第四节 复杂控制系统精选文档.ppt

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1、第四节 复杂控制系统本讲稿第一页，共二十八页加热炉温度控制加热炉温度控制燃料油进料出料炉腔炉腔炉膛炉膛影响炉出口温度的因素影响炉出口温度的因素（1 1）被加热物料的流量和初温变化）被加热物料的流量和初温变化 f f1 1(t)(t)（2 2）燃料热值的变化、压力波动、流量变化）燃料热值的变化、压力波动、流量变化f f2 2(t)(t)（3 3）烟囱抽力的变化）烟囱抽力的变化f f3 3(t)(t)f1(t)f2(t)f3(t)二、串级控制系统二、串级控制系统本讲稿第二页，共二十八页方案一方案一被控变量：炉出口温度被控变量：炉出口温度控制变量：燃料流量控制变量：燃料流量控控 制制 阀：气开阀阀：

2、气开阀加热炉温度控制加热炉温度控制特点：对所有扰动可以克服特点：对所有扰动可以克服控制通道的时间常数和容量滞后大，克服扰动能力差控制通道的时间常数和容量滞后大，克服扰动能力差T1C燃料油进料出料T1T本讲稿第三页，共二十八页方案二方案二被控变量：炉膛温度被控变量：炉膛温度控制变量：燃料流量控制变量：燃料流量控控 制制 阀：气开阀阀：气开阀特点：控制通道的时间常数较小，对扰动特点：控制通道的时间常数较小，对扰动f2(t)f2(t)，f3(t)f3(t)可以可以及时克服，对及时克服，对f1(t)f1(t)不能及时克服。不能及时克服。T2C燃料油进料出料T2T加热炉温度控制加热炉温度控制本讲稿第四页

3、，共二十八页串级控制系统框图串级控制系统框图加热炉温度加热炉温度串级控制系统串级控制系统原理图原理图T1CT2C燃料油进料出料T1TT2T串级控制系统串级控制系统采用两套采用两套检测变送器和两个调检测变送器和两个调节器，前一个调节器节器，前一个调节器的输出作为后一个调的输出作为后一个调节器的设定，后一个节器的设定，后一个调节器的输出送往调调节器的输出送往调节阀。节阀。本讲稿第五页，共二十八页加热炉温度加热炉温度串级控制系统串级控制系统框图框图本讲稿第六页，共二十八页n燃料热值的变化、压力波动燃料热值的变化、压力波动 f2(t)f2(t)，烟囱抽力的变化，烟囱抽力的变化f3(t)-f3(t)-二

4、次扰动或副回路扰动二次扰动或副回路扰动n被加热物料的流量和初温变化被加热物料的流量和初温变化 f1(t)f1(t)-一次扰动或主回路扰动一次扰动或主回路扰动n一次扰动和二次扰动同时存在一次扰动和二次扰动同时存在加热炉温度串级控制系统工作过程加热炉温度串级控制系统工作过程本讲稿第七页，共二十八页串级控制系统串级控制系统框图框图本讲稿第八页，共二十八页串级控制系统的特点与分析串级控制系统的特点与分析结构特点：结构特点：两个闭环，即主环与副环；两个闭环，即主环与副环；两个对象串联，即主对象与副对象；两个对象串联，即主对象与副对象；两个被控参数，即主被控参数与副被控参数；两个被控参数，即主被控参数与副

5、被控参数；两套测量变送装置；两套测量变送装置；两个调节器，即主调节器与副调节器；两个调节器，即主调节器与副调节器；一套调节装置；一套调节装置；主环为定值控制，副环为随动控制，即主调节器的输主环为定值控制，副环为随动控制，即主调节器的输出出 为副调节器的设定值。为副调节器的设定值。本讲稿第九页，共二十八页串级控制系统的特点与分析串级控制系统的特点与分析1 1）改善了过程的动态特性，提高了系统的工作频率。）改善了过程的动态特性，提高了系统的工作频率。理论分析：由于副回路的存在，其等效过程可记为 ：控制效果：控制效果：本讲稿第十页，共二十八页串级控制系统的特点与分析串级控制系统的特点与分析 控制效果

6、：控制效果：则：本讲稿第十一页，共二十八页可见，等效过程的时间常数大大缩小，改善了过程的动态特性；可见，等效过程的时间常数大大缩小，改善了过程的动态特性；又由于串级控制系统的特征方程为：又由于串级控制系统的特征方程为：串级控制系统的特点与分析串级控制系统的特点与分析 控制效果：控制效果：本讲稿第十二页，共二十八页 对于同一过程的单回路控制系统，其特征方程为：本讲稿第十三页，共二十八页*由于串级系统工作频率的提高，缩短了振荡周期，提高了控制质量。本讲稿第十四页，共二十八页2）能迅速克服进入副回路的干扰，提高控制质量。理论分析本讲稿第十五页，共二十八页控制性能与抗干扰能力的综合指标为：对同样过程的

7、单回路控制，其综合指标为：*由此可见，串级控制由副回路的存在，控制作用的总放大系数由此可见，串级控制由副回路的存在，控制作用的总放大系数提高了，因而抗干扰能力与控制能力均比单回路控制系统有了明提高了，因而抗干扰能力与控制能力均比单回路控制系统有了明显提高。显提高。本讲稿第十六页，共二十八页(3)(3)对一次扰动有很强的抑制能力对一次扰动有很强的抑制能力理论分析，串级控制对一次扰动理论分析，单回路控制对一次扰动本讲稿第十七页，共二十八页一般情况下：故：串级控制系统比单回路控制系统抗一次扰故：串级控制系统比单回路控制系统抗一次扰动更强一些动更强一些本讲稿第十八页，共二十八页4 4）对负荷和操作条件

8、的变化适应性强）对负荷和操作条件的变化适应性强小结小结：串级控制系统能大大提高控制质量的原因有：(1)对进入副回路的干扰有很强的抑制能力 (2)改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率 (3)对一次扰动有很强的抑制能力 (4)对负荷或操作条件的变化有较强的适应能力。本讲稿第十九页，共二十八页串级控制系统的设计串级控制系统的设计n串级控制系统的主回路是一个定值控制系统，可以按照单回路系统的设计原则进行。串级控制系统的设计主要是副回路的设计。n副回路设计是根据生产工艺要求的具体情况，关键是选择一个合适的副被控变量，从而组成一个以副被控变量为输出的副回路。n副回路设计及主、副回路关系是串级控制

9、系统设计的主要内容。本讲稿第二十页，共二十八页（一）串级控制系统副回路的设计原则1、副回路应包含被控对象所受到的主要干扰；必须使副回路包含被控过程中变化剧烈、频繁且幅度大的主要干扰，并力求包含更多的干扰，但也不能越多越好2、应使主副被控过程的时间常数适当匹配。3、当对象具有非线性环节时，在设计时应使非线性环节位于副环之中。4、当对象具有较大纯滞后时，在设计时应使副回路尽量少包括或不包括纯滞后。原因：副环实现快速跟随作用，纯滞后对快速跟随产生严重不利影响。本讲稿第二十一页，共二十八页5、副回路设计时应考虑主、副对象时间常数的匹配，以防共振。主、副对象时间常数接近，易产生共振。一般时间常数比：主：

10、副=310左右为佳 若副对象的时间常数比主对象小得多，则副回路反应灵敏，但包若副对象的时间常数比主对象小得多，则副回路反应灵敏，但包含的扰动少；含的扰动少；若副对象的时间常数大于主对象的时间常数，则副回路可包含的若副对象的时间常数大于主对象的时间常数，则副回路可包含的扰动多，改善对象特性效果显著，但反应迟钝；扰动多，改善对象特性效果显著，但反应迟钝；6、所设计的副回路需考虑到方案的经济性和工艺的合理性。本讲稿第二十二页，共二十八页（1）控制规律的选择根据控制要求进行 主变量是生产工艺的主要操作指标，直接关系到产品的质量或生产的安全，工艺上要求比较严格，主变量不允许有余差。副变量要求不严格，允许

11、有波动和有余差，设置副变量的目的在于保证和提高主变量的控制质量。（2）主回路是一个定值系统，主控制器起着定值控制作用。保持主变量的稳定是首要任务，主控制器必须有积分作用，因此宜采用PI或PID。（3）副回路是一个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化而变化，为了能快速跟踪，副控制器一般不用积分作用，微分作用一般不需要，宜采用比例P作用。（二）主、副控制器控制规律的选择本讲稿第二十三页，共二十八页一般：n主控制器：PI、PIDn副控制器：P、（PD）注：（1）当主控制器有积分作用时，不论干扰在副回路还是主回路，都能保证主变量无余差。（2）当副控制器有积分作用时而主控制器无积分作用时，只有干扰作

12、用于副回路，主变量无余差；干扰作用于主回路，主变量仍然存在余差。本讲稿第二十四页，共二十八页注：（1）当主控制器有积分作用时，不论干扰在副回路还是主回路，都能保证主变量无余差。（2）当副控制器有积分作用时而主控制器无积分作用时，只有干扰作用于副回路，主变量无余差；干扰作用于主回路，主变量仍然存在余差。本讲稿第二十五页，共二十八页（三）主、副控制器正反作用的选择n主、副控制器正、反作用的选择顺序：先副后主。（1）副控制器正、反作用根据副回路的具体情况决定，而与主回路无关。副环可以按照单回路控制系统确定正、反作用的方法来确定副控制器的正、反作用。即：调节阀副对象测量变送器副控制器（2）主控制器正、

13、反作用根据主回路所包括的各环节来确定。选择原则：使得主回路构成负反馈。选择原则：使得主回路构成负反馈。选择原则：使得副回路构成负反馈。本讲稿第二十六页，共二十八页WC1(s)WO2(s)Wm1(s)Wm2(s)WC2(s)WV(s)WO1(s)R(s)-F2(s)F1Wf2(s)+*把副回路看成组成主回路的一个独立环节。副回路的放大系数可视为“正”。因变送器一般为“正”，这样主控制器的正负特性与主对象的正负特性一致。本讲稿第二十七页，共二十八页n主、副控制器正、反作用选择顺序：1、按照安全性、节约原料和介质特性确定调节阀的气开、气关形式。2、在副回路中按副回路负反馈要求确定副调节器的正、反作用形式。3、按照副回路环节为正，在主回路中按负反馈要求确定主调节器的正、反作用形式。n选择原则：使得系统构成负反馈。本讲稿第二十八页，共二十八页