化工儀表及自動(dòng)化課件第七章-復(fù)雜控制系統(tǒng)

1、第七章 復(fù)雜控制系統(tǒng)本 章內(nèi)容串級(jí)控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)選擇性控制系統(tǒng)第七章 復(fù)雜控制系統(tǒng)本 章內(nèi)容串級(jí)控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)前饋 一般情況下，單回路控制系統(tǒng)都能滿足大部分生產(chǎn)控制要求。但當(dāng)被控對(duì)象的容量滯后比較大，負(fù)荷變化比較劇烈、頻繁，或者工藝對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求很高，此時(shí)單回路控制系統(tǒng)就很難滿足控制要求，這就需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的控制系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)流程加以控制。 一般情況下，單回路控制系統(tǒng)都能滿足大部分生產(chǎn)控制要 復(fù)雜控制系統(tǒng)種類繁多，根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和所負(fù)擔(dān)的任務(wù)來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的復(fù)雜控制系統(tǒng)分為兩大類：提高響應(yīng)曲線性能指標(biāo)的控制系統(tǒng)，如串級(jí)、前饋、純滯后補(bǔ)償?shù)取０茨承┨囟ㄒ蠖?/p>

2、開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，如比值、均勻、分程、選擇、推斷等。 復(fù)雜控制系統(tǒng)種類繁多，根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和所負(fù)擔(dān)的 在復(fù)雜控制系統(tǒng)中，有兩個(gè)被控過(guò)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)。 串級(jí)控制系統(tǒng)方塊圖一、基本原理及結(jié)構(gòu)第一節(jié)、串級(jí)控制系統(tǒng) 串級(jí)控制系統(tǒng)方塊圖一、基本原理及結(jié)構(gòu)第一管式加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)管式加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)溫度控制器執(zhí)行器爐膛爐膛壁出口管溫度檢測(cè)變送器設(shè)定+系統(tǒng)方框圖溫度控制器執(zhí)行器爐膛爐膛壁出口管溫度檢測(cè)變送器設(shè)定+系統(tǒng)方框加熱爐出爐溫度串聯(lián)控制系統(tǒng) 解決滯后時(shí)間大與控制質(zhì)量要求高之間的矛盾，保持加熱爐出口溫度為某一定值加熱爐出爐溫度串聯(lián)控制系統(tǒng) 解

3、決滯后時(shí)間大與控主控制器副控制器執(zhí)行器溫度對(duì)象2溫度對(duì)象11測(cè)量變送器設(shè)定+2測(cè)量變送器主控制器副控制器執(zhí)行器溫度對(duì)象2溫度對(duì)象11測(cè)量變送器設(shè)定 串級(jí)控制系統(tǒng)方塊圖 串級(jí)控制系統(tǒng)方塊圖主控制器副控制器執(zhí)行器溫度對(duì)象2溫度對(duì)象11測(cè)量變送器設(shè)定+2測(cè)量變送器主控制器副控制器執(zhí)行器溫度對(duì)象2溫度對(duì)象11測(cè)量變送器設(shè)定主控制器副控制器執(zhí)行器副對(duì)象主對(duì)象主測(cè)量、變送器設(shè)定+副測(cè)量、變送器 主控制器副控制器執(zhí)行器副對(duì)象主對(duì)象主測(cè)量、變送器設(shè)定+副測(cè)量 二、串級(jí)控制系統(tǒng)工作過(guò)程1、干擾進(jìn)入副回路主控制器副控制器執(zhí)行器溫度對(duì)象2溫度對(duì)象11測(cè)量變送器設(shè)定+2測(cè)量變送器 二、串級(jí)控制系統(tǒng)工作過(guò)程1、干擾進(jìn)入

4、副回路主控制器副控制器 2、干擾作用于主對(duì)象主控制器副控制器執(zhí)行器溫度對(duì)象2溫度對(duì)象11測(cè)量變送器設(shè)定+2測(cè)量變送器 2、干擾作用于主對(duì)象主控制器副控制器執(zhí)行器溫度對(duì)象2溫度對(duì)主控制器副控制器執(zhí)行器副對(duì)象主對(duì)象主測(cè)量、變送器設(shè)定+副測(cè)量、變送器 3、干擾同時(shí)作用于副回路和主對(duì)象主控制器副控制器執(zhí)行器副對(duì)象主對(duì)象主測(cè)量、變送器設(shè)定+副測(cè)量 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(guò)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) 串級(jí)控制系統(tǒng)三、串級(jí)控制

5、系統(tǒng)的特點(diǎn)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F2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。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)設(shè)定值控制閥流 量干擾測(cè)量變送溫 度溫度對(duì)象干擾測(cè)量變送釜溫串級(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)象設(shè)定值控制閥副控干擾副測(cè)量變送主控主對(duì)象干擾主測(cè)量變送主變量主副變量間應(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

6、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)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四、串級(jí)控制系統(tǒng)中副回路的確定主副變量間應(yīng)有一定的內(nèi)在聯(lián)系四、串級(jí)控制系統(tǒng)中副回路的確定1、主、副變量間應(yīng)有一定的聯(lián)系（1）選擇與主變量有一定關(guān)系的某一中間變量作為副變量1、主、副變量間應(yīng)有一定的聯(lián)系（2）選擇的副變量就是操作變量本身。蒸汽進(jìn)料精餾塔 FC TC蒸汽進(jìn)料精餾塔 FC TC2、系統(tǒng)的主要干擾應(yīng)包圍在副回路中PCTC2、系統(tǒng)的主要干擾應(yīng)包圍在副回路中PCTC3、在可能的情況下，應(yīng)使副環(huán)包圍更多的次要干擾P

7、CTC3、在可能的情況下，應(yīng)使副環(huán)包圍更多的次要干擾PCTC4、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5、當(dāng)對(duì)象具有較大的純滯后而影響控制質(zhì)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4、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)生五、主、副控制器控制規(guī)律及正、反作用的選擇1、控制規(guī)律的選擇設(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)中主、副控制器的控制規(guī)律選擇都應(yīng)按照工藝要求來(lái)進(jìn)行。 主控制器一般選用PID控制規(guī)律，副控制器一般可選P控制規(guī)律。五、主、副控制器控制規(guī)律及正、反作用的選擇1、控制規(guī)律的選擇2

8、、控制器正、反作用選擇副控制器作用方式的確定，與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)相同。 主控制器副控制器執(zhí)行器副對(duì)象主對(duì)象主測(cè)量、變送器設(shè)定+副測(cè)量、變送器2、控制器正、反作用選擇副控制器作用方式的確定，與簡(jiǎn)單控制系 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。主控制器副控制器執(zhí)行器副對(duì)象主對(duì)象主測(cè)量、變送器設(shè)定+副測(cè)量、變送器 當(dāng)主、副變量在增加（或減?。r(shí)，為使主、副變量主副控制器正反作用的選擇實(shí)例主控制器副控制器執(zhí)行器溫度對(duì)象2溫度對(duì)象11測(cè)量變送器設(shè)定+2測(cè)量變送器主副控制器正反作用的選擇實(shí)例主控制器副控制器執(zhí)行器溫度

9、對(duì)象2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)象蒸汽進(jìn)料精餾塔 FC TC主副控制器正反作用的選擇實(shí)例設(shè)定值控制閥流 量測(cè)量變送溫 度被控對(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)控制系統(tǒng)內(nèi)存在變化激烈且幅值很大的干擾 被控對(duì)象具有較大的非線性，而負(fù)荷變化又較大 六、串級(jí)控制系統(tǒng)適應(yīng)的場(chǎng)合六、串級(jí)控制系統(tǒng)適應(yīng)的場(chǎng)合化工儀表及自動(dòng)化課件第七章_復(fù)雜控制系統(tǒng)化工儀表及自動(dòng)化課件第七章_復(fù)雜控制系統(tǒng)化工儀表及自動(dòng)化課件第七章_復(fù)雜控制系統(tǒng)化工儀表及自動(dòng)化課件第七章_復(fù)雜控

10、制系統(tǒng)化工儀表及自動(dòng)化課件第七章_復(fù)雜控制系統(tǒng)溫度控制器流量控制器控制閥 管道干燥器溫度測(cè)量變送器設(shè)定+流量測(cè)量變送器溫度控制器流量控制器控制閥 管道干燥器溫度測(cè)量變送器設(shè)定+化工儀表及自動(dòng)化課件第七章_復(fù)雜控制系統(tǒng)化工儀表及自動(dòng)化課件第七章_復(fù)雜控制系統(tǒng)化工儀表及自動(dòng)化課件第七章_復(fù)雜控制系統(tǒng)化工儀表及自動(dòng)化課件第七章_復(fù)雜控制系統(tǒng)化工儀表及自動(dòng)化課件第七章_復(fù)雜控制系統(tǒng)化工儀表及自動(dòng)化課件第七章_復(fù)雜控制系統(tǒng)化工儀表及自動(dòng)化課件第七章_復(fù)雜控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)-實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng) 主物料-處于主導(dǎo)地位的物料 表征該物料的參數(shù)為主動(dòng)量Q1（主流量）從物料-隨主物

11、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)從動(dòng)量Q2 （副流量）流量比值副流量主流量第二節(jié)、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)以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系1、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)F1CF2CQ1Q2Q2執(zhí)行器控制器F2C比值器對(duì) 象Q1副測(cè)量變送主測(cè)量變送特點(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。不足-兩種物料的總量（Q1Q）不固定。 比值控制系統(tǒng)的類型F1CF2CQ1Q2Q2執(zhí)行器控制器F2C比值器對(duì) 象Q1副單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)與串級(jí)控制系統(tǒng)比較Q2執(zhí)行器控制器F2C比值器對(duì) 象Q1副測(cè)量變送主測(cè)量變送設(shè)定值主控制器副控制器執(zhí)行器副對(duì)象主對(duì)象主測(cè)量、變送器設(shè)定+副測(cè)量、

12、變送器Q2執(zhí)行器控制器F2C比值器對(duì) 象Q1副測(cè)量變送主測(cè)量變送設(shè)2、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)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F2KF1CF2CQ1Q2特點(diǎn)-兩種物料流量之比精確，其總量（Q1Q）基本保持不變。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。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)荷的場(chǎng)合。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、變送主、從動(dòng)量的確定控制方案的選擇比值系數(shù)的計(jì)算生產(chǎn)過(guò)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。兩物料中有一個(gè)物料的量為可測(cè)但

13、不可控為主動(dòng)量，可控的物料為從動(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。 (或) 流量比值信號(hào)比值非線性關(guān)系線性關(guān)系比值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)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。兩干擾設(shè)定測(cè)量變送反饋控制器執(zhí)行器被控變量對(duì)象對(duì)象被控變量干擾前饋控制器測(cè)量變送執(zhí)行器第三節(jié)、前饋控制系統(tǒng)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)象對(duì)象被控變量干擾 前饋控制比反饋控制及時(shí)有效 前饋控制屬于開(kāi)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PID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)控制器就可克服多個(gè)干擾 前饋控制比

14、反饋控制及時(shí)有效靜態(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)，為了達(dá)到靜態(tài)補(bǔ)償應(yīng)滿足下式成立： 式中Kp控制通道放大系數(shù) Kf干擾通道放大系數(shù) Km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KmFCF1F2一、前饋控制系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式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)干擾通道和控動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng) 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

15、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 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-反饋控制系統(tǒng)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)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。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)的優(yōu)點(diǎn)及反 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)不到質(zhì)量要求時(shí)。 當(dāng)控制系統(tǒng)的控制通道滯后時(shí)間較長(zhǎng)，由于反饋控制不及時(shí)影響控制質(zhì)量時(shí)，可采用前饋

16、或前饋反饋控 制系統(tǒng) 。前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合 前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合LCFC1塔1塔22均勻控制是在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中各種設(shè)備前后緊密聯(lián)系的情況下提出來(lái)的一種特殊的液位（或氣壓）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)。第四節(jié)、均勻控制系統(tǒng)LCFC1塔1塔22第四節(jié)、均勻控制系統(tǒng)化工儀表及自動(dòng)化課件第七章_復(fù)雜控制系統(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：1. 兩個(gè)參數(shù)在控制過(guò)程中都應(yīng)該是變化的，且變化是緩慢的。 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，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，避免對(duì)后段工

17、序產(chǎn)生較大的干擾。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、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)。小 結(jié)LC特點(diǎn)-結(jié)構(gòu)與單回路液位控制系統(tǒng)相同控制規(guī)律采用純比例控制參數(shù)整定比例度大于100%簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)LC特點(diǎn)-結(jié)構(gòu)與單回路液位控制系統(tǒng)相同控制規(guī)律采用FCLC 特點(diǎn) 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)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、副控制器一般都采用純比例控制規(guī)律串級(jí)均勻控制系統(tǒng)FCLC 特點(diǎn)串級(jí)均勻控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)變送器控制

18、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)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)變送器控制器電氣20100AB60100 10020601000閥壓/kPa閥開(kāi)度(%)20601000閥壓/kPaB閥閥開(kāi)度(%)100B閥A閥A閥10020601000閥壓/kPa閥閥閥開(kāi)度(%)BA20601000閥壓/kPaA閥B閥閥開(kāi)度(%)100分程控制方案中，閥的開(kāi)閉形式，可分同向和異向兩種 氣開(kāi)氣閉10020601000閥壓/kPa閥(%)20601000閥用于擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍例 1可調(diào)比：閥所能控制的最

19、大流量與最小流量之比控制器AB 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：最大流通能力為：+所以兩個(gè)閥組合在一起的可調(diào)范圍擴(kuò)大到： 分程控制系統(tǒng)的應(yīng)用例 1可調(diào)比：閥所能控制的最大流量與最小流量之比AB 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”氣開(kāi)閥“A”氣關(guān)閥1000.020.060.1“B”“A”0MPa氣關(guān)閥氣開(kāi)閥閥開(kāi)度(%)氣開(kāi)氣關(guān)反例 2間歇式反應(yīng)器的溫度分程控制冷水TC蒸汽“B”氣開(kāi)閥“A例 3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(kāi)閥N2N21000.020.060.1“B”“A”0MPa氣關(guān)閥氣開(kāi)閥閥開(kāi)度(%)例 3PC排空氣關(guān)閥“B”“A”氣開(kāi)閥N2N21000.02分程控制應(yīng)用中的幾個(gè)問(wèn)題 控制閥的泄漏量問(wèn)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 控制閥的泄漏量問(wèn)題 控制閥流量特性的選擇除考慮