化工仪表及其自动化控制第八章复杂控制系统25012.pptx

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1、第第8 8章章 复杂控制系统复杂控制系统qq串级控制系统串级控制系统串级控制系统串级控制系统 qq均匀控制系统均匀控制系统均匀控制系统均匀控制系统 qq比值控制系统比值控制系统比值控制系统比值控制系统 qq分程控制系统分程控制系统分程控制系统分程控制系统 qq前馈控制系统前馈控制系统前馈控制系统前馈控制系统 qq多冲量控制系统多冲量控制系统多冲量控制系统多冲量控制系统 3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件第一节第一节第一节第一节 串级控制系统串级控制系统串级控制系统串级控制系统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

2、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：控制塔釜温度稳定目标：控制塔釜温度稳定方案方案1 1优点：将所有对温度的干扰都概括在控优点：将所有对温度的干扰都概括在控制回路内。制回路内。缺点：当蒸汽压力波动较大时，由于温缺点：当蒸汽压力波动较大时，由于温度对象滞后较大，控制质量不理想。度对象滞后较大，控制质量不理想。方案方案2 2优点：能及时克服蒸汽压力的干扰对温优点：能及时克服蒸汽压力的干扰对温度的影响度的影响缺点：不能克服进料流量、物料温度等缺点：不能克服进料流量、物料温度等其他因素对温度的影响。

3、其他因素对温度的影响。3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件蒸汽蒸汽TC进料进料塔底采出塔底采出12FC方案方案3：串级控制系统：串级控制系统FCTC进料进料塔底采出塔底采出12蒸汽蒸汽希希望望在在塔塔釜釜温温度度不不变变时时蒸蒸汽汽流流量量能能保保持持设设定定值值，而而当当塔塔釜釜温温度度在在外外来来干干扰扰的的作作用用下下偏偏离离给给定定值值时时，又又要要求求蒸蒸汽汽流流量量能能作作相相应应的的变变化化，使使塔塔釜釜温温度度保保持在设定值上。持在设定值上。3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件流量控流量控制器制器TC2执行器执行器 流量对象流量对象温度温度T设定值设定值干扰干扰

4、f1精馏塔控制系统方块图精馏塔控制系统方块图温度对象温度对象温度控温度控制器制器TC1+干扰干扰f2测量、变送测量、变送y1测量、变送测量、变送y2F副控副控制器制器执行器执行器 副对象副对象主变量主变量设定值设定值主干扰主干扰串级控制系统方块图串级控制系统方块图主对象主对象主控主控制器制器+副干扰副干扰主测量、变送主测量、变送副测量、变送副测量、变送副变量副变量副回路副回路主回路主回路常用的名词常用的名词主变量主变量副变量副变量主对象主对象副对象副对象主控制器主控制器副控制器副控制器主回路主回路 副回路副回路串级控制系统方块图串级控制系统方块图串级控制系统方块图串级控制系统方块图3/14/2

5、023化工仪表及其自动化控制课件串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程在串级控制系统中，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，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服。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。副副回路具有先调、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，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。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。因因

6、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，大大提高了控制质量。发挥了控制作用，大大提高了控制质量。干扰作用于副对象干扰作用于副对象 由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干扰进入副回路时，可由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干扰进入副回路时，可以获得比单回路控制系统超前的控制作用，有效地克服蒸汽压力变化对以获得比单回路控制系统超前的控制作用，有效地克服蒸汽压力变化对塔釜温度的影响塔釜温度的影响 干扰作用于主对象干扰作用于主对象 由于副回路的存在，可以及时改变副变量的数值，以达到稳定主变量由于副

7、回路的存在，可以及时改变副变量的数值，以达到稳定主变量的目的。的目的。3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件串级控制系统的特点及应用范围串级控制系统的特点及应用范围串级控制系统的特点及应用范围串级控制系统的特点及应用范围 (1)(1)从从系系统统结结构构来来看看，串串级级控控制制系系统统有有主主、副副两两个个闭闭合合回回路路；有有主主、副副两个控制器；有分别测量主变量和副变量的两个测量变送器。两个控制器；有分别测量主变量和副变量的两个测量变送器。在在串串级级控控制制系系统统中中，主主回回路路是是定定值值控控制制系系统统，而而副副回回路路是是随随动动控控制制系统。系统。(2)(2)在在串串

8、级级控控制制系系统统中中，有有两两主主、副副两两个个变变量量。主主变变量量是是反反映映产产品品质质量量或或生生产产过过程程运运行行情情况况的的主主要要工工艺艺变变量量。控控制制的的目目的的在在于于使使这这一一变变量量等等于于工工艺规定的给定值。艺规定的给定值。(3)(3)从从系系统统特特性性来来看看，串串级级控控制制系系统统由由于于副副回回路路的的引引入入，改改善善了了对对象象的的特特性性，使使控控制制过过程程加加快快，具具有有超超前前控控制制的的作作用用，从从而而有有效效地地克克服服滞滞后后，提提高了控制质量。高了控制质量。适用范围：当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而且频繁、负荷变适用

9、范围：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。化大，简单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。3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件串级控制系统主、副回路的选择串级控制系统主、副回路的选择串级控制系统主、副回路的选择串级控制系统主、副回路的选择主变量的选择主变量的选择 与单回路控制时被控变量的选择原则是一样的，能直接或间接地表与单回路控制时被控变量的选择原则是一样的，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的被控变量。征生产过程质量的参数都可以作为控制系统的被控变量。副变量的选择副

10、变量的选择 副变量的变化应在很大程度上影响主变量的变化副变量的变化应在很大程度上影响主变量的变化 副回路应将生产过程中的主要干扰包围在内副回路应将生产过程中的主要干扰包围在内 在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰 副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防发生副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防发生“共振共振”。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。环尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后。3/14/2023化工仪表及

11、其自动化控制课件主副控制器控制规律的选择主副控制器控制规律的选择主副控制器控制规律的选择主副控制器控制规律的选择 串级控制系统的串级控制系统的目的目的是为了高精度地稳定主变量。是为了高精度地稳定主变量。主变量是生产工艺的主要控制指标，它直接关系到产品的质量或生产的主变量是生产工艺的主要控制指标，它直接关系到产品的质量或生产的正常，工艺上对它的要求比较严格。一般来说，主变量不允许有余差。正常，工艺上对它的要求比较严格。一般来说，主变量不允许有余差。所以，主控制器通常都选用比例积分控制规律，以实现主变量的无余差所以，主控制器通常都选用比例积分控制规律，以实现主变量的无余差控制。控制。在串级控制系统

12、中，稳定副变量并不是目的，设置副变量的目的就在于在串级控制系统中，稳定副变量并不是目的，设置副变量的目的就在于保证和提高主变量的控制质量。保证和提高主变量的控制质量。副变量的给定值是随主控制器输出变化而变化的。所以，在控制过程中，副变量的给定值是随主控制器输出变化而变化的。所以，在控制过程中，对副变量的要求一般都不很严格，允许它有波动。因此，副控制器一般对副变量的要求一般都不很严格，允许它有波动。因此，副控制器一般采用比例控制规律。采用比例控制规律。3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件主副控制器正、反作用的选择主副控制器正、反作用的选择主副控制器正、反作用的选择主副控制器正、反作用的选

13、择 选择副回路控制器的正反作用选择副回路控制器的正反作用与简单控制系统中控制器与简单控制系统中控制器“正正”、“反反”作用的选择方式相同，先判断作用的选择方式相同，先判断副对象的正反作用，然后根据工艺安全等要求，选定执行器的副对象的正反作用，然后根据工艺安全等要求，选定执行器的“正正”、“反反”作用方式，并按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确作用方式，并按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定副回路控制器的正反作用。定副回路控制器的正反作用。选择主回路控制器的正反作用选择主回路控制器的正反作用确定原则：确定原则：当主、副变量在增加当主、副变量在增加(或减小或减小)时，如果由工艺分

14、析得出，为使主、副时，如果由工艺分析得出，为使主、副变量减小变量减小(或增加或增加)，要求控制阀的动作，要求控制阀的动作方向是一致的，主控制器应选方向是一致的，主控制器应选“反反”作作用，反之，则应选用，反之，则应选“正正”作用。作用。物料进物料进 物料出物料出 冷却器流量温度串级控制系统冷却器流量温度串级控制系统 3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件主副控制器参数的工程整定主副控制器参数的工程整定主副控制器参数的工程整定主副控制器参数的工程整定 两步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器两步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器(1)在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用的条件下，将

15、主控制器的在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用的条件下，将主控制器的比例度先固定在比例度先固定在100的刻度上，然后逐渐减小副控制器的比例度，求取副的刻度上，然后逐渐减小副控制器的比例度，求取副回路在满足某种衰减比回路在满足某种衰减比(如如4：1)过渡过程下的副控制器比例度过渡过程下的副控制器比例度2S和操作周和操作周期期2S。(2)在副控制器比例度等于在副控制器比例度等于2S，的条件下，逐步减小主控制器的比例度，的条件下，逐步减小主控制器的比例度，直至得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度直至得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度1S。和操。和操作周期作周期1S

16、。(3)根据上面得到的根据上面得到的1S、1S、2S、2S按表按表7-2(或表或表7-3)的规定关系计的规定关系计算主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。算主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。(4)按按“先副后主先副后主”、“先比例次积分后微分先比例次积分后微分”的整定方法，将计算出的的整定方法，将计算出的控制器参数加到控制器上。控制器参数加到控制器上。(5)观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件 一步整定法：即根据经验先将副控制器一次放好，不再变动，然后按一一步整定法：即根据经验先

17、将副控制器一次放好，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控制器参数。般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。采用一步整定法副控制器参数选择范围采用一步整定法副控制器参数选择范围副变量类型副变量类型副控制器比例度副控制器比例度2副控制器比例放大倍数副控制器比例放大倍数KP2温度温度20605.01.7压力压力30703.01.4流量流量40802.51.25液位液位20805.01.25一步整定法的整定步骤如下。一步整定法的整定步骤如下。(1)(1)在在生生产产正正常常，系系统统为为纯纯比比例例运运行行的的条条件件下下，按按照照上上表表所所列列的的数数据据，将将副控制器

18、比例度调到某一适当的数值。副控制器比例度调到某一适当的数值。(2)(2)利用简单控制系中任一种参数整定方法整定主控制器的参数。利用简单控制系中任一种参数整定方法整定主控制器的参数。(3)(3)如如果果出出现现“共共振振”现现象象，可可加加大大主主控控制制器器或或减减小小副副控控制制器器的的参参数数整整定定值，一般即能消除。值，一般即能消除。3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件第二节第二节第二节第二节 其他复杂控制系统其他复杂控制系统其他复杂控制系统其他复杂控制系统均匀控制问题的提出均匀控制问题的提出均匀控制问题的提出均匀控制问题的提出连续精馏的多塔分离过程连续精馏的多塔分离过程 对甲塔

19、来说，塔釜液位是一个重要的工艺对甲塔来说，塔釜液位是一个重要的工艺参数，必须保持在一定范围之内，为此配备参数，必须保持在一定范围之内，为此配备了液位控制系统；了液位控制系统；对乙塔来说，从自身平稳操作的要求出发，对乙塔来说，从自身平稳操作的要求出发，希望进料量稳定，所以设置了流量控制系统；希望进料量稳定，所以设置了流量控制系统；这这样样，甲甲、乙乙两两塔塔间间的的供供求求关关系系就就出出现现了了矛盾。矛盾。为为解解决决这这一一前前后后工工序序供供求求矛矛盾盾，希希望望设设计计一一种种控控制制系系统统使使液液位位与与流流量量同同时时平平稳稳；同同时时“均匀均匀”地变化。地变化。一、均匀控制系统一

20、、均匀控制系统一、均匀控制系统一、均匀控制系统3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件1、表征前后供求矛盾的两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化的、表征前后供求矛盾的两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化的。2、前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内波动、前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内波动。1液位变化曲线液位变化曲线 2流量变化曲线流量变化曲线均匀控制的要求均匀控制的要求均匀控制的要求均匀控制的要求3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件不同于常规的定值控制系统，而对被控变量不同于常规的定值控制系统，而对被控变量(CV)(CV)与控制变量与控制变量

21、(MV)(MV)都有都有平稳平稳的要求；的要求；为解决为解决CVCV与与MVMV都希望平稳这一对矛盾，只能要求都希望平稳这一对矛盾，只能要求CVCV与与MVMV都都渐变渐变。均匀控制通常要求在最大干扰下，均匀控制通常要求在最大干扰下，CVCV在上下限内波动，而在上下限内波动，而MVMV应应在一定范围内平缓渐变。在一定范围内平缓渐变。均匀控制指的是均匀控制指的是控制功能控制功能，而不是控制方案。因为就系统的结，而不是控制方案。因为就系统的结构来看，有时象简单控制系统，有时象串级控制系统。所以要构来看，有时象简单控制系统，有时象串级控制系统。所以要识别控制方案是否起均匀控制作用，应从识别控制方案是

22、否起均匀控制作用，应从控制的目的控制的目的进行确定。进行确定。均匀控制的特点均匀控制的特点均匀控制的特点均匀控制的特点3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件单回路均匀控制系统串级均匀控制系统常用的两种均匀控制方案常用的两种均匀控制方案常用的两种均匀控制方案常用的两种均匀控制方案3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件通过控制器通过控制器参数参数的设置，而不是改变控制系统的结构，来实现的设置，而不是改变控制系统的结构，来实现前后两个变量间的相互协调的。前后两个变量间的相互协调的。参数整定的目的不是使变量尽快地回到给定值，而是要求变量参数整定的目的不是使变量尽快地回到给定值，而是要求变量

23、在允许的范围内作缓慢的变化。在允许的范围内作缓慢的变化。控制器参数一般都采用纯比例作用，且控制器比例度放的很大，控制器参数一般都采用纯比例作用，且控制器比例度放的很大，以使输出变化缓慢，只是在要求较高时，为了防止偏差超过允以使输出变化缓慢，只是在要求较高时，为了防止偏差超过允许范围，才引入适当的积分作用。许范围，才引入适当的积分作用。均匀控制系统小结均匀控制系统小结均匀控制系统小结均匀控制系统小结3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件二、二、二、二、比值控制系统比值控制系统比值控制系统比值控制系统问题的提出问题的提出问题的提出问题的提出比值控制的目的是为了实现几种物料按一定比例混合，使生

24、产比值控制的目的是为了实现几种物料按一定比例混合，使生产能安全、正常的进行。实现两个或两个以上参数符合一定比例能安全、正常的进行。实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为关系的控制系统，称为比值控制系统比值控制系统。通常为流量比值控制。通常为流量比值控制。在在需需要要保保持持比比值值关关系系的的两两种种物物料料中中，必必有有一一种种物物料料处处于于主主导导地地位位，成成为为主主物物料料、主主动动量量、主主流流量量，用用Q1Q1表表示示；而而另另一一种种物物料料按按主主物物料料进进行行配配比比，在在控控制制过过程程中中随随主主物物料料而而变变化化，因因此此称称为为从物料、从动量、从

25、物料、从动量、副流量副流量，用，用Q2Q2表示；表示；副流量副流量Q Q2 2与主流量与主流量Q Q1 1的比值关系为的比值关系为 Q Q2 2KQKQ1 1 式中式中K K为副流量与主流量的流量比值系数。为副流量与主流量的流量比值系数。3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件比值控制方案比值控制方案比值控制方案比值控制方案1 1 1 1：开环比值控制系统：开环比值控制系统：开环比值控制系统：开环比值控制系统控制器控制器执行器执行器对象对象测量、变送测量、变送给定给定Q2Q1开环比值控制系统方块图开环比值控制系统方块图 主、副流量均开环；主、副流量均开环；由于系统开环，该方案对副流量由于系

26、统开环，该方案对副流量Q2Q2无克服干扰的能力，只适用无克服干扰的能力，只适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。于副流量较平稳且比值要求不高的场合。3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件比值控制方案比值控制方案比值控制方案比值控制方案2 2 2 2：单闭环比值控制系统：单闭环比值控制系统：单闭环比值控制系统：单闭环比值控制系统控制器控制器F2C执行器执行器对象对象副测量、变送副测量、变送控制器控制器F1C给定给定主测量、变送主测量、变送Q1Q2单闭环比值控制系统方块图单闭环比值控制系统方块图 副流量闭环控制副流量闭环控制主流量开环控制主流量开环控制适用于主物料在工艺上不允许适用于主物料

27、在工艺上不允许进行控制的场合进行控制的场合 3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件比值控制方案比值控制方案比值控制方案比值控制方案3 3 3 3：双闭环比值控制系统：双闭环比值控制系统：双闭环比值控制系统：双闭环比值控制系统给定给定K对象对象主流量控制器主流量控制器执行器执行器主测量、变送主测量、变送对象对象副流量控制器副流量控制器执行器执行器副测量、变送副测量、变送Q1Q2双闭环比值控制系统方块图双闭环比值控制系统方块图 主、副流量均闭环控制；主、副流量均闭环控制；该系统既实现了比较精确的流量比值控制，又确保了两物料总该系统既实现了比较精确的流量比值控制，又确保了两物料总量的基本不变量

28、的基本不变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工艺 上经常需要提降负荷的场合。上经常需要提降负荷的场合。3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件比值控制方案比值控制方案比值控制方案比值控制方案4 4 4 4：变比值控制系统：变比值控制系统：变比值控制系统：变比值控制系统Q2Q1喷射泵喷射泵 触媒层触媒层 变换炉变换炉 蒸汽蒸汽 煤气煤气 要求主、副流量的比值能跟随要求主、副流量的比值能跟随第三变量的需要而加以调整；第三变量的需要而加以调整；存在问题：存在问题：Q2Q2回路存在非线性，回路存在非线性，Q1Q1流量减少

29、时，回路增益增大，流量减少时，回路增益增大，有可能使系统不稳定，并可能有可能使系统不稳定，并可能出现出现“除零除零”运算。运算。比值控制器比值控制器执行器执行器副流量对副流量对象象Q2测量、变送测量、变送温度控制器温度控制器给定给定主测量、变送主测量、变送Q1测量、变送测量、变送除法器除法器主对象主对象（变换炉）（变换炉）Q1Q2变比值控制系统方块图变比值控制系统方块图K=Q2/Q1 3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件三、三、三、三、分程控制系统分程控制系统分程控制系统分程控制系统给定给定对象对象控制器控制器控制阀控制阀A控制阀控制阀B测量、变送测量、变送分程控制系统方块图分程控制系

30、统方块图 分程控制系统中，一台控制器的输出可以同时控制两台甚至两台以上分程控制系统中，一台控制器的输出可以同时控制两台甚至两台以上的控制阀；的控制阀；分程控制系统中控制器按输出信号的不同区间去控制不同的阀门；分程控制系统中控制器按输出信号的不同区间去控制不同的阀门；分段一般是由附设在控制阀上的阀门定位器来实现。分段一般是由附设在控制阀上的阀门定位器来实现。什么是分程控制什么是分程控制什么是分程控制什么是分程控制3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件A阀阀A阀阀A阀阀A阀阀B阀阀B阀阀B阀阀B阀阀两阀同向动作两阀同向动作两阀异向动作两阀异向动作(a)(a)(b)(b)阀门开度阀门开度100

31、阀门开度阀门开度100阀门开度阀门开度100阀门开度阀门开度100阀压阀压kPa阀压阀压kPa阀压阀压kPa阀压阀压kPa分程控制的种类分程控制的种类分程控制的种类分程控制的种类3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件分程控制应用分程控制应用分程控制应用分程控制应用1 1 1 1：提高控制阀的可调比：提高控制阀的可调比：提高控制阀的可调比：提高控制阀的可调比4Mpa中压蒸汽中压蒸汽给水给水10Mpa中压蒸汽中压蒸汽汽包汽包蒸汽减压系统分程控制系统蒸汽减压系统分程控制系统控制阀的可调比控制阀的可调比 R RQ Qmaxmax/Q/Qminmin由于由于口径固定口径固定，采用同一个控制阀，能够

32、，采用同一个控制阀，能够控制的最大流量和最小流量不可能相差太控制的最大流量和最小流量不可能相差太大，满足不了生产上流量大范围变化的要大，满足不了生产上流量大范围变化的要求，在这种情况下可采用两个控制阀并联求，在这种情况下可采用两个控制阀并联的分程控制方案。的分程控制方案。A阀阀B阀阀A阀小口径阀小口径 B阀大口径阀大口径3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件分程控制应用分程控制应用分程控制应用分程控制应用2 2 2 2：用于控制两种不同的介质：用于控制两种不同的介质：用于控制两种不同的介质：用于控制两种不同的介质 蒸汽蒸汽反应器分程控制系统反应器分程控制系统冷水冷水C回回水水A阀阀B阀阀

33、A阀气关，阀气关，B阀气开，阀气开，TCTC反作用反作用对于间歇式化学反应器，既要考虑反应前对于间歇式化学反应器，既要考虑反应前的加热问题，又需要考虑过程中移走热量的加热问题，又需要考虑过程中移走热量的问题的问题为此可采用分程控制系统，在该系统中，为此可采用分程控制系统，在该系统中，利用利用A A、B B两台控制阀，分别控制冷水与蒸两台控制阀，分别控制冷水与蒸汽两种不同介质，以满足工艺上需要汽两种不同介质，以满足工艺上需要冷却冷却和和加热加热的不同需要的不同需要工作原理：工作原理：反应前升温阶段反应前升温阶段温度测量值小于给定温度测量值小于给定值，控制器值，控制器TCTC输出较大，输出较大，A

34、 A阀将关闭，阀将关闭，B B阀阀被打开，蒸汽通入加热反应物；被打开，蒸汽通入加热反应物；反应物开始放热反应物开始放热控制器输出逐渐减小，控制器输出逐渐减小，A A阀将打开，阀将打开，B B阀关闭，冷水通入冷却反应阀关闭，冷水通入冷却反应物，维持反应温度不变；物，维持反应温度不变；3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件分程控制应用分程控制应用分程控制应用分程控制应用3 3 3 3：用作安全生产的保护措施：用作安全生产的保护措施：用作安全生产的保护措施：用作安全生产的保护措施 “反反”储罐氮封分程控制方案储罐氮封分程控制方案A阀阀B阀阀阀门开度阀门开度100阀压阀压kPa化工厂的贮油罐需要

35、进行氮封，以使油品与化工厂的贮油罐需要进行氮封，以使油品与空气隔绝。空气隔绝。一个问题就是贮罐中物料量的增减会导致氮一个问题就是贮罐中物料量的增减会导致氮封压力的变化。为了维持罐压平衡，需要在封压力的变化。为了维持罐压平衡，需要在物料被抽取时加氮补压，而在物料进料时排物料被抽取时加氮补压，而在物料进料时排气减压。气减压。贮压升高时，测量值将大于给定值，压力控贮压升高时，测量值将大于给定值，压力控制器制器PCPC的输出将下降，的输出将下降，A A阀关闭，阀关闭，B B阀打开，阀打开，排气减压排气减压贮压降低时，测量值小于给定值时，控制器贮压降低时，测量值小于给定值时，控制器输出将变大，输出将变大

36、，A A阀打开，阀打开，B B阀关闭，补氮增压。阀关闭，补氮增压。A阀气关，阀气关，B阀气开，阀气开，PCPC反作用反作用3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件分程控制系统应用中应注意的几个问题分程控制系统应用中应注意的几个问题分程控制系统应用中应注意的几个问题分程控制系统应用中应注意的几个问题 (1)(1)控控制制阀阀流流量量特特性性要要正正确确选选择择。因因为为在在两两阀阀分分程程点点上上，控控制制阀阀的的放放大大倍倍数数可可能能出出现现突突变变，表表现现在在特特性性曲曲线线上上产产生生斜斜率率突突变变的的折折点点，这这在在大大小小控控制制阀阀并并联联时时尤尤其其重重要要。如如果果两

37、两控控制制阀阀均均为为线线性性特特性性，情情况况更更严严重重。如如果果采采用对数特性控制阀，分程信号重叠一小段，则情况会有所改善。用对数特性控制阀，分程信号重叠一小段，则情况会有所改善。(2)(2)大大小小阀阀并并联联时时，大大阀阀的的泄泄漏漏量量不不可可忽忽视视，否否则则就就不不能能充充分分发发挥挥扩扩大大可可调调范范围围的的作作用用。当当大大阀阀的的泄泄漏漏量量较较大大时时，系系统统的的最最小小流流通通能能力力就就不不再再是是小阀的最小流通能力了。小阀的最小流通能力了。(3)(3)分分程程控控制制系系统统本本质质上上是是简简单单控控制制系系统统，因因此此控控制制器器的的选选择择和和参参数数

38、整整定定，可可参参照照简简单单控控制制系系统统处处理理。不不过过在在运运行行中中，如如果果两两个个控控制制通通道道特特性性不不同同，就就是是说说广广义义对对象象特特性性是是两两个个，控控制制器器参参数数不不能能同同时时满满足足两两个个不不同同对对象象特特性性的的要要求求。遇遇此此情情况况，只只好好照照顾顾正正常常情情况况下下的的被被控控对对象象特特性性，按按正正常常情情况况下下整整定定控控制制器器的的参参数数。对对另另一一台台阀阀的的操操作作要要求求，只只要要能能在在工工艺艺允允许许的的范范围内即可。围内即可。3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件四、四、四、四、前馈控制系统前馈控制系统

39、前馈控制系统前馈控制系统测量、变送测量、变送设定值设定值控制器控制器执行器执行器干扰干扰对象对象干扰干扰对象对象测量、变送测量、变送执行器执行器控制器控制器反馈控制系统反馈控制系统前馈控制系统前馈控制系统反馈控制方案反馈控制方案前馈控制方案前馈控制方案反馈与前馈反馈与前馈反馈与前馈反馈与前馈3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件D D1 1，D Dn n为可测扰动；为可测扰动；u u，y y分别为分别为被控对象的操作变量与受控变量。被控对象的操作变量与受控变量。前馈思想：在扰动还未影响输出以前，前馈思想：在扰动还未影响输出以前，直接改变操作变量，以使输出不受或少直接改变操作变量，以使输出

40、不受或少受外部扰动的影响。受外部扰动的影响。前馈思想前馈思想前馈思想前馈思想全补偿原理全补偿原理全补偿原理全补偿原理控制目标：控制目标：d d (t t)、u u (t t)、y y (t t)分别分别表示工艺介质流量（外部表示工艺介质流量（外部干扰）、蒸汽流量（控制干扰）、蒸汽流量（控制变量）与工艺介质的出口变量）与工艺介质的出口温度（被控变量）；温度（被控变量）；G GFFFF(s s)为前馈控制器的动为前馈控制器的动态特性；态特性；G GYDYD(s s)、G GYCYC(s s)分分别为干扰通道与控制通道别为干扰通道与控制通道的的动态特性。的的动态特性。3/14/2023化工仪表及其自

41、动化控制课件 前馈控制比反馈控制前馈控制比反馈控制及时及时，并且不受系统滞后大小的限制。，并且不受系统滞后大小的限制。前馈控制属于前馈控制属于开环开环控制控制 前馈控制规律与对象特性密切相关前馈控制规律与对象特性密切相关 一种前馈作用只能克服一种干扰一种前馈作用只能克服一种干扰 前馈控制的特点前馈控制的特点前馈控制的特点前馈控制的特点3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件前馈控制形式前馈控制形式前馈控制形式前馈控制形式1 1 1 1：静态前馈控制系统：静态前馈控制系统：静态前馈控制系统：静态前馈控制系统蒸汽蒸汽Q2冷物料冷物料Q1T1T2给定值给定值换热器换热器静态前馈控制方案静态前馈控

42、制方案根根据据热热量量平平衡衡原原理理，近近似似的的平平衡衡关关系系是是蒸蒸汽汽冷冷凝凝放放出出的的热热量量等等于于进进料料流流体体获获得得的热量。的热量。式中式中 蒸汽冷凝热；蒸汽冷凝热；被加热物料的比热容；被加热物料的比热容；进料流量；进料流量；蒸汽流量。蒸汽流量。当进料流量当进料流量Q Q1 1变化后，为使出口温度为变化后，为使出口温度为T T2 2保持不变，应增加的蒸汽量为保持不变，应增加的蒸汽量为:3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件前馈控制形式前馈控制形式前馈控制形式前馈控制形式2 2 2 2：动态前馈控制系统：动态前馈控制系统：动态前馈控制系统：动态前馈控制系统蒸汽蒸汽Q

43、2冷物料冷物料Q1T1T2给定值给定值换热器换热器动态前馈控制方案动态前馈控制方案补偿器补偿器在在静静态态前前馈馈控控制制的的基基础础上上，加加上上延延迟迟环环节节或或微微分分环环节节，以以达达到到对对干干扰扰作作用用的的近近似补偿。似补偿。相对于干扰通道而言，控制通道反应快的给它加强延迟作用，反应慢相对于干扰通道而言，控制通道反应快的给它加强延迟作用，反应慢的给它加强微分作用。根据两通道的特性适当调整、的数值，使两通的给它加强微分作用。根据两通道的特性适当调整、的数值，使两通道反应合拍便可以实现动态补偿，消除动态偏差。道反应合拍便可以实现动态补偿，消除动态偏差。3/14/2023化工仪表及其

44、自动化控制课件前馈控制形式：前馈前馈控制形式：前馈前馈控制形式：前馈前馈控制形式：前馈-反馈控制系统反馈控制系统反馈控制系统反馈控制系统给定给定前馈反馈控制系统方块图前馈反馈控制系统方块图反馈控制器反馈控制器执行器执行器对象对象测量、变送测量、变送前馈控制器前馈控制器测量、变送测量、变送干扰干扰蒸汽蒸汽进料进料出料出料换热器前馈反馈控制系统换热器前馈反馈控制系统用用“前馈前馈”来克服主要干扰，再用来克服主要干扰，再用“反反馈馈”来克服其他干扰来克服其他干扰3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件前馈控制的应用场合前馈控制的应用场合前馈控制的应用场合前馈控制的应用场合 干扰幅值大而频繁干扰幅

45、值大而频繁，对被控变量影响剧烈，仅采用反馈控制达不到要，对被控变量影响剧烈，仅采用反馈控制达不到要求的对象。求的对象。主要干扰是可测而不可控的变量主要干扰是可测而不可控的变量。所谓可测，是指干扰量可以用检测。所谓可测，是指干扰量可以用检测变送装置将其在线转化为标准的电信号。所谓不可控，主要是指这些干变送装置将其在线转化为标准的电信号。所谓不可控，主要是指这些干扰难以通过设置单独的控制系统进行控制，这类干扰在连续生产过程中扰难以通过设置单独的控制系统进行控制，这类干扰在连续生产过程中是经常遇到的，其中也包括一些虽能控制但生产上不允许控制的变量，是经常遇到的，其中也包括一些虽能控制但生产上不允许控

46、制的变量，例负荷量等。例负荷量等。当当对象的控制通道滞后大对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差时，可采用，反馈控制不及时，控制质量差时，可采用前馈或前馈前馈或前馈反馈控制系统，提高控制质量。反馈控制系统，提高控制质量。3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件五、多冲量控制系统五、多冲量控制系统五、多冲量控制系统五、多冲量控制系统 单冲量控制系统单冲量控制系统给水给水汽包汽包蒸汽蒸汽虚假水位造成的错误信号将带来一定的危险，为了克服这种由于虚假水位造成的错误信号将带来一定的危险，为了克服这种由于“虚虚假液位假液位”而引起的控制系统的误动作，引入了双冲量控制系统。而引起的控制系统的误

47、动作，引入了双冲量控制系统。在锅炉的正常运行中，汽包水位是重要的操作在锅炉的正常运行中，汽包水位是重要的操作指标，给水控制系统的作用就是自动控制锅炉指标，给水控制系统的作用就是自动控制锅炉的给水量，使其适应蒸发量的变化，维持汽包的给水量，使其适应蒸发量的变化，维持汽包水位在允许的范围内。水位在允许的范围内。左图控制系统属于简单的单回路控制系统，根左图控制系统属于简单的单回路控制系统，根据汽包液位的信号来控制给水量据汽包液位的信号来控制给水量 被控变量被控变量汽包水位汽包水位 控制变量控制变量给水量给水量存在问题：不能适应蒸汽负荷的剧烈变化。即当蒸汽负荷突然增加，汽包存在问题：不能适应蒸汽负荷的

48、剧烈变化。即当蒸汽负荷突然增加，汽包内蒸汽压力瞬间下降，汽包内沸腾加剧，随着汽泡的迅速增多，汽包水位内蒸汽压力瞬间下降，汽包内沸腾加剧，随着汽泡的迅速增多，汽包水位显示偏高，形成了虚假水位上升现象，称为显示偏高，形成了虚假水位上升现象，称为“虚假液位虚假液位”。单冲量液位控制系统单冲量液位控制系统单冲量液位控制系统单冲量液位控制系统3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件双冲量液位控制系统双冲量液位控制系统双冲量液位控制系统双冲量液位控制系统双冲量控制系统双冲量控制系统汽包汽包蒸汽蒸汽给水给水给定给定双冲量控制系统方块图双冲量控制系统方块图液位控制器液位控制器执行器执行器汽包对象汽包对象测

49、量、变送测量、变送测量、变送测量、变送干扰干扰 双冲量是指液位信号和蒸汽流量信号。双冲量是指液位信号和蒸汽流量信号。实际上是一个实际上是一个前馈前馈-反馈控制系统反馈控制系统。当蒸汽。当蒸汽负荷的变化引起液位大幅度波动时，蒸汽流负荷的变化引起液位大幅度波动时，蒸汽流量信号的引入起着超前的控制作用量信号的引入起着超前的控制作用(即前馈作即前馈作用用)，它可以在液位还未出现波动时提前使控，它可以在液位还未出现波动时提前使控制阀动作，从而减少因蒸汽负荷量的变化而制阀动作，从而减少因蒸汽负荷量的变化而引起的液位波动，从而改善控制品质。引起的液位波动，从而改善控制品质。3/14/2023化工仪表及其自动

50、化控制课件三冲量液位控制系统三冲量液位控制系统三冲量液位控制系统三冲量液位控制系统给定给定三冲量控制系统方块图三冲量控制系统方块图液位控制器液位控制器执行器执行器测量、变送测量、变送测量、变送测量、变送汽包对象汽包对象蒸汽流量蒸汽流量流量控制器流量控制器测量、变送测量、变送流量对象流量对象3/14/2023化工仪表及其自动化控制课件影影响响锅锅炉炉汽汽包包液液位位的的因因素素还还包包括括供供水水压压力力的的变变化化。当当供供水水压压力力变变化化时时，会会引引起起供供水水流流量量变变化化，进进而而引引起起汽汽包包液液位位的的变变化化。双双冲冲量量控控制制系系统统对对这这种种干干扰扰的的克克服服是