過控第七章復雜控制

1、主要內(nèi)容主要內(nèi)容7.1 串級控制系統(tǒng)7.2 前饋控制系統(tǒng)7.3 大滯后過程控制系統(tǒng)7.4 比值控制系統(tǒng)7.5 選擇性控制系統(tǒng)7.6 分程過程控制系統(tǒng)第七章 復雜過程控制系統(tǒng)7.1 串級控制系統(tǒng)-基本原理 串級控制系統(tǒng)-由兩個或兩個以上的控制器串聯(lián)連接組成，一個控制器的輸出作為另一個控制器的設定值。 舉例1：加熱爐溫度控制選取物料出口溫度為被控參數(shù)，爐膛溫度為中間輔助變量，把物料出口溫度調節(jié)器的輸出作為爐膛溫度給定值；燃料量為控制參數(shù)7.1 串級控制系統(tǒng)-基本原理 1. 能迅速克服進入副回路的干擾 7.1 串級控制系統(tǒng)-特點 *022022c2v02m2( )( )( )( )1( )( )(

2、)( )GsY sGsF sGs G s Gs Gs*c1c2v02011*1c1c2v0201m1( )( )( )( )( )( )( )1( )( )( )( )( )( )Gs Gs G s Gs GsY sR sGs Gs G s Gs Gs Gs*02011*2c1c2v0201m1( )( )( )( )1( )( )( )( )( )( )Gs GsY sF sGs Gs G s Gs Gs Gs11c1c2v12( )( )( )( )( )( )( )Y s R sG s Gs G sY s F s越接近于“1”，則系統(tǒng)的控制性能越好越接近于“零”，則系統(tǒng)的抗干擾能力越強。

3、 衡量控制系統(tǒng)控制性能和抗干擾能力的綜合指標。該比值越大，系統(tǒng)的控制性能和抗干擾能力越強。 2.改善了過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率 7.1 串級控制系統(tǒng)-特點 010201 020102010201 020102()1()1TTT TTTTTT TTT串單01020102TTTT串單當主、副被控過程的時間常數(shù)比值一定時，副控制器的比例增益越大，串級控制系統(tǒng)的工作頻率就越高；而當副控制器的比例放大系數(shù)一定時，時間常數(shù)比值越大，串級控制系統(tǒng)的工作頻率也越高。系統(tǒng)工作頻率提高，使系統(tǒng)的振蕩周期縮短，從而提高整個系統(tǒng)的控制質量。 c2v02020202c2v02m20202(1)( )1(1)

4、1K K KT sKGsK K K KT sT s02020202,TTKK3. 對負荷和操作條件的變化適應性強 7.1 串級控制系統(tǒng)-特點 副被控過程的等效放大系數(shù)： c2v0202c2v02m21K K KKK K K K對非線性過程，如果負荷變化過大，即偏離該工作點較遠，若采用單回路控制系統(tǒng)，且不重新整定控制器參數(shù)，控制質量就會下降。 當副被控過程或調節(jié)閥的放大系數(shù)隨負荷變化時，對副被控過程等效放大系數(shù)的影響不大，因此不需要重新整定控制器參數(shù)；副回路是一個隨動系統(tǒng)，當負荷或操作條件改變時，主控制器將改變其輸出，調整副控制器的設定值，從而使系統(tǒng)能快速適應上述變化，保持較好的控制品質。 c2

5、vm20211K K KK副參數(shù)的選擇-必須是物理可測的，-應使副回路調節(jié)過程的時間常數(shù)小，時間滯后小。目的：調節(jié)通道盡可能短，使等效的時間常數(shù)減小，提高整個系統(tǒng)的工 作效率，加快反應速度，縮短調節(jié)時間，改善系統(tǒng)的控制品質。（1）7.1 串級控制系統(tǒng)-設計1.副回路的設計與副被控變量的選擇 （2）副回路應包括生產(chǎn)過程中變化劇烈、頻繁而且幅度大的主要干擾 擾動不能太多，否則使通道加長，時間常數(shù)變大，不利于副回路快速克服擾動。3）使主副過程的時間常數(shù)適當匹配 原則上，主、副回路時間常數(shù)之比應在310范圍內(nèi)7.1 串級控制系統(tǒng)-設計1.副回路的設計與副被控變量的選擇 當主、副回路的工作頻率相互接近時

6、，容易引起“共振”，即當一個參數(shù)發(fā)生振蕩時，會使另一個參數(shù)也發(fā)生振蕩，不利于生產(chǎn)正常進行。 （4）副回路設計應考慮工藝上的合理性和經(jīng)濟性7.1 串級控制系統(tǒng)-設計1.副回路的設計與副被控變量的選擇 將冷劑液位作為副被控變量。該方案投資少，適用于對出口溫度的控制質量要求不高場合 以冷劑蒸發(fā)壓力作為副被控變量，該方案投資多，但副回路相當靈敏，出口溫度的控制質量比較高。 主調節(jié)器起定值控制作用，副調節(jié)器起隨動作用。主調節(jié)器選用PI或PID控制規(guī)律調節(jié)器選擇P控制規(guī)律主參數(shù)是工藝操作的主要指標，主參數(shù)是工藝操作的主要指標，允許波動的范圍小，一般要求無余差允許波動的范圍小，一般要求無余差副參數(shù)的設置是為

7、了主參數(shù)的控制質量，副參數(shù)的設置是為了主參數(shù)的控制質量，可允許在一定的范圍內(nèi)變化，允許有余差可允許在一定的范圍內(nèi)變化，允許有余差2.主、副控制器控制規(guī)律的選擇 7.1 串級控制系統(tǒng)-設計7.1 串級控制系統(tǒng)-設計序號主被控過程(K01)副被控過程(K02)調節(jié)閥(Kv)主控制器(Kc1)副控制器(Kc2)1正正正1正2正2正正負正負3負負正負負4負負負負正5負正正負正6負正負負負7正負正正負8正負負正正3.主、副控制器正、反作用方式 參數(shù)整定實質通過改變調節(jié)器的PID參數(shù)來,改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，以獲得最佳控制質量。7.1 串級控制系統(tǒng)-參數(shù)整定 兩步整定法逐步逼近法 1）逐步逼近法1）在

8、主回路斷開的情況下，求取副調節(jié)器的整定參數(shù)，2）將副調節(jié)器的參數(shù)設置在所求的數(shù)值上，使串級控制系統(tǒng)主回路閉合，以求取主調節(jié)器的整定參數(shù)值，3）將主調節(jié)器參數(shù)設置在所求值上，再進行整定求出第二調節(jié)器的整定參數(shù)值。7.1 串級控制系統(tǒng)-參數(shù)整定 1）整定求取副調節(jié)器的比例度和操作周期。2）求取主調節(jié)器的比例度和操作時間 。3）計算主、副調節(jié)器的比例度，積分時間和微分時間的數(shù)值。 4）必要時進行適當?shù)恼{整 ，直到系統(tǒng)質量達到最佳為止。 將副調節(jié)器的比例度置于所得數(shù)值上，把副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)用同樣方法整定工況穩(wěn)定，主回路閉合，主、副回路都在純比例作用的條件下，主調節(jié)器的比例度置100%， 用單

9、回路控制系統(tǒng)的衰減曲線法按先副后主，先比例，后積分，最后微分的整定程序，設置主、副調節(jié)器參數(shù)，再觀察過渡過程曲線2）兩步整定法7.1 串級控制系統(tǒng)-參數(shù)整定 根據(jù)副過程的特性或經(jīng)驗先確定副調節(jié)器的， 然后再按照單回路控制系統(tǒng)的整定方法整定貯調節(jié)器的參數(shù)。（1）當生產(chǎn)工況穩(wěn)定，系統(tǒng)在純比例作用下， 由KC1KC20.5或由經(jīng)驗確定KC2，并設置在副調節(jié)器上；（2）按照單回路控制系統(tǒng)的衰減曲線法， 整定主調節(jié)器的參數(shù)；（3）觀察被控過程，根據(jù)KC1與KC2互相匹配的原理， 適當調整調節(jié)器的參數(shù)使主被控參數(shù)滿足工藝要求。步驟3）一步整定法7.1 串級控制系統(tǒng)-參數(shù)整定 1)應用于克服被控過程較大的容

10、量滯后；7.1 串級控制系統(tǒng)-應用 7.1 串級控制系統(tǒng)-應用 2) 用于純滯后較大的過程 3) 應用于抑制變化劇烈而且幅度大的擾動；7.1 串級控制系統(tǒng)-應用 4) 應用于參數(shù)關聯(lián)過程7.1 串級控制系統(tǒng)-應用 5)應用于非線性過程7.1 串級控制系統(tǒng)-應用 7.2 前饋控制系統(tǒng) 當擾動發(fā)生后，經(jīng)過過過程的擾動通道引起被控量的變化時，前饋控制器根據(jù)擾動的性質和大小對過程通道施加抑制，使被控量發(fā)生于前者相反的變化，以抵消擾動對被控量的影響。7.2 前饋控制系統(tǒng)-原理 換熱器溫度反饋控制 換熱器溫度前饋控制 7.2 前饋控制系統(tǒng)-原理 干擾通過干擾通道產(chǎn)生干擾作用影響被控量 干擾通過檢測變送單元

11、和前饋控制產(chǎn)生補償控制作用，再經(jīng)過過程的控制通道去影響輸出量 控制作用和干擾作用對被控量的影響是相反的。當兩種作用對被控量的影響大小相等時，被控量就不會隨著干擾而變化，抵消了干擾對被控量的影響。 FB0( )( )( )( )0( )Y sG sGs G sF s滿足不變性要求的前饋控制器 FB0( )( )( )GsGsGs 1）前饋控制屬于開環(huán)控制。 -只要系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)是穩(wěn)定的，控制系統(tǒng)必然穩(wěn)定。 反饋控制是閉環(huán)控制。 -即使各環(huán)節(jié)穩(wěn)定，也不能保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。 2）前饋控制是“基于干擾來消除干擾對被控量的影響”。 -通過前饋控制器的補償作用及時抑制干擾對被控變量的影響。 反饋控制是“基于

12、偏差來消除偏差”。 -當干擾引起被控變量產(chǎn)生偏差后才能產(chǎn)生控制作用。3）前饋控制器的控制規(guī)律取決于過程特性，是一個專用控制器。 反饋控制系統(tǒng)中，控制器通常采用P、PI、PD、PID等典型控制策略。 4）前饋控制只能抑制可測不可控的干擾對被控變量的影響。 反饋控制則對包含在其回路中的多種干擾都具有抑制作用。 7.2 前饋控制系統(tǒng)-特點7.2 前饋控制系統(tǒng)-局限性1）只能克服可測不可控的干擾，對不可測干擾無法實現(xiàn)前饋控制。 實際生產(chǎn)過程中存在著很多干擾。針對每個干擾設置一套前饋控制器， 系統(tǒng)復雜且投資增加，是不現(xiàn)實的。2）前饋控制器的調節(jié)規(guī)律取決于過程的干擾通道特性和控制通道特性。 準確掌握上述特

13、性是困難的，前饋控制器難以獲得；工程上難于實現(xiàn)。 被控過程的非線性，使其動態(tài)特性發(fā)生變化，原有前饋控制器不再 適用，無法實現(xiàn)干擾的動態(tài)完全補償。前饋控制往往不能單獨使用。 1）靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)7.2 前饋控制系統(tǒng)-結構形式 前饋控制器采用比例控制FBB0( )KGsKK 前饋控制器比例增益過程干擾通道的靜態(tài)放大系數(shù)過程控制通道的靜態(tài)放大系數(shù)只能保證被控變量的靜態(tài)偏差接近或等于零。簡單，不用專用控制器，用DDZ-型儀表中比例控制器或比值器就滿足要求。當干擾通道與控制通道的時間常數(shù)相差不大時，采用靜態(tài)前饋控制。 2）動態(tài)前饋控制系統(tǒng)7.2 前饋控制系統(tǒng)-結構形式 消除控制過程的動態(tài)偏差。當干擾通道

14、與控制通道的動態(tài)特性，采用專門控制器，結構復雜。干擾變化頻繁且動態(tài)控制精度要求高的過程，采用動態(tài)前饋控制。 FB0( )( )( )GsGsGs 3）前饋-反饋復合控制系統(tǒng)c0FB0c0c0( )( )( )( )( )( )( )( )1( )( )1( )( )G s G sG sG s G sY sR sF sG s G sG s G s反饋控制前饋控制干擾F(s)對被控量的影響要比采用單純前饋控制時減小1+ Gc(s)G0(s)倍 FB0c0( )( )( )( )0( )1( )( )GsGs G sY sF sG s G sc01( )( )0G s G s系統(tǒng)穩(wěn)定性由反饋控制回路

15、決定。加不加前饋控制器并不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。7.2 前饋控制系統(tǒng)-結構形式 4）前饋-串級復合控制系統(tǒng) 串級控制前饋控制*c10102FB010211*c10102c10102( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )1( )( )( )1( )( )( )Gs Gs GsG sGs Gs GsY sR sF sGs Gs GsGs Gs Gs*FB01021*1c10102( )( )( )( )( )0( )1( )( )( )GsGs Gs GsY sF sGs Gs GsB*0102( )( )( )( )FGsGsGs Gs G02*(s)1 B01( )( )(

16、)FGsGsGs 多個變化頻繁且劇烈的干擾影響，同時對被控變量的控制質量和穩(wěn)定性要求較高 7.2 前饋控制系統(tǒng)-結構形式 1）實現(xiàn)前饋控制的必要條件是擾動量的可測既不可控性2）當過程控制通道的時間常數(shù)比干擾通道的時間常數(shù)大，且反饋控制不 及時而導致控制質量較差時，選用前饋控制。3）當主要干擾無法用串級控制使其包含在副回路內(nèi)或者副回路滯后過大 時，選用前饋控制。4）經(jīng)濟性原則。通常動態(tài)前饋控制器的投資高于靜態(tài)前饋控制器。 若靜態(tài)前饋控制能夠達到工藝要求時，應采用靜態(tài)前饋控制。 7.2 前饋控制系統(tǒng)-選用原則7.3 大滯后控制系統(tǒng)-原理 當控制作用產(chǎn)生后，在滯后時間范圍內(nèi)，被控變量沒有輸出響應。

17、/0.3T/0.3T一般滯后過程 大滯后過程 7.3 大滯后控制系統(tǒng)-原理 1）檢測信號提供不及時而產(chǎn)生的純滯后，會導致控制器不能及時產(chǎn)生控制作用，影響控制質量。2）控制量的介質傳輸而產(chǎn)生的純滯后，會導致執(zhí)行器的調節(jié)作用不能及時作用，影響調節(jié)效果。3）純滯后會引起開環(huán)相頻特性的相角滯后隨頻率的增大而增大，其開環(huán)頻率特性包圍（-1,j0）點的可能性增大，導致閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度下降，超調量增大，過渡過程時間增加，穩(wěn)定性降低。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度不變，就要減小控制器的放大系數(shù)，從而造成控制質量的下降。7.3大滯后控制系統(tǒng)-史密斯預估控制根據(jù)過程特性預先估計出被控過程的動態(tài)模型，然后設計一個預估器對其

18、進行補償，力圖使被滯后的被控量超前反映到控制器的輸入端，使控制器提前動作，減小超調量、加速調節(jié)過程。 7.3大滯后控制系統(tǒng)-史密斯預估控制沒有預估補償器的單回路控制系統(tǒng) c0c0( )( )( )( )1( )( )ssG s G s eY sR sG s G s e有預估補償器的單回路控制系統(tǒng) 閉環(huán)特征方程式中含有的滯后項，會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。0s0( )( )( )( )( )sY sGs eG sGsU ss0( )( )(1)sG sG se7.3大滯后控制系統(tǒng)-史密斯預估控制c0csc0c0csc0cs( )( )1( )( )( )( )( )( )( )( )1( )(

19、 )( )( )11( )( )ssssGs Gs eGs GsGs Gs eY sGs Gs eR sGs GsGs Gs eGs Gsc0c0c0c0c0( )( )( )( )1( )( )(1)( )( )1( )( )ssssG s G s eG s G s eG s G seG s G s eG s G s消除了純滯后對系統(tǒng)控制品質的不利影響。 7.3大滯后控制系統(tǒng)-改進型史密斯預估控制史密斯預估器的設計需要知道被控過程的精確數(shù)學模型。如果被控過程的特性不能精確得到，就很難得到預期的控制效果。 目的-兩種物料保持比值關系。 q1主物料， q2從物料。工業(yè)過程中，經(jīng)常需要控制兩種或兩

20、種以上的物料保持一定的比例關系. 如：造紙過程中，紙漿和水要成一定的比例關系 石化重油氣化，重油和氧氣量要成一定的比例關系 鍋爐燃燒，煤氣和空氣成一定的比例關系，等等 7.4 比值控制系統(tǒng) 主物料主物料/ /主流量：主流量： 處于比值控制中的主導地位 q1從物料從物料/ /從流量：從流量： 按主物料進行配比 q2 比值控制系統(tǒng)：要求副流量q2與主流量q1成一定的比值關系，K為流量比值 12qqK 7.4 比值控制系統(tǒng)-概念 開環(huán)比值控制系統(tǒng)當主動量發(fā)生變化時，通過控制調節(jié)閥來調節(jié)從動量，從而使兩種物料的流量在穩(wěn)定工況下滿足比例要求。 主動量或從動量均沒有流量自控作用。適用于從物料比較穩(wěn)定，且比

21、值控制精度要求不高的場合。 7.4 比值控制系統(tǒng)-分類 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)具有一個閉合的副流量控制回路。從動量是閉環(huán)隨動系統(tǒng)，主動量是開環(huán)的，結構簡單；能確保二者比值不變。由于主動量不受控制，因而不能保證總流量固定，這對于負荷變化較大且直接參與化學反應的過程是不適宜的。 7.4 比值控制系統(tǒng)-分類 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主動量控制回路能克服主動量干擾，實現(xiàn)對主動量的定值控制；從動量控制回路抑制作用于從動量回路中的干擾，使主、從動量均比較穩(wěn)定，能保持在一定的比值，使總物料量也保持平穩(wěn)。 缺點：使用的儀表較多；若主副回路工作頻率相近時，容易產(chǎn)生共振 7.4 比值控制系統(tǒng)-分類 變比值控制系統(tǒng)按工藝指標

22、自行修正比值系數(shù)的比值控制系統(tǒng)。按工藝指標自行修正比值系數(shù)的比值控制系統(tǒng)。7.4 比值控制系統(tǒng)-分類 7.4 比值控制系統(tǒng)-設計 2）控制方案的確定 單閉環(huán)比值控制: 適用于主動量不可控，或者主動量可控但變化不大的情況;從動回路控制器要求具有穩(wěn)定從動量的作用，因此選用PI控制。 雙閉環(huán)比值控制: 適用于主動量可測可控但變化較大的情況，其中的主、從動回路控制器要起到穩(wěn)定各自物料流量的作用，因此均選用PI控制。 變比值控制: 適用于比值需要由另一個控制器來調節(jié)的情況，其控制器設計按照串級控制系統(tǒng)中的選取原則。1）主動量和從動量的選取 主動量：一般選用在生產(chǎn)過程中起主導作用、可測但不可控、影響到生產(chǎn)

23、安 全且較昂貴的過程變量； 從動量：既可測又可控，并需要保持一定比值的過程變量。7.4 比值控制系統(tǒng)-實施 采用相乘式時，比值運算器FY為乘法器，將主動量檢測值與給定比值的乘積作為從動量控制器的給定值。 采用相除式，比值運算器為除法器，將主動量檢測值與從動量檢測值實際比值作為從動量控制器實測反饋值，從動量控制器根據(jù)給定比值來控制調節(jié)閥。 7.4 比值控制系統(tǒng)-整定 雙閉環(huán)比值控制的主動量回路-按單回路控制系統(tǒng)整定。變比值控制的主控制器-按串級控制系統(tǒng)的整定方法。從動量回路的整定: 從動量回路本質上是隨動控制系統(tǒng)，要求從動量快速、準確地跟隨主動量變化，而且不宜有超調，所以需要將參數(shù)整定在振蕩與不

24、振蕩的臨界狀態(tài)。 7.4 比值控制系統(tǒng)-整定 具體步驟 根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，計算比值控制器的比值系數(shù)，并將系統(tǒng)投入運行。 將積分時間置于最大，并由大到小逐漸調節(jié)比例度，使系統(tǒng)處于振蕩與不振蕩的臨界狀態(tài)。 投入積分作用時，先適當增大比例度，再投入積分作用，并逐步減小積分時間，直到系統(tǒng)出現(xiàn)臨界狀態(tài)。7.5 選擇性控制系統(tǒng)-概念 將工藝生產(chǎn)過程的限制條件所構成的邏輯關系疊加到正常自動控制系統(tǒng)上去的一種控制方法。當生產(chǎn)操作趨向極限條件時，通過選擇器，選擇一個用于不正常工況下的備用控制系統(tǒng)自動取代正常工況下的控制系統(tǒng)；待工況脫離極限條件回到正常工況后，備用控制系統(tǒng)又通過選擇器自動脫離進入備用狀態(tài)，同時將正常工況下的控制系統(tǒng)自動投入運行。7.5 選擇性控制系統(tǒng)-分類 1）選擇器位于控制器輸出端，對控制器輸出信號進行選擇的系統(tǒng) 生產(chǎn)正常時，正?？刂破鞯妮敵鲂盘柨刂普{節(jié)閥，取代控制器處于開路狀態(tài)。生產(chǎn)工況不正常時，取代控制器對系統(tǒng)進行控制，正常控制器處于開路狀態(tài)。一旦生產(chǎn)狀況恢復正常，選擇器進行自動切換，重新由正?？刂破鱽砜刂粕a(chǎn)的正常進行。 兩個控制器共用一個調節(jié)閥。7.