化工仪表及自动化课件：第8章 复杂控制系统

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1、第八章复杂控制系统课程目录l串级控制系统串级控制系统l均匀控制系统均匀控制系统l比值控制系统比值控制系统l前馈控制系统前馈控制系统l选择性控制系统选择性控制系统l分程控制系统分程控制系统l多冲量控制系统多冲量控制系统第一节 串级控制系统一.概述例：管式加热炉出口温度控制例：管式加热炉出口温度控制控制方案控制方案1：炉出口：炉出口温度单回路控制温度单回路控制燃料燃料炉膛炉膛物料物料容量滞后大，容量滞后大，控制效果不好控制效果不好第一节 串级控制系统一.概述控制方案控制方案炉膛温度单回路控制炉膛温度单回路控制容量滞后小，但容量滞后小，但不能克服被加热不能克服被加热物料的入口温度、物料的入口温度、流

2、量的影响流量的影响第一节 串级控制系统一.概述控制方案控制方案3串级控制系统串级控制系统 炉出口温度炉出口温度T1C的输出作为的输出作为炉膛温度炉膛温度T2C的给定值的给定值第一节 串级控制系统一.概述l温度对象温度对象1：受热管道，输出为物料出口温度：受热管道，输出为物料出口温度 干扰干扰F1为物料流量、进口温度的变化为物料流量、进口温度的变化l温度对象温度对象2：炉膛及燃烧装置，输出为炉膛温度：炉膛及燃烧装置，输出为炉膛温度 干扰干扰F2为燃料油压力、组分的变化为燃料油压力、组分的变化第一节 串级控制系统一.概述l串级控制系统的定义串级控制系统的定义由两个控制器组成，分别接受来自被控对象不

3、由两个控制器组成，分别接受来自被控对象不同部位的测量信号。一个控制器的输出作为下同部位的测量信号。一个控制器的输出作为下一个控制器的给定值，后者的输出去控制执行一个控制器的给定值，后者的输出去控制执行器以改变操纵变量。从系统的结构来看，两个器以改变操纵变量。从系统的结构来看，两个控制器是串级工作的，称为串级控制系统。控制器是串级工作的，称为串级控制系统。第一节 串级控制系统一.概述l主变量主变量 是工艺控制指标，在串级控制系统中起主是工艺控制指标，在串级控制系统中起主导作用的被控变量，如物料出口温度导作用的被控变量，如物料出口温度l副变量副变量 串级控制系统中为了稳定主变量或因某种串级控制系统

4、中为了稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量，如炉膛温度需要而引入的辅助变量，如炉膛温度l主对象主对象 为主变量表征其特性的生产设备，如从炉为主变量表征其特性的生产设备，如从炉膛温度测点到炉出口温度测点的工艺生产设备膛温度测点到炉出口温度测点的工艺生产设备l副对象副对象 为副变量表征其特性的工艺生产设备，如为副变量表征其特性的工艺生产设备，如执行器至炉膛温度测点间的工艺生产设备执行器至炉膛温度测点间的工艺生产设备第一节 串级控制系统一.概述l主控制器主控制器 按主变量的测量值与给定值而工作，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值的控制器，称为主控其输出作为副变量给定值的控制器，

5、称为主控制器制器(主导控制器主导控制器)，如温度控制器，如温度控制器TlCl副控制器副控制器 其给定值来自主控制器的输出，并按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副变量的测量值与给定值的偏差而工作的那个控制器称为副控制器控制器称为副控制器(随动控制器随动控制器)，如温度控，如温度控制器制器T2C 第一节 串级控制系统一.概述l主回路主回路 是由主变量的测量变送装置，主、副控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，亦制器，执行器和主、副对象构成的外回路，亦称外环或主环称外环或主环l副回路副回路 是由副变量的测量变送装置，副控制器

6、是由副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亦称内环或执行器和副对象所构成的内回路亦称内环或副环副环第一节 串级控制系统一.概述串级控制系统方块图串级控制系统方块图第一节 串级控制系统二.串级控制系统的工作过程1. 干扰进入副回路干扰进入副回路干扰为燃料油压力或组分波动，大部分由副回路克服干扰为燃料油压力或组分波动，大部分由副回路克服当炉膛温度升高导致出口温度升高，副控制器测量值增当炉膛温度升高导致出口温度升高，副控制器测量值增加，给定值减小，控制作用加强加，给定值减小，控制作用加强 副回路控制通道短，时间常数小，响应速度快副回路控制通道短，时间常数小，响应速度快第一节 串级

7、控制系统二.串级控制系统的工作过程2. 干扰作用于主对象干扰作用于主对象干扰为物料流量或温度时，改变副控制器的给定值干扰为物料流量或温度时，改变副控制器的给定值物料出口温度上升，主控制器输出降低，即副控制器设物料出口温度上升，主控制器输出降低，即副控制器设定值降低，通过降低炉膛温度来降低物料出口温度定值降低，通过降低炉膛温度来降低物料出口温度副回路的动态性能可以通过整定参数而改善副回路的动态性能可以通过整定参数而改善第一节 串级控制系统二.串级控制系统的工作过程3. 干扰同时作用于副回路和主对象干扰同时作用于副回路和主对象主、副变量变化方向相同：主、副控制器同时作用，加主、副变量变化方向相同：

8、主、副控制器同时作用，加强了控制作用，加快了控制过程强了控制作用，加快了控制过程主、副变量变化方向相反：两者相互抵消一部分，执行主、副变量变化方向相反：两者相互抵消一部分，执行器稍微动作，即可使系统稳定器稍微动作，即可使系统稳定第一节 串级控制系统二.串级控制系统的工作过程l结论结论l由于引入闭合的副回路，不仅能迅速克服作由于引入闭合的副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对于主对象的干扰用于副回路的干扰，而且对于主对象的干扰也能加速克服过程也能加速克服过程l副回路具有先调、粗调、快调的特点；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，对于主回路具有后调、细调、

9、慢调的特点，对于副回路没有完全克服的干扰能彻底克服副回路没有完全克服的干扰能彻底克服第一节 串级控制系统三.串级控制系统的特点(1) 结构上具有两个回路，两个控制器，两个测量变送结构上具有两个回路，两个控制器，两个测量变送主、副控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器主、副控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的给定值，通过副回路的输出操纵执行器动作的给定值，通过副回路的输出操纵执行器动作主回路为定值控制，副回路为随动控制主回路为定值控制，副回路为随动控制(2) 有两个受控变量：主变量，副变量有两个受控变量：主变量，副变量(3) 副回路的引入改善了对象的特性，使控制过程加快，副回路的引入

10、改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制的作用，能有效克服滞后，提高控制质量具有超前控制的作用，能有效克服滞后，提高控制质量(4) 具有一定的自适应能力，可用于负荷和操作条件有较具有一定的自适应能力，可用于负荷和操作条件有较大变化的场合大变化的场合第一节 串级控制系统四.串级控制系统中副回路的确定1. 主、副变量应有一定的内在联系，即副变量的主、副变量应有一定的内在联系，即副变量的变化应在很大程度上影响主变量的变化变化应在很大程度上影响主变量的变化 (1) 选择与主变量有一定关系的某一中间变量作选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量为副变量管式加热炉：炉膛温度管式加热炉：炉膛温度

11、物料出口温度物料出口温度 (2) 选择的副变量就是操纵变量本身，这样能及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，减少对主变量的影响时克服它的波动，减少对主变量的影响第一节 串级控制系统四.串级控制系统中副回路的确定例：精馏塔塔釜温度与蒸汽流量串级控制例：精馏塔塔釜温度与蒸汽流量串级控制主变量：塔釜温度主变量：塔釜温度副变量：进入再沸器副变量：进入再沸器 加热蒸汽量加热蒸汽量温度控制器温度控制器TC的输出作为蒸汽流量控制器的输出作为蒸汽流量控制器FC的的给定值，副变量本身就是操纵变量给定值，副变量本身就是操纵变量第一节 串级控制系统四.串级控制系统中副回路的确定2. 要使系统的主要

12、干扰被包围在副回路中要使系统的主要干扰被包围在副回路中副回路具有反应速度快、抗干扰能力强的特点副回路具有反应速度快、抗干扰能力强的特点(1) 将对主变量影响最严重、变化最剧烈的干扰将对主变量影响最严重、变化最剧烈的干扰包围在副回路中包围在副回路中(2) 使副对象的时间常数很小，充分利用副回路使副对象的时间常数很小，充分利用副回路的快速抗干扰性能的快速抗干扰性能第一节 串级控制系统四.串级控制系统中副回路的确定例：加热炉出口温度与燃料油压力串级控制例：加热炉出口温度与燃料油压力串级控制主要干扰为燃料油压力主要干扰为燃料油压力主变量：物料出口温度主变量：物料出口温度副变量：燃料油压力副变量：燃料油

13、压力副对象控制通道短，副对象控制通道短，时间常数很小，有效克服燃料油压力波动的影响时间常数很小，有效克服燃料油压力波动的影响第一节 串级控制系统四.串级控制系统中副回路的确定3. 在可能情况下，应使副环包围更多的次要干扰在可能情况下，应使副环包围更多的次要干扰考虑副环的灵敏度，不要让副变量离主变量太近考虑副环的灵敏度，不要让副变量离主变量太近第一节 串级控制系统四.串级控制系统中副回路的确定4. 副变量的选择应考虑主、副对象时间常数的匹副变量的选择应考虑主、副对象时间常数的匹配，防止配，防止“共振共振”的发生的发生在选择副变量时，应注意使主、副对象的时间在选择副变量时，应注意使主、副对象的时间

14、常数之比为常数之比为3 10，以减少主、副回路的动态联，以减少主、副回路的动态联系，避免系，避免“共振共振” 5. 当对象具有较大的纯滞后时，在选择副变量时当对象具有较大的纯滞后时，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应使副环尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后第一节 串级控制系统五.控制规律及正反作用的选择1. 控制规律的选择控制规律的选择(1) 主控制器主控制器 工艺上对主变量的控制要求较严格，不允许有余差，通工艺上对主变量的控制要求较严格，不允许有余差，通常选用常选用PI控制；如对象容量滞后较大，采用控制；如对象容量滞后较大，采用PID控制控制 (2) 副控制器副控制器l 副回

15、路控制要求不严格，允许有余差，一般采用纯副回路控制要求不严格，允许有余差，一般采用纯比例作用，为了快速跟踪，最好不引入积分作用比例作用，为了快速跟踪，最好不引入积分作用l 副回路是随动系统，不宜加入微分作用副回路是随动系统，不宜加入微分作用第一节 串级控制系统五.控制规律及正反作用的选择2. 控制器正、反作用的选择控制器正、反作用的选择(1) 副控制器副控制器副控制器作用方向与副对象特性、执行器气开副控制器作用方向与副对象特性、执行器气开/气关型式有关，选择方法与简单控制系统相同，气关型式有关，选择方法与简单控制系统相同，不需考虑主控制器的作用方向不需考虑主控制器的作用方向方框图法或逻辑推理法

16、方框图法或逻辑推理法第一节 串级控制系统五.控制规律及正反作用的选择例：管式加热炉温度例：管式加热炉温度-温度串级控制系统温度串级控制系统执行器：气开阀执行器：气开阀 + 副对象：副对象：+副控制器：反作用副控制器：反作用第一节 串级控制系统五.控制规律及正反作用的选择例：精馏塔塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统例：精馏塔塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统执行器：气关阀执行器：气关阀 - 副对象：副对象：+副控制器：正作用副控制器：正作用第一节 串级控制系统五.控制规律及正反作用的选择(2) 主控制器主控制器 方法一：方框图法方法一：方框图法副回路等效环节：副回路等效环节：“ + ” 主对象根据副变量

17、与主变量的变化方向确定主对象根据副变量与主变量的变化方向确定被控变量被控变量主对象主对象副回路副回路主控制器主控制器给定值给定值偏差偏差测量变送测量变送第一节 串级控制系统五.控制规律及正反作用的选择方法二：方法二：根据主、副变量增加（减小）时，要求控制阀根据主、副变量增加（减小）时，要求控制阀的动作方向是否一致来判断的动作方向是否一致来判断 一致：反作用一致：反作用 不一致：正作用不一致：正作用主控制器的作用方向完全由工艺情况确定，与主控制器的作用方向完全由工艺情况确定，与执行器气开执行器气开/气关型式及副控制器方向无关气关型式及副控制器方向无关第一节 串级控制系统五.控制规律及正反作用的选

18、择主控制器：反作用主控制器：反作用主控制器：反作用主控制器：反作用第一节 串级控制系统五.控制规律及正反作用的选择例：冷却器温度串级控制系统例：冷却器温度串级控制系统主控制器：正作用主控制器：正作用第一节 串级控制系统五.控制规律及正反作用的选择(3) 串级与主控模式的切换串级与主控模式的切换主控模式：切除副控制器，由主控制器的输出主控模式：切除副控制器，由主控制器的输出直接控制执行器直接控制执行器 T2C反作用，可切换反作用，可切换T2C正作用，不可切换正作用，不可切换 第一节 串级控制系统五.控制规律及正反作用的选择串级与主控模式相互切换的条件是：串级与主控模式相互切换的条件是：当主变量变

19、化时，串级时副控制器的输出与主当主变量变化时，串级时副控制器的输出与主控时主控制器的输出信号方向完全一致控时主控制器的输出信号方向完全一致 即主控制器输出增大即主控制器输出增大副控制器输出增大副控制器输出增大副副控制器必须为反作用控制器必须为反作用 第一节 串级控制系统六.控制器参数的工程整定1. 两步整定法两步整定法(1) 主、副控制器均为纯比例作用，将主控制器的主、副控制器均为纯比例作用，将主控制器的比例度置为比例度置为100，逐步减小副控制器比例度，逐步减小副控制器比例度，得到副回路在满足某衰减比过渡过程下的副控得到副回路在满足某衰减比过渡过程下的副控制器的比例度制器的比例度2s和工作周

20、期和工作周期T2s (2) 副控制器比例度副控制器比例度2s条件下，逐步减小主控制条件下，逐步减小主控制器比例度，得到同样衰减比的过渡过程，记下器比例度，得到同样衰减比的过渡过程，记下主控制器的比例度主控制器的比例度1s和工作周期和工作周期T1s第一节 串级控制系统六.控制器参数的工程整定(3) 根据得到的根据得到的1s、T1s、2s、T2s,， 按表按表7-2或表或表7-3计算主、副控制器的比例度、积分时间和微计算主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间分时间(4) 按按“先副后主先副后主”、“先比例次积分后微分先比例次积分后微分”的的整定规律，将计算出的控制器参数加到控制器整定规律，将计算

21、出的控制器参数加到控制器(5) 观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程渡过程第一节 串级控制系统六.控制器参数的工程整定l“共振共振”现象的避免现象的避免l减小副控制器比例度或积分时间，以达到减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小副回路操作周期的目的l加大主控制器比例度或积分时间，以期增大加大主控制器比例度或积分时间，以期增大主回路操作周期主回路操作周期l如果主、副对象特性太接近，说明控制方案如果主、副对象特性太接近，说明控制方案欠妥当，副变量选择不合适欠妥当，副变量选择不合适第一节 串级控制系统六.控制器参数的工程整定

22、2. 一步整定法一步整定法根据经验将副控制器一次放好，不再变动，根据经验将副控制器一次放好，不再变动， 按按单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器依据依据串级控制系统对主变量要求严格，对副变量没串级控制系统对主变量要求严格，对副变量没有很高的要求有很高的要求副控制器的放大倍数不合适，可以通过调整主副控制器的放大倍数不合适，可以通过调整主控制器放大倍数进行补偿控制器放大倍数进行补偿第一节 串级控制系统六.控制器参数的工程整定l步骤步骤(1) 按照表按照表8-1，将副控制器比例度置于某一数值，将副控制器比例度置于某一数值(2) 利用简单控制系统参数整定方法

23、整定主控制器利用简单控制系统参数整定方法整定主控制器(3) 出现共振，加大主控制器或减小副控制器参数出现共振，加大主控制器或减小副控制器参数表表8-1 一步整定法副控制器参数选择范围一步整定法副控制器参数选择范围第二节 均匀控制系统一. 均匀控制的目的例：连续精馏的多塔分离过程例：连续精馏的多塔分离过程甲塔的液位控制和乙塔的流量控制是相互矛盾的甲塔的液位控制和乙塔的流量控制是相互矛盾的解决方案解决方案1. 缓冲罐缓冲罐2. 均匀控制均匀控制第二节 均匀控制系统一. 均匀控制的目的l定义：均匀控制并不是指控制结构，而是按控定义：均匀控制并不是指控制结构，而是按控制的目的，使前后设备在供求关系上达

24、到相互制的目的，使前后设备在供求关系上达到相互协调、统筹兼顾协调、统筹兼顾l特点特点(1) 反映了前后供求矛盾的两个变量都是变化反映了前后供求矛盾的两个变量都是变化的，且变化是缓慢的的，且变化是缓慢的(2) 前后联系又相互矛盾的两个变量均应保持前后联系又相互矛盾的两个变量均应保持在允许的范围内波动在允许的范围内波动第二节 均匀控制系统一. 均匀控制的目的液位液位流量流量12t液位液位流量流量12t液位液位流量流量12t1-液位变化曲线液位变化曲线2-流量变化曲线流量变化曲线第二节 均匀控制系统二. 均匀控制方案1. 简单均匀控制简单均匀控制 采用采用P或或PI控制，比例度要大一些，并且积分时控

25、制，比例度要大一些，并且积分时间也要相当长，不能加入微分作用间也要相当长，不能加入微分作用第二节 均匀控制系统二. 均匀控制方案2. 串级均匀控制串级均匀控制l结构与串级控制系统相同结构与串级控制系统相同l参数整定参数整定l副回路同串级控制的副回路副回路同串级控制的副回路l主回路同简单均匀控制系统主回路同简单均匀控制系统l比例度和积分时间从小到大调整，数值较大比例度和积分时间从小到大调整，数值较大l主、副控制器一般采用纯比例主、副控制器一般采用纯比例第三节 比值控制系统一.概述生产中经常需要两种或两种以上的物料保持一定比例，生产中经常需要两种或两种以上的物料保持一定比例，如比例一旦失调，将影响

26、生产或造成事故如比例一旦失调，将影响生产或造成事故例：造纸生产过程例：造纸生产过程浓纸浆和水按一定比例混合，制造一定浓度的纸浆浓纸浆和水按一定比例混合，制造一定浓度的纸浆例：重油气化的造气生产过程例：重油气化的造气生产过程进入气化炉的氧气和重油流量应保持一定比例进入气化炉的氧气和重油流量应保持一定比例过高，炉温过高，烧坏炉子；过低，生成的炭黑增多过高，炉温过高，烧坏炉子；过低，生成的炭黑增多例：锅炉燃烧过程例：锅炉燃烧过程燃料量和空气按一定比例进入炉膛，提高燃烧经济性燃料量和空气按一定比例进入炉膛，提高燃烧经济性第三节 比值控制系统一.概述l定义：实现两个或两个以上参数符合一定比例定义：实现两

27、个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，通常为流量比值控制关系的控制系统，通常为流量比值控制l主动量：主动量：在需要保持比值关系的两种物料中，在需要保持比值关系的两种物料中，处于主导地位的物料称之为主物料，表征这种处于主导地位的物料称之为主物料，表征这种物料的参数称之为主动量或主流量，物料的参数称之为主动量或主流量，Q1l从动量：从动量：另一种物料按主物料进行配比，在控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，称为从物料，表征制过程中随主物料而变化，称为从物料，表征其特性的参数称为从动量或副流量，其特性的参数称为从动量或副流量，Q2第三节 比值控制系统二.比值控制系统的类型1

28、. 开环比值控制系统开环比值控制系统开环系统，无抗干扰能力开环系统，无抗干扰能力结构简单，纯比例控制器结构简单，纯比例控制器适用于副流量比较平稳的适用于副流量比较平稳的且比值要求不高且比值要求不高第三节 比值控制系统二.比值控制系统的类型2. 单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统对副流量构成闭合回路对副流量构成闭合回路优点：能克服副流量本身优点：能克服副流量本身干扰对比值的影响干扰对比值的影响适用于主物料不允许控制适用于主物料不允许控制场合场合第三节 比值控制系统二.比值控制系统的类型3. 双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统l主流量控制器控制主流量主流量控制器控制主流量l主流量通过比值控制器

29、主流量通过比值控制器K（乘法器）乘以适当系（乘法器）乘以适当系数作为副流量控制器给定数作为副流量控制器给定值值l副流量跟随主流量变化副流量跟随主流量变化 而变化而变化第三节 比值控制系统二.比值控制系统的类型优点：两物料总量基本不变，提降负荷方便优点：两物料总量基本不变，提降负荷方便适用于主流量干扰频繁，工艺上不允许负荷有较大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波动或工艺上经常需要提降负荷的场合第三节 比值控制系统二.比值控制系统的类型4. 变比值控制系统变比值控制系统要求两种物料的比值能随第三变量需要调整要求两种物料的比值能随第三变量需要调整即比值成

30、为副变量的串级控制系统即比值成为副变量的串级控制系统第三节 比值控制系统二.比值控制系统的类型温度与比值的串级控制系统温度与比值的串级控制系统温度控制器按串级控制系统主控制器选择温度控制器按串级控制系统主控制器选择比值控制按单闭环比值控制系统确定比值控制按单闭环比值控制系统确定第四节 前馈控制系统一.前馈控制系统及其特点反馈控制：干扰产生偏差反馈控制：干扰产生偏差控制作用控制作用消除偏差消除偏差 有病才治，对大干扰和大滞后效果不好有病才治，对大干扰和大滞后效果不好前馈控制：测取干扰前馈控制：测取干扰控制作用控制作用抵消干扰抵消干扰换热器的反馈控制换热器的反馈控制换热器的前馈控制换热器的前馈控制

31、第四节 前馈控制系统一.前馈控制系统及其特点1. 前馈控制是基于不变性原理工作的，比反馈控前馈控制是基于不变性原理工作的，比反馈控制及时、有效制及时、有效前馈控制理想情况下可达到完全补偿，将系统前馈控制理想情况下可达到完全补偿，将系统的输出保持在恒定的设定值上的输出保持在恒定的设定值上反馈系统在扰动作用下总是经历一个偏离设定反馈系统在扰动作用下总是经历一个偏离设定值的过渡过程值的过渡过程第四节 前馈控制系统一.前馈控制系统及其特点Q1Q1tt21第四节 前馈控制系统一.前馈控制系统及其特点l反馈控制的依据是被控变量的偏差，检测信号反馈控制的依据是被控变量的偏差，检测信号是被控变量，控制作用发生

32、在偏差出现以后是被控变量，控制作用发生在偏差出现以后l前馈控制的依据是干扰的变化，检测信号是干前馈控制的依据是干扰的变化，检测信号是干扰量，控制作用发生在干扰作用的瞬间扰量，控制作用发生在干扰作用的瞬间第四节 前馈控制系统一.前馈控制系统及其特点2. 2. 前馈控制属于前馈控制属于“开环开环”控制系统控制系统被控变量没有被检测，控制作用对被控变量的被控变量没有被检测，控制作用对被控变量的影响并不返回影响干扰影响并不返回影响干扰前馈控制的效果不能通过反馈来检验，综合前前馈控制的效果不能通过反馈来检验，综合前馈控制必须对被控对象特性作深入研究馈控制必须对被控对象特性作深入研究第四节 前馈控制系统一

33、.前馈控制系统及其特点3. 前馈控制是视对象特性而定的前馈控制是视对象特性而定的“专用专用”控制器控制器专用的前馈控制器（前馈补偿装置）专用的前馈控制器（前馈补偿装置）控制规律取决于干扰通道与控制通道的特性控制规律取决于干扰通道与控制通道的特性4. 一种前馈作用只能克服一种干扰一种前馈作用只能克服一种干扰前馈控制系统是开环的，根据一种干扰设计的前馈控制系统是开环的，根据一种干扰设计的前馈控制只能克服这一干扰对被控变量的影响前馈控制只能克服这一干扰对被控变量的影响第四节 前馈控制系统二.前馈控制的主要形式1. 单纯的前馈控制形式单纯的前馈控制形式(1) 静态前馈控制系统静态前馈控制系统按静态关系

34、确定前馈控制作用，当干扰阶跃变按静态关系确定前馈控制作用，当干扰阶跃变化时，前馈控制器的输出也为阶跃变化化时，前馈控制器的输出也为阶跃变化Kf 为比例系数为比例系数第四节 前馈控制系统二.前馈控制的主要形式例：换热器出口温度静态前馈控制例：换热器出口温度静态前馈控制根据热平衡，蒸汽冷凝放热根据热平衡，蒸汽冷凝放热 = 进料流体吸热进料流体吸热 多入单出系统，对入口温度、流量的扰动实现静态补偿多入单出系统，对入口温度、流量的扰动实现静态补偿 设计流量的副回路是为了实现对蒸汽流量的精确控制设计流量的副回路是为了实现对蒸汽流量的精确控制第四节 前馈控制系统二.前馈控制的主要形式(2) 动态前馈控制系

35、统动态前馈控制系统考虑对象的动态特性，在静态前馈控制的基础上，加入延迟考虑对象的动态特性，在静态前馈控制的基础上，加入延迟或微分环节，达到干扰作用的近似补偿或微分环节，达到干扰作用的近似补偿第四节 前馈控制系统二.前馈控制的主要形式2. 前馈前馈-反馈控制反馈控制采用前馈反馈的原因：采用前馈反馈的原因：l 实际对象存在多个扰动，若均设置前馈通道，势必实际对象存在多个扰动，若均设置前馈通道，势必增加工程投资和维护量增加工程投资和维护量l 前馈控制系统受模型精度的影响，前馈系统是基于前馈控制系统受模型精度的影响，前馈系统是基于系统模型而得来的，而模型不可能完全精确系统模型而得来的，而模型不可能完全

36、精确l 前馈控制对被控变量是开环的，无法检验补偿结果前馈控制对被控变量是开环的，无法检验补偿结果l干扰无法测量干扰无法测量第四节 前馈控制系统二.前馈控制的主要形式例：换热器的前馈例：换热器的前馈-反馈控制反馈控制FC：前馈控制器，克服：前馈控制器，克服 进料量波动进料量波动TC：反馈控制器，克服：反馈控制器，克服 其他干扰其他干扰前馈和反馈控制作用相加，共同改变操纵变量前馈和反馈控制作用相加，共同改变操纵变量第四节 前馈控制系统二.前馈控制的主要形式前馈前馈-反馈控制系统方块图反馈控制系统方块图两个控制器，反馈回路两个控制器，反馈回路 + 开环补偿回路开环补偿回路第四节 前馈控制系统二.前馈

37、控制的主要形式前馈前馈-反馈控制系统的优点反馈控制系统的优点l从前馈控制角度，由于反馈控制，减轻了对前从前馈控制角度，由于反馈控制，减轻了对前馈控制模型的精度要求，并可用来对未做前馈馈控制模型的精度要求，并可用来对未做前馈补偿的干扰进行校正补偿的干扰进行校正l从反馈控制角度，前馈控制事先起了一个粗调从反馈控制角度，前馈控制事先起了一个粗调的作用，大大减少了反馈控制的负担的作用，大大减少了反馈控制的负担第四节 前馈控制系统三.前馈控制的应用场合(1) 干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，仅干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，仅采用反馈控制达不到要求的对象采用反馈控制达不到要求的对象(2) 主

38、要干扰为可测而不可控的变量主要干扰为可测而不可控的变量可测：干扰量可以运用检测变送装置将其在线可测：干扰量可以运用检测变送装置将其在线 转化为标准的电或气信号转化为标准的电或气信号不可控：难以设置单独的控制系统予以稳定不可控：难以设置单独的控制系统予以稳定(3) 当对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时，当对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差，可采用前馈或前馈控制质量差，可采用前馈或前馈-反馈控制系统反馈控制系统第五节 选择性控制系统一.基本概念l大型生产过程对控制系统的要求大型生产过程对控制系统的要求l正常运行，能够克服外界干扰，维持生产平正常运行，能够克服外界干扰，维持生产平稳运

39、行稳运行l安全极限，能够采取相应的保护措施，促使安全极限，能够采取相应的保护措施，促使生产操作离开安全极限，返回正常情况；或生产操作离开安全极限，返回正常情况；或者使生产暂时停止，防止事故发生或扩大者使生产暂时停止，防止事故发生或扩大压缩机的防喘振控制压缩机的防喘振控制 精馏塔的防液泛控制精馏塔的防液泛控制第五节 选择性控制系统一.基本概念l硬保护措施硬保护措施参数达到第一参数达到第一极限极限时报警时报警操作工设法排除故操作工设法排除故障障若没有及时排除故障，参数达到第二极限若没有及时排除故障，参数达到第二极限联锁保护联锁保护装置动作装置动作自动停车，达到生产安自动停车，达到生产安全的目的全的

40、目的l硬保护的缺点硬保护的缺点设备停车影响生产。对于大型连续生产过程，设备停车影响生产。对于大型连续生产过程，短暂的设备停车也会造成巨大的经济损失短暂的设备停车也会造成巨大的经济损失第五节 选择性控制系统一.基本概念l软保护措施软保护措施通过特定设计的选择性控制系统，当生产短期通过特定设计的选择性控制系统，当生产短期处于不正常工况，改变控制方式，以降低控制处于不正常工况，改变控制方式，以降低控制质量为代价，继续维持生产，避免设备停车质量为代价，继续维持生产，避免设备停车l控制方案的切换控制方案的切换极限，备用控制方案自动取代正常控制方案极限，备用控制方案自动取代正常控制方案安全，正常控制方案自

41、动取代备用控制方案安全，正常控制方案自动取代备用控制方案取代控制、超驰控制、自动保护控制取代控制、超驰控制、自动保护控制第五节 选择性控制系统一.基本概念l选择性控制的定义：选择性控制的定义：凡是在控制回路中引入选凡是在控制回路中引入选择器的系统都称为选择性控制系统择器的系统都称为选择性控制系统l实现方式实现方式: 选择器和切换装置选择器和切换装置 高选器高选器 低选器低选器UO=max(u1,u2,.un) UO=min(u1,u2,.un)HSunu2u1UOLSunu2u1UO第五节 选择性控制系统二.选择性控制系统的类型1. 开关型选择性控制系统开关型选择性控制系统A变量：主要控制变量

42、，工艺操作的技术指标变量：主要控制变量，工艺操作的技术指标B变量：工艺上只有限值要求变量：工艺上只有限值要求l正常情况，正常情况，B处于限值以内，按处于限值以内，按A进行连续控制进行连续控制lB达到极限值，通过专门的装置切断达到极限值，通过专门的装置切断A控制器的控制器的输出，使控制阀迅速关闭或打开输出，使控制阀迅速关闭或打开lB回到限值以内，系统才自动恢复到按回到限值以内，系统才自动恢复到按A进行连进行连续控制续控制第五节 选择性控制系统二.选择性控制系统的类型例：丙烯冷却器出口温度控制例：丙烯冷却器出口温度控制被控变量：冷却后裂解气温度被控变量：冷却后裂解气温度操纵变量：液态丙烯流量操纵变

43、量：液态丙烯流量控制方案：改变换热面积控制方案：改变换热面积第五节 选择性控制系统二.选择性控制系统的类型l限制条件：限制条件：丙烯液位不能过高丙烯液位不能过高1. 不能再增加换热面积不能再增加换热面积换热效果也不能提高换热效果也不能提高2. 丙烯蒸发空间减小，使丙烯蒸发空间减小，使丙烯气相会出现带液现象丙烯气相会出现带液现象第五节 选择性控制系统二.选择性控制系统的类型l控制方案控制方案1液位低于液位低于75%，节点断，节点断开，电磁阀失电，控制开，电磁阀失电，控制器输出直通执行器器输出直通执行器液位达到液位达到75%，节点闭，节点闭合，电磁阀得电，控制合，电磁阀得电，控制器输出切断，气开阀

44、全器输出切断，气开阀全关，切断液态丙烯流量关，切断液态丙烯流量第五节 选择性控制系统二.选择性控制系统的类型l开关型选择性控制系统方块图开关型选择性控制系统方块图 开关：电磁三通阀开关：电磁三通阀根据液位分别让执行器接通控制器或接通大气根据液位分别让执行器接通控制器或接通大气第五节 选择性控制系统二.选择性控制系统的类型l控制方案控制方案2信号器信号器液位液位 75%，p2= 0；液位液位= 75%，p2= 0.1MPa切换器切换器p2= 0，py = px；p2=0.1MPa，py = 0第五节 选择性控制系统二.选择性控制系统的类型2. 连续型选择性控制系统连续型选择性控制系统当当B变量超

45、限，控制阀不是立即全开或全关，而变量超限，控制阀不是立即全开或全关，而是在原来的开度基础上继续进行连续控制是在原来的开度基础上继续进行连续控制两台控制器两台控制器l在正常情况下工作的控制器在正常情况下工作的控制器l在非正常情况下工作的控制器在非正常情况下工作的控制器l两台控制器的输出通过选择器后，送往执行器两台控制器的输出通过选择器后，送往执行器第五节 选择性控制系统二.选择性控制系统的类型例：锅炉压力取代控制系统例：锅炉压力取代控制系统被控变量：产汽压力被控变量：产汽压力操纵变量：燃料气流量操纵变量：燃料气流量限制变量：燃料气压力限制变量：燃料气压力防止防止“脱火脱火” 现象现象燃料气压力不

46、能过高燃料气压力不能过高第五节 选择性控制系统二.选择性控制系统的类型低选器：自动选择两个信号中较低的一个作为输出信号低选器：自动选择两个信号中较低的一个作为输出信号第五节 选择性控制系统二.选择性控制系统的类型正常情况下，正常情况下，燃料气压力燃料气压力 0，P2C反作用控制器反作用控制器比例度设置的较小比例度设置的较小输出输出a呈现高信号呈现高信号e+p第五节 选择性控制系统二.选择性控制系统的类型极限情况下，极限情况下，燃料气压力燃料气压力 给定值给定值e = SP PV 0，P2C反作用控制器反作用控制器比例度设置的较小比例度设置的较小输出输出a呈现低信号呈现低信号e+p第五节 选择性

47、控制系统二.选择性控制系统的类型3. 混合型选择性控制系统混合型选择性控制系统例：锅炉压力取代控制系统例：锅炉压力取代控制系统防止防止“脱火脱火”/“回火回火”脱火：脱火：燃料气压力不能过高燃料气压力不能过高回火：回火：燃料气压力不能过低燃料气压力不能过低在蒸汽压力与燃料气压力连续型选择性控制系统的在蒸汽压力与燃料气压力连续型选择性控制系统的基础上增加防止燃料气压力过低的开关型选择系统基础上增加防止燃料气压力过低的开关型选择系统第五节 选择性控制系统二.选择性控制系统的类型带下限节点的压力控制器带下限节点的压力控制器P P3 3C C电磁三通阀电磁三通阀第五节 选择性控制系统三.积分饱和及其防

48、止1. 积分饱和的产生及其危害积分饱和的产生及其危害l定义：定义：对于具有积分作用的控制器，当其处于对于具有积分作用的控制器，当其处于开环工作状态，如果偏差输入信号一直存在，开环工作状态，如果偏差输入信号一直存在，控制器的输出将不断增加或减小，一直达到输控制器的输出将不断增加或减小，一直达到输出的极限值。出的极限值。l产生条件产生条件：(1) 控制器具有积分作用控制器具有积分作用 (2) 控制器处于开环工作状态控制器处于开环工作状态(3) 控制器的输入偏差长期存在控制器的输入偏差长期存在第五节 选择性控制系统三.积分饱和及其防止l选择性控制系统容易出现积分饱和选择性控制系统容易出现积分饱和任何

49、时候选择器只能选中一个控制器任何时候选择器只能选中一个控制器l被选中的控制器输出送往执行器被选中的控制器输出送往执行器l未被选中的控制器处于开环状态，处于开环未被选中的控制器处于开环状态，处于开环状态的控制器如果有积分作用，在偏差长期状态的控制器如果有积分作用，在偏差长期存在的条件下，就会产生积分饱和存在的条件下，就会产生积分饱和第五节 选择性控制系统三.积分饱和及其防止l积分饱和的危害积分饱和的危害l当控制器处于积分饱和，输出达到最大或最当控制器处于积分饱和，输出达到最大或最小的极限值，超出执行器的有效输入信号范小的极限值，超出执行器的有效输入信号范围，控制阀停留在某一极限位置上不再变化围，

50、控制阀停留在某一极限位置上不再变化l控制器被选择器选中，不能立即发挥作用，控制器被选择器选中，不能立即发挥作用，必须退出饱和区，输出慢慢返回到执行器的必须退出饱和区，输出慢慢返回到执行器的有效输入范围，才能使执行器动作，造成控有效输入范围，才能使执行器动作，造成控制不及时，相当于引入了很大的滞后制不及时，相当于引入了很大的滞后第五节 选择性控制系统三.积分饱和及其防止2. 抗积分饱和措施抗积分饱和措施(1) 限幅法限幅法使控制器输出信号被限制在工作信号范围以内使控制器输出信号被限制在工作信号范围以内限幅器限幅器限幅型控制器限幅型控制器(2) 积分切除法积分切除法当控制器处于开环工作状态，将控制

51、器的积分当控制器处于开环工作状态，将控制器的积分作用切除掉，使控制器输出不会一直变化作用切除掉，使控制器输出不会一直变化 第六节 分程控制系统一.概述l基本原理基本原理用一台控制器的输出控制几台控制阀用一台控制器的输出控制几台控制阀控制器的输出信号分割成若干信号区间段，由控制器的输出信号分割成若干信号区间段，由每一段信号去控制一台控制阀每一段信号去控制一台控制阀 第六节 分程控制系统一.概述l控制器输出信号的分段一般由阀门定位器实现控制器输出信号的分段一般由阀门定位器实现控制器的输出：控制器的输出：20 60kPaA阀从全关到全开，阀从全关到全开，B阀全关阀全关60 100kPaA阀全开，阀全

52、开，B阀从全关到全开阀从全关到全开第六节 分程控制系统一.概述l同向同向l异向异向20601000100A阀阀B阀阀阀压阀压/ kPa阀开度阀开度/ %20601000100A阀阀B阀阀阀压阀压/ kPa阀开度阀开度/ %20601000100A阀阀B阀阀阀压阀压/ kPa阀开度阀开度/ %20601000100A阀阀B阀阀阀压阀压/ kPa阀开度阀开度/ %第六节 分程控制系统二.分程控制的应用场合1. 扩大控制阀的可调范围，改善控制品质扩大控制阀的可调范围，改善控制品质控制阀的可调范围是有限的控制阀的可调范围是有限的( R = 30 ) 两个同向动作的两个同向动作的控制阀并联安装控制阀并联

53、安装的分程控制方案的分程控制方案蒸汽减压系统分程控制蒸汽减压系统分程控制第六节 分程控制系统二.分程控制的应用场合采用采用A、B两台控制阀两台控制阀l小负荷下，小负荷下，B阀关闭，阀关闭，通过通过A阀开度的变化来阀开度的变化来控制控制l大负荷下，大负荷下，A阀全开，阀全开，压力仍达不到给定值，压力仍达不到给定值，PC输出增加，使输出增加，使B阀也阀也逐渐打开逐渐打开（气开阀）（气开阀）PC反作用反作用第六节 分程控制系统二.分程控制的应用场合2. 控制两种不同的介质，满足工艺生产需要控制两种不同的介质，满足工艺生产需要例：间歇式反应器温度控制例：间歇式反应器温度控制工艺流程：工艺流程：先送蒸汽

54、先送蒸汽后送冷水后送冷水冷水阀选气关阀，冷水阀选气关阀，蒸气阀选气开阀蒸气阀选气开阀TC选反作用选反作用第六节 分程控制系统二.分程控制的应用场合升温阶段，温度测量值低于升温阶段，温度测量值低于给定值，给定值，TC为反作用，为反作用，控制器输出较大，控制器输出较大，A阀关闭，阀关闭，B阀打开阀打开反应进行阶段，反应温度升反应进行阶段，反应温度升高，高，TC为反作用，控制为反作用，控制器输出逐渐减小器输出逐渐减小B阀关闭，阀关闭，A阀打开阀打开20601000100A阀阀B阀阀阀压阀压/ kPa阀开度阀开度/ %第六节 分程控制系统二.分程控制的应用场合3. 用作生产安全的保护措施用作生产安全的

55、保护措施例：贮罐氮封控制例：贮罐氮封控制抽取物料，如不及时补充抽取物料，如不及时补充氮气，贮罐吸瘪氮气，贮罐吸瘪打入物料，如不及时排出打入物料，如不及时排出氮气，贮罐鼓坏氮气，贮罐鼓坏A：气开式：气开式B：气关式：气关式第六节 分程控制系统二.分程控制的应用场合l压力升高，测量值大于压力升高，测量值大于给定值，给定值，PC反作用，反作用，控制器输出下降控制器输出下降A阀关闭阀关闭 B阀打开阀打开l压力降低，测量值小于压力降低，测量值小于给定值，给定值，PC反作用，反作用，控制器输出增大控制器输出增大B阀关闭阀关闭 A阀打开阀打开20581000100B阀阀A阀阀阀压阀压/ kPa阀开度阀开度/

56、 %62第六节 分程控制系统三.分程控制中的几个问题(1) 控制阀流量特性的选择控制阀流量特性的选择在两阀分程点上，控制阀的放大倍数可能出现在两阀分程点上，控制阀的放大倍数可能出现突变，表现在特性曲线上产生斜率突变的折点突变，表现在特性曲线上产生斜率突变的折点2060100050100P/kPaQ/%2060100050100P/kPaQ/%第六节 分程控制系统三.分程控制中的几个问题(2) 控制阀泄漏量的要求控制阀泄漏量的要求控制阀大小阀并联时，大阀的泄漏量不能太大控制阀大小阀并联时，大阀的泄漏量不能太大(3) 控制器选择与参数整定控制器选择与参数整定分程控制系统本质上是简单控制系统，控制器

57、分程控制系统本质上是简单控制系统，控制器参数选择与参数整定同简单控制系统参数选择与参数整定同简单控制系统但是要注意两个控制通道特性的不同，按正常但是要注意两个控制通道特性的不同，按正常情况整定控制器的参数情况整定控制器的参数第七节 多冲量控制系统l定义：在控制系统中，多个变量信号经过一定定义：在控制系统中，多个变量信号经过一定的运算后，共同控制一台执行器，以使某个被的运算后，共同控制一台执行器，以使某个被控的工艺变量有较高的控制质量。控的工艺变量有较高的控制质量。冲量就是变量的意思冲量就是变量的意思l在锅炉给水系统控制中应用比较广泛在锅炉给水系统控制中应用比较广泛给水系统控制自动控制锅炉的给水

58、量，使其适给水系统控制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范围内应蒸发量的变化，维持汽包水位在允许范围内第七节 多冲量控制系统1. 单冲量液位控制系统单冲量液位控制系统属于简单的单回路控制属于简单的单回路控制缺点：缺点：负荷突然变大负荷突然变大蒸汽压力骤降，沸腾加剧蒸汽压力骤降，沸腾加剧虚假水位上升虚假水位上升控制阀控制阀反向动作反向动作水位更低水位更低发生事故发生事故第七节 多冲量控制系统2. 双冲量控制系统双冲量控制系统主要扰动：蒸汽负荷主要扰动：蒸汽负荷蒸汽流量信号起前馈作用，蒸汽流量信号起前馈作用，在液位还未波动时提前使在液位还未波动时提前使控制阀动作控制阀动作前馈前馈-反馈控制系统反馈控制系统第七节 多冲量控制系统3. 三冲量控制系统三冲量控制系统除液位、蒸汽流量信号外除液位、蒸汽流量信号外增加供水流量信号增加供水流量信号及时克服供水压力波动及时克服供水压力波动引起的汽包液位变化引起的汽包液位变化第七节 多冲量控制系统三冲量控制实施方案三冲量控制实施方案主变量：汽包液位主变量：汽包液位副变量：给水流量副变量：给水流量前馈信号：蒸汽流量前馈信号：蒸汽流量前馈前馈-串级控制系统串级控制系统第七节 多冲量控制系统