復(fù)雜控制系統(tǒng)

復(fù)雜控制系統(tǒng)

簡單控制系統(tǒng)是生產(chǎn)過程自動控制中最簡單、最基本、應(yīng)用最廣的一種形式，是一種單輸入、單輸出的單回路控制系統(tǒng)，在工廠中約占全部自動控制系統(tǒng)的80％左右。對于被控對象比較特殊，被控量不止一個，生產(chǎn)工藝對控制品質(zhì)的要求比較高或者被控對象特性并不復(fù)雜，但控制要求卻比較特殊，對于這些情況簡單回路控制系統(tǒng)就無能為力了。為此，需要在單回路控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采取一些措施組成復(fù)雜控制系統(tǒng)。2021/5/91

在復(fù)雜控制系統(tǒng)中可能有幾個過程測量值、幾個PID控制器以及不止一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)；或者盡管主控制回路中被控量、PID控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)各有一個，但還有其他的過程測量值、運(yùn)算器或補(bǔ)償器構(gòu)成輔助控制系統(tǒng)，這樣主、輔控制回路協(xié)同完成復(fù)雜控制功能。復(fù)雜控制系統(tǒng)中有幾個閉環(huán)回路，因而也稱多回路控制系統(tǒng)。2021/5/92

復(fù)雜控制系統(tǒng)種類繁多，根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和所擔(dān)負(fù)的任務(wù)來說，常見的復(fù)雜控制系統(tǒng)有：串級、均勻、比值、分程、前饋、取代、解藕等控制系統(tǒng)。在PTA二期項(xiàng)目中，大量使用了串級、比值、分程控制，下面詳細(xì)講述這三種復(fù)雜控制系統(tǒng)。2021/5/93一、串級控制系統(tǒng)

當(dāng)對象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時，可考慮采用串級控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)由兩個被控參數(shù)構(gòu)成，由兩個PID控制器串聯(lián)而成。2021/5/94控制原理圖如下所示：

2021/5/95主變量：使它保持穩(wěn)定是控制的主要目標(biāo)。副變量：它是被控制過程中引出的中間變量。副對象：它反映了副變量與操縱變量的通道特性。主對象：它反映了主變量與副變量關(guān)系的通道特性。主控制器：接受的是主變量的偏差，其輸出是去改變副控制器的設(shè)定值。副控制器：接受的是副變量的偏差，其輸出是操縱閥門。副回路：處于串級控制系統(tǒng)內(nèi)部的，由副變量測量變送、副控制器、控制閥、副對象組成的回路。主回路：若將副回路看成一個以主控制器輸出為輸入，以副變量為輸出的等效環(huán)，則串級系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成一個單回路，這個單回路為主回路。2021/5/96

由方塊圖可以看出：主控制器的輸出作為副控制器的給定值，副控制器的輸出作用于執(zhí)行器（如閥門），實(shí)施控制功能。兩個控制器都有各自的測量輸入，但只有主控制器具有自己獨(dú)立的設(shè)定值，只有副控制器的輸出信號送給被控制過程。2021/5/97

在串級控制系統(tǒng)中有內(nèi)、外兩個閉環(huán)回路，其中副控制器執(zhí)行器和副對象形成的內(nèi)閉環(huán)稱為副環(huán)或副回路；主控制器和主對象形成的外閉環(huán)稱為主環(huán)或主回路。串級控制系統(tǒng)中副環(huán)是典型的單回路PID控制系統(tǒng)，如果把副環(huán)看作一個廣義的對象，那目主環(huán)也是典型的單回路PID控制系統(tǒng)，也就是說，串級控制系統(tǒng)包環(huán)兩個單回路PID控制系統(tǒng)。2021/5/98

副回路具有先調(diào)、粗調(diào)、快調(diào)的特點(diǎn)；主回路具有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn)，并對于副回路沒有完全克服掉的干擾影響能徹底加以克服。因此、在串級控制系統(tǒng)中，由于主、副回路相互配合、相互補(bǔ)充，充分發(fā)揮了控制作用，大大提高了控制質(zhì)量。2021/5/99

串級控制的主要優(yōu)點(diǎn)是：1、由于副回路的快速作用，發(fā)生于副回路的干擾，在影響主變量之前可由副控制器予以校正。2、副對象的相位滯后，由于構(gòu)成副回路而顯得減小，從而改善了主回路的響應(yīng)速度。這對克服進(jìn)入主、副回路的干擾是有利的。3、串級系統(tǒng)對副對象及控制閥特性的變化具有較好的魯棒性。4、副回路可以按照主回路的需要對于質(zhì)量流和能量流進(jìn)行精確的控制。2021/5/910二、比值控制系統(tǒng)

在連續(xù)生產(chǎn)過程中，工藝上常需要將兩種或兩種以上的物料保持一定的比例關(guān)系，如果比例一旦失調(diào)、將影響生產(chǎn)或造成事故。實(shí)現(xiàn)兩個或兩個以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)，通常為流量比值控制系統(tǒng)。2021/5/911

在需要保持比值關(guān)系的兩種物料中，必有一種物料處于主導(dǎo)地位，這種物料稱之為主物料，表征這種物料的參數(shù)稱之為主動量，由于在生產(chǎn)過程控制中主要是流量比值控制系統(tǒng)，所以主動量也稱為主流量，用Q1表示。；而另一種物料按主物料進(jìn)行配比，在控制過程中隨主物料而變化，因此稱為從物料，表征其特性的參數(shù)稱為從動量或副流量，用Q2表示。比值控制系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)副流量Q2與主流量Q1成一定比值關(guān)系，滿足如下關(guān)系式：K=Q2/Q1式中K為副流量與主流量的流量比值。

2021/5/9121.單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)

單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)僅對副流量進(jìn)行閉環(huán)控制，副流量PID控制器F2C的給定值等于主物料流量乘以比值系數(shù)K。控制原理圖如下：2021/5/913

在穩(wěn)定情況下，主、副流量滿足工藝要求的比值，Q2／Q1＝K。當(dāng)主流量Q1變化時，經(jīng)變送器送至主控制器F1C(或其他計算裝置)。F1C按預(yù)先設(shè)置好的比值使輸出成比例地變化，也就是成比例地改變副流量控制器F2C的給定值，此時副流量閉環(huán)系統(tǒng)為一個隨動控制系統(tǒng)，從而Q2跟隨Q1變化，使得在新的工況下，流量比值K保持不變。單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的主流量Q1相似于串級控制系統(tǒng)中的主變量，但主流量并沒有構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，Q2的變化并不影響到Q1。盡管它亦有兩個控制器。但只有一個閉合回路．這就是兩者的根本區(qū)別。2021/5/914

單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是它不但能實(shí)現(xiàn)副流量跟隨主流量的變化而變化，而且還可以克服副流量本身干擾對比值的影響，因此主、副流量的比值較為精確。另外，這種方案的結(jié)構(gòu)形式較簡單、實(shí)施起來也比較方便、所以得到廣泛的應(yīng)用，尤其適用于主物料在工藝上不允許進(jìn)行控制的場合。

2021/5/915

單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，雖然能保持兩物料量比值一定，但由于主流量是不受控制的，當(dāng)主流量變化時，總的物料量就會跟著變化。這對于直接去化學(xué)反應(yīng)器的場合是不太合適的，因?yàn)樨?fù)荷波動會給反應(yīng)過程帶來一定的影響，有可能使整個反應(yīng)器的熱平衡遭到破壞，甚至造成嚴(yán)重事故，這是單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)無法克服的一個弱點(diǎn)。2021/5/9162.雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)

雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是為了克服單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主流量不受控制，生產(chǎn)負(fù)荷（與總物料量有關(guān))在較大范曲內(nèi)波動的不足而設(shè)計的。它是在單閉環(huán)比值控制的基礎(chǔ)上增加了主流量控制回路而構(gòu)成的。它的原理圖如下：2021/5/917

從上圖可以看出，當(dāng)主流量Q1變化時，一方面通過主流量控制器F1C對它進(jìn)行控制，另一方向通過比值控制器K(可以是乘法器)乘以適當(dāng)?shù)南禂?shù)后作為副流量控制器的給定值，使副流量跟隨主流量的變化而變化。2021/5/918

該系統(tǒng)具有兩個閉合回路，分別對主、副流量進(jìn)行定值控制。同時，由于比值控制器K的存在，使得主流量由受到干擾作用開始到重新穩(wěn)定在給定值這段時間內(nèi)，副流量能跟隨主流量的變化而變化。這樣不僅實(shí)現(xiàn)了比較精確的流量比值，而且也確保了兩物料總量基本不變，這是它的一個主要優(yōu)點(diǎn)。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主要適用于主流量干擾頻繁，工藝上允許負(fù)荷有較大波動或工藝上經(jīng)常需要提降負(fù)荷的場合。但該方案所用儀表較多，投資高。2021/5/9193.變比值控制系統(tǒng)

在單、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中的比值系數(shù)K是常數(shù)，在有些化學(xué)反應(yīng)過程，要求兩種物料的比值能靈活地根據(jù)第三變量的變化來不斷修改比值系數(shù)K，這樣就構(gòu)成變比值控制系統(tǒng)。控制原理圖如下：第三變量A對應(yīng)的PID控制器AC的輸出作為比值器K的輸入。2021/5/920

當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)除流量干擾外的其它干擾引起第三變量參數(shù)A變化時，通過主反饋回路使主控制器輸出變化，修改兩流量的比值，以保持參數(shù)A穩(wěn)定。對于進(jìn)入系統(tǒng)的主流量Q1干擾，由于比值控制回路的快速隨動跟蹤，是副流量按Q2=KQ1，以保持參數(shù)A穩(wěn)定。對于副流量本身的干擾，同樣可以通過自身的控制回路克服。2021/5/921三、分程控制系統(tǒng)

在反饋控制系統(tǒng)中，通常都是一臺控制器的輸出只控制一臺控制閥。有時為了改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，擴(kuò)大調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍或滿足生產(chǎn)工藝的特殊要求，將一臺控制器的輸出可以同時控制兩臺甚至兩臺以上的控制閥，控制器的輸出信號被分割成若干個信號范圍段，由每一段信號去控制一臺控制閥，這樣就構(gòu)成了分程控制系統(tǒng)。2021/5/922控制原理土如下：

上圖中控制器的輸出同時送往A、B調(diào)節(jié)閥，A閥開度0％～100％，對應(yīng)控制器輸出0％～50％；B閥開度0％～100％，對應(yīng)控制器輸出50％～100％。

2021/5/923

分程控制方案中，根據(jù)閥的開閉形式，可分為同向或異向兩種。同向或異向規(guī)律的選擇，全由工藝的需要而定。2021/5/924

設(shè)計分程控制有兩方面的目的，一是為擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍，以改善控制系統(tǒng)的品質(zhì)，二是滿足工藝上操作的特殊要求。2021/5/925

分程控制系統(tǒng)本質(zhì)上是簡單控制系統(tǒng)，因此控制器的選擇和參數(shù)整定，可參照簡單控制系統(tǒng)處理。不過在運(yùn)行中，如果兩個控制通道特性不同，就是說廣義對象特性是兩個，控制器參數(shù)不能同時滿足兩個不同對象特性的要求。遇此情況，只好照顧正常情況下的被控對象特性，按正常情況下整定控制器的參數(shù)。對另一臺閥的操作要求，只要能在工藝允許的范圍內(nèi)即可。2021/5/926四、串級控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例

母液緩沖罐F2-701，作用是氧化裝置母液在去催化劑回收之間可以保持一定的物料。母液通過母液輸送泵G2-702A/B送入草酸鹽離心機(jī)M2-707。其中母液緩沖罐的液位和母液進(jìn)離心機(jī)流量是一串級控制。2021/5/927計算機(jī)控制功能塊組態(tài)圖如下：2021/5/928

母液緩沖罐液位LT24501，主被控量是母液緩沖罐液位，PID控制塊LC24501是主控制器，PID控制塊FC24508副主控制器。當(dāng)控制選擇為串級CAS時，主控制器LC24501的輸出作為副控制器FC24508的給定，通過FV24508調(diào)整草酸鹽離心機(jī)的進(jìn)料。具體控制是液位上升，LT24501測量增大，LC24501輸出增大，F(xiàn)C24508給定增大，控制FV24508使草酸鹽離心機(jī)進(jìn)料流量增大。目的是控制母液緩沖罐液位的穩(wěn)定。2021/5/929

串級PID控制中，主控制器LC24501、副控制器FC24508和模擬量輸出塊FV24508工作方式的切換應(yīng)遵循無平衡無擾動切換的原則（主環(huán)的OP跟蹤SP變化）。在HoneywellTPS系統(tǒng)的實(shí)際操作中，一般是先投運(yùn)副回路，副環(huán)控制打“CAS”待其穩(wěn)定后，再投運(yùn)主回路，主環(huán)控制打“AUTO”。2021/5/930FC24508控制進(jìn)草酸鹽離心機(jī)的母液流量，在催化劑金屬沉淀的控制中，測量流量FT24508送入3個比值控制器FY-24510、FY-24511和FY-24578。控制原理圖如下：2021/5/9312021/5/932

比值控制器FY24510控制LP堿液流量，調(diào)整FC24510的設(shè)定點(diǎn)，所需比值根據(jù)母液中的溴濃度和催化劑沉淀的效率手動輸入。比值控制器FY24511計算需要的草酸溶劑流量，調(diào)整FC24511的設(shè)定點(diǎn)，所需比值根據(jù)離心機(jī)溢流中的催化劑金屬濃度手動輸入。比值控制器FY24578計算從草酸鹽離心機(jī)出來濃縮的產(chǎn)品流量，調(diào)整FC24511的設(shè)定點(diǎn)，所需比值根據(jù)離心機(jī)下游各固體濃度手動輸入。2021/5/933復(fù)習(xí)題：1、串級控制系統(tǒng)中一般包含有哪幾個部分組成。2、串級控制的主要優(yōu)點(diǎn)是什么？3、比值控制系統(tǒng)常用的有哪些？簡述其優(yōu)缺點(diǎn)。4、分程控制系統(tǒng)根據(jù)閥的控制形式，一般分為哪幾種規(guī)律？并請畫出其方案圖。(假定控制2臺閥門)5、M2-707(草酸鹽離心機(jī))的母液進(jìn)料和催化劑金屬沉淀控制中用了幾種復(fù)雜控制？并請簡要論述。2021/5/934單閉環(huán)優(yōu)缺點(diǎn):能實(shí)現(xiàn)副流量跟