串级控制系统与比值控制系统优秀课件

1、串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 1 第二篇第二篇 复杂控制系统复杂控制系统 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 2 n了解串级控制系统的概念与特点；了解串级控制系统的概念与特点； n掌握串级控制系统的方框图表示法；掌握串级控制系统的方框图表示法； n结合控制原理，掌握串级系统的分析方法；结合控制原理，掌握串级系统的分析方法； n了解串级控制系统的设计原则；了解串级控制系统的设计原则； n掌握串级控制系统的参数整定方法掌握串级控制系统的参数整定方法; ; n了解串级控制系统的抗积分饱和措施。了解串级控制系统的抗积分饱和措施。 n了解比值控制系统的几种控制方案了解比值控制系统的几种控制方案

2、 n掌握比值系数的计算掌握比值系数的计算 基本要求基本要求: 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 3 1) 单回路控制系统的组成单回路控制系统的组成 2) 单回路控制系统的不足单回路控制系统的不足 一个输入信号，一个输出信 号，一个调节器，组成一个 闭环 对象的动态特性使其难以进行控制，同时对调节质量要求较高对象的动态特性使其难以进行控制，同时对调节质量要求较高 如：如： /T1/T1 控制任务特殊控制任务特殊 生产过程的发展生产过程的发展, ,对操作条件要求更加严格对操作条件要求更加严格, , 参数间关系更加复杂参数间关系更加复杂, , 对控制精度和功能有许多新的要求对控制精度和功能有许多

3、新的要求 Gc(s)Gv(s) G(s) Gm(s) R(s) Y(s) 单回路控制系统方框图单回路控制系统方框图 在单回路的基础上在单回路的基础上, 采取其他措施采取其他措施, 组成复杂控制系统组成复杂控制系统(多回路系统多回路系统) 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 4 第五章第五章 串级控制系统与比例控制系统串级控制系统与比例控制系统 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 5 定义定义: 在多回路控制系统中在多回路控制系统中,有有 两个两个被控过程被控过程,两套两套测量变送装测量变送装 置置, 两台两台控制器和控制器和一个一个调节阀调节阀 构成的构成的双闭环双闭环系统系统 5-1 串

4、级控制系统的概念串级控制系统的概念 例例5-1 连续槽反应器温度控制连续槽反应器温度控制 1) 生产过程生产过程(扰动扰动) 2) 控制系统方框图控制系统方框图 反应器温度控制系统反应器温度控制系统 夹套 槽壁 3) 缺点缺点 物料方面扰动物料方面扰动D1: 流量流量,入口温度入口温度,化学成分化学成分冷却水扰动冷却水扰动D2: 入口温度入口温度, 阀前压力阀前压力 D1 调节器调节器调节阀调节阀夹套夹套槽壁槽壁反应槽反应槽 温度测量温度测量 D2 1r 1r 1 1 2 2 三个热容积三个热容积 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 6 采用串级控制采用串级控制 反应器的温度串级控制方案反应

5、器的温度串级控制方案 特点特点: 两个调节器串在一两个调节器串在一 起工作起工作, 调节器调节器C2通过调节冷却剂通过调节冷却剂 量以克服冷却水方面的扰动量以克服冷却水方面的扰动; 调节器调节器C1 通过调节夹套内水温通过调节夹套内水温 的设定值以保证反应温度维持在工艺所希望的某一给定值的设定值以保证反应温度维持在工艺所希望的某一给定值. 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 7 副调节器副调节器 温度测量温度测量 环路环路2 主调节器主调节器 调节阀调节阀夹套夹套槽壁槽壁反应槽反应槽 D2D1 1r 2 2 1 1 温度测量温度测量 环路环路1 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 8 例例

6、5-2 精馏塔提馏段的温度控制精馏塔提馏段的温度控制 精馏塔提馏段温度控制方案精馏塔提馏段温度控制方案 1) 生产过程生产过程 2) 控制系统方框图控制系统方框图 3) 缺点缺点 调节器调节器调节阀调节阀蒸汽管路蒸汽管路再沸器再沸器塔底塔底 温度测量温度测量 D2(蒸汽压力蒸汽压力) r D1(液相加料方面液相加料方面) Q 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 9 两种改进方案：两种改进方案： (1) 附加蒸汽压力控制方案附加蒸汽压力控制方案 附加蒸汽压力控制方案附加蒸汽压力控制方案 缺点：缺点： 不经济不经济, 增加了管道的压力增加了管道的压力 损失损失 把蒸汽压力的干扰把蒸汽压力的干扰

7、克服在入塔前克服在入塔前,提高提高 了温度调节品质了温度调节品质,但但 需增加一个调节阀需增加一个调节阀, 且增加了蒸汽管路且增加了蒸汽管路 的压力损失的压力损失,经济上经济上 不合理不合理. 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 10 (2) 串级控制方案串级控制方案 优点优点: 有效地克服蒸汽有效地克服蒸汽 压力波动对温度压力波动对温度的影的影 响。响。 C2控制流量稳定，控制流量稳定， C1控制温度稳定。控制温度稳定。 副调副调 节器节器 流量测量流量测量 流量自稳定系统流量自稳定系统 主调主调 节器节器 调节调节 阀阀 蒸汽管蒸汽管 路系统路系统 再沸再沸 器器 塔底塔底 温度测量温度

8、测量 D2 r D1 Qr Q 温度控制系统温度控制系统 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 11 例例5-3 炼油厂管式加热炉温度控制炼油厂管式加热炉温度控制 (略略) 1) 生产过程生产过程 2) 控制系统方框图控制系统方框图 3) 缺点缺点 串级控制使用特点串级控制使用特点: : 被控过程延迟较大被控过程延迟较大 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 12 串级控制系统的组成及工作过程串级控制系统的组成及工作过程 1) 在结构上，串级控制系统由两个闭环组成在结构上，串级控制系统由两个闭环组成 2) 每个闭环都有各自的调节对象，调节器和变送器每个闭环都有各自的调节对象，调节器和变送器 3

9、) 调节阀由副调节器直接控制调节阀由副调节器直接控制 主参数主参数 主调主调 节器节器 调节调节 阀阀 副对象副对象主对象主对象 主变送器主变送器 二次扰动二次扰动一次扰动一次扰动 副调副调 节器节器 副变送器副变送器 主参数设定主参数设定 副参数副参数 一般串级控制系统一般串级控制系统 副回路副回路 随动控随动控 制系统制系统 定值控定值控 制系统制系统 主回路主回路 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 13 串级控制系统中的名词串级控制系统中的名词: 主变量主变量: 工艺控制指标工艺控制指标,在串级控制系统中起主导作用的被控变量在串级控制系统中起主导作用的被控变量. 副变量副变量: 串级

10、控制系统中为稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量串级控制系统中为稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量. 主对象主对象: 为主变量表征其特性的生产设备。为主变量表征其特性的生产设备。 副对象副对象:为副变量表征其特性的工艺生产设备。为副变量表征其特性的工艺生产设备。 主控制器主控制器: 按主变量的测量值与给定值而工作按主变量的测量值与给定值而工作, 其输出作为副变量给定值其输出作为副变量给定值 的那个控制器，称为主控制器。的那个控制器，称为主控制器。 副控制器副控制器:其给定值来在主控制器的输出其给定值来在主控制器的输出, 并按副变量的测量值与给定值并按副变量的测量值与给定值 的偏差而工作的

11、那个控制器称为副控制器。的偏差而工作的那个控制器称为副控制器。 一次干扰一次干扰: 进入主回路的干扰称为一次干扰进入主回路的干扰称为一次干扰 二次干扰二次干扰: 进入副回路的干扰称为二次干扰进入副回路的干扰称为二次干扰 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 14 5-2 串级控制系统的分析及特点串级控制系统的分析及特点 1) 副回路的引入对二次扰动的影响副回路的引入对二次扰动的影响 串级控制系统方框图串级控制系统方框图 Gc1(s)Gv(s)Gp2(s)Gp1(s) Gm1(s) Gc2(s) Gm2(s) R1(S)Y1(s) R2(S) Y2(s) Gd2(s) D2(s) Gp2(s)

12、21 1 222211122 ( )( ) ( ) ( )1 dp cvpmcmpcvp Gs Gs Y s D sG G G GG G G G G G 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 15 Gc1 (s)Gv(s)Gp2(s)Gp1(s) Gm1(s) R1(S) Y1(s) R2(S) Gd2(s) D2(s) 单回路控制系统方框图单回路控制系统方框图 结论结论: 串级控制系统的结构使串级控制系统的结构使二次扰动二次扰动对主控参数的动态增益对主控参数的动态增益 明显减小明显减小, 二次扰动出现后二次扰动出现后, 很快就被副调节器克服很快就被副调节器克服, 与单回路与单回路 控制系统相

13、比控制系统相比, 被调量受二次扰动的影响可以减小被调量受二次扰动的影响可以减小10100倍倍. 21 1 21121 ( )( ) ( ) ( )1( )( )( )( )( ) dp cvppm Gs Gs Y s D sGs G s Gs Gs Gs 单 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 16 2) 副回路的引入对被控对象响应速度的影响副回路的引入对被控对象响应速度的影响 结论结论: 引入副回路引入副回路, 使等效副对象时间常数减小使等效副对象时间常数减小, 快速性得到改善快速性得到改善, 调节速度加快调节速度加快, 使迟延大的问题得到了改善使迟延大的问题得到了改善. 2 222 2

14、22 222222 2 2 222222 ( ); ( ); 1 ( ); ( ) (1) ( ) ( ) ( )1(1)1 p pcc p vvmm cvpcvmpp p pcvmpp K GsGsK T s G sKGsK K K KK K KKK Y s Gs R sT sK K KKTs Tp2=Tp2/(1+Kc2KvKm2Kp2) Gc1(s)Gv(s)Gp2(s)Gp1(s) Gm1(s) Gc2(s) Gm2(s) _ R1(S) Y1(s) R2(S) Y2(s) Gp2(s) D2(s) 等效副对象等效副对象 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 17 3) 副回路的引入对

15、系统负荷变化的影响副回路的引入对系统负荷变化的影响 对于内环等效对象的增益对于内环等效对象的增益 Gv(s)Gp2(s)Gc2(s) Gm2(s) R2(S)Y2(s) Gp2(s)等效副对象等效副对象 2222 2 2222222 1 1 CvpCvp p CvpmCvpmm KK KKK K K KK KKKK KKK 结论结论: 当副回路增益足够大时当副回路增益足够大时, 使主回路的特性基本上使主回路的特性基本上和副和副 对象对象, 调节阀的增益无关调节阀的增益无关(系统的系统的“鲁棒性鲁棒性”强强). 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 18 Kp2=2ku/K*h1/2=0.2h1

16、/2 1/Km h Kp 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 19 串级控制特点串级控制特点 1) 在系统结构上在系统结构上, 它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统. 其中主回路是定值控制，副回路是随动控制其中主回路是定值控制，副回路是随动控制 2) 副回路的引入副回路的引入, 大大克服了二次扰动对系统被调量的影响大大克服了二次扰动对系统被调量的影响 3) 副回路的引入副回路的引入, 提高了整个系统的响应速度提高了整个系统的响应速度, 使其快速性得到了提高使其快速性得到了提高 4) 串级控制系统对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力串

17、级控制系统对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力 串级控制系统主要应用于串级控制系统主要应用于: 对象滞后和时间常数很大、干扰对象滞后和时间常数很大、干扰 作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合. 由于内环起了改善对象动态特性的作用由于内环起了改善对象动态特性的作用, 因此可以加大主调节器的增因此可以加大主调节器的增 益益, 提高系统的工作频率提高系统的工作频率 引入内环引入内环, 使得等效对象的增益接近为常数使得等效对象的增益接近为常数, 控制系统适应能力强控制系统适应能力强 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 20 5-3

18、串级控制系统设计和实施中的几个问题串级控制系统设计和实施中的几个问题 考虑的问题考虑的问题: 副回路的设计副回路的设计, 副参数的选择副参数的选择. 主副回路之间的主副回路之间的 关系关系, 两个调节器可能产生的问题两个调节器可能产生的问题. 一一 副回路的设计副回路的设计 副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键. 其设计主要是如何其设计主要是如何 选择副参数其设计的原则为：选择副参数其设计的原则为： 1) 副参数的选择应使副回路的时间常数小，调节通道短，反应灵敏副参数的选择应使副回路的时间常数小，调节通道短，反应灵敏 串级控制系统主要用于迟延

19、较大的场合串级控制系统主要用于迟延较大的场合简单控制系统中从扰动产生简单控制系统中从扰动产生 到调节阀开始动作需要较长时间的迟延，引入副回路就是要使扰动发到调节阀开始动作需要较长时间的迟延，引入副回路就是要使扰动发 生后调节阀能尽快作出调整，因此就需要副回路的时间常数小，调节生后调节阀能尽快作出调整，因此就需要副回路的时间常数小，调节 通道短，使调节阀阀对扰动的反应灵敏通道短，使调节阀阀对扰动的反应灵敏 因此，设计中需要找到一个反应灵敏的副参数，使得干扰在影响主参因此，设计中需要找到一个反应灵敏的副参数，使得干扰在影响主参 数之前就得到克服，副回路的这种超前控制作用，必然使控制质量有数之前就得

20、到克服，副回路的这种超前控制作用，必然使控制质量有 很大提高很大提高 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 21 1 选择副参数选择副参数,使得副回路时间常数小使得副回路时间常数小,调节通道短调节通道短,使等效对象的时间常数使等效对象的时间常数 大大减小大大减小, 提高系统的工作频率提高系统的工作频率, 加速反应速度加速反应速度, 缩短控制时间缩短控制时间, 最终改最终改 善系统的控制品质善系统的控制品质. 主调节器主调节器调节阀调节阀夹套夹套 槽壁槽壁反应槽反应槽 温度测量温度测量 D2D1 1r 副调节器副调节器 温度测量温度测量 2r2 反应器温度控制系统反应器温度控制系统 选择夹套温度

21、作为副参数选择夹套温度作为副参数, 副对象是一个一阶对象副对象是一个一阶对象, 可以迅速反映冷水侧可以迅速反映冷水侧 方面的干扰方面的干扰, 加以克服加以克服. 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 22 2) 副回路应包含被控对象所受到的主要干扰副回路应包含被控对象所受到的主要干扰 副环尽可能多的包括一些扰动副环尽可能多的包括一些扰动 与副回路的时间常数小，调节通与副回路的时间常数小，调节通 道短的矛盾道短的矛盾 不可能包括所有扰动，主回路无不可能包括所有扰动，主回路无 作用作用 原则原则: 要使系统的主要干扰被包围在副回路内要使系统的主要干扰被包围在副回路内 在可能的情况下在可能的情况下,

22、 应使副环包围更多的次要干扰应使副环包围更多的次要干扰 应使副回路的工作频率比主回路高应使副回路的工作频率比主回路高, 当副环的时间常数超过主环当副环的时间常数超过主环 时时, 采用串级调节无效果采用串级调节无效果. 精馏塔提馏段温度控制的不同串级方案精馏塔提馏段温度控制的不同串级方案 发挥对二次干扰的强克服能力发挥对二次干扰的强克服能力 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 23 主调主调 节器节器 调节调节 阀阀 蒸汽管蒸汽管 路系统路系统 再沸再沸 器器 塔底塔底 温度测量温度测量 D2 r D1 副调副调 节器节器 流量测量流量测量 Qr Q 控制方案控制方案1方框图方框图 主调主调

23、节器节器 调节调节 阀阀 蒸汽管蒸汽管 路系统路系统 再沸再沸 器器 塔底塔底 温度测量温度测量 D2 r D1 副调副调 节器节器 压力测量压力测量 Qr Q 控制方案控制方案2方框图方框图 P 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 24 二二 主主,副回路工作频率的选择副回路工作频率的选择 目的目的: 避免闭环进入高增益区避免闭环进入高增益区, 避免产生串级共振现象避免产生串级共振现象. 结论结论: 主环主环(Td1, d1)与副环与副环(Td2, d2)应满足关系应满足关系 2112 33 dddd TT或 一般取：一般取： 12 (3 10)10 dd TT d2d1 或=(3) 共振

24、现象共振现象: 如果主回路的工作频率接近副回路的谐振频率如果主回路的工作频率接近副回路的谐振频率, 则副回路将则副回路将 呈现出很高的增益和较大的相位滞后呈现出很高的增益和较大的相位滞后, 这时反过来将严重影响主回路的这时反过来将严重影响主回路的 稳定性稳定性, 从而使主副参数长时间地大幅度地波动的现象从而使主副参数长时间地大幅度地波动的现象 危害危害: 系统失去控制系统失去控制, 控制品质恶化控制品质恶化, 甚至导致产生事故甚至导致产生事故 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 25 广义共振区广义共振区 1/32 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 26 串级系统中调节器正反作用方式的选

25、择串级系统中调节器正反作用方式的选择 1) 根据工艺安全要求，选择调节阀的气开，气关形式根据工艺安全要求，选择调节阀的气开，气关形式 2) 将副回路当作一个独立的闭回路，按照使副环形成一个负反馈的原将副回路当作一个独立的闭回路，按照使副环形成一个负反馈的原 则确定副调节器的正反作用方式则确定副调节器的正反作用方式 3) 将整个副回路当作主回路的一个环节将整个副回路当作主回路的一个环节, 其作用方式总为正其作用方式总为正. 再来确定再来确定 主调节器的作用方式主调节器的作用方式. y 主调节器主调节器调节阀调节阀副对象副对象主对象主对象 主变送器主变送器 r 副调节器副调节器 副变送器副变送器

26、总为总为 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 27 主调节器在串级控制和单独控制两种方式的切换主调节器在串级控制和单独控制两种方式的切换 副调节器为反作用方式副调节器为反作用方式 副调节器为正作用方式副调节器为正作用方式 (主调节器无需改换主调节器无需改换) (主调节器需改换主调节器需改换) 主调节器主调节器调节阀调节阀副对象副对象主对象主对象 主变送器主变送器 r 副调节器副调节器 副变送器副变送器 y 主变送器主变送器 主调节器主调节器调节阀调节阀副对象副对象主对象主对象 r 副调节器副调节器 副变送器副变送器 y 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 28 5-3 调节器的选型和整定方

27、法调节器的选型和整定方法 在串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同在串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同 副调节器副调节器：消除副回路内的二次扰动：消除副回路内的二次扰动, 快速性快速性, 不要求无残差不要求无残差 一般选一般选P调节器调节器, 主副环频率相差很大主副环频率相差很大, 可选可选PI调节器调节器 1) 选型选型 主调节器主调节器：准确保持被调量符合生产要求不允许存在偏差：准确保持被调量符合生产要求不允许存在偏差 一般采用一般采用PI调节器，如果副环外容积数目较多，有主要扰调节器，如果副环外容积数目较多，有主要扰 动落在副环外，可用动落在副环外，可用PID调节器调节器

28、 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 29 2) 串级控制系统的整定串级控制系统的整定 复杂性复杂性(相互影响相互影响) 原则原则: 尽量加大副调节器增益尽量加大副调节器增益(Kc, )以提高副环频率以提高副环频率, 使主使主, 副环副环 频率错开频率错开, 最好相差三倍以上最好相差三倍以上 当主当主, 副回路频率相差较大时副回路频率相差较大时, 相互之间的影响不大相互之间的影响不大, 可以在主环开路的可以在主环开路的 情况下情况下, 按整定简单控制系统的方法整定副调节器然后按整定简单控制系统的方法整定副调节器然后, 在投入副调节在投入副调节 器的情况下器的情况下, 按通常方法整定主调节器。

29、按通常方法整定主调节器。 当主副回路频率比较接近时，相互之间的影响较大需要在主副环之间当主副回路频率比较接近时，相互之间的影响较大需要在主副环之间 反复进行凑试，才能达到最佳的整定反复进行凑试，才能达到最佳的整定 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 30 一一 逐步逼近法逐步逼近法(比较费时比较费时) 它是一种依次整定主环，副环，然后循环进行，逐步接近主，副环的最它是一种依次整定主环，副环，然后循环进行，逐步接近主，副环的最 佳整定的一种方法其步骤为：佳整定的一种方法其步骤为： 首先整定副环首先整定副环. 断开主环断开主环,按单回路整定副环按单回路整定副环,求取副调节器的整定参数求取副调节器

30、的整定参数. 整定主环整定好的副环作为主环中的一个环节，按单回路方法整定整定主环整定好的副环作为主环中的一个环节，按单回路方法整定 主环，得到主调节器整定参数主环，得到主调节器整定参数 在主调节器已经整定一次的条件下在主调节器已经整定一次的条件下,按单回路整定方法按单回路整定方法,重新求取副调节重新求取副调节 器的整定参数器的整定参数.此时主副回路都已经闭合此时主副回路都已经闭合 重新整定主环在两个环都闭合，副调节器第二次整定情况下重新整重新整定主环在两个环都闭合，副调节器第二次整定情况下重新整 定主调节器定主调节器 如果调节过程还未达到品质要求，按如果调节过程还未达到品质要求，按步继续进行，

31、直到控制效果步继续进行，直到控制效果 满意为止满意为止 如果在第步甚至第步甚至第步就已经满足品质要求，整定无需继续进行步就已经满足品质要求，整定无需继续进行 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 31 二二 两步整定法两步整定法(自学自学) 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 32 某串级控制系统方框图如下所示，已知各环节的传递函数为： 1 1 ( ) (301)(31) p Gs ss 2 2 1 ( ) (1) (101) p Gs ss 11 1 ( )(1) cc I GsK T s 22 ( ) cc GsK ( )1 vv G sK 12 ( )( )1 mm GsGs 对象特性

32、 调节器 调节阀变送器 (1) 用稳定边界法先对副调节器进行整定用稳定边界法先对副调节器进行整定, 求得求得Kc2, 然后对主调节器进然后对主调节器进 行整定，求出主调节器参数行整定，求出主调节器参数Kc1, TI (2) 若主调节器采用纯比例作用若主调节器采用纯比例作用, 求二次扰动求二次扰动D2和一次扰动和一次扰动D1在单位阶在单位阶 跃变化时主参数的余差，从中可得出什么结论跃变化时主参数的余差，从中可得出什么结论 (3)若采用简单控制系统若采用简单控制系统, 调节器为比例作用调节器为比例作用, 用工程整定法求得调节器用工程整定法求得调节器 的比例增益为的比例增益为Kc=5.4, 求单位阶

33、跃求单位阶跃D2和和D1扰动时主参数的余差扰动时主参数的余差 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 33 Gc1(s)Gv(s)Gp2(s)Gp1(s) Gm1(s) D2(s)D1(s) Gc2(s) Gm2(s) R(s) Y(s) 1 1 ( ) (301)(31) p Gs ss 2 2 1 ( ) (1) (101) p Gs ss 11 1 ( )(1) cc I GsK T s 22 ( ) cc GsK ( )1 vv G sK 12 ( )( )1 mm GsGs 对象特性 调节器 调节阀变送器 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 34 5-3 5-3 比值控制系统比值控制

34、系统 定义定义: 用来实现两个或以上参数之间保持一定比值关系的过程控制系统用来实现两个或以上参数之间保持一定比值关系的过程控制系统. 主要是流量浓度的混合主要是流量浓度的混合 ,实现两种物料的流量保持一定的比值关系实现两种物料的流量保持一定的比值关系. 用途：用途： 尿素合成塔：二氧化碳压缩气，液氮流量成比例尿素合成塔：二氧化碳压缩气，液氮流量成比例 锅炉燃烧：燃料量和空气量等锅炉燃烧：燃料量和空气量等 主物料主物料-处于主导地位的物料处于主导地位的物料 表征该物料的参数为主动量表征该物料的参数为主动量F1 (主流量主流量) 从物料从物料-随主物料的变化呈比例变化的另一种物料随主物料的变化呈比

35、例变化的另一种物料 表征该物料的参数从动量表征该物料的参数从动量F2 (副流量副流量) 2 1 F K F 流量比流量比 值值 副流量副流量 主流量主流量 如：控制如：控制 CO的完全燃烧的完全燃烧 流量比值流量比值-副流量与主流量的比值副流量与主流量的比值K 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 35 例例 5-6 合成塔比值控制系统合成塔比值控制系统 工艺要求：工艺要求：A, B两种物料的流量两种物料的流量 保持一定比例，物料保持一定比例，物料B的流量的流量QB 不可控不可控 调节过程调节过程 两种流量的比值通过设定比值器两种流量的比值通过设定比值器R实现实现 压差变送器压差变送器 比值器

36、比值器 决定流量比值决定流量比值 调节器给定值调节器给定值IB*: 主流量的主流量的K倍倍 实现目标实现目标: 副流量随主流量而变化副流量随主流量而变化, 其流量是主流量的其流量是主流量的K倍倍 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 36 简单的比值控制系统是一个单回路控制，是一个流量自稳定系统其设简单的比值控制系统是一个单回路控制，是一个流量自稳定系统其设 定值不是定值，是与流量定值不是定值，是与流量QB成一定比例的变量成一定比例的变量 QB-主流量主流量(不可控不可控)QA副流量副流量(被控量被控量) 系统传递函数系统传递函数QA(s)/QB(s)体现了副流量和主流量之间的关系体现了副流量

37、和主流量之间的关系 ( )( )( ) ( ) ( )( ) ( )1( )( )( )( ) cvp A mBR BcvpmA G s G s Gs Qs Gs Gs QsG s G s Gs Gs 变送器变送器比值器比值器R调节器调节器调节阀调节阀管路管路 变送器变送器 QBIBIB*QA IA 合成炉比值控制系统方框图合成炉比值控制系统方框图 主流量主流量副流量副流量 实现实现K倍倍调节副流量调节副流量 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 37 一一 比值系数的计算比值系数的计算 工艺要求两个物料流量之比为工艺要求两个物料流量之比为 KQA/QB, 可通过设置比值器可通过设置比值器 的

38、输出输入信号之比来实现的输出输入信号之比来实现. 即比值系数即比值系数 仪表类型：仪表类型： DDZ-II: 010mA DDZ-III, DDZ-S: 420mA 线性环节的增益线性环节的增益: K=输出范围输出范围/输入范围输入范围=输出增量输入增量输出增量输入增量 温度变送器量程为温度变送器量程为0100, 为为DDZ-III型仪表，则其增益型仪表，则其增益(转换系数转换系数)为为 Kt=(20-4)/(100-0)=0.16mA/ 压差变送器压差变送器 比值器比值器 实现流量比实现流量比K 比值系数比值系数 比值器比值器R输出增量输出增量比值器比值器R输入增量输入增量 输入输入 输出输

39、出 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 38 压差变送器压差变送器DT将压差信号线性地转换为电信号采用将压差信号线性地转换为电信号采用DDZ-III型有型有 max max 4(204) 4(204) A A A B B B p I P p I P max max 416 416 A A A B B B p I P p I P 对于节流元件，压差与流量的平方成正比，则对于节流元件，压差与流量的平方成正比，则 2 2 AAA BBB pK Q pK Q 2 maxmax 2 maxmax AAA BBB pK Q pK Q 2 2 maxmax 2 2 maxmax AA AA BB BB p

40、Q pQ pQ pQ KA, KB-节流元件放大系数节流元件放大系数 1. 流量与测量信号之间是非线性关系流量与测量信号之间是非线性关系 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 39 B物料的流量信号物料的流量信号IB经比值器经比值器R后变为后变为IB*, 为调节器的设定值，稳定后为调节器的设定值，稳定后 与实际值与实际值IA相等，即相等，即IB*=IA, 则则比值系数比值系数为为 * 22 222 maxmaxmax 22 maxmaxmax 44 44 16 ()() 16 BoutBA BinBB AABBA BBBAA III III QQQQQ K QQQQQ 虽然流量与其测量信号成非

41、线性关系，但是比值系数却是常数虽然流量与其测量信号成非线性关系，但是比值系数却是常数 压差变送器压差变送器 比值器比值器 实现流量比实现流量比K 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 40 2 流量与其测量信号之间呈线性关系流量与其测量信号之间呈线性关系 在有些系统中在有些系统中, 在变送器后加上开方器在变送器后加上开方器, 使流量与测量信号间不再是非线性关系使流量与测量信号间不再是非线性关系 44 44 AA BB II II max max 44 44 A A A B B B Q I Q Q I Q * maxmax maxmax 444 444 B AABA BBBBA QQQII K

42、IIQQQ 开方器开方器 比值器比值器 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 41 结论：结论： 流量比值流量比值K与比值系数与比值系数 是两个不同的概念是两个不同的概念 比值系数比值系数的大小与流量比的大小与流量比K, 最大流量有关最大流量有关 线性测量与非线性测量情况下比值系数关系：线性测量与非线性测量情况下比值系数关系： 非 非=(线线)2 3 主流量与副流量的选择主流量与副流量的选择 一般情况下一般情况下, 总是把生产中主要物料作为主流量总是把生产中主要物料作为主流量, 其他物料为副流量其他物料为副流量.以副以副 流量的变化跟随主流量的变化流量的变化跟随主流量的变化. 如果两种物料中如

43、果两种物料中, 一种是可控的一种是可控的, 另一种是不另一种是不 可控的可控的,选不可控物料为主流量选不可控物料为主流量,可控物料为副流量可控物料为副流量 如果两种物料中一种供应不成问题如果两种物料中一种供应不成问题, 另一种可能出现供应不足另一种可能出现供应不足, 应选可能应选可能 供应不足的物料为主流量供应不足的物料为主流量. 否则难以实现副流量自动跟踪主流量的变化否则难以实现副流量自动跟踪主流量的变化. 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 42 二二 比值系统中的非线性特性比值系统中的非线性特性 非线性非线性:系统的静态增益不是一个定值而是随负荷变化的系统的静态增益不是一个定值而是随负

44、荷变化的. 比值系数与负荷无关比值系数与负荷无关: 由比值系数的计算可得结论由比值系数的计算可得结论, 在流量和其测量信号在流量和其测量信号 之间呈线性或非线性关系两种情况下之间呈线性或非线性关系两种情况下,比值系数均为常数比值系数均为常数,与负荷大小无关与负荷大小无关. 即负荷变化时有无开方器对系统静态比值无影响即负荷变化时有无开方器对系统静态比值无影响. 压差变送器压差变送器 比值器比值器 2 max 4 16 () A A A Q I Q 2 max 32 A pA AA dI KQ dQQ Kp对系统性能的影响对系统性能的影响: 系统在较小负荷下整定好调节器参数系统在较小负荷下整定好调

45、节器参数,可以保证一可以保证一 定控制品质定控制品质.当负荷增大时当负荷增大时, 由于测量变送部分的静态增益增加很多由于测量变送部分的静态增益增加很多,而调而调 节器参数未变，使控制品质恶化节器参数未变，使控制品质恶化 流量测量中的非线性对系统的影响流量测量中的非线性对系统的影响 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 43 为了保持系统的性能稳定，需要使系统的总增益接近常数在变送器后为了保持系统的性能稳定，需要使系统的总增益接近常数在变送器后 加入开方器后，其增益为：加入开方器后，其增益为： max 4 A p AA dI K dQQ 加入开方器后，使进入到比值器和调节器的表示流量的电流信号与

46、流量加入开方器后，使进入到比值器和调节器的表示流量的电流信号与流量 的静态增益为常数，消除了非线性影响的静态增益为常数，消除了非线性影响 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 44 三三 比值系统的整定比值系统的整定 按单回路系统整定按单回路系统整定, 需满足要求需满足要求: 要求系统响应速度快要求系统响应速度快,能对主流量的变化作出快速跟踪能对主流量的变化作出快速跟踪 要求衰减率要求衰减率 较大较大, ,使被调量尽快稳定使被调量尽快稳定, ,波动小波动小. 整定过程整定过程 1) 将调节器将调节器QAC的积分时间的积分时间TI设为最大设为最大,从从 大到小逐渐减小比例带大到小逐渐减小比例带

47、, ,直到被调流量在直到被调流量在 主流量阶跃扰动下的过渡过程处于振荡与主流量阶跃扰动下的过渡过程处于振荡与 不振荡的临界情况如右图曲线不振荡的临界情况如右图曲线b 2) 确定了比例带后确定了比例带后, 逐步减小积分时间常逐步减小积分时间常 数数TI, 直到被跳量稍有一点过调如曲线直到被跳量稍有一点过调如曲线c 串级控制系统与比值控制系统优秀 课件 45 四四 常见比值控制系统常见比值控制系统 变送器变送器比值器比值器调节器调节器调节阀调节阀管路管路 变送器变送器 QBIBIB*QA IA 单环比值控制系统单环比值控制系统 单环比值控制系统单环比值控制系统: 用一个调节器控制副流量用一个调节器控制副流量,使它按比例跟随主流量使它按比例跟随主流量. 特点特点: 控制系统简单控制系统简单,能够克服单环内的各种干扰对比值系统的影响能够克服单环内的各种干扰对比值系统的影响. 不足之处不足之处: 一般只用于负荷变化不大的场合一般只用于负荷变化不大的场合. 单环比值控制系统单环比值控制系统 串级控制系统与比值控制