41复杂控制系统

第4章复杂控制系统在一般情况下简单控制系统（单回路控制系统）基本上能够满足生产控制要求。但针对一些特殊的情况：如系统干扰因素多、干扰剧烈，以及工艺上有特殊的要求时，采用简单的控制系统无论怎样进行参数调整也达不到生产控制要求时，则必须采用复杂的控制系统。所谓复杂控制系统就是在简单反馈控制回路中增加了计算环节、控制环节或其他环节的控制系统称为复杂控制系统。但从输入和输出变量的关系来看，其总体上仍是单一的。复杂控制系统主要有串级、均匀、比值、前馈、分程、选择性、双重等控制系统。本章主要说明各类控制系统：基本原理、系统结构、性能分析、以及它们的设计和应用等方面的问题。这些控制系统有的以结构命名（如串级控制），有的以功能特征或原理命名（如比值控制），有的则两者结合在一起（如选择性比值控制）。4.1串级控制系统（附：双重控制）4.2前馈控制系统4.3其他复杂控制系统4.3.1比值控制系统4.3.2选择性控制系统4.3.3分程控制系统4.3.4均匀控制系统复杂控制系统4.1串级控制系统基本概念系统结构工作原理性能分析设计和应用投运与整定4.1.1基本概念串级控制系统（cascadecontrolsystem)是一种常用的复杂控制系统，它根据系统结构命名。它由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，这类控制系统称为串级控制系统。冷流F1,T1i体载热体F2,T2iT10T204.1.2系统结构换热器的温度控制热交换器是一种传热设备，它可以将冷物料加热(或冷却)到预定的温度。图示为一个列管式换热器，其中载流体的热量首先传给套管的内壁，经管壁传导后再传给冷流体。传热过程中存在几个串联的热阻，故换热器是一个多容量对象，时间常数和滞后都比较大。根据工艺要求，需要控制的参数是冷流体被加热后的出口温度T1O，此温度要求保持在某一设定数值。列管式换热器影响出口温度T1O的扰动因素主要有：1-冷流体进口温度T1i和流量F12-载热体入口温度T2i和流量F2常见控制方案有下面两种：换热器温度控制(a)方案一：控制载热体流量(b)方案二：控制冷流体分流量冷流F1,T1i体载热体F2,T2iT1OT20TCF’1,T1F1T1OF2TC方案一的特点与不足特点：方案一是以载热体流量作为操纵量来控制换热器出口温度。当T1O偏离设定温度时，控制器发出相应的控制信息，改变阀门开度，控制载热体流量，从而使其满足工艺要求。由于这种方案结构简单，在工厂应用较多。不足：对于一个换热器来说，其传热面积是一定的，当载热体流量已足够大，热交换达到饱和状态时，再继续增大其流量来提高出口温度的效果就不大了。此外当换热器结构复杂，容量滞后和时间常数都比较大时，控制通道的反应不灵敏，不易获得好的控制质量。冷流F1,T1i体载热体F2,T2iT1OT20TC方案二的特点与不足特点：方案二则是通过改变冷流体分流量的方法使冷流体出口温度T1O满足要求：在冷流体入口侧安装三通控制阀，一部分冷流体不经过换热器，直接流到换热器出口侧与被加热的一部分流体混合。当流体出口温度偏低(高)时，就可以减小(增大)旁路流量，增加(减少)流经换热器的流量F1。这个控制方案的特点是冷流体的混合过程起很大作用，滞后时间和时间常数都比前一种方案小得多，控制通道反应快。不足：然而这个方案中载热体一直处于最大流量（F2）状态，且要求传热面积有较大的裕量，以便冷流体能获得足够的热量，这样才能有效地克服扰动的影响。因此，当冷流体流量较小时，热能的利用率不高，不太经济。F’1,T1F1T1OF2TCF1TCFCT10F2换热器温度串级控制系统为了使换热器的控制系统不管是载热体流量的干扰还是冷流体流量的干扰都能及时准确快速的作出响应，对上面的两种方案进行综合，在调节载热体流量控制冷流体出口温度的系统上，增加一个以载热体流量为被控量的控制回路与原来的温度单回路系统构成串级控制系统。此时把冷流体出口温度控制器TC的输出，作为载热体流量控制器FC的设定值。载热体流量F2用节流式流量计测量，其测量值输入FC控制器与设定值比较。根据偏差的大小和方向，控制器发出控制信号去操纵控制阀动作。这样，载热体的流量扰动因素可及时地被克服，能够较好地保证冷流体出口温度的控制质量。F1TCFCT10F2换热器温度串级控制系统温度控制器流量控制器控制阀流量对象温度对象温度变送器流量变送器换热器串级控制系统方框图特点：两个闭环环路，内环和外环内环：副环，副控制器、副对象、副变送器（流量）——随动控制系统，给定值由主控制器输出给定，副控制器输出控制控制阀外环：主环，主控制器、主对象、主变送器（温度）——定值控制系统，给定值由工艺设定，主控制器输出作为副控制器的设定串级控制系统方框图换热器温度-流量串级控制系统主控（变）量指工艺控制指标，是在串级控制系统中起主导作用的被控量y1，即上例中的冷流体出口温度T10。副控（变）量指为了稳定主控变量或某种需要引入的辅助变量y2，如上例中的载热体流量F2。主对象由主控变量表征其主要特性的生产设备，如上例中的换热器以及从控制阀到冷流体出口温度检测点之间的所有管道。副对象由副控变量表征其主要特性的生产设备，如上例中载热体流量检测点到控制阀之间的管道。主控制器按主控变量的测量值与工艺规定值（即设定值y10）之间的偏差工作，其输出作为副控制器的设定值，在系统中起主导作用。如上例中的TC。副控制器按副控变量的测量值与主控制器来的设定值之间的偏差工作，其输出直接操纵执行器。如上例中的FC。主回路由主对象、主测量变送器、主控制器、副控制器、控制阀及副对象构成的外回路，亦称外环或主环。副回路由副对象、副测量变送器、副控制器及控制阀构成的回路,亦称内环或副环。4.1.3工作原理假如换热器的载热体流量、温度、压力都基本稳定，冷流体出口温度达到设定值，其所需的热量与载热体所供给的有效热量平衡，控制阀保持一定的开度，此时冷流体的出口温度稳定在设定值上。当扰动作用发生，上述平衡状态被破坏，控制系统克服扰动的过程便开始。根据扰动进入系统的位置不同，可分为三种情况：温度控制器流量控制器控制阀流量对象温度对象温度变送器流量变送器②①1）扰动进入副回路假如载热体的压力变化，使通过控制阀的载热体流量相应改变（控制阀开度未改变）。这时副控制器获得偏差信号，迅速地改变控制阀的开度。如果压力扰动量小，经过副回路控制后，一般可不影响冷流体的出口温度；如果扰动量大，其大部分影响为副回路所克服，剩余小部分影响到冷流体的出口温度，使主控制器也投入控制过程。主控制器根据冷流体出口温度测量值偏离设定值的程度，适当改变副控制器的设定值。此时，副控制器把流量测量值与设定值两者的变化加在一起，从而进一步加速克服扰动的过程，使主控量（出口温度）较快回到设定值，这时控制阀留在新的开度上。温度控制器流量控制器控制阀流量对象温度对象温度变送器流量变送器①1）扰动进入副回路总之，扰动进入副回路时，由于副回路控制通道短，滞后小，时间常数小，故可获得比单回路控制超前的作用。扰动小时，副环可完全克服扰动的影响；扰动大时，副环抢先控制，剩少量由主、副环一起控制，故整个控制过程速度快，质量高。温度控制器流量控制器控制阀流量对象温度对象温度变送器流量变送器①2）扰动进入主回路假如进入换热器的冷流体流量和温度变化，破坏了热平衡而使出口温度波动，这时由主控制器先起控制作用，它通过改变副控制器的设定值而使其发出控制信号，改变控制阀的开度，即改变载热体的流量，使主控量（出口温度）尽快回到设定值。在这个在过程中，副回路虽然不能直接克服扰动，但由于副回路的存在，加速了控制作用。在主、副控制器的共同作用下，克服扰动的影响较单回路控制快，控制过程也较短。温度控制器流量控制器控制阀流量对象温度对象温度变送器流量变送器②3）扰动同时作用于主回路与副回路假如扰动使主、副被控量同方向（即同时增大或减小）变化时，例如冷流体出口温度升高，载热体流量增大，则副控制器所接受的偏差为主、副被控量两方向之和，偏差值就较大。此时副控制器的输出就以较大幅度改变控制阀的开度，使出口温度尽快向设定值靠拢。假如扰动使主、副被控变量反方向变化（即一个增大另一个减小），则副控制阀所接受的偏差信号为主、副被控变量两方向作用之差，其值将较小。此时控制阀开度需作较小的变化就可把出口温度调整回来。结论：串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，控制质量优于单回路控制系统，并且，实现方便，生产过程中应用比较普遍。流量控制器：“粗调”温度控制器：“细调”4.1.4性能分析一、能迅速克服进入副回路扰动的影响定性分析当扰动进入副回路后，首先，副被控变量检测到扰动的影响，并通过副回路的定值控制作用，及时调节操纵变量，使副被控变量回复到副设定值，从而使扰动对主被控变量的影响减少。即副环回路对扰动进行粗调，主环回路对扰动进行细调。定量分析串级控制系统框图)()()()(1)()()(222222sWsWsWsWsWsFsYmovco)()()(222sWsFsYo串级控制系统副环扰动通道传递函数：单回路控制系统副环扰动通道传递函数：由以上分析可知，串级控制系统进入副环扰动的等效扰动是单回路控制系统中进入副环扰动的倍。静态时，其值为倍。同样，串级控制系统在副环进入的扰动作用下，控制系统的余差为单回路控制系统余差的倍。因此，串级控制系统能够迅速克服进入副环扰动的影响，并使余差大大减小。22211movcKKKK)()()()(11222sWsWsWsWmovc22211movcKKKK串级和单回路控制的仿真比较二、改善主控制器Gc2的广义对象特性根据负反馈准则，副环控制回路应满足负反馈条件，因此大于零，即等效副环增益的分母项大于1，当副控制器增益很大时，副环增益取决于副环检测变送环节增益，而副环检测变送环节增益一般为1，副环等效增益为1，因此副环可近似为1:1的比例环节，这表明串级控制系统的广义对象可近似表示为主被控对象、主被控变量的检测变送环节的串联，显然，广义对象动态特性得到改善。从传递函数看，副环增益为：222221KmpvcpvcKKKKKKK副222mpvcKKKK串级控制系统的工作频率大于单回路控制系统的工作频率。当其他参数固定后，其值随副控制器增益的增大而增大。串级控制系统工作频率的提高表明控制系统的操作周期缩短，在相同衰减比条件下的回复时间缩短，因此，有利于提高控制系统的动态性能。三、提高工作频率scs2221mpvcKKKK工作频率与各参数的关系四、有较好的自适应能力单回路控制系统只有一个控制器，设定值一般不变，难以适应负荷非线性的变化。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。副环可近似为1：1比例环节，因此，副环内各环节参数的变化对副环增益本身影响不大，即控制系统对负荷变化和对象参数变化的适应性增强。副回路能自动地克服对象非线性特性的影响。例：阀门定位器。五、能够更精确控制操纵变量的流量当副被控变量是流量时，未引入流量副回路，控制阀的回差、阀前压力的波动都会影响到操纵变量的流量，使它不能与主控制器输出信号保持严格的对应关系。采用串级控制系统后，引入流量副回路，使流量测量值与主控制器的输出一一对应，从而能够更精确地控制操纵变量的流量。4.1.5设计与应用一、串级控制系统的工业应用1、用于克服对象的纯滞后当被控对象纯滞后时间较长时，在离控制阀较近、纯滞后时间较小的地方选择一个副变量，把干扰拉入副回路。利用副回路的超前作用来克服对象的纯滞后仅仅是对二次干扰而言的，一次干扰不直接影响副变量。例如下图所示：副变量：过热蒸汽温度，位于滞后较小的B点。被控参数：A点温度控制参数：减温水流量主要干扰：减温水压力波动。过热蒸汽温度串级控制系统BA2、用于克服对象的容量滞后容量滞后会使被控对象反应迟钝，超调大，过渡过程长。以温度或质量作为被控量的控制对象，其容量滞后往往比较大，致使控制质量变差。对象容量滞后大、干