4复杂控制系统(1)

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1、第4章复杂过程控制系统主讲：李晓媛E-mail:lixiaoyuan@zzu.edu.cnContents4-5分程与选择性控制4-4比值控制4-3大滞后补偿控制4-1串级控制4-6多变量解耦控制4-2前馈控制4复杂控制系统简单控制系统是过程控制中最基本、应用最广的控制形式，约占全部控制系统的80％。但是：随着生产过程的大型化和复杂化，操作条件更加严格，变量之间的关系更加复杂。有些生产工艺和控制要求比较特殊。随着技术发展，对工艺的控制目标多样化，如产量、质量、节能、环保、效率等。为此，设计出各种复杂控制系统。例：反应釜温度单回路控制系统控制变量：冷却剂

2、量被控变量：反应温度控制阀：气关阀控制规律：PID单回路控制系统扰动分析问题：从扰动开始至调节器动作，调节滞后较大，特别对于大容量的反应槽，调节滞后更大。冷却水入口温度↑→夹套内冷却水温度T2↑→（经对流传热）槽壁温度↑→反应槽温度T1↑→（经反馈回路）冷却水量↑对调节滞后的解决方法之一对于冷却水方面的扰动，如冷却水的入口温度、阀前压力等扰动，夹套冷却水温度T2比反应槽温度T1能更快地感受到。因而可设计夹套水温单回路控制系统TC2以尽快地克服冷却水方面的扰动。但TC2的设定值应根据T1的控制要求作相应的变化（这一要求可用反应温度调节器TC1来自动实现）

3、。“串级控制”反应器温度的串级控制方案特点：两个调节器串在一起工作，调节器TC2通过调节冷却剂量以克服冷却水方面的扰动；调节器TC1通过调节夹套内水温的设定值以保证反应温度维持在工艺所希望的某一给定值。反应器温度串级控制框图TC1称为“主调节器”，TC2称为“副调节器”。4.1串级控制系统当对象的滞后较大，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。4.1.1串级控制系统基本结构及工作过程串级控制是在简单控制系统基础上的改进。例管式加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之一，它的任务是把原油加

4、热到一定温度，以保证下道工艺的顺利进行。因此，需要控制原油加热后的出口温度。问题：控制通道容量滞后很大，控制缓慢。燃料压力或燃料的热值变化影响炉膛温度热传导给原料影响出口温度15min3min原料出口温度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加热炉若用简单温控系统：炉膛温度变化T2T、T2C回路先改变燃料量T1T、T1C回路再改变燃料量出料温度变化解决措施：在影响出口温度的通道中，加测炉膛温度的变化，提前控制。燃料压力变化3min原料出口温度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加热炉T2CT2T管式加热炉出口温度串级控制系统框图为：主控制器调节

5、阀x1炉膛原料油f2、f3f1管壁温度变送器1温度变送器2副控制器＋x2(t)θ2(t)θ1(t)－－＋标准框图为：结构特点：系统有两个闭合回路，形成内外环。主变量是工艺要求控制的变量，副变量是为了更好地控制主变量而选用的辅助变量。主、副调节器是串联工作的，主调节器的输出作为副调节器的给定值。主控制器执行器副对象主对象主变送器副变送器副控制器＋－－＋主变量副变量给定干扰控制过程分析：1．燃料压力、燃料热值f2(t)和烟筒抽力变化f3(t)发生扰动——干扰进入副回路（二次干扰）进入副回路的干扰首先影响炉膛温度，副变送器提前测出，副控制器立即开始控制，控制

6、过程大为缩短。主控制器调节阀x1炉膛原料油f3、f2f1管壁温度变送器1温度变送器2副控制器＋x2(t)Y2(t)Y1(t)－－＋主控制器调节阀x1炉膛原料油f3、f2f1管壁温度变送器1温度变送器2副控制器＋x2(t)Y2(t)Y1(t)－－＋2．原油流量和原油入口温度f1(t)发生扰动——干扰进入主回路（一次干扰）对进入主回路的干扰，虽然副变送器不能提前测出，但副回路的闭环负反馈，使对象炉膛部分特性的时间常数大为缩短，则主控制器的控制通道被缩短，控制效果也得到改善。3．干扰同时作用于副回路和主回路主副回路干扰的综合影响有两种情况：（1）主副回路的干

7、扰影响方向相同。如：燃料压力f3(t)↑→炉膛温度↑→出口温度↑→副控制器开始调节原油流量f1(t)↓→出口温度↑→主副控制器共同调节主控制器调节阀x1炉膛原料油f3、f2f1管壁温度变送器1温度变送器2副控制器＋x2(t)Y2(t)Y1(t)－－＋（2）主副回路的干扰影响方向相反。如：燃料压力f3(t)↑→炉膛温度↑→出口温度↑→副控制器开始调节原油流量f1(t)↑→出口温度↓→主控制器反向调节，使副控制器调节量减小。主控制器调节阀x1炉膛原料油f3、f2f1管壁温度变送器1温度变送器2副控制器＋x2(t)Y2(t)Y1(t)－－＋4.1.2串级控制

8、系统特点及其分析副回路：随动系统，完成系统的“粗调”任务。主回路：恒值调节系统，完成系统的“细