复杂控制系统.ppt

1,第 4 章 复杂控制系统,简单控制系统是过程控制中最基本、应用最广的控制形式，约占全部控制系统的80。但是： 随着生产过程的大型化和复杂化，操作条件更加严格，变量之间的关系更加复杂。 有些生产工艺和控制要求比较特殊。 随着技术发展，对工艺的控制目标多样化，如产量、质量、节能、环保、效率等。 为此，设计出各种复杂控制系统。,2,4.1 串级控制系统 当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，采用简单控制系统往往控制质量较差，满足不了工艺上的要求，这时，可考虑采用串级控制系统. 4.1.1串级控制系统基本结构及工作过程 串级控制是在简单控制系统基础上的改进。,3,单回路控制的局限性,目标：控制塔釜温度稳定 方案1 优点：将所有对温度的干扰都概括在控制回路内。 缺点：当蒸汽压力波动较大时，由于温度对象滞后较大，控制质量不理想。 方案2:控制蒸汽流量恒定 优点：能及时克服蒸汽压力的干扰对温度的影响 缺点：不能克服进料流量、物料温度等其他因素对温度的影响。,4,例 管式加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之一，它的任务是把原油加热到一定温度，以保证下道工艺的顺利进行。因此，需要控制原油加热后的出口温度。,5,问题： 控制通道容量滞后很大，控制缓慢。,燃料压力或燃料的热值变化,影响炉膛温度,热传导给原料,影响出口温度,15min,3min,若用简单温控系统：,6,炉膛温度 变化,T2T、T2C回路先改变燃料量,T1T、 T1C回路再改 变燃料量,出料温度变化,解决措施：在影响出口温度的通道中，加测炉膛温度的变化，提前控制。,燃料压力 变化,3min,7,下图为管式加热炉出口温度串级控制系统框图为：,标准框图为：,8,结构特点： 系统有两个闭合回路，形成内外环。主变量是工艺要求控制的变量，副变量是为了更好地控制主变量而选用的辅助变量。 主、副调节器是串联工作的，主调节器的输出作为副调节器的给定值。,9,控制过程分析： 1燃料压力f3(t)、燃料热值f4(t)发生扰动干扰进入副回路 进入副回路的干扰首先影响炉膛温度，副变送器提前测出，副控制器立即开始控制，控制过程大为缩短。,10,2原油流量 f1(t)、原油入口温度 f2(t)发生扰动 干扰进入主回路 对进入主回路的干扰，虽然副变送器不能提前测出，但副回路的闭环负反馈，使对象炉膛部分特性的时间常数大为缩短，则主控制器的控制通道被缩短，控制效果也得到改善。,11,3干扰同时作用于副回路和主回路 主副回路干扰的综合影响有两种情况： （1）主副回路的干扰影响方向相同。如： 燃料压力f3(t)炉膛温度 出口温度 副控制器开始调节 原油流量f1(t)出口温度主副控制器共同调节,12,（2）主副回路的干扰影响方向相反。如： 燃料压力f3(t)炉膛温度 出口温度 副控制器开始调节 原油流量f1(t) 出口温度主控制器反向调节，使副控制器调节量减小。,13,4.1.2串级控制系统特点及其分析 将串级控制系统等效成单回路控制系统讨论。,将副环等效为：,14,4.1.2.1 改善被控过程的动态特性 控制通道等效副对象的传函：,设：,则：,T02<< T02,K02 1/Km2,15,串级控制等效,真正的单回路控制,T02 << T02 ，说明主环控制通道时间常数缩短，改善了系统的动态性能。,16,同理，通过对系统振荡频率的推导可知： 副回路的引入，提高了系统的工作频率，也改善了系统的动态性能。,从系统特征方程：1+Gc1(s)Go2(s)Go1(s)Gm1(s)=0 可求出系统的工作频率c,17,4.1.2.2 抗干扰能力增强 对于进入副回路的干扰，串级控制和单回路控制前向通道的区别：,真正的单回路控制,串级控制等效,18,干扰通道的传函：,设：,则：,T02*<< T02,K02 *<< K02,19,K02 *<< K02 说明干扰通道的影响力降低； T02 *<< T02 说明干扰通道时间常数缩短，即副回路的控制速度快。,真正的单回路控制,串级控制等效,20,对于进入主回路的干扰，串级控制和单回路控制闭环回路的区别：,21,T02 << T02 ，说明主环通道时间常数被缩短，加快了系统的控制速度。,22,4.1.2.3对负荷和操作条件变化的适应能力增强 有些生产过程的工艺条件经常变化。而在不同的工艺点，对象的放大倍数往往不同。如果是单回路控制，这会导致控制质量下降。,23,对于串级控制，部分对象被包含在副回路中，其放大倍数被负反馈压制。因而工艺负荷或操作条件变化时，调节系统仍然具有较好的控制质量。,24,4.1.2.4 系统的稳健性（Robust）,由于实际过程往往具有一定的非线性和时变性，当生产工艺发生变化或者运行时间较长后，被控过程特性会发生变化，其传递函数的变化将会导致控制器的参数不再是“最佳的”，系统的控制性能必然会变差。 一般用“稳健性”来描述系统控制特性对参数变化的敏感性。 “稳健性”又称为“强壮性、稳健性”。系统的控制品质对对象特性变化越不敏感，称系统的“稳健性”越好。,25,由于串级控制系统存在副回路，它对副回路中的各个环节的参数变化显得不敏感，从这个角度看，副回路具有一定的稳健性。 通常说主回路对副回路中特性具有稳健性，但副回路本身却没有稳健性，副回路中各环节特性的变化依然敏感地影响副回路。 另外，主回路对副回路的反馈通道没有稳健性。,26,串级系统特点总结： 对进入副回路的干扰有很强的克服能力； 改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；对进入主回路的干扰控制效果也有改善； 对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。,27,具体体现：,(1) 从系统结构来看，串级控制系统有主、副两个闭合回路；有主、副两个控制器；有分别测量主变量和副变量的两个测量变送器。 在串级控制系统中，主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统。,28,(2) 在串级控制系统中，有两主、副两个变量。 主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺变量。 控制的目的在于使这一变量等于工艺规定的给定值。 (3) 从系统特性来看，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制的作用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量。,29,串级控制适用范围,当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而且频繁、负荷变化大，简单控制系统满足不了控制质量的要求时，可采用串级控制系统。,30,在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服。 副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。 因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。,31,4.1.3 串级控制系统的设计 1主回路设计定值控制 主回路设计与单回路控制系统一样。能直接或间接地表征生产过程质量的参数都可以作为控制系统的被控变量。,32,2副回路的选择 副回路设计中，最重要的是选择副回路的被控参数（串级系统的副参数）。副参数的选择一般应遵循下面几个原则： 主、副变量有对应关系 副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主要干扰，并尽可能多包含一些干扰 副参数的选择应考虑主、副回路中控制过程的时间常数的匹配，以防“共振” 的发生 应注意工艺上的合理性和经济性,33,3主、副调节器调节规律的选择 在串级系统中，主参数是系统控制任务，副参数辅助变量。这是选择调节规律的基本出发点。 主参数是生产工艺的主要控制指标，工艺上要求比较严格。所以，主调节器通常选用PI调节，或PID调节。 控制副参数是为了提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，允许有静差。因此，副调节器一般选P调节就可以了。,34,4主、副调节器正、反作用方式的确定 对串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用方式的选择原则依然是使系统构成负反馈。 选择时的顺序是： 1、根据工艺安全或节能要求确定调节阀的正、反作用； 2、按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、反作用； 3、依据主回路构成负反馈的原则，确定主调节器的正、反作用。,35,以管式加热炉为例，说明串级控制系统主、副调节器的正、反作用方式的确定方法。 1、从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式（正作用）。一旦出现故障或气源断气，调节阀应关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全。,36,2、副回路中，调节阀开大，炉膛温度升高，测量信号增大，说明副对象和变送器都是正作用。为保证副回路为负反馈，副调节器应为反作用方式。,37,3、对于主调节器，调节阀开大，炉膛温度升高时，原料油出口温度也升高，说明主对象和主变送器也都是正作用。为保证主回路为负反馈，主调节器也应为反作用方式。,38,4.1.4 串级控制系统的参数整定 有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。 1逐步逼近法 依次整定副回路、主回路。并循环进行，逐步接近主、副回路最佳控制状态。 2两步整定法 系统处于串级工作状态，第一步按单回路方法整定副调节器参数；第二步把已经整定好的副回路视为一个环节，仍按单回路对主调节器进行参数整定。,39,3一步整定法 所谓一步整定法，就是根据经验，先将副调节器参数一次调好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主调节器参数。,表7.1一步整定法副调节器参数选择范围 副参数类型 副调节器比例度2（%） 副调节器比例增益Kc2 温度 2060 5.01.7 压力 3070 3.01.4 流量 4080 2.51.25 液位 2080 5.01.25,40,4.1.5串级系统的工业应用 当生产工艺要求高，采用简单控制系统满足不了工艺要求的情况下，可考虑采用串级控制系统。串级控制系统常用于下面一些生产过程。 1）容量滞后较大的过程 2）纯滞后较大的过程 3）干扰幅度大的过程 4）非线性严重的过程,41,4.2 均匀控制系统,在连续生产过程中，有许多装置是前后紧密联系的。前一设备的出料，往往是后一设备的进料，各设备的操作也互相关联、互相影响。例如图4.10所示的两个连续操作的精馏塔。,1#塔要求液位稳定，设液位控制系统。 2#塔要求进料量稳定，设流量控制系统。,42,显然，这两套控制系统的控制目标存在矛盾：,解决办法： 1、设中间贮槽，使前后影响减小，但成本高，传输滞后大。 2、用均匀调节方案。,1#塔液位调节,阀 1 开度变化,2#塔流量变化,2#塔流量调节,阀 2 开度变化,1#塔液位变化,43,4.2.1均匀控制系统工作原理及特点 为了解决前后工序控制的矛盾，达到前后兼顾、协调操作，使前后工序的控制参数均能符合要求而设计的控制系统称为均匀控制系统。 如上例中，均匀控制应通过对液位和流量两个变量同时兼顾的控制方案，使两个互相矛盾的变量相互协调，都能满足各自的的工艺要求。 和其它控制方式相比，均匀控制的特点如下： （1）两个被控变量在控制过程中都是缓慢变化的。,44,因为若将1#塔液位控制成平稳的直线，会导致2#塔的进料量波动很大；反之若将2#塔的进料量控制成平稳的直线，会导致1#塔液位波动很大。即无法实现两个被控参数都很平稳。 只有让两者都有一定程度的波动，但波动都比较缓慢、且幅度较小，才有可能同时符合控制要求。,45,（2）前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内波动。 如图，1#塔塔釜液位的升降变化不能超过规定的上下限。2#塔进料流量也不能超越规定的上下限，否则就不能满足工艺要求。,46,4.2.2 均匀控制方案 均匀控制常用的方案有简单均匀控制、串级均匀控制等形式，下面介绍这几种控制方案。 1简单均匀控制,结构与简单液位定值控制系统一样，但系统控制的目的不同。均匀控制的目的是协调控制液位和排出流量两个变量。,47,由于控制目的不同，均匀控制要求兼顾两个变量，是通过调节器的参数整定来实现的。 简单均匀控制系统中的控制器一般都是纯比例作用，而且将比例度整定得很大。,当液位变化时，控制器的输出变化很小，排出流量只作微小缓慢的变化，以较弱的控制作用达到均匀控制的目的。,48,因此，简单均匀控制适用于干扰不大、对流量的均匀程度要求较低的场合。,简单均匀控制的优点是结构简单，投运方便，成本低。但对另一个被控变量是不测不控的兼顾操作，其控制精度不一定能保证。 如此例中，当前后塔的压力变化较大时，尽管调节阀的开度不变，输出流量也会发生较大变化。,49,2串级均匀控制 为了克服简单均匀控制只有一个控制回路，只能保证一个被控变量精度的缺点，可在简单均匀控制方案基础上增加一个副控制回路，构成串级均匀控制。,结构与串级控制系统相同。增加了流量控制回路，可以及时克服压力干扰，保证流量控制精度。,50,串级均匀控制方案中，主、副变量都有控制精度要求，二者均在规定的范围内作缓慢的变化，所以控制手法上与串级控制不同。,主、副控制器一般都采用纯比例作用，而且将比例度整定得较大。,串级均匀控制方案适用于干扰较大的场合。但使用仪表较多，投运、维护较复杂。,51,3、双冲量均匀控制系统,双冲量均匀控制系统是串级控制系统的一种变形控制系统，它是将两个需要互相兼顾的被控变量的差(或和)作为被控变量的控制系统。,52,(1) 被控变量的差作为被控变量。 当调节阀安装在出口时，不论液位偏高还是偏低，都应开大调节阀，因此，应取液位和流量信号的差作为测量值，如图4.13(a)所示。,53,正常情况下这个差值可能为零、负或正值，在加法器引入偏置值用于降低零位，使正常情况下加法器的输出在量程的中间值。为调整两个信号的权重，可以对这两个信号进行加权，即 式中， I Y为流量控制器的测量信号； I L为液位变送器的输出电流； I F为流量变送器输出电流； I B为偏置值； c 1和 c 2为加权系数。,54,(2) 被控变量的和作为被控变量。 当调节阀安装在入口时，如图4.13(b)所示，均匀控制系统的测量值应是液位和流量信号的和减去偏置值，即,55,可见，在该控制系统中，当液位偏低或流量偏低时，都应打开调节阀门，因此，把两个信号之和作为测量值，同样道理，应设置偏置值，但正常情况下两个信号均为正值，故应减去偏置值使差值在量程的中间值。,56,双冲量均匀控制系统是串级均匀控制系统的变型。 其主控制器是11 比例环节，副控制器是流量控制器，其结构与串级均匀控制系统相似，控制效果优于简单均匀控制系统。,57,4. 均匀控制系统的特点,(1) 均匀控制系统采用一个控制器实现对两个被控量的控制。 (2) 均匀控制系统采用的系统与普通的控制系统结构相似，对两个被控量的控制是通过控制器参数合理整定实现的。 (3) 均匀控制器的整定原则是比例度较大些，积分时间常数较长些。,58,4.2.3 控制器参数整定,1. 控制器控制规律的选择 一般来讲，简单均匀控制系统的控制器一般采用P 控制而不采用PI 控制，其原因是均匀控制系统的控制要求是使液位和流量在允许范围内缓慢变化，即允许被控量有余差。 由于控制器参数整定时比例度较大，控制器输出引起的流量变化一般不会超越输入流量的变化，可以满足系统的控制要求。,59,当然，由于工艺过程的需要，为了照顾流量参数使其变化更稳定，有时也采用PI 控制，当液位波动较剧烈或输入流量存在急剧变化场合、系统要求液位没有余差则要采用PI 控制规律，在此情况下，加入I 作用相应增大了控制器的比例度，削弱比例控制作用，使流量变化缓慢，也可以很好实现均匀控制作用。,60,指出引入I的不利之处，首先对流量参数产生不利影响，如果液位偏离给定值的时间较长而幅值又比较大，I 作用会导致控制阀全开或全关，造成流量的波动较大。 同时，I 作用的引入将使系统稳定性变差，系统几乎处于不断的控制中，平衡状态相比P 控制的时间要短。此外，I作用的引入，有可能出现积分饱和，导致洪峰现象。,61,串级均匀控制系统主控制器的控制规律可按照简单均匀控制系统的控制规律选择，副控制器的控制规律可以选用P 控制规律，不必消除余差； 为了使副回路成为11 比例环节，改善系统的动态特性，可以采用PI 控制规律。,62,2. 控制器参数整定,串级均匀控制中的流量副控制器参数整定与普通流量控制器参数整定相似，而均匀控制系统的其他几种形式的控制器都需要按照均匀控制的要求来进行整定。其整定主要原则突出一个“慢”字，即过渡过程不可以出现明显的振荡。,63,具体整定原则和方法介绍如下： 1) 整定原则 (1) 保证液位不超出波动范围，先设置好控制器参数。 (2) 修正控制器参数，充分利用容器的缓冲作用，使液位在最大允许范围内波动，输出流量尽量平稳。 (3) 根据工艺对流量和液位的要求，适当调整控制器的参数。,64,2) 方法步骤 (1) P 控制。 先将比例度放置在估计液位不会超过允许限定值内， 然后通过观察运行曲线调节比例度，如果液位最大波动值小于允许范围，则可以增减比例度，如果液位最大波动范围超出允许波动范围，则可以减小比例度； 反复调整，直到得到满意的运行曲线为止。,65,(2) PI 控制。 首先确定比例度，方法与纯P 控制整定方法相同； 然后适当加大比例度后加入I 控制，逐渐减小积分时间，直到流量曲线将要出现缓慢周期性衰减振荡过程为止而液位又回复到给定值的趋势； 最终根据工艺要求，调整参数，直到液位、流量曲线都符合要求为止。,66,也可以采用以下这种比较简单、适用的经验法进行整定。 如上所述，均匀控制系统控制器参数整定原则是比例度较大些，积分时间常数较长些。在实际系统设计中可以参考表4-2 中的数据进行设计。,67,68,4.2.4 需要说明的问题,1. 气体压力与流量的均匀控制 对于气相物料，前后设备间物料的均匀控制不是液位和流量间的均匀，而是压力与流量间的均匀控制。但是两者的控制极为相似。 需要注意的是压力对象比液位对象的自衡作用要强得多，一般采用简单均匀控制方案不易满足要求，往往需要采用串级均匀控制方案。,69,4.3 比值控制系统 生产过程中，经常需要几种物料的流量保持一定的比例关系。例如，在锅炉的燃烧系统中，要保持燃料和空气量的一定比例，以保证燃烧的经济性。 定义：实现两个或多个参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。 例如要实现两种物料的比例关系，则表示为：,Q2=K Q1,其中：K比值系数；Q1主流量； Q2副流量 。,70,4.3.1 比值控制系统的种类 1. 开环比值控制系统 如图Q1是主流量，Q2是副流量。流量变送器FT检测主物料流量Q1；由控制器FC及安装在从物料管道上的阀门来控制副流量Q2。,此控制方案的优点是结构简单、成本低。缺点是无抗干扰能力，当副流管线压力等改变时，不能保证所要求的比值。,控制目标：Q2K Q1,71,2. 单闭环比值控制系统 为了克服开环比值控制的不足，在开环比值控制的基础上，增加对副流量的闭环控制。特点： 对Q2进行闭环控制，比值控制精度提高。 控制目标：Q2=K Q1,对Q1只测量、不控制。Q1变化，Q2跟着变化，总流量不稳定。,72,3. 双闭环比值控制系统 为了克服单闭环比值控制中主流量不受控制的缺点，增加了主流量控制回路。特点：,Q1是主流量，Q2是副流量。两个流量都可控，因此总流量稳定。,有两个闭环控制回路，用比值器联系。 控制目标：Q2=K Q1,73,4变比值控制系统 以上介绍的都是定比值控制系统。在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第三个工艺参数的需要而变化，为满足这种工艺的要求，就出现了变比值控制系统。,例如，变换炉工艺中，煤气与水蒸气（58倍）在触媒的催化下，转化成二氧化碳和氢气。温度越高转化率越高，但温度过高会影响触媒寿命。如果根据触媒层的温度调节其比例系数，就能保持最佳的触媒温度和最高的转化率。,74,温度控制器TC根据触媒的实际温度与给定温度的偏差，计算流量比值的给定值。,除法器算出蒸汽与煤气流量的实际比值，输入到流量控制器FC。,最后通过调整蒸汽量（改变蒸汽与半水煤气的比值）来使变换炉触媒层的温度恒定在给定值上。,75,应当注意，在变比值控制系统中，流量比值只是一种控制手段，不是最终目的，而第三参数（如本例中温度）往往是主要被控参数。,76,4.3.2 比值控制系统的设计与参数整定 1比值控制系统设计 1）主流量、副流量的确定原则： 生产中起主导作用的物料流量，一般选为主流量，其余的物料流量跟随其变化，为副流量。 工艺上不可控的物料流量，一般选为主流量。 成本较昂贵的物料流量一般选为主流量。 当生产工艺有特殊要求时，主、副物料流量的确定应服从工艺需要。,77,2）控制方案的选择 控制方案选择应根据不同的生产要求确定，同时兼顾经济性原则。 如果工艺上仅要求两物料流量之比值一定，而对总流量无要求，可用单闭环比值控制方案。 如果主、副流量的扰动频繁，而工艺要求主、副物料总流量恒定的生产过程，可用双闭环比值控制方案。 当生产工艺要求两种物料流量的比值要随着第三参数的需要进行调节时，可用变比值控制方案。,78,3）调节器控制规律的确定 比值控制系统中，调节器的控制规律是根据控制方案和控制要求而定。,在单闭环比值控制系统中，比值器K起比值计算作用，若用调节器实现，则选P调节；调节器F2C使副流量稳定，为保证控制精度可选PI调节。,P,PI,79,双闭环比值控制不仅要求两流量保持恒定的比值关系，而且主、副流量均要实现定值控制，所以两个调节器均应选PI调节；比值器选P调节。,4）正确选择流量计及其量程 各种流量计都有一定的适用范围（一般正常流量选在满量程的70左右），必须正确地选择和使用，可参考有关设计资料、产品手册。,80,5）比值系数的计算 工艺规定的流量（或质量）比值K不能直接作为仪表比值使用，必须根据仪表的量程转换成仪表的比值系数K后才能进行比值设定。 变送器的转换特性不同，比值系数K的计算公式不同。 （l）流量与测量信号之间成线性关系 如果Q1的流量计测量范围为0Q1max 、Q2的流量计测量范围为0Q2max，则变送器输出电流信号和流量之间的关系如下：,81,因,代入工艺比值公式：,得换算公式：,而仪表比值公式：,82,例：设已知比值KQaQb2，Qamax4 103kgh，Qbmax2 103kgh；流量与测量信号之间成线性关系，试问： 比值系数K，如何计算?,83,（2）流量与测量信号之间成非线性关系 利用节流原理测流量时，流量计输出信号与流量的平方成正比： I=CQ2,代入工艺比值公式：,得换算公式：,则,84,例：设已知比值KQaQb3，Qamax6 103kgh，Qbmax4 103kgh；流量测量时不加开方器 ，试问： 比值系数K，如何计算?,85,6）流量测量中的温度、压力补偿 用差压流量计测量气体流量时，被测气体温度和压力的变化会使其密度发生变化，流量的测量值将产生误差。,对于温度、压力变化较大、而控制质量要求较高的对象，必须进行温度、压力补偿，以保证流量测量值的准确。,86,4.3.2.2 比值控制系统的实施与参数整定 1）比值系数的实现 比值系统的实现有相乘和相除二种方法。在工程上可采用比值器、乘法器、除法器等仪表实现；用计算机控制时，通过比例、乘、除运算程序实现。 2）比值控制系统的参数整定 比值系统的主流量回路，可按单回路控制系统进行整定；比值系统的副流量整定为振荡与不振荡的边界为佳（阻尼比=1），即过渡过程既不振荡而反应又快。,87,4.4 前馈控制系统 前馈控制的原理是：当系统出现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小改变控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响。 4.4.1 前馈控制的工作原理及其特点,1、反馈控制的特点： 不论是什么干扰，只要引起被调参数的变化，调节器均可根据偏差进行调节。但必须被调参数变化后才进行调节，调节速度难以进一步提高。,88,例 换热器出口温度反馈控制系统,针对冷物料流量变化的最佳调节效果：,89,为了改变事后调节的状况，提出前馈控制的思路：根据冷物料流量Q的大小，调节阀门开度。,2、前馈控制的原理与特点,例 针对换热器入口流量干扰的前馈控制系统,90,用方框图表示：,91,补偿原理 如果补偿量和干扰量以同样的大小和速度作用于被控变量，且作用方向相反的话，被控变量不变。,Y(S) = F(S)Gf(s)+ F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s) = 0,92,得：,前馈补偿规律的推导：,Y(S) = F(S)Gf(s)+ F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s) = 0,93,前馈控制的特点： 前馈控制器是按是按照干扰的大小进行控制的， 称为“扰动补偿”。如果补偿精确，被调变量不会变化，能实现“不变性”控制。 前馈控制是开环控制，控制作用几乎与干扰同步产生，是事先调节，速度快。 前馈控制器的控制规律不是PID控制，是由对象特性决定的。 前馈控制只对特定的干扰有控制作用，对其它干扰无效。,94,3前馈控制的局限性 实际工业过程中的干扰很多，不可能对每个干扰设计一套控制系统，况且有的干扰的在线检测非常困难。 前馈控制器的补偿控制规律很难精确计算，即使前馈控制器设计的非常精确， 实现时也会存在误差，而开环系统对误差无法自我纠正。 因此，一般将前馈控制与反馈控制结合使用。前馈控制针对主要干扰，反馈控制针对所有干扰。,95,4.4.2 前馈控制系统的结构 前馈控制的结构有静态补偿和动态补偿。 1静态前馈控制系统 所谓静态前馈控制，是前馈控制器的补偿控制规律，只考虑静态增益补偿，不考虑速度补偿。,（S=0时）,96,静态前馈系统结构简单、易于实现，前馈控制器就是一个比例放大器。但控制过程中，动态偏差依然存在。 2动态前馈控制系统 完全按照补偿控制规律制作控制器。,理论上，动态前馈控制能在每个时刻都完全补偿扰动对被控参数的影响。但补偿控制规律比较复杂，常常无法获得精确表达式，也难以精确实现。,97,3前馈反馈复合控制系统 为了克服前馈控制的局限性，将前馈控制和反馈控制结合起来，组成前馈反馈复合控制系统。,如换热器出口温度前馈反馈复合控制系统。,98,在前馈反馈复合控制系统中，设定值X(s)、干扰F(s)对输出Y(s)的共同影响为：,99,1、传函分子即是前馈控制系统的补偿条件。表明复合控制系统与开环前馈控制系统的补偿条件完全相同，并不因为引进反馈控制而有所改变。 2、传函分母即是反馈控制系统的闭环传递函数。表明反馈控制系统的稳定性并不因为引进前馈控制而有所改变；且由于反馈控制回路的存在，使前馈控制的精度比开环前馈控制高。,干扰通道的传递函数为：,100,复合控制系统具有以下优点： 在反馈控制的基础上，针对主要干扰进行前馈补偿。既提高了控制速度，又保证了控制精度。 反馈控制回路的存在，降低了对前馈控制器的精度要求，有利于简化前馈控制器的设计和实现。 在单纯的反馈控制系统中，提高控制精度与系统稳定性是一对矛盾。往往为保证系统的稳定性而无法实现高精度的控制。而前馈反馈控制系统既可实现高精度控制，又能保证系统稳定运行。,101,4前馈串级复合控制系统 对于慢过程的控制，如果生产过程中的主要干扰频繁而又剧烈，而工艺对被控参量的控制精度要求又很高，可以考虑采用前馈串级复合控制方案。,102,从前馈串级复合控制系统的传递函数可知： 1、串级控制回路的传函和单纯的串级控制系统一样 2、前馈控制器的传函主要由扰动通道和主对象特性决定,1/Gm2(S),103,5前馈控制器的通用模型 前面按照不变性条件，求得前馈控制器的传递函数表达式,实际上，要得到上式的精确数学模型比较困难，准确实现也比较困难，还不如用简约化模型。 将Go(S)、 Gf(S)用带滞后的一阶模型近似，将Gv(S)、 Gm(S)用比例模型近似，代入上式整理得：,104,因此，可以事先做好各系数可调的通用前馈控制器。使用时根据补偿要求，调整各个系数值，就可获得不同特性的前馈控制功能。,前馈控制器的通用模型：,各系数物理意义： Km 静态放大系数； T1 加速系数； T2 减速系数； 纯滞后时间。,105,前馈控制的应用场合 （1）某个干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，而对象的控制通道滞后大。 （2）采用单纯的反馈控制，控制速度慢、质量差。 （3）用串级控制，效果改善不明显。 目前，比较高档的控制仪表中都配备通用前馈控制模块，供用户选用。,106,4.5 分程控制系统 在分程控制系统中，一个控制器的输出信号被分割成几个行程段，每一段行程各控制一个调节阀，故取名为分程控制系统。 例如，一个控制器的输出信号分程控制两个调节阀A和B ， A和B的输入信号各占一半行程。,可调整阀门定位器来缩小调节阀的输入量程 。,107,4.5.1分程控制系统工作原理及类型 1分程控制系统工作原理 如某一间歇式生产的化学反应过程中，每次投料完毕后，需要先对其加热引发化学反应。,一旦反应开始进行，就会持续产生大量的反应热，如果不及时降温，物料温度会越来越高，有发生爆炸的危险。因此，必须降温。,108,为此，可设计以反应器内温度为被控参数、以热水流量和冷却水流量为控制变量的分程控制系统，调节阀A、B分别控制冷却水和热水。,为保证安全，热水阀采用气开式，冷水阀采用气关式，则温度调节器设为反作用。,109,工作原理如下： 当装料完成、化学反应开始前，温度测量值小于设定值。调节器TC输出气压大于0.06MPa，A（冷水）阀关闭，B（热水）阀开启，反应器夹套中进的热水使反应物料温度上升。,110,反应开始后，反应物温度逐渐升高，调节器输出逐渐下降，热水阀逐渐关小；当反应物料温度达到并高于设定值时，调节器输出气压将小于0.06MPa，热水阀完全关闭，冷水阀逐渐打开，冷水进入夹套将反应热带走，使反应物料温度保持在设定值。,111,2分程控制系统的类型 按照调节阀的气开、气关形式和分程信号区段不同，可分为以下两种类型： 调节阀同向动作的分程控制系统 例：两个调节阀同向动作,A、B均为正作用阀,A、B均为反作用阀,112,调节阀异向动作的分程控制系统 例：两个调节阀异向动作,在0.020.06MPa区间，B阀全开、A阀逐渐开大；在0.060.10MPa区间，A阀全开、B阀逐渐关小。,在0.020.06MPa区间，B阀全关、A阀逐渐关小；在0.060.10MPa区间，A阀全关、B阀逐渐开大。,113,4.5.2 分程控制系统设计及工业应用 分程控制系统本质上属于单回路控制系统。二者的主要区别是：单回路控制系统中调节器输出控制一个调节阀，分程控制系统中调节器输出控制多个调节阀。因此，系统设计上有所不同。,114,4.5.2.1 控制信号的分段 在分程控制中，调节器输出信号分段是由生产工艺要求决定的。调节器输出信号需要分成几段，哪一段信号控制哪一个调节阀，完全取决于工艺要求。,如在此例反应器温度控制中，工艺需要控制两个调节阀。因此，调节器输出信号需要分成两段。,115,4.5.2.2 调节阀特性的选择与应注意的问题 1. 根据工艺要求选择同向或异向工作的调节阀 如此例中，为保证安全，热水阀采用气开式，冷水阀采用气关式。这就决定了两个调节阀异向工作。又因工艺要求一个阀打开时，另一个必须关闭。因此两个阀的特性组合应是：,116,2. 流量特性的平滑衔接 如图为蒸汽压力减压系统。小负荷时只有A阀控制、B阀不开；负荷较大时A阀全开、B阀控制。 两个同向特性的调节阀并联控制一种介质的流量时，总流量特性是两个阀流量特性的叠加组合。,117,如果两个调节阀的增益差距较大，组合后的总流量特性有突变点，会影响调节品质。,如果两个调节阀都用直线特性，组合后的总流量特性有下列两种情况：,118,如果调节阀是对数流量特性，其总流量特性衔接处必有突变点。 可以通过两个调节阀分程信号部分重迭的办法，使调节阀流量特性实现平滑过渡。即将两个阀的工作范围扩大，形成一段重迭区。,119,3）调节阀的泄漏量 在分程控制中，调节阀的泄漏量太大会影响控制质量。尤其当大、小阀并联工作时，若大阀的泄漏量接近或大于小阀的正常的调节量，则小阀的调节能力大大降低。,因为大阀的泄漏量相当于存在一个不受控制的旁路管道，所以要求大阀的泄漏量很小。,120,4.5.2.3 分程控制的实现 分程控制要求调节阀的输入量程进行压缩。通过调整阀门定位器的输入信号零点和量程，使调节阀在规定的信号区段作全行程动作。,例如，使调节阀A在0.020.07MPa范围内作全行程动作；使调节阀B在0.050.10MPa范围内作全行程动作。,121,4.5.2.4 分程控制系统的工业应用 分程控制系统的工业应用广泛，介绍应用比较多的两种形式： 1、用于扩大调节阀的可调范围 有的生产工艺要求控制的流量变化范围较大，但是调节阀的可调范围是有限的（国产统一设计柱塞调节阀可调范围R30）。若采用一个调节阀，能够控制的最大流量和最小流量相差不可能太悬殊，满足不了生产上流量大范围变化的要求，这时可考虑采用两个控制阀并联的分程控制方案。,122,例 某厂蒸汽压力减压系统 用节流减压的方法将10MPa的高压蒸汽减压成4MPa的中压蒸汽。中压蒸汽的使用量变化很大。 如果只用一个阀门控制，只能选择大口径阀。而大口径阀在小开度下工作时，控制效果变差。,如果用两个阀分程控制，小负荷时只开小阀，负荷增大时再开大阀。则两个调节阀组合后，可调范围扩大。,123,设大小两个调节阀的最大流通能力分别为： CBmax=105 m3 、CAmax=4.2m3；可调范围均为 R= 30 则两个阀的最小流通能力分别为： CBmin= CBmax / R=105/ 30=3.5 m3 CAmin= CAmax / R=4.2/ 30=0.14 m3 两个调节阀并联使用时： 最小流通能力为：Cmin= CAmin =0.14 最大流通能力为： Cmax= CBmax+CAmax=109.2 m3 可调范围R并= Cmax / Cmin=109.2 / 0.14=780 并联使用后调节阀的可调范围增大了26倍。,124,2. 用于一个控制回路需要控制多个操纵量 例如在工业废液中和处理工艺中，需要根据废液的酸碱性（pH值），分别控制加酸量或加碱量。,125,4.6 选择性控制系统 通常的自动控制系统是在正常生产状态下对某参数进行稳定性控制。一旦生产过程出现非正常状态（如其它参数超过安全线），就得放弃对此参数的控制，否则会发生事故。待采取生产保护措施消除非正常状态后，控制系统再重新投入工作。 传统的生产保护措施是硬保护措施。当生产操作达到安全极限时，发出声、光报警。操作工立即将控制器切到手动操作、或是通过专门设置的联锁保护线路实现自动停车，以排除险情。,126,如果控制系统具有自动应变能力，对于不同的生产状态，能自动选择不同的控制方案。当生产出现不正常状况时，能自动切换到保护性控制回路，让保护性控制回路来恢复生产状态；当生产恢复正常时，再自动切回稳定性控制回路。这样就不需要通过人工或停车操作对生产进行保护，称为软保护措施。 选择性控制系统就是能根据生产状态自动选择合适的控制方案的控制系统。系统设有有多个控制回路，由选择器根据设计的逻辑关系选通某个控制回路。,127,4.6.1 选择性控制系统的类型 选择性控制系统通过选择器实现选择功能。选择器可以接在调节器的输出端，对控制信号进行选择；也可以接在变送器的输出端，对测量信号进行选择。 1. 对调节器输出信号进行选择,128,例1 锅炉蒸汽压力的控制 工艺要求锅炉输出蒸汽压力稳定。若用单回路控制系统控制，则根据蒸汽出口压力控制燃气量。,如果蒸汽用量大幅度变化，蒸汽压力控制系统会使燃气阀门开度大幅变化。但煤气压力过高会发生脱火。,129,为防止产生脱火现象，增加一个燃气高压保护控制回路。用P2T测燃气压力，P2C的设定值为燃气高压上限值，当燃气压力低于上限值时，