第13章 复杂控制系统

1、刘玉长刘玉长 第十三章 复杂控制系统 随着工业生产过程规模的扩大和复杂性的增加，单回随着工业生产过程规模的扩大和复杂性的增加，单回 路控制系统不足以满足要求，需要在路控制系统不足以满足要求，需要在结构结构、控制策略控制策略等方等方 面进行创新，从而出现了复杂控制系统与先进面进行创新，从而出现了复杂控制系统与先进(含智能含智能)控控 制系统。制系统。 本章介绍常见的复杂控制系统，对先进本章介绍常见的复杂控制系统，对先进(含智能含智能)控制控制 系统不作要求。系统不作要求。 第一节串级控制系统第一节串级控制系统 第二节前馈控制系统第二节前馈控制系统 第三节其它复杂控制系统第三节其它复杂控制系统 第

2、四节先进控制系统第四节先进控制系统 第五节智能控制第五节智能控制 刘玉长刘玉长 第一节串级控制系统 一、串级控制系统组成 串级控制系统串级控制系统(cascade control system)是一种常用的复杂是一种常用的复杂 控制系统，它根据系统结构命名。由两个或两个以上的控制器控制系统，它根据系统结构命名。由两个或两个以上的控制器 串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值， 这类控制系统称为串级控制系统。这类控制系统称为串级控制系统。 刘玉长刘玉长 (一)串级控制结构特点 【组成组成】两个闭环，内环两个闭环，内环( (副

3、环副环) )和外环和外环( (主环主环) )； 【内环内环】包括副控制器、副对象、副变送器，组成随动控制包括副控制器、副对象、副变送器，组成随动控制 系统，给定值由主控制器输出给定，副控制器输出系统，给定值由主控制器输出给定，副控制器输出 控制控制阀；控制控制阀； 【外环外环】包括主控制器、主对象、主变送器，组成定值控制包括主控制器、主对象、主变送器，组成定值控制 系统，给定值由工艺设定，主控制器输出作为副控系统，给定值由工艺设定，主控制器输出作为副控 制器的设定。制器的设定。 串级控制系统框图串级控制系统框图 _ 主控制器主控制器控制阀控制阀副对象副对象主对象主对象 副检测变送副检测变送 主

4、检测变送主检测变送 扰动扰动 y2 扰动扰动 y1 副控制器副控制器 _ 刘玉长刘玉长 (二)有关术语 主控主控(变变)量：量：指工艺控制指标，是在串级控制系统中起主导作指工艺控制指标，是在串级控制系统中起主导作 用的被控量。用的被控量。 副控副控(变变)量：量：为了稳定主控变量或某种需要引入的辅助量。为了稳定主控变量或某种需要引入的辅助量。 主对象：主对象：由主控变量表征其主要特性的生产设备。由主控变量表征其主要特性的生产设备。 副对象副对象：由副控变量表征其主要特性的生产设备。：由副控变量表征其主要特性的生产设备。 主控制器：主控制器：在系统中起主导作用的控制器，按主控变量的测在系统中起主

5、导作用的控制器，按主控变量的测 量值与工艺规定值之间的偏差工作，其输出作为副控量值与工艺规定值之间的偏差工作，其输出作为副控 制器的设定值。制器的设定值。 副控制器：副控制器：按副控变量的测量值与主控制器来的设定值之间按副控变量的测量值与主控制器来的设定值之间 的偏差工作，其输出直接操纵执行器。的偏差工作，其输出直接操纵执行器。 主回路：主回路：由主对象、主测量变送器、主控制器、副控制器、由主对象、主测量变送器、主控制器、副控制器、 控制阀及副对象构成的外回路，亦称外环或主环。控制阀及副对象构成的外回路，亦称外环或主环。 副回路：副回路：由副对象、副测量变送器、副控制器及控制阀构成由副对象、副

6、测量变送器、副控制器及控制阀构成 的回路，亦称内环或副环的回路，亦称内环或副环 刘玉长刘玉长 二、串级控制工作过程 (一)扰动进入副回路 温度控温度控 制器制器 流量控流量控 制器制器 控制控制 阀阀 流量流量 对象对象 温度温度 对象对象 温度变温度变 送器送器 流量变流量变 送器送器 (二)扰动进入主回路 温度控温度控 制器制器 流量控流量控 制器制器 控制控制 阀阀 流量流量 对象对象 温度温度 对象对象 温度变温度变 送器送器 流量变流量变 送器送器 刘玉长刘玉长 (三)扰动同时进入主、副回路 结论：结论：串级控制系统具有单回路控制系统的全部功串级控制系统具有单回路控制系统的全部功 能

7、，控制品质优于单回路系统，且实现方便，能，控制品质优于单回路系统，且实现方便， 生产过程中应用比较普遍。生产过程中应用比较普遍。 温度控温度控 制器制器 流量控流量控 制器制器 控制控制 阀阀 流量对流量对 象象 温度对温度对 象象 温度变温度变 送器送器 流量变流量变 送器送器 刘玉长刘玉长 三、设计与应用三、设计与应用 1.容量滞后较大的过程容量滞后较大的过程 2.纯延时较大的过程纯延时较大的过程 3.干扰变化激烈且幅度干扰变化激烈且幅度 较大的过程较大的过程 刘玉长刘玉长 4.参数相关联的过程参数相关联的过程 5.非线性过程非线性过程 刘玉长刘玉长 第二节前馈控制系统 换热器进料量换热器

8、进料量F1为主要干扰量，换为主要干扰量，换 热器滞后明显，单回路反馈控制往往达热器滞后明显，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：不到工艺的要求，此时可采用前馈控制： 通过测量进料量通过测量进料量(干扰干扰)，由前馈控制器，由前馈控制器 控制阀门，改变操纵量以补偿进料量变控制阀门，改变操纵量以补偿进料量变 化化D DF1对被控量对被控量(出口温度出口温度)的影响。的影响。 前馈控制及其补偿原理示意图前馈控制及其补偿原理示意图 前馈补偿前馈补偿 干扰干扰 D DF1 一、反馈控制局限与前馈控制的提出一、反馈控制局限与前馈控制的提出 刘玉长刘玉长 二、前馈控制基本概念二、前馈控

9、制基本概念 前馈控制前馈控制是指按照扰动产生校正作用的控制方法。是指按照扰动产生校正作用的控制方法。 基本原理基本原理：测取进入过程的扰动量：测取进入过程的扰动量( (外界扰动和设定值变外界扰动和设定值变 化化) )，并按照其信号产生合适的控制作用去改变控，并按照其信号产生合适的控制作用去改变控 制量，已抵消制量，已抵消( (补偿补偿) )扰动对被控量的影响。扰动对被控量的影响。 特点特点：按引起被控量变化的扰动大小直接进行控制，无须等：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。待被控量的变化。 三、前馈控制补偿原理三、前馈控制补偿原理 由前馈控制系统方框图可得：由前馈控

10、制系统方框图可得： Y(s)=GFW(s)GP(s)- -GF(s)N(s) 显然当显然当GFW(s)GP(s)- -GF(s)=0时，扰动对系统被控量不会时，扰动对系统被控量不会 产生影响。全补偿条件是：产生影响。全补偿条件是： F FW P ( ) ( ) ( ) Gs Gs Gs 刘玉长刘玉长 四、前馈控制与反馈控制的区别四、前馈控制与反馈控制的区别 控制依据控制依据检测变量检测变量作用时间作用时间 反馈控制反馈控制偏差偏差被控量被控量偏差出现后偏差出现后 前馈控制前馈控制扰动量大小扰动量大小扰动量扰动量偏差出现前偏差出现前 五、前馈控制类型五、前馈控制类型 (一一)静态前馈控制静态前馈

11、控制 静态前馈控制，是指控制器的输出量静态前馈控制，是指控制器的输出量mf仅是其输入量仅是其输入量D的的 函数而与时间无关，即函数而与时间无关，即mf=f(D)。为了便于工程上实施，这种。为了便于工程上实施，这种 关系可以近似表示为线性关系：关系可以近似表示为线性关系：mf =Kf D。 刘玉长刘玉长 按照上式，应用仪表装置构建前馈系统如下图。系统不但按照上式，应用仪表装置构建前馈系统如下图。系统不但 实现了对实现了对F1的前馈控制，同时还考虑了次要的扰动的前馈控制，同时还考虑了次要的扰动F2和和T1i的变的变 化，控制质量较高，可把冷流体出口温度稳定在设定值化，控制质量较高，可把冷流体出口温

12、度稳定在设定值Tx。 例例 图示换热器，图示换热器， F F1 1为主要扰动，为主要扰动，F F2 2、 T T1i 1i为次要扰动，试设计前馈控制系统， 为次要扰动，试设计前馈控制系统， 以保证以保证T T1o 1o满足要求 满足要求( (稳定于设定值稳定于设定值T Tx x) )。 刘玉长刘玉长 (二二)动态前馈控制动态前馈控制 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。环节，实现动态前馈控制。 (三三)前馈前馈反馈控制反馈控制 选择对象中最主要的、反馈控制不易克服的扰动进行前选择对象中最主要的、反馈控制不易克

13、服的扰动进行前 馈控制，其他一些扰动则进行反馈控制，如下图。馈控制，其他一些扰动则进行反馈控制，如下图。 换热器前馈换热器前馈反馈控制方案反馈控制方案 FC TC 换热器换热器 FY 冷流体冷流体 F1, T1i + F2,T2i T10 TSP 载载 热热 体体 锅炉汽包液位控制锅炉汽包液位控制 刘玉长刘玉长 第三节第三节 其它复杂控制系统其它复杂控制系统 一、比值控制系统一、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 为为比值控制系统比值控制系统。在需要保持比值关系的两种物料中，必有一。在需要保持比值关系的两种物料中，

14、必有一 种处于主导地位称之为种处于主导地位称之为主物料主物料(主动量主动量)，其流量称为主流量，其流量称为主流量， 用用F1表示；另一种物料则按主物料进行配比称之为表示；另一种物料则按主物料进行配比称之为从物料从物料(从动从动 量量) ，其流量称之为从流量或副流量，用，其流量称之为从流量或副流量，用F2表示。表示。 刘玉长刘玉长 (一)开环比值控制系统 由于是开环控制系统，若副流量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，工持不变，因此控制质量通

15、常很差，工 业生产过程中采用闭环控制系统。业生产过程中采用闭环控制系统。 FY F1 F2 FC (二)单闭环比值控制系统 图中的从流量变送器图中的从流量变送器FT2、 控制器控制器FC、控制阀、控制阀V2以及对以及对 象象(指从流量的检测点到执行指从流量的检测点到执行 器之间的一段管道器之间的一段管道)等构成一等构成一 个闭合的从动回路。个闭合的从动回路。 FY F1 F2 FC FT2 V2 FT1 只能保证只能保证F2的阀门开度与的阀门开度与F1成比例，不能成比例，不能 保证保证F2与与F1成比例。成比例。 能保证能保证F2与与F1成比例。成比例。 刘玉长刘玉长 (三)双闭环比值控制系统

16、 主、副物料都有各自的控主、副物料都有各自的控 制系统，主物料进行定值控制；制系统，主物料进行定值控制； 副物料进行随动控制。副物料进行随动控制。 FY F1 F2 F1C F2C V1 V2 能保证能保证F2与与F1成比例，且能稳定成比例，且能稳定F1。 (四)变比值控制系统 根据第三参数的需根据第三参数的需 要而不断改变两物料比要而不断改变两物料比 值的控制系统就称为值的控制系统就称为变变 比值控制系统比值控制系统。 刘玉长刘玉长 (五)比值系数的计算 比比 值：值：k =Q2/Q1 比值系数：比值系数：K =（I2-4）/（I1-4） 流量与测量信号成非线性关系时流量与测量信号成非线性关

17、系时 流量与测量信号成线性关系时流量与测量信号成线性关系时 刘玉长刘玉长 (七)比值控制实施问题 具体实现方案有两种具体实现方案有两种: : 2.2.把一个流量的测量值乘以把一个流量的测量值乘以 比值系数，其乘积作为副调比值系数，其乘积作为副调 节器的设定值，称为相乘控节器的设定值，称为相乘控 制方案。制方案。 1.1.把两个流量的测量值相除，把两个流量的测量值相除， 其商作为调节器的反馈值，其商作为调节器的反馈值， 称为相除控制方案。称为相除控制方案。 刘玉长刘玉长 （一）概述（一）概述 一般的过程控制系统是在正常工况下，为保证生产过程的物一般的过程控制系统是在正常工况下，为保证生产过程的物

18、 料平衡、能量平衡和生产安全而设计的，它们没有考虑到在事故料平衡、能量平衡和生产安全而设计的，它们没有考虑到在事故 状态下的安全生产问题。但当操作条件到达安全极限时，应有保状态下的安全生产问题。但当操作条件到达安全极限时，应有保 护性措施。如大型透平压缩机的防喘振、化学反应器的安全操作护性措施。如大型透平压缩机的防喘振、化学反应器的安全操作 及锅炉燃烧系统的防脱火和防回火等。及锅炉燃烧系统的防脱火和防回火等。 事故状态下的保护性措施大致可分成两种：事故状态下的保护性措施大致可分成两种： 一种是自动报警，然后由人工进行处理，或采用自动连锁、一种是自动报警，然后由人工进行处理，或采用自动连锁、 自

19、动停机的方法进行保护，称为自动停机的方法进行保护，称为“硬保护硬保护”。 另一种措施称为另一种措施称为“软保护软保护”，即所谓的，即所谓的选择性控制系统选择性控制系统。 刘玉长刘玉长 （二）系统的类型及工作过程（二）系统的类型及工作过程 1.选择调节器的输出信号选择调节器的输出信号 对调节器输出信号进行选择的系统框图为：对调节器输出信号进行选择的系统框图为： 刘玉长刘玉长 ： 刘玉长刘玉长 压缩机防喘振控制系统压缩机防喘振控制系统 刘玉长刘玉长 2.选择变送器的输出信号选择变送器的输出信号 这种系统至少采用两个或两个以上的变送器。变送器的这种系统至少采用两个或两个以上的变送器。变送器的 输出信

20、号均送入选择器，选择器选择符合工艺要求的信号反输出信号均送入选择器，选择器选择符合工艺要求的信号反 馈至调节器。馈至调节器。 刘玉长刘玉长 例：例：化学反应过程峰值温度自动选择性控制系统流程图化学反应过程峰值温度自动选择性控制系统流程图 刘玉长刘玉长 在自动选择性控制系统中，若采用两个调节器，在自动选择性控制系统中，若采用两个调节器， 其中必有一个为正常调节器，另一个为取代调节器。其中必有一个为正常调节器，另一个为取代调节器。 对于正常调节器，由于有较高的控制精度而应选用对于正常调节器，由于有较高的控制精度而应选用 PIPI或或PIDPID调节规律；对于取代调节器，由于在正常调节规律；对于取代

21、调节器，由于在正常 生产中开环备用，仅在生产将要出现事故时，才迅生产中开环备用，仅在生产将要出现事故时，才迅 速动作，以防事故发生，故一般选用速动作，以防事故发生，故一般选用P P调节规律即调节规律即 可。可。 （三）、调节器调节规律的确定（三）、调节器调节规律的确定 刘玉长刘玉长 间歇式化学反应器分程控制系统间歇式化学反应器分程控制系统 在一般的控制系统在一般的控制系统 中，调节器的输出只控中，调节器的输出只控 制一个调节阀，但在某制一个调节阀，但在某 些工业生产中，根据工些工业生产中，根据工 艺要求，需将调节器的艺要求，需将调节器的 输出信号分段，去分别输出信号分段，去分别 控制两个或两个

22、以上的控制两个或两个以上的 调节阀。这种控制系统调节阀。这种控制系统 通常称为：通常称为：分程控制系分程控制系 统。统。 （一）定义（一）定义 刘玉长刘玉长 （二）方框图（二）方框图 （三）控制阀动作方向 1.同向动作同向动作 刘玉长刘玉长 2.异向动作 分程控制系统本质上是属于单回路控制系统。分程控制系统本质上是属于单回路控制系统。 由于调节器的输出信号要进行分程而且所用调节阀较多，由于调节器的输出信号要进行分程而且所用调节阀较多， 所以在系统设计上也有一些特殊之处。所以在系统设计上也有一些特殊之处。 刘玉长刘玉长 分程分程即将调节器输出分成几个区段，一段信号控制一个调节阀。即将调节器输出分

23、成几个区段，一段信号控制一个调节阀。 1.1.调节器输出信号的分程调节器输出信号的分程 2.调节阀特性选择与注意的问题调节阀特性选择与注意的问题 同向与异向的选择：同向与异向的选择：根据工艺要求选择同向工作或异向工作的调节阀根据工艺要求选择同向工作或异向工作的调节阀 流量特性的平滑衔接：流量特性的平滑衔接：在分程控制中，当把两个调节阀作为一个调节阀在分程控制中，当把两个调节阀作为一个调节阀 使用时，要求分程点处的流量特性平滑。使用时，要求分程点处的流量特性平滑。 调节阀的泄露量：调节阀的泄露量：在分程控制系统中，必须保证在调节阀全关时无泄漏在分程控制系统中，必须保证在调节阀全关时无泄漏 或泄漏

24、量极小。或泄漏量极小。 刘玉长刘玉长 （五）工业应用（五）工业应用 1.1.用于节能控制，减少能耗，提高经济效益。用于节能控制，减少能耗，提高经济效益。 2.2.用于扩大调节阀的可调范围用于扩大调节阀的可调范围 刘玉长刘玉长 3.3.用于两个不同控制介质的生产过程用于两个不同控制介质的生产过程 废液中和过程分程控制废液中和过程分程控制 刘玉长刘玉长 4.4.满足生产过程不同阶段的需要满足生产过程不同阶段的需要 B(气开) A(气关) 蒸汽 0.020.060.1 0 A B 100 冷却水 TTTC P(MPa) l/L(%) 5.5.交替使用不同控制方式，保证设备安全交替使用不同控制方式，保

25、证设备安全 如图所示，贮罐顶部充填如图所示，贮罐顶部充填 氮气，顶部氮气压力氮气，顶部氮气压力P一般为微一般为微 正压。生产过程中，随着液位正压。生产过程中，随着液位 的变化，的变化，P会产生波动。液位上会产生波动。液位上 升，升，P上升，超过一定数值，贮上升，超过一定数值，贮 罐会被鼓坏；液位下降，罐会被鼓坏；液位下降，P下降，下降， 降至一定数值，贮罐会被吸瘪。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故设置分程控制系统以保证储 罐安全。罐安全。 刘玉长刘玉长 （一）问题提出（一）问题提出 A B LC LT FC FT 刘玉长刘玉长 图图a a图图c c是普通的单回路控制系

26、统的控制结果，只有图是普通的单回路控制系统的控制结果，只有图b b才体现了均匀控才体现了均匀控 制的思想，即制的思想，即L L和和F F都缓慢波动且都稳定在一定范围内。都缓慢波动且都稳定在一定范围内。 将液位控制与流量控制统一在一个控制系统中，从系统内将液位控制与流量控制统一在一个控制系统中，从系统内 部解决两种工艺参数供求之间的矛盾，即使部解决两种工艺参数供求之间的矛盾，即使A A塔的液位在允许塔的液位在允许 的范围内波动的同时，也使流量平稳缓慢地变化。的范围内波动的同时，也使流量平稳缓慢地变化。 均匀控制的设计思想：均匀控制的设计思想： 自动控制时前后设备的液位、流量关系自动控制时前后设备

27、的液位、流量关系 刘玉长刘玉长 （二）均匀控制的特点（二）均匀控制的特点 1.1.结构上无特殊性结构上无特殊性 同样一个单回路液位控制系统，由于控制作用强弱不一，既可以是单回同样一个单回路液位控制系统，由于控制作用强弱不一，既可以是单回 路定值控制系统，也可以是均匀控制系统。因此均匀控制是靠降低控制回路路定值控制系统，也可以是均匀控制系统。因此均匀控制是靠降低控制回路 的灵敏度而不是靠结构变化获得的。的灵敏度而不是靠结构变化获得的。 2.2.参数有变化，而且是缓慢地变化参数有变化，而且是缓慢地变化 因为均匀控制是前后设备物料供求之间的均匀，所以表征两个物料的参因为均匀控制是前后设备物料供求之间

28、的均匀，所以表征两个物料的参 数都不应是某一固定值。那种试图把两个参数都稳定不变的想法绝非均匀控数都不应是某一固定值。那种试图把两个参数都稳定不变的想法绝非均匀控 制的目的。无需将两个参数平均分配，而是视前后设备的特性及重要件等因制的目的。无需将两个参数平均分配，而是视前后设备的特性及重要件等因 素来确定其主次。素来确定其主次。 3.3.参数应在限定范围内变化参数应在限定范围内变化 在均匀控制系统中，被控变量是非单一、非定值的，允许它们在一定的在均匀控制系统中，被控变量是非单一、非定值的，允许它们在一定的 范围内变化。范围内变化。 刘玉长刘玉长 均匀控制系统的设计主要包括：控制方案的选择、调节

29、规均匀控制系统的设计主要包括：控制方案的选择、调节规 律的选择、调节器的参数整定等。律的选择、调节器的参数整定等。 1.控制方案的选择控制方案的选择 （1）简单均匀控制系统）简单均匀控制系统 注意：注意：当调节阀两端的压差变化较大时，流量大小不仅取决于调节阀开度当调节阀两端的压差变化较大时，流量大小不仅取决于调节阀开度 的大小，还将受到压差波动的影响。的大小，还将受到压差波动的影响。 刘玉长刘玉长 （2）串级均匀控制系统）串级均匀控制系统 为了克服调节阀前后压力波动和被控过程的自平衡待性对流量的影为了克服调节阀前后压力波动和被控过程的自平衡待性对流量的影 响，设计了以流量为副参数、以液位为主参数的串级均匀控制系统。响，设计了以流量为副参数、以液位为主参数的串级均匀控制系统。 从结构上看，从结构上看，它与一般的液位和流量串级控制系统是一致的。但这里它与一般的液位和流量串级控制系统是一致的。但这里 采用串级形式的目的并不是为了