第8章 复杂过程控制系统

1、第第8章章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统陕西科技大学陕西科技大学化工仪表化工仪表v 串级控制系统串级控制系统v 比值控制系统比值控制系统v 前馈控制系统前馈控制系统v 多冲量控制系统多冲量控制系统陕西科技大学陕西科技大学化工仪表化工仪表8.1 串级控制串级控制一、串级控制系统的结构和工作过程一、串级控制系统的结构和工作过程 1、串级控制系统、串级控制系统 串级控制系统串级控制系统(Cascade Control Ststem)是一种是一种常用的复杂控制系统，它根据系统结构命名。常用的复杂控制系统，它根据系统结构命名。 定义：由两个调节器、一个调节阀、两个变送定义：由两个调节器、一个调节阀、

2、两个变送器和两个对象组成的控制系统。器和两个对象组成的控制系统。 特点：两个调节器控制一个调节阀，适用于当特点：两个调节器控制一个调节阀，适用于当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁的对象。对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁的对象。陕西科技大学陕西科技大学化工仪表化工仪表 串级控制系统的主要特点为：串级控制系统的主要特点为：(1)在系统结构上，它是由两个串接工作的控制器构在系统结构上，它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统；成的双闭环控制系统； (2)系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量；的控制质量； (3)由于副回路的存在，对进

3、入副回路的干扰有超前由于副回路的存在，对进入副回路的干扰有超前控制的作用，因而减少了干扰对主变量的影响；控制的作用，因而减少了干扰对主变量的影响；(4)系统对负荷改变时有一定的自适应能力。系统对负荷改变时有一定的自适应能力。2、串级控制系统的特点、串级控制系统的特点陕西科技大学陕西科技大学化工仪表化工仪表串级控制系统主要应用于：串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、干扰作用强而频繁、负荷变化大、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。对控制质量要求较高的场合。3、串级控制系统的特点主要应用场合、串级控制系统的特点主要应用场合陕西科技大学陕西

4、科技大学化工仪表化工仪表8.2 比值控制系统比值控制系统 陕西科技大学陕西科技大学化工仪表化工仪表 可测或可控，处于比值控制中的主导地位可测或可控，处于比值控制中的主导地位 Q Q1 1可控，一般供应有余，可控，一般供应有余， 按主物料进行配比按主物料进行配比 Q Q2 2 比值控制系统，要求副流量比值控制系统，要求副流量Q Q2 2与主流量与主流量Q Q1 1成一成一定的比值关系，定的比值关系，K K为流量比值为流量比值 21QKQ陕西科技大学陕西科技大学化工仪表化工仪表FCF1F2控制器控制器控制阀控制阀对象对象F2测量变送测量变送F1本质：整个控制系统处于开环状态，本质：整个控制系统处于

5、开环状态，F2流量根据流量根据F1流量，流量， 按比例系数开闭阀门按比例系数开闭阀门场合：这种方案应用较少场合：这种方案应用较少优点：简单，仪表少优点：简单，仪表少缺点：系统开环，缺点：系统开环，F2波动时比值难以保证波动时比值难以保证陕西科技大学陕西科技大学化工仪表化工仪表单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统优点：优点：1）能克服）能克服F2的波动的波动 2）结构简单，特别是在主）结构简单，特别是在主 流量参数工艺不能控制流量参数工艺不能控制 的场合实施。的场合实施。 3）控制品质提高较多）控制品质提高较多 缺点：缺点：1）F1不固定不固定 2 ）F1+F2总量不定总量不定 3）动态比值较差

6、）动态比值较差 场合：应用较广泛，几种物料直接进反应器受到限制场合：应用较广泛，几种物料直接进反应器受到限制丁烯洗涤塔进料与洗涤水丁烯洗涤塔进料与洗涤水的比值控制系统的比值控制系统KFC洗涤水洗涤水丁烯丁烯陕西科技大学陕西科技大学化工仪表化工仪表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，增加了主流在单闭环比值控制系统的基础上，增加了主流 量控制回路量控制回路 F1CF1F2F2CK陕西科技大学陕西科技大学化工仪表化工仪表双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统 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

7、流量的干扰的影响主流量的干扰的影响(例如：主动量供应不足或有较大扰动例如：主动量供应不足或有较大扰动) 另一个优点是，提升主负荷比较容易，缓慢改变主控制器的给定另一个优点是，提升主负荷比较容易，缓慢改变主控制器的给定值。值。 缺点：使用的仪表较多，另外，若主副回路工作频率相近时，缺点：使用的仪表较多，另外，若主副回路工作频率相近时，容易产生共振容易产生共振 F1CF2CK二氧化碳氧气反应器混合陕西科技大学陕西科技大学化工仪表化工仪表变比值控制系统变比值控制系统 定比值控制方案只能克服流量干扰对比值的影响，定比值控制方案只能克服流量干扰对比值的影响，当其它参数存在对比值系数的扰动时，必须时时修正

8、当其它参数存在对比值系数的扰动时，必须时时修正比值系数，变比值控制比值系数，变比值控制 XCF1F2FfC陕西科技大学陕西科技大学化工仪表化工仪表氧化炉氧化炉其他类型的比值控制系统其他类型的比值控制系统TCFfC空气空气氧化炉氧化炉预热预热氨气氨气混合硝酸生产中氧化炉的炉温与氨气硝酸生产中氧化炉的炉温与氨气/空气比值的串级控制方案空气比值的串级控制方案陕西科技大学陕西科技大学化工仪表化工仪表前馈控制系统的基本原理前馈控制系统的基本原理v 反馈反馈v 事后事后v 扰动出现时扰动出现时就进行控制就进行控制v 前馈控制前馈控制陕西科技大学陕西科技大学化工仪表化工仪表FwffFSMff1 2 TCFF

9、S1 (a)反馈控制(b)前馈控制陕西科技大学陕西科技大学化工仪表化工仪表q,12,q冷凝液蒸汽pD,qDTTTC20TCTCK KV V2020+-q qD D换热器反馈控制系统框图换热器反馈控制系统框图pD D被控过程被控过程q1 12 2基于偏差消除偏差基于偏差消除偏差消除多种扰动消除多种扰动不及时控制不及时控制闭环稳定闭环稳定陕西科技大学陕西科技大学化工仪表化工仪表v q2,q冷凝液蒸汽pD,qDFT P前 馈控 制器v 陕西科技大学陕西科技大学化工仪表化工仪表前馈控制测干扰前馈控制测干扰前馈控制及时，理论上可实现完全补偿前馈控制及时，理论上可实现完全补偿基于扰动消除扰动基于扰动消除扰

10、动前馈控制只能一对一前馈控制只能一对一前馈为开环，不存在稳定性问题前馈为开环，不存在稳定性问题前馈控制器的控制规律取决于被控对象和扰动通道前馈控制器的控制规律取决于被控对象和扰动通道的特性，的特性， 控制规律往往比较复杂控制规律往往比较复杂陕西科技大学陕西科技大学化工仪表化工仪表在控制系统中，有多个变量信号，经过一定的运算后，共同在控制系统中，有多个变量信号，经过一定的运算后，共同控制一台执行器，以使某个被控的工艺变量有较高的控制质量。控制一台执行器，以使某个被控的工艺变量有较高的控制质量。冲量既变量的意思。多冲量控制系统，也就是多变量控制系统。冲量既变量的意思。多冲量控制系统，也就是多变量控

11、制系统。19p例：锅炉给水系统控制例：锅炉给水系统控制p在锅炉的正常运行中，汽包水位是重要的操作在锅炉的正常运行中，汽包水位是重要的操作指标，给水控制系统的作用就是自动控制锅炉的指标，给水控制系统的作用就是自动控制锅炉的给水量，使其适应蒸发量的变化，维持汽包水位给水量，使其适应蒸发量的变化，维持汽包水位在允许的范围内。在允许的范围内。p控制阀作用方式选择控制阀作用方式选择保证锅炉安全（防止烧干）：选用气关阀保证锅炉安全（防止烧干）：选用气关阀保证后续汽轮机安全（防止蒸汽带液）：选用气保证后续汽轮机安全（防止蒸汽带液）：选用气开阀开阀陕西科技大学陕西科技大学化工仪表化工仪表（1）单冲量液位控制n

12、单冲量：汽包液位单冲量：汽包液位n操作变量：锅炉给水量操作变量：锅炉给水量n方案特点：方案特点： 结构简单，结构简单， 对所有干扰影响均有克服作用对所有干扰影响均有克服作用n存在的问题：存在的问题：n蒸汽负荷变化，产生的蒸汽负荷变化，产生的“虚假虚假液位液位”使控制器发出的信号不使控制器发出的信号不利于生产安全，不能克服虚假利于生产安全，不能克服虚假水位的影响；水位的影响；n控制质量不高，对给水变化及控制质量不高，对给水变化及负荷变化干扰的克服滞后较大。负荷变化干扰的克服滞后较大。陕西科技大学陕西科技大学化工仪表化工仪表n双冲量：双冲量： 汽包液位，蒸汽流量汽包液位，蒸汽流量n控制特点：控制特点： 对蒸汽负荷变化产生的对蒸汽负荷变化产生的“虚假虚假液位液位”具有前馈补偿控制功具有前馈补偿控制功能能 实际上是前馈实际上是前馈-反馈复合控制反馈复合控制控制。控制。n存在的问题：存在的问题：n对给水变化扰动的克服，滞对给水变化扰动的克服，滞后较大。后较大。（2）双冲量液位控制陕西科技大学陕西科技大学化工仪表化工仪表v锅炉水位双冲量控制方框图双冲量控制系统方块图双冲量控制系统方块图陕西科技大学陕西科技大学化工仪表化工仪表(3) 三冲量液位控制 n三冲量：三冲量：n汽包液位，蒸汽流量，给水汽包液位，蒸汽流量，给水流量流量n特点：特点：n根