第八章 复杂控制系统

第8章复杂控制系统串级控制系统均匀控制系统比值控制系统分程控制系统前馈控制系统多冲量控制系统复杂控制系：是随着工业的发展，生产工艺的革新、生产过程的大型化和复杂话而发展起来的一种控制形式。上述原因必导致对操作条件的要求更加严格、变量间关系更加复杂，同时现代化生产对产品质量提出更高的要求，这些问题的解决是简单控制系统所不能胜任的，为此出现复杂控制系统第一节串级控制系统FC进料塔底采出12蒸汽方案2：控制蒸汽流量恒定TC进料塔底采出12蒸汽方案1：控制塔釜温度恒定单回路控制的局限性：目标：控制塔釜温度稳定方案1优点：将所有对温度的干扰都概括在控制回路内。缺点：当蒸汽压力波动较大时，由于温度对象滞后较大，控制质量不理想。方案2优点：能及时克服蒸汽压力的干扰对温度的影响缺点：不能克服进料流量、物料温度等其他因素对温度的影响。希望在塔釜温度不变时蒸汽流量能保持设定值，而当塔釜温度在外来干扰的作用下偏离给定值时，又要求蒸汽流量能作相应的变化，使塔釜温度保持在设定值上。而作图方案不能满足要求O蒸汽TC进料塔底采出12FC方案3：串级控制系统FTxFCTC进料塔底采出12蒸汽流量控制器TC2执行器流量对象温度T设定值干扰f1精馏塔控制系统方块图温度对象温度控制器TC1－+－+干扰f2测量、变送y1测量、变送y2F副控制器执行器

副对象主变量设定值主干扰串级控制系统方块图主对象主控制器＋－+＋－+副干扰主测量、变送副测量、变送副变量副回路主回路－－常用的名词主变量副变量主对象副对象主控制器副控制器主回路副回路串级控制系统方块图：串级控制系统的工作过程：在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服。副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。干扰作用于副对象由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干扰进入副回路时，可以获得比单回路控制系统超前的控制作用，有效地克服蒸汽压力变化对塔釜温度的影响干扰作用于主对象由于副回路的存在，可以及时改变副变量的数值，以达到稳定主变量的目的。串级控制系统的特点及应用范围：(1)从系统结构来看，串级控制系统有主、副两个闭合回路；有主、副两个控制器；有分别测量主变量和副变量的两个测量变送器。在串级控制系统中，主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统。(2)在串级控制系统中，有两主、副两个变量。主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺变量。控制的目的在于使这一变量等于工艺规定的给定值。(3)从系统特性来看，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制的作用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量。适用范围：当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而且频繁、负荷变化大，简单控制系统满足不了控制质量的要求时，可采用串级控制系统。串级控制系统主、副回路的选择：主变量的选择与单回路控制时被控变量的选择原则是一样的，能直接或间接地表征生产过程质量的参数都可以作为控制系统的被控变量。副变量的选择副变量的变化应在很大程度上影响主变量的变化副回路应将生产过程中的主要干扰包围在内在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防发生“共振”。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。

主副控制器控制规律的选择：串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量。主变量是生产工艺的主要控制指标，它直接关系到产品的质量或生产的正常，工艺上对它的要求比较严格。一般来说，主变量不允许有余差。所以，主控制器通常都选用比例积分控制规律，以实现主变量的无余差控制。

在串级控制系统中，稳定副变量并不是目的，设置副变量的目的就在于保证和提高主变量的控制质量。副变量的给定值是随主控制器输出变化而变化的。所以，在控制过程中，对副变量的要求一般都不很严格，允许它有波动。因此，副控制器一般采用比例控制规律。主副控制器正、反作用的选择：选择副回路控制器的正反作用与简单控制系统中控制器“正”、“反”作用的选择方式相同，先判断副对象的正反作用，然后根据工艺安全等要求，选定执行器的“正”、“反”作用方式，并按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定副回路控制器的正反作用。

选择主回路控制器的正反作用确定原则：当主、副变量在增加(或减小)时，如果由工艺分析得出，为使主、副变量减小(或增加)，要求控制阀的动作方向是一致的，主控制器应选“反”作用，反之，则应选“正”作用。物料进

物料出

冷却器流量－温度串级控制系统

主副采控制资器参累数的号工程忠整定善：两步究整定棍法：谨先整悄定副愁控制晃器，伴后整雪定主搅控制轨器(1松)在工院况稳屈定，左主、婶副控牌制器探都在祸纯比甚例作境用的怠条件失下，背将主课控制费器的调比例童度先喷固定赵在10声0％的被刻度歪上，燥然后俗逐渐溜减小健副控鲜制器目的比唉例度狡，求邻取副乏回路系在满拣足某晌种衰扎减比(如4：1)过渡圾过程甘下的字副控宜制器冬比例晃度δ2S和操乎作周绞期Τ2S。(2宽)在副消控制笼器比策例度肉等于δ2S，的条抹件下悠，逐施步减筒小主够控制握器的谋比例浴度，似直至状得到求同样残衰减稠比下想的过法渡过会程，才记下轧此时茅主控嘉制器捕的比译例度δ1S。和操刺作周包期Τ1S。(3边)根据胸上面肥得到说的δ1S、、Τ1S、δ2S、、Τ2S按表7-抹2(或表7-朽3)的规络定关垫系计白算主泳、副掀控制聋器的女比例铺度、昼积分胀时间锯和微系分时屈间。(4组)按“搏先副秩后主佩”、似“先圈比例郊次积存分后菊微分梁”的搅整定迹方法棒，将纠计算后出的演控制伸器参咐数加志到控雕制器脖上。(5熟)观察技控制唇过程纯，适粪当调羡整，捕直到骡获得翁满意裳的过宝渡过消程。一步刘整定算法：测即根描据经碑验先耽将副歌控制复器一速次放劣好，若不再沃变动合，然避后按王一般流单回赵路控行制系路统的殖整定扁方法命直接裙整定地主控己制器周参数禾。采用乎一步膨整定是法副醋控制涌器参胖数选宫择范蚕围副变量类型副控制器比例度δ2％副控制器比例放大倍数KP2温度20～605.0～1.7压力30～703.0～1.4流量40～802.5～1.25液位20～805.0～1.25一步岂整定验法的府整定堵步骤辆如下柄。(1器)在生哨产正从常，杆系统练为纯剑比例录运行胞的条阔件下同，按愁照上例表所斯列的晋数据芽，将副鱼控制获器比济例度零调到漠某一渗适当闯的数兴值。(2陡)利用女简单属控制惰系中滤任一笔种参训数整坊定方君法整悄定主幼控制怒器的够参数胶。(3公)如果祖出现锈“共唯振”悠现象御，可霉加大似主控更制器起或减侮小副佛控制获器的篇参数以整定值，怪一般位即能框消除污。第二蝇节天其烦他复抽杂控促制系铲统均匀圆控制镇问题雪的提香出连续精馏的多塔分离过程对甲暮塔来既说，芬塔釜呢液位甲是一凡个重煎要的期工艺泛参数许，必平须保寄持在聪一定卧范围翻之内咳，为淋此配拐备了书液位播控制然系统驰；对乙苗塔来妥说，崭从自贫身平惭稳操漂作的颈要求葡出发久，希拥望进竹料量选稳定傲，所隙以设粘置了溪流量删控制售系统诞；这样蜓，甲资、乙由两塔注间的殃供求转关系垒就出抢现了江矛盾伍。为解虎决这笨一前垄后工漫序供捷求矛额盾，诊希望后设计践一种喘控制开系统雄使液唱位与周流量棍同时址平稳隐；同时阶“均逆匀”物地变下化。一、佩均匀疗控制贡系统1、表繁征前们后供忌求矛侧盾的歌两个竞变量痛在控翠制过译程中辩都应待该是挤缓慢薯变化趴的。2、前偏后互含相联雨系又仰互相纹矛盾矮的两吴个变间量应各保持纺在所伐允许太的范吴围内着波动。1－液位变化曲线2－流量变化曲线均匀逼控制招的要缸求不同念于常巾规的愈定值队控制绿系统彻，而锦对被抖控变农量(C屠V)与控型制变很量(M艺V)都有平稳的要揭求；为解彩决CV与MV都希杰望平棋稳这览一对递矛盾慌，只应能要返求CV与MV都渐变。均卷匀控去制通炎常要抢求在派最大伞干扰屋下，CV在上梁下限膀内波系动，姑而MV应在悔一定改范围贷内平乐缓渐水变。均匀扩控制跃指的央是控制馋功能，而海不是韵控制势方案低。因狡为就僵系统呈的结凤构来执看，圾有时勺象简逆单控涂制系峰统，叔有时闭象串增级控跨制系挽统。常所以析要识辞别控柄制方惊案是纷否起索均匀迟控制叹作用落，应挺从控制滚的目俯的进行转确定却。均匀捧控制挽的特公点单回路均匀控制系统串级均匀控制系统常用疤的两湾种均您匀控校制方德案通过演控制播器参数的设辰置，是而不搜是改猪变控灯制系腊统的叶结构蛙，来困实现轧前后腔两个辫变量察间的皇相互棋协调海的。参数此整定雪的目冤的不屋是使俯变量更尽快滩地回均到给秒定值购，而催是要知求变姿量在盆允许犹的范械围内纷作缓倒慢的搅变化佛。控制胞器参残数一眨般都樱采用策纯比读例作平用，刻且控决制器端比例例度放霜的很寨大，脊以使称输出春变化纠缓慢恭，只严是在蛾要求千较高哥时，放为了机防止晒偏差钱超过脚允许腊范围假，才悲引入趁适当尤的积以分作梅用。均匀译控制阳系统热小结二、宅比觉值控锅制系揉统问题立的提冰出比值醋控制扣的目称的是更为了同实现肃几种终物料堤按一油定比稳例混慨合，竞使生堪产能抽安全腹、正聋常的葛进行阀。实挪现两勿个或针两个付以上购参数师符合皆一定禾比例宵关系胡的控赶制系劲统，相称为比值蜓控制迁系统。通店常为矛流量青比值蛛控制绢。在需村要保兄持比烈值关葬系的锁两种须物料铅中，枪必有超一种卸物料油处于框主导遍地位艺，成遇为主是物料效、主任动量膛、主流赚量，用Q1表示箭；而上另一哗种物炕料按征主物打料进晒行配练比，房诚在控撇制过谈程中陆随主浩物料谅而变纺化，祸因此罪称为蒸从物示料、惨从动凡量、副流爽量，用Q2表示势；副流搬量Q2与主辨流量Q1的比斩值关员系为Q2＝KQ1式中K为副圣流量谨与主爱流量锅的流鞋量比列值系认数。比值踩控制暑方案1：开宏环比国值控蒸制系和统控制器执行器对象测量、变送给定－Q2Q1开环比值控制系统方块图

主、双副流畜量均刺开环谈；由于跪系统嗽开环职，该俊方案秘对副舅流量Q2无克泛服干术扰的敏能力毁，只铲适用摸于副禽流量垦较平革稳且谷比值之要求唱不高水的场砍合。比值脚控制色方案2：单谈闭环姑比值莫控制典系统控制器F2C执行器对象副测量、变送－控制器F1C给定－主测量、变送Q1Q2单闭环比值控制系统方块图

副流猴量闭排环控机制主流游量开诱环控申制适用母于主绿物料基在工状艺上够不允悟许进逝行控辅制的禾场合比值鲜控制伞方案3：双谦闭环蹦比值卵控制呢系统给定－K对象主流量控制器执行器主测量、变送－对象副流量控制器执行器副测量、变送Q1Q2双闭环比值控制系统方块图

主、史副流斜量均宜闭环旁控制洞；该系颂统既劝实现膏了比难较精衔确的虚流量陡比值紧控制连，又霞确保虹了两弊物料厘总量镰的基怀本不凤变主要怎适用厚于主坐流量请干扰暮频繁抽、工刑艺上生不允嚷许负眠荷有始较大宏波动揉或工宫艺认上飘经常策需要污提降戴负荷株的场劲合。比值禁控制蛇方案4：变籍比值秧控制挑系统Q2Q1喷射泵

触媒层

变换炉

蒸汽

煤气

要求泡主、津副流恐量的然比值捞能跟钳随第您三变拖量的涨需要伞而加侄以调易整；存在棒问题杜：Q2回路陷存在更非线翠性，Q1流量厌减少筑时，按回路路增益止增大眼，有葛可能携使系嘴统不凑稳定你，并皇可能体出现疼“除钻零”家运算股。比值控制器执行器副流量对象Q2测量、变送温度控制器给定－主测量、变送Q1测量、变送除法器主对象（变换炉）Q1Q2变比值控制系统方块图K=Q2/Q1

三、塑分替程控脚制系乌统给定－对象控制器控制阀A控制阀B测量、变送分程控制系统方块图分程柳控制如系统宝中，咽一台喇控制令器的践输出狭可以懒同时耐控制活两台勉甚至酿两台氧以上栋的控断制阀盆；分程滥控制岁系统厦中控时制器兆按输坛出信醒号的乐不同住区间怪去控半制不夸同的姥阀门缴；分段洗一般把是由然附设允在控墨制阀紫上的全阀门岂定位傍器来踏实现删。什么谈是分分程控暗制A阀A阀A阀A阀B阀B阀B阀B阀两阀同向动作两阀异向动作(a)(a)(b)(b)阀门开度100％阀门开度100％阀门开度100％阀门开度100％阀压kPa阀压kPa阀压kPa阀压kPa分程睁控制递的种适类分程抄控制畜应用1：提刷高控过制阀管的可央调比4Mpa中压蒸汽给水10Mpa中压蒸汽汽包蒸汽减压系统分程控制系统控制伴阀的尘可调固比R＝Qma灰x/Qmi踪蝶n由于口径肿固定，采吗用同振一个庸控制瘦阀，跃能够尊控制瓜的最棚大流拉量和终最小争流量顺不可荷能相秋差太赠大，姿满足补不了娇生产究上流桶量大睬范围紫变化搞的要敏求，遍在这钉种情厉况下斜可采隶用两框个控活制阀么并联击的分让程控样制方安案。A阀B阀A阀小口径B阀大口径分程背控制青应用2：用怖于控奶制两守种不栽同的沟介质蒸汽反应器分程控制系统冷水C回水A阀B阀A阀气关，B阀气开，TC反作用对于盒间歇证式化订学反股应器贼，既赏要考域虑反顽应前熔的加娘热问纲题，荡又需反要考棵虑过辈程中须移走泛热量娱的问艇题为此观可采归用分斯程控简制系傲统，俘在该超系统奶中，仅利用A、B两台嗽控制润阀，食分别陵控制遥冷水斗与蒸镰汽两到种不确同介鸟质，浑以满扒足工济艺上生需要冷却和加热的不批同需件要工作土原理省：反应趴前升辽温阶录段——温度评测量柔值小签于给宫定值锦，控年制器TC输出绑较大喇，A阀将既关闭粥，B阀被弓打开鼠，蒸灶汽通殿入加牛热反础应物霸；反应采物开陷始放有热——控制董器输民出逐咸渐减究小，A阀将滔打开杨，B阀关浊闭，写冷水闹通入条冷却去反应什物，户维持蹈反应张温度咬不变贫；分程册控制挨应用3：用事作安炒全生薯产的舰保护攀措施“反”储罐氮封分程控制方案A阀B阀阀门开度100％阀压kPa化工船厂的沉贮油吴罐需销要进园行氮咐封，宋以使汉油品罩与空黑气隔谢绝。一个烟问题胀就是洪贮罐戚中物议料量鸟的增毙减会脖导致余氮封匙压力菊的变丹化。帅为了旦维持寺罐压越平衡腥，需晶要在唯物料校被抽豆取时射加氮示补压译，而新在物灭料进索料时蜡排气步减压尺。贮压副升高锡时，梦测量局值将奸大于尘给定凶值，炭压力忌控制筹器PC的输捎出将乓下降版，A阀关鬼闭，B阀打溉开，阶排气刮减压贮压曾降低富时，徒测量北值小附于给啄定值钓时，信控制你器输走出将物变大也，A阀打杜开，B阀关删闭，碑补氮滚增压枣。A阀气想关，B阀气绩开，PC反作妥用分程辽控制查系统著应用拖中应梳注意龟的几质个问壳题(1运)控制嘴阀流鼓量特疤性要胀正确包选择才。因话为在返两阀明分程洋点上涌，控爹制阀病的放虫大倍拜数可垮能出福现突抚变，累表现童在特辫性曲贝线上塑产生攻斜率屯突变飞的折搁点，钩这在扒大小纱控制更阀并住联时品尤其御重要洲。如邻果两捷控制仗阀均暴为线氏性特约性，盏情况底更严起重。来如果跌采用冈对数卷特性偶控制斑阀，伪分程葛信号谷重叠阁一小傍段，滴则情踏况会妖有所昌改善由。(2虎)大小莲阀并肠联时良，大蛙阀的膊泄漏周量不孔可忽唉视，诉否则堵就不欠能充铅分发搅挥扩僵大可召调范省围的挣作用居。当政大阀歪的泄炊漏量辜较大栗时，脆系统佣的最虫小流绿通能说力就奋不再久是小捏阀的尽最小袄流通林能力亩了。(3椅)分程信控制妹系统慰本质蚂上是扰简单赛控制绝系统压，因周此控健制器横的选组择和老参数胃整定性，可后参照农简单飞控制偷系统律处理存。不坐过在雄运行旨中，减如果拘两个知控制逮通道吵特性族不同欢，就俘是说扩广义色对象昆特性症是两尝个，违控制凡器参裳数不落能同侨时满长足两野个不旱同对衰象特歼性的艇要求供。遇凭此情梦况，究只好片照顾害正常喝情况更下的衰被控景对象渔特性催，按换正常铺情况键下整递定控详制器荒的参纯数。撒对另老一台揉阀的械操作避要求乞，只喊要能盘在工随艺允严许的另范围馒内即冬可。四、丸前安馈控狸制系筋统测量、变送设定值＋－控制器执行器干扰对象干扰对象测量、变送执行器控制器反馈控制系统前馈控制系统反馈控制方案前馈控制方案反馈孔与前井馈D1，……，Dn为可倦测扰夺动；u，y分别季为被帅控对兵象的肿操作侧变量助与受能控变污量。前馈哑思想钉：在捐扰动留还未再影响冬输出浴以前驾，直孟接改解变操瘦作变子量，庸以使次输出锦不受烤或少漆受外傍部扰拼动的桂影响雄。前馈亭思想全补搂偿原突理控制目标：d(t)、u(t)、y(t)朵分别表示计工艺言介质荷流量垒（外是部干倦扰）折、蒸遣汽流阴量（逃控制蹄变量忌）与郑工艺慕介质富的出剥口温撤度（障被控售变量慎）；GFF(s)为前括馈控原制器牙的动父态特演性；GYD(s)、GYC(s)分别克为干拴扰通她道与套控制吹通道隔的的欠动态串特性勒。前馈盛控制荒比反威馈控禁制及时，并沾且不歇受系就统滞隐后大访小的末限制姜。前馈我控制阿属于开环控制前馈怎控制援规律鲁与对油象特近性密斯切相剃关一种逢前馈怪作用油只能恒克服曾一种筐干扰前馈晨控制象的特贴点前馈塘控制来形式1：静幸态前贷馈控尾制系眯统蒸汽Q2冷物料Q1T1T2给定值换热器静态前馈控制方案根据让热量肯平衡此原理番，近班似的演平衡男关系愈是蒸铃汽冷渡凝放氏出的暖热量阻等于孩进料振流体咸获得聪的热瞒量。式中——蒸汽冷凝热；——被加热物料的比热容；——进料流量；——蒸汽流量。当进道料流舅量Q1变化馆后，多为使谊出口傻温度祝为T2保持毒不变石，应逮增加钱的蒸爱汽量雷为:前馈低控制千形式2：动驱态前裁馈控发制系吓统蒸汽Q2冷物料Q1T1T2给定值换热器动态前馈控制方案补偿器在静胸态前网馈控铺制的铃基础隆上，芦加上器延迟蜓环节寒或微用分环糟节，伞以达娃到对召干扰程作用暗的近怀似补流偿。相对贼于干下扰通咬道而诉言，螺控制努通道谊反应诸快的轨给它域加强挎延迟扭作用盒，反遣应慢澡的给必它加炎强微绝分作傅用。驼根据盛两通栽道的寺特性包适当洞调整馒、的逐数值绕，使挣两通旅道反匪应合剑拍便考可以战实现备动态阻补偿扑，消呜除动网态偏手差。前馈具控制详形式捷：前钞馈-反馈丸控制宴系统给定前馈－反馈控制系统方块图反馈控制器执行器对象测量、变送－＋前馈控制器测量、变送干扰＋蒸汽进料出料换热器前馈－反馈控制系统用“抗前馈抽”来略克服夸主要伸干扰鸣，再课用“表反馈相”来巨克服逗其他龙干扰前馈棚控制校的应敢用场钓合干扰阅幅值亭大而阶频繁，对启被控脖变量游影响慰剧烈阁，仅仿采用脆反馈泛控制兵达不纤到要颂求的屿对象怎。主要绿干扰贱是可摘测而窄不可返控的女变量。所编谓可梅测，滥是指篇干扰码量可慰以用下检测响变送短装置祥将其雾在线届转化禁为标柜准的暂电信械号。码所谓横不可晋控，肾主要银是指秤这些场干扰辅难以摸通过唐设置泽单独斯的控希制系惨统进大行控去制，插这类样干扰环在连宗续生致产过部程中届是经弯常遇璃到的妄，其栋中也叔包括促一些汪虽能拣控制嘉但生笛产上筛不允尿许控小制的胳变量缩慧，例级负荷步量等捎。当对象出的控弹制通捞道滞屠后大，反鄙馈控拥制不崇及时臂，控月制质闸量差鞭时，矿可采粮用前弯馈或羽前馈—反馈惊控制同系统秒，提律高控问制质影量。五、该多冲摸量控录制系逝统单冲量控制系统给水汽包蒸汽虚假膛水位霞造成垃的错崇误信伯号将戏带来步一定很的危庸险，帜为了高克服纷这种咱由于黎“虚棍假液举位”纳而引茎起的灾控制厉系统鼻的误捉动作究，引吐入了备双冲雁量控护制系趁统。在锅项炉的潮正常宵运行辈中，礼汽包橡水位尾是重各要的疲操作躲指标蒜，给戚水控繁制系持统的裂作用愁就是端自动必控制涉锅炉范的给扰水量笋，使哲其适挑应蒸揉发量缴的变油化，掘维持著汽包弱水位患在允渠许的茎范围蒸内。左图顷控制左系统扫属于狸简单挣的单否回路厅控制胃系统驻，根历据汽橡包液斗位的默信号救来控泄制给取水量被控糊变量——汽包自水位控制吗变量——给水黄量存在赤问题驱：不灵能适顽应蒸统汽负肃荷的组剧烈受变化键。即参当蒸洗汽负滩荷突抹然增凳加，允汽包达内蒸伍汽压袖力瞬秩间下吹降，柜汽包愤内沸盲