复合控制系统详解ppt课件.ppt

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1、第十三章 自动控制系统,13-1 简单控制系统13-2 复合控制系统13-3计算机控制系统,13-1 单回路控制系统,一、被控变量的选取,1、选择对产品产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护等具有决定作用的，可直接测量的工艺参数作为被控变量。2、当不能用直接参数作为被控变量时，应选择与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控变量。3、被控变量必须具有足够大的灵敏度。4、被控变量的选取，必须考虑工艺过程的合理性和所采用的测量仪表的性能。,二、操作量的选取,1、对象静态特性对控制质量的影响主要指对象控制通道或干扰通道的静态放大系数对控制质量的影响。2、对象动态特性对控制质量的影响（1）干扰通道动

2、态特性的影响,（2）控制通道动态特性的影响（3）选择控制参数的一般原则 （a）选择控制通道的静态放大系数 要适当大一些，时间常数要适当小一些，纯滞后时间则愈小愈好；（b）选择干扰通道的静态放大系数 应尽可能小，时间常数 愈大，干扰引入系统的位置离被控变量愈远，控制质量愈高；（c）当广义对象的控制通道由数个一阶惯性环节组成时，为了提高系统的品质指标，应尽量使各环节时间常数错开，即使 减少， 增加，系统稳定；（d）应注意工艺上是允许的控制变量。,三、控制规律的选择,（一）选择原则主要根据广义对象（包括加热、加湿等装置）特性、负荷变化状况（大小、速度）、主要干扰和对控制品质的要求等方面。（二）线性控

3、制规律的选择1、比例控制（P）2、比例积分控制（PI）3、比例微分控制4、比例积分微分控制,四、控制系统的调整,1、经验试凑法（1）将T1放在最大位置上，TD放在最小位置上（即TD=0），从大到小改变比例带直到得到较好的调节过程曲线。（2）将上述比例带放大到1.2倍，从大到小改变积分时间，以求得较好的控制过程曲线。（3）积分时间T1保持不变，改变（增大或减小）比例带，观察控制过程曲线是否改善，则继续调整比例带减小一些，再变更积分时间，以改善调节过程曲线。如此多次反复，直至找到合适的比例带和积分时间。（4）初步整定和T1值之后，引入微分时间TD，引入微分后可适当减小比例带和几分时间，设置微分时间

4、为积分时间的1/61/4。观察控制过程曲线，还可适当调整比例带、积分时间和微分时间。,2、临界比例带法,当控制系统在纯比例控制作用下，开始作周期性的等幅振荡时，称调节系统处于“临界振荡”状态。此时控制器的比例带称“临界比例带”，以 表示，此时的振荡周期为临界周期，以 表示。整定步骤：（1）将T1放在最大位置上，微分时间放在最小位置上（即TD=0）， 取最大值，逐步减小 ，直至被调量的记录曲线出现等幅振荡为止，这时得到临界比例带 和临界周期 。（2）在表13-4中，根据 、 之值，可计算求得控制器各参数值 、T1和TD（3）在控制器上，取稍大于求的比例带值，再依次调整所需的积分和微分时间，最后把

5、比例带放在上述计算值；若被调量记录曲线不符合要求，在适当调整控制器的参数。,3、相应曲线法,根据对象阶跃反应曲线进行的，不需要反复试凑，整定事件短，尤其适用于对象特性已经掌握的情况。,13-2 多回路控制系统,一、串级控制系统,解决办法：再加入一个蒸汽流量控制系统，可控制流量稳定 ？,问题：两套控制系统不能协调，甚至出现矛盾 温度控制系统要求增加或减小蒸汽流量，而流量控制系统却只能根据事先的流量设定值进行定值控制。,13-2-1串级控制系统例1,串级控制系统：两套控制系统的协调控制,13-2-1,13-2-1,温度控制器,流量控制器,控制阀,流量变送器,形成两个环: 副环或副回路“ 粗调”作用

6、 主环或主回路“ 细调”作用 主环，定值控制系统，给定值由工艺设定，主控制器输出作为副控制器的设定 副环，随动控制系统，给定值由主控制器输出给定，副控制器输出控制控制阀副环中有副调节器、副变送器、副对象以及调节阀主环中有主调节器、主变送器、主对象，无调节阀,13-2-1,13-2-1,串级控制系统工作过程, 情况1: 副环内出现干扰, 情况2:主环内出现干扰, 情况3:主环和副环同时出现干扰,蒸汽,进料, 情况1: 副环内出现干扰,流量控制器：“粗调” 温度控制器：“细调”,13-2-1,蒸汽流量突然增大（一段时间：提馏段温度不变，温度控制器输出不变，流量控制器设定值不变，但流量测量增大（流量

7、控制器正偏差，流量控制器输出减小，控制阀关小）蒸汽流量减小，削弱对提馏段温度的影响） 提馏段温度缓慢上升（温度控制器正偏差，温度控制器输出减小，输出到流量控制器的设定值减小）流量控制器设定值减小，流量控制阀开度进一步减小。, 情况2: 主环内出现干扰,进料量突然增大，塔釜液位上升，提馏段温度下降温度控制器负偏差，输出增大（流量控制器负偏差，流量控制器输出增大，控制阀开度增大，蒸汽量增加）提馏段温度回升,13-2-1,2.1,概述,情况3: 主环和副环同时,（1）副环干扰使蒸汽流量增大， 主环干扰使提馏段温度降低；,（1）副环干扰使蒸汽流量增大， 主环干扰使提馏段温度升高。,sp,sp,2.1,

8、概述,串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，控制质量优于单回路控制系统，并且，实现方便，生产过程中应用比较普遍。,温度控制器：“细调”,结论：,流量控制器：“粗调”,13-2-1,控制方案,电动仪表、气动仪表（很少用）、计算机,（1）一般的串级方案,（2）能实现主控 串级切换的串级方案,2.2.2,串级控制系统的实施,主变量是生产工艺的主要操作指标，要求比较严格，一般不允许有余差 副变量是粗调，一般要求不严格，允许有波动和余差；主控制器（定值控制）一般选择比例积分控制规律，有时为了克服对象滞后，也加入微分作用；副控制器（随动控制）力求快速反应，所以，一般不加入积分作用，只选择比例控制规律；

9、只要主控制器有积分规律，主变量就可以保证没有余差，不管干扰出现在什么位置。,（1）主、副控制器控制规律的选择,2.2.2,串级控制系统的实施,选择顺序：先副后主 副控制器：副回路按单回路独立考虑，与主回路没有关系 即从稳定性考虑，开环放大倍数必须为“负” 要求，知道副对象的符号，以及控制阀的符号 主控制器：考虑主环内各个环节的符号情况 主控制器、主对象，以及副回路。 副回路可以看作是一个符号为“正”的环节 随动系统，跟踪主控制器的输出。,（2）主、副控制器正反作用的选择,串级控制系统的实施,副控制器： 控制阀选“气开”式正 副对象，压力对象，阀门开大，负，反作用 压力上升正 变送器一般均为正主

10、控制器： 副环正 主对象，温度对象， 燃料压力增大时，燃料量增加，负，反作用 出口温度上升正,串级控制系统的实施,例3,精馏塔提馏段温度与再沸器加热蒸汽流量串级控制系统,2.2.2,串级控制系统的实施,副控制器： 控制阀选“气闭”式负 正对象，流量对象，阀门开大， 流量增大正 变送器一般均为正主控制器： 副环正 主对象，温度对象， 蒸汽流量增大时，加热量增加， 提馏段温度上升正,2.2.2,串级控制系统的实施,结论,（1）主控制器的正、反作用与阀的开、闭形式无关；,（2）直接先确定主控的正反作用。,2.2.2,串级控制系统的实施,串级主控：用主控制器代替原副控制器的输出，直接控制控制阀 主控串

11、级：用副控制器代替原主控制器的输出，直接控制控制阀 无论哪种切换，必须保证阀的控制方向正确直接切换条件,（3）串级与主控的切换条件,2.3.1,串级控制系统的投运, 投运步骤,4、调节主控制器手操输出，使副控制器的偏差为零5、分别将副、主控制器切入自动,1、主、副控制器手动位置，主控制器内给定、副控制器外给定，正反作用正确，PID参数正确,2、副控制器手动操作,3、通过副参数的变化，使主参数接近给定值，而副参数变化也比较平稳,2.3.2,串级控制系统的工程整定方法,逐步逼近法、两步法、一步法，先副环，后主环, 两步法,主环控制器比例度100%，积分时间最大，微分时间最小， 按 4：1整定方法直

12、接整定副环，确定副环4：1振荡过程 时的比例度和振荡周期；,放好副控制器4：1的比例度，积分时间最大，微分时间最小， 同样方法整定主控制器，确定副环4：1振荡过程时的比例度和 振荡周期；,分两步整定两个控制器,按照得到的四个参数，可按单回路系统的公式计算PID参数；,先副后主、先比例次积分后微分投入，再小范围调整。,特别是干扰出现在副环内的时候，相当于两个控制器进行控制，副“粗调”，主“细调”，副环起到超前调节的作用 据统计，当干扰作用于副环时，控制质量可提高10100倍，干扰作用于主环时，也可提高25倍,例：精馏塔提馏段温度控制系统 1）副环干扰 2）主环干扰,2.4,串级控制系统的特点,（

13、2）串级控制系统具有较强的抗干扰能力,2.4,串级控制系统的特点,（3）串级系统具有一定的自适应能力,自适应问题：控制器的参数往往是根据一定的控制对象设置的， 当控制对象特性发生变化时（非线性特性，操作条件变化、负 荷变化），原来好的控制器参数就变得不好了（不适应了） 串级系统中，副控制系统是随动系统，主控制器可根据操作条件的变化，不断修改副控制器的给定值自适应能力 “能力有限”，自适应控制（现代控制技术）,2.5,串级系统副回路的设计,串级系统的关键在于副环的设计 设计合理，能有效发挥串级系统的优势 设计不合理，失去了串级的意义，而使控制系统复杂化 关键：对工艺进行细致的分析,包含有两方面的

14、内容:,1) 主参数的确定,2) 副参数的确定,2.5,串级系统副回路的设计,设计原则,（1） 使副环包含系统的主要干扰,副环具有快速抗干扰的能力,（2） 使副环包含更多的干扰,系统干扰较多且难于分出主要干扰,2.5,串级系统副回路的设计,例5,加热炉出口温度控制系统,A）炉出口温度与燃料压力串级方案,燃料压力波动,2.5,串级系统副回路的设计,例6,加热炉出口温度控制系统,B）炉出口温度与炉膛温度串级方案,燃料组成波动,2.5,串级系统副回路的设计,另外，还要考虑副环离主变量的“远、近”问题,非线性使对象特性发生畸变，因此使系统“不适应” 副环是个随动系统，具有一定的自适应能力，因此，可以使

15、控制系统在一定程度上克服非线性的影响,（3） 应使非线性环节尽量包含在副环中,2.5,串级系统副回路的设计,例 7,醋酸乙烯合成反应器反应温度控制系统,把换热器这个非线性干扰环节设计在副环中，对主参数的控制具有一定的帮助。,2.5,串级系统副回路的设计,图 化纤厂纺丝胶液压力控制系统，串级系统有效地克服胶液传送纯滞后。,（4）当对象具有较大的纯滞后时，应使副环尽量少包含或不包含纯滞后,尽量将纯滞后放到主对象中，以提高副回路的快速抗干扰能力。,（5）虑主、副对象时间常数的匹配，防止“共振”发生,共振：在主、副回路振荡频率范围内，其信号相互影响，相互增幅。 原因： 主副回路的工作频率接近,2.5,

16、串级系统副回路的设计,（6） 考虑方案的经济性、工艺的合理性,2.5,串级系统副回路的设计,图 丙烯冷却器两种不同串级控制方案,前馈-反馈控制系统,13-2-2,FFC按负荷F的变化校正蒸汽量Fs,FBC根据温度偏差，对蒸汽量Fs进行进一步校正。,FFC与FBC作用叠加，又称复合控制系统。,前馈控制系统的特点,前馈控制系统的特点,被控变量的偏差,干扰量的大小,被控变量,干扰量,偏差出现后,偏差出现前,前馈控制系统的特点,缺点,3-2 前馈控制系统基础知识,精馏塔的动态前馈控制某精馏塔的动态前馈控制系统及其控制方框图。其中输出物料浓度为被控制对象，蒸汽流量为控制量，物料流量为系统的主要干扰因素。

17、,(具体内容请参阅教材),T2C,T1C,Gff,+,TC,燃油,燃油,原料油,原料油,(a)串级控制系统,(b)前馈反馈控制系统,图514 加热炉的两种控制系统,前馈-反馈与串级控制系统的区别：,比值控制,问题的提出：在工业生产过程中，要求两种或多种物料流量成一定比例关系，要求严格控制比例。,基本概念：,比值控制系统（流量比值控制系统）：实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统。主物料或主动量：在保持比例关系的两种物料中处于主导地位的物料，称为主物料；表征主物料的参数，称为主动量（主流量），用F1表示。,比值控制系统的类型,开环比值控制系统单闭环比值控制系统双闭环比值控制系统变比值比

18、值控制系统串级和比值混合系统,开环比值控制系统,随着F1的变化，F2跟着变化，满足F2=KF1的要求（阀门开度与F1之间成一定的比例关系。,FC,F1,F2,控制器,控制阀,对象,测量变送,F1,F2,-,单闭环比值控制,增加一个副流量闭环控制系统,K,F1,F2,FC,单闭环比值控制,双闭环比值控制系统,增设了主流量控制回路,K,F1,F2,F2C,F1C,双闭环比值控制系统,双闭环比值控制系统工作原理,主动量控制回路克服主动量扰动，实现定值控制；从动量控制回路克服从动量扰动，实现随动控制；当扰动消除后，主、从动量都回到原设定值上，其比值不变。,工业应用：自来水消毒的比值控制,变比值控制系统

19、,变比值控制系统：按照工艺指标自行修正比值系数的变化值。,F1,F2,FfC,XC,R,以某种质量指标X（第三参数）为主变量，以两个流量比为副变量的串级控制系统。,X,主控制器,控制阀,流量对象,测量变送2,F1,F2,-,比值控制器,主对象,测量变送1,除法器,测量变送,-,X,由第三参数修正比值，属于变比值控制。,氧化炉温度对氨气/空气串级比值控制系统,混合,TC,FfC,空气,氨气,稳定氧化炉的关键条件是氧化炉温度,氨氧化生成一氧化氮，同时放出大量的热量。,当氨气在混合器中含量增加1%，氧化炉温度将上升64.9度。,第三参数是氧化炉温度,串级和比值控制混合系统,要求主流量随另一参数的需要而改变，属于定比值控制。,主、副流量控制回路对液位控制器的动态响应一致，保证动态比值恒定。,两物料进入反应器流程,两物料组成双闭环比值控制，而反应器液面需要恒定,除了比值恒定，还要求反应器中液位恒定,双闭环比值控制系统流程图,K,FA,FB,F2C,F1C,I0,