化工仪表第7章复杂控制系统

《化工仪表第7章复杂控制系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工仪表第7章复杂控制系统（71页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、化工仪表及自动化,第七章 复杂控制系统,概述,根据系统的结构和所担负的任务,第一节 串级控制系统,一、串级控制系统概述,当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，可考虑采用串级控制系统。,图7-1 管式加热炉出口温度控制系统,第一节 串级控制系统,在实际生产过程中，特别是当加热炉的燃料压力或燃料本身的热值有较大波动时，该简单控制系统的控制质量往往很差，原料油的出口温度波动较大，难以满足生产上的要求。,根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度,图7-1 管式加热炉出口温度控制系统,燃料压力，热值波动大,受热管道长，热负荷大,第一节 串级控制系统,原料本身流量或进口温度变化,图7-1 管式加热炉出

2、口温度控制系统,燃料压力，热值波动大,如何解决容量滞后？ 能否以炉膛温度做为被控变量组成单回路控制系统呢？,第一节 串级控制系统,以原料油出口温度为主要被控变量的炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统,图7-2管式加热炉出口温度串级控制系统,图7-3管式加热炉出口温度串级控制系统的方框图,在上述控制系统中，有两个控制器T1C和T2C，接收来自对象不同部位的测量信号1和2。 T1C的输出不断改变T2C的给定值，而后者的输出去控制执行器以改变操纵变量。 从系统的结构看，这两个控制器是串接工作的。,燃料压力，组分变化,原料油流量、进口温度等变化,炉膛及燃烧装置,受热管道,第一节 串级控制系统,几个串级控

3、制系统中常用的名词,第一节 串级控制系统,图7-4串级控制系统典型方块图,第一节 串级控制系统,二、串级控制系统的特点及应用,1.系统的结构,串级控制系统有两个闭合回路。 主回路是个定值控制系统, 副回路是个随动系统。 在串级控制系统中，主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺参数。 副变量的引入往往是为了提高主变量的控制质量,它是基于主、副变量之间具有一定的内在关系而工作的。,第一节 串级控制系统,(1)干扰作用于副回路；,F2引起2变化，控制器T2C及时进行控制，使其很快稳定下来； 如果干扰量小，经过副回路控制后，F2一般影响不到温度1； 如果干扰量大，其大部分影响为副回路所克服，

4、波及到被控变量温度1再由主回路进一步控制，彻底消除干扰的影响，使被控变量回复到给定值。,2.系统工作过程,第一节 串级控制系统,第一节 串级控制系统,(2)干扰同时作用于副回路和主对象；,在干扰作用下，主、副变量的变化方向相同。,图7-2管式加热炉出口温度串级控制系统,原料油进口温度增加（或流量减小）,燃料有压力（热值）增加,主、副变量的变化方向相反，一个增加，另一个减小。,图7-2管式加热炉出口温度串级控制系统,原料油进口温度降低（或流量增加）,燃料有压力（热值）增加,第一节 串级控制系统,3.串级控制系统的特点,从系统结构来看，串级控制系统有主、副两个闭合回路；有主、副两个控制器；有分别测

5、量主变量和副变量的两个测量变送器。 在串级控制系统中，主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统。(2)在串级控制系统中，有两主、副两个变量。主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺变量。控制的目的在于使这一变量等于工艺规定的给定值。,(3) 从系统特性来看，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制的作用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量。,适用范围：当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而且频繁、负荷变化大，简单控制系统满足不了控制质量的要求时，可采用串级控制系统。,4、串级控制系统主、副回路的选择,主变量的选择 与单回路控制时被控变量的选择原

6、则是一样的，能直接或间接地表征生产过程质量的参数都可以作为控制系统的被控变量。,副变量的选择（1）副变量的变化应在很大程度上影响主变量的变化,第一节 串级控制系统,选择串级控制系统的副变量一般有两类情况：一类情况是选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量;另一类选择的副变量就是操纵变量本身,这样能及时克服它的波动,减小对主变量的影响。,图7-2管式加热炉出口温度串级控制系统,第一节 串级控制系统,举例：,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：蒸汽量到塔釜温度的通道较长。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。

7、,精馏塔塔釜温度串级控制系统,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。,第一节 串级控制系统,在上例中，选择的副变量就是操纵变量（加热蒸汽量）本身。这样，当干扰来自蒸汽压力或流量的波动时，副回路能及时加以克服，以大大减少这种干扰对主变量的影响，使塔釜温度的控制质量得以提高。,通过这套串级控制系统，能够在塔釜温度稳定不变时，蒸汽流量能保持恒定值。 而当温度在外来干扰作用下偏离给定值时，又要求蒸汽流量能作相应的变化，以使能量的需要与供给之间得到平衡，从而保持釜温在要求的数值上。,图7-2管式加热炉出口温度串级控制系统,（2）副回路应将

8、生产过程中的主要干扰包围在内,（3）可能条件下应力求包括较多的次要干扰。,（4）副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，不能太接近，以防发生“共振”。,在选择副变量时，应注意使主、副对象的时间常数之比310，以减少、副回路的动态联系，避免“共振”。,（5）当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时，在选择副变量时应使副环尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后。,对于大纯滞后的对象，要合理选择副变量将纯滞后部分放到主对象中去，以提高副回路的快速抗干扰功能，及时克服干扰的影响。,第一节 串级控制系统,三、主、副控制器控制规律的选择,主变量不允许有余差,副变量保证和提高主变量的控制质量,第一节 串级控制系

9、统,表1 主、副变量不同时应选用的控制规律,第一节 串级控制系统,四、主、副控制器正反作用的选择,串级控制系统中的副控制器作用方向的选择，根据工艺安全等要求，选定执行器的气开、气关形式后，按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定。,1.副控制器作用方向的选择,当主、副变量增加（减小）时，如果由工艺分析得出，为使主、副变量减小（增加），要求控制阀的动作方向是一致的时候，主控制器应选“反”作用；反之，则应选“正”作用。,2. 主控制器作用方向的选择,例如图7-2所示的管式加热炉温度-温度串级控制系统中的副回路。,气源中断，停止供给燃料油时，执行器选气开阀， “正”方向。燃料量加大时，炉膛温度

10、2（副变量）增加，副对象 “正”方向。为使副回路构成一个负反馈系统，副控制器T2C选择“反” 方向。,图7-2管式加热炉出口温度串级控制系统,第一节 串级控制系统,例如图7-2所示的管式加热炉串级控制系统。,主变量1或副变量2增加时，都要求关小控制阀，减少供给的燃料量，才能使1或2降下来，所以此时主控制器T1C应确定为反作用方向。,图7-2管式加热炉出口温度串级控制系统,第一节 串级控制系统,五、控制器参数整定与系统投运,串级控制系统主、副控制器的参数整定的两种方法。,1.两步整定法,按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的方法。,第一节 串级控制系统,共振问题,如果

11、主、副对象时间常数相差不大，动态联系密切，可能会出现“共振”现象。,可适当减小副控制器比例度或积分时间，以达到减小副回路操作周期的目的。同理，可以加大主控制器的比例度或积分时间，以期增大主回路操作周期，使主、副回路的操作周期之比加大，避免“共振”。,如果主、副对象特性太接近，就不能完全靠控制器参数的改变来避免“共振”了。,控制方案欠妥，副变量的选择不合适,第一节 串级控制系统,2.一步整定法,副控制器的参数按经验直接确定,主控制器的参数按简单控制系统整定。,实践证明,这种整定方法，对于对主变量要求较高，而对副变量没有什么要求或要求不严，允许它在一定范围内变化的串级控制系统，是很有效的。,第一节

12、 串级控制系统,表2采用一步整定法时副变量的选择范围,一步整定法的整定步骤：,（1）在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照表2所列的数据，将副控制器比例度调到某一适当的数值。（2）利用简单控制系统中任一种参数整定方法整定主控制器的参数。（3）如果出现“共振”现象，可加大主控制器或减小副控制器的参数整定值，一般即能消除。,第二节 其他复杂控制系统,一、均匀控制系统,甲塔:为了稳定操作需保持塔釜液位稳定，必然频繁地改变塔底的排出量。,乙塔：从稳定操作要求出发，希望进料量尽量不变或少变。,甲、乙两塔间的供求关系出现了矛盾。,为了解决前后工序供求矛盾，达到前后兼顾协调操作，使液位和流量均匀变化，组

13、成的系统称为均匀控制系统。,1.均匀控制的目的,第二节 其他复杂控制系统,均匀控制的要求,（1）两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化的。（2）前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内波动。,第二节 其他复杂控制系统,2.均匀控制方案,图7-11简单均匀控制,（1）简单均匀控制,第二节 其他复杂控制系统,（2）串级均匀控制,可在简单均匀控制方案基础上增加一个流量副回路，即构成串级均匀控制。,参数整定的方法,图7-12 串级均匀控制,第二节 其他复杂控制系统,特点,由于增加了副回路，可以及时克服由于塔内或排出端压力改变所引起的流量变化。,串级均匀控制系统协调两个变量间的关系是通过控制

14、器参数整定来实现的。,在串级均匀控制系统中，参数整定的目的不是使变量尽快地回到给定值，而是要求变量在允许的范围内作缓慢的变化。,第二节 其他复杂控制系统,二、比值控制系统,工业上为了保持两种或两种以上物料的比值为一定的控制叫比值控制。,第二节 其他复杂控制系统,40,1.开环比值控制,比值控制系统的类型：,从物料量Q2与主物料量Q1的比值关系为,图7-13 开环比值控制,第二节 其他复杂控制系统,结构简单，只需一台纯比例控制器，其比例度可以根据比值要求来设定。 主、副流量均开环； 这种比值控制方案对从物料量Q2本身无抗干扰能力。所以这种系统只能适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。,41,特

15、点,第二节 其他复杂控制系统,42,2.单闭环比值控制,单闭环比值控制系统是为了克服开环比值控制方案的不足，在开环比值控制系统的基础上，通过增加一个副流量的闭环控制系统而组成的。,图7-15单闭环比值控制,这种方案的优点是结构简单,能确保两流量比值不变,是应用最多的方案。,第二节 其他复杂控制系统,43,第二节 其他复杂控制系统,44,3.变比值控制系统,要求两种物料的比值能灵活地随第三参数的需要而加以调整，这样就出现一种变比值控制系统。,图7-19 变比值控制系统,第二节 其他复杂控制系统,三、前馈控制系统,45,反馈与前馈,图13-14 换热器的反馈控制,图13-15 换热器的前馈控制,第

16、二节 其他复杂控制系统,反馈控制与前馈控制比较,不论什么干扰,只要引起被控变量变化,都可以进行控制,这是反馈控制的优点。 前馈控制是一种按扰动变化大小进行控制的系统,控制作用在扰动发生的同时就产生, 这就是前馈控制的主要特点。 往往用“前馈”来克服主要干扰,再用“反馈”来克服其他干扰,组成“复合”的前馈-反馈控制系统。,46,第二节 其他复杂控制系统,图13-16 换热器的前馈-反馈控制,用前馈控制来克服由于进料量波动对被控变量的影响,而用温度控制器的控制作用来克服其他干扰对被控变量的影响,前馈与反馈控制作用相加,共同改变加热蒸汽量,以使出料温度维持在给定值上。,47,第二节 其他复杂控制系统,四、取代控制系统,48,一般控制系统,都是在正常工况下工作的。当生产不正常时，通常的处理办法有两种，一种是改用手动遥控；另一种是联锁保护紧急停车，防止事故发生，即所谓硬限控制。由于硬限控制对生产和操作都不利，近年来采用了安全软限控制。,第二节 其他复杂控制系统,