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过程控制系统.ppt

过程控制系统

liguo0206
2012-12-01 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《过程控制系统ppt》,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§课程的性质和教学安排§课程的性质和教学安排凡是采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。(另有电力拖动控制方向)、过程控制的概念、过程控制是自动化专业的主要内容之一第一章绪论、教学安排、教学安排、主要参考书()、过程控制工程冯品如轻工业出版社()、过程控制与自动化仪表侯志林机械工业出版社()、微型计算机控制技术于海生清华大学出版社()、学时、实验情况()、内容安排()、从实际应用看()、从专业特点看返回§过程控制的发展概况§过程控制的发展概况生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、减少成本、改善劳动条件、保证安全和提高劳动生产率重要手段一直起着极其重要的作用。其发展经历了以下几个方面:、初期阶段(~年代)、简单仪表化阶段(~年代)、综合自动化阶段(~年代中期)、全盘自动化(及智能化)阶段(年代中期自今)§过程控制的特点及计算机的作用§过程控制的特点及计算机的作用过程控制的目的:保持过程中的有关参数为一定值或按一定规律变化。、被空对象的多样性、对象特性的难辨性白色系统、黑色系统、灰色系统的概念、普遍存在滞后、特性往往具有非线性:如间歇式加温、齿轮运动等。、计算机在过程控制中的地位和作用、计算机在过程控制中的地位和作用计算机的应用不仅促进了现代控制理论的发展而且也推动了自动化向深度与广度进军使生产自动化提高到更高的水平。甚至在向智能化的方向大步迈进。微型计算机控制生产过程按不同的控制目的可分为两类:一是数据检测处理二是形成微机控制系统。微机控制在提高产品质量、保证安全运行、减少原料和能量消耗、控制和减少环境污染、提高企业的管理水平方面正在并将发挥越来越重要的作用。§过程控制的组成及术语§过程控制的组成及术语一、系统组成、控制原理(如下图)以液体储槽的水位控制为例进行说明。液位变送器液位控制器执行器、系统方块图、系统方块图、主要组成部分、主要组成部分()、被控对象:生产过程中被控制的工艺设备或装置。()、检测变送单元:仪表课中已做介绍。()、控制器:实时地对被控系统施加控制作用。()、执行器:将控制信号进行放大以驱动控制阀。常见的有气动和电动两种。()、控制阀:控制进料量。有气开式和气关式之别。、被控对象(简称对象或过程):前已述及。、被控参数:按照生产过程要求某些变量应该维持在稳定的变化范围内如果对其施加控制作用就称二、常用术语、干扰:、干扰::凡是影响被控量的各种作用均叫做干扰或扰动。分内干扰和外干扰。(内干扰如原料成分变化等。)、控制参数:即调节介质。如储水槽液位控制系统的给水量。、测量值:被控变量经检测变送后即是测量值。、给定值:即被控变量的设定值。、偏差值:准确地说应是被控量的给定值与实际值之差。但能够直接得到的信号是被控量的测量值故通常把给定值与测量值之差称作为偏差。、调节器输出:根据偏差值、经一定算法得到的输出值。调节器输出亦称控制作用。其为被控参数。如温度、压力、流量、液位、成分等。§过程控制系统的分类§过程控制系统的分类有常规控制系统、计算机控制系统。一、一般分类、按工艺参数分类:有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、成分控制系统、物位控制系统等。、按系统的任务分类:有比例控制、均匀控制、前馈控制等。、按自动化装置的不同分类:二、按设定值形式分类二、按设定值形式分类、按是否形成闭合回路分类:是工业生产过程中应用最大的一种过程控制系统。在运行时系统被控量的给定值是不变的。有时根据生产工艺要求被控量的给定值保持在规定的小范围附近波动。、按控制器的动作分类:有、定值控制系统PPIPID位式、。、随动控制系统、随动控制系统其给定值按预定的时间程序来变化。如机械工业中的退火炉的温度控制系统其给定值是按升温、保温、逐次降温等程序变化的。家用电器中应用定值控制系统的也很多如电脑控制的洗衣机、电饭煲等。是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。它的主要作用是克服一切扰动使被控量随时跟踪给定值。、程序控制系统§控制系统的质量指标§控制系统的质量指标、递减比见图一般认为n:=:时稳定性好但温度等慢变化过程约取:为好应根据实际情况灵活处理。、衰减率是衡量过度过程稳定性的一个动态指标(于递减比含义相同)一般取=~。见图、动态偏差(亦即超调量)、动态偏差(亦即超调量)为被控量偏离稳定值或设定值的最大偏差值。其它课程已做介绍不再详述。、调节时间、静态偏差(即余差)见以下两图中的C。返回第二章被控过程的数学模型第二章被控过程的数学模型。数学模型的有关概念§概述数学模型:指过程在各输入量的作用下其相应输出量变化的函数关系数学表达式。干扰:内干扰调节器的输出量u(t)外干扰其余非控制的输入量。通道:输入量与输出量间的信号联系。控制通道控制作用与被控量间的信号联系控制通道控制作用与被控量间的信号联系扰动通道扰动作用与被控量间的信号联系。。研究并建立数学模型的目的()、设计过程控制系统、整定调节器参数。()、指导生产工艺设备的设计。()、进行仿真实验研究。()、培训运行操作人员。。单输入单输出过程的常见模型()、线性时间连续模型()、线性时间离散模型。有无平衡能力的概念(参见图)§机理分析法建模§机理分析法建模一。自衡过程的数学模型自衡的定义:对象受到干扰作用后平衡状态被破坏无须外加任何控制作用依靠对象本身自动平衡的倾向逐渐地达到新的平衡状态的性质称为平衡能力。(一)、单容过程的数学模型、单容过程的定义:只有一个储蓄容量的过程。如下页图所示。过程演示返回、参量关系分析、参量关系分析讨论:()、静态时q=q=dhdt=()、当q变化时h变化q变化。经线性化处理有其中R为阀门的阻力称为液阻或流阻。、建立数学模型、建立数学模型由式(*)可画出框图如图所示。即AsRH(s)H(s)=RQ(s),故式中TO=AR=RC,C为容量系数(或容量)。由式()和式()有、容量和阻力的概念、容量和阻力的概念()、容量C含义:生产设备和传输管路都具有一定的储蓄物质或能量的能力。被控对象储存能力的大小称为容量或容量系数其意义是:引起单位被控量变化时被控过程储存量变化量。返回(二)、具有纯滞后单容过程的数学模型(二)、具有纯滞后单容过程的数学模型、纯滞后的概念纯滞后是普遍存在的如下页图所示。种类:有电容、热容、气容、液容等等。()、阻力概念:凡是物质或能量的转移都要克服阻力阻力的大小决定于不同的势头和流率。种类:电阻、热阻、气阻、流(液)阻。、数学模型无纯滞后有纯滞后(三)、多容过程的数学模型(三)、多容过程的数学模型、多容过程是工业生产中常见的如下两图。、三容过程的微分方程模型:如式()、三容过程的微分方程模型:如式()、三容过程的方框图、三容过程的方框图由式()的拉氏变换可得图。、三容过程的数学模型由图应用自控理论即可获得其模型。二、无自衡过程的数学模型二、无自衡过程的数学模型无自衡过程的概念:如下图。(一)、单容过程的数学模型(一)、单容过程的数学模型、参量关系分析在自衡过程(图)下有返回而在无自衡过程(图)下因q=故而在无自衡过程(图)下因q=故、传递函数二容、三容过程形式:如图、图所示。(二)、多容过程的数学模型§试验法建模过程辨识§试验法建模过程辨识对正常生产影响小。转换成阶跃响应的方法如下图。一、响应曲线法问题的提出:大多数工业过程的机理模型是很难建立的只有采用实验建模。是一种时域法辨识对象的动态特的方法。(一)、阶跃扰动法测定对象的响应曲线实验时往往会对正常生产造成影响。(二)、矩形脉冲法测定对象的响应曲线转换的思路是:转换的思路是:将矩形脉冲看成正负两个等幅的阶跃信号据此而得到输出的阶跃响应。即x(t)=x(t)x(t)(见图上)=x(t)x(ta)()则y*(t)=y(t)y(ta)或y(t)=y*(t)+y(ta)()用式()进行转换的过程如图中部(有自衡过程)和下部(无自衡过程)。(三)、由阶跃响应曲线确定过程的传递函数(三)、由阶跃响应曲线确定过程的传递函数多数过程的数学模型表达式如P所示。、确定一阶惯性环节的参数()、放大系数()、时间常数a、切线法:如右图。b、图解法(半对数法):P及下图通过P的分析得斜率为:通过P的分析得斜率为:、确定有时滞的一阶惯性环节的参数、确定有时滞的一阶惯性环节的参数()、图解法:如下图b)。()、切线法:如下图a)。和T的经验公式为式()(详见涂植英教材)。、二阶惯性环节的参数、二阶惯性环节的参数响应曲线如图所示。()形式:(假设K=)则其单位阶跃响应特性方程为()求解由拐点处得得由图可见拐点A处的斜率为BC=TT,A’E=f(TT)由图还有:整理后可得有关计算表格(P表)。第三章单回路控制系统设计第三章单回路控制系统设计§概述、典型例子:见下图一、系统的基本结构单回路控制系统又称为简单控制系统。虽然简单但应用较广过程控制的基本概念主要是在本章建立的。因此本章内容无疑是重点之一。液位变送器液位控制器执行器、系统方框图、系统方框图、特点、特点最简单、最基本应用最广泛、最成熟。是各种复杂控制系统设计和参数整定的基础。适用于被控对象滞后时间较小负载和干扰不大控制质量要求不很高的场合。二、过程控制系统设计的要求、安全性、稳定性、经济性三、过程控制系统的设计步骤、建立被控过程的数学模型、选择控制方案、选择控制设备型号规格、实验(与仿真)四、控制系统的工程考虑四、控制系统的工程考虑包括仪表(微机)选型、控制室和仪表盘设计、供水供电供气设计、信号系统设计、安全防暴设计等。()、对象信息的获取和变送()、执行器的选择()、控制器的选择、工程安装、仪表调试、参数整定、工程设计、方案设计是整个控制工程设计中最重要的一步应注意:()、合理选择被控量(被控参数)和操纵量(控制参数)§被控参数和控制参数的选择§被控参数和控制参数的选择是控制系统方案设计的一个至关重要的问题。恰当的选择对于稳定生产、提高产品产量和质量、改善劳动条件有很大的作用。若选择不当则不论组成什么样的控制系统选择多么先进的过程检测控制仪表都不能达到良好的控制效果。一、被控参数(即被控量)的选择选择的意义选择方法选择方法影响正常操作的因素很多但并非都需加以控制。只有根据工艺要求深入分析工艺过程才能选择出合适、可测的工艺参数。()选间接参数当选直接参数有困难时采用。(如用反应釜的温度控制间接实现化学反应的质量控制。)  ()选直接参数即能直接发映生产过程产品产量和质量以及安全运行的参数。(如锅炉锅筒的水位控制。)选间接参数的原则选间接参数的原则必须考虑工艺生产的合理性和仪表的现状。间接参数应与直接参数有某种单值函数关系。间接参数要有足够的灵敏度。二、控制参数(即控制量)的选择当生产过程中有多个因素能影响被控参数(量)变化时应分析过程扰动通道特性与控制通道特性对控制质量的影响正确地选择可控性良好的变量作为操纵(控制)量。一般希望控制通道克服扰动的能力要强动态响应应比扰动通道快。(一)、过程静态参数对控制质量的影响(一)、过程静态参数对控制质量的影响()基本形式:如图所示选择控制参数的一般原则如下:系统的简化方框图()突出干扰作用:框图如下图所示()突出干扰作用:框图如下图所示传递函数传递函数则在定值控制下输出对干扰的闭环传递函数为设传递函数分别为稳态余差稳态余差由于系统本质是稳定的则在单位阶跃扰动下的余差为过程稳态特性对控制质量有很大影响这是选择操纵参数的一个重要依据。应使Kf越小越好以减弱扰动对控制参数的影响。讨论(二)干扰通道动态特性对控制质量的影响(二)干扰通道动态特性对控制质量的影响时间常数的影响由P、的分析及右图可知:系统的超调量随Tf的增大而减少控制质量得到提高。最佳控制过程中KcK应为一常数K大小可通过Kc来调节。在控制系统设计时控制通道的K拟适当选大一些。滞后时间的影响滞后时间的影响Tf变大或个数增多均对干扰起到了一种滤波作用。干扰通道的纯滞后时间仅使被控参数对其反应在时间上平移了一段时间理论上无影响。干扰通道的容量滞后会使干扰信号变得缓和一些对克服干扰有利。干扰作用位置的影响()分析:如以下两图。(三)控制通道动态特性对控制质量的影响(三)控制通道动态特性对控制质量的影响()T太大特点:使控制作用变弱控制质量变坏。措施:合理选择执行器位置采用前馈或复杂控制在系统设计时应使扰动作用点位置远离被控量。()结论时间常数的影响()T过小特点:控制作用增强但系统容易振荡。措施:选择快速监测、控制、执行器件设法降低控制通道的灵敏度改革工艺以使T增大。(四)选择控制参数的一般原则(四)选择控制参数的一般原则()纯滞后的影响较大,如图所示。应从工艺着手改善。()容量滞后c比较缓和引入微分作用可有效克服。滞后时间的影响控制通道的放大系数K要适当选大一些时间常数T要适当小一些纯滞后时间越小越好与T之比应小于扰动通道的放大系数Kf应尽可能小时间常数Tf要大扰动引入系统的位置要远离控制过程(即靠近调节阀)容量滞后愈大愈有利于控制。注意工艺操作的合理性、经济性。(五)实例讨论(五)实例讨论例:喷雾式乳粉干燥设备的控制(P)。工艺流程:参见教材P图。控制要求:干燥后的产品含水量波动要小。被控参数选择:干燥器里的温度控制参数的选择(三种方案如图所示)讨论后知以风量作控制参数为最佳选择。讨论后知以风量作控制参数为最佳选择。例例储槽液位控制(P)§执行器选择§执行器选择在自动控制系统中接受调节器的指令经执行机构将其转换为相应的角位移或直线位移去操纵调节机构改变被控对象进、出的能量或物料。、概述作用组成类型类型由两部分组成如右图所示。由两部分组成如右图所示。一、气动薄膜控制阀的工作原理(一)、气动薄膜执行机构(一)、气动薄膜执行机构、组成:由膜片、推杆、弹簧等组成。、作用方式正作用控制气压增加时其开度增加。反作用控制气压增加时其开度减小。、作用原理PPAe=kll=AePk(二)、控制阀体、作用:是一个局部阻力可以变化的节流元件。、流量方程、流量方程当口径A和差压(PP)一定时流量Q仅随阻尼的变化而变化。改变阀门的开启程度可改变流通阻力而控制介质流量。、调节原理二、控制阀的流量特性二、控制阀的流量特性、概念理想(固有)流量特性假定阀前后差压不变。工作(实际)流量特性、类型(一)、理想流量特性取决于阀芯曲面的形状。(一)、理想流量特性取决于阀芯曲面的形状。、直线流量特性()、定义:控制阀的相对流量预相对开度成直线关系即()、特性方程、其他流量特性、其他流量特性()、特点:适于在较大开度下使用。(注:国产阀可控比R=)对数特性:小流量时控制作用平缓大流量时控制作用灵敏有效克服了直流特性的不足。快开特性:适于要求快速开、闭的控制系统。抛物线特性:介于直线特性与对数特性之间弥补了直线特性小开度时控制性能差的缺点。(二)、工作流量特性(二)、工作流量特性()、阀上的差压:如图所示。、串联管道中的特性()、流量特性()、流量特性()、并联的目的:冗余措施增大产量(流量)()、可调比:在下图中设Q调节阀流量Q旁路阀流量Q总管流量、并联管道的流量特性可控比可控比()、流量特性()、流量特性选择原则是广义对象具有线性特性即总放大系数为常数。选择方法可分为理论计算法和经验法两大类。由对象特性选工作特性推理想特性查厂家手册。三、控制阀作用方式的选择三、控制阀作用方式的选择选气开还是气关式由生产工艺的要求决定。、从生产的安全出发、从保证产品质量考虑、从降低原料和动力的损耗考虑、从介质特点考(一)、气开气关方式的选择执行机构与阀体部件的配用有表可查。先选气开、气关方式再选执行机构。(二)、执行机构正、反作用方式的选择§控制器的选型§控制器的选型积分控制作用能消除余差但降低了系统的稳定性。TI愈小稳定性愈差。信号通道在被控参数和控制参数确定之后就定下来了。根据对象特性和控制质量要求选择控制器的控制作用确定控制器的类型。随着控制器放大系数Kc的增大控制系统的稳定性降低。(与自控理论的分析一致。)随着Kc的增大余差将减少但不能消除。二、积分控制作用对控制质量的影响一、比例控制作用对控制质量的影响三、微分控制作用对控制质量的影响三、微分控制作用对控制质量的影响()、特点:抗干扰能力强过渡过程时间短但有余差。()、适用:控制通道滞后较小负荷变化不大允许被控量在一定范围内变化的系统。引入微分控制作用后控制质量将全面提高。微分作用太强会引起控制阀时而全开、时而全关。四、控制器的选型应由对象的特性和工艺要求确定、P控制器的选择、PI控制器的选择、PI控制器的选择()、特点:对克服对象的容量滞后有显著的效果。()、适用:负荷变化大容量滞后大控制质量要求很高的系统。()、特点:过渡过程结束时无余差但系统的稳定性降低。()、适用:滞后较小负荷变化不大被控量不允许有余差的控制系统。负荷变化大纯滞后大采用PID达不到要求时采用。、复杂控制系统、PID控制器的选择五、控制器正、反作用的选择五、控制器正、反作用的选择原则:使整个单回路构成负反馈系统乘积为负。、控制阀:气开式为“+”气关式为“”、控制器:正作用为“+”反作用为“”、被控对象:物料或能量增加时被控参数随之增加为“+”随之减少为“”、变送器:一般为“+”控制器正、反作用选择的判别式:(控制器“±”)(控制阀“±”)(对象“±”)=“”§控制器的参数整定§控制器的参数整定如果控制方案已经确定则过程各通道的静态和动态特性就已确定系统的控制质量就取决于控制器各个参数值的设置。控制器的参数整定就是确定最佳过渡过程中控制器的比例度δ、积分时间TI、微分时间TD的具体数值。所谓最佳过渡过程就是在某种质量指标下系统达到最佳调整状态。:递减比为最佳参数整定的常用依据。:参数整定的方法:、概述()、理论整定法()、理论整定法:对数频率特性法、根轨迹法等。()、工程整定法:经验凑试法、衰减曲线法、临界比例度法、响应曲线法等。对于单元组合仪表比例度的概念:对于比例作用大小工业控制器常用δ表示其义为:一、现场经验凑试法一、现场经验凑试法、常用的参数经验范围:如表所示、整定步骤、整定步骤()、在纯比例作用下(TI=、TD=)在比例度按表的取值下将系统投入运行若曲线振荡频繁则加大比例度若超调量大且趋于非周期则减少求得满意的:过渡过程曲线。()、引入积分作用(此时应将上述加大倍)将积分时间TI由大到小进行整定若曲线波动较大则应增大TI若曲线偏离给定值后长时间回不来则需减少TI以求得较好的过渡过程曲线。()、若需引入微分作用()、若需引入微分作用、特点:是目前工程上应用较广泛的一种控制器参数的整定方法。、整定步骤()、在纯比例作用下投入(TI=,TD=),比例度适当平稳操作一段时间把系统投入自动运行。将TD按经验值或按TD=(~)TI设置并由小到大加入若曲线超调量大而衰减慢则需增大TD若曲线振荡厉害则应减小TD观察曲线再适当调节和TI反复调试直到获得满意的过渡过程曲线。二、稳定边界法(临界比例度法)()、将逐渐减小()、将逐渐减小得到图所示等幅振荡过程记下临界比例度K和临界振荡周期TK值。()、根据K和TK值采用表中的经验公式计算、TI、TD的值。例例()、按“先P后I最后D”的操作程序将控制器整定参数调整到计算值上。用临界比例度法整定某过程控制系统所得的比例度K=,临界振荡周期TK=min当控制器分别采用比例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时求其最佳整定参数值。观察其运行曲线若不够满意再做进一步调整。解:应用表经验公式可得解:应用表经验公式可得()比例控制器=K=×=()比例积分控制器=K=×=TI=TK==min()比例积分微分控制器=K==TI=TK==minTD=TI==min应用临界比例度法的几点注意事项见P。三、阻尼振荡法(衰减曲线法)三、阻尼振荡法(衰减曲线法)()、实现:衰减比先把参数置成纯比例作用(TI=,TD=)使系统投入运行再把从大逐渐调小直到出现右图所示的:衰减过程曲线此时的:衰减比例度为S:衰减振荡周期为TS。运行效果如下图。、特点:是在总结稳定边界法的基础上经过反复实验提出来的。、整定步骤:对于要求系统过渡过程达到:衰减的步骤如下。返回()、计算参数()、计算参数()、进一步调整按“先P后I最后D”的操作程序将求得的参数设置在控制器上再观察运行曲线若不太理想可做适当调整。根据S和TS使用表计算出控制器的各个整定参数值。例例解应用表中的经验公式可得()、比例控制器=S=()、比例积分控制器=S==TI=TS==min()、比例积分微分控制器=S==TI=TS==minTD=TS==min某温度控制系统采用:衰减曲线法整定控制器参数得S=TS=分当控制器分别为比例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时试求其整定参数值。四、响应曲线法(动态特性参数法)四、响应曲线法(动态特性参数法)、整定步骤()、用P”实验法建模“中所介绍的方法获取对象的响应曲线如下图所示。、特点:依据对象的响应曲线飞升特性整定参数精度更高。()、求取广义对象的放大系数Ko()、求取广义对象的放大系数Ko()、根据对象的K、T、按下表所给公式求出:衰减过程控制器的参数、TI和TD。式中Δy被控参数测量值的变化量ΔX控制器输出的变化量ymaxymin测量仪表的刻度范围XmaxXmin控制器输出变化范围。例例在某一蒸汽加热器的控制系统中当电动单元组合控制器的输出从mA改变到mA时温度记录仪的指针从℃升到℃从原来的稳定状态达到新的稳定状态。仪表的刻度为℃并测出O=min,TO=min。如采用PI和PID控制规律试确定出整定参数。解:解:本例中X==mAXmaxXmin==mAy==℃ymaxymin==℃所以因此在PI控制器时:因此在PI控制器时:==TI==min在PID控制器时:==TI==minTD==min解毕。思考题思考题、试说明单回路控制系统的构成、主要特点及其应用场合。并说明系统设计的主要内容。、过程控制系统方案设计应包含哪些主要内容?、选择被控参数时应遵循哪些基本原则?、在选择控制参数时为什么取过程控制通道的静态放大系数K应适当大一些而时间常数T应适当小一些?、在设计过程控制系统时怎样选择调节器的控制规律?怎样确定调节器的正、反作用方式和调节阀气开、气关形式?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。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()、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。§串级控制系统的特点§串级控制系统的特点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由P分析可得式()T‘<T意味着控制通道的缩短。二、工作频率二、工作频率设干扰从阀前进入。进一步等效,图。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(P~)可知:串>单。三、抗干扰能力分析可得式:K*K越大抗干扰能力越强。进一步分析可知单回路比串级抗干扰能力差。四、有一定的自适应能力四、有一定的自适应能力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。由式()(P)可知K变化对等效K‘影响很小亦可说明副回路能自动地克服对象非线性特性的影响。§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再用串级控制系统。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以防共振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然油压力还是然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P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。(四)、选副回路应考虑工艺上的合理性(四)、选副回路应考虑工艺上的合理性只有满足工艺要求才具有实用性。先考虑工艺要求再考虑其他要求。(五)、副回路设计应考虑经济性原则技术与经济指标应综合考虑如下两图。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(二)、正、反作用方式的选择副控制器按单回路方式选择具体见P。主控制器按下式确定:、对主、副变量控制要求均不高可均采用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。具体步骤:见教材P。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?下一章加热温度测量返回加热流量测量返回第五章前馈及复合控制系统第五章前馈及复合控制系统其他反馈控制的缺点:无法将干扰克服在被控制量偏离设计值之前。被控对象总是存在一定的纯滞后和容量滞后故限制了控制作用的充分发挥。§基本概念、问题的提出、技术思路、技术思路直接按扰动而不是按偏差进行控制。干扰发生后被控量还未显现出变化之前控制器就产生了控制作用。这种前馈控制系统对干扰的克服要比反馈控制系统及时得多。、工作原理用右图针对反馈控制做比较说明。补偿过程如下图所示。补偿过程如下图所示。其中Ma为扰动量T为出口温度WO(s)为控制通道的传递函数,Wf(s)为前馈通道的传递函数,Wd(s)为干扰通道的传递函数。可实现对扰动的完全补偿使被控量成为对扰动绝对不灵敏的系统。(不变性原理)、前馈与反馈的比较、前馈与反馈的比较()、检测:前馈控制测干扰反馈控制测被控量。()、效果:克服干扰前馈控制及时理论上可实现完全补偿反馈控制不及时。()、经济性:克服干扰前馈控制只能一对一不如反馈控制经济。()、稳定性:前馈为开环不存在此问题反馈则不同稳定性与控制精度是矛盾的。§前馈控制系统的结构形式§前馈控制系统的结构形式控制器的输出仅仅是输入F的函数与时间t无关。在图中令前馈控制器传函满足下式即可:一、静态前馈控制静态前馈的含义二、动态前馈控制二、动态前馈控制静态前馈控制只能有效抑制静态偏差动态前馈控制不但能有效抑制静态偏差而且能有效抑制动态偏差。、问题及办法、原理:如右图其中Wm(S)非纯比例环节。三、复合控制系统三、复合控制系统前馈控制是有局限性的:①对补偿结果无法检测②难以对每个干扰均设计一套前馈控制装置③一个固定的前馈模型难以获得良好的控制质量。动态前馈控制能显著提高系统的控制质量但结构和参数整定均比较复杂。只适用于控制精度要求很高、反馈与静态前馈难于满足时。亦称为前馈反馈控制系统。、方法的提出、特点及适用性、组成原理及结构图:、组成原理及结构图:复合控制的好处:既发挥了前馈校正及时的优点又保持了反馈控制能抑制多个干扰并对被控量始终给予检验的长处。当负荷变化时……对于前馈控制未能完全消除的偏差以及未能引入前馈控制的其他干扰(如物料进口温度、蒸汽压力等)……、特点、特点①实现前馈控制作用的完全补偿的条件不变。(令Y(s)F(s)=即可。)②不会因引入前馈控制而影响反馈控制的稳定性。、前馈反馈控制的优点①只需对主要的干扰采用前馈补偿大大简化了原来的纯前馈控制系统。②降低了对前馈控制精度的要求为工程上实现简单的前馈补偿创造了条件。③比纯反馈控制具有控制精度高、温度速度快的特点。因而是前馈控制中广泛应用的控制系统。四、前馈串级控制系统四、前馈串级控制系统为了保证前馈控制的精度常希望控制阀灵敏、线性等采用串级控制系统可满足以上要求。、方法的提出、原理与结构图、应用举例:、应用举例:思考题思考题、前馈控制有哪几种主要型式?、前馈控制与反馈控制各有什么特点?、为什么一般不单独使用前馈控制方案?第六

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