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过程控制系统4.ppt

过程控制系统4

sxgtc
2011-10-03 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《过程控制系统4ppt》,可适用于高等教育领域

过程控制系统过程控制系统第一章绪论第二章被控过程的数学模型第三章单回路控制系统设计第四章串级控制系统第五章前馈及复合控制系统第六章时间滞后控制系统第七章其它过程控制系统第八章过程控制中的计算机应用第四章串级控制系统第四章串级控制系统§概述单回路控制系统:结构简单但难于适应工艺参数间关系比较复杂的控制特别是现代大规模工业生产。复杂控制系统:具有两个以上的检测变送单元、或控制器、或执行器能完成一些复杂或特殊的任务串级控制系统:对改善控制品质有独到之处故而在过程控制系统中应用很广泛。下列场合单回路控制系统不合要求:过程可控程度较差如对象具有大纯滞后过程具有较明显的时变特性或非线性特性:扰动剧烈且幅度大控制性能要求较高过程参数之间存在严重关联一串级控制系统的组成一串级控制系统的组成以炼油厂管式加热炉的出口温度控制为例。()、采用直接控制方案:如图所示。优点:所有对温度的干扰都包括在控制回路之中。缺点:对燃油流量变化等干扰控制不及时总滞后较大。()、采用间接控制方案:如图所示。优点:能及时而有效地克服来自燃料油压力方面的干扰。缺点:燃料油控制只起辅助作用放弃炉出口温度控制将无法克服来自原料流量和温度、炉膛压力变化等方面的干扰。、问题的提出、系统组成、系统组成()、结构图:将图、图方案综合起来即得串级控制系统如图所示。加热流量测量温度测量流量控制器的设定值应该由反应温度来决定变与不变变化多少朝哪个方向变。()、方框图:如图所示。()、方框图:如图所示。()、特征:两台控制器串联在一起控制一个调节阀。()、另一实例()、另一实例()、常见名词术语:()、常见名词术语:主、副变量主、副控制器主、副对象主、副变送器主、副回路等如图二、二次干扰二、二次干扰作用在主、副对象上的干扰分别为一、二次干扰。图为串级控制系统的通用方框图。三、串级控制系统的工作过程仍以管式加热炉出口温度控制为例分析克服干扰的过程。、干扰来自燃料油流量初始阶段出口温度不变温度控制器的输出不变。出口温度变化时温度控制器不断改变着流量控制器的设定值。、干扰来自原料油、干扰来自原料油()、使主、副变量同向变化()、使主、副变量反向变化分析可知:副控制器具有“粗调”作用主控制器具有“细调”作用两者配合控制质量必高于单回路控制系统。出口温度温度控制器输出流量控制器设定值。、一、二次干扰同时出现燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化。§串级控制系统的性能分析§串级控制系统的性能分析串级控制系统能使等效副对象的时间常数变小放大系数增大从而显著提高控制质量。将整个副回路看成一个副对象则简化图如图所示(或下张两图)。一、时间常数T‘<T意味着控制通道的缩短。下面对串级控制系统与单回路系统作一个深入的分析:、临界频率和临界增益Gc(s)和Gc(s)假设都设置为纯比例。副回路的开环传函G(s)为:这样主环的开环传递函数为:采用与副回路同样的分析方法可求得主回路的临界频率Wc和在该频率下的开环传递函数动态部分的振幅比:它的临界频率wc=,环路的临界静态增益kmax=。由上面分析可看到以下几点:a)串级系统副回路的临界频率Wc=,而单回路的临界频率wc=,wc>>wc。任何串级控制系统副对象的动态滞后总比整个对象的动态滞后小所以副回路的临界频率高于单回路的临界频率是普遍规律。这说明副回路的动态响应要比单回路快得多因而对图中F(进入副回路的干扰)副回路有很快的抑制作用。b)主回路的临界频率wc=,单回路临界频率wc=,前者也要比后者大得多。主回路临界频率的增高加快了对干扰F和F的响应提高了控制品质。通过比较副回路前向通道和副回路等效环节的频率特性可得结论如下:、等效环节的相滞角总是小于副回路前向通道的相滞角。在相同频率下由于副回路闭合后会使相滞角减小从而导致主回路的临界频率得以增加。因而一般来说串级系统具有使临界频率增高的特点。、主回路的开环临界静态增益Kmax,=,单回路的开环临界静态增益Kmax=前者明显大于后者。这表明串级比单回路在相同稳定性下可以具有较强的控制作用从而改善了控制品质。这对克服F和F干扰的影响都有益。二、工作频率二、工作频率由于等效副回路时间常数的缩短系统的工作频率提高了(可使振荡周期缩短)。通过对串级和单回路控制系统特征方程的分析可知:串>单。单回路控制系统只有一个控制器设定值一般不变难以适应负荷非线性的变化。串级控制系统中副回路是一个随动系统设定值随主控制器的输出而变化适应负荷变化的能力较强。副回路能自动地克服对象非线性特性的影响。三、有一定的自适应能力§串级控制系统的工业应用§串级控制系统的工业应用当被控对象纯滞后时间较长时在离控制阀较近、纯滞后时间较小的地方选择一个副变量把干扰拉入副回路。利用副回路的超前作用来克服对象的纯滞后仅仅是对二次干扰而言的一次干扰不直接影响副变量。例如下图所示:坚持一个设计原则:凡是用单回路控制系统能满足控制要求的就不用串级控制系统。一、用于克服对象的纯滞后副变量:过热蒸汽温度位于滞后较小的B点。被控参数:A点温度控制参数:减温水流量主要干扰:减温水压力波动。二、用于克服对象的容量滞后二、用于克服对象的容量滞后容量滞后会使被控对象反应迟钝超调大过渡过程长。以温度或质量作为被控量的控制对象其容量滞后往往比较大致使控制质量变差。对象容量滞后大、干扰复杂的情况下串级控制系统的使用最为普遍效果较好。此时应选择一个滞后较小的辅助变量组成副回路。副环的时间常数不能过大否则失去控制及时的特点也不能过小力求多包含一些干扰。例如下张图:燃料油热值变化后炉膛反应滞后分钟而出口温度则需分钟。三、用于克服变化剧烈和幅值大的干扰三、用于克服变化剧烈和幅值大的干扰串级控制系统对二次干扰具有很强的克服能力。设计时应把变化剧烈、幅值大的干扰包含在副回路中。副回路放大系数应大些会使抗干扰能力大大提高。例如下图脱气塔的压力对主控指标(液位)影响很大甚至造成溢出或打干的事故是主干扰串级控制后效果很好。四、用于克服对象的非线性四、用于克服对象的非线性负荷变化会引起工作点的移动。当负荷变化大且频繁时只有高级控制系统才有重整参数以适应控制要求的能力。一般控制系统中有效办法是采用串级控制。例在图中其中部温度要严控则将具有非线性特性的换热器包含在副回路。§串级控制系统的设计§串级控制系统的设计主变量(操纵量)的选择原则主要有:()、条件允许时选质量指标作为主变量。正确合理地设计才能使串级控制系统发挥其特点。设计包括主、副回路选择主、副控制器控制规律选型和正、反作用的确定。一、主、副回路的选择(一)、主回路是一个定值控制系统可以按单回路控制系统的设计原则进行。(二)、副回路应包括尽可能多的扰动。(二)、副回路应包括尽可能多的扰动。前已述及应将变化最剧烈、幅度最大、最频繁的扰动包括在副回路中。研究系统的干扰来源是十分重要的。如前述的管式加热炉主扰动为燃油压力还是燃油热值则副回路的选择大不相同。()、其次考虑选择与质量有单值关系的参数作为主变量。()、所选主变量应有足够的灵敏度且工艺合理、易实现。并非包括的干扰越大越好。干扰包括得越大副变量的位置会越靠近主变量灵敏度会降低。(三)、主、副对象的时间常数要匹配。(三)、主、副对象的时间常数要匹配。前已分析得到串与单的关系如图所示。绘出分析曲线如右图所示。分析可知分析可知()、当TT>时则T很小副回路包括的干扰很少作用未发挥。()、当TT<时说明T过大副回路的控制作用不及时。()、当TT时主、副回路易出现“共振效应”。一般认为:TT=较合适。究竟T取多大为好应按具体情况确定。若欲快速克服主干扰则小一点为好若欲克服对象的大滞后可取大点若欲克服对象的非线性则TT宜取大一些。副回路的设计遵循一般原则(P):副回路的设计遵循一般原则(P):使系统的主要干扰包含在副环中在可能的情况下应使副环包含更多一些干扰当对象具有非线性环节时使非线性环节处于副环中当对象具有纯滞后环节时在设计时应尽量使副回路不包含纯滞后环节尽量避免主、副回路的时间常数接近以避免“共振”发生副回路的设计应考虑经济性和工艺的合理性二、主、副控制器的选择二、主、副控制器的选择、对主变量控制质量要求高主变量宜采用PI规律欲克服容量滞后应引进微分作用采用PID规律。副变量一般采用P规律就可以了。、对副变量控制要求也较高主、副变量均采用PI控制规律。、对主变量控制要求不高甚至允许小波动主变量采用P规律副回路对主回路的跟随要求快而准时采用PI控制规律。(一)、控制规律的选择(二)、正、反作用方式的选择(见书P)(二)、正、反作用方式的选择(见书P)副控制器按单回路方式选择。主控制器按下式确定:、对主、副变量控制要求均不高均可采用P规律必要时对主变量控制引进微分作用。(主控制器)(副对象)(主对象)=()主、副控制器正、反作用方式的确定是否正确可进行验证如图。§串级控制系统控制器参数的整定§串级控制系统控制器参数的整定所谓投运就是通过适当的步骤使主、副控制器从手动工作状态转到自动工作状态。两种投运方法:①、先投副环后投主环(常用)②、先投主环后投副环(很少用)。一、串级控制系统的投运二、串级控制系统控制器参数的整定二、串级控制系统控制器参数的整定串级控制系统的方案正确设计后为了使系统运行在最佳状态按照自控理论必须对系统进行校正这在过程控制中称为参数整定。在工程实践中串级控制系统中常用的整定方法有:逐步逼近法、两步整定法、一步整定法等。(一)、逐步逼近法(一)、逐步逼近法逐步逼近法是先副后主逐步逼近。该方法较繁琐。具体步骤为:先断开主回路整定副控制器。后闭合主回路整定主控制器。重新调整副控制器参数。若未达到控制要求再调整主控制器参数。以上步骤循环进行直到满足(逼近)控制指标为止。对于不同的控制系统和不同的品质指标要求逐步逼近法逼近的循环次数是不同的所以往往费时较多。(二)、两步整定法(应用最广泛)(二)、两步整定法(应用最广泛)第一步整定副控制器第二步整定主控制器。应用举例在硝酸生产过程中有一个氧化炉温度与氨气流量的串级控制系统。温度为主参数工艺要求较高温度最大偏差不能超过℃氨气流量为副参数允许在一定范围内变化要求不高。系统控制器参数采用两步整定法过程如下。①、在系统设计时主控制器选用PI控制规律副控制器选用P控制规律。在系统稳定允许条件下主、副控制器均置于纯比例作用主控制器的比例度置于用:衰减曲线法(见右图)整定副控制器的参数得②将副控制器的比例度置于上用相同的方法整定将主控制器的比例度由大到小逐渐调节取得主控制器的S=,TS=min。S=,TS=s。③根据上述求得的各参数运用:衰减曲线法整定计算公式(见上表)计算主、副控制器的整定参数为:主控制器(温度控制器):比例度=S=积分时间T=TS=min副控制器(流量控制器):比例度=S=④把上述计算的参数按先P后I的次序分别设置在主、副控制器上并使串级控制系统在该参数下运行。实际运行氧化炉温度稳定完全满足生产工艺的要求。思考题思考题、与单回路系统相比串级控制系统有哪些主要特点?、为什么说串级控制系统具有改善过程动态特性的特点?T’和K’减小与提高控制质量有何关系?、为什么提高系统工作频率也算是串级控制系统的一大特点?加热温度测量返回加热流量测量返回

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