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1、 教书育人要义 传道授业释疑; 师生同心协力, 共探过控真谛 。 熟悉仪表原理, 统领系统设计; 理论实践结合,思维创新第一。 过程控制与自动化仪表 西安理工大学 潘永湘 杨延西 赵跃 制作 教学理念: 第6章 常用复杂控制系统 第6章 常用复杂控制系统 6.1 串级控制系统 6.2 前馈控制系统 本章要点本章要点 1)了解串级控制系统的应用背景,熟悉串级控制系 统的典型结构与特点; 2)掌握串级控制系统的设计方法,熟悉串级控制系 统的参数整定方法; 3)了解前馈控制的原理及使用场合; 4)掌握前馈补偿器的设计方法,熟悉前馈反馈复 合控制的特点及工业应用。 6.1 串级控制系统 6.1.1 串
2、级控制的基本概念 连续反应釜温度控制示意图 物料自顶部连续进入釜中, 经反应后由底部排出。反 应产生的热量由夹套中的 冷却水带走。为保证产品 质量,对反应温度T1要进 行严格控制。 工艺要求: 被控过程有三个热容积,即夹套中的冷却水、釜壁和釜中物料。 选取冷却水流量为调节参数,构成单回路控制系统 引起温度T1变化的干扰因素有: 进料方面有进料流量、进料入口温度和化学组成,用F1表示; 冷却水方面有水的入口温度和阀前压力,用F2表示。 问题:过渡过程时间长,调节不及时 将两个调节器串联在一起工作,各自完成不同任务的系统 结构,就是串级控制的基本思想。根据这一构思,反应釜温度 串级控制示意图为 串
3、级控制系统的一般结构框图 主回路 -定值控制 副回路 -随动控制 副回路 主回路 6.1.2 串级控制系统的特点 对于同一对象 单回路控制 串级控制 1.能迅速克服进入副回路的干扰 串级控制等效方框图 等效副对象为 在给定信号X1作用下 在干扰F2作用下 控制能力和抗干扰能力综合指标: 比值越大,系统的控制 能力和抗干扰能力越强 控制能力和抗干扰能力综合指标: 假设 则 结论:主、副调节器放大系数的乘积越大, 抗干扰能力越强,控制质量越好。 与单回路控制系统的比较:与单回路控制系统的比较: 控制能力和抗干扰能力综合指标为: 一般情况下有 结论:由于副回路的存在, 能迅速克服二次干扰。 假设 则
4、 2.能改善控制通道的动态特性,提高工作频率 (1)等效时间常数减小,响应速度加快 等效副回路 假设 则 串级系统的特征方程为: 串级控制系统的工作频率为: (2)提高了系统的工作频率 将各环节传函代入,化简得 标准形式: 将各环节传函代入,化简得 单回路系统特征方程为 单回路系统工作频率 假定 则 (2)提高了系统的工作频率 3.能适应负荷和操作条件的剧烈变化 当采用串级控制时,主环是一个定值系统,而副环 却是一个随动系统。主调节器能够根据操作条件和负荷 变化的情况,不断修改副调节器的给定值,以适应操作 条件和负荷的变化。 副回路的等效放大系数为 一般 当K02或KV随操作条件或负荷变化时,
5、K02几乎不变. 串级控制:副回路粗调; 主回路细调 综上所述,串级控制系统的主要特点有: 1)对进入副回路的干扰有很强的抑制能力; 2)能改善控制通道的动态特性,提高系统的快速反应能力; 3)对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的自适应 能力。 结论:副回路改善了动特性、提高了响应速度和工作频率; 当主、副时间常数比值一定,副调节器的比例系数越大,工 作频率越高;同样,当比例系数一定,主、副时间常数比值 越大,工作频率也越高。其结果使振荡周期缩短,提高了系 统的控制质量。 6.1.3 串级控制系统的适用范围 1.适用于容量滞后较大的过程 选容量滞后较小的辅助变量,组成副回路以减小时间常
6、数 ,提高工作频率。 加热炉温度串级控制系统 2.适用于纯滞后较大的过程 仿丝胶液压力与压力串级控制系统 工艺要求:过滤前的压力稳定在250KPa 特点:距离长,纯滞后时间长。 在离调节阀较近、纯时延较小的地方,选择一个辅助参数 作为副参数,构成一个纯滞后较小的副回路。 计量泵 3.应用于干扰变化剧烈、幅度大的过程 工艺要求:汽包液位控制 特点:快装锅炉容量小,蒸汽流量与水压变化频繁、激 烈三冲量液位串级控制。 快装锅炉三冲量液位串级控制 4.应用于参数互相关联的过程 常压塔塔顶出口温度和一线温度串级控制 同一种介质控制两种参数 单回路控制:两套装置,不经济又无法工作 5.应用于非线性过程 合
7、成反应器温度串级控制:换热器呈非线性特性 特点:负荷或操作条件改变导致过程特性改变。若单回路控 制,需随时改变调节器整定参数以保证系统的衰减率不变; 串级控制,则可自动调整副调节器的给定值。 注 意 串级控制虽然应用范围广,但必 须根据具体情况,充分利用优点,才 能收到预期的效果。 6.1.4 串级控制系统的设计 1.副回路的设计与副参数的选择 2.主、副调节器调节规律的选择 3.主、副调节器正、反作用方式的选择 问题:副参数如何选择?主、副回路的联系?调节器问题:副参数如何选择?主、副回路的联系?调节器 如何选择?正、反作用如何选择?如何选择?正、反作用如何选择? 1.副回路的设计与副参数的
8、选择 选择原则: (1)副参数要物理可测、副对象的时间常数要小、纯滞后时间应 尽可能短 (2)副回路应尽可能多地包含变化频繁、幅度大的干扰,但也 不是越多越好 a)燃料油压力为主要干扰b) 燃料油粘度、成分、热值、处理量为主要干扰 (3)主、副被控过程的时间常数要适当匹配 当串级控制与单回路控制的阻尼系数相等时,有 假设为常量 主、副被控过程的时间常数的比值 不能太大也不能太小,应适当匹配。 结论: 为使主、副回路之间的动态联系较小 ,避免引起系统共振,通常选择时间 常数的比值在310范围内为宜。 使 (4)应综合考虑控制质量和经济性要求 a)冷剂液位为副参数,投资少,控制质量不高; b)冷剂
9、蒸发压力为副参数,投资多,但副回路比较灵敏, 控制质量较高。 选择应视具体情况而定。 2.主、副调节器调节规律的选择 主调:定值控制;副调:随动控制。 主被控参数是工艺操作的主要指标,允许波动的 范围很小,一般要求无静差,因此,主调节器应选PI 或PID调节规律。 副被控参数允许有静差P,一般不引入PI;当选流 量为副参数时,为保稳定,P较大,可引入积分,即采用 PI,以增强控制作用;一般不引入微分,否则会使调节阀 动作过大或过于频繁,对控制不利。 3.主、副调节器正、反作用方式的选择 选择步骤: 工艺要求调节阀的气开、气关副调节器的正、反作用 主、副过程的正、反作用主调节器的正、反作用。 示
10、例: 燃油阀气开,副对象为 正过程,副调为反作用 调节器;主对象也为正 过程,主调为反作用调 节器 6.1.5 串级控制系统的参数整定 整定原则: 尽量加大副调节器的增益,提高副回路的频率,使主、 副回路的频率错开,以减少相互影响。 1. 逐步逼近整定法 1) 主开环、副闭环,整定副调的参数;记为 2) 副回路等效成一个环节,闭合主回路,整定主调节器参数,记为 3)观察过渡过程曲线,满足要求,所求调节器参数即为 否则,再整定副调节器参数,记为。反复进行,满意为止。 该方法适用于主、副过程时常相差不大、主、副回路动态联系密切,需反复 进行,费时较多 投运原则: 先投副环后投主环;投运过程必须保证
11、无扰动切换. 6.1.5 串级控制系统的参数整定 整定原则: 尽量加大副调节器的增益,提高副回路的频率, 使主、副回路的工作频率错开,以减少相互影响。 先整副环后整主环。 1. 逐步逼近整定法 1)主开环、副闭环,整定副调的参数;记为 2) 副回路等效成一个环节,闭合主回路,整定主调节器参数 ,记为 3)观察过渡过程曲线,满足要求,所求调节器参数即为 否则,再整定副调节器参数,记为 反复进行,满意为止。 该方法适用于主、副过程时常相差不大、主、副回路动态 联系密切,需反复进行,费时较多。 2. 两步整定法 1)主、副闭合,主调为比例,比例度为100%,先用4:1衰减 曲线法整定副调节器的参数,
12、求得比例度2S和振荡周期T2S; 2) 副调节器比例度置2S,整定主调参数,求得主回路在4 :1衰减比下的比例度1S和振荡周期T1S ;根据两种情况 下 的比例度和振荡周期,按经验公式求出主、副调节器的积 分时间和微分时间,然后再按先副后主、先比例后积分再微 分的次序投入运行,观察曲线,适当调整,满意为止。 3.一步整定法 1)根据经验确定副调节器比例度; 2)按单回路系统整定方法直接整定主调节器参数; 3)观察曲线,在约束条件下,适当调整主、副调节器的参数 ,满意为止。 思路:先根据副过程特性或经验确定副调节器的参数,然后一 步完成主调节器参数的整定。 理论依据:主、副调节器的放大系数在一定
13、范围内可以任意匹 配,即在 的条件下,当主、副过程特性一定时 , 为一常数。 4. 应用举例 硝酸生产用氧化炉,主参数:炉温,PI调节; 副参数:氨气流量,P调节; 主、副动态联系小,两步整定法。 为1001) 2)副调置于32,得主调的 3)运用计算公式得: 6.2 前馈控制系统 6.2.1 前馈控制的基本概念 干扰补偿控制:按干扰大小进行调节,克服干扰比反馈快; 理论上,可实现理想控制。 干扰F对输出Y的传递函数为 实现输出Y(s)完全不变性的条件为 前馈控制系统的补偿过程 前馈控制是按照干扰作用的大小进行控制的,如控制作 用恰到好处,一般比反馈控制要及时。 前馈控制与反馈控制的比较: 6
14、.2.2 前馈控制的特点及局限性 1.前馈控制的特点 1)开环控制;2)比反馈控制及时; 3)补偿器为专用调节器 2.前馈控制的局限性:无法实现对全部干扰的完全补偿 1)只能抑制可测干扰; 2)不能对每个干扰实现补偿; 3)补偿器难以精确得到,即使得到有时物理上也难以实现. 结论:不能单独使用 6.2.3 静态补偿与动态补偿 1.静态补偿 该补偿器用比例调节器即可实现 2. 动态补偿 由于精确模型难以得到或难以实现,只有要求严格控制 动态偏差时才采用。 6.2.4 前馈反馈复合控制 作用机理分析: 对干扰F的完全补偿条件为 设计步骤:1)独立设计反馈控制系统; 2)再根据不变性原理设计前馈补偿
15、器. 复合控制系统的特征方程式: 与GB(s)无关。 6.2.5 引入前馈的原则及应用实例 1.引入前馈控制的原则 1)系统存在频率高、幅值大、可测不可控的干扰,反馈 控制难以克服、控制要求高时; 2)控制通道时常大于干扰通道时常,反馈控制不及时,控 制质量差; 4)尽可能采用静态补偿而不采用动态补偿。 3)主要干扰无法用串级控制使其包含于副回路或副回路滞 后过大时; 6.2.5 引入前馈的原则及应用实例 2.复合控制系统应用实例 (1)蒸发过程的浓度控制 5073葡萄糖液 被控参数:溶液沸点和水沸点之温差 影响温差的主要因素:进料溶液浓度、 温度、流量,加热蒸汽压力、流量等. 方案: 复合控制 蒸汽流量为前馈信号 温差为反馈信号 进料溶液为控制参数 进料 (2)锅炉汽包水位控制 被控参数:汽包水位 影响因素: 蒸汽用量(不可控) 给水流量(选为控制参数) 解决方案:蒸汽流量为前馈信号,给水流量为副参数, 水位为主参数前馈反馈串级控制 问题:“虚假水位” 影响控制效果。 本章结束,谢谢!
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