第二复杂控制系统

第二章复杂控制系统Chapter2ComplexControlSystem常用复杂控制系统在简单反馈控制回路中增加了计算环节、控制环节或其他环节的控制系统称复杂控制系统。从输入输出关系上看，其整体上仍然是单一的。本章主要内容串级控制系统均匀控制系统比值控制系统前馈控制系统分程控制系统选择性控制系统非线性控制本章重点串级控制系统均匀控制系统比值控制系统前馈控制系统分程控制系统2.1串级控制系统cascadecontrolsystem一.问题提出以精馏过程提馏段温度控制为例。控制要求：提馏段温度恒定。主要影响因素：①进料流量波动；②蒸汽压力波动；调节动作：①进料流量波动，此系统自动调节，克服干扰，但是前题是蒸汽压力稳定，也可以加一个进料流量控制系统。②蒸汽压力波动，它正好是控制回路的MV，先影响温度，再做调节动作。SV蒸汽TTTC采出进料例2硝酸生产过程—氨生成一氧化氮控制方案1、氨气流量定值控制：控制方案保持氨气体流量为定值，由于炉温是开环、因此炉温不能保持恒定2、炉温定值控制：该方案选氧化炉温度为被控变量，选择氨气流量作为操纵变量。由于被控过程的滞后时间长，时间常数大，控制品质不好。3、选炉温为主控变量，氨气流量为副控变量，氨气流量为操纵变量组成串级控制。FTTT例2硝酸生产过程—氨全成一氧化氮流量对象TT调节阀FT温度对象FCTC随动定值定值定性分析定性分析：当扰动进入后，首先，副被控变量检测扰动的影响，并通过副回路的定值作用进行控制，及时调整操纵变量，使副被控变量回复到副设定值，从而使扰动对主被控变量的影响减小。即副环回路对扰动进行粗调，主环回路对扰动进行细调。因些串级能迅速克服进入副回路扰动的影响。主回路对应传递函数定量分析串级时副环回路扰动的传递函数单回路副环扰动的传递函数单回路副环的传递函数串级时副环回路的传递函数扰动余差例1串级控制系统分析三种串级和一种单回路控制方案：原料FCTC燃料油a)方案一原料TC燃料油a)方案四a)方案三原料TCTC燃料油原料PCTC燃料油a)方案二方案一是以出口温度为主控变量、燃料流量为副控变量的串级控制系统。该控制系统的副回路由燃料油量控制回路组成。抗干扰能力强。但该控制方案因燃料黏度较大，导压管容易堵而不常被采用。方案二是以出口温度为主控变量、燃料压力为副控变量的串级控制系统。该控制系统的副回路由燃料油压力控制回路组成。因阀后压力与燃料油流量之间对应关系，因此，用阀后压力作为燃料油流量的间接变量，组成串级控制系统。同样该控制方案因燃料黏度较大，导压管容易堵而不常被采用。方案三是以出口温度为主控变量、炉膛温度为副控变量的串级控制系统。该控制系统的副回路由炉膛温度控制回路组成。用于克服燃料油热值或成分的变化造成的影响，这是上面两个方面所不及的。但炉膛温度检测点的位置重要，要能及时反映炉膛温度变化。方案四是以出口温度为主控变量的单回路控制方案。四串级控制系统的特点思想：主回路：定值控制系统，细调。副回路：随动控制系统，粗调。特点：⑴改善了系统的动态特性，提高了系统的工作频率；⑵对副回路干扰有很强的克服能力；⑶提高对主回路干扰的克服能力;⑷对副回路参数变化的自适应能力。⒈改善了系统的动态特性减少了副过程的时间常数，改善了系统的动态特性。系统的闭环特征方程为串级控制系统即提高了系统的工作频率。2、增强了对副回路扰动的克服能力系统总的传递函数扰动F2作用下的传递函数单回路系统所以串级控制系统对进入副回路的干扰有较强的克服能力。思路：抗干扰能力定义；比较各种情况下的抗干扰能力⒊对主回路干扰有较强的克服能力对单回路系统时做比较⒋对副回路参数变化有自适应能力当时，对主回路的干扰有较强的克服能力因此对副回路参数变化有自适应能力。串级与单回路的比较⑴改善了系统的动态特性，提高了系统的工作频率；⑵对副回路干扰有很强的克服能力；⑶提高对主回路干扰的克服能力;⑷对副回路参数变化的自适应能力。二串级控制系统的实施1.用仪表构成串级控制系统回路状态：⑴普通的串级控制系统外给定测量输出电源流量对象TT调节阀FT温度对象FCTC调节器手动内给定外给定⑵带主控单回路－串级切换的控制系统流量对象TT调节阀FT温度对象FCTC调节器手动内给定外给定2.串级控制系统的实施设计准则：应使主要扰动进入副环，且使尽量多的扰动进入副环；应合理选择副控对象和检测变送环节的特性，使副环可近似为1：1的比例环节；根据副环频率特性，当副控制器参数整定不合适或副对象时间常数与主对象时间常数不匹配时，容易出现共振现象。设计串级控制系统时应合理选择副对象，调整主副被控对象时间常数，控制参数速写要合适，防止发生共振。2.串级控制系统的实施主、副控制变量的选择根据工艺过程的控制要求选择主被控制变量，主被控变量应反映工艺指标。副被控变量应包含主要扰动，并应包含尽量多的扰动。主副回路的时间常数和时滞应错开，即工作频率错开，以防止共振现象的发生。主被控制对象的时间常数与副被控制对象的时间常数之比应该在3：1以上，防止副环工作频率进入谐振频率。主副被控变量之间应该是一一对应关系。主被控制变量的选择应使主被控对象有较大的增益和灵敏度。综合考虑经济性和工艺的合理性。串级控制系统的实施主、副控制器控制规律的选择主控制器：定值控制系统，为了消除余差，通常选择PI，慢对象，可加入微分，亦采用PID控制规律。副控制器一般选择P或PI，要求有大比例度要求,无消除余差的要求，可不采用I控制器。有流量的副控制器可加积分减弱控制作用。温度副控制器，由于回路容量大，可加微分，。例子：例题2-4：串级控制系统的余差假设主、副广义对象均为一阶惯性环节，分析当主副控制器采用不同的控制规律时，串级控制系统的余差。设扰动F2为阶跃信号当主、副控制器中有一个具有积分作用时，串级控制系统的余差均为0，2、扰动进入主环，同样设扰动为阶跃信号当主副控制器都为P控制规律时，串级控制系统的余差为主控制器要采用PI控制规律，才能保证系统无余差分析，只有当主控制器为PI、副控制器为P，或PI时，串级控制系统才没有余差。2.串级控制系统的实施主、副控制器正、反作用的选择①先确定副控制器的正、反作用（正作用Kc为负，反作用Kc为正）。②将副回路等效为一环节，判断主控制器的正、反作用。具体步骤同单回路反馈控制系统。一般采用回路增益法。操作步骤：从安全角度选择阀的气开或气关型（气开型KV为正，气关型KV为负）。根据工艺条件确定副被控对象的特性（操纵变量增加时，若副被控变量增加，则KP2为正，操纵变量增加时，若副被控变量减小则KP2为负）。根据副控制回路为负反馈的准则，确定副控制器的正反作用，正作用KC2为负，反作用KC2为正。操作步骤：根据工艺条件确定主被控对象的特性（副被控变量增加时，主被控变量增加，则KP1为正，副被控变量增加时，主被控变量减小则KP1为负）。根据主控制回路为负反馈的准则，确定主控制器的正反作用，正作用KC1为负，反作用KC1为正。例确定图示系统主、副控制器正、反作用。先判断副控制器。燃料调节阀取气开阀，KV为正；燃料增加，炉膛温度升高，KO2为正；Km2为正，所以KC2为正，即副调节器取反作用。再判断主控制器。副回路等效增益为K’O2。所以K’O2为正；炉膛温度升高，物料出口温度升高，KO1为正；Km1为正所以KC1应为正，即主调节器取反作用。验证：燃料冷物料T2TT2CT1TT1C炉膛T1T调节阀T2T物料T2CT1C炉膛T1T调节阀T2T物料T2CT1C炉膛T1T调节阀T2T物料T2CT1CKC2Km2KO2KVKC1KO1Km1手动内给定外给定手动3.串级控制系统回路状态的无扰动切换⑴副回路M→A切换前：副回路手动时，应置内给定，主回路手动。SV2=PV2，MV0=手动输出。MV=f(e)+MV0切换后：MV0=手动输出实现无扰动。⑵副回路内给定→外给定切换前：主回路手动。MV1=SV2切换后，实现无扰动。⑶主回路手动→自动同单回路⑶串级控制→主控单回路控制切换前：MV1=MV2切换后，实现无扰动。切换原则当主控制器在主控制方式时控制器正反作用是否要更换，应根据负反馈原则。当副控制器是反作用控制器时，主控制器从串级方式切换到主控方式时，不需要更换控制器的作用方式，例如原来是正作用的主控制器，切换完以后仍为正作用。而当副控制器为正作用时，由于KC2<0表明控制阀和副对象的乘积也为负，即KVKP2KM2<0，因此，切换后为保证主控制系统为负反馈，即满足KC1KVKP2KP1KM1>0，应更换作用方式。三串级控制系统的投运和整定1.串级控制系统的投运⑴主、副回路手动。⑵副回路手动控制稳定后投自动，观察。⑶副回路自动控制稳定后,主回路投自动,观察。⑷主、副回路控制器参数整定。2.串级控制系统的工程整定方法⑴两步法①整定副回