第7复杂控制系统.ppt

1,2,7-2 比值控制系统 一、概述用来实现两个或两个以上物料之间保持一定比值关系的控制系统，称为比值控制系统。,主流量：在保持比值关系的两种物料中，一种物料处于主导地位，称为主物料，又称为主流量。副流量：另一种物料按主物料进行配比，称为从物料，又称为副流量。,主流量,副流量,3,常将主要物料定为主物料，次要流量定为从物料；将不可控流量定为主流量，将可控流量定为副流量。,若用F1表示主流量，F2表示副流量，则F1和F2之间应满足一定的比值关系：F2=K*F1,4,二、比值控制的类型 1开环比值控制开环比值控制是各种比值控制系统中最简单的控制方案，组成原理及方块图如图所示。,主流量,副流量,P控制器,5,优点：实施方便，只需一台比例控制器即可，且比值调整容易。,开环比值控制方案分析：,缺点：该控制方案是一个开环系统，因为F2的测量信号并没有反馈到输入端，所以，当F2因管线两端压力波动发生变化时，系统没有控制作用，此时，很难保证F2与F1间的比值关系。应用场合：这种方案适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。实际生产中，F2的干扰常常是不可避免的，因此这种方案使用较少。,6,2单闭环比值控制如图所示，图中的K表示比值计算器，比值计算器的输入信号为主流量信号，K=F2/F1。,7,单闭环比值控制优缺点,优点：是对进入副流量回路的干扰都有较好的抑制作用。结构简单，在生产中得到广泛应用。缺点：该方案无法保证主流量的稳定。当主流量波动较大时，无法保证系统流量比。,8,3双闭环比值控制为了保证生产的正常进行有时不仅要求两种物料之间保持精确的比例关系，且还要求两种物料的流量也保持相对的稳定，这时可采用双闭环比值控制。双闭环是在单闭环比值控制基础上，增设了主流量控制回路构成。,9,双闭环比值控制系统方块图：,10,双闭环比值控制优缺点,优点：对进入主、副流量回路的干扰都有较好的抑制作用。不论系统处于静态，还是动态，都能实现比较精确的流量比。当系统改变负荷时，只要改变主流量控制器的给定值就能方便地实现。缺点：该方案仪表多、投资高。要求主流量可控。,11,4变比值控制有些生产过程要求两种物料的配比根据第三参数的需要而自动调整。这类比值控制称为变比值控制。,例：硝酸生产过程中的氧化炉设备的控制,12,分析：要求氨气和空气混合后进入炉内，在铂触媒的作用下，进行氧化反应生成硝酸气体，这一过程是放热反应。炉温作为间接表征氧化生产的质量指标。影响氧化炉温度的干扰因素很多，其中氨气和空气的比值对反应温度影响很大。,13,当出现影响氨空气流量比值变化的干扰时，可由副回路的比值控制加以克服。对其他干扰引起炉温变化时，则通过温度控制器来改变比值控制器的给定值，使炉温重新回到给定值。,14,方块图：,15,7-3 前馈控制系统一、概述在反馈控制中，控制器是按照偏差进行控制作用的。,?,16,为了弥补反馈控制的上述缺陷，即便有干扰存在，只要能预先加以补偿，控制系统能避免偏差出现。控制系统在干扰还没有影响到被控变量之前就产生控制作用，该系统称为前馈控制。,17,例：换热器前馈控制的工作原理,TT,FT,TffC,虚线：反馈控制,实线：前馈控制,进料流量波动,TC,18,换热器前馈控制原理：当进料流量变化时，前馈控制器根据输入信号运算后，输出控制信号，相应改变阀门开度，使蒸汽量变化，以补偿进料量F1对温度2的影响。前馈控制过程：图7-15 是进料量F1增加时，采用前馈控制的补偿过程。,表示扰动引起出口温度降低,表示前馈控制打开阀门，出口温度升高,出口温度的实际值,只要干扰通道和调节通道的特性相匹配，则前馈控制完全有可能抵消进料量的影响，使出口温度稳定。可见，前馈控制实现了对扰动的全补偿。,19,前馈控制系统的特点：前馈控制系统是基于扰动来消除干扰因素对被控变量的影响；反馈控制基于偏差大小来消除干扰。在扰动发生后，前馈控制作用比反馈控制作用更为及时和有效。前馈控制系统是一种开环控制系统。反馈控制是一种闭环控制系统。前馈控制系统只对它所测量的扰动量有校正作用，而对系统中的其他未测干扰则无能为力，反馈控制对进入闭环的所有扰动均有校正作用。前馈控制器的控制规律是根据对象特性确定的。由于大多数对象的特性是不同的，所以在前馈控制中，需要采用各种形式的专用前馈控制器，而不是采用通用的PID控制器。反馈控制采用通用PID控制器。,20,举例,蒸汽加热的换热器,换热器静态前馈控制,热交换器是应用前馈控制较多的场合，换热器有滞后大、时间常数大、反应慢的特性，前馈控制就是针对这种对象特性设计的，故能很好发挥作用。,二、前馈控制的结构形式,静态前馈控制,21,根据热平衡原理来分析,令,通过调整K值，达到校正效果。,缺点：1、静态模型的准确性问题；2、只能针对具体的扰动设计。,22,换热器前馈-反馈复合控制,虚线：反馈控制；实线：前馈控制。,干扰,前馈控制器,+,23,三、前馈控制的应用,对象的惯性滞后或纯滞后较大（控制通道长），反馈控制难以满足工艺要求，可采用前馈控制。当主要干扰为可测、不可控变量，无法将其纳入到串级控制的副回路时，可采用前馈控制。系统中存在变化频繁，波动幅值大，对被控变量影响显著，反馈控制又难以克服的干扰，采用前馈控制。,24,7-4 均匀控制系统一、背景例：多塔分离过程。图中甲塔出料量即为乙塔进料量。甲塔需保持塔釜液位的稳定，设计了液面控制系统；乙塔希望进料量保持不变，设计了流量控制系统。,25,当甲塔塔釜液位在干扰作用下上升时，液位控制发出信号使阀1开大，从而使乙塔进料流量增加。于是乙塔流量控制产生控制作用又使阀2关小，其结果会使甲塔液位升高，如此下去，这两个控制系统始终在相互矛盾状态下工作。,相互矛盾!,解决办法1：从工艺设计角度，增加缓冲罐解决办法2：均匀控制可实现前后设备在物料供求关系上互相协调、统筹兼顾的控制系统称为均匀控制系统。,26,二、均匀控制的特点,只有液位控制：当把液位参数控制平稳时，进入下一个设备的流量就会产生较大的波动。,27,只有流量控制：当把流量参数控制平稳时，前一个设备的液位也将出现大范围变化。,28,均匀控制：当某一个参数发生变化时，另一个参数也相应地发生变化，因为只有通过这种变化才能缓解供求之间的矛盾。,特点：表征前后供求矛盾的两个参数都应该在各自允许的波动范围内缓慢变化。,29,三、均匀控制的结构形式,设计要求：控制器不含微分作用；通过PI参数整定达到均匀控制效果。,30,7-5 分程控制系统一、基本概念 由一个控制器的输出去控制两个或两个以上执行器的系统称为分程控制系统。分程控制是通过阀门定位器来实现的。,31,分程控制：例：执行器1在0.020.06MPa的范围内动作；执行器2在0.060.1MPa的范围内动作；输出气压信号小于0.06MPa 的范围，执行器1随着气压信号的变化而改变开度；输出气压信号大于0.06MPa 的范围，执行器1移动到极限位置开度不再变化，执行器2则随着气压信号的变化而改变开度。,32,分程控制的分类：执行器同向动作的分程控制,执行器反向动作的分程控制,33,二、分程控制系统的应用,扩大执行器的可调范围，以适应不同生产负荷需要例：蒸汽压力分程控制,34,7-6 选择性控制系统一、基本概念在现代化的大型生产过程中，对自动控制的期望越来越高。不仅要求控制系统能在正常工况下克服外界干扰，而且还要求控制系统具有良好的应变能力。当生产操作达到极限时，能采取一些相应的保护措施，以防止事故的发生。属于保护措施的自动控制系统主要有两类：一类是硬保护控制，另一类是软保护控制。硬保护控制，ESD（Emergency Shutdown Device，紧急停车系统）。,35,软保护控制，就是当生产操作出现异常情况时，不使设备停车，而用另一套符合工艺安全逻辑关系的控制方案实现对生产的安全保护。选择性控制系统就可以用于达到上述目的。选择控制，又被称作取代控制，超驰控制。工作过程：在正常工况下，选择性控制系统基于克服扰动的控制方案工作，而当生产操作条件趋向于安全极限时，系统立即切换到一个用于控制不安全情况的控制方案。待影响生产的不利因素被克服，生产操作重新回到安全范围时，正常工况下的控制方案又恢复对生产的控制。,36,二、选择性控制系统的实例分析 例：液氨蒸发器温度与液位选择控制正常生产中，以被冷却物料的出口温度作为被控变量，液氨流量作为操纵变量构成单回路温度控制系统。安全性：液氨液位上升较高，可能将液氨夹带到压缩机中。,冷却器,压缩机,物料,37,安全性：液氨液位上升较高，可能将液氨夹带到压缩机中。,阀门开闭形式选择：气开阀，+TT，+对象，液氮流量增加，温度降低，-所以，TC为正作用。,温度控制系统设计：,38,阀门开闭形式选择：气开阀，+LT，+对象，液氮流量增加，液位升高，+所以，LC为反作用。,液位控制系统设计：,39,选择控制的控制原理,+,+,-,正常情况：液位控制：液位低于设定值偏差为负液位控制器输出较高信号,温度控制：温度接近设定值偏差较小温度控制器输出较小信号,因此，设计一个低选器，构成温度-液位选择控制回路。,40,选择性控制方块图,41,构成该系统应具备两方面:生产操作上有一定的选择性规律；组成控制系统的各个环节中，必须包含具有选择性功能的选择单元。,选择控制特点：通常系统中设有两个控制器；设有两个以上的变送器；设有选择器，选出能适应生产安全状况的控制信号，实现对生产过程的自动控制。,42,7.7 多冲量控制系统冲量既变量的意思。多冲量控制系统，也就是多变量控制系统。,例：锅炉给水系统控制在锅炉的正常运行中，汽包水位是重要的操作指标，给水控制系统的作用就是自动控制锅炉的给水量，使其适应蒸发量的变化，维持汽包水位在允许的范围内。控制阀作用方式选择保证锅炉安全（防止烧干）：选用气关阀保证后续汽轮机安全（防止蒸汽带液）：选用气开阀,43,（1）单冲量液位控制,单冲量：汽包液位操作变量：锅炉给水量方案特点：结构简单，对所有干扰影响均有克服作用存在的问题：蒸汽负荷变化，产生的“虚假液位”使控制器发出的信号不利于生产安全，不能克服虚假水位的影响；控制质量不高，对给水变化及负荷变化干扰的克服滞后较大。,44,双冲量：汽包液位，蒸汽流量控制特点：对蒸汽负荷变化产生的“虚假液位”具有前馈补偿控制功能 实际上是前馈-反馈复合控制控制。存在的问题：对给水变化扰动的克服，滞后较大。,（2）双冲量液位控制,45,锅炉水位双冲量控制方框图,图7-35 双冲量控制系统方块图,46,(3)三冲量液位控制,三冲量：汽包液位，蒸汽流量，给水流量特点：根据水位、给水及蒸汽负荷干扰的综合指标实施控制，可以克服各种干扰的影响，满足水位的动态控制要求。实际上是前馈-串级复合控制控制。,47,图7-38 三冲量控制系统方块图,锅炉水位三冲量控制方框图,48,课程小结,复杂控制系统了解比值、前馈、均匀、分程、选择、多冲量等复杂控制系统的基本概念和特点。,49,电信学院自动化系先进控制技术研究所,Thank You!,