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1、第八章复杂控制系统,第一节 串级控制系统 第二节 均匀控制系统 第三节 比值控制系统 第四节 前馈控制系统 第五节 选择性控制系统 第六节 分程控制系统 第七节 多冲量控制系统,所谓复杂控制系统是相对于简单控制系统而言的，凡是由多个参数，两个以上变送器、控制器、执行器组成的多回路控制系统称为复杂控制系统。其相应的分析、设计、参数整定与投运也较复杂。,根据系统结构，功能和原理来分，常见的复杂控制系统有：串级、均匀、比值、前馈、分程、选择等系统。,第一节 串级控制系统,一.串级控制系统的结构及原理,1.串级控制是改善控制质量的有效方法之一，在工业控制中广泛应用，为了认识串级控制系统以实例来说明。,
2、炉出口温度为被控参数,燃料量为操纵变量，构成简单温度控制系统。,影响炉出口温度的因素主要有：被加热物料的流量和初温f1(t)；燃烧热值的变化，压力的波动 f2(t)；烟囱挡板位置的改变，抽力的变化f3(t)。控制通道的时间常数、容量滞后较大（T约为15分钟），反映缓慢，控制不及时，系统克服扰动能力较差，不能满足工艺要求的炉出口温度变化范围为12的质量指标。,选炉膛温度为被控参数，燃料量为操纵变量，设计出下图所示系统，以维持炉出口温度为某一定值。,特点是：1.使控制通道的时间常数，容量滞后减小（T为3分钟左右）；2.对于扰动f2(t)、f3(t)能及时有效的克服，但对于f1(t)未包括在系统内无
3、法克服，使炉膛温度调好后，炉出口温度并不一定满足生产要求。 综上所述，取以炉出口温度为被控参数，炉膛温度为中间辅助变量，把炉出口温度控制器的输出作为炉膛温度控制器的给定值，构成串级控制系统。,如图所示：以炉出口温度为被控参数，炉膛温度为中间辅助变量，把炉出口温度控制器的输出作为炉膛温度控制器的给定值，构成串级控制系统。,这样扰动f2(t)、f3(t)由控制器T2C构成的控制回路克服，扰动f1(t)由控制器T1C构成的控制回路克服。,+,从系统结构上看，两个控制器串联工作，因此系统称为串级控制系统。,2、串级控制系统的名词术语 主被控参数：是工艺控制指标，在串级系统中起主导作用的那个被控参数。
4、副被控参数：在串级系统中为了稳定主被控参数或因某种需要而引入的辅助参数。,主控制器：按主被控参数的测量值与给定值的偏差进行工作的控制器，其输出作为副控制器的给定值。,副控制器：按副被控参数的测量值与主控制器输出的偏差进行工作的控制器，其输出直接控制控制阀的动作。 主被控对象：为主被控参数表征其特性的生产对象和设备；其输入量为副被控参数，输出是为主被控参数。,主回路：由主、副控制器，控制阀，主、副被控对象，主测量变送器组成的闭合回路。 副回路：由副控制器、控制阀、副被控对象、副测量变送器组成的闭合回路。 一次扰动：不包括在副回路中的扰动，如f1(t)。,二次扰动：包括在副回路中的扰动，如f2(t
5、)、f3(t)。,副被控对象：为副被控参数表征其特性的生产对象或设备。,二、串级控制的特点1、加快控制过程，有效克服滞后，提高控制质量,（1）二次扰动来自燃料压力，热值f2(t)和烟囱抽力f3(t)。（2）一次扰动来自被加热物料的流量和初温f1(t),（3）一次扰动、二次扰动同时存在,可见，在串级控制系统首先由副回路克服主要干扰，再由主回路克服其他一些干扰和副回路没有完全克服的干扰。,2.自适应能力,三、串级控制系统的设计 正确合理地设计一个串级控制系统就是要充分发挥如上所述系统的各特点，设计时包括主、副回路设计，主副控制器控制规律的选择及其正、反作用方式的确定。（一）、主副回路的设计 串级控
6、制系统的主回路是一定值控制系统，对于主参数的选择和主回路的设计，可按单回路设计原则进行，下面看一下副参数的选择和副回路的设计。,1. 副回路应包括尽可能多的扰动,2. 把纯滞后部分放在主对象中以提高副回路的快速抗干扰能力。3. 应使主、副对象的时间常数适当匹配主副对象的时间常数之比3 10 太小，包括扰动少 太大，消除扰动不及时,4.副回路设计应考虑工艺上的合理性,5.副回路设计应考虑经济，应力求节约（二）.主副控制器控制规律的选择,主被控参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要求无余差，因此主控制器应选PI或PID控制规律，副控制器选P控制规律.,（三）.主副控制器正、反作用方式
7、的确定,与简单控制系统相同，首先根据工艺生产安全原则选择控制阀的气开、气关形式，然后按照使副回路构成负反馈来确定副控制器正、反作用方式。,1. 副控制器正、反作用方式的确定,2. 主控制器正、反作用方式的确定 P176例,（四）、控制器参数整定与系统投运,第二节 均匀控制系统,一：均匀控制的目的在化工生产中，各生产设备都是前后紧密联系在一起的。前一设备的出料，往往是后一设备的进料，各设备的操作情况也是相互关联、相互影响的。例图8-9所示的连续精馏的多塔分离过程就是一个最能说明问题的例子,目录,甲塔的出料为乙塔的进料。对甲塔来说，为了稳定操作需保持塔釜液位稳定，为此必须频繁的改变塔底的排出量，这
8、就使塔釜失去了缓冲作用。而对乙塔来说，这样甲、乙两塔间的供求关系就出现了矛盾。如果采用图8-9所示的控制方案，两个控制系统是无法正常工作的。,LC,FC,甲,乙,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，为此组成的系统称为均匀控制系统。均匀控制系统通常是对液位和流量两个变量同时兼顾，通过均匀控制，使两个相互矛盾的变量达到下列要求(1) 两个变量在控制过程中都应该是变化的且变化是缓慢的。因为均匀控制是指前后设备物料供求之间的均匀，那么，表征前后供求矛盾的两个变量都不应该稳定在某一固定的数值。,图8-10（A）中把液位控制成比较平稳的直线，因此下一设备的进料量必然波动很
9、大，这样的控制过程只能看成是液位的定值控制，而不能看作均匀控制。反之，图8-10（B）中把后一设备的进料量控制成比较平稳的直线，那么，前一设备的液位就必然波动的很厉害，所以，它只能被看作是流量的定值控制。,液位,流量,（b）,(a),液位,流量,1,2,t,1,2,t,只有如图8-10（C）所示的液位和流量的控制曲线才符合均匀控制的要求，两者都有一定程度的波动，但波动都比较缓慢。,2）前后相互联系又相互矛盾的的两个变量应保持在所容许的范围内波动。如图8-9中甲塔踏釜液位的升降变化不能超过规定的上下限，否则就有淹过再沸器蒸汽管或被抽干的危险。同样，乙塔进料流量也不能超越它所能承受的最大负荷或低于
10、最小处理量，否则就不能保证精馏过程的正常进行。,液位,流量,(c),t,1,2,为此，均匀控制的设计必须满足这两个限制条件。当然，这里的允许波动范围比定值控制过程的允许偏差要大的多。,1.简单均匀控制图8-11所示的为简单均匀控制系统。外表看起来与简单的液位定值控制系统一样，但系统设计的目的不同,二、均匀控制方案,LC,2.串级均匀控制前面讲的简单均匀控制方案，虽然结构简单，但有局限性。控制器是不及时的。,为了克服这一缺点，可在原方案基础上增加流量副回路，即构成串级均匀控制，图8-12是其原理图。由于设计这一系统的目的是为了协调液位和流量两个变量关系，使之在在规定的范围内作缓慢的变化，所以本质
11、上是均匀控制。,LC,FC,串级均匀控制系统之所以能够使两个变量间的关系得到协调，是通过控制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的回到给定值，而是要求变量在允许的范围内作缓慢的变化。参数整定的方法也与一般的不同。一般控制系统的比例度和积分时间是由大到小的进行调整，均匀控制系统则正相反，是由小到大的进行调整。均匀控制系统的控制器参数数值一般都很大。串级均匀控制系统的主、副控制器一般都采用纯比例作用的。只在要求较高时，为了防止偏差过大而超过允许范围，才引入适当的积分作用。,比值控制系统就是要实现副流量Q2与主流量Q1成一定比值关系，满足如下关系式： K = Q2
12、/ Q1 （8-1）,式中K为副流量与主流量的流量比值,称为从物料表征其特性的参数从动量或副流量,称为主物料表征这种物料的参数称之为主动量,第三节 比值控制系统,二、比值控制系统的类型,比例控制系统主要有右边几种方案,1开环比值控制系统,2.单闭环比值控制系统,3.双闭环比值控制系统,4.变比值控制系统,1开环比值控制系统,开环比值控制系统是最简单的比值控制方案，图8-13是其原理图。,当Q1变化时，通过控制器FC及安装在从物料管道上的执行器来控制Q2以满足 Q2=KQ1 的要求,F1C,F2C,Q1,Q2,主流量,副流量,图8-14是该系统的方块图。从图中可以看到，该系统的流量信号取自主物料
13、Q1但控制器的输出却去控制从物料的流量Q2整个系统没有构成闭环，所以是一个开环系统。,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。实际生产过程中，Q2本身常常要受到干扰，因此生产上很少采用开环比值控制方案。,控制器,执行器,对象,测量、变送,给定,Q2,Q1,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二组成的，如图8-15所示。图8-16是该系统的方块图。,2.单闭环比值控制系统,控制器F1C,控制器F2C,执行器,对象,副测量、变送,主测量、变送,给定,Q2,Q1,3.双闭环比值控制系统,双闭环比值控制系统是为
14、了克服单闭环比值控制系统主流量不受控制，生产负荷（与总物料量有关）在较大范围内波动的不足设计的。它是在单闭环比值控制的基础上，增加了主流量控制回路而构成的。,图8-17是它的原理图。从图上可以看出，当主流量Q1变化时，一方面通过主流量控制器F1C对它进行控制，另一方面通过比值控制器K（可以是乘法器）乘以适当的系数后作为副流量控制器的给定值，使副流量跟随主流量的变化而变化。,F1C,K,F2C,Q1,Q2,实现了比较精确的流量比值，而且也确保了两物料总量基本不变，这是它的一个主要优点。双闭环比值控制系统的另一个优点是提降负荷比较方便，只要缓慢的改变主流量控制器的给定值，就可以提降主流量，同时副流
15、量也就自动跟踪提降，并保持两者比值不便。这种比值控制方案的缺点是结构比较复杂，使用的仪表较多，投资较大，系统调整比较麻烦。双闭环比值控制系统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,4.变比值控制系统,以上几种控制方案都是属于定比值控制系统。控制过程的目的是要保持主、从物料的比值关系为定值。但有些化学反应过程，要求两种物料的比值能灵活的随第三变量的需要而加以调整，这样就出现一种变比值控制系统。,图8-19是变换炉的半水煤气与水蒸气的变比值控制系统的示意图。,FC,TC,触煤层,变换炉,喷射泵,蒸汽,煤气,在这里，蒸汽与半水煤气的流量经测量变送后，送往除
16、法器，计算得到它们的实际比值，作为流量比值控制器FC的测量值。而FC的给定值来自温度控制器TC，最后通过调整蒸汽量（实际上是调整了蒸汽与半水煤气的比值）来使变换炉触媒层的温度恒定在规定的数值上。图8-20是该变比值控制系统的方块图。,温度控制器TC,比值控制器FC,执行器,副流量对象,主对象（变换炉）,Q2测量、变送,Q1测量、变送,除法器,温度测量、变送,Q1,Q2,温度,给定,第四节 前馈控制系统 一.反馈控制的特点,三.前馈控制的选用原则1. 扰动量的可测及不可控性。2. 扰动量变化频繁且幅值较大。,二.前馈控制的特点,四 .前馈-反馈控制系统 1.前馈控制的局限性,2.前馈和反馈控制系
17、统,五.前馈-串级的复合控制系统,8-29所示的丙烯冷却器的控制可作为一个应用的实例,TC,TC,裂解气（88）,气丙烯,液丙烯,裂解气（88）,气丙烯,（a）,(b),液丙烯,二. 选择性控制系统的类型,1、开关型选择性控制系统,第五节 选择性控制系统,一. 基本概念,此开关型选择性控制系统的方块图如图8-30所示。图中的方快、块“开关” 实际上是一只电磁三通阀，可以根据液位的不同情况分别让执行器接通温度控制器或接通大气。,温度控制器,开关,执行器,液位对象,温度对象,测量、变送,测量、变送,给定,液位,温度,上述开关型选择性控制系统也可以通过图8-31所示的方案来实现。该系统中采用了一台信
18、号器和一台切换器。,信号器的信号关系是：当液位低于75%时，输出P2=0；当液位达到75%时，P2=0.1MPa。切换器的信号关系是：当P2=0时，Py=Px当P2=0.1MPa时，Py=0,这就防止了气丙烯带液现象的发生，对后续的压缩机起着保护作用。,TC,裂解气,气丙烯,信号箱,切换器,液丙烯,py,px,p2,2.连续型选择性控制系统连续型选择性控制系统与开关型选择性控制系统的不同之处就在于：当取代作用发生后，控制阀不是立即全开或全关，而是在阀门原来的开度基础上继续进行连续控制。因此，对执行器来说，控制作用是连续的。连续型选择性控制系统的应用实例。锅炉燃烧系统的选择性控制系统，在正常情况
19、下，根据产气压力来控制所加的燃料量。经过研究发现：进入炉膛燃烧的燃气压力不能过高，当燃料气压力过高时，就会产生脱火现象。为了防止脱火现象的产生，在锅炉燃烧系统中采用了如图8-32所示的蒸汽压力与燃烧气压力的自动选择性控制系统。,图中采用了一台低选器（LS），通过它选择蒸汽压力控制器P1C与燃料气压力控制器P2C之一的输出送往设置在燃料气管线上的控制阀。,低选器的特性是：它能自动地选择两个输入信号中较低的一个作为它的输出信号。值得注意的是：当系统处于燃料气压力控制时，蒸汽压力的控制质量将会明显下降，但这是为了防止事故发生所采取的必要的应急措施，这时的蒸汽压力控制系统实际上停止了工作，被属于非正常
20、控制的燃料气压力控制系统所取代。,P1C,LS,P2C,汽包,反,b,a,反,给水,炉膛,燃料,气开,蒸汽,3.混合型选择性控制系统在这种混合型选择性控制系统中，即包含有连续型选择的内容。例如锅炉燃烧系统既考虑脱火又考虑回火的保护问题就可以通过设计一个混合型选择性控制系统来解决。,当燃料气压力不足时，燃料气管线的压力就有可能低于燃烧室压力，这样就会出现危险的回火现象，危及燃料器罐使之发生燃烧和爆炸。为此，可在图8-32所示的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一个防止燃料气压力过低的开关型选择的内容，如图8-34所示。,P1C,LS,P2C,供水,蒸汽,P3C,燃料,第六节 分
21、程控制系统,一.概述在这种控制系统中，一台控制器的输出可以同时控制两台甚至两台以上的控制阀。在这里，控制器的输出信号被分割成若干个信号范围段，由每一段信号去控制一台控制阀。由于是分段控制，故取名为分程控制系统。,分程控制系统的方块图如图8-35所示。分程控制系统中控制器输出信号的分段一般是由附设在控制阀上的阀门定位器来实现的。,控制器,控制阀A,控制阀B,对象,测量、变送,给定,被控变量,目录,分程控制系统，就控制阀的开、关形式可以划分为两类：一类是两个控制阀同向动作，其动作过程如图8-36所示，其中图（a）为气开阀的情况，图（b）为气关阀的情况。另一类是两个控制阀异向动作，如图8-37所示，
22、其中图（a）是A为气关阀、B为气开阀的情况，图（b）是A为气开阀、B为气关阀的情况。,分程阀同向或异向的选择问题，要根据生产工艺的实际需要来决定。,阀开度/%,阀压/kPa,100,0,20,60,100,A阀,B阀,(a),阀开度/%,阀压/kPa,100,0,20,60,100,A阀,B阀,(b),阀开度/%,阀压/kPa,100,0,20,60,100,A阀,B阀,(a),阀开度/%,阀压/kPa,100,0,20,60,100,A阀,B阀,(b),二.分程控制的应用场合1.用于扩大控制阀的可调范围，改善控制品质 有时生产过程要求有较大范围的流量变化，但是控制阀的可调范围是有限的。若采用
23、一个控制阀，能够控制的最大流量和最小流量相差不可能太悬殊，满足不了生产上流量大范围变化的要求，这时可考虑采用两个控制阀并联的分程控制方案。2.用于控制两种不同的介质，以满足工艺生产的要求 对这种间歇式化学反应器，既要考虑反应前的预热问题，又需要考虑过程中移走热量的问题。为此，可设计如图8-39所示的分程控制系统。,两阀的分程情况如图8-40所示。,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。 图中温度控制器TC选择为反作用，冷水控制阀A选为气关式，蒸汽控制阀B选为气开式,TC,冷水,蒸汽,B,A,阀开度/%,阀压/kPa,100,0,
24、20,60,100,A阀,B阀,3.用作生产安全的防护措施有时为了生产安全起见需要采用不同的控制手段，这是可采用分程控制方案。 例如在各类炼油或石油化工厂中，有许多存放各种油品或石油化工产品的贮罐。常常在贮罐上方充以惰性气体N2以使油品与空气隔绝，通常称之为氮封。为了保证空气不进贮罐，一般要求氮气压力应保证为微正压。这里需要考虑的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。当抽取物料时，氮封压力会下降，如不及时向贮罐中补充N2，贮罐就有被吸瘪的危险。而当向贮罐中打料时，氮封压力又会上升，如不及时的排出贮罐中一部分N2气体，贮罐就可能被鼓坏。,为了维持氮封压力，可采用如图8-41所示的分
25、程控制方案。本方案中采用的A阀为气开式，B阀为气关式，它们的分程特性如图8-42所示。,为了防止贮罐中压力在给定值附近变化时A、B两阀的频繁动作，可在两阀信号交接处设置一个不灵敏区，如图8-42所示。,PC,阀开度/%,100,0,20,58,100,A阀,B阀,62,阀压/kPa,放空,B,A,N2,“反”,三.分程控制中的几个问题 （1）控制阀流量特性要正确选择。因为在两阀分程点上，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，这在大小控制阀并联时尤其重要。如果两控制阀均为线性特性，情况更严重，见图8-43（a）。如果采用对数特性控制阀，分程信号重叠一小段，则情况会有所
26、改善，如图8-43（b）所示。,20,0,100,50,100,60,P入/kPa (a)线性阀,Q/%,20,0,100,50,100,60,P入/kPa (b)对数阀,Q/%,（2）大小阀并联时，大阀的泄露量不可忽视，否则就不能充分发挥扩大可调范围的作用。当大阀的泄露量较大时，系统的最小流通能力就不在是小阀的最小流通能力了。（3）分程控制系统本质上是简单控制系统，因此，控制器的选择和参数整定，可参照简单控制系统处理。不过在运行中，如果两个控制通道特性不同，就是说广义对象特性是两个，控制器参数不能同时满足两个不同对象特性的要求。遇此情况，只好照顾正常情况下的被控对象特性，按正常情况下整定控制
27、器的参数。对另一台阀的操作要求，只要能在工艺允许的范围内即可。,第七节 多冲量控制系统,所谓多冲量控制系统，是指在控制系统中，有多个变量信号，经过一定的运算后，共同控制一台执行器，以使某个被控的工艺变量有较高的控制质量。多冲量控制系统在锅炉给水系统控制中应用比较广泛。下面以锅炉液位控制为例，来说明多冲量控制系统的工作原理。在锅炉的正常运行中气包水位是重要的操作指标，给水控制系统就是用来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，以使锅炉运行平稳可靠，并减轻操作人员的繁重劳动。,目录,锅炉液位的控制方案有下列几种。,1、单冲量液位控制系统图8-44是锅炉液位的单冲量控
28、制系统的示意图。它实际上是根据气包液位的信号来控制给水量的，属于简单的单回路控制系统其优点是结构简单、使用仪表少。主要用于蒸汽负荷变化不剧烈，用户对对蒸汽品质的要求不十分严格的小型锅炉。它的缺点是不能适应蒸汽负荷的剧烈变化。,LC,蒸汽,给水,汽包,加热室,2、双冲量液位控制系统图8-45是锅炉液位的双冲量控制系统示意图这里的双冲量是指液位信号和蒸汽流量信号。,当控制阀选为气关阀，液位控制器LC选为正作用时，其运算器中的液位信号运算符号应为正，以使液位增加时关小控制阀；蒸汽流量信号运算符号应为负，以使蒸汽流量增加时开大控制阀，满足由于蒸汽负荷增加时对增大给水量的要求。,LC,蒸汽,供水,汽包,
29、加热室,a-b,+a,-b,正,气关,图8-46是双冲量控制系统的方块图。,由图可见，从结构上来说，双冲量控制系统实际上是一个前馈-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，改善了控制品质。影响锅炉气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，进而引起汽包液位变化。,液位控制器,执行器,测量、变送,测量、变送,蒸汽流量,水位,汽包对象,给水量,给定,ba,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
30、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。,3、三冲量液位控制系统图8-47是锅炉液位三冲量控制系统。这种系统增加一个供水流量的信号。它有助于及时克服由于供水压力的波动而引起的汽包液位的变化。,LC,蒸汽,给水,汽包,加热室,a-b+c,+a,-b,正,气关,+c,由于三冲量控制系统的抗干扰能力和控制品质都比单冲量、双冲量控制要好，所以用的比较多，特别是在大容量、高参数的近代锅炉上，应用更为广泛。图8-48是三冲量控制系统的一种实施方案。,LC,给水,汽包,加热室,正,FC,蒸汽,这实质上是前馈-串级控制系统。在这个系统中，是根据三个变量来进行控制的。其中汽包液位是被控制变量，亦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。图8-49是它的方块图。,液位控制器,测量、变送,流量控制器,执行器,流量对象,液位对象,测量、变送,测量、变送,蒸汽流量,液位,给水流量,给定,