第六章其他控制系统

第六章其他控制系统

第一节选择性控制系统 非正常工况时的控制系统安全保护性措施有两类：一类是硬保护措施一类是软保护措施硬保护措施就是联锁保护系统，当生产工况超出一定范围时，联锁保护系统采取一系列相应的措施，如有声和光警报产生、自动到手动、联锁等，使生产过程处于相对安全的状态。缺点:这种硬保护措施经常使生产停车，造成较大的经济损失。

软保护措施: 通过一个特定设计的自动选择性控制系统，当生产短期内处于不正常工况时，既不使设备停车又起到对生产进行自动保护的目的。用一个控制不安全情况的控制方案自动取代正常生产情况下工作的控制方案，用取代控制器代替正常控制器，直至使生产过程重新恢复正常，而后又使原来的控制方案重新恢复工作，用正常控制器代替取代控制器。

通常系统中设有两个控制器（或两个以上的变送器），通过选择器选出能适应生产安全状况的控制信号，实现对生产过程的自动控制。通常系统中设有两个控制器（或两个以上的变送器），通过选择器选出能适应生产安全状况的控制信号，实现对生产过程的自动控制。构成该系统应具备两方面: 一是生产操作上有一定的选择性规律；二是组成控制系统的各个环节中，必须包含具有选择性功能的选择单元。

二、选择性控制系统的类型 1．连续型选择性控制系统两类: 1）选择器位于两个控制器与一个执行器之间这是选择性控制系统中常用的类型。

锅炉为例

正常情况下，通过控制燃料量来保证蒸汽压力的稳定。正常情况下，通过控制燃料量来保证蒸汽压力的稳定。当蒸汽用量增加时，蒸汽压力就会下降，为保证蒸汽压力不变，必须在增加供水量的同时，相应地增加燃料气量。然而，燃料气的压力也随燃料气量的增加而升高，当燃料气压力过高超过某一安全极限时，会产生脱火现象。一旦脱火现象发生，燃烧室内由于积存大量燃料气与空气的混合物，会有爆炸的危险。锅炉控制系统中常采用蒸汽压力与燃料气压力的选择性控制系统，以防止脱火现象产生。

从安全角度考虑，燃料气控制阀应为气开式。 正常情况下，燃料气压力低于给定值，由于P2C是反作用，其输出a将是高信号，而蒸汽压力控制器P1C的输出b则为低信号。此时，低选器选中b信号来控制阀,使蒸汽压力满足工艺要求。而当燃料气压力上升到超过脱火压力时，由于P2C是反作用，其输出a将是低信号，a被低选器选中，这样便取代了蒸汽压力控制器，防止脱火现象的发生,其结果是控制阀的开度关小，阀后压力下降，起到自动保护的作用。当燃料气压力恢复正常时，蒸汽压力控制器P1C的输出b又成为低信号，经自动切换，蒸汽压力控制系统重新恢复运行。

2）选择器位于控制器之前 特点：多个变送器共用一个控制器，选择器位于控制器之前，对变送器的输出信号进行选择。其用途主要有两个: 一是选出几个检测变送信号的最高或最低信号用于控制，即竞争控制系统，其二是为防仪表故障造成事故，对同一检测点采用多个仪表测量，选出可靠的测量值，即冗余系统。

冗余系统 竞争控制系统

2．开关型选择性控制系统 这种控制系统一般有两个可供选择的变量。一个变量是工艺操作的主要技术指标，另一个变量只在工艺上对其有一限值要求，只要不超出该限值，就能保证生产的正常进行。因此，正常情况下就按照影响生产的主要变量来进行连续控制。一旦另一变量达到极限要求时，为了防止事故的发生，选择性控制系统将通过专门的装置（电接点、信号器、切换器等）切断主要变量控制器的输出，而将控制阀迅速打开或关闭，直到该变量回到限值以内时，系统才自动重新恢复到之前的连续控制。

三、选择性控制系统的设计 1．选择器的选型在选择器具体选型时，根据生产处于不正常情况下，取代控制器的输出信号为高或为低来确定选择器的类型。步骤: 1）从安全角度考虑，确定控制阀的气开和气关类型； 2）确定正常工况和取代工况时的对象特性，即放大倍数的正、负； 3）确定正常控制器和取代控制器的正、反作用； 4）根据取代控制器的输出信号类型，确定选择器是高选器还是低选器； 5）当选择高选器时，应考虑事故时的保护措施。

四、积分饱和及其防止 产生积分饱和有三个条件: 1.控制器具有积分作用； 2.控制器处于开环工作状态，既其输出没有被送往控制阀； 3.控制器的输入，即偏差信号一直存在。在选择性控制系统中，总有一个控制器处于开环状态，若此控制器有积分作用，就会产生积分饱和现象。

防止积分饱和 1）限幅法用高低值限幅器，使控制器的输出信号被限制在工作区间内。 2）外反馈法采用外部信号作为控制器的积分反馈信号。当控制器处于开环工作状态时，由于积分反馈信号不是输出信号本身，就不会形成对偏差的积分作用，从而可以防止积分饱和问题的出现。

如图所示，选择性控制系统的两个比例积分控制器输出分别为P1、P2，通过选择器选中其中之一送至控制阀，送往控制阀的信号又同时引回到两个控制器的积分环节。如图所示，选择性控制系统的两个比例积分控制器输出分别为P1、P2，通过选择器选中其中之一送至控制阀，送往控制阀的信号又同时引回到两个控制器的积分环节。

第二节分程控制系统 一、概述前面介绍的控制系统中，通常是一个控制器的输出只用来控制一个控制阀，一般工作在较小的工作区域内，在系统出现较小的干扰时可以达到较好的控制效果。如果系统的工作条件不满足于较小调节范围或系统受到较大干扰甚至出现事故时，系统的控制质量就可能满足不了生产过程的控制要求。分程控制系统是将一个控制器的输出分成若干个信号范围，由各个信号段去控制相应的控制阀，从而实现了一个控制器对多个控制阀的控制，有效地提高了过程控制系统的控制能力。

把控制器的输出信号分成两段，利用不同的输出信号分别控制两个控制阀把控制器的输出信号分成两段，利用不同的输出信号分别控制两个控制阀如阀A在控制器的输出信号为0.02MPa～0.06MPa范围内工作，阀B则在控制器输出信号为0.06MPa～0.1MPa范围内工作，每个控制阀的动作信号范围都是相同的。

就控制阀的气开、气关形式可分为两类： 一类是控制阀同向动作，即随着控制器输出信号的增加或减小，控制阀均逐渐开大或逐渐减小，同向分程控制的两个控制阀同为气开式或同为气关式，

另一类是控制阀异向动作，即随着控制器输出信号的增加或减小，控制阀中一个逐渐开大，另一个逐渐减小，异向分程控制的两个控制阀一个为气开式，一个为气关式。另一类是控制阀异向动作，即随着控制器输出信号的增加或减小，控制阀中一个逐渐开大，另一个逐渐减小，异向分程控制的两个控制阀一个为气开式，一个为气关式。分程控制中控制阀同向或异向的选择，要根据生产工艺的实际需要来确定。

为了实现分程控制，一般需要在每个控制阀上引入阀门定位器。阀门定位器相当于一台放大系数可变且零点可调的放大器。借助于它对信号的转换功能，多个控制阀在分别接受控制器输出的不同信号段后，均被调整为0.02MPa～0.1MPa，使之走完全行程。为了实现分程控制，一般需要在每个控制阀上引入阀门定位器。阀门定位器相当于一台放大系数可变且零点可调的放大器。借助于它对信号的转换功能，多个控制阀在分别接受控制器输出的不同信号段后，均被调整为0.02MPa～0.1MPa，使之走完全行程。 • 二、分程控制的应用场合 • 1．用于扩大控制阀的可调范围，以改善控制品质控制阀有一个重要指标是阀的可调范围R，即式中 Cmax——最大流量系数； Cmin——最小流量系数。

图中，若 且两阀的可调范围相等，即

忽略大阀的泄漏量，当采用分程控制后，其最小流量系数为忽略大阀的泄漏量，当采用分程控制后，其最小流量系数为最大流量系数为因此两阀组合在一起的可调范围将扩大到分程控制阀的分程范围，要结合阀的特性及工艺要求来决定。

2．用于控制两种不同的介质，以满足工艺生产的要求2．用于控制两种不同的介质，以满足工艺生产的要求某些间歇式生产的化学反应过程一方面需配置蒸汽和冷水两种传热介质，并安装上控制阀另一方面需设计一个分程控制系统，用温度控制器输出信号的不同区间来控制这两个阀。

当反应物料投入设备后，开始需加热升温，以引发反应；一旦达到反应温度后，由于放出大量反应热，若不及时移走热量，会使反应越来越剧烈，严重时会有爆炸的危险。当反应物料投入设备后，开始需加热升温，以引发反应；一旦达到反应温度后，由于放出大量反应热，若不及时移走热量，会使反应越来越剧烈，严重时会有爆炸的危险。利用A、B两个控制阀，分别控制冷水和蒸汽两种介质，以满足工艺上需要冷却和加热的不同要求。 1）确定阀的类型从安全的角度考虑，冷水阀A选择气关式，蒸汽阀B选择气开式? 2）确定分程区间该系统中，温度控制器应为反作用。

根据节能的要求，升温期间应关闭冷水阀，打开蒸汽阀；根据节能的要求，升温期间应关闭冷水阀，打开蒸汽阀；当温度偏高需要降温时，应先关小蒸汽再开大冷水。由于温度控制器为反作用，这就意味着要求其输出信号下降时先关小蒸汽阀再开大冷水阀，因此，冷水阀应在低信号区工作（0.02 MPa～0.06MPa），蒸汽阀应在高信号区工作（0.06 MPa～0.1MPa）。

分析在进行化学反应前的升温阶段，由于温度的测量值小于给定值，控制器TC输出较大（大于0.06MPa），因此，阀A将关闭，阀B将打开，此时通入蒸汽使循环水被加热，循环热水再通过反应器夹套为反应物加热，以使反应物温度慢慢升高。当反应物温度达到反应温度时，化学反应开始，有热量放出，反应物的温度将逐渐升高。由于温度控制器TC是反作用，故随着反应物温度的升高，控制器的输出逐渐减小。与此同时，阀B将逐渐关小。待控制器输出小于0.06MPa以后，阀B关闭，阀A将逐渐打开。这时，反应器夹套中流过的将不再是热水而是冷水。这样一来，反应所产生的热量就不断被冷水所移走，从而达到维持反应温度不变的目的。

3）用于保证生产过程的安全和稳定 采用氮封技术的工艺要求是保持贮罐内的氮气压力为微正压。贮罐中物料量的增减，将引起罐顶压力的升降，故必须及时进行控制，否则将引起贮罐变形，甚至破裂，造成浪费或引起燃烧、爆炸等危险。因此，当贮罐内物料量增加时（即液位升高时），应及时使罐内氮气适量排出；反之，当贮罐内物料量减少时（即液位下降时），为保证罐内氮气呈微正压的工艺要求，向贮罐充氮气。

阀A为气开式，阀B为气关式，控制器为反作用。 分析:同学们自己完成

第三节新型控制系统 一、自适应控制系统前面介绍过的控制系统，均指控制器有固定参数的系统。实际上，复杂的工艺过程往往具有不确定性（如环境结构和参数的未知性、时变性、随机性、突变性等）。对于这类生产过程，采用之前介绍的常规控制方案往往不能获得令人满意的控制效果，甚至还可能导致整个系统失控。为了解决在被控对象的结构和参数存在不确定性时，系统仍能自动地工作于最优或接近于最优的状态，就提出了自适应控制，它是辨识技术与控制技术的结合。

自适应控制是建立在系统数学模型参数未知的基础上，在控制系统运行过程中，系统本身不断测量被控系统的参数或运行指标，根据参数或运行指标的变化，改变控制参数或控制作用，以适应其特性的变化，保证整个系统运行在最佳状态下。自适应控制是建立在系统数学模型参数未知的基础上，在控制系统运行过程中，系统本身不断测量被控系统的参数或运行指标，根据参数或运行指标的变化，改变控制参数或控制作用，以适应其特性的变化，保证整个系统运行在最佳状态下。一个自适应控制系统至少应包含有以下三个部分：一是具有一个检测或估计环节，目的是监视整个过程和环境，并能对消除噪声后的检测数据进行分类。通常是指对过程的输入、输出进行测量，进而对某些参数进行实时估计。二是具有衡量系统控制优劣的性能指标，并能够测量或计算它们，以此来判断系统是否偏离最优状态。三是具有自动调整控制器的控制规律或参数的能力。

根据其设计原理和结构的不同，主要包括： 增益调度自适应控制; 模型参考自适应控制系统; 自校正控制系统等。

1．增益调度自适应控制 这是一种最为简单的自适应控制系统，主要通过监测过程的运行条件来改变控制器的参数，以此补偿系统受环境等条件变化而造成对象参数变化的影响，故称为增益调度自适应控制。关键是找出影响被控对象参数变化的辅助变量，并设计好辅助变量与最佳控制器增益的函数关系，让控制器的参数按预编程的方式作为运行条件的函数而改变。

增益调度自适应控制，其结构简单，具有快速的适应能力.增益调度自适应控制，其结构简单，具有快速的适应能力. 不足的是其参数补偿按开环工作方式进行，对不正确的调度没有反馈补偿功能，在设计时需具备较多的过程机理知识。

2．模型参考自适应控制系统 模型参考自适应控制系统主要用于随动控制。这类控制的典型特征是参考模型与被控系统并联运行，参考模型表示了控制系统的性能要求。

在模型参考自适应控制系统中，不需要专门的在线辨识装置，主要是借助于目标函数来调整可调参数，其实质是设计一个稳定的，同时具有较高性能的自适应机构的自适应算法。在模型参考自适应控制系统中，不需要专门的在线辨识装置，主要是借助于目标函数来调整可调参数，其实质是设计一个稳定的，同时具有较高性能的自适应机构的自适应算法。这种方法的应用关键是，如何将一个实际问题转化为模型参考自适应问题。

自校正控制系统是自适应控制中一个相当活跃的分支。

自校正控制系统是在原有控制系统的基础上，增加了一个外回路。自校正控制系统是在原有控制系统的基础上，增加了一个外回路。外回路由参数估计器和参数调整机构组成，用来调整控制器的参数。内回路包括过程和普通线性反馈控制器。对象的输入信号x和输出信号y送入参数估计器，在线识别出其数学模型，参数调整机构根据辨识结果设计计算自校正控制规律和修改控制器参数，在对象参数受到干扰而发生变化时，控制系统性能仍保持或接近最优状态，这种系统应用较广泛。

二、解耦控制系统 1．系统的关联目前的现场实际中，生产装置往往不再是单一的回路控制，通常都需要设置若干个控制回路，才能对生产过程中的多个被控变量进行准确、稳定地控制。由于回路个数的增多，各控制回路之间就有可能存在某种程度的相互关联和影响，从而构成多输入多输出（MIMO）的耦合控制系统。

该系统中被控变量有两个，分别是塔顶温度T1 和塔底温度T2；操作变量也有两个，即加热蒸汽流量Q2和回流Q3。 T1C为塔顶温度控制器，其输出P1控制回流控制阀，控制塔顶的回流量，实现对塔顶温度T1的控制。 T2C为塔底温度控制器，其输出P2控制再沸器加热蒸汽控制阀，控制加热蒸汽流量Q2，实现对塔底温度T2的控制。耦合现象的产生。当塔顶温度T1稳定在给定值T1o上，如果某种干扰使塔底温度T2偏离给定值T2o，假设降低，那么T2C的输出P2必将发生变化，其结果是蒸汽控制阀开大，但是Q2的增加，又会导致T1升高。同理，当T1偏离T1o时，也会带动T2偏离其给定值T2o。这是两个变量相互耦合的情况，如果这种耦合严重，将影响到系统的正常运行。

2．相对增益 在多变量过程控制系统中，虽然变量间互相关联，然而总有一个操纵变量对某一被控变量的影响是最基本的，对其他被控变量的影响是次要的，这就是操纵变量与被控变量间的搭配关系，也就是常说的变量配对。相对增益便是用来衡量一个选定的操纵变量与其配对的被控变量间相互影响的尺度。它是相对于系统中其他操纵变量对该被控变量的影响来说的，又称其为相对放大倍数。

假设某一变量配对下的其他所有回路均为开环，找出该通道的开环增益；假设某一变量配对下的其他所有回路均为开环，找出该通道的开环增益；然后在所有其他回路都闭环的情况下，再找出该通道的开环增益。这两种情况下的开环增益之比就定义为该通道的相对增益。如果上述两种情况下所求的开环增益没有变化，就表明该通道与其他通道间不存在耦合。当两种情况下所求的开环增益不相同时，则说明了各通道间有耦合。从上述的定性分析可以看出，相对增益的值反映了某个控制通道作用的强弱和其他通道对它的耦合的强弱，因此，可作为选择控制通道和选择解耦措施的依据。

3．减少与消除耦合的途径 1）选择正确的变量配对 2）调整控制器参数 3）减少控制回路 4）串接解耦装置

三、专家系统 1．专家系统的基本构成专家系统是一种基于知识的系统，其内部存有大量关于某一领域的专家水平的知识和经验，具有解决专门问题的能力。专家系统的主要功能取决于大量的知识以及合理、完备的智能推理机构。

知识库可看作是一个存储器，它主要由规则库和数据库两部分构成。 规则库存储着作为专家经验的判断性知识，用于问题的推理和求解；数据库用于存储问题的状态、特性以及当前的条件等，供推理和解释机构使用。知识库通过“知识获取”机构与领域专家相联系，形成了专家系统与领域专家的人机接口。知识获取的过程，即实现了知识库的修正更新，知识条目的测试、精炼等。

2．专家系统的特点 专家系统通过移植到计算机内的相应知识，模拟人类专家的推理决策过程。这一人工智能处理方法与常规的软件程序相比，具有如下的显著特征： 1）专家系统是一种知识信息处理系统。 2）专家系统具有高度灵活的问题求解能力。 3）专家系统具有启发性和透明性。

四、模糊控制系统 模糊控制的思想是将操作人员长期的实践经验加以总结和描述，得到一种定性的控制规则，基于这些规则再进行模糊推理，从而得到控制输出。

四、模糊控制系统 由于对一个模糊控制来说，输入和输出都是精确的数值，而模糊控制原理是采用人的思维，也就是按语言规则进行推理，因此必须将输入数据变换成语言值，这个过程称为精确量的模糊化，然后进行推理及控制规则的形成，最后将推理所得结果变换成实际的一个精确的控制值，即清晰化。 2．模糊控制的几种方法 1）查表法 2）专用硬件模糊控制器 3）软件模糊推理法

五、纯滞后补偿控制系统 纯滞后是工业生产过程中经常需要考虑和面对的问题。附加纯滞后特性后，会使广义对象的可控程度明显降低。当广义对象的纯滞后时间与其时间常数之比超过0.5时，被称为大纯滞后过程，其难控程度随着滞后时间与整个动态过程时间之比的增加而增加。克服大纯滞后的方法史密斯预估补偿控制自适应史密斯预估补偿控制观测补偿器控制、采样控制、内部模型控制(IMC) 达林算法

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