约束和选择性控制 张建明 浙江大学智能系统与控制研究所

液氨蒸发器的单回路控制 如何保证液 氨不满罐? 两个目标，一个手段

主要内容 约束控制（超驰控制）问题 约束控制的方案设计 约束控制的防积分饱和 选择性控制

选择性控制又叫约束控制，也称超驰控制。 在大型生产工艺过程中，除了要求控制系统在生产 处于正常运行情况下能够克服外界干扰，维持生产的平 稳运行，当生产操作达到安全极限时，控制系统应有一 种应变能力，能采取一些相应的保护措施，促使生产操 作离开安全极限，返回到正常情况；或是使生产暂时停 下来，以防事故的发生或进一步扩大。 生产保护性措施 硬保护措施 软保护措施

硬保护措施就是当生产操作达到安全极限时，有声、光警报。此时，或是由操作工将控制器切到手动状态，进行手动操作和处理；或是通过专门设置的连锁保护电路实现自动停车，达到保护生产的目的。 软保护措施就是通过一个特定设计的选择性控制系统，在生 产短期内处于不正常情况时，既不使设备停车而又起到对生 产进行自动保护的目的。 正常情况下 异常情况下 控制方案A 控制方案B 正常 异常 生产操作必须具有一定的选择性逻辑关系。由自动选择器（高值选择器HS或低值选择器LS）或有关的切换装置（切换器、带控制接点的控制器或测量仪表）来完成.

举例1： 缓冲罐与流量控制回路 如何避免液位低于 hmin ?

约束控制的提出 特点：主要用于设备软保护，通常有两个以上的控制器，被控变量往往包括： 一个常规被控变量，需要进行定值控制； 一个区间约束变量，正常工况下无需控制，但一旦超出允许范围就需要及时加以调节，以防止事故的发生。 操纵变量只有一个，控制系统需要随时针对实际情况，选择某一个被控变量加以控制。

缓冲罐液位与流量控制 的兼顾问题 如何避免液位低于 hmin ?

试分析两控制器的正反作用，并比较正常操作情况下两控制器输出信号的大小。 控制方案#1 引入自动开关SW ? 试分析两控制器的正反作用，并比较正常操作情况下两控制器输出信号的大小。

控制方案 #2 LS: 低选器 （Low Selector） （1）试给出该约束控制系统的方块图 u(t) = min(u1, u2) 注意高选器、低选器的符号 选择器的性质只取决于异常工况控制回路 （1）试给出该约束控制系统的方块图

流量液位选择控制系统方块图 在选择调节器输出信号的连续型选择性控制系统中，一般具有两台连续型调节器，它们的输出通过一台选择器（高选器或低选器）后，送往调节阀。这两台调节器一台在正常情况下工作，一台在非正常情况下工作。

约束控制的防积分饱和 防积分饱和方法：当某一控制器起作用时，让另一备用控制器的输出跟踪起作用控制器的输出，从而避免备用控制器的积分累加。 在选择性控制系统中，某一时刻选择器只能选中两个调节器中的一个，并将该调节器的输出信号送往执行器，而未被选中的调节器则处于开环工作状态，如果这个调节器具有积分作用，且在偏差信号长期存在的条件下，就会产生积分饱和现象，其输出信号将会达到最大或最小的极限值。此时，如果它重新被选择器选中，需要对系统进行控制时，则并不能立即发挥控制作用。所以必须采取抗积分饱和措施。 防积分饱和方法：当某一控制器起作用时，让另一备用控制器的输出跟踪起作用控制器的输出，从而避免备用控制器的积分累加。

RFB：外部积分反馈 (external reset feedback） 流量液位约束控制方案 LS: 低选器 （Low Selector） u(t) = min(u1, u2) RFB：外部积分反馈 (external reset feedback）

约束控制中的抗积分饱和 讨论 正常工况下与液位过低情况下，该控制系统如何工作？ 特点分析：只有处于闭环条件下的控制器才有积分作用，而非活动控制器只是跟踪活动控制器的输出。

氨冷却器 单回路控制存在的问题 如何避免氨冷却器液位超过其上限?

氨冷却器工艺介质 出口温度的串级控制系统 注意： TC31的输出必须加以限幅，具体限幅值与工艺要求及LT25测量范围有关。 为什么？

液氨蒸发器的约束控制 控制器正反作用的选择； 选择器(低选器LS或高选器HS)的选择。 注意高选器、低选器的符号 选择器的性质只取决于异常工况控制回路

①为了防止气氨带液进入氨压缩机后危及氨压缩机的安全， 调节阀应选择气开式。这样一旦调节阀失去能源(即断气), 调节阀处于关闭状态，不致使液位不断上升。 ②温度对象:μ↑→θ↓为“-”；调节阀：气开为“+”；TC“正作用” 液位对象:μ↑→L↑为“+”；调节阀：气开为“+”；LC“反作用” ③物料出口温度是工艺的操作指标。温度调节器TC是正常 情况下工作的调节器，应该选择PID控制规律。 液位调节器为非正常情况下工作的调节器，为了在液位上 升到安全限度时，液位调节器能迅速地投入工作，液位调 节器应选为窄比例式的。 ④当液位大于上限值时，LC输出为低信号，选择器应为“低选器”。

氨冷却器工艺介质 出口温度的约束控制方案 讨论 控制方块图 控制器正反作用选择 选择器能否选择高选器？ 抗积分饱和措施

氨冷却器工艺介质 出口温度单回路控制仿真

单回路控制仿真结果

氨冷却器出口温度 （带RFB）约束控制系统仿真

带RBF的约束控制系统仿真

绿油塔液位与脱丙烷塔进料选择性控制系统 正常情况:绿油塔液位L 高于给定值LS,FC工作 ----进料流量控制系统 非正常情况:绿油塔液位L 窄比例 正作用 PI 反作用 正常情况:绿油塔液位L 高于给定值LS,FC工作 ----进料流量控制系统 非正常情况:绿油塔液位L 低于下限值LS,LC工作 ----绿油塔液位控制系统

锅炉燃烧系统蒸汽压力与燃料气压力选择性控制系统 正常情况:燃料气压力 低于脱火压力,P1C工作 ----蒸汽压力控制系统 非正常情况:燃料气压力 高于脱火压力, P2C工作 ----燃料气压力控制系统 窄比例 防止脱火

锅炉空燃比控制方案 要求：空气/燃料比值稳态时基本不变，动态时空气富裕

锅炉燃烧系统的双交叉控制 双交叉控制 手动调节空燃比值 分析其工作原理 蒸汽用量增加或减少时，控制系统的响应过程 两套连续型选择性控制系统，共同完成提负荷时先提空气量后提燃料量，而降负荷时则先降燃料量后降空气量，从而实现具有逻辑提量功能的比值控制系统。

选择控制 特点：被控变量类型相同，通常只有一个控制器，与单回路控制相近，只是控制器输入由多个测量信号选择得到。 反应器热点温度（最高温度）可能随着催化剂的老化、变质和流动而改变位置，因此在反应器内数个不同地方同时测量温度，选择最高的温度作为热点温度进行控制。 对于选择变送器输出信号的连续型选择性控制系统，至少需采用两个或两个以上的变送器，且变送器的输出信号均送入选择器，选择器选择符合要求的信号送至调节器，实现控制功能。

选择性控制系统的设计 调节阀开、闭形式选择 根据生产安全要求选择调节阀的开、闭形式 调节器规律及正、反作用选择 根据对象的特性和控制的要求，选择调节器的控制规律 及正、反作用 选择器类型的选择 根据调节器的正、反作用和选择性控制系统设置的目的， 确定选择器的类型

控制规律选择： 正常情况下工作的控制器，应选PI或PID 非正常情况工作的控制器，应选窄比例式（KC很大） 选择器类型的选择： 根据生产处于不正常情况下、非正常情况调节器的输出 信号高、低来确定；如果在这种情况下它的输出为高信号， 则应选高选器；如果在这种情况下它的输出为低信号，则应 选低选器。