化工自動化及儀表-8;

1、8 復雜控制系統(tǒng) 常見的復雜控制系統(tǒng)有：串級、均勻、比值、分程、前饋等。,8.1 串級控制系統(tǒng) 8.1.1 串級控制系統(tǒng)的基本概念 8.1.1.1 什么叫串級控制系統(tǒng) a 加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng) 加熱爐是煉化生產中常見的設備。用來加熱原料油或裂解重油，爐出口溫度控制十分重要。 通常工藝上要求爐出口 溫度在1 2范圍 內波動，若采用簡單控制 系統(tǒng)，由于爐管等熱容較 大，而且燃料油至出口的 通道又相當長。為此采用 了串級控制方案。,分析：擾動因素有：原料油的處理量和溫度，燃料壓力和成分，燃料霧化情況以及煙囪抽力等。除原料油處理量和溫度外，其余擾動的變化首先影響爐膛溫度。為了解決時滯大

2、和控制要求高之間的矛盾，可根據(jù)爐膛溫度的變化預先控制燃料量，迅速實現(xiàn)“粗調”，然后再根據(jù)爐出口溫度來 控制燃料量，實現(xiàn)“細調”。這樣就構成了爐出口溫度與爐膛溫度的串級控制系統(tǒng)。,b 聚合釜反應溫度和冷卻水溫度的串級控制系統(tǒng) 在這個系統(tǒng)中，被控變量是聚合釜反應溫度，如反應溫度稍微偏離工藝指標，將使產品質量明顯下降或報廢，甚至還會引起爆炸危險。因為控制通道的時滯太大。因此，選擇滯后較小的夾套水溫和反應溫度組成串級控制系統(tǒng)。,8.1.1.2 串級控制系統(tǒng)的結構和方框圖,兩套檢測變送器、兩個調節(jié)器，前一個控制器（主控制器）的輸出作為后一個控制器（副控制器）的設定，后一個控制器的輸出送往調節(jié)閥。主控制器

3、控制的變量稱主變量，即工藝控制指標；副控制器控制的變量稱副變量，是引入的輔助變量。兩個控制回路，主回路和副回路。,8.1.1.3 串級控制系統(tǒng)的工作過程 a 擾動作用于副回路 例如：燃料壓力發(fā)生變化，首先影響爐膛溫度，副調節(jié)器及時進行控制，以維持爐膛溫度穩(wěn)定。如果擾動量小，經(jīng)過副回路及時控制后，一般不影響爐出口溫度。在大幅度擾動下，其大部分影響被副回路克服，小部分影響爐出口溫度的擾動則由主回路來消除，此時副調節(jié)器的測量值與設定值兩方面的變化加在一起，控制作用加強，使主變量盡快地恢復到設定值上來。,b 擾動作用于主過程 若進入加熱爐的原料油流量發(fā)生變化而影響到爐出口溫度變化時，則由主調節(jié)器起控制

4、作用，此時副回路雖不能直接克服擾動，但由于副回路的存在而改善了過程特性，縮短了控制通道，因此控制質量有所提高。,c 擾動同時作用于副回路和主過程 若擾動作用使主、副變量按同一方向變化，即主、副變量同時升高或同時降低，此時主、副調節(jié)器對調節(jié)閥的控制方向是一致的，有利于提高控制質量。 若擾動作用使主、副變量朝相反方向變化，則此時主、副調節(jié)器對調節(jié)閥的控制方向是相反的，閥門開度只作小小變動就能符合控制要求。例如，原料量減小使爐出口溫度升高，而燃料壓力降低使爐膛溫度降低。,8.1.2 串級控制系統(tǒng)的特點及適用場合 1) 對進入副回路的擾動具有較迅速、較強的克服能力 以加熱爐為例，如果燃料油壓力發(fā)生變化

5、，首先影響爐膛溫度，副回路很快起作用，將這一擾動克服，這樣就削弱了擾動對主變量爐出口溫度的影響。 另一方面，串級控制系統(tǒng)有主、副兩個控制器，兩者串聯(lián)使用，所以總的比例增益是主、副控制器比例增益的乘積，因而有較大的抗干擾能力。,2) 可以改善過程特性 把副回路看作是主回路的一個環(huán)節(jié)，稱為等效過程gp2，它的傳遞函數(shù) gp2(s)=g2(s)/r2(s)= gc2(s) gv(s) gp2(s) /1+ gc2(s) gv(s) gp2(s) hm2(s) 設各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)分別為： gp2(s)=kp2/(tp2s+1) ， gc2(s)=kc2 ， gv(s) =kv ， hm2(s)=1 。

6、 g p2(s) =kc2 kv kp2 /（1+ kc2 kv kp2 ）/tp2s/ （1+ kc2 kv kp2 ）+1 令 k p2 =kc2 kv kp2 /（1+ kc2 kv kp2 ） t p2 =tp2/ （1+ kc2 kv kp2 ） 則 gp2(s)= kp2/(t p2s+1) 式中， k p2為等效過程的放大系數(shù)， t p2為等效過程的時間常數(shù)。因為(1十kc2kvkp2)1，所以t p2 tp2， kp2 kp2 。 當kc2足夠大時， k p2趨近于1，t p2趨近于0，副回路可近似作為1 : 1的比例環(huán)節(jié)。,3) 可消除副過程非線性特性和調節(jié)閥流量特性不適合對

7、控制質量的影響 由于副過程和調節(jié)閥被包括在副回路內， kc2較大，副回路接近1 : 1的比例環(huán)節(jié)。 4) 可兼顧兩個變量 主控制器的比例度選得較大時，它的輸出變化很小。這一輸出是副調節(jié)器的設定值，因此副變量的變化也將比較平穩(wěn)，這樣可使主、副兩個變量都保持在一定范圍之內。5) 可以實現(xiàn)靈活控制方式，必要時可以切除主調節(jié)器,8.1.3 串級控制系統(tǒng)的設計 主要三個問題：主、副變量的選擇;主、副調節(jié)器控制規(guī)律的選擇;主、副調節(jié)器正、反作用的選擇。 8.1.3.1 主、副變量的選擇主變量的選擇。主變量是工藝要求穩(wěn)定的量。選取能直接、正確、迅速地反映控制要求的工藝變量，如無直接變量，則應選擇與之有一一對

8、應關系的間接變量，而且應便于測量、變送。,副變量的選擇。 (1) 應當考慮工藝上靜態(tài)特性的合理性。 操縱變量是先影響副變量，再由副變量去影響主變量。 (2) 副回路內必須包括主要擾動和盡量多的擾動。 當擾動進入副回路時，副回路能迅速而強有力地克服它，因此在選擇副變量時，一定要把主要擾動包括在副回路內，以充分發(fā)揮串級控制的最大優(yōu)點，把對主變量影響最嚴重、最劇烈、最頻繁的擾動因素抑制到最低程度，以確保主變量的控制質量。 (3) 適當分割主、副過程，在時間常數(shù)和滯后上適當匹配。,8.1.3.2 主、副調節(jié)器控制規(guī)律的選擇 主調節(jié)器控制規(guī)律的選擇與簡單定值控制系統(tǒng)相同，采用pid控制規(guī)律或pi控制規(guī)律

9、。 副調節(jié)器的控制規(guī)律常采用比例作用，一般不引入積分作用，副變量允許有余差存在，而且副調節(jié)器的比例增益通常較大，控制作用強，余差小。副調節(jié)器一般不引入微分作用。,8.1.3.3 主、副調節(jié)器正、反作用的選擇 副控制器的正、反作用方向根據(jù)調節(jié)閥氣開、氣關型式來決定。 主控制器是通過副回路才起作用，所以，其正、反作用應根據(jù)副變量對主變量的影響關系來確定。 例：加熱爐出口溫度和爐膛溫度串級控制系統(tǒng)。從生產安全出發(fā)，燃料油閥宜選用氣開式，一旦氣源中斷，調節(jié)閥處于關閉狀態(tài)，可避免爐管因過熱而損壞。副調節(jié)器應選反作用，因為爐膛溫度測量值上升時，調節(jié)閥需要關小，此時要求副調節(jié)器輸出下降。對于主調節(jié)器，在爐出

10、口溫度上升時，爐膛溫度必須降低，因此主調節(jié)器須選反作用。,8.2 均勻控制系統(tǒng) 均勻控制系統(tǒng)是指其所起的作用而言。 8.2.1 均勻控制系統(tǒng)的目的和要求 煉油、化工都是連續(xù)生產過程，前一設備的出料往往就是后一設備的進料。如圖所示前塔的出料就是后塔的進料。 要求前塔塔底液位和流出量兩個變量都穩(wěn)定顯然是有矛盾的，解決這一矛盾的方法是采用均勻 控制系統(tǒng)。,為了保證前塔的分餾過程正常進行，需要維持塔底液位穩(wěn)定。,為了使操作穩(wěn)定， 后塔進料流量也應該平穩(wěn)，,均勻控制的兩個特點： (1) 表征前后供求矛盾的兩個變量都應該是作緩慢變化的。 圖：前一設備的液位和后一設備的進料流量關系 1-液位變化曲線 2-流

11、量變化曲線,液位定值控制,流量定值控制,均勻控制,(2) 前后互相聯(lián)系又互相矛盾的兩個變量應保持在工藝操作所允許的范圍內。,8.2.2 均勻控制系統(tǒng)的形式 8.2.2.1 簡單均勻控制系統(tǒng),采用一個液位調節(jié)器實現(xiàn)均勻控制。從系統(tǒng)結構看，它像是一個簡單液位定值控制系統(tǒng)，但系統(tǒng)設計的目的不要求液位保持在設定值上，只控制在一定范圍內作緩慢變化。與定值控制的區(qū)別在于調節(jié)器的參數(shù)整定上。均勻控制要求兼顧兩個變量，控制作用弱，為此，比例度適當加大，積分時間也適當增加。,8.2.2.2 串級均勻控制系統(tǒng),當系統(tǒng)的自衡能力較強時，簡單均勻控制系統(tǒng)對壓力擾動反應不夠及時，控制效果較差。為此采用串級均勻控制系統(tǒng)。

12、 此時，引入流量副回路，形成液位-流量串級均勻控制系統(tǒng)，副回路所起的作用與串級控制系統(tǒng)中的副回路相同，主回路的要求與簡單均勻控制系統(tǒng)相同。,8.3 比值控制系統(tǒng) 比值控制系統(tǒng)中至少有兩種物料。起主導作用而又不可控的物料流量稱為主動量，另一種物料流量是隨動的，稱為從動量。在數(shù)值上兩者保持一定比值。 數(shù)學關系為 ： r=q2/q1 式中，r為流量比，q2為從動量流量，q1為主動量流量。,8.3.1 比值控制系統(tǒng)的類型 8.3.1.1 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)有兩種：一種是將主動量的測量值經(jīng)比值器乘以比值系數(shù)后，作為從動量調節(jié)器的設定值，因此從動量能依一定比值關系隨主動量而變化，這是隨

13、動控制系統(tǒng)，如圖(a)。另一種是把從動量和主動量經(jīng)過除法器得出相除的商作為被控變量，設定值為比值系數(shù)，這是定值控制系統(tǒng)，如圖(b)。,乘法方案,除法方案,8.3.1.2 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 如果要求主動量也保持定值，采用雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。,8.3.1.3 變比值控制系統(tǒng) 在有些生產過程中，需要兩種物料的比值隨具體工況改變，比值系數(shù)由另一個控制器來設定，從而構成串級比值控制系統(tǒng)，也就是變比值控制系統(tǒng)。 在合成氨變換爐生產過程中，用蒸汽控制一段觸煤層溫度，蒸汽與半水煤氣的比值需要隨一段觸煤層溫度變化，這樣就構成了串級比值控制系統(tǒng)。,8.4 分程控制系統(tǒng) 8.4.1 分程控制基本概念,簡單控制系統(tǒng)

14、方塊圖及其特性,分程控制系統(tǒng)方塊圖及其特性,分程控制系統(tǒng) 簡單控制系統(tǒng)是一個控制器的輸出控制一個調節(jié)閥動作，而分程控制系統(tǒng)是一個控制器的輸出去同時控制幾個工作范圍不同的調節(jié)閥。 分程的動作是通過閥門定位器實現(xiàn)的。它將調節(jié)器的輸出信號分成幾段，每段控制一個閥門動作。例如，一個閥門定位器的輸入范圍是20-60kpa，另一個是60-100kpa，不論哪一段，輸出到調節(jié)閥上的氣壓信號都是20-100kpa，使閥門全行程動作。,分程控制特性類型： 兩個閥門時，有以下4種情況,分程控制特性類型,8.4.1 分程控制的應用例1：反應器溫度分程控制 反應過程要求開始時用蒸汽加熱升溫以引發(fā)化學反應，反應開始后，

15、由于合成過程中放出熱量，若不及時移走反應熱，則反應越來越劇烈，以致產生爆炸事故，所以要通入冷水降溫將熱量移去。為此設置了(a)圖的分程控制系統(tǒng)，它由一個反作用調節(jié)器、氣關冷水調節(jié)閥a和氣開蒸汽閥b所組成。當調節(jié)器輸出信號在20-60kpa變化時，閥a由全開至全關；信號在60-100kpa變化時，閥b由全關至全開，兩個閥的動作情況如(b)。,tt,tc,蒸汽,冷水,a 氣關閥,b 氣開閥,圖a 反應器溫度分程控制,100,這一反應的進行和控制過程如下：反應開始前，反應器內溫度低于設定值，反作用調節(jié)器輸出信號增大，打開閥b，用蒸汽對冷水加熱以獲得熱水，再通過夾套對反應器加熱使之升溫促使反應開始。由

16、于是放熱反應，一旦反應進行后，將產生熱量，使反應溫度升高，當大于設定值后，調節(jié)器輸出開始下降，漸漸關閉閥b，接著打開闊a，通入冷水，移走反應熱，直至把反應溫度控制在設定值為止。當調節(jié)器輸出為60kpa時，兩個閥都應全關。,8.6 前饋控制系統(tǒng),8.6.1 前饋控制的概念,反饋控制（閉環(huán)控制）：控制器按照被控變量與設定制的偏差來進行控制。 存在的問題：當被控變量偏離設定值，產生偏差后才進行控制，使得控制作用滯后。,前饋控制（開環(huán)控制）：控制器根據(jù)擾動或設定值的變化按補償原理進行工作。 特點：擾動產生后，被控變量還未變化之前，根據(jù)擾動的大小施加控制，控制超前。,8.6.2 前饋控制與反饋控制的比較,反饋控制特點： (1)是閉環(huán)控制系統(tǒng) (2)控制滯后 (3)可克服所有擾動,前饋控制特點： (1)是開環(huán)控制系統(tǒng) (2) 控制及時 (3)只能克服所測量的擾動,加熱爐靜態(tài)前饋控制系統(tǒng),8.6.3 前饋控制系統(tǒng),前饋-反饋控制系統(tǒng),前饋控制系統(tǒng)只能在一定程度上補償擾動對被控變量的影響，因此將其與反饋控制相結合，構成前饋-反饋控制。 優(yōu)點：前饋控制