热工控制系统PPT课件

1、课程安排 1、比值控制系统 2、大迟延控制系统 3、分程控制系统 第1页/共55页第七章 比值控制系统 生产工艺要求两个或两个以上参数成一定比例关系 例如，锅炉燃烧系统中，风煤比凡使两个或两个以上参数维持一定比值关系的控制系统称为比值控制系统。单闭环比值、双闭环比值、串级比值及有逻辑规律的比值控制系统主流量（主物料）、副流量（从物料）第2页/共55页第一节 比值控制系统的分析按比值的特点可分为定比值和变比值控制系统 定比值控制系统：两个或两个以上参数之间的比值是通过改变比值器的比值系数来实现的，一旦比值系数确定，系统投入运行后，此比值系数将保持不变（为常数），具有这种特点的系统称为定比值控制系

2、统 变比值控制系统：两个或两个以上参数之间的比值不是一个常数，而是根据另一个参数的变化而不断地修正，具有这种特点的系统称为变比值控制系统 第3页/共55页 按结构特点可分为简单比值和复杂比值控制系统 简单比值控制系统：凡构成一个闭环以下的比值控制系统称为简单比值控制系统； 复杂比值控制系统：凡构成两个闭环以上的比值控制系统称为复杂比值控制系统。 第4页/共55页开环比值控制系统第5页/共55页一、单闭环比值控制系统 工艺上要求两种物料流量保持一定的比例关系 第6页/共55页 课本的例子（炉膛一般是风煤比，多不采用这个系统）第7页/共55页 单闭环比值控制系统是由两个信号即主流量Q1，副流量Q2

3、，两个变送器F1T、F2T，调节器T1、T2，执行机构和一个以Q2作为反馈信号的闭环回路组成； 在稳定时，能实现主、副流量的工艺比值的要求即Q2Q1K（K为常数。当主流量Q1不变，而副流量Q2受到扰动时，则可通过副流量的闭合回路进行定值控制。主流量调节器WT1(s)的输出作为副流量的给定值。 当主流量Q1受到扰动时，WT1(s)则按预先设置好的比值使其输出成比例变化，即改变Q2的给定值，WT2(s)根据给定值的变化，发出控制命令以改变调节阀的开度，使副流量Q2跟随主流量Q1而变化，从而保证原设定的比值不变。 当主副流量同时受到扰动时，调节器WT2(s)在克服副流量扰动的同时，又根据新的给定值，

4、改变调节阀的开度，使主、副流量在新的流量数值的基础上，保持其原设定值的比值关系。 它不但可以实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且还可以克服副流量本身干扰对比值的影响。可见，该系统能确保主、副两个流量的比值不变，同时，系统的结构又较简单，方案实现起来方便，仅用一只比值器或比例调节器即可。 第8页/共55页缺点及使用范围单闭环比值系统一般只用于负荷变化不大的场合，原因是该方案中主流量不是确定值，它是随系统负荷升降或干扰的作用而任意变化的。因此当主流量出现大幅度波动时，副流量难以跟踪，主副流量的比值会较大地偏离工艺的要求。因此，单闭环比值控制系统适用于负荷变化不大，主流量不可控制，两种物料间的比值

5、要求较精确的生产过程。 第9页/共55页二、双闭环比值控制系统 为了克服单闭环比值控制对主流量不受控制所引起的不足，在单闭环控制的基础上，设计了双闭环比值控制系统 双闭环比值控制系统是由一个定值控制的主流量回路和一个跟随主流量变化的副流量控制回路组成。 第10页/共55页第11页/共55页主流量控制回路能克服主流量扰动，实现其定值控制。副流量控制回路能抑制作用于副回路中的扰动，使副流量与主流量成比值关系。当扰动消除后，主、副流量都恢复到原设定值上，其比值不变，并且主、副流量变化平稳。当系统需要升降负荷时，只要改变主流量的设定值，主、副流量就会按比例同时增加或减小，从而克服上述单环比值系统的缺点

6、。 第12页/共55页 自动化要求较高的比值控制，不仅要求静态比值恒定，还要求动态比值一定，在扰动作用下，要求主、副流量接近同步变化，即要求静态与动态时物料量保持一定比值。为了使主、副流量在时间上和相位上同步变化，必须引入“动态补偿环节”Wb(s) 第13页/共55页使用范围 双闭环比值控制系统适用于主副流量扰动频繁，负荷变化较大，同时保证主、副物料总量恒定的生产过程。 第14页/共55页实例第15页/共55页三、串级比值控制系统 有些生产过程中，要求两种物料流量的比值，随第三个参数的需要而变化。为此可以设计成串级比值控制系统 第16页/共55页第17页/共55页 副回路是一个闭环比值系统，其

7、比值由除法器来实现，两个流量比称为副参数 主回路也是一个闭环系统，由Y(s)的反馈构成，R2(s)为变比值信号，即单闭环比值系统的给定值，Y(s)称为第三个参数或称主参数(质量指标) 第18页/共55页 串级比值控制系统在稳态时，主副流量恒定，分别经测量变送器后送至除法器，其输出即为比值，作为WT2(s)的测量信号，此时主参数Y(s)也恒定。WT1(s)输出信号R2(s)稳定，且R2(s)m2(s)，WT2(s)输出稳定，调节阀开度一定，所以主参数符合工艺要求，产品质量合格。 当Q2、Q1出现扰动时，副回路可以很快动作，使两者的比例维持常数即保持比值一定，从而不影响(扰动幅值不大时)主参数，或

8、大大减小扰动对主参数Y(s)的影响。 若主参数受某种干扰偏离给定值R1(s)时，主调节器将会改变副调节器的给定值即WT1(s)的输出R2(s)产生变化，修正了WT2(s)的给定值即修正了两个流量的比值，使系统在新的比值上重新稳定。第19页/共55页实例（画出方框图）第20页/共55页四、有逻辑规律的比值控制系统 在某些比值控制系统中，不仅要求两个物料流量保持一定的比例，而且要求物料流量的变动有一定的先后次序，称为有逻辑规律的比值控制系统。 例如在燃料控制系统中，希望燃料量与空气量成一定的比例。而燃料量取绝于蒸汽量的需要，常用蒸汽压力来反映，当蒸汽量要求增加时即蒸汽压力降低，燃料量也要增加。为了

9、保证燃烧完全，应先加大空气量后加大燃料量。在减负荷时，应先减燃料量后减空气量。以保证燃烧的安全性和经济性。 第21页/共55页第22页/共55页 当蒸汽流量增加时即蒸汽压力下降，此时蒸汽压力控制器输出增加，增大的信号送到低选、高选器。由于压力控制器输出通不过低选器LS，而可通过高选器HS，并作为空气流量控制器的给定值，用来加大空气量。 空气流量变送器的输出信号被低选选中，空气流量的增加也使低选输出增加，从而改变燃料控制器的给定值，使燃料量增大。 这样保证增加燃料之前先加大空气量，使燃料完值控制系统减少空气量。这样满足了先减燃料量后减空气量的逻辑关系，保证燃烧完全。 第23页/共55页燃料空气蒸

10、汽压力第24页/共55页第二节 比值控制系统的整定一、控制系统的设计 1主、副物料流量的确定 确定主、副物料流量的原则是： (1) 在工业生产过程中起主导作用的物料流量一般选为主流量，其它的物料流量选为副流量，其副流量跟随主流量变化。 (2) 在工业生产过程中不可控的或者工艺上不允许控制的物料流量一般选为主流量 ，而可控的物料流量选为副流量。 (3)在生产过程中较昂贵的物料流量可选为主流量，这样可以不会造成浪费或提高产量。 (4)按生产工艺的特殊要求确定主、副物料流量。第25页/共55页2控制方案的选择 根据不同生产工艺情况，负荷变化、扰动特性、控制要求和经济性等进行具体分析，选择合适的比值控

11、制方案。 如果工艺上仅要求两物料流量之比值一定，负荷变化不大，主流量不可控制，则可选单闭环比值控制方案。又如在生产过程中，主、副流量扰动频繁，负荷变化较大，同时要保证主、副物料流量恒定，则可选用双闭环比值控制方案。再如，当生产要求两种物料流量的比值能灵活地随第三个参数的需要进行调节时，可选用串级比值控制方案。第26页/共55页3调节器控制规律的确定 （1）单闭环比值控制系统中WT1(s)仅接收主流量的测量信号，仅起比值计算作用，故选P控制规律或用一个比值器；WT2(s)起比值控制作用和使副流量相对稳定，故选PI控制规律。 （2）双闭环比值控制系统中两流量不仅要保持恒定的比值，而且主流量要实现定

12、值控制，其结果副流量的设定值也是恒定的，所以两个调节器均应选PI控制规律。 （3）串级（变）比值控制系统，它具有串级控制系统的一些特点，那么，可以根据有串级控制系统调节器控制规律的选择原则，主调节器选PI或PID控制规律，副调节器选用P控制规律。第27页/共55页4流量计或变送器的选择 流量测量是比值控制的基础，各种流量计都有一定的适用范围（一般正常流量选择在满量程的70%左右）必须正确选择使用。变送器的零点及量程的调整都是十分重要的，具体选用时可参考有关设计资料手册。 第28页/共55页第八章 大迟延控制系统 1.1、纯滞后过程的概念 在现代工业生产过程中，不少生产过程特性具有纯滞后特性，其

13、特点是在施加控制作用后，被控对象在经过纯滞后时间后，才对施加的控制作用有响应，即：输出参数的变化落后于输入参数的作用和变化，其原因就在于实际系统变量的测量、设备的物理性质以及信号的采集、传递和处理等多方面的因素均可导致输出响应相对于输入的时间滞后现象。下面是几个典型的生产过程实例：第29页/共55页带传输过程 在工业生产过程中，一些块状或粉状的物料，例如硫酸生产中沸腾焙烧炉的硫铁矿进料、热电厂燃煤锅炉的煤粉进料等，需用图1-1-1所示的带运输机进行输送。当挡板的开度变动引起下料量改变时，需经过带传输机传送时间(纯滞后)后，物料才到达设备，引起工艺参数发生变化。所以有人把纯滞后又称为传输滞后。

14、图1-1-1 带传输滞后过程第30页/共55页管道输送过程图1-1-2 管道输送滞后过程第31页/共55页连续轧钢过程 图1-1-3所示，钢坯通过行星轧机初轧，再经平整机精轧平整后得到所需厚度的钢板。测厚仪通常安装在距平整机出口一定距离的位置上。执行器安装在行星轧机上用以调整下压量。这是一个纯滞后起主要作用的过程。图1-1-3 连续轧钢滞后过程第32页/共55页第33页/共55页1.2、纯滞后环节的传递函数 第34页/共55页1.3、纯滞后对系统性能的影响 在控制系统中，纯滞后可以出现在控制系统的不同位置，但主要可分为两种情况： 纯滞后出现在控制系统的闭环回路中 纯滞后出现在控制系统的干扰通道

15、上第35页/共55页纯滞后出现在控制系统的闭环回路中图1-3-3 纯滞后出现在闭环回路中的控制系统第36页/共55页纯滞后出现在控制系统的干扰通道上图1-3-5纯滞后出现在干扰通道的控制系统第37页/共55页二、纯滞后过程的常用控制方法 时滞系统的控制方法主要有两类：基于模型的方法和无模型方法。基于模型的方法主要有Smith预估补偿控制、最优控制、自适应控制、动态矩阵预报控制、预测控制、滑模变结构控制、鲁棒控制等；无模型的方法主要有模糊Smith控制、模糊自适应控制、模糊PID控制、神经网络控制、专家控制等。第38页/共55页2.1、微分先行控制方案 微分作用的特点是能够按被控参数变化速度的大

16、小来校正被控参数的偏差，它对克服超调现象能起很大的作用。常用的PID控制方案如图2-1-1所示，微分环节的输入是对偏差作了比例积分后的值，因此，微分环节实际上并不能真正起到对被控参数变化数对进行校正的目的，其克服动态超调的作用是有限的。如果将微分环节换到图2-1-2所示的位置，微分环节克服动态超调的能力就大大不同了，这就是微分先行控制方案。 图2-1-1 PID控制系统框图图2-1-2 微分先行控制系统框图第39页/共55页第40页/共55页2.2、Smith预估补偿控制方案第41页/共55页图2-2-1 Smith预估补偿控制系统方框图第42页/共55页2.3、采样控制方案 存在纯滞后的系统

17、，在纯滞后时间内，虽然执行机构发生了动作，但对象的被控参数却没有发生变化，因此，为了避免调节器不必要的误操作，宁愿让控制作用弱一些、慢一些。操作方法是当对象受扰动而使被控量偏离给定值时，先给出一个控制量，然后保持其量不变，保持的时间与纯滞后时间相等或大一些，当经过时间后，由于控制量的改变，被控量必然有所反应，此时，再按照被控量与给定值的偏差，以及偏差的变化方向和速度值来进一步加以校正，校正后又保持其量不变，再等待一个纯滞后时间，如此重复上述动作，一步一步的校正被控量的偏差值，使系统趋向一个新的稳定状态，这就是纯滞后系统的采样控制规律，其基本思想是“调一下，等一等”。实现上述规律的调节器就是每隔

18、时间动作一次的采样调节器。第43页/共55页2.4、Dahlin算法 Dahlin算法是由美国IBM公司的Dahlin于1968年针对工业过程控制中的纯滞后特性提出的一种控制算法，该算法的设计目标是设计一个合适的数字控制器，使整个系统的闭环传递函数为带有纯滞后的一节惯性环节，并且要就是闭环传递函数的纯滞后时间等于被控对象的纯滞后时间。 第44页/共55页第45页/共55页Dahlin控制器的设计过程容易理解，所设计的控制系统具有较好的鲁棒性，文2定性的指出了Dahlin控制器是一种预估型的控制器，文3则证明了Dahlin控制器在本质上与最优Smith预估器是等价的，从而揭示了Dahlin控制器能够有效地用于大纯滞后系统控制的原因。但是Dahlin控制器会产生振铃现象，即控制器的输出会以1/2采样频率上下摆动，文1、文4、文5和文6都讨论了该现象产生的原因，并给出了一些解决方法。 第4