环境工程仿真模拟第四章复杂控制系统

1环境工程仿真与控制第四章复杂控制系统2第四章复杂控制系统单回路控制系统简单控制系统，最基本、最广泛复杂控制系统串级、比值、前馈、均匀、分程、选择控制等34.1串级控制系统结构与原理由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值。第四章复杂控制系统44.1串级控制系统结构与原理第四章复杂控制系统E-1V-2TCTT原料燃料加热炉SP被控变量——加热炉出口温度燃料气压力扰动时？54.1串级控制系统结构与原理第四章复杂控制系统加热炉出口温度进料负荷扰动时？E-2V-3FC燃料加热炉FT64.1串级控制系统结构与原理第四章复杂控制系统进料负荷扰动时？燃料气压力扰动时？E-3V-4FC原料燃料加热炉FTTCTT被控变量——加热炉出口温度74.1串级控制系统结构与原理Gc1(s)Gc2(s)Gv(s)Gp2(s)Gp1(s)Gm2(s)Gm1(s)R1(s)+-+-Z1(s)Z2(s)Y2(s)Y1(s)U1(s)=R2(s)U2(s)主被控变量副被控变量副控制器主控制器副被控对象主被控对象副控制回路主控制回路第四章复杂控制系统E-3V-4FC原料燃料加热炉FTTCTT第四章复杂控制系统84.1串级控制系统仿真与分析94.1串级控制系统仿真与分析主控副控调节阀副对象主对象测量压力测量温度+-+-燃料气压力出口温度第四章复杂控制系统104.1串级控制系统特点1）主控制器的输出是副控制器的设定；2）由两个控制器、两个检测变送器、一个执行器组成；3）主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统。第四章复杂控制系统114.1串级控制系统特点4）能迅速克服进入副回路干扰的影响，在设计串级控制系统时，应使主要扰动进入副回路，使尽量多的扰动进入副回路。第四章复杂控制系统124.1串级控制系统应用实例时间常数较大的过程（污水厌氧处理）：主被控变量T1（去反应器温度）副被控变量T2（热水仓温度）进厌氧反应器的废水温度串级控制第四章复杂控制系统134.1串级控制系统应用实例纯滞后时间较大的过程（物料浸取过程）：浸取过程网前箱温度串级控制第四章复杂控制系统144.1串级控制系统应用实例扰动幅度大且变化大的过程（石灰石-石膏湿法脱硫）：主被控变量D（浆液密度）副被控变量W（给料机速率）石灰石浆液密度串级控制系统DTDCWTWC第四章复杂控制系统154.1串级控制系统应用实例参数互相关联的过程（精馏塔温度）：主被控变量T1（塔中温度）副被控变量T2（塔顶温度）塔顶温度和塔中温度的串级控制第四章复杂控制系统164.1串级控制系统主、副控制器的选择主控制器：PI或PID；副控制器：P或PI。主控制器要采用PI，才能保证系统无余差。第四章复杂控制系统174.1串级控制系统主、副控制器正反作用的选择副环可近似为1：1环节Gc1(s)Gc2(s)Gv(s)Gp2(s)Gp1(s)Gm2(s)Gm1(s)R1(s)+-+-Y1(s)F2(s)Gc1(s)Gc2(s)Gv(s)Gp2(s)Gp1(s)Gm2(s)Gm1(s)R1(s)+-+-Y1(s)F2(s)第四章复杂控制系统184.1串级控制系统主、副控制器正反作用的选择1）根据副回路负反馈原则，判断副控制器的正反作用；2）将副回路看作1：1环节，根据主回路负反馈原则，判断主控制器的正反作用。第四章复杂控制系统194.1串级控制系统主、副控制器正反作用的选择1）根据副回路负反馈原则，判断副控制器的正反作用；2）将副回路看作1：1环节，根据主回路负反馈原则，判断主控制器的正反作用。第四章复杂控制系统第四章复杂控制系统204.1串级控制系统画出串级控制系统的控制框图；主控制器LC应为作用副控制器FC应为作用1＃2＃LTLC气关FTFC214.1串级控制系统溶解氧DO浓度和鼓风机风量串级控制第四章复杂控制系统224.2前馈控制系统结构与原理反馈：只有出现偏差时才进行调节；前馈：在偏差还未出现之前把扰动的影响消除。第四章复杂控制系统234.2前馈控制系统结构与原理第四章复杂控制系统244.2前馈控制系统结构与原理0)()()()()(sFsGsGsGsYFoFF)()()(sGsGsGoFFFoFFFKKK第四章复杂控制系统254.2前馈控制系统结构与原理前馈：（开环）GvGpYFGmfGFGFF1121sTsTKGKGFFFFFFFFFF动态补偿：静态补偿：第四章复杂控制系统264.2前馈控制系统结构与原理前馈—反馈（闭环）GcGvGpGm+-YFGmfGFGFF第四章复杂控制系统第四章复杂控制系统274.2前馈控制系统仿真与分析物料蒸汽物料蒸汽284.2前馈控制系统适用情况1）扰动变量可测不可控；2）扰动变化频繁，幅度变化大；3）扰动变量对被控变量影响大。第四章复杂控制系统294.2前馈控制系统比较反馈控制前馈控制被测变量被控变量扰动量控制器输入偏差被测的扰动量控制规律的实现可精确控制有时只能近似控制回路闭环开环克服干扰可克服多个干扰克服特定干扰典型控制器P、PI、PID超前——滞后环节控制作用在过程受扰动影响之后在过程受扰动影响之前第四章复杂控制系统304.2前馈控制系统应用实例——液位控制（锅炉汽包液位）锅炉汽包液位三冲量控制系统示意图主被控变量（汽包液位）副被控变量（给水流量）前馈（蒸汽流量）第四章复杂控制系统314.2前馈控制系统应用实例——浓度控制（蒸发过程）蒸发过程前馈－反馈控制系统示意图主被控变量（溶液沸点与水沸点之差，与溶质含量相关）前馈（蒸汽流量）第四章复杂控制系统324.2前馈控制系统应用实例——温度控制（连续消毒塔温度）连续消毒塔温度前馈－反馈控制系统示意图主被控变量（消毒塔出口温度）前馈（蒸汽压力）第四章复杂控制系统334.2前馈控制系统原油污水处理装置污水浓度前馈—串级反馈控制第四章复杂控制系统344.3比值控制系统结构与原理控制两个物料比值的控制系统；一个物料流量（从动量）跟随另一各物料流量（主动量）变化。第四章复杂控制系统354.3比值控制系统结构与原理开环比值控制系统第四章复杂控制系统364.3比值控制系统结构与原理单闭环比值控制系统Gc2Gv2Gp2Gm2GY+-F2Gm1F1k第四章复杂控制系统第四章复杂控制系统374.3比值控制系统结构与原理双闭环比值控制系统（变比值控制系统）Gc2Gv2Gp2Gm2GY+-F2GcGc1Gv1Gp1Gm1+-F1k384.3比值控制系统分类情况按结构分类：开环、闭环（单闭环，双闭环）；按实施方案分类：乘法、除法；按比值分类：定比值、变比值。第四章复杂控制系统394.3比值控制系统主动量与从动量的选择1）主动量通常可测不可控；2）主动量可能会供应不足；3）从安全角度出发选择主与从；4）从动量通常可测可控；5）从动量一般供应有余。第四章复杂控制系统404.3比值控制系统自来水消毒装置的水氯比值控制主动量从动量第四章复杂控制系统414.3比值控制系统硫磺回收装置的燃料气/酸性气/空气比值控制HIC3504AHIC3504BFIC3502燃料气FFY3504AFFY3504BFY3504AFRA3503FRA3504FRCA3505ARC3501AAT3501AFT3502FT3503FT3504FT3505AT3501酸性气空气/燃料气(比率，可调)空气/酸性气(比率，可调)×××+空气（主）空气（微）过程气SPSP主燃烧炉废热锅炉和冷却器CLAUSE反应器SCOT反应器吸收塔焚烧炉烟囱液硫池酸性气空气过程气SO2+H2S过程气净化尾气排入大气尾气液S液S液S大部分H2S被吸收SO2被还原为H2S主动量（开车）主动量（正常）从动量第四章复杂控制系统424.4均匀控制系统结构与原理均匀控制是指对两个被控变量的兼顾。第四章复杂控制系统434.4均匀控制系统单回路控制控制器选用较大比例度，较大的积分时间，使液位和流量均缓慢无振荡变化。第四章复杂控制系统444.4均匀控制系统串级均匀控制主控：较大比例度，较大的积分时间。第四章复杂控制系统454.4均匀控制系统控制效果比较单纯的液位控制单纯的流量控制均匀控制第四章复杂控制系统464.4均匀控制系统特点1）用一个控制器使两个被控变量都得到控制；2）通过控制器参数合理整定实现均匀的目的；第四章复杂控制系统474.4均匀控制系统特点3）控制目标：流量平稳或缓慢变化；在最大干扰下，液位仍在工艺操作允许范围内波动；4）参数整定原则：P大，I大。第四章复杂控制系统484.5分程控制系统结构与原理一个控制器的输出同时送往两个或两个以上的执行器，各执行器的工作范围不同。第四章复杂控制系统494.5分程控制系统分程控制的目的（1）不同工况需要不同的控制手段；（2）扩大控制阀的可调范围。国产控制阀的可调比R=30；小阀C小MAX=4，则C小MIN=4/30=0.133，大阀C大MAX=100，则C大MIN=100/30=3.33；两阀合用，CMIN=0.133，CMAX=104，因此，可调比R’=104/0.133=780。第四章复杂控制系统504.5分程控制系统分程控制的结构第四章复杂控制系统514.5分程控制系统工业废液PH值分程控制根据工艺安全性，选择控制阀的气开和气关方式：小加碱阀V1和大加碱阀V2选气开型；第四章复杂控制系统524.5分程控制系统工业废液PH值分程控制根据负反馈的要求，选择控制器的正反作用方式：小加碱阀V1开大，PH上升，对象Kp1为正，阀V2同上；控制器选反作用；第四章复杂控制系统534.5分程控制系统工业废液PH值分程控制确定分程控制类型：PH高，控制器测量值大，反作用控制器输出小，应关小阀V1；第四章复杂控制系统第四章复杂控制系统544.5分程控制系统工业废液PH值分程控制PH低，控制器测量值小，反作用控制器输出大，阀V1已全开，开大阀V2；选气开气开的同向分程控制。554.5分程控制系统洁净室温湿度分程控制温度变化的方向与冷/热水阀的动作方向相反，在控制冷、热水阀时选用分程控制。第四章复杂控制系统564.5分程控制系统洁净室温湿度分程控制为了实现湿度控制，在控制冷水阀和加湿阀时选用分程控制。第四章复杂控制系统574.6选择控制系统结构与原理控制回路中有选择器，选择器实现逻辑运算，分为高选器和低选器两类。第四章复杂控制系统584.6选择控制系统结构与原理控制回路中有选择器，选择器实现逻辑运算，分为高选器和低选器两类。第四章复杂控制系统594.6选择控制系统选择器位于两个控制器和一个执行器之间“超驰控制”overridecontrolTCLCTYu1u2控制阀第四章复杂控制系统604.6选择控制系统选择器位于两个控制器和一个执行器之间“超驰控制”overridecontrol第四章复杂控制系统614.6选择控制系统选择器位于几个检测变送器和一个控制器之间（1）竞争控制系统（2）冗余控制系统第四章复杂控制系统624.6选择控制系统选择器位于几个检测变送器和一个控制器之间（1）竞争控制系统（2）冗余控制系统第四章复杂控制系统第四章复杂控制系统634.6选择控制系统选择器位于几个检测变送器和一个控制器之间为了控制反应温度，选择其中最高点温度用于控制。称为竞争控制系统。TCTYTT2TT1TT3第四章复杂控制系统644.6选择控制系统选择器位于几个检测变送器和一个控制器之间为防止因仪表故障造成事故，对同一检测点采用多个仪表测量，选择中间值或多数值作为该检测点的测量值，这类系统称为冗余系统。TA1TA3TA2SH1SL1SL2SH2中间值654.6选择控制系统实现逻辑提量和逻辑降量燃烧时始终维持低过剩空气系数，保证较高的燃烧效率。控制要求：1）提负荷时，先提空气，后提燃料气；2）减负荷时，先减燃料气，后减空气。第四章复杂控制系统第四章复杂控制系统664.6选择控制系统实现逻辑提量和逻辑降量提量时：TRC1输出↑