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1、第8章 复杂控制系统,串级控制系统 均匀控制系统 比值控制系统 选择控制系统 分程控制系统 前馈控制系统 多冲量控制系统,8.1 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。 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。,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。,O,常用的名词 主变量 副变量 主对
2、象 副对象 主控制器 副控制器 主回路 副回路,串级控制系统方块图,串级控制系统的工作过程,干扰作用于副对象 f2引起F变化，控制器FC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T； 如果干扰量大，其大部分影响为副回路所克服， 波及到被控变量温度T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。 由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干扰进入副回路时，可以获得比单回路控制系统超前的控制作用，从而大大提高了控制质量。 干扰作用于主对象 f1变化 T TC输出FC设定值 FC输出 F 所以，在串级控制系统中，如果干扰作用于主对象，由于
3、副回路的 存在，可以及时改变副变量的数值，以达到稳定主变量的目的。,干扰同时作用于副回路和主对象,加强了控制作用，加快了控制过程。,FC输出（部分）互相抵消，阀稍稍动一点，即可使系统稳定。,在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服。副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。,串级控制系统的特点及应用范围,(1) 从系统结构来看，串级控制系统有主、
4、副两个闭合回路；有主、副两个控制器；有分别测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。,串级控制系统主、副回路的选择,
5、主变量的选择 与单回路控制时被控变量的选择原则是一样的，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 副变量的变化应在很大程度上影响主变量的变化 副回路应将生产过程中的主要干扰包围在内 在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰 副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防发生“共振”。 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。,主副控制器控制规律的选择,串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量。 主变量是生产工艺的主要控制指标，它直接关系到产品的质量或生产的正常，工艺上对它的要求比较严格。一般来
6、说，主变量不允许有余差。所以，主控制器通常都选用比例积分控制规律，以实现主变量的无余差控制。 在串级控制系统中，稳定副变量并不是目的，设置副变量的目的就在于保证和提高主变量的控制质量。 副变量的给定值是随主控制器输出变化而变化的。所以，在控制过程中，对副变量的要求一般都不很严格，允许它有波动。因此，副控制器一般采用比例控制规律。 原则：副回路粗调、快调 主回路细调、满调,主副控制器正、反作用的选择,选择副回路控制器的正反作用 与简单控制系统中控制器“正”、“反”作用的选择方式相同，先判断副对象的正反作用，然后根据工艺安全等要求，选定执行器的“正”、“反”作用方式，并按照使副控制回路成为一个负反
7、馈系统的原则来确定副回路控制器的正反作用。,选择主回路控制器的正反作用 确定原则：当主、副变量在增加(或减小)时，如果由工艺分析得出，为使主、副变量减小(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，则应选“正”作用。,主副控制器参数的工程整定,两步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器,(1) 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的刻度上，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(如4：1)过渡过程下的副控制器比例度2S和操作周期2S。 (2) 在副控制器比例度等于2S，的条件下，逐步减小主控制器的比例度，直
8、至主回路得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度1S。和操作周期1S 。 (3) 根据上面得到的1S、1S、2S、2S按表7-2(或表7-3)的规定关系计算主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。 (4) 按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定方法，将计算出的控制器参数加到控制器上。 (5)观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。,一步整定法：即根据经验先将副控制器一次放好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。,采用一步整定法副控制器参数选择范围,一步整定法的整定步骤如下。 (1)在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照上表所列的数据
9、，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。,共振问题,如果主、副对象时间常数相差不大，可能会出现“共振”现象 这时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、到回路的操作周期之比加大，避免“共振”。 这样做的结果会在一定程度上降低原先期望的控制质量。 如果主、副对象特性太接近，则说明确定的控制方案欠妥当，变量的选择不合适，有时就不能完全靠控制器参数的改变来避
10、免“共振”了。,8.2 均匀控制系统,均匀控制问题的提出,连续精馏的多塔分离过程,对甲塔来说，塔釜液位是一个重要的工艺参数，必须保持在一定范围之内，为此配备了液位控制系统； 对乙塔来说，从自身平稳操作的要求出发，希望进料量稳定，所以设置了流量控制系统； 这样，甲、乙两塔间的供求关系就出现了矛盾。 为解决这一前后工序供求矛盾，希望设计一种控制系统使液位与流量同时平稳；同时“均匀”地变化。,1、表征前后供求矛盾的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。,1液位变化曲线 2流量变化曲线,均匀控制的要求,不同于常规的定值控制系统，而对被
11、控变量(CV)与控制变量(MV)都有平稳的要求； 为解决CV与MV都希望平稳这一对矛盾，只能要求CV与MV都渐变。均匀控制通常要求在最大干扰下，CV在上下限内波动，而MV应在一定范围内平缓渐变。 均匀控制指的是控制功能，而不是控制方案。因为就系统的结构来看，有时象简单控制系统，有时象串级控制系统。所以要识别控制方案是否起均匀控制作用，应从控制的目的进行确定。,均匀控制的特点,单回路均匀控制系统,串级均匀控制系统,常用的两种均匀控制方案,通过控制器参数的设置，而不是改变控制系统的结构，来实现前后两个变量间的相互协调的。 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
12、变化。 控制器参数一般都采用纯比例作用，且控制器比例度放的很大，以使输出变化缓慢，只是在要求较高时，为了防止偏差超过允许范围，才引入适当的积分作用。,均匀控制系统小结,8.3 比值控制系统,问题的提出,比值控制的目的是为了实现几种物料按一定比例混合，使生产能安全、正常的进行。实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。通常为流量比值控制。 在需要保持比值关系的两种物料中，必有一种物料处于主导地位，成为主物料、主动量、主流量，用Q1表示；而另一种物料按主物料进行配比，在控制过程中随主物料而变化，因此称为从物料、从动量、副流量，用Q2表示； 副流量Q2与主流量Q1的比值关系
13、为 Q2KQ1 式中K为副流量与主流量的流量比值系数。,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,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
14、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。,8.4 选择性控制系统,选择性控制问题的提出,控制系统的设计需要考虑各种工况，除了要求控制系统在生产处于正常运行情况下能克服外界干扰，维持生产的平稳运行外，还要求当生产操作达到安全极限时，控制系统有一种应变能力，能采取相应的保护措施，促使生产操作离开安全极限，返回到正常情况，或者使生产暂时停止下来，以防止事故的发生或进一步扩大。 考虑设置两套控制系统，一套为正常生产情况下的自动控制系统，另一套为非正常生产情况下的安全保护系统。当生产操作条件趋向限制条件时，用于控制不安全情况
15、的自动保护系统自动取代正常情况下工作的控制系统。直到生产操作重新回到安全范围时，正常情况下工作的控制系统又自动恢复对生产过程的正常控制。 选择性控制系统又被称为取代控制系统或自动保护控制系统。,选择性控制方案1：开关型选择控制系统,原理： 在安全生产的极限值以内，生产过程就按照工艺要求来进行正常控制。 一旦安全指标达到极限值时，选择性控制系统通过自动选择装置，切断工艺操作指标控制器的输出，将控制阀迅速关闭或打开，以防止事故的发生，直到安全生产指标回到限值以内时，系统才又自动重新恢复到正常生产过程的控制，按工艺操作指标进行控制。,选择性控制方案2：连续型选择控制系统,当保护作用取代正常情况下的控
16、制作用时，切换过程是连续的； 一般有两台控制器，一台在正常工况下工作，另一台在非正常工况下工作。它们的输出同时送往选择器(高选器或低选器)进行选择后，送往执行器。,选择性控制方案3：混合型选择控制系统,在同一个控制系统中开关型选择性控制与连续型选择性控制同时并存的系统，称为混合型选择性控制系统。,积分饱和及抗积分饱和措施,什么是积分饱和？ 当一个具有积分作用的控制器处于开环工作状态时，如果偏差输入信号一直存在，由于积分作用的存在，控制器的输出不断增加或不断减小，一直达到输出的极限值为止，这种现象称为“积分饱和”。 产生积分饱和的三个条件： 一是控制器具有积分作用；二是控制器处于开环工作状态，其输出没有被送往执行器；三是控制器的输入偏差信号长期存在。 积分饱和的后果： 当控制器处于积分饱和状态时，它的输出将达到最大或最小的极限值，该极限值已超出执行器的有效输入信号范围，它在某个时刻重新被选择器选中，取代另一个控制器对系统进行控制时，由于它的输出已到达饱和区，不在执行器的有效输入范围之内，所以它并不能立即
