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1、1 第二篇 复杂控制系统 最简单的控制系统最简单的控制系统单回路控制系统单回路控制系统：只用了一个调节器，调节器也只有一个输入信号。只用了一个调节器，调节器也只有一个输入信号。只有一个闭环。在大多数情况下，这种简单系统能够满只有一个闭环。在大多数情况下，这种简单系统能够满足工艺生产的要求。因此，它是一种最基本的使用最广足工艺生产的要求。因此，它是一种最基本的使用最广泛的控制系统。泛的控制系统。单回路控制系统无能为力单回路控制系统无能为力：如调节对象的动态特性决定了它很难控制，而工艺如调节对象的动态特性决定了它很难控制，而工艺对调节质量的要求又很高；或者调节对象的动态特性虽对调节质量的要求又很高
2、；或者调节对象的动态特性虽然并不复杂，但控制的任务却比较特殊。另外还应看到，然并不复杂，但控制的任务却比较特殊。另外还应看到，随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对操作随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对操作条件要求更加严格，参数间相互关系更加复杂，对控制条件要求更加严格，参数间相互关系更加复杂，对控制系统的精度和功能提出许多新的要求，对能源消耗和环系统的精度和功能提出许多新的要求，对能源消耗和环境污染也有明确的限制。为此，需要在单回路的基础上，境污染也有明确的限制。为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施采取其它措施.2复杂控制系统，也称为多回路系统复杂控制系统，也称为多回路系
3、统：或是由多个测量值、多个调节器；或者由多个测量或是由多个测量值、多个调节器；或者由多个测量值、一个调节器、一个补偿器或一个解耦器等等组成多值、一个调节器、一个补偿器或一个解耦器等等组成多个回路的控制系统。个回路的控制系统。本篇内容本篇内容：将从原理、结构和应用等方面讨论目前将从原理、结构和应用等方面讨论目前已在生产过程中采用的已在生产过程中采用的串级控制系统、带有补偿器的控串级控制系统、带有补偿器的控制系统以及解耦系统制系统以及解耦系统。3第五章 串级控制系统 与比值控制系统 5-l串级控制系统的概念 串级控制是改善调节过程极为有效的方法，并且得到了广泛的应用。什么叫串级控制，它是怎样提出来
4、的呢？举例说明。4 例51 连续槽反应器温度控制 图5.1表示一个连续槽反应器，物料自顶部连续进入槽中，经反应后从底部排出。反应产生的热量由冷却夹套中的冷却水带走。为了保证产品质量，必须严格控制反应温度1，为此采用调节阀来改变冷却水流量，调节对象具有三个热容积三个热容积，即夹套中的冷却水、槽壁和槽中的物料。5 为简单起见，在图5.2中，把这三个容积画成了串联的形式，即忽略了它们之间的相互作用（容积之间的相互作用有助于改善调节对象的调节性能）。引起温度1变化的扰动因素两方面扰动因素两方面：物料方面，流量、入口温度和物料化学组分；在冷却水方面有它的入口温度以及调节阀前的压力。在图52中，用D1和D
5、2分别代表来自物料方面和冷却水方面的扰动，它们的作用地点不同，因此对 于温度1的影响也很不一样。6在图52中，用D1和D2分别代表来自物料方面和冷却水方面的扰动，它们的作用地点不同，因此对于温度1的影响也很不一样。7当冷却水方面发生扰动，例如冷却水入口温度突然增高时，它需要相继通过三个容积以后才会使反应温度1升高，而只有这时调节器才开始动作，把冷却水加大。很明显，从扰动开始到调节器动作，这中间白白浪费了一段时间。在这段时间里，夹套冷却水温度的升高已使温度1出现很大偏差。如果把这段时间争取过来让调节器提前动作，那么调节的效果就改善了。由于冷却水方面的扰动D2很快就在夹套温度2上表现出来，因此如果
6、把从这个温度测量出并送入调节器C2（图5.3），让它来控制调节阀，那么调节动作就提前了很多，失去的时间就会争取过来，从而加快了速度。8但是我们又不能简单地仅仅依靠这一个调节器C2来代替图5.1中的调节器C的全部作用。是因为最后的 目标是要保持温度不变，调节器C2只能起稳定温度2的作用，而在发生物料方面的扰动D1的情况下，并不能保证温度1符合要求。为解决这个问题，可以设想用人工来改变调节器C2的给定值2r,通过它来改变夹套温度2这样就可以在物料方面发生扰动的情况下，也能把温度1调节到所需要的数值上。实际上，这个工作当然不是用人工而是由另一个自动调 节器C1来完成的。它的主要任务就是根据温它的主要
7、任务就是根据温 度度1（相对它的给定值（相对它的给定值1r）的偏差来改变给定值）的偏差来改变给定值2r，基本思想。基本思想。9在串级中采用了两级调节器两级调节器，这两级调节器串在一起工作，各有其特殊任务。调节阀直接受调节器C2的控制，而调节器C2的设定值则受调节器C1的控制，C1称为主调节器，C2称为副调节器。串级控制的方框图如图5.4所示。1011 例52 精馏塔提馏段的温度控制 图5.5是精馏塔底部示意图，在再沸器中，用蒸汽加热塔釜液产生蒸汽，然后在塔釜中与下降物料流进行传热传质。为了保证生产过程顺利进行，需要把提馏段温度保持恒定。为此，在蒸汽管路上装一个调节阀，用它来控制加热蒸汽流量。从
8、调节阀动作到温度发生变化，需要相继通过很多热容积。实践证明，加热蒸汽压力的波动对温度的影响很大。此外，还有来自液相加料方面的各种扰动，包括它的流量、温度和组分等，它们通过提馏段的传热传质过程，以及再沸器中的传热条件（塔釜温度、再沸器液面等），最后也影响到温度。12当加热蒸汽压力波动较大时，如果采用图5.5 所示的简单控制系统，调节品质一般都不能满足生产要求。如果采用一个附加的蒸汽压力控制系统（图5.6），把蒸汽压力的干扰克服在入塔前，这样也提高 了温度调节的品质，但这样就需要增加一只调节阀，并且增加了蒸汽管路的压力损失，在经济上很不合理。13 比较好的方法是采用串级控制：如图5.7所示。副调节
9、器QC2根据加热蒸汽流量信号控制调节阀，这样就可以在加热蒸汽压力波动的情况下，仍能保持蒸汽流量稳定。但副调节器QC2的给定值则受主调节器 C1的控制，后者根据温度改变蒸汽流量给定值Qr，从而保证在发生进料方面的扰动的情况下，仍能保持温度满足要求。用这个方法可以非常有效地克服蒸汽压力波动对于温度的影响，因为流量自稳定系统的动作很快，蒸 汽压力变化所引起的流量波动在2至3S以内就消除了，而这样短暂时间的蒸汽流量波动对于温度的影响是很微小的。对于来自进料方面的扰动来说，这种串级方案对于来自进料方面的扰动来说，这种串级方案则并不能带来很显著的好处（下面将要进一步则并不能带来很显著的好处（下面将要进一步
10、分析这一点）。串级控制系统方块图如图58所示，它有两个闭环系统：副环是流量自稳定系统，主环是温度控制系统。14Qr流量测量蒸汽管路系统再沸器塔底rQrQr图5.8 提馏段温度串级控制系统151617送元件和一个调节器，增加的仪表投资并不多，但控制效果却有显著的提高185-2 串级控制系统的分析串级控制系统的分析扰动以其作用位置的不同分为两类二次扰动：包括在副回路内的扰动；一次扰动：作用于副环之外的扰动（参见图5.11）。这两类扰动对串级控制效果有本质的差别。串级控制系统只是在结构上增加了一个副回路，为什么会收到如此明显的效果呢？19 首先是副环具有快速作用首先是副环具有快速作用，它能够有效地克
11、服二次扰动的影响。可以说串级系统主要是用来克服进入副回路的二次干扰的。现在对图5.12所示方框图进行分析，可进一步揭示问题的本质。图中：Gc1(S)、Gc2(S)是主、副调节器传递函数；Gp1(s)、Gp2(s)是主、副对象传递函数；Gm1(s)、Gm2(s)是主、副变送器传递函数，Gv(s)是调节阀传递函数。Gd2(s)是二次干扰通道的传递函数。20当二次干扰经过干扰通道环节Gd2(s)后，进入副环，首先影响副参数y2，于是副调节器立即动作，力图消弱干扰对y2的影响。显然，干扰经过副环的抑止后再进入主环，对y1的影响将有较大的减弱。按图5.12所示串级系统，可以写出二次干扰D2至主参数y1的
12、传递函数是 为了与一个简单回路控制系统相比较，由图5.13可以很容易地得到单回路控制下D2至y1的传递函数为：212223 其次其次，由于副环起了改善对象动态特性的作用，因此可以加大主调节器的增益，提高系统的工作频率。242526 由图可见，闭环副回路的增益可能大于或小于开环时的增益，这取决于输入信号的周期。当Td1 Td2较大时，闭环副回路增益将小于开环时的增益。此时若组成串级系统，可以加大主调节器的增益，应当指出，在 Td1 Td2 5以后，闭环副回路增益接近1.0，相角接近00，这就是说当Td1足够大时，可以把副回路等效成为一个增益为1的放大环节，形成1：l的随动系统。然而在Td1减小时
13、，闭环副回路的增益增加而开环时的增益却要下降，此时若闭合副回路，主调节器的增益就不得不减少，在这种情况下组成串级控制系统将会降低系统的性能。因此，在串级系统中要避免闭环副回路的高增益区，即主、副回路自然振动周期Td1 Td213的区域。此外，为避免主、副回路之间的“共振”现象，也要求主、副回路的周期成一定的比例，这一点将在串级系统的设计中加以讨论。2728 最后一个特点是由于副环的存在，使串级系统有一定的自适应能力。众所周知，生产过程往往包含一些非线性因素。因此，在一定负荷下，即在确定的工作点情况下，按一定控制质量指标整定的调节器参数只适应于工作点附近的一个小范围。如果负荷变化过大，超出这个范
14、围，那么控制质量就会下降。在单回路控制中若不采取其它措施是难以解决的。但在串级系统中情况就不同了，负荷变化引起副回路内各环节参数的变化，可以较少影响或不影响系统的控制质量。一方面可以用式（55）所表示的等效副对象的增益公式来说明，等效对象的增益为29一般情况下，因此，如果副对象增益或调节阀的特性随负荷变化时，对等效增益K。的影响不大，因而在不改变调节器整定参数的情况下，系统的副回路能自动地克服非线性因素的影响，保持或接近原有的控制质量；从另一方面看，由于副回路通常是一个流量随动系统，当系统操作条件或负荷改变时，主调节器将改变其输出值，副回路能快速跟踪及时而又精确地控制流量，从而保证系统的控制品
15、质。从上述两个方面看，串级控制系统对负荷的变化有一定自适应能力。综上所述，可以将串级控制系统具有较好的控制性能的原因归纳为：对二次干扰有很强的克服能力；改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率；对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。为了对串级控制系统的控制效果有一定量的概念，下面用频率法来估算一个实例。303132 从表中可以看到，由于采用了串级控制，系统工作频率由单回路的0.087增加到0.23，加快了2.6倍；二次扰动下的短期最大偏差由单回路控制时的0.24减小到0.011，大约减小了22倍之多；即使是在一次扰动下，短期最大偏差也由单回路控制时的0.3减小到011，减小了近三倍。可见串
16、级系统对控制效果的改善是十分明显的，但是必须指出，上述估算结果没有考虑非线性因素的影响。实际上，由于串级系统的副调节器增益往往很大，调节阀的动作幅度也相应增大，有时可能处于饱和状态，因此串级控制系统的实际效果要比表5-l中估算的结果略为差一些。335-3 串级系统设计和实施串级系统设计和实施中的几个问题中的几个问题 如果把串级系统中整个闭环副回路作为一个等效对象来考虑，可以看到主回路与一般单回路控制系统没有什么区别，无须特殊讨论。但是副回路应该怎样设计，副参数又如何选择，主、副回路之间又有什么关系，一个系统中有两个调节器会产生什么问题等等，这是系统设计和实施中应予以考虑的问题。34 一、副回路的设计一、副回路的设计 串级系统的种种特点都是因为增加了副回路的缘故。可以说，副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键所在。从结构上看，副回路也是一个单回路，问题的实质在于如何从整个对象中选取一部分作为副对象，然后组成一个副控制回路，这也可以归纳为如何选择副参数。下面是有关副回路设计的几个原则。1副参数的选择应使副回路的时间常数小，调节通道副参数的选择应使副回路的时间常数小，调节通道短，反应灵
