華南農(nóng)業(yè)大學(xué)過程控制課件過程控制系統(tǒng)5-1

1、第五章第五章 串級(jí)控制串級(jí)控制是對(duì)陶瓷制品進(jìn)是對(duì)陶瓷制品進(jìn)行預(yù)熱、燒成、冷卻的行預(yù)熱、燒成、冷卻的裝置裝置. . 制品在窯道的燒成帶內(nèi)制品在窯道的燒成帶內(nèi)按工藝規(guī)定的溫度進(jìn)行按工藝規(guī)定的溫度進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度一般為燒結(jié)，燒結(jié)溫度一般為13001300C C，偏差不得超，偏差不得超過土過土5 5 C.C. 燒成帶的燒結(jié)溫度是影燒成帶的燒結(jié)溫度是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要控制響產(chǎn)品質(zhì)量的重要控制指標(biāo)之一指標(biāo)之一. . 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)，影響燒成帶溫度，影響燒成帶溫度T1的各種干擾因的各種干擾因素都被包括在控制回路當(dāng)中，只要干擾造成素都被包括在控制回路當(dāng)中，只要干擾造成Tl偏偏離設(shè)定值，離設(shè)定值，控

2、制器就會(huì)根據(jù)偏差的情況，通過控控制器就會(huì)根據(jù)偏差的情況，通過控制閥改變?nèi)剂系牧髁浚瑥亩炎兓说闹崎y改變?nèi)剂系牧髁?，從而把變化了的Tl重新調(diào)重新調(diào)回到設(shè)定值?；氐皆O(shè)定值。 單回路控制的問題 實(shí)踐證明，這種控制方案的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到生產(chǎn)工藝的要求。例如：例如：1 1）如果燃料的壓力發(fā)生波動(dòng)，盡管控制閥門開度）如果燃料的壓力發(fā)生波動(dòng)，盡管控制閥門開度沒變，但燃料流量將發(fā)生變化，必將引起燃燒室沒變，但燃料流量將發(fā)生變化，必將引起燃燒室溫度的波動(dòng)，再經(jīng)過隔焰板的溫度的波動(dòng)，再經(jīng)過隔焰板的傳熱、輻射傳熱、輻射，引起，引起燒成帶溫度的變化燒成帶溫度的變化。2 2）只有燒成帶溫度）只有燒成帶溫度出現(xiàn)偏差出現(xiàn)偏差

3、時(shí)，才能發(fā)現(xiàn)干擾的時(shí)，才能發(fā)現(xiàn)干擾的存在，所以對(duì)于燃料壓力的干擾不能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)。存在，所以對(duì)于燃料壓力的干擾不能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)。 燒成帶溫度出現(xiàn)偏差后，控制器根據(jù)偏差的性質(zhì)燒成帶溫度出現(xiàn)偏差后，控制器根據(jù)偏差的性質(zhì)立即改變控制閥的開度，改變?nèi)剂狭髁浚瑢?duì)燒成立即改變控制閥的開度，改變?nèi)剂狭髁?，?duì)燒成帶溫度加以調(diào)節(jié)。帶溫度加以調(diào)節(jié)。 3 3）這個(gè)）這個(gè)調(diào)節(jié)作用調(diào)節(jié)作用同樣要經(jīng)歷燃燒室的同樣要經(jīng)歷燃燒室的燃燒燃燒、隔焰板、隔焰板的的傳熱傳熱以及燒成帶以及燒成帶溫度的變化溫度的變化這個(gè)這個(gè)時(shí)間滯后很長時(shí)間滯后很長的通道，當(dāng)調(diào)節(jié)過程起作用時(shí)，燒成帶的溫度已的通道，當(dāng)調(diào)節(jié)過程起作用時(shí)，燒成帶的溫度已偏離設(shè)定值

4、很遠(yuǎn)了。偏離設(shè)定值很遠(yuǎn)了。4 4）即使發(fā)現(xiàn)了偏差，也）即使發(fā)現(xiàn)了偏差，也得不到及時(shí)調(diào)節(jié)得不到及時(shí)調(diào)節(jié)，造成，造成超調(diào)超調(diào)量增大，穩(wěn)定性下降量增大，穩(wěn)定性下降。 如果燃料壓力干擾頻繁出如果燃料壓力干擾頻繁出現(xiàn)，對(duì)于單回路控制系統(tǒng)，不論控制器采用現(xiàn)，對(duì)于單回路控制系統(tǒng)，不論控制器采用PIDPID的的什么控制作用，還是參數(shù)如何整定，都得不到滿什么控制作用，還是參數(shù)如何整定，都得不到滿意的控制效果。意的控制效果。單回路控制的問題解決辦法1 假定燃料的壓力波動(dòng)是主要干擾，發(fā)現(xiàn)它到燃燒室的滯后假定燃料的壓力波動(dòng)是主要干擾，發(fā)現(xiàn)它到燃燒室的滯后時(shí)間較小、通道較短，而且還有一些時(shí)間較小、通道較短，而且還有一些

5、次要次要干擾，例如燃料干擾，例如燃料熱值的變化、助燃風(fēng)流量的改變以及排煙機(jī)抽力的波動(dòng)等熱值的變化、助燃風(fēng)流量的改變以及排煙機(jī)抽力的波動(dòng)等等等(D2(D2表示表示) )，都是首先進(jìn)入燃燒室。，都是首先進(jìn)入燃燒室。 能否通過控制燃燒室能否通過控制燃燒室溫度溫度T2T2的方法來達(dá)到穩(wěn)定燒成帶的溫度呢的方法來達(dá)到穩(wěn)定燒成帶的溫度呢? ? 這種控制系統(tǒng)對(duì)于上述的干擾有很強(qiáng)的抑制作用，不等到這種控制系統(tǒng)對(duì)于上述的干擾有很強(qiáng)的抑制作用，不等到它們影響燒成帶溫度，就被較早發(fā)現(xiàn)，及時(shí)進(jìn)行控制，將它們影響燒成帶溫度，就被較早發(fā)現(xiàn)，及時(shí)進(jìn)行控制，將它們對(duì)燒成帶溫度的影響降低到最小限度。它們對(duì)燒成帶溫度的影響降低到最

6、小限度。 直接直接影響燒成帶溫度的干擾影響燒成帶溫度的干擾，例如窯道中裝載制，例如窯道中裝載制品的窯車速度、制品的原料成分、窯車上裝載制品的窯車速度、制品的原料成分、窯車上裝載制品的數(shù)量以及春夏秋冬、刮風(fēng)下雨帶來環(huán)境溫度品的數(shù)量以及春夏秋冬、刮風(fēng)下雨帶來環(huán)境溫度的變化等等的變化等等(D1(D1表示表示) )。 在這個(gè)控制系統(tǒng)中，燒成在這個(gè)控制系統(tǒng)中，燒成帶溫度不是被控變量，所以對(duì)于干擾造成燒成帶帶溫度不是被控變量，所以對(duì)于干擾造成燒成帶溫度的變化，溫度的變化，控制系統(tǒng)無法進(jìn)行調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)無法進(jìn)行調(diào)節(jié)。 上述兩個(gè)控制系統(tǒng)，它們各有自己的長處。上述兩個(gè)控制系統(tǒng)，它們各有自己的長處。 第一種控制系統(tǒng)

7、包括了所有干擾第一種控制系統(tǒng)包括了所有干擾 第二種控制系統(tǒng)能對(duì)主要的和一些次要干擾提前發(fā)現(xiàn)，及第二種控制系統(tǒng)能對(duì)主要的和一些次要干擾提前發(fā)現(xiàn)，及早控制。早控制。 將兩個(gè)控制系統(tǒng)將兩個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)合起來結(jié)合起來，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì) 另外，控制燃燒室的溫度另外，控制燃燒室的溫度T2T2并不是目的，真正的目的是燒并不是目的，真正的目的是燒成帶的溫度穩(wěn)定不變，所以燒成帶溫度控制器應(yīng)該是定值成帶的溫度穩(wěn)定不變，所以燒成帶溫度控制器應(yīng)該是定值控制，起主導(dǎo)作用。控制，起主導(dǎo)作用。 而燃燒室溫度控制器則起輔助作用，它在克服干擾而燃燒室溫度控制器則起輔助作用，它在克服干擾D1D1的同的同時(shí)，應(yīng)該受燒成帶溫度

8、控制器的操縱，操縱方法就是燒成時(shí)，應(yīng)該受燒成帶溫度控制器的操縱，操縱方法就是燒成帶溫度控制器的輸出作為燃燒室溫度控制器的設(shè)定值，從帶溫度控制器的輸出作為燃燒室溫度控制器的設(shè)定值，從而就形成了串級(jí)控制系統(tǒng)。而就形成了串級(jí)控制系統(tǒng)。 就是采用就是采用兩個(gè)控制器串聯(lián)工作兩個(gè)控制器串聯(lián)工作，主控制器主控制器的輸出作為副控制器的設(shè)定值的輸出作為副控制器的設(shè)定值，由副控制由副控制器的輸出去操縱控制閥器的輸出去操縱控制閥，從而對(duì)主被控變，從而對(duì)主被控變量具有更好的控制效果。量具有更好的控制效果。 前提： 兩個(gè)兩個(gè)控制器串聯(lián)工作控制器串聯(lián)工作的，只有副控制器的，只有副控制器的輸出去操縱控制閥的輸出去操縱控制閥

9、( (只有一個(gè)調(diào)節(jié)閥只有一個(gè)調(diào)節(jié)閥) )；考慮到生產(chǎn)的安全，控制閥選擇考慮到生產(chǎn)的安全，控制閥選擇“氣開氣開”工作方式。工作方式。 兩個(gè)控制器都選擇兩個(gè)控制器都選擇“反反”作用作用方式方式。如果這個(gè)如果這個(gè)干擾幅度并不大干擾幅度并不大，經(jīng)副回路的調(diào)節(jié)，很快得到克服，不至于，經(jīng)副回路的調(diào)節(jié)，很快得到克服，不至于引起主變量引起主變量( (燒成帶溫度燒成帶溫度T1)T1)的改變。的改變。 如果這個(gè)如果這個(gè)干擾作用比較強(qiáng)干擾作用比較強(qiáng)，盡管副回路的控制作用已大大削弱了它對(duì)，盡管副回路的控制作用已大大削弱了它對(duì)主變量的影響，但隨著時(shí)間的推移，主變量仍然會(huì)受到它的影響偏離主變量的影響，但隨著時(shí)間的推移，主

10、變量仍然會(huì)受到它的影響偏離了穩(wěn)態(tài)值而升高。了穩(wěn)態(tài)值而升高。 假定串級(jí)控制系統(tǒng)只受到來自窯車速度的干擾，比如窯車假定串級(jí)控制系統(tǒng)只受到來自窯車速度的干擾，比如窯車的速度加快，必然導(dǎo)致窯道中燒成帶溫度的速度加快，必然導(dǎo)致窯道中燒成帶溫度T1T1的降低。的降低。 對(duì)于定值控制的主控制器來說，其測量值減小，由于主控對(duì)于定值控制的主控制器來說，其測量值減小，由于主控制器的制器的“反反”作用，它的輸出必然增大，也就是說副控制作用，它的輸出必然增大，也就是說副控制器的設(shè)定值增大了。器的設(shè)定值增大了。 因?yàn)楦G車的速度屬于一次干擾，它對(duì)副變量因?yàn)楦G車的速度屬于一次干擾，它對(duì)副變量( (燃燒室的溫燃燒室的溫度度T

11、2)T2)沒有影響，所以這時(shí)副控制器的測量值暫時(shí)還沒有沒有影響，所以這時(shí)副控制器的測量值暫時(shí)還沒有改變。改變。 由于主控制器的輸出是副回路的設(shè)定值，此時(shí)設(shè)定值增大，由于主控制器的輸出是副回路的設(shè)定值，此時(shí)設(shè)定值增大，等效于設(shè)定值不變測量值減小，根據(jù)副控制其的反作用，等效于設(shè)定值不變測量值減小，根據(jù)副控制其的反作用，輸出將增大，閥門開度增大，加大燃料的流量，使燃燒室輸出將增大，閥門開度增大，加大燃料的流量，使燃燒室溫度溫度T2T2提高，進(jìn)而使窯道燒成帶溫度回升。提高，進(jìn)而使窯道燒成帶溫度回升。 在整個(gè)控制過程中，燃燒室的溫度在整個(gè)控制過程中，燃燒室的溫度T2也發(fā)生了變也發(fā)生了變化，然而副控制器并

12、沒有對(duì)它加以調(diào)節(jié)，原因就化，然而副控制器并沒有對(duì)它加以調(diào)節(jié)，原因就在于串級(jí)控制系統(tǒng)中，主控制器起著主導(dǎo)作用，在于串級(jí)控制系統(tǒng)中，主控制器起著主導(dǎo)作用，體現(xiàn)在它的輸出作為副控制器的設(shè)定值。體現(xiàn)在它的輸出作為副控制器的設(shè)定值。 而副控制器則處于從屬地位，它首先是接受主控而副控制器則處于從屬地位，它首先是接受主控制器的命令，然后才進(jìn)行控制操作。在這種情況制器的命令，然后才進(jìn)行控制操作。在這種情況下，燃燒室溫度下，燃燒室溫度T2的改變是作為對(duì)燒成帶溫度的改變是作為對(duì)燒成帶溫度T1的控制手段來利用的，而不是作為干擾加以克服的控制手段來利用的，而不是作為干擾加以克服的。的。 (1)(1)一次干擾和二次干擾

13、引起的主變量和副一次干擾和二次干擾引起的主變量和副變量同方向變化變量同方向變化 假定一次干擾為窯車的前進(jìn)速度減小，將引起假定一次干擾為窯車的前進(jìn)速度減小，將引起主變量主變量(燒成帶溫度燒成帶溫度)T1升高；升高； 二次干擾為燃料壓力增大，導(dǎo)致副變量二次干擾為燃料壓力增大，導(dǎo)致副變量(燃燒室燃燒室溫度溫度)T2也升高。也升高。 對(duì)于主控制器來講，由于它的測量值升高，根對(duì)于主控制器來講，由于它的測量值升高，根據(jù)它的據(jù)它的“反反”作用關(guān)系，它的輸出將在穩(wěn)態(tài)時(shí)作用關(guān)系，它的輸出將在穩(wěn)態(tài)時(shí)的基礎(chǔ)上減小，也就是副控制器的設(shè)定值將減的基礎(chǔ)上減小，也就是副控制器的設(shè)定值將減小。小。 (1)(1)一次干擾和二次

14、干擾引起的主變量和副變一次干擾和二次干擾引起的主變量和副變量同方向變化量同方向變化 而對(duì)于副控制器來講，由于它的測量值增大，其輸出的變而對(duì)于副控制器來講，由于它的測量值增大，其輸出的變化應(yīng)該根據(jù)它的化應(yīng)該根據(jù)它的“反反”作用以及設(shè)定值和測量值的變化方作用以及設(shè)定值和測量值的變化方向共同決定。向共同決定。 不妨將設(shè)定值的變化等效為設(shè)定值不變而測量值變化的情不妨將設(shè)定值的變化等效為設(shè)定值不變而測量值變化的情況，設(shè)定值減小可以等效為設(shè)定值不變而測量值大。況，設(shè)定值減小可以等效為設(shè)定值不變而測量值大。 根據(jù)副控制器的根據(jù)副控制器的“反反”作用關(guān)系，上述兩種干擾都將使副作用關(guān)系，上述兩種干擾都將使副控制

15、器的輸出減小，都要求閥門開度關(guān)小。控制器的輸出減小，都要求閥門開度關(guān)小。 控制閥的調(diào)節(jié)作用是主、副控制器控制作用的疊加?？刂崎y的調(diào)節(jié)作用是主、副控制器控制作用的疊加。 減小燃料的流量不僅是為了克服二次干擾把燃燒室的溫度減小燃料的流量不僅是為了克服二次干擾把燃燒室的溫度調(diào)回到穩(wěn)態(tài)值，而且使燃燒室的溫度比穩(wěn)態(tài)值更低一些用調(diào)回到穩(wěn)態(tài)值，而且使燃燒室的溫度比穩(wěn)態(tài)值更低一些用以克服一次干擾對(duì)主變量的影響以克服一次干擾對(duì)主變量的影響 假定一次干擾為窯車前進(jìn)速度增大，引起主變量假定一次干擾為窯車前進(jìn)速度增大，引起主變量(燒成帶燒成帶溫度溫度)T1下降；二次干擾為燃料壓力增大，導(dǎo)致副變量下降；二次干擾為燃料壓

16、力增大，導(dǎo)致副變量(燃燃燒室溫度燒室溫度)T2升高。升高。 對(duì)主控制器來說，由于其測量值減小，根據(jù)其對(duì)主控制器來說，由于其測量值減小，根據(jù)其“反反”作用作用關(guān)系，它的輸出將增大，也將使副控制器的設(shè)定值增大。關(guān)系，它的輸出將增大，也將使副控制器的設(shè)定值增大。 對(duì)副控制器來說，由于其測量值增大，設(shè)定值也增大，如對(duì)副控制器來說，由于其測量值增大，設(shè)定值也增大，如果它們同步增大，幅度相同，即副控制器的輸入信號(hào)果它們同步增大，幅度相同，即副控制器的輸入信號(hào)偏差沒有改變，控制器的輸出當(dāng)然也就不變，控制閥開度偏差沒有改變，控制器的輸出當(dāng)然也就不變，控制閥開度不變。實(shí)際上就是用二次干擾補(bǔ)償了一次干擾，閥門無需

17、不變。實(shí)際上就是用二次干擾補(bǔ)償了一次干擾，閥門無需調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)。 如果兩個(gè)干擾引起副控制器的設(shè)定值和測量值的同向變?nèi)绻麅蓚€(gè)干擾引起副控制器的設(shè)定值和測量值的同向變化不相同，也就是說二次干擾還不足以補(bǔ)償一次干擾時(shí)，化不相同，也就是說二次干擾還不足以補(bǔ)償一次干擾時(shí)，副控制器再根據(jù)偏差的性質(zhì)作小范圍調(diào)節(jié)即可將主變量穩(wěn)副控制器再根據(jù)偏差的性質(zhì)作小范圍調(diào)節(jié)即可將主變量穩(wěn)定在設(shè)定值上。定在設(shè)定值上。2）一次干擾和二次干擾引起的主、副變量反）一次干擾和二次干擾引起的主、副變量反方向變化方向變化(一個(gè)增大一個(gè)減小一個(gè)增大一個(gè)減小)2 2）一次干擾和二次干擾引起的主、副變量反）一次干擾和二次干擾引起的主、副變量反方向變化方向變化 從串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程可以看出，兩個(gè)控制從串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程可以看出，兩個(gè)控制器串聯(lián)工作，以主控制器為主導(dǎo)，保證主變量穩(wěn)器串聯(lián)工作，以主控制器為主導(dǎo)，保證主變量穩(wěn)定為目的，兩個(gè)控制器協(xié)調(diào)一致，互相配合，尤定為目的，兩個(gè)控制器協(xié)調(diào)一致，互相配合，尤其是對(duì)于二次干擾，副控制器首先進(jìn)行其是對(duì)于二次干擾，副控制器首先進(jìn)行“粗調(diào)粗調(diào)”，主控制器再進(jìn)一步主控制器再進(jìn)一步“細(xì)調(diào)細(xì)調(diào)”。因此控制質(zhì)量必然。因此控制質(zhì)量必然高于簡單控制系統(tǒng)。高于簡單控制系統(tǒng)。 從結(jié)構(gòu)上看，兩個(gè)控制器串聯(lián)工作，一個(gè)控制器從結(jié)構(gòu)上看，兩個(gè)控制器串聯(lián)工作，一個(gè)控制器的輸出作為另一個(gè)控制器的設(shè)定值，共同完成對(duì)