项目九-复杂控制系统.ppt

项目九复杂控制系统主讲人 徐立飞 感恩 阳光 严谨 责任 贵州应用技术职业学院 本章要点 1 了解串级控制系统的应用背景 熟悉串级控制系统的典型结构与特点 2 掌握串级控制系统的设计方法 熟悉串级控制系统的参数整定方法 3 了解前馈控制的原理及使用场合 4 掌握前馈补偿器的设计方法 熟悉前馈 反馈复合控制的特点及工业应用 复杂控制系统包含了哪些 你知道吗 任务一串级控制系统 主变量 工艺控制指标 在串级控制系统中起主导作用的被控变量 1 任务一串级控制系统 主对象 为主变量表征其特性的生产设备 副对象 为副变量表征其特性的工艺生产设备 主控制器 按主变量的测量值与给定值而工作 其输出作为副变量给定值的那个控制器 副变量 串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量 任务一串级控制系统 主回路 由主变量的测量变送装置 主 副控制器 执行器和主 副对象构成的外回路 副回路 由副变量的测量变送装置 副控制器执行器和副对象所构成的内回路 其给定值来自主控制器的输出 并按副变量的测量值与给定值的偏差而工作的那个控制器 副控制器 看图说话 连续反应釜温度控制示意图 物料自顶部连续进入釜中 经反应后由底部排出 反应产生的热量由夹套中的冷却水带走 为保证产品质量 对反应温度T1要进行严格控制 工艺要求 被控过程有三个热容积 即夹套中的冷却水 釜壁和釜中物料 选取冷却水流量为调节参数 构成单回路控制系统 引起温度T1变化的干扰因素有 进料方面有进料流量 进料入口温度和化学组成 用F1表示 冷却水方面有水的入口温度和阀前压力 用F2表示 问题 过渡过程时间长 调节不及时 将两个调节器串联在一起工作 各自完成不同任务的系统结构 就是串级控制的基本思想 根据这一构思 反应釜温度串级控制示意图为 管式加热炉温度控制 锅炉主蒸汽温度控制 串级控制系统的一般结构框图 主回路 定值控制副回路 随动控制 副回路 主回路 副对象 由副控变量表征其主要特性的生产设备 如上例中载热体流量检测点到控制阀之间的管道 主控制器 按主控变量的测量值与工艺规定值 即设定值y10 之间的偏差工作 其输出作为副控制器的设定值 在系统中起主导作用 如上例中的TC 副控制器 按副控变量的测量值与主控制器来的设定值之间的偏差工作 其输出直接操纵执行器 如上例中的FC 主回路 由主对象 主测量变送器 主控制器 副控制器 控制阀及副对象构成的外回路 亦称外环或主环 副回路 由副对象 副测量变送器 副控制器及控制阀构成的回路 亦称内环或副环 主控 变 量 指工艺控制指标 是在串级控制系统中起主导作用的被控量y1 即上例中的冷流体出口温度T10 副控 变 量 指为了稳定主控变量或某种需要引入的辅助变量y2 如上例中的载热体流量F2 主对象 由主控变量表征其主要特性的生产设备 如上例中的换热器以及从控制阀到冷流体出口温度检测点之间的所有管道 2串级控制系统的特点 对于同一对象 单回路控制 串级控制 串级控制 副回路 粗调 主回路 细调 综上所述 串级控制系统的主要特点有 1 改善了对象特征 起了超前控制作用 2 能改善对象的动态特性 提高了工作效率 3 提高了控制器总放大倍数 增强了抗干扰能力 4 具有一定的自适应能力 适应负荷和操作条件的变化 结论 副回路改善了动特性 提高了响应速度和工作频率 当主 副时间常数比值一定 副调节器的比例系数越大 工作频率越高 同样 当比例系数一定 主 副时间常数比值越大 工作频率也越高 其结果使振荡周期缩短 提高了系统的控制质量 3串级控制系统的适用范围 适用于容量滞后较大的过程选容量滞后较小的辅助变量 组成副回路以减小时间常数 提高工作频率 加热炉温度串级控制系统 适用于纯滞后较大的过程 仿丝胶液压力与压力串级控制系统 工艺要求 过滤前的压力稳定在250KPa特点 距离长 纯滞后时间长 在离调节阀较近 纯时延较小的地方 选择一个辅助参数作为副参数 构成一个纯滞后较小的副回路 计量泵 应用于干扰变化剧烈 幅度大的过程 工艺要求 汽包液位控制特点 快装锅炉容量小 蒸汽流量与水压变化频繁 激烈 三冲量液位串级控制 快装锅炉三冲量液位串级控制 应用于参数互相关联的过程 常压塔塔顶出口温度和一线温度串级控制 同一种介质控制两种参数单回路控制 两套装置 不经济又无法工作 应用于非线性过程 合成反应器温度串级控制 换热器呈非线性特性 特点 负荷或操作条件改变导致过程特性改变 若单回路控制 需随时改变调节器整定参数以保证系统的衰减率不变 串级控制 则可自动调整副调节器的给定值 4串级控制系统的设计 副回路的设计与副参数的选择2 主 副调节器调节规律的选择3 主 副调节器正 反作用方式的选择 问题 副参数如何选择 主 副回路的联系 调节器如何选择 正 反作用如何选择 副回路的设计与副参数的选择 选择原则 1 副参数要物理可测 副对象的时间常数要小 纯滞后时间应尽可能短 2 副回路应尽可能多地包含变化频繁 幅度大的干扰 但也不是越多越好 a 燃料油压力为主要干扰 b 燃料油粘度 成分 热值 处理量为主要干扰 3 主 副被控过程的时间常数要适当匹配 当串级控制与单回路控制的阻尼系数相等时 有 主 副被控过程的时间常数的比值不能太大也不能太小 应适当匹配 结论 为使主 副回路之间的动态联系较小 避免引起系统共振 通常选择时间常数的比值在3 10范围内为宜 使 4 应综合考虑控制质量和经济性要求 冷剂液位为副参数 投资少 控制质量不高 冷剂蒸发压力为副参数 投资多 但副回路比较灵敏 控制质量较高 选择应视具体情况而定 2 主 副调节器调节规律的选择 主调 定值控制 副调 随动控制 主被控参数是工艺操作的主要指标 允许波动的范围很小 一般要求无静差 因此 主调节器应选PI或PID调节规律 副被控参数允许有静差 P 一般不引入PI 当选流量为副参数时 为保稳定 P较大 可引入积分 即采用PI 以增强控制作用 一般不引入微分 否则会使调节阀动作过大或过于频繁 对控制不利 3 主 副调节器正 反作用方式的选择 选择步骤 工艺要求 调节阀的气开 气关 副调节器的正 反作用 主 副过程的正 反作用 主调节器的正 反作用 示例 燃油阀气开 副对象为正过程 副调为反作用调节器 主对象也为正过程 主调为反作用调节器 5串级控制系统的参数整定 整定原则 尽量加大副调节器的增益 提高副回路的频率 使主 副回路的频率错开 以减少相互影响 1 逐步逼近整定法 1 主开环 副闭环 整定副调的参数 记为 2 副回路等效成一个环节 闭合主回路 整定主调节器参数 记为 3 观察过渡过程曲线 满足要求 所求调节器参数即为 否则 再整定副调节器参数 记为 反复进行 满意为止 该方法适用于主 副过程时常相差不大 主 副回路动态联系密切 需反复进行 费时较多 2 两步整定法 1 主 副闭合 主调为比例 比例度为100 先用4 1衰减曲线法整定副调节器的参数 求得比例度 2S和振荡周期T2S 2 副调节器比例度置 2S 整定主调参数 求得主回路在4 1衰减比下的比例度 1S和振荡周期T1S 根据两种情况下的比例度和振荡周期 按经验公式求出主 副调节器的积分时间和微分时间 然后再按先副后主 先比例后积分再微分的次序投入运行 观察曲线 适当调整 满意为止 3 一步整定法 1 根据经验确定副调节器比例度 2 按单回路系统整定方法直接整定主调节器参数 3 观察曲线 在约束条件下 适当调整主 副调节器的参数 满意为止 思路 先根据副过程特性或经验确定副调节器的参数 然后一步完成主调节器参数的整定 理论依据 主 副调节器的放大系数在一定范围内可以任意匹配 即在的条件下 当主 副过程特性一定时 为一常数 4 应用举例硝酸生产用氧化炉 主参数 炉温 PI调节 副参数 氨气流量 P调节 主 副动态联系小 两步整定法 为100 1 2 副调置于32 得主调的 3 运用计算公式得 任务二比值控制系统 教学进程 比值控制系统 实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统流量比值较多 流量比值控制系统 1 比值控制系统的类型 按结构分类 开环和闭环比值控制系统 按实施方案分类 相乘和相除方案 按比值分类 定比值和变比值控制方案 按控制原理 属于前馈控制系统 1 比值控制系统的类型 1 1 开环比值控制系统 a 原理图 b 方块图 1 开环比值控制系统 本质 整个控制系统处于开环状态 F2流量根据F1流量 按比例系数开闭阀门 场合 这种方案应用较少 优点 简单 仪表少 缺点 系统开环 F2波动时比值难以保证 2 单闭环比值控制系统 在开环比值控制系统的基础上 增加了一个副流量的闭环控制系统 从方块图上看 与串级控制系统的结构相似 只是主参数没有闭环 F2不影响F1主流量变化 改变副流量控制器给定值 随动控制 副流量系统闭环 稳定副流量 定值控制 2 单闭环比值控制系统 任务三 前馈控制系统 1前馈控制的基本概念 以下介绍两个反馈控制实例 问题的提出 反馈控制系统控制滞后 不及时 为了改变反馈控制不及时的状况及不稳定的内在因素 提出了前馈控制理论 前馈控制是按照干扰作用的大小进行控制的 如控制作用恰到好处 一般比反馈控制要及时 前馈控制与反馈控制的比较 前馈控制又称为扰动控制 它与反馈控制原理完全不同 它是按引起被控变量变化的干扰大小进行控制的 在这种系统中 要直接测量负载干扰量的变化 当干扰刚刚出现而能测出时 调节器就发出调节信号 使操纵变量作相应变化 使两者 干扰与操纵变量 抵消于被控变量发生偏差之前 因此 前馈控制对干扰的克服比反馈控制要快 前馈控制概念 组成及原理 特点及局限性 特点 前馈控制是一种开环控制 前馈控制按干扰大小进行补偿 前馈控制的调节规律不同于常规PID调节规律 前馈控制只能抑制可测不可控的干扰对被控变量的影响 局限性 不可能针对每一个干扰都设计并应用一套独立的前馈控制系统 对不可测的干扰无法实现前馈控制 前馈控制调节规律难以实现 2前馈控制系统的主要形式 2 1单纯前馈控制系统 换热器温度控制 锅炉汽包液位控制 前馈控制一般不单独使用 因为达不到预期效果 实际上常与反馈控制混合使用 即组成前馈 反馈控制系统 2 2前馈 反馈控制系统 换热器温度控制 锅炉汽包液位控制 2 5引入前馈的原则及应用实例 2 引入前馈控制的原则 1 系统存在频率高 幅值大 可测不可控的干扰 反馈控制难以克服 控制要求高时 2 控制通道时常大于干扰通道时常 反馈控制不及时 控制质量差 4 尽可能采用静态补偿而不采用动态补偿 3 主要干扰无法用串级控制使其包含于副回路或副回路滞后过大时 任务三前馈控制系统 3 前馈控制的应用场合 1 干扰幅值大而频繁 对被控变量影响剧烈 仅采用反馈控制达不到要求的对象 2 主要干扰是可测而不可控的变量 3 当对象的控制通道滞后大 反馈控制不及时 控制质量差 可采用前馈或前馈 反馈控制系统 以提高控制质量 2 复合控制系统应用实例 1 蒸发过程的浓度控制 50 73 葡萄糖液被控参数 溶液沸点和水沸点之温差影响温差的主要因素 进料溶液浓度 温度 流量 加热蒸汽压力 流量等 方案 进料 2 锅炉汽包水位控制 被控参数 汽包水位影响因素 蒸汽用量 不可控 给水流量 选为控制参数 解决方案 蒸汽流量为前馈信号 给水流量为副参数 水位为主参数 前馈 反馈串级控制 问题 虚假水位 影响控制效果 任务四均匀控制系统 一 概述及特点 均匀控制系统 以控制方案所起作用而言 因为从结构上无法看出它与简单控制系统和串级控制系统的区别 均匀控制系统应具有如下特点 1 允许表征前后供求矛盾的两个变量在一定范围内变化 2 又要保证它们的变化不过于剧烈 均匀控制系统是通过控制器的参数整定来实现 二 均匀控制原理 以图9 8所示的双塔系统为例 甲塔的液位需要稳定 乙塔的进料也需要稳定 这两个要求是相互矛盾的 为了实现甲塔的液位稳定 设计了液位控制系统 其操纵变量是该塔的出料流量 因此 该变量必然要变化 而该变量又是乙塔进料 因此 乙塔进料必然要变化 若增设进料流量控制系统 又要影响到甲塔的液位控制 图9 8相互冲突的控制系统 二 均匀控制原理 以图9 8所示的双塔系统为例 甲塔的液位需要稳定 乙塔的进料也需要稳定 这两个要求是相互矛盾的 为了实现甲塔的液位稳定 设计了液位控制系统 其操纵变量是该塔的出料流量 因此 该变量必然要变化 而该变量又是乙塔进料 因此 乙塔进料必然要变化 若增设进料流量控制系统 又要影响到甲塔的液位控制 解决方案 1 在甲 乙两塔间增加中间储罐 但这样导致流程复杂 投资增加等 而且有些工艺由于连续性要求 不允许增设中间储罐 2 冲突双方各自降低要求 以求共存 均匀控制体现了这种思想 由于冲突双方降低了要求 如允许液位和流量在一定范围内波动 就可以采用均匀控制 图9 9控制目标的调整 a 为无法实现的两个控制目标 b 为调整后体现均匀控制思想的可以实现的控制目标 采用均匀控制后 若有扰动使液位升高 不是立刻充分地进行调节使得液位几乎不变 而是允许液位有一定幅度的上升 同时 在液位控制系统作用下 流量也将会适当地增加 来分担液位受到的扰动 而当流量受到扰动后 液位也分担流量受到的扰动 即 均匀 地互相帮助 三 均匀控制的实现方案 1 简单均匀控制系统如图9 10所示 从结构上看 该控制系统与简单控制一样 均匀 主要体现在控制器参数整定时 要按照均匀控制思想进行 通常采用纯比例控制器 且比例度放在较大的数值上 同时观察两个被控变量的过渡过程来调整比例度 为了防止液位超限 可以引入弱积分作用 但微分作用与均匀控制思想矛盾 不能采用 图9 10简单均匀控制系统 2 串级均匀控制系统上述简单均匀控制虽然结构简单 实现方便 但存在问题 对于压力扰动反应不及时 当系统自衡能力较强时 控制效果较差 解决方法 串级均匀控制 如图9 11所示 图9 11串级均匀控制系统 从结构上看 串级均匀控制与液位 流量串级控制系统完全一样 副控制器中副变量的控制要求不高 而这与均匀控制的要求相似 该系统中 副环用来克服塔压变化 主环中 不对主变量提出严格的要求 采用纯比例 一般不用积分 整定控制器参数时 主副控制器都采用比例控制 比例度都较大 整定时主要看主 副变量能否 均匀 地得到控制 而不是要求它们的过渡过程呈某衰减比 任务五分程控制系统 一 概述 一台控制器的输出可以同时控制两台甚至两台以上的控制阀 控制器的输出信号被分割成若干个信号范围段 由每一段信号去控制一台控制阀 称为分程控制系统 图7 35分程控制系统方块图 任务五分程控制系统 就控制阀的开 关形式分类 两个控制阀同向动作 即随着控制器输出信号 即阀压 的增大或减小 两控制阀都开大或关小 两个控制阀异向动作 即随着控制器输出信号的增大或减小 一个控制阀开大 另一个控制阀则关小 任务五分程控制系统 图7 37