化工仪表及自动化复杂控制系统

设定+
主控制器
副控制器 执行器
f1
Y Y 副对象 2 主对象
1
副测量、变送器
主测量、变送器
主副控制器正反作用的选择实例
设定+
燃料 原料
主控制器
副控制器 执行器
θ2测量变送器
f1
温度对象2 2 温度对象1 1
θ1测量变送器
主副控制器正反作用的选择实例
进料 精
FC TC
馏
塔
蒸汽
设定值
温度 控制器
干扰
干扰
副控 制器
控制阀 副对象
主对象 主变量
副测量变送 主测量变送
2、控制器正、反作用选择
副控制器作用方式的确定，与简单控制系统相同。
设定+
主控制器
副控制器 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
当主、副变量在增加（或减小）时，为使主、副 变量减小（或增加），要求控制阀的作用方向是一致 的时候，主控制器应选择反作用；反之选正作用。
炉膛 T2 炉膛壁
f1
出口管 T1
温度检测变送器 系统方框图
解决滞后时间大与控制质量要求高之间 的矛盾，保持加热炉出口温度为某一定值
燃料 原料
加热炉出炉温度串联控制系统
f2
f1
设定+
主控制器
副控制器 执行器
2 1 温度对象2 温度对象1
θ2测量变送器
θ1测量变送器
f2
f1
主控制器
副控制器 控制阀
复杂控制系统种类繁多，根据系统的结 构和所负担的任务来说，常见的复杂控制系 统分为两大类： ①提高响应曲线性能指标的控制系统，如串 级、前馈、纯滞后补偿等。 ②按某些特定要求而开发的系统，如比值、 均匀、分程、选择、推断等。
第一节、串级控制系统
一、基本原理及结构
在复杂控制系统中，有两个被控过程、两套测量变
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
f2
f1
设定+
主控制器
副控制器 执行器
2 1 温度对象2 温度对象1
θ2测量变送器
θ1测量变送器
f2
f1
设定+
主控制器
副控制器
执行器
Y Y 副对象 2 主对象
温度控制器
流量控制器 控制阀 流量测量变送器
温度测量变送器
f 2
f1
管道
2 干燥器
1
第二节、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
主物料-------处于主导地位的物料
表征该物料的参数为主动量Q1（主流量） 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Q2 （副流量）
θ1测量变送器
3、干扰同时作用于副回路和主对象
设定+
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
干扰 干扰 定值控 釜制温系统
流量对象 温度对象
测量变送 测量变送
●串级控制系统由于增加了副回路，具有有一定 的自适应能力。
设定值
主控 制器
干扰
干扰
副控 制器
控制阀 副对象
主变量 主对象
副测量变 送
主测量变 送
四、串级控制系统中副回路的确定
•主副变量间应有一定的内在联系 •系统的主要干扰应包围在副回路中 •在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰 •副变量的选择应考虑主副对象时间常数的匹配，防止 共振的发生 •当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时，在选择 副变量时应使副环尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后
1
副测量、变送器
主测量、变送器
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
第七章 复杂控制系统
串级控制系统
本
比值控制系统
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章
内
前馈控制系统
容
均匀控制系统
分程控制系统
选择性控制系统
一般情况下，单回路控制系统都能满足大部 分生产控制要求。但当被控对象的容量滞后比 较大，负荷变化比较剧烈、频繁，或者工艺对 产品质量要求很高，此时单回路控制系统就很 难满足控制要求，这就需要设计复杂的控制系 统对生产流程加以控制。
送装置、两台控制器和一个控制阀构成的系统称为串
级控制系统。
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
设定+
温度控制器
执行器
f2 f3
流量 控制器
控制阀
流量对象
釜温 温度对象
测量变送 测量变送
六、串级控制系统适应的场合
被控对象的控制通道纯滞后时间较长，用单回 路控制系统不能满足质量指标
对象容量滞后比较大，用单回路控制系统不能 满足质量指标
控制系统内存在变化激烈且幅值很大的干扰
被控对象具有较大的非线性，而负荷变化又较 大
设定+
控制阀
对象2
Y 对象1
a
b
c
测量变送
X
主控制
器
副控制 器
F2
F1
控制阀 对象2 对象1 Y
a
b
c
测量变送 2 测量变送 1
串级控制系统
●在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回 路和副回路；有两个控制器：主控制器和副控制器；有 两个测量变送器。
设定值
随动控 制系统
温度 控制器
流量 控制器
控制阀
5、当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量 时，在选择副变量时应使副环尽量少包含纯滞 后或不包含纯滞后
五、主、副控制器控制规律及正、反作用的选 择 1、控制规律的选择
串级控制系统中主、副控制器的控制规律选择都应按照
工艺要求来进行。
主控制器一般选用PID控制规律，副控制器一般可选P控
制规律。
设定值
主控 制器
1、主、副变量间应有一定的联系
（1）选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变 量
燃料 原料
（2）选择的副变量就是操作变量本身。
进料
精
馏
FC
TC
塔
蒸汽
2、系统的主要干扰应包围在副回路中
PC
TC
燃料
原料
3、在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰
燃料 原料
PC
TC
燃料
原料
4、副变量的选择应考虑主副对象时间常数的 匹配，防止共振的发生