第7章复杂控制系统2ppt课件

1、第第7章章 复杂控制系统复杂控制系统(续续)比值控制系统比值控制系统2前馈控制系统前馈控制系统串级控制系统串级控制系统3 1均匀控制系统均匀控制系统4分程控制系统分程控制系统5多冲量控制系统多冲量控制系统7选择性控制系统选择性控制系统637-2 比值控制系统比值控制系统 一、概述一、概述用来实现两个或两个以上物料之间坚用来实现两个或两个以上物料之间坚持一定比值关系的控制系统，称为比持一定比值关系的控制系统，称为比值控制系统。值控制系统。主流量：在坚持比值关系的主流量：在坚持比值关系的两种物料中，处于主导位置，两种物料中，处于主导位置，称为主流量。称为主流量。副流量：另一种物料按主物副流量：另一

2、种物料按主物料进展配比，称为副流量。料进展配比，称为副流量。主流量主流量副流量副流量主流量和副流量确定原那么：主流量和副流量确定原那么：常将主要物料定为主流量，次要流量定为副流量；常将主要物料定为主流量，次要流量定为副流量；将不可控流量定为主流量，将可控流量定为副流量。将不可控流量定为主流量，将可控流量定为副流量。主流量主流量副流量副流量p假设用假设用F1表示主流量，表示主流量，F2表示副流量，那么表示副流量，那么F1和和F2之间应满足一定的比值关系：之间应满足一定的比值关系： F2=K*F1二、比值控制的类型二、比值控制的类型 1开环比值控制开环比值控制比值控制系统中最简单的控制方案，组成原

3、理及方块图比值控制系统中最简单的控制方案，组成原理及方块图如下图。如下图。 主流量主流量副流量副流量P控制器控制器优点：实施方便，只需一台比优点：实施方便，只需一台比例控制器即可，且比值调整容例控制器即可，且比值调整容易。易。 开环比值控制方案分析：开环比值控制方案分析：缺陷：对副流量缺陷：对副流量F2而言，该控而言，该控制方案是一个开环系统，当制方案是一个开环系统，当F2因管线两端压力动摇发生变化因管线两端压力动摇发生变化时没有控制造用，此时，很难时没有控制造用，此时，很难保证保证F2与与F1间的比值关系。间的比值关系。运用场所：适用于副流量较平运用场所：适用于副流量较平稳且比值要求不高的场

4、所。实稳且比值要求不高的场所。实践消费中，践消费中，F2的干扰经常是不的干扰经常是不可防止的，因此这种方案运用可防止的，因此这种方案运用较少。较少。2 2单闭环比值控制单闭环比值控制目的：改良开环比值控制，防止目的：改良开环比值控制，防止F2F2动摇的影响。动摇的影响。单闭环比值控制如下图，图中的单闭环比值控制如下图，图中的K K表示比值计算器，比表示比值计算器，比值计算器的输入信号为主流量信号，值计算器的输入信号为主流量信号，K=F2/F1K=F2/F1。 单回路单回路闭环流闭环流量控制量控制单闭环比值控制优缺陷单闭环比值控制优缺陷p优点：优点：p对进入副流量回路的干对进入副流量回路的干扰都

5、有较好的抑制造用。扰都有较好的抑制造用。p构造简单，在消费中得构造简单，在消费中得到广泛运用。到广泛运用。p缺陷：该方案无法保证缺陷：该方案无法保证主流量的稳定。当主流量主流量的稳定。当主流量动摇较大时，无法保证系动摇较大时，无法保证系统流量比。统流量比。 3 3双闭环比值控制双闭环比值控制要求两种物料之间坚持准确的比例关系，且还要求两要求两种物料之间坚持准确的比例关系，且还要求两种物料的流量也坚持相对的稳定种物料的流量也坚持相对的稳定. .双闭环是在单闭环比值控制根底上，增设了主流量控双闭环是在单闭环比值控制根底上，增设了主流量控制回路构成。制回路构成。双闭环比值控制系统方块图：双闭环比值控

6、制系统方块图：双闭环比值控制优缺陷双闭环比值控制优缺陷p优点：优点：p对进入主、副流量回路的干扰都有较好的抑制对进入主、副流量回路的干扰都有较好的抑制造用。不论系统处于静态，还是动态，都能实现造用。不论系统处于静态，还是动态，都能实现比较准确的流量比。比较准确的流量比。p当系统改动负荷时，只需改动主流量控制器的当系统改动负荷时，只需改动主流量控制器的给定值就能方便地实现。给定值就能方便地实现。p缺陷：该方案仪表多、投资高。要求主流量可缺陷：该方案仪表多、投资高。要求主流量可控。控。4变比值控制变比值控制变比值控制：消费过程要求两种物料的配比根据第三变比值控制：消费过程要求两种物料的配比根据第三

7、参数的需求而自动调整。参数的需求而自动调整。例：硝酸消费过程中的氧化炉设备的控制例：硝酸消费过程中的氧化炉设备的控制分析：分析：要求氨气和空气混合后进入炉内，在铂触媒的作用下，进展要求氨气和空气混合后进入炉内，在铂触媒的作用下，进展氧化反响生成硝酸气体，这一过程是放热反响。氧化反响生成硝酸气体，这一过程是放热反响。炉温作为间接表征氧化消费的质量目的。影响氧化炉温度的炉温作为间接表征氧化消费的质量目的。影响氧化炉温度的干扰要素很多，其中氨气和空气的比值对反响温度影响很大。干扰要素很多，其中氨气和空气的比值对反响温度影响很大。方块图：7-3 前馈控制系统前馈控制系统一、概述一、概述在反响控制中，控

8、制器是按照偏向在反响控制中，控制器是按照偏向进展控制造用的。进展控制造用的。干扰干扰控制造控制造用往往用往往不及时不及时p 为了弥补反响控制的上述缺陷，即使有干扰存为了弥补反响控制的上述缺陷，即使有干扰存在，只需能预先加以补偿，控制系统能防止偏在，只需能预先加以补偿，控制系统能防止偏向出现。向出现。p 控制系统在干扰还没有影响到被控变量之前就控制系统在干扰还没有影响到被控变量之前就产生控制造用，该系统称为前馈控制。产生控制造用，该系统称为前馈控制。干扰干扰前馈控制器前馈控制器p例：换热器前馈控制的任务原理例：换热器前馈控制的任务原理虚线：反响控制虚线：反响控制实线：前馈控制实线：前馈控制进料流

9、量动摇进料流量动摇换热器前馈控制原理：换热器前馈控制原理：当进料流量当进料流量F1变化时，前馈控制器根据输入信号运算后，输出变化时，前馈控制器根据输入信号运算后，输出控制信号，相应改动阀门开度，使蒸汽量变化，以补偿进料量控制信号，相应改动阀门开度，使蒸汽量变化，以补偿进料量F1变化对温度变化对温度2的影响。的影响。前馈控制过程：前馈控制过程：图图7-15 7-15 是进料量是进料量F1F1添加时，采添加时，采用前馈控制的补偿过程。用前馈控制的补偿过程。F1扰动引起出口温度降低扰动引起出口温度降低前馈控制翻开阀门，前馈控制翻开阀门，出口温度升高出口温度升高出口温度的实践值出口温度的实践值只需干扰

10、通道和调理通道的特性只需干扰通道和调理通道的特性相匹配，那么前馈控制完全有能相匹配，那么前馈控制完全有能够抵消进料量的影响，使出口温够抵消进料量的影响，使出口温度稳定。可见，前馈控制实现了度稳定。可见，前馈控制实现了对扰动的全补偿。对扰动的全补偿。F1添加添加p前馈控制系统的特点：前馈控制系统的特点：p 前馈控制系统是基于扰动来消除干扰要素对被控变量的前馈控制系统是基于扰动来消除干扰要素对被控变量的影响；反响控制基于偏向大小来消除干扰。影响；反响控制基于偏向大小来消除干扰。p在扰动发生后，前馈控制造用比反响控制造用更为及时在扰动发生后，前馈控制造用比反响控制造用更为及时和有效。和有效。p前馈控

11、制系统是一种开环控制系统。反响控制是一种闭前馈控制系统是一种开环控制系统。反响控制是一种闭环控制系统。环控制系统。p前馈控制系统只对它所丈量的扰动量有校正作用，而对前馈控制系统只对它所丈量的扰动量有校正作用，而对系统中的其他未测干扰那么无能为力，反响控制对进入闭系统中的其他未测干扰那么无能为力，反响控制对进入闭环的一切扰动均有校正作用。环的一切扰动均有校正作用。p前馈控制器的控制规律是根据对象特性确定的。由于大前馈控制器的控制规律是根据对象特性确定的。由于大多数对象的特性是不同的，所以在前馈控制中，需求采用多数对象的特性是不同的，所以在前馈控制中，需求采用各种方式的公用前馈控制器，而不是采用通

12、用的各种方式的公用前馈控制器，而不是采用通用的PID控制控制器。反响控制采用通用器。反响控制采用通用PID控制器。控制器。 换热器静态前馈控制换热器静态前馈控制热交换器是运用前馈控制热交换器是运用前馈控制较多的场所，换热器有滞较多的场所，换热器有滞后大、时间常数大、反响后大、时间常数大、反响慢的特性，前馈控制就是慢的特性，前馈控制就是针对这种对象特性设计的，针对这种对象特性设计的，故能很好发扬作用。故能很好发扬作用。 二、前馈控制的构造方式二、前馈控制的构造方式p静态前馈控制静态前馈控制KF2F121201FKF根据热平衡原理：放热量根据热平衡原理：放热量=吸热量吸热量psCKH2120120

13、2sHsPF HFc为 的设定值为蒸汽汽化潜热令令KF2F1静态前馈控制如图，经过调整静态前馈控制如图，经过调整K值，到达校正效果。值，到达校正效果。缺陷：缺陷：1、静态模型的准确性问题；、静态模型的准确性问题； 2、只能针对详细的扰动设计。、只能针对详细的扰动设计。那么：那么：p前馈前馈- -反响复合控制反响复合控制虚线：反响控制；虚线：反响控制；实线：前馈控制。实线：前馈控制。干扰干扰前馈控制器前馈控制器+ 三、前馈控制的运用三、前馈控制的运用对象的纯滞后较大，反响控制难以满足工艺要求，对象的纯滞后较大，反响控制难以满足工艺要求，可采用前馈控制。可采用前馈控制。系统中存在变化频繁，动摇幅值

14、大，对被控变量系统中存在变化频繁，动摇幅值大，对被控变量影响显著的干扰，反响控制又难以抑制，采用前馈影响显著的干扰，反响控制又难以抑制，采用前馈控制。控制。当主要干扰为可测、不可控变量，无法将其纳入当主要干扰为可测、不可控变量，无法将其纳入到串级控制的副回路时，可采用前馈控制。到串级控制的副回路时，可采用前馈控制。 7-4 均匀控制系统均匀控制系统一、背景一、背景例：多塔分别过程例：多塔分别过程图中甲塔出料量即为乙塔进料量。图中甲塔出料量即为乙塔进料量。甲塔需坚持塔釜液位的稳定，设计了液甲塔需坚持塔釜液位的稳定，设计了液面控制系统；乙塔希望进料量坚持不变，面控制系统；乙塔希望进料量坚持不变，设

15、计了流量控制系统。设计了流量控制系统。p当甲塔塔釜液位在干扰作用下上升时，液位控制发出信号当甲塔塔釜液位在干扰作用下上升时，液位控制发出信号使阀使阀1 1开大，从而使乙塔进料流量添加。于是乙塔流量控制开大，从而使乙塔进料流量添加。于是乙塔流量控制产生控制造用又使阀产生控制造用又使阀2 2关小，其结果会使甲塔液位升高，如关小，其结果会使甲塔液位升高，如此下去，这两个控制系一致直在相互矛盾形状下任务。此下去，这两个控制系一致直在相互矛盾形状下任务。相互矛盾相互矛盾!p处理方法处理方法1：从工艺设计角度，添加缓冲罐，投资添加：从工艺设计角度，添加缓冲罐，投资添加p处理方法处理方法2：均匀控制：均匀控

16、制p可实现前后设备在物料供求关系上相互协调、统筹兼顾可实现前后设备在物料供求关系上相互协调、统筹兼顾的控制系统称为均匀控制系统。的控制系统称为均匀控制系统。阀阀2阀阀1二、均匀控制的特点二、均匀控制的特点p只需液位控制：当把液位参数控制平稳时，进入下一个设只需液位控制：当把液位参数控制平稳时，进入下一个设备的流量就会产生较大的动摇。备的流量就会产生较大的动摇。 液位液位p 只需流量控制：当把流量参数控制平稳时，前一个只需流量控制：当把流量参数控制平稳时，前一个设备的液位也将出现大范围变化。设备的液位也将出现大范围变化。流量流量p要求：当某一个参数发要求：当某一个参数发生变化时，另一个参数也生变

17、化时，另一个参数也相应地发生变化，由于只相应地发生变化，由于只需经过这种变化才干缓解需经过这种变化才干缓解供求之间的矛盾。供求之间的矛盾。p均匀控制：可以实现前均匀控制：可以实现前后设备在物料供求关系上后设备在物料供求关系上相互协调、统筹兼顾的控相互协调、统筹兼顾的控制系统。制系统。特点：表征前后供求矛盾的两个参数都应该在各自允特点：表征前后供求矛盾的两个参数都应该在各自允许的动摇范围内缓慢变化。许的动摇范围内缓慢变化。三、均匀控制的构造方式三、均匀控制的构造方式设计要求：控制器不含微分作用；经过设计要求：控制器不含微分作用；经过PI参数整定到达均匀参数整定到达均匀控制效果。控制效果。7-5

18、分程控制系统分程控制系统一、根本概念一、根本概念 分程控制系统：由一个控制器的输出去分程控制系统：由一个控制器的输出去控制两个或两个以上执行器的系统。控制两个或两个以上执行器的系统。分程控制是经过阀门定位器来实现的。分程控制是经过阀门定位器来实现的。例：例：执行器执行器A A在在0.020.020.06MPa0.06MPa的范围内动作；的范围内动作；执行器执行器B B在在0.060.060.1MPa0.1MPa的范围内动作；的范围内动作；输出气压信号小于输出气压信号小于0.06MPa 的范围，执的范围，执行器行器A随着气压信号的随着气压信号的变化而改动开度；变化而改动开度；输出气压信号大于输出

19、气压信号大于0.06MPa 的范围，执的范围，执行器行器A挪动到极限位置挪动到极限位置开度不再变化，执行器开度不再变化，执行器B那么随着气压信号的那么随着气压信号的变化而改动开度。变化而改动开度。o分程控制的分类：分程控制的分类：o执行器同向动作的分程执行器同向动作的分程控制控制执行器反向动作的分程执行器反向动作的分程控制控制二、分程控制系统的运用二、分程控制系统的运用p扩展执行器的可调范围，以顺应不同消费负荷需求扩展执行器的可调范围，以顺应不同消费负荷需求p例：蒸汽压力分程控制例：蒸汽压力分程控制全关到全关到全开全开全关到全关到全开全开7-6 选择性控制系统选择性控制系统一、根本概念一、根本

20、概念在现代化的大型消费过程中，对自动在现代化的大型消费过程中，对自动控制的期望越来越高。不仅要求控制控制的期望越来越高。不仅要求控制系统能在正常工况下抑制外界干扰，系统能在正常工况下抑制外界干扰，而且还要求控制系统具有良好的应变而且还要求控制系统具有良好的应变才干。当消费操作到达极限时，能采才干。当消费操作到达极限时，能采取一些相应的维护措施，以防止事故取一些相应的维护措施，以防止事故的发生。的发生。属于维护措施的自动控制系统主要有属于维护措施的自动控制系统主要有两类：一类是硬维护控制，另一类是两类：一类是硬维护控制，另一类是软维护控制。软维护控制。硬维护控制，硬维护控制，ESDEmergen

21、cy Shutdown Device，紧急停车系，紧急停车系统统 。软维护控制，就是当消费操作出现异常情况时，软维护控制，就是当消费操作出现异常情况时，不使设备停车，而用另一套符合工艺平安逻辑关不使设备停车，而用另一套符合工艺平安逻辑关系的控制方案实现对消费的平安维护。选择性控系的控制方案实现对消费的平安维护。选择性控制系统就可以用于到达上述目的。制系统就可以用于到达上述目的。选择控制，又被称作取代控制，超驰控制。选择控制，又被称作取代控制，超驰控制。任务过程：在正常工况下，选择性控制系统基任务过程：在正常工况下，选择性控制系统基于抑制扰动的控制方案任务，而当消费操作条件于抑制扰动的控制方案任

22、务，而当消费操作条件趋向于平安极限时，系统立刻切换到一个用于控趋向于平安极限时，系统立刻切换到一个用于控制不平安情况的控制方案。待影响消费的不利要制不平安情况的控制方案。待影响消费的不利要素被抑制，消费操作重新回到平安范围时，正常素被抑制，消费操作重新回到平安范围时，正常工况下的控制方案又恢复对消费的控制。工况下的控制方案又恢复对消费的控制。二、选择性控制系统的实例分析二、选择性控制系统的实例分析 例：液氨蒸发器温度与液位选择控制例：液氨蒸发器温度与液位选择控制正常消费中，以被冷却物料的出口温度作为被控变量，正常消费中，以被冷却物料的出口温度作为被控变量，液氨流量作为支配变量构成单回路温度控制

23、系统。液氨流量作为支配变量构成单回路温度控制系统。平安性：液氨液位上升较高，能够将液氨夹带到紧缩机平安性：液氨液位上升较高，能够将液氨夹带到紧缩机中。中。冷却器冷却器紧缩机紧缩机热物料热物料正常消费正常消费冷物料冷物料p选择控制系统中选择方式确实定选择控制系统中选择方式确实定p阀门开闭方式选择：气开阀，阀门开闭方式选择：气开阀，+pTT，+p对象，液氮流量添加，温度降低，对象，液氮流量添加，温度降低，-p所以，所以，TC为正作用。为正作用。温度控制系统设计：温度控制系统设计：p阀门开闭方式选择：气开阀，阀门开闭方式选择：气开阀，+pLT，+p对象，液氮流量添加，液位升高，对象，液氮流量添加，液

24、位升高，+p所以，所以，LC为反作用。为反作用。液位控制系统设计：液位控制系统设计：-+-正常情况：正常情况：液位控制：液位控制：液位远低于设定值液位远低于设定值偏向较大偏向较大液位控制器输出较高液位控制器输出较高信号信号温度控制：温度控制：温度接近设定值温度接近设定值偏向较小偏向较小温度控制器输出温度控制器输出较小信号较小信号因此，设计一个低选器，构成温度因此，设计一个低选器，构成温度-液位选择控制回路。液位选择控制回路。LS：low selectHS：high selectp选择控制系统中选择方式确实定选择控制系统中选择方式确实定o选择性控制方块图选择性控制方块图p构成该系统应具备两方面构

25、成该系统应具备两方面: :p消费操作上有一定的选择性规律；消费操作上有一定的选择性规律；p组成控制系统的各个环节中，必需包含具有选组成控制系统的各个环节中，必需包含具有选择性功能的选择单元。择性功能的选择单元。p选择控制特点：选择控制特点：p通常系统中设有两个控制器；通常系统中设有两个控制器；p设有两个以上的变送器；设有两个以上的变送器；p设有选择器，选出能顺应消费平安情况的控制设有选择器，选出能顺应消费平安情况的控制信号，实现对消费过程的自动控制。信号，实现对消费过程的自动控制。7.7 多冲量控制系统多冲量控制系统冲量既变量的意思。多冲量控制系统，冲量既变量的意思。多冲量控制系统，也就是多变量控制系统。也就是多变量控制系统。p例：锅炉给水系统控制例：锅炉给水系统控制p在锅炉的正常运转中，汽包水位是重要在锅炉的正常运转中，汽包水位是重要的操作目的，给水控制系统的作用就是自的操作目的，给水控制系统的作用就是自动控制锅炉的给水量，使其顺应蒸发量的动控制锅炉的给水量，使其顺应蒸发量的变化，维持汽包水位在允许的范围内。变化，维持汽包水位在允许的范围内。p控制阀作用方式选择控制阀作用方式选择p保证锅炉平安防止烧干：保证锅炉平