复杂控制系统.ppt

1、第八章复杂控制系统、串级控制系统、均匀控制系统、比例控制系统、分数控制系统、前馈控制系统、多脉冲控制系统、第一节串级控制系统、单回路控制的局限性、目标：控制塔底温度稳定性方案1优点：所有对温度的干扰都总结在控制回路中。缺点：当蒸汽压力波动较大时，由于温度对象严重滞后，控制质量不理想。方案二的优点：能及时克服蒸汽压力干扰对温度的影响；它不能克服其它因素如进料流量和材料温度对温度的影响。当塔底温度恒定时，希望蒸汽流量能保持设定值，当塔底温度在外界干扰作用下偏离设定值时，要求蒸汽流量能相应改变，以保持塔底温度在设定值。常用名词：主变量、辅助变量、主要对象、主控制器、辅助控制器、主电路和辅助电路、串级

2、控制系统框图、串级控制系统的工作过程。在串级控制系统中，由于引入了封闭的辅助电路，不仅可以快速克服作用在辅助电路上的干扰，而且可以快速克服作用在主要对象上的干扰。辅助电路具有先调整、粗调整、快调整的特点；主电路具有后调整、微调和慢调整的特点，可以完全克服二次电路没有完全克服的干扰影响。因此，在串级控制系统中，由于主回路和辅助回路相互配合、相互补充，控制功能得到充分发挥，控制质量大大提高。由于二次回路控制通道短，时间常数小，干扰作用于二次对象，因此当干扰进入二次回路时，可以比单回路控制系统提前获得控制效果，有效克服蒸汽压力变化对塔底温度的影响。由于次级回路的存在，次级变量的值可以及时改变，以达到

3、稳定主变量的目的。串级控制系统的特点和应用范围，(1)从系统结构来看，串级控制系统有两个闭环，主回路和辅助回路；有两个控制器：主控制器和辅助控制器。有两个测量变送器分别测量主变量和辅助变量。在串级控制系统中，主回路是定值控制系统，而次回路是随动控制系统。(2)在串级控制系统中，有两个主变量和两个辅助变量。主要变量是反映产品质量或生产过程运行的主要过程变量。控制的目的是使这个变量等于过程中指定的给定值。(3)从系统特性来看，串级控制系统改善了对象的特性，加速了控制过程，具有超前控制的功能，从而有效克服了滞后，提高了控制质量。适用范围：当对象的滞后和时间常数大，干扰强且频繁，负载变化大时，简单的控

4、制系统不能满足控制质量的要求，可以采用串级控制系统。串级控制系统主回路、辅助回路和主变量的选择原则与单回路控制中被控变量的选择原则相同，可以直接或间接表征生产过程质量的参数可以作为控制系统的被控变量。辅助变量的选择辅助变量的变化应该对主变量的变化有很大的影响。辅助回路应包围生产过程中的主要干扰，并尽可能使辅助回路包围更多的次要干扰。辅助变量的选择应考虑主对象和辅助对象之间时间常数的匹配，以防止“共振”。当控制质量受到对象的大纯滞后的影响时，应选择次循环以包含尽可能少的纯滞后或不包含纯滞后。串级控制系统的目的是稳定辅助变量的给定值随着主控制器的输出而变化。因此，在控制过程中，对辅助变量的要求一般

5、不严格，允许波动。因此，辅助控制器一般采用比例控制律。主控制器和辅助控制器的正、负作用的选择与简单控制系统中控制器的选择相同。首先判断辅助对象的正负动作，然后根据过程安全的要求选择执行机构的正负动作，根据使辅助控制回路成为负反馈系统的原理确定辅助回路控制器的正负动作。选择确定主回路控制器正负效应的原则：当主、辅变量增加(或减少)时，如果过程分析表明为了减少(或增加)主、辅变量，要求控制阀的动作方向一致，主控制器应选择“反向”效应，否则应选择“正向”效应。主辅控制器参数的工程设置，分两步设置：先设置辅控制器，再设置主控制器；(1)在稳定工况条件下，将主控制器的比例带固定在100%的标度上，然后逐

6、渐减小辅助控制器的比例带，从而得到满足一定衰减比(如4: 1)的过渡过程中辅助控制器的比例带2S和工作周期(2)在辅助控制器的比例带等于2S的条件下， 逐渐减小主控制器的比例带，直到获得相同衰减率下的过渡过程，并记录此时主控制器的比例带1S。 和操作周期 1s。(3)根据上面得到的1S、 1s、2S和 2s，按照表7-2(或表7-3)中规定的关系计算主控制器和辅助控制器的比例带、积分时间和微分时间。(4)按照“先辅助后掌握”和“先比例积分后微分”的设置方法，将计算出的控制器参数添加到控制器中。(5)观察控制过程并进行适当调整，直到获得令人满意的过渡过程。一步整定法：根据经验，辅助控制器应设置一

7、次，然后根据一般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器的参数。采用一步整定法选择子控制器参数的范围，一步整定法的整定步骤如下。(1)在系统正常生产和纯比例运行的条件下，根据上表所列数据，将辅助控制器的比例带调整到某个合适的值。(2)在简单控制系统中使用任何参数整定方法来整定主控制器的参数。(3)如果出现“共振”现象，主控制器的参数设定值可以增加或减少，一般可以消除。在第二部分，其他复杂的控制系统，均匀控制的问题，和连续蒸馏的多塔分离过程，塔底部的液位是一个重要的过程参数，必须保持在一定的范围内，所以它配备了液位控制系统；对于塔b，从其自身平稳运行的要求出发，希望进料速度稳定，因此设置了流量控

8、制系统；这样一来，A塔和B塔之间就存在着供需矛盾.为了解决这一过程前后的供需矛盾，希望设计一个控制系统，使液位和流量同时稳定；同时“统一”地改变。1.统一控制系统；1.代表前后供需矛盾的两个变量在控制过程中应缓慢变化。2.前后相互关联和矛盾的两个变量应该保持在允许的范围内波动。1-液位变化曲线，2-流量变化曲线，均匀控制的要求不同于传统的定值控制系统，但被控变量(CV)和被控变量(MV)要求稳定；为了解决这一矛盾均匀控制的特点，单回路均匀控制系统，串级均匀控制系统，两种常见的均匀控制方案，通过设置控制器参数，而不是改变控制系统的结构，来实现两个变量之间的相互协调。参数调整的目的不是使变量尽快返

9、回给定值，而是要求变量在允许的范围内缓慢变化。通常，控制器的参数是纯比例的，并且控制器的比例带非常大，因此输出变化缓慢。只有当要求较高时，为了防止偏差超过允许范围，才引入适当的积分函数。二是配比控制系统，提出了问题，配比控制的目的是实现多种物料按一定比例混合，使生产能够安全、正常地进行。具有两个或多个符合一定比例关系的参数的控制系统称为比例控制系统。通常流量比控制。在需要保持比例关系的两种材料中，一种必须处于主导地位并成为主要材料，即Q1所表述的活性量和主流量；另一种材料是根据主料按比例分配的，在控制过程中随着主料的变化而变化，故称之为从料、从动量和辅助流，由Q2表示；二次流Q2和一次流Q1之

10、间的比率关系是Q2=kq1，其中k是二次流与一次流的比率系数。比率控制方案1:开环比率控制系统，主、辅流量均为开环；由于系统是开环的，该方案无法克服对二次流Q2的干扰，仅适用于二次流相对稳定、比值要求不高的场合。比例控制方案2:单闭环比例控制系统，辅流量闭环控制主流量开环控制适用于主物料在技术上不允许控制的情况，比例控制方案3:双闭环比例控制系统，主、辅流量均为闭环；该系统不仅实现了精确的流量比控制，而且保证了两种物料的总量基本不变。主要适用于主流扰动频繁、过程中负荷不允许大幅波动或过程中需要频繁升降的情况。比率控制方案4:可变比率控制系统，要求主流量和辅助流量的比率可以根据第三个变量的需要进

11、行调整；问题是：Q2环路是非线性的，当Q1流减少时，环路增益增加，这可能使系统不稳定并导致“被零除”操作。第三，分程控制系统，其中一个控制器的输出可以同时控制两个甚至更多的控制阀；分流控制系统中的控制器根据不同的输出信号间隔控制不同的阀门；分段通常通过附在控制阀上的阀门定位器来实现。什么是分程控制及其类型，分程控制应用1:提高控制阀的可调比，即r=qmax/qmin。由于直径固定，使用相同的控制阀，可以控制的最大流量和最小流量不能相差太大，不能满足生产中大规模流量变化的要求。在这种情况下，可以采用并联两个控制阀的分程控制方案。分程控制应用2:用于控制两种不同的介质。对于间歇式化学反应器，有必要

12、同时考虑反应前的加热和过程中的除热。因此，可以采用分程控制系统。在该系统中，两个控制阀A和B分别用于控制冷水和蒸汽这两种不同的介质，以满足过程中冷却和加热的不同需要。工作原理：反应前3354的温度测量值小于给定值，控制器反应开始放热。控制器的输出逐渐减小，打开阀门A，关闭阀门B，并引入冷水来冷却反应物，以保持反应温度不变。分离控制的应用3:作为安全生产的保护措施，化工厂的储油罐需要用氮气密封当存储压力上升时，测量值将大于给定值，压力控制器的输出将下降。当测量值小于给定值时，控制器的输出将增加，阀门A将打开，阀门B将关闭，氮气将被补充和加压。A阀关闭，B阀打开，上位机反应，在应用分程控制系统时应

13、注意的几个问题。(1)应正确选择控制阀的流量特性。由于控制阀的放大系数可能在两个阀的分界点处突然变化，所以在特性曲线上的斜率突然变化的断点处显示出来，这在大、小控制阀并联时尤为重要。如果两个控制阀都是线性的，情况会更严重。如果使用对数特性控制阀，并且分流信号短时间重叠，情况将得到改善。(2)当大、小阀门并联时，大阀门的泄漏不可忽视，否则无法充分发挥扩大调节范围的作用。当大阀门的泄漏量较大时，系统的最小流量不再是小阀门的最小流量。(3)分离控制系统本质上是一个简单的控制系统，因此控制器的选择和参数设置可以参照简单的控制系统来处理。然而，在运行中，如果两个控制通道的特性不同，也就是说，广义对象特性

14、是两个，并且控制器参数不能同时满足两个不同对象特性的要求。在这种情况下，我们必须注意正常条件下受控对象的特性，并在正常条件下设置控制器的参数。其他阀门的操作要求可以在工艺允许的范围内。4.前馈控制系统、反馈控制方案、前馈控制方案、反馈和前馈、D1u和y是受控对象的操纵变量和受控变量。前馈思想：在扰动没有影响输出之前，直接改变操作变量，使输出不受或少受外部扰动的影响。前馈思想、总补偿原理、控制目标：d (t)、u (t)和y (t)分别代表过程介质流量(外部扰动)、蒸汽流量(受控变量)和过程介质出口温度(受控变量)；GFF是前馈控制器的动态特性；GYD(s)和GYC(s)分别是干扰信道和控制信道

15、的动态特性。前馈控制比反馈控制更及时，并且不受系统滞后的限制。前馈控制属于开环控制。前馈控制律与对象特性密切相关。前馈控制只能克服一种干扰。前馈控制形式1:静态前馈控制系统。根据热平衡原理，近似的平衡关系是蒸汽冷凝释放的热量等于进料流体获得的热量。其中蒸汽冷凝热；加热材料的比热容；进料流量；蒸汽流量。在进料流量Q1改变后，为了保持出口温度T2不变，蒸汽量应增加到：前馈控制形式2:动态前馈控制系统，在静态前馈控制的基础上，增加延时环节或差动环节，实现对干扰的近似补偿。与干扰信道相比，控制信道反应迅速以增强其延迟功能，反应缓慢以增强其差分功能。根据两个通道的特点，可以适当调整的值，使两个通道可以实

16、现动态补偿，消除动态偏差。前馈控制形式：前馈-反馈控制系统，用“前馈”克服主要干扰，然后用“反馈”克服其他干扰。在前馈控制的应用中，干扰幅度大且频繁，对被控变量有严重影响，仅反馈控制不能满足要求。主要的干扰是可测量的和不可控制的变量。可测是指干扰量可以通过检测和传输装置在线转换成标准电信号。不可控意味着这些干扰是困难的5.多脉冲控制系统，虚假水位引起的虚假信号会带来一定的危险。为了克服“假液位”造成的控制系统误操作，引入了双脉冲控制系统。在锅炉的正常运行中，汽包水位是一个重要的运行指标，供水控制系统的功能是自动控制锅炉的供水，以适应蒸发的变化，并保持汽包水位在允许的范围内。左图控制系统是一个简单的单回路控制系统，根据汽包水位信号控制被控变量汽包水位控制变量供水。有一个问题是它不能适应蒸汽负荷的剧烈变化。也就是说，当蒸汽负荷突然增加时，汽包内的蒸汽压力立即下降，汽包内的沸腾加剧。随着蒸汽气泡的迅速增加，汽包内的水位