《杂控制系统》PPT课件.ppt

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1、第第 4 4 章章 复杂控制系统复杂控制系统简简单单控控制制系系统统是是过过程程控控制制中中最最基基本本、应应用用最最广广的控制形式，约占全部控制系统的的控制形式，约占全部控制系统的80。但是：。但是：q随随着着生生产产过过程程的的大大型型化化和和复复杂杂化化，操操作作条条件件更更加严格，变量之间的关系更加复杂。加严格，变量之间的关系更加复杂。q有些生产工艺和控制要求比较特殊。有些生产工艺和控制要求比较特殊。q随随着着技技术术发发展展，对对工工艺艺的的控控制制目目标标多多样样化化，如如产量、质量、节能、环保、效率等。产量、质量、节能、环保、效率等。为此，设计出各种复杂控制系统。为此，设计出各种

2、复杂控制系统。4.1 串级控制系统串级控制系统当当对对象象的的滞滞后后较较大大，干干扰扰比比较较剧剧烈烈、频频繁繁时时，采采用用简简单单控控制制系系统统往往往往控控制制质质量量较较差差，满满足足不不了了工工艺上的要求，这时，可考虑采用串级控制系统艺上的要求，这时，可考虑采用串级控制系统.4.1.1串级控制系统基本结构及工作过程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。串级控制是在简单控制系统基础上的改进。FC进料进料塔底采出塔底采出12蒸汽蒸汽方案方案2：控制蒸汽流量恒定：控制蒸汽流量恒定TC进料进料塔底采出塔底采出12蒸汽蒸汽方案方案1：控制塔釜温度恒定：控制塔釜温

3、度恒定单回路控制的局限性单回路控制的局限性单回路控制的局限性单回路控制的局限性目标：目标：控制塔釜温度稳定控制塔釜温度稳定方案方案1优点优点：将所有对温度的干扰都概：将所有对温度的干扰都概括在控制回路内。括在控制回路内。缺点缺点：当蒸汽压力波动较大时，：当蒸汽压力波动较大时，由于温度对象滞后较大，控制质由于温度对象滞后较大，控制质量不理想。量不理想。方案方案2:控制蒸汽流量恒定控制蒸汽流量恒定优点优点：能及时克服蒸汽压力的干：能及时克服蒸汽压力的干扰对温度的影响扰对温度的影响缺点缺点：不能克服进料流量、物料：不能克服进料流量、物料温度等其他因素对温度的影响。温度等其他因素对温度的影响。例例 管

4、管式式加加热热炉炉是是炼炼油油、化化工工生生产产中中的的重重要要装装置置之之一一，它它的的任任务务是是把把原原油油加加热热到到一一定定温温度度，以以保保证证下下道道工工艺艺的的顺顺利利进进行行。因因此此，需需要要控控制制原原油油加加热热后后的的出出口口温度。温度。问题：问题：控制通道容量滞后控制通道容量滞后很大，控制缓慢。很大，控制缓慢。燃料压力或燃料燃料压力或燃料的热值变化的热值变化 影响炉膛温度影响炉膛温度 热传导给原料热传导给原料 影响出口温度影响出口温度15min3min原料出口温度原料出口温度1(t)原料原料T1CT1T燃料燃料管式加热炉管式加热炉若用简单温控系统：若用简单温控系统：

5、炉膛温度炉膛温度变化变化T2T、T2C回路先改变燃料量回路先改变燃料量T1T、T1C回路再改回路再改变燃料量变燃料量出料温度出料温度变化变化解决措施解决措施：在影响出口温度的通道：在影响出口温度的通道中，加测炉膛温度的变化，提前控制。中，加测炉膛温度的变化，提前控制。燃料压力燃料压力变化变化3min原料出口温度原料出口温度1(t)原料原料T1CT1T燃料燃料管式加热炉管式加热炉T2CT2T下图为管式加热炉出口温度串级控制系统框图为：下图为管式加热炉出口温度串级控制系统框图为：主控制器主控制器调节阀调节阀x1炉膛炉膛原料油原料油f3、f4f1、f2管管壁壁温度变送器温度变送器1温度变送器温度变送

6、器2副控制器副控制器x2(t)2(t)1(t)主控制器主控制器执行器执行器副对象副对象主对象主对象主变送器主变送器副变送器副变送器副控制器副控制器 主变量主变量副变量副变量给定给定干扰干扰标准框图为：标准框图为：结构特点：结构特点：q系系统统有有两两个个闭闭合合回回路路，形形成成内内外外环环。主主变变量量是是工工艺艺要要求求控控制制的的变变量量，副副变变量量是是为为了了更更好好地地控控制制主主变量而选用的辅助变量。变量而选用的辅助变量。q主主、副副调调节节器器是是串串联联工工作作的的，主主调调节节器器的的输输出出作为副调节器的给定值。作为副调节器的给定值。主控制器主控制器执行器执行器副对象副对

7、象主对象主对象主变送器主变送器副变送器副变送器副控制器副控制器 主变量主变量副变量副变量给定给定干扰干扰控制过程分析：控制过程分析：1燃料压力燃料压力f3(t)、燃料热值、燃料热值f4(t)发生扰动发生扰动干扰进入副回路干扰进入副回路进入副回路的干扰首先影响炉膛温度，副变送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，控制过程大器提前测出，副控制器立即开始控制，控制过程大为缩短。为缩短。主控制器主控制器调节阀调节阀x1炉膛炉膛原料油原料油f3f4f1、f2管壁管壁温度变送器温度变送器1温度变送器温度变送器2副控制器副控制器x2(t)2(t)1(t)主控制器主控制器调

8、节阀调节阀x1炉膛炉膛原料油原料油f3、f4f1、f2管壁管壁温度变送器温度变送器1温度变送器温度变送器2副控制器副控制器x2(t)2(t)1(t)2原油流量原油流量 f1(t)、原油入口温度、原油入口温度 f2(t)发生扰动发生扰动干扰进入主回路干扰进入主回路 对进入主回路的干扰，虽然副变送器不能提前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，的时间常数大为缩短，则主控制器的控制通道被缩短，控制效果也得到改善。控制效果也得到改善。3干扰同时作用于副回路和主回

9、路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：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：）主副回路的干扰影响方向相同。如：燃料压力燃料压力f3(t)炉膛温度炉膛温度 出口温度出口温度 副控制器开始调节副控制器开始调节原油流量原油流量f1(t)出口温度出口温度主副控制器共同调节主副控制器共同调节主控制器主控制器调节阀调节阀x1炉膛炉膛原料油原料油f3、f4f1、f2管壁管壁温度变送器温度变送器1温度变送器温度变送器2副控制器副控制器x2(t)2(t)1(t)（2）主副回路的干扰影响方向相反。如：）主副回路的干扰影响方向相反。如：燃料压力燃料压力f3

10、(t)炉膛温度炉膛温度 出口温度出口温度 副控制器开始调节副控制器开始调节原油流量原油流量f1(t)出口温度出口温度主控制器反向调节，使主控制器反向调节，使副控制器调节量减小。副控制器调节量减小。主控制器主控制器调节阀调节阀x1炉膛炉膛原料油原料油f3、f4f1、f2管壁管壁温度变送器温度变送器1温度变送器温度变送器2副控制器副控制器x2(t)2(t)1(t)4.1.2串级控制系统特点及其分析串级控制系统特点及其分析将串级控制系统等效成单回路控制系统讨论。将串级控制系统等效成单回路控制系统讨论。Gc1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Gc2(s)X

11、2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm2(s)Gm1(s)F3(s)、F4(s)G*o2(s)Go2(s)X2(s)2(s)将副环等效为：将副环等效为：4.1.2.1 改善被控过程的动态特性改善被控过程的动态特性 控制通道等效副对象的传函：控制通道等效副对象的传函：设：设：则：则：T02 T02K02 1/Km2Gc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)G*c1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)串级控制等效串级控制等效真正

12、的单回路控制真正的单回路控制 T02 T02，说明主环控制通道时间常数，说明主环控制通道时间常数缩短，改善了系统的动态性能。缩短，改善了系统的动态性能。同理，通过对系统振荡频率的推导可知：同理，通过对系统振荡频率的推导可知：副回路的引入，提高了系统的工作频率，也副回路的引入，提高了系统的工作频率，也改善了系统的动态性能。改善了系统的动态性能。从系统特征方程：从系统特征方程：1+Gc1(s)Go2(s)Go1(s)Gm1(s)=0可求出系统的工作频率可求出系统的工作频率cGc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm1

13、(s)4.1.2.2 抗干扰能力增强抗干扰能力增强对于进入副回路的干扰，串级控制和单回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：路控制前向通道的区别：真正的单回路控制真正的单回路控制Gc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)G*c1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)串级控制等效串级控制等效干扰通道的传函：干扰通道的传函：设：设：则：则：T02*T02K02*K02 K02*K02 说明干扰通道的影响力降低；说明

14、干扰通道的影响力降低；T02*T02 说明干扰通道时间常数缩短，即副回路说明干扰通道时间常数缩短，即副回路的控制速度快。的控制速度快。真正的单回路控制真正的单回路控制Gc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)G*c1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)串级控制等效串级控制等效Gc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)串级控制等效串级控制等效

15、G*c1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)真正的单回路控制真正的单回路控制对于进入主回路的干扰，串级控制和单回路控制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：闭环回路的区别：T02 T02K02 T02 T02，说明主环通道时间常数被缩短，加说明主环通道时间常数被缩短，加快了系统的控制速度。快了系统的控制速度。Gc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)串级控制等效串级控制等效4.1.2.3对负荷和操作条件变化的

16、适应能力增强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。制，这会导致控制质量下降。G*c1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)真正的单回路控制真正的单回路控制K02 1/Km2对于串级控制，部分对象被包含在副回路中，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其放大倍数被负反馈压制。因而工

17、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。件变化时，调节系统仍然具有较好的控制质量。Gc1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Gc2(s)X2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm2(s)Gm1(s)4.1.2.4 系统的稳健性（系统的稳健性（Robust）由于实际过程往往具有一定的非线性和时变性，当生由于实际过程往往具有一定的非线性和时变性，当生产工艺发生变化或者运行时间较长后，被控过程特性产工艺发生变化或者运行时间较长后，被控过程特性会发生变化，其传递函数的变化将会导致控制器的参会发生变化，其传递函数的变化将会导致控制器的参数不再

18、是数不再是“最佳的最佳的”，系统的控制性能必然会变差。，系统的控制性能必然会变差。一般用一般用“稳健性稳健性”来描述系统控制特性对参数变化的敏来描述系统控制特性对参数变化的敏感性。感性。“稳健性稳健性”又称为又称为“强壮性、稳健性强壮性、稳健性”。系统的控制品质。系统的控制品质对对象特性变化越不敏感，称系统的对对象特性变化越不敏感，称系统的“稳健性稳健性”越好。越好。由于串级控制系统存在副回路，它对副回路中的由于串级控制系统存在副回路，它对副回路中的各个环节的参数变化显得不敏感，从这个角度看，各个环节的参数变化显得不敏感，从这个角度看，副回路具有一定的稳健性。副回路具有一定的稳健性。通常说主回

19、路对副回路中特性具有稳健性，但副通常说主回路对副回路中特性具有稳健性，但副回路本身却没有稳健性，副回路中各环节特性的回路本身却没有稳健性，副回路中各环节特性的变化依然敏感地影响副回路。变化依然敏感地影响副回路。另外，主回路对副回路的反馈通道没有稳健性。另外，主回路对副回路的反馈通道没有稳健性。串级系统特点总结：串级系统特点总结：对进入副回路的干扰有很强的克服能力；对进入副回路的干扰有很强的克服能力；改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作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；频率；对进入主回路的干扰控制效果也有改善；对负荷或操作条件的变化有一定自

20、适应能力。对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。调节效果比较调节效果比较串级控制串级控制单回路控制单回路控制ty具体体现：具体体现：(1)从从系统结构系统结构来看，串级控制系统有主、来看，串级控制系统有主、副两个闭合回路；有主、副两个控制器；副两个闭合回路；有主、副两个控制器；有分别测量主变量和副变量的两个测量有分别测量主变量和副变量的两个测量变送器。变送器。在串级控制系统中，在串级控制系统中，主回路是定值控主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统。制系统，而副回路是随动控制系统。(2)在串级控制系统中，有两主、副两个变量。在串级控制系统中，有两主、副两个变量。主变量是反映产品质量或生产

21、过程运行情况的主主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺变量。要工艺变量。控制的目的在于使这一变量等于工艺规定的给定控制的目的在于使这一变量等于工艺规定的给定值。值。(3)从系统特性来看，串级控制系统由于副回路的从系统特性来看，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象的特性，使控制过程加快，具引入，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制的作用，从而有效地克服滞后，提高有超前控制的作用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量。了控制质量。串级控制适用范围串级控制适用范围 当对象的滞后和时间常数很大，干当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而且频繁、负荷变化大，简单扰作用强而且频繁、负

22、荷变化大，简单控制系统满足不了控制质量的要求时，控制系统满足不了控制质量的要求时，可采用串级控制系统。可采用串级控制系统。在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服。且对作用于主对象上的干扰也能加速克服。副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。因

23、此，在串级控制系统中，由于主、副回路因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，充分发挥了控制作用，大相互配合、相互补充，充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。大提高了控制质量。4.1.3 串级控制系统的设计串级控制系统的设计1主回路设计主回路设计定值控制定值控制 主回路设计与单回路控制系统一样。能直接或主回路设计与单回路控制系统一样。能直接或间接地表征生产过程质量的参数都可以作为控制系统间接地表征生产过程质量的参数都可以作为控制系统的被控变量。的被控变量。Gc1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Gc2(s)X2(s)2(s)F1(

24、s)、F2(s)Gm2(s)Gm1(s)2副回路的选择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：遵循下面几个原则：主、副变量有对应关系主、副变量有对应关系副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的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主要干扰，并尽可能多包含一些干扰副参数的选择应考虑主、副回路中控制过程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，以防的时间常数的匹配，以防“共振共振”的发生的发生应注意

25、工艺上的合理性和经济性应注意工艺上的合理性和经济性 3主、副调节器调节规律的选择主、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。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，主调节器通常选用求比较严格。所以，主调节器通常选用PI调节，或调节，或PID调节。调节。控制副参数是为了提高主参数的控制质量，对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，副参数的要求一般不严格，允许有静差允许

26、有静差。因此，副。因此，副调节器一般选调节器一般选P调节就可以了。调节就可以了。4主、副调节器正、反作用方式的确定主、副调节器正、反作用方式的确定 对串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用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。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：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、根据工艺安全或节能要求确定调节阀的正、反作用；反作用；2、按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器、按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、反作用；的正、反作用；3、依据主回路构成负反馈的原则，确定主调节、依据主回路

27、构成负反馈的原则，确定主调节器的正、反作用。器的正、反作用。以管式加热炉为例，说明串级控制系统主、副调以管式加热炉为例，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。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、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。关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全。原料出口温度原料出口温度1(t)原料原料T1CT1T燃料燃料管式加热炉管式加热炉T2CT2T 2、副回路中，调节阀开大，炉膛温度升

28、高，测、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。证副回路为负反馈，副调节器应为反作用方式。原料出口温度原料出口温度1(t)原料原料 T1C T1T燃料燃料管式加热炉管式加热炉 T2C T2T3、对于主调节器，调节阀开大，炉膛温度升高时，、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

29、式。应为反作用方式。原料出口温度原料出口温度1(t)原料原料 T1C T1T燃料燃料管式加热炉管式加热炉 T2C T2T4.1.4 串级控制系统的参数整定串级控制系统的参数整定有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。1逐步逼近法逐步逼近法依次整定副回路、主回路。并循环进行，逐步接依次整定副回路、主回路。并循环进行，逐步接近主、副回路最佳控制状态。近主、副回路最佳控制状态。2两步整定法两步整定法系统处于串级工作状态，第一步按单回路方法整系统处于串级工作状态，第一步按单回路方法整定副调节器参数；第二步把已经整定好的副回路视为定副调节器参数；第二步把已经整定好的副

30、回路视为一个环节，仍按单回路对主调节器进行参数整定。一个环节，仍按单回路对主调节器进行参数整定。3一步整定法一步整定法所谓一步整定法，就是根据经验，先将副调节器所谓一步整定法，就是根据经验，先将副调节器参数一次调好，不再变动，然后按一般单回路控制系参数一次调好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主调节器参数。统的整定方法直接整定主调节器参数。表表7.17.1一步整定法副调节器参数选择范围一步整定法副调节器参数选择范围副参数类型副参数类型 副调节器比例度副调节器比例度2（%）副调节器比例增益副调节器比例增益Kc2 温度温度 2060 5.01.7 压力压力 3070 3.01.

31、4 流量流量 4080 2.51.25 液位液位 2080 5.01.254.1.5串级系统的工业应用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。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。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）容量滞后较大的过程2）纯滞后较大的过程）纯滞后较大的过程3）干扰幅度大的过程）干扰幅度大的过程4）非线性严重的过程）非线性严重的过程4.2 均匀控制系统均匀控制系统在在连连续续生生产产过过程程中中，有有许许多多装装置

32、置是是前前后后紧紧密密联联系系的的。前前一一设设备备的的出出料料，往往往往是是后后一一设设备备的的进进料料，各各设设备备的的操操作作也也互互相相关关联联、互互相相影影响响。例例如如图图4.10所所示的两个连续操作的精馏塔。示的两个连续操作的精馏塔。1#塔要求液塔要求液位稳定，设液位位稳定，设液位控制系统。控制系统。2#塔要求进塔要求进料量稳定，设流料量稳定，设流量控制系统。量控制系统。LC1#2#FTFCLT12显然，这两套控制系统的控制目标存在矛盾：显然，这两套控制系统的控制目标存在矛盾：解决办法：解决办法：1、设中间贮、设中间贮槽，使前后影响减槽，使前后影响减小，但成本高，传小，但成本高，

33、传输滞后大。输滞后大。2、用均匀调、用均匀调节方案。节方案。1#塔液位调节塔液位调节阀阀 1 开度变化开度变化 2#塔流量变化塔流量变化2#塔流量调节塔流量调节阀阀 2 开度变化开度变化 1#塔液位变化塔液位变化LC1#2#FTFCLT124.2.1均匀控制系统工作原理及特点均匀控制系统工作原理及特点为为了了解解决决前前后后工工序序控控制制的的矛矛盾盾，达达到到前前后后兼兼顾顾、协协调调操操作作，使使前前后后工工序序的的控控制制参参数数均均能能符符合合要要求求而而设设计的控制系统称为计的控制系统称为均匀控制系统均匀控制系统。如如上上例例中中，均均匀匀控控制制应应通通过过对对液液位位和和流流量量

34、两两个个变变量量同同时时兼兼顾顾的的控控制制方方案案，使使两两个个互互相相矛矛盾盾的的变变量量相相互互协调，都能满足各自的的工艺要求。协调，都能满足各自的的工艺要求。和其它控制方式相比，均匀控制的特点如下：和其它控制方式相比，均匀控制的特点如下：（1）两两个个被被控控变变量量在在控控制制过过程程中中都都是是缓缓慢慢变变化化的。的。因因为为若若将将1#塔塔液液位位控控制制成成平平稳稳的的直直线线，会会导导致致2#塔塔的的进进料料量量波波动动很很大大；反反之之若若将将2#塔塔的的进进料料量量控控制制成成平平稳稳的的直直线线，会会导导致致1#塔塔液液位位波波动动很很大大。即即无无法法实实现现两个被控

35、参数都很平稳。两个被控参数都很平稳。只只有有让让两两者者都都有有一一定定程程度度的的波波动动，但但波波动动都都比比较较缓慢、且幅度较小，才有可能同时符合控制要求。缓慢、且幅度较小，才有可能同时符合控制要求。tLL FFO（a）1#塔液位稳定、塔液位稳定、2#塔流量变化大塔流量变化大LFL FtO（b）1#塔液位变化大、塔液位变化大、2#塔流量稳定塔流量稳定L FLFtO（c）1#塔液位、塔液位、2#塔流量均变化较小塔流量均变化较小（2）前前后后互互相相联联系系又又互互相相矛矛盾盾的的两两个个变变量量应应保保持持在所允许的范围内波动。在所允许的范围内波动。如如图图，1#塔塔塔塔釜釜液液位位的的升

36、升降降变变化化不不能能超超过过规规定定的的上上下下限限。2#塔塔进进料料流流量量也也不不能能超超越越规规定定的的上上下下限限，否否则就不能满足工艺要求。则就不能满足工艺要求。LC1#2#FTFCLT12L FLFtO4.2.2 均匀控制方案均匀控制方案均匀控制常用的方案有简单均匀控制、串级均匀均匀控制常用的方案有简单均匀控制、串级均匀控制等形式，下面介绍这几种控制方案。控制等形式，下面介绍这几种控制方案。1简单均匀控制简单均匀控制LC1#2#LT结结构构与与简简单单液液位位定定值值控控制制系系统统一一样样，但但系系统统控控制制的的目目的的不不同同。均均匀匀控控制制的的目目的的是是协协调调控控制

37、制液液位位和和排排出出流流量量两两个变量。个变量。由于控制目的不同，均匀控制要求兼顾两个变由于控制目的不同，均匀控制要求兼顾两个变量，是通过调节器的参数整定来实现的。量，是通过调节器的参数整定来实现的。简单均匀控制系统简单均匀控制系统中的控制器一般都是中的控制器一般都是纯比例纯比例作用作用，而且将比例度整定得很大。，而且将比例度整定得很大。当液位变化时，当液位变化时，控制器的输出变化很控制器的输出变化很小，排出流量只作微小，排出流量只作微小缓慢的变化，以较小缓慢的变化，以较弱的控制作用达到均弱的控制作用达到均匀控制的目的。匀控制的目的。LC1#2#LT 因此，简单均因此，简单均匀控制匀控制适用

38、于干扰适用于干扰不大、对流量的均不大、对流量的均匀程度要求较低匀程度要求较低的的场合。场合。简单均匀控制的简单均匀控制的优点优点是结构简单，投运方便，成是结构简单，投运方便，成本低。但对另一个被控变量是不测不控的兼顾操作，本低。但对另一个被控变量是不测不控的兼顾操作，其控制精度不一定能保证。其控制精度不一定能保证。如此例中，当前后塔的压力变化较大时，尽管调如此例中，当前后塔的压力变化较大时，尽管调节阀的开度不变，输出流量也会发生较大变化。节阀的开度不变，输出流量也会发生较大变化。LC1#2#LT2串级均匀控制串级均匀控制为为了了克克服服简简单单均均匀匀控控制制只只有有一一个个控控制制回回路路，

39、只只能能保保证证一一个个被被控控变变量量精精度度的的缺缺点点，可可在在简简单单均均匀匀控控制制方方案基础上增加一个副控制回路，构成串级均匀控制。案基础上增加一个副控制回路，构成串级均匀控制。q结结构构与与串串级级控控制制系系统统相相同同。增增加加了了流流量量控控制制回回路路，可可以以及及时时克克服服压压力力干干扰扰，保保证证流流量量控控制精度。制精度。LC1#2#FTFCLTq串串级级均均匀匀控控制制方方案案中中，主主、副副变变量量都都有有控控制制精精度度要要求求，二二者者均均在在规规定定的的范范围围内内作作缓缓慢慢的的变变化化，所所以以控控制手法上与串级控制不同。制手法上与串级控制不同。v主

40、主、副副控控制制器器一一般般都都采采用用纯纯比比例例作作用用，而而且且将将比比例度整定得较大。例度整定得较大。v串串级级均均匀匀控控制制方方案案适适用用于于干干扰扰较较大大的的场场合合。但但使使用用仪仪表表较较多多，投投运运、维护较复杂。维护较复杂。LC1#2#FTFCLT3、双冲量均匀控制系统、双冲量均匀控制系统双冲量均匀控制系统是串级控制系统的一种变双冲量均匀控制系统是串级控制系统的一种变形控制系统，它是将两个需要互相兼顾的被控形控制系统，它是将两个需要互相兼顾的被控变量的差变量的差(或和或和)作为被控变量的控制系统。作为被控变量的控制系统。(1)被控变量的差作为被控变量。被控变量的差作为

41、被控变量。当调节阀安装在出口时，不论液位偏高还是偏当调节阀安装在出口时，不论液位偏高还是偏低，都应开大调节阀，因此，应取液位和流量低，都应开大调节阀，因此，应取液位和流量信号的差作为测量值，如图信号的差作为测量值，如图4.13(a)所示。所示。正常情况下这个差值可能为零、负或正值，在正常情况下这个差值可能为零、负或正值，在加法器引入偏置值用于降低零位，使正常情况加法器引入偏置值用于降低零位，使正常情况下加法器的输出在量程的中间值。为调整两个下加法器的输出在量程的中间值。为调整两个信号的权重，可以对这两个信号进行加权，即信号的权重，可以对这两个信号进行加权，即式中，式中，I Y为流量控制器的测量

42、信号；为流量控制器的测量信号；I L为液为液位变送器的输出电流；位变送器的输出电流；I F为流量变送器输出电为流量变送器输出电流；流；I B为偏置值；为偏置值；c 1和和 c 2为加权系数。为加权系数。(2)被控变量的和作为被控变量。被控变量的和作为被控变量。当调节阀安装在入口时，如图当调节阀安装在入口时，如图4.13(b)所示，均所示，均匀控制系统的测量值应是液位和流量信号的和匀控制系统的测量值应是液位和流量信号的和减去偏置值，即减去偏置值，即可见，在该控制系统中，当液位偏低或流量偏可见，在该控制系统中，当液位偏低或流量偏低时，都应打开调节阀门，因此，把两个信号低时，都应打开调节阀门，因此，

43、把两个信号之和作为测量值，同样道理，应设置偏置值，之和作为测量值，同样道理，应设置偏置值，但正常情况下两个信号均为正值，故应减去偏但正常情况下两个信号均为正值，故应减去偏置值使差值在量程的中间值。置值使差值在量程的中间值。双冲量均匀控制系统是串级均匀控制系统的变双冲量均匀控制系统是串级均匀控制系统的变型。型。其主控制器是其主控制器是1 1 比例环节，副控制器是流量比例环节，副控制器是流量控制器，其结构与串级均匀控制系统相似，控控制器，其结构与串级均匀控制系统相似，控制效果优于简单均匀控制系统。制效果优于简单均匀控制系统。4.均匀控制系统的特点均匀控制系统的特点(1)均匀控制系统采用一个控制器实

44、现对两个均匀控制系统采用一个控制器实现对两个被控量的控制。被控量的控制。(2)均匀控制系统采用的系统与普通的控制系均匀控制系统采用的系统与普通的控制系统结构相似，对两个被控量的控制是通过控制统结构相似，对两个被控量的控制是通过控制器参数合理整定实现的。器参数合理整定实现的。(3)均匀控制器的整定原则是比例度较大些，均匀控制器的整定原则是比例度较大些，积分时间常数较长些。积分时间常数较长些。4.2.3 4.2.3 控制器参数整定控制器参数整定1.1.控制器控制规律的选择控制器控制规律的选择一般来讲，一般来讲，简单均匀控制系统简单均匀控制系统的控制器一般的控制器一般采用采用P P 控制而不采用控制

45、而不采用PI PI 控制，其原因是均匀控制系统的控制，其原因是均匀控制系统的控制要求是使液位和流量在允许范围内缓慢变化，控制要求是使液位和流量在允许范围内缓慢变化，即允许被控量有余差。即允许被控量有余差。由于控制器参数整定时比例度较大，控制器输出由于控制器参数整定时比例度较大，控制器输出引起的流量变化一般不会超越输入流量的变化，引起的流量变化一般不会超越输入流量的变化，可以满足系统的控制要求。可以满足系统的控制要求。当然，由于工艺过程的需要，为了照顾流量参数当然，由于工艺过程的需要，为了照顾流量参数使其变化更稳定，有时也采用使其变化更稳定，有时也采用PI PI 控制，控制，当液位波当液位波动较

46、剧烈或输入流量存在急剧变化场合动较剧烈或输入流量存在急剧变化场合、系统要系统要求液位没有余差求液位没有余差则要采用则要采用PI PI 控制规律，在此情况控制规律，在此情况下，加入下，加入I I 作用相应增大了控制器的比例度，削作用相应增大了控制器的比例度，削弱比例控制作用，使流量变化缓慢，也可以很好弱比例控制作用，使流量变化缓慢，也可以很好实现均匀控制作用。实现均匀控制作用。指出引入指出引入I I的不利之处，首先对流量参数产生不利的不利之处，首先对流量参数产生不利影响，如果液位偏离给定值的时间较长而幅值又影响，如果液位偏离给定值的时间较长而幅值又比较大，比较大，I I 作用会导致控制阀全开或全

47、关，造成作用会导致控制阀全开或全关，造成流量的波动较大。流量的波动较大。同时，同时，I I 作用的引入将使系统稳定性变差，系统作用的引入将使系统稳定性变差，系统几乎处于不断的控制中，平衡状态相比几乎处于不断的控制中，平衡状态相比P P 控制的控制的时间要短。此外，时间要短。此外，I I作用的引入，有可能出现积分作用的引入，有可能出现积分饱和，导致洪峰现象。饱和，导致洪峰现象。串级均匀控制系统串级均匀控制系统主控制器主控制器的控制规律可按照的控制规律可按照简单均匀控制系统的控制规律选择，简单均匀控制系统的控制规律选择，副控制器副控制器的控制规律可以选用的控制规律可以选用P P 控制规律，不必消除

48、余控制规律，不必消除余差；差；为了使副回路成为为了使副回路成为11 11 比例环节，改善系统比例环节，改善系统的动态特性，可以采用的动态特性，可以采用PI PI 控制规律。控制规律。2.2.控制器参数整定控制器参数整定串级均匀控制中的流量串级均匀控制中的流量副控制器副控制器参数整参数整定与普通流量控制器参数整定相似，而定与普通流量控制器参数整定相似，而均匀控制系统的其他几种形式的控制器均匀控制系统的其他几种形式的控制器都需要按照均匀控制的要求来进行整定。都需要按照均匀控制的要求来进行整定。其整定主要原则突出一个其整定主要原则突出一个“慢慢”字，即字，即过渡过程不可以出现明显的振荡过渡过程不可以

49、出现明显的振荡。具体整定原则和方法介绍如下：具体整定原则和方法介绍如下：1)1)整定原则整定原则(1)(1)保证液位不超出波动范围，先设置好控制器参数。保证液位不超出波动范围，先设置好控制器参数。(2)(2)修正控制器参数，充分利用容器的缓冲作用，使修正控制器参数，充分利用容器的缓冲作用，使液位在最大允许范围内波动，输出流量尽量平稳。液位在最大允许范围内波动，输出流量尽量平稳。(3)(3)根据工艺对流量和液位的要求，适当调整控制器根据工艺对流量和液位的要求，适当调整控制器的参数。的参数。2)2)方法步骤方法步骤(1)P(1)P 控制。控制。先将比例度放置在估计液位不会超过允许限定值内，先将比例

50、度放置在估计液位不会超过允许限定值内，然后通过观察运行曲线调节比例度，如果然后通过观察运行曲线调节比例度，如果液位最大波液位最大波动值小于允许范围动值小于允许范围，则可以，则可以增减比例度增减比例度，如果，如果液位最液位最大波动范围超出允许波动范围大波动范围超出允许波动范围，则可以，则可以减小比例度减小比例度；反复调整，直到得到满意的运行曲线为止。反复调整，直到得到满意的运行曲线为止。(2)PI(2)PI 控制。控制。首先确定比例度，方法与纯首先确定比例度，方法与纯P P 控制整定方法相同；控制整定方法相同；然后适当加大比例度后加入然后适当加大比例度后加入I I 控制，逐渐减小积分时控制，逐渐