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1、第8章 复杂控制系统,内容提要,串级控制系统串级控制系统概述串级控制系统的特点及应用主、副控制器控制规律的选择主、副控制器正反作用的选择控制器参数工程整定与系统投运其他复杂控制系统均匀控制系统,内容提要,比值控制系统前馈控制系统取代控制系统分程控制系统多冲量控制系统,概述,根据根据系统的结构和所担负的任务,第一节 串级控制系统,一、串级控制系统概述,当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，可考虑采用串级控制系统。,管式加热炉出口温度控制系统,第一节 串级控制系统,在实际生产过程中，特别是当加热炉的燃料压力或燃料本身的热值有较大波动时，该简单控制系统的控制质量往往很差，原料油的出口温度波动较大，
2、难以满足生产上的要求。,根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度,第一节 串级控制系统,第一节 串级控制系统,以原料油出口温度为主要被控变量的炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统,管式加热炉出口温度串级控制系统的方框图,管式加热炉出口温度串级控制系统,第一节 串级控制系统,在上述控制系统中，有两个控制器T1C和T2C，接收来自对象不同部位的测量信号1和2。T1C的输出作为T2C的给定值，而后者的输出去控制执行器以改变操纵变量。从系统的结构看，这两个控制器是串接工作的。,几个串级控制系统中常用的名词,第一节 串级控制系统,第一节 串级控制系统,第一节 串级控制系统,串级控制系统典型方块图,第一节
3、 串级控制系统,二、串级控制系统的特点及应用,1.系统的结构,串级控制系统有两个闭合回路。主回路是个定值控制系统,副回路是个随动系统。在串级控制系统中,主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺参数。副变量的引入往往是为了提高主变量的控制质量,它是基于主,副变量之间具有一定的内在关系而工作的。,第一节 串级控制系统,选择串级控制系统的副变量一般有两类情况：一类情况是选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量;另一类选择的副变量就是操纵变量本身,这样能及时克服它的波动,减小对主变量的影响。,第一节 串级控制系统,举例,通过这套串级控制系统，能够在塔釜温度稳定不变时，蒸汽流量能保持恒定值
4、，而当温度在外来干扰作用下偏离给定值时，又要求蒸汽流量能作相应的变化，以使能量的需要与供给之间得到平衡，从而保持釜温在要求的数值上。,第一节 串级控制系统,在上例中，选择的副变量就是操纵变量（加热蒸汽量）本身。这样，当干扰来自蒸汽压力或流量的波动时，副回路能及时加以克服，以大大减少这种干扰对主变量的影响，使塔釜温度的控制质量得以提高。,第一节 串级控制系统,(1)干扰作用于副回路,F2引起2变化，控制器T2C及时进行控制，使其很快稳定下来；如果干扰量小，经过副回路控制后，F2一般影响不到温度1；如果干扰量大，其大部分影响为副回路所克服，波及到被控变量温度1再由主回路进一步控制，彻底消除干扰的影
5、响，使被控变量回复到给定值。,2.系统的特性,第一节 串级控制系统,第一节 串级控制系统,第一节 串级控制系统,(2)干扰同时作用于副回路和主对象,在干扰作用下，主、副变量的变化方向相同。,第一节 串级控制系统,主、副变量的变化方向相反，一个增加，另一个减小。,第一节 串级控制系统,第一节 串级控制系统,3.自适应能力,由于增加了副回路,使串级控制系统具有一定的自适应能力,可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。当对象的滞后和时间常数很大,干扰作用强而频繁,负荷变化大,简单控制系统满足不了要求时,使用串级控制系统是合适的,尤其是当主要干扰来自控制阀方面时,选择控制介质的流量或压力作为副变量来构成
6、串级控制系统是很适宜的。,第一节 串级控制系统,三、主、副控制器控制规律的选择,第一节 串级控制系统,表13-1 主、副变量不同时应选用的控制规律,第一节 串级控制系统,四、主、副控制器正反作用的选择,串级控制系统中的副控制器作用方向的选择，根据工艺安全等要求，选定执行器的气开、气关形式后，按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定。,例如图所示的管式加热炉温度-温度串级控制系统中的副回路。,气源中断，停止供给燃料油时，执行器选气开阀，“正”方向。燃料量加大时，炉膛温度2（副变量）增加，副对象“正”方向。为使副回路构成一个负反馈系统，副控制器T2C选择“反”方向。,1.副控制器作用方向的选
7、择,第一节 串级控制系统,当主、副变量增加（减小）时，如果由工艺分析得出，为使主、副变量减小（增加），要求控制阀的动作方向是一致的时候，主控制器应选“反”作用；反之，则应选“正”作用。,2.主控制器作用方向的选择,例如图所示的管式加热炉串级控制系统。,主变量1或副变量2增加时，都要求关小控制阀，减少供给的燃料量，才能使1或2降下来，所以此时主控制器T1C应确定为反作用方向。,第一节 串级控制系统,五、控制器参数整定与系统投运,串级控制系统主、副控制器的参数整定的两种方法。,1.两步整定法,按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的方法。,第一节 串级控制系统,（1）在工
8、况稳定，主、副控制器都在纯比例作用运行的条件下，将主控制器的比例度先固定在100的刻度上，逐渐减小副控制器的比例度，求取副回路在满足某种衰减比（如41）过渡过程下的副控制器比例度和操作周期，分别用2s和T2s表示。（2）在副控制器比例度等于2s的条件下，逐步减小主控制器的比例度，直至得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度1s和操作周期T1s。,整定过程,第一节 串级控制系统,（3）根据上面得到的1s、T1s、2s、T2s，按表12-3（或表12-4）的规定关系计算主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。（4）按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定规律，将计算出的控制器参数
9、加到控制器上。（5）观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。,第一节 串级控制系统,共振问题,如果主、副对象时间常数相差不大，动态联系密切，可能会出现“共振”现象。,可适当减小副控制器比例度或积分时间，以达到减小副回路操作周期的目的。同理，可以加大主控制器的比例度或积分时间，以期增大主回路操作周期，使主、副回路的操作周期之比加大，避免“共振”。,如果主、副对象特性太接近，就不能完全靠控制器参数的改变来避免“共振”了。,第一节 串级控制系统,2.一步整定法,副控制器的参数按经验直接确定,主控制器的参数按简单控制系统整定。,实践证明,这种整定方法，对于对主变量要求较高，而对副变量没有什么要
10、求或要求不严，允许它在一定范围内变化的串级控制系统，是很有效的。,第一节 串级控制系统,采用一步整定法时副变量的选择范围,第一节 串级控制系统,一步整定法的整定步骤：,（1）在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照表13-2所列的数据，将副控制器比例度调到某一适当的数值。（2）利用简单控制系统中任一种参数整定方法整定主控制器的参数。（3）如果出现“共振”现象，可加大主控制器或减小副控制器的参数整定值，一般即能消除。,第二节 其他复杂控制系统,一、均匀控制系统,甲塔:为了稳定操作需保持塔釜液位稳定，必然频繁地改变塔底的排出量。,乙塔：从稳定操作要求出发，希望进料量尽量不变或少变。,甲、乙两塔间
11、的供求关系出现了矛盾。,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，组成的系统称为均匀控制系统。,1.均匀控制的目的,第二节 其他复杂控制系统,均匀控制的要求,（1）两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化的。（2）前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内波动。,第二节 其他复杂控制系统,2.均匀控制方案,简单均匀控制,（1）简单均匀控制,第二节 其他复杂控制系统,（2）串级均匀控制,可在简单均匀控制方案基础上增加一个流量副回路，即构成串级均匀控制。,参数整定的方法,串级均匀控制,第二节 其他复杂控制系统,特点,由于增加了副回路，可以及时克服由于塔内或排出端
12、压力改变所引起的流量变化。,串级均匀控制系统协调两个变量间的关系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地回到给定值，而是要求变量在允许的范围内作缓慢的变化。,第二节 其他复杂控制系统,二、比值控制系统,工业上为了保持两种或两种以上物料的比值为一定的控制叫比值控制。,第二节 其他复杂控制系统,1.开环比值控制,比值控制系统的类型：,从物料量Q2与主物料量Q1的比值关系为,开环比值控制,第二节 其他复杂控制系统,结构简单，只需一台纯比例控制器，其比例度可以根据比值要求来设定。主、副流量均开环；这种比值控制方案对从物料量Q2本身无抗干扰能力。所以这种系统只
13、能适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。,特点,第二节 其他复杂控制系统,2.单闭环比值控制,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而组成的。,单闭环比值控制,这种方案的优点是结构简单,能确保两流量比值不变,是应用最多的方案。,第二节 其他复杂控制系统,第二节 其他复杂控制系统,3.变比值控制系统,要求两种物料的比值能灵活地随第三参数的需要而加以调整，这样就出现一种变比值控制系统。,变比值控制系统,第二节 其他复杂控制系统,三、前馈控制系统,反馈与前馈,换热器的反馈控制,换热器的前馈控制,第二节 其他复杂控制系统,反馈
14、控制与前馈控制比较,不论什么干扰,只要引起被控变量变化,都可以进行控制,这是反馈控制的优点。前馈控制是一种按扰动变化大小进行控制的系统,控制作用在扰动发生的同时就产生,这就是前馈控制的主要特点。往往用“前馈”来克服主要干扰,再用“反馈”来克服其他干扰,组成“复合”的前馈-反馈控制系统。,第二节 其他复杂控制系统,换热器的前馈-反馈控制,用前馈控制来克服由于进料量波动对被控变量的影响,而用温度控制器的控制作用来克服其他干扰对被控变量的影响,前馈与反馈控制作用相加,共同改变加热蒸汽量,以使出料温度维持在给定值上。,第二节 其他复杂控制系统,四、取代控制系统,一般控制系统,都是在正常工况下工作的。当
15、生产不正常时，通常的处理办法有两种，一种是改用手动遥控；另一种是联锁保护紧急停车，防止事故发生，即所谓硬限控制。由于硬限控制对生产和操作都不利，近年来采用了安全软限控制。,第二节 其他复杂控制系统,生产的软限措施 当一个变量将要达到危险值时,就适当降低生产要求,让它暂时维持生产,并逐渐调整生产,使之朝正常工况发展。实现软限控制系统,称为取代控制系统,又称为选择性控制系统。,第二节 其他复杂控制系统,辅助锅炉压力取代控制系统,第二节 其他复杂控制系统,五、分程控制系统,分程控制就是由一只调节器的输出信号控制两只或更多只控制阀,每只控制阀在控制器输出信号的某段范围内工作。,分程控制示意框图,第二节
16、 其他复杂控制系统,从控制系统的结构来看,分程控制属于单回路的定值控制系统,其控制过程与简单控制系统一样。,分程控制系统常用的应用场合：,1.生产中需用多种物料作调节介质的过程,热交换器温度分程控制,采用热水与蒸汽两种不同物料作为调节介质,在一般控制系统中难于实现,但在分程控制系统中,不仅充分利用了热水,而且节省了蒸汽。,第二节 其他复杂控制系统,2.用来保证在不同负荷下的正常控制 有时生产过程负荷变化很大,要求有较大范围的流量变化。若用一个控制阀,由于控制阀的可调范围R是有限的,当最大流量和最小流量相差太悬殊时,就会降低控制系统的控制质量,这时可采用分程控制系统。,阀门动作示意图,分程控制,
17、第二节 其他复杂控制系统,3.用以补充控制手段维持安全生产 有些生产过程在接近事故状态或某个参数达到极限值时,应当改变正常的控制手段,采用补充手段或放空来维持安全生产。一般控制系统很难兼顾正常与事故两种不同状态。采用分程控制系统,用不同的阀门,分别使用在控制器输出信号的不同范围内,就可保证在正常或事故状态下,系统都能安全运行。,第二节 其他复杂控制系统,多冲量控制系统指在控制系统中，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。主要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
18、的范围内。,定义,适用范围,六、多冲量控制系统,第二节 其他复杂控制系统,1.单冲量液位控制系统,易根据“假液位”引起控制系统的误动作。,单冲量控制系统,第二节 其他复杂控制系统,2.双冲量液位控制系统,双冲量液位信号和蒸汽流量信号,从结构上看，它实际上是一个前馈-反馈控制系统。,当供水压力扰动比较频繁时，该系统的控制质量较差。,双冲量控制系统,第二节 其他复杂控制系统,3.三冲量液位控制系统,三冲量控制系统,该系统除了液位、蒸汽流量信号外,再增加一个给水流量的信号。它有助于及时克服由于供水压力波动而引起的汽包液位的变化。,例题分析,1.某聚合反应釜内进行放热反应,釜温过高会发生事故,为此采用
19、夹套水冷却。由于釜温控制要求较高,且冷却水压力、温度波动较大,故设置串级控制系统,如图13-26所示。试确定控制阀的气开、气关型式与控制器的正、反作用。,聚合釜温度控制,解：为了在气源中断时保证冷却水继续供给,以防止釜温过高,故控制阀应采用气关型,为“-”方向。,例题分析,当冷却水流量增加时,釜温和夹套温度都是下降的,故对象为“-”方向。测量变送器为“+”方向故按单回路系统的确定原则,副控制器T2C应为“反”作用。主控制器T1C的作用方向可以这样来确定:由于主、副变量(温度T1、T2)增加时,都要求冷却水的控制阀开大,因此主控制器应为“反”作用。整个串级控制系统的工作过程是这样的:当夹套内温度
20、 T2(副变量)升高时,副控制器的输出降低,控制阀开大,冷却水流量增加以克服副变量的波动;当釜内温度T1(主变量)升高时,主控制器T1C的输出降低,即副控制器T2C给定值降低,因此副控制器的输出降低,控制阀开大,冷却水流量增加以使釜内温度降下来。,例题分析,由这个例子可以清楚地看出,串级控制系统主控制器的作用方向完全是由工艺情况确定的,与控制阀的开关形式、副控制器的正反作用完全无关。所以,串级控制系统的控制流程一经确定之后,即可按主、副变量变化对控制阀开度变化的要求直接确定主控制器的作用方向,然后按一般单回路控制系统,再确定控制阀的开、关型式及副控制器的作用方向,这将使整个串级控制系统控制器作
21、用方向的确定工作简捷而方便。从大量实际的串级控制系统分析,发现大多数的串级控制系统主、副变量的变化对控制阀的动作方向要求是一致的,所以使用反作用方向的主控制器为多数。,例题分析,2.一高位槽的出口流量需要进行平稳控制,但为防止高位槽液位过高而造成溢出事故,又需对槽的液位采取保护性措施。根据上述情况要求设计一选择性控制系统,画出该系统的结构图、方块图、选择控制阀的开关型式,控制器的正、反作用及选择器的高低类型,并简要说明该系统的工作过程。,流量液位选择性控制系统原理图,解：根据要求,设计了一个高位槽液位与流出量的选择性系统,图8-27是它的结构原理图。图中的开方器是为了使流量测量信号线性化而采用
22、的。图8-28是该选择性控制系统的方块图。,例题分析,例题分析,根据工艺要求，应选择气关型控制阀，以使在气源中断时，阀门自动打开，防止发生溢液事故。流量控制器和液位控制器的正、反作用可以分别按简单控制系统中控制器作用方向的选择原则来确定。由于控制阀为“-”，流量对象为“+”，故流量控制器应选择正作用。而液位对象为“-”，故液位控制器应选择反作用。,例题分析,由于该选择性控制系统是为了防止液位过高而设置的,故选择器的类型应按液位控制器的输出情况来确定。当液位过高时，由于液位控制器是反作用的，故输出降低。此时为了能够选中液位控制器的输出信号，选择器应为低值选择器。该控制系统的工作过程如下：当高位槽
23、的液位在正常范围时，LC输出较高，FC输出较低,LS选中FC作为正常控制器。此时流量增大时，FC输出增加，阀门关小，以控制流量平稳为目标。当液位过高时，LC输出大大降低，被LS选中，使阀门开大，以降低液位，保证安全。,例题分析,3.图8-29是某厂锅炉燃烧过程控制系统,试选择控制阀的开关型式及控制器的正反作用。,锅炉燃烧过程控制系统,解：先来决定控制阀的开关型式。为了保证在气源中断时,停止燃料供给,防止锅炉烧坏,燃料阀采用气开型式;为了保证在气源中断时,继续供给空气,防止燃烧不完全,空气阀采用气关型式。,例题分析,在正常工况时，蒸汽压力的变化通过低值选择器LS作为燃料油流量控制器F1C的给定，
24、而F1C的测量值信号来自燃料油流量变送器，因此这实际上是一个串级控制系统。燃料油流量的变化作为空气流量控制器F2C的给定，从而使空气流量与燃料油流量之间保持一定的比例。根据单回路系统确定控制器正反作用的原则，在已知燃料阀为气开、空气阀为气关的情况下，显然F1C应为反作用,F2C应为正作用。,例题分析,由于蒸汽压力控制器与燃料油流量控制器组成串级控制系统，并且蒸汽压力增加或燃料油流量增加时，都需要关小燃料阀，即对阀的动作要求是一致的，因此主控制器PC应为反作用。当蒸汽压力降低需要提高燃料油流量时，为了使燃烧完全，必须先加大空气流量。由于PC是反作用的，故压力降低时，PC的输出增加，通过高值选择器HS作为F2C的给定值，以加大空气供给量。,例题分析,此时蒸汽压力控制器与空气流量控制器组成串级控制系统。由于蒸汽压力降低或空气流量降低，对空气阀动作方向的要求也是一致的(要求开大)，所以压力控制器应是反作用的。由此可见,虽然燃料阀与空气阀的开关型式不同,F1C与F2C的作用方向也不同，但作为主控制器PC来说,却都应为反作用的。,
