哈工大控制系统设计第18讲-2012

哈尔滨工业大学控制与仿真中心第8章多回路系统的设计——Part2授课教师：马杰CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心Contents多回路系统A1串级调节系统A217March2020A3复合控制系统CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020串级调节系统两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。例：加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统。7.2串级调节系统串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020串级调节系统——管式加热炉的控制7.2串级调节系统主参数（目标参数）：出口温度操纵变量：燃料量副变量：炉温出口温度炉温燃料量原料原料量变化炉温变化出口温度变化通过燃料量调节炉温通过出口温度调节炉温设定值CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020串级调节系统例：氧化炉温度调节。7.2串级调节系统在硝酸生产中，氧化炉是关键设备之一，氨气和空气在铂触媒的作用下，在氧化炉内进行氧化反应：4NH3+5O2→4NO+6H2O+Q反应结果得到NO气体。工艺要求：氧化率达到97%以上，为此，要将氧化炉温度控制在840±5°C。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020串级调节系统例：氧化炉温度调节。7.2串级调节系统方案①：温度单回路调节系统，最大偏差为10℃，手动时最大偏差20～30℃，偏差较大原因是，温度单回路调节系统虽包括了全部扰动，但调节通道滞后大，对于氨气总管压力和流量的频繁变化，不能及时克服。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020串级调节系统例：氧化炉温度调节。7.2串级调节系统方案②：氨气流量调节系统，工艺提供氨气流量变化1%，氧化炉温度变64oC，设计氨气流量调节系统能迅速克服氨气流量的干扰，这样把氨气流量变化克服在影响反应温度之前，但偏差仍达8oC。这是因为氧化炉还存在其他干扰：如空气量，触煤老化等问题。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020串级调节系统例：氧化炉温度调节。7.2串级调节系统方案③：温度为主参数，流量为副参数的串级调节系统。由温度调节器来决定氨气的需要量，而氨气的需要量是由流量调节系统来决定的，即流量调节器的给定值由温度调节器的需要来决定：（ⅰ）变还是不变（ⅱ）变化多少（ⅲ）朝哪个方向变。因此，出现了反应温度信号自动地校正流量调节器给定值的方案，即串级调节系统CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020串级调节系统的结构组成7.2串级调节系统整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020串级调节系统的结构组成7.2串级调节系统主参数（主被控变量y1）：生产工艺过程中主要控制的工艺指标，在串级调节系统中起主导作用的那个被调参数即为主参数，如氧化炉反应温度。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020串级调节系统的结构组成7.2串级调节系统副参数（副被控变量y2）：影响主参数的主要变量和中间变量（如上述系统的氨气流量）。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020串级调节系统的结构组成7.2串级调节系统主被控对象：为生产中所要控制的，由主参数表征其主要特性的工艺生产设备（如氧化炉）。一般指副参数检测点到主参数检测点的全部工艺设备。1pGsCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020串级调节系统的结构组成7.2串级调节系统副被控对象：调节阀到副参数测量点之间的工艺设备。2pGsCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020串级调节系统的结构组成7.2串级调节系统主调节器：在系统中起主导作用，为恒定主参数设置的调节器。主调节器，按主参数与给定值的偏差而动作，其输出作为副参数的给定值。1cGsCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020串级调节系统的结构组成7.2串级调节系统副调节器：给定值由主调节器的输出所决定，输出直接控制阀门。2cGsCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020串级调节系统的工作过程7.2串级调节系统当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。根据扰动施加点的位置不同，分种情况进行分析：*1）扰动作用于副回路*2）扰动作用于主过程*3）扰动同时作用于副回路和主过程在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020复合控制系统7.3复合控制系统利用串联校正和并联校正在一定程度上可以改善系统的性能。闭环控制系统中，控制作用是由偏差产生的，是靠偏差来消除偏差，因此偏差是不可避免的。对于稳态精度要求很高的系统，为了减少误差，通常用提高系统的开环增益或提高系统的型次来解决。但这样做往往会导致系统稳定性变差，甚至使系统不稳定。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020复合控制系统7.3复合控制系统为了解决这个矛盾，常常把开环控制与闭环控制结合起来，组成复合控制。复合控制也是复合校正的形式之一。这种复合控制有两个通道，一是顺馈补偿通道，它是按开环控制的；另一是主控制通道，这是按闭环控制的。系统的输出量不仅由误差值所确定，而且还与补偿信号有关，后者的输出作用，可补偿原来的误差。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020复合控制系统7.3复合控制系统复合控制系统结构框图CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020复合控制系统7.3复合控制系统顺馈补偿系统按偏差控制时的闭环传递函数为t13131GsGssGsGs在加入顺馈补偿通道后，复合控制系统的传递函数130131ciGsGsGsXtsXtGsGs复合校正后的系统特征多项式与未校正的闭环系统的特征多项式是完全一致的。因此，系统虽增加了补偿通道，但其稳定性不受影响。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020复合控制系统7.3复合控制系统顺馈补偿现在来分析稳态精度和快速性方面的影响。加入顺馈补偿通道后，系统的偏差传递函数推导如下：31311ceisGsGssXsGsGs当时，31cGsGs0s采用复合校正既能消除稳态误差，又能保证系统动态性能！CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020复合控制系统7.3复合控制系统顺馈补偿在工程实际中要完全满足的条件往往是困难的，因为它意味着系统要以极大的速度运动，需要极大的功率。因此，通常采用部分顺馈的办法来补偿，即31cGsGs31cGsGs哈尔滨工业大学控制与仿真中心