化工自动化及仪表第八章

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1、第八章 复杂控制系统,华东理工大学信息学院自动化系,必要性：,生产过程变得大型化和复杂化，变量之间的关系更加复杂，对操作条件的要求也更加严格。,需要引入复杂控制系统。,现代化生产对产品质量的要求更高了。,生产过程中的某些特殊要求，如物料配比、前后生产工序的协调等问题。,根据系统的结构和功能可分为： 串级、均匀、比值、分程、选择性、前馈、多冲量等,复杂控制系统: 在单回路控制系统的基础上，增加计算环节、控制环节或其他环节，实现某些特殊功能的控制系统。,8.1 串级控制系统,本章主要内容：,8.4 均匀控制系统,8.6 前馈控制系统,8.2 分程控制系统,8.3 比值控制系统,8.1.1 组成原理

2、,图8-1 加热炉温度 控制系统,控制通道过程分析： 温度系统滞后太大，导致误差长时间不能克服，误差太大，不符合工艺要求。,主要问题：,滞后太大，控制不及时。,8.1 串级控制系统,被控变量的偏差是由什么引起的？,解决问题思路分析：,答：控制住这些扰动，应该可以减小被控变量的波动。,答：是由于各种扰动引起的。,最容易想到的解决问题的办法是什么？,燃料压力的波动,加热炉温度控制系统,该加热炉的主要扰动有哪些呢？,燃料热值的波动,原料流量的调整或波动,原料入口温度的波动等,如果我们对每种扰动都进行控制，肯定满足工艺要求。但是，这样控制系统就变得非常复杂、成本大大提高。,实际工业控制过程对控制系统的

3、要求：,人们研究出了一种不需要增加多少仪表就可以提高控制精度的方法串级控制系统。,在满足工艺要求的前提下，尽可能简单、经济,串级控制系统的思想： 把时间常数较大的被控对象分解为两个时间常数较小的被控对象。,图8-2 加热炉控制过程分解,图8-3 加热炉温度串级控制系统,图8-4 加热炉温度串级控制系统方块图,图8-3 加热炉温度串级控制系统,图8-5 串级控制系统组成原理及术语,(1) 组成原理,将原被控对象分解为两个串联的被控对象。,以分解后的两个被控对象的中间变量作为副被控变量，构成一个副回路（简单控制系统）。,将原被控变量作为主被控变量构成主回路。,主控制系统控制器的输出信号作为副控制系

4、统控制器的设定值，副控制系统的输出信号作为主被控对象的输入信号。,(2) 串级控制系统术语,主变量：生产过程所需要控制的工艺参数，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。,副变量：串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要引入的辅助变量。,副对象：副变量表征其特性的工艺生产设备。,主对象：主变量表征其特性的生产设备或生产过程。,副控制器：其设定值来自主控制器的输出，并按副变量的测量值与设定值的偏差而工作的控制器（又名随动控制器）。 为什么把副控制器又称为随动控制器呢？,主控制器：按主变量的测量值与设定值偏差而工作，其输出作为副变量设定值的控制器（主导控制器）。,主回路：由主变量的测量变送装置，主、

5、副控制器，执行器和主、副对象构成的外回路。也称为外环或主环。,副回路：由负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。也称为内环或副环。,主测量值、副测量值：相应被控变量的测量值。,主设定值、副设定值：主设定值是主被控变量的期望值，由主控制器内部设定。副设定值由主控制器的输出信号提供。,8.1.2 控制过程,只考虑上图中的f1、f2,一方面： 另一方面：,小结：由于副环的作用使控制作用变得更快、更强。,(1)扰动作用于副对象：,(2)扰动作用于主对象： 只考虑下图中的f3,小结：扰动作用于主对象时，串级控制也能有效地克服扰动。,结论： 串级控制系统，副环的增加使得整个系统克服扰

6、动的能力更强、作用更及时，控制性能明显提高。,8.1.3 系统特点,(1)分级控制思想,(2)串级系统结构,将一个控制通道较长的对象分解为两个对象。,两个对象、两个控制器、两个测量变送器、一个执行器,(3)系统的工作方式,(4)控制性能,副环是随动控制系统；主环是定值控制系统。,由于副回路的引入，改善了对象特性，系统对于扰动反映更及时，可有效地克服滞后，提高控制性能。,8.1.4 系统设计,主被控变量的选择原则：与简单控制系统相同,(1)主、副被控变量的选择,尽量选择能直接反映产品质量的变量作为被控变量； 所选被控变量能满足生产工艺稳定安全高效的要求； 必须考虑自动化仪表及装置的现状。,副被控

7、变量的选择原则：,必须保证它是操纵变量到主被控变量通道中的一个适当中间变量。串级控制系统设计的关键,使主要扰动作用于副对象上,使副对象包含适当多的扰动,主、副对象的时间常数不能太接近通常使Ts明显TM 原因：一方面：如果相差很小，失去设置副环的意义 另一方面：如果基本相等，系统可能出现“共振”，降低控制质量甚至会出现不稳定,(2)控制规律的选择,主控制器控制规律：原则：与简单控制类似 从工艺上来说，采用串级控制系统的主被控变量是主要参数，不允许有余差。PI/PID(滞后较大时),副控制器控制规律： 依据：副环是随动控制系统，副被控变量的控制可以有余差。为了使副环尽可能的发挥其作用。 所以：一般

8、选择P控制，而且比例度选的较小。,(3)控制器作用方向的选择,依据：使系统为负反馈系统 副控制器方向的选择与简单系统类似。如何选择？,副控制器正、反作用的选择根据调节阀的气开、气关形式来确定。,主控制器正、反作用的选择根据副被控变量对主被控变量的影响关系来确定。,例题：下图所示为加热炉温度-压力串级控制系统，试画出该系统的方块图，并分别确定主、副控制器的正、反作用。,图8-6 加热炉温度-压力串级控制系统,图8-7 加热炉温度-压力串级控制系统方块图,解答： (1)阀的气开、气关特性（应如何选择？）,依据安全原则，当供气中断时，应使控制阀处于全关闭状态，不致烧坏加热炉，所以应选气开阀,副控制器

9、,(2)控制器的正、反作用（如何确定？）,所以：副控制器应选反作用。,因为：,所以：主控制器应选反作用。 若两者一致，则选正作用。,因为：,主控 制器,结论：,副调节器正、反作用的选择要依据阀门的气开、气关特性；,主调节器正、反作用的选择与阀门的气开、气关形式无关。,DDZ-仪表投运步骤： 将主控制器设定为内设定方式，副控制器设定为外设定方式；（为什么？） 在副控制器处于软手动状态下进行遥控操作，使主被控变量在主设定值附近稳定下来； 将副控制器切入自动； 最后将主控制器切入自动。,先手动后自动，先内后外,(4)系统投运,串级系统的投运与所选仪表有关。,(5)主、副控制器参数的工程整定,两步整定

10、法：先整定副控制器，后整定主控制器。步骤如下： 在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用的条件下，将主控制器的比例度先固定在100%，然后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（4:1或10:1）过渡过程下的副控制器的比例度ss和振荡周期Tss。 在副控制器的比例度为ss的条件下，逐步减小主控制器的比例度，在同样衰减比下，得到主控制器的MM和TMM 。 根据得到的ss、Tss 、MM和TMM ，查找主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。 按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定方法，将得到的控制器参数加到控制器上。 观察控制过程，再作适当调整。,一步整定法：只整定主控制器，

11、副控制器的参数按经验值设定。 依据：在串级控制系统中，主变量是工艺的主要操作指标，直接关系到产品的质量，对它要求比较严格。而设置副变量的目的主要是为了提高主变量的控制质量，对副变量本身没有很高的要求，允许它在一定范围内变化。,一步整定法的具体步骤如下： 在生产正常，系统为纯比例运行条件下，根据经验将副控制器的比例度调到某一适当值。 利用简单控制系统的任一参数整定方法整定主控制器的参数。 如果出现“共振”现象，适当调整主控制器和副控制器的参数整定值。,副控制器的经验值：,表8-1 一步整定法副控制器比例度的经验值,串级控制系统适用场合： （1) 要求被控变量的误差范围很小，采用简单控制质量较差，

12、不能满足工艺要求 （2）当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁的情况。,复杂控制系统中用的最多的一种。,例题：如图所示为一锅炉汽包液位控制系统的示意图，要求锅炉不能烧干。 （1）确定控制阀的气开、气关型式，确定控制器的正、反作用，并简述当加热室温度升高导致蒸汽蒸发量增加时，该控制系统是如何克服干扰的？,（2）如果冷水阀前后压力波动较大，请设计一个以汽包液位为主变量、冷水压力为副变量的串级控制系统。要求画出带控制点的工艺流程图，确定主、副控制器的正、反作用。,解：（1）因为：从安全的角度考虑，锅炉汽包内的液位不能过低。因此，当供气中断时，冷水阀应该全开。 所以：控制阀应该选择气关阀。 因为： 所以

13、：控制器应选正作用。,当加热室温度升高导致蒸汽蒸发量增加时，液位L降低，检测变送环节LT把信息送给控制器LC，LC根据偏差及控制规律发出控制信号给执行器开大冷水阀，使液位L回升到设定值。,（2）以汽包液位为主变量、冷水压力为副变量的串级控制系统带控制点的工艺流程图为： 副控制器： 因为： 所以：副控制器选正作用。 主控制器： 因为： 所以：主控制器选反作用。,8.4 分程控制系统,8.4.1 分程控制基本概念,8-16 简单控制系统方块图及其特性,8-17 分程控制系统方块图及其特性,分程控制特性类型： 两个阀门时，有以下4种情况,8-18 分程控制特性类型,分程控制系统的特点：,分程的实现：

14、 是通过阀门定位器或电气阀门定位器来实现的，将调节器的输出信号分为几段，每段控制一个阀门动作。,简单控制系统：一个控制器的输出信号只控制一个执行器 分程控制系统：一个控制器的输出信号同时控制几个工作范围不同的调节器,8.4.2 分程控制的应用,(1)提高控制阀的可调比,在有些场合，调节手段只有一种，但要求操纵变量的流量需要较大的可调范围（如100：1），而国产阀的可调范围只有30。此时可将两个大、小阀并联使用。,例题： 设大、小两个调节阀的最大流通能力分别为CAmax=100，CBmax=4，可调范围RA=RB=30，两个阀均为气开阀，试求两个阀并联后的可调范围。,解： 因为,故，可得小阀的最

15、小流通能力为,当大、小阀并联组合在一起时，阀的最小流通能力为小阀的最小流通能力（0.133），最大流通能力为104，所以调节阀的可调范围为,分程后阀的可调范围比用单个阀的可调范围约增大了26.1倍，大大扩展了可调范围。,(2)交替使用不同的控制方式,左图8-19为储罐氮封分程控制方案及特性图。 有些油品储罐的顶部需要充满氮气以隔绝油品与空气中氧气的氧化作用。 储罐顶部充满氮气，顶部氮气压力一般为微正压。生产过程中，压力p会产生波动。,8-19 储罐氮封分程控制方案,方法：采用分程控制,8-19 储罐氮封分程控制,A: 气关阀 B: 气开阀,采用分程控制的结果：,A: 气关阀 B: 气开阀,注：

16、用反作用调节器,(3)满足生产过程不同阶段的需要,采用反作用控制器 分程控制的结果： 反应开始前： 反应进行一段时间后：,8-21 间歇反应器温度分程控制系统,8.4.2 分程控制对调节阀的要求 (1)根据工艺要求选择具有不同特性的分程类型。 (2)泄漏量问题 应尽量使两个调节阀都无泄漏，特别是大、小阀并联时，如果大阀泄漏量过大，小阀不能充分发挥作用，可调范围（可调比）得不到实质扩大。,举例：,目前国产阀的可调比均为30，现有一工业生产变量要求调节阀的最大流量为112，调节阀的可调比为120，考虑到工艺安全，阀门要用气开式，目前可供选择的几个调节阀的最大流量分别为QAmax=84（气开），QBmax=6（气开），QCmax=96（气开），QDmax=60（气开），QEmax=96（气关），QFmax=60（气关），QGmax=28（气关），QHmax=84（气关），QImax=28（气开），QJmax=6（气关）。 （1）请问用什么控制系统可以扩大调节阀的可