第十五章 复杂控制系统

一 概述
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。 处于主导地位的物料，称为主物料，表征这种物料的参数称为 主动量/主流量，用Q1表示。 而另一种物料按主物料进行配比，在控制过程中随主物 料而变化，因此称为从物料，表征其特性的参数称为从动量 或副流量，用Q2表示。
应用场合：
1 对象容量滞后较大，系统内存在激烈且幅度较大的干扰；
２ 被控对象纯滞后较大; 3 被控对象具有较大非线性， 且负荷变化较大．
原料
T2T T1T T2C T1C
副控制回路改善了副对象的非线性
燃料
串级控制系统最大特点：引入副回路。
主、副变量有明确的主次之分 副变量: 应服从主变量稳定需要, 对进入副回路的二次干扰 先调粗调：快，允许在一定范围内变化，允许有余差。 主变量: 是控制的目的, 细调： 稳、快、准
+
+
五、系统的投运
“先副后主”，即先将副回路投“自动”再投运主回路。 （1）主、副控制器均置“手动”。主控: 内给定 副控: 外给定 且选择好正、反作用，PID：预定值。 两个变送器先投运。 （2）副控制器手动控制。 手动控制调节阀开度，使主、副变量接近给定值。
（3）副控制器投自动。 当主变量接近给定值、副变量较平稳时，调节主控制器手动输 出，使副控制器偏差=0，将副控器切换到“自动”。 系统处于副回路自动控制工作状态。 （4）主控制器投自动。 副回路控制稳定后，调节主控制器手动输出，使主控制 器偏差=0，将主控器切换到“自动”。 主、副回路全部进入自控状态，完成串级控制系统投运。
4. 若只有D1存在
原料
TT TC 燃料
二、串级控制系统的特点
副回路
主回路
1. 两个控制回路。 副回路是随动控制系统：外给定 先调、粗调：快、可波动、可有余差; 主回路是定值控制系统：内给定 细调：稳、快、准
2. 具有很强的抗干扰能力。因副回路的引入，对进入副回路的 二次干扰具有很强的克服能力，使控制过程加快，具有超前控 制的作用，有效克服了滞后（包括纯滞后），提高了控制质量。 这是最大特点，也是设计串级控制 系统的目的所在。 3. 由于增加了副回路，改善了对象特性， 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。
2.确定主要干扰。
不同工艺，主要干扰不同，确定主要干扰，从而确定副变量。
这些有时干扰并不 是同时出现的，而 且有主次之分。
T2T T1T
T2C T1C
原料
T
TT PT TC PC
原料
燃料 P
燃料
加热炉出口温度-燃 料压力串级控制
3. 主、副变量间应有一定内在联系 4.应使主、副对象时间常数相匹配
对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，对主变量控制 要求比较高，简单控制系统满足不了工艺上的要求，这时，可 考虑采用串级控制系统。 主、副变量有明确的主次之分 副变量: 应服从主变量稳定需要, 先调粗调：快，允许在一定范围内变化，允许有余差。 主变量: 是控制的目的, 细调： 稳、快、准
主回路
副回路
2. 若主要干扰为D2燃料压力，无燃料热值/成 分干扰、无来自炉膛干扰 燃料压力控制回路（几秒钟）比炉膛 温度控制回路（几分钟）的控制通道 时间常数小很多，调节速度更快。
原料
T
TT PT TC PC
燃料 P
加热炉出口温度-燃 料压力串级控制
3. 若D1与D2、D3同时存在，都较强
T1C和T2C控制器共同作用： T2C 可快速直接克服D2、D3干扰，T2C 不能直接克服D1干扰； T1C 可克服D1干扰，但较慢； T2C 不能直接克服D1干扰，但炉膛温度控制回路的引入， 增强了控制作用，t1偏差比简单回路减小2～5倍。
T2T T1T T2C T1C
原料
燃料
第二节 均匀控制系统
一、均匀控制目的
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，为此组成的系统称为均匀控制系统。
均匀控制系统： 用来保持前后两个设备供求间的被控变量 在规定范围内缓慢、均匀变化的系统。
甲
FC LT LC FT
2
乙
1 图15-10 前后精馏塔的供求关系
二、均匀控制方案
追求的最佳过渡过程不一样
一般控制系统希望稳、快、准：衰减比4:1～10:1之间。 普通简单控制系统 普通串级控制系统 普通串级控制：主变量要求快、稳、准，副变量可波动、可有余差 → 均匀控制：两变量缓慢、均匀变化， 要求稳、不要求快、可有余差 实现方式：控制器参数整定：确定最合适的Kp(PB )、TI和TD ， 使控制质量为最佳。
主回路
TC TT
FT
FC
蒸汽
精馏塔塔釜温度-蒸汽流量串级控制系统
干扰来源：
原料方面(入口流量/温度/组分) D1
燃料方面(组分/热值/压力)
D2
T2T T1T T2C T1C
ຫໍສະໝຸດ Baidu
鼓风、炉膛抽力和环境温度方面 D3
对于不同的加热炉工艺，各种干扰出 现的几率不同，需根据主要干扰确定 不同的副回路（副变量）。
控制想法：先对炉膛温度T2进行局部控制， Ts2=160 ℃
T2
T2
原料
T1
TT TC 燃料
T1
串级控制系统：出口温度控制器T1C与炉 膛温度控制器T2C串联：T1C输出作为T2C给 定值，T2C输出直接控制调节阀。 即：炉出口温度-炉膛温度串级控制系统：
炉出口温度为主要被控变量：细调：稳、快、准 炉膛温度为辅助被控变量：粗调：快、可波动、可有余差

上述控制方案对温度控制要求不高的场合是可行的、合理的。
例：原油外输
温度控制的目的是：降低粘度、降低管阻 控制要求低，可以采用简单温度控制系统
但是，对于常减压装置等石化生产过程 对温度控制要求高：稳、快、准。
原因？
如果采用简单温度控制系统
存在问题：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( 5~10℃) ，难以满足工艺控制要求高的生产要求( 1~2℃) .
控制规律及控制参数选择：主控器PI: PB、Ti较大， 副控器一般选比例控制。 均匀控制系统控制器参数整定: 不是使变量尽快回到给定 值，而是在允许范围内缓慢变化。不要求快，要求稳。 投运方法：与普通串级控制系统相同。
三、系统特点 1. 前后供求的两个变量相互兼顾，都应缓慢变化
不要求快，要求稳。
2. 两个变量可在允许范围内变化
副回路
主回路
有两个回路主变量：主回路、副回路 两个被控变量变量：主变量、副变量； 两个控制器：主控制器、副控制器；两个控制器串联， 主控制器的输出作为副控制器的给定值（一个输入） 副控制器的输出控制执行器 两个被控对象：拆分成主对象、副对象； 两个变送器：主、副测量变送器 一个执行器（调节阀） 常表示为：主变量-副变量串级控制系统。
但是也有另外一些情况： 1.工艺对产品的质量提出更高的要求，对过渡过程的性能指 标要求也更高，而简单控制系统不能满足需要。

甲醇精馏塔的温度：偏离不允许超过10C 石油裂解气的深冷分离中，乙烯纯度要求达到99.99%。
2 工艺有特殊要求，如配比控制、分程控制等。
第一节 串级控制系统
一、基本概念 以管式加热炉为例。 控制目的：控制原料出口温度恒定 最简单的控制方案：简单控制系统 被控变量:原料出口温度 操纵变量:燃料油流量
2. 串级均匀控制 串级均匀控制从结构上看：串级控制系统 只是追求的最佳过渡过程不一样：
普通串级控制：主变量要求快、稳、准， 副变量可波动、可有余差 两变量有明确主从之分 均匀控制：两变量缓慢、均匀变化， 要求稳、不要求快、可有余差
两变量兼顾
甲
LT FT LC FC
乙
图15-14 液位-流量串级均匀控制
原料
燃料
1. 若干扰D1不存在，仅有干扰D2、 D3存在 炉膛温度控制回路因控制通道时间常数小，调节及时 迅速，先调、粗调、快调； 然后出口温度控制回路慢调、细调，偏差很快会消除。 若两个控制器参数设置合适，在同样D2、D3干扰下， t1的波动（偏差）比简单回路减小10～100倍。
干扰来源：
原料方面(入口流量/温度/组分) D1 燃料方面(组分/热值/压力) D2 鼓风、炉膛抽力和环境温度方面 D3
副回路
主回路
T2T T1T
T2C T1C
原料
要求：会画工艺管道及控制流程图 方块图（方框图） （1）首先画副回路（同简单控制） （2）将整个副回路当作主回路的“执行 器”，画出主回路的其他部分。
燃料
副回路
主回路
原料 T
TT PT TC PC
燃料 P
加热炉出口温度-燃 料压力串级控制
主对象
副回路
加热炉出口简单温度控制系统
调节阀 燃料油流量 炉膛 t 2 ３分钟
D2、D3首先反应 在炉膛，且D2使炉 膛温度变化仅需3分 钟左右，反应快。
例：假设在无干扰作用时，简单控制系统已稳定：
T1=Ts1=150 ℃
T2=160 ℃
干扰：燃料热值↑ → 炉膛温度T2 ↑ （ 168 ℃ ） →出口温度T2 ↑ （ 157 ℃ ） 3分钟 12分钟
2. 主、副控制器正、反作用的选择
目的：主、副回路都为负反馈 ① 先选定调节阀气开、气关形式； ② 确定副控制器的正、反作用：副回路构成负反馈(方法如 简单控制系统)，副反馈通道为“负号”； 副变送器为“+”，只需调节阀、副对象、负控制器乘积为“+” ③ 确定主控制器的正、反作用：主回路构成负反馈 (方法如 简单控制系统) ，主反馈通道为“负号”。 主变送器为“+”；负控制器、调节阀、副对象乘积已为“+” 只需主控制器、主对象乘积为“+” 原则：先阀后副再主。
主、副对象的时间常数比一般控制在T主/T副= 3～10。
四、主、副控制器的选择
1. 控制规律的选择
主变量: 是控制的目的, 稳、快、准 不应有余差，则主控制器应选PI或PID。 副变量：应服从主变量稳定需要， 快，允许在一定范围内变化，允许有余差。 副控制器采用P，要求快，一般不加积分作用。 副控制器不能加微分，否则会使调节阀动作过大，对控制不利。
因控制通道时间常数大，出口温度对燃料量变化的反应 约15分钟左右，控制质量差。
调节阀 燃料油流量 炉膛 炉管 原料 t
影响炉出口温度的干扰因素： 燃料方面(组分/热值/压力) 15分钟
原料方面(入口流量/温度/组分) D1 D2
原料
鼓风、炉膛抽力和环境温度方面 D3
TT TC 燃料
3. 结构上仍是简单控制或串级控制系统 普通串级控制：主变量要求快、稳、准， 副变量可波动、可有余差。 均匀串级控制：两个变量兼顾，不要求快，要求稳。 实现方式：控制器的参数整定。
甲
FC LT LC FT
2
乙
甲
LT FT LC FC
乙
1 图15-10 前后精馏塔的供求关系
液位-流量串级均匀控制
第三节 比值控制系统
二、均匀控制方案
1. 简单均匀控制
从结构上看：还是简单控制系统 只是追求的最佳过渡过程不一样：
甲
FC LT LC FT
2
乙
1 图15-10 前后精馏塔的供求关系
一般简单控制系统：希望稳、快、准, 衰减比4:1～10:1之间。 简单均匀控制系统：前后两个变量兼顾，希望都平稳。 控制规律及控制参数选择：P或PI 一般采用比例控制规律PB较大，不要求4:1～10:1衰减比。 若需消除余差，Ti较大，PB>100％， 微分作用绝不能采用。 特点：为保证平稳性，抗干扰能力较差，控制质量不高。 投运方法：与简单控制相同。
原料
T2T T1T
T2C T1C
燃料
三、系统副回路的设计 1. 应使副回路包含较多主要干扰。
越多越好?
包含干扰↑→控制通道加长→滞后↑→克服干扰能力↓
在确定副变量时，一方面能将对主变量影响最严重、变化最 剧烈的干扰包围在副回路内，另一方向又使副对象的时间常数很 小，这样就能充分利用副环的快速抗干扰性能，将干扰的影响抑 制在最低限度。
符号法 调节阀应选择气开式。
T2T T1T
反作用
T2C T1C
原料
反作用 气开
燃料
+
+ + +
+
+
+
反作用 TC
FT FC
TT
调节阀应选择气开式。
反作用
蒸汽
气开
+
+
+
+
+
+ +
调节阀应选择气开式。
原料 T
TT PT TC PC
反作用 反作用
燃料
加热炉出口温度-燃 气开 料压力串级控制
P
+
+
+ + +
第十五章
复杂控制系统
串级控制系统
均匀控制系统
比值控制系统 分程控制系统
小结
简 单 控 制 系 统
一个被控对象 一个变送器 一个控制器 一个执行器
复 杂 控 制 系 统
其中一种控制仪表多于一个．
简单控制系统：最简单，最基本，应用最广泛，解决大多数 参数定值控制问题, 占80%以上。