第八章

復雜控制系統

單回路控制系統（簡單控制系統）：在一般情況下能夠滿足生產控制要求。特殊情況：系統干擾因素多、干擾劇烈，以及工藝特殊要求—復雜控制系統復雜控制系統主要有：串級控制系統比值控制系統均勻控制系統前饋控制系統選擇控制系統分程控制系統多沖量控制系統等1第一節串級控制系統例：管式加熱爐出口溫度的單回路控制系統出口溫度原料燃料TC控制好溫度可延長爐子壽命，防止爐管燒壞；可保證后面精餾分離的質量。2第一節串級控制系統例：管式加熱爐出口溫度的單回路控制系統出口溫度原料燃料TC存在的問題？在實際生產過程中，特別是當加熱爐的燃料壓力或燃料本身的熱值有較大波動時，該簡單控制系統的控制質量往往很差，原料油的出口溫度波動較大，難以滿足生產上的要求。

3解決方法－以原料油出口溫度為主要被控變量的爐出口溫度與爐膛溫度的串級控制系統

出口溫度原料燃料T1CT2C爐膛溫度分析工作過程。主控制器副控制器控制閥副對象主對象主測量變送副測量變送T1CT2CT1測量變送T2測量變送主變量干擾2干擾1--給定值副變量1、方塊圖42、串級控制系統的特點主控制器副控制器控制閥副對象主對象主測量變送副測量變送主變量干擾2干擾1--給定值副變量在系統結構上，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(串接工作)；有兩個測量變送器。有兩個變量：主變量，副變量。5串級控制系統的特點-2主控制器副控制器控制閥副對象主對象主測量變送副測量變送主變量干擾2干擾1--給定值副變量在系統特性上，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。6串級控制系統的特點-3主控制器副控制器控制閥副對象主對象主測量變送副測量變送主變量干擾2干擾1--給定值副變量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。可應用于負荷和操作條件變化較大的場合。73、串級控制系統副變量的選擇及副回路的設計選擇串級控制系統的副變量一般有兩類情況：

一類情況是選擇與主變量有一定關系的某一中間變量作為副變量;

另一類選擇的副變量就是操縱變量本身,這樣能及時克服它的波動,減小對主變量的影響。83、串級控制系統副變量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。94、主、副控制器控制規律的選擇主變量是生產工藝的主要操作指標，要求比較嚴格，一般不允許有余差，副變量是粗調，一般要求不嚴格，允許有波動和余差。主控制器（定值控制）一般選擇比例積分控制規律，有時為了克服對象滯后，也加入微分作用；副控制器（隨動控制）力求快速反應，所以，一般不加入積分作用，只選擇比例控制規律；只要主控制器有積分規律，主變量就可以保證沒有余差，不管干擾出現在什么位置；105、主、副控制器正反作用的選擇選擇順序：先副后主副控制器：副回路按單回路獨立考慮，與主回路沒有關系，即從穩定性考慮，開環放大倍數必須為“負”。要求，知道副對象的正反作用，以及執行器的正反作用。主控制器：考慮主環內各個環節的正反作用。主控制器、主對象，以及副回路。副回路可以看作是一個符號為“正”的環節——隨動系統，跟蹤主控制器的輸出。因此，主控制器的符號主要取決于主對象的符號，即，主對象為“正”，則主控制器取“反”作用，主對象為“負”，則主控制器取“正”作用。11舉例：主、副控制器正反作用的選擇出口溫度原料燃料T1CT2C爐膛溫度＋＋＋－－圖中：“＋”號表示正作用；“－”號表示反作用；12串級與主控的切換條件串級→主控：用主控制器代替原副控制器的輸出，直接控制控制閥。主控→串級：用副控制器代替原主控制器的輸出，直接控制控制閥。無論哪種切換，必須保證閥的控制方向正確——直接切換條件。13串級與主控的切換條件－續副控制器為反作用（負）：正偏差→輸出減小、負偏差→輸出增大主控制器輸出增加→副控制器負偏差，輸出增加——對控制閥的方向沒有影響主控制器輸出減小→副控制器正偏差，輸出減小——對控制閥的方向沒有影響可見，此時主、副控制器輸出信號變化一致。副控制器為正作用（正）：此時主、副控制器輸出信號變化不一致。直接切換條件：副控制器必須為反作用。因此，在控制閥氣開閉形式可任選的情況下，應選擇使得副控制器為反作用，可直接切換。146、系統工程整定方法逐步逼近法、兩步法、一步法；先副環，后主環。（1）兩步法分兩步整定兩個控制器A、主環控制器比例度100%，積分時間最大，微分時間最小，按4：1整定方法直接整定副環，確定副環4：1振蕩過程時的比例度和振蕩周期；B、放好副控制器4：1的比例度，積分時間最大，微分時間最小，同樣方法整定主控制器，確定副環4：1振蕩過程時的比例度和振蕩周期；C、按照得到的四個參數，可按單回路系統的公式計算PID參數；D、先副后主、先比例次積分后微分投入，再小范圍調整。15（2）一步法主要整定主控制器，比兩步法簡單、實用。A、副控制器參數經驗設置值；B、按單回路方法直接整定主控制器；C、觀察控制過程，適當調整主控制器K值，或適當調整副控制器的參數。167、串級控制系統適應場合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；控制系統內存在變化激烈且幅值很大的干擾；被控對象具有較大的非線性，而負荷變化又較大；17第二節均勻控制系統一、均勻控制系統的基本概念甲、乙兩塔間的供求關系出現了矛盾。中間儲罐，緩沖作用；自動控制模擬前后精餾塔的供求關系

1—出料閥；2—小閥均勻控制的目的甲塔:為了穩定操作需保持塔釜液位穩定，必然頻繁地改變塔底的排出量。乙塔：從穩定操作要求出發，希望進料量盡量不變或少變。18第二節均勻控制系統一、均勻控制系統的基本概念為了解決前后工序供求矛盾，達到前后兼顧協調操作，使液位和流量均勻變化，組成的系統稱為均勻控制系統。前后精餾塔的供求關系

1—出料閥；2—小閥均勻控制的目的甲塔:為了穩定操作需保持塔釜液位穩定，必然頻繁地改變塔底的排出量。乙塔：從穩定操作要求出發，希望進料量盡量不變或少變。19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：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、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。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。

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，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，避免對后段工序產生較大的干擾。20二、簡單均勻控制系統結構與單回路液位控制系統相同；液位與流量協調變化用控制器控制規律實現；控制規律采用純比例控制，參數整定比例度大于100%；加積分、積分時間常數要大；不能加微分。21三、串級均勻控制系統FCLC

特點：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、副控制器一般都采用純比例控制規律。簡單均勻控制缺點：壓力干擾→流量變化→液位變化→液位控制。

控制不及時22第三節比值控制系統比值控制系統：實現兩個或兩個以上參數符合一定比例關系的控制系統。流量比值較多。主物料-----處于主導地位的物料表征該物料的參數為主動量Q1（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從動量Q2

（副流量）流量比值副流量主流量23比值控制系統的類型一、開環比值控制系統FCQ1Q2控制器控制閥對象Q2測量變送Q1給定整個控制系統處于開環狀態，Q2流量根據Q1流量，按比例系數開閉閥門。無論Q1或Q2均沒有流量自我穩定（自控）作用，特別是Q2必須要求管道壓力不發生波動，才能實現比值控制作用。這種方案應用較少。24二、單閉環比值控制系統在開環比值控制系統的基礎上，增加了一個副流量的閉環控制系統。F1CF2CQ1Q2從方塊圖上看，與串級控制系統的結構相似，只是主參數沒有閉環，Q2不影響Q1

副流量系統閉環，穩定副流量，定值控制。結構簡單，特別是在主流量參數工藝不能控制的場合實施。Q2Q1給定控制器F1C控制器F2C執行器對象主測量變送副測量變送25單閉環比值控制系統與串級控制系統比較主控制器副控制器控制閥副對象主對象主測量變送副測量變送主變量干擾2干擾1--給定值副變量Q2Q1給定控制器F1C控制器F2C執行器對象主測量變送副測量變送26三、雙閉環比值控制系統KF1CF2CQ1Q2Q2Q1給定主控制器F1C副控制器F2C執行器主流量對象主測量變送副測量變送K執行器副流量對象在單閉環比值控制系統的基礎上，增加了主流量控制回路。由于主流量控制回路的存在，實現了主流量定值控制，克服了對主流量的干擾的影響另一個優點是，提升主負荷比較容易，緩慢改變主控制器的給定值。缺點：使用的儀表較多，另外，若主副回路工作頻率相近時，容易產生共振。27變比值比值控制系統（自學）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。定比值控制方案只能克服流量干擾對比值的影響，當其它參數存在對比值系數的擾動時，必須時時修正比值系數，變比值控制例如：變換爐的半水煤氣與水蒸氣的變比值控制系投，比值系數要能隨一段觸煤層溫度的變化而變化。見教材圖8-19。28變比值比值控制系統（自學）例如：變換爐的半水煤氣與水蒸氣的變比值控制系投，比值系數要能隨一段觸煤層溫度的變化而變化。見教材圖8-19。變比值控制系統29第四節前饋控制系統反饋控制：干擾造成影響后進行控制，干擾頻繁、滯后大→控制不及時。前饋控制：干擾產生就進行控制，已知主要干擾時。一、概述30前饋控制系統與反饋控制比較執行器測量變送-偏差ez測量值給定值x控制器被控變量yf干擾作用對象執行器測量變送-前饋控制器被控變量f干擾作用對象前饋控制系統反饋控制系統31前饋控制的特點（1）按干擾作用的大小進行控制——提前，控制及時。前饋與反饋的控制比較。（2）前饋控制屬于開環控制。系統方塊圖。開環控制，控制效果不能通過反饋驗證，因此對控制器設計的要求比較嚴格32前饋控制的特點－續（3）是一種根據對象特性設計的“專用”控制器。不象反饋控制通用PID算法，前饋控制算法依對象不同而不同。前饋控制器設計依據“擾動補償理論”。33二、前饋控制系統的幾種結構形式

（1）單純前饋控制靜態前饋34（1）單純前饋控制（續）

動態前饋：動態補償環節35（2）前饋—反饋控制

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。實例36三、前饋控制系統的應用場合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，反饋控制達不到質量要求時。當控制系統的控制通道滯后時間較長，由于反饋控制不及時影響控制質量時，可采用前饋或前饋－反饋控制系統。主要干擾是可測不可控的干擾。37第五節選擇性控制系統（自學）兩種系統保護措施硬保護：極限情況下，聲光報警，轉入人工控制或停車；軟保護：極限情況下，轉入另一種控制模式，進行自動處理——選擇性控制系統。根據處理方法不同，選擇性控制系統可以分為三類；開關型選擇性控制系統：由限位信號切斷控制器輸出；連續型選擇性控制系統：由限位信號切換為另一個控制器輸出給執行器；