18 复杂控制系统
第八章复杂控制系统
均匀控制的特点
• 不同于常规的定值控制系统，而对被控变量(CV)与控制变量 (MV)都有平稳的要求；
• 为解决CV与MV都希望平稳这一对矛盾，只能要求CV与MV都 渐变。均匀控制通常要求在最大干扰下，CV在上下限内波动， 而MV应在一定范围内平缓渐变。
• 均匀控制指的是控制功能，而不是控制方案。因为就系统的结 构来看，有时象简单控制系统，有时象串级控制系统。所以要 识别控制方案是否起均匀控制作用，应从控制的目的进行确定。
服掉的干扰影响能彻底加以克服。 因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，充 分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。
zhm07@
串级控制系统的特点及应用范围：
(1) 从系统结构来看，串级控制系统有主、副两个闭合回路；有 主、副两个控制器；有分别测量主变量和副变量的两个测量变送器。
zhm07@
比值控制方案1：开环比值控制系统
给定
控制器
－
执行器 测量、变送
开环比值控制系统方块图
对象
Q2
Q1
• 主、副流量均开环；
• 由于系统开环，该方案对副流量Q2无克服干扰的能力，只适用 于副流量较平稳且比值要求不高的场合。
zhm07@
比值控制方案2：单闭环比值控制系统
控制器
－
控制阀B
测量、变送
分程控制系统方块图
对象
zhm07@
分程控制的种类
100
阀
门
A阀
开
B阀
度
％ 阀压kPa
(a)
100
阀 门 开 度 ％
两阀同向动作
A阀
B阀
阀压kPa
(b)
100
复杂控制系统
21 简洁把握系统一、概述1、单回路把握系统——简洁把握系统：在一般状况下能够满足生产把握要求。
特别状况：系统干扰因素多、干扰变化猛烈，以及工艺特别要求。
2、简洁把握系统——串级把握系统、比值把握系统、均匀把握系统、前馈把握系统、选择把握系统、分程把握系统等简洁系统--随着把握理论与工业应用的进展，包含的内容也不同，例如简洁大系统--人口系统，环境把握，能源把握，企业生产经营把握等。
3、多回路系统多回路系统特征：基于 PID 把握策略；由多个把握回路组成的系统。
4、多回路系统的进展80-90%把握系统是基于 PID 把握的系统，包括多回路系统。
多回路系统应用状况以乙烯生产厂为例，它共有 421 个把握回路其中：常规 PID 单回路 347 个，串级、比值等 74 个〔串级 24〕多回路系统占 17.5%。
二、串级把握系统的构成加热炉是工业生产中常用设备之一。
工艺要求被加热物料的温度为某确定值，因此选取加热炉的出口 温度为被控变量，选取燃料量为操纵变量，构成图5-1 （a ） 所示的单回路把握系统。
影响炉出口温度的因素很多，主要有：被加热物料的流量和炉前温度变化[f (t)]；燃料热值的变化、压 1力的波动[f (t)]；烟囱挡板位置的转变、抽力的变化 2[f (t)]等。
图 5-1〔a 〕系统的特点是，全部对被控变 3量的扰动都包含在这个回路之中，并都由温度把握器来 抑制。
但是把握通道的时间常数和容量滞后较大，把握作用不用准时，系统抑制扰动的力气较差，不能满足工艺的要求。
为此，另外选择，炉膛温度为被控变量，燃 料量为操纵变量，设计图 5-1〔b 〕所示的单回路把握系统，以维持炉口温度为某确定值。
该系统的特点是对于扰动[f (t)] 、[f 2 (t)]能准时有效地抑制，但是扰动 3[f (t)]未包括在系统内，系统不能抑制扰动[f 1 (t)]对 1 炉出口温度的影响，照旧不能到达生产工艺要求。
第八章 复杂控制系统
♦ 根据处理方法不同，选择性控制系统可以分为
三类；
– 开关型选择性控制系统：由限位信号切断控制器输 出； – 连续型选择性控制系统：由限位信号切换为另一个 控制器输出给执行器； – 混合型选择性控制系统：采用两个限制信号，同时 进行上述两种控制。
1 开关型选择性控制系统
2 连续型选择性控制
连续型选择性控制在结构上的最大特点是有一个选择 通常是两个输入信号，一个输出信号, 如图所示： 器，通常是两个输入信号，一个输出信号, 如图所示： 对于高选器，输出信号Y等于Xl X2中数值较大的一个 Xl和 中数值较大的一个， 对于高选器，输出信号Y等于Xl和X2中数值较大的一个， X1=5mA,，X2=4mA， Y=5mA。对于低选器，输出信号Y 如X1=5mA,，X2=4mA，则Y=5mA。对于低选器，输出信号Y 等于Xl X2中数值较小的一个 高选器时， Xl和 中数值较小的一个。 等于Xl和X2中数值较小的一个。高选器时，正常工艺情 况下参与控制的信号应该比较强，如设为XI XI， X1应明 况下参与控制的信号应该比较强，如设为XI，则X1应明 显大于X2 出现不正常工况时，X2变得大于X1， X2。 变得大于X1 显大于X2。出现不正常工况时，X2变得大于X1，高选器 输出Y转而等于X2 待工艺恢复正常后，X2又下降到小于 X2。 输出Y转而等于X2。待工艺恢复正常后，X2又下降到小于 X1， 又恢复为选择X1 X1。 X1，Y又恢复为选择X1。
2 用于控制满足工艺上操作的特殊要求
间歇式反应器的温度分程控制
100 TC
反
(%) 冷水 阀 开 度
气 关 阀 开
气
“A”气关阀
“A” 蒸汽 0 0.02
阀 “B”
气关
复杂过程控制系统
EXIT
第14页
过程控制及仪表
2．相对增益
在多变量过程控制系统中，虽然变量间相互关联，然而 总有一个操纵变量对某一被控变量旳影响是最基本旳， 对其他被控变量旳影响是次要旳，这就是操纵变量与被 控变量间旳搭配关系，也就是常说旳变量配对。
相对增益便是用来衡量一种选定旳操纵变量与其配正 确被控变量间相互影响旳尺度。
EXIT
第13页
过程控制及仪表
该系统中被控变量有两个，分别是塔顶温度T1 和塔底 温度T2；操作变量也有两个，即加热蒸汽流量Q2和回流 Q3。
T1C为塔顶温度控制器，其输出P1控制回流控制阀， 控制塔顶旳回流量，实现对塔顶温度T1旳控制。
T2C为塔底温度控制器，其输出P2控制再沸器加热蒸 汽控制阀，控制加热蒸汽流量Q2，实现对塔底温度T2旳 控制。
EXIT
第20页
过程控制及仪表
2．教授系统旳特点
教授系统经过移植到计算机内旳相应知识，模拟人类教 授旳推理决策过程。这一人工智能处理措施与常规旳软 件程序相比，具有如下旳明显特征：
1）教授系统是一种知识信息处理系统。 2）教授系统具有高度灵活旳问题求解能力。
3）教授系统具有启发性和透明性。
EXIT
第4页
EXIT
过程控制及仪表
根据其设计原理和构造旳不同，主要涉及： 增益调度自适应控制; 模型参照自适应控制系统; 自校正控制系统等。
EXIT
第5页
过程控制及仪表
1．增益调度自适应控制
这是一种最为简朴旳自适应控制系统，主要经过监测 过程旳运营条件来变化控制器旳参数，以此补偿系统 受环境等条件变化而造成对象参数变化旳影响，故称 为增益调度自适应控制。
第21页
过程控制及仪表
复杂控系统总结及心得
控制系统学习总结：在这个学期的学习中，我们一共学习了两章内容，第一章是复杂控制系统；第二章是其他控制系统。
主要内容有串级、比值、均匀、分程、选择、前馈等控制系统和新型控制系统。
在学习的过程中，我了解到所谓复杂控制系统，就是指具有多个变量或两个以上测量变送器或两个以上控制器或两个以上控制阀组成的控制系统。
采用复杂控制系统对提高控制品质、扩大自动化应用范围，起着关键性作用。
串级控制系统将两个调节器串联在一起工作，各自完成不同的任务的系统，主要用于对象容量滞后较大、系统内存在变化剧烈幅值大的干扰和对象具有较大的非线性并负荷变化大等采用简单控制系统无法满足要求的情况下。
均匀控制系统的目的是前后设备之间无量供求平衡，通常液位和流量兼顾。
均匀控制系统的特点是比力度的积分时间比较大，控制作用弱。
比值控制系统主要是保持两种物料流量成一定的比例关系，分为定比值控制和变比值控制两类。
在控制器参数整定上，要求从动量回路快速准确的跟踪主动两回路。
前馈控制系统是按照干扰进行控制的开环控制系统，他必反馈控制及时，理想的前馈控制可以得到完全补偿，但实际难以实现，所以常采用前馈——反馈控制系统，以便得到较满意的效果。
前馈控制分为静态前馈和动态前馈两种形式，前者简单，易于实现；后者前馈效果更好，但须整定多个参数。
选择性控系统是在系统中设有两个控制器或两个以上变送器，通过选择器选出能适应生产安全状况的控制信号，实现生产过程的自动控制。
分程控制系统是将一个控制器的输出分为若干个信号范围，由各个段的信号去控制相应的控制阀，从而实现一个控制器对多个控制阀的控制，有效地高了过程控制系统的控制能力。
新型控制系统被控过程是多输入多输出的多变量系统，且变量之间互相耦合；被控过程的数学模型难以精确获得或具有明显的时变性；③控制算法丰富,不只局限于PID形式，系统的目的不是简单地实现输出控制；控制工具不再是简单的模拟式控制器，而是采用各种大、中、小、微型计算机。
化工仪表及自动化课件第七章__复杂控制系统。
给定值
主控制器
副控制器
燃料 原料
执行器
f2
f1
Y Y 副对象
2 主对象
1
副测量、变送器
主测量、变送器
三、串级控制系统的特点
● 在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引入，改 善了对象特征，使控制过程加快，具有超前控制的作用。
单回路控制系统
F2
F1
X
控制阀
控制阀
对象2
Y 对象1
a
b
c
测量变送
X
主控制
f2
f1
主控制器
副控制器 控制阀
r1
u1
u2
Q
c2
c1
Gc1
Gc 2
Gv
Gp2
G p1
副回路
主回路
副变送器
y2
Hm2
副对象 主对象
主变送器
y1
Hm1
串级控制系统方块 图
燃料 原料
管式加热炉出口温度控制系统
给定值
温度控制器
执行器
f2 f3
炉膛 T2 炉膛壁
f1
出口管 T1
温度检测变送器 系统方框图
例1
液氨蒸发器（利 用液氨的汽化需 要吸收大量热量 来冷却流管内物 料）
气氨
气氨
TC
气开阀
液氨
LS TC
气开阀 HC R 液氨
LC TC
GmL LS
Gv GmT
GL
GT
积分饱和及其防止
一个具有积分作用的控制器，当其处于开环工作状 态时，如果偏差输入信号一直存在，那么由于积分作 用的结果，将使控制器的输出不断增加或不断减小， 一直达到输出的极限值并保持在此极限值上，而控制 器暂时丧失了控制功能的现象，称为“积分饱和”现 象。
第六章复杂控制系统
“A”
N2
气开阀
N2
100
(%)
气
阀
关
开
度 “B” 阀
气 开 阀 “A”
0
0.02
0.06
0.1
MPa
分程控制系统
分程控制应用中的几个问题
• 控制阀的泄漏量问题 • 控制阀流量特性的选择除考虑对象特性外更应注意在分程点处控制
阀的放大系数可能出现突变
• 分程控制控制器控制规律的选择及其参数整定可参照简单控制系统处理
从物料--------随主物料的变化呈比例的变化的另一种物料 表征该物料的参数从动量F2 （副流量）
流量比 值
K F2 F1
副流量 主流量
比值控制系统的类型
单闭环比值控制系统
F1
F1C
F2C
F2
比值器
F2
控制器F2C
执行器
对象
副测量变送
F1 主测量变送
特点------两种物料流量之比较为精确，系统结构简单，实施方便。 不足------两种物料的总量（F1＋F２）不固定。
第六章
复杂控制系统
本章主要内容
串级控制系统（系统的基本概念、 特点、系统的设计、系 统的应用场合及应用中的问题）
比值控制系统（系统的基本概念、常用的比值控制方案及 系统的设计）
前馈控制系统（前馈控制系统的基本概念、系统的几种结构形式及 系统的应用场合）
均匀控制系统（系统的概念、控制方案） 分程控制系统（系统的基本概念、系统的应用中的几个问题） 选择性控制系统（基本概念、系统的应用、积分饱和及其防止）
对象
被控变量
前馈控制器 执行器
测量变送
干扰
被控变量
过程控制系统 第3章 复杂控制系统
• 单回路的工作频率
s 0
1
2 s
1
2 s
Tp1 Tp2
2 s
T p1T p 2
2021/6/18
1 Tp1
cs
T副
s 1＋ Tp1
Tp2
因：Tp1 Tp1 T副 Tp2
第3章 复杂控制系统
所以：cs s
20
(2)改善了对象特性，提高了工作频率
• 若串级控制系统和单回路控制系统有相同的阻尼比，则
1 Gc2 (s)Gv (s)Gp2 (s)Gm2 (s) Gc1(s)Gc2 (s)Gv (s)Gp2 (s)Gp1(s)Gm1(s) 0
•即
Tp1T副s2 (Tp1 T副)s (1 Kc1K副K p1Km1) 0
• 式中，
T副＝1
Kc2
Tp2 KvK
p2
Km2
K副＝1
Kc2K vK p2 Kc2KvK p2K
• 在这种控制方案中，如果控制阀的阀前压力波动较大，即 使阀门开度不变，仍将影响燃料油的流量大小，从而引起 炉膛温度的波动，再经过炉膛四周的排管的传热，最终影 响到被加热油料的出口温度。因而，这种控制方案的控制 通道的时间常数和容量滞后都比较大，控制作用不够及时 ，系统克服扰动的能力较差，不能满足生产工艺的要求。
2021/6/18
第3章 复杂控制系统
7
3.1.1 串级控制系统的基本原理和结构
• 如果改用图3-2所示的流量控制系统，则对温度来说是开环 的，此时对于控制阀的阀前压力等扰动，可以迅速克服， 但对于被加热油料的流量变化、燃料油的热值变化等扰动 ，却完全无能为力。
出口温度 1
FT
FC
燃料油
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? 选择串级控制系统的副变量一般有两类情况： 一类情况是选择与主变量有一定关系的某一中间变量
作为副变量; 另一类选择的副变量就是操纵变量本身,这样能及时克
服它的波动,减小对主变量的影响。
18 华北电力大学 能源工程及自动化教研室
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2.串级控制系统的工作过程
(1)干扰作用于副回路
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《化工仪表及过程控制》
第七章 复杂控制系统
授课教师：朱红路
华北电力大学 能源工程及自动化教研室
华北电力大学 可再生能源学院 能源工程及自动化教研室 华北电力大学 太阳能中心
1
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副对象 为副变量表征其特性的工艺生产设备。
主控制器 按主变量的测量值与给定值而工作，其输
出作为副变量给定值的那个控制器。
14 华北电力大学 能源工程及自动化教研室
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副控制器 其给定值来自主控制器的输出，并按副变
量的测量值与给定值的偏差而工作的那个 控制器。
内容提要
? 串级控制系统
?串级控制系统概述 ?串级控制系统的特点及应用 ?主、副控制器控制规律的选择 ?主、副控制器正反作用的选择 ?控制器参数工程整定与系统投运
? 其他复杂控制系统
?均匀控制系统
2 华北电力大学 能源工程及自动化教研室
Click to edit Master title style自动化教研室
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5 华北电力大学 能源工程及自动化教研室
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6 华北电力大学 能源工程及自动化教研室
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几个串级控制系统中常用的名词
主变量 工艺控制指标，在串级控制系统中起主导
作用的被控变量。
13 华北电力大学 能源工程及自动化教研室
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副变量
串级控制系统中为了稳定主变量或因某 种需要而引入的辅助变量。
主对象 为主变量表征其特性的生产设备。
主回路
由主变量的测量变送装置，主、副控制器， 执行器和主、副对象构成的外回路。
副回路 由副变量的测量变送装置，副控制器执行器和
副对象所构成的内回路。
15 华北电力大学 能源工程及自动化教研室
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图7-4 串级控制系统典型方块图
16 华北电力大学 能源工程及自动化教研室
10 华北电力大学 能源工程及自动化教研室
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以原料油出口温度为主要被控变量的炉出口温度与炉膛温 度的串级控制系统
图7-2 管式加热炉出口温度串级控制系统
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图7-1 管式加热炉出口温度 控制系统
8 华北电力大学 能源工程及自动化教研室
Click to edit Master第t一itl节e s串ty级le控制系统
根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度 在实际生产过程中，特别是当加热炉的燃
料压力或燃料本身的热值有较大波动时，该简单 控制系统的控制质量往往很差，原料油的出口温 度波动较大，难以满足生产上的要求。
以原料油出口温度为主要被控变量的炉出口温度与炉膛温 度的串级控制系统
图7-3 管式加热炉出口温度串级控制系统的方框图
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在上述控制系统中，有两个控制器 T1C和T2C，接收 来自对象不同部位的测量信号θ 1和θ2。T1C的输出作为 T2C的给定值，而后者的输出去控制执行器以改变操纵变 量。从系统的结构看，这两个控制器是串接工作的。
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?二、串级控制系统的特点及应用
1.系统的结构
串级控制系统有两个闭合回路。主回路是个定值控 制系统, 副回路是个随动系统。
在串级控制系统中 ,主变量是反映产品质量或生产 过程运行情况的主要工艺参数。副变量的引入往往是为 了提高主变量的控制质量 ,它是基于主,副变量之间具有 一定的内在关系而工作的。
图7-1 管式加热炉出口温度 控制系统
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原因
当燃料压力或燃料本身的热值变化后，先影响炉 膛的温度，然后通过传热过程才能逐渐影响原料油的 出口温度，这个通道容量滞后很大，时间常数约 15min 左右，反应缓慢，而温度控制器 TC是根据原料油的出 口温度与给定值的偏差工作的。 所以当干扰作用在对 象上后，并不能较快地产生控制作用以克服干扰被控 变量的影响。当工艺上要求原料油的出口温度非常严 格时，为了解决容量滞后问题，还需对加热炉的工艺 作进一步分析。
7 华北电力大学 能源工程及自动化教研室
Click to edit Master第t一itl节e s串t级yl控e 制系统
? 一、串级控制系统概述 当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，可
考虑采用串级控制系统。
举例 说明串级控制系统的结构及其工作原理
控制好温度
? 可延长炉子寿命，防止炉管烧坏 ? 可保证后面精馏分离的质量。
内容提要
?比值控制系统 ?前馈控制系统 ?分程控制系统 ?选择控制系统
3 华北电力大学 能源工程及自动化教研室
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概述
根据系统的结构和所担负的任务
复杂控制系统
串级 控制 系统
均匀 控制 系统
比值 控制 系统
分程 控制 系统
前馈 控制 系统