第4章复杂控制系统课件

过程控制系统ProcessControlSystem内蒙古工业大学电力学院自动化系张计科过程控制系统第四章复杂控制系统本章主要内容☑系统组成及工作原理☑串级控制系统的特点☑比值控制4-1串级控制系统4-2特殊控制☑选择性控制☑分程控制☑均匀控制☑计算机串级控制系统☑串级控制系统的设计☑串级控制系统的整定方法☑串级控制系统的应用本章主要内容4-3补偿控制4-4前馈控制4-5大迟延过程系统4-1串级控制T1TT1C燃料T1T2TT2C燃料T2检测变送设定值控制器控制阀燃烧室烧成带T1T2设定值设定值☑系统组成及工作原理T1TT1C燃料T1设定值T2TT2CT2检测变送副控制器控制阀燃烧室烧成带T1T2设定值主控制器检测变送

采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵控制阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果。4-1串级控制☑系统组成及工作原理副检测变送副控制器控制阀副对象主对象主变量副变量设定值主控制器主检测变送二次干扰一次干扰主回路副回路主被控变量副被控变量主对象副对象主检测变送副检测变送4-1串级控制☑系统组成及工作原理检测变送副控制器控制阀燃烧室烧成带T1T2设定值主控制器检测变送(1)只存在二次干扰工作原理气开反反燃料压力增大4-1串级控制☑系统组成及工作原理检测变送副控制器控制阀燃烧室烧成带T1T2设定值主控制器检测变送(2)只存在一次干扰窑车速度加快气开反反4-1串级控制☑系统组成及工作原理检测变送副控制器控制阀燃烧室烧成带T1T2设定值主控制器检测变送(3)一次干扰、二次干扰存在①

一次、二次干扰引起主、副变量同方向变化窑车速度减小燃料压力增大T14-1串级控制☑系统组成及工作原理检测变送副控制器控制阀燃烧室烧成带T1T2设定值主控制器检测变送(3)一次干扰、二次干扰存在②

一次、二次干扰引起主、副变量反方向变化窑车速度增大燃料压力增大4-1串级控制☑系统组成及工作原理1.减小了对象的时间常数假定4-1串级控制☑串级控制系统的特点4-1串级控制☑串级控制系统的特点2.提高了系统的工作频率3.增强了系统的抗干扰能力副回路对二次干扰有很强的抑制能力主回路由于副回路的存在，减小了副对象的时间常数，控制通道缩短了，克服一次干扰比同等条件下的单回路控制系统更及时了。4.对负荷变化有一定的自适应能力

串级控制系统中，副回路是一个随动系统，设定值随主控制器的输出而变化，适应负荷变化的能力较强。4-1串级控制☑串级控制系统的特点A/DD/A计算机4-1串级控制☑计算机串级控制系统1.主控和副控回路采样周期相同（同步采样）“先外后内”①计算主控回路的偏差计算机串级控制系统算法4-1串级控制☑计算机串级控制系统②计算主控制器的增量输出其中③计算主控制器的位置输出4-1串级控制☑计算机串级控制系统④计算副控回路的偏差⑤计算副控制器的增量输出其中4-1串级控制☑计算机串级控制系统⑥计算副控制器的位置输出4-1串级控制☑计算机串级控制系统2.主控和副控回路采样周期不同（异步采样）或计算机串级控制系统算法4-1串级控制☑计算机串级控制系统1.主变量的选择①选择直接反映控制目的参数为主变量。②当不能用直接参数作为被控变量时，可选择与控制目的有某种单值函数关系的间接参数为主变量。③具有足够的变化灵敏度;④考虑工艺上的合理性和实现的可能性。4-1串级控制☑串级控制系统的设计2.副变量的选择①应使主要的和更多的干扰落入副回路。FTFCT1TT1CT2TT2CPTPC热原料油冷原料油燃料油设定值4-1串级控制☑串级控制系统的设计②应使主、副对象的时间常数匹配，防止发生共振效应。副检测变送副控制器控制阀副对象主对象主变量副变量设定值主控制器主检测变送二次干扰一次干扰4-1串级控制☑串级控制系统的设计TCTTFCFT再生器反应器再生U型管待生U型管燃烧油原料油主风机增风机·增压风烟气反应油气与少量催化剂③应考虑工艺上的合理性、可能性和经济性。4-1串级控制☑串级控制系统的设计3.主、副控制器的选择①控制策略（算法、规律）的选择序号工艺对变量的要求应选控制规律主变量副变量主控制器副控制器1重要指标，要求很高要求不高，允许有余差PI/PIDP2主要指标，要求较高主要指标，要求较高PIPI3要求不高，允许在一定范围内波动能快速、准确地跟随主控制器的输出变化PPI4要求不高，互相协调要求不高，互相协调PP4-1串级控制☑串级控制系统的设计串级副控制器也有按照期望的闭环Z传递函数设计的。4-1串级控制☑串级控制系统的设计例1对于下图所示副控回路，设，试确定副回路数字控制器。解：中分母最高阶数为1若T2=10s，T=2s，4-1串级控制☑串级控制系统的设计例2对于下图所示副控回路，设，试确定副回路数字控制器。解：4-1串级控制☑串级控制系统的设计②控制器正、反作用的选择(副控制器“±”)(控制阀“±”)

(副对象“±”)＝“－”副回路：(主控制器“±”)(副对象“±”)(主对象“±”)

＝“－”主回路：4-1串级控制☑串级控制系统的设计1.逐步整定法①首先整定副回路。②整定主回路。③再次整定副回路。④重新整定主回路。4-1串级控制☑串级控制系统的整定方法2.两步整定法①首先整定副回路。②整定主回路。③计算主、副控制器的最佳参数值。4-1串级控制☑串级控制系统的整定方法3.一步整定法①选择副控制器的比例度，使副回路按纯比例控制运行。理论依据：串级控制系统中，在纯比例控制情况下，当主变量产生4：1衰减振荡过程时，近似满足副变量

放大系数

比例度（％）温度5～1.720～60压力3～1.430～70流量2.5～1.2540～80液位5～1.2520～804-1串级控制☑串级控制系统的整定方法②

将系统投入串级控制状态运行，按单回路控制系统参数整定方法整定主控制器参数，使主变量的控制品质最佳。4-1串级控制☑串级控制系统的整定方法1.克服变化剧烈和幅度大的干扰FTFCTCTT设定值进料塔底出料蒸汽精馏塔再沸器精馏塔温度－流量串级控制系统4-1串级控制☑串级控制系统的应用2.克服对象的纯滞后网前箱温度－温度串级控制系统T2T设定值去铜网蒸汽混合箱立筛T2T1T1T白水纸浆圆筛网前箱4-1串级控制☑串级控制系统的应用3.克服对象的容量滞后T1TT1CT2TT2C热原料油冷原料油燃料油设定值管式加热炉温度－温度串级控制系统4-1串级控制☑串级控制系统的应用4.克服对象的非线性合成反应炉中部温度与进气口温度串级控制系统T1TT1CT2TT2C反应气体醋酸乙炔的混合气反应器设定值蒸汽换热器4-1串级控制☑串级控制系统的应用5.自校正设定值FTFCPTPC加料器提升管来自反应器的催化剂二次风一次风鼓风机来的热风设定值一次风压力与一次风流量串级控制系统4-1串级控制☑串级控制系统的应用比值控制均匀控制分程控制自动选择性控制使前后设备在物料供求上相互兼顾、均匀协调使物料保持一定比例关系控制器输出信号分段控制多阀安全保护实现特定要求的控制系统4-2特殊控制比值控制系统-----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4-2特殊控制☑比值控制一、比值控制系统的结构类型1.开环比值控制FTFC比值器控制阀检测变送设定值副对象4-2特殊控制☑比值控制2.单闭环比值控制FTFTFYFC控制器控制阀副检测变送副对象比值器主检测变送控制器控制阀副检测变送副对象比值器主检测变送ZOHA/DD/A数字控制器优点：实现主从动量精确的比值控制。缺点：Q1、Q2动态比值难保证，总物料量不固定。4-2特殊控制☑比值控制3.双闭环比值控制数字控制器FTFTFYFC1FC2控制器1控制阀1主动量对象比值器主检测变送控制器2控制阀2从动量对象从检测变送设定值控制器1控制阀1主动量对象比值器主检测变送控制器2控制阀2从动量对象从检测变送设定值ZOHZOH4-2特殊控制☑比值控制4.变比值控制FTFTRCTCTT混合器过滤器氧化炉预热器空气氨气NO比值控制器控制阀1副流量对象除法器检测变送Ⅱ主对象主检测变送设定值ZOH开方器Ⅱ检测变送Ⅰ开方器Ⅰ主控制器数字控制器串级比值控制4-2特殊控制☑比值控制二、比值控制系统的设计1.主、从动量的选择

一个流量可控，另一个流量不可控，可以组成单闭环比值控制系统时，不可控流量作为主动量，可控流量作为从动量。

两个流量均可控，另一个流量不可控，可以组成双闭环比值控制系统时：A.主动量——供应不足的物料流量，从动量——供应充足的物料流量；B.主动量——对生产负荷起关键作用的物料流量，从动量——对生产负荷起次要作用的物料流量；C.主动量——失控状况下，必须保持比值一定的物料流量，从动量——4-2特殊控制☑比值控制2.控制方案的选择序号过程的要求应选控制规律1

负荷变化不大，仅要求物料流量之比值一定，对总流量变化无要求。单闭环比值控制2

主、副流量扰动频繁，负荷变化较大，要求保证主、副物料总量恒定。双闭环比值控制3

要求两种物料流量的比值能灵活地随第三参数的需要进行调节。变比值控制4-2特殊控制☑比值控制3.比值系数的换算(或)流量（压力）比值信号比值非线性关系线性关系4-2特殊控制☑比值控制4.实施方案的选择(1)应用比值器方案F1TF2TFYFC多路开关A/DCPUD/A反多路开关流量比值稳定操作时4-2特殊控制☑比值控制(2)应用乘法器方案多路开关A/DCPUD/A反多路开关稳态时F1TF2TFC×4-2特殊控制☑比值控制(3)应用除法器方案多路开关A/DCPUD/A反多路开关稳态时F1TF2TFC÷4-2特殊控制☑比值控制5.从动量对主动量的动态跟踪F1TF2TFCFYGZ4-2特殊控制☑比值控制三、比值控制系统的整定1.变比值控制系统:

其主控制器的参数整定可按串级控制系统进行。2.单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统:

从动量回路和变比值控制系统中的变比值回路的整定方法和要求基本相同,应当将从动量回路的过渡过程整定成非周期临界情况.3.双闭环比值控制系统:

其主动量回路原则上按单回路定值控制系统进行整定。4-2特殊控制☑比值控制一、概述均匀控制系统-----使两个有关联的被控变量在规定范围内缓慢地、均匀地变化，使前后设备在物料的供求关系上相互兼顾、均匀协调的控制系统。QTQCHTHC进料1#2#4-2特殊控制☑均匀控制二、均匀控制系统的结构形式1.简单均匀控制系统HTHC进料1#2#4-2特殊控制☑均匀控制精馏塔塔底液位与出料流量的均匀控制系统二、均匀控制系统的结构形式1.简单均匀控制系统HTHC进料1#2#4-2特殊控制☑均匀控制不是单回路液位定值控制系统，控制器控制规律和参数整定上有区别。所有均匀控制系统中一般都不需要加正微分作用。二、均匀控制系统的结构形式1.简单均匀控制系统HTHC进料1#2#4-2特殊控制☑均匀控制结构简单，对于克服阀前后压力变化的影响及液位储罐自衡作用的影响效果较差。适用于进料量为主干扰、流量波动大、自衡能力弱的对象。2.串级均匀控制系统QTQCHTHC进料1#2#气开正反流量控制器控制阀流量检测流量对象液位检测ZOH液位对象液位控制器4-2特殊控制☑均匀控制2.串级均匀控制系统QTQCHTHC进料1#2#气开正反4-2特殊控制☑均匀控制增加流量控制副回路目的是为消除阀前后压力变化的影响及液位储罐自衡作用的影响。适用于控制阀前后压力干扰及自衡作用较显著而且对流量的平稳要求又高的场合。3.双冲量均匀控制系统QTQCHT进料1#2#气开正∑4-2特殊控制☑均匀控制以液位和流量两信号之差（或和）为被控变量来达到均匀控制的目的。结构上相当于两个信号之差（或之和）为被控变量的单回路控制系统。3.双冲量均匀控制系统QTQCHT进料1#2#气开正∑流量控制器控制阀流量检测流量对象液位检测ZOH液位对象4-2特殊控制☑均匀控制三、均匀控制系统的参数整定1.经验整定法2.停留时间法4-2特殊控制☑均匀控制一、概述冷物料电/气控制器TT冷凝液热水蒸汽气开气开分程控制系统-----一台控制器操纵两个或两个以上的调节阀(控制阀)工作，每个调节阀在控制器输出的某段信号范围内做全行程动作。多阀分程4-2特殊控制☑分程控制10019.658.998.10阀压/kPa阀开度(%)19.658.998.10阀压/kPaB阀阀开度(%)100B阀A阀A阀10019.658.998.10阀压/kPa阀阀阀开度(%)BA19.658.998.10阀压/kPaA阀B阀阀开度(%)100分程控制系统中，阀的开闭形式，可分同向和异向两种气开气关4-2特殊控制☑分程控制

用于扩大控制阀的可调范围例1可调比：阀所能控制的最大流量与最小流量之比控制器AB

设：分程控制中使用的大小两只控制阀的最大流通能力分别为：且两个阀的可调比相等：RA=RB=30若忽略大阀的泄露则其最小流通量为：最大流通能力为：+所以两个阀组合在一起的可调范围扩大到：二、分程控制的应用4-2特殊控制☑分程控制PTPC高压蒸汽中压蒸汽锅炉减压减温4-2特殊控制☑分程控制例2PC排空气关阀“B”“A”气开阀N2N2PT1000.020.0580.1“B”“A”0MPa气关阀气开阀阀开度(%)0.062用于满足工艺操作上的特殊要求4-2特殊控制☑分程控制

控制阀的泄漏量问题控制阀流量特性的选择除考虑对象特性外更应注意在分程点处控制阀的放大系数可能出现突变

分程控制控制器控制规律的选择及其参数整定可参照简单控制系统处理三、实施中的几个问题4-2特殊控制☑分程控制一、概述非正常工况一般采取的处理方法有两种：连锁保护紧急性停车自动切换至手动选择性控制系统-------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。取代控制系统、超弛控制系统、保护控制系统4-2特殊控制☑自动选择性控制TTTC液氨气氨热物料冷物料正气开二、选择性控制系统的类型1.对被控变量的选择性控制系统TTTC液氨气氨热物料冷物料反气开LSHTHC正4-2特殊控制☑自动选择性控制4-2特殊控制☑自动选择性控制2.对操纵变量的选择性控制系统4-2特殊控制☑自动选择性控制FBTFACTTTC热物料冷物料燃料FATLSFBC∑燃料正常工况下：异常工况下：4-2特殊控制☑自动选择性控制3.对测量信号的选择性控制系统T1TT2TT3TT4TT5THSTC进料产品冷却液反应器4-2特殊控制☑自动选择性控制1、积分饱和

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。2、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。三、抗积分饱和4-2特殊控制☑自动选择性控制3、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4-2特殊控制☑自动选择性控制四、控制器选择与参数整定1.正常控制器控制规律的选择和单回路定制控制系统一样，一般采用PI控制，若滞后容量较大，可引入一定的D控制。2.取代控制器控制规律一般选择P控制，当对极限值要求严格时，也可采用PI控制。3.两个控制器的参数整定都可按单回路控制系统整定，但要求取代控制器比例度整定的较小，积分时间较短。4-2特殊控制☑自动选择性控制特殊控制工业应用举例LSQaTQaCLAHAHSQnTQaCQsCQsTK2K1蒸汽空气天然气去二段转化炉转化炉一、甲烷转化反应中比值控制及比值报警系统假定TTTC空气F1CF1TRF2CF2T煤气二、隧道窑的串级及比值控制系统TTTC增湿器干废气水压缩空气湿废气气开气开气开气开气开气开正三、水泥厂废气增湿的分程控制系统100410.415.20mA阀开度(%)B阀A阀C阀20四、加热炉的安全联锁保护系统FTTCFL2BSPTPCTTLSFL1FT进料出料燃料☑补偿控制的基本原理与结构控制量补偿扰动量补偿4-3补偿控制反馈补偿串联补偿☑补偿控制的基本原理与结构4-3补偿控制前馈控制器反馈控制器TT冷凝水加热蒸汽量FT出口温度进料量4-4前馈控制☑前馈控制基本原理扰动量对被控对象的影响扰动量通过前馈控制器对被控对象的补偿作用对扰动量实现完全补偿的条件：4-4前馈控制☑前馈控制基本原理前馈控制按干扰的大小和方向产生相应的控制作用；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；前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用控制器”，一般的反馈控制采用通用PID控制器；一种前馈作用只能克服一种干扰，反馈控制只用一个控制器就可克服多个干扰。4-4前馈控制☑前馈控制基本原理1、静态前馈控制前馈控制器冷凝水加热蒸汽量FT出口温度进料量4-4前馈控制☑前馈控制的基本结构2、动态前馈控制若若4-4前馈控制☑前馈控制的基本结构3、前馈-反馈控制前馈控制器反馈控制器TT冷凝水加热蒸汽量FT出口温度进料量∑完全补偿的条件：4-4前馈控制☑前馈控制的基本结构4、前馈-串级控制前馈控制器反馈控制器TT冷凝水加热蒸汽量FT出口温度进料量∑FT4-4前馈控制☑前馈控制的基本结构串级控制系统中，副回路工作频率远大于主回路工作频率时：完全补偿的条件：4-4前馈控制☑前馈控制的基本结构1、Smith预估补偿原理4-5大迟延过程系统☑Smith预估补偿控制不采用Smith预估器：采用Smith预估器：Smith预估器传递函数1、Smith预估补偿原理4-5大迟延过程系统☑Smith预估补偿控制补偿前：补偿后：1、Smith预估补偿原理4-5大迟延过程系统☑Smith预估补偿控制1、Smith预估补偿原理4-5大迟延过程系统☑Smith预估补偿控制2、改进的Smith预估补偿控制①

增益自适应补偿控制4-5大迟延过程系统☑Smith预估补偿控制②

完全抗干扰的Smith预估补偿控制2、改进的Smith预估补偿控制4-5大迟延过程系统☑Smith预估补偿控制2、改进的Smith预估补偿控制4-5大迟延过程系统☑Smith预估补偿控制2、改进的Smith预估补偿控制4-5大迟延过程系统☑Smith预估补偿控制大林（Dahlin）算法是一种专门针对工业生产过程中含有纯滞后控制对象的直接数字设计算法。4-5大迟延过程系统☑大林(Dahlin)算法大林算法的设计目标是：设计数字控制器使系统的闭环传函为具有纯滞后的一阶惯性环节，且其滞后时间等于被控对象的滞后时间，其与采样周期T有整数倍关系，即：1、大林算法控制器D(z)的基本形式4-5大迟延过程系统☑大林(Dahlin)算法期望的系统闭环传函当前的系统闭环传函4-5大迟延过程系统☑大林(Dahlin)算法①若被控对象为带纯滞后的一阶惯性环节：4-5大迟延过程系统☑大林(Dahlin)算法②若被控对象为带纯滞后的二阶惯性环节：4-5大迟延过程系统☑大林(Dahlin)算法例：设被控对象的传递函数为采样周期T=0.5秒，期望的闭环传递函数的一阶惯性环节的时间常数Tb＝0.5秒，试按大林算法设计其数字控制器。解：①求系统的广义对象的脉冲传递函数4-5大迟延过程系统☑大林(Dahlin)算法②求系统的闭环脉冲传递函数③求数字控制器4-5大迟延过程系统☑大林(Dahlin)算法数字控制器的输出4-5大迟延过程系统☑大林(Dahlin)算法2、振铃现象及其消除方法

所谓振铃（Ringing）现象，是指数字控制器的输出u(k)以2T或以1/2的采样频率大幅度上下摆动。

振铃现象产生的根源由于，令，则对单位阶跃输入，它有极点z=1，如果