1、復雜控制系統本章主要內容串級控制系統（系統的基本概念、串級控制系統（系統的基本概念、 特點、系統的設計、系特點、系統的設計、系 統的應用場合及應用中的問題）統的應用場合及應用中的問題）比值控制系統（系統的基本概念、常用的比值控制方案及比值控制系統（系統的基本概念、常用的比值控制方案及 系統的設計）系統的設計）前饋控制系統（前饋控制系統的基本概念、系統的幾種結構形式及前饋控制系統（前饋控制系統的基本概念、系統的幾種結構形式及 系統的應用場合）系統的應用場合）均勻控制系統（系統的概念、控制方案）均勻控制系統（系統的概念、控制方案）分程控制系統（系統的基本概念、系統的應用中的幾個問題）分程控制系統（

2、系統的基本概念、系統的應用中的幾個問題）選擇性控制系統（基本概念、系統的應用、積分飽和及其防止）選擇性控制系統（基本概念、系統的應用、積分飽和及其防止）串級控制系統基本原理及結構基本原理及結構 在多回路控制系統中，有兩個被控過程、兩套測量變送裝置、在多回路控制系統中，有兩個被控過程、兩套測量變送裝置、兩臺控制器和一個控制閥構成的系統稱為串級控制系統。兩臺控制器和一個控制閥構成的系統稱為串級控制系統。1rQ1c1u2f2c1f 1pG主對象 2pG副對象 vG控制閥 2cG2u副控制器 1cG主控制器1mH主變送器1y2mH副變送器2y主回路副回路串級控制系統方塊圖串級控制系統工作過程設定值控制

3、閥流 量控制器測量變送溫 度控制器溫度對象測量變送釜溫流量對象擾動作用副回路擾動作用主回路氣開反反蒸汽進料精餾塔FCTC串級控制系統的特點n在系統特性上，串級控制系統由于副回路的引入，改善了對象特征，使控制過程加快，具有超前控制的作用。Y對象2控制閥副控制器測量變送2對象1測量變送1主控制器F2F1XcbaY對象2X控制閥控制閥對象1F2F1測量變送abc 單回路控制系統單回路控制系統 串級控制系統串級控制系統n在系統結構上，串級控制系統有兩個閉合回路：主回路和副回路；在系統結構上，串級控制系統有兩個閉合回路：主回路和副回路；有兩個控制器：主控制器和副控制器；有兩個測量變送器。有兩個控制器：主

4、控制器和副控制器；有兩個測量變送器。串級控制系統的特點設定值控制閥流 量控制器干擾測量變送溫 度控制器溫度對象干擾測量變送釜溫流量對象定值控制系統隨動控制系統串級控制系統n串級控制系統由于增加了副回路，具有有一定的自適應能力串級控制系統由于增加了副回路，具有有一定的自適應能力。設定值控制閥副控制器干擾副測量變送主控制器主對象干擾主測量變送主變量副對象串級控制系統的設計n串級控制系統副參數的選擇及副回路的設計主副變量間應有一定的內在聯系系統的主要干擾應包圍在副回路中在可能的情況下，應使副環包圍更多的次要干擾副變量的選擇應考慮主副對象時間常數的匹配，防止共振的發生當對象具有較大的純滯后而影響控制質

5、量時，在選擇副變量時應使副環 盡量少包含純滯后或不包含純滯后串級控制系統的設計n主副控制器正反作用的選擇實例設定值控制閥流 量控制器測量變送溫 度控制器溫度對象測量變送釜溫流量對象 當主、副變量在增加（或減小）時，為使主、副變量減小（或增加），要求控制閥當主、副變量在增加（或減小）時，為使主、副變量減小（或增加），要求控制閥的作用方向是一致的時候，主控制器應選擇反作用；反之選正作用。的作用方向是一致的時候，主控制器應選擇反作用；反之選正作用。反蒸汽進料精餾塔FCTC串級控制系統適應場合n被控對象的控制通道純滯后時間較長，用單回路控制系統不能滿足質量指被控對象的控制通道純滯后時間較長，用單回路控

6、制系統不能滿足質量指標標n對象容量滯后比較大，用單回路控制系統不能滿足質量指標對象容量滯后比較大，用單回路控制系統不能滿足質量指標n控制系統內存在變化激烈且幅值很大的干擾控制系統內存在變化激烈且幅值很大的干擾 n被控對象具有較大的非線性，而負荷變化又較大被控對象具有較大的非線性，而負荷變化又較大 比值控制系統比值控制系統比值控制系統-實現兩個或兩個機上參數符合實現兩個或兩個機上參數符合 一定比一定比例例 關系的控制系統關系的控制系統 主物料主物料-處于主導地位的物料處于主導地位的物料 表征該物料的參數為主動量表征該物料的參數為主動量F F1 1（主流量）（主流量）從物料從物料-隨主物料的變化呈

7、比例的變化的另一種物料隨主物料的變化呈比例的變化的另一種物料 表征該物料的參數表征該物料的參數從動量從動量F F2 2 （副流量副流量）12FFK 流量比值副流量主流量比值控制系統的類型n單閉環比值控制系統單閉環比值控制系統F1CF2CF1F2F2執行器控制器F2C比值器對 象F1副測量變送主測量變送特點特點-兩種物料流量之比較為精確，系統結構簡單，實施方便。兩種物料流量之比較為精確，系統結構簡單，實施方便。不足不足-兩種物料兩種物料的總量（的總量（F1F1F F）不固定。）不固定。 比值控制系統的類型n單閉環比值控制系統與串級控制系統比較單閉環比值控制系統與串級控制系統比較F2執行器控制器F

8、2C比值器對 象F1副測量變送主測量變送副對象設定值控制閥主控制器干擾測量變送副控制器主對象干擾測量變送設定值主變量n雙閉環比值控制系統比值控制系統的類型F1執行器給定主流量控制器主流量對象主測量、變送副測量、變送K副流量控制器副流量對象執行器F2KF1CF2CF1F2特點特點-兩種物料流量之比精確，兩種物料流量之比精確，其其總量（總量（F1F1F F）基本保持不變。）基本保持不變。不足不足-系統結構比較復雜，使用的儀表較多，投資較大，系統調整比較復雜。系統結構比較復雜，使用的儀表較多，投資較大，系統調整比較復雜。使用場合使用場合-主流量干擾頻繁，工藝不允許有較大波動或工藝上經常需要提升負主流

9、量干擾頻繁，工藝不允許有較大波動或工藝上經常需要提升負 荷的場合。荷的場合。n變比值比值控制系統變比值比值控制系統比值控制系統的類型TF2F1TTTCFCFT1FT2比值控制器主控制器控制閥流量對象主對象測量變送器F2Y干擾除法器測量變送器測量變送器F1特點-兩種物料流量的比值能靈活地隨第三變量的需要而變化。比值控制系統的設計n主、從動量的確定n控制方案的選擇n比值系數的計算生產過程中主要物料的流量為主動量，生產過程中主要物料的流量為主動量，次要物料的流量為從動量次要物料的流量為從動量。兩物料中有一個物料的量為可測但不可控為兩物料中有一個物料的量為可測但不可控為主動量，可控的物料為從主動量，可

10、控的物料為從動量。動量。根據各控制方案的特點及工藝的具體情況而確定根據各控制方案的特點及工藝的具體情況而確定。 (或) 12IIK 12PP12/FFK max2max1FFKKmax22max12FFKK流量比值信號比值非線性關系線性關系前饋控制系統n前饋控制系統與反饋控制比較干擾設定測量變送反饋控制器執行器被控變量對象 前饋控制比反饋控制及時有效前饋控制比反饋控制及時有效 前饋控制屬于開環控制系統，反饋控制是閉環控制系統前饋控制屬于開環控制系統，反饋控制是閉環控制系統 前饋控制使用的實施對象特性而定的專用控制器，反饋控制采用通用前饋控制使用的實施對象特性而定的專用控制器，反饋控制采用通用

11、PIDPID控制器控制器 一種前饋作用之能克服一種干擾，反饋控制只用一個控制器就可克服多一種前饋作用之能克服一種干擾，反饋控制只用一個控制器就可克服多 個干擾個干擾對象被控變量干擾前饋控制器測量變送執行器前饋控制系統的幾種結構形式n靜態前饋控制系統前饋控制器的輸出信號是是干擾量和時間的函數。而當干擾通道和控制前饋控制器的輸出信號是是干擾量和時間的函數。而當干擾通道和控制通道動態特性相同時，便可按靜態關系確定前饋控制作用。通道動態特性相同時，便可按靜態關系確定前饋控制作用。 如果主要干擾是進料流量的波動如果主要干擾是進料流量的波動，為了達到靜態補償應滿足下式成立：，為了達到靜態補償應滿足下式成立

12、：0)(fpmKKKF pfmKKK式中式中KpKp控制通道放大系數控制通道放大系數 KfKf干擾通道放大系數干擾通道放大系數 KmKm前饋放大器放大系數前饋放大器放大系數對象被控變量干擾前饋控制器測量變送執行器KmFCF1F2n動態前饋控制系統前饋控制系統的幾種結構形式 動態前饋與靜態前饋從控制系統的結構上看是一樣的，只是前饋控制器的控制規律不同。動態前饋要求控制器的輸出不僅僅是干擾量的函數，而且也是時間的函數。要求前饋控制器的校正作用使被控變量的靜態和動態誤差都接近或等于零。 tFFTba前饋控制系統的幾種結構形式n前饋-反饋控制系統特點：特點：吸收前饋與反饋控制的優點，即前饋控制作用及時

13、的優點及反吸收前饋與反饋控制的優點，即前饋控制作用及時的優點及反饋控制能克服多個擾動和具有對被控參數進行反饋檢測的長處。饋控制能克服多個擾動和具有對被控參數進行反饋檢測的長處。實例FTFFCTTTCTT0FG控制閥對象設定測量變送反饋控制器前饋控制器測量變送被控變量干擾前饋控制系統的應用場合 n 系統中存在著可測但不可控的變化幅度大，且頻繁的系統中存在著可測但不可控的變化幅度大，且頻繁的 干擾，這些干擾對被控參數影響顯著，反饋控制達不干擾，這些干擾對被控參數影響顯著，反饋控制達不 到質量要求時。到質量要求時。n 當控制系統的控制通道滯后時間較長，由于反饋控制當控制系統的控制通道滯后時間較長，由

14、于反饋控制 不及時影響控制質量時，可采用前饋或前饋反饋控不及時影響控制質量時，可采用前饋或前饋反饋控 制系統制系統 。均勻控制系統n均勻控制系統的基本概念均勻控制是在連續生產過程中各種設備前后緊密聯系的情況下均勻控制是在連續生產過程中各種設備前后緊密聯系的情況下提出來的一種特殊的液位（或氣壓）提出來的一種特殊的液位（或氣壓）流量控制。其目的在于流量控制。其目的在于使液位保持在一個允許的變化范圍，而流量保持平穩。使液位保持在一個允許的變化范圍，而流量保持平穩。LCFC1塔1塔22均勻控制系統小小 結：均勻控制系統，是指兩個工藝參數在規定范圍內能緩慢地、結：均勻控制系統，是指兩個工藝參數在規定范圍

15、內能緩慢地、均勻地變化，使前后設備在物料供求上相互兼顧，均勻協調的系統。均勻地變化，使前后設備在物料供求上相互兼顧，均勻協調的系統。構成均勻控制系統，液位和流量兩個參數的變化應滿足如下要求：構成均勻控制系統，液位和流量兩個參數的變化應滿足如下要求：1. 1. 兩個參數在控制過程中都應該是變化的，且變化是緩慢的。兩個參數在控制過程中都應該是變化的，且變化是緩慢的。 2. 2. 兩個參數必須在允許的范圍內變化，均勻控制要求在最大干擾作用下，兩個參數必須在允許的范圍內變化，均勻控制要求在最大干擾作用下，液位在塔釜的上下限內波動，而流量應在一定的范圍內平穩漸變，避免液位在塔釜的上下限內波動，而流量應在

16、一定的范圍內平穩漸變，避免對后段工序產生較大的干擾。對后段工序產生較大的干擾。均勻控制系統n簡單均勻控制系統LC特點特點-結構與單回路液位控制系統相同結構與單回路液位控制系統相同 控制規律采用純比例控制控制規律采用純比例控制 參數整定比例度大于參數整定比例度大于100%100%均勻控制系統n串級均勻控制系統FCLC 特點：特點： 結構與串級控制系統完全相同結構與串級控制系統完全相同 副環流量控制與串級副環相同副環流量控制與串級副環相同 副環參數整定與串級對副環的要求相同副環參數整定與串級對副環的要求相同 主控制器與簡單均勻控制要求相同主控制器與簡單均勻控制要求相同 主、副控制器一般都采用純比例

17、控制規律主、副控制器一般都采用純比例控制規律分程控制系統變送器控制器電氣20100KPaAB60100 KPa2060 KPa20100KPa由一個控制器的輸出信號分段分別去控制兩個或兩個由一個控制器的輸出信號分段分別去控制兩個或兩個以上控制閥動作的系統稱為分程控制系統以上控制閥動作的系統稱為分程控制系統 分程控制系統10020601000閥壓/kPa閥開度(%)20601000閥壓/kPaB閥閥開度(%)100B閥A閥A閥10020601000閥壓/kPa閥閥閥開度(%)BA20601000閥壓/kPaA閥B閥閥開度(%)100分程控制方案中，閥的開閉形式，可分同向和異向兩種 氣開氣閉分程控

18、制系統的應用n 用于擴大控制閥的可調范圍用于擴大控制閥的可調范圍例 1可調比：閥所能控制的最大流量與最小流量之比minmaxQQR 控制器AB 4maxAQ100maxBQ設：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：且兩個閥的可調范圍相等： RA=RB=30若忽略大閥的泄露則其最小流通量為：134. 0304maxminAAARQQ最大流通能力為：maxAQ+1041004maxBQ所以兩個閥組合在一起的可調范圍擴大到： 780134. 0104R分程控制系統的應用n 用于控制滿足工藝上操作的特殊要求用于控制滿足工藝上操作的特殊要求例 2間歇式反應器的溫度分程控制冷水TC蒸汽“B”

19、氣開閥“A”氣關閥1000.020.060.1“B”“A”0MPa氣關閥氣開閥閥開度(%)氣開氣關反分程控制系統的應用例 3n 用于控制滿足工藝上操作的特殊要求用于控制滿足工藝上操作的特殊要求PC排空氣關閥“B”“A”氣開閥N2N21000.020.060.1“B”“A”0MPa氣關閥氣開閥閥開度(%)分程控制系統n 分程控制應用中的幾個問題分程控制應用中的幾個問題 控制閥的泄漏量問題 控制閥流量特性的選擇除考慮對象特性外更應注意在分程點處控制 閥的放大系數可能出現突變 分程控制控制器控制規律的選擇及其參數整定可參照簡單控制系統處理 選擇性控制系統非正常工況一般采取的處理方法有兩種：非正常工況一般采取的處理方法有兩種：連鎖保護緊急性停車連鎖保護緊急性停車自動切換至手動自動切換至手動選擇性控制系統選擇性控制系統-當生產操作趨向限制條件時，一個用于控制不安當生產操作趨向限制條件時，一個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，直到生產操作重新回全工況的控制方案將取代正常情況下的控