复杂过程控制系统

当两种情况下所求的开环增益不相同时，则说明了各通 道间有耦合。从上述的定性分析可以看出，相对增益的值 反映了某个控制通道作用的强弱和其他通道对它的耦合的 强弱，因此，可作为选择控制通道和选择解耦措施的依据。
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过程控制及仪表
3．减少与消除耦合的途径
1）选择正确的变量配对
2）调整控制器参数
对于这类生产过程，采用之前介绍的常规控制方案往往不 能获得令人满意的控制效果，甚至还可能导致整个系统失控。
为了解决在被控对象的结构和参数存在不确定性时，系统仍 能自动地工作于最优或接近于最优的状态，就提出了自适应 控制，它是辨识技术与控制技术的结合。
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过程控制及仪表
自适应控制是建立在系统数学模型参数未知的基础上， 在控制系统运行过程中，系统本身不断测量被控系统 的参数或运行指标，根据参数或运行指标的变化，改 变控制参数或控制作用，以适应其特性的变化，保证 整个系统运行在最佳状态下。
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第2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ页
过程控制及仪表
2．专家系统的特点
专家系统通过移植到计算机内的相应知识，模拟人类专 家的推理决策过程。这一人工智能处理方法与常规的软 件程序相比，具有如下的显著特征：
1）专家系统是一种知识信息处理系统。 2）专家系统具有高度灵活的问题求解能力。
3）专家系统具有启发性和透明性。
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1．系统的关联
目前的现场实际中，生产装置往往不再是单一的 回路控制，通常都需要设置若干个控制回路，才能对生 产过程中的多个被控变量进行准确、稳定地控制。由于 回路个数的增多，各控制回路之间就有可能存在某种程 度的相互关联和影响，从而构成多输入多输出（MIMO） 的耦合控制系统。

5 复杂控制系统
5.1串级控制系统 5.1串级控制系统
串级控制系统是所有复杂控制系统中应用最多 的一种，当要求被控变量的误差范围很小，简 单控制系统不能满足要求时，可考虑采用串级 控制系统
5 复杂控制系统
5.1.1组成原理 5.1.1组成原理 加热炉是工业生产中常用的设备之一。工艺要 求被加热物料的温度为某一定值。
图5-10
5 复杂控制系统
② 使副对象包含适当多的扰动，实际上是副被 控变量选择的问题。副被控变量越靠近主被控 变量，它包含的扰动量越多，但同时通道变长， 滞后增加；副被控变量越靠近操纵变量，它包 含的扰动越少，通道越短。因此，要选择一个 适当位置，使副对象在包含主要扰动的同时， 能包含适当对的扰动，从而使副环的控制作用 得以更好地发挥。
5 复杂控制系统
（2） 主、副控制器控制规律的选择 在串级控制系统中，主、副控制器所起的作用 是不同的。主控制器起定值控制作用。副控制 器起随动控制作用，这是选择控制规律的基本 出发点。
5 复杂控制系统
5 复杂控制系统
（1） 串级控制系统的构成原理 将原被控对象分解为两个串联的被控对象，如图5-3所 将原被控对象分解为两个串联的被控对象，如图5 示。 以连接分解后的两个被控对象的中间变量为副被控变量， 构成一个简单控制系统，称为副控制系统或副环。 以原对象的输出信号为主被控变量，即分解后的第二个被 控对象的输出信号，构成一个控制系统，称为主控制系统 或主回路。 主控制系统中控制器的输出信号作为副控制系统控制 器的设定值，副控制系统的输出信号作为主被控对象的输 入信号。如图5 入信号。如图5-2、5-3所示。
5 复杂控制述两种方案的优点， 选取炉出口温度为被控参数，选择炉膛温度为 中间辅助变量，把炉出口温度控制器的输出作 为炉膛温度控制器的设定值构成了图5 和图5 为炉膛温度控制器的设定值构成了图5-2和图53所示的炉出口温度与炉膛温度的串级控制系 统。这样扰动f 统。这样扰动f2（t）、f3（t）对炉出口温度的 ）、f 影响主要由炉膛温度控制器T 影响主要由炉膛温度控制器T2构成的控制回路 来克服，扰动f 来克服，扰动f1（t）对炉出口温度的影响由炉 出口温度控制器T 出口温度控制器T1构成的控制回路来消除。

W *02 (s)W01 (s) Y1 (s) = F2 (s) 1+WC1 (s)W'02 (s)W01 (s)Wm1 (s)
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对于一个控制系统来说，当它在给定信号作用 下，其输出量能复现输入量的变化，即Y1(s)/X1(s) 越接近于1时，则系统的控制性能越好；当它在扰 动作用下，其控制作用能迅速克服扰动的影响，即 Y1(s)/F2(s)越接近于0时，则系统的控制性能越 好，系统的抗干扰能力就越强。 图4-5串级控制系统抗干扰能力可用下式表示： Y1 (s)/X 1 (s) WC1 (s)W'02 (s) QC2 (s) = = = WC1 (s)WC2 (s)WV (s) Y1 (s)/F2 (s) W *02 (s)
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(三)对一次扰动有较好的克服能力
对串级控制系统： Y1 (s)
W01 (s) = F1 (s) 1+WC1 (s)W'02 (s)W01 (s)Wm1 (s)
Байду номын сангаас
抗扰动能力：
Y1 (s)/X 1 (s) QC1 (s) = = WC1 (s)W'02 (s) Y1 (s)/F1 (s)
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(一)改善了被控过程的动态特性
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副回路闭环传递函数
WC2 (s)WV (s)W02 (s) Y2 (s) W02 (s) = = X 2 (s) 1+ WC2 (s)WV (s)W02 (s)Wm2 (s)
'
设W02(s)=K02/(T02s+1)，Wc2(s)=Kc2， ' Wv(s)=Kv，Wm2(s)=Km2，可得 ' K02 W02 (s) = ' T02 s + 1 ' 式中 K 02 ----等效被控过程的放大系数 ' T02 ----等效被控过程的时间常数

而且越来越 多 的企业 已实现 或正 在 实现 自动化 生
该 系统结 构 简 单 ， 投资少， 易 于 调整 和投 人 ，
能 满足 不少化 工 工 业 生 产 过程 的控 制要 求 ， 因 此 在我 国化 工生 产 中应 用 十分 广 泛 ， 尤 其 适 用 于被 控 过程 的纯滞 后 、 惯 性 小 以及 负荷 和扰 动 变 化 比 较 平缓 ， 或者 对被 控质 量要 求不高 的场 合 。
一
子 系统 方案 可 以不 相 同 ， 子 系 统 方 案之 间也 可 采
用 不相 同 的方 案 。各 种控 制 方 案 各 有 特 色 ， 各 自
都具 备 其他 方案 所 不 具 备 的优 势 ， 同 时又 有 自己
的不足 之处 。总 之 ， 在 化 工 生 产 中这 几 种 控 制 方
１ 单 回 路 控 制
单 回路控 制 系统解决 了化工工 业生 产过 程 自 动 化 中大量 的参 数 定 值 控 制 问题 ， 这 种 简 单 系 统 能满 足 生产 工艺 的要 求 ， 但 仅 适 用 于 比较 简 单 的 单 输 出生产 过 程 的控 制 ， 不 能 解 决 多输 出过 程 的 控 制 问题 。即使 对 于 简单 的单 输 出生 产 过 程 ， 也 存 在这 样 的情况 ： 其调 节 对 象 的 动态 特 性 决 定 了 很 难控 制 （ 如 过 程 的滞 后 常 数 很 大 或 扰 动 量 很 大） ； 调节 对 象 的动态 特 性 虽 不 复杂 ， 但 工 艺 对 调 节质量 的要 求很 高或很 特殊 。 串级控 制系 统是 改善控 制质 量 的有效方 法 之
在 现代 化工 工业 生 产 过 程 中 ， 许 多情 况 下 会 要 求两 种或 多种 物 料 流 量成 一 定 比例关 系 ， 一 旦

(1)两个变量在控制过程中都 应该是变化的,且变化缓慢。
(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。
过程控制系统
二.均匀控制系统的方案 1 .简单均匀控制
过程控制系统
如何能够满足均 匀控制的要求呢?是 通过控制器的参数 整定来实现的。
有时为了克服连续发生的同一方向干扰所造成的 过大偏差，防止液位超出规定范围，则引人积分作 用，这时比例度一般大于100％，积分时间也要放 得大一些。
主变送器：测量并转换主被控变量的变送器。 副变送器：测量并转换副被控变量的变送器。 主对象：大多为工业过程中所要控制的、由主被控 变量表 征其主要特性的生产设备或过程。 副对象：大多为工业过程中影响主被控变量的、由副被控变 量表征其特性的辅助生产设备或辅助过程。 副回路:由副变送器、副控制器、控制阀和副对象所构成的 闭环回路 , 又称为“ 副环” 或“内环”。 主回路：由主变送器、主控制器、副回路等效环节、主对象 所构成的闭环回路，又称为“主环”或“外环”。
副被控变量（Y2）：大多为影响主被控变量的重要参数。 主控制器：在系统中起主导作用，按主被控变量和其设定值之差 进行控制运算，并将其输出作为副控制器给定值。 副控制器：在系统中起辅助作用，按所测得的副被控变量和主控 输出之差来进行控制运算，其输出直接作用于控制阀的控制器， 简称为“副控”。
过程控制系统
K= F2/F1 式中K为从动流量与主动流量的工艺流量比值。 F1---主动流量(其物料处于主导地位既主物料 ) F2---从动流量(其物料在控制过程中随主物料而变化 )
燃料与空气成比例,什么是主动物料?什么是从动物料?
氢氧化钠浓溶液与水成比例,什么是主动物料?什么是从动物 料?
一.比值控制系统的类型

为了方便研究将被 控制对象的特性分 为静态和动态两部 分，以下解耦方法 主要研究系统的静 态特性！
耦合程度的度量方法
1)第一放大系数——开环增益
u1
K11 g11
K 21 g 21 K12 g12
y1 k11 u1
u2 const
K 22 g 22
各个系统处于开环状态，此时给u1加入扰动则y1和y2都发生 变化，则相应的变化增益为 yi Kij |uk const ,k 1,2 n,k j u j
则 GD (s) G0 (s)diagg Pii (s)
1
即
GD (s) G0 (s)diagg Pii (s)
1
1 adjG0 ( s)diagg Pii ( s) G0 ( s)
0 g022 (s) g012 (s) g P11 (s) 0 g ( s) g ( s) g ( s ) 011 P 22 021 g011 (s) g022 (s) g012 (s) g021 (s)
T2C输出 T1C输出 T2
Qs
T1 T 进料F 精 馏 塔
T1 C
回流罐
回流QL
塔顶产品QD
T2 C
T2 T
回流量QL T1
蒸汽QS
u2
再沸器
塔底产品QW
精馏塔温度控制系统
实例3：流量与 压力耦合控制
干扰使压力升高→通过调 节→开大阀1的开度，增加 旁路回流量，减小排出量， 迫使压力回到给定值上； 同时，压力的升高→调节 阀2前后的压差增大，导致 流量增大。 此时，通过流量控制回 路，关小调节阀2的阀门开 度，迫使阀后流量回到给定 值上。由于阀后流量的减小 又将引起阀前压力的增加。 结果导致系统无法工作。

1
r
冷却水(F2)
出料
①进料流量、进料入口温度 及其化学成分，表示为Fl； ②冷却水的入口温度和阀前 压力，表示为 F2。
2
连续反应釜单回路温度控制系统
F2 Tr 温度检测变送单元 控制器 执行器 夹套 釜壁
F1 釜 T1
连续反应釜单回路温度控制系统框图
问题： 来自于冷却水的干扰F2会使夹套温度T2很快 发生变化 ，怎样及时抑制干扰F2对反应温 度T2的影响 ？ 关键： 把T2的变化及时检测到并加以控制，就可以 使调节阀尽早动作。
G02 ( s ) K 02 T02 s 1
Gc2 (s) Kc2 Gv (s) Kv Gm2 (s) Km2
' K K K ( T s 1) K ' c2 v 02 02 G02 ( s) ' 02 1 Kc2 Kv K02 Km2 (T02 s 1) T02 s 1
令
2 可写成标准形式： s 2 20 s 0 0
当 0 1 时
2 ' 1 ( T T 2 01 02 ) 串 =0 1- = ' 2 T01T02
' 而对于单回路： 单 0
'2 1 (T01 T02 ) '2 1 2 ' T01T02
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2．两步整定法
1）在工况稳定、主副回路闭合的情况下，主控制器采 用纯比例控制，且比例度置于100%，用衰减曲线法（ 如n=4:1）整定副控制器参数，求得副控制器在4:1衰 减过程下的比例度δ2s和衰减振荡周期T2s。 2）将副控制器的比例度置为δ2s，把副回路等效成主 回路的一个环节，用同样的方法整定主控制器参数， 求得主控制器的比例度δ1s和衰减振荡周期T1s。 3）根据求得的δ2s、T2s、δ1s、T1s，按经验公式计 算出主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间 。 4）按照先副后主、先比例后积分再微分的次序将系 统投入运行，并观察过渡过程曲线，必要时进行适 当的调整，直到系统的控制质量符合要求为止。

串级控制系统的设计主要是副参数的选择和副回路的设计及 主、副回路关系的考虑。
2、副变量的选择
过程控制
副变量的选择应使副回路的时间常数小，调节通道短， 反映灵敏
Gm1(s) 串级控制系统的等效方框图
R1 +
Gc(s)
－
Ym
Y2 Gp2(s)
Y1 Gp1(s)
Gm1(s) 单回路控制系统的方框图
过程控制
串级系统的特征方程为： 1 G c 1 (s ) G p 2 (s ) G m 1 (s ) 0
设：
G p1(s)Tp K 1sp 11,G c1(s)K c1,G m 1(s)K m 1
R1 +
Gc(s)
－
Ym1
F2
Gf2(s)
Gv(s) Gp2(s)
过程控制
F1 Gf1(s)
Gp1(s) + Y1
Gm(s) 单回路控制系统方框图
Y 1(s)
G f2(s)G p1(s)
F 2(s) 1G c(s)G v(s)G p2(s)G p1(s)G m (s)
过程控制
Y 1 ( s )
Y 1(s)
G f2(s)G p1(s)
F 2(s) 1G c(s)G v(s)G p2(s)G p1(s)G m (s)
因此可以说，串级控制系统的结构使二次扰动对主参数这一 通道的动态增益明显减小。当二次扰动出现时，很快就被副 调节器所克服。与单回路控制系统相比，被调量受二次干扰 的影响往往可以减小10100倍。
由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对炉出口温度的影 响比单回路系统时小。
一次扰动和二次扰动同时存在
如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数同时增大或同时减 小，主、副调节器对调节阀的控制方向是一致的，即大幅度关 小或开度阀门，加强控制作用，使炉出口温度很快调回到给定 值上。

(3)当 ij 0或接近 0
则该通道的变量配对不恰当，应当重新选择。
5.变量配对实例
例：三种流体混合过程
假设：
Kv1Kv2Kv31
两侧管道对称
控制要求：1:稳定热量H11和H22 2:稳定总流量Q。
H11
u1 100
100
1 2
u2 100
200
H 22
u3 100
100
1 2
u2 100
200
在相互耦合的 n n维被控过程中选择第 i 个通道，使所有其他控制量
u （k k1,2,,n,kj）都保持不变时将控制量 u j 改变一个Δ u j 所得到的
yi(i1,2,,n)的变化量Δ y i与Δ u j 之比，定义为 u j到 y i 通道的开环增益，
表示为
uk const
kij
yi u j
1前馈补偿设计法
设计方法
G GB B12((ss))G G G G21212211((((ssss)))) 2对角矩阵设计法
GB (s) 的实现问题
解耦 控制器
对角矩阵设计方法
设 Y (s ) dig p a (s i)ig u (s )
令 G 0 (s )G D (s ) d ig P a (s i) ig
0 1 1 (K1)T K1 1 1 1
1 1 0
变量配对实例
H11 1 0 0
K(K1)T Q
0
1
0
H22 0 0 1
U1 U2 U3
控制方案： U2 U1 ,U3
Q H11,H22
是正确的
8.2.2 耦合过程及其要解决的问题
所谓解耦设计，就是设计一个解耦装置，使其中任意一个控制量 的变化只影响其配对的那个被控变量而不影响其他控制回路的被控变 量，即将多变量耦合控制系统分解成若干个相互独立的单变量控制系 统。