1、能力目标能力目标知识目标知识目标掌握串级控制系统结构、特点掌握串级控制系统结构、特点掌握串级控制系统的设计原则掌握串级控制系统的设计原则掌握其他复杂控制系统的控制方案设计方法掌握其他复杂控制系统的控制方案设计方法熟悉各种复杂控制系统的特点和适用场合熟悉各种复杂控制系统的特点和适用场合了解其他复杂控制系统的实施方法了解其他复杂控制系统的实施方法能根据控制要求和工艺确定串级控制系统控制方案能根据控制要求和工艺确定串级控制系统控制方案能够确定串级控制系统主控制器和副控制器的正反作用能够确定串级控制系统主控制器和副控制器的正反作用能够确定主控制器和副控制器的控制规律并完成控制器能够确定主控制器和副控制
2、器的控制规律并完成控制器参数的整定参数的整定能正确投运串级控制系统能正确投运串级控制系统能根据控制要求和扰动情况选择合适的复杂控制系统能根据控制要求和扰动情况选择合适的复杂控制系统 能阅读带有复杂控制系统的控制点工艺流程图能阅读带有复杂控制系统的控制点工艺流程图项项 目目 导导 学学 在水处理的工艺流程中，多采用单回路控制系统和程序控制在水处理的工艺流程中，多采用单回路控制系统和程序控制系统。如果系统负荷波动大、对象时间常数大、纯滞后时间大（系统。如果系统负荷波动大、对象时间常数大、纯滞后时间大（和时间常数比较而言）、对控制要求高的场合，则可采用复杂控和时间常数比较而言）、对控制要求高的场合，
3、则可采用复杂控制系统以改善控制控制品质。制系统以改善控制控制品质。复杂控制系统种类较多，常用的复杂控制系统包括串级、均复杂控制系统种类较多，常用的复杂控制系统包括串级、均匀、比值、前馈、分程等控制系统。匀、比值、前馈、分程等控制系统。本项目主要学习复杂控制系统的控制方案的选择及系统的投本项目主要学习复杂控制系统的控制方案的选择及系统的投运操作等知识与技能。运操作等知识与技能。任务 污水处理加药串级控制系统的操作一、串级控制系统概述4（一）污水处理混凝加药串级控制方案 系统结构：浊度控制器的输出作为流量控制器FC的设定值SP，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
4、接工作的。图11-1 混凝加药串级控制方案（二）混凝加药串级控制系统说明5n主控制器：按主变量的测量值与给定值而工作，其输出作为副变量给定值的那个控制器。如图11-2所示的浊度控制器。n副控制器：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作的那个控制器,如图11-2所示的FC。n主回路：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。n副回路：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。（三）串级控制系统典型结构6n串级控制系统从总体上来说是一个定值控制系统，主回路是个定值控制系统,根据负荷变化或其他情况不断调整副回路的给定值，副回
5、路则克服系统的主要扰动来满足主回路的要求。所以副回路为随动控制系统 二、串级控制系统特点7n副回路控制控制速度快，因此能够快速克服进入副回路的扰动。其他扰动则是通过n主回路改变主控制器输出来实现控制的。因此，相对于单回路控制系统，控制质量有很大提高。n串级控制系统能够改善系统的对象特性。引入副回路，使得控制通道滞后减少，系统n的控制速度加快；引入副回路，还可改善副对象的非线性特性。因此可提高系统的控制品质。n串级控制系统具有一定的自适应的能力。当操作条件或负荷波动时，主控制器改变副控制器的给定值，副控制器跟随给定值的变化调整副变量，从而使系统能够适应操作条件或负荷的波动。三、和单回路控制系统比
6、较，串级控制系统的优势8n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过程。n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。n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。四、串级控制系统的应用9n主主变量是反映水质或水处理过程运行情况的主要工艺参变量是反映水质或水处理过程运行情况的主要工艺参数。副变量应遵循以下原则：数。副变量应遵循以下原则：n副回路应包括主要扰动和尽可能多的次要扰动。副回路应包括主要扰
7、动和尽可能多的次要扰动。n副回路的时间常数要尽匹配，一般要求主、副回路的副回路的时间常数要尽匹配，一般要求主、副回路的时间常数之比为时间常数之比为3-10 3-10。n要求副变量的变化对主变量影响作用明显，副变量实要求副变量的变化对主变量影响作用明显，副变量实际上是主变量的操纵变量。引入副回路能够改善系统的际上是主变量的操纵变量。引入副回路能够改善系统的非线性，所以还要求尽可能把非线性部分包含在副回路。非线性，所以还要求尽可能把非线性部分包含在副回路。（一）串级控制系统的应用（一）串级控制系统的应用1、主、副变量的选择10n串级控制系统的主回路为一串级控制系统的主回路为一定值控制系统定值控制系
8、统，为保证水，为保证水质质量，要求对主变量实现无差控制。因此，主控制器质质量，要求对主变量实现无差控制。因此，主控制器一般选用比例积分控制规律。如果对象控制通道滞后大一般选用比例积分控制规律。如果对象控制通道滞后大的场合，为克服容量滞后，可引入微分控制。的场合，为克服容量滞后，可引入微分控制。n副回路实际上为一副回路实际上为一随动控制系统随动控制系统。设置副回路的目的，。设置副回路的目的，是为了快速克服扰动，因此最好不要加入积分控制，因是为了快速克服扰动，因此最好不要加入积分控制，因为积分作用会使跟踪变慢。为积分作用会使跟踪变慢。n副控制器也不需要加入微分控制作用，因为当主控制副控制器也不需要
9、加入微分控制作用，因为当主控制器输出变化时，在微分控制作用下，副控制器输出会大器输出变化时，在微分控制作用下，副控制器输出会大幅变化，进而使调节阀开度大幅变化，从而导致系统不幅变化，进而使调节阀开度大幅变化，从而导致系统不稳定的情况。稳定的情况。n结论：副控制器一般只采用比例控制作用。结论：副控制器一般只采用比例控制作用。2、主、副控制器控制规律的选择主、副控制器控制规律的选择 11n副控制器作用方向的选择同于单回路控制系统控制器副控制器作用方向的选择同于单回路控制系统控制器的选择方法。的选择方法。n串级控制系统主控制器的正反作用可按下述方法进行：串级控制系统主控制器的正反作用可按下述方法进行
10、：n当主、副变量增加（减小）时，如果由工艺分析得出，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，主控制器应选是一致的时候，主控制器应选“反反”作用；反之，则应作用；反之，则应选选“正正”作用。作用。3、主、副控制器正反作用的选择主、副控制器正反作用的选择 12（1）两步整定法：按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器。（2）一步整定法 在整定时，可以按照表11-1先设置好副回路参数，再集中精力按照单回路控制系统参数整定方法整定主控制器。实践证明，这种整定方法
11、，对于对主变量要求较高，而对副变量没有什么要求或要求不严，允许它在一定范围内变化的串级控制系统，是很有效的。4、串级控制系统控制器参数整定、串级控制系统控制器参数整定13串级控制系统的主要投运步骤：串级控制系统的主要投运步骤：n系统在投运前，应该先熟悉工艺流程，对电、气、仪表系统在投运前，应该先熟悉工艺流程，对电、气、仪表线路进行检查；检查并确认控制器的正反作用、完成控线路进行检查；检查并确认控制器的正反作用、完成控制器参数设置；检查调节阀的作用方式、工作状态；制器参数设置；检查调节阀的作用方式、工作状态；n将主、副控制器置于将主、副控制器置于“手动手动”状态；状态；n用手操器完成副回路输出，
12、使主变量稳定并接近主控制用手操器完成副回路输出，使主变量稳定并接近主控制器的给定值吗，且副变量运行平稳；器的给定值吗，且副变量运行平稳；n手动调节主控制器的输出，使其输出量等于副变量的测手动调节主控制器的输出，使其输出量等于副变量的测量；量；n依次将将副控制器、主控制器投运到依次将将副控制器、主控制器投运到“自动自动”方式。方式。5、串级控制系统的投运、串级控制系统的投运任务实施任务实施在实训现场，结合所学知识，学生以小组为单位自主练习。在实训现场，结合所学知识，学生以小组为单位自主练习。主要内容及要求主要内容及要求（1）根据工艺要求，正确选择控制方案）根据工艺要求，正确选择控制方案 熟悉现场
13、工艺流程、技术要求，分析系统的主要扰动；熟悉现场工艺流程、技术要求，分析系统的主要扰动；确定串级控制系统方案。确定串级控制系统方案。（2）完成串级控制系统的实施）完成串级控制系统的实施 确定主、副控制器控制规律；确定主、副控制器控制规律；确定主、副控制器的正反作用；确定主、副控制器的正反作用；完成主、副控制器完成主、副控制器PID参数的整定。参数的整定。（3）能够正确完成串级控制系统投运过程）能够正确完成串级控制系统投运过程学习讨论学习讨论1.在串级控制系统的安装过程中，如何实现主控制器的输出作为副控在串级控制系统的安装过程中，如何实现主控制器的输出作为副控制器的设定值？制器的设定值？2.在投
14、运过程中，如何保证主、副控制器在投运前后能够做到无扰动在投运过程中，如何保证主、副控制器在投运前后能够做到无扰动切换？切换？知识拓展 其他复杂控制系统一、均匀控制系统 14(一一)均匀控制的目的均匀控制的目的 在图11-4中，调节池的液位控制和电解槽的进料量之间出现矛盾，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图11-4调节池液位和进入电解槽流量之间的供求关系 这样就可实现：（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。其他复杂控制系统15(二二)均匀控制方案均匀控制方案从结构上看，简单均匀控制和
15、单回路控制结构相同；串级均匀控制和串级控制相同结构相同，但是系统设计的目的不同，液位控制只是为了稳定液位，而均匀控制则是为了协调液位与排出流量之间的关系，在控制规律的选择时，一般采用较弱的比例控制作用。图11-6简单均匀控制 图11-7 串级均匀控制注意注意其他复杂控制系统二、比值控制系统在污水处理过程中，常常需要两种物料保持一定比例关系，在需要保持比值关系的物料中，必有一种出于导地位，这种物料称为主物料，主物料的流量称为主动量Q1,如上所述的酸性废水流量。另一种物料称为从物料Q2，如用于中和的碱性废水流量，其物料量Q2应随主动量的变化而变化，即K=Q2/Q1（一）比值控制系统概述（一）比值控
16、制系统概述16其他复杂控制系统主动量Q1变化时，经过比值控制器（通常为纯比例控制器）计算其输出的变化量，从而改变阀门开度，使得从动量Q2能够跟随Q1变化，从而保证K=Q2/Q1。由于都主动量和从动量采用开，故称为开环比值控制。（二）开环比值控制系统（二）开环比值控制系统特点：结构简单，但由于主动量和从动量采用开环控制。因此这特点：结构简单，但由于主动量和从动量采用开环控制。因此这种比值控制方案对从物料量种比值控制方案对从物料量Q2本身无抗干扰能力，所以这种系本身无抗干扰能力，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。统只能适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。图11-8 开环比
17、值控制17其他复杂控制系统（二）单闭环比值控制（二）单闭环比值控制特点：结构简单，实施起来比较容易，因而得到广泛的应用。但特点：结构简单，实施起来比较容易，因而得到广泛的应用。但是主动量仍然不可控。当主动量变化时，从动量也随之变化，因是主动量仍然不可控。当主动量变化时，从动量也随之变化，因而总物料量是变化的。这种控制系统适合于工艺上要求主动量不而总物料量是变化的。这种控制系统适合于工艺上要求主动量不可控的场合。可控的场合。单闭环比值控制系统是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回路而组成的。从而迅速克服Q2的如阀前阀后压力等干扰，改善从动量和主动量的比值关系。图11-9 单
18、闭环比值控制18其他复杂控制系统（三）双闭环比值控制（三）双闭环比值控制特点：双闭环比值控制系统缺点是结构复杂，使用仪表较多，投特点：双闭环比值控制系统缺点是结构复杂，使用仪表较多，投资大，调整起来比较麻烦。所以这种控制系统主要适用于主流量资大，调整起来比较麻烦。所以这种控制系统主要适用于主流量干扰较大、工艺上不允许负荷有较大波动或工艺上需要经常提降干扰较大、工艺上不允许负荷有较大波动或工艺上需要经常提降负荷的场合负荷的场合。当工艺上允许对主动量控制时，可增加一闭合回路对主动量Q1进行控制，这就减少了在主动量变化时，从动量和主动量比值的动态偏差，进而提高从动量和主动量比值的精确度。其次，由于主
19、、从动量都稳定，总的物料量也比较稳定。另外，也可以通过改变FC1设定值方便地改变主动量Q1图11-10 双闭环比值控制其他复杂控制系统（四）变比值控制（四）变比值控制通过对通过对PH值进行检测，并和值进行检测，并和PH设定值进行比较来修改比值系设定值进行比较来修改比值系数，从而实现数，从而实现PH值的闭环控制值的闭环控制图11-11 变比值控制20其他复杂控制系统三、前馈控制系统反馈控制的特点：反馈控制是在受控变量出现偏差后才进行控制，即反馈控制为“事后控制”。因此对于惯性大的对象往往控制效果不理想。（一）前馈控制概述（一）前馈控制概述反馈控制的设计思路：如果扰动可测，且明确扰动将导致受控变量
20、按照曲线1变化，则可以通过提前改变调节阀开度使可以通过提前改变调节阀开度使受控变量按照曲线2变化，从而及时抵消扰动带来的影响21其他复杂控制系统1、前馈控制比反馈控制更及时、有效，前馈控制产生一个同步的、反方向的控制作用，则不等扰动产生作用，就能够完全抵消扰动作用对受控变量影响。因此，前馈控制比反馈控制更及时、有效。2、前馈控制是一种“开环”控制系统在前馈控制中，并未对受控变量进行检测，因而是一种开环控制系统。3、一种前馈控制算法只能针对一种扰动而设置由于各种扰动对受控变量的作用不同，因此，根据设计出的前馈控制算法只能针对某一具体扰动产生补偿作用。（二）前馈控制特点（二）前馈控制特点22其他复
21、杂控制系统（三）前馈（三）前馈反馈控制方案反馈控制方案前馈控制及时有效，但对扰动具有针对性；反馈控制作用滞后，前馈控制及时有效，但对扰动具有针对性；反馈控制作用滞后，但对所有的扰动都有效。因此，反馈控制一般很少单独使用，常但对所有的扰动都有效。因此，反馈控制一般很少单独使用，常常要结合两种控制方式，相互取长补短、优势互补的目的。常要结合两种控制方式，相互取长补短、优势互补的目的。图11-14换热器的前馈反馈控制 23其他复杂控制系统四、分程控制系统 在一般的反馈控制系统中，一台控制器的输出只控制一台调节阀。如果一台控制器的输出送到两个或多个调节阀，而各个调节阀的工作范围不同，这样的控制系统称为
22、分程控制系统。如图11-15调节阀A在输入信号为2060KPa范围内完成全行程动作;调节阀B在60100KPa范围内完成全行程动作。（一）分程控制概述（一）分程控制概述图图11-15 分程控制系统方框图分程控制系统方框图24其他复杂控制系统（二）分程控制系统的应用（二）分程控制系统的应用1、分程控制系统的应用场合、分程控制系统的应用场合（1）扩大控制阀的可调范围、改善控制品质）扩大控制阀的可调范围、改善控制品质（2）用于控制两种不同的介质，实现控制要求）用于控制两种不同的介质，实现控制要求 2、分程控制实施过程中应注意的几个问题分程控制实施过程中应注意的几个问题（1）控制阀泄露量的要求控制阀泄
23、露量的要求（2）分程控制可利用阀门定位器来实现分程控制可利用阀门定位器来实现 (3)合理选择控制阀的流量特性合理选择控制阀的流量特性 (4)控制器的参数整定主要考虑正常工况下应使用控制器的参数整定主要考虑正常工况下应使用哪个控制阀，再根据这个控制阀确定的对象特性哪个控制阀，再根据这个控制阀确定的对象特性来整定参数。同时适当兼顾另一台控制阀在操作来整定参数。同时适当兼顾另一台控制阀在操作时，使工艺参数能够在允许的范围之内。时，使工艺参数能够在允许的范围之内。25其他复杂控制系统五、三冲量控制系统 汽包水位是锅炉运行的一个重要指标，维持水位在一定的范围内是保证锅炉安全运行的首要条件。如果水位过高，
24、会影响水汽分离，饱和蒸汽带水过多，会使锅炉过热器管壁结垢导致损坏。如果把蒸汽作为汽轮机动力，将会损坏汽轮机叶片；如果水位过低，水的汽化速度加快，水位迅速降低，如不及时控制，将会导致汽包内的水被全部汽化，导致水冷管壁烧坏，甚至引起爆炸。因此，锅炉水位必须严格控制。（一）（一）锅炉汽包水位控制概述锅炉汽包水位控制概述 26其他复杂控制系统五、三冲量控制系统 （一）单冲量控制系统（一）单冲量控制系统图图11-19 单冲量控制系统单冲量控制系统 图11-19为一单冲量控制系统控制器根据所检测的液位控制给水量。如果蒸汽负荷突然增加，造成汽包压力骤然下降，汽包内的沸腾状况加剧，水中的气泡迅速增多，将液位抬
25、高，形成虚假的水位上升现象。因此单冲量控制系统适合于蒸汽负荷变化不剧烈，用户对蒸汽品质要求不高的场合。27其他复杂控制系统 （二）双冲量控制系统（二）双冲量控制系统图图11-20 双冲量控制系统双冲量控制系统 图11-20为一双冲量控制系统。为稳定液位，当蒸汽负荷增加时，应该增加给水量，但由于液位虚高，系统反而会减少给水量。一到闪急汽化平息下来，将使液位急剧下降，从而引起液位出现剧烈的波动。为克服负荷变化造成的液位大幅波动，可引入蒸汽流量，和汽包液位共同完成给水量的控制。这种控制系统称为双冲量控制系统。实际上，双冲量控制系统为一前馈反馈控制系统。28其他复杂控制系统 （二）双冲量控制系统（二）
26、双冲量控制系统 三冲量控制系统三冲量控制系统 影响液位变化的因素还包括供水压力的变化，为克服供水压力变化对液位的变化，可引入给水量给水量、液位、蒸汽流量三个变量共同完成汽包液位的控制，称为三冲量控制系统。三冲量控制系统在结构上为前馈串级控制系统。其中，液位时控制系统的主变量，它反映了主要的工艺指标；蒸汽流量作为前馈信号，用以同步克服蒸汽负荷的骤变造成的液位的波动；给水流量为串级控制系统的副参数，用于克服给水管道压力波动对汽包水位的扰动。29本本 章章 小小 结结项目考核项目考核评分内容评分标准配分得分串级控制系统方案的确定串级控制器参数的整定和系统的投运控制方案（主变量、副变量、操纵变量的确定、执行器和控制规律的确定）错误扣5-30分30参数整定和系统投运步骤不合适扣10-30分30成果展示：（实物或报告）错误扣10-20分20知识问答、工作态度、团队协作精神等知识问答全错扣5分；小组成员分工协作不明确，成员不积极参与扣5分10安全文明生产违反安全文明操作规程扣5-10分10项目成绩合计开始时间结束时间所用时间评语
