典型过程控制课件.ppt

1、典型过程控制方案n石油、化工等流程流程生产过程，是由一系列基本单元操作的设备和装置组成的生产线来完成的。n单元操作主要有：流体输送、传热与加热（如锅炉）、传质（如精馏塔）和化学反应器等。nA篇主要介绍过程控制系统基础及主要的控制系统种类及相应特点。nB篇主要介绍各典型单元操作的控制：典型单元操作的背景、控制的需要、动静态特性的分析、整体控制方案的确定。n分析步骤：首先对各典型单元操作进行概要的介绍；然后从控制的需要，对它的动静态特性作必要的分析，最后结合上一篇过程控制系统的知识，根据各单元操作的控制要求，确定控制方案。引言A 过程控制系统基础LChhspQiQo传感测量器：液位计+人眼控制器：

2、大脑执行机构：手+手动阀差压传感变送器电动调节器自动调节阀控制系统的由来A1.0简单控制系统结构与组成 通常是指由一个测量元件、变送器、一通常是指由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。统。图 液位控制系统图 温度控制系统A1.0简单控制系统结构与组成图 简单控制系统的方块图 简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。在该系统中有着一条从系统的输出端引向输入端的反馈路线，也就是说该系统中的控制器是根据被控变量的测量值与给定值的偏差来进行控制的。（偏差控制、反（偏差控制、反馈

3、控制、闭环控制）馈控制、闭环控制）液位控制系统的组成与方块图问题：指出每一条连接线所对应的变量信号的物理意义与单位，以及每一个方块所表示的意义？液位控制器设定值hsp偏差e(t)+_测量值hm(t)干扰通道+液位传感测量变送器出水控制阀被控变量h(t)控制信号u(t)操纵变量Qo(t)控制通道扰动Qi(t)液体贮罐LChhspQiQo热交换器温度控制系统及方块图温度控制器设定值Tsp偏差e(t)+_测量值Tm(t)干扰通道+温度测量变送器蒸汽控制阀被控变量T(t)控制信号u(t)蒸汽量RV(t)控制通道扰动RF(t),Ti(t)热交换器TC蒸汽凝液进料TspTmTRVRF,Tiu(t)一般的单

4、回路控制系统被控变量被控变量：温度、压力、流量、液位或料位、成分与物性等六大参数；控制器Gc(s)执行器Gv(s)控制通道Gp(s)测量变送Gm(s)设定值ysp偏差 e+_控制变量u操纵变量q被控变量y测量值ym扰动 D干扰通道GD(s)+被控对象A1.1过程控制系统的重要术语n被控变量/受控变量/过程变量（Controlled Variable-CV,Process Variable-PV）n设定值/给定值(Setpoint-SP,Setpoint Value-SV)n操纵变量/操作变量(Manipulated Variable,MV)n扰动/扰动变量(Disturbance Variab

5、le,DV)n对控制器而言，测量/测量信号(Measurement)，控制/控制信号/控制变量（Control Variable）A1.2控制系统的目标n过程控制系统的目标过程控制系统的目标：在扰动存在的情况下，通过调节操纵变量使被控变量保持在其设定值。n应用过程控制系统的主要原因：应用过程控制系统的主要原因：（1）安全性：安全性：确保生产过程中人身与设备的安全，保护或减少生产过程对环境的影响；（2）稳定性稳定性：确保产品质量与产量的长期稳定，以抑制各种外部干扰；（3）经济性经济性：实现效益最大化或成本最小化。控制系统常用的性能指标n 衰减比：BBnn 振荡周期T，n 调节时间 ts.n 上升

6、时间 tr,峰值时间 tp.%100)()()(yytypl 超调量余差)()(yxeA1.3被控变量的选择 生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量称为被控变量。它们对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用，而人工操作又难以满足要求的；人工操作虽然可以满足要求，但是，这种操作是既紧张而又频繁的。直接指标控制；直接指标控制；间接指标控制。间接指标控制。（1）被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般是工艺过程中较重要的变量。（2）被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而变化。为维持其恒定，需要较频繁的调节。（3）尽量采用直接指标作为被控变量。当

7、无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。A1.3被控变量的选择（4）被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。（5）选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。（6）被控变量应是独立可控的。1.3被控变量的选择图 精馏过程示意图1精馏塔；2蒸汽加热器苯-甲苯溶液的T-x图图 苯-甲苯溶液的p-x图A1.3被控变量的选择 在精馏塔操作中，压力往往需要固定。只有将塔操作在规定的压力下，才易于保证塔的分离纯度，保证塔的效率和经济性。在塔压固定的情况下，精馏塔各层塔板上的压力基本上是不变的，这样各层塔板上的温度与组分之间就

8、有一定的单值对应关系。所选变量有足够的灵敏度。A1.3被控变量的选择 在自动控制系统中，把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为操纵变量。最常见的操纵变量是介质的流量。操作变量操作变量系统的干扰系统的干扰通过工艺分析通过工艺分析确定确定1.3操作变量的选择 操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考虑工艺的合理性与生产的经济性。1.4操作变量的选择图 干扰通道与控制通道的关系由干扰通道施加在对象上，起着破坏作用，使被控变量偏离给定值；由控制通道施加到对象上，使被控变量回复到给定值，

9、起着校正作用。1.4操作变量的选择 一般希望控制通道的放大系数KO要大些，对象干扰通道的放大系数Kf小些。控制通道的时间常数不能过大，否则会使操纵变量的校正作用迟缓、超调量大、过渡时间长。要求对象控制通道的时间常数T小一些，从而获得良好的控制质量。1.4操作变量的选择 控制通道的物料输送或能量传递都需要一定的时间。这样造成的纯滞后O对控制质量是有影响的。图 所示为纯滞后对控制质量影响的示意图。图 纯滞后0对控制质量的影响在选择操纵变量构成控制系统在选择操纵变量构成控制系统时，应使对象控制通道的纯滞后时，应使对象控制通道的纯滞后时间时间0 0尽量小。尽量小。1.4操作变量的选择 干扰通道的时间常

10、数Tf越大，表示干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于控制。如果干扰通道存在纯滞后f，控制作用也推迟了时间f，使整个过渡过程曲线推迟了时间f，要控制通道不存在纯滞后，通常是不会影响控制质量的，如图 所示。图 干扰通道纯滞后f的影响1.4操作变量的选择工业过程控制对象的特点工业过程控制对象的特点n除液位对象外的大多数被控对象本身是稳定自衡对象；n对象动态特性存在不同程度的纯迟延；n对象的阶跃响应通常为单调曲线，除流量对象外的被调量的变化相对缓慢；n被控对象往往具有非线性、不确定性与时变等特性。精馏塔流程图如果工艺要求，选择提馏段某块塔板（一般为灵敏板灵敏板）的温度温度作为被被控变量实施控制控变量实

11、施控制。1.4操作变量的选择进料的流量（Q入）、成分（x入）、温度（T入）、回流的流量（Q回）、回流液温度（T回）、加热蒸汽流量（Q蒸）、冷凝器冷却温度及塔压等等。测量、变送装置是控制系统中获取信息的装置，也是系统进行控制的依据。要求它能正确地、及时地反映被控变量的状况。图 测量元件时间常数的影响 测量元件，特别是测温元件，由于存在热阻和热容，它本身具有一定的时间常数，易造成测量滞后。1.5测量元件特性的影响1.5测量元件特性的影响当测量存在纯滞后时，会严重地影响控制质量。图 pH值控制系统示意图延迟时间延迟时间0 022110vlvl 这一纯滞后使测量信号不能及时反映中和槽内溶液pH值的变化

12、，因而降低了控制质量。1.5测量元件特性的影响 由现场测量变送装置的信号传送到控制室的控制器所引起的滞后。由控制室内控制器的输出控制信号传送到现场执行器所引起的滞后。1.5测量元件特性的影响 主要根据工艺条件，如温度、压力及介质的物理、化学特性（如腐蚀性、黏度等）来选择。原则：原则：用执行器的流量特性去补偿对象的特性，尽可能使广义对象的特性为常数。先按控制系统的特点来选择阀的希望流量特性，然后再考虑工艺配管情况来选择相应的理想流量特性。1.6控制阀的选择调节阀流量特性总结调节阀流量特性总结n 线性阀：线性阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv与阀门开度无关；而随着管路系统阀阻比的减少，当开度到

13、达50 70%时，流量已接近其全开时的数值，即Kv随着开度的增大而显著下降。n 对数阀：对数阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv随着阀门开度的增大而增加；而随着管路系统阀阻比的减少，Kv 渐近于常数。n 选择原则：选择原则：仅当对象特性近似线性而且阀阻比大于 0.60 以上（即调节阀两端的压差基本不变），才选择线性阀，如液位控制系统；其他情况大都应选择对数阀。主要从工艺生产上安全要求出发。主要从工艺生产上安全要求出发。信号压力中断时，应保证设备和操作人员的安全。如果阀处于打开位置时危害性小，则应选用气关式，以使气源系统发生故障，气源中断时，阀门能自动打开，保证安全。反之阀处于关闭时危害性小，

14、则应选用气开阀。有压力信号时阀关、无信号压力时阀开的为气关式气关式。反之，为气开式气开式。1.6控制阀的选择 口径选择得过小，会使流经控制阀的介质达不到所需要的最大流量。口径选择得过大，会浪费设备投资，且使控制阀经常处于小开度工作，控制性能变差，易使控制系统变得不稳定。控制阀的口径选择是由控制阀流量系数控制阀的口径选择是由控制阀流量系数KV值决定的。流量值决定的。流量系数系数KV的定义为：当阀两端压差为的定义为：当阀两端压差为100100kPa，流体密度为，流体密度为1 1g/cm3，阀全开时，流经控制阀的流体流量。阀全开时，流经控制阀的流体流量。2110ppQKV对于不可压缩的流体，且阀前后

15、压差p1p2不太大时，有 1.6控制阀的选择“广义对象”的概念控制器GC(s)执行器GV(s)控制通道GP(s)测量变送Gm(s)ysp(t)+_u(t)q(t)扰动D(t)干扰通道GD(s)+广义对象y(t)ym(t)“广义对象”的特点特点：（1）使控制系统的设计与分析简化；（2）广义对象的输入输出通常可测量，以便于 测试其动态特性；（3）只关心某些特定的输入输出变量。控制器GC(s)控制通道GP 1(s)偏差 e+_扰动 D干扰通道GD 1(s)+广义对象ysp(t)ym(t)u(t)1.7过程控制广义对象动态特性分类n自衡过程（Self-Regulating Processes）(1)无

16、振荡的自衡过程(2)有振荡的自衡过程n非自衡过程（Non-Self-Regulating Processes）(1)无振荡的非自衡过程(2)有振荡的非自衡过程(3)具有反向特性的非自衡过程无振荡自衡过程模型sPeTsKsG1)(sPesTsTKsG)1)(1()(21snPeTsKsG)1()(无振荡非自衡过程模型sPeTssKsG)1()(sPeTsKsG)(具有反向特性的非自衡过程模型sPesTssTKsG)1()1()(10n控制器增益 Kc或比例度增益 Kc 的增大（或比例度下降），使系统的调节作用增强，但稳定性下降；n积分时间Ti积分作用的增强（即Ti 下降），使系统消除余差的能力加

17、强，但控制系统的稳定性下降；n微分时间Td微分作用增强（即Td 增大），可使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但对高频噪声起放大作用，主要适合于特性滞后较大的广义对象，如温度对象等。1.PID参数对控制性能的影响1.8控制器的选择工业PID控制器的选择*1：当工业对象具有较大的滞后时，可引入微分作用；但如果测量噪声较大，则应先对测量信号进行一阶或平均滤波。讨论：讨论：选择原则分析。控制器的正反作用是关系到控制系统能否正常运行与安全操作的重要问题。要通过改变控制器的正、反作用，以保证整个控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。输入变化后，输出的变化方向。当某个环节的输入增加时，其输出也增加，则称该

18、环节为“正作用”方向。当环节的输入增加时，输出减少的称“反作用”方向。1.8控制器的选择控制器Gc(s)执行器Gv(s)控制通道Gp(s)测量变送Gm(s)设定值ysp偏差 e+_控制变量u操纵变量q被控变量y测量值ym扰动 D干扰通道GD(s)+被控对象问题：如何构成一个负反馈控制系统？1.8控制器的选择作用方向一般是“正”的。作用方向取决于是气开阀还是气关阀。作用方向随具体对象的不同而各不相同。当给定值不变，被控变量测量值增加时，控制器的输出也增加，称为“正作用”方向，或者当测量值不变，给定值减小时，控制器的输出增加的称为“正作用”方向。反之，如果测量值增加时，控制器的输出减小的称为“反作

19、用”方向。1.8控制器的选择1.8控制器的“正反作用”选择n 定义：定义：当被控变量的测量值测量值增大时，控制器的输出也增大，则该控制器为“正作用”；否则，当测量值测量值增大时，控制器输出反而减少，则该控制器为“反作用”。n 选择要点：选择要点：使控制回路成为“负反馈”系统。选择方法为：（1）假设检验法假设检验法，先假设控制器的作用方向，再检查控制回路能否成为“负反馈”系统；（2）回路判别法回路判别法，先画出控制系统的方块图，并确定回路除控制器外的各环节作用方向，再确定控制器的正反作用。根据控制阀的“气开气关”的选择原则，该阀应选“气开阀”，即：u Rf.(Why?)假设温度控制器为正作用，即

20、：Tm u；则TC进料出料燃料TTmTspRfuTmuRfTTm结论结论：该控制器的作用方向不能为正作用，而应为反作用.假设检验法假设检验法1.8控制器的“正反作用”选择温度控制器(?)Tspe(t)+_Tm(t)+温度测量变送(+)燃料控制阀(+)T(t)u(t)Rf(t)加热炉控制通道(+)D(t)回路判别法的要点：（1）反馈回路中负增益环节（包括比较器）数为奇数；（2）对控制器而言，“正作用”是指Tm u。回路判别法回路判别法1.8控制器的“正反作用”选择图 液位控制 执行器是执行器是“正正”方向。方向。对象是对象是“反反”方向。方向。控制器为控制器为“正正”方向。方向。控制器正、反作用

21、开关示意图 控制器的正、反作用可以通过改控制器的正、反作用可以通过改变控制器上的正、反作用开关自行变控制器上的正、反作用开关自行选择。选择。一台正作用的控制器，只要将其一台正作用的控制器，只要将其测量值与给定值的输入线互换一下，测量值与给定值的输入线互换一下，就成了反作用的控制器。就成了反作用的控制器。1.8控制器的“正反作用”选择1.9控制系统的设计与实施n确定控制目标：确定控制目标：依据生产过程安全性、经济性与稳定性的要求，针对具体工业对象确定控制目标；n选择被控变量：选择被控变量：选择与控制目标直接或间接相关的可测量参数作为控制系统的被控变量；n选择操作变量：选择操作变量：从所有可操作变

22、量中选择合适的操作变量，要求对被控变量的调节作用尽可能大而快；n确定控制方案：确定控制方案：当被控变量与操作变量多于1个时，既可以直接用MIMO（多输入多输出）控制方案；也可以将系统分解成几个SISO（单输入单输出）子系统再进行设计（当然这里存在最佳分解问题）。1.9控制系统的设计与实施（续）n调节阀的选择调节阀的选择：根据被控变量与操作变量的工艺条件及对象特性，选择合适大小与流量特性的调节阀；n控制算法的选择控制算法的选择：依据控制方案选择合适的控制算法。通常对于SISO系统，PID控制算法能满足大部分情况；而对于MIMO系统，可采用的控制算法很多，但一般都需要对象模型，仅适用于计算机控制系

23、统。n控制系统的调试和投用控制系统的调试和投用：控制系统安装完毕后，按控制要求检查和调整各控制仪表和设备的工作状况(包括控制器参数的在线整定)，依次将其投入运行。举例：精馏塔控制系统LCTC进料LCFCFC精馏塔加热蒸汽塔底产品塔顶产品控制目标CV、MV选择控制系统调试与投用控制方案控制算法过程控制与其它相关学科控制工程控制原理与方法最优化方法与技术化工原理与对象机理测量与控制仪表计算机与网络技术系统仿真技术对于如图所示的加热炉温度控制系统，试(1)指出该系统中的被控变量、操纵变量、扰动变量与控制目标;(2)画出该系统的方块图；(3)选择控制阀的“气开-气关”形式;(4)指出该控制系统的“广义

24、对象”及物理意义。TC进料出料燃料TTmTspRfu练习2.0串级控制系统结构与组成举例举例图 管式加热炉出口温度控制系统 根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度 当燃料压力或燃料本身的热值变化后，先影响炉膛的温度，然后通过传热过程才能逐渐影响原料油的出口温度，这个通道容量滞后很大，时间常数约15min左右，反应缓慢，而温度控制器TC是根据原料油的出口温度与给定值的偏差工作的。所以当干扰作用在对象上后，并不能较快地产生控制作用以克服干扰被控变量的影响。当工艺上要求原料油的出口温度非常严格时，为了解决容量滞后问题，还需对加热炉的工艺作进一步分析。2.

25、0串级控制系统结构与组成 在上述控制系统中，有两个控制器T1C和T2C，接收来自对象不同部位的测量信号1和2。T1C的输出作为T2C的给定值，而后者的输出去控制执行器以改变操纵变量。从系统的结构看，这两个控制器是串接工作的。2.0串级控制系统结构与组成几个串级控制系统中常用的名词 主变量主变量工艺控制指标，在串级控制系统中起主导作工艺控制指标，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。用的被控变量。主对象为主变量表征其特性的生产设备。为主变量表征其特性的生产设备。副对象为副变量表征其特性的工艺生产设备。为副变量表征其特性的工艺生产设备。主控制器按主变量的测量值与给定值而工作，其输出按主变量的测量值

26、与给定值而工作，其输出作为副变量给定值的那个控制器。作为副变量给定值的那个控制器。副变量串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量。要而引入的辅助变量。2.0串级控制系统结构与组成由主变量的测量变送装置，主、副控制器，执行由主变量的测量变送装置，主、副控制器，执行器和主、副对象构成的外回路。器和主、副对象构成的外回路。由副变量的测量变送装置，副控制器执行器和副由副变量的测量变送装置，副控制器执行器和副对象所构成的内回路。对象所构成的内回路。其给定值来自主控制器的输出，并按副变量的其给定值来自主控制器的输出，并按副变量的测量值与给定值的偏差而工

27、作的那个控制器。测量值与给定值的偏差而工作的那个控制器。2.0串级控制系统结构与组成图 串级控制系统典型方块图2.1串级控制系统的工作过程 以管式加热炉为例，来说明串级控制系统是如何有效地以管式加热炉为例，来说明串级控制系统是如何有效地克服滞后提高控制质量的。假定执行器采用气开形式，断气克服滞后提高控制质量的。假定执行器采用气开形式，断气时关闭控制阀，以防止炉管烧坏而酿成事故，温度控制器时关闭控制阀，以防止炉管烧坏而酿成事故，温度控制器T1C和和T2C都采用反作用方向。都采用反作用方向。1.干扰进入副回路F2引起引起2变化，控制器变化，控制器T2C及时进行控制，使其很快稳定及时进行控制，使其很

28、快稳定下来下来如果干扰量小，经过副回路控制后，如果干扰量小，经过副回路控制后，F2一般影响不到温度一般影响不到温度1；如果干扰量大，其大部分影响为副回路所克服，如果干扰量大，其大部分影响为副回路所克服，波及到被控变量温度波及到被控变量温度1再由主回路进一步控制，再由主回路进一步控制，彻底消除干扰的影响，使被控变量回复到给定值。彻底消除干扰的影响，使被控变量回复到给定值。由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干扰进由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干扰进入回路时，可以获得比单回路控制系统超前的控制作用，入回路时，可以获得比单回路控制系统超前的控制作用，有效地克服燃料油压力或热值变化对原料

29、油出口温度的影有效地克服燃料油压力或热值变化对原料油出口温度的影响，从而大大提高了控制质量。响，从而大大提高了控制质量。2.1串级控制系统的工作过程2.干扰作用于主对象F1变化变化 1 T1C输出输出T2C设定值设定值 T2C输输出出 恢复给定值恢复给定值 所以，在串级控制系统中，如果干扰作用于主对象，由所以，在串级控制系统中，如果干扰作用于主对象，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，以达到稳定主变量的目的。主变量的目的。2.1串级控制系统的工作过程3.干扰同时作用于副回路和主对象在干扰作用下，主、副变量的变化方向相同。在干扰作用下，

30、主、副变量的变化方向相同。回复设定值副控制器的输出差值给定值与输出炉膛温度主控制器的输出原料油出口温度炉膛温度121212CT主、副变量的变化方向相反，一个增加，另一个减小。主、副变量的变化方向相反，一个增加，另一个减小。副控制器输出不变，偏差为零时副控制器的测定值主控制器的输出原料油出口温度炉膛温度212,2.1串级控制系统的工作过程2.2串级控制系统的特点（1 1）在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回）在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路；有两个控制器；主控制器和副控制器；有两路和副回路；有两个控制器；主控制器和副控制器；有两个测量变送器，分别测量主变量和副变

31、量。在串级控制系个测量变送器，分别测量主变量和副变量。在串级控制系统中，主回路是个定值控制系统，而副回路是个随动控制统中，主回路是个定值控制系统，而副回路是个随动控制系统。系统。（2 2）在串级控制系统中，有两个变量：主变量和副变量。）在串级控制系统中，有两个变量：主变量和副变量。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。量。当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而频当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而频繁，负荷变化大，简单控制系统满足不了控制质量的要求时，繁，负荷变化大，简单控制系统满足不了控制质量的要求时，采用串级控制系统是

32、适宜的。采用串级控制系统是适宜的。（4 4）串级控制系统由于增加了副回路，因此具有一定的自适）串级控制系统由于增加了副回路，因此具有一定的自适应能力，可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。应能力，可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。（3 3）在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引入，改善）在系统特性上，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，具有超前控制作用，从而了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制作用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量。有效地克服滞后，提高了控制质量。2.2串级控制系统的特点在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅速克服作用于副

33、回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服过程。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，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。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，大大提高了控制质量。2.2串级控制系统的特点2.3串级控制系统中副回路的确定根据生产工艺的具体情况，选择一个合适的副变量，从而构成一个以副变量为被控变量的副回路。副回路的确定确定的原则1.主、副变量间应有一定的内在联系 选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量；选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量；选择的副变量就是操纵变量本身，

34、这样能及时克服它的波动，选择的副变量就是操纵变量本身，这样能及时克服它的波动，减少对主变量的影响。减少对主变量的影响。选择副变量的两类情况图 精馏塔塔釜温度串级控制系统1精馏塔；2再沸器 通过这套串级控制系统，能够在塔釜温度稳定不变时，蒸汽流量能保持恒定值，而当温度在外来干扰作用下偏离给定值时，又要求蒸汽流量能作相应的变化，以使能量的需要与供给之间得到平衡，从而保持釜温在要求的数值上。在本例中，选择的副变量就是操纵变量（加热蒸汽量）在本例中，选择的副变量就是操纵变量（加热蒸汽量）本身。这样，当干扰来自蒸汽压力或流量的波动时，副回路本身。这样，当干扰来自蒸汽压力或流量的波动时，副回路能及时加以克

35、服，以大大减少这种干扰对主变量的影响，使能及时加以克服，以大大减少这种干扰对主变量的影响，使塔釜温度的控制质量得以提高。塔釜温度的控制质量得以提高。2.3串级控制系统中副回路的确定2.要使系统的主要干扰被包围在副回路内图 加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统 在本系统中，由于选择了燃料油压力作为副变量，副对象的控制通道很短，时间常数很小，因此控制作用非常及时，比起温度-温度控制方案，能更及时有效地克服由于燃料油压力波动对原料油出口温度的影响，从而大大提高了控制质量。如果管式加热炉的主要干扰来自燃料油组分（或热值）如果管式加热炉的主要干扰来自燃料油组分（或热值）波动时，就不宜采用本案的控制方案

36、，因为这时主要干扰并波动时，就不宜采用本案的控制方案，因为这时主要干扰并没有被包围在副环内，所以不能充分发挥副环抗干扰能力强没有被包围在副环内，所以不能充分发挥副环抗干扰能力强的这一优点。的这一优点。2.3串级控制系统中副回路的确定3.在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰 如果在生产过程中，除了主要干扰外，还有较多的次要干扰，或者系统的干扰较多且难于分出主要干扰与次要干扰，在这种情况下，选择副变量应考虑使副环尽量多包围一些干扰，这样可以充分发挥副环的快速抗干扰能力，以提高串级控制系统的控制质量。随着副回路包围干扰的增多，副环将随之扩大，副变量离主变量也就越近。这样一来，副对象的控制通道就

37、变长，滞后也就增大，从而会削弱副回路的快速、有力控制的特性。2.3串级控制系统中副回路的确定4.副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防“共振”的发生 是为了保证副回路具有快速的抗干扰性能；是由于串级系统中主、副回路之间是密切相关的，副变量的变化会影响到主变量，而主变量的变化通过反馈回路又会影响到副变量。在串级控制系统中，主、副对象的时间常数不能太接近。在串级控制系统中，主、副对象的时间常数不能太接近。2.3串级控制系统中副回路的确定 如果主、副对象时间常数相差不大，动态联系密切，可能会出现“共振共振”现象。可适当减小副控制器比例度或积分时间，以达到减小副回路操作周期的目的。同理，可

38、以加大主控制器的比例度或积分时间，以期增大主回路操作周期，使主、副回路的操作周期之比加大，避免“共振”。在选择副变量时，应注意使主、副对象的时间常数之比为310，以减少主、副回路的动态联系，避免“共振”。当然，也不能盲目追求减小副对象的时间常数，否则可能使副回路包围的干扰太少，使系统抗干扰能力反而减弱了。2.3串级控制系统中副回路的确定5.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 对于含有大纯滞后的对象，可采用串级控制系统，并通过合理选择副变量将纯滞后部分放到主对象中去，以提高副回路的快速抗干扰功能，及时克服干扰的影响，将其抑制在最小限度内，

39、从而可以使主变量的控制质量得到提高。2.3串级控制系统中副回路的确定2.4串级系统副参数的选择举例串级系统副参数的选择举例*PC123123加热蒸汽再沸器塔底部FCTCFC分析问题分析问题：副回路的快速性与副回路所能包括的扰动范围之间的矛盾。2.4串级方案设计举例串级方案设计举例FCTC进料出料燃料油TC进料出料燃料油PC讨论：副回路所包含的干扰与副回路快速性之间的矛盾？TCTC燃料油进料出料讨论讨论：副回路所能包括的扰动越多，副对象与主对象的动态特性的差别越小，越容易引起内外回路之间的“共振共振”（系统稳定性越差）。2.4串级方案设计举例串级方案设计举例2.5控制规律及正/反作用的选择1.控

40、制规律的选择控制规律是根据控制的要求来进行选择的。目的为了高精度地稳定主变量。主控制器通常都选用比例积分控制规律，以实现主变量的无差控制。副变量的给定值是随主控制器的输出变化而变化的。副控制器一般采用比例控制规律。2.控制器正、反作用的选择（1）串级控制系统中的副控制器作用方向的选择，根据工艺安全等要求，选定执行器的气开、气关形式后，按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定。（2）串级控制系统中主控制器作用方向的选择：当主、副变量增加（减小）时，如果由工艺分析得出，为使主、副变量减小（增加），要求控制阀的动作方向是一致的时候，主控制器应选“反”作用；反之，则应选“正”作用。2.5控制规律

41、及正/反作用的选择（3）当由于工艺过程的需要，控制阀由气开改为气关，或由气关改为气开时，只要改变副控制器的正反作用而不需改变主控制器的正反作用。在有些生产过程中，要求控制系统既可以进行串级控制，又可以实现主控制器单独工作。即若系统由串级切换为主控时，是用主控制器的输出代替原先副控制器的输出去控制执行器，而若系统由主控切换为串级时，是用副控制器的输出代替主控制器的输出去控制执行器。2.5控制规律及正/反作用的选择3.0均匀控制的产生与要求图 前后精馏塔的供求关系甲塔:为了稳定操作需保持塔釜液位稳定，必然频繁地改变塔底的排出量。乙塔：从稳定操作要求出发，希望进料量尽量不变或少变。甲、乙两塔间的供求

42、关系出现了矛盾。为了解决前后工序供求矛盾，达到前后兼顾协调操作，使液位和流量均匀变化，组成的系统称为均匀控制系统。（1）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。图 前一设备的液位和后一设备的进料量之关系1液位变化曲线；2流量变化曲线3.0均匀控制的产生与要求3.1均匀控制方案1.简单均匀控制图 简单均匀控制目的 为了协调液位与排出流量之间的关系，允许它们都在各自许可的范围内作缓慢的变化。满足均匀控制要求的方法通过控制器的参数整定来实现。2.串级均匀控制图 串级均匀控制 可在简单均匀控制方案基础上增加一个流量副回路，即构成串级均匀

43、控制。参数整定的方法 由小到大地进行调整。串级均匀控制系统的主、副控制器一般都采用纯比例作用的。只在要求较高时，为了防止偏差过大而超过允许范围，才引入适当的积分作用。3.1均匀控制方案串级均匀的特点 由于增加了副回路，可以及时克服由于塔内或排出端压力改变所引起的流量变化。串级均匀控制系统协调两个变量间的关系是通过控制器参数整定来实现的。在串级均匀控制系统中，参数整定的目的不是使变量尽快地回到给定值，而是要求变量在允许的范围内作缓慢的变化。3.1均匀控制方案3.2均匀控制系统的PID参数整定n对于串级均匀控制系统的副调节器，应选择PI规律，按单回路工程整定法确定其PI参数。n对于主调节器，一般应

44、选择纯比例规律，即积分时间足够大。通过调整增益Kc以使出料尽可能地平缓，而同时确保液位不超出允许范围。有时为减少液位的调节余差，可引入少量的积分作用。n当液位测量噪声较大时，为避免出料流量的同频率波动，可对液位测量信号进行低通滤波。4.0比值控制的引入问题：问题：当NaoH用量QB变化时，调整稀释水量QA 以使稀释液NaoH的浓度为68%左右。解决方案解决方案：（1）出口浓度控制；（2）入口流量的比值控制（流量比值？）。混合器68%NaoH30%NaoHH2OQAQB 实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。通常为流量比值控制系统。几个概念主物料、主动量（Q1、主流

45、量）从物料、从动量（Q2、副流量）副流量Q2与主流量Q1的比值关系为12QQK 要求要求：QA/QB=KAB（比值系数）而QB 为主动流量，QA 为可控量，要求设计一控制系统通过调节QA 以实现上述比值控制目标。后 续装 置物料 B物料 AQBQA4.0比值控制的引入4.1比值控制系统的类型1.开环比值控制系统图 开环比值控制图 开环比值控制方块图 结构简单，只需一台纯比例控制器，其比例度可以根据比值要求来设定。主、副流量均开环；这种比值控制方案对副流量Q2本身无抗干扰能力。所以这种系统只能适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。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是为

46、了克服开环比值控制方案的不足，在开环比值控制系统的基础上，通过增加一个副流量的闭环控制系统而组成的。图 单闭环比值控制图 单闭环比值控制系统方块图4.1比值控制系统的类型 它能实现副流量随主流量的变化而变化，还可以克服副流量本身干扰对比值的影响。结构简单，实施方便，尤其适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合。虽然能保持两物料量比值一定，但由于主流量是不受控制的，当主流量变化时，总的物料量就会跟着变化。4.1比值控制系统的类型3.双闭环比值控制系统 它是在单闭环比值控制的基础上，增加了主流量控制回路而构成的。图 双闭环比值控制图 双闭环比值控制系统方块图4.1比值控制系统的类型 实现了比较精确

47、的流量比值，也确保了两物料总量基本不变。提降负荷比较方便，只要缓慢地改变主流量控制器的给定值，就可以提降主流量，同时副流量也就自动跟踪提降，并保持两者比值不变。结构较复杂，使用的仪表较多，投资较大，系统调整较麻烦。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上经常需要提降负荷的场合。4.1比值控制系统的类型4.变比值控制系统图 变比值控制系统 要求两种物料的比值能灵活地随第三变量的需要而加以调整，这样就出现一种变比值控制系统。图 变比值控制系统方块图4.1比值控制系统的类型maxmax1ABABQQKK K1FCQAQBIBIA稳态条件稳态条件:IA=K1 IB,max1maxB

48、BAAQQKQQBAABQQK假设流量测量变送环节为线性对象（对于用孔板测量的信号须经开方运算）。4.2比值控制施方案1（提示：标准电流信号I=4-20mA，比值器运算时，均以4mA作0mA处理，即比值系数K只对有效信号实施运算，输出时在有效信号基础再迭加4mA）4.2比值控制施方案21maxmax211KQQKKBAABK2FCQAQBIBIA稳态条件稳态条件:K2 IA=IB,maxmax2BBAAQQQQKBAABQQK4.2比值控制系统方案3稳态条件稳态条件:K3=IA/IBmaxmaxmaxmax3ABABABBAQQKQQQQKRCIA/IBIBK3QAQBIA存在问题存在问题：物

49、料A的流量回路存在非线性，当物料B的流量减少时，回路增益增大，有可能使系统不稳定，并可能出现“除零”运算。4.2比值控制的逻辑提降量LSPCHSKF2CF1C蒸汽燃料空气I0I2I3I4I1Q1Q2功能:(1)正常工况下实现锅炉蒸汽压力对燃料流量的串级控制，以及燃料与空气流量的比值控制(2)提负荷时先提空气，而降负荷时先降燃料量。分析要点：正常工况时，04321IIIII换热器出口温度变比值串级控制系统换热器出口温度变比值串级控制系统蒸汽凝液工艺介质T2RVRFFCT2spRVspTC系统功能系统功能：（1）变比值串级？（2）变增益串级？（3）前馈反馈串级 控制？5.0前馈控制思想n串级控制需

50、要：n单回路控制不能满足要求；n可测量的副变量n副变量需要满足：n快速反应主要干扰的影响n干扰对副、主变量的影响具有因果关系n调节阀对副、主变量的影响具有因果关系NO!无法采用串级控制！TC蒸汽凝液工艺介质cp,RF,T1T2HV,RV假设主要干扰为RF，T1反馈与前馈图 换热器的反馈控制图 换热器的前馈控制图 反馈控制与前馈控制方块图5.0前馈控制思想蒸汽凝液工艺介质cp,RF,T1T2HV,RVFFRF5.0前馈控制的思想D1，Dn为可测扰动；u，y分别为被控对象的操作变量与受控变量。前馈思想前馈思想：在扰动还未影响输出以前，直接改变操作变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。5.1前馈控