第二部分 复杂控制系统

1、第二章 复杂控制系统2.1 串级控制系统2.2 前馈控制系统2.3 均匀控制系统2.4 比值控制系统2.5 分程控制系统2.6 选择性控制系统2.7 双重控制系统讲解重点实际应用多少2.1 CASCADE PERFORMANCE(串级控制串级控制) 串级控制系统示例串级控制系统示例国内在国内在6060年代初最早使用串级控制的示例：合成氨厂的硝年代初最早使用串级控制的示例：合成氨厂的硝酸生产过程酸生产过程氨氧活生成一氧化氮过程：氨氧活生成一氧化氮过程：被控变量：氧化炉温度被控变量：氧化炉温度操作变量：加入的氨量操作变量：加入的氨量被控变量：滞后大，时间常数大被控变量：滞后大，时间常数大干扰分析：

2、氨压力和流量影响大干扰分析：氨压力和流量影响大方案方案1 1：氨流量定值控制：氨流量定值控制 炉温是开环炉温是开环方案方案2 2：炉温定值控制：炉温定值控制 氨流量压力影响大氨流量压力影响大方案方案3 3：炉温主环，氨流量副环的串级控制：炉温主环，氨流量副环的串级控制 03228404546PtCNHONOH OQ Gc1(s):Gc1(s):主控制器主控制器。细调作用。定值控制。例如，温度控制器。细调作用。定值控制。例如，温度控制器Gc1(s):Gc1(s):副控制器副控制器。粗调作用。随动控制。例如，流量控制器。粗调作用。随动控制。例如，流量控制器y1y1: :主被控变量。主被控变量。 R

3、1R1: :主设定值。主设定值。 主被控对象：主被控对象：Gp1(s)Gp1(s)y2y2: :副被控变量。副被控变量。 R2R2: :副设定值。副设定值。 副被控对象：副被控对象：Gp2(s)Gp2(s)主回路主回路：由：由Gc1(s)Gc1(s)、Gc1(s)Gc1(s)、Gv(s)Gv(s)、Gp2(s)Gp2(s)、Gp1(s)Gp1(s)、和、和Gm1(s)Gm1(s)组成的回路组成的回路副回路副回路：由：由Gc2(s)Gc2(s)、Gv(s)Gv(s)、Gp2(s)Gp2(s)和和Gm2(s)Gm2(s)组成的回路组成的回路F2F2 : :进入副回路的扰动。进入副回路的扰动。 F1

4、F1：进入主回路的扰动。：进入主回路的扰动。两个控制串联连接，一个控制器的输出是另一个控制器的设定值两个控制串联连接，一个控制器的输出是另一个控制器的设定值有两个检测变送器、两个控制器和一个控制阀组成有两个检测变送器、两个控制器和一个控制阀组成主回路的定值控制和主回路的定值控制和副回路的随动（对主控制器输出）控制和定值（对副回路的干扰）控制副回路的随动（对主控制器输出）控制和定值（对副回路的干扰）控制CASCADE PERFORMANCE (串级控制）串级控制）2212221221111222122122212211()()111CVPPCVPmCVPCPmCVPmCCVPPCVPmCCVPP

5、GGGGGGGGysGGGRsGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGG1122111122212211122212211()()111PCVPCPmCVPmCCVPPmPCVPmCCVPPmysGGGGFsGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGG112222212211( )( )1PPCVPmCCVPPmy sG GFsGG GGG GG GG GCASCADE PERFORMANCE (串级控制）串级控制）能迅速克服进入副回路的扰动能迅速克服进入副回路的扰动v定性分析：定性分析：v定量分析：定量分析：CASCADE PERFORMANCE (串级控制）串级控制） 串级控制副环扰动

6、通道传函串级控制副环扰动通道传函 单回路控制副环扰动通道传函单回路控制副环扰动通道传函 因此因此串级控制系统中进入副环的等效干扰串级控制系统中进入副环的等效干扰是单回路控制时的是单回路控制时的串级控制系统的余差是单回路控制的串级控制系统的余差是单回路控制的这表明：这表明：由于串级控制系统的副回路存在，是进入副环的干扰在进入主环时已经大大由于串级控制系统的副回路存在，是进入副环的干扰在进入主环时已经大大减小，因此，能迅速克服进入副回路扰动的影响减小，因此，能迅速克服进入副回路扰动的影响在设计串级控制系统时，应尽量使干扰进入副回路，即在设计串级控制系统时，应尽量使干扰进入副回路，即应使主要干扰进入

7、副回路应使主要干扰进入副回路应使尽可能多的干扰进入副回路应使尽可能多的干扰进入副回路22222( )( )( )1( )( )( )2( )PCPY sGsF sGs G s Gs GmS222( )( )( )PY sGsF s2211( )( )( )2( )CPGs G s Gs GmS22221CCVPmKKK KKCASCADE PERFORMANCE (串级控制）串级控制）迅速克服进入副回路的扰动迅速克服进入副回路的扰动以加热炉出口温度控制为例：扰动分析以加热炉出口温度控制为例：扰动分析燃料：燃料油出口、流量、成份和热值等燃料：燃料油出口、流量、成份和热值等原料：原料进嘹亮、进料温

8、度等（不可控）原料：原料进嘹亮、进料温度等（不可控） 控制方案控制方案1 TC-FC1 TC-FC串级控制：用于克服燃油上游侧压力干扰的影响串级控制：用于克服燃油上游侧压力干扰的影响 燃油黏度大，易堵，不常采用燃油黏度大，易堵，不常采用2 TC-PC2 TC-PC串级控制：取压点在控制阀后，用于克服压力影响串级控制：取压点在控制阀后，用于克服压力影响 喷嘴易堵，使用时要增加报警系统喷嘴易堵，使用时要增加报警系统3 TC-TC 3 TC-TC 串级控制：炉内温度作为副被控变量，常用于克服燃串级控制：炉内温度作为副被控变量，常用于克服燃料影料影响，例如，成份、热值等。温度点不易找准响，例如，成份、

9、热值等。温度点不易找准4 TC 4 TC 单回路控制：炉温作为被控变量，滞后大，控制质量差单回路控制：炉温作为被控变量，滞后大，控制质量差CASCADE PERFORMANCE (串级控制）串级控制）改善注控制器的广义对象特性，提高工作频率改善注控制器的广义对象特性，提高工作频率改善主控制器的广义对象特性改善主控制器的广义对象特性定性分析定性分析如果副回路被整定成衰减振荡如果副回路被整定成衰减振荡副回路可近似成二阶振荡环节副回路可近似成二阶振荡环节低频时，幅值近似为低频时，幅值近似为1 1，相位差近似为，相位差近似为0 0即副回路可近似用即副回路可近似用1 1：1 1比例环节描述比例环节描述定

10、量分析定量分析副回路的等效传递函数是：副回路的等效传递函数是： 1,1,有有注意事项：注意事项：分隔在副回路的部分主对象应占一定分量分隔在副回路的部分主对象应占一定分量防止主、副环的共振现象出现防止主、副环的共振现象出现222222( )( )( )( )( )1( )( )( )CVPCVPGs Gs Gsy sR sGs Gs Gs22( )( )( )CVPGs Gs Gs22( )1( )ysR sCASCADE PERFORMANCE (串级控制）串级控制）对副回路内各环节特性有较强的鲁棒性对副回路内各环节特性有较强的鲁棒性副回路各环节参数变化对稳态副环增益的影响副回路各环节参数变化

11、对稳态副环增益的影响副环的稳态闭环增益是副环的稳态闭环增益是 ；设；设Km2=1,Km2=1, 因此，因此， 和和 均是未闭合时的均是未闭合时的说明说明Kc2Kc2、KvKv、Kp2Kp2参数变化引起的副环比环增益的变化不大参数变化引起的副环比环增益的变化不大即控制系统的控制品质不受即控制系统的控制品质不受Kc2Kc2、KvKv、Kp2 Kp2 参数变化的影响参数变化的影响2 2副环近似为副环近似为1 1：1 1比例环节，即环节内环节参数变化不影响它的输入比例环节，即环节内环节参数变化不影响它的输入输出关系输出关系副被控变量的检测如不采用开方器，则副环等效为开方器，引入非线副被控变量的检测如不

12、采用开方器，则副环等效为开方器，引入非线性性3 3主对象的非线线性特性，不能用选择控制阀的特性来补偿主对象的非线线性特性，不能用选择控制阀的特性来补偿但可通过非线性控制规律来补偿但可通过非线性控制规律来补偿 22222(0)1CVPCVPKK KMKK K22(0)PdMdK2(0)VdMdK22(0)CdMdK2221(1)CVPKK KCASCADE PERFORMANCE (串级控制）串级控制） 能更精确控制操纵变量的流量能更精确控制操纵变量的流量副回路是流量控制回路时副回路是流量控制回路时 由于阀门回差、阀前后压力等影响造成流量与控制其输出由于阀门回差、阀前后压力等影响造成流量与控制其

13、输出 不能一一对应不能一一对应副回路加入后，因副环近似为副回路加入后，因副环近似为1 1：1 1比例环节比例环节被控变量的流量与控制其输出能一一对应相等被控变量的流量与控制其输出能一一对应相等 例如在船机均匀控制系统中的流量副回路例如在船机均匀控制系统中的流量副回路可实现更灵活的操作方式可实现更灵活的操作方式当主检测元件或变送器故障时，可把主控制器切除当主检测元件或变送器故障时，可把主控制器切除在系统投运时，可采用主控工作方式，把副控制器切除在系统投运时，可采用主控工作方式，把副控制器切除正常运行时，可以采用串级控制的工作方式正常运行时，可以采用串级控制的工作方式CASCADE CONTROL

14、 (串级控制）串级控制）IMPLEMENTATION ISSUESCASCADE CONTROL (串级控制）串级控制）串级控制系统的投运和参数整定串级控制系统的投运和参数整定串级控制系统的投运：串级控制系统的投运：正确选择主副控制器的正反作用方式正确选择主副控制器的正反作用方式接线检查，应正确无误接线检查，应正确无误主控制器置（内给定），副控制器（外给定）主控制器置（内给定），副控制器（外给定）主控制器手动输出调整到接近等于副被控变量测量值时，副控制器切入自动主控制器手动输出调整到接近等于副被控变量测量值时，副控制器切入自动主控制器手动调整设定到接近等于主被控变量测量值时，主控制器切入自动主

15、控制器手动调整设定到接近等于主被控变量测量值时，主控制器切入自动串级控制系统的参数整定：串级控制系统的参数整定：一步法：副控参数一次设置，主控切自动后整定主控参数一步法：副控参数一次设置，主控切自动后整定主控参数两步法：先整定副控参数，再整定主控参数，交替整定到最优两步法：先整定副控参数，再整定主控参数，交替整定到最优 CASCADE CONTROL (串级控制）串级控制）串级控制系统的投运与参数整定的方法有关，两步法整定参数的系统投串级控制系统的投运与参数整定的方法有关，两步法整定参数的系统投运步骤下。运步骤下。1、设置主控制器为、设置主控制器为“内给内给”、“手动手动”，设置副控制器为，设

16、置副控制器为“外给外给”、“手动手动”。2、主控制器手动输出，调整副控制器手动输出至偏差为零时，将副控、主控制器手动输出，调整副控制器手动输出至偏差为零时，将副控制器切制器切“自动自动”3、整定副控制器参数，使副被控变量的响应满足所需性能指标（例如、整定副控制器参数，使副被控变量的响应满足所需性能指标（例如衰减比指标）衰减比指标）4、调整主控制器手动输出至偏差为零时，将主控制器切、调整主控制器手动输出至偏差为零时，将主控制器切“自动自动”5、整定主控制器参数，使主被控变量的响应满足所需性能指标（例如、整定主控制器参数，使主被控变量的响应满足所需性能指标（例如衰减比指标、余差等）衰减比指标、余差

17、等）串级控制系统的投运宜先副后主，由于设置副环的目的是提高主被控变串级控制系统的投运宜先副后主，由于设置副环的目的是提高主被控变量的控制品质，因此，对副控制器参数整定的结果不应作过多限制，应量的控制品质，因此，对副控制器参数整定的结果不应作过多限制，应以快速、准确跟踪主控制器输出为整定参数的目标。当工艺过程对副被以快速、准确跟踪主控制器输出为整定参数的目标。当工艺过程对副被控变量也有一定控制指标要求时（例如精确流量测量等），可采用逐步控变量也有一定控制指标要求时（例如精确流量测量等），可采用逐步逼近法整定参数，使副被控变量也能够满足所需控制指标。逼近法整定参数，使副被控变量也能够满足所需控制指

18、标。IMPLEMENTATION ISSUES (串级控制）串级控制）示例一：加热炉出口温度和炉膛温度串级控制系统示例一：加热炉出口温度和炉膛温度串级控制系统主被控变量：原料出口温度主被控变量：原料出口温度副被控变量：炉膛温度副被控变量：炉膛温度控制阀：从安全考虑，选气开，控制阀：从安全考虑，选气开，KvKv为正为正副对象：控制阀打开，炉膛温度升高，副对象：控制阀打开，炉膛温度升高，Kp2Kp2为正为正副控制器：副控制器：Kc2Kc2为正，即反作用控制器为正，即反作用控制器主对象：炉膛温度升高，出口温度升高，主对象：炉膛温度升高，出口温度升高， Kp1Kp1为正为正主控制器：主控制器：Kc1K

19、c1为正，即反作用控制器为正，即反作用控制器Kc2Kc2为正，因此，切主控时，主控制器不改变作用方式为正，因此，切主控时，主控制器不改变作用方式 IMPLEMENTATION ISSUES (串级控制）串级控制）示例三：锅炉液位和给水量串级控制系统示例三：锅炉液位和给水量串级控制系统主被控变量：锅炉液位主被控变量：锅炉液位副被控变量：给水流量副被控变量：给水流量控制阀：从安全考虑，选气关，控制阀：从安全考虑，选气关，KvKv为负为负副对象：控制阀打开，流量增大，副对象：控制阀打开，流量增大，Kp2Kp2为正为正副控制器：副控制器：Kc2Kc2为负，即正作用控制器为负，即正作用控制器主对象：给水

20、量增加，液位升高，主对象：给水量增加，液位升高， Kp1Kp1为正为正主控制器：主控制器：Kc1Kc1为正，即反作用控制器为正，即反作用控制器Kc2Kc2为负，因此，切主控时，主控制器改变为负，因此，切主控时，主控制器改变作用方式作用方式IMPLEMENTATION ISSUES (串级控制）串级控制） 串级控制系统的余差串级控制系统的余差主、副广义对象为一阶惯性环节，分析主、副控制器采用不同控制规律下，串级控制主、副广义对象为一阶惯性环节，分析主、副控制器采用不同控制规律下，串级控制系统的余差。即系统的余差。即扰动进入副环：扰动为单位阶跃信号，扰动进入副环：扰动为单位阶跃信号， 串级控制系统

21、余差为：串级控制系统余差为：当主控制器和副控制器都为当主控制器和副控制器都为P P控制规律时，串级控制系统余差为：控制规律时，串级控制系统余差为：当主、副控制器中有一个具有积分作用时，串级控制系统的余差均为零。当主、副控制器中有一个具有积分作用时，串级控制系统的余差均为零。扰动进入主环：扰动为单位阶跃信号，扰动进入主环：扰动为单位阶跃信号， 串级控制系统余差为：串级控制系统余差为：当主控制器为当主控制器为PIPI，副控制器为，副控制器为P P或或PIPI时，串级控制系统才没有余差，其他情况，串级时，串级控制系统才没有余差，其他情况，串级控制系统有余差。控制系统有余差。主控制器要采用主控制器要采

22、用PIPI控制规律，才能保证扰动作用下系统无余差。控制规律，才能保证扰动作用下系统无余差。 111( )1OOOKGsT222( )1OOOKGsT21( )F ss1200121221212( )lim( )lim(1)(1)(1)( )( )( )OOssOOOOCOOCCK KesY sT sT sT sK GsK K Gs Gs 12221212()01OOCOOOCCKKeKKKKKK21( )F ss1112200121221212(1)( )( )lim( )lim(1)(1)(1)( )( )( )OOOOCssOOOOCOOCCT sKK KGsesY sT sT sT sK

23、GsK KGs Gs IMPLEMENTATION ISSUES (串级控制）串级控制） 串级控制系统中防积分饱和问题串级控制系统中防积分饱和问题产生积分饱和的原因：外因是偏差长期存在产生积分饱和的原因：外因是偏差长期存在 内因是控制器有积分作用内因是控制器有积分作用 图示间歇示夹套反应釜串级控制系统图示间歇示夹套反应釜串级控制系统 开始时，釜温低，主控制器输出生到上限，进入饱和开始时，釜温低，主控制器输出生到上限，进入饱和 同时，副控制器设定上升，控制阀全开，也进入饱和同时，副控制器设定上升，控制阀全开，也进入饱和 使退出积分饱和的时间更长，控制更不及时，超调更严使退出积分饱和的时间更长，控

24、制更不及时，超调更严重重 防积分饱和的有效方法是采用积分外反馈，即消除内因防积分饱和的有效方法是采用积分外反馈，即消除内因 串级控制系统使用副被控变量作为主控制器的积分外反串级控制系统使用副被控变量作为主控制器的积分外反馈信号馈信号 图中的蓝色箭头表示的是积分外反馈信号图中的蓝色箭头表示的是积分外反馈信号111211( )( )( )( )1CiU sKE sY sTs采用积分外反馈，即消除内因采用积分外反馈，即消除内因用副被控变量作用主控制器的积分外反馈信号用副被控变量作用主控制器的积分外反馈信号副控制器有副控制器有I I作用，稳态时：作用，稳态时：y2=v2=u1,y2=v2=u1,与采用

25、与采用u1u1作为积分正反馈作为积分正反馈时相同。时相同。 动态时：动态时：即主控制器的输出与主控制器的偏差成比例，比例增益为即主控制器的输出与主控制器的偏差成比例，比例增益为Kc1Kc1，由副控制器测量信号确定偏置值。由副控制器测量信号确定偏置值。即稳态时，主控制器时即稳态时，主控制器时PIPI控制作用。控制作用。当当y2y2u1u1时，时，u1u1的增长不会超过一定的极限，即不会发生积分饱和的增长不会超过一定的极限，即不会发生积分饱和。1111111111( )( )( )()( )( ) 1( ) 1CCiiU sK E sU sKE sTsTsIMPLEMENTATION ISSUES

26、 (串级控制）串级控制）串级控制系统变形串级控制系统变形1.引入中间辅助变量的串级控制系统引入中间辅助变量的串级控制系统TYTY（G Gd d）是微分单元，稳态时，它的输出为零）是微分单元，稳态时，它的输出为零当受扰动影响时，当受扰动影响时，T T2 2先变化，引入超前控制作用先变化，引入超前控制作用克服了扰动的影响克服了扰动的影响主控制器相当于员控制器串接积分主控制器相当于员控制器串接积分副控制器是微分控制器副控制器是微分控制器等效的串级控制系统框图如下等效的串级控制系统框图如下：串级控制系统变形串级控制系统变形TYTY（G Gd d）是微分单元，稳态时，它的输出为零）是微分单元，稳态时，它

27、的输出为零当受扰动影响时，当受扰动影响时，T T2 2先变化，引入超前控制作用先变化，引入超前控制作用克服了扰动的影响克服了扰动的影响主控制器相当于员控制器串接积分主控制器相当于员控制器串接积分副控制器是微分控制器副控制器是微分控制器等效的串级控制系统框图如下：等效的串级控制系统框图如下：串级控制系统变形串级控制系统变形2.引入阀门定位器的串级控制系统引入阀门定位器的串级控制系统 副环：放大器、膜头、阀杆回差非线性环节和凸轮等组成副环：放大器、膜头、阀杆回差非线性环节和凸轮等组成主环：原控制系统（除执行器的执行机构）主环：原控制系统（除执行器的执行机构）副环采用固定放大系数的放大器副环采用固定

28、放大系数的放大器 反馈凸轮使副环具有非线性特性反馈凸轮使副环具有非线性特性此外，有浮动阀组成的单回路控制系统此外，有浮动阀组成的单回路控制系统也可组成串级控制系统也可组成串级控制系统 2.2 FEEDFORWARD CONTROL （前馈控制）（前馈控制） 换热器出口稳定的反馈控制系统换热器出口稳定的反馈控制系统原料进料量变化（扰动）原料进料量变化（扰动）温度变化温度变化与设定值间有偏差与设定值间有偏差控制作用变化控制作用变化控制阀开度变化控制阀开度变化加热量变化加热量变化出口温度回出口温度回复复反馈控制：按偏差调节：闭环控制；可克服多种干扰影响反馈控制：按偏差调节：闭环控制；可克服多种干扰影

29、响反馈控制规律通常采用反馈控制规律通常采用PIDPID：但调节不及时：但调节不及时 热器出口温度的前馈控制系统热器出口温度的前馈控制系统前馈控制：按扰动调节；开环控制；前馈控制：按扰动调节；开环控制；前馈控制采用前馈控制规律；克服单一扰动前馈控制采用前馈控制规律；克服单一扰动 前馈控制调节前馈控制调节及时及时 一、单纯的前馈控制系统一、单纯的前馈控制系统单纯的前馈控制系统是开环控制系统单纯的前馈控制系统是开环控制系统它与开环比值控制系统相似它与开环比值控制系统相似 一个流量的变化（扰动）去改变另一个流量一个流量的变化（扰动）去改变另一个流量或作为另一个流量控制器的外部设定值或作为另一个流量控制

30、器的外部设定值 单纯的前馈控制系统是不常采用的单纯的前馈控制系统是不常采用的 FEEDFORWARD CONTROL （前馈控制）（前馈控制） 二、前馈作用和反馈作用相乘的前馈二、前馈作用和反馈作用相乘的前馈- -反馈控制系统反馈控制系统该控制系统实质上比值控制系统该控制系统实质上比值控制系统 但控制的目的不同但控制的目的不同: : 这里，一个流量（进料量）是扰动量这里，一个流量（进料量）是扰动量 另一个流量是操纵变量另一个流量是操纵变量 而在比值控制系统中，两个流量都是操纵变量前馈控而在比值控制系统中，两个流量都是操纵变量前馈控制采用静态前馈时，与变比值控制系统有相同结构制采用静态前馈时，与

31、变比值控制系统有相同结构 FEEDFORWARD CONTROL （前馈控制）（前馈控制）这是最常用的前馈这是最常用的前馈- -反馈控制系统的结构反馈控制系统的结构原料流量是干扰，它作为前馈信号，与控制器输原料流量是干扰，它作为前馈信号，与控制器输出信号相加出信号相加从安全角度考虑，控制阀选气开从安全角度考虑，控制阀选气开燃料量副对象燃料量副对象K Kp2p2为正，为正，G Gc2c2选反作用，选反作用，K Kc2c2为正为正温度主对象温度主对象K Kp1p1为正，为正，G Gc1c1选反作用，选反作用，K Kc1c1为原料量增为原料量增加，温度下降，加，温度下降，K Kf f为负，又为负，又

32、K Kp1p1为正，因此，静态前馈放大系数为正，因此，静态前馈放大系数K Kffff为正为正偏置偏置B B补偿正常时原料流量补偿正常时原料流量F F的输出的输出K KffffFEEDFORWARD CONTROL （前馈控制）（前馈控制）Implementation issues扰动变量的选择扰动变量的选择前馈控制是扰动控制的。因此，扰动必须可测前馈控制是扰动控制的。因此，扰动必须可测如果扰动可测，可直接采用反馈控制系统来控制，即前馈如果扰动可测，可直接采用反馈控制系统来控制，即前馈控制的扰动变量通常不可控或不易控制控制的扰动变量通常不可控或不易控制气亏控制对单一扰动控制，因此，扰动应是主要扰

33、动气亏控制对单一扰动控制，因此，扰动应是主要扰动 扰扰动的变化频率，变化幅度大，常规反馈控制较难实现动的变化频率，变化幅度大，常规反馈控制较难实现扰动变量虽然可控，但需经常变化。扰动变量虽然可控，但需经常变化。为克服其他扰动，通常采用前馈为克服其他扰动，通常采用前馈- -反馈控制系统反馈控制系统 静态前静态前馈的控制规律易实施，通常与反馈控制结合实施馈的控制规律易实施，通常与反馈控制结合实施 动态前动态前馈可控制规律不易实施，通常较少采用馈可控制规律不易实施，通常较少采用主要扰动无法落在串级控制系统的副环内时，常用前馈主要扰动无法落在串级控制系统的副环内时，常用前馈- -反馈控制，可得到比串级

34、控制更好的效应反馈控制，可得到比串级控制更好的效应FEEDFORWARD CONTROL （前馈控制）（前馈控制）换热器如图示，蒸汽换热器如图示，蒸汽 的汽化潜的汽化潜热热 ，被加热物料，被加热物料 的比热的比热 热平衡方程：热平衡方程：从静态考虑，只画出静态放大系数从静态考虑，只画出静态放大系数也可从也可从 求得求得()sHHOiWHW CsOiHHWHW CsWHHWHCOPSHHHKWW C2OSFHHHWHKWW C()SFHFFOiPHWKCKKWH ()SHFFOiHWCKWHFEEDFORWARD CONTROL （前馈控制）（前馈控制） 动态前馈控制规律示例动态前馈控制规律示例

35、锅炉控制如图示，锅炉控制如图示，1 1）求蒸汽量）求蒸汽量D D对液位对液位L L的传递函数：的传递函数：蒸汽用量蒸汽用量DD，液位，液位L L先先后后，呈现反向特性，呈现反向特性2 2）求广义主对象）求广义主对象Go1Go1（s s）传递函数）传递函数 3 3）副环用）副环用1 1：1 1比例环节近似比例环节近似不考虑时滞的影响，并有不考虑时滞的影响，并有KfKfKoKo； 22( )1FFkkGssT s 1( )sOOkGses212/( )( )()( )1sOFFFFOOk s kGskGseGskT s ( )(1)1dFFdk sGsT s22/;dOdkkkTTFEEDFORW

36、ARD CONTROL （前馈控制）（前馈控制） 前馈控制规律的实现前馈控制规律的实现DCSDCS有前馈补偿模块，例如，有前馈补偿模块，例如，HoneywellHoneywell公司的公司的PIDFFPIDFF，静态前馈装置可采用放大环节静态前馈装置可采用放大环节动态前馈前置可采用超前滞后环节动态前馈前置可采用超前滞后环节专门的前馈补偿器，实现潜亏补偿功能专门的前馈补偿器，实现潜亏补偿功能专门的复合控制器，把反馈和前馈控制结合专门的复合控制器，把反馈和前馈控制结合时滞可通过计算机内存的内容进行移位来实时滞可通过计算机内存的内容进行移位来实现现前馈控制中偏置值的设置前馈控制中偏置值的设置数值等于

37、正常工况下扰动变量经前馈控制器数值等于正常工况下扰动变量经前馈控制器后的输出后的输出符号应抵消该正常工况下的输出符号应抵消该正常工况下的输出B=-KmKFFFB=-KmKFFFFEEDFORWARD CONTROL （前馈控制）（前馈控制） 前馈补偿装置中静态前馈增益的整定前馈补偿装置中静态前馈增益的整定整定方法整定方法1 1：将广义对象控制通道和扰动通道的放大系数测出将广义对象控制通道和扰动通道的放大系数测出根据定义，计算出静态前馈放大系数，并实施根据定义，计算出静态前馈放大系数，并实施整定方法整定方法2 2：先不接前馈，扰动先不接前馈，扰动F F变化一个阶跃量变化一个阶跃量FFPIPI反馈

38、控制使测量值回到原稳态值反馈控制使测量值回到原稳态值得到反馈控制器输出的变化量是得到反馈控制器输出的变化量是UU则静态前馈放大系数则静态前馈放大系数KFFU/FKFFU/F 偏置值的设置偏置值的设置偏置值的值等于正常工况下扰动变量经偏置值的值等于正常工况下扰动变量经 B=-KmKFFFB=-KmKFFF符号应抵消该正常工况下的输出符号应抵消该正常工况下的输出2.3 均匀控制系统均匀控制系统均匀控制系统基本原理均匀控制系统基本原理均匀控制系统是指对两个被控变量控制的兼顾均匀控制系统是指对两个被控变量控制的兼顾精馏塔前塔塔釜出料作为后料进料，其间不设置中间储罐精馏塔前塔塔釜出料作为后料进料，其间不

39、设置中间储罐缓冲缓冲前塔操作的要求是保持前塔塔釜液位稳定前塔操作的要求是保持前塔塔釜液位稳定后塔操作的要求是保持后塔进料量稳定后塔操作的要求是保持后塔进料量稳定均匀控制使前塔液位在允许范围波动，后塔进料均匀控制使前塔液位在允许范围波动，后塔进料流量较平稳变化流量较平稳变化均匀控制系统均匀控制系统 简单均匀控制系统简单均匀控制系统简单均匀控制系统的结构与单回路控制系统简单均匀控制系统的结构与单回路控制系统相同相同液位所控制的流量通常是下一塔的进料流量液位所控制的流量通常是下一塔的进料流量通过整定控制器参数达到均匀控制的目的通过整定控制器参数达到均匀控制的目的液位控制器的比例度设置的大一些液位控制

40、器的比例度设置的大一些如果引入积分作用，积分时间设置得长一些如果引入积分作用，积分时间设置得长一些 均匀控制系统均匀控制系统 简单均匀控制与单回路液位控制的不同点简单均匀控制与单回路液位控制的不同点应用场合不同应用场合不同：简单均匀控制应用于要求液位和流量都需要：简单均匀控制应用于要求液位和流量都需要兼顾的场合兼顾的场合控制器参数不同控制器参数不同：简单均匀控制采用大比例度和大积分时间：简单均匀控制采用大比例度和大积分时间液位变送器量程范围不同：简单均匀控制的液位变送器量程液位变送器量程范围不同：简单均匀控制的液位变送器量程范围较大，范围较大，降低液位检测灵敏度，使液位控制不灵敏；降低液位检测

41、灵敏度，使液位控制不灵敏；选择的显示仪表不同选择的显示仪表不同：简单均匀控制系统的液位只需显示，：简单均匀控制系统的液位只需显示，但流量要记录；简单液位控制系统液位通常记录。但流量要记录；简单液位控制系统液位通常记录。 均匀控制系统均匀控制系统 串级均匀控制系统串级均匀控制系统串级控制系统的结构与串级控制系统相同串级控制系统的结构与串级控制系统相同串级均匀控制系统是应用最广的均匀控制系串级均匀控制系统是应用最广的均匀控制系统统当存在其他扰动影响到流量时当存在其他扰动影响到流量时例如前塔的压力和后塔的压力波动较大例如前塔的压力和后塔的压力波动较大引入流量副回路，组成串级均匀控制系统引入流量副回路

42、，组成串级均匀控制系统同样，通过整定控制器参数达到均匀控制的同样，通过整定控制器参数达到均匀控制的目的目的液位控制器的比例度设置的大一些液位控制器的比例度设置的大一些如果引入积分作用，积分时间设置的长一些如果引入积分作用，积分时间设置的长一些副控制器的参数与串级副控制器的参数整定副控制器的参数与串级副控制器的参数整定相同相同 均匀控制系统均匀控制系统 其他均匀控制系统之一其他均匀控制系统之一两个需兼顾的被控变量之差作为被控变量两个需兼顾的被控变量之差作为被控变量控制阀在出口，液位高或流量低，都需开大阀门控制阀在出口，液位高或流量低，都需开大阀门加法器输出是液位与流量之差，再加偏置值加法器输出是

43、液位与流量之差，再加偏置值偏置值等于正常工况流量变送器的输出值偏置值等于正常工况流量变送器的输出值可以对各分量加权，被控变量液位有余差可以对各分量加权，被控变量液位有余差 I=C1IL-C2IF+IBI=C1IL-C2IF+IB 均匀控制系统均匀控制系统 其他均匀控制系统之二其他均匀控制系统之二两个需兼顾的被控变量之和作为被控变量两个需兼顾的被控变量之和作为被控变量控制阀在入口，液位低或流量低，都需开大阀门控制阀在入口，液位低或流量低，都需开大阀门加法器输出是液位与流量之差和，再减偏置值加法器输出是液位与流量之差和，再减偏置值偏置值等于正常工况流量变送器的输出值偏置值等于正常工况流量变送器的输

44、出值可以对各分量加权，被控变量液位有余差可以对各分量加权，被控变量液位有余差 I=C1ILI=C1ILC2IFC2IFIB IB 均匀控制系统均匀控制系统 均匀控制系统特点均匀控制系统特点用一个控制器使两各被控变量都得到控制用一个控制器使两各被控变量都得到控制均匀控制均匀控制：通过控制器参数合理整定实现：通过控制器参数合理整定实现均匀控制控制指标均匀控制控制指标：流量平稳或缓慢变化：流量平稳或缓慢变化最大扰动下，液位仍在工艺操作允许范围内波动最大扰动下，液位仍在工艺操作允许范围内波动均匀控制器的整定原则均匀控制器的整定原则比例度较大比例度较大积分时间长积分时间长均匀控制系统均匀控制系统 液位流

45、量均匀控制：被控变量是液体流量，兼顾的累积液位流量均匀控制：被控变量是液体流量，兼顾的累积量变化用液位变化表征量变化用液位变化表征 压力流量均匀控制：被控变量是气体流量，兼顾的累积压力流量均匀控制：被控变量是气体流量，兼顾的累积量变化用气压变化表征量变化用气压变化表征均匀控制系统均匀控制系统 控制器控制规律的选择控制器控制规律的选择一一 简单均匀控制系统简单均匀控制系统无消除余差的控制要求时，采用无消除余差的控制要求时，采用P P控制控制有液位无余差控制要求时，采用有液位无余差控制要求时，采用PIPI控制控制二二 串级均匀控制系统串级均匀控制系统主控制器按上述原则选择控制作用主控制器按上述原则

46、选择控制作用副控制器采用副控制器采用P P控制，或控制，或PIPI控制控制均匀控制系统均匀控制系统一一 纯比例作用纯比例作用设在出口处安装控制阀，比例度整定按照下列原则：设在出口处安装控制阀，比例度整定按照下列原则：液位高限，该比例度下控制阀打开时流量应大于进液位高限，该比例度下控制阀打开时流量应大于进料量最大值料量最大值液位低限，该比例度下控制阀关闭时流量应小于进液位低限，该比例度下控制阀关闭时流量应小于进料量最小值料量最小值二二 经验法经验法2.4 Rate control system（比值控制）（比值控制）2.4.1 2.4.1 基本原理、结构和性能分析基本原理、结构和性能分析比值控制

47、系统比值控制系统是控制两个物料流量比值的控制系统。是控制两个物料流量比值的控制系统。比值控制系统中，一个物料流量需要跟随另一个物料流量变化，前比值控制系统中，一个物料流量需要跟随另一个物料流量变化，前者称为从动量，后者称为主动量。者称为从动量，后者称为主动量。主动量：主动量：主要物料或关键物料流量，是可测不可控；主要物料或关键物料流量，是可测不可控；从动量：从动量：可测可控，一般供应有余；可测可控，一般供应有余；比值控制系统的基本结构比值控制系统的基本结构按结构分类：开环和闭环比值控制系统按结构分类：开环和闭环比值控制系统按实施方案分类：相乘和相除方案按实施方案分类：相乘和相除方案按比值分类：

48、定比值和变比值控制系统按比值分类：定比值和变比值控制系统按控制原理：属于前馈控制系统按控制原理：属于前馈控制系统 Rate control system （比值控制）（比值控制）Rate control system （比值控制）（比值控制）Rate control system （比值控制）（比值控制） 单闭环比值控制系统与开环比值控制系统的比较单闭环比值控制系统与开环比值控制系统的比较单闭环比值控制系统不仅能实现主、从动量的精确流量比值单闭环比值控制系统不仅能实现主、从动量的精确流量比值 还能克服进入从动量控制回路的扰动影响，控制质量高增加仪还能克服进入从动量控制回路的扰动影响，控制质量高

49、增加仪表投资较少，控制品质提高较多表投资较少，控制品质提高较多 双闭环比值控制系统与两个单回路控制系统的比较当主动双闭环比值控制系统与两个单回路控制系统的比较当主动量供应不足或由于较大扰动使主动量偏离设定值时，两个独立量供应不足或由于较大扰动使主动量偏离设定值时，两个独立的单回路控制系统不能使两者的流量保持在所需比值的单回路控制系统不能使两者的流量保持在所需比值双闭环币值控制系统在主动量供应不足或偏离设定值时，可通双闭环币值控制系统在主动量供应不足或偏离设定值时，可通过比值函数环节及时改变从动量设定值，使从动量与主动量保过比值函数环节及时改变从动量设定值，使从动量与主动量保持所需比值变比值控制

50、系统变比值控制系统是比值随另一个控持所需比值变比值控制系统变比值控制系统是比值随另一个控制器输出变化的比值控制系统，它是串级控制系统与比值控制制器输出变化的比值控制系统，它是串级控制系统与比值控制系统的结合系统的结合, ,它能根据所需的主被控变量，及时调整比值控制它能根据所需的主被控变量，及时调整比值控制系统的比值，使主被控变量保持恒定或跟踪设定变化系统的比值，使主被控变量保持恒定或跟踪设定变化Rate control system （比值控制）（比值控制） 比值控制控制系统相乘方案比值控制控制系统相乘方案工艺比值系数工艺比值系数k k：所需保持比值的两个流量之比仪表：所需保持比值的两个流量之

51、比仪表仪表比值系数仪表比值系数K K：实施时仪表所设置的比值系数：实施时仪表所设置的比值系数相乘方案时，单闭环比值控制系统是随动控制相乘方案时，单闭环比值控制系统是随动控制双闭环比值系统中一个是定值，一个是随动双闭环比值系统中一个是定值，一个是随动变比值系统是串级比值控制系统变比值系统是串级比值控制系统Rate control system （比值控制）（比值控制）采用线性变送器的相乘控制方案采用线性变送器的相乘控制方案流量检测采用流量变送器、差压变送器加开方器、涡轮或电磁流量计等流量检测采用流量变送器、差压变送器加开方器、涡轮或电磁流量计等F1F1最大量程的流量是最大量程的流量是F1maxF

52、1max，F2F2最大量程的流量是最大量程的流量是F2maxF2maxFT1FT1输出输出; FT2; FT2输出输出 为使为使 乘法器输出乘法器输出 稳态时有：稳态时有：代入得：代入得：111164;MAXFIF222164;MAXFIF21FkF12(4)(4)416kIII164;kIK22II1212(16)4164MAXMAXFFKFF因此，仪表比值系数因此，仪表比值系数211122MAXMAXMAXMAXFFFKkF FFRate control system （比值控制）（比值控制）流量检测采用差压变送器并且不加开方器流量检测采用差压变送器并且不加开方器 F1F1最大量程的流量是

53、最大量程的流量是F1maxF1max，F2F2最大量程的流量是最大量程的流量是F2maxF2maxFT1FT1输出输出; FT2; FT2输出输出为使为使 乘法器输出乘法器输出 稳态时有：稳态时有：代入得：代入得：2222() 164MAXFIF2111() 164;MAXFIF21FkF12(4)(4)416kIII164;kIK22II22122212(16)4164MAXMAXFFKFF因此，仪表比值系数因此，仪表比值系数2222211222122MAXMAXMAXMAXFFFKkFFFRate control system （比值控制）（比值控制）仪表比值系数仪表比值系数K K大于大于

54、1 1时相乘方案的实施时相乘方案的实施如计算所得的如计算所得的K K1 1，把乘法运算部件设置在从动量的流量回路中，把乘法运算部件设置在从动量的流量回路中 F1F1最大量程的流量是最大量程的流量是F1maxF1max，F2F2最大量程的流量是最大量程的流量是F2maxF2max T1 T1输出输出; FT2; FT2输出输出 为使为使 乘法器输出乘法器输出 稳态时有：稳态时有： 代入得：代入得：差压变送器不加开方器时：差压变送器不加开方器时：2222() 164MAXFIF2111() 164;MAXFIF21FkF12(4)(4)416kIII164;kIK22II2122211MAXMAX

55、FKkFk212211MAXMAXFKkFkRate control system （比值控制）（比值控制） 比值控制系统的示例一某反应器，反应物料某反应器，反应物料F1F1正常流量正常流量200m3/h200m3/h，F2F2正常流量正常流量300m3/h300m3/h，要保，要保持流量之比持流量之比k=F2/F1=1.5k=F2/F1=1.5； 1 1）计算采用和不采用开方器时的）计算采用和不采用开方器时的K K解：仪表最大流量可取正常流量的解：仪表最大流量可取正常流量的2 2倍，并圆整。因此，倍，并圆整。因此， F1max=400m3/h,F2max=630m3/h;F1max=400m

56、3/h,F2max=630m3/h;流量量程范围分十档：流量量程范围分十档：1 1；1.25;1.6;2;2.5;3.2;4;5;6.3;81.25;1.6;2;2.5;3.2;4;5;6.3;8* *10n10n加开方器：加开方器：不加开方器：不加开方器： 2 2）为减少备件，）为减少备件，Fmax=630m3/hFmax=630m3/h；计算采用和不采用开方器时的；计算采用和不采用开方器时的K K （1 1）加开方器：）加开方器： 乘法器应设置在回路内乘法器应设置在回路内 （2 2）不加开方器：）不加开方器： 124001.50.9524630MAXMAXFKkF2221222(400)1

57、.50.9070(630)MAXMAXFKkF126301.51.5630MAXMAXFKkF1/0.667KK21/0.4444KK合成氨一段转化反应，为保证甲烷转化率，需保持甲烷、蒸汽和空气合成氨一段转化反应，为保证甲烷转化率，需保持甲烷、蒸汽和空气三者的比值为三者的比值为1 1：3 3：1.41.4。流量测量都采用节流装置和差压变送器，未装开方器，其中，流量测量都采用节流装置和差压变送器，未装开方器，其中，蒸汽最大流量蒸汽最大流量Fsax=31100m3/hFsax=31100m3/h；天然气最大流量天然气最大流量Fhmax=11000m3/hFhmax=11000m3/h；空气最大流量

58、空气最大流量Famax=14000m3/hFamax=14000m3/h；采用相乘方案，确定各差压变送器的量程，仪采用相乘方案，确定各差压变送器的量程，仪表比值系数表比值系数K1K1和和K2K2，乘法器输入电流，乘法器输入电流Ik1Ik1和和Ik2.Ik2. 根据题意，各差压变送器的量程应选择为：根据题意，各差压变送器的量程应选择为：FsmaxFsmax32000m3/h32000m3/h；Fhmax=12500m3/hFhmax=12500m3/h；Famax=16000m3/hFamax=16000m3/h；为防止水碳比过低造成析碳。用蒸气作为主动量，天为防止水碳比过低造成析碳。用蒸气作为

59、主动量，天然气和空气为从动量然气和空气为从动量工艺比值系数为：工艺比值系数为：k1=Fk/Fs=1/3k1=Fk/Fs=1/3；k2=Fa/Fs=1.4/3k2=Fa/Fs=1.4/3采用非线性检测变送环节，仪表比值系数计算公式为：采用非线性检测变送环节，仪表比值系数计算公式为：采用电动采用电动IIIIII型仪表，乘法器输入电流（及恒流给定器输出）应为型仪表，乘法器输入电流（及恒流给定器输出）应为: :Ik1=16K1+4=15.65mAIk1=16K1+4=15.65mA；Ik2=16K2+4=17.95mAIk2=16K2+4=17.95mA；比值函数环节设置在从动量设定通道比值函数环节设

60、置在从动量设定通道Rate control system （比值控制）（比值控制） 比值控制系统相乘控制方案的几点结论比值控制系统相乘控制方案的几点结论1 1 相乘方案中，仪表比值系数相乘方案中，仪表比值系数K K与负荷变化无关与负荷变化无关2 2 改变仪表量程可改变仪表比值系数改变仪表量程可改变仪表比值系数K K3 3 实施时，仪表输入信号与所选仪表有关实施时，仪表输入信号与所选仪表有关 气动单元组合仪表：气动单元组合仪表：P=0.08K+0.02P=0.08K+0.02（MpaMpa） 电动电动IIII型组合仪表：型组合仪表：I=10KI=10K（mAmA） 电动电动IIIIII型组合仪表