吉林大学过程控制10提高控制品质控制

1、1 吉林大学通信学院吉林大学通信学院2串级控制系统串级控制系统3串级控制系统串级控制系统4v 主被控变量主被控变量：工艺控制指标，在串级控制系统中起主导作用的被：工艺控制指标，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。控变量。v 副被控变量副被控变量：串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要而引：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。入的辅助变量。v 主被控过程（主对象）：主回路包含的过程。主被控过程（主对象）：主回路包含的过程。v 副被控过程（副对象）：由副被控变量为输出的过程。副被控过程（副对象）：由副被控变量为输出的过程。串级控制系统串级控制系统5 主控制器主控制器：按主

2、变量的测量值与给定值而工作，其输出作为副变：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。量给定值的那个控制器。v 副控制器副控制器：其给定值来自主控制器的输出，并按副变量的测量值：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。与给定值的偏差而工作的那个控制器。v 主回路主回路：由主变量的测量变送装置，主、副控制器，执行器和主、：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。副对象构成的外回路。主回路是个定值控制系统主回路是个定值控制系统v 副回路副回路：由副变量的测量变送装置，副控制器执行器和副对象所：由副变量的

3、测量变送装置，副控制器执行器和副对象所构成的内回路。构成的内回路。副回路是个随动系统副回路是个随动系统串级控制系统串级控制系统6一次扰动一次扰动：作用在主回路，不包括副回路。（加热物料变化）：作用在主回路，不包括副回路。（加热物料变化）二次扰动二次扰动：作用在副回路，不包括主回路。（燃烧值；烟囱抽力）：作用在副回路，不包括主回路。（燃烧值；烟囱抽力）二次扰动二次扰动一次扰动一次扰动串级控制系统串级控制系统7 串级控制系统的控制效果串级控制系统的控制效果1.1.能迅速克服二次干扰能迅速克服二次干扰 202*02220221cvmYsGsGsFsGs Gs Gs Gs8 串级控制系统的控制效果串级

4、控制系统的控制效果1.1.能迅速克服二次干扰能迅速克服二次干扰 1120201112020111ccvccvmY sGs Gs Gs Gs GsXsGs Gs Gs Gs Gs Gs *10201*212020111ccvmY sGs GsFsGs Gs Gs Gs Gs Gs9 控制能力和抗干扰能力综合定义为控制能力和抗干扰能力综合定义为：111212ccvYsXsKKKYsFs sGsGsGsFsYsXsYvcc21211122( )CCGsK( )VVGsK10 sGsGsGsGsGsGsGsGsGsXsYmvcvc101020102111 sGsGsGsGsGsGsFsYmvc1020

5、102211 控制能力和抗干扰控制能力和抗干扰能力综合：能力综合： sGsGsFsYsXsYvc2111( )CCGsK( )VVGsK 1112cvYsXsK KYsFs12CCCK KK一般情况下有：一般情况下有：结论结论：迅速克服进入副回路的扰动，减少对主参数影响，提高了控制质量迅速克服进入副回路的扰动，减少对主参数影响，提高了控制质量112.2.能改善控制通道的动态特性，提高控制质量能改善控制通道的动态特性，提高控制质量 22020220222022( ) ( )( )1cvcvcvmY sG s G s G sGsG s G s G sX sG s G s G s Gs0202022

6、222( )1 ,( ),( ),( )ccvvmmGsKT sGsKGsKGsK2020202220202202220202020222021( )111111cvcvmcvcvmcvmK K KT sGsK K KKT sK K KK K KKKTT ssK K KK0202TT结论：等效时间常数减小，响应速度加快；控制及时结论：等效时间常数减小，响应速度加快；控制及时12串级系统的特征方程为：串级系统的特征方程为： 10201110cmGs Gs Gs Gs 0101011102110202/1 ,( )1ccmmGsKT sGsKKGsKGsT s10201102011/110cmK

7、KK KT sT s20102120110102010210ccmTTKKKKssT TT T01020010221020110010221cmTTT TKKKKT T220020ss13串级控制系统的工作频率为：串级控制系统的工作频率为：02100201220211TTTT串对同一过程，采用单回路控制方案，用同样的分析方法，可得：对同一过程，采用单回路控制方案，用同样的分析方法，可得：020102012 2 0211TTTT单若两种方案的阻尼系数相同，则有：02010201020102010201020111TTTTTTTTTTTT单串02010201TTTT单串14结论：结论：副回路改善了

8、动特性、提高了响应速度和工作频率；当主、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。振荡周期缩短，提高了系统的控制质量。4 4 能适应负荷和操作条件的剧烈变化能适应负荷和操作条件的剧烈变化副回路的等效放大系数为：副回路的等效放大系数为：2020220221cvcvmKK KKKK K K202202

9、1cvmKk K KK几乎不变2）能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速反应能力；）能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速反应能力；3）对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的适应能力。）对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的适应能力。综上所述，串级控制系统的主要特点有：综上所述，串级控制系统的主要特点有：1）对进入副回路的干扰有很强的抑制能力；）对进入副回路的干扰有很强的抑制能力；15串级控制系统的适用范围串级控制系统的适用范围1. 1. 适用于容量滞后较大的过程：适用于容量滞后较大的过程：选容量滞后较小的选容量滞后较小的辅助变量辅助变量，减小，减小时常，提高频率。时常，提高频

10、率。2.2. 适用于纯滞后较大的过程：适用于纯滞后较大的过程：在调节阀近纯时延小的地方选取在调节阀近纯时延小的地方选取副副参数参数，构成时延小的，构成时延小的副回路副回路。在。在大时延主过程前减小干扰影响。大时延主过程前减小干扰影响。工艺要求：过滤前的压力稳定在工艺要求：过滤前的压力稳定在250kPa;250kPa;特点：距离长，纯滞后特点：距离长，纯滞后时间长。时间长。仿丝胶液压力与压力串仿丝胶液压力与压力串级控制。级控制。16串级控制系统的适用范围串级控制系统的适用范围3.3. 适用于干扰变化剧烈、幅度适用于干扰变化剧烈、幅度大的过程：大的过程：将变化激烈且幅度大扰动包括将变化激烈且幅度大

11、扰动包括在副回路内。在副回路内。工艺要求：汽包液位控制，特工艺要求：汽包液位控制，特点：快装锅炉容量小，蒸汽点：快装锅炉容量小，蒸汽流量与水压变化频繁、激烈流量与水压变化频繁、激烈三冲量液位串级控制。三冲量液位串级控制。17同一种介质控制两种参数同一种介质控制两种参数单回路控制：两套装置，不经济又无法工单回路控制：两套装置，不经济又无法工作；作；常压塔塔顶出口温度和一线温度串级控制。常压塔塔顶出口温度和一线温度串级控制。4. 4. 适用于参数互相关联的过程适用于参数互相关联的过程185. 5. 适用于非线性过程适用于非线性过程特点：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

12、时改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。节器的给定值。合成反应器温度串级控制：合成反应器温度串级控制：换热器换热器呈非线性特性呈非线性特性注意：注意：串级控制虽然应用范围广，但必须根据具体情况，充分利用优点，才能收串级控制虽然应用范围广，但必须根据具体情况，充分利用优点，才能收到预期的效果。到预期的效果。19a）燃料油压力为主要干扰；b）燃料油粘度、成分、热值、处理量为主要干扰主要扰动不同控制方案不同1. 1. 副回路的设计与

13、副参数的选择副回路的设计与副参数的选择选择原则：选择原则：（1 1）副参数要物理可测、副对象的时间常数要小、纯滞后时间要尽可能短。副参数要物理可测、副对象的时间常数要小、纯滞后时间要尽可能短。（2） 副回路要尽可能多地包含变化频繁、幅度大的干扰，但也不能越多越好。副回路要尽可能多地包含变化频繁、幅度大的干扰，但也不能越多越好。2020221cvmK K K K假设 （3 3）主、副过程的时间常数要适当匹配主、副过程的时间常数要适当匹配. .2022010201020102010211/1/1/1/cvmK K K KTTTTTTTT串单当串级控制与单回路控制的阻尼系数相等时，有当串级控制与单回

14、路控制的阻尼系数相等时，有副回路副回路 小些小些 快速性，快速性， 过小过小 太大。太大。为常量作图为常量作图02T02T0201/TT时常的比值在时常的比值在310范围内选择范围内选择0201/TT02T01T21（4 4）应综合考虑控制质量和经济性要求应综合考虑控制质量和经济性要求a)a) 冷剂液位为副参数，投资少，控制质量不高；冷剂液位为副参数，投资少，控制质量不高；b)b) 冷剂蒸发压力为副参冷剂蒸发压力为副参数，投资多，控制质量较高。选择应视具体情况而定。数，投资多，控制质量较高。选择应视具体情况而定。22串级控制系统参数的选择串级控制系统参数的选择a)a) 可控良好的作为控制参数；

15、可控良好的作为控制参数；b)b) 控制参数须使控制通道有足够大的放大系数，大于扰动通道的放大系数控制参数须使控制通道有足够大的放大系数，大于扰动通道的放大系数 c)c) 控制参数须使控制通道有足够大的灵敏度控制参数须使控制通道有足够大的灵敏度d)d) 考虑经济性和工艺合理性。考虑经济性和工艺合理性。主调主调：定值控制；：定值控制；副调副调：随动控制。：随动控制。副被控参数允许副被控参数允许有静差有静差P P, ,不引入不引入PIPI；流量控制时，为保稳定，流量控制时，为保稳定，P P选较小时，比例控制较弱，可引入积分；选较小时，比例控制较弱，可引入积分；不引入微分不引入微分。主被控参数要主被控

16、参数要无静差无静差PI,PIDPI,PID调节；调节； 主、副调节器调节规律的选择23 主、副调节器正、反作用方式的选择（开环放大系数为正）主、副调节器正、反作用方式的选择（开环放大系数为正）选择步骤选择步骤：工艺要求：工艺要求调节阀的气开、气关调节阀的气开、气关副调节器的正、反作用副调节器的正、反作用主、主、副过程的正、反作用副过程的正、反作用主调节器的正、反作用。主调节器的正、反作用。燃油阀气开（燃油阀气开（正正），），副对象为正过程（副对象为正过程（正正），），副调为反作用调节器副调为反作用调节器（正正） ；主对象也为正过程主对象也为正过程（正正） ，主调为反作用调节器主调为反作用调节器

17、（正正）24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01011GGC1.求串级特征方程D1(S)=0，视为单回路特征方程,特征方程变为2.特征方程转化为主副调节器的整定是相互关联的。主回路有较高的控制精度01022GGC按单回路整定副控制器进而整定GC1(S)参数。25串级控制系统的参数整定1. 1. 逐步逼近整定法逐步逼近整定法1 1） 主开环、副闭环，整定副调的参数；记为主开环、副闭环，整定副调的参数；记为12( )CGs2) 2) 副回路等效成一个环节，闭合主回路，整定主调节器参数，记为副回路等效成一个环节，闭合主

18、回路，整定主调节器参数，记为11( )CGs3 3）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即为为11( )CGs12( )CGs否则，再整定副调节器参数，记为否则，再整定副调节器参数，记为22( )CGs。反复进行，满意为止。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，费时较多复进行，费时较多26串级控制系统的参数整定2. 2. 两步整定法两步整定法( (适用于主、副过程时常相差大适用于主、副过程时常相差大) )1 1）工况稳定，主、

19、副闭合，主调为比例工况稳定，主、副闭合，主调为比例, ,比例度为百分之一百，先用比例度为百分之一百，先用4 4比比1 1衰衰减曲线法整定副调节器的参数，求得副回路比例度和操作周期；减曲线法整定副调节器的参数，求得副回路比例度和操作周期；2)2)等效副回路，视为主回路一环节，整定主调参数，求得主回路在等效副回路，视为主回路一环节，整定主调参数，求得主回路在4 4比比1 1衰减比衰减比下的比例度和操作周期；下的比例度和操作周期；根据两种情况下的比例度和操作周期，按经验公式求出主、副调节器的积分根据两种情况下的比例度和操作周期，按经验公式求出主、副调节器的积分时间和微分时间，时间和微分时间，然后再按

20、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。调整，满意为止。先整定副参数，再整定主参数273. 3. 一步整定法一步整定法思路：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的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的参数的整定。参数的整定。理论依据：理论依据：主、副调节器的放大系数在主、副调节器的放大系数在1 1）主、副调节器均置比例控制，根据约束条件或经验确定）主、副调节器均置比例控制，根据约束条件或经验确定5 . 0021ccKK条件下，主、副过程特

21、性一定时，条件下，主、副过程特性一定时，21ccKK为一常数。为一常数。2cK 2) 2) 等效副回路，按衰减曲线法整定主调节器参数；等效副回路，按衰减曲线法整定主调节器参数；3 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。）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。；串级控制系统的参数整定2821T4. 4. 应用举例应用举例: :硝酸生产用氧化炉，主参数：炉温，硝酸生产用氧化炉，主参数：炉温，PIPI调节；副参数：氨气流量，调节；副参数：氨气流量，P P调节；主、调节；主、副动态联系小，两步整定法。副动态联系小，两步整定法。12s1sT1s1为为1

22、00100为为32，为为15s15s；1）2 2）副调置于）副调置于3232，得主调的，得主调的为为50，为为7min7min。3 3）运用计算公式得：）运用计算公式得：为为6060，为为3.5min3.5min,为为32%32%。2sT串级控制系统的参数整定296.2 6.2 前馈控制系统前馈控制系统6.2.1 6.2.1 前馈控制的基本概念前馈控制的基本概念又称干扰补偿控制：按干扰大小进行调节，克服干扰比反馈快；理论上，可又称干扰补偿控制：按干扰大小进行调节，克服干扰比反馈快；理论上，可实现理想控制。图实现理想控制。图616，图，图617原理说明。原理说明。补偿器的计算：补偿器的计算： 0FBY sGsGs GsF s sGsGsGFB06.2 6.2 前馈控制系统前馈控制系统6.2.2 前馈控制的特点及局限性前馈控制的特点及局限性1.1.前馈控制的特点前馈控制的特点1 1）开环控制；）开环控制；2 2）比反馈控制及时；）比反馈控制及时； 3 3）补偿器为专用）补偿器为专用2.2. 前馈控制的局限性前馈控制的局限性：无法实现对干扰的完全补偿：无法实现对干扰的完全补偿1 1）只能抑制可测干扰；只能抑制可测干扰；2 2）不能对每个干扰实现补偿；不能对每个干扰实现补偿；3 3）补偿