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1、刘玉长刘玉长第十章 复杂控制系统 随着工业生产过程规模的扩大和复杂性的增加，单回随着工业生产过程规模的扩大和复杂性的增加，单回路控制系统不足以满足要求，需要在路控制系统不足以满足要求，需要在结构结构、控制策略控制策略等方等方面进行创新，从而出现了复杂控制系统与先进面进行创新，从而出现了复杂控制系统与先进(含智能含智能)控控制系统。制系统。本章介绍常见的复杂控制系统，对先进本章介绍常见的复杂控制系统，对先进(含智能含智能)控制控制系统不作要求。系统不作要求。第一节串级控制系统第一节串级控制系统 第二节前馈控制系统第二节前馈控制系统 第三节其它复杂控制系统第三节其它复杂控制系统 第四节先进控制系统
2、第四节先进控制系统 第五节智能控制第五节智能控制刘玉长刘玉长第一节串级控制系统一、串级控制系统组成 串级控制系统串级控制系统(cascade control system)是一种常用的复杂是一种常用的复杂控制系统，它根据系统结构命名。由两个或两个以上的控制器控制系统，它根据系统结构命名。由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，这类控制系统称为串级控制系统。这类控制系统称为串级控制系统。刘玉长刘玉长(一)串级控制结构特点【组成组成】两个闭环，内环两个闭环，内环(副环副环)和外环和外环(主环主环)；【内
3、环内环】包括副控制器、副对象、副变送器，组成随动控制包括副控制器、副对象、副变送器，组成随动控制系统，给定值由主控制器输出给定，副控制器输出系统，给定值由主控制器输出给定，副控制器输出控制控制阀；控制控制阀；【外环外环】包括主控制器、主对象、主变送器，组成定值控制包括主控制器、主对象、主变送器，组成定值控制系统，给定值由工艺设定，主控制器输出作为副控系统，给定值由工艺设定，主控制器输出作为副控制器的设定。制器的设定。串级控制系统框图串级控制系统框图_主控制器主控制器控制阀控制阀副对象副对象主对象主对象副检测变送副检测变送主检测变送主检测变送扰动扰动y2扰动扰动y1副控制器副控制器_刘玉长刘玉长
4、(二)有关术语主控主控(变变)量：量：指工艺控制指标，是在串级控制系统中起主导作指工艺控制指标，是在串级控制系统中起主导作用的被控量。用的被控量。副控副控(变变)量：量：为了稳定主控变量或某种需要引入的辅助量。为了稳定主控变量或某种需要引入的辅助量。主对象：主对象：由主控变量表征其主要特性的生产设备。由主控变量表征其主要特性的生产设备。副对象副对象：由副控变量表征其主要特性的生产设备。：由副控变量表征其主要特性的生产设备。主控制器：主控制器：在系统中起主导作用的控制器，按主控变量的测在系统中起主导作用的控制器，按主控变量的测量值与工艺规定值之间的偏差工作，其输出作为副控量值与工艺规定值之间的偏
5、差工作，其输出作为副控制器的设定值。制器的设定值。副控制器：副控制器：按副控变量的测量值与主控制器来的设定值之间按副控变量的测量值与主控制器来的设定值之间的偏差工作，其输出直接操纵执行器。的偏差工作，其输出直接操纵执行器。主回路：主回路：由主对象、主测量变送器、主控制器、副控制器、由主对象、主测量变送器、主控制器、副控制器、控制阀及副对象构成的外回路，亦称外环或主环。控制阀及副对象构成的外回路，亦称外环或主环。副回路：副回路：由副对象、副测量变送器、副控制器及控制阀构成由副对象、副测量变送器、副控制器及控制阀构成的回路，亦称内环或副环的回路，亦称内环或副环刘玉长刘玉长二、串级控制工作过程(一)
6、扰动进入副回路温度控温度控制器制器流量控流量控制器制器控制控制阀阀流量流量对象对象温度温度对象对象温度变温度变送器送器流量变流量变送器送器(二)扰动进入主回路温度控温度控制器制器流量控流量控制器制器控制控制阀阀流量流量对象对象温度温度对象对象温度变温度变送器送器流量变流量变送器送器刘玉长刘玉长(三)扰动同时进入主、副回路结论：结论：串级控制系统具有单回路控制系统的全部功串级控制系统具有单回路控制系统的全部功 能，控制品质优于单回路系统，且实现方便，能，控制品质优于单回路系统，且实现方便，生产过程中应用比较普遍。生产过程中应用比较普遍。温度控温度控制器制器流量控流量控制器制器控制控制阀阀流量对流
7、量对象象温度对温度对象象温度变温度变送器送器流量变流量变送器送器刘玉长刘玉长三、设计与应用三、设计与应用1.容量滞后较大的过程容量滞后较大的过程2.纯延时较大的过程纯延时较大的过程3.干扰变化激烈且幅度干扰变化激烈且幅度 较大的过程较大的过程刘玉长刘玉长4.参数相关联的过程参数相关联的过程5.非线性过程非线性过程刘玉长刘玉长第二节前馈控制系统 换热器进料量换热器进料量F1为主要干扰量，换为主要干扰量，换热器滞后明显，单回路反馈控制往往达热器滞后明显，单回路反馈控制往往达不到工艺的要求，此时可采用前馈控制：不到工艺的要求，此时可采用前馈控制：通过测量进料量通过测量进料量(干扰干扰)，由前馈控制器
8、，由前馈控制器控制阀门，改变操纵量以补偿进料量变控制阀门，改变操纵量以补偿进料量变化化D DF1对被控量对被控量(出口温度出口温度)的影响。的影响。前馈控制及其补偿原理示意图前馈控制及其补偿原理示意图前馈补偿前馈补偿干扰干扰D DF1一、反馈控制局限与前馈控制的提出一、反馈控制局限与前馈控制的提出刘玉长刘玉长二、前馈控制基本概念二、前馈控制基本概念前馈控制前馈控制是指按照扰动产生校正作用的控制方法。是指按照扰动产生校正作用的控制方法。基本原理基本原理：测取进入过程的扰动量：测取进入过程的扰动量(外界扰动和设定值变外界扰动和设定值变 化化)，并按照其信号产生合适的控制作用去改变控，并按照其信号产
9、生合适的控制作用去改变控 制量，已抵消制量，已抵消(补偿补偿)扰动对被控量的影响。扰动对被控量的影响。特点特点：按引起被控量变化的扰动大小直接进行控制，无须等：按引起被控量变化的扰动大小直接进行控制，无须等 待被控量的变化。待被控量的变化。三、前馈控制补偿原理三、前馈控制补偿原理 由前馈控制系统方框图可得：由前馈控制系统方框图可得：Y(s)=GFW(s)GP(s)-GF(s)N(s)显然当显然当GFW(s)GP(s)-GF(s)=0时，扰动对系统被控量不会时，扰动对系统被控量不会产生影响。全补偿条件是：产生影响。全补偿条件是：FFWP()()()GsGsGs刘玉长刘玉长四、前馈控制与反馈控制的
10、区别四、前馈控制与反馈控制的区别控制依据控制依据检测变量检测变量作用时间作用时间反馈控制反馈控制偏差偏差被控量被控量偏差出现后偏差出现后前馈控制前馈控制扰动量大小扰动量大小扰动量扰动量偏差出现前偏差出现前五、前馈控制类型五、前馈控制类型(一一)静态前馈控制静态前馈控制 静态前馈控制，是指控制器的输出量静态前馈控制，是指控制器的输出量mf仅是其输入量仅是其输入量D的的函数而与时间无关，即函数而与时间无关，即mf=f(D)。为了便于工程上实施，这种。为了便于工程上实施，这种关系可以近似表示为线性关系：关系可以近似表示为线性关系：mf=Kf D。刘玉长刘玉长 按照上式，应用仪表装置构建前馈系统如下图
11、。系统不但按照上式，应用仪表装置构建前馈系统如下图。系统不但实现了对实现了对F1的前馈控制，同时还考虑了次要的扰动的前馈控制，同时还考虑了次要的扰动F2和和T1i的变的变化，控制质量较高，可把冷流体出口温度稳定在设定值化，控制质量较高，可把冷流体出口温度稳定在设定值Tx。例例 图示换热器，图示换热器，F F1 1为主要扰动，为主要扰动，F F2 2、T T1i1i为次要扰动，试设计前馈控制系统，为次要扰动，试设计前馈控制系统，以保证以保证T T1o1o满足要求满足要求(稳定于设定值稳定于设定值T Tx x)。刘玉长刘玉长(二二)动态前馈控制动态前馈控制 为了提高动态品质，可在静态前馈基础上适当
12、加入动态为了提高动态品质，可在静态前馈基础上适当加入动态环节，实现动态前馈控制。环节，实现动态前馈控制。(三三)前馈前馈反馈控制反馈控制 选择对象中最主要的、反馈控制不易克服的扰动进行前选择对象中最主要的、反馈控制不易克服的扰动进行前馈控制，其他一些扰动则进行反馈控制，如下图。馈控制，其他一些扰动则进行反馈控制，如下图。换热器前馈换热器前馈反馈控制方案反馈控制方案FCTC换热器换热器FY冷流体冷流体F1,T1i+F2,T2iT10TSP载载热热体体锅炉汽包液位控制锅炉汽包液位控制刘玉长刘玉长第三节第三节 其它复杂控制系统其它复杂控制系统一、比值控制系统一、比值控制系统 使两个或两个以上参数保持
13、一定比值关系的控制系统，称使两个或两个以上参数保持一定比值关系的控制系统，称为为比值控制系统比值控制系统。在需要保持比值关系的两种物料中，必有一。在需要保持比值关系的两种物料中，必有一种处于主导地位称之为种处于主导地位称之为主物料主物料(主动量主动量)，其流量称为主流量，其流量称为主流量，用用F1表示；另一种物料则按主物料进行配比称之为表示；另一种物料则按主物料进行配比称之为从物料从物料(从动从动量量)，其流量称之为从流量或副流量，用，其流量称之为从流量或副流量，用F2表示。表示。刘玉长刘玉长(一)开环比值控制系统 由于是开环控制系统，若副流量由于是开环控制系统，若副流量的温度、压力稍有变化，
14、副流量也发的温度、压力稍有变化，副流量也发生变化，两物料间的实际比值很难保生变化，两物料间的实际比值很难保持不变，因此控制质量通常很差，工持不变，因此控制质量通常很差，工业生产过程中采用闭环控制系统。业生产过程中采用闭环控制系统。FYF1F2FC(二)单闭环比值控制系统 图中的从流量变送器图中的从流量变送器FT2、控制器控制器FC、控制阀、控制阀V2以及对以及对象象(指从流量的检测点到执行指从流量的检测点到执行器之间的一段管道器之间的一段管道)等构成一等构成一个闭合的从动回路。个闭合的从动回路。FYF1F2FCFT2V2FT1只能保证只能保证F2的阀门开度与的阀门开度与F1成比例，不能成比例，
15、不能 保证保证F2与与F1成比例。成比例。能保证能保证F2与与F1成比例。成比例。刘玉长刘玉长(三)双闭环比值控制系统 主、副物料都有各自的控主、副物料都有各自的控制系统，主物料进行定值控制；制系统，主物料进行定值控制；副物料进行随动控制。副物料进行随动控制。FYF1F2F1CF2CV1V2能保证能保证F2与与F1成比例，且能稳定成比例，且能稳定F1。(四)变比值控制系统 根据第三参数的需根据第三参数的需要而不断改变两物料比要而不断改变两物料比值的控制系统就称为值的控制系统就称为变变比值控制系统比值控制系统。刘玉长刘玉长(五)比值系数的计算比比 值：值：k=Q2/Q1比值系数：比值系数：K=（
16、I2-4）/（I1-4）流量与测量信号成非线性关系时流量与测量信号成非线性关系时 流量与测量信号成线性关系时流量与测量信号成线性关系时刘玉长刘玉长(七)比值控制实施问题具体实现方案有两种具体实现方案有两种:2.2.把一个流量的测量值乘以把一个流量的测量值乘以比值系数，其乘积作为副调比值系数，其乘积作为副调节器的设定值，称为相乘控节器的设定值，称为相乘控制方案。制方案。1.1.把两个流量的测量值相除，把两个流量的测量值相除，其商作为调节器的反馈值，其商作为调节器的反馈值，称为相除控制方案。称为相除控制方案。刘玉长刘玉长（一）概述（一）概述 一般的过程控制系统是在正常工况下，为保证生产过程的物一般的过程控制系统是在正常工况下，为保证生产过程的物料平衡、能量平衡和生产安全而设计的，它们没有考虑到在事故料平衡、能量平衡和生产安全而设计的，它们没有考虑到在事故状态下的安全生产问题。但当操作条件到达安全极限时，应有保状态下的安全生产问题。但当操作条件到达安全极限时，应有保护性措施。如大型透平压缩机的防喘振、化学反应器的安全操作护性措施。如大型透平压缩机的防喘振、化学反应器的安全操作及锅炉燃烧系统的
