个串级控制系统。,46,什么情况下采用前馈控制：（1）对象滞后较大，反馈难以满足要求，可把主要干扰进行前馈控制（2）系统中存在可测、不可控的显著干扰（3）工艺要求实现变量间特殊关系的控制,4.2.6前馈控制系统的应用,静态前馈还是动态前馈：动态前馈复杂，一般可用静态前馈，特别是两通道时间常数相当时。注意前馈控制和串级控制的区别：前馈-反馈、串级控制都有两个参数，结构上也有些相似，注意其区别。,47,4.3其它复杂控制系统,比值控制系统选择控制分程控制均匀控制系统,48,4.3.1比值控制系统,使两个或两个以上参数保持一定比值关系的控制系统，称为比值控制系统。在需要保持比值关系的两种物料中，必有一种处于主导地位称之为主物料(主动量)，其流量称为主流量，用F1表示；另一种物料则按主物料进行配比称之为从物料(从动量)，其流量称之为从流量或副流量，用F2表示。主动量：可测或可控，供应可能不足；从动量：可控，一般供应充足。比值控制系统可分为开环和闭环(按结构分)、相乘与相除(按实施方案分)及定比值与变比值(按比值分)等类型。,49,4.3.1.1开环比值控制系统,由于是开环控制系统，若副流量的温度、压力稍有变化，副流量也发生变化，两物料间的实际比值很难保持不变，因此控制质量通常很差，工业生产过程中采用闭环控制系统。,开环比值控制系统,50,工作原理：F1不变，F2受到扰动由闭合的从动回路进行定值控制；F1受到扰动由闭合的从动回路进行随动控制；当F1、F2受到扰动由闭合的从动回路进行随动控制。,4.3.1.2单闭环比值控制系统,图中的从流量变送器FT2、控制器FC、控制阀V2以及对象(指从流量的检测点到执行器之间的一段管道)等构成一个闭合的从动回路。,单闭环比值控制系统,FY,F1,F2,FC,FT2,V2,负荷变化不大时选用,FT1,51,例：煤气与空气比值控制系统,图示为某冶金炉的燃料燃烧过程中，煤气量与空气量的控制采用单闭环比值控制系统。煤气的需要量（主流量）取决于炉膛温度的要求和生产负荷，由温度控制器（TC）进行控制。,当炉温受扰动而偏离设定值时，温度控制器便发出控制信号，改变煤气控制阀的开度。煤气量的改变使炉温向设定值靠拢；与此同时，空气量按设定的比值（由比值器FFY给出）跟随煤气量变化，直到炉温回复到设定值为止。煤气与空气在新的流量数值下仍保持原设定的比值关系，维持合理的燃烧条件,52,4.3.1.3双闭环比值控制系统,双闭环比值控制系统,在单闭环比值控制系统的基础上，增加了主流量控制回路由于主流量控制回路的存在，实现了主流量定值控制，克服了对主流量的干扰的影响；提升主负荷比较容易，缓慢改变主控制器的给定值。缺点：使用的仪表较多，另外，若主副回路工作频率相近时，容易产生共振,53,双闭环比值控制系统与串级控制系统的区别,双闭环比值控制系统方框图,串级控制系统方框图,串级中，副变量是操纵变量到主被控变量之间的一个中间变量，会影响主被控变量，在比值中，从动量不会影响主动量。本质区别,54,4.3.1.4变比值控制系统,根据第三参数的需要而不断改变两物料比值的控制系统就称为变比值控制系统。变比值系统一般用于系统存在着除流量扰动以外的其他扰动因素的场所。,加热炉变比值控制系统,55,4.3.1.5常见比值控制系统比较,单闭环比值控制系统主动量不可控，但可测；主动量可测可控，但变化不大，扰动影响小场合。双闭环比值控制系统主动量可测可控，变化较大的场合。变比值控制系统比值需由另外控制器调节时；主动量作为前馈信号影响串级流量副回路时；质量偏离控制指标，需改变流量比值时；第三过程变量选择质量指标。,56,4.3.1.6比值系数的计算,在生产中，比值控制通常是解决两种物料之间的流量比的问题。在自动控制系统中，则是把流量转换成单元组合仪表统一标准信号，建立信号之间的联系。显然，必须把工艺流量比值系数k(主副物料流量之比)折算成仪表上的比值系数K(实施时仪表所设置的比值系数)，才能进行比值设定。比值系数的折算方法随流量与测量信号间是否成线性关系而不同。以DDZIII型仪表为例，说明比值系数的折算法。【计算机控制系统中不需要进行这种折算】,57,A流量与测量信号成线性关系时的折算,用转子、电磁、涡轮流量计或节流装置配差压变送器经开方器后的流量信号，均与测量信号成线性关系。此时流量Q所对应的输出电流为Q=(I-4)Qmax/16工艺要求的流量比值,折算成仪表的比值系数K为,58,B流量与测量信号成非线性关系时的折算,用节流装置配差压变送器测量流量，但未经开方器运算处理时，流量与变送器输出电流为非线性关系。此时流量Q所对应的输出电流为Q2=(I-4)Qmax2/16工艺要求的流量比值,折算成仪表的比值系数K为,变送器量程与K关系量程选择,59,4.3.1.7比值控制实施问题,1)主动量和从动量的选择(1)仅一种物料可控时，选可控的为从动量；(2)两种都可控，但仅一种供应不成问题时，则选供应不足量为主动量；(3)在F1和F2流量失控时，从安全上考虑，用F1或F2作主动量的后果很可能不一样，哪种情况下必须保持比值一定，则选哪一种作为主动量较为合适。从动量可测可控且供应充足，安全第一,60,2)比值器的选择及比值系数的确定,首先要明确是用乘法或除法形式，第二要明确K值是人工设定还是由另一控制器器远程设定。乘法形式，人工设定：电动仪表组成比值控制系统时采用分流器最为经济，此时K值须小于1且不宜太小；采用加法器的任一输入通道，也可实现“K”要求，同样，K值范围为01。遇到K大于1的场合，可改用Fl=kF2=F2/K。另外，也可采用乘法器，用一个定值器给出系数K。在气动仪表，一般采用比值器，K值范围为0.254，也不宜采用过小或过大。乘法形式，远程设定一般采用乘法器，电动仪表不能用分流器或加法器；除法形式此时通常采用除法器作比值器，且K值取为0.50.8左右。推荐使用乘法方式,61,3)开方器的应用,系统中加入开方器，会增加仪表投资【计算机控制系统如DCS系统中通常采用开方功能块实现开方运算】。从检测角度看，引入开方器不一定有利；从可调范围看，引入开方器是有利的。在负荷变化大或变比值控制系统中宜加入开方器。,62,4)参数整定与投运,单闭环比值控制系统按随动控制系统参数整定方法整定控制器参数。双闭环比值控制系统主动量控制器按定值控制系统整定参数；从动量控制器按随动控制系统整定参数。变比值控制系统按串级控制系统主控制器整定参数；从动量控制器按串级控制系统的副控制器整定参数。按单回路控制系统各自投运主、从动量控制回路；变比值控制系统按串级控制系统投运方法投运。,63,4.3.2选择控制,4.3.2.1概述硬保护：参数到第一限(报警)设法排除故障故障未及时排除，参数到第二限连锁装置动作，自动停车。软保护：参数到极限时报警设法排除故障，并改变控制方式(该方式一般使控制质量降低，但能避免停车，维持生产)。一般选择性控制系统的设置就是为了用于设备软保护而设计的。选择性控制系统是指在控制回路中引入选择器的控制系统，又称为超驰控制系统，也称为取代控制。,64,4.3.2.2连续性选择控制,当压缩机进口压力p1下降至一定程度时，压缩机会产生出喘振，喘振会严重影响设备安全，需严格控制。图示系统可防止压缩机进入喘振区。其工作原理如下：,压缩机喘振控制(压力选择控制)系统,出口压力控制,进口压力控制,65,压缩机喘振控制(压力选择控制)工作原理,正常工况：p1p临界，P1C正作用，输出(m1)较大；P2C反作用，输出信号(m2)较小，LS选P2C的输出信号，即P2C工作，P1C闲置，靠P2C来维持压缩机的出口压力p2稳定不变。异常工况：当p1下降至一定数值(快进入喘振区)时，m1m2，LS选择m1为输出，即P1C工作，P2C闲置，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地输出，低选器动作，系统恢复正常。,66,例：下图所示控制系统的控制机制？燃料压力过大或过小时可能导致什么危险？如何防止？,锅炉蒸汽压力选择性控制系统,蒸汽压力控制,防“脱火”,67,4.3.2.3混合性选择控制,控制机制？,防“脱火”,防“回火”,蒸汽压力控制,68,4.3.2.4控制作用选择与参数整定,正常控制器：由于对正常控制器的控制精度要求较高，控制规律的选择和单回路定值控制系统一样，一般情况下采用PI作用，若容量滞后较大，可适当引入微分环节。按单回路控制系统的整定方法进行参数整定。取代控制器：而取代控制器在大多数情况下处于开环待命状态，只有在出现故障时，用它作为暂时性的措施，因此，一般选P作用就可以了。但当对极限值要求严格时，也可采用PI控制。比例度应整定得较小，积分时间也应较短，以便产生及时的保护作用。,69,例：液态氨冷却器控制系统,液氨蒸发冷却器是工业生产中常用的一种换热设备，它利用液氨的蒸发吸取大量的汽化热，来冷却流经管内的被冷却物料。工艺上要求被冷却物料的出口温度稳定为某一定值，所以将被冷却物料的出口温度作为被控变量，以液态氨的流量作为操纵变量，构成正常工况下的单回路定值控制系统。,液态氨冷却器单回路定值控制系统,液面超限问题？,70,在正常工况下，操纵液氨流量使被冷却物料的出口温度得到控制，而液位在允许的一定范围内变化。如果突然出现非正常情况，假设有杂质油漏入被冷却物料管线，使导热系数下降，原来的传热面积不能带走同样多的热量，只有使液位升高，加大传热面积。如果当液位升高到全部淹没换热器的所有列管时，传热面积已达到极限，出口温度仍没降下来，温度控制器会不断地开大控制阀门，使液位继续升高，将导致气氨中夹带液氨进入压缩机，损坏压缩机叶片。为了保护压缩机的安全，要求氨蒸发器有足够的气化空间，限制氨液面的上限高度，因此，需要在温度控制系统的基础上，增加一个液面超限的取代单回路控制系统。,例：液态氨冷却器控制系统,71,液位控制器：反作用选择器：低选器,在正常工况下，低值选择器选中了温度控制器，液位控制器处于开环待命的状态。当氨的液位达到高限值时，低值选择器立即选中液位控制器，而温度控制器则成为开环状态。,例：液态氨冷却器控制系统,72,4.3.3分程控制,4.3.3.1简介分程控制是指一个控制器同时控制两个或几个控制阀，每个控制阀根据工艺要求在控制器输出的一段信号范围内起控制作用。其目的是满足生产中需要对多种物料进行控制的要求，保证生产稳定，节约能源和避免发生事故。,_,控制器,阀A,分程控制系统示意图(阀门A与B都为气开阀。在控制信号取0.020.06时A可调，B关闭；取0.060.1时A全开，B可调),0.020.060.1,1000,l/L(%),阀B,对象,检测变送,A,B,P(MPa),73,4.3.3.2分程控制系统的应用,满足生产过程不同阶段的需要例：间歇反应器的温度控制，反应初期需要加热升温，反应开始后由于反应放热，又需要冷却降温。同一个温度控制器要控制蒸汽和冷却水两个控制阀，因此，需要分程控制。,B(气开),A(气关),蒸汽,0.02,0.06,0.1,0,A,B,100,冷却水,TT,TC,间歇反应器温度分程控制系统,P(MPa),l/L(%),74,扩大控制阀的可调范围,大多数国产阀门的可调比R=30，在有些场合不能满足需要，希望提高可调比，适应负荷的大范围变化，改善控制品质。对于下图所示系统，设两个阀的可控制最大流量Qmax=200，可控制最小流量Qmin=6.67。这时，对于这两只阀门并联而成的起分程控制作用的整体来说，可控制最小流量保持不变，但可控制最大流量Qmax变为400，即R=60。,75,交替使用不同控制方式，保证设备安全,如图所示，贮罐顶部充填氮气，顶部氮气压力P一般为微正压。生产过程中，随着液位的变化，P会产生波动。液位上升，P上升，超过一定数值，贮罐会被鼓坏；液位下降，P下降，降至一定数值，贮罐会被吸瘪。故设置分程控制系统以保证储罐安全。,储罐氮封分程控制及特性,LPA开B关，氮气外排维持P不变；LPA关B开，补充氮气维持P不变；控制信号0.0580.062时两阀全关。,76,用于节能控制,图示换热器出口温度分程控制系统，正常时用热水加热，只有当热水加热无法满足要求时，才用蒸汽加热，从而节约蒸汽。,换热器温度分程控制系统及特性,77,4.3.3.3分程控制实施要点,1)分程信号的确定调节器输出信号需要分成几个区段，哪一区段信号控制哪一个调节阀工作等，完全取决于工艺要求2)调节阀的选择根据工艺需要选择同向工作或异向工作的调节阀。流量特性的选择。分程控制系统把两个调节阀作为一个调节阀使用时，要求从一个调节阀向另一个调节阀过渡时，其流量变化要平滑。由于两个调节阀的增益不同，存在着流量特性的突变，对此必须采取相应的措施。必须保证在调节阀全关上时，不泄漏或泄漏极小。3)控制规律的选择与参数整定可以参照前述单回路控制系统处理。但是分程控制中的两个控制通道特性不会完全相同，所以在系统运行中只能采用互相兼顾的办法，选取一组较为合适的整定参数值。,78,4.3.4均匀控制系统,4.3.4.1均匀控制简介图示的双塔系统中，同时要求甲塔液位与乙塔进料量都尽可能的平稳。各自设计的液位与流量控制系统不能满足要求，在中间添加缓冲罐不可行的情况下可考虑采样均匀控制系统。这种用来保持两个变量都在规定范围内均匀缓慢地变化的系统，就称为均匀控制系统。,相互冲突的控制系统,79,4.3.4.2实施方案,4.3.4.2.1简单均匀控制,简单均匀控制系统图,简单均匀控制系统适用于阀前后压力波动不大、液位对象自衡特性不明显、要求均匀控制的场合。,80,简单均匀控制实施关键,从控制流程图的方案看，均匀控制系统与液位定值控制系统或串级控制系统的结构和所使用的仪表完全是一样的。区别主要是控制器控制规律选择及参数整定问题上。在均匀控制系统中，控制器一般选用比例作用，且比例带较大(在100%以上)，有时为了防止连续出现同向扰动时被控制参数超出工业规定的上下限范围，可适当引入积分作用(积分时间较长，约为几分到几十分)，不能有微分。比例度越大，积分时间越长，对流量的兼顾越多，比例度小，积分时间越短，对液位的兼顾越多。通常，均匀控制的主要目的是使流量比较平稳，而液位能够在允许的范围内缓慢变化。,81,应用场合不同(简单均匀控制系统应用于要求液位和流量都需要兼顾的场合)控制器参数不同(简单均匀控制系统采用大比例度和大积分时间)液位变送器量程范围不同(简单均匀控制的液位变送器量程范围较大，以便降低液位检测的灵敏度，使对液位的控制不灵敏)选择的显示仪表不同(简单均匀控制系统的液位只需显示，但流量要记录；简单液位控制系统的液位通常也要记录),简单均匀控制与单回路控制的区别,82,4.3.4.2.2串级均匀控制为了克服控制阀前后压力波动和被控制过程的自衡特性对流量的影响，设计以流量为副参数的流量控制副回路，构成串级控制系统。,串级均匀控制系统,83,串级均匀控制与串级控制的区别,串级均匀控制控制器参数整定要比较宽松。串级均匀控制，副控制器常采用比例积分控制作用，加入积分的目的并不是为了消除余差，而是为了增强控制作用。,串级均匀控制系统适用于阀前后压力波动较大、或液位对象具有明显自衡特性，要求流量比较平稳，需要均匀控制的场合。,84,4.3.4.2.3双冲量均匀控制,双冲量均匀控制(相减)双冲量均匀控制(相加)将两个需要兼顾被控变量的差(或和)作为被控变量，是串级控制系统的变型。相减方案控制阀安装出口，液位高或流量低时应开大阀门，取IY=C1IL-C2IF+IB作为测量值。相加方案控制阀安装入口，液位低或流量低都应开大阀门，取IY=C1IL+C2IF-IB作为测量值。【引入偏置IB是为了使正常情况下加法器的输出在量程的中间值。】,4.3.4.2.4控制器参数整定,控制器控制规律的选择简单均匀：控制器P或PI串级均匀：主控制器P或PI；副控制器P或PI双冲量均匀：控制器PI注：不能加微分控制规律控制器参数整定简单均匀控制系统的整定方法与定值控制系统基本相同。串级均匀控制中的流量副控制器按普通流量控制器进行整定，其它形式的控制器都需要按均匀控制的要求进行整定。整定原则：调节器比例度和积分时间大一些整定方法：经验法，停留时间法,85,86,4.4先进控制系统,APC定义：先进(高级)过程控制(APCAdvancedProcessControl)是指在动态环境中，基于模型、充分借助于计算机能力，为工厂获得最大利润而实施的运行和技术策略。APC作用：将会使系统运行在最佳工况，实现所谓的“卡边”控制。APC类型：双重控制及阀位控制，纯滞后控制，解耦控制，自适应控制，差拍控制，状态反馈控制，多变量预测控制，推断控制(软测量技术)，智能控制(专家控制、仿人控制，模糊控制，神经网络控制等)等。,87,4.4.1预测控制,预测控制（PredictiveControl）是20世纪70年代末出现的一种基于模型的计算机优化控制算法，被认为是近年来出现的几种不同名称的新型控制系统的总称。由于预测控制的先进性和有效性，成为控制理论及其工业应用的热点。预测控制与传统的PID控制的基本出发点不同。常规PID控制是根据过程当前的输出测量值和设定值的偏差来确定当前的控制输入。而预测控制不但利用了当前的和过去的偏差值，而且还通过预测模型来预估过程未来的偏差值，以滚动优化确定当前的最优输入策略。因此，预测控制优于PID控制。预测控制算法是以模型为基础，既包含了预测的原理，同时具有最优控制的基本特征。,88,预测控制算法有两种类型，一类基于非参数模型(如阶跃响应或脉冲响应)，通过输出预测、反馈校正和滚动优化计算当前和未来时刻的控制量，使输出响应符合预先设定的轨迹。主要代表是动态矩阵控制(DMC：DynamicMatrixControl)和模型算法控制(MAC：ModelAlgorithmicControl)。另一类则是建立在模型辨识和最小方差控制基础上的广义预测控制(GPC，GeneralizedPredictiveControl)。预测控制的控制算法尽管其形式不同，但都有一些共同的特点，归结起来有三个基本特征：即模型预测、滚动优化和反馈校正。,89,4.4.1.1预测控制系统组成及工作原理,预测控制中都有一个描述系统动态行为的模型，叫预测模型。常用模型：脉冲响应模型；阶跃响应模型；受控自回归滑动平均模型(CARMA：ControlAutoRegressiveMovingAverage)；受控自回归积分滑动平均模型(CARIMA：ControlAutoRegressiveIntegratedMovingAverage)等。,预测模型,90,通过输出的量测值与模型预估值比较，得到模型误差，再利用模型误差来校正模型的预测值，从而得到更准确的将来输出预测值。“模型预测+反馈校正”模式使系统具有很强的抗干扰和克服系统不确定因素的能力。反馈校正形式：在采样预测模型基础上对预测值加以补偿；或根据在线辨识原理直接修改预测模型。,反馈校正,4.4.1.1预测控制系统组成及工作原理,91,采用滚动式的有限时域优化策略，优化过程不是一次离线完成，而是反复进行的，即在每个采样时刻，优化性能指标只涉及该时刻起到未来有限的时间，下一个时刻，这个性能指标会同时向前推移。即预测控制不是用一个对全局相同的优化性能指标，而是在每一时刻有一个相对于该时刻的局部优化性能指标。,滚动优化,4.4.1.1预测控制系统组成及工作原理,92,工作原理,k=0为当前时刻，0时刻左边的曲线代表过去的输出与控制。根据已知的对象模型可以预测出对象在未来P个时刻的输出yM(k)(k=1,2,P)。预测控制算法就是要按照它们与期望输出yR(k)的差e(k)，计算当前及未来L个时刻的控制量u(k)(k=1,2,L-1)，使e(k)最小。这里，P称为预测步程，L称为控制步程。,预测控制结构框图与工作原理示意图,在线校正,yM(k+i),u(k),y(k),yS,预测模型,优化计算,参考轨线,过程,yR(k+i),yc(k+i),u(k),yR(k+i),yS,yM(k+i),y(k),未来,过去,01L-1Pk,93,4.4.2推断控制(InferentialControl),4.4.2.1概述生产中可能存在的问题及解决：被控制量(过程输出)不能直接测量但扰动可测，可采用前馈控制方案；被控制量与扰动都无法测量或难以测量(测量仪表价格昂贵、性能不可靠，或测量滞后大等)，则可以采用推断控制【通过数学模型利用可测信息将不可测输出变量推算出来实现反馈控制，或将不可测扰动推算出来实现前馈控制】。,94,4.4.2.2推断控制类型,不可测的被控变量，若只需要采用可测的输入变量或其余辅助变量即可推算出来，这是推理控制中最简单的情况，习惯上称这类推断控制为“采用计算指标的控制系统”，如热焓控制、精馏塔内回流控制、转化率控制等。对于不可测扰动的推断控制是由美国学者C.B.Brosilow等提出来的，它利用过程辅助输出来推断不可直接测量扰动对过程主要输出的影响，然后基于这些推断估计量确定控制量，以消除不可测扰动对过程主要输出的影响。,95,4.4.2.3推断控制组成与工作原理,由信号分离、估计器E(s)及推断控制器GI(s)等部分组成，其方块图如下所示：,96,1)信号分离,当估计模型P1(s)=P(s)时，送入估计器E(s)的信号为：a(s)=(s)-P1(s)m(s)=A(s)N(s)则控制变量m(s)经P1(s)对估计器E(s)产生作用与控制变量m(s)经辅助过程模型P(s)产生作用相抵消，因而送入估计器E(s)的信号仅为扰动变量对辅助过程的影响，即将不可测扰动N(s)对辅助变量(s)的影响从(s)中分离出来。,97,2)估计器E(s),估计器E(s)的作用是估计不可直接测量的扰动N(s)对过程主要输出Y(s)的影响。设估计器为：E(s)=B(s)A-1(s)或采用最小二乘估计器：E(s)=B(s)AT(s)A(s)-1AT(s)则估计器E(s)输出为：(s)=E(s)A(s)N(s)=B(s)N(s)它正好等于扰动N(s)对过程主要输出Y(s)的影响估计值。,98,3)推断控制器GI(s),GI(s)设计原则应使系统对设定值具有良好的跟踪性能，对外界扰动具有良好的抗扰动能力，而对选定的不可测量扰动的影响起到完全补偿作用。为此，可设计推断控制器GI(s)为：GI(s)=C-1(s)或GI(s)=CT(s)C(s)CT(s)-1则系统主输出为：Y(s)=C(s)GI(s)R(s)-E(s)a(s)+B(s)N(s)=R(s)即过程主要输出Y(s)能完全跟踪设定值，而与不可测量扰动N(s)无关。,99,4.4.3自适应控制系统,4.4.3.1自适应控制系统组成与工作原理自适应控制系统是指系统本身能自动测量被控系统的参数或运行指标，自动地调整控制的参数，以适应其特性的变化，保证整个系统的性能指标达到最优的控制系统。,自适应控制的一般系统框图,主要部分：测量或估计环节；品质评价单元；控制决策机构。,100,4.4.3.2简单自适应控制,这类系统用一些简单、实用的方法来对过程参数或环境条件的变化进行辨识，同时也采用比较简单的方法来调整控制器的参数或改变控制规律，它实际上是一种非线性控制系统。实施时通常采用自整定控制器或自整定软件包，如Foxboro-Exact自整定PID控制器，TDC3000中的“Looptune”整定软件包。,101,4.4.3.2模型参考自适应控制系统,它利用一个具有预期的品质指标、并代表理想过程的参考模型，要求实际过程的模型特性向它靠拢。参考模型与控制系统并联运行，接受相同的设定信号r，自适应机构根据参考输出与实际输出信号的差值e调整控制器的参数，直至使控制系统性能接近或等于参考模型规定的性能。,模型参考自适应控制系统,102,4.4.3.3自校正控制系统,工作过程：参数估计器进行在线辨识得到过程数学模型的参数；参数调整机构将根据使某种控制指标最优的方法改变控制器该参数，即得到该控制指标下的最优控制器。,自校正系统基本框图,实施关键：参数估计方法【递推最小二乘法、广义最小二乘法、辅助变量法等】最优控制器获取【最小方差控制、线性二次型最优控制、极点配置和广义最小方差控制等，自校正最小方差控制器最简单】,u(t),控制器,过程,参数估计器,参数调整,r(t),外回路,y(t),内回路,103,4.5智能控制,所谓智能控制就是指具备一定智能行为的系统，是人工智能、自动控制与运筹学三个主要学科相结合的产物。也可以说是以自动控制理论为基础，应用拟人化的思维方法、规划及决策实现对工业过程最优化控制的先进技术。智能控制具有学习功能、适应功能和组织功能等特点，它主要用来解决那些传统方法难以解决的复杂系统控制问题。【定义不统一】主要的智能控制系统有模糊控制、专家控制和神经网络控制等形式。它们可以单独使用，也可以结合起来应用，亦可与PID控制方法集成；既可应用于现场控制，也可以用于过程建模、优化操作、故障诊断、生产调度和经营管理等不同层次。,104,4.5.1模糊控制,4.5.1.1模糊控制器的基本结构系统核心为由模糊化、模糊推理、知识库和清晰化四个功能块组成的模糊控制器(FC：FuzzyController)。,模糊控制系统的基本结构,105,4.5.1.2模糊化(Fuzzification),模糊化作用：将输入的精确量(包括系统的参考输入、系统输出或状态变量等)通过定义在其论域上的隶属度函数计算得到其属于各模糊集合的隶属度，从而转换成模糊化量。模糊化过程：分两步。论域变换：将精确的输入量变换为模糊控制器的内部论域，实际上相当于乘一个比例因子。模糊化：利用预先定义的模糊集合与隶属度函数，通过计算各模糊集合的隶属度，将论域变换得到的普通变量转化为真正的模糊量。请看下例：,106,模糊化示例,在x的论域内定义了PB、PM、PS、ZO、NS、NM、NB等模糊集合与隶属度函数(如图)。则x=0.8届于模糊集合“ZO”和“PS”的隶属度分别为0.2和0.8。,等分三角形隶属度函数,-3-2-100.8123,m(x),1,NBNMNSZOPSPMPB,x,0.80.2,107,4.5.1.3知识库,知识库中储存了模糊控制器所需要的一切知识，包括控制指标、领域专家知识及操作经验等，是模糊控制器的核心，它通常由数据库和模糊控制规则库组成：数据库存放模糊化、模糊推理、清晰化(去模糊)的一切知识，如论域变换方法及其变换因子，各语言变量的隶属度函数定义，模糊推理与去模糊算法等。规则库主要包括用模糊语言变量表示的一系列控制规则，模糊控制规则反映了控制专家的经验和知识，对整个控制器的控制效果有很大的影响，因此，控制规则应满足完备性(完备性是指对任意的输入都有一个合适的控制输出)、一致性(一致性是指控制规则间不能互相矛盾)等要求。,108,模糊控制规则,控制规则的一般表示形式：Ri:IFx1isX1iandandxnisXni,THENuisUi，i=1,M模糊控制规则实质上就是模糊蕴含关系，因此可简记为Ri=X1iX2iXniUi其中Xji和Ui分别为论域Xj和U上的模糊集合，x=x1,x2,xnTX1Xn和uU均为语言变量，“and”表示条件的“与”连接关系或运算规则，也可有其它的连接关系，如or(或/并)连接关系，M为总的规则数。有许多不同的模糊蕴含定义，Zadeh给出的模糊蕴含关系定义为R=AB=(AB)(1-A)整个规则库的模糊关系为,109,4.5.1.4模糊推理,模糊推理是建立在模糊逻辑基础上，由二值逻辑三段论发展而成的一种不确定性推理方法，它很好地模拟人的推理决策过程，用这种方法得到的结论与人的思维一致或相近。有两种重要的推理方