自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)復(fù)雜控制系統(tǒng)

復(fù)雜控制系統(tǒng)本章主要內(nèi)容串級(jí)控制系統(tǒng)（系統(tǒng)的基本概念、特點(diǎn)、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合及應(yīng)用中的問(wèn)題）比值控制系統(tǒng)（系統(tǒng)的基本概念、常用的比值控制方案及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)）前饋控制系統(tǒng)（前饋控制系統(tǒng)的基本概念、系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式及系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合）均勻控制系統(tǒng)（系統(tǒng)的概念、控制方案）分程控制系統(tǒng)（系統(tǒng)的基本概念、系統(tǒng)的應(yīng)用中的幾個(gè)問(wèn)題）選擇性控制系統(tǒng)（基本概念、系統(tǒng)的應(yīng)用、積分飽和及其防止）串級(jí)控制系統(tǒng)基本原理及結(jié)構(gòu)

在多回路控制系統(tǒng)中，有兩個(gè)被控過(guò)程、兩套測(cè)量變送裝置、兩臺(tái)控制器和一個(gè)控制閥構(gòu)成的系統(tǒng)稱(chēng)為串級(jí)控制系統(tǒng)。

串級(jí)控制系統(tǒng)方塊圖串級(jí)控制系統(tǒng)工作過(guò)程設(shè)定值控制閥流量控制器測(cè)量變送溫度控制器溫度對(duì)象測(cè)量變送釜溫流量對(duì)象擾動(dòng)作用副回路擾動(dòng)作用主回路氣開(kāi)反反蒸汽進(jìn)料精餾塔FCTC串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)在系統(tǒng)特性上，串級(jí)控制系統(tǒng)由于副回路的引入，改善了對(duì)象特征，使控制過(guò)程加快，具有超前控制的作用。Y對(duì)象2控制閥副控制器測(cè)量變送2對(duì)象1測(cè)量變送1主控制器F2F1XcbaY對(duì)象2X控制閥控制閥對(duì)象1F2F1測(cè)量變送abc

單回路控制系統(tǒng)

串級(jí)控制系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路：主回路和副回路；有兩個(gè)控制器：主控制器和副控制器；有兩個(gè)測(cè)量變送器。串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)定值控制閥流量控制器干擾測(cè)量變送溫度控制器溫度對(duì)象干擾測(cè)量變送釜溫流量對(duì)象定值控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)由于增加了副回路，具有有一定的自適應(yīng)能力。設(shè)定值控制閥副控制器干擾副測(cè)量變送主控制器主對(duì)象干擾主測(cè)量變送主變量副對(duì)象串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)副參數(shù)的選擇及副回路的設(shè)計(jì)主副變量間應(yīng)有一定的內(nèi)在聯(lián)系系統(tǒng)的主要干擾應(yīng)包圍在副回路中在可能的情況下，應(yīng)使副環(huán)包圍更多的次要干擾副變量的選擇應(yīng)考慮主副對(duì)象時(shí)間常數(shù)的匹配，防止共振的發(fā)生當(dāng)對(duì)象具有較大的純滯后而影響控制質(zhì)量時(shí)，在選擇副變量時(shí)應(yīng)使副環(huán)盡量少包含純滯后或不包含純滯后串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主副控制器正反作用的選擇實(shí)例設(shè)定值控制閥流量控制器測(cè)量變送溫度控制器溫度對(duì)象測(cè)量變送釜溫流量對(duì)象

當(dāng)主、副變量在增加（或減小）時(shí)，為使主、副變量減?。ɑ蛟黾樱?，要求控制閥的作用方向是一致的時(shí)候，主控制器應(yīng)選擇反作用；反之選正作用。反蒸汽進(jìn)料精餾塔FCTC串級(jí)控制系統(tǒng)適應(yīng)場(chǎng)合被控對(duì)象的控制通道純滯后時(shí)間較長(zhǎng)，用單回路控制系統(tǒng)不能滿(mǎn)足質(zhì)量指標(biāo)對(duì)象容量滯后比較大，用單回路控制系統(tǒng)不能滿(mǎn)足質(zhì)量指標(biāo)控制系統(tǒng)內(nèi)存在變化激烈且幅值很大的干擾

被控對(duì)象具有較大的非線(xiàn)性，而負(fù)荷變化又較大比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)-----實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)機(jī)上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)主物料-------處于主導(dǎo)地位的物料表征該物料的參數(shù)為主動(dòng)量F1（主流量）從物料--------隨主物料的變化呈比例的變化的另一種物料表征該物料的參數(shù)從動(dòng)量F2

（副流量）流量比值副流量主流量比值控制系統(tǒng)的類(lèi)型單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)F1CF2CF1F2F2執(zhí)行器控制器F2C比值器對(duì)象F1副測(cè)量變送主測(cè)量變送特點(diǎn)------兩種物料流量之比較為精確，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)施方便。不足------兩種物料的總量（F1＋F２）不固定。

比值控制系統(tǒng)的類(lèi)型單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)與串級(jí)控制系統(tǒng)比較F2執(zhí)行器控制器F2C比值器對(duì)象F1副測(cè)量變送主測(cè)量變送副對(duì)象設(shè)定值控制閥主控制器干擾測(cè)量變送副控制器主對(duì)象干擾測(cè)量變送設(shè)定值主變量雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)的類(lèi)型F1執(zhí)行器給定主流量控制器主流量對(duì)象主測(cè)量、變送副測(cè)量、變送K副流量控制器副流量對(duì)象執(zhí)行器F2KF1CF2CF1F2特點(diǎn)------兩種物料流量之比精確，其總量（F1＋F２）基本保持不變。不足------系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，使用的儀表較多，投資較大，系統(tǒng)調(diào)整比較復(fù)雜。使用場(chǎng)合----主流量干擾頻繁，工藝不允許有較大波動(dòng)或工藝上經(jīng)常需要提升負(fù)荷的場(chǎng)合。變比值比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)的類(lèi)型T÷F2F1TTTCFCFT1FT2比值控制器主控制器控制閥流量對(duì)象主對(duì)象測(cè)量變送器F2Y干擾除法器測(cè)量變送器測(cè)量變送器F1特點(diǎn)------兩種物料流量的比值能靈活地隨第三變量的需要而變化。比值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主、從動(dòng)量的確定控制方案的選擇比值系數(shù)的計(jì)算生產(chǎn)過(guò)程中主要物料的流量為主動(dòng)量，次要物料的流量為從動(dòng)量。兩物料中有一個(gè)物料的量為可測(cè)但不可控為主動(dòng)量，可控的物料為從動(dòng)量。根據(jù)各控制方案的特點(diǎn)及工藝的具體情況而確定。(或)

流量比值信號(hào)比值非線(xiàn)性關(guān)系線(xiàn)性關(guān)系前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)與反饋控制比較干擾設(shè)定測(cè)量變送反饋控制器執(zhí)行器被控變量對(duì)象

前饋控制比反饋控制及時(shí)有效前饋控制屬于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，反饋控制是閉環(huán)控制系統(tǒng)前饋控制使用的實(shí)施對(duì)象特性而定的專(zhuān)用控制器，反饋控制采用通用

PID控制器一種前饋?zhàn)饔弥芸朔环N干擾，反饋控制只用一個(gè)控制器就可克服多個(gè)干擾對(duì)象被控變量干擾前饋控制器測(cè)量變送執(zhí)行器前饋控制系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)前饋控制器的輸出信號(hào)是是干擾量和時(shí)間的函數(shù)。而當(dāng)干擾通道和控制通道動(dòng)態(tài)特性相同時(shí)，便可按靜態(tài)關(guān)系確定前饋控制作用。

如果主要干擾是進(jìn)料流量的波動(dòng)ΔＦ，為了達(dá)到靜態(tài)補(bǔ)償應(yīng)滿(mǎn)足下式成立：

式中

Kp－控制通道放大系數(shù)

Kf－干擾通道放大系數(shù)

Km－前饋放大器放大系數(shù)對(duì)象被控變量干擾前饋控制器測(cè)量變送執(zhí)行器KmFCF1F2動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式

動(dòng)態(tài)前饋與靜態(tài)前饋從控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看是一樣的，只是前饋控制器的控制規(guī)律不同。動(dòng)態(tài)前饋要求控制器的輸出不僅僅是干擾量的函數(shù)，而且也是時(shí)間的函數(shù)。要求前饋控制器的校正作用使被控變量的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)誤差都接近或等于零。tF△FTba前饋控制系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式前饋-反饋控制系統(tǒng)特點(diǎn)：吸收前饋與反饋控制的優(yōu)點(diǎn)，即前饋控制作用及時(shí)的優(yōu)點(diǎn)及反饋控制能克服多個(gè)擾動(dòng)和具有對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行反饋檢測(cè)的長(zhǎng)處。實(shí)例FTFFCTTTC∑TT0FG控制閥對(duì)象設(shè)定測(cè)量變送反饋控制器前饋控制器測(cè)量變送被控變量干擾前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合

系統(tǒng)中存在著可測(cè)但不可控的變化幅度大，且頻繁的干擾，這些干擾對(duì)被控參數(shù)影響顯著，反饋控制達(dá)不到質(zhì)量要求時(shí)。

當(dāng)控制系統(tǒng)的控制通道滯后時(shí)間較長(zhǎng)，由于反饋控制不及時(shí)影響控制質(zhì)量時(shí)，可采用前饋或前饋－反饋控制系統(tǒng)。均勻控制系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng)的基本概念均勻控制是在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中各種設(shè)備前后緊密聯(lián)系的情況下提出來(lái)的一種特殊的液位（或氣壓）—流量控制。其目的在于使液位保持在一個(gè)允許的變化范圍，而流量保持平穩(wěn)。LCFC1塔1塔22均勻控制系統(tǒng)小結(jié)：均勻控制系統(tǒng)，是指兩個(gè)工藝參數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)能緩慢地、均勻地變化，使前后設(shè)備在物料供求上相互兼顧，均勻協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。構(gòu)成均勻控制系統(tǒng)，液位和流量?jī)蓚€(gè)參數(shù)的變化應(yīng)滿(mǎn)足如下要求：1.兩個(gè)參數(shù)在控制過(guò)程中都應(yīng)該是變化的，且變化是緩慢的。

2.兩個(gè)參數(shù)必須在允許的范圍內(nèi)變化，均勻控制要求在最大干擾作用下，液位在塔釜的上下限內(nèi)波動(dòng)，而流量應(yīng)在一定的范圍內(nèi)平穩(wěn)漸變，避免對(duì)后段工序產(chǎn)生較大的干擾。均勻控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)LC特點(diǎn)------結(jié)構(gòu)與單回路液位控制系統(tǒng)相同控制規(guī)律采用純比例控制參數(shù)整定比例度大于100%均勻控制系統(tǒng)串級(jí)均勻控制系統(tǒng)FCLC

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)與串級(jí)控制系統(tǒng)完全相同副環(huán)流量控制與串級(jí)副環(huán)相同副環(huán)參數(shù)整定與串級(jí)對(duì)副環(huán)的要求相同主控制器與簡(jiǎn)單均勻控制要求相同主、副控制器一般都采用純比例控制規(guī)律分程控制系統(tǒng)變送器控制器電∕氣20～100KPaAB60～100KPa20～60KPa20～100KPa由一個(gè)控制器的輸出信號(hào)分段分別去控制兩個(gè)或兩個(gè)以上控制閥動(dòng)作的系統(tǒng)稱(chēng)為分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)10020601000閥壓/kPa閥開(kāi)度(%)20601000閥壓/kPaB閥閥開(kāi)度(%)100B閥A閥A閥10020601000閥壓/kPa閥閥閥開(kāi)度(%)BA20601000閥壓/kPaA閥B閥閥開(kāi)度(%)100分程控制方案中，閥的開(kāi)閉形式，可分同向和異向兩種氣開(kāi)氣閉分程控制系統(tǒng)的應(yīng)用

用于擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍例1可調(diào)比：閥所能控制的最大流量與最小流量之比控制器AB

設(shè)：分程控制中使用的大小兩只控制閥的最大流通能力分別為：且兩個(gè)閥的可調(diào)范圍相等：RA=RB=30若忽略大閥的泄露則其最小流通量為：最大流通能力為：+所以?xún)蓚€(gè)閥組合在一起的可調(diào)范圍擴(kuò)大到：

分程控制系統(tǒng)的應(yīng)用

用于控制滿(mǎn)足工藝上操作的特殊要求例2間歇式反應(yīng)器的溫度分程控制冷水TC蒸汽“B”氣開(kāi)閥“A”氣關(guān)閥1000.020.060.1“B”“A”0MPa氣關(guān)閥氣開(kāi)閥閥開(kāi)度(%)氣開(kāi)氣關(guān)反分程控制系統(tǒng)的應(yīng)用例3

用于控制滿(mǎn)足工藝上操作的特殊要求PC排空氣關(guān)閥“B”“A”氣開(kāi)閥N2N21000.020.060.1“B”“A”0MPa氣關(guān)閥氣開(kāi)閥閥開(kāi)度(%)分程控制系統(tǒng)

分程控制應(yīng)用中的幾個(gè)問(wèn)題

控制閥的泄漏量問(wèn)題

控制閥流量特性的選擇除考慮對(duì)象特性外更應(yīng)注意在分程點(diǎn)處控制閥的放大系數(shù)可能出現(xiàn)突變

分程控制控制器控制規(guī)律的選擇及其參數(shù)整定可參照簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)處理

選擇性控制系統(tǒng)非正常工況一般采取的處理方法有兩種：連鎖保護(hù)緊急性停車(chē)自動(dòng)切換至手動(dòng)選擇性控制系統(tǒng)-------當(dāng)生產(chǎn)操作趨向限制條件時(shí)，一個(gè)用于控制不安全工況的控制方案將取代正常情況下的控制方案，直到生產(chǎn)操作重新回到安全范圍以?xún)?nèi)恢復(fù)原控制方案為止。選擇性控制系統(tǒng)設(shè)有兩個(gè)控制器（或多個(gè)變送器）由選擇器選擇出能適應(yīng)生產(chǎn)安全狀況的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。選擇性控制系統(tǒng)的應(yīng)用氣開(kāi)閥液氨TC氣氨TC氣開(kāi)閥液氨RTC氣氨HCLS氣開(kāi)閥液氨液氨蒸發(fā)器（利用液氨的汽化需要吸收大量熱量來(lái)冷卻流管內(nèi)物料）例1

選擇性控制系統(tǒng)

積分飽和及其防止

一個(gè)具有積分作用的控制器，當(dāng)其處于開(kāi)環(huán)工作狀態(tài)時(shí)，如果偏差輸入信號(hào)一直存在，那么由于積分作用的結(jié)果，將使控制器的輸出不斷增加或不斷減小，一直達(dá)到輸出的極限