过程控制系统课件

緒論1-1過程控制和過程控制系統一﹑過程控制的特點隨著生產過程的連續化﹑大型化和不斷強化,隨著對過程內在規律的進一步瞭解,以及儀錶﹑電腦技術的不斷發展,生產過程控制技術近年來發展異常迅速.

所謂生產過程自動化,一般指工業生產中(如石油﹑化工﹑冶金﹑煉焦﹑造紙﹑建材﹑陶瓷及熱力發電等)連續的或按一定程式週期進行的生產過程的自動控制.

凡是採用模擬或數字控制方式對生產過程的某一或某些物理參數(如溫度﹑壓力﹑流量等)進行的自動控制統稱為過程控制.

生產過程的自動控制,一般要求保持過程進行中的有關參數為一定值或按一定規律變化.由於被控參數不但受內﹑外界各種條件的影響,而且各參數之間也會相互影響,這就給對某些參數進行自動控制增加了複雜性和困難性.除此之外,過程控制尚有如下一些特點:1.被控對象的多樣性.

對生產過程進行有效的控制,首先得認識被控對象的行為特徵,並用數學模型給以表徵,這叫對象特性的辨識.由於被控對象多樣性這一特點,就給辨識對象特性帶來一定的困難.2.被控對象存在滯後.

由於生產過程大多在比較龐大的設備內進行,對象的儲存能力大,慣性也大.在熱工生產過程中,內部介質的流動和熱量轉移都存在一定的阻力,因此對象一般均存在滯後性.由自動控制理論可知,如系統中某一環節具有較大的滯後特性,將對系統的穩定性和動態品質指標帶來不利的影響,增加控制的難度.3.被控對象一般具有非線性特點.

當被控對象具有的非線性特性較明顯而不能忽略不計時,系統為非線性系統,必需用非線性理論來設計控制系統,設計的難度較高.如將具有明顯的非線性特性的被控對象經線性化處理後近似成線性對象,用線性理論來設計控制系統,由於被控對象的動態特性有明顯的差別,難以達到理想的控制目的.4.控制系統比較複雜.

控制系統的複雜性表現之一是其運行現場具有較多的干擾因素.基於生產安全上的考慮,應使控制系統具有很高的可靠性.

由於以上特點,要完全通過理論計算進行系統設計與控制器的參數整定至今乃存在相當的困難,一般是通過理論計算與現場調整的方法,達到過程控制的目的.

二﹑過程控制系統的組成鍋爐是生產蒸汽的設備,在各行各業中廣泛使用.如鍋爐的鍋筒內水位過低,鍋爐有燒幹引起爆炸的危險,水位過高,不但水可能溢出,而且使產生的蒸汽含水量高,在某些場合使使用蒸汽的設備受到損傷.因此保持水位的高度在規定範圍內是非常重要的.

當鍋爐的給水量與蒸汽的蒸發量保持平衡時,鍋筒內的水位保持不變,如果用表示在鍋筒內希望保持的水位高度,則當鍋爐的給水量或蒸汽的蒸發量發生變化時,鍋筒內水位就會在上下波動,水位的變化量用表示.人工控制鍋筒內水位高度的示意圖如下左圖所示,給水給水閥預熱器鍋筒連通器過熱器蒸汽閥蒸汽眼觀腦分析手調閥門水位高度自動控制系統如下右圖所示.變送器控制器定值器執行器右圖中,變送器將檢測到的水位在上下波動量變換成標準的統一信號(如4~20mA)輸入到控制器的一個輸入端,與定值器輸出到控制器的給定信號進行比較,控制器按比較的偏差大小,根據確定的控制規律(如PID)進行運算,將運算結果輸出到執行器使執行器動作並帶動控制閥,使控制閥的開度發生相應的變化,改變給水量的大小,使鍋筒內水位保持在上下規定的範圍內.如上所述,過程控制系統的組成,一般可用如下框圖表示上圖中,控制器執行器控制閥被控對象檢測元件,變送器:需進行自動控制的參數,稱為被控量;:被控量希望保持的數值,稱為設定值;:被控量的測量值;叫偏差值,即控制器的輸入信號.當z(t)>r(t)時,叫負偏差,當z(t)<r(t)時,叫正偏差.:叫操縱量;:擾動信號,也叫干擾信號.上圖中,控制閥有氣開與氣閉兩種作用方式,前者當控制器的輸出增大時,閥門的開度增大,後者正相反.因此,控制器也有正反調節作用,正作用指被控量增大時,控制器的輸出增大,規定正作用時e(t)=z(t)-r(t);反作用指被控量增大時,控制器的輸出減小,規定反作用時e(t)=r(t)-z(t)

三﹑過程控制系統的類別(見P.5~P.6)

四﹑過程控制系統的品質指標過程控制系統的品質指標,一般用系統在階躍輸入信號作用下,被控量y(t)隨時間t的變化曲線來定義,如下圖所示:其品質指標除在<<自動控制理論>>中定義的最大百分比超調量﹑過渡過程時間(也稱調節時間)等以外,還增加一項遞減比或遞減率的品質指標.如下圖所示:圖中第一﹑二兩個週期的振幅與的比值充分反映了曲線振盪衰減的程度,稱之為遞減比n,即,或,見上圖.而遞減率定義為.遞減比n表示曲線變化一個週期後的衰減快慢,一般用n:1表示.過程控制系統的遞減比習慣採用4:1,但非唯一,特別是對一些變化較緩慢的如溫度過程,採用4:1遞減比可能還嫌過程振盪過甚,而採用10:1.因此遞減比的確定須視具體對象,工藝要求而合理的選定.

五﹑工業過程控制的目的和要求工業生產過程的總目標,一般是利用可能提供的能源和原料,以最經濟的途經將一定的原材料轉化為預期的合格產品.為此必須對生產過程進行監視和控制,以保證滿足生產目標,達到高產﹑優質﹑低耗和安全.控制目標可歸納為下列三項因素的組合:(1)抑制外部干擾的影響;(2)確保過程的穩定性;(3)使過程穩態和(或)動態工況最優化.控制系統開發的幾個步驟:(1)控制目標的表述,獲取過程資訊,確定主要控制目標和約束條件;(2)開發過程模型:基於物理和化學基本定律或實驗建立過程的數學模型;(3)控制規律的設計:利用自動控制理論來設計控制規律以滿足規定的控制目標和約束條件;(4)電腦仿真;(5)選擇合適的控制硬體(6)安裝﹑投運和整定.

上述第(3)步實際上涉及到控制系統的設計,其包括如下幾步:(1)被控變數和操縱變數的選擇;(2)控制結構的選擇;(3)控制器的設計;(4)執行機構的選擇.1-2本課程的特點一﹑本課程與專業基礎理論課的關係及主要研究內容本課程屬專業技術課,與相關的專業基礎理論課程和專業技術課程的關係及主要研究內容可用下圖表示:自動控制理論古典現代調節裝置過程控制系統過程控制對象動態特性求取理論法實驗法控制系統的方案設計及參數整定執行器特性控制方案確定控制器選型和參數整定電腦過程控制系統

二﹑本課程的特點

本課程屬專業技術課範疇,因此專業性較強.其主要的研究對象是被控量(如溫度﹑液位﹑壓力﹑流量等)變化較為緩慢的生產過程的自動控制系統.它除以<<自動控制理論>>為基礎理論外,其本身也有一套設計系統的理論,用以指導過程控制系統的設計過程.但由於過程控制系統的複雜性及多樣性,加之理論上的局限性,因此理論與實踐相結合後,產生許多在設計過程中行之有效的經驗方法和公式.故在學習本課程時,既要注重理論也不可忽視一些經驗公式及基本概念和設計原則.

本課程學習效果的好壞,有賴於學習者對前修課程的掌握程度及學習本課程的方法.

單回路控制系統

3-1概述

單回路回饋控制系統簡稱單回路控制系統又稱簡單控制系統,是所有過程控制系統中最簡單﹑最基本﹑應用最廣範和成熟的一種,適合於被控對象滯後時間較小,負荷和干擾變化不大,對控制品質要求不是很高的場合.其雖簡單,卻能解決生產過程中的大量控制問題,生產過程中70%以上的控制系統是單回路控制系統.單回路控制系統的方案設計和控制器的參數整定方法是各類複雜控制系統設計和整定的基礎.

下麵通過一個生產中常用到的裝置來說明單回路控制系統的結構組成.下圖是一個生產上常用的液體儲槽.流入量和流出量分別是和閥控制閥.控制要求是維持儲槽內液體液位不變.為此需選擇一些合適的裝置以構成單回路液位控制系統用一個液位變送器測量液位並將液位量變換成某種標準的統一信號如4-20mADC的直流電流,變送器的輸出信號輸送給液位控制器HC.液位控制器接受一外給定信號SV(也可內給定)以表示需保持的液位高度SVHCPV,控制器按設計好的某種控制規律對SV與PV的偏差信號進行運算並將運算結果作為控制信號輸出給控制閥以調節閥門的開度進而改變液體的流出量使儲槽內液位保持不變.MV對液位控制系統的結構組成示意圖可畫出相應的結構框圖.閥控制閥HCPVSVMV結構框圖一般從系統結構組成示意圖的輸入信號入手,按各信號傳遞的方向將系統中各有關裝置連接成框圖.SVEVPVHCMV控制閥液位對象測量變送器上面的結構方框圖是從上左圖的特定的液位控制系統的結構組成示意圖而畫出的,一般的單回路控制系統結構方框圖可由下圖表示.設定值偏差值檢測元件,變送器測量值控制器控制量執行器操縱量被控對象被控量廣義對象要實現一個生產過程控制工程,主要有以下四部分內容:1.自動控制系統的方案設計這是關鍵的一步,包括:合理選擇被控量和操縱量以構成回饋回路,被控量的獲取和變送,執行器的選擇,控制器的選型.2.工程設計在方案設計的基礎上進行.包括:儀錶選型,控制室及儀錶控制盤設計,儀錶供電供氣系統設計,信號系統設計和儀錶防護設計.3.工程安裝和儀錶單校及系統聯校.4.控制器的參數整定.

當被控對象的特性通過第二章所述方法已確定後,控制系統品質的好壞主要決定於控制器特性與被控對象的特性的配合.控制器的參數整定就是設法滿足這一要求,而盡可能獲得最佳效果.因此,當控制方案一經確定,控制器的參數整定就成為提高控制系統品質的關鍵.

本章主要討論1﹑4二個問題.3-2被控量和操縱量的選擇一﹑被控量的選擇被控變數的選擇是控制系統設計的核心問題,其選擇正確與否,將直接關係到生產的穩定操作﹑產品產量和品質的提高以及生產安全與勞動條件的改善等.

被控量應是那些對產品的產量和品質,以及安全生產都具有決定意義,能最好地反映生產工藝狀態變化的那些參數,而這些參數往往又是人工控制難以滿足要求或雖能滿足要求但人工操作十分緊張而頻繁.因此設計人員必須深入生產實際,進行調查研究,只有在熟悉生產工藝的基礎上才能正確地選擇好被控變數.

被控變數的選擇方法有兩種.

一是選直接參數作為被控變數.所謂直接參數是指能直接反映生產過程產品產量和品質,以及安全運行的參數.

例如對於以溫度﹑壓力﹑流量﹑液位為品質指標的生產過程,就選擇溫度﹑壓力﹑流量﹑液位為被控量.

品質指標是產品品質的直接反映,顯然,選擇品質指標作為被控變數應是首先要進行考慮的.

但選用品質指標作為被控變數,有時會涉及到產品成分和物性參數(如密度﹑粘度等)的測量問題,這需用到成分分析儀表和物性參數測量儀錶.而這些參數的測量問題目前尚未得到很好的解決,主要是難於線上測量和變送或測量滯後較大,不能及時反映產品品質變化的情況.

二是選間接參數作為被控變數.

當直接選擇品質指標作為被控變數比較困難或不可能時,則可選擇那些能夠間接反映產品產量和品質,以及安全運行的參數作為被控變數.但必須考慮生產工藝的合理性,國內儀錶的生產現狀,間接參數與直接參數有某種單值的函數關係,要有足夠的靈敏度,保證能代替直接參數的控制.補充:下麵以石化工業中精餾苯﹑甲苯為例.在精餾塔中苯﹑甲苯在氣﹑液兩相並存時,塔頂易揮發組分的濃度﹑溫度和壓力三者間有如下函數關係:是直接反映塔頂產品純度的,是直接的品質指標.如成分分析儀表可以解決,則可選擇塔頂易揮發組分的濃度這一直接參數作為被控變數,組成成分控制系統.如成分分析儀表不好解決,或因成分測量滯後太大,控制效果差,達不到品質要求,則可考慮選擇一間接指標參數:塔頂溫度或塔壓作為被控量,組成相應的控制系統.

問題是選擇塔頂溫度還是塔壓作為被控量?這需由生產工藝的具體情況給以考慮.由式(1)可見,是關於和的兩元函數,只有當或一定時,式(1)才可簡化為一元函數,即當一定時:當一定時:採用式(2)則濃度與溫度之間是單值對應關係,採用式(3)則濃度與塔壓之間是單值對應關係,從這一觀點出發兩個間接參數均可被選為被控變數.到底選哪一個為被控變數還需視生產工藝上的合理性.在精餾操作中,往往希望塔壓保持恒定,因只有塔壓保持在規定的數值下,才能保證分離純度及塔的效率與經濟性.如塔壓波動,塔內原來的氣﹑液平衡關係就會遭到破壞,導致相對揮發度發生變化塔將處於不良工況而塔壓的變化,塔的進料和出料相應地也會受到影響,原先的物料平衡會遭到破壞.另外,只有當塔壓固定時精餾塔各層塔板上的壓力才近乎恒定,各層塔板上的溫度與組分之間才有單值對應關係.綜上分析,固定塔壓選擇溫度這一中間參數作為被控變數是合理的.

由上分析,可得以下幾條選擇被控變數的基本原則

1.如可能,應儘量選擇品質指標參數作為被控變數;2.當不能選擇品質指標參數作為被控變數時,應當選擇一個與產品品質指標有單值對應關係的間接指標參數作為被控變數;3.所選的間接指標參數應當具有足夠大的靈敏度,以便反映產品品質的變化;4.選擇被控變數時需考慮到工藝的合理性和國內外儀錶生產的現狀.

二﹑操縱量的選擇被控變數確定後,還需選擇一個合適的操縱變數,以便被控變數在外界干擾作用下發生變化時,能夠通過對操縱變數的調整,使被控變數迅速回到原先的給定值上,以保持產品品質的不變.

能控制被控量變化的因素叫操縱量.

一般此類因素很多,但並不是任何一個因素都可選為操縱量而組成一個可控性良好的控制系統.

操縱變量一般選系統中可被調整的物料量或能量參數.在生產過程尤其在石油﹑化工生產過程中,遇到最多的操縱變數則是物料流或能量流,即流量參數.而流量可由調節閥得以改變,即改變閥的開度使流過閥的流量發生變化.

被控變數是被控對象的一個輸出,影響被控變數的外部因素是被控對象的輸入且不止一個,因此被控對象如在n個輸入是一個多輸入單輸出的對象,如下圖所示.中選其中一個為操縱變數並用表示,則其他輸入即為對象的干擾信號.如下右圖所示.由上圖可畫出下麵的方框圖.圖中,為干擾通道傳遞函數,是對象在操縱量的作用下的對象傳遞函數.由圖可得由上式可見,干擾量與操縱量同時影響被控變數,但在控制系統中,由控制器的正確控制改變操縱量的大小和變化的方向,使操縱量對被控變數的影響正好與干擾量對被控變數的影響的方向相反,從而,當干擾量使被控變數發生變化而偏離給定值時,控制作用就可抑制干擾的影響,把已經變化的被控變數拉回到給定值上來.

本節將討論選擇一個可控性良好的操縱量的一些基本原則.(一)放大係數對控制品質的影響假定單回路控制系統的方框圖入下圖所示.圖中,為比例控制器傳遞函數.為被控對象傳遞函數.為干擾通道傳遞函數.輸出對干擾信號的傳遞函數為:當只研究干擾信號對輸出及系統的影響時,設則應用拉氏變換的終值定理,並假設干擾為單位階躍信號,則控制系統的穩態偏差(也叫餘差)為:分析式(6),可得如下一些結論:為使系統的穩態偏差盡可能小,應該(1)干擾通道的傳遞係數(即放大係數或干擾通道的增益)越小越好;(2)控制通道(即從到的通道)的傳遞係數應大於,且在兼顧系統的穩定性和動態品質的前提下,越大,系統的穩態偏差越小.具體的例子可見教材P.49~P.50.(二)干擾通道動態特性對控制品質的影響時間常數對控制品質的影響假定單回路控制系統的方框圖入下圖所示.而圖中為一階慣性環節.則在干擾信號作用下,系統的閉環傳遞函數為:系統的特徵方程為:由式(8)可見,系統的閉環有一個由干擾通道中的一階慣性環節所產生的閉環極點極點a在極點平面上的位置如下圖所示..時間常數越大,極點a沿實軸向虛軸靠的越近,輸出中與此極點對應的動態分量的衰減輸出中與極點a對應的動態分量的型式為係數越小,衰減的越慢,使系統的過渡過程時間增長.但由於式(7)中的分式前有一係數,使得輸出中的所有動態分量的幅值縮小了倍,從而使控制過程超調量也隨的增大而降低,最大動態偏差也隨之減小.一階慣性環節的對數幅頻特性近似曲線如下圖所示.相當於一低通濾波器,對高頻干擾信號具有濾波作用,且越大轉折頻率越向左移,對高頻干擾信號的濾波作用越強.當干擾通道有兩個一階慣性環節串接而成,即則系統輸出對干擾信號的閉環傳遞函數有兩個附加極點和,使得輸出中的所有動態分量的幅值縮小了,使控制品質進一步獲得提高.由以上分析,可得選擇操縱量應使干擾通道的傳遞函數的階數越高越好,而時間常數越大越好.(2)滯後時間對控制品質的影響設干擾通道存在純滯後時間,則系統輸出對干擾信號的閉環傳遞函數為:設當時,干擾信號作用下的輸出為,則當時,干擾信號作用下的輸出,由左式可見與是兩條完全相同的變化曲線,這說明干擾通道有無純滯後對控制品質沒有影響,所不同的是兩者在回應時間上相差一個純滯後時間干擾作用位置對控制品質的影響一個被控對象往往受多個干擾的影響.由於各個干擾的作用點不同,則被控量對各個干擾的傳遞函數也不同.設被控對象有三個相互獨立的有自衡能力的單容環節串聯組成,各環節的傳遞係數都為1,時間常數相差也不大,有三個幅值和形式都相同的干擾信號分別從如下圖所示的位置進入系統.在此,僅利用第(1)小節的結論來定性地分析干擾作用位置對控制品質的影響.為此用方框圖變換法則將前圖變換為下圖.由上圖可見,需依次經過三個一階慣性環節的濾波才對產生影響,其影響力被削弱較多,需依次經過二個一階慣性環節的濾波才對產生影響,其影響力其次,而只需經過一個一階慣性環節的濾波,顯然它對的影響最大.因此,選擇被控量時,應力求使干擾信號遠離被控量的檢測點而靠近控制閥的位置進入系統,則利於克服干擾對系統的影響,提高控制品質.(4)干擾幅值大小對控制品質的影響

干擾幅值越大,對被控量的影響也越大,克服它的影響也越困難,有時會導致系統無法控制.因此,當發現某處干擾幅值太大時,可考慮採取以下兩個措施:1.單獨設計一個控制系統,以穩定該干擾;2.採取必要措施減小干擾幅值.(三)控制通道動態特性對控制品質的影響(1)放大係數對控制品質的影響(補充)設單回路控制系統如下圖所示.圖中,是干擾通道傳遞函數.是控制通道中控制器傳遞函數.是控制通道中被控對象傳遞函數.由上圖,可得輸出對干擾信號的閉環傳遞函數為:系統的特徵方程為:系統的振盪情況由上式的第二個因數決定,即將式(10)展開,並化簡得:將式(11)與標準二階系統特徵方程相比可得由式(12)及式(13)可解得阻尼係數:由式(14)可見,越大,值越小,則最大百分比超調量越大,系統的穩定性就越差.在不變的情況下,欲使系統的穩定性不變,即不變則必須使保持為一常數,即當由變至時,必然要由變至,且必須滿足下式即上式說明,為保持系統的穩定性不變,當控制通道中被控對象傳遞係數增大或減小時,控制器的放大倍數必須相應地減小或增大,以維持系統的開環放大倍數不變.但在放大係數對控制品質的影響一節中,曾有結論:越大,對減小系統的穩態誤差值即系統的餘差越有利,可見單靠調整開環放大倍數已不能同時滿足兩方面的要求.但從控制角度看,越大,則表示操縱量對被控變數的影響越大,表示通過對操縱量的調節來克服干擾更有效.另外,如前分析,若要系統的穩定性不變,則不變,應保持為一常數,從而,越大,則越小,也即控制器的比例帶(也稱比例度)越大,便於調整比例帶,如相反,則小不易調整,當比例帶小於3%時,控制器相當於一個兩位式控制器,即其輸出要麼為最大,要麼是最小,已失去作為連續控制器的作用.因此,從控制的有效性及控制器參數易調整性考慮,控制通道中被控對象的傳遞係數越大越好.(2)時間常數對控制品質的影響由下圖可知,系統的特徵方程為:設代入式(17),得:將式(18)化成標準二階系統特徵方程形式,得:從而則為系統的無阻尼自然振盪角頻率.而系統的調節時間由上式可見不論還是增大,都將導致系統的調節時間變長,即控制速度變慢,不利於及時克服干擾影響另一方面,當一定時,或增大,都將使變小,從而使最大百分比超調量增大,系統的穩定性變差.由以上分析,可得如下結論:被控對象的時間常數的大小反映了克服干擾影響的快慢.時間常數太大,回應操縱量的反應遲鈍,過渡過程時間加長,使最大百分比超調量增大,系統的穩定性變差,控制品質下降,此時,應合理選擇執行器的位置,使之儘量減小從執行器到被控量檢測點之間的容量係數,減小控制通道的時間常數採用前饋或更複雜的控制系統方案.時間常數太小,對操縱量的反應太靈敏,雖使克服干擾的影響快,過渡過程時間短,但當其太靈敏時,易引起過渡過程的振盪加劇,系統的穩定性亦受影響,此時可選擇快速的檢測元件﹑控制器和執行器;使用反微分元件適當降低控制通道的靈敏度,在工藝上可能的情況下,增大控制通道的時間常數.(3)時間常數的匹配對控制品質的影響

控制系統的廣義對象一般均包括幾個時間常數,它們之間的匹配對控制品質的好壞具有重要的影響.

過程控制系統的控制品質可用“准品質指標”給以綜合性評判.設控制系統的臨界放大係數為,臨界振盪頻率為,則定義為系統的准品質指標,越大,認為系統的控制品質越好.以下圖為例說明時間常數對准品質指標的影響.圖中,且由代數穩定判據,可得當系統臨界穩定時,系統的臨界放大係數和臨界振盪頻率與時間常數有如下關系.由上兩式經計算可得如下結論:減小最大的時間常數反使比原來下降,則控制品質也隨著下降;增大最大的時間常數下降,但上升,仍有所增大;減小和都有利於改善控制品質,尤以減小為好,同時減小和最好.因此,減小中間大小的時間常數,把幾個時間常數的數值錯開些,可使系統的工作頻率提高,過渡過程時間縮短,餘差和超調量顯著減小.

具體的計算結果可見教材P.54表3-1.(4)滯後時間對控制品質的影響

在控制通道中,不論是具有純滯後,還是容量滯後,對控制品質都帶來不利的影響,尤其是的影響更壞.在控制工程中,將帶有純滯後的被控對象往往稱其為難以控制的對象.下麵舉例進行定性討論,下圖中系統的開環傳遞函為:當對象無純滯後,即則系統的開環傳遞函為:其極座標曲線如下圖中紅線,由乃氏穩定判據可知,不管多大,閉環總穩定的,但當對象有純滯後,則其極座標曲線如左圖中藍線所示.上圖中藍線表明,帶有純滯後的一階慣性環節其極座標曲線是一條相角從0度變化到負無窮大,幅值衰減的螺旋曲線,隨的增加,曲線與負實軸的交點逐漸由在(-1,j0)點的右邊向(-1,j0)點靠近,進而穿過(-1,j0)點,直至包圍(-1,j0)點,閉環由穩定變成不穩定.即使帶有純滯後的被控對象其閉環系統是穩定的,但其穩定性比不帶有純滯後被控對象閉環系統的穩定性要差.設這兩種閉環系統的開環對數幅相頻率特性曲線如下圖所示.由於滯後環節不影響頻率特性的幅值,所以兩種閉環系統的開環對數幅頻率特性曲線相同.設不帶有純滯後被控對象閉環系統的開環對數相頻率特性曲線如綠線所示.則其對應的幅值裕度如左上圖.其對應的相值裕度如左下圖.帶有純滯後被控對象閉環系統的開環對數相頻率特性曲線如下圖藍線所示.則其對應的幅值裕度如左下圖所示.其對應的相值裕度如左下圖.由於,且都大於零,故兩個閉環系統雖都穩定,但帶有純滯後被控對象閉環系統的穩定性較不帶有純滯後被控對象閉環系統的穩定性要差,控制品質也差.對系統動態品質的影響也可從下圖定性說明.圖中,曲線C為被控量在干擾作用下的變化趨勢,曲線A﹑B分別代表無滯後和有滯後情況下,操縱量對被控量的校正作用,曲線D﹑E表示無滯後和有滯後時,被控量在干擾和控制兩者共同作用下的變化過程,為檢測變送器的不靈敏區.當時,控制器在時刻接受到正偏差信號而產生校正作用A,使被控量沿D變化.當時,控制器雖然也在時刻接受到正偏差信號而產生校正作用,但被控量對此校正作用在時段內卻毫無反映,只在後,使被控量才沿曲線E變化.比較曲線D和E,可見純滯後使超調量增大,系統的品質將變差.

容量滯後對校正作用的影響比純滯後的影響要和緩一些,因在時間內,被控量尚能感受到一些校正作用但也遲緩了校正作用,使控制不及時,控制品質下降.對較大的對象,簡單地採用增大放大係數的辦法是不行的,因在增大起始段校正作用的同時,後段的校正作用也被增大,易引起超調現象,使被控量劇烈波動.克服對控制品質影響的有效方法是引入微分作用.

綜合以上的分析結果,可總結出以下幾條原則作為操縱量選擇的依據:1.所選的操縱量必須是可控的;2.所選的操縱量應是通道放大倍數比較大者,最好大於干擾通道放大倍數;3.所選的操縱量應使干擾通道的時間常數越大越好而控制通道的時間常數應適當小些,但不宜過小,若控制通道的時間的常數不止一個,則應使它們越錯開越好;4.所選的操縱量應是通道純滯後時間越小越好;5.所選的操縱量應儘量使干擾點遠離被控量而靠近控制閥;6.在選擇操縱量時還應考慮工藝上的合理性.

教材P.55~P.56給出了對以上原則在工程上的應用實例.(四)測量﹑傳送滯後對控制品質的影響及克服辦法(補充)(1)測量滯後的影響測量滯後包括測量環節的容量滯後和信號測量過程的純滯後.1.測量環節容量滯後的影響測量環節容量滯後是由於測量元件自身具有一定的時間常數所致,一般稱之為測量滯後.測量滯後的存在容易造成一種假像.以下圖的單回路系統給以說明.系統中被控量的真實值為y,然而並不能直接知道它,所知道的只能是由測變環節提供的z,假定測變環節是一個一階慣性環節,其放大倍數為1,時間常數為則其傳遞函數為,由上圖可知,得為說明問題的本質方便起見,假設y(t)作單位階躍變化,即,代入Z(s)運算式並進行拉氏反變換得:對應的變化曲線如下兩圖所示.由圖可見,只有當時,,而在此前的任何時刻z(t)都小於1.這說明,由於測量滯後的存在,使得測變裝置的輸出信號總是小於其輸入信號即被控量的實際值.因此從測變裝置的輸出信號即測量值看,被控量沒有超出所允許的範圍被控制的很好,但這是一種假像,實際被控量的值可能早已超出了允許的範圍,測變裝置的時間常數越大,這種假像越嚴重.2.測量環節純滯後的影響

被控量信號傳遞到檢測點需花費一定的時間,因而產生了純滯後,純滯後時間等於物料或能量傳輸的距離除以傳輸的速度.

測量環節純滯後對控制品質的影響與控制通道純滯後對控制品質的影響相同.(2)信號傳送滯後的影響信號傳送滯後既有測量信號傳送滯後,也有控制信號傳送滯後.

在大型石油﹑化工企業,生產現場與控制室之間往往相隔很長的距離.現場變送器的輸出信號要通過傳輸管線送往控制室內的控制器,而控制器的輸出信號又需通過傳輸送往現場的控制閥,從而產生了信號傳送滯後對於電信號來講,傳送滯後可忽略不計,然而對氣信號其傳送滯後就不能不加以考慮,因氣動信號管線具有一定的容量,例如,對於的氣動信號管線,可按下式計算它的純滯後時間和時間常數:式中:L為氣動信號傳送管線長度,單位為m.信號傳送滯後對控制品質的影響與測量滯後影響完全相同.(3)克服測量﹑傳送滯後的辦法

1.克服測量滯後的辦法選擇惰性小的快速測量元件,以減小時間常數;選擇合適的測量點位置,以減小純滯後;使用微分單元,以克服測量環節的容量滯後.下麵對使用微分單元作一說明.假定測量變送器的傳遞函數為,微分單元的傳遞函數為,將測量變送器和微分單元串接後總傳遞函數為若通過調整,使,則,可見測量變送器的滯後影響就被完全克服了,特別當時,微分單元的輸出值就是被控量的真實值.

在控制系統的實際構成中,可將微分單元串接在測量變送器的後面,如圖1所示,圖1也可接在控制器與控制閥之間,如圖2所示.圖2對於圖1接法:對於圖2接法:可見上述兩種接法對克服干擾影響的效果是一樣的.然而,對於給定值的變化,上述兩種接法的效果就不一樣.對於圖1接法:對於圖2接法:比較上兩式可見,輸出對輸入的傳遞函數,圖2接法比圖1接法在分子中多了一個因數,即多了一個零點,它的存在對給定值變化的回應起著加強作用,能使系統較快地跟蹤輸入信號的變化,但圖2接法也有缺點,即當突然改變給定值時,將造成微分單元輸出發生過大的突變使系統的超調量增加.

微分作用是克服容量滯後的有效辦法,但使用不當反而回降低控制品質.微分作用對克服純滯後毫無效果

2.克服傳送滯後的辦法克服傳送滯後的簡單和有效的辦法是盡可能採用電信號進行傳送.當無法用電信號進行傳送時,克服傳送滯後的具體措施分述如下.1)克服測量信號傳送滯後的辦法a.當變送器為電動儀錶而控制器為氣動儀錶,應將電氣轉換器儘量安裝在儀錶屏附近,以縮短氣信號傳送管線長度;b.當變送器為氣動儀錶而控制器為電動儀錶時,應在現場安裝氣電轉換器,將氣信號轉換成電信號後再進行傳送;c.當變送器﹑控制器均為氣動儀錶時,可在信號傳送管線上安裝氣動繼動器,以提高信號傳送功率,減少滯後.2)克服控制信號傳送滯後的辦法

a.當控制器為電動儀錶時,電氣轉換器安裝在現場控制閥附近,或在控制閥上安裝電氣閥門定位器;b.當控制器為氣動儀錶時,應在氣動信號傳送管線上安裝氣動繼動器,或在控制閥上安裝氣動閥門定位器,以提高輸出功率,減少滯後.3-3執行器

執行器一般由執行機構和調節機構兩部分組成,它受控制器的命令執行控制任務,以改變操縱量的大小,是自動控制系統中一個十分重要的組成部分,執行器選擇的合適與否,將直接關係到能否很好地起到控制作用.

執行器選擇的內容,包括開閉形式的選擇,口徑大小的選擇,流量特性的選擇以及結構形式的選擇等內容.

執行器的選擇可依據以下三大原則考慮:1.由於執行器直接安裝在工作現場,使用條件一般較差,因此首先考慮使用條件及控制介質的屬性,相應選擇耐高溫﹑高壓﹑深冷,抗劇毒﹑結晶﹑滲漏﹑強腐蝕及高粘度,不易燃易爆的執行器,以保證其正常工作,提高自動控制系統的安全性和可靠性.2.適當選擇執行器的閥門口徑和流量特性,並正確安裝,以提高自動控制系統的控制品質.3.按驅動的能源,分別選擇氣動執行器,電動執行器,或液壓執行器.

教材P.56表3-2可查得三種執行器的性能特點,並可知氣動執行器的優點較為突出.目前氣動執行器在過程控制中獲得廣泛的應用.

氣動執行器又叫氣動控制閥,按其執行機構的差別可分為氣動簿膜執行機構,氣動活塞執行機構,氣動長行程執行機構和氣動滾動膜片執行機構,而氣動簿膜控制閥在工程上應用尤為廣泛,故以它為代表介紹氣動控制閥的一些基本內容.(一)氣動簿膜控制閥的工作原理

氣動簿膜控制閥的機械結構可見教材P.57圖3-17.由圖可見其由氣動簿膜執行機構和控制閥體兩部分組成.(1)氣動簿膜執行機構當其接受到由氣動控制器或由電動控制器輸出的標准直流電信號經電/氣轉換器後輸出的標準氣壓信號後,在膜片上轉換成相應的推力(也叫膜頭壓力),使推杆產生位移,帶動閥芯動作.當氣壓信號從0.02MPa變化到0.1MPa(20KPa~100KPa)時,推杆向下移動,從零走至全行程,將閥門關死,這種動作方式叫反作用,也叫氣閉閥.當氣壓信號從0.02MPa變化到0.1MPa(20KPa~100KPa)時,推杆向上移動,從零走至全行程,將閥門全開,這種動作方式叫正作用,也叫氣開閥.設信號氣壓為P,簿膜有效面積為,推杆的位移(或行程)量為,彈簧的剛度為,則根據力平衡原理有:即(2)控制閥體控制閥體是執行器的控制部分,它是由閥芯和閥座間流通面積的局部縮小而引起局部阻力可變的節流元件,對於不可壓縮流體,由流體的能量守恆原理可知,控制閥體的壓力損失為:式(2)中:為閥前後壓差;為阻尼係數,隨閥的開度而變;為流體的平均流速;是流體的體積流量;是閥的接管截面積;為流體的密度.將代入式(2)得:式(3)中叫閥的流通能力或流量係數.分析式(3)可知,當控制閥體的口徑A和閥前後壓差一定時,流量Q僅隨阻尼係數變化而變化.而控制閥體就是根據執行機構輸出的推杆位移量來改變閥門的開度,亦即改變流通阻力即阻尼係數以達到控制流體介質流量的目的.(二)控制閥的流量特性控制閥的流量特性是指控制介質流過閥門的相對流量與閥門相對開度(即推杆的相對位移量)之間的函數關係,即:式(4)中:是控制閥為某一開度及全開時的最大流量;是控制閥為某一開度及全開時推杆的位移量.從式(4)可見,改變,將導致閥芯和閥座間節流面積的變化從而實現對流量的控制.但節流面積的改變,使得控制閥前後的壓差也發生變化,進而引起流量的變化.為分析問題方便起見,先假定控制閥前後壓差恒定不變,然後擴展到真實情況.前者情況下控制閥的流量特性稱為理想流量特性,也叫閥的固有流量特性.後者叫工作流量特性或實際流量特性.(1)理想流量特性控制閥的理想流量特性取決於閥芯的曲面形狀,不同閥芯曲面形狀所對應的理想流量特性曲線見教材P.58圖3-19.1.直線流量特性:控制閥的相對流量與閥門相對開度成直線關係,即單位行程變化所引起的流量變化為常數.其數學運算式為:式(5)中,K為常數,是特性曲線的斜率.對式(5)積分:代入邊界條件:時,時,得:從而直線流量特性方程為:式(7)中,R為控制閥的可調比(或可控比),其物理含意是控制閥所能控制的流量上限和下限之比.所謂流量下限並不等於控制閥的洩漏量,一般為的2%~4%.

分析式(7)和直線2,可得如下結論:當開度變化10%時,所引起的相對流量的增量總是9.67%,但相對流量的變化量卻不同.例如,當時,由直線2可查得當變化10%,即時,其相對流量的增量為9.67%,按同樣的方法可得,當在50%和80%的基礎上增加10%後,其相對流量的增量亦為9.67%.但相對流量的變化量卻不同.當時,當時,當時,由上面計算可見,直線流量特性控制閥在小開度工作時流量相對變化量太大,控制作用太強,振盪加劇,易產生超調.在大開度工作時,流量相對變化量太小,控制作用弱,控制不及時.從控制系統角度考慮,此種閥適宜在較大開度下使用.2.對數流量特性:單位行程變化所引起的流量變化與該點的相對流量成正比,其數學運算式為:對上式積分,並由邊界條件定出常數項,則對數流量方程為:由圖3-19中曲線4可見,它的斜率即控制閥的放大係數是隨開度的增大而增大的.小開度時,流量小,流量的變化量也小,使控制作用平穩緩和.開度大時,流量大,流量的變化量也大,使控制作用靈敏有效,這一特性對控制系統十分有利.

當開度變化10%時,其流量相對變化的百分比相同,如以開度10%﹑50%﹑80%三點各增10%為例有:因此,對數流量特性又叫等百分比特性.3.快開流量特性:單位行程變化所引起的流量變化與該點的相對流量的倒數成正比,其數學運算式為:對上式積分並代入邊界條件得:由圖3-19中曲線1可見,小開度時,流量較大,隨開度增大,流量很快達到最大值,故叫快開特性.設閥座直徑為D,則它的行程一般在D/4以內,若行程再增大,閥的流通面積不再增大而失去控制作用.快開流量特性閥較適用於要求迅速開﹑閉的位式控制和程式控制系統中.4.拋物線流量特性:單位行程變化所引起的流量變化與該點的相對流量的開平方成正比,其數學運算式為:對上式積分並考慮到邊界條件得:由圖3-19中曲線1可見,其特性介於直線流量特性和對數流量特性之間.

補充:

控制閥流量特性的選擇.

控制閥流量特性的選用要根據具體對象的特性考慮但一般來說,工程上的實際對象往往具有非線性,因此其特性會隨生產負荷的變化而變化.而控制系統中控制器的參數是根據一個確定的具體對象而整定的,當被控對象的特性變化後,控制器的參數也應相應地改變,以保持所需的控制品質.一種解決辦法是採用自整定控制器,它能根據負荷的變化及時修改控制器的參數,但這種控制器結構比較複雜.另一種解決辦法就是根據負荷變化,根據對象特性影響情況選擇相應特性的控制閥來進行補償,使得廣義對象(包括控制閥﹑被控對象及測量變送器)的特性在負荷變化時保持不變,從而不必考慮在負荷變化時修改控制器的的參數.

假定單回路控制系統如下圖所示.圖中將控制閥和被控對象特性寫成靜態部分(以放大倍數表示)與動態部分(是s的函數)相乘積的形式.設控制器為純比例控制器,即,且將系統整定成4:1衰減過程,則下式應該成立:為保持在負荷變化時控制器參數維持不變,必須滿足:當閥杆運動時摩擦阻力較小,運動較為靈活(例如閥上裝有閥門定位器),可認為控制閥的動態特性部分是不變的.則可得:式(16)可作為選擇控制閥特性的依據.下麵舉例說明.下圖是一個管式換熱器出口溫度控制系統.TC蒸汽冷凝水被加熱物料的出口溫度通過改變加熱蒸汽量得以維持.而被加熱物料的流量和入口溫度是系統的干擾.為分析負荷變化對對象特性的影響情況,需列出換熱器的熱平衡方程式.其靜態平衡關係為:而它的動態熱平衡方程式為:式(17)﹑式(18)中:蒸汽冷凝熱(即汽化潛熱).:被加熱物料的熱容比.:被加熱物料密度.:換熱器中存儲的物料量在入口溫度及加熱蒸汽量不變的情況下,當生產負荷發生變化時,出口溫度將隨之發生變化.為此,在穩定狀態附近將式(18)寫成增量形式:整理後得:其中:而都是初始穩態值,式(20)即為換熱器的生產負荷至出口溫度通道的動態特性.寫成傳遞函數為:式(23)中,為對象的靜特性,為對象的動特性.由式(22),,由式(21),,由式(17)可看出,因此可得:.而對象的動特性部分,現綜合考慮負荷變化對對象靜態和動態的影響,從而可確定所應選擇的控制閥特性:即控制閥應選用線性特性才是合適的.(2)工作流量特性1.串聯管道中的流量特性當控制閥串聯安裝於工藝管道時,除控制閥外,還存在管道﹑裝置﹑設備等產生的阻力,壓力在該阻力上的損失與通過管道的流量成平方關係.如果系統兩端總壓差一定,則控制閥兩端的壓差就會隨流量的增加而減少,如下圖所示.這種壓差的變化,會引起通過控制閥的流量變化,從而使閥的理想流量特性轉變為工作流量特性.設系統的總壓差為,控制閥全開時閥前後壓差為,則被定義為壓降分配比.其物理含義是當控制閥全開時閥上壓降占系統總壓降的多少.從而不同串聯管道中理想流量特性的畸變程度可用s來描述.由教材P.61圖3-21可見,當s=1時,壓力在阻力上的損失為零,系統的總壓差全部降在控制閥上,此時即所謂理想流量特性.當s越小,分配在控制閥上的壓降也越小,特性曲線向下彎曲.s太小對控制不利,一般要求s不於0.32.並聯管道中的流量特性控制閥安裝於並聯管道時,一般都裝有手動旁路閥如下圖所示.裝上手動旁路閥的目的在於當控制系統失靈時,可用它作手動控制之用,以保證生產的連續進行.有時,由於產量提高需控制的流量增大,而原採用的控制閥口徑不夠大,不能滿足這一需要,就只能將手動旁路閥打開一點,此時管道流量將是通過控制閥的流量和通過手動旁路閥的流量之和,即:控制閥的特性也隨之變為工作流量特性.定義控制閥全開時通過的流量與總管最大流量之比為,即,不同值下的工作流量特性曲線見教材P.61圖3-23.顯然,當時,相應於手動旁路閥完全關閉,考慮到系統管路中其他阻力,此時相當於串聯管道中的工作流量特性.值的逐漸減小,導致管道系統的可控比大大降低,洩漏量增大,使控制閥在動作過程中流量變化很小,幾乎不起控制作用,因此,一般要求值不低於0.8控制閥流量特性選擇的一般原則為:首先根據對象特性選擇控制閥的工作流量特性,使廣義對象具有線性特性,即廣義對象的總放大係數為常數,然後依據現場配置的管道情況,從確定的工作流量特性出發,推斷出理想流量特性.(三)控制閥的口徑選擇

控制閥口徑大小直接決定控制介質流過它的能力.從控制角度看,控制閥口徑選得過大,超過了正常控制所需的介質流量,控制閥將經常處於小開度下工作,閥的特想將會發生畸變,閥性能就較差.反之,如控制閥口徑選得過小,在正常情況下都在大開度下工作,閥的特性也不好此外,控制閥口徑選得過小也不適應生產發展的需要,一旦需要設備增加負荷時,控制閥原有口徑太小就不夠用,因此,控制閥口徑的選擇應留有一定的餘量.

控制閥口徑的大小,通過計算控制閥流通能力的大小來決定,流通能力要根據控制閥所在管線的最大流量及控制閥兩端的壓降近行計算,而整個計算及校核過程教材上有所介紹,較為複雜.在此不作要求.

串級控制系統4-1概述

一﹑串級控制系統的組成煉油廠常用的設備中有一種叫管式加熱爐,工藝要求被加熱原料在爐的出口溫度保持恒定.單回路控制系控制閥出口溫度燃料油原料油設定值測量值變送器控制量但此方案的實際控制效果並不理想,統的方案如下圖.原因是,影響燃料油流量除閥門開度外,油壓也對流量產生影響,而此影響使被控量即出口溫度發生變化後,控制器才改變閥的開度,使流量產生相應的變化以克服油壓變化這一干擾因素.但由於燃料油要經過管道傳輸﹑燃燒傳熱等一系列環節,總滯後較大,導致控制作用不及時,尤其當燃料油壓力變化較大且頻繁時,將使系統偏差增大控制品質顯著降到低.

既然燃料油壓力變化是主要干擾,且其對出口溫度影響滯後較大,則是否能通過控制燃料油流量來間接達到控控制閥出口溫度燃料油原料油設定值測量值變送器控制量制出口溫度的目的?給出下圖控制方案.此方案的優點在於能及時有效地克服燃料油壓力的干擾,使流量的波動對出口溫度的影響降到最低程度.此方案的缺點是出口溫度不是被控量,燃料油流量是間接被控量,這就要求燃料油流量對出口溫度有足夠的靈敏度且兩者間有一一對應的關係.但影響出口溫度的還有燃料油的熱值﹑爐膛的壓力(影響燃燒所需的空氣含氧量)﹑原料油入口溫度及入口流量等諸多因素,且當上述因素引起出口溫度變化時,由於出口溫度未回饋到系統的輸入端,故此方案無法克服上述因素的干擾將溫度調節到理想狀態.

上面兩種方案各有優缺點,下圖是把兩種方案結合起來的一種控制方案.控制閥出口溫度燃料油原料油控制量流量測量值流量變送器溫度設定值溫度測量值溫度變送器在此方案中,用溫度控制器的輸出作為流量控制器的設定值由流量控制器的輸出去調節燃料油的流量.從結構上看,其特點是兩個控制器串接使用故此方案可叫加熱爐出口溫度與燃料油流量的串級控制系統.由結構示意圖可畫出其方框圖.為便於對串級控制系統的控制閥出口溫度燃料油原料油溫度測量值溫度變送器溫度設定值流量測量值流量變送器控制量溫度對象流量對象控制閥流量控制器溫度控制器流量檢測變送器溫度檢測變送器工作原理進行定性分析,先給出串級控制系統的一些常用名詞術語.主變數:起主導作用,關係到產品產量﹑品質和操作安全的被控量如爐出口溫度主變送器:檢測和變送主變數的變送器.副變數:為穩定主變數或因某種需要而引入的輔助變數如燃料油流量副變送器:檢測和變送副變數的變送器.主控制器:按主變數的測量值與設定值的偏差進行工作的控制器,如溫度控制器.副控制器:按副變數的測量值與主控制器的輸出值即副控制器的設定值之間的偏差進行工作的控制器,如流量控制器.主對象:主變數所處的那部分工藝設備,其輸入信號為副變數,輸出信號為主變數,如溫度對象.副對象:副變數所處的那部分工藝設備,其輸入信號為操縱量,輸出信號為副變數,如流量對象.主回路:在串級控制系統方框圖中,處於外環(也叫主環)的整個閉合回路.副回路:串級控制系統方框圖中的內環(也叫副環),有時也稱隨動回路.一次干擾:作用在主對象上的干擾,如二次干擾:作用在副對象上的干擾,如應用上述名稱和術語,可得一般串級控制系統的如下方框圖主對象副對象控制閥副控制器主控制器副變送器主變送器副回路主回路

二﹑串級控制系統的工作過程以管式加熱爐出口溫度與燃料油流量串級控制系統為例,定性分析此類系統克服干擾的過程.首先應按工藝機理和保證生產的安全性確定系統中各固有對象和裝置的正反作用,然後選擇主﹑副控制器的正反作用,使主﹑副回路均為負回饋.由於燃料油,溫度對象為正作用;溫度對象流量對象控制閥流量控制器溫度控制器流量檢測變送器溫度檢測變送器“+”閥門開度增大,導致流經閥門的燃料油流,流量對象為正作用;“+”考慮到一旦發生故障,不致使加熱爐燒壞,控制閥採用氣開式,則控制閥為正作用;“+”流量和溫度檢測變送器均為正作用;“+”“+”

先選擇副回路中流量控制器正反作用,根據控制器正反作用選擇規則,流量控制器選擇反作用,“-”則.由於副回路為負回饋,所以副回路為正作用;最後可選溫度控制器為反作用.“-”下麵分析串級控制系統的工作過程.第一種情況:假設僅有作用於流量對象的二次干擾溫度對象流量對象控制閥流量控制器溫度控制器流量檢測變送器溫度檢測變送器“+”“+”“+”“+”“+”“-”“-”由於的變化需經一段時間才會引起的變化,故認為暫時不變,則也暫時不變,因是給定值,所以也不變,從而有:閥門開度,可見一有二次干擾,副回路即對副變量進行調節,使其回到受干擾前的數值上.但初始時的上升經一段時間後仍會引起的上升,則有:第二種情況:假設僅有作用於溫度對象的一次干擾溫度對象流量對象控制閥流量控制器溫度控制器流量檢測變送器溫度檢測變送器“+”“+”“+”“+”“+”“-”“-”與第一種情況分析過程類似有:第三種情況:假設同時作用,又非兩種情形,第一種情形使同向變化,則有:第二種情形使反向變化,則有:溫度對象流量對象控制閥流量控制器溫度控制器流量檢測變送器溫度檢測變送器“+”“+”“+”“+”“+”“-”“-”使變化很小,假定稍有上升,則稍有上升,致使稍有下降,由於所以變化不大,使稍作調整即可讓上升的回復到受干擾前的數值上.可見,在這種情形下,串級控制系統本身主﹑副變數的反向變化即具有互補作用.

通過以上分析結果可認為,副控制器具有粗調作用,主控制器有細調作用,兩者相互配合,其控制品質必高於單回路控制系統.4-2串級控制系統的特點

本節將對串級控制系統的若干特點從理論上進行分析,以加深對此類系統的理解和認識.

一﹑時間常數將下麵串級控制系統的通用方框圖主對象副對象控制閥副控制器主控制器副變送器主變送器副回路主回路中各方框分別用其相應的傳遞函數替代,可得下圖:將上圖中副回路輸入信號與回饋信號比較點由副控制器前後移至副對象之前,得如下方框圖.設上圖中:把上圖再簡化成下圖.圖中等效副對象上式中:因在任何條件下必有,因此,這說明,在串級控制系統中,以一個時間常數和放大倍數都縮小了倍的等效副對象,代替了原副對象,且副控器放大倍數越大等效副對象的時間常數和放大倍數縮小得越顯著.

等效副對象時間常數的縮小,意味著控制通道的縮短對象的容量滯後減小,相當於在系統中增加了一個起超前作用的微分環節,會使系統的反應速度加快,控制更為及時,符合副回路為隨動系統的要求,控制品質得以提高.

一般來講,副對象的時間常數比主對象的時間常數小而比測量環節及控制閥的時間常數要大,第二章曾有過結論,即減小中間大小的時間常數,可提高系統的可控性,也利於提高控制品質.

等效副對象放大倍數的縮小,可使主控器的放大系數整定的比單回路系統中的控制器的放大係數更大些,利於提高系統的抗干擾能力.

二﹑工作頻率由於等效副對象時間常數縮小,系統的工作頻率得以提高.系統的工作頻率可從系統的特徵方程求得.由下圖可得系統的特徵方程為:令代入上式並化簡後得:將上式與典型二階系統特徵方程相比較可得:式中是二階系統的無阻尼自然振盪角頻率,而有阻尼振盪角頻率即為工作頻率.從而得串級控制系統的工作頻率為說明問題,將串級控制系統的工作頻率與下圖所示的單回路控制系統的工作頻率進行比較.設圖中其他環節傳遞函數與前給出的串級控制系統的相應環節傳遞函數相同,則單回路控制系統的特徵方程為:將各環節傳遞函數代入上式得:同理可得:單回路控制系統的工作頻率當串級控制系統與單回路控制系統整定成具有相同的遞減比,即,於是可