自動(dòng)化專業(yè)復(fù)雜控制系統(tǒng)

1、復(fù)雜控制系統(tǒng)本章主要內(nèi)容串級(jí)控制系統(tǒng)（系統(tǒng)的基本概念、串級(jí)控制系統(tǒng)（系統(tǒng)的基本概念、 特點(diǎn)、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、系特點(diǎn)、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、系 統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合及應(yīng)用中的問題）統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合及應(yīng)用中的問題）比值控制系統(tǒng)（系統(tǒng)的基本概念、常用的比值控制方案及比值控制系統(tǒng)（系統(tǒng)的基本概念、常用的比值控制方案及 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)）前饋控制系統(tǒng)（前饋控制系統(tǒng)的基本概念、系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式及前饋控制系統(tǒng)（前饋控制系統(tǒng)的基本概念、系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式及 系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合）系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合）均勻控制系統(tǒng)（系統(tǒng)的概念、控制方案）均勻控制系統(tǒng)（系統(tǒng)的概念、控制方案）分程控制系統(tǒng)（系統(tǒng)的基本概念、系統(tǒng)的應(yīng)用中的幾個(gè)問題）分程控制系統(tǒng)（

2、系統(tǒng)的基本概念、系統(tǒng)的應(yīng)用中的幾個(gè)問題）選擇性控制系統(tǒng)（基本概念、系統(tǒng)的應(yīng)用、積分飽和及其防止）選擇性控制系統(tǒng)（基本概念、系統(tǒng)的應(yīng)用、積分飽和及其防止）串級(jí)控制系統(tǒng)基本原理及結(jié)構(gòu)基本原理及結(jié)構(gòu) 在多回路控制系統(tǒng)中，有兩個(gè)被控過程、兩套測(cè)量變送裝置、在多回路控制系統(tǒng)中，有兩個(gè)被控過程、兩套測(cè)量變送裝置、兩臺(tái)控制器和一個(gè)控制閥構(gòu)成的系統(tǒng)稱為串級(jí)控制系統(tǒng)。兩臺(tái)控制器和一個(gè)控制閥構(gòu)成的系統(tǒng)稱為串級(jí)控制系統(tǒng)。1rQ1c1u2f2c1f 1pG主對(duì)象 2pG副對(duì)象 vG控制閥 2cG2u副控制器 1cG主控制器1mH主變送器1y2mH副變送器2y主回路副回路串級(jí)控制系統(tǒng)方塊圖串級(jí)控制系統(tǒng)工作過程設(shè)定值控制

3、閥流 量控制器測(cè)量變送溫 度控制器溫度對(duì)象測(cè)量變送釜溫流量對(duì)象擾動(dòng)作用副回路擾動(dòng)作用主回路氣開反反蒸汽進(jìn)料精餾塔FCTC串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)n在系統(tǒng)特性上，串級(jí)控制系統(tǒng)由于副回路的引入，改善了對(duì)象特征，使控制過程加快，具有超前控制的作用。Y對(duì)象2控制閥副控制器測(cè)量變送2對(duì)象1測(cè)量變送1主控制器F2F1XcbaY對(duì)象2X控制閥控制閥對(duì)象1F2F1測(cè)量變送abc 單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng) 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)n在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路：主回路和副回路；在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路：主回路和副回路；有兩個(gè)控制器：主控制器和副控制器；有兩個(gè)測(cè)量變送器。有兩個(gè)控制器：主

4、控制器和副控制器；有兩個(gè)測(cè)量變送器。串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)定值控制閥流 量控制器干擾測(cè)量變送溫 度控制器溫度對(duì)象干擾測(cè)量變送釜溫流量對(duì)象定值控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)n串級(jí)控制系統(tǒng)由于增加了副回路，具有有一定的自適應(yīng)能力串級(jí)控制系統(tǒng)由于增加了副回路，具有有一定的自適應(yīng)能力。設(shè)定值控制閥副控制器干擾副測(cè)量變送主控制器主對(duì)象干擾主測(cè)量變送主變量副對(duì)象串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)n串級(jí)控制系統(tǒng)副參數(shù)的選擇及副回路的設(shè)計(jì)主副變量間應(yīng)有一定的內(nèi)在聯(lián)系系統(tǒng)的主要干擾應(yīng)包圍在副回路中在可能的情況下，應(yīng)使副環(huán)包圍更多的次要干擾副變量的選擇應(yīng)考慮主副對(duì)象時(shí)間常數(shù)的匹配，防止共振的發(fā)生當(dāng)對(duì)象具有較大的純滯后而影響控制質(zhì)

5、量時(shí)，在選擇副變量時(shí)應(yīng)使副環(huán) 盡量少包含純滯后或不包含純滯后串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)n主副控制器正反作用的選擇實(shí)例設(shè)定值控制閥流 量控制器測(cè)量變送溫 度控制器溫度對(duì)象測(cè)量變送釜溫流量對(duì)象 當(dāng)主、副變量在增加（或減?。r(shí)，為使主、副變量減?。ɑ蛟黾樱?，要求控制閥當(dāng)主、副變量在增加（或減小）時(shí)，為使主、副變量減?。ɑ蛟黾樱?，要求控制閥的作用方向是一致的時(shí)候，主控制器應(yīng)選擇反作用；反之選正作用。的作用方向是一致的時(shí)候，主控制器應(yīng)選擇反作用；反之選正作用。反蒸汽進(jìn)料精餾塔FCTC串級(jí)控制系統(tǒng)適應(yīng)場(chǎng)合n被控對(duì)象的控制通道純滯后時(shí)間較長(zhǎng)，用單回路控制系統(tǒng)不能滿足質(zhì)量指被控對(duì)象的控制通道純滯后時(shí)間較長(zhǎng)，用單回路控

6、制系統(tǒng)不能滿足質(zhì)量指標(biāo)標(biāo)n對(duì)象容量滯后比較大，用單回路控制系統(tǒng)不能滿足質(zhì)量指標(biāo)對(duì)象容量滯后比較大，用單回路控制系統(tǒng)不能滿足質(zhì)量指標(biāo)n控制系統(tǒng)內(nèi)存在變化激烈且幅值很大的干擾控制系統(tǒng)內(nèi)存在變化激烈且幅值很大的干擾 n被控對(duì)象具有較大的非線性，而負(fù)荷變化又較大被控對(duì)象具有較大的非線性，而負(fù)荷變化又較大 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)-實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)機(jī)上參數(shù)符合實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)機(jī)上參數(shù)符合 一定比一定比例例 關(guān)系的控制系統(tǒng)關(guān)系的控制系統(tǒng) 主物料主物料-處于主導(dǎo)地位的物料處于主導(dǎo)地位的物料 表征該物料的參數(shù)為主動(dòng)量表征該物料的參數(shù)為主動(dòng)量F F1 1（主流量）（主流量）從物料從物料-隨主物料的變化呈

7、比例的變化的另一種物料隨主物料的變化呈比例的變化的另一種物料 表征該物料的參數(shù)表征該物料的參數(shù)從動(dòng)量從動(dòng)量F F2 2 （副流量副流量）12FFK 流量比值副流量主流量比值控制系統(tǒng)的類型n單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)F1CF2CF1F2F2執(zhí)行器控制器F2C比值器對(duì) 象F1副測(cè)量變送主測(cè)量變送特點(diǎn)特點(diǎn)-兩種物料流量之比較為精確，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)施方便。兩種物料流量之比較為精確，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)施方便。不足不足-兩種物料兩種物料的總量（的總量（F1F1F F）不固定。）不固定。 比值控制系統(tǒng)的類型n單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)與串級(jí)控制系統(tǒng)比較單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)與串級(jí)控制系統(tǒng)比較F2執(zhí)行器控制器F

8、2C比值器對(duì) 象F1副測(cè)量變送主測(cè)量變送副對(duì)象設(shè)定值控制閥主控制器干擾測(cè)量變送副控制器主對(duì)象干擾測(cè)量變送設(shè)定值主變量n雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)的類型F1執(zhí)行器給定主流量控制器主流量對(duì)象主測(cè)量、變送副測(cè)量、變送K副流量控制器副流量對(duì)象執(zhí)行器F2KF1CF2CF1F2特點(diǎn)特點(diǎn)-兩種物料流量之比精確，兩種物料流量之比精確，其其總量（總量（F1F1F F）基本保持不變。）基本保持不變。不足不足-系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，使用的儀表較多，投資較大，系統(tǒng)調(diào)整比較復(fù)雜。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，使用的儀表較多，投資較大，系統(tǒng)調(diào)整比較復(fù)雜。使用場(chǎng)合使用場(chǎng)合-主流量干擾頻繁，工藝不允許有較大波動(dòng)或工藝上經(jīng)常需要提升負(fù)主流

9、量干擾頻繁，工藝不允許有較大波動(dòng)或工藝上經(jīng)常需要提升負(fù) 荷的場(chǎng)合。荷的場(chǎng)合。n變比值比值控制系統(tǒng)變比值比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)的類型TF2F1TTTCFCFT1FT2比值控制器主控制器控制閥流量對(duì)象主對(duì)象測(cè)量變送器F2Y干擾除法器測(cè)量變送器測(cè)量變送器F1特點(diǎn)-兩種物料流量的比值能靈活地隨第三變量的需要而變化。比值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)n主、從動(dòng)量的確定n控制方案的選擇n比值系數(shù)的計(jì)算生產(chǎn)過程中主要物料的流量為主動(dòng)量，生產(chǎn)過程中主要物料的流量為主動(dòng)量，次要物料的流量為從動(dòng)量次要物料的流量為從動(dòng)量。兩物料中有一個(gè)物料的量為可測(cè)但不可控為兩物料中有一個(gè)物料的量為可測(cè)但不可控為主動(dòng)量，可控的物料為從主動(dòng)量，可

10、控的物料為從動(dòng)量。動(dòng)量。根據(jù)各控制方案的特點(diǎn)及工藝的具體情況而確定根據(jù)各控制方案的特點(diǎn)及工藝的具體情況而確定。 (或) 12IIK 12PP12/FFK max2max1FFKKmax22max12FFKK流量比值信號(hào)比值非線性關(guān)系線性關(guān)系前饋控制系統(tǒng)n前饋控制系統(tǒng)與反饋控制比較干擾設(shè)定測(cè)量變送反饋控制器執(zhí)行器被控變量對(duì)象 前饋控制比反饋控制及時(shí)有效前饋控制比反饋控制及時(shí)有效 前饋控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，反饋控制是閉環(huán)控制系統(tǒng)前饋控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，反饋控制是閉環(huán)控制系統(tǒng) 前饋控制使用的實(shí)施對(duì)象特性而定的專用控制器，反饋控制采用通用前饋控制使用的實(shí)施對(duì)象特性而定的專用控制器，反饋控制采用通用

11、PIDPID控制器控制器 一種前饋?zhàn)饔弥芸朔环N干擾，反饋控制只用一個(gè)控制器就可克服多一種前饋?zhàn)饔弥芸朔环N干擾，反饋控制只用一個(gè)控制器就可克服多 個(gè)干擾個(gè)干擾對(duì)象被控變量干擾前饋控制器測(cè)量變送執(zhí)行器前饋控制系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式n靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)前饋控制器的輸出信號(hào)是是干擾量和時(shí)間的函數(shù)。而當(dāng)干擾通道和控制前饋控制器的輸出信號(hào)是是干擾量和時(shí)間的函數(shù)。而當(dāng)干擾通道和控制通道動(dòng)態(tài)特性相同時(shí)，便可按靜態(tài)關(guān)系確定前饋控制作用。通道動(dòng)態(tài)特性相同時(shí)，便可按靜態(tài)關(guān)系確定前饋控制作用。 如果主要干擾是進(jìn)料流量的波動(dòng)如果主要干擾是進(jìn)料流量的波動(dòng)，為了達(dá)到靜態(tài)補(bǔ)償應(yīng)滿足下式成立：，為了達(dá)到靜態(tài)補(bǔ)償應(yīng)滿足下式成立

12、：0)(fpmKKKF pfmKKK式中式中KpKp控制通道放大系數(shù)控制通道放大系數(shù) KfKf干擾通道放大系數(shù)干擾通道放大系數(shù) KmKm前饋放大器放大系數(shù)前饋放大器放大系數(shù)對(duì)象被控變量干擾前饋控制器測(cè)量變送執(zhí)行器KmFCF1F2n動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式 動(dòng)態(tài)前饋與靜態(tài)前饋從控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看是一樣的，只是前饋控制器的控制規(guī)律不同。動(dòng)態(tài)前饋要求控制器的輸出不僅僅是干擾量的函數(shù)，而且也是時(shí)間的函數(shù)。要求前饋控制器的校正作用使被控變量的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)誤差都接近或等于零。 tFFTba前饋控制系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式n前饋-反饋控制系統(tǒng)特點(diǎn)：特點(diǎn)：吸收前饋與反饋控制的優(yōu)點(diǎn)，即前饋控制作用及時(shí)

13、的優(yōu)點(diǎn)及反吸收前饋與反饋控制的優(yōu)點(diǎn)，即前饋控制作用及時(shí)的優(yōu)點(diǎn)及反饋控制能克服多個(gè)擾動(dòng)和具有對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行反饋檢測(cè)的長(zhǎng)處。饋控制能克服多個(gè)擾動(dòng)和具有對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行反饋檢測(cè)的長(zhǎng)處。實(shí)例FTFFCTTTCTT0FG控制閥對(duì)象設(shè)定測(cè)量變送反饋控制器前饋控制器測(cè)量變送被控變量干擾前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合 n 系統(tǒng)中存在著可測(cè)但不可控的變化幅度大，且頻繁的系統(tǒng)中存在著可測(cè)但不可控的變化幅度大，且頻繁的 干擾，這些干擾對(duì)被控參數(shù)影響顯著，反饋控制達(dá)不干擾，這些干擾對(duì)被控參數(shù)影響顯著，反饋控制達(dá)不 到質(zhì)量要求時(shí)。到質(zhì)量要求時(shí)。n 當(dāng)控制系統(tǒng)的控制通道滯后時(shí)間較長(zhǎng)，由于反饋控制當(dāng)控制系統(tǒng)的控制通道滯后時(shí)間較長(zhǎng)，由

14、于反饋控制 不及時(shí)影響控制質(zhì)量時(shí)，可采用前饋或前饋反饋控不及時(shí)影響控制質(zhì)量時(shí)，可采用前饋或前饋反饋控 制系統(tǒng)制系統(tǒng) 。均勻控制系統(tǒng)n均勻控制系統(tǒng)的基本概念均勻控制是在連續(xù)生產(chǎn)過程中各種設(shè)備前后緊密聯(lián)系的情況下均勻控制是在連續(xù)生產(chǎn)過程中各種設(shè)備前后緊密聯(lián)系的情況下提出來的一種特殊的液位（或氣壓）提出來的一種特殊的液位（或氣壓）流量控制。其目的在于流量控制。其目的在于使液位保持在一個(gè)允許的變化范圍，而流量保持平穩(wěn)。使液位保持在一個(gè)允許的變化范圍，而流量保持平穩(wěn)。LCFC1塔1塔22均勻控制系統(tǒng)小小 結(jié)：均勻控制系統(tǒng)，是指兩個(gè)工藝參數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)能緩慢地、結(jié)：均勻控制系統(tǒng)，是指兩個(gè)工藝參數(shù)在規(guī)定范圍

15、內(nèi)能緩慢地、均勻地變化，使前后設(shè)備在物料供求上相互兼顧，均勻協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。均勻地變化，使前后設(shè)備在物料供求上相互兼顧，均勻協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。構(gòu)成均勻控制系統(tǒng)，液位和流量?jī)蓚€(gè)參數(shù)的變化應(yīng)滿足如下要求：構(gòu)成均勻控制系統(tǒng)，液位和流量?jī)蓚€(gè)參數(shù)的變化應(yīng)滿足如下要求：1. 1. 兩個(gè)參數(shù)在控制過程中都應(yīng)該是變化的，且變化是緩慢的。兩個(gè)參數(shù)在控制過程中都應(yīng)該是變化的，且變化是緩慢的。 2. 2. 兩個(gè)參數(shù)必須在允許的范圍內(nèi)變化，均勻控制要求在最大干擾作用下，兩個(gè)參數(shù)必須在允許的范圍內(nèi)變化，均勻控制要求在最大干擾作用下，液位在塔釜的上下限內(nèi)波動(dòng)，而流量應(yīng)在一定的范圍內(nèi)平穩(wěn)漸變，避免液位在塔釜的上下限內(nèi)波動(dòng)，而流量應(yīng)在

16、一定的范圍內(nèi)平穩(wěn)漸變，避免對(duì)后段工序產(chǎn)生較大的干擾。對(duì)后段工序產(chǎn)生較大的干擾。均勻控制系統(tǒng)n簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)LC特點(diǎn)特點(diǎn)-結(jié)構(gòu)與單回路液位控制系統(tǒng)相同結(jié)構(gòu)與單回路液位控制系統(tǒng)相同 控制規(guī)律采用純比例控制控制規(guī)律采用純比例控制 參數(shù)整定比例度大于參數(shù)整定比例度大于100%100%均勻控制系統(tǒng)n串級(jí)均勻控制系統(tǒng)FCLC 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)與串級(jí)控制系統(tǒng)完全相同結(jié)構(gòu)與串級(jí)控制系統(tǒng)完全相同 副環(huán)流量控制與串級(jí)副環(huán)相同副環(huán)流量控制與串級(jí)副環(huán)相同 副環(huán)參數(shù)整定與串級(jí)對(duì)副環(huán)的要求相同副環(huán)參數(shù)整定與串級(jí)對(duì)副環(huán)的要求相同 主控制器與簡(jiǎn)單均勻控制要求相同主控制器與簡(jiǎn)單均勻控制要求相同 主、副控制器一般都采用純比例

17、控制規(guī)律主、副控制器一般都采用純比例控制規(guī)律分程控制系統(tǒng)變送器控制器電氣20100KPaAB60100 KPa2060 KPa20100KPa由一個(gè)控制器的輸出信號(hào)分段分別去控制兩個(gè)或兩個(gè)由一個(gè)控制器的輸出信號(hào)分段分別去控制兩個(gè)或兩個(gè)以上控制閥動(dòng)作的系統(tǒng)稱為分程控制系統(tǒng)以上控制閥動(dòng)作的系統(tǒng)稱為分程控制系統(tǒng) 分程控制系統(tǒng)10020601000閥壓/kPa閥開度(%)20601000閥壓/kPaB閥閥開度(%)100B閥A閥A閥10020601000閥壓/kPa閥閥閥開度(%)BA20601000閥壓/kPaA閥B閥閥開度(%)100分程控制方案中，閥的開閉形式，可分同向和異向兩種 氣開氣閉分程控

18、制系統(tǒng)的應(yīng)用n 用于擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍用于擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍例 1可調(diào)比：閥所能控制的最大流量與最小流量之比minmaxQQR 控制器AB 4maxAQ100maxBQ設(shè)：分程控制中使用的大小兩只控制閥的最大流通能力分別為：且兩個(gè)閥的可調(diào)范圍相等： RA=RB=30若忽略大閥的泄露則其最小流通量為：134. 0304maxminAAARQQ最大流通能力為：maxAQ+1041004maxBQ所以兩個(gè)閥組合在一起的可調(diào)范圍擴(kuò)大到： 780134. 0104R分程控制系統(tǒng)的應(yīng)用n 用于控制滿足工藝上操作的特殊要求用于控制滿足工藝上操作的特殊要求例 2間歇式反應(yīng)器的溫度分程控制冷水TC蒸汽“B”

19、氣開閥“A”氣關(guān)閥1000.020.060.1“B”“A”0MPa氣關(guān)閥氣開閥閥開度(%)氣開氣關(guān)反分程控制系統(tǒng)的應(yīng)用例 3n 用于控制滿足工藝上操作的特殊要求用于控制滿足工藝上操作的特殊要求PC排空氣關(guān)閥“B”“A”氣開閥N2N21000.020.060.1“B”“A”0MPa氣關(guān)閥氣開閥閥開度(%)分程控制系統(tǒng)n 分程控制應(yīng)用中的幾個(gè)問題分程控制應(yīng)用中的幾個(gè)問題 控制閥的泄漏量問題 控制閥流量特性的選擇除考慮對(duì)象特性外更應(yīng)注意在分程點(diǎn)處控制 閥的放大系數(shù)可能出現(xiàn)突變 分程控制控制器控制規(guī)律的選擇及其參數(shù)整定可參照簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)處理 選擇性控制系統(tǒng)非正常工況一般采取的處理方法有兩種：非正常工況一般采取的處理方法有兩種：連鎖保護(hù)緊急性停車連鎖保護(hù)緊急性停車自動(dòng)切換至手動(dòng)自動(dòng)切換至手動(dòng)選擇性控制系統(tǒng)選擇性控制系統(tǒng)-當(dāng)生產(chǎn)操作趨向限制條件時(shí)，一個(gè)用于控制不安當(dāng)生產(chǎn)操作趨向限制條件時(shí)，一個(gè)用于控制不安全工況的控制方案將取代正常情況下的控制方案，直到生產(chǎn)操作重新回全工況的控制方案將取代正常情況下的控