过程控制系统第4章(续2)过程控制课件

为导出前馈控制器的模型,先将换热器前馈-反馈控制系统的构成示意图画成相应的方框图.1T2T加热蒸汽量冷凝水aMbM进料量FCTC温度设定值bM)(sWo)(sWvcu)(sWCerT2)(sWdaM2T)(sHm)(sWffu由方框图可得:)()()()(1)()()()()()(2sHsWsWsWsWsWsWsWsMsTmovcovfda根据不变性原理:0)(sMa0)(2sT代入上式)()(/)()(sWsWsWsWovdf得前馈控制器的传递函数为:如前馈控制信号不与反馈回路中控制器的输出信号叠加共同作用在控制阀上,而是与系统的给定信号﹑系统输出的测量信号叠加后作为控制器的输入,如下图所示,1T2T加热蒸汽量冷凝水aMbM进料量TC温度设定值FC其对应的方框图见右下图.bM)(sWo)(sWvcu)(sWCerT2)(sWdaM2T)(sHm)(sWffu)()()()(1)()()()()()()(2sHsWsWsWsWsWsWsWsWsMsTMovcovcfda由图可得:同理:)()()(/)()(sWsWsWsWsWovcdf前馈-反馈控制的优点:(1)只需对主要干扰进行补偿,其它干扰可由反馈控制予以校正,简化了原有前馈控制系统;(2)反馈回路的存在,降低了对前馈模型的精度要求,为工程上实现比较简单的通用型前馈控制器创造了条件;(3)引入前馈控制器不改变反馈回路的特征方程,从而不影响系统的稳定性,可较好地解决稳定性与控制精度间的矛盾;(4)无反馈回路时,出料温度对进料量干扰间的关系式为:)()()(2sMsWsTad,有反馈回路后,)]()()()(1/[)()()(2sHsWsWsWsMsWsTmovcad在干扰幅值相同情况下,出料温度的稳态值为原来的)1/(1movcKKKK,比单纯前馈控制受干扰的影响小.(四)前馈-串级控制系统对换热器前馈-反馈控制系统的分析可知,前馈控制器的输出与反馈控制器的输出叠加后直接送至控制阀,这实际上是将所要求的进料量与加热蒸汽量的对应关系转化为进料量与控制阀膜头压力间的关系.从而为保证前馈补偿的精度,对控制阀提出了严格的要求,希望它灵敏﹑线性及尽可能小的滞环.还要求控制阀前后的压差恒定,否则同样的前馈输出将对应不同的加热蒸汽流量.为解决上述问题,工程上在原有的反馈控制回路中再增设一个加热蒸汽流量副回路,把前馈控制器的输出与温度控制器的输出叠加后,作为加热蒸汽流量控制器的给定值,构成前馈-串级控制系统.换热器前馈-串级控制的构成示意图及对应方框图如下.由方框图可求出系统在干扰1T2T加热蒸汽量冷凝水aMbM进料量FCTC温度设定值QCbM1erT2)(sWdaM)(1sWo2T)(1sHm2u)(2sWc)(1sWc1u)(sWffu2e)(sWv)(2sWo)(2sHmaM作用下的闭环传递函数.在串级控制系统中,当副回路工作频率高于主回路工作频率10倍时,副回路的传递函数可近似为1,即:)()()()()()(1)()()()(1)()()()()(1)()()()()()()(112222211222222sHsWsHsWsWsWsWsWsWsWsWsHsWsWsWsWsWsWsWsWsMsTmomovcovccomovcovcfda1)()()()(1)()()()()(222221sHsWsWsWsWsWsWsUsMmovcovcb则系统的闭环传递函数可近似为:)()()(1)()()()()(11112sHsWsWsWsWsWsMsTmocofda按不变性原理可得:)(/)()(1sWsWsWodf三﹑前馈控制作用的实施通过对前馈控制系统几种典型结构形式的分析可知前馈控制器的控制规律取决于对象干扰通道与控制通道的特性,即)(/)()(sWsWsWodf由于工业对象的特性极为复杂,导致前馈控制规律的形式繁多,但从工业应用的观点看,尤其是应用常规仪表组成的控制系统,总力求控制仪表的模式具有一定的通用性,以利于设计﹑生产﹑运行和维护.另外,由于工业对象的复杂性,欲精确获得其数学模型,也较困难.实践证明,相当数量的工业对象都具有非周期性和过阻尼的特性,因此经常可用一个一阶或二阶容量滞后必要时再串联一个纯滞后环节给以近似,即:控制通道的特性为)1/()(111sTeKsWso干扰通道的特性为)1/()(222sTeKsWsd则前馈控制器模型为当上式中的各参数不同时,前馈模型分为三种基本形式sfsssdfesTsTKesTsTKKsTeKsTeKsWsWsW1111)1/()1/()(/)()(21)(2112112201212(一)fK型前馈控制器当2121,0,TT时ffKsW)(,叫静态前馈控制器.(二))1/()1(21sTsTKf型前馈控制器2121,0,TT当时,)1/()1()(21sTsTKsWff称作一阶“超前-滞后”型前馈控制.21TT超前,21TT滞后.此种类型控制器可用两种方法实现.超前型前馈控制器适用于对象控制通道容量滞后大于干扰通道容量滞后,滞后型前馈控制器适用于对象控制通道容量滞后小于干扰通道容量滞后.(三)型前馈控制器)1/()1(21sTesTKsf存滞后模型se用模拟仪表只能近似实现,其最简单的近似方法,是将其用一阶分式代替,即:2/12/1sses前所介绍的前馈控制器的模型,已为目前广泛应用,在定型的DDZ-Ⅲ型仪表、组装式仪表中都有相应的硬件模块在可编程数字控制器或用计算机控制的DCS中也有相应的控制算法模块,便于调用及软连接.四﹑前馈控制系统的参数整定五﹑前馈控制系统的应用(补充)一般来说,在下列情况下可考虑选用前馈控制:(1)对象控制通道的容量滞后较大,反馈控制难以满足工艺要求时,把主干扰引入前馈控制,构成前馈-反馈控制系统(2)系统中存在可测、不可控、变化频繁、幅值大且对被控变量影响显著的干扰,则采用前馈控制可提高控制品质.可测是指干扰量能用检测变送装置在线转化为标准的电或气信号,不可控指这些干扰难以通过设置单独的控制系统予以稳定,或虽设置了专门的控制系统予以稳定,但由于操作上的需要,往往要经常改变其给定值.在应用中,有时会将前馈-反馈控制与串级控制混淆不清,这将给设计与运行带来困难,下面以加热炉出口温度控制系统的两种不同控制方案,简要说明两者的关系与区别.下面是两种控制方案的构成示意图.图(a)控制阀出口温度燃料油原料油温度变送器1TC温度设定值2TC控制量温度变送器1TC温度设定值控制阀出口温度燃料油原料油控制量fQC流量变送器图(b)图(a)是加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统.图(b)是原料油干扰前馈与加热炉出口温度反馈的前馈-反馈控制系统.两者相比,结构上完全不同,串级控制由内﹑外两个反馈回路构成,前馈-反馈控制由一个反馈回路和另一个开环的补偿回路构成.前馈控制系统与反馈控制系统相比较有何特点？试举一个前馈与反馈控制系统的例子，画出其原理图，给出前馈控制器的数学模型。答：1）前馈控制器产生控制作用的依据是干扰，而反馈系统的作用依据是偏差。2）控制效果不同。前馈系统控制作用及时，对可测干扰可实现无偏差控制。3）实现的经济性和可能性不同。前馈控制系统不可能对所有干扰都测量和实施控制，因而前馈系统是不经济的。前馈控制器的传递函数：Wd(s)-干扰通道传递函数Wo(s)控制通道传递函数。)()()(sWosWdsWf4-8选择性控制系统一﹑基本概念选择性控制又叫取代控制,也称超驰控制.以前所介绍的各种自动控制系统只能在生产工艺处于正常情况下工作,一旦生产出现事故状态,控制器就要改为手动,待故障排除后,控制系统再重新投入运行.对于现代化大型生产过程,控制仅仅做到这一步远不能满足保证生产安全的要求.在大型生产工艺过程中,除要求控制系统在生产处于正常运行情况下能克服外界干扰维持生产的平稳运行,当生产操作达到安全极限时,控制系统应有一种应变能力,采取相应的保护措施,促使生产操作离开安全极限,返回到正常工况;或使生产暂时停止,以防事故的发生或进一步扩大.如大型压缩机的防喘振措施﹑精馏塔的防液泛措施等.属于生产保护性措施的有两类:一类是硬保护措施一类是软保护措施.硬保护措施是当生产操作达到安全极限时,有声﹑光警报产生,此时,或由操作工将控制器切换到手动,或通过专门设置的联锁保护线路自动停车.由于大型工厂生产过程中的强化和限制性条件多而严格,生产安全保护的逻辑关系比较复杂,由人工操作保护难免出错.此外,由于生产过程进行的速度很快,操作人员的生理反映难以跟上,要么处理不及时,要么处理不当,使事故扩大.所以常采用联锁保护的办法来处理.联锁保护虽能起到及时保护的作用,但这种硬性保护法使设备停车,影响正常生产和造成经济损失.软保护通过一特定设计的选择性控制系统,在生产短期内处于不正常状态时,既不使设备停车而又起到对生产进行自动保护的目的.在选择性控制系统中,已考虑到生产工艺过程限制条件的逻辑关系,当生产操作趋向极限条件时,用于控制不安全状态的控制方案取代正常状态下的控制方案,直到生产操作重新回到安全范围内,正常状态下的控制方案在恢复对生产过程的正常控制,故也叫作自动保护性控制.有些选择性控制系统甚至连开﹑停车都能由系统控制,而无需人工参与.二﹑选择性控制系统的类型及应用要构成选择性控制,生产操作必须具有一定选择性逻辑关系.而选择性控制的实现则需靠具有选择功能的自动选择器(如高值选择器和低值选择器)或有关的切换装置(如切换器﹑带接点的控制器或测量装置)(一)开关型选择性控制系统(补充)开关型选择性控制系统一般用作系统的限值保护,下图(a)是丙稀冷却器裂解气出口温度的单回路控制系统构成示意图.液丙稀裂解气)88(C气丙稀TC温度设定值)15(C图(a)在乙稀分离过程中,裂解气经五段压缩后其温度已达C88.为进行低温分离,必须将它的温度降到工艺上要求的C15,为此采用液丙稀低温下蒸发吸热的原理,用它与裂解气换热,达到降低裂解气温度的目的.一般的控制方案,是以经换热后的裂解气温度作为被控变量,以液丙稀流量作为操纵变量.图(a)控制方案,是通过改变换热面积的方法,来达到控制裂解气出口温度的目的.当裂解气出口温度高于设定值时,控制阀开大液丙稀流量随之增大,冷却器中丙稀液位上升,冷却器中列管被液丙稀浸没的数量增多,换热面积增液丙稀裂解气)88(C气丙稀TC温度设定值)15(C图(a)大,液丙稀气化带走的热量增多,裂解气出口温度下降反之,裂解气出口温度上升.但在生产中,当裂解气进口温度过高或负荷过大时,控制阀势必要大幅度地打开.当冷却器中列管全部被液丙稀淹没,而裂解气出口温度仍未达到设定值时,不能再使控制阀开度继续增大,因一来液位继续升高已不能再增加换热面积,换热效果不再提高,冷量得不到充分利用;其次,丙稀液位的过度升高,使冷却器中的丙稀蒸发空间缩小,甚至于完全没有蒸发空间,使气丙稀带液进入压缩机,给压缩机带来损害.为此,须对图(a)控制方案进行改进,即需考虑当丙稀液位上升到极限情况时的防护性措施.图(b)是改进后的控制方案.此方案在图(a)方案的基础上增加了一个带上限接点的常开式液位报警器(图中绿色方框)和一个连接于温度控制器输出去控制阀的气动信号管路上的电磁三通阀.上限接点设置在液位高度的75%位图(b)置.正常时,液位低于75%,接点断开,电磁阀失电(电关阀),温度控制器输出可直通控制阀,实现温度控制.当液位上升到75%时,保护压缩机不受损害成为主要矛盾,液位报警器上限接点闭合,电磁阀得电,切断温度控制器输出,同时使控制阀的膜头与大气相通,使膜头压力很快下降为零,控制阀关闭,终止液丙稀继续进如冷却器,冷却器内液丙稀逐渐蒸发,液位慢慢下降到低于75%时,液位报警器上限接点复又断开,电磁阀重新失电,温度控制液丙稀裂解气)88(