第八部分复杂控制系统

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1、第八章 复杂控制系统 生产实产实 践证证明简单简单 控制系统统能解决大量生产产控制问问 题题 占到全部控制系统统的80 左右 为为了适应应生产过产过 程 质质量控制的高要求和有些特殊要求 产产生并发发展了各种 复杂杂控制系统统 所谓谓复杂杂控制系统统通常是指由两个或两个以上的检检 测变测变 送器 调节调节 器 执执行器所组组成的多回路的 或控制 要求特殊的 或控制规规律不同于PID的控制系统统 常见见复杂杂控制系统统主要有以下几种 1 串级级控制系统统 2 均匀控制系统统 3 比值值控制系统统 4 选择选择 性控制系统统 5 分程控制系统统 6 多冲量控制系统统 第一节 串级控制系统 单回路控

2、制的局限性 单回路控制的局限性 TC 进料 塔底采出 1 2 蒸 汽 方案1 控制塔釜温度恒定 FC 进料 塔底采出 1 2 蒸 汽 方案2 控制蒸汽流量 恒定 目标标 控制塔釜温度稳稳定 方案1 优优点 将所有对对温度的干扰扰都概括 在控制回路内 缺点 当蒸汽压压力波动较动较 大时时 由 于温度对对象滞后较较大 控制质质量不 理想 方案2 优优点 能及时时克服蒸汽压压力的干扰扰 对对温度的影响 缺点 不能克服进进料流量 物料温 度等其他因素对对温度的影响 FC TC 进料 塔底采出 1 2 蒸汽 O O 希望在塔釜温度不变时变时 蒸汽流量能保持设设定值值 而当塔釜温度在外来 干扰扰的作用下偏

3、离给给定 值时值时 又要求蒸汽流量 能作相应应的变变化 使塔 釜温度保持在设设定值值上 加热炉简单控制系统运行情况 加热炉串级控制系统运行情况 串级控制系统 是指在对象滞后较大 干扰作用强烈而且频繁的主控制系统中 对局部参数 副参数 进行预先控制以提 高系统总体控制水平的复杂控制系统 串级控制系统通常包括 主控制系统 系统目标参数控制系统 副控制系统 为实现目标参数控制而设置的 辅助参数控制系统 串级控制系统的方块图 流量控 制器TC2 执行器 流量对象 温度T 设定值 干扰f1 精馏塔控制系统方块图 温度对象 温度控 制器TC1 干扰f2 测量 变送y1 测量 变送y2 F 副控 制器 执行

4、器 副对象 主变量 设定值 主干扰 串级控制系统方块图 主对象 主控 制器 副干扰 主测量 变送 副测量 变送 副变量 副回路 主回路 串级控制系统中几个常用名词 主变量 是工艺控制指标 副变量 为了稳定主变量而引入的辅助变量 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的那个控制器 副控制器 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 主回路 是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 是由副变量的测量变送器 副控 制

5、器 执行器和副对象所构成的内回路 二 串级控制系统的工作过程 以加热炉为例进行分析 1 干扰进入副回路 2 干扰作用于主对象 3 干扰同时作用于副回路和主对象 干扰作用下 主 副变量变化方向相同情况 干扰作用下 主 副变量变化方向相反情况 三 串级控制的特点 两个回路 主回路 副回路 两个变量 主变量 副变量 改善了对象的特性 有效地克服了滞后 具有一定的自适应能力 可应用于负荷和操作条 件变化较大的场合 自适应 自动调整设定值 以保证系统整体具有 较好的控制质量 因此 当对象的滞后和时间常数较大 干扰作用 强而频繁 负荷变化大 简单控制系统满足不了 控制质量要求时 采用串级控制系统是合适的

6、四 串级控制系统中副回路的确定 1 主 副回路应有一定的内在联系 2 副回路应尽可能多地包含干扰因素 主要干扰应包含在副回路中 在可能条件下 使副回路包含较多的次要 干扰 3 注意主 副回路的时间匹配 防止 共振 4 尽量使副回路包含较少的滞后时间 串级控制系统 炉膛温度为副变量的串级控制系统 燃料压力为副变量的串级控制系统 五 主 副控制器控制规律与正反作用的选择 1 控制规律的选择 主回路 无余差 PI或PID控制 副回路 快速反应 纯P控制 2 控制器正 反作用 1 副控制器的作用方向 根据工艺安全要求 先确定阀 门的气开 气关形式 再根据系统负反馈原则确定副 控制器的正反作用 同简单控

7、制系统 2 主控制器的作用方向 根据主 副变量同时增加或减少时对阀门的作用方 向是否一致来确定主控制器的正反作用 当主副变量在增加 或减少 时 如果由工艺分析得出 为使主副变量减少 或增加 要求控制阀的动作方向 是一致的 主控制器应选 反 作用 反之选 正 作 用 第二节 均匀控制系统 当系统中具有两个相互关联的参数 其中任意一个参数 的稳定必然导致另一个参数的大幅度变化 而工艺上需 要两者兼顾时 可采用均匀控制 连续连续 精馏馏的多塔分离过过程 均匀控制的目标 两个参数都是变化的 且变化缓慢 两个参数的变化范围都要尽可能小 1 液位变化曲线 2 流量变化曲线 均匀控制方案 简单均匀控制 采用

8、简单控制系统 选择适宜的控制参数 降低单个参数的控制精度 减小放大倍数 延长积分时间 不用微分 控制 串级均匀控制 通过两个参数的控制制约调和两个参数的矛 盾 串级均匀控制的主 副回路一般都采用低精 度快反应的纯比例控制 要求高精度时可适 当加入积分作用 常用的两种均匀控制方案常用的两种均匀控制方案 单回路均匀控制系统串级均匀控制系统 第三节 比值控制系统 比值控制系统 实现两个或两个以上参数符合一定比例 关系的控制系统 比值控制方案 开环比值控制系统 以一个参数的测定值控制另一 个参数 单闭环比值控制系统 以一个参数的测定值计算出 另一个参数闭环控制的设定值 双闭环比值控制系统 以一个单闭环

9、参数的测定值 计算另一个参数闭环控制的设定值 变比值控制系统 以第三个参数的大小决定上述控 制系统的比值 比值控制方案比值控制方案1 1 开环比值控制系统 开环比值控制系统 主 副流量均开环 由于系统开环 该方案对副流量Q2无克服干扰的 能力 只适用于副流量较平稳且比值要求不高的 场合 比值控制方案比值控制方案2 2 单闭环比值控制系统 单闭环比值控制系统 副流量闭环控制 主流量开环控制 适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合 比值控制方案比值控制方案3 3 双闭环比值控制系统 双闭环比值控制系统 主 副流量均闭环控制 该系统既实现了比较精确的 流量比值控制 又确保了两 物料总量的基本不变

10、主要适用于主流量干扰频繁 工艺上不允许负荷有较大 波动或工艺上经常需要提降 负荷的场合 比值控制方案比值控制方案4 4 变比值控制系统 变比值控制系统 要求主 副流量的比值能跟随第三变量的需要而加 以调整 存在问题 Q2回路存在非线性 Q1流量减少时 回路增益增大 有可能使系统不稳定 并可能出现 除零 运算 Q2 Q1 第四节 前馈控制系统 1 前馈控制是基于不变性原理工作的 比反 馈控制及时 有效 2 前馈控制属于 开环 控制系统 第五节 选择性控制系统 两种系统保护措施 硬保护 当生产操作达到安全极限情况下 有声 光报警 转入人工控制或停车 软保护 当生产操作达到安全极限情况下 转入另 一

11、种控制模式 进行自动处理 选择性控制系统 根据处理方法不同 选择性控制系统可以分为三类 开关型选择性控制系统 由限位信号切断控制器输 出 连续型选择性控制系统 由限位信号切换为另一个 控制器输出给执行器 混合型选择性控制系统 采用两个限制信号 同时 进行上述两种控制 第六节 分程控制系统 分程控制系统 由一个控制器同时控制两个执行机构并 使之依次执行的控制系统 使用范围 扩大调节范围 提高调节精度 可用于两种不同的介质 以满足工艺要求 用作生产安全的防护措施 给定 对象 控制器 控制阀A 控制阀B 测量 变送 分程控制系统方块图 分程控制应用分程控制应用1 1 提高控制阀的可调比 提高控制阀的

12、可调比 4Mpa 中压蒸汽 给水 10Mpa中压蒸汽 汽包 蒸汽减压系统分程控制系统 控制阀的可调比 R Qmax Qmin 由于口径固定 采用同一个控制 阀 能够控制的最大流量和最小 流量不可能相差太大 满足不了 生产上流量大范围变化的要求 在这种情况下可采用两个控制阀 并联的分程控制方案 A阀阀B阀阀 A阀阀小口径 B阀阀大口径 分程控制分程控制应应应应用用2 2 用于控制两种不同的介 用于控制两种不同的介质质质质 蒸汽 反应器分程控制系统 冷水 C 回 水 A阀阀B阀阀 A阀阀气关 B阀阀气开 TC反作用 对对于间间歇式化学反应应器 既要考虑虑反应应 前的加热问题热问题 又需要考虑过虑过

13、 程中移走 热热量的问题问题 为为此可采用分程控制系统统 在该该系统统中 利用A B两台控制阀阀 分别别控制冷水 与蒸汽两种不同介质质 以满满足工艺艺上需 要冷却和加热热的不同需要 工作原理 反应应前升温阶阶段 温度测测量值值小于给给定 值值 控制器TC输输出较较大 A阀阀将关闭闭 B 阀阀被打开 蒸汽通入加热热反应应物 反应应物开始放热热 控制器输输出逐渐渐减小 A阀阀将打开 B阀阀关闭闭 冷水通入冷却反 应应物 维维持反应应温度不变变 分程控制应用分程控制应用3 3 用作安全生产的保护措施 用作安全生产的保护措施 反 储罐氮封分程控制方案 A阀 B阀 阀门开度100 阀压kPa 化工厂的贮

14、贮油罐需要进进行氮封 以使 油品与空气隔绝绝 一个问题问题 就是贮贮罐中物料量的增减会 导导致氮封压压力的变变化 为为了维维持罐压压 平衡 需要在物料被抽取时时加氮补压补压 而在物料进进料时时排气减压压 贮压贮压 升高时时 测测量值值将大于给给定值值 压压力控制器PC的输输出将下降 A阀阀关 闭闭 B阀阀打开 排气减压压 贮压贮压 降低时时 测测量值值小于给给定值时值时 控制器输输出将变变大 A阀阀打开 B 阀阀关闭闭 补补氮增压压 第七节 多冲量控制系统 多冲量控制系统 以多个变量经过一定的运算后 共 同控制同一个执行器 以实现较高质量 的控制系统 单单单单冲量液位控制系冲量液位控制系统统统

15、统 单冲量控制系统 给水 汽包 蒸汽 在锅锅炉的正常运行中 汽包水位是重要的 操作指标标 给给水控制系统统的作用就是自 动动控制锅锅炉的给给水量 使其适应应蒸发发量 的变变化 维维持汽包水位在允许许的范围围内 左图图控制系统统属于简单简单 的单单回路控制系 统统 根据汽包液位的信号来控制给给水量 被控变变量 汽包水位 控制变变量 给给水量 存在问题问题 不能适应应蒸汽负负荷的剧剧烈变变化 即当蒸汽负负荷突然增 加 汽包内蒸汽压压力瞬间间下降 汽包内沸腾腾加剧剧 随着汽泡的迅 速增多 汽包水位显显示偏高 形成了虚假水位上升现现象 称为为 虚 假液位 虚假水位造成的错误错误 信号将带带来一定的危险

16、险 为为了克服这这种由 于 虚假液位 而引起的控制系统统的误动误动 作 引入了双冲量控制 系统统 双冲量液位控制系统双冲量液位控制系统 双冲量控制系统 汽包 蒸汽 给水 双冲量是指液位信号和蒸汽流量 信号 实际实际 上是一个前馈馈 反馈馈控制系 统统 当蒸汽负负荷的变变化引起液位 大幅度波动时动时 蒸汽流量信号的 引入起着超前的控制作用 即前馈馈 作用 它可以在液位还还未出现现波 动时动时 提前使控制阀动阀动 作 从而减 少因蒸汽负负荷量的变变化而引起的 液位波动动 从而改善控制品质质 三冲量液位控制系统三冲量液位控制系统 影响锅锅炉汽包液位的因素还还包括供水压压力的变变化 当供 水压压力变变化时时 会引起供水流量变变化 进进而引起汽包液 位的变变化 双冲量控制系统对这统对这 种干扰扰的克服是比较迟较迟 缓缓的 它要等到汽包液位变变化以后再由液位控制器来调调 整 使进进水阀阀开大或关小 所以 当供水压压力扰动扰动 比较较 频频繁时时 双冲量液位控制系统统的控制质质量较较差 这时这时 可 采用三冲量液位控制系统统 实际实际 上是一个前馈馈 串级级控制系统统 汽包液位是被控变变量 也是串级