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1、第七章: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,全厂控制(Plant-Wide Control)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(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)控制方法(1)多变量控制的近似方法；(2)不需要
2、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,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,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,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,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,需要解决的两个主要问题：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,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。
3、,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(Ultimate gain)与临界频率(Ultimate frequency)。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,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,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
4、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:一个理想二元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100 mol/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9 bar。气化潜热为6944 cal/mol(满足衡分子流假设)。塔板稳态滞液量为1 mol。冷凝器和再沸器的稳态液量分别为30 mol。塔板水力学时间常数是8秒。,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：Ln
5、 Pis=Avp,i Bvp,i/Tj(3)A(Avp/Bvp)=11.6531/3862 B(Avp/Bvp)=12.3463/3862,理想二元蒸馏塔的结构,简化动态模型的建立,输入与输出变量的配对,所得到的控制结构,控制系统的整定,塔底浓度控制器参数整定,临界增益：206.5，临界周期：4.94 minutes,Tu=4.94 minutes,放大倍数：64.53，积分时间：10.87 minutes,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 minutes,Tu=132 minutes,放大倍数：1.70，积分时间：290.4 minutes,调节作
6、用-进料组成的影响,调节作用-进料流量的影响,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,显示了多回路控制系统综合与设计的基本特征。,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100 mol/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9 bar。气化潜热为6944 cal/mol(满足衡分子流假设)。塔板稳态滞液量为1 mol。冷凝器和再沸器的稳态液量
7、分别为30 mol。塔板水力学时间常数是8秒。,阅读文献,1.Luyben,W.L.;“Snowball Effect in Reactor/Separator Processes with Recycle，”Industrial“Control of Distillation Columns with Low Relative Volatilities,”Industrial Engineering and Chemistry Research,28,75 83(1989).,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).,
