第第7章章 复杂控制系统复杂控制系统(续续)比值控制系统比值控制系统2前馈控制系统前馈控制系统串级控制系统串级控制系统3 1均匀控制系统均匀控制系统4分程控制系统分程控制系统5多冲量控制系统多冲量控制系统7选择性控制系统选择性控制系统6317-2 比值控制系统比值控制系统 一、概述一、概述p用来实现两个或两个以上物料之间保持一定比值关用来实现两个或两个以上物料之间保持一定比值关系的控制系统，称为比值控制系统。系的控制系统，称为比值控制系统。主流量主流量：在保持比值关系的：在保持比值关系的两种物料中，处于主导地位，两种物料中，处于主导地位，称为主流量。称为主流量。副流量副流量：另一种物料按主物：另一种物料按主物料进行配比，称为副流量。料进行配比，称为副流量。主流量主流量副流量副流量2主流量和副流量确定原则：主流量和副流量确定原则：常将主要物料定为主流量，次要流量定为副流量；常将主要物料定为主流量，次要流量定为副流量；将不可控流量定为主流量，将可控流量定为副流量。将不可控流量定为主流量，将可控流量定为副流量。主流量主流量副流量副流量p若用若用F1表示主流量，表示主流量，F2表示副流量，则表示副流量，则F1和和F2之间之间应满足一定的比值关系：应满足一定的比值关系： F2=K*F13二、比值控制的类型二、比值控制的类型 1开环比值控制开环比值控制p比值控制系统中最简单的控制方案，组成原理及方块比值控制系统中最简单的控制方案，组成原理及方块图如图所示。图如图所示。 主流量主流量副流量副流量P控制器控制器4优点优点：实施方便，只需一台实施方便，只需一台比例比例控制器控制器即可，且比值调整容易。即可，且比值调整容易。 开环比值控制方案分析：开环比值控制方案分析：缺点缺点：对副流量：对副流量F2而言，该控而言，该控制方案是一个制方案是一个开环系统开环系统，当，当F2因管线两端压力波动发生变化时因管线两端压力波动发生变化时没有控制作用，此时，很难保证没有控制作用，此时，很难保证F2与与F1间的比值关系。间的比值关系。应用场合：应用场合：适用于副流量较平稳适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。且比值要求不高的场合。实际生实际生产中，产中，F2的干扰常常是不可避的干扰常常是不可避免的，因此这种方案使用较少。免的，因此这种方案使用较少。52 2单闭环比值控制单闭环比值控制p目的：改进开环比值控制，避免目的：改进开环比值控制，避免F2F2波动的影响。波动的影响。p单闭环比值控制单闭环比值控制如图所示，图中的如图所示，图中的K K表示表示比值计算器比值计算器，比值计算器的输入信号为主流量信号，比值计算器的输入信号为主流量信号，K=F2/F1K=F2/F1。 单回路单回路闭环流闭环流量控制量控制6单闭环比值控制优缺点单闭环比值控制优缺点p优点优点：对进入副流量回路的干对进入副流量回路的干扰都有较好的抑制作用。扰都有较好的抑制作用。结构简单，在生产中得结构简单，在生产中得到广泛应用。到广泛应用。p缺点缺点：该方案无法保证该方案无法保证主流量的稳定。主流量的稳定。当主流量当主流量波动较大时，无法保证系波动较大时，无法保证系统流量比。统流量比。7 3 3双闭环比值控制双闭环比值控制p要求两种物料之间保持精确的比例关系要求两种物料之间保持精确的比例关系，且还要求且还要求两种物料的流量也保持相对的稳定两种物料的流量也保持相对的稳定. .p双闭环是在单闭环比值控制基础上，增设了主流量双闭环是在单闭环比值控制基础上，增设了主流量控制回路构成。控制回路构成。8双闭环比值控制系统方块图：双闭环比值控制系统方块图：9双闭环比值控制优缺点双闭环比值控制优缺点p优点优点：对进入主、副流量回路的干扰都有较好的抑制对进入主、副流量回路的干扰都有较好的抑制作用。不论系统处于静态，还是动态，都能实现作用。不论系统处于静态，还是动态，都能实现比较精确的流量比。比较精确的流量比。当系统改变负荷时，只要改变主流量控制器的当系统改变负荷时，只要改变主流量控制器的给定值就能方便地实现。给定值就能方便地实现。p缺点缺点：该方案仪表多、投资高。：该方案仪表多、投资高。要求主流量可要求主流量可控。控。104变比值控制变比值控制p变比值控制：生产过程要求两种物料的配比根据第变比值控制：生产过程要求两种物料的配比根据第三参数的需要而自动调整。三参数的需要而自动调整。例：硝酸生产过程中的氧化炉设备的控制例：硝酸生产过程中的氧化炉设备的控制11分析：分析：要求氨气和空气混合后进入炉内，在铂触媒的作用下，进行要求氨气和空气混合后进入炉内，在铂触媒的作用下，进行氧化反应生成硝酸气体，这一过程是放热反应。氧化反应生成硝酸气体，这一过程是放热反应。炉温作为间接表征氧化生产的质量指标。影响氧化炉温度的炉温作为间接表征氧化生产的质量指标。影响氧化炉温度的干扰因素很多，其中氨气和空气的比值对反应温度影响很大。干扰因素很多，其中氨气和空气的比值对反应温度影响很大。12方块图：137-3 前馈控制系统前馈控制系统一、概述一、概述p在反馈控制中，控制器是按照偏差进行控制作在反馈控制中，控制器是按照偏差进行控制作用的。用的。干扰干扰控制作控制作用往往用往往不及时不及时14p为了弥补反馈控制的上述缺陷，即便有干扰存为了弥补反馈控制的上述缺陷，即便有干扰存在，只要能预先加以补偿，控制系统能避免偏在，只要能预先加以补偿，控制系统能避免偏差出现。差出现。p控制系统在干扰还没有影响到被控变量之前就控制系统在干扰还没有影响到被控变量之前就产生控制作用，该系统称为前馈控制。产生控制作用，该系统称为前馈控制。干扰干扰前馈控制器前馈控制器15p例：换热器前馈控制的工作原理例：换热器前馈控制的工作原理TTFTTffC虚线：反馈控制虚线：反馈控制实线：前馈控制实线：前馈控制进料流量波动进料流量波动TC换热器前馈控制原理：换热器前馈控制原理：当进料流量当进料流量F1变化时，前馈控制器根据输入信号运算后，输出变化时，前馈控制器根据输入信号运算后，输出控制信号，相应改变阀门开度，使蒸汽量变化，以补偿进料量控制信号，相应改变阀门开度，使蒸汽量变化，以补偿进料量F1变化对温度变化对温度2的影响。的影响。16p前馈控制过程：前馈控制过程：图图7-15 是进料量是进料量F1增加时，采增加时，采用前馈控制的补偿过程。用前馈控制的补偿过程。F1扰动引起出口温度降低扰动引起出口温度降低前馈控制打开阀门，前馈控制打开阀门，出口温度升高出口温度升高出口温度的实际值出口温度的实际值只要干扰通道和调节通道的特性只要干扰通道和调节通道的特性相匹配，则前馈控制完全有可能相匹配，则前馈控制完全有可能抵消进料量的影响，使出口温度抵消进料量的影响，使出口温度稳定。可见，前馈控制实现了对稳定。可见，前馈控制实现了对扰动的全补偿。扰动的全补偿。F1增加增加17p前馈控制系统的特点：前馈控制系统的特点： 前馈控制系统是基于扰动来消除干扰因素对被控变量的前馈控制系统是基于扰动来消除干扰因素对被控变量的影响；影响；反馈控制基于偏差大小来消除干扰。反馈控制基于偏差大小来消除干扰。在扰动发生后，前馈控制作用在扰动发生后，前馈控制作用比反馈控制比反馈控制作用更为及时作用更为及时和有效。和有效。前馈控制系统是一种开环控制系统。前馈控制系统是一种开环控制系统。反馈控制是一种闭反馈控制是一种闭环控制系统。环控制系统。前馈控制系统只对它所测量的扰动量有校正作用，而对前馈控制系统只对它所测量的扰动量有校正作用，而对系统中的其他未测干扰则无能为力，系统中的其他未测干扰则无能为力，反馈控制对进入闭环反馈控制对进入闭环的所有扰动均有校正作用。的所有扰动均有校正作用。前馈控制器的控制规律是根据对象特性确定的。由于大前馈控制器的控制规律是根据对象特性确定的。由于大多数对象的特性是不同的，所以在前馈控制中，需要采用多数对象的特性是不同的，所以在前馈控制中，需要采用各种形式的专用前馈控制器，而不是采用通用的各种形式的专用前馈控制器，而不是采用通用的PIDPID控制控制器。器。反馈控制采用通用反馈控制采用通用PIDPID控制器。控制器。 18蒸汽加热的换热器蒸汽加热的换热器蒸汽加热的换热器蒸汽加热的换热器 换热器静态前馈控制换热器静态前馈控制热热交交换换器器是是应应用用前前馈馈控控制制较较多多的的场场合合，换换热热器器有有滞滞后后大大、时时间间常常数数大大、反反应应慢慢的的特特性性，前前馈馈控控制制就就是是针针对对这这种种对对象象特特性性设设计计的的，故能很好发挥作用。故能很好发挥作用。 二、前馈控制的结构形式二、前馈控制的结构形式p静态前馈控制静态前馈控制KF2F119根据热平衡原理：放热量根据热平衡原理：放热量=吸热量吸热量令令KF2F1静态前馈控制如图，通过调整静态前馈控制如图，通过调整K值，达到校正效果。值，达到校正效果。缺点：缺点：1、静态模型的准确性问题；、静态模型的准确性问题； 2、只能针对具体的扰动设计。、只能针对具体的扰动设计。则：则：20p前馈前馈- -反馈复合控制反馈复合控制TTFTTffC虚线：反馈控制；虚线：反馈控制；实线：前馈控制。实线：前馈控制。干扰干扰前馈控制器前馈控制器+21 三、前馈控制的应用三、前馈控制的应用对象的纯滞后较大，反馈控制难以满足工艺要求，对象的纯滞后较大，反馈控制难以满足工艺要求，可采用前馈控制。可采用前馈控制。系统中存在变化频繁，波动幅值大，对被控变量系统中存在变化频繁，波动幅值大，对被控变量影响显著的干扰，反馈控制又难以克服，采用前馈影响显著的干扰，反馈控制又难以克服，采用前馈控制。控制。当主要干扰为可测、不可控变量，无法将其纳入当主要干扰为可测、不可控变量，无法将其纳入到串级控制的副回路时，可采用前馈控制。到串级控制的副回路时，可采用前馈控制。 227-4 均匀控制系统均匀控制系统一、背景一、背景p例：多塔分离过程例：多塔分离过程图中甲塔出料量即为乙塔进料量。图中甲塔出料量即为乙塔进料量。甲塔需保持塔釜液位的稳定，设计了液面控制系统；乙塔希望进甲塔需保持塔釜液位的稳定，设计了液面控制系统；乙塔希望进料量保持不变，设计了流量控制系统。料量保持不变，设计了流量控制系统。23p当甲塔塔釜液位在干扰作用下上升时，液位控制发出信号当甲塔塔釜液位在干扰作用下上升时，液位控制发出信号使阀使阀1开大，从而使乙塔进料流量增加。于是乙塔流量控制开大，从而使乙塔进料流量增加。于是乙塔流量控制产生控制作用又使阀产生控制作用又使阀2关小，其结果会使甲塔液位升高，如关小，其结果会使甲塔液位升高，如此下去，这两个控制系统始终在相互矛盾状态下工作。此下去，这两个控制系统始终在相互矛盾状态下工作。相互矛盾相互矛盾!p解决办法解决办法1：从工艺设计角度，增加缓冲罐，投资增加：从工艺设计角度，增加缓冲罐，投资增加p解决办法解决办法2：均匀控制：均匀控制可实现前后设备在物料供求关系上互相协调、统筹兼顾的可实现前后设备在物料供求关系上互相协调、统筹兼顾的控制系统称为均匀控制系统。控制系统称为均匀控制系统。阀阀2阀阀124二、均匀控制的特点二、均匀控制的特点p只有液位控制：只有液位控制：当把液位参数控制平稳时，进入下一个设当把液位参数控制平稳时，进入下一个设备的流量就会产生较大的波动。备的流量就会产生较大的波动。 液位液位25p只有流量控制：只有流量控制：当把流量参数控制平稳时，前一个设当把流量参数控制平稳时，前一个设备的液位也将出现大范围变化。备的液位也将出现大范围变化。流量流量26p要求：当某一个参数发要求：当某一个参数发生变化时，另一个参数也生变化时，另一个参数也相应地发生变化，因为只相应地发生变化，因为只有通过这种变化才能缓解有通过这种变化才能缓解供求之间的矛盾。供求之间的矛盾。p均匀控制：能够实现前均匀控制：能够实现前后设备在物料供求关系上后设备在物料供求关系上相互协调、统筹兼顾的控相互协调、统筹兼顾的控制系统。制系统。特点：表征前后供求矛盾的两个参数都应该在各自允特点：表征前后供求矛盾的两个参数都应该在各自允许的波动范围内缓慢变化。许的波动范围内缓慢变化。27三、均匀控制的结构形式三、均匀控制的结构形式设计要求：控制器不含微分作用；通过设计要求：控制器不含微分作用；通过PI参数整定达到均匀参数整定达到均匀控制效果。控制效果。287-5 分程控制系统分程控制系统一、基本概念一、基本概念 p分程控制系统：分程控制系统：由一个控制器的输出去控制两个或两个以上由一个控制器的输出去控制两个或两个以上执行器的系统。执行器的系统。p分程控制是通过阀门定位器来实现的。分程控制是通过阀门定位器来实现的。29例：例：执行器执行器A A在在0.020.06MPa的范围内动作；的范围内动作；执行器执行器B B在在0.060.1MPa的范围内动作；的范围内动作；输出气压信号小于输出气压信号小于0.06MPa 的范围，执的范围，执行器行器A随着气压信号的随着气压信号的变化而改变开度；变化而改变开度；输出气压信号大于输出气压信号大于0.06MPa 的范围，执的范围，执行器行器A移动到极限位置移动到极限位置开度不再变化，执行器开度不再变化，执行器B则随着气压信号的变则随着气压信号的变化而改变开度。化而改变开度。30o分程控制的分类：分程控制的分类：执行器同向动作的分程执行器同向动作的分程控制控制执行器反向动作的分程执行器反向动作的分程控制控制31二、分程控制系统的应用二、分程控制系统的应用p扩大执行器的可调范围，以适应不同生产负荷需要扩大执行器的可调范围，以适应不同生产负荷需要例：蒸汽压力分程控制例：蒸汽压力分程控制全关到全关到全开全开全关到全关到全开全开327-6 选择性控制系统选择性控制系统一、基本概念一、基本概念p在现代化的大型生产过程中，对自动控制的期望越来在现代化的大型生产过程中，对自动控制的期望越来越高。不仅要求控制系统能在正常工况下克服外界干扰，越高。不仅要求控制系统能在正常工况下克服外界干扰，而且还要求控制系统具有良好的应变能力。当生产操作而且还要求控制系统具有良好的应变能力。当生产操作达到极限时，能采取一些相应的保护措施，以防止事故达到极限时，能采取一些相应的保护措施，以防止事故的发生。的发生。p属于保护措施的自动控制系统主要有两类：属于保护措施的自动控制系统主要有两类：一类是硬一类是硬保护控制，另一类是软保护控制。保护控制，另一类是软保护控制。硬保护控制，硬保护控制，ESDESD（Emergency Shutdown Device，紧急停车系统，紧急停车系统 ）。33软保护控制，就是当生产操作出现异常情况时，软保护控制，就是当生产操作出现异常情况时，不使设备停车，而用另一套符合工艺安全逻辑关不使设备停车，而用另一套符合工艺安全逻辑关系的控制方案实现对生产的安全保护。选择性控系的控制方案实现对生产的安全保护。选择性控制系统就可以用于达到上述目的。制系统就可以用于达到上述目的。p选择控制，又被称作取代控制，超驰控制。选择控制，又被称作取代控制，超驰控制。工作过程：在正常工况下，选择性控制系统基工作过程：在正常工况下，选择性控制系统基于克服扰动的控制方案工作，而于克服扰动的控制方案工作，而当生产操作条件当生产操作条件趋向于安全极限时，系统立即切换到一个用于控趋向于安全极限时，系统立即切换到一个用于控制不安全情况的控制方案。制不安全情况的控制方案。待影响生产的不利因待影响生产的不利因素被克服，生产操作重新回到安全范围时，正常素被克服，生产操作重新回到安全范围时，正常工况下的控制方案又恢复对生产的控制。工况下的控制方案又恢复对生产的控制。34二、选择性控制系统的实例分析二、选择性控制系统的实例分析p 例：液氨蒸发器温度与液位选择控制例：液氨蒸发器温度与液位选择控制p正常生产中，以被冷却物料的出口温度作为被控变量，液氨正常生产中，以被冷却物料的出口温度作为被控变量，液氨流量作为操纵变量构成单回路温度控制系统。流量作为操纵变量构成单回路温度控制系统。p安全性安全性：液氨液位上升较高，可能将液氨夹带到压缩机中。：液氨液位上升较高，可能将液氨夹带到压缩机中。冷却器冷却器压缩机压缩机热物料热物料正常生产正常生产冷物料冷物料35p选择控制系统中选择形式的确定选择控制系统中选择形式的确定p阀门开闭形式选择：气开阀，阀门开闭形式选择：气开阀，+pTT，+p对象，液氮流量增加，温度降低，对象，液氮流量增加，温度降低，-p所以，所以，TC为正作用。为正作用。温度控制系统设计：温度控制系统设计：36p阀门开闭形式选择：气开阀，阀门开闭形式选择：气开阀，+pLT，+p对象，液氮流量增加，液位升高，对象，液氮流量增加，液位升高，+p所以，所以，LC为反作用。为反作用。液位控制系统设计：液位控制系统设计：37-+-正常情况：正常情况：液位控制：液位控制：液位远低于设定值液位远低于设定值偏差较大偏差较大液位控制器输出较液位控制器输出较高信号高信号温度控制：温度控制：温度接近设定值温度接近设定值偏差较小偏差较小温度控制器输出温度控制器输出较小信号较小信号因此，设计一个低选器，构成温度因此，设计一个低选器，构成温度-液位选择控制回路。液位选择控制回路。LS：low selectHS：high selectp选择控制系统中选择形式的确定选择控制系统中选择形式的确定38o选择性控制方块图选择性控制方块图39p构成该系统应具备两方面构成该系统应具备两方面: :生产操作上有一定的选择性规律；生产操作上有一定的选择性规律；组成控制系统的各个环节中，必须包含具有选择组成控制系统的各个环节中，必须包含具有选择性功能的选择单元。性功能的选择单元。p选择控制特点：选择控制特点：通常系统中设有两个控制器；通常系统中设有两个控制器；设有两个以上的变送器；设有两个以上的变送器；设有选择器，选出能适应生产安全状况的控制信设有选择器，选出能适应生产安全状况的控制信号，实现对生产过程的自动控制。号，实现对生产过程的自动控制。407.7 多冲量控制系统多冲量控制系统o冲量既变量的意思。多冲量控制系统，也就是多变量冲量既变量的意思。多冲量控制系统，也就是多变量控制系统。控制系统。p例：锅炉给水系统控制例：锅炉给水系统控制p在锅炉的正常运行中，汽包水位是重要在锅炉的正常运行中，汽包水位是重要的操作指标，给水控制系统的作用就是自的操作指标，给水控制系统的作用就是自动控制锅炉的给水量，使其适应蒸发量的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。变化，维持汽包水位在允许的范围内。p控制阀作用方式选择控制阀作用方式选择保证锅炉安全（防止烧干）：保证锅炉安全（防止烧干）：保证后续汽轮机安全（防止蒸汽带液）：保证后续汽轮机安全（防止蒸汽带液）：选用气关阀选用气关阀选用气开阀选用气开阀41（1）单冲量控制）单冲量控制(液位控制液位控制)o单冲量：汽包液位单冲量：汽包液位o操作变量：锅炉给水量操作变量：锅炉给水量o方案特点：方案特点：n结构简单结构简单n对所有干扰影响均有克服作用对所有干扰影响均有克服作用o存在的问题：存在的问题：n蒸汽负荷变化，产生的蒸汽负荷变化，产生的“虚假液虚假液位位”使控制器发出的信号不利于使控制器发出的信号不利于生产安全，不能克服虚假水位的生产安全，不能克服虚假水位的影响；影响；n控制质量不高，对给水变化及负控制质量不高，对给水变化及负荷变化干扰的克服滞后较大。荷变化干扰的克服滞后较大。42o双冲量：双冲量： 汽包液位，蒸汽流量汽包液位，蒸汽流量o控制特点：控制特点： 对蒸汽负荷变化产生的对蒸汽负荷变化产生的“虚假虚假液位液位”具有前馈补偿控制功能具有前馈补偿控制功能 实际上是前馈实际上是前馈-反馈复合控制控反馈复合控制控制。制。o存在的问题：存在的问题：n水压变化引起的给水流量变水压变化引起的给水流量变化，控制滞后较大。化，控制滞后较大。（2）双冲量控制）双冲量控制43v锅炉水位双冲量控制方框图锅炉水位双冲量控制方框图44(3) 三冲量控制三冲量控制 o三冲量：三冲量：n汽包液位，蒸汽流量，给水流量汽包液位，蒸汽流量，给水流量o特点：特点：n根据水位、给水及蒸汽负荷干扰根据水位、给水及蒸汽负荷干扰的综合指标实施控制，可以克服的综合指标实施控制，可以克服各种干扰的影响，满足水位的动各种干扰的影响，满足水位的动态控制要求。态控制要求。n实际上是前馈实际上是前馈-串级复合控制控串级复合控制控制。制。45v锅炉水位三冲量控制方框图锅炉水位三冲量控制方框图46课程小结复杂控制系统复杂控制系统p了了解解比比值值、前前馈馈、均均匀匀、分分程程、选选择择、多多冲冲量量等复杂控制系统的基本概念和特点。等复杂控制系统的基本概念和特点。47控制科学与工程学院控制科学与工程学院48