过程控制课件-总复习

PID控制控制器控制器Gc(s)执行器Gv(s控制通道Gp(s)测量变送Gm(s)设定值ysp偏差e+_控制变量u操纵变量q被控变量y测量值ym扰动D干扰通道GD(s)++被控对象控制器的“正反作用”选择问题控制器Gc(s)执行器Gv(s)控制通道Gp(s)测量变送Gm(s)设定值ysp偏差e+_控制变量u操纵变量q被控变量y测量值ym扰动D干扰通道GD(s)++被控对象问题：如何构成一个负反馈控制系统？控制器的“正反作用”选择定义：当被控变量的测量值增大时，控制器的输出也增大，则该控制器为“正作用”；否则，当测量值增大时，控制器输出反而减少，则该控制器为“反作用”。选择要点：使控制回路成为“负反馈”系统。选择方法：（1）假设检验法。先假设控制器的作用方向，再检查控制回路能否成为“负反馈”系统。（2）回路判别法。先画出控制系统的方块图，并确定回路除控制器外的各环节作用方向，再确定控制器的正反作用。控制器的作用方向选择：假设检验法根据控制阀的“气开气关”的选择原则，该阀应选“气开阀”，即：u↑→Rf↑。假设温度控制器为正作用，即：Tm↑→u↑；则TC进料出料燃料TTmTspRfuTmuRfTTm结论：该控制器的作用方向不能为正作用，而应为反作用.控制器的作用方向选择：符号分析法温度控制器(?)Tspe(t)+_Tm(t)++温度测量变送(+)燃料控制阀(+)T(t)u(t)Rf(t)加热炉控制通道(+)D(t)ueTTueTTKTQTQKQuQuKcv''0反作用正作用气关气开Km一般为正保证负反馈：即开环系统放大倍数KcKvKoKm为负PID控制器控制器Gc(s)执行器Gv(s控制通道Gp(s)测量变送Gm(s)设定值ysp偏差e+_控制变量u操纵变量q被控变量y测量值ym扰动D干扰通道GD(s)++被控对象PID控制器比例控制器0)()(uteKtuc%100*1cK比例增益对控制性能的影响比例增益Kc增大，调节作用增强，但稳定性下降(当系统稳定时，调节频率提高且余差下降)。比例积分控制器00)1(uedtTeKutic)11()(sTKsGicc积分作用对控制性能的影响积分时间Ti对系统性能的影响引入积分作用的根本目的是为了消除稳态余差，但使控制系统的稳定性下降。当积分作用过强时（即Ti过小），可能使控制系统不稳定。理想的比例积分微分控制器微分时间Td对系统性能的影响微分作用的增强（即Td增大），从理论上讲使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但对高频噪声起放大作用。对于测量噪声较大的对象，需要引入测量信号的平滑滤波；而微分作用主要适合于一阶滞后较大的广义对象，如温度、成份等。001)(udtdeTedteKudtTci)11()(sTsTKsGdicc微分作用对控制性能的影响实际的比例积分微分控制器11()11dcciddTsGsKTsATs其中Ad为微分增益SimuLink结构:工业PID控制器的选择被控参数控制器备注温度/成分PID*1流量/压力PI液位/料位P*1：当工业对象具有较大的滞后时，可引入微分作用；但如果测量噪声较大，则应先对测量信号进行一阶或平均滤波。PID工程整定法1-经验法针对被控变量类型的不同，选择不同的PID参数初始值，投运后再作调整。尽管简单，但即使对于同一类型的被控变量，如温度系统，其控制通道的动态特性差别可能很大，因而经验法属最为“粗糙”的整定法。（具体整定参数原则见p.65表5.3-1）工程整定法2-临界比例度法1、先切除PID控制器中的积分与微分作用（即将积分时间设为无穷大，微分时间取为0），并令比例增益KC为一个较小值，并投入闭环运行；2、将设定值作小幅度的阶跃变化，观察测量值的响应变化情况；3、逐步增大KC的取值，对于每个KC值重复步骤2中的过程，直至产生等幅振荡；4、设等幅振荡的振荡周期为Pu、产生等幅振荡的控制器增益为Kcmax。工程整定法3-响应曲线法临界比例度法的局限性：生产过程有时不允许出现等幅振荡，或者无法产生正常操作范围内的等幅振荡。响应曲线法PID参数整定步骤：（1）在手动状态下，改变控制器输出（通常采用阶跃变化），记录被控变量的响应曲线；（2）根据单位阶跃响应曲线求取“广义对象”的近似模型与模型参数；（3）根据控制器类型与对象模型，选择PID参数并投入闭环运行。在运行过程中，可对增益作调整。Ziegler-Nichols参数整定法特点：适合于存在明显纯滞后的自衡对象，而且广义对象的阶跃响应曲线可用“一阶+纯滞后”来近似。整定公式：控制规律KCTITDPppTK1PIppTK19.03.3PIDppTK12.10.25.0周期信号的Fourier级数展开一个以T为周期的方波函数f(t)可以展开为1()sin,nnftbnt20sin)(4TndttntfTb假设继电器的幅值为d，则继电器输出的一次谐波为ddttdTbT4sin4201单回路系统的“积分饱和”问题＋－＋＋ud(t)广义对象y(t)ysp(t)sTKIC11v问题：当存在大的外部扰动时，很有可能出现控制阀调节能力不够的情况，即使控制阀全开或全关，仍不能消除被控输出y(t)与设定值ysp(t)之间的误差。此时，由于积分作用的存在，使调节器输出u(t)无限制地增大或减少，直至达到极限值。而当扰动恢复正常时，由于u(t)在可调范围以外，不能马上起调节作用；等待一定时间后，系统才能恢复正常。串级控制系统CascadeControlSystem单回路控制系统分析问题：从扰动开始至调节器动作，调节滞后较大，特别对于大容量的反应釜，调节滞后更大。冷却剂入口温度↑→夹套内冷却剂温度T2↑→（经对流传热）釜壁温度↑→反应釜温度T1↑→（经反馈回路）冷却剂量↑出料进料冷却剂TC出料进料冷却剂TC系统控制与扰动的分析干扰变量的影响：冷却剂入口温度变化→夹套内冷却水温度变化→釜壁温度变化→反应釜温度变化控制变量的影响：冷却剂调节阀开度变化→冷却剂流量变化→夹套内冷却剂温度变化→釜壁温度变化→反应釜温度变化解决方法夹套冷却剂温度T2比反应釜温度T1能更快地感受到来自干扰（冷却剂入口温度）以及来自控制的影响。因而可设计夹套水温单回路控制系统TC2以尽快地克服冷却剂方面的扰动。但TC2的设定值应根据T1的控制要求作相应的变化（这一要求可用反应温度调节器TC1来自动实现）。“串级控制”反应器温度的串级控制方案特点：两个调节器串在一起工作，调节器TC2通过调节冷却剂量以克服冷却水方面的扰动；调节器TC1通过调节夹套内水温的设定值以保证反应温度维持在工艺所希望的某一给定值。出料进料冷却剂TC2TC1T2T1反应器温度串级控制框图TC2阀夹套槽壁反应槽反应器温度测量D2D1T2sp＋－T2T1T1sp＋－夹套水温测量TC1出料进料冷却剂TC2TC1T2T1讨论:主副控制器的“正反作用”选择。调节阀选气关阀串级控制系统常用术语主调节器副调节器调节阀副参数测量变送副对象主对象一次扰动二次扰动主参数副参数＋－＋－主参数测量变送y1,spy2,spy2ym2y1ym1两个回路：主回路副回路串级控制系统方块图注：D1、D2综合反映了一次扰动、二次扰动对控制系统副参数与主参数的动态影响；主回路是指：副回路闭合状态下等效的单回路（将副回路看成是一个等效的控制阀）。Gm2＋－＋－＋＋＋＋y1,spy2,spy2ym2y1ym1Gm1Gc1Gc2GvGp2D2D1Gp1副回路主回路串级系统副环的等效性Gm2＋－＋＋ym2Gc2GvGp2D2y2y2,sp22211mpvcGGGG222221mpvcpvcGGGGGGG＋＋D2(s))('2sDy2(s)y2,sp串级控制系统的特点（1）副回路（有时称内环）具有快速调节作用，它能有效地克服二次扰动的影响；2222'211)()(mpvcGGGGsDsD由于假设副回路的动态滞后较小，对于低频干扰，有1222mpvcGGGG2'2DD串级控制系统的特点（2）能自动地克服副对象增益或调节阀特性的非线性对控制性能的影响（系统的“鲁棒性”增强）。对于内环等效对象的稳态增益：1222mpvcKKKK2'21mpKK22222'21mpvcpvcpKKKKKKKK串级控制系统的特点（3）改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率。在相同的衰减比下，主调节器的增益可显著加大。22222,22'21)()()(mpvcpvcsppGGGGGGGsysysG副回路等效对象为：;1222sTKGppp若：2222;;ccvvmmGKGKGK串级控制系统的特点（3）222'22222'222'2222222'22222'222221()111111pcvpppcvmpcvpppcvpmpcvppcvpmpppcvpmKKKTsGsKKKKTsKKKKTsKKKKTsKKKKKKKKTTTKKKK结论：由于副回路的存在，使主控制通道的动态特性得到改善（时间常数显著减少）串级控制系统的设计原则单回路控制不能满足性能要求；有反映系统主要干扰的可测副参数(副参数必须可测）；调节阀与副参数之间具有因果关系；副参数的选择应使副对象的时间常数比主对象的时间常数小，调节通道短，反应灵敏；尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中。串级控制副参数选择练习A1ACT2T3F2T1F1A2进料加热蒸汽反应器产品假设反应器的主要干扰为加热蒸汽的温度变化串级系统副参数的选择分析加热蒸汽再沸器塔底部TC串级系统副参数的选择分析加热蒸汽再沸器塔底部FCTC分析问题：副回路的快速性与副回路所能包括的扰动范围之间的矛盾。串级系统副参数的选择分析PC1加热蒸汽再沸器塔底部TC分析问题：副回路的快速性与副回路所能包括的扰动范围之间的矛盾。串级系统副参数的选择分析3加热蒸汽再沸器塔底部TCFC分析问题：副回路的快速性与副回路所能包括的扰动范围之间的矛盾。串级方案设计举例FCTC进料出料燃料油TC进料出料燃料油PC流量扰动流量较小、或者流量检测困难，或者燃料油较粘稠，用检测压力代替串级方案设计举例（续）TCTC燃料油进料出料讨论：副回路所能包括的扰动越多，副对象与主对象的动态特性的差别越小，越容易引起内外回路之间的“共振”（系统稳定性越差）。1.1比值控制系统基本概念凡实现两个或两个以上参数维持一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。一般是指流量比值控制系统。K=Q2/Q1在实际的生产过程控制中，比值控制系统除了实现一定的物料比例关系外，还能起到在扰动量影响到被控过程质量指标之前及时控制的作用，具有前馈控制的实质。1比值控制系统1.2比值控制系统的分析按比值的特点可分为定比值和变比值控制系统。两个或两个以上参数之间的比值是通过改变比值器的比值系数来实现的，一旦比值系数确定，系统投入运行后，此比值系数将保持不变（为常数），具有这种特点的系统称为定比值控制系统。两个或两个以上参数之间的比值不是一个常数，而是根据另一个参数的变化而不断地修正，具有这种特点的系统称为变比值控制系统。（1）定比值控制系统可分三类①开环比值控制系统结构最简单的比值控制系统控制器控制阀流量对象Q2Q1测量变送器（b）给定值图1开环比值控制系统（a）工艺流程图(b)原理方框图②单闭环比值控制系统为克服开环比值控制系统不足，在其基础上，增加一个副流量的闭环控制回路，组成了单闭环比值控制系统。优点：单闭环比值控制系统不但可以实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且还可以克服副流量本身干扰对比值的影响，能够确保主、副两个流量的比值不变。同时，系统的结构比较简单缺点：当主流量受到干扰出现大幅度波动时，副流量难以跟踪，控制过程中主、副流量的比值会较大地偏离工艺要求的流量比。③为克服单闭环比值控