干扰前馈控制器优秀PPT.ppt

1第第7章章 复杂控制系统复杂控制系统(续续)比值控制系统比值控制系统2前馈控制系统前馈控制系统串级控制系统串级控制系统3 1均匀控制系统均匀控制系统4分程控制系统分程控制系统5多冲量控制系统多冲量控制系统7选择性控制系统选择性控制系统6327-2 比值限制系统比值限制系统 一、概述一、概述用来实现两个或两个以上物料之间保用来实现两个或两个以上物料之间保持确定比值关系的限制系统，称为比持确定比值关系的限制系统，称为比值限制系统。值限制系统。主流量主流量：在保持比值关系的：在保持比值关系的两种物料中，一种物料处于两种物料中，一种物料处于主导地位，称为主物料，又主导地位，称为主物料，又称为主流量。称为主流量。副流量副流量：另一种物料按主物：另一种物料按主物料进行配比，称为从物料，料进行配比，称为从物料，又称为副流量。又称为副流量。主流量主流量副流量副流量3常将主要物料定为主物料，次要流量定为从物料；常将主要物料定为主物料，次要流量定为从物料；将不行控流量定为主流量，将可控流量定为副流量。将不行控流量定为主流量，将可控流量定为副流量。主流量主流量副流量副流量p若用若用F1表示主流量，表示主流量，F2表示副流量，则表示副流量，则F1和和F2之间之间应满足确定的比值关系：应满足确定的比值关系：F2=K*F14二、比值限制的类型二、比值限制的类型 1开环比值限制开环比值限制开环比值限制是各种比值限制系统中最简洁的限制方案，开环比值限制是各种比值限制系统中最简洁的限制方案，组成原理及方块图如图所示。组成原理及方块图如图所示。主流量主流量副流量副流量P限制器限制器5优点：实施便利，只需一台比例限制器即可，且比值优点：实施便利，只需一台比例限制器即可，且比值调整简洁。调整简洁。开环比值限制方案分析：开环比值限制方案分析：缺点：该限制方案是一个开环系缺点：该限制方案是一个开环系统，因为统，因为F2的测量信号并没有的测量信号并没有反馈到输入端，所以，当反馈到输入端，所以，当F2因因管线两端压力波动发生变更时，管线两端压力波动发生变更时，系统没有限制作用，此时，很难系统没有限制作用，此时，很难保证保证F2与与F1间的比值关系。间的比值关系。应用场合：这种方案适用于副流应用场合：这种方案适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。量较平稳且比值要求不高的场合。实际生产中，实际生产中，F2的干扰常常是的干扰常常是不行避开的，因此这种方案运用不行避开的，因此这种方案运用较少。较少。62 2单闭环比值限制单闭环比值限制如图所示，图中的如图所示，图中的K K表示比值计算器，比值计算器的表示比值计算器，比值计算器的输入信号为主流量信号，输入信号为主流量信号，K=F2/F1K=F2/F1。单回路单回路闭环流闭环流量控制量控制7单闭环比值限制优缺点单闭环比值限制优缺点p优点：优点：p是对进入副流量回路的是对进入副流量回路的干扰都有较好的抑制作用。干扰都有较好的抑制作用。p结构简洁，在生产中得结构简洁，在生产中得到广泛应用。到广泛应用。p缺点：该方案无法保证缺点：该方案无法保证主流量的稳定。当主流量主流量的稳定。当主流量波动较大时，无法保证系波动较大时，无法保证系统流量比。统流量比。8 3 3双闭环比值限制双闭环比值限制为了保证生产的正常进行有时不仅要求两种物料之间为了保证生产的正常进行有时不仅要求两种物料之间保持精确的比例关系，且还要求两种物料的流量也保保持精确的比例关系，且还要求两种物料的流量也保持相对的稳定，这时可接受双闭环比值限制。持相对的稳定，这时可接受双闭环比值限制。双闭环是在单闭环比值限制基础上，增设了主流量限双闭环是在单闭环比值限制基础上，增设了主流量限制回路构成。制回路构成。9双闭环比值限制系统方块图：双闭环比值限制系统方块图：10双闭环比值限制优缺点双闭环比值限制优缺点p优点：优点：p对进入主、副流量回路的干扰都有较好的抑制对进入主、副流量回路的干扰都有较好的抑制作用。不论系统处于静态，还是动态，都能实现作用。不论系统处于静态，还是动态，都能实现比较精确的流量比。比较精确的流量比。p当系统变更负荷时，只要变更主流量限制器的当系统变更负荷时，只要变更主流量限制器的给定值就能便利地实现。给定值就能便利地实现。p缺点：该方案仪表多、投资高。要求主流量可缺点：该方案仪表多、投资高。要求主流量可控。控。114变比值限制变比值限制有些生产过程要求两种物料的配比依据第三参数的须有些生产过程要求两种物料的配比依据第三参数的须要而自动调整。这类比值限制称为变比值限制。要而自动调整。这类比值限制称为变比值限制。例：硝酸生产过程中的氧化炉设备的限制例：硝酸生产过程中的氧化炉设备的限制12分析：要求氨气和空气混合后进入炉内，在铂触媒的作分析：要求氨气和空气混合后进入炉内，在铂触媒的作用下，进行氧化反应生成硝酸气体，这一过程是放热反用下，进行氧化反应生成硝酸气体，这一过程是放热反应。炉温作为间接表征氧化生产的质量指标。影响氧化应。炉温作为间接表征氧化生产的质量指标。影响氧化炉温度的干扰因素很多，其中氨气和空气的比值对反应炉温度的干扰因素很多，其中氨气和空气的比值对反应温度影响很大。温度影响很大。13当出现影响氨空气流量比值变更的干扰时，可由副回路的当出现影响氨空气流量比值变更的干扰时，可由副回路的比值限制加以克服。比值限制加以克服。对其他干扰引起炉温变更时，则通过温度限制器来变更比值对其他干扰引起炉温变更时，则通过温度限制器来变更比值限制器的给定值，使炉温重新回到给定值。限制器的给定值，使炉温重新回到给定值。14方块图：157-3 前馈限制系统前馈限制系统一、概述一、概述在反馈限制中，限制器是依据偏差在反馈限制中，限制器是依据偏差进行限制作用的。进行限制作用的。干扰干扰控制作控制作用往往用往往不及时不及时16p为了弥补反馈限制的上述缺陷，即便有干扰存为了弥补反馈限制的上述缺陷，即便有干扰存在，只要能预先加以补偿，限制系统能避开偏在，只要能预先加以补偿，限制系统能避开偏差出现。差出现。p限制系统在干扰还没有影响到被控变量之前就限制系统在干扰还没有影响到被控变量之前就产生限制作用，该系统称为前馈限制。产生限制作用，该系统称为前馈限制。干扰干扰前馈控制器前馈控制器17p例：换热器前馈限制的工作原理例：换热器前馈限制的工作原理虚线：反馈限制虚线：反馈限制实线：前馈限制实线：前馈限制进料流量波动进料流量波动18p换热器前馈限制原理：换热器前馈限制原理：p当进料流量变更时，前馈限制器当进料流量变更时，前馈限制器依据输入信号运算后，输出限制信依据输入信号运算后，输出限制信号，相应变更阀门开度，使蒸汽量号，相应变更阀门开度，使蒸汽量变更，以补偿进料量变更，以补偿进料量F1对温度对温度2的影响。的影响。p前馈限制过程：前馈限制过程：p图图7-15 是进料量是进料量F1增加时，接增加时，接受前馈限制的补偿过程。受前馈限制的补偿过程。表示扰动引起出口温度降低表示扰动引起出口温度降低表示前馈限制打开表示前馈限制打开阀门，出口温度上升阀门，出口温度上升出口温度的实际值出口温度的实际值只要干扰通道和调整通道的特性只要干扰通道和调整通道的特性相匹配，则前馈限制完全有可能相匹配，则前馈限制完全有可能抵消进料量的影响，使出口温度抵消进料量的影响，使出口温度稳定。可见，前馈限制实现了对稳定。可见，前馈限制实现了对扰动的全补偿。扰动的全补偿。19p前馈限制系统的特点：前馈限制系统的特点：p 前馈限制系统是基于扰动来消退干扰因素对被控变量的前馈限制系统是基于扰动来消退干扰因素对被控变量的影响；反馈限制基于偏差大小来消退干扰。影响；反馈限制基于偏差大小来消退干扰。p在扰动发生后，前馈限制作用比反馈限制作用更为刚好在扰动发生后，前馈限制作用比反馈限制作用更为刚好和有效。和有效。p前馈限制系统是一种开环限制系统。反馈限制是一种闭前馈限制系统是一种开环限制系统。反馈限制是一种闭环限制系统。环限制系统。p前馈限制系统只对它所测量的扰动量有校正作用，而对前馈限制系统只对它所测量的扰动量有校正作用，而对系统中的其他未测干扰则无能为力，反馈限制对进入闭环系统中的其他未测干扰则无能为力，反馈限制对进入闭环的全部扰动均有校正作用。的全部扰动均有校正作用。p前馈限制器的限制规律是依据对象特性确定的。由于大前馈限制器的限制规律是依据对象特性确定的。由于大多数对象的特性是不同的，所以在前馈限制中，须要接受多数对象的特性是不同的，所以在前馈限制中，须要接受各种形式的专用前馈限制器，而不是接受通用的各种形式的专用前馈限制器，而不是接受通用的PID限制限制器。反馈限制接受通用器。反馈限制接受通用PID限制器。限制器。20举例举例举例举例蒸汽加热的换热器蒸汽加热的换热器蒸汽加热的换热器蒸汽加热的换热器 换热器静态前馈限制换热器静态前馈限制热热交交换换器器是是应应用用前前馈馈限限制制较较多多的的场场合合，换换热热器器有有滞滞后后大大、时时间间常常数数大大、反反应应慢慢的的特特性性，前前馈馈限限制制就就是是针针对对这这种种对对象象特特性性设设计计的的，故能很好发挥作用。故能很好发挥作用。二、前馈限制的结构形式二、前馈限制的结构形式p静态前馈限制静态前馈限制KF2F121依据热平衡原理来分析依据热平衡原理来分析令令KF2F1通过调整通过调整K值，达到校正效果。值，达到校正效果。缺点：缺点：1、静态模型的精确性问题；、静态模型的精确性问题；2、只能针对具体的扰动设计。、只能针对具体的扰动设计。22p换热器前馈换热器前馈-反馈复合限制反馈复合限制虚线：反馈限制；虚线：反馈限制；实线：前馈限制。实线：前馈限制。干扰干扰前馈限制器前馈限制器+23 三、前馈限制的应用三、前馈限制的应用对象的惯性滞后或纯滞后较大（限制通道长），对象的惯性滞后或纯滞后较大（限制通道长），反馈限制难以满足工艺要求，可接受前馈限制。反馈限制难以满足工艺要求，可接受前馈限制。当主要干扰为可测、不行控变量，无法将其纳入当主要干扰为可测、不行控变量，无法将其纳入到串级限制的副回路时，可接受前馈限制。到串级限制的副回路时，可接受前馈限制。系统中存在变更频繁，波动幅值大，对被控变量系统中存在变更频繁，波动幅值大，对被控变量影响显著，反馈限制又难以克服的干扰，接受前馈影响显著，反馈限制又难以克服的干扰，接受前馈限制。限制。247-4 匀整限制系统匀整限制系统一、背景一、背景例：多塔分别过程。例：多塔分别过程。图中甲塔出料量即为乙塔进料量。甲塔图中甲塔出料量即为乙塔进料量。甲塔需保持塔釜液位的稳定，设计了液面限需保持塔釜液位的稳定，设计了液面限制系统；乙塔希望进料量保持不变，设制系统；乙塔希望进料量保持不变，设计了流量限制系统。计了流量限制系统。25p当甲塔塔釜液位在干扰作用下上升时，液位限制发出信号当甲塔塔釜液位在干扰作用下上升时，液位限制发出信号使阀使阀1 1开大，从而使乙塔进料流量增加。于是乙塔流量限制产开大，从而使乙塔进料流量增加。于是乙塔流量限制产生限制作用又使阀生限制作用又使阀2 2关小，其结果会使甲塔液位上升，如此下关小，其结果会使甲塔液位上升，如此下去，这两个限制系统始终在相互冲突状态下工作。去，这两个限制系统始终在相互冲突状态下工作。相互冲突相互冲突!p解决方法解决方法1：从工艺设计角度，增加缓冲罐：从工艺设计角度，增加缓冲罐p解决方法解决方法2：匀整限制：匀整限制p可实现前后设备在物料供求关系上相互协调、统筹兼顾的可实现前后设备在物料供求关系上相互协调、统筹兼顾的限制系统称为匀整限制系统。限制系统称为匀整限制系统。26二、匀整限制的特点二、匀整限制的特点p只有液位限制：当把液位参数限制平稳时，进入下一个设只有液位限制：当把液位参数限制平稳时，进入下一个设备的流量就会产生较大的波动。备的流量就会产生较大的波动。液位液位27p只有流量限制：当把流量参数限制平稳时，前一个设只有流量限制：当把流量参数限制平稳时，前一个设备的液位也将出现大范围变更。备的液位也将出现大范围变更。流量流量28p匀整限制：当某一个参匀整限制：当某一个参数发生变更时，另一个参数发生变更时，另一个参数也相应地发生变更，因数也相应地发生变更，因为只有通过这种变更才能为只有通过这种变更才能缓解供求之间的冲突。缓解供求之间的冲突。特点：表征前后供求冲突的两个参数都应当在各自允特点：表征前后供求冲突的两个参数都应当在各自允许的波动范围内缓慢变更。许的波动范围内缓慢变更。29三、匀整限制的结构形式三、匀整限制的结构形式设计要求：限制器不含微分作用；通过设计要求：限制器不含微分作用；通过PI参数整定达到匀整参数整定达到匀整限制效果。限制效果。307-5 分程限制系统分程限制系统一、基本概念一、基本概念 由一个限制器的输出去限制两个或两个由一个限制器的输出去限制两个或两个以上执行器的系统称为分程限制系统。以上执行器的系统称为分程限制系统。分程限制是通过阀门定位器来实现的。分程限制是通过阀门定位器来实现的。31分程限制：分程限制：例：执行器例：执行器1在在0.020.06MPa的范围内动作；的范围内动作；执行器执行器2在在0.060.1MPa的范围内动作；的范围内动作；输出气压信号小于输出气压信号小于0.06MPa 的范围，执行器的范围，执行器1随着气压信号随着气压信号的变更而变更开度；的变更而变更开度；输出气压信号大于输出气压信号大于0.06MPa 的范围，执行器的范围，执行器1移动到极限位移动到极限位置开度不再变更，执行器置开度不再变更，执行器2则随着气压信号的变更而变更开度。则随着气压信号的变更而变更开度。32o分程限制的分类：分程限制的分类：o执行器同向动作的分程执行器同向动作的分程限制限制执行器反向动作的分程执行器反向动作的分程限制限制33二、分程限制系统的应用二、分程限制系统的应用p扩大执行器的可调范围，以适应不同生产负荷须要扩大执行器的可调范围，以适应不同生产负荷须要p例：蒸汽压力分程限制例：蒸汽压力分程限制全关到全关到全开全开全关到全关到全开全开347-6 选择性限制系统选择性限制系统一、基本概念一、基本概念在现代化的大型生产过程中，对自动限在现代化的大型生产过程中，对自动限制的期望越来越高。不仅要求限制系统制的期望越来越高。不仅要求限制系统能在正常工况下克服外界干扰，而且还能在正常工况下克服外界干扰，而且还要求限制系统具有良好的应变实力。当要求限制系统具有良好的应变实力。当生产操作达到极限时，能实行一些相应生产操作达到极限时，能实行一些相应的爱护措施，以防止事故的发生。的爱护措施，以防止事故的发生。属于爱护措施的自动限制系统主要有两属于爱护措施的自动限制系统主要有两类：一类是硬爱护限制，另一类是软爱类：一类是硬爱护限制，另一类是软爱护限制。护限制。硬爱护限制，硬爱护限制，ESD（Emergency Shutdown Device，紧急停车系统，紧急停车系统）。）。35p软爱护限制，就是当生产操作出现异样状况时，软爱护限制，就是当生产操作出现异样状况时，不使设备停车，而用另一套符合工艺平安逻辑关系不使设备停车，而用另一套符合工艺平安逻辑关系的限制方案实现对生产的平安爱护。选择性限制系的限制方案实现对生产的平安爱护。选择性限制系统就可以用于达到上述目的。统就可以用于达到上述目的。p选择限制，又被称作取代限制，超驰限制。选择限制，又被称作取代限制，超驰限制。p工作过程：在正常工况下，选择性限制系统基于工作过程：在正常工况下，选择性限制系统基于克服扰动的限制方案工作，而当生产操作条件趋向克服扰动的限制方案工作，而当生产操作条件趋向于平安极限时，系统马上切换到一个用于限制担忧于平安极限时，系统马上切换到一个用于限制担忧全状况的限制方案。待影响生产的不利因素被克服，全状况的限制方案。待影响生产的不利因素被克服，生产操作重新回到平安范围时，正常工况下的限制生产操作重新回到平安范围时，正常工况下的限制方案又复原对生产的限制。方案又复原对生产的限制。36二、选择性限制系统的实例分析二、选择性限制系统的实例分析 例：液氨蒸发器温度与液位选择限制例：液氨蒸发器温度与液位选择限制正常生产中，以被冷却物料的出口温度作为被控变量，正常生产中，以被冷却物料的出口温度作为被控变量，液氨流量作为操纵变量构成单回路温度限制系统。液氨流量作为操纵变量构成单回路温度限制系统。平安性：液氨液位上升较高，可能将液氨夹带到压缩机平安性：液氨液位上升较高，可能将液氨夹带到压缩机中。中。冷却器冷却器压缩机压缩机物料物料37p平安性：液氨液位上升较高，可能将液氨夹带到压缩机中。平安性：液氨液位上升较高，可能将液氨夹带到压缩机中。p阀门开闭形式选择：气开阀，阀门开闭形式选择：气开阀，+pTT，+p对象，液氮流量增加，温度降低，对象，液氮流量增加，温度降低，-p所以，所以，TC为正作用。为正作用。温度限制系统设计：温度限制系统设计：38p阀门开闭形式选择：气开阀，阀门开闭形式选择：气开阀，+pLT，+p对象，液氮流量增加，液位上升，对象，液氮流量增加，液位上升，+p所以，所以，LC为反作用。为反作用。液位限制系统设计：液位限制系统设计：39o选择限制的限制原理选择限制的限制原理-+-正常状况：正常状况：液位限制：液位限制：液位低于设定值液位低于设定值偏差为负偏差为负液位限制器输出液位限制器输出较高信号较高信号温度限制：温度限制：温度接近设定值温度接近设定值偏差较小偏差较小温度限制器输出温度限制器输出较小信号较小信号因此，设计一个低选器，构成温度因此，设计一个低选器，构成温度-液位选择限制回路。液位选择限制回路。40o选择性限制方块图选择性限制方块图41p构成该系统应具备两方面构成该系统应具备两方面:p生产操作上有确定的选择性规律；生产操作上有确定的选择性规律；p组成限制系统的各个环节中，必需包含具有选组成限制系统的各个环节中，必需包含具有选择性功能的选择单元。择性功能的选择单元。p选择限制特点：选择限制特点：p通常系统中设有两个限制器；通常系统中设有两个限制器；p设有两个以上的变送器；设有两个以上的变送器；p设有选择器，选出能适应生产平安状况的限制信设有选择器，选出能适应生产平安状况的限制信号，实现对生产过程的自动限制。号，实现对生产过程的自动限制。427.7 多冲量限制系统多冲量限制系统冲量既变量的意思。多冲量限制系统，冲量既变量的意思。多冲量限制系统，也就是多变量限制系统。也就是多变量限制系统。p例：锅炉给水系统限制例：锅炉给水系统限制p在锅炉的正常运行中，汽包水位是重要在锅炉的正常运行中，汽包水位是重要的操作指标，给水限制系统的作用就是自的操作指标，给水限制系统的作用就是自动限制锅炉的给水量，使其适应蒸发量的动限制锅炉的给水量，使其适应蒸发量的变更，维持汽包水位在允许的范围内。变更，维持汽包水位在允许的范围内。p限制阀作用方式选择限制阀作用方式选择p保证锅炉平安（防止烧干）：选用气关保证锅炉平安（防止烧干）：选用气关阀阀p保证后续汽轮机平安（防止蒸汽带液）：保证后续汽轮机平安（防止蒸汽带液）：选用气开阀选用气开阀43（1）单冲量液位限制）单冲量液位限制o单冲量：汽包液位单冲量：汽包液位o操作变量：锅炉给水量操作变量：锅炉给水量o方案特点：方案特点：o 结构简洁，结构简洁，o 对全部干扰影响均有克服作对全部干扰影响均有克服作用用o存在的问题：存在的问题：o蒸汽负荷变更，产生的蒸汽负荷变更，产生的“虚假液位虚假液位”使限制器发出的信号不利于生产使限制器发出的信号不利于生产平安，不能克服虚假水位的影响；平安，不能克服虚假水位的影响；o限制质量不高，对给水变更及负荷限制质量不高，对给水变更及负荷变更干扰的克服滞后较大。变更干扰的克服滞后较大。44o双冲量：双冲量：o 汽包液位，蒸汽流量汽包液位，蒸汽流量o限制特点：限制特点：o 对蒸汽负荷变更产生的对蒸汽负荷变更产生的“虚虚假液位假液位”具有前馈补偿限制功具有前馈补偿限制功能能o 事实上是前馈事实上是前馈-反馈复合限反馈复合限制限制。制限制。o存在的问题：存在的问题：o对给水变更扰动的克服，滞后较对给水变更扰动的克服，滞后较大。大。（2）双冲量液位限制）双冲量液位限制45v锅炉水位双冲量限制方框图锅炉水位双冲量限制方框图图图7-35 双冲量限制系统方块图双冲量限制系统方块图46(3)三冲量液位限制三冲量液位限制 o三冲量：三冲量：o汽包液位，蒸汽流量，给水流量汽包液位，蒸汽流量，给水流量o特点：特点：o依据水位、给水及蒸汽负荷干扰依据水位、给水及蒸汽负荷干扰的综合指标实施限制，可以克服的综合指标实施限制，可以克服各种干扰的影响，满足水位的动各种干扰的影响，满足水位的动态限制要求。态限制要求。o事实上是前馈事实上是前馈-串级复合限制限串级复合限制限制。制。47图图7-38 三冲量限制系统方块图三冲量限制系统方块图v锅炉水位三冲量限制方框图锅炉水位三冲量限制方框图48课程小结困难限制系统困难限制系统了解比值、前馈、匀整、分程、选择、多冲量等了解比值、前馈、匀整、分程、选择、多冲量等困难限制系统的基本概念和特点。困难限制系统的基本概念和特点。49