第八章 复杂控制系统

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1、第八章复杂控制系统 生产实践证明简单控制系统能解决大量生产控制问题 占到全部控制系统的80 左右 为了适应生产过程质量控制的高要求和有些特殊要求 产生并发展了各种复杂控制系统 所谓复杂控制系统通常是指由两个或两个以上的检测变送器 调节器 执行器所组成的多回路的 或控制要求特殊的 或控制规律不同于PID的控制系统 常见复杂控制系统主要有以下几种 串级控制系统均匀控制系统比值控制系统选择性控制系统分程控制系统多冲量控制系统 第一节串级控制系统 单回路控制的局限性 目标 控制塔釜温度稳定方案1优点 将所有对温度的干扰都概括在控制回路内 缺点 当蒸汽压力波动较大时 由于温度对象滞后较大 控制质量不理想

2、 方案2优点 能及时克服蒸汽压力的干扰对温度的影响缺点 不能克服进料流量 物料温度等其他因素对温度的影响 O 希望在塔釜温度不变时蒸汽流量能保持设定值 而当塔釜温度在外来干扰的作用下偏离给定值时 又要求蒸汽流量能作相应的变化 使塔釜温度保持在设定值上 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 串级控制系统中几个

3、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

4、 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 四 串级控制系统中副回路的确定 主 副回路应有一定的内在联系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 注意主 副回路的时间匹配 防

5、止 共振 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

6、 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 连续精馏的多塔分离过程 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

7、用 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1 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2 单闭环比值控制系统

8、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3 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4 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

9、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

10、分程控制应用1 提高控制阀的可调比 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 分程控制应用2 用于控制两种不同的介质 对于间歇式化学反应器 既要考虑反应前的加热问题 又需要考虑过程中移走热量的问题为此可采用分程控制系统 在该系统中 利用A B两台控制阀 分别控制冷水与蒸汽两种不同介质 以满足工艺上需要冷却和加热的不同需要 工作原理 反应前升温阶段 温度测量值小于给定值 控制器TC输出较大 A阀将关闭 B阀被打开 蒸汽通入加热反应物 反应物开

11、始放热 控制器输出逐渐减小 A阀将打开 B阀关闭 冷水通入冷却反应物 维持反应温度不变 分程控制应用3 用作安全生产的保护措施 化工厂的贮油罐需要进行氮封 以使油品与空气隔绝 一个问题就是贮罐中物料量的增减会导致氮封压力的变化 为了维持罐压平衡 需要在物料被抽取时加氮补压 而在物料进料时排气减压 贮压升高时 测量值将大于给定值 压力控制器PC的输出将下降 A阀关闭 B阀打开 排气减压贮压降低时 测量值小于给定值时 控制器输出将变大 A阀打开 B阀关闭 补氮增压 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 单冲量液位控制系统

12、在锅炉的正常运行中 汽包水位是重要的操作指标 给水控制系统的作用就是自动控制锅炉的给水量 使其适应蒸发量的变化 维持汽包水位在允许的范围内 左图控制系统属于简单的单回路控制系统 根据汽包液位的信号来控制给水量被控变量 汽包水位控制变量 给水量 存在问题 不能适应蒸汽负荷的剧烈变化 即当蒸汽负荷突然增加 汽包内蒸汽压力瞬间下降 汽包内沸腾加剧 随着汽泡的迅速增多 汽包水位显示偏高 形成了虚假水位上升现象 称为 虚假液位 虚假水位造成的错误信号将带来一定的危险 为了克服这种由于 虚假液位 而引起的控制系统的误动作 引入了双冲量控制系统 双冲量液位控制系统 双冲量是指液位信号和蒸汽流量信号 实际上是

13、一个前馈 反馈控制系统 当蒸汽负荷的变化引起液位大幅度波动时 蒸汽流量信号的引入起着超前的控制作用 即前馈作用 它可以在液位还未出现波动时提前使控制阀动作 从而减少因蒸汽负荷量的变化而引起的液位波动 从而改善控制品质 三冲量液位控制系统 影响锅炉汽包液位的因素还包括供水压力的变化 当供水压力变化时 会引起供水流量变化 进而引起汽包液位的变化 双冲量控制系统对这种干扰的克服是比较迟缓的 它要等到汽包液位变化以后再由液位控制器来调整 使进水阀开大或关小 所以 当供水压力扰动比较频繁时 双冲量液位控制系统的控制质量较差 这时可采用三冲量液位控制系统 实际上是一个前馈 串级控制系统 汽包液位是被控变量 也是串级控制系统中的主变量 是工艺的主要控制指标 给水流量是串级控制系统中的副变量 引入这一变量的目的是为了利用副回路克服干扰的快速性来及时克服给水压力变化对汽包液位的影响 蒸汽流量是作为前馈信号引入的 其目的是为了及时克服蒸汽负荷变化对汽包液位的影响