4复杂控制系统(1)

4.1.1串级控制系统基本结构及工作过程 串级控制是在简单控制系统基础上的改进。
例 管式加热炉是炼油、化工生产中的重要装置 之一，它的任务是把原油加热到一定温度，以保证 下道工艺的顺利进行。因此，需要控制原油加热后 的出口温度。
若用简单温控系统：
原料出口温度θ1(t)
T1T 管式加热炉
T1C
原料
燃料

出料温度 变化
管式加热炉
T1T T1C T2T T2C

T1T、 T1C
燃料
回路再改
原料
变燃料量
管式加热炉出口温度串级控制系统框图为：
x2(t)
x1
主控制器
副控制器
＋
＋
－
－
f2、f3 调节阀
温度变送器2
炉膛
温度变送器1
f1 管壁 θ2(t)
θ1(t) 原料油
标准框图为：
二次扰动
一次扰动
y1,sp
4．主、副调节器正、反作用方式的确定 对串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用 方式的选择原则依然是使系统构成负反馈。
选择时的顺序是：
1、根据工艺安全或节能要求确定调节阀的正、反 作用；
2、按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的 正、反作用；
3、依据主回路构成负反馈的原则，确定主调节器 的正、反作用。
第4章 复杂过程控制系统
主讲：李晓媛 E-mail:lixiaoyuan@
Contents
4-1 串级控制 4-2 前馈控制 4-3 大滞后补偿控制 4-4 比值控制
4-5 分程与选择性控制 4-6 多变量解耦控制
4 复杂控制系统
简单控制系统是过程控制中最基本、应用最广 的控制形式，约占全部控制系统的80％。但是： 随着生产过程的大型化和复杂化，操作条件更 加严格，变量之间的关系更加复杂。 有些生产工艺和控制要求比较特殊。 随着技术发展，对工艺的控制目标多样化，如 产量、质量、节能、环保、效率等。
为此，设计出各种复杂控制系统。
例：反应釜温度单回路控制系统
TC
冷却剂
进料
T1sp
＋ －
调节器
控制变量：冷却剂量 出料 被控变量：反应温度
控 制 阀：气关阀 控制规律：PID
调节阀
D2
T2
夹套
槽壁
D1 T1
反应槽
温度测量变送
单回路控制系统扰动分析
TC
冷却剂 进料
冷却水入口温度↑→ 夹套内 出料 冷却水温度 T2 ↑→ （经对流
将串级控制系统等效成单回路控制系统讨论。
X1(s)
＋
－
Wc1(s)
X2(s)
＋
－
Wc2(s)
将副环等效为：
F2(s) G*o2(s)
X2(s)
G’o2(s) Y2(s)
F2(s) Wv(s) Wm2(s)
F1(s)
Wo2(s) Y2(s)
Y1(s) Wo1(s)
Wm1(s)
Wo'2
(s)

1

Wc2 (s)Wv (s)Wo2 (s) Wc2 (s)Wv (s)Wo2 (s)Wm2
给定 ＋
主控制器
＋
－
－
副控制器
执行器 副变送器
主变送器
干扰
副对象 副变量
主对象
主变量
控制过程分析：
1．燃料压力、燃料热值f2(t)和烟筒抽力变化 f3(t)发生扰动——干扰进入副回路（二次干扰）
进入副回路的干扰首先影响炉膛温度，副变送 器提前测出，副控制器立即开始控制，控制过程大 为缩短。
x2(t)
维持在工艺所希望的某一 给定值。
反应器温度串级控制框图
T1sp
＋ －
T2sp TC1 ＋
－
TC2
阀
D2
T2
夹套
槽壁
夹套水温测量
反应器温度测量
D1 T1
反应槽
TC1称为“主调节器”，TC2称为“副调节器”。
4.1 串级控制系统 当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时， 采用简单控制系统往往控制质量较差，满足不了工 艺上的要求，这时，可考虑采用串级控制系统。
问题： 控制通道容量滞后 很大，控制缓慢。
15min
燃料压力或燃 料的热值变化 3min 影响炉膛温度
热传导给原料
影响出口温度
燃料压力 变化
解决措施： 在影响出口温度的通道中，加测 炉膛温度的变化，提前控制。

炉膛温度 变化
T2T、T2C回路先改变燃料量 3min
原料出口温度θ1(t)
5．串级系统的工业应用 当生产工艺要求高，采用简单控制系统满足不 了工艺要求的情况下，可考虑采用串级控制系统。 串级控制系统常用于下面一些生产过程。 1）容量滞后较大的过程 2）纯滞后较大的过程 3）干扰幅度大的过程 4）非线性严重的过程
y
单回路控制
t
串级控制
调节效果比较
4.1.3 串级控制系统的设计 1．主回路设计
主回路设计与单回路控制系统一样。
X1(s)
＋
－
Wc1(s)
X2(s)
＋
－
Wc2(s)
F2(s) Wv(s) Wm2(s)
Wm1(s)
F1(s)
Wo2(s) Y2(s)
Y1(s) Wo1(s)
2．副回路的选择 副回路设计中，最重要的是选择副回路的被控 参数（串级系统的副参数）。副参数的选择一般应 遵循下面几个原则： ①主、副变量有对应关系 ②副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的 主要干扰，并尽可能多包含一些干扰 ③副参数的选择应考虑主、副回路中控制过程 的时间常数的匹配，以防“共振” 的发生 ④应注意工艺上的合理性和经济性
x1
主控制器
副控制器
＋
＋
－
－
f3、f2 调节阀
温度变送器2
炉膛
温度变送器1
f1 管壁 Y2(t)
Y1(t) 原料油
2．原油流量和 原油入口温度 f1(t)发生扰动 ——干扰进入主回路（一次干扰）
对进入主回路的干扰，虽然副变送器不能提前测
出，但副回路的闭环负反馈，使对象炉膛部分特性的
时间常数大为缩短，则主控制器的控制通道被缩短，
原油流量f1(t)↑→出口温度↓→主控制器反向调节， 使副控制器调节量减小。
x2(t)
x1
主控制器
副控制器
＋
＋
－
－
f3、f2 调节阀
温度变送器2
炉膛
f1 管壁 Y2(t)
Y1(t) 原料油
温度变送器1
4.1.2串级控制系统特点及其分析
副回路： 随动系统，完成系统的“粗调”任务。
主回路： 恒值调节系统，完成系统的“细调”任务。
控制效果也得到改善。
x2(t)
x1
主控制器
副控制器
＋
＋
－
－
f3、f2 调节阀
温度变送器2
炉膛
f1 管壁 Y2(t)
Y1(t) 原料油
温度变送器1
3．干扰同时作用于副回路和主回路 主副回路干扰的综合影响有两种情况： （1）主副回路的干扰影响方向相同。如： 燃料压力f3(t)↑→炉膛温度↑ →出口温度↑
G

02
(
s)

1 1
K C2 K V K 02 K m2 T02
S
1 KC2KVK02Km2
K02 ′≈1/Km2
串级系统特点总结： ①对进入副回路的干扰有很强的克服能力； ②改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工 作频率；对进入主回路的干扰控制效果也有改善； ③对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。
串级控制等效
F2(s) W*o2(s)
F1(s)
X1(s) ＋
Wc1(s)
－
W’o2(s) Wm1(s)
Y2(s)
Wo1(s)
Y1(s)
真正的单回路控制
X1(s) ＋
w*c1(s)
－
F2(s) Wv(s)
F1(s) Wo2(s)
Wo1(s) Θ1(s)
Wm1(s)
同理，通过对系统振荡频率的推导可知：
－
W’o2(s)
Wm1(s) F2(s)
Y2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱs) F1(s)
Wv(s)
Wo2(s)
Wo1(s) Wo1(s)
Y1(s) Θ1(s)
Wm1(s)
对于串级控制，部分对象被包含在副回路中，其 放大倍数被负反馈压制。因而工艺负荷或操作条件变 化时，调节系统仍然具有较好的控制质量。
K C2 K V K 02
Wm1(s)
Wo1(s) Θ1(s)
（4）对负荷和操作条件变化的适应能力增强
有些生产过程的工艺条件经常变化。而在不同的 工艺点，对象的放大倍数往往不同。如果是单回路控
制，这会导致控制质量下降。 F2(s) F1(s) W*o2(s)
X1(s) ＋
Wc1(s)
－
真正的单回路控制
X1(s) ＋
w*c1(s)
对于进入副回路的干扰，串级控制和单回路控
制前向通道的区别：
F2(s) W*o2(s)
F1(s)
X1(s) ＋
Wc1(s)
－
W’o2(s) Wm1(s)
Y2(s)
Wo1(s)
Y1(s)
真正的单回路控制
X1(s) ＋
w*c1(s)
－
F2(s) Wv(s)
F1(s) Wo2(s)
Wm1(s)
Wo1(s) Θ1(s)
＋ －
y2,sp
主调
副调
节器 ＋
节器
－
ym2
ym1
调节阀
副参数 测量变送
主参数 测量变送
副对象
y2
y1
主对象
副参数
主参数
结构特点： 系统有两个闭合回路，形成内外环。主变量是 工艺要求控制的变量，副变量是为了更好地控制主 变量而选用的辅助变量。 主、副调节器是串联工作的，主调节器的输出 作为副调节器的给定值。
（3）对一次干扰有较好的克服能力
对于进入主回路的干扰，串级控制和单回路控制
闭环回路的区别：
F2(s) W*o2(s)
F1(s)
X1(s) ＋
Wc1(s)
－
W’o2(s) Wm1(s)
Y2(s)
Wo1(s)
Y1(s)
真正的单回路控制
X1(s) ＋
w*c1(s)
－
F2(s) Wv(s)
F1(s) Wo2(s)
管式加热炉
原料出口温度θ1(t) T1T T1C T2T T2C
原料
燃料
3、对于主调节器，调节阀开大，炉膛温度升高时， 原料油出口温度也升高，说明主对象和主变送器也 都是正作用。为保证主回路为负反馈，主调节器也 应为反作用方式。
原料出口温度θ1(t)
管式加热炉
T1T T1C T2T T2C
原料
燃料
(s)
Wo*2
(s)

1

Wc 2
Wo2 (s) (s)Wv (s)Wo2
(s)Wm2
(s)
（1）改善被控过程的动态特性 控制通道等效副对象的传函：
Wo'2
(s)

1

Wc2 (s)Wv (s)Wo2 (s) Wc2 (s)Wv (s)Wo2 (s)Wm2
(s)
设： Wc2 (s) Kc2
Wm2 (s) K m2
Wv (s) K v
W02
(s)

K02 T2s
1
则：
K C2 K V K 02
WGo'022((ss))

1
1

K
C2 K V K T02
02
K
m2
S
1 KC2KVK02Km2
K02 ′≈1/Km2 T02′<< T02
T02 ′<< T02 ，说明主环控制通道时间常数缩短，
改善了系统的动态性能。
温单回路控制系统TC2以尽快地克服冷却水方面
的扰动。但TC2的设定值应根据T1的控制要求作
相应的变化（这一要求可用反应温度调节器TC1
来自动实现）。
“串级控制”
反应器温度的串级控制方案
TC1
TC2
T2
T1
冷却剂
进料
特点：两个调节器串在一 起工作，调节器TC2通过 调节冷却剂量以克服冷却
出料 水方面的扰动；调节器 TC1通过调节夹套内水温 的设定值以保证反应温度
传热）槽壁温度↑→ 反应槽 温度T1 ↑→（经反馈回路） 冷却水量↑
问题：从扰动开始至调节器动作，调节滞后较大， 特别对于大容量的反应槽，调节滞后更大。
对调节滞后的解决方法之一
对于冷却水方面的扰动，如冷却水的入口
温度、阀前压力等扰动，夹套冷却水温度T2比反
应槽温度T1能更快地感受到。因而可设计夹套水
以管式加热炉为例，说明串级控制系统主、副调节 器的正、反作用方式的确定方法。
1、从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式 （正作用）。一旦出现故障或气源断气，调节阀应关 闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全。
原料出口温度θ1(t)
管式加热炉
T1T T1C T2T T2C
原料
燃料
2、副回路中，调节阀开大，炉膛温度升高，测量 信号增大，说明副对象和变送器都是正作用。为保证 副回路为负反馈，副调节器应为反作用方式。
副回路的引入，提高了系统的工作频率，也改
善了系统的动态性能。 从系统特征方程：1+Wc1(s)W’o2(s)Wo1(s)Wm1(s)=0 可求出系统的工作频率ωc
X1(s) ＋
Wc1(s)
－
W’o2(s)
F2(s) W*o2(s)
F1(s)
Y2(s)
Wo1(s)
Wm1(s)
Y1(s)
(2) 大大增强抗二次干扰能力
3．主、副调节器调节规律的选择 在串级系统中，主参数是系统控制任务，副参
数辅助变量。这是选择调节规律的基本出发点。
主参数是生产工艺的主要控制指标，工艺上要求比 较严格。所以，主调节器通常选用PI调节，或PID 调节。
控制副参数是为了提高主参数的控制质量，对 副参数的要求一般不严格，允许有静差。因此，副 调节器一般选P调节就可以了。
→副控制器开始调节 原油流量f1(t)↓→出口温度↑→主副控制器共同调节
x2(t)
x1
主控制器
副控制器
＋
＋
－
－
f3、f2 调节阀
温度变送器2
炉膛
温度变送器1
f1 管壁 Y2(t)
Y1(t) 原料油
（2）主副回路的干扰影响方向相反。如：
燃料压力f3(t)↑→炉膛温度↑ →出口温度↑ →副控制器开始调节