第7章-常用高性能过程控制系统

第6章常用高性能过程控制系统学习内容•串级控制系统–系统组成原理–系统的特点与分析–串级系统设计和工程应用•前馈控制系统–前馈控制基本原理、结构和性能分析–前馈控制系统设计和工程应用中的问题•大时滞过程控制系统–过程时滞特性–Smith预估补偿控制–其他时滞补偿控制系统根据所担负的任务系统可分为两大类：1、提高系统性能指标的控制系统，如串级、前馈、双重等控制系统；2、根据工程上某些特殊要求而开发的控制系统，如均匀、比值、分程、选择性等控制系统。6.1串级控制系统适用场合：当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁，采用简单控制质量较差，或要求被控变量的误差范围很小，简单控制系统不能满足工艺要求。此时，可考虑采用串级控制系统。图6-1加热炉的温度控制系统c---出口温度Tmq---燃料油流量f---f3：被加热原料入口温度、流量的波动，f2：燃料油热值、流量、压力的波动，f1：炉膛抽风量的波动等。6.1.1系统组成原理例1：方案一原料出口温度Tm原料TmCTmT燃料管式加热炉燃料压力或燃料的热值变化影响炉膛温度Ts热传导给原料影响出口温度Tm15min3min控制通道过程分析：能克服所有的干扰。主要问题：滞后太大，控制不及时，误差长时间不能克服，导致误差太大，不符合工艺要求。方案二：图6-1加热炉炉膛温度简单控制系统c---炉膛温度Tsq---燃料油流量f---f3：被加热原料入口温度、流量的波动，f2：燃料油热值、流量、压力的波动，f1：炉膛抽风量的波动等。控制通道过程分析：能克服大部分（f2、f1）的扰动，控制相对及时。主要问题：炉膛温度不能真正代表出口温度，且f3不能克服，不符合工艺要求。燃料压力或燃料的热值变化影响炉膛温度Ts3min对Tm系统相当开环。原料出口温度Tm原料TsCTsT燃料管式加热炉Ts方案三：将上两方案结合取长补短。图6-2加热炉出口温度串级控制系统c1---出口温度Tmc2---炉膛温度Tsq---燃料油流量f---f3：被加热原料入口温度、流量的波动，f2：燃料油热值、流量、压力的波动，f1：炉膛抽风量的波动等。控制通道过程分析：能克服所有的扰动，控制及时。粗调细调原料出口温度Tm原料TmCTmT燃料管式加热炉TsCTsT炉膛温度变化TsT、TsC回路先改变燃料量TmT、TmC回路再改变燃料量出料温度变化燃料压力变化3min串级控制系统的思想：把时间常数较大的被控对象分解为两个时间常数较小的被控对象。加热炉的温度控制炉膛温度到被控变量Tm的设备从燃料量到炉膛温度Ts的设备出口温度T炉膛温度TS出口温度T燃料燃料被控对象1被控对象2q=F燃=Tm图6-3加热炉控制过程分解加热炉出口温度串级控制系统urSeMyMrMTMCTSC=TM控制阀温度对象1温度对象2TS测量变送TM测量变送出口温度TM干扰f1干扰f2干扰f3炉膛温度TS-ySeS-qcScM图6-4加热炉串级控制系统方块图原料出口温度Tm原料TmCTmT燃料管式加热炉TsCTsT控制过程分析(1)扰动作用于副环：urSeMzMrMTMCTSC=TM控制阀温度对象1温度对象2TS测量变送TM测量变送出口温度TM干扰f1干扰f2干扰f3炉膛温度TS-zSeS-qysyMf2=P燃↑→ys=Ts↑→zs↑→es=(rs-zs)↓→u↓→q=F燃↓→ys=Ts↓系统趋于稳定f1=F风↑→ys=Ts↓→zs↓→es=(rs-zs)↑→u↑→q=F燃↑→ys=Ts↑系统趋于稳定一方面：另一方面：SSTT通过副回路负反馈SMSTTT通过主回路负反馈→TM↓小结：由于副环的作用使控制作用变得更快、更强。反＋＋＋＋(2)扰动作用于主对象：urSeMzMrMTMCTSC=TM控制阀温度对象1温度对象2TS测量变送TM测量变送出口温度TM干扰f1干扰f2干扰f3炉膛温度TS-zSeS-qySyM＋只考虑图中的f3（原料入口温度、流量的波动）f1=T冷料↑→yM=TM↑→zM↑→eM=(rM-zM)↓→uM=rs↓→es=(rs-zs)↓→u↓→q=F燃↓→ys=Ts↓→TM↓系统趋于稳定小结：扰动作用于主对象时，串级控制也能有效的克服扰动。反反＋＋＋＋＋＋例2图6－5氨氧化过程的串级控制系统串级控制系统基本结构6串级系统特点：①对进入副回路的干扰有很强的克服能力；②改善了被控过程的动态特性，提高系统的工作频率；对进入主回路的干扰控制效果也有改善；③对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。控制效果比较串级控制单回路控制tc6.1.2串级控制系统的特点与分析性能分析•改善了过程的动态特性图6-7等效框图G2(s)G2(s)副回路可看作是一种新的动态环节，是等效副对象。)('2sGp)(2222'2)()()(1)()(svcmpppGsGsGsGsGsG假定副回路各环节传递函数分别为：Gc2(s)=Kc2,Gv(s)=Kv,Gp2(s)=Kp2/(1+Tp2s),Gm2(s)=Km2可得：)(2222'2)()()(1)()(svcmpppGsGsGsGsGsGsTKpp'2'212222'22222'211mpvcppmpvcppKKKKTTKKKKKK式中因为在任何条件下，1＋Kc2KvKp2Km21，因此可得：2'2ppKK2'2ppTT当Kc2↑→'2pK'2pT↓，可通过增加Gc1的增益补偿↓，相当在系统中增加一个微分环节，使系统反映速度加快，控制更及时。一般：Tm和TvTp2Tp1，可以证明在一个系统中，中间大小的时间常数的减小，有利于提高控制质量，提高系统的可控性。•提高了系统的工作频率6-7提高了系统的工作频率•对负荷变化的适应性较强（即对副回路内各环节特性有较强的鲁棒性）实际过程往往具有非线性和时变性，当负荷（工况）变化时，对象特性会产生变化，从而使系统的控制品质改变。一般用“鲁棒性”来描述系统控制品质对特性变化的敏感程度。设：G(s)=K,H(s)=F，当KF1,则)()(1)()(,sHsGsGsGYXFKFKsGYX11)(,若G2(s)=Gx,y(s)，串级系统的副回路前向通道（如执行器、副对象）特性变化对其控制品质影响不大，具有较好的鲁棒性。注意1.主回路对副对象及执行器的特性变化具有鲁棒性，但副回路本身却并没有这种特性；2.主回路对副回路反馈通道特性的变化没有鲁棒性。3.主对象的非线性不能用选择执行器的特性来补偿。结论串级控制系统，副环的增加使得整个系统克服扰动的能力更强、作用更及时，控制性能明显提高。副环（副回路）起快速“粗调”作用；主环（主回路）起进一步“细调”作用。6.1.3串级系统设计和工程应用1.系统设计副被控变量的选择原则：①必须保证它是操纵变量到主被控变量通道中的一个适当中间变量。——串级控制系统设计的关键②使主要扰动作用于副对象上③使副对象包含适当多的扰动④主、副对象的时间常数不能太接近——通常使TS明显TM原因：一方面如果TS与TM相差很小，失去设值副环的意义；另一方面如果基本相等，系统可能出现“共振”，降低控制质量甚至会出现不稳定。(1)主、副被控变量的选择主被控变量的选择原则：与简单控制系统相同(2)控制规律的选择主控制器控制规律：原则：与简单控制类似从工艺上来说，采用串级控制系统的主被控变量是主要参数，不允许有余差。PI/PID(滞后较大时)副控制器控制规律：依据：副环是随动控制系统，副被控变量的控制可以有余差。为了使副环尽可能的发挥其作用，一般选择P控制，而且比例度选的较小。当流量为副被控变量时，可采用PI控制依据：使系统为负反馈系统（这是控制系统稳定的前提条件）副控制器正、反作用的选择与简单系统类似。主控制器正、反作用的选择根据副被控变量对主被控变量的影响关系来确定（即由主被控对象特性确定）。主控制器正、反作用的选择与阀门的气开、气关形式无关。(3)控制器作用方向的选择图6－8加热炉出口温度串级控制系统方案串级控制系统工程应用场合•应用于容量滞后较大的过程应用于纯时延较大的过程•应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程•应用于参数互相关联的过程应用于非线性过程2.积分饱和问题复习注意：串级系统的投运与所选仪表有关，DDZ-Ⅲ仪表投运步骤：先手动，后自动；先副回路，后主回路。3．串级控制系统的投运和整定（1）系统投运：（2）系统参数整定：（1）一步整定法：只整定主控制器，副控制器的参数按经验值设定。步骤如下：①在生产正常，系统为纯比例运行条件下，根据经验（P88表2－1）将副控制器的比例度调到某一适当值。②利用简单控制系统的任一参数整定方法整定主控制器的参数。③在主、副环均闭合的情况下适当调整主控制器的参数，使主变量的品质指标达到规定的质量要求。④如果系统出现振荡，只要加大主、副控制器的任一参数值，就可消除。如果“共振”剧烈，可先转入手动，待生产稳定后，再在比产生“共振”时略大的控制器参数下重新投运和整定，直至达到满意时为止。（2）两步整定法将整定分为两步进行，先副环后主环。①先整定副环。在主、副环路闭合的情况下，将主控制器比例度放在l00％，积分时间放最大，微分时间放最小。然后按4：1整定方法直接整定副环。找出副变量出现4：1振荡过程时的比例度δ2s及振荡周期T2s。②再整定主环。将副控制器比例度放于δ2s值，积分时间放最大，微分时间放最小。用同样方法整定主控制器参数。找出主变量出现4：1衰减振荡过程时的比例度δ1s及振荡周期T1s。③依据所得到的δ1s、T1s、δ2s、T2s值，结合主、副控制器的选型，按前面单回路控制系统整定时所给出的公式可以计算出主、副控制器的参数为δ、Ti及TD。将上述计算所得控制器参数按先副环后主环、先比例次积分最后微分的顺序在主、副控制器上放好，观察控制过程曲线。如不够满意，可适当地进行一些微小的调整。（3）逐步逼近法①首先断开主回路，闭合副回路，按单回路控制系统的整定方法整定副控制器的参数；②闭合主、副回路，保持上步取得的副控制器参数，按照单回路控制系统的整定方法，整定主控制器参数；③在闭合主、副回路闭合，主控制器参数保持的情况下，再次调整副控制器的参数；至此已经完成一个循环，如果控制品质未达到规定指标，重新由第二步开始，直至获得满意的性能指标。补充作业1.对于图1所示的加热器串级控制系统。要求：（1）画出该控制系统的方框图，并说明主变量、副变量分别是什么？主控制器、副控制器分别是哪个？（2）若工艺要求加热器温度不能过高，否则易发生事故，试确定控制阀的气开气关型式；（3）确定主、副控制器的正反作用；（4）当蒸汽压力突然增加时，简述该控制系统的控制过程；（5）当冷物料流量突然加大时，简述该控制系统的控制过程；（注：要求用各变量间的关系来阐述）图12.图2为加热炉物料出口温度两种串级控制系统方案。（1）要求利用所学的知识分析两种方案哪一个控制品质更佳？情说明原因（已知加热炉内压力较稳定，而调节阀前压力波动频繁）。（2）画出“更佳”控制方案的系统方框图，并简述该系统在调节阀阀前压力突然降低时的控制过程（请用各变量间的关系来阐述）。图26.2前馈控制系统6.2.1基本原理、结构和性能分析反馈控制（闭环控制）：控制器按照被控变量与设定制的偏差来进行控制。存在的问题：当被控变量偏离设定值，产生偏差后才进行控制，使得控制作用滞后。前馈控制（开环控制）：控制器根据扰动或设定值的变化按补偿原理进行工作。特点：扰动产生后，被控变量还未变化之前，根据扰动的大小施加控制，控制超前。1.基本原理T被加热原料TTTC燃料油出口温度T被加热原料FTFdC燃料油出口温度(a)反馈控制(b)前馈控制两种加热炉温度控制系统图例1例2前馈控制系统2.前馈补偿性能分析不变性原理3.前馈控制与反馈控制的比较前馈控制器单纯前馈控制系统（a）（b）3.前馈控制系统的几种结构形式单纯前馈控制系统与比值控制系统比较结构：类似（a）图与开环比值相同（b）图与单闭环比值相同作用：不同前馈控制采用不变性原理及时消除干扰的影响；比值控制使主动量与从动量保持