过程控制系统 ProcessControlSystem 内蒙古工业大学电力学院自动化系张计科 过程控制系统 第四章复杂控制系统 本章主要内容 系统组成及工作原理 串级控制系统的特点 比值控制 4 1串级控制系统 4 2特殊控制 选择性控制 分程控制 均匀控制 计算机串级控制系统 串级控制系统的设计 串级控制系统的整定方法 串级控制系统的应用 本章主要内容 4 3补偿控制 4 4前馈控制 4 5大迟延过程系统 4 1串级控制 T1T T1C T1 T2T T2C T2 检测变送 设定值 设定值 系统组成及工作原理 T1T T1C T1 设定值 T2T T2C T2 检测变送 副控制器 控制阀 燃烧室 烧成带 T1 T2 设定值 主控制器 检测变送 采用两个控制器串联工作 主控制器的输出作为副控制器的设定值 由副控制器的输出去操纵控制阀 从而对主被控变量具有更好的控制效果 4 1串级控制 系统组成及工作原理 副检测变送 副控制器 控制阀 副对象 主对象 主变量 副变量 设定值 主控制器 主检测变送 二次干扰 一次干扰 主回路 副回路 主被控变量 副被控变量 主对象 副对象 主检测变送 副检测变送 4 1串级控制 系统组成及工作原理 检测变送 副控制器 控制阀 燃烧室 烧成带 T1 T2 设定值 主控制器 检测变送 1 只存在二次干扰 工作原理 气开 反 反 燃料压力增大 4 1串级控制 系统组成及工作原理 检测变送 副控制器 控制阀 燃烧室 烧成带 T1 T2 设定值 主控制器 检测变送 2 只存在一次干扰 窑车速度加快 气开 反 反 4 1串级控制 系统组成及工作原理 检测变送 副控制器 控制阀 燃烧室 烧成带 T1 T2 设定值 主控制器 检测变送 3 一次干扰 二次干扰存在 一次 二次干扰引起主 副变量同方向变化 窑车速度减小 燃料压力增大 T1 4 1串级控制 系统组成及工作原理 检测变送 副控制器 控制阀 燃烧室 烧成带 T1 T2 设定值 主控制器 检测变送 3 一次干扰 二次干扰存在 一次 二次干扰引起主 副变量反方向变化 窑车速度增大 燃料压力增大 4 1串级控制 系统组成及工作原理 1 减小了对象的时间常数 假定 4 1串级控制 串级控制系统的特点 4 1串级控制 串级控制系统的特点 2 提高了系统的工作频率 3 增强了系统的抗干扰能力 副回路对二次干扰有很强的抑制能力 主回路由于副回路的存在 减小了副对象的时间常数 控制通道缩短了 克服一次干扰比同等条件下的单回路控制系统更及时了 4 对负荷变化有一定的自适应能力 串级控制系统中 副回路是一个随动系统 设定值随主控制器的输出而变化 适应负荷变化的能力较强 4 1串级控制 串级控制系统的特点 4 1串级控制 计算机串级控制系统 1 主控和副控回路采样周期相同 同步采样 先外后内 计算主控回路的偏差 计算机串级控制系统算法 4 1串级控制 计算机串级控制系统 计算主控制器的增量输出 其中 计算主控制器的位置输出 4 1串级控制 计算机串级控制系统 计算副控回路的偏差 计算副控制器的增量输出 其中 4 1串级控制 计算机串级控制系统 计算副控制器的位置输出 4 1串级控制 计算机串级控制系统 2 主控和副控回路采样周期不同 异步采样 或 计算机串级控制系统算法 4 1串级控制 计算机串级控制系统 1 主变量的选择 选择直接反映控制目的参数为主变量 当不能用直接参数作为被控变量时 可选择与控制目的有某种单值函数关系的间接参数为主变量 具有足够的变化灵敏度 考虑工艺上的合理性和实现的可能性 4 1串级控制 串级控制系统的设计 2 副变量的选择 应使主要的和更多的干扰落入副回路 4 1串级控制 串级控制系统的设计 应使主 副对象的时间常数匹配 防止发生共振效应 副检测变送 副控制器 控制阀 副对象 主对象 主变量 副变量 设定值 主控制器 主检测变送 二次干扰 一次干扰 4 1串级控制 串级控制系统的设计 应考虑工艺上的合理性 可能性和经济性 4 1串级控制 串级控制系统的设计 3 主 副控制器的选择 控制策略 算法 规律 的选择 4 1串级控制 串级控制系统的设计 串级副控制器也有按照期望的闭环Z传递函数设计的 4 1串级控制 串级控制系统的设计 例1对于下图所示副控回路 设 试确定副回路数字控制器 解 中分母最高阶数为1 若T2 10s T 2s 4 1串级控制 串级控制系统的设计 例2对于下图所示副控回路 设 试确定副回路数字控制器 解 4 1串级控制 串级控制系统的设计 控制器正 反作用的选择 副控制器 控制阀 副对象 副回路 主控制器 副对象 主对象 主回路 4 1串级控制 串级控制系统的设计 1 逐步整定法 首先整定副回路 整定主回路 再次整定副回路 重新整定主回路 4 1串级控制 串级控制系统的整定方法 2 两步整定法 首先整定副回路 整定主回路 计算主 副控制器的最佳参数值 4 1串级控制 串级控制系统的整定方法 3 一步整定法 选择副控制器的比例度 使副回路按纯比例控制运行 理论依据 串级控制系统中 在纯比例控制情况下 当主变量产生4 1衰减振荡过程时 近似满足 4 1串级控制 串级控制系统的整定方法 将系统投入串级控制状态运行 按单回路控制系统参数整定方法整定主控制器参数 使主变量的控制品质最佳 4 1串级控制 串级控制系统的整定方法 1 克服变化剧烈和幅度大的干扰 精馏塔温度 流量串级控制系统 4 1串级控制 串级控制系统的应用 2 克服对象的纯滞后 网前箱温度 温度串级控制系统 4 1串级控制 串级控制系统的应用 3 克服对象的容量滞后 管式加热炉温度 温度串级控制系统 4 1串级控制 串级控制系统的应用 4 克服对象的非线性 合成反应炉中部温度与进气口温度串级控制系统 4 1串级控制 串级控制系统的应用 5 自校正设定值 一次风压力与一次风流量串级控制系统 4 1串级控制 串级控制系统的应用 比值控制 均匀控制 分程控制 自动选择性控制 使前后设备在物料供求上相互兼顾 均匀协调 使物料保持一定比例关系 控制器输出信号分段控制多阀 安全保护 实现特定要求的控制系统 4 2特殊控制 比值控制系统 实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统 主物料 处于主导地位的物料表征该物料的参数为主动量Q1 主流量 从物料 随主物料的变化呈比例的变化的另一种物料表征该物料的参数从动量Q2 副流量 流量比值 副流量 主流量 4 2特殊控制 比值控制 一 比值控制系统的结构类型 1 开环比值控制 4 2特殊控制 比值控制 2 单闭环比值控制 A D D A 数字控制器 优点 实现主从动量精确的比值控制 缺点 Q1 Q2动态比值难保证 总物料量不固定 4 2特殊控制 比值控制 3 双闭环比值控制 数字控制器 4 2特殊控制 比值控制 4 变比值控制 数字控制器 串级比值控制 4 2特殊控制 比值控制 二 比值控制系统的设计 1 主 从动量的选择 一个流量可控 另一个流量不可控 可以组成单闭环比值控制系统时 不可控流量作为主动量 可控流量作为从动量 两个流量均可控 另一个流量不可控 可以组成双闭环比值控制系统时 A 主动量 供应不足的物料流量 从动量 供应充足的物料流量 B 主动量 对生产负荷起关键作用的物料流量 从动量 对生产负荷起次要作用的物料流量 C 主动量 失控状况下 必须保持比值一定的物料流量 从动量 4 2特殊控制 比值控制 2 控制方案的选择 4 2特殊控制 比值控制 3 比值系数的换算 或 流量 压力 比值 信号比值 非线性关系 线性关系 4 2特殊控制 比值控制 4 实施方案的选择 1 应用比值器方案 流量比值稳定操作时 4 2特殊控制 比值控制 2 应用乘法器方案 稳态时 4 2特殊控制 比值控制 3 应用除法器方案 稳态时 4 2特殊控制 比值控制 5 从动量对主动量的动态跟踪 4 2特殊控制 比值控制 三 比值控制系统的整定 1 变比值控制系统 其主控制器的参数整定可按串级控制系统进行 2 单闭环比值控制系统 双闭环比值控制系统 从动量回路和变比值控制系统中的变比值回路的整定方法和要求基本相同 应当将从动量回路的过渡过程整定成非周期临界情况 3 双闭环比值控制系统 其主动量回路原则上按单回路定值控制系统进行整定 4 2特殊控制 比值控制 一 概述 均匀控制系统 使两个有关联的被控变量在规定范围内缓慢地 均匀地变化 使前后设备在物料的供求关系上相互兼顾 均匀协调的控制系统 4 2特殊控制 均匀控制 二 均匀控制系统的结构形式 1 简单均匀控制系统 4 2特殊控制 均匀控制 精馏塔塔底液位与出料流量的均匀控制系统 二 均匀控制系统的结构形式 1 简单均匀控制系统 4 2特殊控制 均匀控制 不是单回路液位定值控制系统 控制器控制规律和参数整定上有区别 所有均匀控制系统中一般都不需要加正微分作用 二 均匀控制系统的结构形式 1 简单均匀控制系统 4 2特殊控制 均匀控制 结构简单 对于克服阀前后压力变化的影响及液位储罐自衡作用的影响效果较差 适用于进料量为主干扰 流量波动大 自衡能力弱的对象 2 串级均匀控制系统 4 2特殊控制 均匀控制 2 串级均匀控制系统 4 2特殊控制 均匀控制 增加流量控制副回路目的是为消除阀前后压力变化的影响及液位储罐自衡作用的影响 适用于控制阀前后压力干扰及自衡作用较显著而且对流量的平稳要求又高的场合 3 双冲量均匀控制系统 4 2特殊控制 均匀控制 以液位和流量两信号之差 或和 为被控变量来达到均匀控制的目的 结构上相当于两个信号之差 或之和 为被控变量的单回路控制系统 3 双冲量均匀控制系统 4 2特殊控制 均匀控制 三 均匀控制系统的参数整定 1 经验整定法 2 停留时间法 4 2特殊控制 均匀控制 一 概述 分程控制系统 一台控制器操纵两个或两个以上的调节阀 控制阀 工作 每个调节阀在控制器输出的某段信号范围内做全行程动作 多阀分程 4 2特殊控制 分程控制 分程控制系统中 阀的开闭形式 可分同向和异向两种 气开 气关 4 2特殊控制 分程控制 用于扩大控制阀的可调范围 例1 可调比 阀所能控制的最大流量与最小流量之比 若忽略大阀的泄露则其最小流通量为 最大流通能力为 所以两个阀组合在一起的可调范围扩大到 二 分程控制的应用 4 2特殊控制 分程控制 4 2特殊控制 分程控制 例2 用于满足工艺操作上的特殊要求 4 2特殊控制 分程控制 控制阀的泄漏量问题 控制阀流量特性的选择除考虑对象特性外更应注意在分程点处控制阀的放大系数可能出现突变 分程控制控制器控制规律的选择及其参数整定可参照简单控制系统处理 三 实施中的几个问题 4 2特殊控制 分程控制 一 概述 选择性控制系统 当生产操作趋向限制条件时 一个用于控制不安全工况的控制方案将取代正常情况下的控制方案 直到生产操作重新回到安全范围以内恢复原控制方案为止 选择性控制系统设有两个控制器 或多个变送器 由选择器选择出能适应生产安全状况的控制信号 实现对生产过程的自动控制 取代控制系统 超弛控制系统 保护控制系统 4 2特殊控制 自动选择性控制 二 选择性控制系统的类型 1 对被控变量的选择性控制系统 4 2特殊控制 自动选择性控制 4 2特殊控制 自动选择性控制 2 对操纵变量的选择性控制系统 4 2特殊控制 自动选择性控制 正常工况下 异常工况下 4 2特殊控制 自动选择性控制 3 对测量信号的选择性控制系统 4 2特殊控制 自动选择性控制 1 积分饱和 一个具有积分作用的控制器 当其处于开环工作状态时 如果偏差输入信号一直存在 那么由于积分作用的结果 将使控制器的输出不断增加或不断减小 一直达到输出的极限值并保持在此极限值上 而控制器暂时丧失了控制功能的现象 称为 积分饱和 现象 2 产生积分饱和的原因 控制系统中控制器具有积分控制规律 控制器输入偏差长期存在得不到补偿 三 抗积分饱和 4 2特殊控制 自动选择性控制 3 防止积分饱和方法 限