化工仪表及自动化课件第七章__复杂控制系统

1、第七章第七章 复杂控制系统复杂控制系统本本 章内容章内容串级控制系统串级控制系统比值控制系统比值控制系统前馈控制系统前馈控制系统均匀控制系统均匀控制系统分程控制系统分程控制系统选择性控制系统选择性控制系统 一般情况下，单回路控制系统都能满足大部一般情况下，单回路控制系统都能满足大部分生产控制要求。但当被控对象的容量滞后比分生产控制要求。但当被控对象的容量滞后比较大，负荷变化比较剧烈、频繁，或者工艺对较大，负荷变化比较剧烈、频繁，或者工艺对产品质量要求很高，此时单回路控制系统就很产品质量要求很高，此时单回路控制系统就很难满足控制要求，这就需要设计复杂的控制系难满足控制要求，这就需要设计复杂的控制

2、系统对生产流程加以控制。统对生产流程加以控制。 复杂控制系统种类繁多，根据系统的结复杂控制系统种类繁多，根据系统的结构和所负担的任务来说，常见的复杂控制系构和所负担的任务来说，常见的复杂控制系统分为两大类：统分为两大类：提高响应曲线性能指标的控制系统提高响应曲线性能指标的控制系统，如串，如串级、前馈、纯滞后补偿等。级、前馈、纯滞后补偿等。按某些特定要求而开发的系统按某些特定要求而开发的系统，如比值、，如比值、均匀、分程、选择、推断等。均匀、分程、选择、推断等。 在复杂控制系统中，有两个被控过程、两套测量变在复杂控制系统中，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

3、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。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串级控制系统方块图图第一节、串级控制系统第一节、串级控制系统燃料原料管式加热炉出口温度控制系统管式加热炉出口温度控制系统温度控制器温度控制器执行器执行器炉膛炉膛炉膛壁炉膛壁出口管出口管温度检测变送器温度检测变送器给定值给定值1f2f3f1T2T系统方框图系统方框图燃料原料加热炉出炉温度串联控制系统加热炉出炉温度串联控制系统 解决滞后时间大与控制质量要求高之间解决

4、滞后时间大与控制质量要求高之间的矛盾，保持加热炉出口温度为某一定值的矛盾，保持加热炉出口温度为某一定值主控制器副控制器执行器温度对象2温度对象11测量变送器给定值1f2测量变送器212f1rQ1c1u2f2c1f 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串级控制系统方块图图主控制器副控制器执行器温度对象2温度对象11测量变送器给定值1f2测量变送器212f主控制器副控制器执行器副对象主对象主测量、变送器给定值1f副测量、变送器2Y1Y 2f燃料原料 1、干扰进入副回路、干扰进入副回路主控制器副控制

5、器执行器温度对象2温度对象11测量变送器给定值1f2测量变送器212f 2、干扰作用于主对象、干扰作用于主对象燃料原料主控制器副控制器执行器温度对象2温度对象11测量变送器给定值1f2测量变送器212f主控制器副控制器执行器副对象主对象主测量、变送器给定值1f副测量、变送器2Y1Y 2f3、干扰同时作用于副回路和主对象、干扰同时作用于副回路和主对象燃料原料 在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引入，改在系统特性上，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。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

6、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在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回在系统结构上，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。两个测量变送器。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定值控制系统制系统随动控随动控制系统制系统串级控制系统由于增加了副回路，具有有一定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。的自适应能力。设定值

7、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主副变量间应有一定的内在联系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，防止共振的发生共振的发生当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时，在选择当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时，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副变量时应使副环尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后1、主、副变量间应有一定的联系、主、

8、副变量间应有一定的联系燃料原料（1 1）选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量量（2 2）选择的副变量就是操作变量本身。选择的副变量就是操作变量本身。蒸汽蒸汽进料进料精精馏馏塔塔 FC TC2、系统的主要干扰应包围在副回路中系统的主要干扰应包围在副回路中燃料原料PCTC3、在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰、在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰燃料原料PCTC燃料原料4 4、副变量的选择应考虑主副对象时间常数的、副变量的选择应考虑主副对象时间常数的匹配，防止共振的发生匹配，防止共振的发生5 5、当对象具有较大的纯滞后而影响控制质

9、量、当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时，在选择副变量时应使副环尽量少包含纯滞时，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后或不包含纯滞后1、控制规律的选择、控制规律的选择给定值给定值控制阀控制阀副控副控制器制器干扰干扰副测量变送副测量变送主控主控制器制器主对象主对象干扰干扰主测量变送主测量变送主变量主变量副对象副对象 串级控制系统中主、副控制器的控制规律选择都应按照串级控制系统中主、副控制器的控制规律选择都应按照工艺要求来进行。工艺要求来进行。 主控制器一般选用主控制器一般选用PID控制规律，副控制器一般可选控制规律，副控制器一般可选P控控制规律。制规律。2、控制器正、反作用选

10、择、控制器正、反作用选择副控制器作用方式的确定，与简单控制系统相同。副控制器作用方式的确定，与简单控制系统相同。 主控制器主控制器副控制器副控制器执行器执行器副对象副对象主对象主对象主测量、变送器主测量、变送器给定值给定值1f副测量、变送器副测量、变送器2Y1Y2f 当主、副变量在增加（或减小）时，为使主、副当主、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。的时候，主控制器应选择反作用；反之选正作用。主控制器主控制器副控制器副控制器执行器执行器副对象副对象主对象主对象

11、主测量、变送器主测量、变送器给定值给定值1f副测量、变送器副测量、变送器2Y1Y燃料原料主副控制器正反作用的选择实例主副控制器正反作用的选择实例主控制器副控制器执行器温度对象2温度对象11测量变送器给定值1f2测量变送器21主副控制器正反作用的选择实例主副控制器正反作用的选择实例给定值给定值控制阀控制阀流流 量量控制器控制器测量变送测量变送温温 度度控制器控制器温度对象温度对象测量变送测量变送釜温釜温流量对象流量对象蒸汽蒸汽进料进料精精馏馏塔塔 FC TC被控对象的控制通道纯滞后时间较长，用单回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标路控制系统不能满足质量指标对象容量

12、滞后比较大，用单回路控制系统不能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满足质量指标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 被控对象具有较大的非线性，而负荷变化又较被控对象具有较大的非线性，而负荷变化又较大大 LCFC1塔塔1塔塔22均匀控制是在连续生产过程中各种设备前后紧密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（或气联系的情况下提出来的一种特殊的液位（或气压）压）流量控制。其目的在于使液位保持在一个流量控制。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。允许的变化范围，而流量保持平稳。第二节第

13、二节 均匀控制系统均匀控制系统构成均匀控制系统，液位和流量两个参数的变化应满构成均匀控制系统，液位和流量两个参数的变化应满足如下要求：足如下要求：1. 1. 两个参数在控制过程中都应该是变化的，且两个参数在控制过程中都应该是变化的，且变化是缓慢的。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下限内波动，而流量应在一定的范围内平稳渐变，避免对后段工序产生较大的干扰。变，避免对后段工序产生较大的干扰。小小 结结 均匀控制系统

14、，是指两个工艺参数在规均匀控制系统，是指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地、均匀地变化，使前后设定范围内能缓慢地、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。备在物料供求上相互兼顾，均匀协调的系统。LC特点特点-结构与单回路液位控制系统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相同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%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

15、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控制规律主、副控制器一般都采用纯比例控制规律比值控制系统比值控制系统-实现两个或两个以上实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统参数符合一定比例关系的控制系统 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Q1（主流量）（主流量）从物料从物料-随主物料的变化呈比例的变化的另一种随主物料的变化呈比例的变化的另一种物料，表征该物料的参数从动量物料，表征该物料的参数从动量Q2 （副流量）（副流量）21QKQ 流量比流量比值值副流量副流量主流量主流量1 1、单闭环比值控制系统

16、单闭环比值控制系统F1CF2CQ1Q2Q2执行器控制器F2C比值器对 象Q1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，系统两种物料流量之比较为精确，系统结构简单，实施方便。结构简单，实施方便。不足不足-两种物料的总量（两种物料的总量（Q1Q）不固）不固定。定。 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Q2执行器控制器F2C比值器对 象Q1副测量变送主测量变送设定值主控制器副控制器执行器副对象主对象主测量、变送器给定值1f副测量、变送器2Y1Y2、双闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统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

17、送K副流量控制器副流量对象执行器KF1CF2CQ1Q2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（Q Q1 1Q Q）基本）基本保持不变。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荷的场合。艺上经常需要提升负荷的场合。主、从动量的确定主、从动量的确定控制方案的选择控制方案的选择比值系数的计算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

18、料的流量为主动量，次要物料的次要物料的流量为从动量流量为从动量。两物料中有一个物料的量为可测但。两物料中有一个物料的量为可测但不可控为不可控为主动量，可控的物料为从动量。主动量，可控的物料为从动量。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燃料原料干扰给 定值测 量 变送反 馈 控制器执行器被控变量对象对象被 控 变量干扰前馈 控 制器测量变送执行器 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

19、制系统，反馈控制前馈控制属于开环控制系统，反馈控制是闭环控制系统是闭环控制系统 前馈控制使用的实施对象特性而定的专前馈控制使用的实施对象特性而定的专用控制器，反馈控制采用通用用控制器，反馈控制采用通用PIDPID控制器控制器 一种前馈作用之能克服一种干扰，反馈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控制只用一个控制器就可克服多个干扰静态前馈控制系统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。

20、关系确定前馈控制作用。 如果主要干扰是进料流量的波如果主要干扰是进料流量的波动动，为了达到静态补偿应，为了达到静态补偿应满足下式成立：满足下式成立：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KmFCF1F2动态前馈控制系统动态前馈控制系统 动态前馈与静态前馈从控制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

21、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作用使被控变量的静态和动态误差都接近或等于零。差都接近或等于零。 tFFTba前馈前馈-反馈控制系统反馈控制系统特点：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。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

22、 变量干扰 系统中存在着可测但不可控的变化幅度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，反馈控制达不到质量要求时。影响显著，反馈控制达不到质量要求时。 当控制系统的控制通道滞后时间较长，当控制系统的控制通道滞后时间较长，由于反馈控制不及时影响控制质量时，可由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采用前馈或前馈反馈控 制系统制系统 。选择性控制系统选择性控制系统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用于控制不

23、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到安全范围以内恢复原控制方案，直到生产操作重新回到安全范围以内恢复原控制方案为止。制方案为止。 选择性控制系统设有两个控制器（或多个变送器）选择性控制系统设有两个控制器（或多个变送器）由选择器选择出能适应生产安全状况的控制信号，实现由选择器选择出能适应生产安全状况的控制信号，实现对生产过程的自动控制。对生产过程的自动控制。非正常工矿一般采取的处理方法有两种非正常工矿一般采取的处理方法有两种 连锁保护紧急停车连锁保护紧急停车自动切换至手动自动切换至手动 气开阀液氨TC气氨TC气开阀液氨RTC气氨HCLS气开阀液氨液氨蒸发器（利液氨蒸

24、发器（利用液氨的汽化需用液氨的汽化需要吸收大量热量要吸收大量热量来冷却流管内物来冷却流管内物料）料）例例 1 TG LG vG LS TCmLGmTG LC 一个具有积分作用的控制器，当其处于开环工作状一个具有积分作用的控制器，当其处于开环工作状态时，如果偏差输入信号一直存在，那么由于积分作态时，如果偏差输入信号一直存在，那么由于积分作用的结果，将使控制器的输出不断增加或不断减小，用的结果，将使控制器的输出不断增加或不断减小，一直达到输出的极限值并保持在此极限值上，而控制一直达到输出的极限值并保持在此极限值上，而控制器暂时丧失了控制功能的现象，称为器暂时丧失了控制功能的现象，称为“积分饱和积分

25、饱和”现现象。象。 产生积分饱和的原因产生积分饱和的原因1、控制系统中控制器具有积分控制规律；、控制系统中控制器具有积分控制规律；2、控制器输入偏差长期存在得不到补偿。、控制器输入偏差长期存在得不到补偿。 防止积分饱和方法防止积分饱和方法1、限幅法、限幅法 通过专门的技术措施对积分反馈信号加以限制通过专门的技术措施对积分反馈信号加以限制（电动（电动 型仪表、电动型仪表、电动 型仪表中有专门设计型仪表中有专门设计的限幅控制器的限幅控制器 2、外反馈法、外反馈法 在控制器处于开环状态时，借用其它相应信号在控制器处于开环状态时，借用其它相应信号对控制器进行积分外反馈来限制积分的作用对控制器进行积分外反馈来限制积分的作用 3、积分切除法、积分切除法 在控制器处于开环工作状态时，就将控制器的在控制器处于开环工作状态时，就将控制器的积分作用切除掉积分作用切除掉 分程控制系统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两个或两个以上控制阀动作的系统称为分程控制系统程控制系统 10020601000阀压/kPa阀开度(%)20601000