石油化工自动化及仪表教学全套课件第2版课件 第17章 复杂控制系统.ppt

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1、第17章复杂控制系统17.1串级控制系统17.2均匀控制系统17.3比值控制系统17.4前馈控制系统17.5选择性控制系统17.6分程控制系统17.1串级控制系统简单控制系统解决了工业生产过程中大量的生产控制问题，能够满足定值控制的要求。但是，在有些情况下，特别是当生产过程向着大型化和复杂化的方向发展对系统控制质量的要求愈来愈高时，简单控制系统就满足不了要求。为了提高大滞后和大时间常数过程的控制质量，在简单控制系统的基础上增加一个控制回路，构成串级控制系统。串级控制系统在工业生产过程控制中应用极

2、为广泛。17.1.1串级控制系统的基本概念当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，采用简单控制系统往往控制质量较差，满足不了工艺上的要求，这时，可考虑采用串级控制系统。炼油厂管式加热炉温度控制系统如图17-1所示。通过改变燃料量使原料油的出口温度保持在工艺所规定的数值上，可见，这是一个简单控制系统。图17-1管式加热炉温度控制系统在实际生产过程中，特别是当加热炉的燃料压力或燃料本身的热值有较大波动时，上述简单控制系统的控制质量往往很差，原料油的出口温度波动较大，难以满足生产工艺的要求。为了解决管

3、式加热炉原料油出口温度的控制问题，在生产实践中，往往是根据炉膛温度的变化，先改变燃料量，然后再根据原料油的出口温度与给定值的偏差，进一步改变燃料量，以保持原料油的出口温度恒定。这样就构成了以原料油的出口温度为主要被控变量的炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统，管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统如图17-2所示。管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统的方框图如图17-3所示。图17-2管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统图17-3管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统的方框图在上述控制

4、系统中，有两个控制器和，分别接收来自对象不同部位的测量信号和。其中一个控制器的输出作为另一个控制器的给定值，而后者的输出去控制执行器以改变操纵变量。从系统的结构上看，这两个控制器是串接工作的，因此，这样的系统称为串级控制系统。假定执行器采用气开形式，断气时控制阀关闭，以防止烧坏炉管而酿成事故，温度控制器和都采用反作用方向。下面针对不同情况来分析该控制系统的工作过程。1.干扰进入副回路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，可以获得比简单控制系统超前的控制作用，从而有效地克服因燃

5、料油压力或热值变化对原料油出口温度的影响，提高了控制质量。17.1.2串级控制系统的工作过程2.干扰作用于主对象在串级控制系统中，如果干扰作用于主对象，由于副回路的存在，可以通过及时改变副变量的数值，达到稳定主变量的目的。3.干扰同时作用于副回路和主对象如果除了进入副回路的干扰外，还有其它干扰作用在主对象上，这时可以根据干扰作用下，主、副变量的变化方向，分两种情况进行研究。一种情况是在干扰作用下，主、副变量的变化方向相同，即同时增加或减小。另一种情况是在干扰作用下，主、副变量的变化方向相反，一个

6、增加，另一个减小。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。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。17.1.3串级控制系统的特点串级控制系统具有以下几个特点。1.在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路，即主回路和副回路；有两个控制器，即主

7、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量。2.在串级控制系统中，有两个变量，即主变量和副变量。3.在系统特性上，串级控制系统由于引入了副回路，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制的作用，从而可以有效地克服滞后，提高了控制质量。4.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。由于串级控制系统具有上述特点，所以，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，采用串级控制系统

8、是适宜的。17.1.4串级控制系统的设计1.主变量的选择及主回路的设计对于主变量的选择和主回路的设计，基本上按照简单控制系统的设计原则进行。凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数，均可选作主变量。如果条件许可，可以选用质量指标作为主变量，因为它最直接也最有效。否则，应选择一种与产品质量有单值函数关系的变量作为主变量。2.副变量的选择及副回路的设计副回路的设计原则:1)副变量的选择副变量的选择应使副回路的时间常数小，时间滞后小，控制通道短，这样可使等效过程的时间常数大大减小，