10提高控制品质控制解析

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过程限制及仪表吉林高校通信学院2串级限制系统对象的滞后较大，干扰比较猛烈、频繁时，接受串级限制系统。加热炉温度限制出口温度影响因素被加热物料流量和初温f1燃烧压力波动、流量变更、燃料热值变更f2烟囱抽力f3方案a：出口温度被控量的单闭环限制通道时间常数大，限制不刚好3方案b：炉膛温度为被控量的单闭环。能抑制f2、f3的扰动，不能确保出口温度串级限制系统接受串级：出口温度主控参数，炉膛温度中间变量。T2回路克服f2、f3的扰动。T1回路克服f1的扰动。被加热物料流量和初温f1;燃烧压力波动、流量变更、燃料热值变更f2;烟囱抽力f34主被控变量：工艺限制指标，在串级限制系统中起主导作用的被控变量。副被控变量：串级限制系统中为了稳定主变量或因某种须要而引入的帮助变量。主被控过程（主对象）：主回路包含的过程。副被控过程（副对象）：由副被控变量为输出的过程。串级限制系统5主限制器：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限制器。副限制器：其给定值来自主限制器的输出，并按副变量的测量值与给定值的偏差而工作的那个限制器。主回路：由主变量的测量变送装置，主、副限制器，执行器和主、副对象构成的外回路。主回路是个定值限制系统副回路：由副变量的测量变送装置，副限制器执行器和副对象所构成的内回路。副回路是个随动系统串级限制系统6一次扰动：作用在主回路，不包括副回路。（加热物料变更）二次扰动：作用在副回路，不包括副回路。（燃烧值；烟囱抽力）f2、f3（二次扰动）先影响炉膛温度----副调整器--限制阀门。f1（一次扰动）先影响出口温度----主调整器--限制阀门。一次、二次扰动同时存在，主副调整器调整规律可以一样也可相反。串级限制系统7串级限制系统的限制效果1.能快速克服二次干扰令8串级限制系统的限制效果1.能快速克服二次干扰9限制实力和抗干扰实力综合定义为：趋于1好趋于0好若据比例限制主副增益之积愈大抗扰越强10单回路系统及传递函数限制实力和抗干扰实力综合：一般状况下有：结论：快速克服进入副回路的扰动，削减对主参数影响，提高了限制质量令112.能改善限制通道的动态特性，提高限制质量122.能改善限制通道的动态特性，提高限制质量结论：等效时间常数减小，响应速度加快；限制刚好133.提高了系统的工作频率串级系统的特征方程为：令14串级限制系统的工作频率为：对同一过程，接受单回路限制方案，用同样的分析方法，可得：若两种方案的阻尼系数相同，则有：15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、副时间常数比值确定，副调整器的比例系数越大，工作频率越高；同样，当比例系数确定，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，提高了系统的限制质量。4能适应负荷和操作条件的猛烈变更副回路的等效放大系数为：2）能改善限制通道的动态特性，提高系统的快速反应实力；3）对非线性状况下的负荷或操作条件的变更有确定的适应实力。综上所述，串级限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实力；即使k02变更16串级限制系统的适用范围1.适用于容量滞后较大的过程：选容量滞后较小的帮助变量，减小时常，提高频率。适用于纯滞后较大的过程：在调整阀近纯时延小的地方选取副参数，构成时延小的副回路。在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250Pa;特点：距离长，纯滞后时间长。仿丝胶液压力与压力串级限制。纺丝胶液压力限制17串级限制系统的适用范围适用于干扰变更猛烈、幅度大的过程：将变更激烈且幅度大扰动包括在副回路内。工艺要求：汽包液位限制，特点：快装锅炉容量小，蒸汽流量与水压变更频繁、激烈→三冲量液位串级限制。18同一种介质限制两种参数单回路限制：两套装置，不经济又无法工作；常压塔塔顶出口温度和一线温度串级限制。4.适用于参数相互关联的过程195.适用于非线性过程特点：负荷或操作条件变更导致过程特性变更。若：单回路限制，需随时变更调整器整定参数以保证系统的衰减率不变；串级限制，则可自动调整副调整器的给定值。合成反应器温度串级限制：换热器呈非线性特性留意：串级限制虽然应用范围广，但必需依据具体状况，充分利用优点，才能收到预期的效果。合成反应器温度串级20

a）燃料油压力为主要干扰；b）燃料油粘度、成分、热值、处理量为主要干扰主要扰动不同限制方案不同串级限制系统的设计问题：副参数如何选择？主、副回路的联系？调整器如何选择？正、反作用如何选择？1.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、纯滞后时间要尽可能短。（2）副回路要尽可能多地包含变更频繁、幅度大的干扰，但也不能越多越好。21

假设

串级限制系统的设计（3）主、副过程的时间常数要适当匹配.当串级限制与单回路限制的阻尼系数相等时，有主副时间常数比值较小，工作频率提高显著副回路

小些快速性，过小太大。工作频率提高小，同时副回路可能不稳定。为常量作图时常的比值在3～10范围内选择大于或接近改善过程，副回路迟钝，影响主参数。主副时间常数接近时，一个参数振荡，另一个也振荡22（4）应综合考虑限制质量和经济性要求a)冷剂液位为副参数，投资少，限制质量不高；b)冷剂蒸发压力为副参数，投资多，限制质量较高。选择应视具体状况而定。23串级限制系统参数的选择可控良好的作为限制参数；限制参数须使限制通道有足够大的放大系数，大于扰动通道的放大系数限制参数须使限制通道有足够大的灵敏度考虑经济性和工艺合理性。主调：定值限制；副调：随动限制。副被控参数允许有静差→P,不引入PI；流量限制时，为保稳定，P选较小时，比例限制较弱，可引入积分；不引入微分。主被控参数要无静差→PI,PID调整；主、副调整器调整规律的选择24主、副调整器正、反作用方式的选择（开环放大系数为正）选择步骤：工艺要求→调整阀的气开、气关→副调整器的正、反作用→主、副过程的正、反作用→主调整器的正、反作用。燃油阀气开（正），副对象为正过程（正），副调为反作用调整器（正）；主对象也为正过程（正），主调为反作用调整器（正）6.826串级限制系统的参数整定整定原则：尽量加大副调整器的增益，提高副回路的频率，使主、副回路的频率错开，以削减相互影响1.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整器的整定是相互关联的。主回路有较高的限制精度按单回路整定副限制器进而整定GC1(S)参数。27串级限制系统的参数整定1.逐步靠近整定法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，整定主调整器参数，记为3）视察过渡过程曲线，满足要求，所求调整器参数即为否则，再整定副调整器参数，记为。。。反复进行，满足为止。该方法适用于主、副过程时常相差不大、主、副回路动态联系亲密，需反复进行，费时较多28串级限制系统的参数整定2.两步整定法(适用于主、副过程时常相差大)1）工况稳定，主、副闭合，主调为比例,比例度为百分之百，先用4比1衰减曲线法整定副调整器的参数，求得副回路比例度和操作周期；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比1衰减比下的比例度和操作周期；

依据两种状况下的比例度和操作周期，按阅历公式求出主、副调整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，视察曲线，适当调整，满足为止。

先整定副参数，再整定主参数293.一步整定法思路：先依据副过程特性或阅历确定副调整器的参数，然后一步完成主调整器的参数的整定。理论依据：主、副调整器的放大系数在1）主、副调整器均置比例限制，依据约束条件或阅历确定条件下，主、副过程特性确定时，为一常数。2)等效副回路，按衰减曲线法整定主调整器参数；3）视察曲线，在约束条件下，适当调整主、副调整器的参数，满足为止。串级限制系统的参数整定304.应用举例:硝酸生产用氧化炉，主参数：炉温，PI调整；副参数：氨气流量，P调整；主、副动态联系小，两步整定法。为100％→为32％，为15s；1）2）副调置于32％，得主调的为50％，为7min。3）运用计算公式得：为60％，为3.5min,为32%。串级限制系统的参数整定316.2前馈限制系统6.2.1前馈限制的基本概念又称干扰补偿限制：按干扰大小进行调整，克服干扰比反馈快；理论上，可实现志向限制。图6－16，图6－17原理说明。。。补偿器的计算：326.2前馈限制系统6.2.2前馈限制的特点及局限性1.前馈限制的特点1）开环限制；2）比反馈限制刚好；3）补偿器为专用2.前馈限制的局限性：无法实现对干扰的完全补偿1）只能抑制可测干扰；2）不能对每个干扰实现补偿；3）补偿器难以精确得到，即使得到有时物理上也难以实现结论：不单独运用336.2.3静态补偿与动态补偿1.静态补偿：能量平衡静态补偿器用比例调整器即可实现适于：干扰k和限制通道k相差不大时延相差不大的过程静态放大系数，不考虑动态偏差342.动态补偿：由于精确模型难以得到或难以实现，只有要求严格限制动态偏差时才接受。6.2.4前馈－反馈复合限制作用机理分析：前馈－反馈限制的优越性？完全补偿，与开环前馈相同复合限制系统的特征方程式：，与前馈补偿器无关设计步骤：1）独立设计反馈限制系统；2）再设计前馈补偿器扰动对输出的影响大大减弱35引入前馈的原则及应用实例1.引入前馈限制的原则1）系统存在频率高、幅值大、可测不行控的干扰，反馈限制难以克服、限制要求高时；2）限制通道时常大于干扰通道时常，反馈限制不刚好，限制质量差；3）主要干扰无法用串级限制使其包含于副回路或副回路滞后过大时；4）尽可能接受静态补偿而不接受动态补偿。2.复合限制系统应用实例（1）蒸发过程的浓度限制图50％→73％←溶液沸点与水沸点之温差（被控量）←进料溶液浓度、温度、流量，加热蒸汽压力、流量方案：蒸汽流量为前馈信号、温差为反馈信号、进料溶液为限制参数的复合限制进料36（2）锅炉汽包水位限制水位限制的重要性。。。影响因素：蒸汽用量（不行控）、给水流量（选为限制参数）问题：“虚假水位”。。。→影响限制效果。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－反馈串级限制(图6－20）376.3大滞后过程限制系统6.3.1大滞后过程概述纯滞后：热交换，介质传输、化学反应、管道混合、皮带传送、轧辊传输、多容器串联成分测量等。纯滞后的程度：称为一般纯滞后；称为大纯滞后。大纯滞后难于限制：物理意义：1）测量纯滞后使调整作用不刚好；2）限制介质传输滞后使调整动作不刚好；理论分析：开环频率特性相角滞后↑→稳定裕度↓。串级和前馈都无法解决解决方案：微分先行、中间反馈、斯密斯预估、内模限制等386.3.2史密斯预估限制1.史密斯预估限制：预先估计动态模型→预估器使滞后了的被控量提前反馈→调整器提前动作→削减超调、加速调整过程。单回路限制闭环特征方程不含滞后环节5.19406.3.2史密斯预估限制2.仿真实例实线为史密斯预估限制结果，虚线为单回路限制结果限制器完全取决于过程特性416.3.3改进型史密斯预估限制1.增益自适应预估限制当存在差异时，通过产生超前作用，使调整器提前动作，以减小超调和加快调整过程。当模型相等时，等效为426.3.3改进型史密斯预估限制2.动态参数自适应预估限制当模型精确时，主反馈信号为零，其效果同史密斯预估限制；当有差异时，主反馈的动态变更经惯性滤波后反馈，以增加适应性。设计思路：设两个调整器均为PI调整器，调整器1按模型完全精确时设计；调整器2按具体状况设计，设对象的非滞后部分为一阶惯性环节，且调整器2的积分时常与对象惯性时常相等，则有惯性滤波器的设计436.3.4内模限制Garcia82年提出，结构与史密斯