復(fù)雜控制系統(tǒng)

復(fù)雜控制系統(tǒng)第1頁/共118頁

前面各部分討論的控制系統(tǒng)，都是帶有反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)被控系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，必須等到被控參數(shù)出現(xiàn)偏差，控制器才有動(dòng)作，以補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)控制參數(shù)的影響。

若能在擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)就進(jìn)行控制，而不是等到偏差發(fā)生后再進(jìn)行控制，這樣就能更有效地消除擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響。前饋控制就是依據(jù)這個(gè)思路提出來的。

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反饋控制的特點(diǎn)

[例]如圖所示為換熱器溫度控制系統(tǒng)原理框圖。圖中：Q2為熱流體溫度；Q1為冷流體溫度，q為流體的流量，qD為蒸汽的流量，pD為蒸汽的壓力，kv為調(diào)節(jié)閥開度。

一、反饋控制和前饋控制的特點(diǎn)--反饋控制的特點(diǎn)第3頁/共118頁上圖中，當(dāng)擾動(dòng)（物料流量q，入口溫度q1，蒸汽壓力pD）發(fā)生后，引起：一、反饋控制和前饋控制的特點(diǎn)--反饋控制的特點(diǎn)第4頁/共118頁一反饋控制和前饋控制的特點(diǎn)--反饋控制的特點(diǎn)反饋控制的特點(diǎn)為：

反饋控制的本質(zhì)是“基于偏差來消除偏差”。如果沒有偏差出現(xiàn)，也就沒有控制作用。無論擾動(dòng)發(fā)生在那里，總要等到引起被控量發(fā)生偏差后，調(diào)節(jié)器才動(dòng)作。故調(diào)節(jié)器的動(dòng)作總是落后于擾動(dòng)作用的發(fā)生，是一種相對(duì)“不及時(shí)”的控制。第5頁/共118頁

前饋控制的特點(diǎn)

[例]換熱器前饋控制。如果該系統(tǒng)中物料流量q是被控量q2的主要擾動(dòng)。如果q變化頻繁且幅值大，對(duì)出口溫度q2的影響最大。這時(shí)可考慮采用前饋控制。

一、反饋控制和前饋控制的特點(diǎn)--前饋控制的特點(diǎn)第6頁/共118頁

前饋控制器“基于擾動(dòng)來消除擾動(dòng)對(duì)被控量的影響”，又稱前饋控制為“擾動(dòng)補(bǔ)償”。擾動(dòng)發(fā)生后，前饋控制器“及時(shí)”動(dòng)作，對(duì)抑制被控量由于擾動(dòng)引起的動(dòng)、靜態(tài)偏差比較有效。前饋控制屬于開環(huán)控制。因此只要系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)是穩(wěn)定的，則控制系統(tǒng)必然穩(wěn)定。一條前饋只對(duì)被前饋的可測(cè)而不可控的擾動(dòng)有校正作用，而對(duì)系統(tǒng)中的其它擾動(dòng)無校正作用。前饋控制器的控制律有時(shí)較復(fù)雜。

一、反饋控制和前饋控制的特點(diǎn)--前饋控制的特點(diǎn)第7頁/共118頁1、不變性原理：控制系統(tǒng)的被控量與擾動(dòng)量完全無關(guān)，或在一定的準(zhǔn)確度下無關(guān)。

任何一個(gè)系統(tǒng)，總是希望被控量受擾動(dòng)的影響越小越好。如圖：當(dāng)f(t)不為零時(shí)，該系統(tǒng)的不變性定義為：

按照控制系統(tǒng)輸出參數(shù)與輸入?yún)?shù)的不變性程度，有絕對(duì)不變性、e不變性和穩(wěn)態(tài)不變性等幾種不變性類型。

二、不變性原理與前饋控制器設(shè)計(jì)--不變性原理第8頁/共118頁

絕對(duì)不變性：指系統(tǒng)在擾動(dòng)f(t)的作用下，被控參數(shù)y(t)在整個(gè)過程中始終保持不變。即e動(dòng)＝e靜＝0。如下圖所示。圖中；f(t)為擾動(dòng)，y1(t)為由擾動(dòng)引起的被控參數(shù)的變化。y2(t)為前饋控制器對(duì)被控參數(shù)的影響。y(t)為被控參數(shù)的實(shí)際變化量。y(t)=y1(t)+y2(t)=0

二、不變性原理與前饋控制器設(shè)計(jì)第9頁/共118頁

e不變性：指系統(tǒng)在擾動(dòng)f(t)的作用下，被控參數(shù)y(t)的偏差小于一個(gè)很小的e值。即|y(t)|<e，[當(dāng)f(t)不為零時(shí)]。

穩(wěn)態(tài)不變性：指系統(tǒng)在擾動(dòng)f(t)的作用下，雖然被控參數(shù)y(t)的動(dòng)態(tài)偏差不為零，但其靜態(tài)偏差恒為零，即：

二、不變性原理與前饋控制器設(shè)計(jì)第10頁/共118頁

二、不變性原理與前饋控制器設(shè)計(jì)--前饋控制器2、前饋控制器：

前饋控制器的設(shè)計(jì)依據(jù)是不變性原理。前饋控制系統(tǒng)由兩部分組成。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生后，通過擾動(dòng)通道引起被控量的變化。同時(shí)，前饋控制器根據(jù)擾動(dòng)的性質(zhì)及大小對(duì)過程的控制通道施加控制，使被控量發(fā)生與前者相反的變化，以抵消擾動(dòng)對(duì)被控對(duì)象的影響。第11頁/共118頁前饋控制器的典型結(jié)構(gòu)圖中，Gn(s)是被控對(duì)象擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)；Dn(s)是前饋控制器的傳遞函數(shù)；G(s)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)。n為可測(cè)不可控的干擾；y為被控參數(shù)；假定u1＝0，有：整理得：

二、不變性原理與前饋控制器設(shè)計(jì)--前饋控制器的典型結(jié)構(gòu)第12頁/共118頁根據(jù)絕對(duì)不變性原理：由此得到前饋控制器傳遞函數(shù)為：也可由e不變性或穩(wěn)態(tài)不變性原理來設(shè)計(jì)前饋控制器。（略）

二、不變性原理與前饋控制器設(shè)計(jì)--前饋控制器的典型結(jié)構(gòu)第13頁/共118頁

靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)

根據(jù)穩(wěn)態(tài)不變性原理設(shè)計(jì)靜態(tài)前饋控制器。這種補(bǔ)償只能在穩(wěn)態(tài)時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償。

動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)

根據(jù)絕對(duì)不變性原理設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)前饋控制器。

三、前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式--靜態(tài)和動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)第14頁/共118頁

前饋－反饋控制系統(tǒng)（一）前饋控制的局限性前饋控制屬于開環(huán)控制。故一般不單獨(dú)使用前饋控制；完全補(bǔ)償難以實(shí)現(xiàn)。（1）難以準(zhǔn)確地掌握過程擾動(dòng)通道和控制通道Gn(s)和G(s)的特性。有些過程對(duì)象常含有非線性特性，在不同的工況下，動(dòng)態(tài)性能參數(shù)將變化，單一的前饋模型難以適應(yīng)。（2）有些前饋模型Dn(s)難以實(shí)現(xiàn)，只能用計(jì)算機(jī)完成。（3）一個(gè)擾動(dòng)需要一個(gè)測(cè)量變送裝置，干擾多時(shí)，造成控制系統(tǒng)龐大。

三、前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式--前饋－反饋控制系統(tǒng)第15頁/共118頁（二）前饋－反饋控制系統(tǒng)為了解決上述前饋控制的局限性，吸收前饋控制對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償作用和反饋控制對(duì)偏差的控制作用的優(yōu)點(diǎn)，可組成前饋－反饋控制系統(tǒng)。[例]煉油裝置加熱爐的前饋－反饋控制系統(tǒng)。圖中，q為被控量，物料流量qF經(jīng)常發(fā)生變化。因而對(duì)此干擾實(shí)行前饋控制。當(dāng)qF變化時(shí)，通過FT，F(xiàn)FC的信號(hào)變化，從而調(diào)節(jié)閥門的開度，改變q。

三、前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式--前饋－反饋控制系統(tǒng)第16頁/共118頁（三）典型前饋－反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

三、前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式--前饋－反饋控制系統(tǒng)第17頁/共118頁

典型前饋－反饋控制系統(tǒng)控制效果分析（一）圖(a)中前饋信號(hào)接在反饋控制器之后?？芍涸跀_動(dòng)N(s)的作用下，系統(tǒng)的輸出為：上式中：右邊第一項(xiàng)為干擾對(duì)輸出量的影響，第二項(xiàng)為前饋校正作用，第三項(xiàng)為反饋校正作用。

三、前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式--前饋－反饋控制系統(tǒng)第18頁/共118頁傳遞函數(shù)為：分析

(1)：在單純的前饋控制時(shí)，有：與上式相比，前饋－反饋控制時(shí)干擾對(duì)被控量的影響比單純前饋控制小倍。

三、前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式--前饋－反饋控制系統(tǒng)第19頁/共118頁分析

(2)：在前饋－反饋控制系統(tǒng)中，根據(jù)絕對(duì)不變性原理得：這與單純前饋控制系統(tǒng)時(shí)相同分析(3)：在反饋控制系統(tǒng)中，穩(wěn)態(tài)精度與穩(wěn)定性存在矛盾。而前饋－反饋控制能在一定的程度上解決這一矛盾，提高控制品質(zhì)。

三、前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式--前饋－反饋控制系統(tǒng)第20頁/共118頁

典型前饋－反饋控制系統(tǒng)控制效果分析（二）圖(b)中前饋信號(hào)接在反饋控制器之前?？芍涸跀_動(dòng)N(s)的作用下，系統(tǒng)的輸出為：傳遞函數(shù)為：在完全補(bǔ)償條件下（絕對(duì)不變性），前饋控制器為：

三、前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式--前饋－反饋控制系統(tǒng)第21頁/共118頁（四）數(shù)字前饋－反饋控制算法圖中：T為采樣周期；Dn(z)為前饋控制器；D(z)為反饋控制器；H(s)為零階保持器；假設(shè)：

三、前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式--數(shù)字前饋反饋控制系統(tǒng)第22頁/共118頁若采樣周期T足夠短（并設(shè)t=mT，即純滯后時(shí)間t是采樣周期T的整數(shù)倍），可對(duì)微分項(xiàng)離散化，得到差分方程。

三、前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式--數(shù)字前饋反饋控制系統(tǒng)第23頁/共118頁

三、前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式--數(shù)字前饋反饋控制系統(tǒng)第24頁/共118頁（五）數(shù)字前饋－反饋控制算法步驟[步驟一]計(jì)算反饋控制的偏差e(k)；e(k)=r(k)-y(k)[步驟二]計(jì)算反饋控制器（PID）的輸出u1(k)；

三、前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式--數(shù)字前饋反饋控制系統(tǒng)第25頁/共118頁

三、前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式--數(shù)字前饋反饋控制系統(tǒng)[步驟三]計(jì)算前饋控制器Dn(s)的輸出un(k)；[步驟四]計(jì)算前饋－反饋控制器的輸出u(k)；第26頁/共118頁（六）前饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性

前饋控制是開環(huán)控制，必須要求系統(tǒng)中的每一個(gè)環(huán)節(jié)要穩(wěn)定。對(duì)于無自平衡能力的系統(tǒng)，不能單獨(dú)使用前饋控制。事實(shí)上，只要反饋或串級(jí)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定的，則相應(yīng)的前饋－反饋系統(tǒng)或前饋－串級(jí)控制系統(tǒng)也是穩(wěn)定的。

三、前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式--前饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性第27頁/共118頁（七）前饋控制的選用原則

實(shí)現(xiàn)前饋控制的必要條件是擾動(dòng)量不可控但可測(cè)。

可測(cè)：

指擾動(dòng)量可以通過測(cè)量變送器，在線地將其轉(zhuǎn)換為前饋補(bǔ)償器可接受的信號(hào)。不可測(cè)的信號(hào)不能實(shí)現(xiàn)前饋。

不可控：

指擾動(dòng)量難以通過專門的控制回路予以控制。

三、前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式--前饋控制的選用原則第28頁/共118頁

擾動(dòng)量變化頻繁且幅度較大在擾動(dòng)量N(s)的作用下，輸出量：

擾動(dòng)量N(s)的幅值越大，輸出量y(t)越大。這時(shí)單純使用反饋控制，動(dòng)態(tài)偏差可能很大。可以考慮使用前饋控制。

三、前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式--前饋控制的選用原則第29頁/共118頁

前饋－串級(jí)控制系統(tǒng)

在實(shí)際應(yīng)用中，常采用前饋－串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如下圖所示。圖中：D1(s)、D2(s)分別為主、副控制器傳遞函數(shù)；Dn(s)為前饋控制器傳遞函數(shù)；G1(s)、G2(s)分別為主、副對(duì)象。

三、前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式--前饋串級(jí)控制系統(tǒng)第30頁/共118頁前饋－串級(jí)控制能及時(shí)克服進(jìn)入前饋回路和串級(jí)副回路的干擾對(duì)被控量的影響，因前饋控制的輸出不是直接作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而是補(bǔ)充到串級(jí)控制的副回路的給定值中，這樣就降低了對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的要求。這也是前饋－反饋控制被廣泛采用的原因之一。

三、前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式--前饋串級(jí)控制系統(tǒng)第31頁/共118頁設(shè)副回路的傳遞函數(shù)為W2(s)。則上圖可簡(jiǎn)化為：則：

三、前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式--前饋串級(jí)控制系統(tǒng)第32頁/共118頁當(dāng)副回路的工作頻率遠(yuǎn)大于主回路的工作頻率時(shí)，副回路是一個(gè)快速的比例隨動(dòng)系統(tǒng)，可以近似寫為：則前饋控制器為：根據(jù)絕對(duì)不變性原理，要求對(duì)N(s)進(jìn)行完全的補(bǔ)償，即Y(s)/N(s)=0，則有：

三、前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式--前饋串級(jí)控制系統(tǒng)第33頁/共118頁

三、前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式--前饋串級(jí)控制系統(tǒng)(例子)第34頁/共118頁

三、前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式--前饋串級(jí)控制系統(tǒng)(例子)第35頁/共118頁

三、前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式--前饋串級(jí)控制系統(tǒng)(例子)第36頁/共118頁

反饋控制和前饋控制的特點(diǎn)不變性原理與前饋控制器前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)前饋－反饋控制系統(tǒng)數(shù)字前饋－反饋控制算法數(shù)字前饋－反饋控制算法步驟前饋控制的選用原則前饋－串級(jí)控制系統(tǒng)

本節(jié)小結(jié)第37頁/共118頁雙重控制

第四章復(fù)雜控制技術(shù)（二）第38頁/共118頁

一、基本原理和結(jié)構(gòu)

對(duì)于一個(gè)被控變量采用兩個(gè)或兩個(gè)以上的操縱變量進(jìn)行控制的控制系統(tǒng)稱為雙重或多重控制系統(tǒng)。這類控制系統(tǒng)采用不止一個(gè)控制器，其中有一個(gè)控制器的輸出作為另一個(gè)稱為閥位控制器的測(cè)量信號(hào)。系統(tǒng)操縱變量的選擇是從操作優(yōu)化的要求綜合考慮的。它既要考慮工藝的合理和經(jīng)濟(jì)，又要考慮控制性能的快速性。而這兩者又常常在一個(gè)生產(chǎn)過程中同時(shí)存在。雙重控制系統(tǒng)就是綜合這些操縱變量的各自優(yōu)點(diǎn)，克服各自的弱點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化控制的。第39頁/共118頁P(yáng)C

vpc

PT

圖4-1蒸汽減壓系統(tǒng)高壓蒸汽低壓蒸汽V1V2SP第40頁/共118頁GC2(s)GF1(s)GF2(S)GM2(s)GM1(s)GP1(s)GP2(s)GV(s)GC1(s)R1E1U2QY2Y1F1F2U1=R2E2YM1YM2

串級(jí)控制系統(tǒng)的框圖副控制閥副控制器主控制閥主控制器對(duì)象變送器y2=u1y1r2yr1圖4-2雙重控制系統(tǒng)框圖第41頁/共118頁G’02(s)Gc2(s)G01(s)Gc1(s)y2=u1r2yr1G02(s)Gc2(s)G01(s)Gc1(s)y2=u1r2yr1u2第42頁/共118頁雙重控制系統(tǒng)使用一個(gè)變送器，兩個(gè)控制器及兩個(gè)控制閥。與串級(jí)控制系統(tǒng)相比，雙重控制系統(tǒng)少用一個(gè)變送器多用一個(gè)控制閥。它們都有二個(gè)控制回路，但串級(jí)控制系統(tǒng)二者是串聯(lián)的，雙重控制系統(tǒng)中卻是并聯(lián)的。它們都有“急則治標(biāo)，緩則治本”的功能，但解決的問題不同。第43頁/共118頁第44頁/共118頁

二、系統(tǒng)分析

從整體來看，雙重控制系統(tǒng)仍是一個(gè)定值控制系統(tǒng)。但與單由主控制器、副控制器和慢響應(yīng)對(duì)象組成的單回路控制系統(tǒng)相比，由于增加了一個(gè)具有快速響應(yīng)的回路，使它具有一些特殊的功能。

(1).由于雙回路的存在，增加了開環(huán)零點(diǎn)，改善了控制品質(zhì)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(2).雙重控制系統(tǒng)的工作頻率也得到提高。

(3).動(dòng)靜結(jié)合，快慢結(jié)合，“急則治標(biāo)，緩則治本”。這里的“快”指動(dòng)態(tài)特性好，“慢指靜態(tài)性能好。由于雙回路的存在，使雙重控制系統(tǒng)能先用主控制器的作用使y1盡快回復(fù)到設(shè)定值r1，保證了系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，達(dá)到了“急則治標(biāo)”的功效。同時(shí)，在偏差減小的同時(shí)，雙重控制系統(tǒng)又充分發(fā)揮了副控制器緩慢的調(diào)節(jié)作用，并使y2回復(fù)到設(shè)定值r2，這就使系統(tǒng)具有較好的靜態(tài)性能。由于雙重控制系統(tǒng)較好地解決了動(dòng)靜的矛盾，達(dá)到了操作優(yōu)化的目的。第45頁/共118頁第46頁/共118頁第47頁/共118頁第48頁/共118頁第49頁/共118頁三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施中的一些問題主、副操縱變量的選擇主、副控制器的選擇組成雙重控制系統(tǒng)的主、副控制器均起定值調(diào)節(jié)作用。為了消除余差，主、副控制器均應(yīng)選用具有積分作用的控制器，并且不加入微分作用。主、副控制器正反作用方式的選擇投運(yùn)和參數(shù)整定投運(yùn)方式是先主后副，即先使快響應(yīng)對(duì)象切入自動(dòng)，然后再切入慢響應(yīng)對(duì)象。主控制器參數(shù)與快響應(yīng)控制時(shí)的參數(shù)相類似，而副控制器參數(shù)選用寬比例度和大積分時(shí)間，甚至可采用純積分作用。雙重控制系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)雙重控制系統(tǒng)是一個(gè)包含兩個(gè)回路的相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng),但是由于該系統(tǒng)的兩個(gè)等效時(shí)間常數(shù)相差很大，因此它們之間的動(dòng)態(tài)耦合很弱。第50頁/共118頁均勻控制系統(tǒng)第四章控制技術(shù)（三）第51頁/共118頁均勻控制系統(tǒng)1均勻控制問題的提出及特點(diǎn)2均勻控制方案

教學(xué)進(jìn)程第52頁/共118頁1均勻控制問題的提出及特點(diǎn)

如串聯(lián)精餾塔系統(tǒng)

甲塔乙塔LCFC

甲塔控制液位，而乙塔要控制進(jìn)料量，出現(xiàn)矛盾

過程生產(chǎn)的連續(xù)性——物料連續(xù)，前一設(shè)備出，后一設(shè)備進(jìn),前后設(shè)備的控制系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不協(xié)調(diào)（矛盾）。第53頁/共118頁均勻控制目的：兩參數(shù)都允許在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，但波動(dòng)都不大1均勻控制問題的提出及特點(diǎn)解決辦法：工藝上可在兩塔之間加入緩沖罐——增加投資

控制系統(tǒng)上解決——均勻控制系統(tǒng)做法：把兩參數(shù)統(tǒng)一考慮，只設(shè)置一個(gè)控制系統(tǒng)，如LC，然后調(diào)整控制器參數(shù)LFt（C）KC→0LFt

（a）KC較大LFt（b）KC較小第54頁/共118頁均勻控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）結(jié)構(gòu)上無特殊性可以是單回路，可以是串級(jí)，均勻是指控制目的，而不是指結(jié)構(gòu)。（2）參數(shù)都要允許變化，但都要緩慢，并且要有主次（3）參數(shù)變化要限定范圍（非定值控制，而是定范圍控制）注意：明確均勻控制意圖。1均勻控制問題的提出及特點(diǎn)第55頁/共118頁均勻控制方案常用的結(jié)構(gòu)形式（1）簡(jiǎn)單均勻控制結(jié)構(gòu)與單回路相同，在控制器參數(shù)整定上不同，較大的比例度和積分時(shí)間（弱控制作用）適用于干擾不大，要求不高的場(chǎng)合

串級(jí)均勻控制方案LCFC

LC

簡(jiǎn)單均勻控制方案第56頁/共118頁

圖液位和流量I0=IL-IF+IS

，穩(wěn)定時(shí)，IL和IF的符號(hào)相反，抵消，IS

結(jié)構(gòu)與串級(jí)系統(tǒng)相同，主控制器與簡(jiǎn)單均勻控制器參數(shù)設(shè)置相同。常用的結(jié)構(gòu)形式（2）串級(jí)均勻控制

（3）雙沖量均勻控制

“沖量”—信號(hào)，“雙沖量”—一個(gè)控制器綜合兩個(gè)測(cè)量信號(hào)，IFISI0=IL-IF+ISI0FC第57頁/共118頁控制規(guī)律的選擇不能加微分控制規(guī)律

簡(jiǎn)單均勻：控制器——純比例，或比例積分串級(jí)均勻：主控制器——純比例，或比例積分副控制器——純比例，或比例積分雙沖量均勻：控制器——比例積分利：積分的引入對(duì)液位參數(shù)有利，液位不越限，高頻噪聲弊：積分的引入對(duì)流量信號(hào)不利，平衡狀態(tài)過程很短，積分飽和第58頁/共118頁參數(shù)整定

串級(jí)均勻控制中的流量副控制器按普通流量控制器進(jìn)行整定，其它形式的控制器都需要按均勻控制的要求進(jìn)行整定。整定的原則——“慢”，過渡過程不能出現(xiàn)振蕩③根據(jù)工藝對(duì)流量和液位兩個(gè)參數(shù)的要求，適當(dāng)調(diào)整控制器的參數(shù)。①以保證液位不超出允許的波動(dòng)范圍，先設(shè)置好控制器參數(shù)。②修正控制器參數(shù)，充分利用容器的緩沖作用，使液位在最大允許的范圍內(nèi)波動(dòng)，輸出流量盡量平穩(wěn)。第59頁/共118頁氣體壓力與流量的均勻控制

對(duì)于汽相物料，前后設(shè)備間的均勻控制一般是壓力和流量的串級(jí)均勻控制，去加氫反應(yīng)器精餾塔回流泵分離器PCFC第60頁/共118頁浮動(dòng)塔壓控制系統(tǒng)第四章復(fù)雜控制技術(shù)（四）第61頁/共118頁

一、浮動(dòng)塔壓控制的基本原理在精餾塔的控制中，若塔壓恒定，就可以單純依據(jù)溫度來間接控制產(chǎn)品質(zhì)量。而且對(duì)于生產(chǎn)的平穩(wěn)操作也是有利的。所以，早期的精餾塔控制中，差不多總是采用恒定塔壓控制的。然而從節(jié)能的角度，從傳質(zhì)原理來看，這種恒定塔壓控制的操作不是優(yōu)化的操作。當(dāng)塔壓低時(shí)，混合物的相對(duì)揮發(fā)度高，為了獲得相同純度的分離效果所消耗的能量就小，或者說在相同的能耗下，精餾塔的處理量增大，產(chǎn)量提高。第62頁/共118頁

精餾塔浮動(dòng)塔壓控制方案如下圖所示。與常規(guī)的恒定塔壓控制不同的是增加一個(gè)閥位控制器。通過VPC去調(diào)整壓力控制器的設(shè)定值。第63頁/共118頁

由于環(huán)境溫度的下降或者冷劑量增大時(shí)，塔壓就會(huì)下降，PC迅速響應(yīng)，并打開控制閥，使壓力恢復(fù)到設(shè)定值。與此同時(shí)，VPC緩慢地降低PC的設(shè)定值，直到控制閥回復(fù)到的設(shè)定值。冷劑塔壓閥開度ttt塔壓控制閥開度響應(yīng)曲線

第64頁/共118頁

VPCGmGc2(s)Go(s)Gf(S)+--C++干擾FR

浮壓控制系統(tǒng)框圖第65頁/共118頁

二、浮動(dòng)塔壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題（1）塔壓從某一壓力值浮動(dòng)到另一壓力值時(shí)必須要有足夠的時(shí)間，以便精餾塔建立新的穩(wěn)定。

(2)隨著塔壓的浮動(dòng)應(yīng)及時(shí)調(diào)整再沸器的加熱量塔壓浮動(dòng)的目的就是為了減少再沸器的加熱量，如果塔底溫度控制系統(tǒng)的設(shè)定值不能及時(shí)跟隨塔壓的變化而變化，則塔壓浮動(dòng)所可能節(jié)省的能量還是無法回收。因此，實(shí)施浮動(dòng)塔壓控制的同時(shí)，應(yīng)設(shè)置塔底溫度設(shè)定值的控制系統(tǒng)。（3）采用浮動(dòng)塔壓控制方案后，與塔壓有關(guān)的以溫度為間接質(zhì)量指標(biāo)的控制系統(tǒng)應(yīng)引入壓力校正。（4）應(yīng)采用防積分飽和的措施,當(dāng)PC處于內(nèi)設(shè)定方式時(shí)，切斷了VPC的控制作用，由于積分作用，使VPC

的輸出達(dá)到飽和。第66頁/共118頁

三、采用閥位控制器的控制系統(tǒng)

采用閥位控制器的控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是用一個(gè)閥位控制器來迫使控制閥的開度最終處于某一設(shè)定的開度，而這一調(diào)整過程通常是很緩慢的。因此這類控制系統(tǒng)通常有一個(gè)快響應(yīng)的控制回路以及一個(gè)慢響應(yīng)的控制回路。

第67頁/共118頁第68頁/共118頁噴霧干燥過程控制系統(tǒng)

加熱器溫度控制系統(tǒng)第69頁/共118頁精餾塔的控制第四章復(fù)雜控制技術(shù)（五）第70頁/共118頁1概述精餾塔的工藝要求和擾動(dòng)分析精餾塔被控變量的選擇4精餾塔的整體控制方案5精餾塔的新型控制方案第71頁/共118頁1概述精餾是石油、化工等眾多生產(chǎn)過程中廣泛應(yīng)用的一種傳質(zhì)過程，通過精餾過程，使混合物料中的各組分分離，分別達(dá)到規(guī)定的純度。分離的機(jī)理是利用混合物中各組分的揮發(fā)度不同（沸點(diǎn)不同），使液相中的輕組分（低沸點(diǎn)）和汽相中的重組分（高沸點(diǎn)）相互轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)分離。精餾裝置由精餾塔、再沸器、冷凝冷卻器、回流罐及回流泵等組成。第72頁/共118頁回流泵冷凝器氣液分離器精餾塔進(jìn)料再沸器釜液餾出液冷劑熱劑B,xBD,xDF,zFLLBLDV第73頁/共118頁精餾塔的特點(diǎn)

精餾塔是一個(gè)多輸入多輸出的多變量過程，內(nèi)在機(jī)理較復(fù)雜，動(dòng)態(tài)響應(yīng)遲緩、變量之間相互關(guān)聯(lián)，不同的塔工藝結(jié)構(gòu)差別很大，而工藝對(duì)控制提出的要求又較高，所以確定精餾塔的控制方案是一個(gè)極為重要的課題。而且從能耗的角度，精餾塔是三傳一反典型單元操作中能耗最大的設(shè)備。第74頁/共118頁2精餾塔的工藝要求和擾動(dòng)分析

1．工藝要求精餾塔的控制目標(biāo)，應(yīng)該在保證產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，使塔的總收益（利潤(rùn)）最大或總成本最小。因此，精餾塔的工藝要求應(yīng)該從質(zhì)量指標(biāo)、產(chǎn)品產(chǎn)量和能量消耗三方面考慮。同時(shí)受約束條件的制約。（1）保證質(zhì)量指標(biāo)質(zhì)量指標(biāo)（即產(chǎn)品純度）必須符合規(guī)定的要求。一般應(yīng)使塔頂或塔底產(chǎn)品之一達(dá)到規(guī)定的純度，另一個(gè)產(chǎn)品的純度也應(yīng)該維持在規(guī)定的范圍之內(nèi)。在某些特定情況下，也有要求塔頂和塔底的產(chǎn)品均應(yīng)保證一定的純度要求的。所謂產(chǎn)品的純度，就二元精餾來說，是指塔頂產(chǎn)品中輕組分的含量和塔底產(chǎn)品中重組分的含量。對(duì)多元精餾而言，則以關(guān)鍵組分的含量來表示。關(guān)鍵組分是指對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響較大的組分，塔頂產(chǎn)品的關(guān)鍵組分是易揮發(fā)的，稱為輕關(guān)鍵組分；塔底產(chǎn)品的關(guān)鍵組分是不易揮發(fā)的，稱為重關(guān)鍵組分。第75頁/共118頁

在精餾塔操作中使產(chǎn)品合格很重要。顯然，如果產(chǎn)品質(zhì)量不合格，其價(jià)值就將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于合格產(chǎn)品。但絕不是說質(zhì)量越高越好。由于質(zhì)量超過規(guī)定，產(chǎn)品的價(jià)值并不因此而增加；而產(chǎn)品產(chǎn)量卻可能下降，同時(shí)操作成本（主要是能量消耗）會(huì)增加很多。因此，總的價(jià)值反倒下降了。由此可見，除了要考慮使產(chǎn)品符合規(guī)格外，還應(yīng)同時(shí)考慮產(chǎn)品的產(chǎn)量和能量消耗。

（2）產(chǎn)品產(chǎn)量指標(biāo)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)，要求在達(dá)到一定質(zhì)量指標(biāo)的前提下，應(yīng)得到盡可能高的收率。這對(duì)于提高經(jīng)濟(jì)效益顯然是有利的。由精餾原理可知，用精餾塔進(jìn)行混合物的分離是要消耗一定能量的，要使分離的產(chǎn)品質(zhì)量越高，產(chǎn)品產(chǎn)量越多，所需的能量也就越大。故除了產(chǎn)品純度與產(chǎn)品收率之間的關(guān)系，還必須考慮能量消耗因素。

（3）能耗要求和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)精餾過程中消耗的能量主要是再沸器的加熱量和冷凝器的冷卻量消耗；此外，塔和附屬設(shè)備及管線也要散失部分能量。第76頁/共118頁

在一定的純度要求下，增加塔內(nèi)的上升蒸汽是有利于提高產(chǎn)品回收率的，但同時(shí)也意味著再沸器的能量消耗要增大。況且，任何事物總是有一定限度的。在單位進(jìn)料量的能耗增加到一定數(shù)值后，再繼續(xù)增加塔內(nèi)的上升蒸汽，則產(chǎn)品回收率就增長(zhǎng)不多了。精餾塔的操作情況，必須從整個(gè)經(jīng)濟(jì)效益來衡量。在精餾操作中，質(zhì)量指標(biāo)、產(chǎn)品回收率和能量消耗均是要控制的目標(biāo)。其中質(zhì)量指標(biāo)是必要條件，在質(zhì)量指標(biāo)一定的條件下應(yīng)在控制過程中使產(chǎn)品的產(chǎn)量盡可能提高一些，同時(shí)能量消耗盡可能低一些。（4）約束條件為確保精餾塔的正常、安全運(yùn)行，必須使某些操作參數(shù)限制在約束條件之內(nèi)。常用的精餾塔限制條件為液泛限、漏液限、壓力限及臨界溫差限等。①所謂液泛限，也稱氣相速度限，即塔內(nèi)氣相速度過高時(shí)，霧沫夾帶十分嚴(yán)重，實(shí)際上液相將從下面塔板倒流到上面塔板，產(chǎn)生液泛，破壞正常操作。②漏液限也稱最小氣相速度限，當(dāng)氣相速度小于某一值時(shí)，將產(chǎn)生塔板漏液，使塔板效率下降。防止液泛和漏液，可以通過塔壓降或壓差來監(jiān)視氣相速度。第77頁/共118頁③壓力限是指塔的操作壓力的限制，一般設(shè)最大操作壓力限，即塔的操作壓力不能過大，否則會(huì)影響塔內(nèi)的氣液平衡，若嚴(yán)重超限甚至?xí)绊懓踩a(chǎn)。④臨界溫差限主要是指再沸器兩側(cè)間的溫差，當(dāng)這一溫差低于臨界溫差時(shí)，傳熱系數(shù)急劇下降，傳熱量也隨之下降，無法保證塔的正常傳熱需要。因此，在確定精餾塔的控制方案時(shí)，必須考慮到上述的約束條件，以使精餾塔工作于正常操作區(qū)內(nèi)。

2．?dāng)_動(dòng)分析和其他化工過程一樣，精餾是在一定的物料平衡和能量平衡的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。一切因素均通過物料平衡和能量平衡影響塔的正常操作。影響物料平衡的因素包括進(jìn)料流量和進(jìn)料成分的變化，以及頂部餾出物及底部出料的變化。影響能量平衡的因素主要是進(jìn)料溫度（或熱焓）的變化、再沸器加熱量和冷凝器冷卻量的變化，此外還有塔的環(huán)境溫度變化等。同時(shí)，物料平衡和能量平衡之間又是相互影響的。第78頁/共118頁

在上述各擾動(dòng)因素中，進(jìn)料流量和進(jìn)料成分的波動(dòng)是精餾塔操作的主要擾動(dòng)，而且往往是不可控的。其余擾動(dòng)一般較小，而且往往是可控的（或者可以采用一些控制系統(tǒng)預(yù)先加以克服）。因此，在精餾塔的整體控制方案確定時(shí)，如果工藝允許，能把精餾塔進(jìn)料量、進(jìn)料溫度或熱焓加以定值控制，將對(duì)精餾塔的平穩(wěn)操作極為有利。第79頁/共118頁精餾塔的特性

一、精餾塔的基本關(guān)系（1）物料平衡關(guān)系總物料平衡：F=D+B輕組分平衡：Fzf=DxD+BxB聯(lián)立（12-1）、（12-2）可得：第80頁/共118頁（2）能量平衡關(guān)系在建立能量平衡關(guān)系時(shí)，首先要了解分離度的概念。所謂分離度s可用下式表示：

可見，隨著s的增大，xD也增大，xB而減小，說明塔系統(tǒng)的分離效果增大。

影響分離度s的因素很多，如平均相對(duì)揮發(fā)度、理論塔板數(shù)、塔板效率、進(jìn)料組分、進(jìn)料板位置，以及塔內(nèi)上升蒸汽量V和進(jìn)料F的比值等。第81頁/共118頁對(duì)于一個(gè)既定的塔來說：式（12-6）的函數(shù)關(guān)系也可用一近似式表示：或可表示為：式中β為塔的特性因子第82頁/共118頁

由上式可以看到，隨著V/F的增加，s值提高，也就是xD增加，xB下降，分離效果提高了。

由于V是由再沸器施加熱量來提高的，所以該式實(shí)際是表示塔的能量對(duì)產(chǎn)品成分的影響，故稱為能量平衡關(guān)系式。由上分析可見，V/F的增加，塔的分離效果提高，能耗也將增加。

對(duì)于一個(gè)既定的塔，包括進(jìn)料組分一定，只要D/F和V/F一定，這個(gè)塔的分離結(jié)果，即xD和xB將被完全確定。也就是說，由一個(gè)塔的物料平衡關(guān)系與能量平衡關(guān)系兩個(gè)方程式，可以確定塔頂與塔底組分待定因素。上述結(jié)論與一般工藝書中所說保持回流比一定，就確定了分離結(jié)果是一致的。第83頁/共118頁3精餾塔被控變量的選擇

通常，精餾塔的質(zhì)量指標(biāo)選取有兩類：直接的產(chǎn)品成分信號(hào)和間接的溫度信號(hào)。一、采用產(chǎn)品成分作為直接質(zhì)量指標(biāo)

成分分析儀表的制約因素：①分析儀表的可靠性差；②分析測(cè)量過程滯后大，反應(yīng)緩慢；③成分分析針對(duì)不同的產(chǎn)品組分，品種上較難一一滿足。第84頁/共118頁二、采用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)

溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)，是精餾塔質(zhì)量控制中應(yīng)用最早也是目前最常見的一種。對(duì)于一個(gè)二元組分精餾塔來說，在一定的壓力下，沸點(diǎn)和產(chǎn)品的成分有單值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，只要塔壓恒定，塔板的溫度就反應(yīng)了成分。對(duì)于多元精餾過程來說，情況較復(fù)雜。然而在煉油和石化生產(chǎn)中，許多產(chǎn)品都是由一系列的碳?xì)浠衔锏耐滴锼M成，此時(shí)，在一定的壓力下，溫度與成分之間也有近似的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即壓力一定時(shí)，保持一定的溫度，成分的誤差可忽略不計(jì)。在其余情況下，溫度參數(shù)也有可能在一定程度上反映成分的變化。第85頁/共118頁（1）溫度點(diǎn)的位置若希望保持塔頂產(chǎn)品質(zhì)量符合要求時(shí)，即頂部餾出液為主要產(chǎn)品，應(yīng)把間接反映質(zhì)量的溫度檢測(cè)點(diǎn)放在塔頂，構(gòu)成所謂的精餾段溫控系統(tǒng)；同樣，為了保證塔底產(chǎn)品符合質(zhì)量要求，溫度檢測(cè)點(diǎn)則應(yīng)放在塔底，實(shí)施提餾段溫控系統(tǒng)。

具有粗餾作用的切割塔，此時(shí)溫度檢測(cè)點(diǎn)的位置應(yīng)視要求產(chǎn)品的純度的嚴(yán)格程度而定。中溫控制：把溫度檢測(cè)點(diǎn)放在進(jìn)料板附近的塔板上。目的是及時(shí)發(fā)現(xiàn)操作線的移動(dòng)情況，兼顧塔頂和塔底組分變化。第86頁/共118頁TCLCFCLCFCFBDVQL精餾段溫度控制第87頁/共118頁提餾段溫度控制TCLCLCFCFCFBDVQL第88頁/共118頁TCLCFCLCFCFBDVQL切割塔的溫度控制第89頁/共118頁（2）靈敏板問題采用塔頂（或塔底）溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)時(shí)，實(shí)際上把溫度檢測(cè)放置在塔頂（或塔底）是極為少數(shù)的。而是把溫度檢測(cè)點(diǎn)放在進(jìn)料板與塔頂（底）之間的靈敏板上。所謂靈敏板，是當(dāng)塔受到干擾或控制作用時(shí)，塔內(nèi)各板的組分都將發(fā)生變化，隨之各塔板的溫度也將發(fā)生變化，當(dāng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，溫度變化最大的那塊塔板即為靈敏板。靈敏板的位置先根據(jù)測(cè)算，確定大致位置，然后在它的附近設(shè)置多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，從中選擇最佳的測(cè)量點(diǎn)作為靈敏板。第90頁/共118頁三、用壓力補(bǔ)償?shù)臏囟葏?shù)作為間接指標(biāo)

用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)有一個(gè)前提—塔內(nèi)壓力恒定。雖然精餾塔的塔壓一般有控制，但對(duì)精密精餾等控制要求較高的場(chǎng)合，微小的壓力變化，將影響溫度與組分間的關(guān)系，造成質(zhì)量控制難以滿足工藝的要求，為此需對(duì)壓力的波動(dòng)加以補(bǔ)償。（1）直接壓力補(bǔ)償壓力的變化Δp引起沸點(diǎn)變化為ΔT，在小范圍內(nèi)，此關(guān)系近似為線性關(guān)系：第91頁/共118頁(12-12)校正后的溫度值應(yīng)為：(12-13)PTTTΣ

pTTKpKpoz這種直接壓力補(bǔ)償只適用于壓力Δp在小范圍內(nèi)波動(dòng)。第92頁/共118頁（2）溫差控制

在精密精餾等對(duì)產(chǎn)品純度要求較高的場(chǎng)合，考慮壓力波動(dòng)對(duì)間接指標(biāo)的影響，可采用溫差控制。ⅠⅡⅢ

Ⅰ1.1262.8Ⅱ1.1552.8Ⅲ1.1902.8Mpa℃

52646560707580℃塔板序號(hào)塔頂產(chǎn)品純度不變壓力變化與各板溫度分布第93頁/共118頁

選擇溫差作為被控變量時(shí)，需要注意溫差給定值合理（不能過大），以及操作工況穩(wěn)定。溫差與產(chǎn)品純度并非是單值對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線有最高點(diǎn)M1，在M1點(diǎn)的兩側(cè)，溫差與濃度之間的關(guān)系是反向的，所以溫差選得過大，或操作不平穩(wěn)，均能引起溫差失控的現(xiàn)象。ΔTxM1

溫度檢測(cè)點(diǎn)的位置，對(duì)于塔頂餾出液為主要產(chǎn)品時(shí)，一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)應(yīng)放在塔頂（或稍下一些），即溫度變化較小的位置；而另一點(diǎn)放在靈敏板附近，即成分和溫度變化較大、較靈敏的位置上。第94頁/共118頁（3）雙溫差控制

為了克服溫差控制中的不足，提出了雙溫差控制，即分別在精餾段和提餾段上選取溫差信號(hào)。然后把兩個(gè)溫差信號(hào)相減，以這個(gè)溫差的差作為間接質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行控制。精餾塔TddTT1dTT2dTΔ2T

ΔTxM1M2第95頁/共118頁

采用雙溫差控制后，若由于進(jìn)料流量波動(dòng)引起塔壓變化對(duì)溫差的影響，在塔的上、下段同時(shí)出現(xiàn)，因而上段溫差減去下段溫差的差值就消除了壓降變化的影響。從國(guó)內(nèi)外應(yīng)用雙溫差控制的許多裝置來看，在進(jìn)料流量波動(dòng)影響下，仍能得到較好的控制效果。

溫差控制受兩個(gè)因素的影響：一是進(jìn)料組分的波動(dòng)，另一個(gè)是因負(fù)荷變化而引起塔板的壓降變化。前者若使溫差減少，則后者當(dāng)壓降增大時(shí)，溫差反而增加，所以是有矛盾的，在這種情況下就難以控制。第96頁/共118頁4精餾塔的整體控制方案

精餾塔是一個(gè)多輸入多輸出的多變量、分布參數(shù)、非線性的被控過程，可供選擇的被控變量和操縱變量眾多，所以精餾塔的控制方案有很多，而且很難簡(jiǎn)單判斷哪個(gè)方案是最佳。欣斯基(Shinskey)做了大量的研究，提出了精餾塔控制中變量配對(duì)的三條準(zhǔn)則：(1)當(dāng)僅需要控制塔的一端產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)當(dāng)選用物料平衡方式來控制該產(chǎn)品的質(zhì)量(2)塔兩端產(chǎn)品流量較小者，應(yīng)作為操縱變量去控制塔的質(zhì)量。第97頁/共118頁(3)當(dāng)塔的兩端產(chǎn)品均需按質(zhì)量控制時(shí)，一般對(duì)含純產(chǎn)品較少，雜質(zhì)較多的一端的質(zhì)量控制選用物料平衡控制，而含純產(chǎn)品較多，雜質(zhì)較少的一端的質(zhì)量控制選用能量平衡控制。當(dāng)選用塔頂部產(chǎn)品餾出物流量D或塔底采出液量B來作為操縱變量控制產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)，稱為物料平衡控制；而當(dāng)選用塔頂部回流L或再沸器加熱量Q（V）來作為操縱變量控制產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)，稱為能量平衡控制。

欣斯基提出的三條準(zhǔn)則對(duì)于精餾塔控制方案設(shè)計(jì)有很好的指導(dǎo)作用。第98頁/共118頁一、傳統(tǒng)的物料平衡控制FCLCFCLCFCFBDVQL圖固定回流量L和加熱蒸汽量Q（V）第99頁/共118頁LCFCLCFCFCFBDVQL

圖固定餾出液流量D和加熱蒸汽量Q（V）第100頁/共118頁

控制方案的主要特點(diǎn)是無質(zhì)量反饋控制，它們屬于產(chǎn)品質(zhì)量開環(huán)控制，只要保持D/F（或B/F）和V/F（或回流比）一定，完全按物料及能量平衡關(guān)系進(jìn)行控制。它適用于產(chǎn)品質(zhì)量要求不高以及擾動(dòng)不多的場(chǎng)合。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但適應(yīng)性不高，目前應(yīng)用不多。第101頁/共118頁二、質(zhì)量指標(biāo)反饋控制

一般說來，精餾塔的質(zhì)量指標(biāo)只設(shè)定一個(gè)，分別稱為精餾段控制和提餾段控制。能量平衡控制的操縱變量為L(zhǎng)或Q（V）；物料平衡控制的操縱變量為D或B