过程控制系统_齐卫红第三章.ppt

　　　　简单控制系统由于结构简单而得到广泛的应用，其数量占所有控制系统总数的80%以上，在绝大多数场合下已能满足生产要求。但随着科技的发展，新工艺、新设备的出现，生产过程的大型化和复杂化，必然导致对操作条件的要求更加严格，变量之间的关系更加复杂。同时，现代化生产往往对产品的质量提出更高的要求（例如，造纸过程中纸页定量偏差±1%以下，甲醇精馏塔的温度偏离不允许超过1℃，石油裂解气的深冷分离中，乙烯纯度要求达到99.99%等），此外，生产过程中的某些特殊要求（如物料配比问题、前后生产工序协调问题、为了安全而采取的软保护问题、管理与控制一体化问题等）的解决都是简单控制系统所不能胜任的，因此，相应地就出现了复杂控制系统。 　　　在简单反馈回路中增加了计算环节、控制环节或其他环节的控制系统统称为复杂控制系统。复杂控制系统的种类较多，按其所满足的控制要求可分为两大类： 　　　 　　　（1）以提高系统控制质量为目的的复杂控制系统，主要有串级和前馈控制系统； 　　　（2）满足某些特定要求的控制系统，主要有比值、均匀、分程、选择性等。 　　　本章将重点介绍串级控制系统。串级控制系统是所有复杂控制系统中应用最多的一种，它对改善控制品质有独到之处。当过程的容量滞后较大，负荷或扰动变化比较剧烈、比较频繁，或者工艺对生产质量提出的要求很高，采用简单控制系统不能满足要求时，可考虑采用串级控制系统。 　　　本章将对串级控制系统的组成、特点、应用范围、设计和投运等问题进行讨论。 3.1 基本原理和结构　　　3.1.1 串级控制系统的组成原理 　　　控制失败的原因在于，当燃料压力或燃料本身的热值变化后，先影响炉膛温度，然后通过传热过程才能逐渐影响原料油的出口温度，这个通道的容量滞后很大，时间常数约15 min左右，反应缓慢，而温度控制器T1C是根据原料油的出口温度与设定值的偏差工作的。所以当扰动作用在过程后，并不能较快地产生控制作用以克服扰动对被控变量的影响。由于控制不及时，所以控制质量很差。当工艺上要求原料油的出口温度非常严格时，上述简单控制系统是难以满足要求的。为了解决容量滞后问题，还需对加热炉的工艺做进一步分析。 　　　管式加热炉内是一根很长的受热管道，它的热负荷很大。燃料在炉膛燃烧后，是通过炉膛温度与原料油的温差将热量传递给原料油的。燃料量的变化或燃料热值的变化，首先使炉膛温度发生变化。因此，为减小控制通道的时间常数，选择炉膛温度为被控变量，燃料量为操纵变量，设计如图3.1（b）所示的简单控制系统，以维持炉出口温度的稳定要求。该系统的特点是对于包含在控制回路中的燃料油压力及热值的波动 、烟囱抽力的波动 等均能及时有效地克服。但是，因来自于原料油方面的进口温度及流量波动等扰动 未包括在该系统内，故系统不能克服扰动 对炉出口温度的影响。实际运行表明，该系统仍然不能达到生产工艺要求。 　　　由图3.2或图3.3可以看出，在这个控制系统中，有两个控制器 和 ，它们分别接收来自对象不同部位的测量信号，其中一个控制器 的输出作为另一个控制器 的设定值，而后者的输出去控制控制阀以改变操纵变量。从系统的结构来看，这两个控制器是串接工作的。 3.1.2　串级控制系统的结构 　　　　1．方框图 　　　　串级控制系统是一种常用的复杂控制系统，它是根据系统结构命名的。串级控制系统由两个控制器串联连接组成，其中一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值。 　　　　如图3.4所示，为串级控制系统的通用原理方框图。由该图可以看出，串级控制系统在结构上具有以下特征： 　　　（1）将原被控对象分解为两个串联的被控对象； 　　　（2）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、副回路或副环； 　　　（3）以原对象的输出信号（即分解后的第二个被控对象的输出信号）为主被控变量，构成一个控制系统，称为主控制系统、主回路或主环； 　　　（4）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； 　　　（5）主回路是定值控制系统。对主控制器的输出而言，副回路是随动控制系统；对进入副回路的扰动而言，副回路是定值控制系统。 　　　（4）副对象（副过程）。副对象是为副变量表征其特性的生产设备。其输入量为操纵量，输出量为副变量，它表示副变量与操纵变量之间的通道特性。在上例中主要指燃料油燃烧装置及炉膛部分。 　　　（5）主控制器。主控制器按主变量的测量值与设定值的偏差而工作，其输出作为副变量设定值。如上例中的出口温度控制器 。 　　　（6）副控制器。副控制器的