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复杂控制系统 简单控制系统是生产过程自动控制中最简单、最基本、应用最广的一种形式，是一种单输入、单输出的单回路控制系统，在工厂中约占全部自动控制系统的80左右。对于被控对象比较特殊，被控量不止一个，生产工艺对控制品质的要求比较高或者被控对象特性并不复杂，但控制要求却比较特殊，对于这些情况简单回路控制系统就无能为力了。为此，需要在单回路控制系统基础上，采取一些措施组成复杂控制系统。在复杂控制系统中可能有几个过程测量值、几个PID控制器以及不止一个执行机构；或者尽管主控制回路中被控量、PID控制器和执行机构各有一个，但还有其他的过程测量值、运算器或补偿器构成辅助控制系统，这样主、辅控制回路协同完成复杂控制功能。复杂控制系统中有几个闭环回路，因而也称多回路控制系统。复杂控制系统种类繁多，根据系统的结构和所担负的任务来说，常见的复杂控制系统有：串级、均匀、比值、分程、前馈、取代、解藕等控制系统。在PTA二期项目中，大量使用了串级、比值、分程控制，下面详细讲述这三种复杂控制系统。一、串级控制系统 当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，可考虑采用串级控制系统。串级控制系统由两个被控参数构成，由两个PID控制器串联而成。控制原理图如下所示：主变量：使它保持稳定是控制的主要目标。副变量：它是被控制过程中引出的中间变量。副对象：它反映了副变量与操纵变量的通道特性。主对象：它反映了主变量与副变量关系的通道特性。主控制器：接受的是主变量的偏差，其输出是去改变副控 制器的设定值。副控制器：接受的是副变量的偏差，其输出是操纵阀门。副回路：处于串级控制系统内部的，由副变量测量变送、副控制器、控制阀、副对象组成的回路。主回路：若将副回路看成一个以主控制器输出为输入，以 副变量为输出的等效环，则串级系统转化成一个单回路，这个单回路为主回路。由方块图可以看出：主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出作用于执行器（如阀门），实施控制功能。两个控制器都有各自的测量输入，但只有主控制器具有自己独立的设定值，只有副控制器的输出信号送给被控制过程。在串级控制系统中有内、外两个闭环回路，其中副控制器执行器和副对象形成的内闭环称为副环或副回路；主控制器和主对象形成的外闭环称为主环或主回路。串级控制系统中副环是典型的单回路PID控制系统，如果把副环看作一个广义的对象，那目主环也是典型的单回路PID控制系统，也就是说，串级控制系统包环两个单回路PID控制系统。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。串级控制的主要优点是：1、由于副回路的快速作用，发生于副回路的干扰，在影响主变量之前可由副控制器予以校正。2、副对象的相位滞后，由于构成副回路而显得减小，从而改善了主回路的响应速度。这对克服进入主、副回路的干扰是有利的。3、串级系统对副对象及控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性。4、副回路可以按照主回路的需要对于质量流和能量流进行精确的控制。二、比值控制系统 在连续生产过程中，工艺上常需要将两种或两种以上的物料保持一定的比例关系，如果比例一旦失调、将影响生产或造成事故。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。在需要保持比值关系的两种物料中，必有一种物料处于主导地位，这种物料称之为主物料，表征这种物料的参数称之为主动量，由于在生产过程控制中主要是流量比值控制系统，所以主动量也称为主流量，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。比值控制系统就是要实现副流量Q2与主流量Q1成一定比值关系，满足如下关系式：K=Q2/Q1 式中K为副流量与主流量的流量比值。1.单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统 单闭环比值控制系统仅对副流量进行闭环控制，副流量PID控制器F2C的给定值等于主物料流量乘以比值系数K。控制原理图如下：在稳定情况下，主、副流量满足工艺要求的比值，Q2Q1K。当主流量Q1变化时，经变送器送至主控制器F1C(或其他计算装置)。F1C按预先设置好的比值使输出成比例地变化，也就是成比例地改变副流量控制器F2C的给定值，此时副流量闭环系统为一个随动控制系统，从而Q2跟随Q1变化，使得在新的工况下，流量比值K保持不变。单闭环比值控制系统的主流量Q1相似于串级控制系统中的主变量，但主流量并没有构成闭环系统，Q2的变化并不影响到Q1。尽管它亦有两个控制器。但只有一个闭合回路这就是两者的根本区别。单闭环比值控制系统的优点是它不但能实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且还可以克服副流量本身干扰对比值的影响，因此主、副流量的比值较为精确。另外，这种方案的结构形式较简单、实施起来也比较方便、所以得到广泛的应用，尤其适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合。单闭环比值控制系统，虽然能保持两物料量比值一定，但由于主流量是不受控制的，当主流量变化时，总的物料量就会跟着变化。这对于直接去化学反应器的场合是不太合适的，因为负荷波动会给反应过程带来一定的影响，有可能使整个反应器的热平衡遭到破坏，甚至造成严重事故，这是单闭环比值控制系统无法克服的一个弱点。2.双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统 双闭环比值控制系统是为了克服单闭环比值控制系统主流量不受控制，生产负荷（与总物料量有关)在较大范曲内波动的不足而设计的。它是在单闭环比值控制的基础上增加了主流量控制回路而构成的。它的原理图如下：从上图可以看出，当主流量Q1变化时，一方面通过主流量控制器F1C对它进行控制，另一方向通过比值控制器K(可以是乘法器)乘以适当的系数后作为副流量控制器的给定值，使副流量跟随主流量的变化而变化。该系统具有两个闭合回路，分别对主、副流量进行定值控制。同时，由于比值控制器K的存在，使得主流量由受到干扰作用开始到重新稳定在给定值这段时间内，副流量能跟随主流量的变化而变化。这样不仅实现了比较精确的流量比值，而且也确保了两物料总量基本不变，这是它的一个主要优点。双闭环比值控制系统主要适用于主流量干扰频繁，工艺上允许负荷有较大波动或工艺上经常需要提降负荷的场合。但该方案所用仪表较多，投资高。当系统中出现除流量干扰外的其它干扰引起第三变量参数A变化时，通过主反馈回路使主控制器输出变化，修改两流量的比值，以保持参数A稳定。对于进入系统的主流量Q1干扰，由于比值控制回路的快速随动跟踪，是副流量按Q2=KQ1，以保持参数A稳定。对于副流量本身的干扰，同样可以通过自身的控制回路克服。三、分程控制系统三、分程控制系统 在反馈控制系统中，通常都是一台控制器的输出只控制一台控制阀。有时为了改善调节品质，扩大调节阀的可调范围或满足生产工艺的特殊要求，将一台控制器的输出可以同时控制两台甚至两台以上的控制阀，控制器的输出信号被分割成若干个信号范围段，由每一段信号去控制一台控制阀，这样就构成了分程控制系统。控制原理土如下：上图中控制器的输出同时送往A、B调节阀，A阀开度0100，对应控制器输出050；B阀开度0100，对应控制器输出50100。分程控制方案中，根据阀的开闭形式，可分为同向或异向两种。同向或异向规律的选择，全由工艺的需要而定。设计分程控制有两方面的目的，一是为扩大控制阀的可调范围，以改善控制系统的品质，二是满足工艺上操作的特殊要求。分程控制系统本质上是简单控制系统，因此控制器的选择和参数整定，可参照简单控制系统处理。不过在运行中，如果两个控制通道特性不同，就是说广义对象特性是两个，控制器参数不能同时满足两个不同对象特性的要求。遇此情况，只好照顾正常情况下的被控对象特性，按正常情况下整定控制器的参数。对另一台阀的操作要求，只要能在工艺允许的范围内即可。四、串级控制系统应用举例四、串级控制系统应用举例 母液缓冲罐F2-701，作用是氧化装置母液在去催化剂回收之间可以保持一定的物料。母液通过母液输送泵G2-702A/B送入草酸盐离心机M2-707。其中母液缓冲罐的液位和母液进离心机流量是一串级控制。计算机控制功能块组态图如下：母液缓冲罐液位LT24501，主被控量是母液缓冲罐液位，PID控制块LC24501是主控制器，PID控制块FC24508副主控制器。当控制选择为串级CAS时，主控制器LC24501的输出作为副控制器FC24508的给定，通过FV24508调整草酸盐离心机的进料。具体控制是液位上升，LT24501测量增大，LC24501输出增大，FC24508给定增大控制FV24508使草酸盐离心机进料流量增大。目的是控制母液缓冲罐液位的稳定。串级PID控制中，主控制器LC24501、副控制器FC24508和模拟量输出块FV24508工作方式的切换应遵循无平衡无扰动切换的原则（主环的OP跟踪SP变化）。在Honeywell TPS系统的实际操作中，一般是先投运副回路，副环控制打“CAS”待其稳定后，再投运主回路，主环控制打“AUTO”。FC24508控制进草酸盐离心机的母液流量，在催化剂金属沉淀的控制中，测量流量FT24508送入3个比值控制器FY-24510、FY-24511和FY-24578。控制原理图如下：比值控制器FY24510控制LP碱液流量，调整FC24510的设定点，所需比值根据母液中的溴浓度和催化剂沉淀的效率手动输入。比值控制器FY24511计算需要的草酸溶剂流量，调整FC24511的设定点，所需比值根据离心机溢流中的催化剂金属浓度手动输入。比值控制器FY24578计算从草酸盐离心机出来浓缩的产品流量，调整FC24511的设定点，所需比值根据离心机下游各固体浓度手动输入。复习题：1、串级控制系统中一般包含有哪几个部分组成。2、串级控制的主要优点是什么？3、比值控制系统常用的有哪些？简述其优缺点。4、分程控制系统根据阀的控制形式，一般分为哪几种规律？并请画出其方案图。(假定控制2台阀门)5、M2-707(草酸盐离心机)的母液进料和催化剂金属沉淀控制中用了几种复杂控制？并请简要论述。单闭环优缺点:能实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且还可以克服副流量本身干扰对比值的影响，主、副流量的比值较为精确。缺点是不能克服主流量变化带来的影响和负荷波动给反应过程带来一定的影响。双闭环优缺点：实现了比较精确的流量比值，而且也确保了两物料总量基本不变。适用于主流量干扰频繁，工艺上允许负荷有较大波动或工艺上经常需要提降负荷的场合。缺点是该方案所用仪表较多，投资高，没有考虑物料反应后是否符合工艺要求。变比值：能根据工艺某一指标自动修正流量比值，能克服一些随机的流量干扰和除流量干扰以外的其它干扰，保证了控制系统的闭环，满足工艺控制指标，保证产品的最终质量。