程序控制

進階控制系統(串級控制、多環路控制、選擇性控制、凌駕控制)

程序控制程序控制

進階控制系統進階控制系統((串級控制、多環路控制、串級控制、多環路控制、選擇性控制、凌駕控制選擇性控制、凌駕控制))

迴饋控制• 傳統迴饋控制之缺點：當有負荷干擾發生時，控制

動作在程序變數偏離設定點之後才會開始 (程序受影響之後才開始控制動作)

• 範例：火爐之溫度控制

負荷干擾 :Oil flow rate

Cold oil temperature

� 控制控制控制控制OK

負荷干擾 :fuel gas supply pressure

� fuel gas flow

� 應答緩慢應答緩慢應答緩慢應答緩慢

Example: Temperature control of tanks in series

Disturbance

負荷干擾: Fa, Ta � 應答緩慢應答緩慢應答緩慢應答緩慢

串級控制 (Cascade Control)

• 串級控制：加入第二個量測點以及控制器，此第二量測變數對於負荷干擾之反應必須比原本之程序變數快

主主主主(外外外外)環路環路環路環路

次次次次(內內內內)環路環路環路環路

主控制器

次控制器

Disturbance: fuel gas supply pressure � fuel gas flow

�應答快速應答快速應答快速應答快速

Set-point

• Cascade control: a primary control loop (TT1 and TC1) and a

secondary control loop (TT2 and TC2)

控制動作在擾動顯著影響程序前即開始控制動作在擾動顯著影響程序前即開始控制動作在擾動顯著影響程序前即開始控制動作在擾動顯著影響程序前即開始

串級控制範例• 反應器溫度串級控制 (冷卻水進料溫度之干擾)

in

Coolingwaterout

主控制器

次控制器

串級控制之架構• 主控制器之輸出訊號當成次控制器之設定點

• 串級控制可大幅改善干擾 D2 發生時之應答，但對於干擾 D1 以及設定點改變之應答改善程度則有限

1 : 主環路2 : 次環路

串級控制器之設計

• 次控制器通常使用 P 或 PI 控制器，主控制器通常使用 PI 或 PID 控制器

• 先調諧次控制器 (此時主環路為開環)，後調諧主控制器 (此時次環路為閉環)

• 控制器應設計使次環路之動態應答快於主環路之動態應答，才能發揮串級控制之效果

Step 1 : 調諧次控制器 Gc2

Step 2 : 調諧主控制器 Gc1

串級控制應答範例

( )( )1 2

1 22 1

5 4 11 4 1 2 1

11 0.05 0.23 1

v p p

m md d

G G Gs s s

G G G Gs

= = =+ + +

= = = =+

主控制器：PI次控制器：P

Disturbance D2 Disturbance D1

多重輸入多重輸出程序Multi-Input, Multi-Output (MIMO) Process

• 控制系統含有一個控制變數與一個操作變數

� single-input, single output (SISO) 控制問題

• 在實際控制問題中，通常有多個程序變數需要被控制，同時亦有多個變數可當成操作變數

� MIMO 控制問題

例如：產品之品質與產量通常需要同時被控制

SISO 與 MIMO 控制

• MIMO 控制問題中存在著程序之交互作用交互作用交互作用交互作用 (process

interactions)：每個操作變數會影響所有的控制變數

SISO

MIMO

多環路控制 (Multi-Loop Control)

• 多環路控制多環路控制多環路控制多環路控制 (Multi-loop control): 每個操作變數只與一

個控制變數有關 (多個傳統 SISO 迴饋控制器)

• 多變數控制多變數控制多變數控制多變數控制 (Multivariable Control): 每個操作變數與多個控制變數有關

2x2多環路控制多環路控制多環路控制多環路控制粗線部分即代表程序之交互作用

需要進行配對1-1/2-2 or

1-2/2-1

蒸餾塔控制系統• 控制變數控制變數控制變數控制變數 ::::

• 操作變數操作變數操作變數操作變數 ::::

塔頂流量

塔頂濃度

塔底流量塔底濃度

塔壓

累積器液位

塔底液位 回流流量塔底加熱量

塔頂移熱量

可能之配對個數可能之配對個數可能之配對個數可能之配對個數

= 5! = 120

, , , ,D B D Bx x P h h

, , , ,D BD B R Q Q

AC1

AC2

PC

LC1

LC2

蒸餾塔控制系統• 常見之配對方式為

→→

→→

→D

B

B

B

D

D

D

Q

R

Q

h

P

B

x

h

x

蒸餾塔控制系統• 濃度控制通常用溫度控制取代

• 程序之交互作用

Selective Control (選擇性控制選擇性控制選擇性控制選擇性控制) &

Override Control (凌駕控制凌駕控制凌駕控制凌駕控制)

• For every controlled variable, it is very desirable that

there be at least one manipulated variable.

• But for some applications,

NC > NM

where:

NC = number of controlled variables

NM = number of manipulated variables

• Solution: Use a selective control system or an override.

( )C MN N≠

• Low selector:

• High selector:

• Median selector:

• The output, Z, is the median of an odd number of inputs

• Selectors are used to improve the control performance as well

as to protect equipment from unsafe operating conditions.

Selectors

(useful when redundant sensors are used to measure a single process variable)

• multiple measurements

• one controller

• one final control element

Example: High Selector Control System

Control of a reactor hotspot temperature

Determine the hotspot temperature

反應器的熱點 (Hot Spot) 溫度控制

大部份化學程序工業中的控制環路都利用串級控制架構之流量控制器串級控制架構之流量控制器串級控制架構之流量控制器串級控制架構之流量控制器

Overrides

• An override is a special case of a selective control system

• One of the inputs is a numerical value, a limit.

• Used when it is desirable to limit the value of a signal (e.g., a controller output).

Temperature control of a heater

for safety

2 measurements, 2 controllers,

1 final control element

A selective control system to handle a sand/water slurry(regulate the level and exit flow rate)

Keep flow rate above

its minimum valueFC

Block Diagram for the Selective Control Loop

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