自动化专业复杂控制系统

1、复杂控制系统本章主要内容串级控制系统（系统的基本概念、串级控制系统（系统的基本概念、 特点、系统的设计、系特点、系统的设计、系 统的应用场合及应用中的问题）统的应用场合及应用中的问题）比值控制系统（系统的基本概念、常用的比值控制方案及比值控制系统（系统的基本概念、常用的比值控制方案及 系统的设计）系统的设计）前馈控制系统（前馈控制系统的基本概念、系统的几种结构形式及前馈控制系统（前馈控制系统的基本概念、系统的几种结构形式及 系统的应用场合）系统的应用场合）均匀控制系统（系统的概念、控制方案）均匀控制系统（系统的概念、控制方案）分程控制系统（系统的基本概念、系统的应用中的几个问题）分程控制系统（

2、系统的基本概念、系统的应用中的几个问题）选择性控制系统（基本概念、系统的应用、积分饱和及其防止）选择性控制系统（基本概念、系统的应用、积分饱和及其防止）串级控制系统基本原理及结构基本原理及结构 在多回路控制系统中，有两个被控过程、两套测量变送装置、在多回路控制系统中，有两个被控过程、两套测量变送装置、两台控制器和一个控制阀构成的系统称为串级控制系统。两台控制器和一个控制阀构成的系统称为串级控制系统。1rQ1c1u2f2c1f 1pG主对象 2pG副对象 vG控制阀 2cG2u副控制器 1cG主控制器1mH主变送器1y2mH副变送器2y主回路副回路串级控制系统方块图串级控制系统工作过程设定值控制

3、阀流 量控制器测量变送温 度控制器温度对象测量变送釜温流量对象扰动作用副回路扰动作用主回路气开反反蒸汽进料精馏塔FCTC串级控制系统的特点n在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象特征，使控制过程加快，具有超前控制的作用。Y对象2控制阀副控制器测量变送2对象1测量变送1主控制器F2F1XcbaY对象2X控制阀控制阀对象1F2F1测量变送abc 单回路控制系统单回路控制系统 串级控制系统串级控制系统n在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路；在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路；有两个控制器：主控制器和副控制器；有两个测量变送器。有两个控制器：主

4、控制器和副控制器；有两个测量变送器。串级控制系统的特点设定值控制阀流 量控制器干扰测量变送温 度控制器温度对象干扰测量变送釜温流量对象定值控制系统随动控制系统串级控制系统n串级控制系统由于增加了副回路，具有有一定的自适应能力串级控制系统由于增加了副回路，具有有一定的自适应能力。设定值控制阀副控制器干扰副测量变送主控制器主对象干扰主测量变送主变量副对象串级控制系统的设计n串级控制系统副参数的选择及副回路的设计主副变量间应有一定的内在联系系统的主要干扰应包围在副回路中在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰副变量的选择应考虑主副对象时间常数的匹配，防止共振的发生当对象具有较大的纯滞后而影响控制质

5、量时，在选择副变量时应使副环 尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后串级控制系统的设计n主副控制器正反作用的选择实例设定值控制阀流 量控制器测量变送温 度控制器温度对象测量变送釜温流量对象 当主、副变量在增加（或减小）时，为使主、副变量减小（或增加），要求控制阀当主、副变量在增加（或减小）时，为使主、副变量减小（或增加），要求控制阀的作用方向是一致的时候，主控制器应选择反作用；反之选正作用。的作用方向是一致的时候，主控制器应选择反作用；反之选正作用。反蒸汽进料精馏塔FCTC串级控制系统适应场合n被控对象的控制通道纯滞后时间较长，用单回路控制系统不能满足质量指被控对象的控制通道纯滞后时间较长，用单回路控

6、制系统不能满足质量指标标n对象容量滞后比较大，用单回路控制系统不能满足质量指标对象容量滞后比较大，用单回路控制系统不能满足质量指标n控制系统内存在变化激烈且幅值很大的干扰控制系统内存在变化激烈且幅值很大的干扰 n被控对象具有较大的非线性，而负荷变化又较大被控对象具有较大的非线性，而负荷变化又较大 比值控制系统比值控制系统比值控制系统-实现两个或两个机上参数符合实现两个或两个机上参数符合 一定比一定比例例 关系的控制系统关系的控制系统 主物料主物料-处于主导地位的物料处于主导地位的物料 表征该物料的参数为主动量表征该物料的参数为主动量F F1 1（主流量）（主流量）从物料从物料-随主物料的变化呈

7、比例的变化的另一种物料随主物料的变化呈比例的变化的另一种物料 表征该物料的参数表征该物料的参数从动量从动量F F2 2 （副流量副流量）12FFK 流量比值副流量主流量比值控制系统的类型n单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统F1CF2CF1F2F2执行器控制器F2C比值器对 象F1副测量变送主测量变送特点特点-两种物料流量之比较为精确，系统结构简单，实施方便。两种物料流量之比较为精确，系统结构简单，实施方便。不足不足-两种物料两种物料的总量（的总量（F1F1F F）不固定。）不固定。 比值控制系统的类型n单闭环比值控制系统与串级控制系统比较单闭环比值控制系统与串级控制系统比较F2执行器控制器F

8、2C比值器对 象F1副测量变送主测量变送副对象设定值控制阀主控制器干扰测量变送副控制器主对象干扰测量变送设定值主变量n双闭环比值控制系统比值控制系统的类型F1执行器给定主流量控制器主流量对象主测量、变送副测量、变送K副流量控制器副流量对象执行器F2KF1CF2CF1F2特点特点-两种物料流量之比精确，两种物料流量之比精确，其其总量（总量（F1F1F F）基本保持不变。）基本保持不变。不足不足-系统结构比较复杂，使用的仪表较多，投资较大，系统调整比较复杂。系统结构比较复杂，使用的仪表较多，投资较大，系统调整比较复杂。使用场合使用场合-主流量干扰频繁，工艺不允许有较大波动或工艺上经常需要提升负主流

9、量干扰频繁，工艺不允许有较大波动或工艺上经常需要提升负 荷的场合。荷的场合。n变比值比值控制系统变比值比值控制系统比值控制系统的类型TF2F1TTTCFCFT1FT2比值控制器主控制器控制阀流量对象主对象测量变送器F2Y干扰除法器测量变送器测量变送器F1特点-两种物料流量的比值能灵活地随第三变量的需要而变化。比值控制系统的设计n主、从动量的确定n控制方案的选择n比值系数的计算生产过程中主要物料的流量为主动量，生产过程中主要物料的流量为主动量，次要物料的流量为从动量次要物料的流量为从动量。两物料中有一个物料的量为可测但不可控为两物料中有一个物料的量为可测但不可控为主动量，可控的物料为从主动量，可

10、控的物料为从动量。动量。根据各控制方案的特点及工艺的具体情况而确定根据各控制方案的特点及工艺的具体情况而确定。 (或) 12IIK 12PP12/FFK max2max1FFKKmax22max12FFKK流量比值信号比值非线性关系线性关系前馈控制系统n前馈控制系统与反馈控制比较干扰设定测量变送反馈控制器执行器被控变量对象 前馈控制比反馈控制及时有效前馈控制比反馈控制及时有效 前馈控制属于开环控制系统，反馈控制是闭环控制系统前馈控制属于开环控制系统，反馈控制是闭环控制系统 前馈控制使用的实施对象特性而定的专用控制器，反馈控制采用通用前馈控制使用的实施对象特性而定的专用控制器，反馈控制采用通用

11、PIDPID控制器控制器 一种前馈作用之能克服一种干扰，反馈控制只用一个控制器就可克服多一种前馈作用之能克服一种干扰，反馈控制只用一个控制器就可克服多 个干扰个干扰对象被控变量干扰前馈控制器测量变送执行器前馈控制系统的几种结构形式n静态前馈控制系统前馈控制器的输出信号是是干扰量和时间的函数。而当干扰通道和控制前馈控制器的输出信号是是干扰量和时间的函数。而当干扰通道和控制通道动态特性相同时，便可按静态关系确定前馈控制作用。通道动态特性相同时，便可按静态关系确定前馈控制作用。 如果主要干扰是进料流量的波动如果主要干扰是进料流量的波动，为了达到静态补偿应满足下式成立：，为了达到静态补偿应满足下式成立

12、：0)(fpmKKKF pfmKKK式中式中KpKp控制通道放大系数控制通道放大系数 KfKf干扰通道放大系数干扰通道放大系数 KmKm前馈放大器放大系数前馈放大器放大系数对象被控变量干扰前馈控制器测量变送执行器KmFCF1F2n动态前馈控制系统前馈控制系统的几种结构形式 动态前馈与静态前馈从控制系统的结构上看是一样的，只是前馈控制器的控制规律不同。动态前馈要求控制器的输出不仅仅是干扰量的函数，而且也是时间的函数。要求前馈控制器的校正作用使被控变量的静态和动态误差都接近或等于零。 tFFTba前馈控制系统的几种结构形式n前馈-反馈控制系统特点：特点：吸收前馈与反馈控制的优点，即前馈控制作用及时

13、的优点及反吸收前馈与反馈控制的优点，即前馈控制作用及时的优点及反馈控制能克服多个扰动和具有对被控参数进行反馈检测的长处。馈控制能克服多个扰动和具有对被控参数进行反馈检测的长处。实例FTFFCTTTCTT0FG控制阀对象设定测量变送反馈控制器前馈控制器测量变送被控变量干扰前馈控制系统的应用场合 n 系统中存在着可测但不可控的变化幅度大，且频繁的系统中存在着可测但不可控的变化幅度大，且频繁的 干扰，这些干扰对被控参数影响显著，反馈控制达不干扰，这些干扰对被控参数影响显著，反馈控制达不 到质量要求时。到质量要求时。n 当控制系统的控制通道滞后时间较长，由于反馈控制当控制系统的控制通道滞后时间较长，由

14、于反馈控制 不及时影响控制质量时，可采用前馈或前馈反馈控不及时影响控制质量时，可采用前馈或前馈反馈控 制系统制系统 。均匀控制系统n均匀控制系统的基本概念均匀控制是在连续生产过程中各种设备前后紧密联系的情况下均匀控制是在连续生产过程中各种设备前后紧密联系的情况下提出来的一种特殊的液位（或气压）提出来的一种特殊的液位（或气压）流量控制。其目的在于流量控制。其目的在于使液位保持在一个允许的变化范围，而流量保持平稳。使液位保持在一个允许的变化范围，而流量保持平稳。LCFC1塔1塔22均匀控制系统小小 结：均匀控制系统，是指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地、结：均匀控制系统，是指两个工艺参数在规定范围

15、内能缓慢地、均匀地变化，使前后设备在物料供求上相互兼顾，均匀协调的系统。均匀地变化，使前后设备在物料供求上相互兼顾，均匀协调的系统。构成均匀控制系统，液位和流量两个参数的变化应满足如下要求：构成均匀控制系统，液位和流量两个参数的变化应满足如下要求：1. 1. 两个参数在控制过程中都应该是变化的，且变化是缓慢的。两个参数在控制过程中都应该是变化的，且变化是缓慢的。 2. 2. 两个参数必须在允许的范围内变化，均匀控制要求在最大干扰作用下，两个参数必须在允许的范围内变化，均匀控制要求在最大干扰作用下，液位在塔釜的上下限内波动，而流量应在一定的范围内平稳渐变，避免液位在塔釜的上下限内波动，而流量应在

16、一定的范围内平稳渐变，避免对后段工序产生较大的干扰。对后段工序产生较大的干扰。均匀控制系统n简单均匀控制系统LC特点特点-结构与单回路液位控制系统相同结构与单回路液位控制系统相同 控制规律采用纯比例控制控制规律采用纯比例控制 参数整定比例度大于参数整定比例度大于100%100%均匀控制系统n串级均匀控制系统FCLC 特点：特点： 结构与串级控制系统完全相同结构与串级控制系统完全相同 副环流量控制与串级副环相同副环流量控制与串级副环相同 副环参数整定与串级对副环的要求相同副环参数整定与串级对副环的要求相同 主控制器与简单均匀控制要求相同主控制器与简单均匀控制要求相同 主、副控制器一般都采用纯比例

17、控制规律主、副控制器一般都采用纯比例控制规律分程控制系统变送器控制器电气20100KPaAB60100 KPa2060 KPa20100KPa由一个控制器的输出信号分段分别去控制两个或两个由一个控制器的输出信号分段分别去控制两个或两个以上控制阀动作的系统称为分程控制系统以上控制阀动作的系统称为分程控制系统 分程控制系统10020601000阀压/kPa阀开度(%)20601000阀压/kPaB阀阀开度(%)100B阀A阀A阀10020601000阀压/kPa阀阀阀开度(%)BA20601000阀压/kPaA阀B阀阀开度(%)100分程控制方案中，阀的开闭形式，可分同向和异向两种 气开气闭分程控

18、制系统的应用n 用于扩大控制阀的可调范围用于扩大控制阀的可调范围例 1可调比：阀所能控制的最大流量与最小流量之比minmaxQQR 控制器AB 4maxAQ100maxBQ设：分程控制中使用的大小两只控制阀的最大流通能力分别为：且两个阀的可调范围相等： RA=RB=30若忽略大阀的泄露则其最小流通量为：134. 0304maxminAAARQQ最大流通能力为：maxAQ+1041004maxBQ所以两个阀组合在一起的可调范围扩大到： 780134. 0104R分程控制系统的应用n 用于控制满足工艺上操作的特殊要求用于控制满足工艺上操作的特殊要求例 2间歇式反应器的温度分程控制冷水TC蒸汽“B”

19、气开阀“A”气关阀1000.020.060.1“B”“A”0MPa气关阀气开阀阀开度(%)气开气关反分程控制系统的应用例 3n 用于控制满足工艺上操作的特殊要求用于控制满足工艺上操作的特殊要求PC排空气关阀“B”“A”气开阀N2N21000.020.060.1“B”“A”0MPa气关阀气开阀阀开度(%)分程控制系统n 分程控制应用中的几个问题分程控制应用中的几个问题 控制阀的泄漏量问题 控制阀流量特性的选择除考虑对象特性外更应注意在分程点处控制 阀的放大系数可能出现突变 分程控制控制器控制规律的选择及其参数整定可参照简单控制系统处理 选择性控制系统非正常工况一般采取的处理方法有两种：非正常工况一般采取的处理方法有两种：连锁保护紧急性停车连锁保护紧急性停车自动切换至手动自动切换至手动选择性控制系统选择性控制系统-当生产操作趋向限制条件时，一个用于控制不安当生产操作趋向限制条件时，一个用于控制不安全工况的控制方案将取代正常情况下的控制方案，直到生产操作重新回全工况的控制方案将取代正常情况下的控