复杂控制系统

内容提要串级控制系统串级控制系统概述串级控制系统的特点及应用主、副控制器控制规律的选择主、副控制器正反作用的选择控制器参数工程整定与系统投运其他复杂控制系统概述根据根据系统的结构和所担负的任务复杂控制系统串级控制系统均匀控制系统比值控制系统分程控制系统前馈控制系统选择控制系统三冲量控制系统第一节串级控制系统一、串级控制系统概述当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，可考虑采用串级控制系统。举例说明串级控制系统的结构及其工作原理可延长炉子寿命，防止炉管烧坏；可保证后面精馏分离的质量。控制好温度管式加热炉出口温度控制系统第一节串级控制系统在实际生产过程中，特别是当加热炉的燃料压力或燃料本身的热值有较大波动时，该简单控制系统的控制质量往往很差，原料油的出口温度波动较大，难以满足生产上的要求。根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度第一节串级控制系统当燃料压力或燃料本身的热值变化后，先影响炉膛的温度，然后通过传热过程才能逐渐影响原料油的出口温度，这个通道容量滞后很大，时间常数约15min左右，反应缓慢，而温度控制器TC是根据原料油的出口温度与给定值的偏差工作的。所以当干扰作用在对象上后，并不能较快地产生控制作用以克服干扰被控变量的影响。当工艺上要求原料油的出口温度非常严格时，为了解决容量滞后问题，还需对加热炉的工艺作进一步分析。原因第一节串级控制系统以原料油出口温度为主要被控变量的炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统管式加热炉出口温度串级控制系统的方框图管式加热炉出口温度串级控制系统第一节串级控制系统在上述控制系统中，有两个控制器T1C和T2C，接收来自对象不同部位的测量信号θ1和θ2。T1C的输出作为T2C的给定值，而后者的输出去控制执行器以改变操纵变量。从系统的结构看，这两个控制器是串接工作的。几个串级控制系统中常用的名词主变量工艺控制指标，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。第一节串级控制系统主对象为主变量表征其特性的生产设备。副对象为副变量表征其特性的工艺生产设备。主控制器按主变量的测量值与给定值而工作，其输出作为副变量给定值的那个控制器。副变量串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量。第一节串级控制系统主回路由主变量的测量变送装置，主、副控制器，执行器和主、副对象构成的外回路。副回路由副变量的测量变送装置，副控制器执行器和副对象所构成的内回路。其给定值来自主控制器的输出，并按副变量的测量值与给定值的偏差而工作的那个控制器。副控制器第一节串级控制系统串级控制系统典型方块图第一节串级控制系统二、串级控制系统的特点及应用1.系统的结构串级控制系统有两个闭合回路。主回路是个定值控制系统,副回路是个随动系统。在串级控制系统中,主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺参数。副变量的引入往往是为了提高主变量的控制质量,它是基于主,副变量之间具有一定的内在关系而工作的。第一节串级控制系统选择串级控制系统的副变量一般有两类情况：一类情况是选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量;另一类选择的副变量就是操纵变量本身,这样能及时克服它的波动,减小对主变量的影响。第一节串级控制系统举例通过这套串级控制系统，能够在塔釜温度稳定不变时，蒸汽流量能保持恒定值，而当温度在外来干扰作用下偏离给定值时，又要求蒸汽流量能作相应的变化，以使能量的需要与供给之间得到平衡，从而保持釜温在要求的数值上。精馏塔塔釜温度串级控制系统1—精馏塔；2—再沸器第一节串级控制系统在上例中，选择的副变量就是操纵变量（加热蒸汽量）本身。这样，当干扰来自蒸汽压力或流量的波动时，副回路能及时加以克服，以大大减少这种干扰对主变量的影响，使塔釜温度的控制质量得以提高。第一节串级控制系统由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干扰进入回路时，可以获得比单回路控制系统超前的控制作用，有效地克服燃料油压力或热值变化对原料油出口温度的影响，从而大大提高了控制质量。在确定副回路时，除了要考虑它的快速性外，还应该使副回路包括主要干扰，可能条件下应力求包括较多的次要干扰。小结第一节串级控制系统加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统如果燃料油的压力比较稳定,而燃料油的组分波动较大,那么,该图串级控制系统的副回路作用就不大。第一节串级控制系统在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服过程。副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。小结第一节串级控制系统三、主、副控制器控制规律的选择目的为了高精度地稳定主变量。主控制器通常都选用比例积分控制规律，以实现主变量的无差控制。副变量的给定值是随主控制器的输出变化而变化的。副控制器一般采用比例控制规律。第一节串级控制系统选择方法序号对变量的要求应选控制规律备注主变量副变量主控副控1234重要指标,要求很高主要指标,要求较高允许变化,要求不高要求不高,互相协调允许变化,要求不严主要指标,要求较高要求较高,变化较快要求不高,互相协调PIPIPPPPIPIP主控必要时引入微分工程上很少采用表13-1主、副变量不同时应选用的控制规律第一节串级控制系统四、主、副控制器正反作用的选择串级控制系统中的副控制器作用方向的选择，根据工艺安全等要求，选定执行器的气开、气关形式后，按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定。例如图所示的管式加热炉温度-温度串级控制系统中的副回路。气源中断，停止供给燃料油时，执行器选气开阀，“正”方向。燃料量加大时，炉膛温度θ2（副变量）增加，副对象“正”方向。为使副回路构成一个负反馈系统，副控制器T2C选择“反”方向。1.副控制器作用方向的选择第一节串级控制系统当主、副变量增加（减小）时，如果由工艺分析得出，为使主、副变量减小（增加），要求控制阀的动作方向是一致的时候，主控制器应选“反”作用；反之，则应选“正”作用。2.主控制器作用方向的选择例如图所示的管式加热炉串级控制系统。主变量θ1或副变量θ2增加时，都要求关小控制阀，减少供给的燃料量，才能使θ1或θ2降下来，所以此时主控制器T1C应确定为反作用方向。第一节串级控制系统五、控制器参数整定与系统投运串级控制系统主、副控制器的参数整定的两种方法。1.两步整定法按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的方法。第一节串级控制系统（1）在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用运行的条件下，将主控制器的比例度先固定在100％的刻度上，逐渐减小副控制器的比例度，求取副回路在满足某种衰减比（如4∶1）过渡过程下的副控制器比例度和操作周期，分别用δ2s和T2s表示。（2）在副控制器比例度等于δ2s的条件下，逐步减小主控制器的比例度，直至得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度δ1s和操作周期T1s。整定过程第一节串级控制系统（3）根据上面得到的δ1s、T1s、δ2s、T2s，按表12-3（或表12-4）的规定关系计算主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。（4）按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定规律，将计算出的控制器参数加到控制器上。（5）观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。第一节串级控制系统共振问题如果主、副对象时间常数相差不大，动态联系密切，可能会出现“共振”现象。可适当减小副控制器比例度或积分时间，以达到减小副回路操作周期的目的。同理，可以加大主控制器的比例度或积分时间，以期增大主回路操作周期，使主、副回路的操作周期之比加大，避免“共振”。如果主、副对象特性太接近，就不能完全靠控制器参数的改变来避免“共振”了。第一节串级控制系统2.一步整定法副控制器的参数按经验直接确定,主控制器的参数按简单控制系统整定。实践证明这种整定方法，对于对主变量要求较高，而对副变量没有什么要求或要求不严，允许它在一定范围内变化的串级控制系统，是很有效的。第一节串级控制系统副变量放大倍数Kc2比例度δ2s／％温度压力流量液位5.0～1.73.0～1.42.5～1.255.0～1.2520～6030～7040～8020～80采用一步整定法时副变量的选择范围第一节串级控制系统一步整定法的整定步骤：（1）在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照表13-2所列的数据，将副控制器比例度调到某一适当的数值。（2）利用简单控制系统中任一种参数整定方法整定主控制器的参数。（3）如果出现“共振”现象，可加大主控制器或减小副控制器的参数整定值，一般即能消除。第二节其他复杂控制系统一、均匀控制系统甲塔:为了稳定操作需保持塔釜液位稳定，必然频繁地改变塔底的排出量。乙塔：从稳定操作要求出发，希望进料量尽量不变或少变。甲、乙两塔间的供求关系出现了矛盾。为了解决前后工序供求矛盾，达到前后兼顾协调操作，使液位和流量均匀变化，组成的系统称为均匀控制系统。前后精馏塔的供求关系1—出料阀；2—小阀1.均匀控制的目的第二节其他复杂控制系统均匀控制的要求（1）两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化的。（2）前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内波动。前一设备的液位和后一设备的进料量之关系1—液位变化曲线；2—流量变化曲线第二节其他复杂控制系统2.均匀控制方案目的为了协调液位与排出流量之间的关系，允许它们都在各自许可的范围内作缓慢的变化。满足均匀控制要求的方法通过控制器的参数整定来实现。简单均匀控制（1）简单均匀控制第二节其他复杂控制系统（2）串级均匀控制可在简单均匀控制方案基础上增加一个流量副回路，即构成串级均匀控制。参数整定的方法由小到大地进行调整。串级均匀控制系统的主、副控制器一般都采用纯比例作用的。只在要求较高时，为了防止偏差过大而超过允许范围，才引入适当的积分作用。串级均匀控制第二节其他复杂控制系统特点由于增加了副回路，可以及时克服由于塔内或排出端压力改变所引起的流量变化。串级均匀控制系统协调两个变量间的关系是通过控制器参数整定来实现的。在串级均匀控制系统中，参数整定的目的不是使变量尽快地回到给定值，而是要求变量在允许的范围内作缓慢的变化。第二节其他复杂控制系统二、比值控制系统工业上为了保持两种或两种以上物料的比值为一定的控制叫比值控制。几个概念主物料、主动信号从物料、从动信号第二节其他复杂控制系统1.开环比值控制12QQK比值控制系统的类型：从物料量Q2与主物料量Q1的比值关系为开环比值控制第二节其他复杂控制系统结构简单，只需一台纯比例控制器，其比例度可以根据比值要求来设定。主、副流量均开环；这种比值控制方案对从物料量Q2本身无抗干扰能力。所以这种系统只能适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。特点第二节其他复杂控制系统2.单闭环比值控制单闭环比值控制系统是为了克服开环比值控制方案的不足，在开环比值控制系统的基础上，通过增加一个副流量的闭环控制系统而组成的。单闭环比值控制这种方案的优点是结构简单,能确保两流量比值不变,是应用最多的方案。第二节其他复杂控制系统3.变比值控制系统要求两种物料的比值能灵活地随第三参数的需要而加以调整，这样就出现一种变比值控制系统。变比值控制系统第二节其他复杂控制系统三、前馈控制系统反馈与前馈换热器的反馈控制换热器的前馈控制第二节其他复杂控制系统反馈控制与前馈控制比较不论什么干扰,只要引起被控变量变化,都可以进行控制,这是反馈控制的优点。前馈控制是一种按扰动变化大小进行控制的系统,控制作用在扰动发生的同时就产生,这就是前馈控制的主要特点。往往用“前馈”来克服主要干扰,再用“反馈”来克服其他干扰,组成“复合”的前馈-反馈控制系统。第二节其他复杂控制系统换热器的前馈-反馈控制用前馈控制来克服由于进料量波动对被控变量θ的影响,而用温度控制器的控制作用来克服其他干扰对被控变量θ的影响,前馈与反馈控制作用相加,共同改变加热蒸汽量,以使出料温度θ