1、復(fù)雜控制系統(tǒng)第1頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二第一節(jié)串級控制系統(tǒng)一、串級控制系統(tǒng)組成 串級控制系統(tǒng)(cascade control system)是一種常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)，它根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)命名。由兩個或兩個以上的控制器串聯(lián)連接組成，一個控制器的輸出作為另一個控制器的設(shè)定值，這類控制系統(tǒng)稱為串級控制系統(tǒng)。第2頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二(一)串級控制結(jié)構(gòu)特點(diǎn)【組成】兩個閉環(huán)，內(nèi)環(huán)(副環(huán))和外環(huán)(主環(huán))；【內(nèi)環(huán)】包括副控制器、副對象、副變送器，組成隨動控制系統(tǒng)，給定值由主控制器輸出給定，副控制器輸出控制控制閥；【外環(huán)】包括主控制器、主對象、主

2、變送器，組成定值控制系統(tǒng)，給定值由工藝設(shè)定，主控制器輸出作為副控制器的設(shè)定。串級控制系統(tǒng)框圖_主控制器控制閥副對象主對象副檢測變送主檢測變送擾動y2擾動y1副控制器_第3頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二(二)有關(guān)術(shù)語主控(變)量：指工藝控制指標(biāo)，是在串級控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被控量。副控(變)量：為了穩(wěn)定主控變量或某種需要引入的輔助量。主對象：由主控變量表征其主要特性的生產(chǎn)設(shè)備。 副對象：由副控變量表征其主要特性的生產(chǎn)設(shè)備。主控制器：在系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的控制器，按主控變量的測量值與工藝規(guī)定值之間的偏差工作，其輸出作為副控制器的設(shè)定值。副控制器：按副控變量的測量值與主控

3、制器來的設(shè)定值之間的偏差工作，其輸出直接操縱執(zhí)行器。主回路：由主對象、主測量變送器、主控制器、副控制器、控制閥及副對象構(gòu)成的外回路，亦稱外環(huán)或主環(huán)。副回路：由副對象、副測量變送器、副控制器及控制閥構(gòu)成的回路，亦稱內(nèi)環(huán)或副環(huán)第4頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二二、串級控制工作過程(一)擾動進(jìn)入副回路溫度控制器流量控制器控制閥流量對象溫度對象溫度變送器流量變送器(二)擾動進(jìn)入主回路溫度控制器流量控制器控制閥流量對象溫度對象溫度變送器流量變送器第5頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二(三)擾動同時進(jìn)入主、副回路結(jié)論：串級控制系統(tǒng)具有單回路控制系統(tǒng)的全部

4、功 能，控制品質(zhì)優(yōu)于單回路系統(tǒng)，且實(shí)現(xiàn)方便， 生產(chǎn)過程中應(yīng)用比較普遍。溫度控制器流量控制器控制閥流量對象溫度對象溫度變送器流量變送器第6頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二三、設(shè)計與應(yīng)用1.容量滯后較大的過程2.純延時較大的過程3.干擾變化激烈且幅度 較大的過程第7頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二4.參數(shù)相關(guān)聯(lián)的過程5.非線性過程第8頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二第二節(jié)前饋控制系統(tǒng) 換熱器進(jìn)料量F1為主要干擾量，換熱器滯后明顯，單回路反饋控制往往達(dá)不到工藝的要求，此時可采用前饋控制：通過測量進(jìn)料量(干擾)，由前饋控制器

5、控制閥門，改變操縱量以補(bǔ)償進(jìn)料量變化DF1對被控量(出口溫度)的影響。前饋控制及其補(bǔ)償原理示意圖前饋補(bǔ)償干擾DF1一、反饋控制局限與前饋控制的提出第9頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二二、前饋控制基本概念前饋控制是指按照擾動產(chǎn)生校正作用的控制方法?；驹恚簻y取進(jìn)入過程的擾動量(外界擾動和設(shè)定值變 化)，并按照其信號產(chǎn)生合適的控制作用去改變控 制量，已抵消(補(bǔ)償)擾動對被控量的影響。特點(diǎn)：按引起被控量變化的擾動大小直接進(jìn)行控制，無須等 待被控量的變化。三、前饋控制補(bǔ)償原理 由前饋控制系統(tǒng)方框圖可得：Y(s)=GFW(s)GP(s)-GF(s)N(s) 顯然當(dāng)GFW(s)

6、GP(s)-GF(s)=0時，擾動對系統(tǒng)被控量不會產(chǎn)生影響。全補(bǔ)償條件是：第10頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二四、前饋控制與反饋控制的區(qū)別控制依據(jù)檢測變量作用時間反饋控制偏差被控量偏差出現(xiàn)后前饋控制擾動量大小擾動量偏差出現(xiàn)前五、前饋控制類型(一)靜態(tài)前饋控制 靜態(tài)前饋控制，是指控制器的輸出量mf僅是其輸入量D的函數(shù)而與時間無關(guān)，即mf=f(D)。為了便于工程上實(shí)施，這種關(guān)系可以近似表示為線性關(guān)系：mf =Kf D。第11頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二 按照上式，應(yīng)用儀表裝置構(gòu)建前饋系統(tǒng)如下圖。系統(tǒng)不但實(shí)現(xiàn)了對F1的前饋控制，同時還考慮了次

7、要的擾動F2和T1i的變化，控制質(zhì)量較高，可把冷流體出口溫度穩(wěn)定在設(shè)定值Tx。例圖示換熱器， F1為主要擾動，F(xiàn)2、T1i為次要擾動，試設(shè)計前饋控制系統(tǒng)，以保證T1o滿足要求(穩(wěn)定于設(shè)定值Tx)。第12頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二(二)動態(tài)前饋控制 為了提高動態(tài)品質(zhì)，可在靜態(tài)前饋基礎(chǔ)上適當(dāng)加入動態(tài)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)動態(tài)前饋控制。(三)前饋反饋控制 選擇對象中最主要的、反饋控制不易克服的擾動進(jìn)行前饋控制，其他一些擾動則進(jìn)行反饋控制，如下圖。 換熱器前饋反饋控制方案FCTC換熱器FY冷流體F1, T1i+F2,T2iT10TSP載熱體鍋爐汽包液位控制第13頁，共39頁，202

8、2年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二第三節(jié) 其它復(fù)雜控制系統(tǒng)一、比值控制系統(tǒng) 使兩個或兩個以上參數(shù)保持一定比值關(guān)系的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。在需要保持比值關(guān)系的兩種物料中，必有一種處于主導(dǎo)地位稱之為主物料(主動量)，其流量稱為主流量，用F1表示；另一種物料則按主物料進(jìn)行配比稱之為從物料(從動量) ，其流量稱之為從流量或副流量，用F2表示。 第14頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二(一)開環(huán)比值控制系統(tǒng) 由于是開環(huán)控制系統(tǒng)，若副流量的溫度、壓力稍有變化，副流量也發(fā)生變化，兩物料間的實(shí)際比值很難保持不變，因此控制質(zhì)量通常很差，工業(yè)生產(chǎn)過程中采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。 FYF1

9、F2FC(二)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 圖中的從流量變送器FT2、控制器FC、控制閥V2以及對象(指從流量的檢測點(diǎn)到執(zhí)行器之間的一段管道)等構(gòu)成一個閉合的從動回路。 FYF1F2FCFT2V2FT1只能保證F2的閥門開度與F1成比例，不能 保證F2與F1成比例。能保證F2與F1成比例。第15頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二(三)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 主、副物料都有各自的控制系統(tǒng)，主物料進(jìn)行定值控制；副物料進(jìn)行隨動控制。FYF1F2F1CF2CV1V2能保證F2與F1成比例，且能穩(wěn)定F1。(四)變比值控制系統(tǒng) 根據(jù)第三參數(shù)的需要而不斷改變兩物料比值的控制系統(tǒng)就稱為變比值控制系統(tǒng)

10、。第16頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二(五)比值系數(shù)的計算比 值：k =Q2/Q1比值系數(shù)：K =（I2-4）/（I1-4） 流量與測量信號成非線性關(guān)系時 流量與測量信號成線性關(guān)系時第17頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二(七)比值控制實(shí)施問題具體實(shí)現(xiàn)方案有兩種:2.把一個流量的測量值乘以比值系數(shù)，其乘積作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，稱為相乘控制方案。 1.把兩個流量的測量值相除，其商作為調(diào)節(jié)器的反饋值，稱為相除控制方案。第18頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二二、 選擇性控制系統(tǒng)（一）概述 一般的過程控制系統(tǒng)是在正常工況下，

11、為保證生產(chǎn)過程的物料平衡、能量平衡和生產(chǎn)安全而設(shè)計的，它們沒有考慮到在事故狀態(tài)下的安全生產(chǎn)問題。但當(dāng)操作條件到達(dá)安全極限時，應(yīng)有保護(hù)性措施。如大型透平壓縮機(jī)的防喘振、化學(xué)反應(yīng)器的安全操作及鍋爐燃燒系統(tǒng)的防脫火和防回火等。 事故狀態(tài)下的保護(hù)性措施大致可分成兩種： 一種是自動報警，然后由人工進(jìn)行處理，或采用自動連鎖、自動停機(jī)的方法進(jìn)行保護(hù)，稱為“硬保護(hù)”。 另一種措施稱為“軟保護(hù)”，即所謂的選擇性控制系統(tǒng)。 第19頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二（二）系統(tǒng)的類型及工作過程1.選擇調(diào)節(jié)器的輸出信號對調(diào)節(jié)器輸出信號進(jìn)行選擇的系統(tǒng)框圖為：第20頁，共39頁，2022年，5月20

12、日，13點(diǎn)26分，星期二例：鍋爐燃燒過程壓力自動選擇控制 ：第21頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)第22頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二2.選擇變送器的輸出信號 這種系統(tǒng)至少采用兩個或兩個以上的變送器。變送器的輸出信號均送入選擇器，選擇器選擇符合工藝要求的信號反饋至調(diào)節(jié)器。 第23頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二例：化學(xué)反應(yīng)過程峰值溫度自動選擇性控制系統(tǒng)流程圖 第24頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二 在自動選擇性控制系統(tǒng)中，若采用兩個調(diào)節(jié)器，其中必有一個為正常調(diào)節(jié)器，另一

13、個為取代調(diào)節(jié)器。對于正常調(diào)節(jié)器，由于有較高的控制精度而應(yīng)選用PI或PID調(diào)節(jié)規(guī)律；對于取代調(diào)節(jié)器，由于在正常生產(chǎn)中開環(huán)備用，僅在生產(chǎn)將要出現(xiàn)事故時，才迅速動作，以防事故發(fā)生，故一般選用P調(diào)節(jié)規(guī)律即可。（三）、調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的確定 第25頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二三、分程控制系統(tǒng)間歇式化學(xué)反應(yīng)器分程控制系統(tǒng) 在一般的控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的輸出只控制一個調(diào)節(jié)閥，但在某些工業(yè)生產(chǎn)中，根據(jù)工藝要求，需將調(diào)節(jié)器的輸出信號分段，去分別控制兩個或兩個以上的調(diào)節(jié)閥。這種控制系統(tǒng)通常稱為：分程控制系統(tǒng)。（一）定義第26頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二（二）

14、方框圖（三）控制閥動作方向1.同向動作第27頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二2.異向動作（四）分程控制系統(tǒng)的設(shè)計 分程控制系統(tǒng)本質(zhì)上是屬于單回路控制系統(tǒng)。 由于調(diào)節(jié)器的輸出信號要進(jìn)行分程而且所用調(diào)節(jié)閥較多，所以在系統(tǒng)設(shè)計上也有一些特殊之處。 第28頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二分程即將調(diào)節(jié)器輸出分成幾個區(qū)段，一段信號控制一個調(diào)節(jié)閥。1.調(diào)節(jié)器輸出信號的分程 2.調(diào)節(jié)閥特性選擇與注意的問題 同向與異向的選擇：根據(jù)工藝要求選擇同向工作或異向工作的調(diào)節(jié)閥 流量特性的平滑銜接：在分程控制中，當(dāng)把兩個調(diào)節(jié)閥作為一個調(diào)節(jié)閥使用時，要求分程點(diǎn)處的流量特性

15、平滑。 調(diào)節(jié)閥的泄露量：在分程控制系統(tǒng)中，必須保證在調(diào)節(jié)閥全關(guān)時無泄漏或泄漏量極小。第29頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二（五）工業(yè)應(yīng)用1.用于節(jié)能控制，減少能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。2.用于擴(kuò)大調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍 第30頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二3.用于兩個不同控制介質(zhì)的生產(chǎn)過程 廢液中和過程分程控制第31頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二4.滿足生產(chǎn)過程不同階段的需要 B(氣開)A(氣關(guān))蒸汽0.020.060.10AB100冷卻水TTTCP(MPa)l/L(%)5.交替使用不同控制方式，保證設(shè)備安全 如圖所示，貯罐

16、頂部充填氮?dú)?，頂部氮?dú)鈮毫一般為微正壓。生產(chǎn)過程中，隨著液位的變化，P會產(chǎn)生波動。液位上升，P上升，超過一定數(shù)值，貯罐會被鼓壞；液位下降，P下降，降至一定數(shù)值，貯罐會被吸癟。故設(shè)置分程控制系統(tǒng)以保證儲罐安全。第32頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二四、均勻控制系統(tǒng)（一）問題提出ABLCLTFCFT第33頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二 圖a圖c是普通的單回路控制系統(tǒng)的控制結(jié)果，只有圖b才體現(xiàn)了均勻控制的思想，即L和F都緩慢波動且都穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。 將液位控制與流量控制統(tǒng)一在一個控制系統(tǒng)中，從系統(tǒng)內(nèi)部解決兩種工藝參數(shù)供求之間的矛盾，即使A塔的

17、液位在允許的范圍內(nèi)波動的同時，也使流量平穩(wěn)緩慢地變化。 均勻控制的設(shè)計思想：自動控制時前后設(shè)備的液位、流量關(guān)系 第34頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二（二）均勻控制的特點(diǎn)1.結(jié)構(gòu)上無特殊性 同樣一個單回路液位控制系統(tǒng)，由于控制作用強(qiáng)弱不一，既可以是單回路定值控制系統(tǒng)，也可以是均勻控制系統(tǒng)。因此均勻控制是靠降低控制回路的靈敏度而不是靠結(jié)構(gòu)變化獲得的。2.參數(shù)有變化，而且是緩慢地變化 因?yàn)榫鶆蚩刂剖乔昂笤O(shè)備物料供求之間的均勻，所以表征兩個物料的參數(shù)都不應(yīng)是某一固定值。那種試圖把兩個參數(shù)都穩(wěn)定不變的想法絕非均勻控制的目的。無需將兩個參數(shù)平均分配，而是視前后設(shè)備的特性及重要件

18、等因素來確定其主次。3.參數(shù)應(yīng)在限定范圍內(nèi)變化 在均勻控制系統(tǒng)中，被控變量是非單一、非定值的，允許它們在一定的范圍內(nèi)變化。第35頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二（三）均勻控制系統(tǒng)的設(shè)計 均勻控制系統(tǒng)的設(shè)計主要包括：控制方案的選擇、調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇、調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定等。 1.控制方案的選擇（1）簡單均勻控制系統(tǒng) 注意：當(dāng)調(diào)節(jié)閥兩端的壓差變化較大時，流量大小不僅取決于調(diào)節(jié)閥開度 的大小，還將受到壓差波動的影響。 第36頁，共39頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)26分，星期二（2）串級均勻控制系統(tǒng) 為了克服調(diào)節(jié)閥前后壓力波動和被控過程的自平衡待性對流量的影響，設(shè)計了以流量為副參數(shù)、以液位為主參數(shù)的串級均勻控制系統(tǒng)。 從結(jié)構(gòu)上看，它與一般的液位和流量串級控制系統(tǒng)是一致的。但這里采用串級形式的目