化工仪表及自动化课件第七章复杂控制系统

第七章复杂控制系统本章内容串级控制系统比值控制系统前馈控制系统均匀控制系统分程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，根据系统的结构和所负担的任务来说，常见的复杂控制系统分为两大类：①提高响应曲线性能指标的控制系统，如串级、前馈、纯滞后补偿等。②按某些特定要求而开发的系统，如比值、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。

串级控制系统方块图一、基本原理及结构第一节、串级控制系统管式加热炉出口温度控制系统温度控制器执行器炉膛炉膛壁出口管温度检测变送器给定值系统方框图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1θ1测量变送器给定值θ2测量变送器

串级控制系统方块图主控制器副控制器执行器温度对象2温度对象1θ1测量变送器给定值θ2测量变送器主控制器副控制器执行器副对象主对象主测量、变送器给定值副测量、变送器

二、串级控制系统工作过程1、干扰进入副回路主控制器副控制器执行器温度对象2温度对象1θ1测量变送器给定值θ2测量变送器

2、干扰作用于主对象主控制器副控制器执行器温度对象2温度对象1θ1测量变送器给定值θ2测量变送器主控制器副控制器执行器副对象主对象主测量、变送器给定值副测量、变送器

3、干扰同时作用于副回路和主对象

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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。Y对象2控制阀副控制器测量变送2对象1测量变送1主控制器F2F1XcbaY对象2X控制阀控制阀对象1F2F1测量变送abc单回路控制系统串级控制系统三、串级控制系统的特点●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制系统随动控制系统●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。设定值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四、串级控制系统中副回路的确定1、主、副变量间应有一定的联系（1）选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量（2）选择的副变量就是操作变量本身。蒸汽进料精馏塔FCTC2、系统的主要干扰应包围在副回路中PCTC3、在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰PCTC4、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5、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五、主、副控制器控制规律及正、反作用的选择1、控制规律的选择给定值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

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。主控制器一般选用PID控制规律，副控制器一般可选P控制规律。2、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。主控制器副控制器执行器副对象主对象主测量、变送器给定值副测量、变送器当主、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的时候，主控制器应选择反作用；反之选正作用。主控制器副控制器执行器副对象主对象主测量、变送器给定值副测量、变送器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1θ1测量变送器给定值θ2测量变送器主副控制器正反作用的选择实例给定值控制阀流量控制器测量变送温度控制器温度对象测量变送釜温流量对象蒸汽进料精馏塔FCTC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，而负荷变化又较大六、串级控制系统适应的场合LCFC1塔1塔22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（或气压）—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。第二节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。小结

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。LC特点------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参数整定比例度大于100%简单均匀控制系统FCLC

特点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、副控制器一般都采用纯比例控制规律串级均匀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-------处于主导地位的物料表征该物料的参数为主动量Q1（主流量）从物料--------随主物料的变化呈比例的变化的另一种物料，表征该物料的参数从动量Q2

（副流量）流量比值副流量主流量第三节、比值控制系统1、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------两种物料流量之比较为精确，系统结构简单，实施方便。不足------两种物料的总量（Q1＋Q２）不固定。

比值控制系统的类型●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、变送器给定值副测量、变送器2、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、变送K副流量控制器副流量对象执行器F2KF1CF2CQ1Q2特点------两种物料流量之比精确，其总量（Q1＋Q２）基本保持不变。不足------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。使用场合----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。主、从动量的确定控制方案的选择比值系数的计算生产过程中主要物料的流量为主动量，次要物料的流量为从动量。两物料中有一个物料的量为可测但不可控为主动量，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。

(或)

流量比值信号比值非线性关系线性关系比值控制系统的设计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第四节、前馈控制系统前馈控制比反馈控制及时有效前馈控制属于开环控制系统，反馈控制是闭环控制系统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PID控制器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。如果主要干扰是进料流量的波动ΔＦ，为了达到静态补偿应满足下式成立：

式中Kp－控制通道放大系数

Kf－干扰通道放大系数

Km－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KmFCF1F2一、前馈控制系统的几种结构形式动态前馈控制系统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作用使被控变量的静态和动态误差都接近或等于零。tF△FTba前馈-反馈控制系统特点：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反馈检测的长处。实例FTFFCTTTC∑TT0FG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变量干扰

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，由于反馈控制不及时影响控制质量时，可采用前馈或前馈－反馈控制系统。前馈控制系统的应用场合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，一个用于控制不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为止。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连锁保护紧急停车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（利用液氨的汽化需要吸收大量热量来冷却流管内物料）例1

选择性控制系统的应用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，而控制器暂时丧失了控制功能的现象，称为“积分饱和”现象。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；2、控制器输入偏差长期存在得不到补偿。积分饱和及其防止防止积分饱和方法1、限幅法通过专门的技术措施对积分反馈信号加以限制（电动Ⅱ型仪表、电动Ⅲ型仪表中有专门设计的限幅控制器2、外反馈法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3、积分切除法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分程控制系统变送器控制器电∕气20～100KPaAB60～100KPa20～60KPa20～100KPa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10020601000阀压/kPa阀开度(%)20601000阀压/kPaB阀阀开度(%)100B阀A阀A阀10020601000阀压/kPa阀阀阀开度(%)BA2060