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1、第六章 常用高性能过程控制系统,单回路控制系统在大多数情况下能满足生产过程要求，但对一些较复杂的过程或控制要求较高的场合，单回路控制系统往往难以满足要求。例如：,过程可控性较差，具有明显的时变性或非线性,干扰变化剧烈，且幅度较大,控制性能要求较高,过程参数之间存在严重关联,为此，在单回路控制系统的基础上，开发了串级、前馈等较复杂的控制系统，以提高控制品质。,第一节 串级控制系统,反应釜温度的单回路控制,控制通道时间常数较大，容量滞后也较大，控制作用不及时，系统克服扰动的能力较差，不能使反应温度达到工艺要求。,串级控制系统的基本概念,反应釜温度的串级控制,串级控制系统由主回路（主环）与副回路（副
2、环）组成，副调节器具有“粗调”作用，主调节器具有“细调”作用，提高了控制品质。,串级控制系统的特点,串级控制系统与单回路控制系统相比较，结构上多了一个副回路，因而具有以下特点：,能迅速克服进入副回路的二次扰动，从而大大减小了二次扰动对主参数的影响；副回路的存在，使得控制作用的总放大系数提高了，抗干扰能力和控制性能都比单回路控制系统有了明显提高。,改善了系统的动态特性，提高了系统的工作频率，缩短了振荡周期，从而提高了整个系统的控制质量。,对负荷和操作条件的变化适应性强。,串级控制系统的应用,虽然串级控制系统有许多特点，但其所用仪表多，参数整定较繁琐，所以单回路控制系统若能满足生产要求，就不必选用
3、串级控制等复杂系统。,应用于容量滞后较大的过程,应用于纯延迟较大的过程,应用于参数相互关联的过程,应用于干扰变化剧烈且幅度大的过程,应用于非线性过程,1. 适用于容量滞后较大的过程：选容量滞后较小的辅助变量，减小时常，提高频率。（图68）,2. 适用于纯滞后较大的过程：（图69, ）工艺要求：过滤前的压力稳定在250Pa;特点：距离长，纯滞后时间长。仿丝胶液压力与压力串级控制。,3. 适用于干扰变化剧烈、幅度大的过程：,工艺要求：汽包液位控制，特点：快装锅炉容量小，蒸汽流量与水压变化频繁、激烈三冲量液位串级控制。 （图610）,同一种介质控制两种参数(图611) 单回路控制：两套装置，不经济又
4、无法工作； 常压塔塔顶出口温度和一线温度串级控制。,4. 适用于参数互相关联的过程：,特点：负荷或操作条件改变导致过程特性改变。若：单回路控制，需随时改变调节器整定参数以保证系统的衰减率不变；串级控制，则可自动调整调节器的整定参数。,（图612）合成反应器温度串级控制：换热器呈非线性特性,注意：串级控制虽然应用范围广，但必须根据具体情况，充分利用优点，才能收到预期的效果。,5. 适用于非线性过程,串级控制系统的设计,主参数的选择与主回路的设计,副参数的选择与副回路的设计,主、副调节器调节规律的选择,主、副调节器正、反作用方式的确定,控制参数的选择,串级控制系统由主回路和副回路组成，主回路是一定
5、值控制系统，副回路是一随动控制系统。,主参数的选择与主回路的设计,串级控制系统的主回路是一个定值控制系统，对于主参数的选择与主回路的设计，基本上可按单回路控制系统的设计原则进行。,凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关，并可直接测量的工艺参数，均可选作主参数；,若条件许可，可选质量指标为主参数。否则，应选一个与产品质量有单值函数关系的参数为主参数；,主参数必须具有足够大的灵敏度；,主参数的选择应符合工艺过程的合理性。,副参数的选择与副回路的设计,副参数的选择应使副回路的时间常数小，时延小，控制通道短，使等效过程的时间常数大大减小，从而加快系统的工作频率，提高响应速度，缩短过渡过程时间，改善系统
6、的控制品质；,应使主、副过程的时间常数适当匹配，原则上，主、副过程的时间常数之比应在310之间；,a）：燃料油压力为主要干扰； b）：燃料油粘度、成分、热值、处理量为主要干扰,副回路必须包含被控过程中变化剧烈、频繁且幅度大的主要扰动，并尽可能多地包含一些扰动；,冷剂液位为副参数，投资少，控制质量不高； b) 冷剂蒸发压力为副参数，投资多，控制质量较高。选择应视具体情况而定。,副回路的设计应考虑工艺的合理性和经济性。,控制参数的选择,串级控制系统中控制参数的选择，大致与单回路控制系统的设计原则相同。,选择可控性好的参数作为控制参数；,所选择的控制参数必须使控制通道有足够大的放大系数，且大于主要扰
7、动通道的放大系数，以实现对主要扰动进行有效控制，并提高控制质量；,所选控制参数必须使控制通道的时间常数较小，灵敏度较高；,选择控制参数应同时考虑经济性和工艺的合理性。,主、副调节器调节规律的选择,串级控制系统中，主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用。,主参数是工艺操作的主要指标，允许波动范围很小，一般要求无余差，因此，主调节器应选PI或PID调节规律。,副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，可在一定范围内变化，允许有余差，因此，副调节器选P调节规律，一般不引入积分和微分作用。若选流量为副参数，为保持系统稳定，可采用PI调节规律。,根据工艺生产安全等原则，确定调节阀的气开、气关形式；
8、,根据生产工艺条件和调节阀的气开、气关形式，确定副调节器的正、反作用方式；,根据主、副参数的关系，决定主调节器的正、反作用方式。,确定方法：,主、副调节器正、反作用方式的确定,燃油阀气开，副对象为正过程，副调为反作用调节器；主对象也为正过程，主调为反作用调节器,串级控制系统的参数整定,总体上，串级控制系统的主回路是一个定值控制系统，要求主参数有较高的控制精度，其品质指标与单回路定值控制系统一样。副回路是一个随动系统，只要求副参数能快速而准确地跟随主调节器的输出变化即可。,逐步逼近法,当主、副过程的时间常数相差不大，主、副回路的动态联系较密切时，系统整定可反复进行，逐步逼近。,主回路断开，按照单
9、回路控制系统的参数整定法（如衰减曲线法），整定副调节器参数 ；,主回路闭合，副回路作为一个等效环节，按单回路系统的衰减曲线法，整定主调节器参数 ；,按上步所得结果，在主回路闭合情况下，整定副调节器参数 ，完成一个逼近循环。若满足要求则 、 为所求调节器参数。否则，继续上述方法，逐步逼近，直至满足质量指标要求为止。,两步整定法,若主、副过程的时间常数之比 在310范围内，可在副调节器参数整定后，将副回路作为主回路的一个环节，按单回路控制系统的整定方法，整定主调节器的参数。,在工况稳定、主回路闭合情况下，主调节器纯比例作用， ，用4:1衰减曲线法得到副调节器的比例度 和操作周期 ；,将副回路等效成
10、一个环节，用同样的方法得到主调节器的比例度 和操作周期 ；,两步整定法,根据 、 、 、 ，按衰减曲线法整定公式，计算主、副调节器的参数 、 和 ；,按先副后主、先比例后积分再微分的次序，调整主、副调节器参数，直至系统质量达到满意为止。,例：在硝酸生产过程中，有一个氧化炉温度与氨气流量的串级控制系统。炉温为主参数，工艺要求较高；氨气流量为副参数，允许一定范围变化。主调节器采用PI控制规律，副调节器采用P控制规律，试用两步整定法整定主、副调节器参数。,两步整定法,令主调节器 ，用4:1衰减曲线法得副调节器的 ， ；,根据上述结果，得主、副调节器的参数为：,将副调节器 ，用4:1衰减曲线法得主调节
11、器的 ， ；,主调节器：,副调节器：,一步整定法,根据副过程的特性或经验，先确定副调节器参数，然后按单回路系统的方法整定主调节器参数。,工况稳定，系统纯比例作用，由 或由经验确定 ，并将其设置在副调节器上；,按单回路系统的衰减曲线法，整定主调节器参数；,观察控制过程，根据 与 相互匹配的原理，适当调整调节器参数，使主参数满足工艺要求。,在参数整定过程中，若出现共振，只需加大主、副调节器中任一调节器的参数，即可消除共振。,一步整定法,例：在石油裂解气冷却系统中，通过液态丙稀的气化吸收热量，保持裂解气出口温度的稳定。为此，设计了一个裂解气出口温度与丙稀气化压力的串级控制系统，主调节器采用PID控制
12、规律，副调节器采用P控制规律，试用一步整定法整定主、副调节器参数。,由于副参数为压力，反应快，滞后小，比例度可选小一些，故选副调节器的 ；,根据上述结果，得主、副调节器的参数为：,将副调节器 ，用4:1衰减曲线法得主调节器的 ， ；,主调节器：,副调节器：,一步整定法,比例积分控制 PI 或 比例积分微分控制 PID,比例控制P,一、串级控制规律,二、参数整定方法,先整定副回路参数,后整定主回路参数,先设置副回路参数,一步整定主回路参数,二、参数整定方法,二、液位串级控制系统的调试,串级系统结构图,1、准备工作,二、液位串级控制系统的调试,1、准备工作,二、液位串级控制系统的调试,二、液位串级
13、控制系统的调试,三、串级控制的特点及参数选择,1、串级控制特点,2、串级控制的应用场合,3、主、副变量的选择,第二节 前馈控制系统,反馈控制是按被控参数与给定值的偏差进行控制，补偿扰动对被控参数的影响，以消除偏差。反馈控制总是滞后于扰动，是一种不及时的控制。,前馈控制又称扰动补偿，是按照引起被控参数变化的扰动大小直接进行控制的，以补偿扰动的影响，使被控参数不变或基本保持不变。,生产过程中，通过换热器用蒸汽对冷物料进行加热，最主要的扰动是冷物料的流量。,前馈控制的基本概念,干扰 一方面通过干扰通道 影响 ，另一方面 经测量装置和前馈控制器 产生控制作用，再经控制通道 影响 。,扰动完全补偿的条件
14、为：,即,前馈控制的特点,前馈控制只能抑制可测而不可控的干扰对被控参数的影响。,前馈控制是一种开环控制。,前馈控制是一种按扰动大小进行补偿的控制。它通过前馈调节器和控制通道的作用，及时有效地抑制扰动对被控参数的影响；而不像反馈控制那样，待被控参数产生偏差后再进行调节。,前馈调节器的调节规律与常规PID调节规律不同，它是由过程特性决定的， 。,前馈控制的局限性,前馈控制是减少被控参数动态偏差的一种最有效的方法，但却无法实际应用，主要原因是：,实际生产过程中，使被控参数变化的扰动很多，不可能针对每一个干扰设计一套独立的前馈控制。,对不可测的干扰无法实现前馈控制。,前馈调节规律由过程特性 和 决定，
15、要得到其精确值较为困难。,为得到满意的控制效果，通常将前馈控制和反馈控制结合起来，组成前馈反馈控制系统。,前馈反馈复合控制,前馈反馈控制系统,利用反馈控制使系统在稳态时能准确地使被控参数等于给定值；而在动态时，依靠前馈控制有效地减少扰动对被控参数的动态影响，提高控制质量。,复合控制系统的特征方程式：,设计步骤： 1）独立设计反馈控制系统； 2）再设计前馈补偿器,与前馈补偿器无关。,前馈控制系统的选用原则,经济性原则。,当系统中存在变化剧烈、幅值大、可测而不可控的干扰时，反馈控制难以克服其对被控参数的影响，而工艺生产对被控参数要求十分严格，为改善和提高系统控制品质，可引入前馈控制。,当控制通道滞
16、后大，其时间常数比干扰通道的时间常数大，反馈控制不及时，控制质量差，此时应选用前馈控制，以提高控制质量。,当主要干扰无法用串级控制方法使其包含在副回路内，或副回路滞后过大，此时应选用前馈控制。,2. 复合控制系统应用实例,（1）蒸发过程的浓度控制(图619）,5073溶液沸点与水沸点之 温差（被控量）进料溶液浓度、温度、流量，加热蒸汽压力、流量,方案：蒸汽流量为前馈信号、温差为反馈信号、进料溶液为控制参数的复合控制,（2）锅炉汽包水位控制,水位控制的重要性。,影响因素：蒸汽用量（不可控）、给水流量（选为控制参数）,问题：“虚假水位”。影响控制效果。,解决方案：蒸汽流量为前馈信号，给水流量为副参数，水位为主参数 前馈反馈串级控制(图620）,第三节 大滞后过程控制系统,大纯滞后是工业生产过程中经常需要考虑和面对的问题。,附加纯滞后特性后，会使广义对
