#21复杂控制系统(已修改)

1、21 复杂控制系统一、概述1、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、干扰变化剧烈，以 及工艺特殊要求。2、复杂控制系统串级控制系统、比值控制 系统、均匀控制系统、前馈控制系统、选择控制系统、 分程控制系统等复杂系统 - 随着控制理论与工业应用 的发展， 包含的内容也不同， 例如复杂大系统 - 人口系 统，环境控制，能源控制，企业生产经营控制等。3、多回路系统基于PID控制策略；由多个控 制回路组成的系统。4、多回路系统的发展80-90%控制系统是基于 PID 控制的系统，包括多 回路系统。 多回路系统应用状况以乙烯生产厂为例， 它 共有 42

2、1 个控制回路其中： 常规 PID 单回路 347 个，串 级、比值等 74 个（串级 24）多回路系统占 17.5%。二、串级控制系统的构成 加热炉是工业生产中常用设备之一。 工艺要求被加 热物料的温度为某一定值， 因此选取加热炉的出口温度为被控变量，选取燃料量为操纵变量，构成图 5-1(a)所示的单回路控制系统。影响炉出口温度的因素很多，主要有：被加热物料的流量和炉前温度变化 f 1(t) ；燃料热值的变化、压 力的波动 f 2(t) ；烟囱挡板位置的改变、抽力的变化 f 3(t) 等。图 5-1 (a)系统的特点是，所有对被控变 量的扰动都包含在这个回路之中， 并都由温度控制器来 克服。

3、 但是控制通道的时间常数和容量滞后较大， 控制 作用不用及时， 系统克服扰动的能力较差， 不能满足工 艺的要求。为此，另外选择，炉膛温度为被控变量，燃 料量为操纵变量，设计图 5-1 (b)所示的单回路控制 系统，以维持炉口温度为某一定值。 该系统的特点是对 于扰动 f 2(t) 、f 3(t) 能及时有效地克服， 但是扰动 f 1(t) 未包括在系统内，系统不能克服扰动 f 1(t) 对 炉出口温度的影响，仍然不能达到生产工艺要求。综上分析， 为了充分应用上述两种方案的优点， 选 取炉出口温度为被控变量， 选择炉膛温度为中间辅助参 数，把炉出口温度控制器的输出作为炉膛温度控制器的 设定值，构

4、成了图 5-2 所示的炉出口温度与炉膛温度的 串级控制系统，图 5-3 是它的方块图。这样扰动 f 2(t) 、f 3(t) 对炉出口温度的影响主要由炉膛温度 控制器 T2构成的控制回路来克服， 扰动 f 1(t) 对炉出 口温度的影响由炉出口温度控制器 T1 构成的控制回路 来消除。1、串级控制系统的构成原理（1）将原被控对象分解为两个串联的被控对象， 如图 5-3 示。（2）以连接分解后的两个被控对象的中间参数为 副被控变量， 构成一个简单控制系统， 称为副控制系统 或副环。（3）以原对象的输出信号为主被控变量，即分解 后的第二个被控对象的输出信号，构成一个控制系统， 称为主控制系统或主回

5、路。（4）主控制系统中的控制器的输出信号作为副控 制系统控制器的设定值， 副控制系统的输出信号作为主 被控对象的输入信号，如图 5-3 所示。2、名词术语（1）主被控变量：生产过程中工艺要求控制的主 要被控变量，如上例中的炉出口温度。（2）副被控变量：串级控制系统中为了稳定主被 控变量而引入的中间辅助变量，如上例中的炉膛温度。要Gv被控变 是锅炉（ 产设备 是炉膛输出量为副主回被路控变量副变送器 y2c主被控 备G，p 2其输入G量p1 为 这个例子中制的，副对象主对副对象。 主回路4）副对象：由副被），其输入量为操纵变主量变送。器这个例子中，副对象y1c1控H变m2量为输出的生产过程 （生5

6、）主控制器：按主被控m变1 量的测量值与设定值的差值进行工作的控制器串，级控制其系输统方出块作图 为副控制器的设定 值。（6）副控制器：按副被控变量的测量值与主控制 器输出值的差值进行工作的控制器， 输出直接控制控制 阀的动作。（7）主回路：由主、副控制器，主、副对象，主 测量变送器组成的闭合回路。（8）副回路：由副控制器，控制阀，副对象和副 测量变送器组成的闭合回路。（9）一次扰动：不包括在副回路内的扰动。如图5-2 中被加热物料的流量和炉前温度变化 f 1（t） 。（10）二次扰动：包括在副回路内的扰动。如图5-2 中 燃 料 方 面 的 扰 动 f 2（t） 和 烟 囱 抽 力 的 变

7、化 f 3（t） 。二、串级控制系统的控制过程 设控制阀为气开式，主副控制器为反作用。当生 产过程处在稳定工况时，被加热物料的流量和温度不 变，燃料的流量与热值不变， 烟囱抽力也不变， 炉出口 温度和炉膛温度均处在相对平衡状态， 控制阀保持一定 的开度，此时炉出口温度稳定在设定值上。当扰动破坏了平衡工况时，串级控制系统便开始 了其控制过程。根据不同扰动分三种情况讨论。(1)只有二次扰动 二次扰动来自燃料热值的变化、 压力的波动 f 2(t) 和烟囱抽力的变化 f 3(t) 。扰动 f 2(t) 和 f 3(t) 先影响炉膛温度，于是副控制 器马上发出校正信号。控制执行器(控制阀)的开度， 改变

8、燃料量， 克服上述扰动对炉膛温度的影响， 如果扰 动量不大，经过副回路的及时控制一般不影响炉出口温 度；如果扰动的量较大，虽然经过副回路的及时校正， 但还将影响炉出口温度， 此时，再由主回路进一步控制， 从而完全克服上述扰动，使炉出口温度调回到设定值 上。( 2)只有一次扰动 一次扰动来自被加热物料的流量和炉前温度变化 f 1(t)扰动 f 1(t) 使炉出口温度变化时， 主回路产生校正 作用，克服 f 1(t) 对炉出口温度的影响。由于副回路的 存在加快了校正作用， 使扰动对炉出口温度的影响比单 回路控制系统时要小。一次扰动和二次扰动同时存在 在该系统中，假设控制阀为气开式，主、副控制 器均

9、为反作用。 如果一、 二次扰动的作用使主、 副被控 变量同时增大或同时减小， 主、副控制器对控制阀的控 制方向是一致的， 即大幅度关小或大幅度开大阀门， 加 强控制作用， 使炉出口温度很快地调回到设定值。 如果 一、二次扰动的作用使主、 副被控变量一个增大 (炉出 口温度升高) ，另一个减小(燃料量减少，即炉膛温度 降低)，此时，主、副控制器控制阀的方向是相反的， 控制阀的开度只要作较小变动即可满足控制要求。综上分析可知，串级控制系统副控制器具有“粗 调”作用，主控制器具有“细调”的作用，从而使控制 品质得到进一步提高。三、串级控制系统的特点1、具有较强的抗扰动能力 串级控制系统的抗扰动能力比

10、单回路控制系 统要强得多， 特别是在扰动作用于副环的情况下， 系统 的抗扰动能力会更强。这是因为当扰动作用于副环时， 在它还未影响到主被控变量之前， 副控制器首先对扰动 作用采取抑制措施， 进行“粗调”。 如果主被控变量还 会受到影响， 那么再由主控制器进行“细调”。 由于这 里对副环扰动有两级控制措施，即使扰动作用于主环， 但由于系统工作频率提高了，也比单回路的控制及时， 副回路的存在， 使等效对象的时间常数缩小了， 因而系 统的工作频率得以提高， 能比单回路系统更加及时地抑 制扰动。 根据生产实践的统计数据， 与单回路控制系统 质量相比， 当扰动作用于副环时， 串级系统的质量要提 高 10

11、100 倍；当扰动作用于主环时，串级系统的质量 也提高 25 倍。所以串级控制系统改善了控制系统的性 能指标。2、改善了过程的动态特性，起了超前控制的 作用，提高了系统控制质量。3、能迅速克服进入副回路的二次扰动。4、改善了对象动态特性，提高了系统的工作 频率。5、提高了控制器总放大倍数，增强了抗干扰 能力。6、具有一定的自适应能力，适应负荷和操作 条件的变化。四、串级控制系统的工程应用场合1、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时，可采用串级控制系 统。2、对象容量滞后比较大，用单回路控制系统不能 满足质量指标时，可采用串级控制系统。3、控制系统内存在变化激烈

12、且幅值很大的干扰。4、被控对象具有较大的非线性，而负荷变化又较大。五、串级控制系统应用中的问题主、副控制器控制规律的选择 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。在串级控制系统中，主控制器一般选择 PI 或 PID 控制规律，副控制器一般选择 P 控制规律。主、副控制器正、反作用方式的确定。 副控制器作用方式的确定，与简单控制系统相同。 主控制器的作用方向只与工艺条件有关。串级控制系统控制器参数整定 在主回路闭合的情况下，主、副控制器都为纯 比例作用，并将主控制器的比例度置于100%，用 4： 1衰减曲线法整定副控制器，求取副回路4： 1 衰减过程的副控制器比例度

13、( 2p) 以及操作周期 (T2P) 。 将副控制器的比例度置于所求的数值 2p 上， 把副回路作为主回路的一个环节， 用同样的方法整定主 控制器，求取主回路 4：1 衰减过程的 1p 和 T1P。 根据求得的 ( 1p)和(T1P) 、(2p) 和(T2P) 数 值，按经验公式求出主、 副控制器的比例度、 积分时间 和微分时间。 按先副后主、先比例后积分再微分的程序，设置主、 副控制器的参数， 再观察过渡过程曲线， 必要时进行适当调整，直到系统质量达到最佳为止当扰其方1、前馈控制原理动一出现，就能根据扰动的测量信 及时补偿扰动对被控变量的影响， 如果补偿作用完善， 可以使被控变 框图如下图所

14、示。它是一个开环控制系统。在很多场合下都是将前馈控制与反馈控制结合 在一起组成前馈反馈控制系统，称之为复合控制系的控制品质2、前馈控制与反馈控制的比较反馈控制系统 是按被控参数与给定值的偏差进行控制的， 其特点是在被控参数出现偏差后， 调节 器发出控制命令以补偿扰动对被控参数的影响， 最后消 除 （或基本消除 ）偏差。若扰动已经发生，而被控参数尚 未变化， 则调节器将不产生校正作用。 所以， 反馈控制 总是滞后于扰动， 是一种不及时的控制， 会造成调节过 程的动态偏差。有时其控制质量较差。前馈控制系统 当扰动一出现， 调节器即根据扰动的性质和大小进行控制， 以补偿扰动的影响， 使被 控参数不变

15、或基本保持不变。 相对于反馈控制来说， 前 馈控制是及时的， 理论上可达到完全补偿。 因此， 对于 时间常数或时延大、扰动大而频繁的过程有显著效果。3、前馈控制的选用原则 当生产过程的控制精度要求较高， 而反馈控制又 不能满足工艺要求时， 可以考虑选用前馈控制。 选用原 则：系统中存在着频率高、 幅值大、 可测而不可控的 扰动时，选用前馈控制；当控制系统控制通道时延较大、 反馈控制又不能 得到良好的控制效果时，选用前馈控制；经济性原则。 前馈控制的系统设计 在设计中， 以控制系统的品质指标为依据， 应包 括系统控制方案设计及系统参数整定两个部分。 第三节 大时延控制系统1、原理概述 在现代工业

16、生产过程中， 有不少的过程特性具有 较大的纯时延，其特点是当控制作用产生后，在时延 范围内，被控参数完全没有响应。典型的工艺过程有： 皮带传输过程、连续轧钢过程。纯时延对系统控制质量的影响过程扰动通道纯时延对系统控制质量无影响， 仅 使系统响应曲线推迟了一个时延 。当过程控制通道或测量变送环节存在纯时延时， 会降低系统的稳定性， 另外， 由控制原理可知， 纯时延 会导致增大被控参数的最大偏差值， 系统的动态质量下 降。2、补偿纯时延过程的常规控制方案 微分先行控制方案 中间微分控制方案 中间反馈控制方案 预估补偿控制方案针对具有纯时延的过程， 提出在 PID 反馈控制的 基础上，引入一个预估补

17、偿环节， 使控制品质大大提高。 第四节 比值控制系统1、概述 在生产过程中经常需要两种或两种以上的物料以一定 的比例进行混合或参加化学反应。 在需要保持比例关系 的两种物料中， 往往其中一种物料处于主导地位， 称为 主物料或主动量 F1，而另一种物料随主物料的变化呈 比例的变化，称为从物料或从动量F2。例如在稀硝酸生产中， 空气是随氨的多少而变化的， 因此氨为主动量 F1，空气为从动量 F2。2、 常用的比值控制方案（1）单闭环比值控制F1 这类比值控制系统的优点是两种物料流量之比较为精 确，实施也较方便，F1C所 以F得2C 到广泛 的应用。（ 2） 双闭环比值控制 F2 为了既能实现两流量

18、的比值恒定，又能使进入系统 的总流量 F1 F不变，因此在单闭环比值控制的基础 上又出现了双闭环比值控制系统。这类比值控制系统的优点是在主流量受到干扰作 用开始到重新稳定在设定值这段时间内发挥作用， 比较 安全。变比值控制系统 要求两种物料流量的比值随第三参数的需要而变 化。3、比值控制系统的设计（1）主、从动量的确定（2）控制方案的选择（3）比值系数的计算（4）控制方案的实施 第五节 均匀控制系统 一、 均匀控制的概念 在石油化工生产中，采用连续生产方式，各生产过 程都与前面的生产过程紧密联系。 前一设备的出料往往 是后一设备的进料， 而后者的出料又源源不断的输送给 其他设备做进料。 于是产

19、生了前后设备之间的供求矛盾 和协调问题。解决前后工序供求矛盾，使液面和流量的变化互相 兼顾均匀变化，这就是均匀控制系统的目的。怎样才算达到均匀控制系统的目的呢？通过以上讨 论，液位和流量两个参数的变化应满足如下要求：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。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，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。二、 均匀控制方案1. 简单均匀控制图从结构上看，与一般单回路液面控制系统无异， 但从本质上看， 两者是有区别的， 区别主要在于控制器的控制规律选择及参数整定问题上。2. 串级均匀控制系统克服阀前后压力变化的影响及液位自衡作用的影响 效果较差。 为了克服这一缺点， 可在原方案的基础上增 加一个流量副回路，即构成串级均匀控制。串级均匀控制系统所用仪表较多，适用于控制阀前 后压力干扰和自衡作用较显著而且对流量的平衡要求 又较高的场合 第六节 分程控制系统 一、分程控制系统的基本概念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。分程控制方案中，阀的开闭形式，可分同向和异向 两种，如图 6.22 和图 6.23 所示。同向或异向规律的选 择，全由