过程控制系统,华东理工大学 孙自强 2008年2月,第5章 复杂控制系统,在各自特定的条件下，采用复杂控制系统对提高控制品质，扩大自动化应用范围，起着关键性的作用。 作粗略估计，通常复杂控制系统约占全部控制系统数的10%左右。 依照系统的结构形式和所完成的功能来分，常用复杂控制系统有：串级、比值、均匀、分程、选择、前馈、双重控制等控制系统。,5.1 串级控制系统,5.1.1 串级控制系统的基本原理和结构 采用不止一个控制器，而且控制器间相串接，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值的系统，称为串级控制系统。,加热炉出口温度控制系统,该系统的被控变量是出口温度，用燃料气作为操纵变量。 可以组成图5-1（a）所示的简单控制系统。因为加热炉炉管等热容较大，控制不够及时。 如果改用图5-1（b）所示的流量控制系统，则对温度来说是开环的，此时对于阀前压力等扰动，可以迅速克服，但对进料负荷，燃料气热值变化等扰动，却完全无能为力。 人们日常操作经验是：当温度偏高时，把燃料气流量控制器的设定值减少一些；当温度偏低的时候，燃料气流量控制器的设定值应该增加一些。按照上述操作经验，把两个控制器串接起来，流量控制器的设定值由温度控制器输出决定，即流量控制器的设定值不是固定的,系统结构如图5-1（c）所示。这样能迅速克服影响流量的扰动作用，又能使温度在其它扰动作用下也保持在设定值，这就是串级控制系统。,串级控制系统框图,主被控变量y1是串级控制系统中要保持平稳控制的主要被控变量 副被控变量y2是串级控制系统的辅助被控变量 主控制器的输出作为副控制器的设定值 主控制器在内部设定情况下工作，因此是定值控制 副控制器是在外部设定情况下工作，此时是随动控制 主（控制）回路；副（控制）回路,控制系统的调节过程如下： 当燃料气压力或流量波动时，加热炉出口温度还没有变化，因此，主控制器输出不变，燃料气流量控制器因扰动的影响，使燃料气流量测量值变化，按定值控制系统的调节过程，副控制器改变控制阀开度，使燃料气流量稳定。与此同时，燃料气流量的变化也影响加热炉出口温度，使主控制器输出，即副控制器的设定变化，副控制器的设定和测量的同时变化，进一步加速了控制系统克服扰动的调节过程，使主被控变量回复到设定值。,当加热炉出口温度和燃料气流量同时变化时，主控制器通过主环及时调节副控制器的设定，使燃料气流量变化保持炉温恒定，而副控制器一方面接受主控制器的输出信号，同时，根据燃料气流量测量值的变化进行调节，使燃料气流量跟踪设定值变化，使燃料气流量能根据加热炉出口温度及时调整，最终使加热炉出口温度迅速回复到设定值。,5.1.2 串级控制系统的特点,能迅速克服进入副回路扰动的影响 串级控制系统由于副回路的存在，改善了对象特性，提高了工作频率 串级控制系统的自适应能力,5.1.3 串级控制系统的设计, 主、副回路的设计 主被控变量的选择和主回路的设计，仍可用单回路控制系统的设计原则进行。 副回路应尽量包含生产过程中主要的、变化剧烈、频繁和幅度大的扰动，并力求包含尽可能多的扰动。 设计副回路应注意工艺上的合理性 应考虑经济性 注意主、副对象时间常数的匹配, 串级控制系统中主、副控制器控制规律的选择 主、副控制规律的选择 串级控制系统中，主、副控制器所起的作用是不同的。主控制器起定值控制作用，副控制器对主控制器输出起随动控制作用，而对扰动作用起定值控制作用，因此主被控变量要求无余差，副被控变量却允许在一定范围内变动。这是选择控制规律的基本出发点。 一般主控制器可采用比例、积分两作用或比例、积分、微分三作用控制规律，副控制器单比例作用或比例积分作用控制规律即可。, 主、副控制器正、反作用的选择 先依据控制阀的气开、气关形式，副对象的放大倍数,决定副控制器正反作用方式,即必须使的Kc2KvKp2Km2乘积为正值，其中Km2通常总是正值。 然后，决定主控制器的正、反作用方式, 主控制器的正、反作用主要取决于主对象的放大倍数，至于控制阀的气开、气关形式不影响主控制器正、反作用的选择，因为控制阀已包含在副回路内。总之，应使Kc1Kp1Km1的乘积为正值,通常Km1总是正值,因此主控制器的正、反作用选择应使Kc1Kp1为正值。,图5-4所示加热炉出口温度和炉膛温度串级控制系统中控制器正反作用的选择步骤如下： 控制阀：从安全角度考虑，选择气开型控制阀，Kv0； 副被控对象：燃料油流量增加，炉膛温度升高，因此，Kp20； 副控制器：为保证负反馈，应满足：Kc2KvKp2Km20。因Km20；应选Kc20。即选用反作用控制器； 主被控对象：当炉膛温度升高时，出口温度升高，因此，Kp10； 主控制器：为保证负反馈，应满足：Kc1Kp1Km10。因Km10；应选Kc10。即选用反作用控制器。该串级控制系统的调节过程如下：当扰动或负荷变化使炉膛温度升高时，因副控制器是反作用，因此，控制器输出减小，控制阀是气开型，因此，控制阀开度减小，燃料量减小，使炉膛温度下降；同时，炉膛温度升高，使出口温度升高，通过反作用的主控制器，使副控制器的设定降低，通过副控制回路的调节，减小燃料量，减低炉膛温度，进而降低出口温度，以保持出口温度恒定。,图5-5所示夹套反应釜进行放热反应，串级控制系统控制器正反作用的选择步骤如下：控制阀：从安全角度考虑，选择气关型控制阀，Kv0。因Km20；应选Kc20。即选用反作用控制器； 主被控对象：当夹套温度升高时，反应釜温度升高，因此，Kp10； 主控制器：为保证负反馈，应满足：Kc1Kp1Km10。因Km10；应选Kc10。即选用反作用控制器。, 串级控制系统中副环检测变送环节的非线性 当检测变送环节采用孔板、差压变送器和开方器（或流量变送器）时，由于副环输入输出间的关系通常是线性关系。这时，如果主被控对象是线性特性，就采用线性控制规律；如果主被控对象是非线性特性，则需用控制器的非线性控制规律来补偿，而不能用控制阀流量特性进行补偿。,5.1.4 串级控制系统控制器参数的整定,串级控制系统常用的控制器参数整定方法有三种： 逐步逼近法 两步法 一步法 对新型智能控制仪表和DCS控制装置构成的串级控制系统，可以将主控制器选为具备自整定功能。,5.1.5 串级控制系统的变型,采用常规仪表时，为减少仪表投资，采用加法器等运算单元来实现串级控制系统，以节省控制器的投资。 采用阀门定位器，引入串级控制系统，这时副控制器参数通常不调整。,5.1.6 串级控制系统应用实例,某大型氨厂引入驰放气作为辅助冲量的一段转化炉出口温度与燃料量串级控制系统。,5.2 比值控制系统,5.2.1 基本原理和结构 凡是用来实现两个或两个以上的物料按一定比例关系控制以达到某种控制目的的控制系统，称为比值控制系统。 主动量 ，从动量 ，比值 单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统和变比值控制系统。,单闭环比值控制系统,双闭环比值控制系统,变比值控制系统,变比值控制系统的比值是变化的，比值由另一个控制器设定。,5.2.2 比值系数的计算,采用线性流量检测单元情况 采用线性流量检测单元情况时，只有在F1max=F2max的场合，k=K。在同样的比值k下，通过调整F1max,F2max亦可以改变比值。 采用电动和气动仪表时，乘法器输入的比值电流或气压和相除方案中比值控制器设定电流或气压可按下列公式计算： 一般标准公式：输入信号=仪表量程范围K + 零点 在采用相乘的方案中，采用分流器、加法器等仪表可直接设置仪表比值系数K。 在采用相除的方案中，如果计算所得的仪表比值系数K大于1，则除法器的输入信号更换，即主动量信号作为被除数信号，从动量信号作为除数信号。,采用差压变送器（非线性检测变送环节）比值系数计算示例 合成氨一段转化反应中，为保证甲烷的转化率，需保持甲烷、蒸汽和空气三者的比值为1:3:1.4。流量测量都采用节流装置和差压变送器，未装开方器，其中，蒸汽最大流量为31100m3/h；天然气最大流量为11000m3/h；空气最大流量为14000m3/h；采用相乘和相除方案，确定各差压变送器的量程，仪表比值系数K1和K2，乘法器和除法器输入电流I k1和I k2。,从仪表精确度考虑，流量仪表测量范围分为十挡：1、1.25、1.6、2、2.5、3.2、4、5、6.3、810n（n为整数）。根据题意，各差压变送器的量程应选择为： Fsmax=32000m3/h；Fhmax=12500m3/h；Famax=16000m3/h； 采用蒸汽作为主动量Fs，天然气Fh和空气Fa为从动量。防止水碳比过低造成析碳。 工艺比值系数为：k1= ；k2= 。 因采用非线性检测变送环节，仪表比值系数的计算公式为： 即 ；假设采用电动III型仪表，则乘法器输入电流（即恒流给定器输出）和相除方案中比值控制器设定电流应为：mA；mA；,5.2. 3 比值控制系统设计和工程应用中的问题,(1) 主动量和从动量的选择 主动量通常选择可测量但不可控制的过程变量； 从安全考虑，如该过程变量供应不足会不安全时，应选择该过程变量为主动量，例如，水蒸汽和甲烷进行甲烷转化反应，由于水蒸气不足会造成析碳，因此，应选择水蒸汽作为主动量； 从动量通常应是既可测量又可控制，并需要保持一定比值的过程变量。,(2) 比值控制系统类型的选择 主动量不可控时，选用单闭环比值控制系统，例如，主动量来自上一工序； 主动量可控可测，并且变化较大时，宜选双闭环比值控制系统； 当比值根据生产过程的需要由另一个控制器进行调节时，应选择变比值控制系统； 当质量偏离控制指标需要改变流量的比值时，应采用变比值控制系统； 变比值控制系统的第三过程变量通常选择过程的质量指标，例如，烟道气中的氧含量等。,比值控制系统的实施方案有相乘和相除两类。 一般情况下，宜选择相乘控制方案。 采用计算机或DCS控制时，应选择相乘控制方案。 需要获得主从动量流量的实际比值时，建议用除法器作比值运算，但不包含在控制回路内部。,(3) 比值函数环节的选择比值函数环节可从乘法器、分流器、加法器等仪表中选择。 采用乘法器需要配套恒流给定器，但比值系数设置的精度较高； 分流器比较简单，可直接用电位器实施，但精度不高； 加法器实施时可直接用控制器的输入乘以比值系数，同样，设置比值系数的精度也不高。 计算机控制装置或DCS实施比值控制时，仪表比值系数采用工艺比值系数直接设置，使用系统内部乘法运算或比值控制功能模块直接完成比值运算（采用相乘控制方案）。 采用常规仪表实施，如果K大于1，应将比值函数环节设置在从动量控制回路内。用DCS或计算机实施时，K可大于1，比值函数环节仍设置在从动量控制回路设定值通道。,（4）变送器量程的选择： 常规仪表实施比值控制系统时，为提高控制精确度，通常应使KF1的数值位于从动量控制器量程范围的中间（仪表比值系数小于1），或者使KF2的数值位于从动量控制器量程范围的中间（仪表比值系数大于1）。 采用计算机DCS组成比值控制系统时，为提高控制精确度，可适当缩小检测变送器的量程范围，并且，不需计算仪表比值系数。 采用常规仪表时，如果采用线性检测变送环节，主、从动量的仪表量程范围相等，则工艺比值系数k与仪表比值系数K相等；如果采用非线性检测变送环节，主、从动量的仪表量程范围满足： ，则工艺比值系数k与仪表比值系数K相等。,（5） 流量的温度压力补偿： 当采用孔板等节流装置测量气体流量时，如果设计计算时的工况温度和压力与实际运行时的工况温度和压力有偏差，就会对气体流量测量造成误差。因此，当被测气体的工况温度较高，变化较大或工况压力较高，变化较大时应对该气体流量进行温度压力补偿。其中，温度应换算到凯氏温度，压力应换算到绝对压力。,