过程自动检测与控制技术_CHAPT7_复杂控制系统

1、第七章 复杂控制系统 第一节、串级控制系统 一串级控制 首先来看一个夹套式反应器。假定有一个放热反应过 程，选取反应器内反应温度作为被控变量，用冷却水通过 夹套带走反应所生成的确热量。根据生产要求，为该反应 器设置一个单回路控制系统。 图81-1 反应器温度控制 进料 出料 冷却水 TC AC 影响反应器内温度的主要因素有： a.反应物浓度； b.反应物料量； c.反应物料入口温度； d.冷却水流量； e.冷却水温度等。 第一节、串级控制系统 v换热过程是比较慢的，其时间常数比较大，容量滞后严重。所以采用单 回路控制系统对反应器进行控制的方案，难以达到生产要求，特别是反 应温度控制精度要求高的

2、时候更是如此。如果能够采取技术手段稳定夹 套温度或者使夹套温度波动很小，这将对提高控制精度是非常有益的。 图81-2 反应器串级控制 进料 出料 冷却水 TC2 TC1 AC R T 温度控制器1 温度控制器2 控制阀 夹套 反应器 流量变送器 温度变送器 图81-3 夹套温度与反应温度串级控制系统方块图 第一节、串级控制系统 二串级控制系统的特点 1由于副回路的存在，改善了被控 对象的特性。 R Y2 Y1 GC1 GC2 GV GO2 GO1 Hm2 Hm1 图81-5 一般串级控制系统方块图 2 2 222 22 2 222 22 2 1 ( )( ) 1 1 1 O CV CVOO O

3、 O CVOm CVm O K KK G G GT s Gss K G G GH KKK T s 设纯比例控制器传递函数 为KC2； 控制阀传递函数为KV； 变送传递函数为Km2； 副被控对象传递函数为 2 2 2 1 O O O K G T s 第一节、串级控制系统 v对公式进行整理可得： 2 2222 2 2 2 222 1 ( ) 1 1 1 O CVOmO O O O CVOm K KK KKK Gs T T s s KK KK 2 2 2 1 O O O K G T s 第一节、串级控制系统 2 串级控制系统具有较强的抗干扰能力 当干扰作用于副环时，在还没影响到主被控变量之前，副 控

4、制器首先进行调整，相当与先进行“预调整”，如果主被控 变量还会受影响(不过这种影响比没有副控制器采取抑制措施要 小得多)，那么将再由主控制器进行“细调整”。由于对进入副 环的干扰做了两级控制调整施，显然控制质量要比单回路控制 系统的控制质量要好。 干扰作用于主环，由于副回路的存在，使等效副对象的时 间常数缩小了，被控对象对控制作用的反应变得比较敏捷，因 此控制质量也会比单回路控制系统高。 第一节、串级控制系统 3串级系统具有一定的自适应能力 当Km2Kc2Kv1 202 02 02222 ( )1 ( ) 1( ) CV mCVm KK Gs Gs Gs KKKK 第一节、串级控制系统 三串级

5、控制系统设计 1串级控制系统副回路设计 (1)使系统中的主要干扰包含在副环内。 由于串级系统的副回路具有动作速度快、抗干扰能力强的特 点，如果在设计中把对主变量影响最严重、变化最剧烈、最频 繁的干扰包含在副环内，就可以充分利用副环快速抗干扰性能， 将干扰的影响抑制在最低限度。这样，干扰对主被控变量的影 响就会大大减小，从而使控制质量获得提高。 (2)在可能情况下，应使副环包含更多一些干扰。 第一节、串级控制系统 PC TC 燃料 原料 图81-6 炉出口温度与燃料压力串级方案 T C2 TC1 燃料 原料 图81-7 炉出口温度与炉膛温度串级方案 第一节、串级控制系统 （3）当被控对象具有非线

6、性环节时，在设计时应使非线性环 节处于副环之中。 生成气 TC1 TC2 醋酸、乙烯混合物气 图81-8 合成反应器中温度与入口温度串级控制系统 醋酸乙烯合成反应器中为 保证合成气的质量，要求 对反应器中温度进行严格 控制。而在控制通道中包 含了两个具有非线性特性 的热交换器，因而使整个 对象的特性随着负荷的变 化而变化。为此，可在换 热器的出口设置一温度检 测点，并以它为副被控变 量，组成一个温度与温度 串级控制系统。 第一节、串级控制系统 (4)当被控对象具有较大纯滞后时，应使所设计的副回路尽量少 包括或不包括纯滞后。 (5)副回路设计应考虑到主、副被控对象时间常数的匹配，以防 “共振”发

7、生。 (6)需考虑到方案经济性和工艺的合理性。 气丙烯 进料 PC TC 气丙烯 进料 出料 出料 LC TC 液丙烯 液丙烯 LC (a ) (b) 图81-10 丙烯冷却器两种不同串级控制方案 第一节、串级控制系统 本例中以蒸汽压力作为副被控变量比以冷却器液位为副被 控变量要灵敏些。假如冷冻机入口压力(气体丙烯返回冷冻压缩 机冷凝后重复使用)在两种情况下都相等，方案(b)中丙烯蒸发 压力就需高于方案(a)中的丙烯蒸发压力(控制阀上需要有一定 压降)，这样冷却温差就要减小，冷量利用就不够充分。而且此 方案中还需要另外设置一套液位控制系统，以维持一定的蒸发 空间，防止气丙烯带液进入冷冻机而危及

8、后者的安全，这样方 案(b)的仪表投资费相应地也要有所增加。相比之下，方案(a) 虽然较为迟钝一些(因为它是借助于传热面积的改变以达到控制 温度的目的，因此反应比较慢)，但是却较为经济。所以，在温 度控制要求不是很高的情况下，采用方案(a)是较为经济的。 第一节、串级控制系统 2串级控制系统中控制器控制规律的选择 一般情况下，副控制器可选P作用；主控制器选PI，或PID。 3串级控制系统中主、副控制器正、反作用的选择 主、副控制器正、反作用的确定顺序应遵循先副后主的原则。 副控制器正、反作用： SignG02SignGvSignGm2SignGc2=-1。 当控制器放大倍数远远大于1时，又因为

9、通常各个环节都是无 量纲化的，此时Gm2=1。则有，则副环近似等于+1。 202 02 202 1 cv cvm G G G G G G G G 第一节、串级控制系统 例一：确定加热炉出口温度与燃料油(或燃料气)压力串级控制 系统主、副控制器的正、反作用。 PC TC 燃料油 A.O 原料 图81-12 加热炉出口温度与燃料压力串级控制系统 副回路： 压力上升PC输入增加 如果压力回落阀门关小 阀门关小其信号减小 则PC为反作用为反作用 主回路： 温度上升TC输入增加 如果温度回落压力降低 如果压力降低TC输出减小 则TC反作用反作用 第一节、串级控制系统 例二：试确定精馏塔提馏段温度与加热蒸

10、汽流量串级控制系统 主、副控制器的正、反作用。已知控制阀为气闭式。 进料 FC TC 蒸汽 采出 精馏塔提馏段温度与加热蒸汽 流量串级控制系统 副环： 已知控制阀为气闭式，KV符号为负； 当控制阀开度增大时，流量增大。K0符号为正； 流量增加信号增加Km2为正； 根据副环开环放大倍数符号为负的要求，副控制 器应选正作用正作用。 主环： 副被控变量流量增大时，主被控变量温度将上升， K01为正。故主控制器应选反作用反作用。 第二节 比值控制系统 实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统， 称为比值控制系统。由于过程工业中大部分物料都是以流体形 态在密闭管道、容器中进行能量传递与物质交换的

11、，所以比值 控制系统一般是指流量比值控制系统。比值控制系统就是要实 现副流量F2与主流量Fl成一定比值关系，满足如下关系式： KF2/F1 式中K为副流量与主流量的流量比值。 第二节 比值控制系统 一比值控制系统的类型 1开环比值控制系统 开环比值控制系统是最简单的比值控制方案，其系统组成如图 所示，整个系统是一个开环控制系统。 F1 F2 FC 控制器控制阀对象 测量变送F1 F2 第二节 比值控制系统 2单闭环比值控制系统 单闭环比值控制系统是为了克服开环比值方案的不足，在开环 比值控制系统的基础上，增加个副流量的闭环控制系统，如 图所示。 F1 F2 K FC K控制器控制阀对象 测量变

12、送 测量变送F1 F2 第二节 比值控制系统 3双闭环比值控制系统 双闭环比值控制系统是为了克服单闭环比值控制系统主流量不 受控而设计的，是在单闭环比值控制的基础上，增设了主流量 控制回路。如图所示。 F1 F2 F1C K F2C 主控制器 副控制器 控制阀主对象 副对象 控制阀 测量变送 测量变送 K F1 F2 第二节 比值控制系统 二比值控制系统中的信号关系 比值控制系统的任务是将工艺上两个物料进行配比，使得 物料量之间保持一定比例关系，工艺上规定的比值K是指两物 料的流量比(体积或重量)。实施比值控制时一定会采用适当的 传感器和仪表对流量进行测量，这些仪表会有一个代表流量大 小的输出

13、信号。这些信号所表达的是最大流量的百分比，显然 流量的信号比不但与流量比有关，还和仪表的量程有关。 目前仪表信号所采用的大多数为420mA直流电流，过去 老仪表信号为010mA直流电流。因此必须把工艺规定的流量 比K换算成仪表信号之间的比值系数K才能进行比值设定。 第二节 比值控制系统 1比值K和比值系数K定义。 流量比也称为比值K，流量信号比也称为比值系数。 比值K是工艺要求的流量比，定义为从动流量F2与主动流量F1 之比。 比值系数K是仪表有效信号之比，定义为从动流量F2的有效百 分信号与主动流量F1的有效百分信号之比。如果用I 来表示仪 表的测量信号，则有： 2 1 F K F 从动流量

14、 主动流量 220 2max20 110 1max10 II II K II II 从动流量的测量信号 主动流量的测量信号 第二节 比值控制系统 式中I 2max、I 1max为信号上限；I 20、I 10为信号零点。一般情况 下都会采同一信号制仪表，所以也可将信号零点表示为I 0。 流量信号的测量一般关系是有效信号与流量的相对变化具有一 一对应关系。即： 00 max0max0 IIFF f IIFF 第二节 比值控制系统 a线性测量关系 线性测量关系为： 如果最小流量为零，经整理则有： b平方测量关系 00 max0max0 IIFF IIFF max00 max F IIII F （）

15、2 00 max0max0 IIFF IIFF 2 max00 max F IIII F （）+ 第二节 比值控制系统 2流量与测量信号成线性关系时的计算 当使用转子流量计、涡轮流量计、椭圆齿轮流量计或带开方的 差压变送器测量流量时，流量信号均与测量信号成线性关系。 下面就K与K的关系加以说明。 2 2max202020 2max 220 2max202max201max1max2 110 12max2max 1 1max101010 1max10 1max 1max10 F IIII FII IIIIFFF KK II FFFF IIII II F II （） （） 第二节 比值控制系统 3

16、流量与测量信号成非线性关系时的计算 在使用节流装置测量流量而未经开方处理时，流量与差压的非 线性关系为： 变送器对差压的测量关系为： 一般流量下限F0=0，对应的差压信号p0=0。 pkF 00 max0max0 IIpp IIpp max00 max p IIII p （） max00 max F IIII F 2 （） 第二节 比值控制系统 2 2max202020 2max 220 222 2 2max202max201max1max2 110 12max2max 1 1max101010 1max10 1max 1max10 F IIII F II IIIIFFF KK II FFF

17、F IIII II F II 2 2 （） （） 第二节 比值控制系统 通过对流量与测量信号的不同关系及不同信号范围的仪表推导 比值系数的计算式，可以得出如下几点结论： v 流量比K与比值系数K是两个不同的概念，不能混淆。 v 比值系数K的大小与流量比K的值有关，也与变送器的量程 有关，与负荷大小无关。 v 流量与测量信号之间有无非线性关系对计算式有直接影响， 线性关系时K线=K（F1max/F2max），非线性关系（平方根关 系）时K非=K2（F1max/F2max）2。 线性测量与非线性测量（平方根关系）情况下K间的关系为 K非=（K线）2。 第三节 前馈控制系统 一前馈控制系统基本概念与

18、特点 按照干扰量的变化来补偿其对被控变量的影响的控制方式称为 前馈控制，简称FFC（Feed Forward Control）。 结合下图来 说明前馈控制工作原理。 Fs Fs TC Gff F F 2 2 1 1 (a)反馈控制 (b)前馈控制 第三节 前馈控制系统 1 F-Mff-Fs-1(前馈作用) t F-1(干扰作用) F F t 前馈控制系统的补偿过程 GPD(s) F 1 Gff(s) GPC(s) 对象 前馈控制系统方块图 第三节 前馈控制系统 前馈控制的特点并与反馈控制作比较。 (1)前馈控制是按照干扰作用的大小进行控制的。干扰出现后需 要经过干扰通道传递，然后使被控变量发生

19、偏离，这是需要经 过一定时间的。前馈控制是直接检测干扰，然后根据干扰大小， 按预先设置的控制策略进行计算，根据计算结果去操纵执行器 进行控制。当干扰发生后，被控变量还未发生变化，前馈控制 器就产生了控制作用，就有可能把偏差彻底消除。 (2)前馈控制属于“开环”控制系统。根据前馈控制的方块图不 难看出前馈控制是一个“开环”控制系统，前馈控制器按扰动 量产生控制作用后，对被控变量的影响并不反馈回来影响控制 系统的输入信号（扰动量）。前馈控制的效果并不通过反馈加 以检验，因此前馈控制对被控对象的特性掌握必须比反馈控制 清楚，才能得到一个较合适的前馈控制作用。 第三节 前馈控制系统 (3)前馈控制使用

20、的是视对象特性而定的“专用”控制器。 一般的反馈控制系统均采用通用类型的PID控制器，而前馈控 制器是专用控制器，对于不同的对象特性，前馈控制器的形式 将是不同的。下面针对前馈控制系统的方块图，应用前馈的 “不变性原理”或称“扰动补偿理论”理论，来分析前馈控制 器的特性与对象特性的关系。根据前馈系统方块图，则有： 系统对干扰F实现完全补偿的条件是： 当F(s)0，而（s）0 )()()( )( )( 1 sGsGsG sF s PCffPD )( )( )( sG sG sG PC PD ff 第三节 前馈控制系统 （4）一种前馈控制作用只能克服一种干扰。 由于前馈控制作用是按干扰进行工作的，

21、而且整个系统是开环 的，因此根据一种干扰设置的前馈控制只能克服这一干扰，而 对于其他干扰，由于这个前馈控制器无法感受到，也就无能为 力了。而反馈控制只用一个控制回路就可克服多个干扰，所以 说这一点也是前馈控制系统的一个弱点。 第三节 前馈控制系统 二前馈控制系统主要结构形式 1单纯的前馈控制系统 单纯的前馈控制系统根据对干扰补偿的特点，可分为动态 前馈控制及静态前馈控制。 (1)动态前馈控制 Fs Gff F 2 1 单纯前馈控制系统 第三节 前馈控制系统 (2)静态前馈控制 有些实际生产过程中，并没有动态前馈控制那样高的补偿 要求，而只需要在稳定工况下实现对干扰量的补偿。此时前馈 控制就成为

22、静态前馈控制。 某些情况下可考虑多个干扰因素进行前馈补偿。如前面所 讲换热器， Fs F 2 1 单纯前馈控制系统 根据热力学原理，忽略热损失则有： 从该式中可知，物料流量、物料入口温 度，与一些常数进行计算之后就可决定 蒸汽流量的补偿量。 )( 21 i S P S h c FF )( 21 i S P S h c FF 第三节 前馈控制系统 多干扰因素静态前馈 2 FC F 1i Cp/hs Fs 1 图中： Cp物料的比热容； hs蒸汽的汽化潜热； 2物料入口温度； 1 物料出口温度； F物料流量； FS蒸汽流量。 第三节 前馈控制系统 2前馈反馈控制系统 Gff + TC FS F 1

23、 换热器FFC-FBC原理图 F Gff（s） GPD（s） 1i GC（s） GPC（s） 1 典型FFCFBC系统方块图 )()(1 )()( )()(1 )( )( )( sGsG sGsG sGsG sG sF s PCC PCff PCC PD 第三节 前馈控制系统 应用不变性条件： F(s)0，(s)0 即可推导出前馈控制器的传递函数： 3前馈串级控制系统 把前馈控制器的输出与主控制器的输出叠加后作为副控制 器的给定值，就构成前馈串级控制系统。 )( )( )( sG sG sG PC PD ff 第三节 前馈控制系统 Gp2（s）1 Gff + TC 1i FS FC F 1 换

24、热器的前馈-串级控制系统 F Gff(s) GPD(s) 1i GC(s) GC2(s) GP2(s) GPD(s) 1 前馈-串级控制系统方块图 )()()(1 )()()()( )( )( 2 2 1 sGsGsG sGsGsGsG sF s PCpC PCpffPD )( )( )( sG sG sG PC PD ff 第四节 选择性控制系统 一选择性控制系统功能 选择性控制系统中一般有A、B两个可选变量。其中A是工 艺操作的主要技术指标，B为工艺上一个限值要求。生产操作 在B限值以内时生产是安全的，一旦超出限值，生产过程就有 发生事故的危险。因此，变量B处于限值以内时生产过程按照 变量

25、A进行连续控制；变量B达到限值时为了防止事故的发生， 所设计的选择性控制系统将通过专门的选择装置切断变量A控 制器的输出，使控制阀迅速关闭或打开，直到变量B回到限值 以内，系统才重新恢复到按变量A进行连续控制。 第四节 选择性控制系统 1开关型选择性控制系统 裂解气（88） 裂解气（88） 气丙烯 气丙烯 液丙烯 液丙烯 15 15 TCTC 液位 温度 温度控制器 开 控制阀 液位对象 温度对象 关 图84-2 开关型选择性控制系统方块图 第四节 选择性控制系统 2连续型选择性控制系统 蒸汽锅炉燃烧系统的防脱火选择性控制 A.O 蒸汽 供水 燃料 LS PC1 PC2 PA PB PV 第四

26、节 选择性控制系统 蒸汽压力变送器 控制器PC1 控制器PC2 LS GV 燃料压力对象蒸汽压力对象 燃料压力变送器 PA PB PV P2 P1 第四节 选择性控制系统 3混合型选择性控制系统 蒸汽锅炉燃烧系统的防脱火、防回火选择性控制 蒸汽 供水 燃料 PC1 PA PB PV PC2PC3LS A.O 第四节 选择性控制系统 蒸汽压力变送器 控制器PC1 控制器PC2 LSGV燃料压力对象蒸汽压力对象 燃料压力变送器 PA PB PV P1 开 关 控制器PC2燃料压力变送器 P2 第四节 选择性控制系统 4选择性控制系统的设计 选择性控制系统设计包括： l控制阀开、闭形式选择； l控制

27、器规律及正、反作用选择； l选择器类型的选择。 现有一氨冷却器出口温度与液氨液位选择性控制系统，该系统 的结构图如图所示。 第四节 选择性控制系统 物料 气氨 液氨 LC TC选择器 (1)为了防止液氨带液进入氨压缩机后危 及氨压缩机的安全、控制阀应选择气开 式。 (2) 温度控制器应该选择比例积分微分 控制规律。液位控制器应选为窄比例式 的。 (3)温度控制器选择“正”作用。液位控 制器必须取“反”作用。 (4由于液位控制器是非正常情况下工作 的反作用控制器，正常情况下液位低于 上限值其输出为高信号。一旦液位上升 到大于上限值，液位控制器输出迅速跌 为低信号，为保证液位控制器输出信号 能够被

28、选中，选择器必须选低选器。 第五节 分程控制系统 通常在反馈控制系统中一台控制器的输出只控制一个控制 阀。在某些特殊场合，出于某种需要一台控制器的输出可以同 时控制两个甚至两个以上的控制阀。在分程控制系统中，控制 器输出控制若干个控制阀，这些控制阀在控制器某个信号段内 从全关到全开，因此需要将控制器输出信号全程分割成若干个 信号段，每一信号段控制一个控制阀，因此这种控制系统叫做 分程控制系统。 分程控制系统中，每个气动控制阀的输入（驱动）信号都 是002010MPa，这和其他控制系统中的气动控制阀是一 样的。控制器输出信号的分段是由附设在控制阀上的阀门定位 器来实现的。 第五节 分程控制系统 1、扩大控制阀可调范围，改善控制品质 高压蒸汽(10Mpa) A. O A. O PC 中压 蒸汽 图85-1 蒸汽减压系统分程控制方案 锅炉产生的是10MPa高压蒸 汽，生产上需要的是4MPa平稳的 中压蒸汽。为此，需要通过节流 减压的方法将10MPa的高压蒸汽 节流减压成4MPa的中压蒸汽。如 果选用一个控制阀，要适应大负 荷下蒸汽供应量的需