一文說清串級、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)一般又可分為簡單控制系統(tǒng)和復(fù)雜控制系統(tǒng)兩大類，所謂復(fù)雜，是相對于簡單而言的。凡是多參數(shù)，具有兩個以上變送器、兩個以上調(diào)節(jié)器或兩個以上調(diào)節(jié)閥組成多回路的自動控制系統(tǒng)，稱之為復(fù)雜控制系統(tǒng)。

目前常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)有串級、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、串級控制系統(tǒng)

串級控制系統(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)，它的特點是兩個調(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)對象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時，可考慮采用串級控制系統(tǒng)。

1、基本概念

串級控制系統(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。它由兩個或兩個以上的控制器串聯(lián)連接組成，一個控制器的輸出作為另一個控制器的設(shè)定值，這類控制系統(tǒng)稱為串級控制系統(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)的偏差動作。

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

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象所組成的閉合回路（隨動回路)

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

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

2、串級控制系統(tǒng)的特點

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

對進入副回路的擾動具有較迅速、較強的克服能力；

可以改善對象特性，提高工作效率；

可消除調(diào)節(jié)閥等非線性特性的影響；

串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力

3、串級控制系統(tǒng)參數(shù)整定和系統(tǒng)投運

串級控制系統(tǒng)的投運和簡單控制系統(tǒng)一樣，要求投運過程保證做到無擾動切換。串級控制系統(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)滿足要求。

兩步法

主控制器手動情況下，

１）整定副控制器參數(shù)；

２）整定好后，主控制器切自動，整定主控制器參數(shù)。

一步法

根據(jù)副被控對象的特性，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行化學(xué)反應(yīng)，否則會發(fā)生事故或浪費原料量等。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

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

2、比值控制系統(tǒng)方案

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

（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）串級比值控制系統(tǒng)

3、比值控制系統(tǒng)的實施方案

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

（1）相乘方案

用主動量信號乘以比值作為從動量控制器的設(shè)定值；

主動量信號作為從動量控制器的設(shè)定，從動量乘以比值作為從動量控制器的測量。

相乘控制方案的特點：

比值函數(shù)環(huán)節(jié)不管是位于從動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)與從動量控制回路中負(fù)荷的變化無關(guān)。

采用常規(guī)儀表實施相乘控制方案時，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或計算機控制系統(tǒng)實施時，可直接根據(jù)工藝比值系數(shù)k,將比值函數(shù)環(huán)節(jié)置于從動量控制回路外，使調(diào)整k時不影響控制回路穩(wěn)定性。

采用相乘控制方案不能直接獲得實際的流量比值

（2）相除方案

它們是將主、從動量信號相除(可有主動量作為分母或分子兩種類型)的信號作為比值控制器的測量，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：

采用常規(guī)儀表實施相除控制方案時，應(yīng)根據(jù)儀表比值系數(shù)K的大小確定被除數(shù)信號和除數(shù)信號的位置。采用DCS或計算機控制系統(tǒng)實施時，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量值獲得實際流量的比值。

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量，因此，儀表比值系數(shù)與從動量控制回路中負(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，通常的處理方法有兩種。一種是切入手動，進行遙控操作；另一種是連鎖保護緊急停車，防止事故發(fā)生，即所謂硬限控制。由于硬限控制對生產(chǎn)和操作都不利，近年來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)一個工藝參數(shù)將要達到危險值時，就適當(dāng)降低生產(chǎn)要求，讓它暫時維持生產(chǎn)，并逐漸調(diào)整生產(chǎn)，使之朝正常工況發(fā)展。能實現(xiàn)軟限控制的控制系統(tǒng)稱為選擇性控制系統(tǒng)，又稱為取代控制系統(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)稱為選擇性控制(selective control)系統(tǒng)。選擇器實現(xiàn)邏輯運算，分為高選器和低選器兩類。高選器輸出是其輸入信號中的高信號，低選器輸出是其輸入信號中的低信號。

2. 基本的結(jié)構(gòu)和性能分析

選擇器位于兩個控制器和一個執(zhí)行器之間

選擇器位于幾個檢測變送環(huán)節(jié)與控制器之間

利用選擇器實現(xiàn)非線性控制

3、實例分析

蒸汽減壓控制系統(tǒng)

4、積分飽和及其防止措施

對于具有積分作用的調(diào)節(jié)器，若處于開環(huán)狀態(tài)，由于偏差存在，調(diào)節(jié)器的輸出隨著時間增加，會達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，兩個調(diào)節(jié)器中總有一個是處于開環(huán)狀態(tài)，不論哪個調(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)器的輸出信號不超過工作信號的最高值和最低值。

（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，一旦處于開環(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)計的調(diào)節(jié)器。

（3）積分反饋法

調(diào)節(jié)器在開環(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)的信號用外反饋的方法作為調(diào)節(jié)器的反饋信號，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)

簡單控制系統(tǒng)屬于反饋控制，它的特點是按被控變量的偏差進行控制，因此只有在偏差產(chǎn)生后，調(diào)節(jié)器才對操縱變量進行控制，以補償擾動變量對被控變量的影響。若擾動已經(jīng)產(chǎn)生，而被控量尚未發(fā)生變化，控制作用是不會產(chǎn)生的，所以，這種控制作用總是落后于擾動作用的，是不及時的控制。對于滯后大的被控現(xiàn)象，或擾動幅度大而頻繁時，采用簡單控制系統(tǒng)往往不能滿足工藝生產(chǎn)的要求，若引入前饋控制，實現(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)偏差才進行調(diào)節(jié)，因此，調(diào)節(jié)不及時。如果采用某種控制策略。使該控制運算的輸出是擾動的函數(shù)，則一旦擾動出現(xiàn)，控制就有輸出，就能在偏差還未出現(xiàn)以前就把擾動的影響消除，因此，調(diào)節(jié)及時。依據(jù)預(yù)防的控制策略設(shè)計的控制系統(tǒng)稱為前饋控制系統(tǒng)（Feedforward Control System）。實際應(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)

前饋反饋信號相加的前饋—反饋控制系統(tǒng)

前饋反饋信號相乘的前饋—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

（1）靜態(tài)前饋控制的設(shè)計：以換熱器為例

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

鍋爐前饋—串級反饋控制系統(tǒng)框圖

4、前饋拉制系統(tǒng)的投運和參數(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)整動態(tài)前饋參數(shù)。

5、分程控制系統(tǒng)

簡單控制系統(tǒng)就是一個調(diào)節(jié)器的輸出帶動一個調(diào)節(jié)閥動作，而分程控制系統(tǒng)的特點是一個調(diào)節(jié)器的輸出同時控制幾個工作范圍不同的調(diào)節(jié)閥。

1、工作原理

分程控制原理：通常，在一個控制系統(tǒng)中，一個調(diào)節(jié)器的輸出信號只控制一個執(zhí)行器或調(diào)節(jié)閥（以下均以氣動執(zhí)行器為例），其結(jié)構(gòu)與特性見下圖。

如果一個調(diào)節(jié)器的輸出信號同時送給兩個調(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)。這里兩個閥門并聯(lián)使用，它們都是氣開閥，其工作特性如圖（b）所示。

由于閥門有氣開和氣關(guān)兩種特性，兩個閥門就有四種組合特性，如下圖所示。圖（a）和（b）時兩個閥門同方向運動，（c）和（d）表明兩個閥門作用方向相異。理論上講，分程控制可以是兩個以上閥門共同控制，但實際上，一般采用的都是兩個閥門分程。

2、分程控制系統(tǒng)對調(diào)節(jié)閥的要求

（1）關(guān)于流量特性的問題

因為在兩只調(diào)節(jié)閥的分程點上，調(diào)節(jié)閥的流量特性會產(chǎn)生突變，這在大、小閥并聯(lián)時更為突出。

（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)閥的開關(guān)形式可分為兩類。一類同向規(guī)律調(diào)節(jié)閥，即隨著調(diào)節(jié)閥輸入信號哦的增加，兩個閥門都開大或關(guān)小。另一類稱為異向規(guī)律的調(diào)節(jié)閥，即隨著調(diào)節(jié)閥輸入信號的增加，一個閥門關(guān)閉，而另一個閥門開大，或者相反。

（3）泄漏量問題

分程控制系統(tǒng)中，盡量應(yīng)使兩只調(diào)節(jié)閥都無泄漏，特別是對大、小閥并聯(lián)使用時，如果大閥的泄漏量過大，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)整定問題

當(dāng)分程控制系統(tǒng)中兩只調(diào)節(jié)閥分別控制兩個操縱變量時，這兩只閥所對應(yīng)的通道特性可能差異很大，即廣義對象特性差異很大。這時，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)過程的主要工藝指標(biāo)，同時也是保證鍋爐安全運行的主要條件之一。液位過高，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，還會使過熱器結(jié)垢，或使汽輪機葉片損壞；當(dāng)液位過低時，輕則影響水汽平衡，重則燒干鍋爐，嚴(yán)重時會導(dǎo)致鍋爐爆炸等事故，所以鍋爐水位是一個極為重要的被控變量。

所謂沖量，實際就是變量，多沖量控制中的沖量，是指引如系統(tǒng)的測量信號。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、蒸汽測量（或壓力）和給水測量進行三沖量控制。