化工仪表之复杂控制系培训课件9661.pptx
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1、 8 复杂控制系统复杂控制系统 常见的复杂控制系统有:串级、均常见的复杂控制系统有:串级、均匀、比值、分程、前馈等。匀、比值、分程、前馈等。8.1 串级控制系统串级控制系统8.1.1 串级控制系统的基本概念串级控制系统的基本概念8.1.1.1 什么叫串级控制系统什么叫串级控制系统 A 加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统 加热炉是炼化生产中常见的设备。用来加热加热炉是炼化生产中常见的设备。用来加热原料油或裂解重油,炉出口温度控制十分重要。原料油或裂解重油,炉出口温度控制十分重要。通常工艺上要求炉出口通常工艺上要求炉出口 温度在温度在1 2范围范围 内波动,若
2、采用简单控制内波动,若采用简单控制 系统,由于炉管等热容较系统,由于炉管等热容较 大,而且燃料油至出口的大,而且燃料油至出口的 通道又相当长。为此采用通道又相当长。为此采用 了串级控制方案。了串级控制方案。分析:分析:扰动因素有:原料油的处理量和温度,燃扰动因素有:原料油的处理量和温度,燃料压力和成分,燃料雾化情况以及烟囱抽力等。料压力和成分,燃料雾化情况以及烟囱抽力等。除原料油处理量和温度外,其余扰动的变化首先除原料油处理量和温度外,其余扰动的变化首先影响炉膛温度。为了解决时滞大和控制要求高之影响炉膛温度。为了解决时滞大和控制要求高之间的矛盾,可根据炉膛温度的变化预先控制燃料间的矛盾,可根据
3、炉膛温度的变化预先控制燃料量,迅速实现量,迅速实现“粗调粗调”,然后再根据炉出口温度,然后再根据炉出口温度来来 控制燃料量,实现控制燃料量,实现“细调细调”。这样就构成了炉出。这样就构成了炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统。口温度与炉膛温度的串级控制系统。TT1TC1TC2TT2燃料油燃料油原料油原料油B 聚合釜反应温度和冷却水温度的串级控制系统聚合釜反应温度和冷却水温度的串级控制系统 在这个系统中,被控变量是聚合釜反应温度,如在这个系统中,被控变量是聚合釜反应温度,如反应温度稍微偏离工艺指标,将使产品质量明显下降或反应温度稍微偏离工艺指标,将使产品质量明显下降或报废,甚至还会引起爆炸危险。因
4、为控制通道的时滞太报废,甚至还会引起爆炸危险。因为控制通道的时滞太大。因此,选择滞后较小的夹套水温和反应温度组成串大。因此,选择滞后较小的夹套水温和反应温度组成串级控制系统。级控制系统。8.1.1.2 串级控制系统的结构和方框图串级控制系统的结构和方框图 TT1TC1TC2TT2燃料油燃料油原料油原料油两套检测变送器、两个调节器,前两套检测变送器、两个调节器,前一个控制器(主控制器)的输出作一个控制器(主控制器)的输出作为后一个控制器(副控制器)的设为后一个控制器(副控制器)的设定,后一个控制器的输出送往调节定,后一个控制器的输出送往调节阀。主控制器控制的变量称主变量,阀。主控制器控制的变量称
5、主变量,即工艺控制指标;副控制器控制的即工艺控制指标;副控制器控制的变量称副变量,是引入的辅助变量。变量称副变量,是引入的辅助变量。两个控制回路,主回路和副回路。两个控制回路,主回路和副回路。8.1.1.3 串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程 A 扰动作用于副回路扰动作用于副回路 例如:燃料压力发生变化,首先影响炉膛温度,副调节器例如:燃料压力发生变化,首先影响炉膛温度,副调节器及时进行控制,以维持炉膛温度稳定。如果扰动量小,经过副回及时进行控制,以维持炉膛温度稳定。如果扰动量小,经过副回路及时控制后,一般不影响炉出口温度。在大幅度扰动下,其大路及时控制后,一般不影响炉出口温度。在大
6、幅度扰动下,其大部分影响被副回路克服,小部分影响炉出口温度的扰动则由主回部分影响被副回路克服,小部分影响炉出口温度的扰动则由主回路来消除,此时副调节器的测量值与设定值两方面的变化加在一路来消除,此时副调节器的测量值与设定值两方面的变化加在一起,控制作用加强,使主变量尽快地恢复到设定值上来。起,控制作用加强,使主变量尽快地恢复到设定值上来。TT1TC1TC2TT2燃料油燃料油原料油原料油B 扰动作用于主过程扰动作用于主过程 若进入加热炉的原料油流量发生变化而影响到炉出口若进入加热炉的原料油流量发生变化而影响到炉出口温度变化时,则由主调节器起控制作用,此时副回路虽不温度变化时,则由主调节器起控制作
7、用,此时副回路虽不能直接克服扰动,但由于副回路的存在而改善了过程特性,能直接克服扰动,但由于副回路的存在而改善了过程特性,缩短了控制通道,因此控制质量有所提高。缩短了控制通道,因此控制质量有所提高。C 扰动同时作用于副回路和主过程扰动同时作用于副回路和主过程 若扰动作用使主、副变量按同一方向变化,即主、若扰动作用使主、副变量按同一方向变化,即主、副变量同时升高或同时降低,此时主、副调节器对调节阀副变量同时升高或同时降低,此时主、副调节器对调节阀的控制方向是一致的,有利于提高控制质量。的控制方向是一致的,有利于提高控制质量。若扰动作用使主、副变量朝相反方向变化,则此时主、若扰动作用使主、副变量朝
8、相反方向变化,则此时主、副调节器对调节阀的控制方向是相反的,阀门开度只作小副调节器对调节阀的控制方向是相反的,阀门开度只作小小变动就能符合控制要求。例如,原料量减小使炉出口温小变动就能符合控制要求。例如,原料量减小使炉出口温度升高,而燃料压力降低使炉膛温度降低。度升高,而燃料压力降低使炉膛温度降低。8.1.2 串级控制系统的特点及适用场合串级控制系统的特点及适用场合 1)对进入副回路的扰动具有较迅速、较强的克服对进入副回路的扰动具有较迅速、较强的克服能力能力 以加热炉为例,如果燃料油压力发生变化,首以加热炉为例,如果燃料油压力发生变化,首先影响炉膛温度,副回路很快起作用,将这一扰动先影响炉膛温
9、度,副回路很快起作用,将这一扰动克服,这样就削弱了扰动对主变量炉出口温度的影克服,这样就削弱了扰动对主变量炉出口温度的影响。响。另一方面,串级控制系统有主、副两个控制器,另一方面,串级控制系统有主、副两个控制器,两者串联使用,所以总的比例增益是主、副控制器两者串联使用,所以总的比例增益是主、副控制器比例增益的乘积,因而有较大的抗干扰能力。比例增益的乘积,因而有较大的抗干扰能力。2)可以改善过程特性可以改善过程特性 把副回路看作是主回路的一个环节,称为等效过程把副回路看作是主回路的一个环节,称为等效过程Gp2,它的,它的传递函数传递函数 Gp2(s)=G2(s)/R2(s)=Gc2(s)Gv(s
10、)Gp2(s)/1+Gc2(s)Gv(s)Gp2(s)Hm2(s)设各环节的传递函数分别为:设各环节的传递函数分别为:Gp2(s)=Kp2/(Tp2s+1),Gc2(s)=Kc2 ,Gv(s)=Kv ,Hm2(s)=1。G p2(s)=Kc2 Kv Kp2/(1+Kc2 Kv Kp2)/Tp2s/(1+Kc2 Kv Kp2)+1 令令 K p2=Kc2 Kv Kp2/(1+Kc2 Kv Kp2)T p2=Tp2/(1+Kc2 Kv Kp2)则则 Gp2(s)=Kp2/(T p2s+1)式中,式中,K p2为等效过程的放大系数,为等效过程的放大系数,T p2为等效过程的时间常数。为等效过程的时间
11、常数。因为因为(1十十Kc2KvKp2)1,所以,所以T p2 Tp2,Kp2 Kp2 。当当Kc2足够大时,足够大时,K p2趋近于趋近于1,T p2趋近于趋近于0,副回路可近似作为,副回路可近似作为1:1的比例环节。的比例环节。3)可消除副过程非线性特性和调节阀流量特性可消除副过程非线性特性和调节阀流量特性不适合对控制质量的影响不适合对控制质量的影响 由于副过程和调节阀被包括在副回路内,由于副过程和调节阀被包括在副回路内,Kc2较大,副回路接近较大,副回路接近1:1的比例环节。的比例环节。4)可兼顾两个变量可兼顾两个变量 主控制器的比例度选得较大时,它的输出变主控制器的比例度选得较大时,它
12、的输出变化很小。这一输出是副调节器的设定值,因此副化很小。这一输出是副调节器的设定值,因此副变量的变化也将比较平稳,这样可使主、副两个变量的变化也将比较平稳,这样可使主、副两个变量都保持在一定范围之内。变量都保持在一定范围之内。5)可以实现灵活控制方式,必要时可以切除主可以实现灵活控制方式,必要时可以切除主调节器调节器8.1.3 串级控制系统的设计串级控制系统的设计 主要三个问题:主、副变量的选择主要三个问题:主、副变量的选择;主、主、副调节器控制规律的选择副调节器控制规律的选择;主、副调节器正、主、副调节器正、反作用的选择。反作用的选择。8.1.3.1 主、副变量的选择主、副变量的选择主变量
13、的选择。主变量的选择。主变量是工艺要求稳定的量。主变量是工艺要求稳定的量。选取能直接、正确、迅速地反映控制要求的选取能直接、正确、迅速地反映控制要求的工艺变量,如无直接变量,则应选择与之有工艺变量,如无直接变量,则应选择与之有一一对应关系的间接变量,而且应便于测量、一一对应关系的间接变量,而且应便于测量、变送。变送。副变量的选择。副变量的选择。(1)应当考虑工艺上静态特性的合理性。应当考虑工艺上静态特性的合理性。操纵变量是先影响副变量,再由副变量去影响主变操纵变量是先影响副变量,再由副变量去影响主变量。量。(2)副回路内必须包括主要扰动和尽量多的扰动。副回路内必须包括主要扰动和尽量多的扰动。当
14、扰动进入副回路时,副回路能迅速而强有力地克当扰动进入副回路时,副回路能迅速而强有力地克服它,因此在选择副变量时,一定要把主要扰动包括在服它,因此在选择副变量时,一定要把主要扰动包括在副回路内,以充分发挥串级控制的最大优点,把对主变副回路内,以充分发挥串级控制的最大优点,把对主变量影响最严重、最剧烈、最频繁的扰动因素抑制到最低量影响最严重、最剧烈、最频繁的扰动因素抑制到最低程度,以确保主变量的控制质量。程度,以确保主变量的控制质量。(3)适当分割主、副过程,在时间常数和滞后上适适当分割主、副过程,在时间常数和滞后上适当匹配。当匹配。8.1.3.2 主、副调节器控制规律的选择主、副调节器控制规律的
15、选择 主调节器控制规律的选择与简单定值控制主调节器控制规律的选择与简单定值控制系统相同,采用系统相同,采用PID控制规律或控制规律或PI控制规律。控制规律。副调节器的控制规律常采用比例作用,一副调节器的控制规律常采用比例作用,一般不引入积分作用,副变量允许有余差存在,般不引入积分作用,副变量允许有余差存在,而且副调节器的比例增益通常较大,控制作用而且副调节器的比例增益通常较大,控制作用强,余差小。副调节器一般不引入微分作用。强,余差小。副调节器一般不引入微分作用。8.1.3.3 主、副调节器正、反作用的选择主、副调节器正、反作用的选择 副控制器的正、反作用方向根据调节阀气开、副控制器的正、反作
16、用方向根据调节阀气开、气关型式来决定。气关型式来决定。主控制器是通过副回路才起作用,所以,其主控制器是通过副回路才起作用,所以,其正、反作用应根据副变量对主变量的影响关系来正、反作用应根据副变量对主变量的影响关系来确定。确定。例:加热炉出口温度和炉膛温度串级控制系例:加热炉出口温度和炉膛温度串级控制系统。从生产安全出发,燃料油阀宜选用气开式,统。从生产安全出发,燃料油阀宜选用气开式,一旦气源中断,调节阀处于关闭状态,可避免炉一旦气源中断,调节阀处于关闭状态,可避免炉管因过热而损坏。副调节器应选反作用,因为炉管因过热而损坏。副调节器应选反作用,因为炉膛温度测量值上升时,调节阀需要关小,此时要膛温
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