过程控制与自动化仪表第7章 复杂过程控制系统
第7章 复杂过程控制系统 《过程控制与自动化仪表》课件
+
F1(s) + F1(s)
+ Y2(s) Y2(s)
W01(s)
Wm1(s)
Y1(s) Y1(s)
图7-7 串级控制系统等效框图
3.对负荷和操作条件的变化具有一定的适应能力
在串级控制系统中，由于副回路的给定值是随着主 控制器的输出而变化的。主控制器可以按照生产负 荷和操作条件的变化情况相应地调整副控制器的给 定值，使系统运行在新的工作点上，从而保证在新 的负荷和操作条件下，控制系统仍然具有较好的控 制质量。
X1(s) X1(s+)
﹣ Wc1(s) ﹣
X2(s)
X+2(s)
﹣ Wc2(s) ﹣
F1(s) F1(s)
F2(s) F2(s) Y2(s) W02(s) Y2(s) W01(s)
Wf(s)
Y1(s) Y1(s)
图7-15 前馈-串级控制系统结构图
7.3.3 前馈控制的选用与稳定性
1.实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测及 不可控性
给定 给定
出口温度
﹣ 控制器 ﹣
炉膛温度
﹣ 控制器 ﹣
执行器
干扰f2、f3
干扰f1
炉膛温度 对象
T2 炉出口温 T2 度对象
T1 T1
炉膛温度测 量、变送
炉出口温度 测量、变送
图7-4 加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统方框图
扰动 f2（t）、 f3（t） 、对出口温度的影响主
要由炉膛温度调节器（副调节器）构成的控制 回路（副回路）来克服，扰动f1(t)、对炉口温度 的影响由出口温度调节器（主调节器）构成的 控制回路（主回路）来消除。
7.2 串级控制系统设计
29- 《过程控制》第七章复杂控制系统(串级控制系统及其工作过程分析)
e e 1 温度控 P1 制器T1C
2
温度控 制器T2C
P2 执行器
F2
θ2
温度对象2
F1
θ1
温度对象1
Z1
Z2
θ2测量变送器
θ1测量变送器
一种是干扰作用下，主、副变量的变化方向相同（ 同时增加或同时减小）；
假设干扰使2 ↑- P1 ↓）↑↑→
P2↓↓→
θ1 ↓
θ2 ↓↓ ←阀↓↓
θ10
e e 1 温度控 P1 制器T1C
2
温度控 制器T2C
P2 执行器
F2
θ2
温度对象2
F1
θ1
温度对象1
Z1
Z2
θ2测量变送器
θ1测量变送器
另一种是主、副变量的变化方向相反（一个增加，另 一个减小）；
相反干扰（ θ1 ↓ 、θ2 ↑ ）
θ1↓→
P1 ↑→ e2（=Z2 ↑ - P1 ↑）变化小→ P2变化小→
扰进入副回路时，可以获得比单回路控制系统超前的 控制作用，有效地克服干扰对主被控变量的影响
θ10
e e 1 温度控 P1 制器T1C
2
温度控 制器T2C
P2 执行器
F2 θ2
温度对象2
F1
θ1
温度对象1
Z1
Z2
θ2测量变送器
θ1测量变送器
2. 当干扰作用于主对象（F1出现） 假设干扰使θ1温度升高
1. 当干扰作用于副回路（F2出现）：
设置了副回路以后，干扰F2引起θ2变化，温度控制器 T2C及时进行控制，使其很快稳定下来。
假设干扰使θ2温度升高。如干扰量小，经过副回路控制 后，影响不到物料出口温度θ1
第7复杂控制系统上
m2
(s)
G
02
(
s)
1
G
C2
(s)
G
G02 (s) V (s) G
02
(s)
G
m2
(s)
过程控制系统与仪表 第7章
7.1.2.1改善被控过程的动态特性
控制通道等效副对象的传函：
G
02
(
s)
1
G
GC2 (s) GV (s) G02 (s) C2 (s) GV (s) G02 (s) G
－
Gc1(s)
F3(s)、F4(s) G*o2(s)
F1(s)、F2(s)
G’o2(s)
Θ2(s)
Go1(s)
Gm1(s)
Θ1(s)
过程控制系统与仪表 第7章
7.1.2.2 抗干扰能力增强
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：
串级控制等效
F3(s)、F4(s) G*o2(s)
F1(s)、F2(s)
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。
y
单回路控制
t
串级控制
调节效果比较
过程控制系统与仪表 第7章
7.1.3 串级控制系统的设计与参数整定 7.1.3.1串级控制系统的方案设计 1．主回路设计
主回路设计与单回路控制系统一样。
x1
主控制器
副控制器
＋
＋
－
－
f3、f4 调节阀
温度变送器2
炉膛
温度变送器1
f1、f2 管壁 θ2(t)
θ1(t) 原料油
《自动化仪表及过程控制》课程教学大纲
《自动化仪表及过程控制》课程教学大纲英文名称：Automatic Instruments and Process Control 课程编号：适用专业：自动化学时： 54 学分： 3课程类别：专业方向课课程性质：限选课一、课程的性质和目的《自动化仪表及过程控制》是自动化专业的重要专业课。
本课程在系统简明地阐述常用过程量测控仪表和计算机控制系统基本原理和基本知识的基础上，同时介绍自动调节系统设计和整定的基础知识，通过本课程的学习，使学生掌握生产过程控制的基础知识和基本应用技术。
二、课程教学内容概述主要内容：1、自动化仪表的概念及其发展；2、DDZ仪表及其控制系统；3、自动化仪表的基本性能指标。
第一章检测仪表基本内容和要求：1、了解温度测量的概念和工业上常用的测量方法；2、掌握热电偶的测温原理及其应用；3、掌握热电阻的测温原理及其应用；4、理解温度变送器的基本结构；5、了解工业生产中压力参数的概念和常用压力测量原理；6、理解压力式、力平衡式、位移式和固态测压元件及其变送器的工作原理；7、理解节流式、容积式流量测量的基本原理及其应用。
8、理解涡轮、电磁、漩涡等流量测量方法的应用；9、理解浮力式、静压式、电容式、超声式等常用液位测量原理；10、了解成分分析仪表的基本概念。
教学重点：1、常用温度仪表、压力仪表、液位仪表、流量仪表和成分仪表的工作原理及其应用。
2、分度表，分度号，热电偶的冷端延伸和冷端补偿，热电阻的三线制；3、差动电容压力变送器工作原理；4、差压流量计的流量公式；5、差压变送器的零点迁移原理。
第二章调节器基本内容和要求：1、重点掌握PID调节规律的原理及其应用；2、理解PID模拟电路的结构原理；了解二位式和连续调节仪表应用的基础知识；3、理解数字PID算法基本表达式及其原理；4、简单了解工业现场常用模拟和数字调节器的基本结构及其应用。
PID调节规律的原理及其应用；第三章集散控制系统和现场总线控制系统基本内容和要求：1、了解单回路可编程调节器的概念2、了解DCS系统的基本概念；3、理解DCS系统的结构特点及其组成；4、理解DCS控制站和操作站的功能；5、了解FCS系统的基本概念；第四章执行器和防爆栅基本要求1、熟炼掌握气动调节阀的基本结构、原理及其应用等基本概念；2、熟悉调节器流量特性的定义及其应用；3、理解和掌握气动执行器气开/气关的形式及其选择原则；4、了解电动执行器及电气转换器的基本原理；5、简单了解工业控制系统防爆的基本概念。
自动化仪表与过程控制--第七章 串级调节系统-664
2 串级调节系统的整定方法
频率：主要决定于调节对象的动态特性，整定时， 提高副环的频率，使主、副环的频率错开，最好相差 三倍以上，以减少相互之间的影响
增益：应尽量加大副调节器的增益
自动化仪表与过程控制
Y SH X
7.1 串级调节系统
（1）在通常情况下先整定副调节器后整定主 调节器
整定时先切除主调节器，使主环处在开断的情 况下，按通常的方法（如衰减率ψ = 0.75～0.9）整定 副调节器参数。
③ 选炉膛温度为被调参数 ❖ 炉膛温度不是直接被调参数
热传导→原油
影响出口温度
自动化仪表与过程控制
Y SH X
7.1 串级调节系统
④ 解决措施
根据炉膛温度的变化 先改变燃料量
进一步改变燃料量
再根据原料油出口温度与其给定值之差
⑤ 串级调节系统
模仿这样的人工操作程序就构成了以原料油出口
温度为主要被调参数的炉出口温度与炉膛温度的串级
自动化仪表与过程控制
Y SH X
7.1 串级调节系统
2 串级调节系统的效果分析
采用串级调节的效果可以用图7-7所示的串级调 节系统的方块图（设主、副调节器的传递函数为1） 来说明。
自动化仪表与过程控制
Y SH X
7.1 串级调节系统
（1） 加快了过渡过程
设图7-7中调节对象为两个一阶惯性环节，调节 器都是比例调节规律，它们的传递函数为
7.1 串级调节系统
7
7．1．2 串级调节系统的特点和效果分析
1 特点 （1）在系统结构上 有两个闭合回路，形成内外环。主回路是个定值 调节系统，而副回路是个随动调节系统；
自动化仪表与过程控制
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化工仪表及自动化课件第七章__复杂控制系统
4 高度动态
具有快速响应和大幅度变化的特点，在控制 中需要实时调节。
化工行业中的复杂控制系统应用案例
石油化工
发电厂控制
在炼油、化工加工等领域应用广泛，如精馏塔温度、 压力控制。
保证功率输出、温度和气体流量的稳定性和高效性。
水处理厂
用于控制投加量、能耗和废水回收，保障水质水量。
反馈控制和前馈控制的区别
复杂控制系统简介
探索复杂控制系统的特点和应用领域，了解它们的基本原理和设计方法，并 探讨优化和调节的最佳实践。
复杂控制系统的特点
1 高度集成
由多个子系统和模块交互作用形成，复杂性 高且相互依赖。
2 多变量
控制多个输入和输出，要考虑多种因素的相 互作用。
3 非线性响应
与系统输入之间存在非线性关系，需要进行 非线性建模和控制。
1
反馈控制
根据输出信号的反馈来调节控制器的输入，在实时中调整控制参数。
2
前馈控制
通过提前计算和预测来预防或纠正系统中的异常，避免震荡和控制错误。
单变量控制和多变量控制的对比
单变量控制
只控制一个特定的过程变量，如温度或流量，适用于简单的系统。
多变量控制
控制多个输入和输出，可同时监测和控制多个过程变量，用于复杂系统。
模型预测控制（MPC）的优势与应用
优势
使用数学模型对系统进行预测和优化，确保系统在发电、水处理等领域的复杂系统 控制中。
自适应控制算法的应用
基本概念
将捕捉的反馈信号与预期模型进行比较，自动调整 控制器的输入参数。
应用实例
在化工、制造和航天等领域得到广泛应用，如火箭 推进系统和异丙醇工艺过程中的控制。
系统优化的目标与方法
《自动化仪表与过程控制》课程教案
大学教案(首页)院(系)：电子工程教研室(系)：自动化大学教案学时：2学时：4学时：4大学教案学时：2本章思考题和习题习题：1-5思考题：哪一种形式的仪表是根据压电效应实现压力测量的思考题：电容式差压变送器测量部分如图所示，问其中哪部分是作为测量膜片的电容动极片？主要参考资料范玉久.《化工测量及仪表》.化学工业出版社吴九辅.《现代工程检测及仪表》.石油工业出版社侯志林.《过程控制及自动化仪表》.机械工业出版社天津大学化工学院主编.《注册化工工程师执业资格考试基础考试(下)复习教程与模拟试题》. 天津大学出版社.备注大学教案学时：2大学教案学时：2大学教案学时：2大学教案学时：2本章思考题和习题某流量自动控制系统，用纯比例控制器进行控制。
图示为采用不同比例度时系统的过渡过程（其中曲线b、c为比较满意的控制结果）。
试判断四条过渡过程曲线中哪一条对应的比例度最大？A 曲线aB 曲线bC 曲线cD 曲线d主要参考资料历玉鸣，《化工仪表及自动化》，化学工业出版社赵玉珠，《测量仪表与自动化》，石油大学出版社张宝芬，《自动检测技术及仪表控制系统》，化学工业出版社周泽魁，《控制仪表与计算机控制装置》，化学工业出版社康光华，《电子技术基础》，高等教育出版社备注大学教案学时：2大学教案学时：2大学教案学时：2大学教案学时：2大学教案学时：2大学教案学时：2大学教案学时：2本章思考题和习题习题：4-3，4-5思考题：图为贮罐液位控制系统，为安全起见，贮罐内液体严禁溢出。
当选择流出量Q 为操纵变量时，其控制阀和控制器分别应如何选择作用方向？（A）气关式、正作用（B）气开式、正作用（C）气关式、反作用（D）气开式、反作用主要参考资料历玉鸣.《化工仪表自动化》.第三版. 化学工业出版社吴九辅.《仪表控制系统》.石油工业出版社刘巨良.《过程控制仪表》.化学工业出版社侯志林.《过程控制及自动化仪表》.机械工业出版社天津大学化工学院主编《.注册化工工程师执业资格考试基础考试(下)复习教程与模拟试题》. 天津大学出版社.备注大学教案学时：2大学教案学时：2大学教案学时：2大学教案学时：2大学教案学时：2大学教案学时：2大学教案学时：241。
化工仪表及自动化课件第七章-复杂控制系统
自适应控制
根据系统参数的变化自适应调整控制器参数。
V. 模糊控制系统
1
模糊集合
用模糊规则对模糊集合进行推理和决策。
3
模糊控制器
根据输入和输出的模糊规则进行控制决策。
VI. 人工神经网络控制系统
神经元模型
模拟生物神经元的计算模型，具有学习和自适应能力。
训练算法
VIII. 最优控制理论
1
状态空间
将系统的动态描述转化为状态方程，以描述系统的演化。
2
性能指标
定义系统的性能指标，如最小误差、最小能耗等。
3
优化算法
利用优化算法，如动态规划、线性二次调节等，求解最优控制问题。
IX. 复杂控制系统的建模和仿真
利用数学模型和仿真软件对复杂控制系统进行建模和仿真，以评估系统性能。
化工过程控制系统
机器人控制系统
用于控制化工生产过程，确保产品质量和生产效率。 用于控制机器人的运动和行为，实现各种复杂任务。
航空航天控制系统
用于飞行器的导航、姿态控制和飞行管理，确保航 行安全。
火力发电控制系统
用于调节发电厂的功率输出和燃煤调度，提高发电 效率。
化工仪表及自动化课件第 七章-复杂控制系统
在化工仪表及自动化课件第七章中，我们将探讨复杂控制系统的定义、特点、 分类以及建模、仿真、实现、优化和应用等方面的知识。让我们一起探索复 杂控制系统的未来展望。
I. 什么是复杂控制系统
复杂控制系统是指具有多变量、非线性、时变等复杂特性的控制系统，常用于处理具有复杂动态特征的化工过 程、机器人、航空航天和火力发电等系统。
通过反向传播算法等方式训练神经网络模型，使其适应系统的动态特性。
控制决策
化工仪表及自动化课件第七章__复杂控制系统
送
特点------两种物料流量之比精确,其总量〔Q1＋Q２〕基本保
持不变.
不足------系统结构比较复杂,使用的仪表较多,投资较大,系统
调整比较复杂.
使用场合----主流量干扰频繁,工艺不允许有较大波动或工艺
上经常需要提升负荷的场合.
比值控制系统的设计
主、从动量的确定 生产过程中主要物料的流量为主动量,次要物料的流 量为从动量.两物料中有一个物料的量为可测但不可 控为主动量,可控的物料为从动量.
二、串级控制系统工作过程
1、干扰进入副回路
燃料
原料
设定+
主控制器
副控制器 执行器 θ2测量变送器
f2
f1
温度对象2 2 温度对象1 1
θ1测量变送器
2、干扰作用于主对象
燃料 原料
设定+
主控制器
副控制器 执行器 θ2测量变送器
f2
f1
温度对象2 2 温度对象1 1
θ1测量变送器
3、干扰同时作用于副回路和主对象
的系统称为串级控制系统.
主控制器
f2
f1
副控制器 控制阀
r1
u1
u2
Q
c2
c1
G c1
G c2
Gv
G p2
G p1
主回路
副回路 y2
副变送器 Hm2
副对象
主对象
主变送器
y1
H m1
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
设定+
温度控制器
执行器
f2
f3
炉膛 T 2 炉膛壁
f1
出口管 T1
1、主、副变量间应有一定的联系
过程控制及自动化仪表课件 第七章 实现特殊工艺要求的过程控制系统分解
涤
塔 FC 带乙腈的洗涤水 FT
洗涤水
FT
K
丁烯洗涤塔进料量与洗涤水量的比值控制系统
3、双闭环比值控制系统
双闭环比值控制系统大大克服了主流量的干扰，使主流量变得比
较平稳。另一个优点是升降负荷比较方便，只要改变主流量的设定
值即可。双闭环比值控制系统常用在主流量干扰频繁或工艺上经常 需要升降负荷的场合。 问题：该控制方案所用仪表较多，投资较高。
第 7章
实现特殊要求过程控制系统
本章要点
1）了解比值控制的工业应用背景，熟悉比值控 制系统的结构类型； 2）掌握比值控制系统中比值器参数计算方法； 3）了解比值控制系统中的非线性补偿、动态补 偿以及实施方案等； 4）掌握均匀控制的特点及设计方法； 5）掌握分程控制的特点及应用场合； 6）掌握自动选择性控制的特点及应用场合。
7.1 比值控制系统 7.1.1比值控制系统概述
在现代工业生产过程中，常常要求两种或两种以上的物料流量成 一定比例关系。如果比例失调，则会影响生产的正常进行，或者影响 产品的产量与质量，浪费原材料，造成环境污染，甚至发生生产事故。 在锅炉的燃烧过程中，需要自动保持燃料量和空气量按一定比例 混合后送入炉膛，以确保燃烧的效率。在重油气化的造气生产过程中， 进入氧化炉的氧气和重油量应保持一定的比例，若氧油比过高，会因 炉温过高而使喷嘴和耐火砖烧坏，严重时会引起炉子爆炸；如果氧量 过低，则会生成的炭黑增多，会发生堵塞现象。 比值控制系统即是：使一种物料随另一种物料按一定比例变化的 控制系统。其中处于主导地位的物料为主物料或主流量，用q1表示； 其他物料称为从物料或副流量，用q2表示。
当物料流量的比值一定、流量与其检测信号呈平方关系时，
2
比值器的参数与物料流量的实际比值和最大值之比的乘积也呈平
《过程控制与自动化仪表（第2版）》课后答案1（精）
第一章绪论2.（1）解：图为液位控制系统，由储水箱（被控过程）、液位检测器（测量变送器）、液位控制器、调节阀组成的反馈控制系统，为了达到对水箱液位进行控制的目的，对液位进行检测，经过液位控制器来控制调节阀，从而调节系统框图如下：q1（流量）来实现液位控制的作用。
控制器输入输出分别为：设定值与反馈值之差e t、控制量u t；执行器输入输出分别为：控制量u t、操作变量q1 t；被控对象的输入输出为：操作变量q1 t、扰动量q2 t，被控量 h；所用仪表为：控制器（例如 PID 控制器）、调节阀、液位测量变送器。
2.（4）解：控制系统框图：蒸汽流量变化被控参数：汽包水位控制参数：上水流量干扰参数：蒸汽流量变化第二章过程参数的检测与变送1.（1）答：在过程控制中，过程控制仪表：调节器、电/气转换器、执行器、安全栅等。
调节器选电动的因为电源的问题容易解决，作用距离长，一般情况下不受限制；调节精度高，还可以实现微机化。
执行器多数是气动的，因为执行器直接与控制介质接触，常常在高温、高压、深冷、高粘度、易结晶、闪蒸、汽蚀、易爆等恶劣条件下工作，选气动的执行器就没有电压电流信号，不会产生火花，这样可以保证安全生产和避免严重事故的发生。
气动仪表的输入输出模拟信号统一使用 0.02~0.1MPa 的模拟气压信号。
电动仪表的输入输出模拟信号有直流电流、直流电压、交流电流和交流电压四种。
各国都以直流电流和直流电压作为统一标准信号。
过程控制系统的模拟直流电流信号为 4~20mA DC，负载250 ；模拟直流电压信号为 1~5V DC。
1.（2）解：由式 1KC100%可得: K C 1 1 4 dt 3mA 20 比例积分作用下 u可由下式计算得出： u Kc e t T I u u u(0) 3mA 6mA 9mA 经过 4min 后调节器的输出 9mA.2.（5）解：调节器选气开型。
当出现故障导致控制信号中断时，执行器处于关闭状态，停止加热，使设备不致因温度过高而发生事故或危险。
《过程控制与自动化仪表》教学大纲
《过程控制》教学大纲一、内容简介本教学大纲参照了相关专业的特点，结合自动化专业关于《过程控制与自动化仪表》课程的要求，按照国家教委颁布的〈自动控制课程教学基本要求〉制定的。
本课程的内容有：过程控制概述和自动化仪表概述、过程参数的检测与变送、过程控制仪表、被控过程的数学模型、简单控制系统的设计、常用高性能过程控制系统、实现特殊工艺要求的过程控制系统、典型生产过程控制与工程设计等。
二、本课程的目的和任务《过程控制》是自动化专业的重要专业课。
本课程在系统简明地阐述常用过程量测控仪表和计算机控制系统基本原理和基本知识的基础上，同时介绍自动调节系统设计和整定的基础知识。
通过本课程的学习可以使学生了解和掌握典型的过程检测和控制仪表的工作原理和工作性能，并能根据生产过程的特点和控制要求，选用适当的自动化仪表或计算机，组成实用型过程控制系统。
使学生初步掌握系统工程设计的思想和方法三、本课程与其它课程的关系。
学生在学习本课程之前，应学过以下课程：·高等数学·自动控制理论本课程与高等数学的关系本课程要用到的数学工具（微分、积分、微分方程求解、傅立叶级数等），应在高等数学课程中解决。
本课程与自动控制理论的关系通过反馈控制系统、前馈控制系统等控制方案的学习，应使学生了解自动控制系统方框图的原理，并能进行初步设计。
本课程在此基础上教学，像前馈控制系统方框图、反馈控制系统方框图等内容应在自动控制理论系统中解决。
四、本课程的基本要求1、掌握过程控制系统的组成、特点及设计步骤，并掌握自动化仪表的信号制以及防爆系统的构成。
2、熟悉变送器的构成原理和它的信号传输方式，熟悉二线制接线方式所必须满足的条件。
3、掌握压力、流量、物位等检测仪表的工作原理与使用方法；熟悉压力变送器和成分检测仪表的工作原理及使用特点、适用范围；熟悉智能式变送器的特点及硬件构成。
4、掌握SLPC可编程控制器的硬件构成及工作原理。
5、熟悉DDZ-Ⅲ型调节器的基本构成、电路原理及其应用特点；熟悉SLPC可编程控制器的模块指令及工作原理；熟悉智能式电动执行器的功能特点和安全栅的基本类型及构成原理。
《自动化仪表与过程控制(第四版)》读书笔记模板
6.1概述 6.2对象动态特性对调节质量的影响及调节方案的确定 6.3调节规律对系统动态特性的影响、调节规律的选择 6.4调节器参数的实验整定方法 复习思考题
7.1串级调节系统 7.2比值调节系统 7.3均匀调节系统 7.4前馈调节系统 复习思考题
8.1多变量解耦控制系统 8.2推理控制系统 8.3预测控制系统 复习思考题
2.1调节器的调节规律 2.2 PID运算电路 2.3 PID调节器的阶跃响应和频率特性 2.4 PID调节器的线路实例 2.5数字控制算法 2.6可编程序调节器 复习思考题
3.1集散控制系统的发展及其组成 3.2 DCS现场控制站的功能 3.3 DCS操作站的功能 3.4现场总线技术 3.5基金会现场总线的用户应用 3.6典型现场总线控制系统举例 复习思考题
目录分析
第1章检测仪表
自动化仪表概述
第2章调节器
第3章集散控制 系统与现场总 线控制系统
第4章执行器和 防爆栅
0.1自动化仪表及其发展概况 0.2电动单元组合仪表及其控制系统的组成 0.3仪表的基本技术指标 复习思考题
1.1温度检测仪表 1.2压力检ห้องสมุดไป่ตู้仪表 1.3流量检测仪表 1.4液位检测仪表 1.5成分分析仪表 复习思考题
自动化仪表与过程控制（第四版）
读书笔记模板
01 思维导图
03 目录分析 05 精彩摘录
目录
02 内容摘要 04 读书笔记 06 作者介绍
思维导图
本书关键字分析思维导图
工业
调节器
仪表
仪表
调节器
特性
动态
过程
系统
控制 系统
仪表
版
控制
过程
第章
过程控制及自动化仪表第七章实现特殊工艺要求的过程控制系统课件
过程控制及自动化仪表第七章实现特殊工艺要求的过程控
4
制系统
问题：可以精确的控制q1与q2的比值关系，但q1的值不可控，主 流量可以因干扰作用或负荷的升降而任意变化。适用于负荷变化不 大的场合。
丁烯洗涤塔的任务是除去丁烯馏分中所夹带的乙腈，为了保证洗 涤质量，要求根据进料流量配以一定比例的洗涤水量。
过程控制及自动化仪表第七章实现特殊工艺要求的过程控
22
制系统
2. 均匀控制的特点
1、结构上无特殊性 同样一个单回路液位控制系统，由于控制作用强弱不一，既
可以是单回路定值控制系统，也可以是均匀控制系统。因此均匀 控制是靠降低控制回路的灵敏度而不是靠结构变化获得的。
2、参数有变化，而且是缓慢地变化 因为均匀控制是前后设备物料供求之间的均匀，所以表征
2 20
3、比值控制系统中的动态补偿
在某些特殊的生产工艺中，对比值控制的要求非常高，即不仅在
静态工况下要求两种物料流量的比值一定，而且在动态情况下也要求
两种物料流量的比值一定。
过程控制及自动化仪表第七章实现特殊工艺要求的过程控
15
制系统
为实现动态比值一定，必须满足
过程控制及自动化仪表第七章实现特殊工艺要求的过程控
过程控制及自动化仪表第七章实现特殊工艺要求的过程控
8
制系统
硝酸生产控制系统
氧化炉温度串级－比值控制流程图
过程控制及自动化仪表第七章实现特殊工艺要求的过程控
9
制系统
在变换炉生产过程中，半水煤气与水蒸气的量需保持一定的比值， 但其比值系数要随一段触媒层的温度变化而变化，才能在较大负荷变 化下保持良好的控制质量。在这里，蒸汽与半水煤气的流量经测量变 送后，送往除法器，计算得到它们的实际比值，作为流量比值控制器 FC的测量值。而FC的给定值来自温度控制器TC，最后通过调整蒸汽 量（实际上是调整了蒸汽与半水煤气的比值）来使变换炉触媒层的温 度恒定在规定的数值上。
过程控制系统与仪表 第2版 课件 第7章第2节
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➢ 控制目标：Q =K Q ； F T F C 2.不得将觅知网的PPT模板、PPT素材，本身用于再出售，或者出租、出借、转让、分销、发布或者作为礼物供他人使用
料和空气量成一定比例，以保证燃烧经济性。
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定义：实现两个或多个参数 满足 （主要为流量） 保护，作品的所有权、版权和著作权归觅知网所有，您下载的是PPT模板素材的使用权。
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F2C
总流量不稳定。
Q2
第7章 复杂控制系统
过程控制系统与仪表
3. 双闭环比值控制系统
为了克服单闭环比版值权控声制明中主流量不受控制的缺
点，增加了主流量控制回路。 感谢您下载觅知网平台上提供的PPT作品，为了您和觅知网以及原创作者的利益，请勿复制、传播、销售，否则将承担法
➢ 有两个闭环控制回路， 律责任！觅知网将对作品进行维权，按照传播下载次数进行十倍的索取赔偿！
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➢ 控制目标：Q =KQ ； ，不得转授权、出卖、转让本协议或者本协2 议中的权利1。
Q1
➢ 对Q 只测量、不控制。 1
Q2跟随Q1成比例变
工业自动化仪表及过程控制(复杂调节系统)
自动化仪表及过程控制(9) Automation Instrumentations andProcess Control第7章复杂调节系统生产过程的大型化和复杂化，操作条件要求更加严格，各变量之间的关系更加复杂，对生产、质量、安全、环保的更高要求。
出现了许多简单调节系统不能胜任控制任务。
复杂调节系统是以简单系统为基础的结构或算法上更为先进的控制方法。
管式加热炉温度系统•简单调节方案Ⅰ:直接指标控制•被调参数：θ1出口温度•调节量：Q 1燃油流量•缺点：被控对象滞后大管式加热炉温度系统•简单调节方案Ⅱ:间接指标控制•被调参数：θ2炉膛温度•调节量：Q 1•缺点：闭环不包括被加热流体方面的干扰管式加热炉温度系统•管式加热炉温度系统：•串级调节方案－－Ⅰ＋Ⅱ•主参数：θ1出口温度•副参数：θ2炉膛温度•调节量：Q 1•以θ1调节为主回路•θ2调节为副回路串级调节系统结构内外环结构的双闭环系统主环输出：主参数（系统最终控制参数）副环输出：副参数（为了提高主参数调节性能而引入的一个中间参数）G c1(s)：主调节器(s)：副调节器Gc2串级调节系统特点•副回路中的干扰，主要在副回路中克服。
•减少了副对象的T，提高了副环的调节品质。
•提高了系统的频率响应，加快了抗干扰过程的速度。
•提供了灵活的控制方式串级调节系统的选型由于串级调节系统的目的一般都是为了保证主参数的控制品质，而对辅助的副参数的控制精度要求并不高。
所以•主调节器宜用P 和PI 调节规律。
•副调节器一般用P 调节规律y1y2x1x2Gc1Gc2Go1Go2+-+-串级调节系统的整定工程中常用的整定方法：•两步法：先副后主•一步法：定副调主y1y2x1x2Gc1Gc2Go1Go2+-+-串级调节系统例：夹套式反应釜温度控制比值调节系统保证两种（或两种以上）物料流量保持一定比例的调节系统。
FC ：比值调节器，比值＝KQ B =KQ A 开环比值系统比值调节系统单闭环比值调节系统调节参数整定时需注意差压检测中的非线性问题。
第7复杂控制系统下
4 4))=K' Q Q 1 2 2 2m ma ax x
得换算公式：
K'
K2
Q2 1 max
Q2 2 max
过程控制系统与仪表 第7章
6）流量测量中的温度、压力补偿 用差压流量计测量气体流量时，被测气体温度和 压力的变化会使其密度发生变化，流量的测量值将产 生误差。
Qv S0
2
(P1
P2
)
对于温度、压力变化较大、而控制质量要求较高 的对象，必须进行温度、压力补偿，以保证流量测量 值的准确。
7.5.3 均匀控制系统的参数整定 7.5.3.1 控制规律的选择 简单均匀控制系统控制器一般采用纯比例作用， 对无差控制要求的系统可采用比例积分控制规律。 串级均匀控制系统的主、副控制器一般都采用纯 比例作用，只在要求较高时，才引入积分控制。 所有均匀控制系统都不允许加入微分控制作用。 7.5.3.2 控制器参数的整定 简单均匀控制系统、串级均匀控制系统控制器参 数的整定方法，与普通的单回路、串级系统的整定方 法相同，只不过控制指标的要求不同而已。
2．串级均匀控制 为了克服简单均匀控制只有一个控制回路，只能 保证一个被控变量精度的缺点，可在简单均匀控制方 案基础上增加一个副控制回路，构成串级均匀控制。
结构与串级控
制系统相同。增加 了流量控制回路，
LT LC
可以及时克服压力
1#
FC FT
2#
干扰，保证流量控
制精度。
过程控制系统与仪表 第7章
过程控制系统与仪表 第7章
7.4.2.2 比值控制系统的实施与参数整定 1）比值系数的实现 比值系统的实现有相乘和相除二种方法。在工程 上可采用比值器、乘法器、除法器等仪表实现；用计 算机控制时，通过比例、乘、除运算程序实现。 2）比值控制系统的参数整定 比值系统的主流量回路，可按单回路控制系统进 行整定；比值系统的副流量整定为振荡与不振荡的边 界为佳，制方案的选择 控制方案选择应根据不同的生产要求确定，同时 兼顾经济性原则。
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扰动 f2（t）、 f3（t） 、对出口温度的影响主
要由炉膛温度调节器（副调节器）构成的控制 回路（副回路）来克服，扰动f1(t)、对炉口温度 的影响由出口温度调节器（主调节器）构成的 控制回路（主回路）来消除。
加热炉串级控制系统的工作过程是：当处在稳 定工况时，被加热物料的流量和温度不变，燃 料的流量与热值不变，烟囱抽力也不变，炉出 口温度和炉膛温度均处于相对平衡状态，调节 阀保持一定的开度，此时炉出口温度稳定在给 定值上，当扰动破坏了平衡工况时，串级系统 便开始了其控制过程。
(1) 在工况稳定、主回路处于闭合条件下，主、副控
(3) 再次整定副回路。此时主、副回路都已闭合。在主控制器 参数为[GC1(s)]1的条件下，将副回路仍按单回路控制系统再次 进行整定，得到副控制器新的整定参数[GC2(s)]2。至此已完成 一个循环的整定。
(4) 重新整定主回路。同样是在两个回路都闭合、副控制器的 参数为[GC2(s)]2的条件下，按单回路重新整定主回路，得到主 控制器的新参数[GC1(s)]2。
﹣ WC1(s) ﹣
X2(s)
X+2(s)
﹣ ﹣
WC2(s)
F2(s) F2(s)
F1(s) F1(s)
Wv(s)
Y2(s) W02(s) Y2(s)
Y1(s) W01(s) Y1(s)
Wm2(s) Wm1(s)
图7-6 串级控制系统的结构框图
X1(s) X1(s+)
﹣ Wc1(s) ﹣
W02’(s)
T1C
T1T
T2C
T2T
热物料
燃料
冷物料
加热炉
图7-3 加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统
给定 给定
出口温度
﹣ 控制器 ﹣
炉膛温度
﹣ 控制器 ﹣
执行器
干扰f2、f3
干扰f1
炉膛温度 对象
T2 炉出口温 T2 度对象
T1 T1
炉膛温度测 量、变送
炉出口温度 测量、变送
图7-4 加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统方框图
7.1.1 串级控制系统的原理与结构
（以加热炉温度控制系统为例）
T1C
T1T
热物料
T2C
T2T
热物料
燃料 冷物料
加热炉
图7-1 加热炉出口温度单回路控制系统
燃料
冷物料 图7-2 加热炉出口温度间接控制方案
选取炉出口温度为主被控参数（主参 数），选取炉膛温度为副被控参数（副 参数），把炉出口温度调节器的输出作 为炉膛温度的给定值就构成了串级控制 系统。
F2(s) F2(s)
W02*(s)
+
F1(s) + F1(s)
+ Y2(s) Y2(s)
W01(s)
Wm1(s)
Y1(s) Y1(s)
图7-7 串级控制系统等效框图
3.对负荷和操作条件的变化具有一定的适应能力
在串级控制系统中，由于副回路的给定值是随着主 控制器的输出而变化的。主控制器可以按照生产负 荷和操作条件的变化情况相应地调整副控制器的给 定值，使系统运行在新的工作点上，从而保证在新 的负荷和操作条件下，控制系统仍然具有较好的控 制质量。
7.2.2 串级控制系统参数的整定
串级控制系统常用的整定方法：逐步逼近法、两步 整定法
1. 逐步逼近法
如果主、副对象的时间常数相差不大，主、副回路的动态 联系比较密切时，主、副控制器的参数相互影响比较大，需 要在主、副回路之间反复进行试凑，才能达到最佳的整定。 逐步逼近法就是这种依次整定副回路、主回路，然后循环进 行，逐步接近主、副控制回路的最佳整定的一种方法。其步 骤如下：
7.2 串级控制系统设计
7.2.1 主、副回路控制器选择 串级控制系统的设计主要是副参数的选择和副回路
的设计以及主副回路关系的考虑。副回路的确定应 考虑如下原则： 1．副回路中应包含主要扰动和尽可能多的扰动 2．主、副回路的时间常数应适当匹配
2、主、副调节器控制规律的选择
1、选择规律的基础： 主调节器起定值控制作用；副调节器
2.两步整定法
当串级控制系统中主、副对象的时间常数相差较大，主、副 回路的动态联系不紧密时，可采用两步法进行整定。由于主、 副对象的时间常数和工作频率差别很大，当副回路整定好以 后，将副回路看作主回路的一个环节来整定主回路时，可认 为对副回路的影响很小。另一方面，工艺上对主变量的控制 要求较高，副变量的设置目的是为了进一步提高主变量的控 制品质，对副变量的控制要求较低。因此，当副控制器整定 好以后，再去整定主控制器时，虽然多少会影响到副变量的 控制品质，但只要保证主变量的控制品质，副变量的控制质 量可以允许牺牲一些。两步法的整定步骤如下：
起随动控制作用 2、主调节器的选择：
PI和 PID控制规律 3、副调节器的选择：
P控制规律
3、主、副调节器正、反作用方式的确定
主、副调节器正、反作用方式的选择原则： 使整个控制系统构成负反馈系统 主、副调节器正、反作用方式的检验：当 炉出口温度升高时，主调节器输出应减小， 即副调节器的给定值减小，为此，副调节 器输出减小，使调节阀开度减小。这样， 进入加热炉的燃料油减小，从而使炉膛温 度和出口温度降低。
根据不同的扰动，产生的三种情况
1、 燃料方面的扰动f2和燃烧条件方面的扰动f3 ———— 二次扰动或副回路扰动
2、被加热物料方面的扰动f1———— 一次扰动 和主回路扰动
3、一次扰动和二次扰动同时存在
7.1.2 串级控制系统分析
串级控制系统的特点 1．改善控制系统的动态特性，提高了工作频率
Байду номын сангаас
X1(s) X1(s+)
(1) 首先整定副回路。此时，断开主回路，将副回路按照单回 路控制系统的整定方法进行整定，求取副控制器的整定参数， 得到第一次整定值，记作[GC2(s)]1。
(2) 整定主回路。把刚整定好的副回路看作是主回路中的一个 环节，对主回路仍按单回路控制系统的整定方法求取主控制 器的整定参数，记作[GC1(s)]1。
第7章 复杂过程控制系统
7.1 串级控制系统 7.2 串级控制系统设计 7.3 前馈控制系统 7.4 时间滞后控制系统 7.5 比值控制系统 7.6 均匀控制系统 7.7 分程控制系统 7.8选择性控制 7.9多变量解耦控制系统
7.1 串级控制系统
在某些被控对象动态特性比较复杂或者控制任务比较特殊的应 用场合，单回路控制系统无法满足要求，引出串级控制系统。