过程控制第八章优秀PPT.ppt

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1、过程控制第八章第一页，本课件共有89页主要内容主要内容n前馈控制结构、原理及特点n静态前馈与动态前馈n前馈-反馈复合控制系统n时间滞后控制系统：nSmith预估补偿方案n采样控制方案 第二页，本课件共有89页原油加热炉出口温度的控制第三页，本课件共有89页n如图所示为原油加热炉出口温度控制系统示意图。n原油通过加热汽化从塔顶输出。n加热炉出口温度决定产品质量。n若系统中原油流量经常变化，相当于是主要扰动，那么该如何处理？n注意：原油是生产负荷！不可调节。第四页，本课件共有89页人工控制的基本思想n若原油流量不可以调节，而且扰动幅度又大，则可通过测量原油流量，据此及时调节燃料阀门的开度，以期减少

2、对出口温度的影响。n这其实就是所谓前馈控制前馈控制的基本思想：不等扰动影响到被控量就提前及时调节。第五页，本课件共有89页第六页，本课件共有89页前馈控制结构 第七页，本课件共有89页前馈控制设计原理 n前馈控制的理论基础：不变性原理。n不变性是指控制系统的被控量与扰动量完全无关，或在一定准确度下无关。第八页，本课件共有89页前馈模型 n由不变性原理决定的动态前馈控制器，是由被过程扰动通道与控制通道特性之比决定的，即：n因实现了完全补偿，达到了被控量不受扰动影响的控制效果。第九页，本课件共有89页前馈控制的特点n基于扰动（而不是偏差）来消除扰动对被控量的影响；n动作“及时”，不等到影响被控量即

3、开始调节；n但具有指定性补偿的局限性，多个扰动则需多个前馈控制器；n控制规律取决于被控对象的特性，所以很难准确获得，有时即使获得了被控对象模型但也可能无法实现。第十页，本课件共有89页静态前馈与动态前馈 n静态前馈控制系统：控制器采用比例控制，是前馈模型中最简单的形式。n动态前馈控制系统：基于不变性原理，可显著提高系统动态品质，但系统整定往往比较复杂。只有当工艺上对控制精度要求很高，静态方案难以满足时，才考虑使用动态前馈方案。第十一页，本课件共有89页n为避免对扰动通道及控制通道数学模型的过分依赖，且便于整定，根据被控过程的非周期、过阻尼特性，动态前馈系统设计常采用如下典型的控制规律：第十二页

4、，本课件共有89页可实现前馈控制的PLC功能块第十三页，本课件共有89页前馈控制的局限性 n前馈控制属于开环控制方式；n完全补偿难以满足，因为：n要准确掌握过程扰动通道特性Wd(s)及控制通道特性Wo(s)是不容易的；n即使前馈模型Wff(s)能准确求出，有时工程上也难以实现；n对每一个扰动至少使用一套测量变送仪表和一个前馈控制器，这将会使控制系统庞大而复杂。第十四页，本课件共有89页前馈-反馈复合控制系统 n将前馈和反馈结合起来，构成前馈-反馈复合控制系统。既发挥了前馈控制可及时克服主要扰动对被控量影响的优点，又保持了反馈控制能克服多个扰动的长处；n复合控制降低了系统对前馈补偿器的要求，使其

5、在工程上更易于实现。第十五页，本课件共有89页前馈反馈控制系统的设计原则 n实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测及不可控性：n可测：指扰动量可以通过测量变送器，在线地将其转换为前馈补偿器所能接受的信号。n不可控：指这些扰动量难以或不允许通过专门的控制回路予以控制，如生产中的负荷。第十六页，本课件共有89页n采用前馈控制主要是对那些可测不可控、变化频繁且幅值较大的扰动量；n工程中，一般选用静态前馈-反馈控制方案即可得到较为满意的控制效果。第十七页，本课件共有89页前馈控制设计举例磨矿工艺流程 第十八页，本课件共有89页球磨机与螺旋分级机第十九页，本课件共有89页二段磨矿浓度控制分析n在二段磨矿生

6、产过程中，球磨机内的浓度与二段分级返砂量有关，而二段分级机返砂量受细度控制影响很大。n这是因为，二次分级溢流细度作为重要生产指标必须严格控制，而控制细度的方法是往分级机内添加二次溢流补加水：当细度变粗时，加大给水量，加速分级机内矿砂沉淀，较粗的矿砂返回二段球磨，只有较细的矿砂才会溢出；反之则减小给水量保证细度相对稳定。第二十页，本课件共有89页二段磨矿浓度控制存在的问题n在生产中，由于控制细度的二次溢流补加水量变化较大，会导致分级返砂量变化也很大，从而使二段球磨机浓度难以稳定。n若仅以浓度值进行反馈控制，调节过程中有时会出现较大的动态偏差。针对这种不可控、变化频繁且幅值较大的扰动，决定引入前馈

7、控制。第二十一页，本课件共有89页前馈控制设计举例第二十二页，本课件共有89页前馈控制设计举例前馈控制设计举例第二十三页，本课件共有89页时间滞后控制系统时间滞后控制系统n时间滞后是指纯滞后过程。纯滞后往往是由于物料或能量需要经过一个传输过程而形成的。n纯滞后极大地影响系统动态性能，引起闭环控制系统稳定性明显降低，过渡过程时间加长。nt/T0.3时，就被认为是具有较大纯滞后的工艺过程，常用控制方法：n预估补偿方案；n采样控制方案。第二十四页，本课件共有89页Smith预估补偿方案n预先估计出被控过程动态模型；n然后将预估器并联在被控过程上，使其对过程中的纯滞后特性进行补偿：力图将被延迟了时间t

8、 0的被控量提前送入控制器，使控制器能提前动作。第二十五页，本课件共有89页第二十六页，本课件共有89页预估补偿方案 n经结构图简化，并推导可得Smith预估补偿控制系统闭环传递函数，即：n可见，Smith预估器可以完全消除时滞的影响，从而成为一种对线性、时不变、单输入单输出时滞系统的理想控制方案。第二十七页，本课件共有89页Smith预估器在实际应用中的限制nSmith预估器在实际应用中很不尽如人意，主要原因在于Smith预估器需要确知被控对象的精确数学模型，而且它只能用于线性定常系统。n也有一些改进型Smith预估器，但由于没有脱离对被控对象模型依赖的本质，在实际中极少使用。第二十八页，本

9、课件共有89页采样控制方案采样控制方案 n调一下，等一等的办法；n当调节器输出达一定时间后，就不再使增加（或减小）了，而是保持此值（保持的时间比纯滞后时间t 0稍长些），直到控制作用的效果在被控量变化中反映出来为止；n接着，根据偏差的大小再决定下一步控制作用的大小和方向。第二十九页，本课件共有89页采样控制方案的特点n核心思想就是避免控制器不必要的误操作，而宁愿让控制作用弱一些。n无需掌握精确的过程动态特性，就能克服被控过程中纯滞后的不利影响。n需注意采样周期的选取应略大于过程的纯滞后时间。第三十页，本课件共有89页前馈及采样控制设计举例第三十一页，本课件共有89页第三十二页，本课件共有89页

10、前馈及采样控制设计举例第三十三页，本课件共有89页主要内容主要内容n解耦控制系统解耦控制系统n比值控制系统比值控制系统第三十四页，本课件共有89页变量耦合n在多变量过程控制系统中，各系统之间的耦合是经常存在的。n许多单变量控制系统之所以能正常工作，是因为在某些情况下，这种耦合的程度不高，因此可以把这样的系统相对孤立起来，按照单变量系统的方式进行分析与设计。n但若变量间的关联比较紧密，一个控制参数的变化引起多个被控参数变化时，就不能将其分为若干个单变量系统进行分析与设计，否则不但得不到满意的控制效果，甚至得不到稳定的控制过程。第三十五页，本课件共有89页精馏塔产品成份控制系统 第三十六页，本课件

11、共有89页相对增益 n若某通道的被控量记作，其控制量记作，则该通道的相对增益定义为：n分子表示其他回路均为开环（即其他控制量均不变）时，该通道的开环增益；分母表示其他回路闭环（即其他回路控制量在调整，而其对应的被控量均不变）时，该通道的开环增益。第三十七页，本课件共有89页相对增益矩阵 n n的值愈接近于1，则说明第i个被控量相对于第j个控制量间的耦合程度越大，其控制效果也就越明显。n可以证明，多变量系统相对增益矩阵中每行（列）上的相对增益总和为1。第三十八页，本课件共有89页相对增益法的应用 n所有元素都在0和1之间。若其中某一对变量的相对增益接近于1，则表明其他通道对本通道的影响将很小，因

12、此这一对变量配对是合理的，且这个通道可以与本通道控制器组成独立的单回路控制系统，不需要采取特别的解耦措施。n有的元素大于1。在其同行（及同列）中必有一个负数。相对增益出现负值时称为负耦合，显然，控制系统不稳定。n矩阵中各元素数值相近。此时变量间的关联最为严重。第三十九页，本课件共有89页耦合系统的解耦设计方法 n对角矩阵解耦法，含单位矩阵解耦法 n前馈补偿解耦法，是目前工业上应用最普遍的一种解耦方法。第四十页，本课件共有89页对角矩阵解耦法 第四十一页，本课件共有89页对角矩阵解耦网络 第四十二页，本课件共有89页单位矩阵解耦网络 n n采用单位矩阵法解耦，不但消除了原耦合系统间的关联，同时改

13、变了等效被控对象的特性，由于此时对象特性为1，因而极大地提高了系统的稳定性。n其缺点是解耦网络模型可能比其他解耦法求出的模型更难以实现。第四十三页，本课件共有89页前馈补偿解耦法 n前馈补偿解耦法，是根据不变性原理设计解耦网络，从而解除系统的耦合关联。第四十四页，本课件共有89页解耦系统的简化 n耦合对象模型的简化处理。耦合对象传递函数矩阵中，最大的时间常数与最小的时间常数相差10倍以上时，可以忽略最小的那个时间常数。n 解耦网络模型的简化处理（静态解耦）。静态解耦已能使耦合系统稳定运行，且能在一定程度上减小被控参数变化的幅值，尽管会存在动态偏差，但其幅值已相应减小。这是一种基本而有效的补偿方

14、法。第四十五页，本课件共有89页比值控制系统比值控制系统 n定义：两个或多个参数自动维持一定比值关系的过程控制系统。n例如：n燃烧过程中，为保证燃烧经济性，需保持燃料量和空气量按一定比例混合后送入炉膛；n造纸过程中，为保证纸浆浓度，必须控制纸浆量和水量按一定的比例混合。第四十六页，本课件共有89页主动量和从动量主动量和从动量n比值控制系统中，起主导作用的物料流量一般为主动量q1。如燃烧过程中的燃料量、造纸中的纸浆量；n随主动量变化的物料流量称为从动量q2。如燃烧过程中的空气量、造纸中的水量。nq2与q1保持一定的比值，即：第四十七页，本课件共有89页比值控制方案n根据工业生产过程的不同需求，有

15、3种常用的比值控制方案：n单闭环比值控制；n双闭环比值控制；n变比值控制。n单闭环或双闭环比值控制中，比值系数固定不变；而变比值控制中，比值系数可变。第四十八页，本课件共有89页单闭环比值控制 n从动量 q2是一个闭环控制系统；n主动量 q1为开环控制，即 W1(s)=k；从动量q2 的给定是 k q1，故从动量又是一个随动控制系统。n特点：结构简单，可克服作用于从动量回路中的扰动，应用于主动量可测不可控场合。第四十九页，本课件共有89页第五十页，本课件共有89页双闭环比值控制 n由一个定值控制的主动量回路和一个跟随主动量变化的从动量控制回路组成。n特点：实现主动量定值控制，使总物料量稳定。可

16、克服主动量和从动量的扰动，适用于要求负荷变化平稳的场合，但控制稍复杂。第五十一页，本课件共有89页第五十二页，本课件共有89页变比值控制 n不管是单闭环或双闭环比值控制系统，其控制的目的就是要保证两种物料流量的比值固定不变。n在变比值控制系统中，流量比值只是一种控制手段，而不是最终目的。n变比值控制系统通过控制流量比值，来实现第三参数的稳定不变。本质上是一个以第三参数为主参数、以流量比为副参数的串级控制系统。第三参数往往是产品质量指标。第五十三页，本课件共有89页第五十四页，本课件共有89页变比值控制系统设计举例-磨矿工艺 第五十五页，本课件共有89页变比值控制系统设计举例变比值控制系统设计举

17、例-需求分析需求分析n工艺与控制要求：n产量基本稳定；n磨机内部磨矿浓度稳定。n对于一段磨机，若给矿量稳定，系统按比例控制给水量（一段分级返矿水），可以初步稳定一段磨机内的浓度。n受原矿性质、磨机排矿速度变化等因素的影响，若仅以固定比值控制给水，难以保证磨矿浓度，甚至会造成磨机“胀肚”等设备事故。第五十六页，本课件共有89页变比值控制系统设计举例-控制方案n对一段磨机而言，浓度发生变化后，要求矿和水两种物料流量的比值要随之变化，决定采用变比值控制方案。n主动量为磨矿浓度；从动量为矿和水两种物料流量的比值。n在从动量调节过程中，由于矿量是生产负荷，起主导地位，故以调节水量为主来改变比值。第五十七

18、页，本课件共有89页变比值控制系统设计举例-控制方框图第五十八页，本课件共有89页变比值控制系统设计举例-控制过程分析n当控制系统工作时，按当前给矿量比例控制给水。n当浓度发生变化时，浓度控制器的输出将修改比值系数 K，从而修改了给水闭环的给定值，给水闭环及时调节给水量，保证浓度稳定，满足工艺要求。第五十九页，本课件共有89页主要内容主要内容n均匀控制系统均匀控制系统n超弛控制系统超弛控制系统n分程控制系统分程控制系统n阀位控制系统阀位控制系统第六十页，本课件共有89页均匀控制系统 n均匀控制可使被控量y(t)与控制量q(t)在一定范围内均匀缓慢地变化。n在定值控制系统中，为了保持被控量为定值

19、，控制量可作较大幅度变化。而在均匀控制中，控制量和被控量同样重要，控制的目的要使它们都缓慢而均匀地变化。第六十一页，本课件共有89页第六十二页，本课件共有89页均匀控制的特点n均匀控制的特点是在工艺允许的范围内，前后装置或设备供求矛盾的两个参数（一个是控制量，另一个是被控量）都是均匀缓慢变化的。n均匀控制与定值控制在控制结构上没有任何区别，其区别在于控制的目的不同。均匀控制是为保证被控量和控制量都变化缓慢，其控制器参数比例度 d 和积分时间TI都比定值控制系统大得多，即控制作用从程度上讲很“弱”。第六十三页，本课件共有89页均匀控制系统设计举例均匀控制系统设计举例 n磨矿及浮选工艺中，矿石进入

20、磨机研磨形成原矿矿浆，矿浆在工艺处理中需进入矿浆池，由渣浆泵抽到浮选作业流程。矿浆池的液位保持相对稳定。若矿浆液面过高，易造成矿浆溢流损失；若矿浆液面过低，空气易进入泵内，造成气蚀。n矿浆池的出浆流量即送入浮选设备的矿浆量保持相对稳定。因为在浮选作业中，药剂添加量往往相对不变，若进入浮选的矿浆量波动较大，势必影响浮选作业效果。第六十四页，本课件共有89页均匀控制系统设计举例均匀控制系统设计举例n上述控制不同于定值控制，否则不符合生产工艺中的第二点要求。在进行控制器参数整定时，其比例度 d 和积分时间TI都要比定值控制系统大得多。n采用变频器对泵（往往功率很大）进行速度调节，而不采用控制调节阀的

21、开度，还可以得到显著的节能效果！第六十五页，本课件共有89页第六十六页，本课件共有89页超弛控制n将生产过程中的限制条件所构成的逻辑关系，叠加到正常控制系统上去的一种组合控制方法。n在过程控制系统中，设有两个控制器，通过选择判断，选出能适应生产安全状况的自动控制。一般从生产安全角度提出来，如要求温度、压力、物位不能越限等。n超弛控制又被称为选择性控制、取代控制或软保护控制。第六十七页，本课件共有89页硬保护和软保护 n硬保护是指当参数达到高限或低限时，系统开始报警，这时需设法排除故障，若没能及时排除故障，则当参数达到高高限或低低限时，系统经联锁装置动作，自动停车。n软保护是指当参数达到高限或低

22、限时，系统开始改变控制方式，以参数脱离极限值作为当前控制的第一指标，此时的控制方式一般会使控制质量有所降低，但可维持生产继续进行，避免停车（因为停车往往会造成巨大的经济损失）。第六十八页，本课件共有89页球磨浓度超弛控制球磨浓度超弛控制n在磨矿浓度变比值控制中，若浓度过高或过低导致“胀肚”时，将不再采用变比值控制；n取而代之，是停止给矿或给水，即采用超驰控制，待浓度恢复到正常区间后，再进行变比值控制。第六十九页，本课件共有89页氨冷器超弛控制 n在正常情况下根据物料出口温度控制液氨的进入量，但氨冷器中液位不允许过高，否则会使气氨中带液，以致损坏后续设备（压缩机），故在液位高于某个数值后，将用液

23、位控制器取代温度控制器，对液氨进入量进行控制。第七十页，本课件共有89页第七十一页，本课件共有89页第七十二页，本课件共有89页超弛控制应用发展n随着计算机控制技术的发展，采用软件方法取代以前的硬件选择器实现超弛控制已变得十分方便。n在基于计算机的过程控制系统中，许多控制回路都有超弛控制以避免故障或危险的发生或扩大，保证生产的正常进行。第七十三页，本课件共有89页分程控制n一个控制器的输出信号分段分别去控制两个或两个以上调节阀动作的系统。n控制器的输出被分割成若干信号范围段，而由每一段信号去控制一只调节阀。n分程控制是通过阀门定位器来实现的。它将调节器的输出压力信号分成几个区段，不同区段的信号

24、由相应的阀门定位器转化为20100kPa信号压力，使调节阀全行程动作。第七十四页，本课件共有89页分程控制方框图 第七十五页，本课件共有89页分程控制系统的分类 第七十六页，本课件共有89页蒸汽减压系统分程控制 第七十七页，本课件共有89页 间歇反应器的分程控制 n蒸汽阀选气开式，冷水阀选气关式。反应开始时，首先升温，A 阀渐渐关小，当 A阀全关时，B 阀开始打开，蒸汽加热，达到反应温度时，反应开始。n反应开始后，温度继续上升，这时控制器使 B 阀渐渐关小，当 B 阀全关时，A 阀逐渐打开，冷却水把反应热带走，使反应釜温度恒定，反应继续进行。第七十八页，本课件共有89页第七十九页，本课件共有8

25、9页油品储罐氮封分程控制 n氮封要求罐内氮气微量正压。储罐内存储的物料增减时，罐顶压力将产生变化。nA 阀（充氮气）采用气开方式，B 阀（放空）为气关方式。向油罐注油时，压力升高，压力小于 0.06MPa 时，A 阀全关、B 阀打开；从油罐抽油时，压力下降，压力大于 0.06MPa 时，B 阀全关、A 阀打开，维持压力不变。第八十页，本课件共有89页第八十一页，本课件共有89页分程控制应用中需注意的几个问题 n调节阀的泄漏量。选用的调节阀应不泄漏或泄漏量极小。尤其是在大、小阀并联工作时，若大阀泄漏量过大，小阀将不能充分发挥其控制作用。n调节阀流量特性的选择。在把两个调节阀作为一个调节阀使用的分

26、程控制中，要求从一个阀向另一个阀过渡时，其流量变化要平滑。由于两个阀的放大系数不同，在分程点上会引起流量特性的突变。为了解决这个问题，可选择合适的调节阀流量特性，或采用分程信号重叠法。第八十二页，本课件共有89页阀位控制 n在过程控制系统中，控制变量选择既要考虑到它的快速性和有效性，又要考虑到它的经济性和合理性。而在有些情况下所选择的控制变量很难做到两者兼顾。n阀位控制系统就是在综合考虑控制变量的快速性、有效性、经济性和合理性基础上发展起来的一种控制系统。第八十三页，本课件共有89页阀位控制系统 n在阀位控制系统中，选用两个控制变量 A和 B，其中控制变量 A 从经济性和工艺的合理性考虑比较合

27、适，但对克服干扰的影响不够及时、有效。控制变量 B 的快速性和有效性较好，即克服干扰比较迅速、及时，但经济性、合理性差。n这两个控制变量分别来自两只控制器。控制变量 B 由主控制器C1控制，控制变量 A由所谓的阀位控制器C2控制。C1的给定值R1是产品的控制指标，C2的给定值R2是控制变量 B 管线上调节阀的阀位。第八十四页，本课件共有89页第八十五页，本课件共有89页管式加热炉原油出口温度控制 n选用燃料气（油）作为控制变量是经济合理的，然而它对克服外界干扰的影响却不及时。选用原油作为控制变量时，由于采用旁路控制，通道滞后小，对原油的出口温度控制十分及时、有效，然而从工艺上考虑是不经济的，会造成能量损耗。第八十六页，本课件共有89页第八十七页，本课件共有89页蒸汽减压系统压力控制 n PC 为主控制器，它的输出同时作为阀VB的控制信号，又作为阀位控制器VPC的测量信号，调节阀 VA 由阀位控制器控制，而阀位控制器的给定值 r 则决定着阀的开度（通常设置值 r 都是一个较小的值）。第八十八页，本课件共有89页第八十九页，本课件共有89页