第七章 控制示例

第七章控制示例第七章内容

7.1电机控制7.2转炉炼铜供氧量的控制7.3具有大滞后对象的控制7.4钢坯加热炉的控制22024/6/117.1电机控制1)单闭环电机控制原理图图7-1单闭环电机控制原理图32024/6/117.1电机控制2)单闭环电机控制结构图图7-2单闭环电机控制结构图42024/6/117.1电机控制3)单闭环控制系统存在的问题采用转速负反馈和PID调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。52024/6/11b)理想的快速起动过程IdLntIdOIdma)带电流截止负反馈的单闭环调速系统图7-3直流调速系统起动过程的电流和转速波形4)问题分析IdLntIdOIdmIdcr7.1电机控制62024/6/11带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程如图所示，起动电流达到最大值Idm

后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。IdLntIdOIdmIdcr图7-3a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统7.1电机控制72024/6/11理想起动过程波形如图，这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。IdLntIdOIdm图7-3b)理想的快速起动过程7.1电机控制82024/6/115）问题解决思路：

为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。

按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。

我们希望能实现控制：起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈；稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。

怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？7.1电机控制92024/6/11

6）转速、电流双闭环直流调速系统的组成

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置转速和电流串级调节系统。7.1电机控制102024/6/11

图8-5中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。7.1电机控制112024/6/11

6）采用串级控制抑制内回路扰动主调节器副调节器主回路内回路7.1电机控制图7-6双闭环控制系统结构图122024/6/117.1电机控制内回路传函：主回路传函：控制的目的是通过主、副调节器的选择使得：132024/6/117.1电机控制假设：则：只要充分大则有好的抑制效果，一般副回路的系统阶数低，通常可以取的较大，故有：甚至142024/6/117.2转炉炼铜富氧吹炼的自动控制2024/6/11151）工艺情况简介

富氧空气氧浓度控制十分关键，氧浓度过低达不到预期的目的，氧浓度过大，造成单位时间内转炉反应热提高过快，影响炉衬寿命；同时氧气浓度过高，容易造成炉内铜过吹，泡沫渣形成过多容易冒炉，严重时会发生危险；另外如果管道积存氧气浓度过高，开炉时若碰到火花容易发生爆炸。因此，转炉加氧控制中，通过风、氧流量配比调节以控制氧浓度、风氧阀门联锁控制及氧气阀站控制等十分关键。7.2转炉炼铜富氧吹炼的自动控制1）工艺情况简介

富氧空气氧浓度控制十分关键，氧浓度过低达不到预期的目的，氧浓度过大，造成单位时间内转炉反应热提高过快，影响炉衬寿命；同时氧气浓度过高，容易造成炉内铜过吹，泡沫渣形成过多容易冒炉，严重时会发生危险；另外如果管道积存氧气浓度过高，开炉时若碰到火花容易发生爆炸。因此，转炉加氧控制中，通过风、氧流量配比调节以控制氧浓度、风氧阀门联锁控制及氧气阀站控制等十分关键。162024/6/117.2转炉炼铜富氧吹炼的自动控制2024/6/1117

从图8-7可看出，在供风、供氧管道上分别装有流量计(FE4407、FE1113)及气动调节阀(FV4407、FV1113)，流量检测信号均送入控制系统，气动调节阀控制信号均由控制系统给出。图7-7风、氧流量调节原理图7.2转炉炼铜富氧吹炼的自动控制式中，——需要的富氧空气流量；

——需要的富氧浓度；——当地空气中含氧浓度；

——纯氧浓度；——纯氧流量；

——供风流量。

工艺要求转炉吹炼所需富氧空气中氧浓度一般为24%，可以通过供风、供氧流量配比调节达到，因转炉加氧是在正常吹炼过程中所需的风量达到一定值后才加入氧气，因此控制系统经以下比值关系运算式计算后确定氧气流量：182024/6/117.2转炉炼铜富氧吹炼的自动控制

在转炉正常吹炼中，所需的供风量若为35000m3/h，富氧空气中氧浓度要求为24%，氧气站所供的纯氧浓度为99.7%，当地空气中含氧浓度为20.6%，通过上式可计算得出所需的纯氧流量及富氧空气量：192024/6/11207.2转炉炼铜富氧吹炼的自动控制

这样通过确定设定供风流量即可按比例调节供氧流量，比例调节系统原理图如图8-8所示。2024/6/11纯氧气流量空气流量2024/6/11217.2转炉炼铜富氧吹炼的自动控制

从图8-8可看出，在这个比值调节系统中，是由一个定值调节的主动量(供风量)和一个由主动量通过比值器给定的属于从动调节的从动量(供氧量)所组成的调节系统。供风量通过主回路控制器的调节作用保持在希望值上，通过比值器作为供氧副回路控制器的设定值，经供氧调节回路的作用，始终保持住了供风与供氧的比值调节关系。222024/6/11

1)引子在现代工业生产过程中，有不少的过程特性具有较大的纯滞后时间，其特点是当控制作用产生后，在滞后时间范围内，被控参数完全没有响应。（1）带传输过程：图7-9带运输机7.3大滞后对象2024/6/1123（2）连续轧钢过程：对于大滞后过程的控制若采用串级控制和前馈控制等方案是不合适的。必须采用特殊的控制（补偿）方法。图7-10连续轧钢过程7.3大滞后对象2024/6/11242）改良PID控制方案：图7-11微分先行控制方案7.3大滞后对象(1)微分先行控制方案2024/6/1125(2)中间微分反馈控制方案图7-12中间微分反馈控制方案7.3大滞后对象2024/6/1126（3）常规控制方案比较图7-13PID、微分先行、中间微分反馈控制方案对定值扰动的响应特性7.3大滞后对象2024/6/11273)大滞后过程的预估补偿控制：图7-14Smith预估补偿环节图7-15等效图7.3大滞后对象2024/6/11281）工艺及控制方案简介炼钢厂轧钢车间在对工件轧制之前，先要将工件加热到一定的温度。右图表示其中一个加热工段的温度控制系统。系统中采用六台设有断偶报警装置的温度变送器TTi

,三台高值选择器HS，一台加法器∑，一台PID调机器和一台电/气转换器I/P。图7-16轧钢车间加热炉多点平均温度反馈控制系统7.4加热炉温度预估补偿控制2024/6/1129采用高值选择器的目的是提高控制系统之间的工作可靠性，当每对热电偶中有一个断偶时，系统仍能正常运行。加法器实现三个信号的平均，即在加法器的三个输入通道均设置分流系数α=1/3。从而得到：7.4加热炉温度预估补偿控制1）工艺及控制方案简介7.4加热炉温度预估补偿控制通过试验测得加热炉的数学模型：温度传感器与变送器的数学模型为：加热炉是一个大滞后和大惯性的对象。2）加热炉模型分析与建立302024/6/112024/6/1131广义被控对象的数学模型：由于10s+1≈，故上式可演化为：7.4加热炉温度预估补偿控制2）加热炉模型分析与