过程控制 第四章 复杂过程控制系统-比值控制4
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第4章(比值、均匀、前馈)过程控制课件
Q0
Q
0
t
第二种情况, 第二种情况 控制器的K c 很小 即控制作用很弱 当干 很小, 即控制作用很弱, 扰使液位大幅波动时, 阀门开度基本不变, 则流量的波 扰使液位大幅波动时 阀门开度基本不变 动就很小. 如下左图所示. 第三种情况, 动就很小 如下左图所示 第三种情况 控制器的 K c H Q H Q H 取值适当, 使 取值适当 H H0 H0 控制作用较为 Q0 Q0 Q Q 温和, 温和 在干扰
(三)双冲量均匀方案 三 双冲量均匀方案 “冲量”的原义是短暂作用的信号或参数 在此引 冲量” 冲量 的原义是短暂作用的信号或参数, 申 为连续的信号或参数. 为连续的信号或参数 双冲量均匀控制系统的结构见下 图. 与串级均匀控制相比 前者用一个加法器取代主控 与串级均匀控制相比, 制器, 制器 是以液位和流量的测量信号经加法器后 甲塔 作为系统的被控变量. IO QS 作为系统的被控变量 现假定采 IH ∑ QC 用电动仪表构成系统 阀门为气 用电动仪表构成系统, I S IQ 开式, 流量控制器选正作用. 开式 流量控制器选正作用 加 h 法器在稳定状态下的输出为: 法器在稳定状态下的输出为
下图表示两个串联的精馏塔独立设置控制系统. 两个独立 下图表示两个串联的精馏塔独立设置控制系统. 两个独立 运行的单回路液位控制系统 乙塔 甲塔 和流量控制系统工作时是相 QC LC 互矛盾的. 为解决矛盾, 可 互矛盾的 为解决矛盾 在两塔之间增设中间缓冲容 器来克服, 器来克服 但这增加了投资 且对于某些生产连续性很强 的过程又不允许中间储存的时间过长, 的过程又不允许中间储存的时间过长 因 此还需从自动化方案的设计上寻求解决的 甲塔 方法. 均匀控制就是一种解决方案. 方法 均匀控制就是一种解决方案 均匀 LC 控制系统把液位﹑ H 控制系统把液位﹑流量统一在一个控制系 统中, 如左图所示. 所谓均匀控制系统是 统中 如左图所示 所谓均匀控制系统是 指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地﹑ 指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地﹑ 均匀地变化 Q 均匀地变化, 使前后设备在物料供求 上相互兼顾﹑均匀协调的系统. 上相互兼顾﹑均匀协调的系统
Q
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第二种情况, 第二种情况 控制器的K c 很小 即控制作用很弱 当干 很小, 即控制作用很弱, 扰使液位大幅波动时, 阀门开度基本不变, 则流量的波 扰使液位大幅波动时 阀门开度基本不变 动就很小. 如下左图所示. 第三种情况, 动就很小 如下左图所示 第三种情况 控制器的 K c H Q H Q H 取值适当, 使 取值适当 H H0 H0 控制作用较为 Q0 Q0 Q Q 温和, 温和 在干扰
(三)双冲量均匀方案 三 双冲量均匀方案 “冲量”的原义是短暂作用的信号或参数 在此引 冲量” 冲量 的原义是短暂作用的信号或参数, 申 为连续的信号或参数. 为连续的信号或参数 双冲量均匀控制系统的结构见下 图. 与串级均匀控制相比 前者用一个加法器取代主控 与串级均匀控制相比, 制器, 制器 是以液位和流量的测量信号经加法器后 甲塔 作为系统的被控变量. IO QS 作为系统的被控变量 现假定采 IH ∑ QC 用电动仪表构成系统 阀门为气 用电动仪表构成系统, I S IQ 开式, 流量控制器选正作用. 开式 流量控制器选正作用 加 h 法器在稳定状态下的输出为: 法器在稳定状态下的输出为
下图表示两个串联的精馏塔独立设置控制系统. 两个独立 下图表示两个串联的精馏塔独立设置控制系统. 两个独立 运行的单回路液位控制系统 乙塔 甲塔 和流量控制系统工作时是相 QC LC 互矛盾的. 为解决矛盾, 可 互矛盾的 为解决矛盾 在两塔之间增设中间缓冲容 器来克服, 器来克服 但这增加了投资 且对于某些生产连续性很强 的过程又不允许中间储存的时间过长, 的过程又不允许中间储存的时间过长 因 此还需从自动化方案的设计上寻求解决的 甲塔 方法. 均匀控制就是一种解决方案. 方法 均匀控制就是一种解决方案 均匀 LC 控制系统把液位﹑ H 控制系统把液位﹑流量统一在一个控制系 统中, 如左图所示. 所谓均匀控制系统是 统中 如左图所示 所谓均匀控制系统是 指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地﹑ 指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地﹑ 均匀地变化 Q 均匀地变化, 使前后设备在物料供求 上相互兼顾﹑均匀协调的系统. 上相互兼顾﹑均匀协调的系统
DCS控制系统基础知识
DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在国内自控行业又称之为集散控制系 统。
DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合 的产物。DCS通常采用若干个控制器（过程站）对一个生 产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络连 接并可进行数据交换。操作采用计算机操作站，通过网络 与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。因此， DCS的主要特点归结为一句话就是：分散控制集中管理。
第四阶段：第四代DCS系统，2000年以后
第四代DCS的体系结构主要分为四层结构:现场仪表层、控制装置单 元层、工厂(车间)层和企业管理层。一般DCS厂商主要提供除企业管理 层之外的三层功能，而企业管理层则通过提供开放的数据库接口，连 接第三方的管理软件平台(ERP, CRM, SCM等)。所以说，当今DCS主要 提供工厂(车间)级的所有控制和管理功能，并集成全企业的信息管理 功能。例如以Honeywell公司最新推出的Experion PKS(过程知识系统)、 Emerson公司的P1antWeb (Emerson ProcessManagement), Foxboro公 司A2、横河公司的R3 (PRM-_-C厂资源管理系统)和ABB公司的 Industrial IT系统。
第三节 CENTUM-CS控制系统的构成字母代号
集散控制系统基本构成图
CENTUM-CS系统外观图
DCS组成结构
DCS的过程控制站是一个完整的计算机系统，主 要由电源、高性能的中央处理器（CPU）、网络接口 组成。
高性能的中央处理器是现场过程控制的中心， 存放并运行所有的过程控制程序以及现场仪表数据 和控制数据。DCS的控制决策都是由它来执行的。
执行器
接受控制器的输出信号,直接控制能量或物料等调节介质的输 送量,达到控制温度、压力、流量、液位等工艺参数的目的。 测量变送器
DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合 的产物。DCS通常采用若干个控制器（过程站）对一个生 产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络连 接并可进行数据交换。操作采用计算机操作站，通过网络 与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。因此， DCS的主要特点归结为一句话就是：分散控制集中管理。
第四阶段：第四代DCS系统，2000年以后
第四代DCS的体系结构主要分为四层结构:现场仪表层、控制装置单 元层、工厂(车间)层和企业管理层。一般DCS厂商主要提供除企业管理 层之外的三层功能，而企业管理层则通过提供开放的数据库接口，连 接第三方的管理软件平台(ERP, CRM, SCM等)。所以说，当今DCS主要 提供工厂(车间)级的所有控制和管理功能，并集成全企业的信息管理 功能。例如以Honeywell公司最新推出的Experion PKS(过程知识系统)、 Emerson公司的P1antWeb (Emerson ProcessManagement), Foxboro公 司A2、横河公司的R3 (PRM-_-C厂资源管理系统)和ABB公司的 Industrial IT系统。
第三节 CENTUM-CS控制系统的构成字母代号
集散控制系统基本构成图
CENTUM-CS系统外观图
DCS组成结构
DCS的过程控制站是一个完整的计算机系统，主 要由电源、高性能的中央处理器（CPU）、网络接口 组成。
高性能的中央处理器是现场过程控制的中心， 存放并运行所有的过程控制程序以及现场仪表数据 和控制数据。DCS的控制决策都是由它来执行的。
执行器
接受控制器的输出信号,直接控制能量或物料等调节介质的输 送量,达到控制温度、压力、流量、液位等工艺参数的目的。 测量变送器
过程控制讲义课件(全套)
前馈—反馈控制系统
29
1.4 过程控制系统的分类
6. 按给定信号的特点分类 ： 定值控制系统 程序控制系统 随动控制系统
（1）定值控制系统：就是系统被控量的给定值保持在规定 值不变，或在小范围附近不变。定值控制系统是过程控 制中应用最多的一种控制系统，因为在工业生产过程中 大多要求系统被控量的给定值保持在某一定值，或在某 很小范围内不变。 例如过热蒸汽温度控制系统、转炉供氧量控制系统 均为一个定值控制系统。
30
1.4 过程控制系统的分类
（2）程序控制系统：它是被控量的给定值按预定的时 间程序变化工作的。控制的目的就是使系统被控量按 工艺要求规定的程序自动变化。 例如同期作业的加热设备(机械、冶金工业中的热 处理炉)，一般工艺要求加热升温、保温和逐次降温 等程序，给定值就按此程序自动地变化，控制系统按 此给定程序自动工作，达到程序控制的目的。
4. 按被控制量的多少分类：
单变量控制系统 多变量控制系统
25
1.4 过程控制系统的分类
5. 按系统的结构分类：
反馈控制系统 前馈控制系统 复合控制系统 单回路控制系统 串级控制系统
26
1.4 过程控制系统的分类
（1）反馈控制系统
它是过程控制系统中的一种最基本的控制结构形 式。反馈控制系统是根据系统被控量的偏差进行工作 的，偏差值是控制的依据，最后达到消除或减小偏差 的目的。如过热蒸汽温度控制系统就是一个反馈控制 系统。另外，反馈信号也可能有多个，从而可以构成 多个闭合回路，称其为多回路控制系统。
23
1.4 过程控制系统的分类
1. 按被控量分类 ：
温度控制系统 压力控制系统 流量控制系统 液位控制系统等
2. 按完成的功能分类：
29
1.4 过程控制系统的分类
6. 按给定信号的特点分类 ： 定值控制系统 程序控制系统 随动控制系统
（1）定值控制系统：就是系统被控量的给定值保持在规定 值不变，或在小范围附近不变。定值控制系统是过程控 制中应用最多的一种控制系统，因为在工业生产过程中 大多要求系统被控量的给定值保持在某一定值，或在某 很小范围内不变。 例如过热蒸汽温度控制系统、转炉供氧量控制系统 均为一个定值控制系统。
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1.4 过程控制系统的分类
（2）程序控制系统：它是被控量的给定值按预定的时 间程序变化工作的。控制的目的就是使系统被控量按 工艺要求规定的程序自动变化。 例如同期作业的加热设备(机械、冶金工业中的热 处理炉)，一般工艺要求加热升温、保温和逐次降温 等程序，给定值就按此程序自动地变化，控制系统按 此给定程序自动工作，达到程序控制的目的。
4. 按被控制量的多少分类：
单变量控制系统 多变量控制系统
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1.4 过程控制系统的分类
5. 按系统的结构分类：
反馈控制系统 前馈控制系统 复合控制系统 单回路控制系统 串级控制系统
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1.4 过程控制系统的分类
（1）反馈控制系统
它是过程控制系统中的一种最基本的控制结构形 式。反馈控制系统是根据系统被控量的偏差进行工作 的，偏差值是控制的依据，最后达到消除或减小偏差 的目的。如过热蒸汽温度控制系统就是一个反馈控制 系统。另外，反馈信号也可能有多个，从而可以构成 多个闭合回路，称其为多回路控制系统。
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1.4 过程控制系统的分类
1. 按被控量分类 ：
温度控制系统 压力控制系统 流量控制系统 液位控制系统等
2. 按完成的功能分类：
复杂过程控制系统--串级控制
W *02 (s)W01 (s) Y1 (s) = F2 (s) 1+WC1 (s)W'02 (s)W01 (s)Wm1 (s)
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对于一个控制系统来说，当它在给定信号作用 下，其输出量能复现输入量的变化，即Y1(s)/X1(s) 越接近于1时，则系统的控制性能越好；当它在扰 动作用下，其控制作用能迅速克服扰动的影响，即 Y1(s)/F2(s)越接近于0时，则系统的控制性能越 好，系统的抗干扰能力就越强。 图4-5串级控制系统抗干扰能力可用下式表示： Y1 (s)/X 1 (s) WC1 (s)W'02 (s) QC2 (s) = = = WC1 (s)WC2 (s)WV (s) Y1 (s)/F2 (s) W *02 (s)
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(三)对一次扰动有较好的克服能力
对串级控制系统： Y1 (s)
W01 (s) = F1 (s) 1+WC1 (s)W'02 (s)W01 (s)Wm1 (s)
Байду номын сангаас
抗扰动能力：
Y1 (s)/X 1 (s) QC1 (s) = = WC1 (s)W'02 (s) Y1 (s)/F1 (s)
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(一)改善了被控过程的动态特性
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副回路闭环传递函数
WC2 (s)WV (s)W02 (s) Y2 (s) W02 (s) = = X 2 (s) 1+ WC2 (s)WV (s)W02 (s)Wm2 (s)
'
设W02(s)=K02/(T02s+1)，Wc2(s)=Kc2， ' Wv(s)=Kv，Wm2(s)=Km2，可得 ' K02 W02 (s) = ' T02 s + 1 ' 式中 K 02 ----等效被控过程的放大系数 ' T02 ----等效被控过程的时间常数
解析化工生产中复杂过程控制系统的控制方案的选择与运用
而且越来越 多 的企业 已实现 或正 在 实现 自动化 生
该 系统结 构 简 单 ， 投资少， 易 于 调整 和投 人 ，
能 满足 不少化 工 工 业 生 产 过程 的控 制要 求 ， 因 此 在我 国化 工生 产 中应 用 十分 广 泛 ， 尤 其 适 用 于被 控 过程 的纯滞 后 、 惯 性 小 以及 负荷 和扰 动 变 化 比 较 平缓 ， 或者 对被 控质 量要 求不高 的场 合 。
一
子 系统 方案 可 以不 相 同 ， 子 系 统 方 案之 间也 可 采
用 不相 同 的方 案 。各 种控 制 方 案 各 有 特 色 ， 各 自
都具 备 其他 方案 所 不 具 备 的优 势 ， 同 时又 有 自己
的不足 之处 。总 之 ， 在 化 工 生 产 中这 几 种 控 制 方
１ 单 回 路 控 制
单 回路控 制 系统解决 了化工工 业生 产过 程 自 动 化 中大量 的参 数 定 值 控 制 问题 ， 这 种 简 单 系 统 能满 足 生产 工艺 的要 求 ， 但 仅 适 用 于 比较 简 单 的 单 输 出生产 过 程 的控 制 ， 不 能 解 决 多输 出过 程 的 控 制 问题 。即使 对 于 简单 的单 输 出生 产 过 程 ， 也 存 在这 样 的情况 ： 其调 节 对 象 的 动态 特 性 决 定 了 很 难控 制 （ 如 过 程 的滞 后 常 数 很 大 或 扰 动 量 很 大） ； 调节 对 象 的动态 特 性 虽 不 复杂 ， 但 工 艺 对 调 节质量 的要 求很 高或很 特殊 。 串级控 制系 统是 改善控 制质 量 的有效方 法 之
在 现代 化工 工业 生 产 过 程 中 ， 许 多情 况 下 会 要 求两 种或 多种 物 料 流 量成 一 定 比例关 系 ， 一 旦
该 系统结 构 简 单 ， 投资少， 易 于 调整 和投 人 ，
能 满足 不少化 工 工 业 生 产 过程 的控 制要 求 ， 因 此 在我 国化 工生 产 中应 用 十分 广 泛 ， 尤 其 适 用 于被 控 过程 的纯滞 后 、 惯 性 小 以及 负荷 和扰 动 变 化 比 较 平缓 ， 或者 对被 控质 量要 求不高 的场 合 。
一
子 系统 方案 可 以不 相 同 ， 子 系 统 方 案之 间也 可 采
用 不相 同 的方 案 。各 种控 制 方 案 各 有 特 色 ， 各 自
都具 备 其他 方案 所 不 具 备 的优 势 ， 同 时又 有 自己
的不足 之处 。总 之 ， 在 化 工 生 产 中这 几 种 控 制 方
１ 单 回 路 控 制
单 回路控 制 系统解决 了化工工 业生 产过 程 自 动 化 中大量 的参 数 定 值 控 制 问题 ， 这 种 简 单 系 统 能满 足 生产 工艺 的要 求 ， 但 仅 适 用 于 比较 简 单 的 单 输 出生产 过 程 的控 制 ， 不 能 解 决 多输 出过 程 的 控 制 问题 。即使 对 于 简单 的单 输 出生 产 过 程 ， 也 存 在这 样 的情况 ： 其调 节 对 象 的 动态 特 性 决 定 了 很 难控 制 （ 如 过 程 的滞 后 常 数 很 大 或 扰 动 量 很 大） ； 调节 对 象 的动态 特 性 虽 不 复杂 ， 但 工 艺 对 调 节质量 的要 求很 高或很 特殊 。 串级控 制系 统是 改善控 制质 量 的有效方 法 之
在 现代 化工 工业 生 产 过 程 中 ， 许 多情 况 下 会 要 求两 种或 多种 物 料 流 量成 一 定 比例关 系 ， 一 旦
培训课件过程控制 第四章 复杂过程控制系统-比值控制4.ppt
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自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
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自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
3、工作过程 • 稳定状态下…… • 主动量变化时…… • 从动量由于干扰而变化时……
4、优缺点 优点：不但能实现从动量跟随主动量变化，而且能
克服从动量本身干扰对比值的影响等。 缺点：主动量不受控。
• 在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第 三个变量的变化而变化。
•为了满足上述生产工艺要求，开发并应用变比值控制。 2、系统结构：如下图所示 3、变比值控制的含义
变比值控制系统是一个以第三个变量为主变量(质量 指标)、以两个流量比为副变量的串级控制系统。
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自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
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§4-4-3 比值控制系统设计
自动化仪表与过程控制
② 将对生产负荷起关键作用的物料流量作为主动量。 ③ 从安全角度出发，分析两种物料流量分别在失控情况 下，看哪一种情况必须保持比值一定，就将这种情况下的 那种物料流量作为主动量较为合适。
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§4-4-3 比值控制系统设计
自动化仪表与过程控制
自动化仪表与过程控制
第四章 复杂过程控制系统
§4-4 比值控制 §4-4-1 比值控制原理 §4-4-2 比值控制系统的结构类型 §4-4-3 比值控制系统设计 §4-4-4 比值控制系统整定 §4-4-5 应用举例
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§4-4-1 比值控制原理
自动化仪表与过程控制
一、方法的产生
在现代工业生产过程中，要求两种或多种物料流量成
第四章 计算机控制系统常用的控制规律
所以， Ti也要根据对象选择。 注意：加入积分控制时，比例控制量要适当降低，为
积分控制量腾出作用空间 。
PI控制器可清除系统静差
3、比例、积分、微分（PID）控制器
➢ PI控制器虽然可以消除静差，但它是以降低响应速度为代 价的，而且Ti越大，代价越高。
➢ 在实际控制系统中，人们不但要求静差可以为0，而且还要 求有尽可能快地实现抑制静差出现的能力，或者说希望超前消 除静差。即在静差刚出现还没有发生作用，就立即消除。
当主要干扰无法用串级控制使其包围在副回路内时，采用前 馈控制将会比串级控制获得更好的效果。
➢微分先行PID控制算法 结构框图为：
控制算式为：
U(s)Kp1T1isE(s)
u(k） Kp（ e k） e(k1)KpTTis（ e k）-KTpTd c(k)2c(k1)c(k2) -KpTd c(k)c(k1)
Ti
四、数字PID控制器参数的整定 ● 采样周期的选择
► 对于响应快、波动大、容易受干扰影响的过程，应该选取 较短的采样周期；反之，则长一些。
➢前馈控制算法
实现完全补偿的前馈控制为：GM
(s)
GD (s) G(s)
若: 前馈控制器为:
G D (s)1 K T 11se 1s
, G (s)K 2 e 2s 1T 2s
G M ( s ) M V ( ( s s ) ) G G D ( ( s s ) ) K K 1 2 ( ( 1 1 T T 2 1 s s ) ) e ( 1 2 ) s K m 1 1 T T 1 2 s s e fs
位置式PID的输出不仅与本次偏 差有关，而且与历次测量偏差有 关，计算时要对误差累加，计算 机运算工作量大。
● 增量式PID控制算式
积分控制量腾出作用空间 。
PI控制器可清除系统静差
3、比例、积分、微分（PID）控制器
➢ PI控制器虽然可以消除静差，但它是以降低响应速度为代 价的，而且Ti越大，代价越高。
➢ 在实际控制系统中，人们不但要求静差可以为0，而且还要 求有尽可能快地实现抑制静差出现的能力，或者说希望超前消 除静差。即在静差刚出现还没有发生作用，就立即消除。
当主要干扰无法用串级控制使其包围在副回路内时，采用前 馈控制将会比串级控制获得更好的效果。
➢微分先行PID控制算法 结构框图为：
控制算式为：
U(s)Kp1T1isE(s)
u(k） Kp（ e k） e(k1)KpTTis（ e k）-KTpTd c(k)2c(k1)c(k2) -KpTd c(k)c(k1)
Ti
四、数字PID控制器参数的整定 ● 采样周期的选择
► 对于响应快、波动大、容易受干扰影响的过程，应该选取 较短的采样周期；反之，则长一些。
➢前馈控制算法
实现完全补偿的前馈控制为：GM
(s)
GD (s) G(s)
若: 前馈控制器为:
G D (s)1 K T 11se 1s
, G (s)K 2 e 2s 1T 2s
G M ( s ) M V ( ( s s ) ) G G D ( ( s s ) ) K K 1 2 ( ( 1 1 T T 2 1 s s ) ) e ( 1 2 ) s K m 1 1 T T 1 2 s s e fs
位置式PID的输出不仅与本次偏 差有关，而且与历次测量偏差有 关，计算时要对误差累加，计算 机运算工作量大。
● 增量式PID控制算式
过程控制-第4章 复杂控制系统
第五章复杂控制系统钱厚亮南京工程学院工业中心2013/01一、串级控制系统二、均匀控制系统三、比值控制系统四、前馈控制系统复杂控制系统定义:通常复杂控制系统是多变量的，具有两个以上变送器、两个以上控制器或两个以上控制阀所组成的多个回路的控制系统，所以又称为多回路控制系统。
常见的复杂控制系统有串级、均匀、比值、分程、三冲量、前馈、选择性等系统。
4.1 串级控制系统一、串级控制系统概述目的：①可延长炉子寿命，防止炉管烧坏；②可保证后面精馏分离的质量。
为了控制炉出口温度，可以设置一个简单控制系统。
PID反作用气开由于炉子的控制通道容量滞后很大，反应缓慢，控制精度低，但是工艺上要求炉出口温度的变化范围为±(1～2)℃。
上图的单变量单回路控制系统是难以满足的。
串级控制系统简单控制系统1.串级控制系统的组成串级控制系统定义:由两个测量变送器、两个控制器其中一个控制器的输出是另一个控制器的给定、一个控制阀组成的双闭环定值系统.2.串级控制系统中常用的名词主被控变量（Yl)：是工艺控制指标或与工艺控制指标有直接关系，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。
副被控变量（Y2）：大多为影响主被控变量的重要参数。
主控制器：在系统中起主导作用，按主被控变量和其设定值之差进行控制运算，并将其输出作为副控制器给定值。
副控制器：在系统中起辅助作用，按所测得的副被控变量和主控输出之差来进行控制运算，其输出直接作用于控制阀的控制器，简称为“副控”。
主变送器：测量并转换主被控变量的变送器。
副变送器：测量并转换副被控变量的变送器。
主对象：大多为工业过程中所要控制的、由主被控 变量表征其主要特性的生产设备或过程。
副对象：大多为工业过程中影响主被控变量的、由副被控变量表征其特性的辅助生产设备或辅助过程。
副回路:由副变送器、副控制器、控制阀和副对象所构成的闭环回路 , 又称为“ 副环” 或“内环”。
主回路：由主变送器、主控制器、副回路等效环节、主对象所构成的闭环回路，又称为“主环”或“外环”。
电子课件-《过程控制技术》-B02-1727 第5章 复杂过程控制系统
第5章 复杂过程控制系统
实验原理
第5章 复杂过程控制系统
实验２ 双容（并联）水箱液位定值控制系统
实验目的
１. 了解双容（并联）水箱液位定值控制系统的结构和组 成。
２. 研究调节器相关参数的改变对系统动、静态性能的影 响。
３. 研究P、PI、PD和PID四种调节器对液位系统的控制作 用。
４. 综合分析多种控制方案的实验效果。 ５. 能进行二阶系统调节器参数的整定与投运。
第5章 复杂过程控制系统
学习目标
１. 了解串级控制系统的组成和结构特点，掌握其设 计原则和参数整定方法。 ２. 了解前馈控制系统。 ３. 了解其他复杂控制系统。 ４. 理解均匀控制系统的概念和特点，掌握其控制规 律选择和参数整定原则和方法。 ５. 能进行比值控制系统比值系数的计算、方案设计 和参数整定。
➢ 双冲量均匀控制器一般应采用比例积分控制规律。
第5章 复杂过程控制系统
五、均匀控制系统的参数整定
１. 整定原则 (１) 以保证液位不超过允许的波动范围为前提， 先设置好控
制器参数。 (２) 修正控制器参数， 使液位在最大允许的范围内波动， 输
出流量尽量的平稳。 (３) 根据工艺对流量和液位两个参数的要求， 适当调整控制
(１) 受干扰作用影响，主、副对象的变化方向相同 (２) 受干扰作用影响，主、副对象变化方向相反
第5章 复杂过程控制系统
五、串级控制系统的设计
１. 主、副变量选择的原则 (１) 副参数的选择应使副回路的时间常数小，调节通道短，反
应灵敏。 (２) 副回路应包含被控对象所受到的主要干扰。
２. 主、副控制器控制规律的选择 (１) 主控制器 (２) 副控制器
一、准备工作 二、手动操作 三、自动运行
第4章 复杂过程控制系统
一、用于克服对象的纯滞后
当被控对象纯滞后时间较长时，在离控制阀较近、ห้องสมุดไป่ตู้纯滞后时间较小的地方选择一个副变量，把干扰拉入副 回路。 利用副回路的超前作用来克服对象的纯滞后仅仅是 对二次干扰而言的，一次干扰不直接影响副变量。
例 如下图所示：
被控参数：A点温度
控制参数：减温水流量
主要干扰：减温水压力波动。
例 如下张图：
燃料油热值 变化后，炉膛反 应滞后3分钟，而 出口温度则需 15 分钟。
三、用于克服变化剧烈和幅值大的干扰
串级控制系统对二次 干扰具有很强的克服能 力。 设计时应把变化剧 烈、幅值大的干扰包含 在副回路中。 副回路放大系数应大 些，会使抗干扰能力大 大提高。 例 如下图4-13，脱 气塔的压力对主控指标 (液位)影响很大，甚至 造成溢出或打干的事故， 是主干扰，串级控制后 效果很好。
3、对主变量控制要求不高，甚至允许小波动 主变量采用P规律，副回路对主回路的跟随要求快 而准时采用PI控制规律。
4、对主、副变量控制要求均不高 可均采用P规律；必要时对主变量控制引进微分 作用 。
(二)、正、反作用方式的选择 副控制器按单回路方式选择，具体见前章。
主控制器按下式确定: (主控制器+/-)(副对象+/-)(主对象+/-)=(-) 主、副控制器正、反作用方式的确定是否正确， 可进行验证，如图。
思考题
1、与单回路系统相比，串级控制系统有哪些主
要特点？ 2、为什么说串级控制系统具有改善过程动态特 性的特点？T’02和K’02减小与提高控制质量有何关系 ？
3、为什么提高系统工作频率也算是串级控制系
统的一大特点？
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温度测量
复杂过程控制系统
复杂过程控制系统复杂过程控制系统是在工业生产中广泛应用的一种自动化控制系统。
它通常由多个子系统和分布式控制单元组成，用于监测和控制物理过程中的各种参数和变量。
这些系统通常用于化工、石油、电力、冶金和制药等行业，帮助提高生产效率、降低生产成本，并确保产品质量的稳定性。
1.传感器和执行器：传感器用于监测和测量物理过程中的各种参数，如温度、压力、流量和浓度等。
执行器用于控制各种执行设备，如阀门、开关和电机等。
2.控制器：控制器是系统的核心组件，负责处理传感器采集到的数据，并根据预定的控制算法进行计算和决策。
常见的控制算法包括PID控制、模糊逻辑控制和模型预测控制等。
3.通信网络：复杂过程控制系统通常是分布式的，需要通过通信网络将各个子系统和分布式控制单元连接起来，实现数据的传输和共享。
通信网络可以采用以太网、现场总线和无线通讯等多种技术。
4.数据存储和处理：复杂过程控制系统通常需要处理大量的实时数据，这些数据需要进行存储和处理，以便后续分析和优化。
常见的数据存储和处理技术包括数据库、数据仓库和大数据分析等。
5.人机界面：复杂过程控制系统通常需要人机界面来展示和操作控制系统的状态和参数。
人机界面可以采用计算机监视器、触摸屏和报警器等多种设备，以便操作员及时了解系统的运行状况并进行调整。
在复杂过程控制系统中，通常还需要考虑以下几个方面的问题：1.安全性：复杂过程控制系统通常处于高风险的工业环境中，因此安全性是一个重要考虑因素。
系统需要采取措施来防止任何非法、损坏或恶意的访问，并确保系统的稳定性和可靠性。
2.可靠性：复杂过程控制系统通常需要长时间的运行，因此可靠性是一个重要指标。
系统需要设计合理的备份机制和冗余系统，以防止单点故障导致系统的停机或数据丢失。
3.故障诊断和维护：系统需要具备故障诊断和维护功能，以便快速发现和解决系统中的故障。
这可以通过自动化的故障诊断系统和远程监控系统来实现。
4.系统集成：复杂过程控制系统通常由多个子系统和分布式控制单元组成，系统集成是一个重要的工作。
过程控制系统—比值控制系统(工业仪表自动化)
经常需要提降负荷的场合。
小结
比值控 制系统
比值控制系统的定义。 开环比值控制系统。 单闭环比值控制系统。 双闭环比值控制系统。
ห้องสมุดไป่ตู้
思考
什么是比值控制系统？
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， 称为比值控制系统。通常为流量比值控制系统。
几个概念
主物料、主动量（Q1 、主流量） 从物料、从动量（Q2 、副流量）
副流量Q2与主流量Q1的比值关系为 K Q2 Q1
比值控制系统
开环比值控制系统
图1 开环比值控制
图2 开环比值控制方块图
比值控制系统
图3 单闭环比值控制
图4 单闭环比值控制系统方块图
比值控制系统
它能实现副流量随主流量的变化而变化，还可以克服副流量本 身干扰对比值的影响。
结构简单，实施方便，尤其适用于主物料在工艺上不允许进 行控制的场合。
虽然能保持两物料量比值一定，但由于主流量是不受控制的， 当主流量变化时，总的物料量就会跟着变化。
比值控制系统
双闭环比值控制系统 它是在单闭环比值控制的基础上，增加了主流量控制回路而构成的。
图5 双闭环比值控制
图6 双闭环比值控制系统方块图
比值控制系统
实现了比较精确的流量比值，也确保了两物料总量基本不变。 提降负荷比较方便，只要缓慢地改变主流量控制器的给定值，就可以
提降主流量，同时副流量也就自动跟踪提降，并保持两者比值不变。 结构较复杂，使用的仪表较多，投资较大，系统调整较麻烦。 主要适用于主流量干扰频繁、工艺上不允许负荷有较大波动或工艺上
比值控制系统
结构简单，只需一台纯比例控制器，其比例度可以根据比值 要求来设定。
小结
比值控 制系统
比值控制系统的定义。 开环比值控制系统。 单闭环比值控制系统。 双闭环比值控制系统。
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思考
什么是比值控制系统？
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， 称为比值控制系统。通常为流量比值控制系统。
几个概念
主物料、主动量（Q1 、主流量） 从物料、从动量（Q2 、副流量）
副流量Q2与主流量Q1的比值关系为 K Q2 Q1
比值控制系统
开环比值控制系统
图1 开环比值控制
图2 开环比值控制方块图
比值控制系统
图3 单闭环比值控制
图4 单闭环比值控制系统方块图
比值控制系统
它能实现副流量随主流量的变化而变化，还可以克服副流量本 身干扰对比值的影响。
结构简单，实施方便，尤其适用于主物料在工艺上不允许进 行控制的场合。
虽然能保持两物料量比值一定，但由于主流量是不受控制的， 当主流量变化时，总的物料量就会跟着变化。
比值控制系统
双闭环比值控制系统 它是在单闭环比值控制的基础上，增加了主流量控制回路而构成的。
图5 双闭环比值控制
图6 双闭环比值控制系统方块图
比值控制系统
实现了比较精确的流量比值，也确保了两物料总量基本不变。 提降负荷比较方便，只要缓慢地改变主流量控制器的给定值，就可以
提降主流量，同时副流量也就自动跟踪提降，并保持两者比值不变。 结构较复杂，使用的仪表较多，投资较大，系统调整较麻烦。 主要适用于主流量干扰频繁、工艺上不允许负荷有较大波动或工艺上
比值控制系统
结构简单，只需一台纯比例控制器，其比例度可以根据比值 要求来设定。
第4-1章 复杂过程控制系统-串级控制系统
先副回路， 后主回路
情况二：干扰来自原料油方面，使炉出口温度升高
出口温度 温度控制器输出 流量控制器设定值 。 燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化。
-过程控制
第四章 复杂过程控制系统
情况三：一次干扰和二次干扰同时存在
主、副变量同向变化
主、副调节器共同作用，执行阀的开度大幅度变化， 使得炉出口温度很快恢复到设定值。
-过程控制 过程控制
第四章 复杂过程控制系统
-过程控制
第四章 复杂过程控制系统
回顾
单回路系统： 一个被控过程，采用一个测量变送器检测被控
过程，采用一个控制器保持一个被控参数恒定， 或在小范围内变化，其输出也只控制一个执行 机构的系统。
着眼点：
运用PID控制，着眼于一个物理量的稳定工作， 控制方块图也是由一个闭环完成的。
控参数，输出量为主被控参数。
t 副被控过程—由副被控参数作为输出的生产过程，其输入量为控制参 数。 t 主调节器 —按主被控参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器 ，其输出作为副调节器的给定值。 t 副调节器 —按副被控参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的 调节器，其输出控制调节阀动作。
t副回路—由副调节器、副被控过程和副测量变送器组成的闭合回路。
t一次扰动—不包括在副回路内的扰动。 t二次扰动—包括在副回路内的扰动。
-过程控制
第四章 复杂过程控制系统
串级控制原理
一、串级控制系统的组成
例 ：管式加热炉是炼油厂经常采用的设备之一（如下所示），
其工艺要求是：炉出口温度保持恒定。
干扰：
原料的流量、初始温度； 燃料的流量、燃料热值。
-过程控制
第四章 复杂过程控制系统
过程控制仪表课后答案第4章
思考与练习题参考答案第4章执行器（1）执行器在过程控制中起什么作用？常用的电动执行器与气动执行器有何特点？答：执行器是过程控制系统中一个重要的组成部分，它的作用是接受来自控制器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位移来改变调节阀的流通面积，以改变被控参数的流量，控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制，使生产过程满足预定的要求。
电动执行器能源取用方便，动作灵敏，信号传输速度快，适合于远距离的信号传送，便于和电子计算机配合使用。
但电动执行器一般来说不适用于防火防爆的场合，而且结构复杂，价格贵。
气动执行器是以压缩空气作为动力能源的执行器，具有结构简单、动作可靠、性能稳定、输出力大、成本较低、安装维修方便和防火防爆等优点，在过程控制中获得最广泛的应用。
但气动执行器有滞后大、不适于远传的缺点，为了克服此缺点，可采用电/气转换器或阀门定位器，使传送信号为电信号，现场操作为气动，这是电/气结合的一种形式，也是今后发展的方向。
（2）执行器由哪几部分组成？各部分的作用是什么？答：执行器由执行机构和调节机构（又称为调节阀）两个部分组成执行机构是执行器的推动装置，它根据控制信号的大小，产生相应的推力，推动调节机构动作。
调节机构是执行器的调节部分，在执行机构推力的作用下，调节机构产生一定的位移或转角，直接调节流体的流量。
（3）简述电动执行器的构成原理，伺服电机的转向和位置与输入信号有什么关系？答：电动执行机构由伺服放大器和执行机构两部分组成。
伺服放大器是由前置磁放大器、触发器，可控硅主回路及电源等部分组成。
执行机构又包括两相伺服电动机、减速器和位置发送器。
伺服放大器综合输入信号和反馈信号，并将该结果信号加以放大，使之有足够大的功率来控制伺服电动机的转动。
根据综合后结果信号的极性，放大器应输出相应极性的信号，以控制电动机的正、反运转前置级磁放大器是一个增益很高的放大器，来自控制器的输入信号和位置反馈信号在磁放大器中进行比较，当两者不相等时，放大器把偏差信号进行放大，根据输入信号与反馈相减后偏差的正负，放大器输出电压，控制两个晶体管触发电路中一个工作，一个截止。
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§4-4-2 比值控制系统的结构类型
一、开环比值控制 1、系统组成：如下图所示
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§4-4-2 比值控制系统的结构类型
2、特点 • 简单、成本低； • 只有当Q1变化时才起控制作用； • Q2变化时，Q1不会响应，比例关系被破坏。
3、适用场合 从动量没有干扰的情况。
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§4-4-1 比值控制原理
二、比值控制的含义 凡是两个或多个变量自动维持一定比值关系的过程控制系统，统称为比值控制系
统。 三、变量及关系
• 主动量---起主导作用而又不可控的物料流量； • 从动量---跟随主动量而变化的物料流量； • 比例系数: K=Q2/ Q1
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第四章 复杂过程控制系统
§4-4 比值控制 §4-4-1 比值控制原理 §4-4-2 比值控制系统的结构类型 §4-4-3 比值控制系统设计 §4-4-4 比值控制系统整定 §4-4-5 应用举例
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§4-4-1 比值控制原理
一、方法的产生 在现代工业生产过程中，要求两种或多种物料流量成一定比例关系；一旦比例失调，
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§4-4-2 比值控制系统的结构类型
3、优点 ※ 对主动量实行定值控制，克服了干扰对主、从动量的影响。 ※ 升降负荷比较方便。
4、适用场合 常用在主动量干扰频繁或工艺上不允许负荷有较大的波动，或工艺上经常需要
升降负荷的场合。 5、使用中的注意事项
† 防止从动量回路产生“共振”。 † 主、从控制器都不宜采用微分作用。
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§4-4-2 比值控制系统的结构类型
四、变比值控制系统 1、方法的产生
• 在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第三个变量的变化而变化。 •为了满足上述生产工艺要求，开发并应用变比值控制。 2、系统结构：如下图所示 3、变比值控制的含义
变比值控制系统是一个以第三个变量为主变量(质量指标)、以两个流量比为副变 量的串级控制系统。
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§4-4-2 比值控制系统的结构类型
6、应用实例
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§4-4-3 比值控制系统设计
一、主、从动量的选择 1、单闭环比值控制系统主、从动量的选择
（一个流量可控，另一个流量不可控） 不可控的流量作为主动量，可控的流量作为从动量。 2、双闭环比值控制系统主、从动量的选择（两个流量都可控） 可以掌握以下原则： ① 分析两种物料的供应情况，将有可能供应不足的物料流量作为主动量，供应充足 的物料流量作为从动量。
会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费动力，造成环境污染，甚至产生生产事故。 如：
• 燃烧过程中，往往要求燃料量与空气量需按一定比例混合后送入炉膛。 • 制药生产中要求药物和注入剂按比例混合。 • 造纸过程中为保证纸浆浓度，要求自动控制纸浆量和水量比例。 • 水泥配料系统……
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§4-4-3 比值控制系统设计
I Q 16 4 (mA) Qm a x
则： 根据式（2）
Q (I 4) Qmax 16
K Q2 (I2 4) Q2 max 16 I2 4 Q2 max Q1 (I1 4) Q1max 16 I1 4 Q1max
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§4-4-3 比值控制系统设计
二、比值系数的换算 要实现流量比值控制，首先就必须将工艺上的流量比值K换算成仪表上的信号比值
K’。换算方法随流量与测量信号间是否成线性关系而不同。 1、流量与测量信号成线性关系
流量检测信号经过开方器后与流量信号成线性关系。 对DDZ－Ⅲ型仪表，当流量由零变至最大值Qmax时，仪表对应的输出信号为4～20mA （DC），则流量的任一中间值Q所对应的输出电流为：
4、优缺点 优点：不但能实现从动量跟随主动量变化，而且能克服从动量本身干扰对比值的
影响等。 缺点：主动量不受控。
5、适用场合 在负荷变化不太大的场合得到广泛应用。
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§4-4-2 比值控制系统的结构类型
三、双闭环比值控制 1、特点：能克服单闭环主动量不受控的不足。 2、系统组成：如下图所示
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§4-4-2 比值控制系统的结构类型
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§4-4-2 比值控制系统的结构类型
4、工作过程 •系统稳定时…… •当Q1、Q2出现扰动时…… •当出现其他扰动(如温度、压力、成分等变化)时……
5、特点 比值只是一种手段，不是最终目的，而第三变量y(t)往往是产品质量指标。
p Q 0.08 0.02 Qm a x
所以仪表比值K’为：
K K Q1max Q2 max
( Mpa )
（5） （6）
所以仪表比值K’为：
K I2 4 K Q1max
I1 4
Q2 max
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（1） （2） （3）
（4）
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§4-4-3 比值控制系统设计
对于气动单元组合仪表，当流量由零变至最大值Qmax时，仪表对应的输出信号为 0.02～0.1Mpa，则流量的任一中间值Q所对应的输出信号为：
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§4-4-3 比值控制系统设计
② 将对生产负荷起关键作用的物料流量作为主动量。 ③ 从安全角度出发，分析两种物料流量分别在失控情况下，看哪一种情况必须保持比 值一定，就将这种情况下的那种物料流量作为主动量较为合适。
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二、单闭环比值控制 1、特点: 能克服开环比值方案的不足。 2、系统组成：如下图所示
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§4-4-2 比值控制系统的结构类型
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§4-4-2 比值控制系统的结构类型
3、工作过程 • 稳定状态下…… • 主动量变化时…… • 从动量由于干扰而变化时……