中国石油大学过程控制课件05 复杂控制-前馈-比值-分程-选择控制系统

上一讲内容回顾介绍了串级控制系统的概念与特点；结合控制原理，具体分析了串级系统的抗干扰性能；讨论了串级控制系统的设计原则；介绍了串级控制系统的防积分饱和；介绍了串级控制系统的投运。课堂提问1相比反馈控制，串级控制更有效抑制干扰，因此在控制方案选择时应首选串级控制？串级能够有效抑制副回路中的干扰，因此应选择能包含最多干扰的那个变量作为副变量？控制器的正反作用选择课堂提问2试分析串级控制为何能有效抑止二次扰动；试分析串级系统为何能克服副对象和调节阀的非线性。课堂提问3课堂提问41、如果加热蒸汽压力波动导致单回路控制效果不理想，怎么办？2、如果工艺介质流量波动导致控制效果不理想，怎么办？前馈控制系统

FeedforwardControl内容前馈控制的原理线性前馈控制的设计非线性前馈控制前馈反馈控制系统换热器的反馈控制假设主要干扰为RF，T1单回路控制的仿真采用串级控制？串级控制需要：单回路控制不能满足要求；可测量的副变量副变量需要满足：快速反应主要干扰的影响干扰对副、主变量的影响具有因果关系调节阀对副、主变量的影响具有因果关系NO!无法采用串级控制！换热器的前馈控制方案换热器的前馈控制方案干扰：进料温度，流量进料温度Ti↑（进流流量F↓）→出口温度T0↑ΔT0f设想：进料温度上升的同时，关小蒸汽量→T0↓→ΔT0c若ΔT0f=ΔT0c，则T0不变前馈控制的思想D1，……，Dn为可测扰动；u，y分别为被控对象的操作变量与受控变量。前馈思想：在扰动还未影响输出以前，直接改变操作变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。线性前馈控制方块图开环不变性：输出值在扰动F(s)作用下不产生任何变化。前馈控制的特点开环控制，独立的前馈难以使用。根据干扰的大小控制，干扰必须可测。只对设计补偿的干扰起作用。调节规律由对象、干扰特性决定。前馈的应用场合：系统中存在可测、不可控、变化频繁、幅值大的干扰。前馈控制与反馈控制的比较

前馈控制

反馈控制扰动可测，但不要求被控量可测被控量直接可测超前调节，可实现系统输出的不变性（但存在可实现问题）按偏差控制，存在偏差才能调节（滞后调节）开环调节，无稳定性问题闭环调节，存在稳定性问题系统仅能感受有限个可测扰动系统可感受所有影响输出的扰动对于干扰与控制通道的动态模型，要求已知而且准确对通道模型要求弱，大多数情况无需对象模型对时变与非线性对象的适应性弱对时变与非线性对象的适应性与鲁棒性强1、静态前馈控制例：换热器的静态方程：特点：只能保证稳定后，完全补偿，但存在动态误差1、静态前馈控制分析：无论是料液流量或是设定值Tor的增大，蒸汽流量都会自动增大，因为它与两者的乘积成正比。①代表流量F增大所引起的温度T0的响应。②代表增大蒸汽量ω所引温度T0的响应。③出现了一段时间较小的偏差。这是由于扰动通道与调节通道之间对象动态特性不同所引起的动态偏差，这种偏差是静态前馈补偿所不能解决的，但最终仍然稳定在设定值上。1、静态前馈控制前馈作用太弱，蒸汽流量减少量不足以抵消料流量的变化。“欠补偿”。前馈作用过强，蒸汽流量变化超过料液流量变化所需要的蒸汽量。在Δω作用下，T0最终回到设定值，说明前馈补偿合适。（2）、若出口温度达不到设定值，只需调整K就以校正，直到残差被消除。2、动态前馈控制由不变性原理：设控制通道的特性为：干扰通道的特性：∴前馈补偿装置的传递函数为：2、动态前馈控制由不变性原理：设控制通道的特性为：干扰通道的特性：∴前馈补偿装置的传递函数为：2、动态前馈控制前馈加反馈控制前馈加反馈控制将前馈与反馈结合起来，构成前馈-反馈控制系统。对于可测不可控的干扰，用前馈控制超前补偿；其余干扰，由反馈控制克服。前馈加反馈控制不变性原理：前馈＋反馈控制的仿真前馈加串级控制讨论引入前馈控制的可能应用场合：常规反馈控制系统难以满足要求；干扰可测。应用前馈控制的前提条件：主要干扰可测；调节阀与被测干扰之间没有因果关系；干扰通道的响应速度比控制通道慢，至少应接近；干扰通道与控制通道的动态特性变化不大。比值控制

RatioControl比值控制内容比值控制问题的由来；常用的比值控制方案与系统结构；流量比值与比值器参数的关系；变比值控制。溶液配制问题问题：假设NaoH用量QB和稀释水量QA可测并且QA可调。如果QB变化，如何调整以使稀释液NaoH的浓度为6~8%左右？解决方案：（1）出口浓度控制；（2）入口流量的比值控制（流量比值？）。流量比值控制问题要求：QA

/QB

=KAB（比值系数）而QB为主动流量，QA为可控量，要求设计一控制系统通过调节QA以实现上述比值控制目标。比值控制的概念比值控制系统：实现两个或多个参数符合一定比例关系的调节系统。主动量QB：处于主导地位的物料（主流量/主物料）。从动量QA：按主动量进行配比，随主动量进行变化的物料（副流量）。控制的目的：实现副流量QA与主流量QB成一定的比值关系。K：实际流量值系数

定比值控制方案单闭环比值控制系统双闭环比值控制系统比值器的设定1稳态条件:IA=I0假设流量测量变送环节为线性对象。对DDZIII型仪表,比值器的输入输出关系为令：稳态条件:比值器的设定1（续）比值器的设定2假设流量测量变送环节为非线性对象。对DDZIII型仪表,比值器的输入输出关系为乘法器的设定稳态条件:

IA=

I0对DDZIII型仪表,乘法器的输入输出关系为变比值控制系统存在问题：物料A的流量回路存在非线性，当物料B的流量减少时，回路增益增大，有可能使系统不稳定，并可能出现“除零”运算。对DDZIII型仪表,除法器的输入输出关系为变比值串级控制系统功能：前馈反馈串级控制？上一节中所采用的前馈控制器：系统功能——变增益串级系统功能——前馈串级控制×分程控制本讲主要内容分程控制的特点与适用场合；分程区间的确定方法；阀位控制的概念与设计方法。

分程控制系统是将一个控制器的输出分成若干个信号范围，由各个信号段去控制相应的控制阀，从而实现了一个控制器对多个控制阀的控制，有效地提高了过程控制系统的控制能力。分程控制系统

前面介绍的控制系统中，通常是一个控制器的输出只用来控制一个控制阀，一般工作在较小的工作区域内，在系统出现较小的干扰时可以达到较好的控制效果。

如果系统的工作条件不满足于较小调节范围或系统受到较大干扰甚至出现事故时，系统的控制质量就可能满足不了生产过程的控制要求。

如阀A在控制器的输出信号为0.02MPa～0.06MPa范围内工作，阀B则在控制器输出信号为0.06MPa～0.1MPa范围内工作，每个控制阀的动作信号范围都是相同的。

把控制器的输出信号分成两段，利用不同的输出信号分别控制两个控制阀分程控制系统间歇聚合反应器的控制问题控制要求：反应开始前，需要用蒸汽加热以达到反应所需的温度；当反应开始后，因放出大量反应热，需要用冷水进行冷却。要求全过程自动控制反应器的温度？反应器温度分程控制系统问题：（1）选择两调节阀的气开气关属性；（2）温度控制器的正反作用；（3）如何协调两调节阀的动作；（4）如何克服广义对象的非线性。气关气开调节阀的分程动作关系工作过程：（1）当温度变低时，调节阀的气动信号增大。若冷水阀还未全关，则先逐步关冷水阀；否则，再开大蒸汽阀；（2）当温度变高时，调节阀的气动信号减少。若蒸汽阀还未全关，则先逐步关蒸汽阀；否则，再开大冷水阀；调节阀的分程动作关系（2）当温度变高时，调节阀的气动信号减少。若蒸汽阀还未全关，则先逐步关蒸汽阀；否则，再开大冷水阀；

一类是控制阀异向动作，即随着控制器输出信号的增加或减小，控制阀中一个逐渐开大，另一个逐渐减小，异向分程控制的两个控制阀一个为气开式，一个为气关式。

就控制阀的气开、气关形式分两类：分程控制分类就控制阀的气开、气关形式分两类：另一类是控制阀同向动作，即随着控制器输出信号的增加或减小，控制阀均逐渐开大或逐渐减小，同向分程控制的两个控制阀同为气开式或同为气关式，分程控制分类1．用于扩大控制阀的可调范围，以改善控制品质控制阀有一个重要指标是阀的可调范围R，即Cmin——最小流量系数。式中Cmax——最大流量系数；分程控制的应用场合图中，若且两阀的可调范围相等，即用于扩大控制阀的可调范围忽略大阀的泄漏量，当采用分程控制后，其最小流量系数为因此两阀组合在一起的可调范围将扩大到最大流量系数为用于扩大控制阀的可调范围2.分程控制系统的非线性问题：分程控制系统非线性的补偿补偿原理：分程控制非线性补偿方法补偿原理：若:课堂练习：贮罐气封系统如何避免两调节阀的频繁开闭以减少N2用量?贮罐气封分程动作过程1、控制阀引入不灵敏区。2、同时，控制器引入调节死区如何避免两调节阀的频繁开闭以减少N2用量?分馏塔轻柴油

抽出塔板温度控制问题问题：TIC203与轻柴油的产品质量关系密切，需要加以有效控制。但原控制方案中三通调节阀的调节能力不足，经常需要人工干预（手动调节一中回流量）。如何改进方案？要求：（1）确保TIC203的控制能力；（2）尽可能使一中回流经换热器进行能量回收；（3）一中回流量作为稳定塔的热源，希望波动尽可能小。轻柴油抽出板温度

的双重控制系统图中VPC称为“阀位控制器”，其测量值为主调节阀（本例中为三通调节阀）的开度。系统特点：（1）对主参数的控制能力显著提高。与分程控制不同的是，两调节阀同时动作。（2）通过设定Vsp，可实现能量回收的最大化。“急先治标，缓再治本”选择性控制主要内容选择性控制的分类；选择性控制的设计方法选择性控制的防积分饱和。选择性控制分类超驰控制（OverrideControl），也称约束控制（ConstraintControl） 特点：被控变量类型不同，通常有两个以上的控制器，主要用于设备软保护。被控变量选择控制（SelectiveControl） 特点：被控变量类型相同，通常只有一个控制器，与单回路控制相近，只是控制器输入由多个测量信号选择得到。热点温度的选择性控制超驰控制概念“超驰控制系统”的被控变量往往包括：一个常规被控变量，需要进行定值控制；一个区间约束变量，正常工况下无需控制，但一旦超出允许范围就需要及时加以调节，以防止事故的发生。“超驰控制系统”的操纵变量往往只有一个，因此，控制系统需要随时针对实际情况，选择某一个被控变量加以控制。液氨蒸发器的单回路控制如何实现待冷却物料温度的控制，并保证液氨不满罐?液氨蒸发器的选择性控制控制器正反作用的选择；选择器(低选器LS或高选器HS)的选择。液氨蒸发器的选择性控制控制器正反作用的选择；选择器(低选器LS或高选器HS)的选择。

选择器的性质只是取决于起超驰作用