一文說(shuō)清串級(jí)、比值、前饋-反饋、選擇性、分程以及三沖量六種復(fù)雜控制系統(tǒng)

導(dǎo)讀

控制系統(tǒng)一般又可分為簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)和復(fù)雜控制系統(tǒng)兩大類(lèi)，所謂復(fù)雜，是相對(duì)于簡(jiǎn)單而言的。凡是多參數(shù)，具有兩個(gè)以上變送器、兩個(gè)以上調(diào)節(jié)器或兩個(gè)以上調(diào)節(jié)閥組成多回路的自動(dòng)控制系統(tǒng)，稱(chēng)之為復(fù)雜控制系統(tǒng)。

目前常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)有串級(jí)、比值、前饋-反饋、選擇性、分程以及三沖量等，并且隨著生產(chǎn)發(fā)展的需要和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，又陸續(xù)出現(xiàn)了許多其他新型的復(fù)雜控制系統(tǒng)。

1、串級(jí)控制系統(tǒng)

串級(jí)控制系統(tǒng)是應(yīng)用最早，效果最好，使用最廣泛的一種復(fù)雜控制系統(tǒng)，它的特點(diǎn)是兩個(gè)調(diào)節(jié)器相串聯(lián)，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定，當(dāng)對(duì)象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時(shí)，可考慮采用串級(jí)控制系統(tǒng)。

1、基本概念

串級(jí)控制系統(tǒng)(Cascade Cont ro1System)是一種常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)，它根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)命名。它由兩個(gè)或兩個(gè)以上的控制器串聯(lián)連接組成，一個(gè)控制器的輸出作為另一個(gè)控制器的設(shè)定值，這類(lèi)控制系統(tǒng)稱(chēng)為串級(jí)控制系統(tǒng)。

主調(diào)節(jié)器(主控制器)： 根據(jù)主參數(shù)與給定值的偏差而動(dòng)作，其輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值的調(diào)節(jié)器。

副調(diào)節(jié)器(副控制器)： 其給定值由主調(diào)節(jié)器的輸出決定，并根據(jù)副參數(shù)與給定值(即主調(diào)節(jié)器輸出)的偏差動(dòng)作。

主回路(外回路)： 斷開(kāi)副調(diào)節(jié)器的反饋回路后的整個(gè)外回路。

副回路(內(nèi)回路)： 由副參數(shù)、副調(diào)節(jié)器及所包括的一部分對(duì)象所組成的閉合回路（隨動(dòng)回路)

主對(duì)象(惰性區(qū))： 主參數(shù)所處的那一部分工藝設(shè)備，它的輸入信號(hào)為副變量，輸出信號(hào)為主參數(shù)(主變量)。

副對(duì)象(導(dǎo)前區(qū))： 副參數(shù)所處的那一部分工藝設(shè)備，它的輸入信號(hào)為調(diào)節(jié)量，其輸出信號(hào)為副參數(shù)(副變量)。

2、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

串級(jí)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上增加了一個(gè)隨動(dòng)的副回路，因此，與單回路相比有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

對(duì)進(jìn)入副回路的擾動(dòng)具有較迅速、較強(qiáng)的克服能力；

可以改善對(duì)象特性，提高工作效率；

可消除調(diào)節(jié)閥等非線性特性的影響；

串級(jí)控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力

3、串級(jí)控制系統(tǒng)參數(shù)整定和系統(tǒng)投運(yùn)

串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)和簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)一樣，要求投運(yùn)過(guò)程保證做到無(wú)擾動(dòng)切換。串級(jí)控制系統(tǒng)控制器參數(shù)整定有逐步逼近法、兩步法和一步法等。

逐步逼近法

１）斷開(kāi)主回路，整定副控制器參數(shù)；

２）閉合主回路，整定主控制器參數(shù)

３）再整定副控制器參數(shù)、主控制器參數(shù)，直到控制品質(zhì)滿(mǎn)足要求。

兩步法

主控制器手動(dòng)情況下，

１）整定副控制器參數(shù)；

２）整定好后，主控制器切自動(dòng)，整定主控制器參數(shù)。

一步法

根據(jù)副被控對(duì)象的特性，按下表設(shè)置副控制器參數(shù)，然后整定主控制器參數(shù)。

2、比值控制系統(tǒng)

在煉油、化工等生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常要求兩種或兩種以上的物料，按一定比例混合后進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，否則會(huì)發(fā)生事故或浪費(fèi)原料量等。工業(yè)生產(chǎn)上為保持兩種或兩種以上物料比值為一定的控制叫比值控制。

1、基本原理

一個(gè)物料流量需要跟隨另一物料流量變化。前者稱(chēng)為從動(dòng)量，后者稱(chēng)為主動(dòng)量。通常選擇的主動(dòng)量應(yīng)是主要的物料或關(guān)鍵物料的流量，它們通常是可測(cè)不可控，物料不足時(shí)，可能會(huì)影響安全生產(chǎn)的物料流量。

2、比值控制系統(tǒng)方案

常見(jiàn)的比值系統(tǒng)有單閉環(huán)比值、雙閉環(huán)比值、串級(jí)比值等三種。

（1）單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)

（2）雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)

（3）串級(jí)比值控制系統(tǒng)

3、比值控制系統(tǒng)的實(shí)施方案

在比值控制系統(tǒng)中，可用兩種方案達(dá)到比值控制的目的，一種是相乘方案，一種是相除方案。

（1）相乘方案

用主動(dòng)量信號(hào)乘以比值作為從動(dòng)量控制器的設(shè)定值；

主動(dòng)量信號(hào)作為從動(dòng)量控制器的設(shè)定，從動(dòng)量乘以比值作為從動(dòng)量控制器的測(cè)量。

相乘控制方案的特點(diǎn)：

比值函數(shù)環(huán)節(jié)不管是位于從動(dòng)量控制回路外部還是內(nèi)部，由于乘法器的增益是固定比值，因此，儀表比值系數(shù)與從動(dòng)量控制回路中負(fù)荷的變化無(wú)關(guān)。

采用常規(guī)儀表實(shí)施相乘控制方案時(shí)，應(yīng)根據(jù)儀表比值系數(shù)K的大小確定比值函數(shù)環(huán)節(jié)在控制回路中的位置。采用DCS或計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)施時(shí)，可直接根據(jù)工藝比值系數(shù)k,將比值函數(shù)環(huán)節(jié)置于從動(dòng)量控制回路外，使調(diào)整k時(shí)不影響控制回路穩(wěn)定性。

采用相乘控制方案不能直接獲得實(shí)際的流量比值

（2）相除方案

它們是將主、從動(dòng)量信號(hào)相除(可有主動(dòng)量作為分母或分子兩種類(lèi)型)的信號(hào)作為比值控制器的測(cè)量，比值控制器的設(shè)定是所需的比值(或比值的倒數(shù))。

相乘控制方案的特點(diǎn)：

采用常規(guī)儀表實(shí)施相除控制方案時(shí)，應(yīng)根據(jù)儀表比值系數(shù)K的大小確定被除數(shù)信號(hào)和除數(shù)信號(hào)的位置。采用DCS或計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)施時(shí)，可直接根據(jù)工藝比值系數(shù)k，將該比值作為比值控制器的設(shè)定。

采用相除控制方案能直接從比值控制器的測(cè)量值獲得實(shí)際流量的比值。

不管儀表比值系數(shù)的大小，比值函數(shù)環(huán)節(jié)輸出作為比值控制器的測(cè)量，因此，儀表比值系數(shù)與從動(dòng)量控制回路中負(fù)荷的變化有關(guān)，呈現(xiàn)非線性關(guān)系。

3、選擇性控制系統(tǒng)

一般控制系統(tǒng)都是在正常工況下工作的，當(dāng)成產(chǎn)不正常時(shí)，通常的處理方法有兩種。一種是切入手動(dòng)，進(jìn)行遙控操作；另一種是連鎖保護(hù)緊急停車(chē)，防止事故發(fā)生，即所謂硬限控制。由于硬限控制對(duì)生產(chǎn)和操作都不利，近年來(lái)采用了安全軟限控制。

1、基本原理

所謂安全軟限控制，是指當(dāng)一個(gè)工藝參數(shù)將要達(dá)到危險(xiǎn)值時(shí)，就適當(dāng)降低生產(chǎn)要求，讓它暫時(shí)維持生產(chǎn)，并逐漸調(diào)整生產(chǎn)，使之朝正常工況發(fā)展。能實(shí)現(xiàn)軟限控制的控制系統(tǒng)稱(chēng)為選擇性控制系統(tǒng)，又稱(chēng)為取代控制系統(tǒng)或超馳控制系統(tǒng)。

通常把控制回路中有選擇器的控制系統(tǒng)稱(chēng)為選擇性控制(selective control)系統(tǒng)。選擇器實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，分為高選器和低選器兩類(lèi)。高選器輸出是其輸入信號(hào)中的高信號(hào)，低選器輸出是其輸入信號(hào)中的低信號(hào)。

2. 基本的結(jié)構(gòu)和性能分析

選擇器位于兩個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行器之間

選擇器位于幾個(gè)檢測(cè)變送環(huán)節(jié)與控制器之間

利用選擇器實(shí)現(xiàn)非線性控制

3、實(shí)例分析

蒸汽減壓控制系統(tǒng)

4、積分飽和及其防止措施

對(duì)于具有積分作用的調(diào)節(jié)器，若處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，由于偏差存在，調(diào)節(jié)器的輸出隨著時(shí)間增加，會(huì)達(dá)到最大或最小極限值，這就是調(diào)節(jié)器的積分飽和現(xiàn)象。在選擇控制系統(tǒng)中，兩個(gè)調(diào)節(jié)器中總有一個(gè)是處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，不論哪個(gè)調(diào)節(jié)器，只要有積分作用存在，都有可能產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象。

常見(jiàn)積分飽和方法有三種：

（1）限幅法

采用高值或低值限幅器，使調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)不超過(guò)工作信號(hào)的最高值和最低值。

（2）積分切除法

所謂積分切除法，即當(dāng)調(diào)節(jié)器具有IP作用時(shí)，一旦處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，立即切除積分功能，只具有比例控制規(guī)律。這是一種新型的特殊設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器。

（3）積分反饋法

調(diào)節(jié)器在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下不選用調(diào)節(jié)器自身的輸出值作反饋，而是借用其他相應(yīng)的信號(hào)用外反饋的方法作為調(diào)節(jié)器的反饋信號(hào)，這樣可以防止調(diào)節(jié)器積分飽和現(xiàn)象的發(fā)生。

4、前饋控制系統(tǒng)

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)屬于反饋控制，它的特點(diǎn)是按被控變量的偏差進(jìn)行控制，因此只有在偏差產(chǎn)生后，調(diào)節(jié)器才對(duì)操縱變量進(jìn)行控制，以補(bǔ)償擾動(dòng)變量對(duì)被控變量的影響。若擾動(dòng)已經(jīng)產(chǎn)生，而被控量尚未發(fā)生變化，控制作用是不會(huì)產(chǎn)生的，所以，這種控制作用總是落后于擾動(dòng)作用的，是不及時(shí)的控制。對(duì)于滯后大的被控現(xiàn)象，或擾動(dòng)幅度大而頻繁時(shí)，采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)往往不能滿(mǎn)足工藝生產(chǎn)的要求，若引入前饋控制，實(shí)現(xiàn)前饋-反饋控制就能獲得顯著的效果。

1、工作原理

反饋控制系統(tǒng)的輸出是偏差的函數(shù)，只有出現(xiàn)偏差才進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此，調(diào)節(jié)不及時(shí)。如果采用某種控制策略。使該控制運(yùn)算的輸出是擾動(dòng)的函數(shù)，則一旦擾動(dòng)出現(xiàn)，控制就有輸出，就能在偏差還未出現(xiàn)以前就把擾動(dòng)的影響消除，因此，調(diào)節(jié)及時(shí)。依據(jù)預(yù)防的控制策略設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)稱(chēng)為前饋控制系統(tǒng)（Feedforward Control System）。實(shí)際應(yīng)用中由于存在某些原因，不常采用單純前饋控制，而通常采用前饋控制與反饋控制結(jié)合組成的前潰—反饋控制系統(tǒng)。

2、基本結(jié)構(gòu)

常用的前饋控制系統(tǒng)：

單純前饋控制系統(tǒng)

前饋反饋信號(hào)相加的前饋—反饋控制系統(tǒng)

前饋反饋信號(hào)相乘的前饋—反饋控制系統(tǒng)

單純前饋控制系統(tǒng)示例

精餾塔相乘前饋-反饋控制

相乘型的前饋-反饋控制系統(tǒng)框圖

加熱爐的相加型前饋-反饋控制系統(tǒng)

相加型前饋-反饋控制系統(tǒng)框圖

3、前饋控制規(guī)律的設(shè)計(jì)

（1）靜態(tài)前饋控制的設(shè)計(jì)：以換熱器為例

（2）動(dòng)態(tài)前饋控制的設(shè)計(jì)：鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)如下圖所示

鍋爐前饋—串級(jí)反饋控制系統(tǒng)框圖

4、前饋拉制系統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)整定

（1）先設(shè)置靜態(tài)前饋系數(shù)，通常采用閉環(huán)整定法。

（2）再調(diào)整動(dòng)態(tài)前饋參數(shù)。

5、分程控制系統(tǒng)

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)就是一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出帶動(dòng)一個(gè)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，而分程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出同時(shí)控制幾個(gè)工作范圍不同的調(diào)節(jié)閥。

1、工作原理

分程控制原理：通常，在一個(gè)控制系統(tǒng)中，一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)只控制一個(gè)執(zhí)行器或調(diào)節(jié)閥（以下均以氣動(dòng)執(zhí)行器為例），其結(jié)構(gòu)與特性見(jiàn)下圖。

如果一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)同時(shí)送給兩個(gè)調(diào)節(jié)閥，構(gòu)成如下圖所示的系統(tǒng)，這就是一種分程控制系統(tǒng)。這里兩個(gè)閥門(mén)并聯(lián)使用，它們都是氣開(kāi)閥，其工作特性如圖（b）所示。

由于閥門(mén)有氣開(kāi)和氣關(guān)兩種特性，兩個(gè)閥門(mén)就有四種組合特性，如下圖所示。圖（a）和（b）時(shí)兩個(gè)閥門(mén)同方向運(yùn)動(dòng)，（c）和（d）表明兩個(gè)閥門(mén)作用方向相異。理論上講，分程控制可以是兩個(gè)以上閥門(mén)共同控制，但實(shí)際上，一般采用的都是兩個(gè)閥門(mén)分程。

2、分程控制系統(tǒng)對(duì)調(diào)節(jié)閥的要求

（1）關(guān)于流量特性的問(wèn)題

因?yàn)樵趦芍徽{(diào)節(jié)閥的分程點(diǎn)上，調(diào)節(jié)閥的流量特性會(huì)產(chǎn)生突變，這在大、小閥并聯(lián)時(shí)更為突出。

（2）根據(jù)工藝要求選擇同向或異向規(guī)律的調(diào)節(jié)閥

在分程控制線系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥的開(kāi)關(guān)形式可分為兩類(lèi)。一類(lèi)同向規(guī)律調(diào)節(jié)閥，即隨著調(diào)節(jié)閥輸入信號(hào)哦的增加，兩個(gè)閥門(mén)都開(kāi)大或關(guān)小。另一類(lèi)稱(chēng)為異向規(guī)律的調(diào)節(jié)閥，即隨著調(diào)節(jié)閥輸入信號(hào)的增加，一個(gè)閥門(mén)關(guān)閉，而另一個(gè)閥門(mén)開(kāi)大，或者相反。

（3）泄漏量問(wèn)題

分程控制系統(tǒng)中，盡量應(yīng)使兩只調(diào)節(jié)閥都無(wú)泄漏，特別是對(duì)大、小閥并聯(lián)使用時(shí)，如果大閥的泄漏量過(guò)大，小閥將不能正常發(fā)揮作用，調(diào)節(jié)閥的流量可調(diào)范圍仍然得不到增加

（4）調(diào)節(jié)器參數(shù)整定問(wèn)題

當(dāng)分程控制系統(tǒng)中兩只調(diào)節(jié)閥分別控制兩個(gè)操縱變量時(shí)，這兩只閥所對(duì)應(yīng)的通道特性可能差異很大，即廣義對(duì)象特性差異很大。這時(shí)，調(diào)節(jié)器參數(shù)整定必須注意，需要兼顧兩種情況，選取一組合適的調(diào)節(jié)器參數(shù)。

6、三沖量控制系統(tǒng)

鍋爐汽包液位是表征生產(chǎn)過(guò)程的主要工藝指標(biāo)，同時(shí)也是保證鍋爐安全運(yùn)行的主要條件之一。液位過(guò)高，使蒸汽產(chǎn)生帶液現(xiàn)象，不僅降低了蒸汽的產(chǎn)量和質(zhì)量，而且，還會(huì)使過(guò)熱器結(jié)垢，或使汽輪機(jī)葉片損壞；當(dāng)液位過(guò)低時(shí)，輕則影響水汽平衡，重則燒干鍋爐，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致鍋爐爆炸等事故，所以鍋爐水位是一個(gè)極為重要的被控變量。

所謂沖量，實(shí)際就是變量，多沖量控制中的沖量，是指引如系統(tǒng)的測(cè)量信號(hào)。在鍋爐控制中，主要沖量是水位；輔助沖量是蒸汽負(fù)荷和給水流量，它們是為提高控制品質(zhì)而引入的?，F(xiàn)今蒸汽鍋爐趨向大、中型化，一般都采用水位、蒸汽測(cè)量（或壓力）和給水測(cè)量進(jìn)行三沖量控制。