高級過程控制_第3章

1、第第3章章 常用復雜控制系統(tǒng)常用復雜控制系統(tǒng) l在各自特定的條件下，采用復雜控制系統(tǒng)對提高控制品質(zhì)，擴大自動化應(yīng)用范圍，起著關(guān)鍵性的作用。l作粗略估計，通常復雜控制系統(tǒng)約占全部控制系統(tǒng)數(shù)的10%左右。l依照系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和所完成的功能來分，常用復雜控制系統(tǒng)有：串級、比值、均勻、分程、選擇、前饋、雙重控制等控制系統(tǒng)。 3.1 串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng) l3.1.1 串級控制系統(tǒng)的基本原理和結(jié)構(gòu)l采用不止一個控制器，而且控制器間相串接，一個控制器的輸出作為另一個控制器的設(shè)定值的系統(tǒng)，稱為串級控制系統(tǒng)。 加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)加熱爐出口溫度控制系統(tǒng) l該系統(tǒng)的被控變量是出口溫度，用燃料氣作為操縱變量

2、。l可以組成圖5-1（a）所示的簡單控制系統(tǒng)。因為加熱爐爐管等熱容較大，控制不夠及時。l如果改用圖5-1（b）所示的流量控制系統(tǒng)，則對溫度來說是開環(huán)的，此時對于閥前壓力等擾動，可以迅速克服，但對進料負荷，燃料氣熱值變化等擾動，卻完全無能為力。l人們?nèi)粘２僮鹘?jīng)驗是：當溫度偏高時，把燃料氣流量控制器的設(shè)定值減少一些；當溫度偏低的時候，燃料氣流量控制器的設(shè)定值應(yīng)該增加一些。按照上述操作經(jīng)驗，把兩個控制器串接起來，流量控制器的設(shè)定值由溫度控制器輸出決定，即流量控制器的設(shè)定值不是固定的,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5-1（c）所示。這樣既能迅速克服影響流量的擾動作用，又能使溫度在其它擾動作用下也保持在設(shè)定值，這就是串級

3、控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)框圖串級控制系統(tǒng)框圖 主被控變量y1是串級控制系統(tǒng)中要保持平穩(wěn)控制的主要被控變量副被控變量y2是串級控制系統(tǒng)的輔助被控變量 主控制器的輸出作為副控制器的設(shè)定值 主控制器在內(nèi)部設(shè)定情況下工作，因此是定值控制 副控制器是在外部設(shè)定情況下工作，此時是隨動控制 主（控制）回路；副（控制）回路 l控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程如下：l當燃料氣壓力或流量波動時，加熱爐出口溫度還沒有變化，因此，主控制器輸出不變，燃料氣流量控制器因擾動的影響，使燃料氣流量測量值變化，按定值控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，副控制器改變控制閥開度，使燃料氣流量穩(wěn)定。與此同時，燃料氣流量的變化也影響加熱爐出口溫度，使主控制器輸出，即

4、副控制器的設(shè)定變化，副控制器的設(shè)定和測量的同時變化，進一步加速了控制系統(tǒng)克服擾動的調(diào)節(jié)過程，使主被控變量回復到設(shè)定值。l當加熱爐出口溫度和燃料氣流量同時變化時，主控制器通過主環(huán)及時調(diào)節(jié)副控制器的設(shè)定，使燃料氣流量變化保持爐溫恒定，而副控制器一方面接受主控制器的輸出信號，同時，根據(jù)燃料氣流量測量值的變化進行調(diào)節(jié)，使燃料氣流量跟蹤設(shè)定值變化，使燃料氣流量能根據(jù)加熱爐出口溫度及時調(diào)整，最終使加熱爐出口溫度迅速回復到設(shè)定值。3.1.2 串級控制系統(tǒng)的特點串級控制系統(tǒng)的特點l能迅速克服進入副回路擾動的影響 l串級控制系統(tǒng)由于副回路的存在，改善了對象特性，提高了工作頻率 l串級控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力 3.1

5、.3 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計串級控制系統(tǒng)的設(shè)計 l 主、副回路的設(shè)計l主被控變量的選擇和主回路的設(shè)計，仍可用單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計原則進行。 l副回路應(yīng)盡量包含生產(chǎn)過程中主要的、變化劇烈、頻繁和幅度大的擾動，并力求包含盡可能多的擾動。 l設(shè)計副回路應(yīng)注意工藝上的合理性 l應(yīng)考慮經(jīng)濟性 l注意主、副對象時間常數(shù)的匹配 l 串級控制系統(tǒng)中主、副控制器控制規(guī)律的選擇l主、副控制規(guī)律的選擇 串級控制系統(tǒng)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，副控制器對主控制器輸出起隨動控制作用，而對擾動作用起定值控制作用，因此主被控變量要求無余差，副被控變量卻允許在一定范圍內(nèi)變動。這是選擇控制規(guī)律的基本

6、出發(fā)點。l一般主控制器可采用比例、積分兩作用或比例、積分、微分三作用控制規(guī)律，副控制器單比例作用或比例積分作用控制規(guī)律即可。l 主、副控制器正、反作用的選擇 l先依據(jù)控制閥的氣開、氣關(guān)形式，副對象的放大倍數(shù),決定副控制器正反作用方式,即必須使的Kc2KvKp2Km2乘積為正值，其中Km2通常總是正值。l然后，決定主控制器的正、反作用方式, 主控制器的正、反作用主要取決于主對象的放大倍數(shù)，至于控制閥的氣開、氣關(guān)形式不影響主控制器正、反作用的選擇，因為控制閥已包含在副回路內(nèi)。總之，應(yīng)使Kc1Kp1Km1的乘積為正值,通常Km1總是正值,因此主控制器的正、反作用選擇應(yīng)使Kc1Kp1為正值。l圖5-4

7、所示加熱爐出口溫度和爐膛溫度串級控制系統(tǒng)中控制器正反作用的選擇步驟如下：l控制閥：從安全角度考慮，選擇氣開型控制閥，Kv0；l副被控對象：燃料油流量增加，爐膛溫度升高，因此，Kp20；l副控制器：為保證負反饋，應(yīng)滿足：Kc2KvKp2Km20。因Km20；應(yīng)選Kc20。即選用反作用控制器；l主被控對象：當爐膛溫度升高時，出口溫度升高，因此，Kp10；l主控制器：為保證負反饋，應(yīng)滿足：Kc1Kp1Km10。因Km10；應(yīng)選Kc10。即選用反作用控制器。l該串級控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程如下：當擾動或負荷變化使爐膛溫度升高時，因副控制器是反作用，因此，控制器輸出減小，控制閥是氣開型，因此，控制閥開度減小，

8、燃料量減小，使爐膛溫度下降；同時，爐膛溫度升高，使出口溫度升高，通過反作用的主控制器，使副控制器的設(shè)定降低，通過副控制回路的調(diào)節(jié)，減小燃料量，減低爐膛溫度，進而降低出口溫度，以保持出口溫度恒定。l圖5-5所示夾套反應(yīng)釜進行放熱反應(yīng)，串級控制系統(tǒng)控制器正反作用的選擇步驟如下：l控制閥：從安全角度考慮，選擇氣關(guān)型控制閥，Kv0；l副被控對象：冷卻水流量增加，夾套溫度下降，因此，Kp20。因Km20；應(yīng)選Kc20。即選用反作用控制器；l主被控對象：當夾套溫度升高時，反應(yīng)釜溫度升高，因此，Kp10；l主控制器：為保證負反饋，應(yīng)滿足：Kc1Kp1Km10。因Km10；應(yīng)選Kc10。即選用反作用控制器。l

9、 串級控制系統(tǒng)中副環(huán)檢測變送環(huán)節(jié)的非線性l當檢測變送環(huán)節(jié)采用孔板、差壓變送器和開方器（或流量變送器）時，由于副環(huán)輸入輸出間的關(guān)系通常是線性關(guān)系。這時，如果主被控對象是線性特性，就采用線性控制規(guī)律；如果主被控對象是非線性特性，則需用控制器的非線性控制規(guī)律來補償，而不能用控制閥流量特性進行補償。3.1.4 串級控制系統(tǒng)控制器參數(shù)的串級控制系統(tǒng)控制器參數(shù)的整定整定l串級控制系統(tǒng)常用的控制器參數(shù)整定方法有三種：l逐步逼近法l兩步法l一步法l對新型智能控制儀表和DCS控制裝置構(gòu)成的串級控制系統(tǒng)，可以將主控制器選為具備自整定功能。 3.1.5 串級控制系統(tǒng)應(yīng)用實例串級控制系統(tǒng)應(yīng)用實例l某大型氨廠引入馳放氣

10、作為輔助沖量的一段轉(zhuǎn)化爐出口溫度與燃料量串級控制系統(tǒng)。3.2 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)l3.2.1 基本原理和結(jié)構(gòu)l凡是用來實現(xiàn)兩個或兩個以上的物料按一定比例關(guān)系控制以達到某種控制目的的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。 l主動量 ，從動量 ，比值l單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)和變比值控制系統(tǒng)。 kFF121F2F單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 變比值控制系統(tǒng)變比值控制系統(tǒng) l變比值控制系統(tǒng)的比值是變化的，比值由另一個控制器設(shè)定。 3.2.2 比值系數(shù)的計算比值系數(shù)的計算l采用線性流量檢測單元情況 l采用線性流量檢測單元情況時，只有在F1max=

11、F2max的場合，k=K。在同樣的比值k下，通過調(diào)整F1max,F2max亦可以改變比值。l采用電動和氣動儀表時，乘法器輸入的比值電流或氣壓和相除方案中比值控制器設(shè)定電流或氣壓可按下列公式計算：l一般標準公式：輸入信號=儀表量程范圍K + 零點l在采用相乘的方案中，采用分流器、加法器等儀表可直接設(shè)置儀表比值系數(shù)K。 l在采用相除的方案中，如果計算所得的儀表比值系數(shù)K大于1，則除法器的輸入信號更換，即主動量信號作為被除數(shù)信號，從動量信號作為除數(shù)信號。 )()(max2max1max2max112max11max22FFkFFFFFFFFKl采用差壓變送器（非線性檢測變送環(huán)節(jié)）l比值系數(shù)計算示例

12、l合成氨一段轉(zhuǎn)化反應(yīng)中，為保證甲烷的轉(zhuǎn)化率，需保持甲烷、蒸汽和空氣三者的比值為1:3:1.4。流量測量都采用節(jié)流裝置和差壓變送器，未裝開方器，其中，蒸汽最大流量為31100m3/h；天然氣最大流量為11000m3/h；空氣最大流量為14000m3/h；采用相乘和相除方案，確定各差壓變送器的量程，儀表比值系數(shù)K1和K2，乘法器和除法器輸入電流I k1和I k2。 2max22max122max22max12122FFkFFFFKl從儀表精確度考慮，流量儀表測量范圍分為十擋：1、1.25、1.6、2、2.5、3.2、4、5、6.3、810n（n為整數(shù)）。根據(jù)題意，各差壓變送器的量程應(yīng)選擇為：lFs

13、max=32000m3/h；Fhmax=12500m3/h；Famax=16000m3/h；l采用蒸汽作為主動量Fs，天然氣Fh和空氣Fa為從動量。防止水碳比過低造成析碳。l工藝比值系數(shù)為：k1= ；k2= 。l因采用非線性檢測變送環(huán)節(jié)，儀表比值系數(shù)的計算公式為：l即 ；l假設(shè)采用電動III型儀表，則乘法器輸入電流（即恒流給定器輸出）和相除方案中比值控制器設(shè)定電流應(yīng)為：l mA；l mA；3/1shFF3/4 . 1saFF2max2max2從主FFkK7282. 01250032000312222max2max211hsFFkK8711. 0160003200034 . 122222max2

14、max222asFFkK65.1541611KIk94.1741622KIk3.2. 3 比值控制系統(tǒng)設(shè)計和工程比值控制系統(tǒng)設(shè)計和工程應(yīng)用中的問題應(yīng)用中的問題l(1) 主動量和從動量的選擇l主動量通常選擇可測量但不可控制的過程變量；l從安全考慮，如該過程變量供應(yīng)不足會不安全時，應(yīng)選擇該過程變量為主動量，例如，水蒸汽和甲烷進行甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)，由于水蒸氣不足會造成析碳，因此，應(yīng)選擇水蒸汽作為主動量；l從動量通常應(yīng)是既可測量又可控制，并需要保持一定比值的過程變量。l(2) 比值控制系統(tǒng)類型的選擇l主動量不可控時，選用單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，例如，主動量來自上一工序；l主動量可控可測，并且變化較大時，宜選雙

15、閉環(huán)比值控制系統(tǒng)；l當比值根據(jù)生產(chǎn)過程的需要由另一個控制器進行調(diào)節(jié)時，應(yīng)選擇變比值控制系統(tǒng)；l當質(zhì)量偏離控制指標需要改變流量的比值時，應(yīng)采用變比值控制系統(tǒng)；l變比值控制系統(tǒng)的第三過程變量通常選擇過程的質(zhì)量指標，例如，煙道氣中的氧含量等。l比值控制系統(tǒng)的實施方案有相乘和相除兩類。l一般情況下，宜選擇相乘控制方案。l采用計算機或DCS控制時，應(yīng)選擇相乘控制方案。l需要獲得主從動量流量的實際比值時，建議用除法器作比值運算，但不包含在控制回路內(nèi)部。l(3) 比值函數(shù)環(huán)節(jié)的選擇l 比值函數(shù)環(huán)節(jié)可從乘法器、分流器、加法器等儀表中選擇。l采用乘法器需要配套恒流給定器，但比值系數(shù)設(shè)置的精度較高；l分流器比較簡

16、單，可直接用電位器實施，但精度不高；l加法器實施時可直接用控制器的輸入乘以比值系數(shù)，同樣，設(shè)置比值系數(shù)的精度也不高。l計算機控制裝置或DCS實施比值控制時，儀表比值系數(shù)采用工藝比值系數(shù)直接設(shè)置，使用系統(tǒng)內(nèi)部乘法運算或比值控制功能模塊直接完成比值運算（采用相乘控制方案）。l采用常規(guī)儀表實施，如果K大于1，應(yīng)將比值函數(shù)環(huán)節(jié)設(shè)置在從動量控制回路內(nèi)。用DCS或計算機實施時，K可大于1，比值函數(shù)環(huán)節(jié)仍設(shè)置在從動量控制回路設(shè)定值通道。l（4）變送器量程的選擇：l常規(guī)儀表實施比值控制系統(tǒng)時，為提高控制精確度，通常應(yīng)使KF1的數(shù)值位于從動量控制器量程范圍的中間（儀表比值系數(shù)小于1），或者使KF2的數(shù)值位于從動

17、量控制器量程范圍的中間（儀表比值系數(shù)大于1）。l采用計算機DCS組成比值控制系統(tǒng)時，為提高控制精確度，可適當縮小檢測變送器的量程范圍，并且，不需計算儀表比值系數(shù)。l采用常規(guī)儀表時，如果采用線性檢測變送環(huán)節(jié)，主、從動量的儀表量程范圍相等，則工藝比值系數(shù)k與儀表比值系數(shù)K相等；如果采用非線性檢測變送環(huán)節(jié)，主、從動量的儀表量程范圍滿足： ，則工藝比值系數(shù)k與儀表比值系數(shù)K相等。2max12max2FFk l（5） 流量的溫度壓力補償：l當采用孔板等節(jié)流裝置測量氣體流量時，如果設(shè)計計算時的工況溫度和壓力與實際運行時的工況溫度和壓力有偏差，就會對氣體流量測量造成誤差。因此，當被測氣體的工況溫度較高，變化

18、較大或工況壓力較高，變化較大時應(yīng)對該氣體流量進行溫度壓力補償。其中，溫度應(yīng)換算到凱氏溫度，壓力應(yīng)換算到絕對壓力。3.2.4 比值控制系統(tǒng)的參數(shù)整定和比值控制系統(tǒng)的參數(shù)整定和投運投運l單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是隨動控制系統(tǒng)，應(yīng)按照隨動控制系統(tǒng)的整定原則整定從動量控制器的參數(shù)。即整定為非振蕩或衰減比10:1的過渡過程為宜。l雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中主動量的控制系統(tǒng)是定值控制系統(tǒng)，以衰減比為4:1整定主控制器參數(shù)，從動量控制系統(tǒng)是隨動控制系統(tǒng)為主的控制系統(tǒng)，以非振蕩或衰減比為10:1整定從動量控制器參數(shù)。l變比值控制系統(tǒng)中從動量控制系統(tǒng)是串級控制系統(tǒng)的副環(huán)，因此，按串級控制系統(tǒng)副環(huán)的整定方法整定參數(shù)，變比值控

19、制器按串級控制系統(tǒng)主對象整定控制器參數(shù)。3.2.5 比值控制系統(tǒng)應(yīng)用實例比值控制系統(tǒng)應(yīng)用實例l一段轉(zhuǎn)化爐的主要功能是將原料轉(zhuǎn)化為合成所需要的氫，該轉(zhuǎn)化過程是在一定的溫度條件下進行的，所以轉(zhuǎn)化過程中原料量與加熱燃料量有一定的比例關(guān)系，為此設(shè)計了雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。簡化的控制系統(tǒng)方框圖如5-15所示。比值控制系統(tǒng)的主動量為原料量，從動量為燃料量，其目的是隨著生產(chǎn)負荷的變化，相應(yīng)實時的提高或減少加熱燃料氣量，以保證轉(zhuǎn)化溫度。同時，為了克服燃料氣壓力的擾動等影響，一段爐的溫度還采用了串級控制系統(tǒng)。3.3 均勻控制系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng) l3.3.1 均勻控制系統(tǒng)的基本原理和結(jié)構(gòu) l均勻控制系統(tǒng)是指一種控制方

20、案所起的作用而言，因為就控制方案的結(jié)構(gòu)來看，它可能象是液位或壓力的簡單定值控制系統(tǒng)，也可能象是液位與流量或壓力與流量的串級控制系統(tǒng)。 l均勻控制系統(tǒng)應(yīng)具有既允許表征前后供求矛盾的兩個變量都有一定范圍的變化，又要保證它們的變化不應(yīng)過于劇烈的特點。 簡單均勻控制系統(tǒng)簡單均勻控制系統(tǒng) l簡單均勻控制系統(tǒng)如圖5-17所示，從方案外表上看，它象一個簡單液位定值控制系統(tǒng)，并且常被誤解為簡單液位定值控制系統(tǒng)，使設(shè)計思想得不到體現(xiàn)。該系統(tǒng)與定值控制系統(tǒng)的不同是主要在控制器的控制規(guī)律選擇和參數(shù)整定問題上。l在均勻控制系統(tǒng)中不應(yīng)該選擇微分作用，有時還可能需要選擇反微分作用。在參數(shù)整定上，一般比例度要大于100%，

21、并且積分時間要長一些，這樣液位仍會變化，但變化不會太劇烈。同時，控制器輸出很和緩，閥位變化不大，流量波動也相當小。這樣就實現(xiàn)了均勻控制的要求。串級均勻控制系統(tǒng)串級均勻控制系統(tǒng) l圖5-18所示為一精餾塔底液位與塔底流量的串級均勻控制系統(tǒng)。從外表上看，它與典型的串級控制系統(tǒng)沒有區(qū)別，但是它的目的是實現(xiàn)均勻控制。l系統(tǒng)中副回路流量控制的目的是為了消除控制閥前后壓力干擾及自衡作用對流量的影響。因此，副回路與串級控制中副回路一樣，副控制器參數(shù)整定的要求與前面所討論的串級控制對副回路的要求相同。而主控制器即液位控制器，則與簡單均勻控制系統(tǒng)的控制器的參數(shù)整定相同，以滿足均勻控制的要求，使液位與流量均可保證

22、在較小的幅度內(nèi)緩慢的變化。雙沖量均勻控制系統(tǒng)雙沖量均勻控制系統(tǒng) l這種控制系統(tǒng)是串級控制系統(tǒng)的變型，它將兩個需兼顧被控變量的差（或和）作為被控變量。圖5-19是雙沖量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。l當控制閥安裝在出口時，液位偏高或流量偏低時，都應(yīng)開大控制閥，因此，應(yīng)取液位和流量信號之差作為測量值。正常情況下，該差值可能為零，負值或正值，因此，在加法器FY引入偏置值，用于降低零位，使正常情況下加法器的輸出在量程的中間值。 3.3.2 均勻控制系統(tǒng)的控制規(guī)律的均勻控制系統(tǒng)的控制規(guī)律的選擇及參數(shù)整定選擇及參數(shù)整定l(1) 控制規(guī)律作用的選擇l對一般的簡單均勻控制系統(tǒng)的控制器，選擇純比例控制規(guī)律。l對一些輸入流量

23、存在急劇變化的場合或液位存在“噪聲”的場合，特別是希望液位正常穩(wěn)定工況時保持在特定值附近時，則應(yīng)選用比例積分控制規(guī)律。l(2) 參數(shù)的整定l 純比例控制規(guī)律l先將比例度放置在不會引起液位超值但相對較大的數(shù)值。l 觀察趨勢，若液位的最大波動小于允許的范圍，則可增加比例度。l當發(fā)現(xiàn)液位的最大波動大于允許范圍，則減小比例度。l反復調(diào)整比例度，直至液位的波動小于且接近于允許范圍止。l 比例積分控制規(guī)律l按純比例控制方式進行整定，得到所適用的比例度值。l適當加大比例度值，然后，投入積分作用。由大至小逐漸調(diào)整積分時間，直到記錄趨勢出現(xiàn)緩慢的周期性衰減振蕩為止。3.4 前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)l3.4.1基

24、本原理l前饋控制系統(tǒng)是一種開環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)擾動或設(shè)定值的變化按補償原理而工作 l其特點是當擾動產(chǎn)生后，被控變量還未變化以前，根據(jù)擾動作用的大小進行控制，以補償擾動作用對被控變量的影響。 l 換熱器的前饋控制系統(tǒng)及其方塊換熱器的前饋控制系統(tǒng)及其方塊圖圖 )()()(SGSGSGOfdl在大多數(shù)實際應(yīng)用中，往往都是將反饋控制與前饋控制結(jié)合起來，設(shè)計成前饋反饋控制系統(tǒng)。l這樣，可以利用前饋控制來克服可以預(yù)見的主要擾動；而對于前饋控制補償不完全的部分即擾動依舊作用于被控變量所產(chǎn)生的偏離及其余擾動，由反饋控制來消除。即使在大而頻繁的擾動下，仍然可以獲得優(yōu)良的控制品質(zhì)。前饋控制的主要結(jié)構(gòu)形式前饋控制的主

25、要結(jié)構(gòu)形式l靜態(tài)前饋l 靜態(tài)前饋是在擾動作用下，前饋補償作用只能最終使被控變量回到要求的設(shè)定值，而不考慮補償過程中的偏差大小。在有條件的情況下，可以通過物料平衡和能量平衡關(guān)系求得采用多大校正作用。l 靜態(tài)前饋控制不包含時間因子，實施簡便。而事實證明，在不少場合，特別是控制通道和擾動通道的時間常數(shù)相差不大時，應(yīng)用靜態(tài)前饋控制可以獲得很好的控制精度。3.4.2 前饋前饋反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)l多變量前饋控制系統(tǒng)l 前饋控制只針對特定的擾動變量，當有多個擾動變量時可組成多變量前饋控制系統(tǒng)。分為多輸入單輸出的多變量前饋控制系統(tǒng)和多輸入多輸出的多變量前饋控制系統(tǒng)。l當被控過程的擾動不止一個，而它們變化

26、幅度較大且頻繁時，可采用多輸入單輸出的多變量前饋控制系統(tǒng)。當被控過程是多輸入多輸出過程，為了消除相互之間的影響，可用多輸入多輸出的多變量前饋控制系統(tǒng)進行控制系統(tǒng)的解耦。 3.4.3 前饋控制系統(tǒng)的設(shè)計及工程前饋控制系統(tǒng)的設(shè)計及工程實施中的若干問題實施中的若干問題 l前饋控制系統(tǒng)主要用于克服控制系統(tǒng)中對象滯后大、由擾動而造成的被控變量偏差消除時間長、系統(tǒng)不易穩(wěn)定、控制品質(zhì)差等弱點，因此采用前饋控制系統(tǒng)的條件是：l 擾動可測但是不可控。l 變化頻繁且變化幅度大的擾動。l 擾動對被控變量影響顯著，反饋控制難以及時克服，且過程對控制精度要求又十分嚴格的情況。l前饋控制算法l前饋補償裝置及偏置的選擇l采

27、用DCS或計算機控制時，可采用超前滯后功能模塊，采用前饋-反饋控制算法的功能模塊等。l常規(guī)儀表實施時，通常采用靜態(tài)前饋，即用前饋增益KFF實現(xiàn)，例如用比例環(huán)節(jié)。3.4.4 前饋控制系統(tǒng)的投運和參數(shù)整定l前饋控制系統(tǒng)的參數(shù)整定有下列內(nèi)容：確定靜態(tài)前饋增益、設(shè)置偏置值、調(diào)整超前滯后環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。 l前饋控制系統(tǒng)的投運與反饋控制投運結(jié)合。通常有二種方法。3.4.5 前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例3.5 選擇性控制系統(tǒng)選擇性控制系統(tǒng) l3.5.1 基本原理和結(jié)構(gòu) l在控制系統(tǒng)中含有選擇單元的系統(tǒng)，通常稱為選擇性控制系統(tǒng)。常用的選擇器是低選器和高選器，它們各有兩個或更多個輸入，低選器把低

28、信號作為輸出，高選器把高信號作為輸出，即分別是l uo=min (ui1,ui2,- uij)l和 uo=max (ui1,ui2,- uij) l選擇性控制又稱取代控制、超馳控制和保護控制等。l選擇性控制系統(tǒng)是為使控制系統(tǒng)既能在正常工況下工作,又能在一些特定的工況下工作而設(shè)計的，因此，選擇性控制系統(tǒng)應(yīng)具備：l生產(chǎn)操作上有一定的選擇性規(guī)律。l組成控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)中，必須包含具有選擇性功能選擇單元。l選擇性控制系統(tǒng)可分為如下幾類：(1)選擇器位于兩個控制器與一個選擇器位于兩個控制器與一個執(zhí)行器之間執(zhí)行器之間 l超馳(override)控制系統(tǒng)是選擇性控制系統(tǒng)中常用的類型。圖5-25為液氨蒸發(fā)器

29、的超馳控制系統(tǒng)，液氨蒸發(fā)器是一個換熱設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)上用得很多。液氨的汽化，需要吸收大量的汽化熱，因此，它可以常用來冷卻流經(jīng)管內(nèi)的被冷卻物料。l在正常工況下，控制閥由溫度控制器TC的輸出來控制，這樣可以保證被冷卻物料的溫度為設(shè)定值。但是，蒸發(fā)器需要有足夠汽化空間，來保證良好的汽化條件以及避免出口氨氣帶液，為此又設(shè)計了液面超馳控制系統(tǒng)。在液面達到高限的工況，此時，即便被冷卻物料的溫度高于設(shè)定值，也不再增加氨液量，而由液位控制器LC取代溫度控制器TC進行控制。這樣，既保證了必要的汽化空間又保證了設(shè)備安全。l超馳控制系統(tǒng)設(shè)計步驟如下 l根據(jù)安全角度選擇控制閥 l確定被控過程特性 l確定控制器的正反作

30、用形式 l確定選擇器類型 (2) 操縱變量的選擇性控制操縱變量的選擇性控制 l在控制器與檢測元件或變送器之間引入選擇單元的稱為操縱變量控選擇性控制。l加熱爐燃料有低價燃料A和補充燃料B，A最大供應(yīng)量為AH, 燃料A超過AH時啟用補充燃料B，為此設(shè)計了圖5-26所示選擇性控制系統(tǒng)。l正常工況時：mAH，溫度控制器TC的輸出m經(jīng)低選器作為燃料A流量控制器F1C，的設(shè)定值，構(gòu)成溫度控制器TC與燃料A流量控制器串級控制。補充燃料B流量控制器F2C設(shè)定值A(chǔ)H，燃料A流量控制器F1C為定值控制，設(shè)定值為AH。溫度控制器TC的輸出m至加法器，m-n0作為補充燃料B流量控制器F2C的設(shè)定值，構(gòu)成溫度控制器TC

31、與燃料B流量控制器串級控制。(3) 利用選擇器實現(xiàn)非線性控制規(guī)利用選擇器實現(xiàn)非線性控制規(guī)律律 (4) 選擇器位于幾個檢測變送環(huán)節(jié)選擇器位于幾個檢測變送環(huán)節(jié)與控制器之間與控制器之間 3.5.2. 選擇性控制系統(tǒng)設(shè)計和工程選擇性控制系統(tǒng)設(shè)計和工程應(yīng)用中的問題應(yīng)用中的問題l(1). 選擇器類型的選擇l超馳控制系統(tǒng)的選擇器位于兩個控制器輸出和一個執(zhí)行器之間。選擇器類型的選擇可根據(jù)下述步驟進行。l從安全角度考慮，選擇控制閥的氣開和氣關(guān)類型；l確定被控對象的特性(即放大倍數(shù)的正負)，應(yīng)包括正常工況和取代工況時的對象特性；l確定正?？刂破骱腿〈刂破鞯恼醋饔梅绞?；l根據(jù)超過安全軟限時，取代控制器輸出是增大

32、（減?。_定選擇器是高選器（低選器）。l當選擇高選器時，應(yīng)考慮事故時的保護措施。l(2). 控制器的選擇l超馳控制系統(tǒng)的控制要求是超過安全軟限時能夠迅速切換到取代控制器。因此，取代控制器應(yīng)選擇比例度較小的比例或比例積分控制器，正?？刂破髋c單回路控制系統(tǒng)的控制器選擇相同?？刂破鞯恼醋饔每筛鶕?jù)負反饋準則，如上述進行選擇。l(3) 防積分飽和l超馳控制系統(tǒng)中，正常工況下，取代控制器的偏差一直存在，如果取代控制器有積分控制作用，就會存在積分飽和現(xiàn)象。同樣，取代工況下，正?？刂破鞯钠钜恢贝嬖冢绻？刂破饔蟹e分控制作用，就會存在積分飽和現(xiàn)象。當存在積分飽和現(xiàn)象時，控制器的切換就不能及時進行。這里

33、，由于偏差為零時，兩個控制器的輸出不能及時切換的現(xiàn)象稱為選擇性控制系統(tǒng)的積分飽和。l保持控制器切換時跟蹤的方法是采用積分外反饋，即將選擇器輸出作為積分外反饋信號，分別送兩個控制器。 3.5.3. 選擇性控制系統(tǒng)應(yīng)用實例選擇性控制系統(tǒng)應(yīng)用實例l一段轉(zhuǎn)化爐燃燒安全選擇性控制系統(tǒng) l(2). 從動量供應(yīng)不足時的比值控制系統(tǒng)l(3). 具有邏輯規(guī)律的比值控制系統(tǒng) 3.6 分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)l一個控制器的輸出同時送往兩個或多個執(zhí)行器，而各個執(zhí)行器的工作范圍不同，這樣的系統(tǒng)稱之為分程控制系統(tǒng)。l例如，一個控制器的輸出同時送往氣動控制閥甲和乙,閥甲在氣壓20-60kPa范圍內(nèi)由全開到全關(guān),而閥乙在氣壓

34、60-100kPa范圍內(nèi)由全開到全關(guān)，控制閥分程工作。 l為了實現(xiàn)分程動作，一般需要引入閥門定位器。 3.6 3.6 分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng) 間歇式攪拌槽反應(yīng)器的間歇式攪拌槽反應(yīng)器的溫度分程控制，在開始時溫度分程控制，在開始時需要加熱升溫，而到反應(yīng)需要加熱升溫，而到反應(yīng)開始并逐漸劇烈時，反應(yīng)開始并逐漸劇烈時，反應(yīng)放熱，又需要冷卻降溫。放熱，又需要冷卻降溫。熱水閥熱水閥V1和和冷卻水閥冷卻水閥V2由由同一個溫度控制器操縱，同一個溫度控制器操縱，需要分程控制。需要分程控制。3.6.1 不同工況需要不同的控制手段不同工況需要不同的控制手段3.6 3.6 分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)l控制閥類型的選擇：

35、從安全角度考慮，V1選氣開型，V2選氣關(guān)型，即Kv10,Kv20.l被控對象特性確定：開大冷卻水閥V2,釜溫下降，Kp20.l控制器正、反作用選擇：根據(jù)穩(wěn)定運行準則，Kc0,即反作用控制器。3.6 3.6 分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)l確定分程控制的類型： 反應(yīng)初期，溫度低，控制器測量值小，反作用控制器輸出大，應(yīng)開大熱水控制閥V1； 反應(yīng)進行時，放熱，溫度升高，控制器輸出減小，應(yīng)開大冷水控制閥V2。3.6.2擴大控制閥的可調(diào)范圍擴大控制閥的可調(diào)范圍 l為了使控制系統(tǒng)在小流量和大流量時都能夠精確控制，應(yīng)擴大控制閥的可調(diào)范圍R，lR=l國產(chǎn)控制閥的R一般為30，如果采用兩個口徑不同的控制閥，實現(xiàn)分程后

36、，總的可調(diào)范圍可擴大。l例如，大閥A的CAmax=100，小閥B的CBmax=4，則CBmin=4/30=0.133；假設(shè)大閥泄漏量為0，則分程控制后，最小總流通能力為0.133 ，最大總流通能力為100+4；系統(tǒng)的可調(diào)范圍為(100+4)/0.133=780?？刂崎y最小流通能力控制閥最大流通能力3.6 3.6 分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng) PH值控制：廢棄液體值控制：廢棄液體呈酸性，加入堿液使其中呈酸性，加入堿液使其中和，為了使和，為了使PH值精確控制，值精確控制，采用大、小閥的分程控制。采用大、小閥的分程控制。擴大控制閥的可調(diào)范圍擴大控制閥的可調(diào)范圍3.6 3.6 分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)l控

37、制閥類型的選擇：從安全角度考慮，小加堿閥V1和大加堿閥V2選氣開型；l被控對象特性確定：小加堿閥V1開大，PH上升，Kp10，大閥V2同上， Kp20 ；l控制器正、反作用選擇：根據(jù)穩(wěn)定運行準則，Kc0,即反作用控制器。3.6 3.6 分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)l確定分程控制的類型： PH高（酸性較弱），控制器測量值大，反作用控制器輸出小，應(yīng)關(guān)小閥V1； PH低（酸性較強），控制器測量值減小，反作用控制器輸出增大，應(yīng)開大閥V1，閥V1全開后，開大閥V2；選氣開氣開的同向分程控制。3.6 3.6 分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)l3.6.3 分程控制系統(tǒng)設(shè)計和過程應(yīng)用中的問題l1.控制閥的泄漏量 當控制閥

38、膜頭壓力為0時，流過控制閥的流體流量是控制閥的泄漏量； 當控制閥膜頭壓力為0.02MPa時，流過控制閥的流體流量是控制閥的最小流量；國產(chǎn)控制閥的可調(diào)比國產(chǎn)控制閥的可調(diào)比R=30；小閥小閥C小小MAX=4，大閥，大閥C大大MAX=100，兩閥合用，則兩閥合用，則CMIN=4/30=0.133，CMAX=100+4=104假設(shè)假設(shè)C小漏小漏=0，大閥大閥C大漏大漏=1，則，則CMIN=1.133，CMAX=104 ，可調(diào)比可調(diào)比R=104/1.133=91.8。應(yīng)嚴格控制大閥的泄漏量。應(yīng)嚴格控制大閥的泄漏量。3.6 3.6 分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)l2.工作范圍的控制和實現(xiàn) 一般控制閥工作范圍0.020.1MPa； 分程控制閥工作范圍0.020.06MPa和0.060.1MPa 當采用計算機控制時，將控制器輸出分為多個工作范圍，然后再輸出到各自控制閥。2110021002uuuu 3.7 雙重控制系統(tǒng)雙重控制系統(tǒng) l3.7.1 基本原理和結(jié)構(gòu)l一個被控變量采用兩個或兩個以上的操縱變量進行控制的控制系統(tǒng)稱為雙重或多重控制系統(tǒng)。這類控制系統(tǒng)