HG第八章复杂控制系统

1、1第八章第八章 复杂控制系统复杂控制系统单回路控制系统（简单控制系统）：在一般情况下能够满足生产控制要求。 特殊情况：系统干扰因素多、干扰剧烈，以及工艺特殊要求复杂控制系统 复杂控制系统主要有：1)串级控制系统串级控制系统2)比值控制系统比值控制系统3)均匀控制系统均匀控制系统4)前馈控制系统前馈控制系统5)选择控制系统6)分程控制系统分程控制系统7)多冲量控制系统等多冲量控制系统等2第一节第一节 串级控制系统串级控制系统例：例： 管式加热炉出口温度的单回路控制系统出口温度原料燃料燃料TCp可延长炉子寿命，可延长炉子寿命，防止炉管烧坏；防止炉管烧坏；p 可保证后面精馏分可保证后面精馏分离的质量

2、。离的质量。3第一节第一节 串级控制系统串级控制系统例：例： 管式加热炉出口温度的单回路控制系统出口温度原料燃料燃料TC存在的问题？存在的问题？ 4解决方法解决方法 出口温度出口温度原料燃料燃料T1CT2C炉膛温度分析工作过程。主控制主控制器器副控制副控制器器控制控制阀阀副对副对象象主对主对象象主测量主测量变送变送副测量副测量变送变送T1CT2CT1测量变送T2测量变送主变量干扰2干扰1-给定值副变量1、方块图、方块图52、串级控制系统的特点主控制主控制器器副控制副控制器器控制控制阀阀副对副对象象主对主对象象主测量主测量变送变送副测量副测量变送变送主变量干扰2干扰1-给定值副变量在系统结构上，

3、串级控制系统有两个闭合回路：主回路和在系统结构上，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副回路；有两个控制器：主控制器和副控制器( (串接工作串接工作) )；有两个测量变送器。；有两个测量变送器。有两个变量：主变量，副变量。有两个变量：主变量，副变量。6串级控制系统的特点-2主控制主控制器器副控制副控制器器控制控制阀阀副对副对象象主对主对象象主测量主测量变送变送副测量副测量变送变送主变量干扰2干扰1-给定值副变量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，具有超前控制超前控制的作用。7串级控制系统的特点-3主控制主控制器器

4、副控制副控制器器控制控制阀阀副对副对象象主对主对象象主测量主测量变送变送副测量副测量变送变送主变量干扰2干扰1-给定值副变量n串级控制系统由于增加了副回路，具有有一定的串级控制系统由于增加了副回路，具有有一定的自适应自适应能力能力。可应用于负荷和操作条件变化较大的场合可应用于负荷和操作条件变化较大的场合。83、串级控制系统串级控制系统副副变量变量的选择的选择及及副回路的设计副回路的设计 u 一类情况是选择与主变量有一定关系的某一中中间变量间变量作为副变量;u 另一类选择的副变量就是操纵变量本身操纵变量本身,这样能及时克服它的波动,减小对主变量的影响。93、串级控制系统串级控制系统副副变量变量的

5、选择的选择及及副回路的设计副回路的设计v主副变量间应有一定的内在联系；v系统的主要干扰应包围在副回路中；v在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰；v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；v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。104、主主、副副控制器控制器控制规律控制规律的选择的选择主变量是生产工艺的主要操作指标，要求比较严格，一般不允许有余差， 副变量是粗调，一般要求不严格，允许有波动和余差。q主主控制器（定值控制）一般选择比例积分控制规律，有时为了克服对象滞后，也加入微分作用；q副控制器（随动控制）力求快速反应

6、，所以，一般不加入积分作用，只选择比例控制规律；q只要主控制器有积分规律，主变量就可以保证没有余差，不管干扰出现在什么位置；115、主、副控制器正反作用的选择选择顺序：先副后主 副控制器：副回路按单回路独立考虑，与主回路没有关系，即从稳定性考虑，开环放大倍数必须为“负”。 要求，知道副对象的正反作用，以及执行器的正反作用。主控制器：考虑主环内各个环节的正反作用。 主控制器、主对象，以及副回路。副回路可以看作是一个符号为“正”的环节 随动系统，跟踪主控制器的输出。 因此，主控制器的符号主要取决于主对象的符号，即，主对象为“正”，则主控制器取“反”作用，主对象为“负”，则主控制器取“正”作用。12

7、举例：主、副控制器正反作用的选择出口温度原料燃料燃料T1CT2C炉膛温度图中：“”号表示正作用；“”号表示反作用；13串级与主控的切换条件串级主控：用主控制器代替原副控制器的输出，直接控制控制阀。主控串级：用副控制器代替原主控制器的输出，直接控制控制阀。无论哪种切换，必须保证阀的控制方向正确直接切换条件 。14串级与主控的切换条件续副控制器为反作用（负）：正偏差输出减小、 负偏差输出增大主控制器输出增加副控制器负偏差，输出增加对控制阀的方向没有影响主控制器输出减小副控制器正偏差，输出减小对控制阀的方向没有影响 可见，此时主、副控制器输出信号变化一致。副控制器为正作用（正）： 此时主、副控制器输

8、出信号变化不一致。156、系统工程整定方法、系统工程整定方法分两步整定两个控制器分两步整定两个控制器A A、主环控制器比例度主环控制器比例度100%100%，积分时间最大，微分时间，积分时间最大，微分时间最小，按最小，按4 4：1 1整定方法直接整定副环，确定副环整定方法直接整定副环，确定副环4 4：1 1振振荡过程时的比例度和振荡周期；荡过程时的比例度和振荡周期；B B、放好副控制器放好副控制器4 4：1 1的比例度，积分时间最大，微分的比例度，积分时间最大，微分时间最小，同样方法整定主控制器，确定副环时间最小，同样方法整定主控制器，确定副环4 4：1 1振荡振荡过程时的比例度和振荡周期；过

9、程时的比例度和振荡周期；C C、按照得到的四个参数，可按单回路系统的公式计算按照得到的四个参数，可按单回路系统的公式计算PIDPID参数；参数； D D、先副后主、先比例次积分后微分投入，再小范围调先副后主、先比例次积分后微分投入，再小范围调整。整。16（2）一步法）一步法主要整定主控制器，比两步法简单、实用主要整定主控制器，比两步法简单、实用 。A A、副控制器参数经验设置值；副控制器参数经验设置值； B B、按单回路方法直接整定主控制器按单回路方法直接整定主控制器 ；C C、观察控制过程，适当调整主控制器观察控制过程，适当调整主控制器K K值，或适当值，或适当调整副控制器的参数调整副控制器

10、的参数 。177、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制系统不能满足质量指标；n对象容量滞后比较大，用单回路控制系统不能满足质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；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；18第二节 均匀控制系统一、均匀控制系统的基本概念甲、乙两塔间的甲、乙两塔间的供求关系供求关系出现了矛盾。出现了矛盾。 中间储罐，缓冲作用；自

11、动控制模拟中间储罐，缓冲作用；自动控制模拟 前后精馏塔的供求关系 1出料阀；2小阀均匀控制的目的均匀控制的目的甲塔甲塔:为了稳定操作需保持塔釜液位稳定，必然频繁地改变塔底的排出量。乙塔：乙塔：从稳定操作要求出发，希望进料量尽量不变或少变。19第二节 均匀控制系统一、一、均匀控制系统的均匀控制系统的基本概念基本概念u为了解决前后工序供求矛盾，达到前后兼顾协调操为了解决前后工序供求矛盾，达到前后兼顾协调操作，使作，使液位液位和和流量流量均匀变化均匀变化，组成的系统称为，组成的系统称为均匀控均匀控制系统制系统。 前后精馏塔的供求关系 1出料阀；2小阀均匀控制的目的均匀控制的目的甲塔:为了稳定操作需保

12、持塔釜液位稳定，必然频繁地改变塔底的排出量。乙塔：从稳定操作要求出发，希望进料量尽量不变或少变。20构成均匀控制系统，液位和流量两个参数的变化应满足构成均匀控制系统，液位和流量两个参数的变化应满足如下要求：如下要求：小小 结：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、均均匀控制系统，是指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地、均匀地变化，使前后设备在物料供求上相互兼顾，均匀协调的系统。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。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

13、许的范围内变化，均匀控制要求在最大干扰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，避免对后段工序产生较大的干扰。平稳渐变，避免对后段工序产生较大的干扰。21二、简单均匀控制系统1. 1.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相同；2. 液位与流量协调变化 用控制器控制规律实现；3. 3.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%；4. 加积分、积分时间常数要大；不能加微分。22三、串级均匀控制系

14、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控制规律主、副控制器一般都采用纯比例控制规律。简单均匀控制缺点： 压力干扰流量变化液位变化液位控制。 控制不及时23第三节第三节 比值控制系统比值控制系统比值控制系统比值控制系统：实现两个或两个以上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

15、该物料的参数为主动量Q Q1 1（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Q Q2 2 （副流量副流量）12QQK 流量比值副流量主流量24比值控制系统的类型一、开环比值一、开环比值控制系统控制系统FCQ1Q2控制器控制器控制阀控制阀对象对象Q2测量变送测量变送Q1给定v整个控制系统处于开环状态，整个控制系统处于开环状态，Q2Q2流流量根据量根据Q1Q1流量，按比例系数开闭阀门。流量，按比例系数开闭阀门。 无论无论Q1Q1或或Q2Q2均没有流量自我稳定均没有流量自我稳定（自控）作用

16、，特别是（自控）作用，特别是Q2Q2必须要求管必须要求管道压力不发生波动，才能实现比值控道压力不发生波动，才能实现比值控制作用。制作用。 这种方案应用较少这种方案应用较少25二、二、单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统F1CF2CQ1Q2从方块图上看，与串级控制系统的从方块图上看，与串级控制系统的结构相似，只是主参数没有闭环，结构相似，只是主参数没有闭环，Q2Q2不影响不影响Q1Q1 副流量系统闭环，稳定副流量，副流量系统闭环，稳定副流量，定值控制。定值控制。 结构简单，特别是在主流量参数结构简单，特别是在主流量参数工艺不能控制的场合实施。工艺不能控制的场合实施。Q2Q1给定控制器F1C控制器

17、F2C执行器对象主测量变送副测量变送26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主控制主控制器器副控制副控制器器控制控制阀阀副对副对象象主对主对象象主测量主测量变送变送副测量副测量变送变送主变量干扰2干扰1-给定值副变量Q2Q1给定控制器F1C控制器F2C执行器对象主测量变送副测量变送27三、双闭环比值控制系统KF1CF2CQ1Q2Q2Q1给定主控制器F1C副控制器F2C执行器主流量对象主测量变送副测量变送K执行器副流量对象o在单闭环比值控制系统的基础上，增加了主流 量控制回路。由于主流量控制回路的存在，实现了主流量定值控制，克服了对主流量的干扰的影响另一个优点

18、是，提升主负荷比较容易，缓慢改变主控制器的给定值。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 。28变比值比值控制系统变比值比值控制系统（自学）（自学）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。例如：变换炉的半水煤气与水蒸气的变比值控制系投，比值系数要能随一段触煤层温度的变化而变化。见教材图8-19。29变比值比值控制系统变比值比值控制系统（自学）（自学）例如：变换炉的半水煤气与水蒸气的变比值控制系投，比值系数要能随一段触煤层温度的变化而变化。见教材图8-19。变比值控制系统变比值控制系统30第四节 前馈控制系统一、概述一、概述31前馈控制系统与反馈控制比

19、较执行器测量变送- -偏差ez测量值给定值x控制器被控变量yf干扰作用对象执行器测量变送- -前馈控制器被控变量f干扰作用对象前馈控制系统前馈控制系统反馈控制反馈控制系统系统3233 。34二、前馈控制系统的几种结构形式 LcKKQQp)(/121235 36 吸收前馈与反馈控制的优点，即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。控参数进行反馈检测的长处。实例37三、三、前馈控制系统的应用场合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

20、着可测但不可控的变化幅度大，且频繁的 干扰，干扰，这些干扰对被控参数影响显著，反馈控制达不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，由于反馈控制 不及不及时影响控制质量时，可采用前馈或前馈反馈控制系统时影响控制质量时，可采用前馈或前馈反馈控制系统 。n主要干扰是可测不可控的干扰。主要干扰是可测不可控的干扰。38第五节 选择性控制系统（自学）两种系统保护措施硬保护：极限情况下，声光报警，转入人工控制或停车；软保护：极限情况下，转入另一种控制模式，进行自动处理选择性控制系统。根据处理方法不同，选择性控制系统可以分为三类；开关型选择性控制系统：