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1、1,华北电力大学 可再生能源学院 能源工程及自动化教研室 华北电力大学 太阳能中心,授课教师:朱红路,化工仪表及过程控制 第七章 复杂控制系统,2,内容提要,串级控制系统 串级控制系统概述 串级控制系统的特点及应用 主、副控制器控制规律的选择 主、副控制器正反作用的选择 控制器参数工程整定与系统投运 其他复杂控制系统 均匀控制系统,3,内容提要,比值控制系统 前馈控制系统 分程控制系统 选择控制系统,4,概述,根据系统的结构和所担负的任务,5,6,7,8,一、串级控制系统概述,当对象的滞后较大,干扰比较剧烈、频繁时,可考虑采用串级控制系统。,图7-1 管式加热炉出口温度控制系统,第一节 串级控
2、制系统,9,在实际生产过程中,特别是当加热炉的燃料压力或燃料本身的热值有较大波动时,该简单控制系统的控制质量往往很差,原料油的出口温度波动较大,难以满足生产上的要求。,根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度,第一节 串级控制系统,图7-1 管式加热炉出口温度控制系统,10,11,以原料油出口温度为主要被控变量的炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统,图7-2 管式加热炉出口温度串级控制系统,12,以原料油出口温度为主要被控变量的炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统,图7-3 管式加热炉出口温度串级控制系统的方框图,13,在上述控制系统中,有两个控制器T1C和T2C,接收来自对象不同部位的测量信号
3、1和2。T1C的输出作为T2C的给定值,而后者的输出去控制执行器以改变操纵变量。从系统的结构看,这两个控制器是串接工作的。,几个串级控制系统中常用的名词,14,15,16,图7-4 串级控制系统典型方块图,17,二、串级控制系统的特点及应用,1.系统的结构,串级控制系统有两个闭合回路。主回路是个定值控制系统, 副回路是个随动系统。 在串级控制系统中,主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺参数。副变量的引入往往是为了提高主变量的控制质量,它是基于主,副变量之间具有一定的内在关系而工作的。,18,选择串级控制系统的副变量一般有两类情况: 一类情况是选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为
4、副变量; 另一类选择的副变量就是操纵变量本身,这样能及时克服它的波动,减小对主变量的影响。,19,(1)干扰作用于副回路,F2引起2变化,控制器T2C及时进行控制,使其很快稳定下来; 如果干扰量小,经过副回路控制后,F2一般影响不到温度1; 如果干扰量大,其大部分影响为副回路所克服, 波及到被控变量温度1再由主回路进一步控制, 彻底消除干扰的影响,使被控变量回复到给定值。,16,2.串级控制系统的工作过程,20,21,(2)干扰作用于主回路,正 气开,反,反,22,(3)干扰同时作用于副回路和主对象,在干扰作用下,主、副变量的变化方向相同。,23,主、副变量的变化方向相反,一个增加,另一个减小
5、。,24,25,3.自适应能力,由于增加了副回路,使串级控制系统具有一定的自适应能力,可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。 当对象的滞后和时间常数很大,干扰作用强而频繁,负荷变化大,简单控制系统满足不了要求时,使用串级控制系统是合适的,尤其是当主要干扰来自控制阀方面时,选择控制介质的流量或压力作为副变量来构成串级控制系统是很适宜的。,26,副回路的设计应该遵循的原则 主、副变量间应有一定的内在联系 应该使系统的主要干扰被包围在副回路中 应使副环包括尽可能多的次要干扰 副变量的选择应注意到主、副对象时间常数的匹配,以避免“共振”的发生。一般,主副对象时间常数之比为3-10 当对象具有较大的纯滞
6、后而影响控制质量时,应使副回路尽量少包含或者不包含纯滞后,27,三、主、副控制器控制规律的选择,28,表7-1 主、副变量不同时应选用的控制规律,29,四、主、副控制器正反作用的选择,串级控制系统中的副控制器作用方向的选择,根据工艺安全等要求,选定执行器的气开、气关形式后,按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定。,1.副控制器作用方向的选择,30,例如图7-2所示的管式加热炉温度-温度串级控制系统中的副回路。,气源中断,停止供给燃料油时,执行器选气开阀, “正”方向。 燃料量加大时,炉膛温度2(副变量)增加,副对象 “正”方向。 为使副回路构成一个负反馈系统,副控制器T2C选择“反”
7、方向。,31,当主、副变量增加(减小)时,如果由工艺分析得出,为使主、副变量减小(增加),要求控制阀的动作方向是一致的时候,主控制器应选“反”作用;反之,则应选“正”作用。,2. 主控制器作用方向的选择,32,例如图7-2所示的管式加热炉串级控制系统。,主变量1或副变量2增加时,都要求关小控制阀,减少供给的燃料量,才能使1或2降下来,所以此时主控制器T1C应确定为反作用方向。,33,五、控制器参数整定与系统投运,串级控制系统主、副控制器的参数整定的两种方法。,1.两步整定法,按照串级控制系统主、副回路的情况,先整定副控制器,后整定主控制器的方法。,34,(1)在工况稳定,主、副控制器都在纯比例
8、作用运行的条件下,将主控制器的比例度先固定在100的刻度上,逐渐减小副控制器的比例度,求取副回路在满足某种衰减比(如41)过渡过程下的副控制器比例度和操作周期,分别用2s和T2s表示。 (2)在副控制器比例度等于2s的条件下,逐步减小主控制器的比例度,直至得到同样衰减比下的过渡过程,记下此时主控制器的比例度1s和操作周期T1s。,整定过程,35,(3)根据上面得到的1s、T1s、2s、T2s,按衰减曲线法的规定关系计算主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。 (4)按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定规律,将计算出的控制器参数加到控制器上。 (5)观察控制过程,适当调整,直到获得满意
9、的过渡过程。,36,共振问题,如果主、副对象时间常数相差不大,动态联系密切,可能会出现“共振”现象。,可适当减小副控制器比例度或积分时间,以达到减小副回路操作周期的目的。同理,可以加大主控制器的比例度或积分时间,以期增大主回路操作周期,使主、副回路的操作周期之比加大,避免“共振”。,如果主、副对象特性太接近,就不能完全靠控制器参数的改变来避免“共振”了。,37,2.一步整定法,副控制器的参数按经验直接确定,主控制器的参数按简单控制系统整定。,38,表 7-1 采用一步整定法时副变量的选择范围,实践证明,这种整定方法,对于对主变量要求较高,而对副变量没有什么要求或要求不严,允许它在一定范围内变化
10、的串级控制系统,是很有效的。,39,一步整定法的整定步骤:,(1)在生产正常,系统为纯比例运行的条件下,按照表7-1所列的数据,将副控制器比例度调到某一适当的数值。 (2)利用简单控制系统中任一种参数整定方法整定主控制器的参数。 (3)如果出现“共振”现象,可加大主控制器或减小副控制器的参数整定值,一般即能消除。,40,第二节 其他复杂控制系统,一、均匀控制系统,甲塔:为了稳定操作需保持塔釜液位稳定,必然频繁地改变塔底的排出量。,乙塔:从稳定操作要求出发,希望进料量尽量不变或少变。,甲、乙两塔间的供求关系出现了矛盾。,为了解决前后工序供求矛盾,达到前后兼顾协调操作,使液位和流量均匀变化,组成的
11、系统称为均匀控制系统。,1.均匀控制的目的,41,均匀控制的要求,(1)两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化的。 (2)前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内波动。,第二节 其他复杂控制系统,42,2.均匀控制方案,图13-9 简单均匀控制,(1)简单均匀控制,第二节 其他复杂控制系统,43,(2)串级均匀控制,可在简单均匀控制方案基础上增加一个流量副回路,即构成串级均匀控制。,参数整定的方法,图13-10 串级均匀控制,第二节 其他复杂控制系统,44,特点,由于增加了副回路,可以及时克服由于塔内或排出端压力改变所引起的流量变化。,串级均匀控制系统协调两个变量间的关系是通过控制
12、器参数整定来实现的。,在串级均匀控制系统中,参数整定的目的不是使变量尽快地回到给定值,而是要求变量在允许的范围内作缓慢的变化。,第二节 其他复杂控制系统,45,二、比值控制系统,工业上为了保持两种或两种以上物料的比值为一定的控制叫比值控制。,第二节 其他复杂控制系统,46,1.开环比值控制,比值控制系统的类型:,从物料量Q2与主物料量Q1的比值关系为,图13-11 开环比值控制,第二节 其他复杂控制系统,47,结构简单,只需一台纯比例控制器,其比例度可以根据比值要求来设定。 主、副流量均开环; 这种比值控制方案对从物料量Q2本身无抗干扰能力。所以这种系统只能适用于副流量较平稳且比值要求不高的场
13、合。,特点,第二节 其他复杂控制系统,48,2.单闭环比值控制,单闭环比值控制系统是为了克服开环比值控制方案的不足,在开环比值控制系统的基础上,通过增加一个副流量的闭环控制系统而组成的。,图13-12 单闭环比值控制,这种方案的优点是结构简单,能确保两流量比值不变,是应用最多的方案。,第二节 其他复杂控制系统,49,第二节 其他复杂控制系统,50,双闭环比值控制系统,优点: 比值 可控制主物料流量 提升负荷比较方便 适用于主流量干扰频繁、工艺上不允许负荷有较大波动或需要经常调整负荷的场合。,缺点: 结构复杂、仪表多、投资大 系统调整比较麻烦,51,3.变比值控制系统,要求两种物料的比值能灵活地
14、随第三参数的需要而加以调整,这样就出现一种变比值控制系统。,图13-13 变比值控制系统,第二节 其他复杂控制系统,52,三、前馈控制系统,反馈与前馈,图13-14 换热器的反馈控制,图13-15 换热器的前馈控制,第二节 其他复杂控制系统,53,反馈控制与前馈控制比较,不论什么干扰,只要引起被控变量变化,都可以进行控制,这是反馈控制的优点。 前馈控制是一种按扰动变化大小进行控制的系统,控制作用在扰动发生的同时就产生, 这就是前馈控制的主要特点。 往往用“前馈”来克服主要干扰,再用“反馈”来克服其他干扰,组成“复合”的前馈-反馈控制系统。,第二节 其他复杂控制系统,54,图13-16 换热器的
15、前馈-反馈控制,用前馈控制来克服由于进料量波动对被控变量的影响,而用温度控制器的控制作用来克服其他干扰对被控变量的影响,前馈与反馈控制作用相加,共同改变加热蒸汽量,以使出料温度维持在给定值上。,第二节 其他复杂控制系统,55,干扰幅值大而频繁,对被控变量影响剧烈,仅用反馈控制达不到要求 主要干扰是可测而不可控的变量 当对象的控制通道滞后大,反馈控制不及时,控制质量差时,第二节 其他复杂控制系统,56,四、选择性控制系统,一般控制系统,都是在正常工况下工作的。当生产不正常时,通常的处理办法有两种,一种是改用手动遥控;另一种是联锁保护紧急停车,防止事故发生,即所谓硬限控制。由于硬限控制对生产和操作
16、都不利,近年来采用了安全软限控制。,第二节 其他复杂控制系统,57,生产的软限措施 当一个变量将要达到危险值时,就适当降低生产要求,让它暂时维持生产,并逐渐调整生产,使之朝正常工况发展。实现软限控制系统,称为取代控制系统,又称为选择性控制系统。,第二节 其他复杂控制系统,58,图13-18 辅助锅炉压力取代控制系统,50,第二节 其他复杂控制系统,59,积分饱和及其防止,积分饱和的产生条件 控制器具有积分作用 控制器处于开环工作状态 控制器的输入偏差信号长期存在 主要危害 输出达到极限值,控制阀停留在极限位置,导致调节缓慢,当被选择器选择时,不能及时发生作用 解决方案 限幅法 积分切除法,60
17、,五、分程控制系统,分程控制就是由一只调节器的输出信号控制两只或更多只控制阀,每只控制阀在控制器输出信号的某段范围内工作。,图13-19 分程控制示意框图,第二节 其他复杂控制系统,61,从控制系统的结构来看,分程控制属于单回路的定值控制系统,其控制过程与简单控制系统一样。,分程控制系统常用的应用场合:,1.生产中需用多种物料作调节介质的过程,图13-20 热交换器温度分程控制,采用热水与蒸汽两种不同物料作为调节介质,在一般控制系统中难于实现,但在分程控制系统中,不仅充分利用了热水,而且节省了蒸汽。,第二节 其他复杂控制系统,62,2.用来保证在不同负荷下的正常控制 有时生产过程负荷变化很大,
18、要求有较大范围的流量变化。若用一个控制阀,由于控制阀的可调范围R是有限的,当最大流量和最小流量相差太悬殊时,就会降低控制系统的控制质量, 这时可采用分程控制系统。,图13-21 阀门动作示意图,图13-22 分程控制,第二节 其他复杂控制系统,63,3.用以补充控制手段维持安全生产 有些生产过程在接近事故状态或某个参数达到极限值时,应当改变正常的控制手段,采用补充手段或放空来维持安全生产。一般控制系统很难兼顾正常与事故两种不同状态。 采用分程控制系统,用不同的阀门,分别使用在控制器输出信号的不同范围内,就可保证在正常或事故状态下,系统都能安全运行。,第二节 其他复杂控制系统,64,多冲量控制系
19、统指在控制系统中,有多个变量信号,经过一定的运算后,共同控制一台执行器,以使某个被控的工艺变量有较高的控制质量。,多冲量控制系统在锅炉给水系统控制中应用比较广泛。主要用来自动控制锅炉的给水量,使其适应蒸发量的变化,维持汽包水位在允许的范围内。,定义,适用范围,六、多冲量控制系统,第二节 其他复杂控制系统,65,1.单冲量液位控制系统,易根据“假液位”引起控制系统的误动作。,图13-23 单冲量控制系统,第二节 其他复杂控制系统,66,2.双冲量液位控制系统,双冲量液位信号和蒸汽流量信号,从结构上看,它实际上是一个前馈 -反馈控制系统。,当供水压力扰动比较频繁时,该系统的控制质量较差。,图13-24 双冲量控制系统,第二节 其他复杂控制系统,67,3.三冲量液位控制系统,图13-25 三冲量控制系统,该系统除了液位、蒸汽流量信号外,再增加一个给水流量的信号。它有助于及时克服由于供水压力波动而引起的汽包液位的变化。,第二节 其他复杂控制系统,
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