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1、第十章 复杂控制系统,随着工业生产过程规模的扩大和复杂性的增加，单回路控制系统不足以满足要求，需要在结构、控制策略等方面进行创新，从而出现了复杂控制系统与先进(含智能)控制系统。本章介绍常见的复杂控制系统，对先进(含智能)控制系统不作要求。第一节串级控制系统 第二节前馈控制系统 第三节其它复杂控制系统 第四节先进控制系统 第五节智能控制,第一节串级控制系统,一、串级控制系统组成 串级控制系统(cascade control system)是一种常用的复杂控制系统，它根据系统结构命名。由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，这类控制系统称为串级控制系统。,
2、(一)串级控制结构特点,【组成】两个闭环，内环(副环)和外环(主环)；【内环】包括副控制器、副对象、副变送器，组成随动控制系统，给定值由主控制器输出给定，副控制器输出控制控制阀；【外环】包括主控制器、主对象、主变送器，组成定值控制系统，给定值由工艺设定，主控制器输出作为副控制器的设定。,(二)有关术语,主控(变)量：指工艺控制指标，是在串级控制系统中起主导作用的被控量。副控(变)量：为了稳定主控变量或某种需要引入的辅助量。主对象：由主控变量表征其主要特性的生产设备。副对象：由副控变量表征其主要特性的生产设备。主控制器：在系统中起主导作用的控制器，按主控变量的测量值与工艺规定值之间的偏差工作，其
3、输出作为副控制器的设定值。副控制器：按副控变量的测量值与主控制器来的设定值之间的偏差工作，其输出直接操纵执行器。主回路：由主对象、主测量变送器、主控制器、副控制器、控制阀及副对象构成的外回路，亦称外环或主环。副回路：由副对象、副测量变送器、副控制器及控制阀构成的回路，亦称内环或副环,二、串级控制工作过程,(一)扰动进入副回路,(二)扰动进入主回路,(三)扰动同时进入主、副回路,结论：串级控制系统具有单回路控制系统的全部功 能，控制品质优于单回路系统，且实现方便，生产过程中应用比较普遍。,三、设计与应用,1.容量滞后较大的过程,2.纯延时较大的过程,3.干扰变化激烈且幅度 较大的过程,4.参数相
4、关联的过程,5.非线性过程,第二节前馈控制系统,换热器进料量F1为主要干扰量，换热器滞后明显，单回路反馈控制往往达不到工艺的要求，此时可采用前馈控制：通过测量进料量(干扰)，由前馈控制器控制阀门，改变操纵量以补偿进料量变化DF1对被控量(出口温度)的影响。,前馈控制及其补偿原理示意图,一、反馈控制局限与前馈控制的提出,二、前馈控制基本概念,前馈控制是指按照扰动产生校正作用的控制方法。基本原理：测取进入过程的扰动量(外界扰动和设定值变 化)，并按照其信号产生合适的控制作用去改变控 制量，已抵消(补偿)扰动对被控量的影响。特点：按引起被控量变化的扰动大小直接进行控制，无须等 待被控量的变化。,三、
5、前馈控制补偿原理,由前馈控制系统方框图可得：Y(s)=GFW(s)GP(s)-GF(s)N(s)显然当GFW(s)GP(s)-GF(s)=0时，扰动对系统被控量不会产生影响。全补偿条件是：,四、前馈控制与反馈控制的区别,五、前馈控制类型,(一)静态前馈控制 静态前馈控制，是指控制器的输出量mf仅是其输入量D的函数而与时间无关，即mf=f(D)。为了便于工程上实施，这种关系可以近似表示为线性关系：mf=Kf D。,按照上式，应用仪表装置构建前馈系统如下图。系统不但实现了对F1的前馈控制，同时还考虑了次要的扰动F2和T1i的变化，控制质量较高，可把冷流体出口温度稳定在设定值Tx。,例图示换热器，F
6、1为主要扰动，F2、T1i为次要扰动，试设计前馈控制系统，以保证T1o满足要求(稳定于设定值Tx)。,(二)动态前馈控制 为了提高动态品质，可在静态前馈基础上适当加入动态环节，实现动态前馈控制。(三)前馈反馈控制 选择对象中最主要的、反馈控制不易克服的扰动进行前馈控制，其他一些扰动则进行反馈控制，如下图。,换热器前馈反馈控制方案,锅炉汽包液位控制,第三节 其它复杂控制系统,一、比值控制系统 使两个或两个以上参数保持一定比值关系的控制系统，称为比值控制系统。在需要保持比值关系的两种物料中，必有一种处于主导地位称之为主物料(主动量)，其流量称为主流量，用F1表示；另一种物料则按主物料进行配比称之为
7、从物料(从动量)，其流量称之为从流量或副流量，用F2表示。,(一)开环比值控制系统,由于是开环控制系统，若副流量的温度、压力稍有变化，副流量也发生变化，两物料间的实际比值很难保持不变，因此控制质量通常很差，工业生产过程中采用闭环控制系统。,(二)单闭环比值控制系统,图中的从流量变送器FT2、控制器FC、控制阀V2以及对象(指从流量的检测点到执行器之间的一段管道)等构成一个闭合的从动回路。,只能保证F2的阀门开度与F1成比例，不能 保证F2与F1成比例。,能保证F2与F1成比例。,(三)双闭环比值控制系统,主、副物料都有各自的控制系统，主物料进行定值控制；副物料进行随动控制。,能保证F2与F1成
8、比例，且能稳定F1。,(四)变比值控制系统,根据第三参数的需要而不断改变两物料比值的控制系统就称为变比值控制系统。,(五)比值系数的计算,比 值：k=Q2/Q1比值系数：K=（I2-4）/（I1-4）,流量与测量信号成非线性关系时,流量与测量信号成线性关系时,(七)比值控制实施问题,具体实现方案有两种:,2.把一个流量的测量值乘以比值系数，其乘积作为副调节器的设定值，称为相乘控制方案。,1.把两个流量的测量值相除，其商作为调节器的反馈值，称为相除控制方案。,二、选择性控制系统,（一）概述,一般的过程控制系统是在正常工况下，为保证生产过程的物料平衡、能量平衡和生产安全而设计的，它们没有考虑到在事
9、故状态下的安全生产问题。但当操作条件到达安全极限时，应有保护性措施。如大型透平压缩机的防喘振、化学反应器的安全操作及锅炉燃烧系统的防脱火和防回火等。,事故状态下的保护性措施大致可分成两种：,一种是自动报警，然后由人工进行处理，或采用自动连锁、自动停机的方法进行保护，称为“硬保护”。,另一种措施称为“软保护”，即所谓的选择性控制系统。,（二）系统的类型及工作过程,1.选择调节器的输出信号,对调节器输出信号进行选择的系统框图为：,例：锅炉燃烧过程压力自动选择控制：,压缩机防喘振控制系统,2.选择变送器的输出信号,这种系统至少采用两个或两个以上的变送器。变送器的输出信号均送入选择器，选择器选择符合工
10、艺要求的信号反馈至调节器。,例：化学反应过程峰值温度自动选择性控制系统流程图,在自动选择性控制系统中，若采用两个调节器，其中必有一个为正常调节器，另一个为取代调节器。对于正常调节器，由于有较高的控制精度而应选用PI或PID调节规律；对于取代调节器，由于在正常生产中开环备用，仅在生产将要出现事故时，才迅速动作，以防事故发生，故一般选用P调节规律即可。,（三）、调节器调节规律的确定,三、分程控制系统,间歇式化学反应器分程控制系统,在一般的控制系统中，调节器的输出只控制一个调节阀，但在某些工业生产中，根据工艺要求，需将调节器的输出信号分段，去分别控制两个或两个以上的调节阀。这种控制系统通常称为：分程
11、控制系统。,（一）定义,（二）方框图,（三）控制阀动作方向,1.同向动作,2.异向动作,（四）分程控制系统的设计,分程控制系统本质上是属于单回路控制系统。由于调节器的输出信号要进行分程而且所用调节阀较多，所以在系统设计上也有一些特殊之处。,分程即将调节器输出分成几个区段，一段信号控制一个调节阀。,1.调节器输出信号的分程,2.调节阀特性选择与注意的问题 同向与异向的选择：根据工艺要求选择同向工作或异向工作的调节阀 流量特性的平滑衔接：在分程控制中，当把两个调节阀作为一个调节阀使用时，要求分程点处的流量特性平滑。调节阀的泄露量：在分程控制系统中，必须保证在调节阀全关时无泄漏或泄漏量极小。,（五）
12、工业应用,1.用于节能控制，减少能耗，提高经济效益。,2.用于扩大调节阀的可调范围,3.用于两个不同控制介质的生产过程,废液中和过程分程控制,4.满足生产过程不同阶段的需要,5.交替使用不同控制方式，保证设备安全,如图所示，贮罐顶部充填氮气，顶部氮气压力P一般为微正压。生产过程中，随着液位的变化，P会产生波动。液位上升，P上升，超过一定数值，贮罐会被鼓坏；液位下降，P下降，降至一定数值，贮罐会被吸瘪。故设置分程控制系统以保证储罐安全。,四、均匀控制系统,（一）问题提出,图a图c是普通的单回路控制系统的控制结果，只有图b才体现了均匀控制的思想，即L和F都缓慢波动且都稳定在一定范围内。,将液位控制
13、与流量控制统一在一个控制系统中，从系统内部解决两种工艺参数供求之间的矛盾，即使A塔的液位在允许的范围内波动的同时，也使流量平稳缓慢地变化。,均匀控制的设计思想：,自动控制时前后设备的液位、流量关系,（二）均匀控制的特点,1.结构上无特殊性 同样一个单回路液位控制系统，由于控制作用强弱不一，既可以是单回路定值控制系统，也可以是均匀控制系统。因此均匀控制是靠降低控制回路的灵敏度而不是靠结构变化获得的。,2.参数有变化，而且是缓慢地变化 因为均匀控制是前后设备物料供求之间的均匀，所以表征两个物料的参数都不应是某一固定值。那种试图把两个参数都稳定不变的想法绝非均匀控制的目的。无需将两个参数平均分配，而
14、是视前后设备的特性及重要件等因素来确定其主次。,3.参数应在限定范围内变化 在均匀控制系统中，被控变量是非单一、非定值的，允许它们在一定的范围内变化。,（三）均匀控制系统的设计,均匀控制系统的设计主要包括：控制方案的选择、调节规律的选择、调节器的参数整定等。,1.控制方案的选择,（1）简单均匀控制系统,注意：当调节阀两端的压差变化较大时，流量大小不仅取决于调节阀开度 的大小，还将受到压差波动的影响。,（2）串级均匀控制系统,为了克服调节阀前后压力波动和被控过程的自平衡待性对流量的影响，设计了以流量为副参数、以液位为主参数的串级均匀控制系统。,从结构上看，它与一般的液位和流量串级控制系统是一致的
15、。但这里采用串级形式的目的并不是为了提高主参数液位的控制精度，而是为了克服阀前压力波动及自平衡特性对流量的影响，使流量变化平缓。,2.调节规律的选择,3.调节器的参数整定,(1)在所有的均匀控制系统中，不应加微分控制。,(2)主调节器一般采用比例控制或比例积分控制，而在串级控制中，副调节器一般采用比例控制，特殊情况下，也可采用比例积分控制。,经验法：即根据经验，按照“先副后主”，把主、副调节器的比例度调节到某一适当值；然后由小到大进行调节，使系统的过渡过程缓慢地、非周期衰减变化，最后再根据过程的具体情况，给主调节器加上积分作用。需要注意的是，主调节器的积分时间要调得大一些。,第四节 先进控制系统,APC定义：先进(高级)过程控制(APCAdvanced Process Control)是指在动态环境中，基于模型、充分借助于计算机能力，为工厂获得最大利润而实施的运行和技术策略。APC作用：将会使系统运行在最佳工况，实现所谓的“卡边”控制。APC类型：双重控制及阀位控制，纯滞后控制，解耦控制，自适应控制，差拍控制，状态反馈控制，多变量预测控制，推断控制(软测量技术)，智能控制(专家控制、仿人控制，模糊控制，神经网络控制等)等。,
