过程控制7——王再英.ppt

,第 7 章 复杂控制系统,7.1 串级控制系统7.1.1串级控制系统基本结构及工作过程,例 管式加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之一，它的任务是把原油加热到一定温度，以保证下道工艺的顺利进行。因此，需要控制原油加热后的出口温度。被控变量原油加热后的出口温度,例：管式加热炉温度控制系统。方案一：单回路炉出口温控系统：,影响出口温度的因素：燃料方面：燃料油压力，成分（热值），流量。原料方面：原料进料流量，温度等,被控变量：出口温度操纵变量：燃料油流量,15min,例：管式加热炉温度控制系统。方案二：单回路炉膛温控系统：,被控变量：炉膛温度操纵变量：燃料油流量,画出此系统方框图，并分析当出现燃料油方面扰动，原料油方面扰动时，系统的工作情况,炉膛温度变化,T2T、T2C回路先改变燃料量,T1T、T1C回路再改变燃料量,出料温度变化,解决措施：在影响出口温度的通道中，加测炉膛温度的变化，提前控制。,燃料压力变化,3min,图7.6管式加热炉出口温度串级控制系统框图为：,标准框图为：,主参数：对象的主被控参数，串级控制系统使之等于给定值的参数,副参数：为了稳定主参数而引入的辅助参数,主对象：由主参数表征的生产过程，是整个对象的一部分,副对象：由副参数为输出的生产过程，是整个对象的另一部分,主调节器：按主参数测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。,副调节器：按副参数测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制调节阀的动作。,副回路：由副调节器，副对象，副测量变送器等组成的闭合回路。,主参数：对象的主被控参数，串级控制系统使之等于给定值的参数。,副参数：为了稳定主参数而引入的辅助参数。,主对象：由主参数表征的生产过程，是整个对象的一部分。,副对象：由副参数为输出的生产过程，是整个对象的另一部分。,主调节器：按主参数测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。,副调节器：按副参数测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制调节阀的动作。,副回路：由副调节器，副对象，副测量变送器等组成的闭合回路。,一次扰动：不包括在副回路内的扰动。,二次扰动：包括在副回路内的扰动。,主回路：由主调节器，副回路,主对象及主测量变送等组成的闭合回路。,根据扰动引入不同的位置，分三种情况,干扰作用于副环 干扰作用于主环干扰同时作用于 主、副环,对于加热炉燃料作为操作变量时通常采用的调节阀为气开阀，假设主、副调节器均为反作用,控制过程分析：,控制过程分析：1燃料成分f3(t)、燃料压力f4(t)发生扰动干扰进入副回路,2原油流量 f1(t)、原油入口温度 f2(t)发生扰动干扰进入主回路,3干扰同时作用于副回路和主回路主副回路干扰的综合影响有两种情况：,结构特点：系统有两个闭合回路，形成内外环。主变量是工艺要求控制的变量，副变量是为了更好地控制主变量而选用的辅助变量。主、副调节器是串联工作的，主调节器的输出作为副调节器的给定值。主回路一般为定制控制系统，副回路为随动控制系统。副回路能迅速克服作用于副回路内的扰动，也能加速克服主回路的干扰。,7.1.2串级控制系统特点及其分析将串级控制系统等效成单回路控制系统讨论。,将副环等效为：,7.1.2.1改善被控过程的动态特性 控制通道等效副对象的传函：,设：,则：,T02 T02,K02 1,串级控制等效,真正的单回路控制,T02 T02，说明主环控制通道时间常数缩短，改善了系统的动态性能。Ko2 1,G021,对主调节器而言，控制通道容量滞后减少，加快了系统响应速度，控制更为及时，控制质量提高。,（自学）P214比较相同衰减率下串级系统和单回路系统的工作频率可知：当主，副对象都是一阶惯性环节，主副调节器都为比例调节器时，串级系统的工作频率比单回路系统的工作高得多，这样串级系统控制速度加快，过渡过程时间减少，能更及时的克服扰动，提高控制系统的控制质量。,7.1.2.2 抗干扰能力增强,真正的单回路控制,分析串级系统与单回路系统对二次扰动的抗扰动能力：,串级：,单回路：,真正的单回路控制,对于进入主回路的干扰，串级控制和单回路控制闭环回路的区别：,7.1.2.3对负荷和操作条件变化的适应能力增强,串级系统特点总结：对进入副回路的干扰有很强的克服能力；主环控制通道时间常数缩短，加快了系统的控制速度，改善了系统的动态性能。对进入主回路的干扰控制效果也有改善；对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。,图串级控制系统实例方框图,例：设串级控制系统的方框图如图所示，其中,单回路与串级控制效果比较,（a）给定值阶跃变化（b）二次扰动（c）一次扰动,表串级控制与单回路控制效果估算,7.1.3 串级控制系统的设计与参数整定7.1.3.1串级控制系统的方案设计1主回路设计 主回路设计与单回路控制系统一样。,2副回路的选择副参数的选择一般应遵循下面几个原则：主、副变量有对应关系，且副参数应物理上可测，反应灵敏。副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主要干扰，并尽可能多包含一些干扰可以考虑把具有非线性特性的部分对象包含在副回路中副参数的选择应该使主，副回路中控制过程的时间常数比在310之间。,例：在管式加热炉串级控制系统中，若燃料油压力，热值变化都比较大，为主要扰动，则应使用图（a)方案。若只有燃料油压力经常变化，为主要扰动，应如何选择副参数？,例：加热炉各种控制方案,例：加热炉各种控制方案,4主、副调节器正、反作用方式的确定（掌握）对串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用方式的选择原则依然是使系统构成负反馈。选择时的顺序是：1、根据工艺安全或节能要求确定调节阀的气开，气关形式。2、按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、反作用；3、依据主回路构成负反馈的原则，确定主调节器的正、反作用。,3主、副调节器调节规律的选择主调节器通常选用PI调节，或PID调节。副调节器一般选P调节就可以了。,注意：由于副调节器给定值由主调节器的输出提供，副回路实际是一个随动控制系统，要求快速跟踪主调节器输出的变化。即主调节器的输出增加，副被控参数必须增加，主调节器的输出降低，副被控参数必须降低。即整个副回路可看作是一个静态增益为“”的环节。,例：确定管式加热炉串级控制系统主、副调节器的正、反作用方式。1、调节阀气开，气关形式选择。从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式，为“”。,气开,2、副调节器正反作用确定。副回路中，调节阀开大，炉膛温度升高，测量信号增大，说明副对象和变送器都为“”。为保证副回路为负反馈，副调节器应为反作用方式。,“”,“”,反”-”,气开+,3、主调节器正反作用确定。对于主调节器，调节阀开大，炉膛温度升高时，原料油出口温度也升高，说明主对象和主变送器都为“”。为保证主回路为负反馈，主调节器也应为反作用方式。,气开,“”,“”,反,“”,“”,反,5串级系统的工业应用（理解）1）容量滞后较大的过程2）纯滞后较大的过程3）干扰幅度大的过程4）非线性严重的过程,例：反应釜温度与夹套温度串级控制系统,造纸厂网前箱温度控制系统,例：造纸厂网前箱温度控制系统,7.1.3.2串级控制系统的参数整定（了解）有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。1逐步逼近法依次整定副回路、主回路。并循环进行，逐步接近主、副回路最佳控制状态。2两步整定法系统处于串级工作状态，第一步按单回路方法整定副调节器参数；第二步把已经整定好的副回路视为一个环节，仍按单回路对主调节器进行参数整定。,3一步整定法所谓一步整定法，就是根据经验，先将副调节器参数一次调好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主调节器参数。,表7.1一步整定法副调节器参数选择范围副参数类型 副调节器比例度2（%）副调节器比例增益Kc2 温度 2060 5.01.7 压力 3070 3.01.4 流量 4080 2.51.25 液位 2080 5.01.25,F0,T0,F1,T1,T2,T3,T4,练习：如图，4个串联储罐，水的出口温度T4为被控变量，加热量Q为操纵变量，F1为扰动。（1）设计合适的控制系统。（2）画出工艺原理图与方框图。（3）要求水温不能过高，以避免损坏设备，确定执行器与相应调节器的正反作用方式。,Q加热量,+,+,+,+,F2,F1,+,+,+,+,F2,F1,练习：如图表示两个动态过程方框图（1）为了改善闭环品质（F2扰动时），哪一个过程应采用串级控制？为什么？（2）对采用串级控制的过程，画出相应的方框图,要求（1）作出系统方框图。(2）指出系统主，副被控变量，操纵变量，主，副对象。（3）确定调节阀气开，气关形式。（4）确定主，副调节器正反作用方式。,为“”,为“”,为“”,为“”,为“”,方案一：锅炉过热蒸气单回路调节系统,主要扰动：烟气温度，入口蒸汽流量，压力等减温水温度，压力等,入口蒸气,减温水,过热器,烟气,蒸气温度,调节器I,调节器II,方案二：锅炉设备蒸气温度串级调节方案,要求(）指出系统主，副被控变量，操纵变量，主，副对象。（）作出系统方框图。（3）确定调节阀气开，气关形式，主，副调节器正反作用方式。,练习：夹套式连续搅拌反应釜的温度控制,要求(）指出系统主，副被控变量，操纵变量，主，副对象。（）作出系统方框图。（3）确定调节阀气开，气关形式。（4）确定主，副调节器正反作用方式。,练习.氧化炉温度与氨气流量的串级控制系统,原料氨气与空气混合在预热器预热，在进入氧化录内生成一氧化氮，同时放出大量的热。稳定氧化炉的操作关键是稳定氧化炉温度。氨气管道压力波动而导致的氨气流量变化是主要扰动，经测试：氨气管道压力波动而导致的氨气流量上升1%，氧化炉温度将上升64。为此设计如图控制系统。,要求(）指出系统主，副被控变量，操纵变量，主，副对象（）作出系统方框图。（3）确定调节阀气开，气关形式。（4）确定主，副调节器正反作用方式。,掌握串级调节系统的结构，串级调节系统的术语。串级调节系统的工作过程。串级调节系统主副回路的特点。,对给定的工业生产过程，能进行分析，组成串级控制系统，确定主，副调节器 的正反作用方式。,了解串级调节系统主副回路选择原则，调节器控制规律的选择，调节器参数整定方法。,掌握串级调节系统的特点，了解其效果分析过程。,串级控制系统小结,7.2前馈控制系统7.2.1前馈控制的工作原理及其特点,例 换热器出口温度反馈 控制系统,针对冷物料流量变化的最佳调节效果：,反馈控制的特点：（1）调节器根据偏差进行调节(控制不及时）。（2）闭环控制，存在稳定性问题。（3）可消除反馈环之内的各种扰动。（4）可采用通用PID控制规律,被控变量：热料出口温度控制变量：蒸汽流量干扰：冷物料入口温度，流量，蒸汽压力等,2、前馈控制的原理与特点,M,蒸汽,换热器,冷物料入口,热物料出口,冷凝水,例 针对换热器入口流量干扰的前馈控制系统,前馈控制的原理是：当系统出现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小改变控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响。,Gb(s),Go(s),Gm(s),Gv(s),M,蒸汽,换热器,冷物料入口,热物料出口,冷凝水,F(s),Y(s),用方框图表示：,补偿原理如果补偿量和干扰量以同样的大小和速度作用于被控变量，且作用方向相反的话，被控变量不变。,Y(S)=F(S)Gf(s)+F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s)=0,Gv(s),Gb(s),Gm(s),F(s),Gfs),Go(s),Y(s),前馈控制的特点：前馈控制器是按是按照干扰的大小进行控制的，称为“扰动补偿”。如果补偿精确，被调变量不会变化，能实现“不变性”控制。前馈控制是开环控制，控制作用几乎与干扰同步产生，是事先调节，速度快。前馈控制器的控制规律不是PID控制，是由对象特性决定的。前馈控制只对特定的干扰有控制作用，对其它干扰无效。,前馈控制与反馈控制的比较,3前馈控制的局限性实际工业过程中的干扰很多，不可能对每个干扰设计一套控制系统，况且有的干扰的在线检测非常困难。前馈控制器的补偿控制规律很难精确计算，即使前馈控制器设计的非常精确，实现时也会存在误差，而开环系统对误差无法自我纠正。因此，一般将前馈控制与反馈控制结合使用。前馈控制针对主要干扰，反馈控制针对所有干扰。,7.2.2前馈控制系统的结构前馈控制的结构有静态补偿和动态补偿。1静态前馈控制系统所谓静态前馈控制，是前馈控制器的补偿控制规律，只考虑静态增益补偿，不考虑速度补偿。,（S=0时）,2动态前馈控制系统完全按照补偿控制规律制作控制器。,3前馈反馈复合控制系统,例：换热器出口温度前馈反馈复合控制系统。,在前馈反馈复合控制系统中，设定值X(s)、干扰F(s)对输出Y(s)的共同影响为：,复合控制系统具有以下优点：在反馈控制的基础上，针对主要干扰进行前馈补偿。既提高了控制速度，又保证了控制精度。反馈控制回路的存在，降低了对前馈控制器的精度要求，有利于简化前馈控制器的设计和实现。,4前馈串级复合控制系统,从前馈串级复合控制系统的传递函数（P226式7-25作了简化）可知：1、串级控制回路的传函和单纯的串级控制系统一样 2、前馈控制器的传函主要由扰动通道和主对象特性决定,1/Gm2(S),5前馈控制器的通用模型前馈控制器的传递函数表达式,前馈控制器的通用模型：,各系数物理意义：Kb 静态放大系数；T1 加速系数；T2 减速系数；纯滞后时间。,前馈控制的应用场合（1）某个干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，而对象的控制通道滞后大。（2）采用单纯的反馈控制，控制速度慢、质量差。（3）用串级控制，效果改善不明显。,7.2.3前馈控制系统设计,1.前馈控制系统选用原则,当系统中存在着频率高，幅值大 的，可测而不可控的扰动时，反馈控制难以克服扰动影响，可引入前馈控制,当控制系统控制通道滞后较大，反馈控制不能取得良好效果时，可引入前馈控制,2.控制系统的整定,反馈与前馈控制部分分别整定。,前馈调节器采用比例或一阶环节即可。,反馈控制部分按单独反馈控制系统整定即可。,F,要求作出系统方框图,并计算使用静态前馈时,静态前馈系数.,练习1：换热器出口温度前馈控制系统。当进料流量变化时，通过前馈控制器改变蒸汽流量以维持物料出口温度稳定。经测试：进料流量每变化1m3/h，会使出口温度变化2.蒸汽流量每变化1m3/h，会使出口温度变化5.进料流量每变化5m3/h，差压变送器输出变化10kpa，蒸汽调节阀上膜头气压每变化10kpa时，通过的蒸汽流量变化4m3/h.蒸汽阀采用气开阀.要求（1）作出系统方框图（2）为实现完全补偿，计算补偿器静态放大系数。,为正,F,练习：前馈串级控制系统管式加热炉前馈串级控制系统如图。试确定（1）作出系统方框图。（2)确定控制阀气开，气关形式，TC,FC正反作用方式。（3）前馈采用静态前馈，确定Kff的正负。,7.3大滞后过程控制系统在工业生产中，控制通道往往不同程度地存在着纯滞后。一般将纯滞后时间0与时间常数T之比大于0.3（0/T0.3）的过程称之为大滞后过程。,7.3.1大滞后过程的采样控制 所谓采样控制，是一种定周期的断续PID控制方式，即控制器按周期T进行采样控制。在两次采样之间，保持该控制信号不变，直到下一个采样控制信号信号到来。保持的时间T与必须大于纯滞后时间0。这样重复动作，一步一步地校正被控参数的偏差值，直至系统达到稳定状态。这种“调一调，等一等”的方案的核心思想就是放慢控制速度，减少控制器的过度调节。,7.3.2大滞后过程的Simth预估补偿控制Simth预估补偿控制是按照对象特性，设计一个模型加入到反馈控制系统，提早估计出对象在扰动作用下的动态响应，提早进行补偿，使控制器提前动作，从而降低超调量，并加速调节过程。,采用简单控制方案的大滞后过程控制系统框图。其中Go(s)e oS为控制通道的广义传递函数。,Smith预估补偿控制系统框图Gb(s)是Smith预估补偿器的传递函数。,得预估补偿器模型：,一。预估补偿器结构框图求解及模型,预估补偿控制性能分析1：对给定值扰动性能,结论：预估补偿控制对给定值扰动，预估补偿消除了纯滞后对控制质量的影响,单回路控制,Smith预估补偿控制系统实施框图。,干扰F(s)与Y(s)之间的闭环传递函数为,结论：Smith预估补偿器并没有消除纯滞后0对干扰F(s)抑制过程的影响。,预估补偿控制性能分析2：对扰动F的性能,