《复杂控制系统》PPT课件.ppt

一、前馈反馈控制技术 二、双重控制 三、浮动塔压控制系统 四、均匀控制系统 五、精馏塔的控制 第四章 复杂 控制技术前馈反馈控制技术 一、反馈控制和前馈控制的特点 二、不变性原理与前馈控制器 三、前馈控制的几种结构形式第四章 复杂控制技术（一）前面各部分讨论的控制系统，都是带有反馈的闭环系统。当被控系统受到扰动后，必须等到被控参数出现偏差，控制器才有动作，以补偿扰动对控制参数的影响。若能在扰动出现时就进行控制，而不是等到偏差发生后再进行控制，这样就能更有效地消除扰动对被控参数的影响。前馈控制就是依据这个思路提出来的。反馈控制的特点 例如图所示为换热器温度控制系统原理框图。图中：Q2为热流体温度；Q1为冷流体温度，q为流体的流量，qD为蒸汽的流量，pD为蒸汽的压力，kv为调节阀开度。一、反馈控制和前馈控制的特点-反馈控制的特点上图中，当扰动（物料流量q，入口温度q1，蒸汽压力pD）发生后，引起：一、反馈控制和前馈控制的特点-反馈控制的特点一 反馈控制和前馈控制的特点-反馈控制的特点反馈控制的特点为：u 反馈控制的本质是“基于偏差来消除偏差”。如果没有偏差出现，也就没有控制作用。u无论扰动发生在那里，总要等到引起被控量发生偏差后，调节器才动作。故调节器的动作总是落后于扰动作用的发生，是一种相对“不及时”的控制。前馈控制的特点 例换热器前馈控制。如果该系统中物料流量q是被控量q2的主要扰动。如果q变化频繁且幅值大，对出口温度q2的影响最大。这时可考虑采用前馈控制。一、反馈控制和前馈控制的特点-前馈控制的特点u 前馈控制器“基于扰动来消除扰动对被控量的影响”，又称前馈控制为“扰动补偿”。u 扰动发生后，前馈控制器“及时”动作，对抑制被控量由于扰动引起的动、静态偏差比较有效。u 前馈控制属于开环控制。因此只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定。u 一条前馈只对被前馈的可测而不可控的扰动有校正作用，而对系统中的其它扰动无校正作用。u 前馈控制器的控制律有时较复杂。一、反馈控制和前馈控制的特点-前馈控制的特点1、不变性原理：控制系统的被控量与扰动量完全无关，或在一定的准确度下无关。任何一个系统，总是希望被控量受扰动的影响越小越好。如图：当f(t)不为零时，该系统的不变性定义为：按照控制系统输出参数与输入参数的不变性程度，有绝对不变性、e不变性和稳态不变性等几种不变性类型。二、不变性原理与前馈控制器设计-不变性原理 绝对不变性：指系统在扰动f(t)的作用下，被控参数y(t)在整个过程中始终保持不变。即e动e静0。如下图所示。图中；f(t)为扰动，y1(t)为由扰动引起的被控参数的变化。y2(t)为前馈控制器对被控参数的影响。y(t)为被控参数的实际变化量。y(t)=y1(t)+y2(t)=0 二、不变性原理与前馈控制器设计 e不变性：指系统在扰动f(t)的作用下，被控参数y(t)的偏差小于一个很小的e值。即|y(t)|e，当f(t)不为零时。稳态不变性：指系统在扰动f(t)的作用下，虽然被控参数y(t)的动态偏差不为零，但其静态偏差恒为零，即：二、不变性原理与前馈控制器设计 二、不变性原理与前馈控制器设计-前馈控制器2、前馈控制器：前馈控制器的设计依据是不变性原理。前馈控制系统由两部分组成。当扰动发生后，通过扰动通道引起被控量的变化。同时，前馈控制器根据扰动的性质及大小对过程的控制通道施加控制，使被控量发生与前者相反的变化，以抵消扰动对被控对象的影响。前馈控制器的典型结构图中，Gn(s)是被控对象扰动通道的传递函数；Dn(s)是前馈控制器的传递函数；G(s)被控对象的传递函数。n为可测不可控的干扰；y为被控参数；假定u10，有：整理得：二、不变性原理与前馈控制器设计-前馈控制器的典型结构根据绝对不变性原理：由此得到前馈控制器传递函数为：也可由e不变性或稳态不变性原理来设计前馈控制器。（略）二、不变性原理与前馈控制器设计-前馈控制器的典型结构 静态前馈控制系统 根据稳态不变性原理设计静态前馈控制器。这种补偿只能在稳态时实现对扰动的补偿。动态前馈控制系统 根据绝对不变性原理设计动态前馈控制器。三、前馈控制的几种结构形式-静态和动态前馈控制系统 前馈反馈控制系统（一）前馈控制的局限性 前馈控制属于开环控制。故一般不单独使用前馈控制；完全补偿难以实现。（1）难以准确地掌握过程扰动通道和控制通道Gn(s)和G(s)的特性。有些过程对象常含有非线性特性，在不同的工况下，动态性能参数将变化，单一的前馈模型难以适应。（2）有些前馈模型Dn(s)难以实现，只能用计算机完成。（3）一个扰动需要一个测量变送装置，干扰多时，造成控制系统庞大。三、前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统（二）前馈反馈控制系统 为了解决上述前馈控制的局限性，吸收前馈控制对扰动的补偿作用和反馈控制对偏差的控制作用的优点，可组成前馈反馈控制系统。例炼油装置加热炉的前馈反馈控制系统。图中，q为被控量，物料流量qF经常发生变化。因而对此干扰实行前馈控制。当qF变化时，通过FT，FFC的信号变化，从而调节阀门的开度，改变q。三、前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统（三）典型前馈反馈控制系统结构图 三、前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统n 典型前馈反馈控制系统控制效果分析（一）图(a)中前馈信号接在反馈控制器之后。可知：在扰动N(s)的作用下，系统的输出为：上式中：右边第一项为干扰对输出量的影响，第二项为前馈校正作用，第三项为反馈校正作用。三、前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统传递函数为：分析(1)：在单纯的前馈控制时，有：与上式相比，前馈反馈控制时干扰对被控量的影响比单纯前馈控制小 倍。三、前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统分析(2)：在前馈反馈控制系统中，根据绝对不变性原理得：这与单纯前馈控制系统时相同分析(3)：在反馈控制系统中，稳态精度与稳定性存在矛盾。而前馈反馈控制能在一定的程度上解决这一矛盾，提高控制品质。三、前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统n 典型前馈反馈控制系统控制效果分析（二）图(b)中前馈信号接在反馈控制器之前。可知：在扰动N(s)的作用下，系统的输出为：传递函数为：在完全补偿条件下（绝对不变性），前馈控制器为：三、前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统（四）数字前馈反馈控制算法图中：T为采样周期；Dn(z)为前馈控制器；D(z)为反馈控制器；H(s)为零阶保持器；假设：三、前馈控制的几种结构形式-数字前馈反馈控制系统若采样周期T足够短（并设t=mT，即纯滞后时间t是采样周期T的整数倍），可对微分项离散化，得到差分方程。三、前馈控制的几种结构形式-数字前馈反馈控制系统 三、前馈控制的几种结构形式-数字前馈反馈控制系统（五）数字前馈反馈控制算法步骤步骤一计算反馈控制的偏差e(k)；e(k)=r(k)-y(k)步骤二计算反馈控制器（PID）的输出u1(k)；三、前馈控制的几种结构形式-数字前馈反馈控制系统 三、前馈控制的几种结构形式-数字前馈反馈控制系统步骤三计算前馈控制器Dn(s)的输出un(k)；步骤四计算前馈反馈控制器的输出u(k)；（六）前馈控制系统的稳定性 前馈控制是开环控制，必须要求系统中的每一个环节要稳定。对于无自平衡能力的系统，不能单独使用前馈控制。事实上，只要反馈或串级控制系统的稳定的，则相应的前馈反馈系统或前馈串级控制系统也是稳定的。三、前馈控制的几种结构形式-前馈控制系统的稳定性（七）前馈控制的选用原则 实现前馈控制的必要条件是扰动量不可控但可测。可测：指扰动量可以通过测量变送器，在线地将其转换为前馈补偿器可接受的信号。不可测的信号不能实现前馈。不可控：指扰动量难以通过专门的控制回路予以控制。三、前馈控制的几种结构形式-前馈控制的选用原则 扰动量变化频繁且幅度较大在扰动量N(s)的作用下，输出量：扰动量N(s)的幅值越大，输出量y(t)越大。这时单纯使用反馈控制，动态偏差可能很大。可以考虑使用前馈控制。三、前馈控制的几种结构形式-前馈控制的选用原则 前馈串级控制系统 在实际应用中，常采用前馈串级控制系统结构。如下图所示。图中：D1(s)、D2(s)分别为主、副控制器传递函数；Dn(s)为前馈控制器传递函数；G1(s)、G2(s)分别为主、副对象。三、前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统前馈串级控制能及时克服进入前馈回路和串级副回路的干扰对被控量的影响，因前馈控制的输出不是直接作用于执行机构，而是补充到串级控制的副回路的给定值中，这样就降低了对执行机构动态响应性能的要求。这也是前馈反馈控制被广泛采用的原因之一。三、前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统设副回路的传递函数为W2(s)。则上图可简化为：则：三、前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统当副回路的工作频率远大于主回路的工作频率时，副回路是一个快速的比例随动系统，可以近似写为：则前馈控制器为：根据绝对不变性原理，要求对N(s)进行完全的补偿，即Y(s)/N(s)=0，则有：三、前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统 三、前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统(例子)三、前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统(例子)三、前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统(例子)反馈控制和前馈控制的特点 不变性原理与前馈控制器 前馈控制的几种结构形式 静态前馈控制系统 动态前馈控制系统 前馈反馈控制系统 数字前馈反馈控制算法 数字前馈反馈控制算法步骤 前馈控制的选用原则 前馈串级控制系统 本节小结双重控制 第四章 复杂控制技术（二）一、基本原理和结构一、基本原理和结构 对于一个被控变量采用两个或两个以上的操纵变量进行对于一个被控变量采用两个或两个以上的操纵变量进行控制的控制系统称为双重或多重控制系统控制的控制系统称为双重或多重控制系统。这类控制。这类控制系统采用不止一个控制器，其中有一个控制器的输出作系统采用不止一个控制器，其中有一个控制器的输出作为另一个称为阀位控制器的测量信号。为另一个称为阀位控制器的测量信号。系统操纵变量的选择是从操作优化的要求综合考虑的。系统操纵变量的选择是从操作优化的要求综合考虑的。它既要考虑工艺的合理和经济，又要考虑控制性能的快它既要考虑工艺的合理和经济，又要考虑控制性能的快速性。而这两者又常常在一个生产过程中同时存在。双速性。而这两者又常常在一个生产过程中同时存在。双重控制系统就是综合这些操纵变量的各自优点，克服各重控制系统就是综合这些操纵变量的各自优点，克服各自的弱点进行优化控制的。自的弱点进行优化控制的。PC vpc PT 图图 4-1 蒸汽减压系统蒸汽减压系统高压蒸汽高压蒸汽低压蒸汽低压蒸汽V1V2SPGC2(s)GF1(s)GF2(S)GM2(s)GM1(s)GP1(s)GP2(s)GV(s)GC1(s)R1E1U2QY2Y1F1F2U1=R2E2YM1YM2 串级控制系统的框图串级控制系统的框图副控制阀副控制阀副控制器副控制器主控制阀主控制阀主控制器主控制器对对象象变送器变送器y2=u1y1r2yr1图图4-2 双重控制系统框图双重控制系统框图G02(s)Gc2(s)G01(s)Gc1(s)y2=u1r2yr1G02(s)Gc2(s)G01(s)Gc1(s)y2=u1r2yr1u2双重控制系统使用一个变送器，两个控制器及双重控制系统使用一个变送器，两个控制器及两个控制阀。与串级控制系统相比，双重控制两个控制阀。与串级控制系统相比，双重控制系统少用一个变送器多用一个控制阀。系统少用一个变送器多用一个控制阀。它们都有二个控制回路，但串级控制系统二者它们都有二个控制回路，但串级控制系统二者是串联的，双重控制系统中却是并联的。是串联的，双重控制系统中却是并联的。它们都有它们都有“急则治标，缓则治本急则治标，缓则治本”的功能，但的功能，但解决的问题不同。解决的问题不同。二、二、系统分析系统分析 从整体来看，双重控制系统仍是一个定值控制系统。但从整体来看，双重控制系统仍是一个定值控制系统。但与单由主控制器、副控制器和慢响应对象组成的单回与单由主控制器、副控制器和慢响应对象组成的单回路控制系统相比，由于增加了一个具有快速响应的回路控制系统相比，由于增加了一个具有快速响应的回路，使它具有一些特殊的功能。路，使它具有一些特殊的功能。(1).由于双回路的存在，增加了开环零点，改善了控制由于双回路的存在，增加了开环零点，改善了控制品质，提高了系统的稳定性。品质，提高了系统的稳定性。(2).双重控制系统的工作频率也得到提高。双重控制系统的工作频率也得到提高。(3).动静结合，快慢结合，动静结合，快慢结合，“急则治标，缓则治本急则治标，缓则治本”。这里的这里的“快快”指动态特性好，指动态特性好，“慢指静态性能好。由慢指静态性能好。由于双回路的存在，使双重控制系统能先用于双回路的存在，使双重控制系统能先用主控制器的主控制器的作用使作用使y1尽快回复到设定值尽快回复到设定值r1，保证了系统具有良好，保证了系统具有良好的动态响应，达到了的动态响应，达到了“急则治标急则治标”的功效。同时，在的功效。同时，在偏差减小的同时，双重控制系统又充分发挥了偏差减小的同时，双重控制系统又充分发挥了副控制副控制器缓慢的调节作用，并使器缓慢的调节作用，并使y2回复到设定值回复到设定值r2，这就使，这就使系统具有较好的静态性能。由于双重控制系统较好地系统具有较好的静态性能。由于双重控制系统较好地解决了动静的矛盾，达到了操作优化的目的。解决了动静的矛盾，达到了操作优化的目的。三、系统设计与实施中的一些问题系统设计与实施中的一些问题主、副操纵变量的选择主、副操纵变量的选择主、副控制器的选择主、副控制器的选择 组成双重控制系统的主、副控制器均起定值调节作用。组成双重控制系统的主、副控制器均起定值调节作用。为了消除余差，主、副控制器均应选用具有积分作用的为了消除余差，主、副控制器均应选用具有积分作用的控制器，并且不加入微分作用。控制器，并且不加入微分作用。主、副控制器正反作用方式的选择主、副控制器正反作用方式的选择投运和参数整定投运和参数整定 投运方式是先主后副，即先使快响应对象切入自动，然投运方式是先主后副，即先使快响应对象切入自动，然后再切入慢响应对象。后再切入慢响应对象。主控制器参数与快响应控制时的参数相类似，而副控制主控制器参数与快响应控制时的参数相类似，而副控制器参数选用宽比例度和大积分时间，甚至可采用纯积分器参数选用宽比例度和大积分时间，甚至可采用纯积分作用。作用。双重控制系统的关联双重控制系统的关联 双重控制系统是一个包含两个回路的相关联的系统双重控制系统是一个包含两个回路的相关联的系统,但但是由于该系统的两个等效时间常数相差很大，因此它们是由于该系统的两个等效时间常数相差很大，因此它们之间的动态耦合很弱。之间的动态耦合很弱。均匀控制系统第四章 控制技术（三）均匀控制系统均匀控制系统1 1 均匀控制问题的提出及特点均匀控制问题的提出及特点均匀控制问题的提出及特点均匀控制问题的提出及特点2 2 均匀控制方案均匀控制方案均匀控制方案均匀控制方案 教学进程教学进程教学进程教学进程1 1均匀控制问题的提出及特点均匀控制问题的提出及特点均匀控制问题的提出及特点均匀控制问题的提出及特点 如串联精馏塔系统如串联精馏塔系统如串联精馏塔系统如串联精馏塔系统 甲甲甲甲塔塔塔塔乙乙乙乙塔塔塔塔LCFC 甲塔控制液位，而乙塔要控制进料量，出现矛盾甲塔控制液位，而乙塔要控制进料量，出现矛盾甲塔控制液位，而乙塔要控制进料量，出现矛盾甲塔控制液位，而乙塔要控制进料量，出现矛盾 过程生产的连续性过程生产的连续性过程生产的连续性过程生产的连续性物料连续，前一设备出，后一设备进物料连续，前一设备出，后一设备进物料连续，前一设备出，后一设备进物料连续，前一设备出，后一设备进,前后设备的控制系统经常会出现不协调（矛盾）。前后设备的控制系统经常会出现不协调（矛盾）。前后设备的控制系统经常会出现不协调（矛盾）。前后设备的控制系统经常会出现不协调（矛盾）。均匀控制目的：两参数都允许在一定范围内波动，但波动都不大均匀控制目的：两参数都允许在一定范围内波动，但波动都不大均匀控制目的：两参数都允许在一定范围内波动，但波动都不大均匀控制目的：两参数都允许在一定范围内波动，但波动都不大 1 1均匀控制问题的提出及特点均匀控制问题的提出及特点均匀控制问题的提出及特点均匀控制问题的提出及特点解决办法：工艺上可在两塔之间加入缓冲罐解决办法：工艺上可在两塔之间加入缓冲罐解决办法：工艺上可在两塔之间加入缓冲罐解决办法：工艺上可在两塔之间加入缓冲罐增加投资增加投资增加投资增加投资 控制系统上解决控制系统上解决控制系统上解决控制系统上解决均匀控制系统均匀控制系统均匀控制系统均匀控制系统做法：把两参数统一考虑，只设置一个控制系统，做法：把两参数统一考虑，只设置一个控制系统，做法：把两参数统一考虑，只设置一个控制系统，做法：把两参数统一考虑，只设置一个控制系统，如如如如LCLC，然后调整控制器参数然后调整控制器参数然后调整控制器参数然后调整控制器参数LFt（C）KC0LFt（a）KC较大 LFt（b）KC较小均匀控制系统的特点均匀控制系统的特点均匀控制系统的特点均匀控制系统的特点（1 1）结构上无特殊性）结构上无特殊性）结构上无特殊性）结构上无特殊性 可以是单回路，可以是串级，均匀是指控制目可以是单回路，可以是串级，均匀是指控制目可以是单回路，可以是串级，均匀是指控制目可以是单回路，可以是串级，均匀是指控制目 的，而不是指的，而不是指的，而不是指的，而不是指 结构。结构。结构。结构。（2 2）参数都要允许变化，但都要缓慢，并且要有主次）参数都要允许变化，但都要缓慢，并且要有主次）参数都要允许变化，但都要缓慢，并且要有主次）参数都要允许变化，但都要缓慢，并且要有主次 （3 3）参数变化要限定范围（非定值控制，而是定范围）参数变化要限定范围（非定值控制，而是定范围）参数变化要限定范围（非定值控制，而是定范围）参数变化要限定范围（非定值控制，而是定范围控制）控制）控制）控制）注意：明确均匀控制意图注意：明确均匀控制意图注意：明确均匀控制意图注意：明确均匀控制意图。1 1均匀控制问题的提出及特点均匀控制问题的提出及特点均匀控制问题的提出及特点均匀控制问题的提出及特点均匀控制方案均匀控制方案均匀控制方案均匀控制方案常用的结构形式常用的结构形式常用的结构形式常用的结构形式（1 1）简单均匀控制）简单均匀控制）简单均匀控制）简单均匀控制 结结结结构构构构与与与与单单单单回回回回路路路路相相相相同同同同，在在在在控控控控制制制制器器器器参参参参数数数数整整整整定定定定上上上上不不不不同同同同，较较较较大的比例度和积分时间（弱控制作用）大的比例度和积分时间（弱控制作用）大的比例度和积分时间（弱控制作用）大的比例度和积分时间（弱控制作用）适用于干扰不大，要求不高的场合适用于干扰不大，要求不高的场合适用于干扰不大，要求不高的场合适用于干扰不大，要求不高的场合 串级均匀控制方案LCFC LC 简单均匀控制方案 图图图图 液位和流量液位和流量液位和流量液位和流量 I0=II0=IL L-I-IF F+I+IS S ，稳定时，稳定时，稳定时，稳定时，I IL L和和和和I IF F的符号相反，抵消，的符号相反，抵消，的符号相反，抵消，的符号相反，抵消，I IS S 结构与串级系统相同，主控制器与简单均匀控制器参数结构与串级系统相同，主控制器与简单均匀控制器参数结构与串级系统相同，主控制器与简单均匀控制器参数结构与串级系统相同，主控制器与简单均匀控制器参数设置相同。设置相同。设置相同。设置相同。常用的结构形式常用的结构形式常用的结构形式常用的结构形式（2 2）串级均匀控制）串级均匀控制）串级均匀控制）串级均匀控制（3 3）双冲量均匀控制）双冲量均匀控制）双冲量均匀控制）双冲量均匀控制“冲量冲量冲量冲量”信号，信号，信号，信号，“双冲量双冲量双冲量双冲量”一个控制一个控制一个控制一个控制器器器器 综合两个测量信号，综合两个测量信号，综合两个测量信号，综合两个测量信号，IFISI0=IL-IF+ISI0FC控制规律的选择控制规律的选择控制规律的选择控制规律的选择不能加微分控制规律不能加微分控制规律不能加微分控制规律不能加微分控制规律 简单均匀：控制器简单均匀：控制器简单均匀：控制器简单均匀：控制器纯比例，或比例积分纯比例，或比例积分纯比例，或比例积分纯比例，或比例积分串级均匀：主控制器串级均匀：主控制器串级均匀：主控制器串级均匀：主控制器纯比例，或比例积分纯比例，或比例积分纯比例，或比例积分纯比例，或比例积分 副控制器副控制器副控制器副控制器纯比例，或比例积分纯比例，或比例积分纯比例，或比例积分纯比例，或比例积分双冲量均匀：控制器双冲量均匀：控制器双冲量均匀：控制器双冲量均匀：控制器比例积分比例积分比例积分比例积分利：利：利：利：积分的引入对液位参数有利，液位不越限，高频噪声积分的引入对液位参数有利，液位不越限，高频噪声积分的引入对液位参数有利，液位不越限，高频噪声积分的引入对液位参数有利，液位不越限，高频噪声弊：弊：弊：弊：积分的引入对流量信号不利，平衡状态过程很短，积积分的引入对流量信号不利，平衡状态过程很短，积积分的引入对流量信号不利，平衡状态过程很短，积积分的引入对流量信号不利，平衡状态过程很短，积分饱和分饱和分饱和分饱和参数整定参数整定参数整定参数整定 串级均匀控制中的流量副控制器按普通流量控制器进行整定，串级均匀控制中的流量副控制器按普通流量控制器进行整定，串级均匀控制中的流量副控制器按普通流量控制器进行整定，串级均匀控制中的流量副控制器按普通流量控制器进行整定，其它形式的控制器都需要按均匀控制的要求进行整定。其它形式的控制器都需要按均匀控制的要求进行整定。其它形式的控制器都需要按均匀控制的要求进行整定。其它形式的控制器都需要按均匀控制的要求进行整定。整定的原则整定的原则整定的原则整定的原则“慢慢慢慢”，过渡过程不能出现振荡过渡过程不能出现振荡过渡过程不能出现振荡过渡过程不能出现振荡根据工艺对流量和液位两个参数的要求，适当调整控制器根据工艺对流量和液位两个参数的要求，适当调整控制器的参数。的参数。以保证液位不超出允许的波动范围，先设置好控制器参数。以保证液位不超出允许的波动范围，先设置好控制器参数。修正控制器参数，充分利用容器的缓冲作用，使液位在最修正控制器参数，充分利用容器的缓冲作用，使液位在最大允许的范围内波动，输出流量尽量平稳。大允许的范围内波动，输出流量尽量平稳。气体压力与流量的均匀控制气体压力与流量的均匀控制气体压力与流量的均匀控制气体压力与流量的均匀控制 对于汽相物料，前后设备间的均匀控制一般是压力和流量对于汽相物料，前后设备间的均匀控制一般是压力和流量对于汽相物料，前后设备间的均匀控制一般是压力和流量对于汽相物料，前后设备间的均匀控制一般是压力和流量的串级均匀控制，的串级均匀控制，的串级均匀控制，的串级均匀控制，去去加氢反应器加氢反应器精精馏馏塔塔回流泵回流泵分离器分离器PCFC浮动塔压控制系统第四章 复杂控制技术（四）一、浮动塔压控制的基本原理浮动塔压控制的基本原理 在精馏塔的控制中，若塔压恒定，就可以单纯依在精馏塔的控制中，若塔压恒定，就可以单纯依据据温度来间接控制产品质量温度来间接控制产品质量。而且对于生产的。而且对于生产的平平稳操作稳操作也是有利的。所以，早期的精馏塔控制中，也是有利的。所以，早期的精馏塔控制中，差不多总是采用恒定塔压控制的。差不多总是采用恒定塔压控制的。然而从节能的角度，从传质原理来看，这种恒定然而从节能的角度，从传质原理来看，这种恒定塔压控制的操作不是优化的操作。当塔压低时，塔压控制的操作不是优化的操作。当塔压低时，混合物的相对挥发度高，为了获得相同纯度的分混合物的相对挥发度高，为了获得相同纯度的分离效果所消耗的能量就小，或者说在相同的能耗离效果所消耗的能量就小，或者说在相同的能耗下，精馏塔的处理量增大，产量提高。下，精馏塔的处理量增大，产量提高。精馏塔浮动塔压控制方案如下图所示。与常规的精馏塔浮动塔压控制方案如下图所示。与常规的恒定塔压控制不同的是增加一个阀位控制器。通恒定塔压控制不同的是增加一个阀位控制器。通过过VPC去调整压力控制器的设定值。去调整压力控制器的设定值。由于环境温度的下降或者冷剂量增大时，塔压就会下降，由于环境温度的下降或者冷剂量增大时，塔压就会下降，PC迅速响应，并打迅速响应，并打开控制阀，使压力恢复到设定值。与此同时，开控制阀，使压力恢复到设定值。与此同时，VPC缓慢地降低缓慢地降低PC的设定值，的设定值，直到控制阀回复到的设定值直到控制阀回复到的设定值。冷冷剂剂塔塔压压阀阀开度开度ttt塔压控制阀开度响应曲线塔压控制阀开度响应曲线 VPCVPC Gm Gm G Gc2c2(s)(s)G Go o(s(s)G Gf f(S(S)+-C C+干扰干扰F FR R 浮压控制系统框图浮压控制系统框图 二、浮动塔压控制系统设计中的几个问题二、浮动塔压控制系统设计中的几个问题（1）塔压从某一压力值浮动到另一压力值时必须要有足够的时间，）塔压从某一压力值浮动到另一压力值时必须要有足够的时间，以便精馏塔建立新的稳定。以便精馏塔建立新的稳定。(2)随着塔压的浮动应及时调整再沸器的加热量随着塔压的浮动应及时调整再沸器的加热量 塔压浮动的目的就是为了减少再沸器的加热量，如果塔底温度塔压浮动的目的就是为了减少再沸器的加热量，如果塔底温度控制系统的设定值不能及时跟随塔压的变化而变化，则塔压浮控制系统的设定值不能及时跟随塔压的变化而变化，则塔压浮动所可能节省的能量还是无法回收。因此，实施浮动塔压控制动所可能节省的能量还是无法回收。因此，实施浮动塔压控制的同时，应设置塔底温度设定值的控制系统。的同时，应设置塔底温度设定值的控制系统。（3）采用浮动塔压控制方案后，与塔压有关的以温度为间接质量）采用浮动塔压控制方案后，与塔压有关的以温度为间接质量指标的控制系统应引入压力校正。指标的控制系统应引入压力校正。（4）应采用防积分饱和的措施）应采用防积分饱和的措施,当当PC处于内设定方式时，切断了处于内设定方式时，切断了VPC的控制作用，由于积分作用，使的控制作用，由于积分作用，使VPC 的输出达到饱和。的输出达到饱和。三、三、采用阀位控制器的控制系统采用阀位控制器的控制系统 采用阀位控制器的控制系统的特点是用一采用阀位控制器的控制系统的特点是用一个阀位控制器来迫使控制阀的开度最终处个阀位控制器来迫使控制阀的开度最终处于某一设定的开度，而这一调整过程通常于某一设定的开度，而这一调整过程通常是很缓慢的。因此这类控制系统通常有一是很缓慢的。因此这类控制系统通常有一个快响应的控制回路以及一个慢响应的控个快响应的控制回路以及一个慢响应的控制回路。制回路。喷雾干燥过程控制系统喷雾干燥过程控制系统 加热器温度控制系统加热器温度控制系统精馏塔的控制第四章 复杂控制技术（五）1 概述2精馏塔的工艺要求和扰动分析3精馏塔被控变量的选择4 精馏塔的整体控制方案5 精馏塔的新型控制方案1 概述精馏是石油、化工等众多生产过程中广泛应用的一种传质过程，通过精馏过程，使混合物料中的各组分分离，分别达到规定的纯度。分离的机理是利用混合物中各组分的挥发度不同（沸点不同），使液相中的轻组分（低沸点）和汽相中的重组分（高沸点）相互转移，从而实现分离。精馏装置由精馏塔、再沸器、冷凝冷却器、回流罐及回流泵等组成。回流泵冷凝器气液分离器精馏塔进料再沸器釜液馏出液冷剂热剂B,xBD,xDF,zFLLBLDV精馏塔的特点 精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程，内在机理较复杂，动态响应迟缓、变量之间相互关联，不同的塔工艺结构差别很大，而工艺对控制提出的要求又较高，所以确定精馏塔的控制方案是一个极为重要的课题。而且从能耗的角度，精馏塔是三传一反典型单元操作中能耗最大的设备。2 精馏塔的工艺要求和扰动分析精馏塔的工艺要求和扰动分析 1工艺要求工艺要求 精馏塔的控制目标，应该在保证产品质量合格的前提下，使塔的总收益（利润）最大或总成本最小使塔的总收益（利润）最大或总成本最小。因此，精馏塔的工艺要求应该从质量指标、产品产量和能量消耗三方面考虑。同时受约束条件的制约。（1）保证质量指标）保证质量指标 质量指标（即产品纯度）必须符合规定的要求。一般应使塔顶或塔底产品之一达到规定的纯度，另一个产品的纯度也应该维持在规定的范围之内。在某些特定情况下，也有要求塔顶和塔底的产品均应保证一定的纯度要求的。所谓产品的纯度，就二元精馏来说，是指塔顶产品中轻组分的含量和塔底产品中重组分的含量。对多元精馏而言，则以关键组分的含量来表示。关键组分是指对产品质量影响较大的组分，塔顶产品的关键组分是易挥发的，称为轻关键组分；塔底产品的关键组分是不易挥发的，称为重关键组分。在精馏塔操作中使产品合格很重要。显然，如果产品质量不合格，其价值就将远远低于合格产品。但绝不是说质量越高越好。由于质量超过规定，产品的价值并不因此而增加；而产品产量却可能下降，同时操作成本（主要是能量消耗）会增加很多。因此，总的价值反倒下降了。由此可见，除了要考虑使产品符合规格外，还应同时考虑产品的产量和能量消耗。（2）产品产量指标）产品产量指标 化工产品的生产，要求在达到一定质量指标的前提下，应得到尽可能高的收率。这对于提高经济效益显然是有利的。由精馏原理可知，用精馏塔进行混合物的分离是要消耗一定能量的，要使分离的产品质量越高，产品产量越多，所需的能量也就越大。故除了产品纯度与产品收率之间的关系，还必须考虑能量消耗因素。（3）能耗要求和经济性指标）能耗要求和经济性指标 精馏过程中消耗的能量主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却量消耗；此外，塔和附属设备及管线也要散失部分能量。在一定的纯度要求下，增加塔内的上升蒸汽是有利于提高产品回收率的，但同时也意味着再沸器的能量消耗要增大。况且，任何事物总是有一定限度的。在单位进料量的能耗增加到一定数值后，再继续增加塔内的上升蒸汽，则产品回收率就增长不多了。精馏塔的操作情况，必须从整个经济效益来衡量。在精馏操作中，质量指标、产品回收率和能量消耗均是要控制的目标。其中质量指标是必要条件，在质量指标一定的条件下应在控制过程中使产品的产量尽可能提高一些，同时能量消耗尽可能低一些。（4）约束条件）约束条件 为确保精馏塔的正常、安全运行，必须使某些操作参数限制在约束条件之内。常用的精馏塔限制条件为液泛限、漏液限、压力限及临界温差限等。所谓液泛限，也称气相速度限，即塔内气相速度过高时，雾沫夹带十分严重，实际上液相将从下面塔板倒流到上面塔板，产生液泛，破坏正常操作。漏液限也称最小气相速度限，当气相速度小于某一值时，将产生塔板漏液，使塔板效率下降。防止液泛和漏液，可以通过塔压降或压差来监视气相速度。压力限是指塔的操作压力的限制，一般设最大操作压力限，即塔的操作压力不能过大，否则会影响塔内的气液平衡，若严重超限甚至会影响安全生产。临界温差限主要是指再沸器两侧间的温差，当这一温差低于临界温差时，传热系数急剧下降，传热量也随之下降，无法保证塔的正常传热需要。因此，在确定精馏塔的控制方案时，必须考虑到上述的约束条件，以使精馏塔工作于正常操作区内。2扰动分析扰动分析 和其他化工过程一样，精馏是在一定的物料平衡和能量平衡的基础上进行的。一切因素均通过物料平衡和能量平衡影响塔的正常操作。影响物料平衡的因素包括进料流量和进料成分的变化，以及顶部馏出物及底部出料的变化。影响能量平衡的因素主要是进料温度（或热焓）的变化、再沸器加热量和冷凝器冷却量的变化，此外还有塔的环境温度变化等。同时，物料平衡和能量平衡之间又是相互影响的。在上述各扰动因素中，进料流量和进料成分的波动是精馏塔操作的主要扰动，而且往往是不可控的。其余扰动一般较小，而且往往是可控的（或者可以采用一些控制系统预先加以克服）。因此，在精馏塔的整体控制方案确定时，如果工艺允许，能把精馏塔进料量、进料温度或热焓加以定值控制，将对精馏塔的平稳操作极为有利。3精馏塔的特性一、精馏塔的基本关系（1）物料平衡关系总物料平衡：F=D+B 轻组分平衡：F zf=D xD+B xB联立（12-1）、（12-2）可得：（2）能量平衡关系 在建立能量平衡关系时，首先要了解分离度的概念。所谓分离度s可用下式表示：可见，随着s的增大，xD也增大，xB而减小，说明塔系统的分离效果增大。影响分离度s的因素很多，如平均相对挥发度、理论塔板数、塔板效率、进料组分、进料板位置，以及塔内上升蒸汽量V和进料F的比值等。对于一个既定的塔来说：式（12-6）的函数关系也可用一近似式表示：或可表示为：式中为塔的特性因子 由上式可以看到，随着V/F的增加，s值提高，也就是xD增加，xB下降，分离效果提高了。由于V是由再沸器施加热量来提高的，所以该式实际是表示塔的能量对产品成分的影响，故称为能量平衡关系式。由上分析可见，V/F的增加，塔的分离效果提高，能耗也将增加。对于一个既定的塔，包括进料组分一定，只要D/F和V/F一定，这个塔的分离结果，即xD和xB将被完全确定。也就是说，由一个塔的物料平衡关系与能量平衡关系两个方程式，可以确定塔顶与塔底组分待定因素。上述结论与一般工艺书中所说保持回流比一定，就确定了分离结果是一致的。3 精馏塔被控变量的选择 通常，精馏塔的质量指标选取有两类：直接的产品成分信号和间接的温度信号。一、采用产品成分作为直接质量指标 成分分析仪表的制约因素：分析仪表的可靠性差；分析测量过程滞后大，反应缓慢；成分分析针对不同的产品组分，品种上较难一一满足。二、采用温度作为间接质量指标 温度作为间接质量指标，是精馏塔质量控制中应用最早也是目前最常见的一种。对于一个二元组分精馏塔来说，在一定的压力下，沸点和产品的成分有单值的对应关系，因此，只要塔压恒定，塔板的温度就反应了成分。对于多元精馏过程来说，情况较复杂。然而在炼油和石化生产中，许多产品都是由一系列的碳氢化合物的同系物所组成，此时，在一定的压力下，温度与成分之间也有近似的对应关系，即压力一定时，保持一定的温度，成分的误差可忽略不计。在其余情况下，温度参数也有可能在一定程度上反映成分的变化。（1）温度点的位置 若希望保持塔顶产品质量符合要求时，即顶部馏出液为主要产品，应把间接反映质量的温度检测点放在塔顶，构成所谓的精馏段温控系统；同样，为了保证塔底产品符合质量要求，温度检测点则应放在塔底，实施提馏段温控系统。具有粗馏作用的切割塔，此时温度检测点的位置应视要求产品的纯度的严格程度而定。中温控制：把温度检测点放在进料板附近的塔板上。目的是及时发现操作线的移动情况，兼顾塔顶和塔底组分变化。TCLCFCLCFCFBDVQL精馏段温度控制提馏段温度控制TCLCLCFCFCFBDVQLTCLCFCLCFCFBDVQL切割塔的温度控制（2）灵敏板问题 采用塔顶（或塔底）温度作为间接质量指标时，实际上把温度检测放置在塔顶（或塔底）是极为少数的。而是把温度检测点放在进料板与塔顶（底）之间的灵敏板上。所谓灵敏板，是当塔受到干扰或控制作用时，塔内各板的组分都将发生变化，随之各塔板的温度也将发生变化，当达到新的稳态时，温度变化最大的那块塔板即为灵敏板。灵敏板的位置先根据测算，确定大致位置，然后在它的附近设置多个检测点，从中选择最佳的测量点作为灵敏板。三、用压力补偿的温度参数作为间接指标 用温度作为间接质量指标有一个前提塔内压力恒定。虽然精馏塔的塔压一般有控制，但对精密精馏等控制要求较高的场合，微小的压力变化，将影响温度与组分间的关系，造成质量控制难以满足工艺的要求，为此需对压力的波动加以补偿。（1）直接压力补偿 压力的变化p引起沸点变化为T，在小范围内，此关系近似为线性关系：(12-12)校正后的温度值应为：(12-13)PTTT pTTKpKpoz这种直接压力补偿只适用于压力p在小范围内波动。（2）温差控制 在精密精馏等对产品纯度要求较高的场合，考虑压力波动对间接指标的影响，可采用温差控制。1.12