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1、第七章第七章:控制系统的综合与设计控制系统的综合与设计黄克谨北京化工大学信息科学与技术学院主要内容主要内容全厂控制(Plant-WideControl)多变量系统的控制方法;多回路控制系统的综合与分析;多回路控制系统的设计策略;一个理想二元蒸馏塔的多回路控制。全厂控制全厂控制(Plant-Wide Control)决定操作与控制变量的选择与配对；包括物流控制与产品质量控制；能显著影响系统控制系统的性能；能显著影响优化操作系统的性能。多变量系统的控制方法多变量系统的控制方法多变量控制理论与方法(1)充分协调变量之间的相互作用；(2)需要精准的数学模型，鲁棒性较差。多回路(Multi-Loop)控
2、制方法(1)多变量控制的近似方法；(2)不需要精准的数学模型，鲁棒性较高。多回路控制系统设计的三大步骤多回路控制系统设计的三大步骤基本物流的控制；主要操作指标的控制；剩余变量的处理。基本物流的控制基本物流的控制安全操作的根本;产品质量控制的基础;对优化操作具有重要的影响。物流控制的三种方式物流控制的三种方式顺物流控制方式;逆物流控制方式;混合式控制方式。例子：物流控制例子：物流控制B,DCA,CABB,DA+BC+DABD主要操作指标的控制主要操作指标的控制两种控制模式：直接控制模式;间接控制模式(又称作推断控制或软测量技术)。多回路控制系统的综合与设计多回路控制系统的综合与设计需要解决的两个
3、主要问题：输入与输出变量的配对;控制器参数的整定;输入与输出变量的配对输入与输出变量的配对可采用RGA、MRI与CN等动态特性与可控性的判据进行。最好采用动态的RGA、MRI与CN等判据。多回路控制系统的整定多回路控制系统的整定两步法(又称实验法)：(1)对每个控制回路，均设置P控制方式。通过调整控制器的增益，搜索临界增益(Ultimategain)与 临 界 频 率(Ultimatefrequency)。依次计算Ziegler-Nichols的参数设置。(2)搜索一个公因子对全部回路进行如下调整,以使得系统具有一个满意的衰减比。Kc=Kzn/f,TI=Tzn*f多回路控制系统的整定多回路控制
4、系统的整定迭代法：其基本规则是就时顺序整定各个回路，且整定一个就闭合一个。当所有回路均闭合后，再从第一个回路进行整定，直至得到满意的闭环相应为止。多余自由度的处理多余自由度的处理如果系统还有多余的自由度，可依据它们进行系统的稳态优化。当然还要考虑这些多余的自由度对系统动态特性与可控性的影响。例子例子:一个理想二元一个理想二元蒸馏塔控制系统的综合与设计蒸馏塔控制系统的综合与设计给定一个二元精馏塔，分离由物质A和B组成的混合物。进料流量为100mol/s,进料浓度 是 A:B=0.5:0.5。塔 顶 产 品 浓 度 为0.95(A),塔底产品浓度也为0.95(B)。操作压力是9bar。气化潜热为6
5、944cal/mol(满足衡分子流假设)。塔板稳态滞液量为1mol。冷凝器和再沸器的稳态液量分别为30mol。塔板水力学时间常数是8秒。汽液平衡计算汽液平衡计算塔内气液平衡按下式计算：Pj=xA,jPAs+xB,jPBs(1)yi,j=xi,jPis/Pj(2)饱和蒸汽压按下式计算：LnPis=Avp,iBvp,i/Tj(3)A(Avp/Bvp)=11.6531/3862B(Avp/Bvp)=12.3463/3862理想二元蒸馏塔的结构理想二元蒸馏塔的结构简化动态模型的建立简化动态模型的建立输入与输出变量的配对输入与输出变量的配对所得到的控制结构所得到的控制结构控制系统的整定控制系统的整定塔底
6、浓度控制器参数整定临界增益：206.5，临界周期：4.94 minutesTu=4.94 minutes放大倍数：64.53，积分时间：10.87 minutes控制系统的整定控制系统的整定塔顶浓度控制器参数整定临界增益：5.44，临界周期：132 minutesTu=132 minutes放大倍数：1.70，积分时间：290.4 minutes调节作用调节作用-进料组成的影响进料组成的影响调节作用调节作用-进料流量的影响进料流量的影响总结总结本章概括地介绍了工业过程控制的基本方法，即多回路控制系统的综合与设计。变量配对与控制器的整定是控制系统综合与设计要解决的根本问题。通过一个理想二元蒸馏塔
7、,显示了多回路控制系统综合与设计的基本特征。作业作业根据所给的理想二元蒸馏塔的操作目的,进行该过程控制系统的综合与设计，并进行仿真分析。假定进料流量为100mol/s,进料浓度是A:B=0.5:0.5。塔顶产品浓度为0.95(A),塔底产品浓度也为0.95(B)。操作压力是9bar。气化潜热为6944cal/mol(满足衡分子流假设)。塔板稳态滞液量为1mol。冷凝器和再沸器的稳态液量分别为30mol。塔板水力学时间常数是8秒。阅读文献阅读文献1.Luyben,W.L.;“Snowball Effect in Reactor/Separator Processes with Recycle，”
8、Industrial&Engineering Chemistry Research,33,299 305(1994).2.Finco,M.V.,W.L.,Luyben,and R.E.Polleck;“Control of Distillation Columns with Low Relative Volatilities,”Industrial Engineering and Chemistry Research,28,75 83(1989).阅读文献阅读文献 3.Luyben,W.L.;“Derivation of Transfer Functions for Highly Nonlinear Distillation Columns,”Industrial&Engineering Chemistry Research,26,2490 2495(1987).