《复杂控制策略》PPT课件.ppt

过 程 控 制 系 统,主讲人：钱艳平能源与电气学院,2,过程控制策略,开关（ON/OFF）控制PID控制PID控制算法、数字PID算法PID改进算法复杂过程控制串级控制、前馈控制、解耦控制等先进过程控制（APC）预测控制、智能控制等,3,第六讲 复杂控制策略,6.1 串级控制6.2 前馈及时滞控制6.3 解耦控制6.4 比值控制6.5 均匀及超驰控制6.6 分程控制,4,6.1 串级控制,6.1.1 引言温度单回路控制系统：,若温度变化较大，如何解决？,饱和蒸汽,加热物料,5,6.1.1 引言,人工控制的解决办法仿照人工操作，不仅观察容器内的温度，还要观察入口蒸汽流量！温度低，则开大蒸汽阀门；若蒸汽流量不够，及时再开大阀门，直到得到希望的温度为止。若不观察蒸汽流量量，只开大或关小阀门的，则很有可能调节过头或感觉不及时！这其实就是过程控制中所谓的“串级控制”思想。,6,6.1.1 引言,温度串级控制解决方案,7,6.1.1 引言,温度串级控制解决方案与单回路控制相比，增加了一个流量计和一个流量控制器。,8,6.1.2 串级控制结构及特点,（一）串级控制的结构,9,6.1.2 串级控制结构及特点,（二）串级控制的特点1、串级控制系统有主、副两个闭合回路。主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统。2、副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。,10,6.1.3 串级控制性能分析及仿真,（一）串级控制性能分析1、增强系统的抗干扰能力,串级控制系统的副环能够有效地克服二次扰动的影响。,11,6.1.3 串级控制性能分析及仿真,（一）串级控制性能分析2、改善对象动态特性，提高系统的工作频率,串级控制系统的副环具有较快的响应速度，提高了系统的工作效率。,12,6.1.4 串级控制设计,（二）主、副对象的时间常数匹配1、若副回路设计得太大，主、副对象时间常数比较接近，易引起“共振”问题。2、串级控制系统的主、副回路既独立又密切相关。,13,6.1.4 串级控制设计,（三）主副控制器控制规律的选择主控制器一般选PI或PID控制规律；副控制器一般选P或PI控制规律：对于温度副回路过程，若采用积分，会减弱副回路的快速作用；但对流量副回路过程常采用PI规律。作为随动环节，由于给定值经常变化，显然不宜引入微分规律。若确需引入，可采用微分先行规律。,14,6.1.4 串级控制设计,（四）串级控制系统投运先副回路，后主回路；副回路或主回路投运步骤与单回路相同。无扰动切换。,15,6.1.4 串级控制设计,（五）串级控制系统参数整定串级控制系统主回路是一个定值控制系统，要求主参数有较高的控制精度，其品质指标与单回路定值控制系统一样。副回路是一个随动系统，只要求副参数能快速而准确地跟随主控制器的输出变化即可。在工程实践中，串级控制系统采用先副后主的整定方式。,16,6.1.4 串级控制设计,（五）串级控制系统参数整定整定步骤:断开主回路，把副回路按单回路控制系统的参数整定，求取副控制器的整定参数值。闭合主回路，将副回路作为一个等效环节，按单回路整定方法，求取主控制器的整定参数值。,17,6.1.5 串级控制应用实例,主要应用场合：用于克服被控过程较大的容量滞后或纯滞后；用于抑制变化剧烈而且幅度较大的扰动；用于克服被控过程的非线性。,18,6.1.5 串级控制应用实例,在冶金行业选矿工艺中，大量使用矿石破碎机对矿石进行破碎。破碎系统的主体设备是破碎机，要求给矿料位稳定。,19,6.1.5 串级控制应用实例,下矿量的波动（如粒度、粘度发生变化）是系统中的一个主要扰动。若仅以机腔料位作为被控参数构成单回路控制系统，当扰动发生后，由于给矿皮带的传输需要一定的时间，即存在纯滞后，单回路控制系统往往会引起很大的超调，甚至振荡。,20,6.1.5 串级控制应用实例,为了克服系统的纯滞后，决定采用串级控制：即在给矿皮带上安装皮带秤，以给矿量为副参数、以机腔料位为主参数构成串级控制系统。,21,6.1.5 串级控制应用实例,主控制器（料位控制器）采用PI规律，反作用；副控制器（矿量控制器）采用PI规律，反作用。投运：先皮带秤、料位计投运；手动操纵电液推杆控制下矿量；稳定运行一段时间后无扰动切换，并整定。,22,6.2 前馈及时滞控制,前馈控制结构、原理及特点静态前馈、动态前馈前馈-反馈复合控制系统时间滞后控制系统Smith预估补偿方案采样控制方案,23,6.2.1 前馈控制,（一）引言原油加热炉出口温度的控制若原油流量是主要扰动，那么该如何处理？,原油是生产负荷！不可调节。,24,6.2.1 前馈控制,人工控制的基本思想（1）若原油流量不可调节，而扰动幅度又大，则可测量原油流量，据此及时调节燃料阀门的开度，以减少对出口温度的影响。（2）这就是所谓“前馈控制（Feed Forward）”的基本思想：若无法控制此扰动，则测量它，且不等扰动影响到被控量就提前及时调节。,25,（二）前馈控制的结构,前馈控制器；过程控制通道传递函数；过程扰动通道传递函数。,开环结构,26,（三）前馈控制设计原理,1、“不变性”原理在扰动作用下，使控制系统的被控量与扰动作用完全无关（或在一定准确度下无关）。,27,（三）前馈控制设计原理,2、前馈控制器由不变性原理,前馈控制器是由过程扰动通道与控制通道特性之比决定的，即：,28,（三）前馈控制设计原理,3、前馈控制的必要条件“可测”：指扰动量可以通过测量变送器，在线地将其转换为前馈补偿器所能按受的信号。“不可控”：指这些扰动量不可以通过控制回路予以控制。如之前的生产负荷。,29,4、前馈控制与反馈控制比较,30,（四）静态前馈与动态前馈,1、静态前馈工程上要实现完全补偿是很难的，所以一般要求控制系统能在一定准确度下获得近似补偿：或者，系统在稳态工况下被控量与扰动无关：静态前馈控制器采用比例控制，是前馈模型中最简单的形式：,31,（四）静态前馈与动态前馈,2、动态前馈当工艺上对控制精度要求很高，静态方案难以满足时，可考虑使用动态前馈方案。为避免对扰动通道及控制通道数学模型的过分依赖，且便于整定，根据被控过程的非周期、过阻尼特性，动态前馈系统常采用如下典型的控制规律：,32,（五）前馈-反馈复合控制系统,1、前馈控制的局限性属于开环控制方式。准确地说，应称之为前馈补偿！完全补偿难以满足，因为：要准确掌握扰动通道 及控制通道特性 是不容易的；即使前馈模型 能准确求出，有时工程上也难以实现；对每一个扰动至少使用一套测量变送仪表和一个前馈控制器，这将会使控制系统庞大而复杂；有一些扰动无法在线测量！,33,（五）前馈-反馈复合控制系统,2、前馈-反馈复合控制系统将前馈和反馈结合，既利用前馈控制及时克服主要扰动，又保持反馈控制克服多个扰动的长处；复合控制降低了系统对前馈补偿器的要求，使其在工程上更易于实现。,34,（五）前馈-反馈复合控制系统,3、前馈反馈控制系统的设计原则采用前馈控制主要是针对那些“可测不可控”、变化频繁且幅值较大的扰动量；工程中，一般选用静态前馈-反馈控制方案，即可得到较为满意的控制效果。,35,（六）前馈控制设计举例,36,（六）前馈控制设计举例,37,6.2.2 时滞控制,时间滞后是指纯滞后过程。纯滞后往往是由于物料或能量需要经过一个传输过程而形成的。纯滞后极大地影响系统动态性能，引起闭环控制系统稳定性明显降低，过渡过程时间加长。若 0.3，就被认为是具有较大纯滞后的工艺过程，时滞系统的控制是世界公认的控制难题。可考虑的方案：预估补偿方案；采样控制方案。,38,（一）Smith预估补偿,1、基本原理一种以模型为基础的预估补偿控制方法；预先估计出被控过程动态数学模型；预估出过程对扰动的动态响应，并将预估结果作为反馈提早供给控制器动作，以提前对扰动进行补偿。,39,（一）Smith预估补偿,2、Smith预估补偿结构,采用Smith预估补偿控制可以消除纯滞后环节对控制系统品质的影响。,40,（一）Smith预估补偿,3、Smith预估补偿的不足Smith预估器在应用中很不尽如人意，主要原因：需要确知被控对象的精确数学模型。即使是最简单的一阶模型，放大系数、时间常数或纯滞后哪怕只有10%的误差，也易产生振荡！只能用于线性定常系统。对负载扰动无所助益。,41,（一）Smith预估补偿,4、Smith预估补偿的改进,42,（二）采样控制方案,1、基本原理“调一下，等一等”（Wait and See)的办法:当控制器输出后，一段时间内不再增加或减小，而是保持此值（保持的时间比纯滞后时间0稍长些），直到控制作用的效果在被控量变化中反映出来为止；接着，根据偏差的大小再决定下一步控制作用的大小和方向。,43,（二）采样控制方案,2、采样控制的特点核心思想就是避免控制器不必要的误操作，而宁愿让控制作用弱一些。无需掌握精确的过程动态特性，就能克服被控过程中纯滞后的不利影响。需注意采样周期的选取应略大于过程的纯滞后时间。,44,（三）几点说明,工业实际过程控制中，一旦出现了大时滞过程，要想取得满意的动静态控制效果是很难的。在进行控制系统方案设计时，应尽一切可能避免大时滞控制系统的出现。比如，在条件允许的情况下，不采用简单的单回路控制系统，而引入中间变量构成串级控制系统等。微分作用对时滞控制无能为力；所谓“先进控制”尚未见实际效果。,45,6.3 解耦控制,6.3.1 控制回路间的耦合（一）什么是耦合？如果需要同时控制泵出口的压力和流量，试分析两个控制系统的运行情况？,46,6.3.1 控制回路间的耦合,压力控制回路,压力设定,泵出口压力,流量控制回路,流量设定,泵出口流量,对象,47,（二）耦合程度如何分析？,1、相对增益定义相对增益ij是调节量j相对于过程中其他调节量对被控量yi而言的增益（j yi）；ij定义为：,pij 第一放大系数,qij 第二放大系数,48,（二）耦合程度如何分析？,（）第一放大系数pij 指耦合系统中，除j到yi通道外，其它通道全部断开时所得到的j到yi通道的静态增益;即，除调节量j改变了j以外，其它调节量k（kj）均不变。pij可表示为：,j yi的增益（仅j yi通道投运，其他通道不投运）,49,（二）耦合程度如何分析？,（）第二放大系数qij 指除所观察的j到yi通道之外，其它通道均闭合且保持yk（kj）不变时，j到yi通道之间的静态增益。qij可表示为：,j yi的增益（不仅j yi通道投运，其他通道也投运）,50,（二）耦合程度如何分析？,2、相对增益含义 两放大系数相同，其它回路存在与否对该通道没有影响，即该通道与其他通道不存在耦合；放大系数不同，各通道间有耦合。,51,（二）耦合程度如何分析？,2、相对增益含义ij=1 无静态耦合ij=0 耦合严重 其他回路未投入时yi不受j影响（pij=0）投入后却有影响（ij0）了ij=耦合严重 ij 1 有耦合 其他回路投入后，j yi通道的增益下降 需要解耦ij 1 有耦合 需要解耦ij 0 耦合严重 其他回路的投入与否使系统由正反馈变成负反 馈，系统由不稳定性变为稳定，或相反。,52,（二）耦合程度如何分析？,3、相对增益的计算（1）第一放大系数pij的计算第一放大系数pij是在其余通道开路情况下，该通道的静态增益。,53,（二）耦合程度如何分析？,计算p11时,其他回路要开环或者(2)(3)(4)开环或者令Kc2=0，使2=0,所以p11=K11，p21=K21，p12=K12，p22=K22,54,（二）耦合程度如何分析？,（2）第二放大系数qij的计算第二放大系数qij是在其它通道闭合且保持 yk（k i）恒定的条件下，该通道的静态增益。,55,（二）耦合程度如何分析？,计算q11时,其他回路要闭环且y2固定不变,令Kc2=，使y2跟随R2而固定不变,56,（二）耦合程度如何分析？,57,（二）耦合程度如何分析？,同理，类似的可确定：,58,（二）耦合程度如何分析？,直接根据定义计算相对增益ij：,59,（二）耦合程度如何分析？,4、相对增益的特性相对增益矩阵中每行元素之和为1相对增益矩阵中每列元素之和也为1。,此结论也同样适用于多变量耦合系统。此结论可用作验算所求得的相对增益矩阵是否正确。,60,（三）如何进行解耦？,解耦控制的目的：解除耦合 或 减弱耦合解耦方法：分四种。,61,（三）如何进行解耦？,1、减少控制回路2个回路，捡一个重要的回路进行控制，另一个次要回路不控制。,62,（三）如何进行解耦？,2、通过控制参数来减弱两个回路的耦合度通过整定控制器参数，使两个控制回路的工作频率错开。,如果把流量作为主被控变量，那么流量控制回路按正常方法进行整定，保证有控制精度、灵敏度的响应要求；而把压力作为从属被控变量，压力控制回路整定得“松”一些，即比例度大一些，积分时间长一些。,63,（三）如何进行解耦？,3、正确匹配被控变量与控制变量对有些系统来说，减少与解除耦合的途径可通过被控变量与控制变量间的正确匹配来解决，这是最简单的有效手段。,64,3、正确匹配被控变量与控制变量,例：对液体混合系统求被控量与调节量之间的正确配对关系,混合液的成份y1,总流量y2,液体,液体,65,3、正确匹配被控变量与控制变量,根据定义，先计算1到y1通道间的第一和第二放大系数，得因此，可求得相对增益:,66,3、正确匹配被控变量与控制变量,由相对增益矩阵的特性，可得相对增益矩阵为当y1=0.3时，合理的配对是：用1控制混合液成份y1用2控制混合液总流量y2,67,4、正儿八经的解耦控制,压力控制回路,压力设定,泵出口压力,流量控制回路,流量设定,对象,泵出口流量,解耦器,68,6.3.2 解耦控制系统设计,常用的解耦控制方法适当选择变量配对，将大系统分解为若干相对独立的子系统。对角矩阵解耦法（含单位矩阵解耦法）。前馈补偿解耦法，是目前工业上应用最普遍的一种解耦方法。,69,6.3.2 解耦控制系统设计,（一）对角矩阵解耦法,对角阵,70,6.3.2 解耦控制系统设计,（一）对角矩阵解耦法,71,6.3.2 解耦控制系统设计,（二）单位矩阵解耦法,单位阵,72,6.3.2 解耦控制系统设计,（二）单位矩阵解耦法不但消除了耦合，也改变了等效被控对象的特性，由于此时对象特性为1，理论上极大提高了系统的稳定性。缺点：解耦网络模型可能难以实现。,73,6.3.2 解耦控制系统设计,（三）前馈补偿解耦法将有耦合的控制参数当作扰动量，根据不变性原理设计前馈补偿解耦网络。解耦网络较对角阵解耦简洁，工业应用广泛。,74,（三）前馈补偿解耦法,75,6.4 比值控制,6.4.1 基本概念（一）定义两个或多个参数自动维持一定比值关系的过程控制系统。例如：1、燃烧过程中，为保证燃烧经济性，需保持燃料量和空气量按一定比例混合后送入炉膛；2、造纸过程中，为保证纸浆浓度，必须控制纸浆量和水量按一定的比例混合。,76,6.4.1 基本概念,（二）主动量和从动量比值控制系统中，起主导作用的物料流量一般称为主动量Q1。如燃烧过程中的燃料量、造纸中的纸浆量；随主动量变化的物料流量称为从动量Q2。如燃烧过程中的空气量、造纸中的水量。Q2与Q1保持一定的比值，即：,77,6.4.2 比值控制方案,根据工业生产过程的不同需求，常用的比值控制方案有：开环比值控制单闭环比值控制双闭环比值控制变比值控制开环、单闭环或双闭环比值控制中，比值系数固定不变；而变比值控制中，比值系数可变。,78,（一）开环比值控制,主、副流量均开环；由于系统开环，对副流量Q2的扰动没有克服能力，只适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。,79,（二）单闭环比值控制,从动量Q2是一个闭环控制系统；主动量Q1开环，Q2 的给定是k Q1，故从动量又是一个随动控制系统。特点：结构简单，可克服作用于从动量回路中的扰动，应用于主动量可测不可控场合。,80,（三）双闭环比值控制,特点：实现主动量定值控制，使总物料量稳定。可克服主动量和从动量的扰动，适用于要求负荷变化平稳的场合，但控制稍复杂。,81,（四）变比值控制,变比值控制系统通过控制流量比值，来实现第三参数的稳定不变。本质上是一个以第三参数为主参数、以流量比为副参数的串级控制系统。第三参数往往是产品质量指标。变比值控制中，比值只是手段，而不是最终目的。,82,6.4.3 比值控制应用,一次磨矿工艺与控制要求：产量基本稳定；磨机内部磨矿浓度稳定。,83,6.4.3 比值控制应用,控制方案：对一段磨机而言，浓度发生变化后，要求矿和水两种物料流量的比值要随之变化，决定采用变比值控制方案。主动量为磨矿浓度；从动量为矿和水两种物料流量的比值。在从动量调节过程中，由于矿量是生产负荷，起主导地位，故以调节水量为主来改变比值。,84,6.4.3 比值控制应用,控制结构图：,85,6.5 均匀及超驰控制,6.5.1 均匀控制连续生产过程中，前一设备的出料往往是后一设备的进料，工艺常常要求前一设备液位稳定，后一设备流入量稳定。,86,6.5.1 均匀控制,解决办法：删去流量控制，只设置液位控制系统。目标：让控制量流量小幅变化，使被控量液位保持在允许的范围内即可。将液位、流量的控制统一在一个控制系统中，即所谓“均匀控制”（Loose Control）。,87,6.5.1 均匀控制,在定值控制系统中，为了保持被控量为定值，控制量可作较大幅度变化，控制作用很“强”。在均匀控制中，控制量和被控量同样重要，控制目的要使它们在一定的范围内都缓慢而均匀地变化。为实现均匀控制，其控制器参数比例度和积分时间TI都比定值控制系统大得多，即控制作用很“弱”。,88,6.5.1 均匀控制,均匀控制的特点均匀控制与定值控制在控制结构上没有任何区别，其区别在于控制目的不同。均匀控制的目的是保证前后装置或设备供求矛盾的两个参数（一个是被控量，另一个是控制量），在工艺允许的范围内，都缓慢均匀变化。,89,6.5.2 超驰控制,工艺控制中，有些参数在正常工况下不会超限，不考虑对它施加控制或采取非常控制手段；而在非正常工况下，该参数会达到极限值，此时要求采取强有力的控制手段，避免超限，即所谓“超弛控制”。超弛控制（Override Control）属于极限控制，一般基于生产安全角度，如要求温度、压力、物位不能越限等等。又称选择性控制、取代控制或软保护控制。,90,6.5.2 超驰控制,工艺控制中，有些参数在正常工况下不会超限，不考虑对它施加控制或采取非常控制手段；而在非正常工况下，该参数会达到极限值，此时要求采取强有力的控制手段，避免超限，即所谓“超弛控制”。超弛控制（Override Control）属于极限控制，一般基于生产安全角度，如要求温度、压力、物位不能越限等等。又称选择性控制、取代控制或软保护控制。,91,6.5.2 超驰控制,硬保护是指当参数达到高限或低限时，系统开始报警，这时需设法排除故障，若没能及时排除故障，则当参数达到高高限或低低限时，系统经联锁装置动作，自动停车。软保护是指当参数达到高限或低限时，系统开始改变控制方式，以参数脱离极限值作为当前控制的第一指标，此时的控制方式一般会使控制质量有所降低，但可维持生产继续进行，避免停车（因为停车往往会造成较大的经济损失）。,92,6.5.2 超驰控制,超驰控制的实现在超弛控制系统中，设有两个控制器：一个用于正常工况的控制，另一个用于非正常工况的控制。通过选择判断，自动选出能满足正常生产或适应生产安全状况的控制。,93,6.5.2 超驰控制,氨冷器温度液位超弛控制正常情况下，根据物料出口温度控制液氨流入量。但当氨冷器中液位过高时，会使气氨中带液，损坏后续设备。需用液位控制取代温度控制，限制液氨流入量。,94,6.5.2 超驰控制,氨冷器温度液位超弛控制,95,6.6 分程控制,（一）定义分程控制（Split-range Control）中，一个控制器的输出被分割成不同的控制段，分别控制不同的调节阀。,96,6.6 分程控制,（二）气动分程控制系统的分类,97,6.6 分程控制,（三）分程控制目的1、扩大控制阀的可调范围，以改善控制品质（一般采用两阀气开或两阀气关式）。2、为了满足工艺操作的特殊需要（一般采用气开气关式或气关气开式）。3、用作安全生产的防护措施（一般采用气开气关式或气关气开式）。,98,6.6 分程控制,（四）分程控制应用、蒸汽减压系统采用两只调节阀来控制中压蒸汽。,99,（四）分程控制应用,、蒸汽减压系统设A、B两阀最大流通能力Cmax均为100，可调范围R为30，则：采用两只流通能力相同的调节阀构成分程控制系统，可调范围比单只调节阀扩大一倍。可满足生产负荷变化较大的要求，且提高控制精度，改善控制质量。,100,（四）分程控制应用,、间歇反应器的分程控制按要求配比原料，放入反应器，开始时温度达不到反应要求，需通蒸汽加热，诱发化学反应；达到反应温度并开始反应后，会产生大量反应热，需及时移走热量，否则会因温度过高而发生危险。,101,（四）分程控制应用,、间歇反应器的分程控制,A阀气关，B阀气开，TC反作用,102,（四）分程控制应用,3、油品储罐氮封分程控制氮封要求罐内氮气微量正压。罐内存储的物料增减时，罐顶压力将产生变化。A阀气开，B阀气关。PC反作用。,103,（四）分程控制应用,3、油品储罐氮封分程控制间歇区可避免两阀频繁交替开闭，并有效节省氮气。一般贮罐顶部空隙较大，压力对象时间常数大，而压力控制精度要求不高，允许存在间歇区。,104,（五）分程控制注意事项,、分程控制中调节阀的泄漏量问题选用的调节阀应不泄漏或泄漏量极小。尤其是在大、小阀并联工作时，若大阀泄漏量过大，小阀将不能充分发挥其控制作用。,105,（五）分程控制注意事项,、分程控制中阀流量特性选择问题如把两个调节阀作为一个阀使用，要求从一个阀向另一个阀过渡时，其流量变化要平滑。若两个阀的放大系数不同，在分程点上会引起流量特性突变。,106,（五）分程控制注意事项,、分程控制中阀流量特性选择问题解决方案：（）选择合适的调节阀流量特性（）采用分程信号重叠法。,107,作业,P183：5.4、5.5P184：6.3、6.9,