第八章复杂控制系统新

冷剂
举例 阀：被冷却物料温度不允许过 低，因此阀信号中断时， 阀应关死，选气开阀。 副控制器：阀为“+”，PT为“+”， 副 对象为“+”。 控制器为“-”。因此，选反作用控制器。 主控制器：副变量增大时阀要关小。主变量增大时要开大阀门。 两者要求相反，故选正作用控制器。 最后确定：控制阀应选气开阀；副控制器应选反作用； 主控制器应选正作用。
2.非线性流量信号（如差压式流量计） 因为Q² =△P Q² I =
所以
I = kQ² +C
同理得出非线性流量信号比值系数计算公式
Q 主max K K 2 Q 从 max
2
2
第五节
前馈控制系统
一、基本概念 前面我们研究的是反馈控制系统采用的是闭环结构。由于 偏差是干扰作用形成后才产生，按偏差的大小进行控制的。 前馈控制是按引起被控变量变化的干扰大小进行控制的。 换热器为例
最后确定：控制阀应选气开阀；副控制器应选反作用； 主控制器应选反作用。
第二节 均匀控制系统
一、均匀控制的目的 为解决连续生产过程中前后设备 甲 供求之间的矛盾而设臵的。 均匀控制系统：用来保持前后两 个设备供求间的被控变量在规定 范围内缓慢、均匀变化的系统。
液 流 位 量
2
FC LT LC FT
乙
执行器
炉膛
t2
炉管
原料
t1
测量变送器 测量变送器
工艺控制图 根据炉膛温度的变化，来预先控制燃 料量，然后再根据炉出口温度与给定 值之差再控制燃料量，以使炉出口温 度恒定。 构成了以炉出口温度为被控参数的温 度控制器与炉膛温度控制器串联在一 起的串级控制系统。
2.串级控制系统中常用名词
二次干扰 给定值 主控制器 副控制器 调节阀 副对象 副参数 一次干扰 主对象 主参数
3.双闭环比值控制系统
优点： 实现了主、副流量定值控制。也实现了比较精确的流量 比值。确保了两物料总量不变。适应生产负荷的变化。
缺点：结构复杂，用仪表多，投资较大，系统调整比较麻烦。 适用场合：主物料干扰频繁，工艺上不允许负荷变化太大。 三、比值系数的计算 工艺上规定的比值，是两个流量的质量或体积流量之比。而 仪表使用的是统一的标准信号。必须把工艺上要求的比值换 算成仪表上的比值系数K才能进行设定。 1.线性流量信号 流量0 ~ Qmax 对应仪表信号4~20mA（Ⅲ型仪表） （如转子流量计、电磁流量计等）
1 图15-10 前后精馏塔的供求关系
液 流 位 量
1 2
1.液位变化曲线
2
1
t2.流量变化曲线源自t二、均匀控制方案 1.简单均匀控制 如果将控制器LC的控制规律中的比例度 不要太小，积分时间大一些。控制作用 弱，两个参数都会平稳变化。如图（a） 所示。 优点： 结构简单，成本低廉。 适用于：干 扰不大，要 求不高的场 合。
两式相减得：
CP (t 2 t1 ) Q1 Q2 L
前馈控制实施方案如图：
KQ1
能使Q2与Q1成比例变化，就能实现静态补偿。
C p (t2 t1 ) L
如图采用前馈控制，进料流量变化， 测出后送给前馈控制器FY，按一定 的控制规律去操纵蒸汽阀，以补偿进 料流量的变化对出口的影响。
前馈控制补偿过程如图所示 从图中可看出前馈控制是一种开环控 制回路。不存在测量与给定的比较。
控制作用
干扰作用
前馈、反馈区别点； 1.前馈是开环控制系统，反馈是闭环控制系统。 2.系统检测的信号不同，反馈控制检测的是被控变量；前馈 控制检测信号是干扰量。 3.控制系统的依据不同，反馈控制基于偏差大小；前馈控制 基于干扰大小进行控制。
忽略换热器的热损失得：
Q1C p (t2 t1 ) Q2 L
式中：Q1 Q2—进料流量，蒸汽流量； CP—被加热物料比热；
t1,t2—被加热物料的给定
温度和测量温度；
L—蒸汽冷凝热；
当进料增加Q1+△Q1时，为保持出口温度t2不变，需要Q2也 相应地变化到Q2+ △Q2得方程：
(Q1 Q1 )Cp (t2 t1 ) (Q2 Q2 )L
2.串级均匀控制 如果流量波动比较严重时设计液位与 流量串级控制。 优点：串级均匀控制，能克服较大的干扰。
适用于：系统前后压力波动较大的系统。 对流量要求比较平稳的场合。
三、系统的特点
1．前后供求的两个变量都应是缓慢变化的。 “均匀”并非平均分配，应根据前后设备大小及重要性等确定均 匀的主次，有时需要以照顾流量为主，有时以液位为主。
副回路 主回路
副测量变送器 主测量变送器
图15-6 串级控制系统的典型方框图
主变量：工艺要求控制的指标，在串级系统中起主导作用的被控量。 副变量：为稳定主参数或满足某种关系需要而引入的辅助被控变量。 主对象：生产过程中需要控制主参数的工艺设备。 副对象：需要控制副参数的工艺设备。 主控制器：按主参数测量与给定的偏差动作，输出作为副控制器的 给定。 副控制器：按副参数测量值与主控制器输出的偏差而动作，输出 直接控制执行器。 主、副测量变送器：测量主、副变量的变送器。
方框图（并写出控制通道）
上述系统的特点是把所有的干扰都包括在控制回路里，由温度 控制器来克服。控制通道长，时间常数大，容量滞后大，控制 不及时，克服干扰能力差，控制质量不高。 但发现干扰先从炉膛温度温度反映出来。我们先稳定炉膛温度， 对物料的温度是有帮助的。
D2 D3
D1
t10
控制器
t20
控制器
副回路是随动控制系统。 (2)由于副回路的快速调节作用，具有很强的抗干扰能力， 有效地克服了控制通道的滞后，大大地提高了控制质量。 (3)由于副回路的引入，改善了对象的特性，因此具有一定的 自适应能力。
三、串级控制系统副回路的设计 1．应使副回路包含较多的干扰，尤其一定要 包括主要干扰。 2．主、副变量间应有一定内在联系，副变量 选择合理可行。
2．变量应在允许范围内变化
均匀控制必须满足上述两个限制条件。
3．结构上仍然是简单控制系统或串级控制系。
能否实现主要在于控制器参数的整定。
第三节
一、概述
比值控制系统
比值控制系统：实现两个或两个以上参数符合一定比例关系 的控制系统。 流量比值控制系统：保持两种或几种流量为一定比例关系 的控制系统。
主物料：保持比值关系的两物料中，处于主导作用的物料。 主动量：表征主物料的参数，也称主流量。用Q1表示。 从物料：按主物料进行配比，控制过程中随主物料进行变化。 从动量：表征从物料的参数，或称副流量，用Q2表示。
3.串级控制系统的控制过程分析
t10
PV1
D2 D3
炉膛
D1
DV1
TC1
MV1 DV2
TC2
MV2
执行器
测量变送器
t2
炉管
原料
t1
PV2
测量变送器
炉温不允许过高，气源中断时，阀要关死，因此阀选气开式。 副控制器选反作用。主控制器选反作用。 ①当干扰作用于副回路（D2.D3出现）：假设干扰使t2温度升高 t2↑ → PV2 ↑ → DV2↑ → MV2 ↓ → 阀↓ →
在这个串级系统中，内部回路起了预报作用，进行了“粗调”。 而炉出口温度完成“细调”的任务，以保证被控变量满足工艺 的要求。
二次干扰 给定值 主控制器 副测量变送器 主测量变送器 图15-6 串级控制系统的典型方框图 副控制器 调节阀 副对象 副参数
一次干扰 主对象 主参数
二、串级控制系统的特点
(1)有两个控制回路：主回路是定值控制系统，
主变量调节过程结束时不应有余差， 主控器一般选PI或PID。 副控制器一般不引入积分控制作用， 不能加微分，否则会使调节阀动作 过大，对控制不利。
2. 主、副控制器正、反作用的选择 副控制器的选择：按简单控制系统选； 主控制器的选择：主、副变量同时增加（或减小），由工艺 分析要求调节阀的动作方向一致时，主控制器选反作用；反 之，动作方向不一致，则应选正作用。
-
2.单闭环比值控制系统 为了克服开环比值控制系统的弱点，设计单闭环比值控制系统。
F1C
当主流量Q1变化时，其信号经测量变送器送至比值器FY。比值器 按预先设定好的比值使输出成比例地变化。 当主流量没变而副流量发生了变化，副回路是一定值控制系统， 可以控制稳定下来，使流量比值仍能保持不变。
优点： 实现副流量跟随主流量变化而变化，克服副流量本身 对干扰对比值的影响，因此主、副流量的比值较为准 确，结构形式较简单，实施较方便。 使用场合：从动量经常波动的场合。
3．应使主、副对象时间常数相匹配，防止 “共振效应”出现。 时间常数之比一般为T主/T副=3 — 10之间 如果T副较大会动作缓慢，易出现共振。 如果T副较小会漏掉主要干扰。
4. 当对象具有较大纯滞后而影响质量时，副回路应尽量少包括 纯滞后或不包括纯滞后。
四、主、副控制器的选择 1.主、副控制器控制规律的选择
I = kQ + C
当Q = 0 当Q = Qmax I = 4mA I = 20mA 所以 C = 4 所以k = 20-4 / Qmax
任意中间值Q所对应的输出电流为
16 I Q4 Qmax
若工艺要求Q从/Q主=K
I4 Q 16Qmax
Q主 max K K Q从 max
I 从 4 Q从 max K I 主 4 Q主max
二、比值控制系统的类型
1.开环比值控制系统： 当主要物料Q1受干扰变化时Q1的变化信号 测出并与给定值相比较，根据偏差控制器 发出较正信号，改变从动物料的阀门开度 使Q2随Q1变化，使两者保持比例关系， （Q2/Q1=K）。 优点：结构简单，使用仪表少。 使用于：从动物料稳定 的场合
给定
控制器 执行器 测量变送 对象 Q1 Q2