《学期级复习》PPT课件.ppt

单回路控制系统特点,1、它由一个测量变送装置、一个控制器、一个控制阀和相应的被控对象所组成。2、控制器是根据被控变量与给定值的偏差来进行控制的。3、系统结构简单，所需自动化技术工具少（仪表少），投资比较低，操作维护也比较方便，一般情况下都能满足控制质量的要求。因此在生产过程中70%以上的控制系统是单回路控制系统。,1.1.3过程控制的目标,过程控制系统的目标：在扰动存在的情况下，通过调节操纵变量使被控变量保持在其设定值。应用过程控制系统的主要原因：（1）安全性：确保生产过程中人身与设备的安全，保护或减少生产过程对环境的影响；（2）稳定性：确保产品质量与产量的长期稳定，以抑制各种外部干扰；（3）经济性：实现效益最大化或成本最小化。,1.4控制系统的设计与实施,确定控制目标：依据生产过程安全性、经济性与稳定性的要求，针对具体工业对象确定控制目标；选择被控变量：选择与控制目标直接或间接相关的可测量参数作为控制系统的被控变量；选择操作变量：从所有可操作变量中选择合适的操作变量，要求对被控变量的调节作用尽可能大而快；确定控制方案：当被控变量与操作变量多于1个时，既可以直接用MIMO（多输入多输出）控制方案；也可以将系统分解成几个SISO（单输入单输出）子系统再进行设计（当然这里存在最佳分解问题）。,1.4控制系统的设计与实施（续）,调节阀的选择：根据被控变量与操作变量的工艺条件及对象特性，选择合适大小与流量特性的调节阀；控制算法的选择：依据控制方案选择合适的控制算法。通常对于SISO系统，PID控制算法能满足大部分情况；而对于MIMO系统，可采用的控制算法很多，但一般都需要对象模型，仅适用于计算机控制系统。系统关联性分析：负反馈控制系统。控制系统的调试和投用：控制系统安装完毕后，按控制要求检查和调整各控制仪表和设备的工作状况(包括控制器参数的在线整定)，依次将其投入运行。,1.4控制系统的设计与实施,确定控制目标：依据生产过程安全性、经济性与稳定性的要求，针对具体工业对象确定控制目标；选择被控变量：选择与控制目标直接或间接相关的可测量参数作为控制系统的被控变量；选择操作变量：从所有可操作变量中选择合适的操作变量，要求对被控变量的调节作用尽可能大而快；确定控制方案：当被控变量与操作变量多于1个时，既可以直接用MIMO（多输入多输出）控制方案；也可以将系统分解成几个SISO（单输入单输出）子系统再进行设计（当然这里存在最佳分解问题）。,1.4控制系统的设计与实施（续）,调节阀的选择：根据被控变量与操作变量的工艺条件及对象特性，选择合适大小与流量特性的调节阀；控制算法的选择：依据控制方案选择合适的控制算法。通常对于SISO系统，PID控制算法能满足大部分情况；而对于MIMO系统，可采用的控制算法很多，但一般都需要对象模型，仅适用于计算机控制系统。系统关联性分析：负反馈控制系统。控制系统的调试和投用：控制系统安装完毕后，按控制要求检查和调整各控制仪表和设备的工作状况(包括控制器参数的在线整定)，依次将其投入运行。,被控对象动态建模方法,机理建模原理：根据过程的工艺机理，写出各种有关的平衡方程，如物料平衡、能量平衡等，以及反映流体流动、传热、传质等基本规律的运动方程，由此获得被控对象的动态数学模型。特点：概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明确。测试建模原理：对过程的输入（包括控制变量与扰动变量）施加一定形式的激励信号，如阶跃、脉冲信号等，同时记录相关的输入输出数据，再对这些数据进行处理，由此获得对象的动态模型。特点：无需深入了解过程机理，但适用范围小，模型准确性有限。,工业过程控制对象的特点,除液位对象外的大多数被控对象本身是稳定自衡对象；对象动态特性存在不同程度的纯迟延；对象的阶跃响应通常为单调曲线，除流量对象外的被调量的变化相对缓慢；被控对象往往具有非线性、不确定性与时变等特性。,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。,控制器增益 Kc或比例度PB增益增大(即Kc 增大或比例度PB下降)，调节作用增强，但稳定性下降；积分时间Ti积分作用增强（即Ti 下降），使系统消除余差的能力加强，但控制系统的稳定性下降；微分时间Td微分作用增强（即Td 增大），可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，主要适合于特性滞后较大的广义对象，如温度对象等。,PID参数对控制性能的影响(整定规律),响应曲线法,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：,控制器的“正反作用”选择方法,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。（即当被控变量测量值变大时，如何使得该值下降回到设定值）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。（1）反馈回路中负增益环节数为奇数；（2）对控制器而言，“正作用”是指Tm u。,主、副控制器正反作用的选择,主、副控制器正、反作用的选择顺序应是先副后主（1）副控制器的正、反作用要根据副回路的具体情况决定，而与主回路无关。副环可以按照单回路控制系统确定正、反作用的方法来确定副控制器的正、反作用。（2）主控制器的正、反作用根据主主回路所包括的各环节来确定。副回路的放大倍数可视为“正”，因变送器一般为“正”，这样主控制器的正负特性与主对象的正负特性相反。,串级系统PID参数的整定方法,逐次逼近法Step 1:先断开主回路，按单回路方式整定副调节器的PID参数。Step 2:在主调节器为“手动”、副回路闭环的情况下，测试得到主回路广义对象的动态特性与相应特征参数。Step 3:采用单回路调节参数的工程整定法（如动态响应法），确定主回路的PID参数。,两步法（先副环后主环的方法）1）在主副回路闭合时，将主控制器置100%、Ti置、Td 置0，然后按4:1整定方法整定副环，找出副变量出现4:1振荡过程的比例度记录下2s 及振荡周期T 2s。2）、将副控制器置2s、Ti置、Td 置0，然后按4:1整定方法整定主环，找出主变量出现4:1衰减振荡过程的比例度记录下1s 及振荡周期T 1s。3）、根椐得到的1s、T 1s、2s、T 2s值，结合主、副控制器的选型，按单回控制系统整定计算公式，可以计算出主、副控制器的、Ti、Td。4）、将计算所得参数按先副环后主环、先比例再积分后微分的顺序在控制器上放好，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。,一步法根据经验先将副控制器参数一次放好，不再变动，然后按一般单回路系统整定方法，直接整定主控制器参数。在整定过程中以牺牲副参数的质量指标的原则（副参数在允许的范围内），使主参数达到规定的质量指标的要求。,串级控制系统的防积分饱和,单纯前馈控制的存在问题：,（1）单纯前馈不存在被控变量的反馈，补偿效果没有检验的手段，前馈作用并没有最后消除偏差时，系统无法得知这一信息而作进一步的校正。（2）由于工业对象存在多个干扰，势必要设置多个前馈控制通道，因而增加了投资费用和维护工作量。（3）前馈控制模型的精度也受到多种因素的限制，对象特性要受到负荷和工况等因素的影响而产生漂移，导致GPD（s）和GPC（s）的变化。一个固定的前馈模型难以获得良好的控制品质。为了解决上述局限性，将前馈与反馈相结合，构成前馈反馈控制系统（FFC-FBC）。,前馈-反馈控制系统优点：,1）由于增加了反馈回路，大大简化了原有前馈控制系统，只需对主要的干扰进行前馈补偿，其它干扰可由反馈控制予以校正；2）反馈回路的存在，降低了前馈控制模型的精度要求，为工程上实现比较简单的通用模型创造了条件；3）负荷变化时，模型特性也要变化，可由反馈控制加以补偿，因此具有一定自适应能力。,前馈-反馈控制系统的局限性：,（1）前馈控制器的输出与反馈控制器的输出相叠加后送至控制阀，这实际上将所要求的物料流量与加热蒸气流量对应关系转化为物料流量与控制阀膜头压力间的关系。这样为了保证前馈补偿的精度，对控制阀提出了严格要求，希望它灵敏、线性及尽可能小的滞环区。（2）必须要求控制阀前后压差恒定，否则无法实现精确的校正。,5.3 前馈控制规律的实现,不变性原理,动态前馈控制的可实现性,前馈控制器的控制规律均可表示为对象的干扰通道与控制通道的特性。实践证明，相当数量的工业对象都具有非周期性与过阻尼的特性，因此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来近似它。,结论,引入前馈控制的可能应用场合：常规反馈控制系统难以满足要求；干扰可测。应用前馈控制的前提条件：主要干扰可测；调节阀与被测干扰之间没有因果关系；干扰通道的响应速度比控制通道慢，至少应接近；干扰通道与控制通道的动态特性变化不大。,动态前馈控制的可实现性,前馈控制器的控制规律均可表示为对象的干扰通道与控制通道的特性。实践证明，相当数量的工业对象都具有非周期性与过阻尼的特性，因此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来近似它。,5.4 前馈控制系统的应用,应用原则：（1）对象的滞后或纯滞后（控制通道）较大，反馈控制难以满足工艺要求，可以采用前馈控制把主要干扰引入前馈控制，构成前馈-反馈控制系统。（2）系统中存在着可测、不可控、变化频繁、幅值大且对被控变量影响显著的干扰，可采用前馈控制大大提高控制品质。（3）当工艺上要求实现变量间的某种特殊的关系，则需要通过建立数学模型来实现控制。在决定选用前馈控制方案后，当静态前馈能满足工艺要求时，不必选用动态前馈。,分析比较,结构上：串级控制：内外两个反馈回路组成前馈-反馈控制：一个反馈和一个开环的补偿回路叠加而成变量上：（串级控制的副参数与前馈-反馈控制的前馈输入量是两个截然不同的变量）前者是串级控制系统中反映主被控变量的中间变量，控制作用对他产生明显的调节效果；后者是对主被控变量有显著影响的干扰量，是完全不受控制作用约束的独立变量，引入前馈的目的是为了补偿原料油流量对炉出口温度的影响。功能上：前馈控制器与串级控制的副控制器担负不同的功能。,开环比值控制系统,开环比值控制系统是最简单的比值控制系统，同时也是一个开环控制系统。随着F1的变化，F2将跟着变化，满足F2=K*F1的要求。,特点分析,特点：由于系统是开环的，对副流量F2的波动无法克服，比值精度低。适用场合：适用于副流量较平稳且比值关系要求不高的场合，生产上很少用。分别与单回路控制系统、前馈控制系统的区别？,单闭环比值控制系统,单闭环比值控制系统方框图及与串级控制系统比较,单闭环比值控制系统无主对象、主控制器。并且从动量不会影响主动量。串级控制系统中，副变量是操纵变量到被控变量之间总对象的一个中间变量，该变量是主对象的输入，通过改变副被控变量来调节主被控变量。串级控制的副环与比值控制系统的从动量控制子系统都是随动控制系统。,特点分析,特点分析,单闭环比值控制系统与串级控制系统的区别：单闭环比值控制系统的主流量相当于串级控制系统的主参数，而主流量没有构成闭环系统，F2的变化并不影响到F1。存在的问题：1.由于主流量不受控制，所以总物料量不固定，不适合负荷变化幅度大的场合。2.无法保证动态比值。,特点分析,单闭环比值控制系统与串级控制系统的区别：单闭环比值控制系统的主流量相当于串级控制系统的主参数，而主流量没有构成闭环系统，F2的变化并不影响到F1。存在的问题：1.由于主流量不受控制，所以总物料量不固定，不适合负荷变化幅度大的场合。2.无法保证动态比值。,双闭环比值控制系统,系统方框图？,特点分析,1、双闭环比值控制系统是克服单闭环比值控制系统主流量不受控，生产负荷在较大范围内波动的不足，在单闭环比值控制系统的基础上，增设了主流量控制回路，克服了主流量干扰的影响。2、实现精确的流量比值关系（动态比值），确保两物料总量基本不变。3、提降负荷比较方便，只需缓慢主流量控制器的给定，就可以提降主流量，副流量自动跟踪提降，并保持比值不变。存在问题：需要防止共振的产生。,定比值控制方案,共性：比值系数固定比值固定不是最终目的，只是手段只能客服流量干扰对比值的影响，当有其它除了流量之外的干扰出现时，为了保证产品质量，必须适当修正物料的比值。,变比值控制系统,系统方框图？,定义：按照一定的工艺指标自行修正比值系数的变比值控制系统，也称串级比值控制系统。注意：第三参数必须可连续的测量变送，否则系统将无法实施。,定义：按照一定的工艺指标自行修正比值系数的变比值控制系统，也称串级比值控制系统。注意：第三参数必须可连续的测量变送，否则系统将无法实施。,串级和比值控制组合的系统与变比值控制系统的区别：（1）变比值控制系统是由第三参数来修正比值，属于变比值控制；（2）串级和比值控制组合是要求主流量随另一个参数的需要而改变，两流量的比值关系保持不变，整个系统属于定比值控制。,比值器的设定1,稳态条件:IA=I0,假设流量测量变送环节为线性对象。,对DDZ III型仪表,比值器的输入输出关系为,令：,稳态条件:,比值器的设定1（续）,比值器的设定2,假设流量测量变送环节为非线性对象。,对DDZ III型仪表,比值器的输入输出关系为,乘法器的设定,稳态条件:IA=I0,对DDZ III型仪表,乘法器的输入输出关系为,比值控制系统的其它问题,具有逻辑规律的比值控制副流量供料不足时的自动配比主动量与从动量的选择气体流量测量中的温度、压力校正比值控制系统中非线性环节的影响,逻辑规律：就是指工艺上对主、副流量提降负荷时的先后要求而言。所以具有逻辑规律的比值控制也称为逻辑提量。,蒸汽,燃料,空气,“反”,气开,气开,具有逻辑规律的比值控制,问题的提出：前面所讨论的各类比值控制系统中，当主流量供料不足时，副流量会自动跟随减小，以保持比值不变，而当副流量供料不足时，如果它的阀门全开还不能满足比值要求，控制系统就无能为力了。解决：可以增设阀位控制系统，来实现负荷的自动调整。图示为具有自动调整负荷的单闭环控制系统原理图,副流量供料不足时的自动配比,主动量与从动量的选择,选择原则：1、生产中主要物料为主动量，其他物料为从动量。2、如果两种物料中，一种是可控的，另一种是不可控的，则应先不可控的为主动量，而可控的为从动量。3、如果两种物料中一种供应不成问题，而另一种物料可能供应不足，此时可选用不足的物料为主动量。,气体流量测量中的温度、压力校正,流量测量是比值控制的基础。差压式流量计是测量气体、液体和蒸汽的最常用仪表。当用差压式流量计测量气体流量时，若实际工况的温度，压力参数与设计条件的数值不一致，将会影响测量精度。,气体体积流量和节流装置压差之间的关系式为：,在设计条件下的流量为:,在实际工作条件下的流量为:,根据质量流量相等的关系，可得,比值控制系统中非线性环节的影响,比值控制系统中的非线性特性是指系统的静态放大系数随负荷变化而变化的特性。当比值控制系统中流量测量采用节流装置时，流量与压差之间的非线性关系会对比值控制系统有一些影响。,对系统动态特性的影响:,差压式流量计流量与压差的关系为,如果采用DDZ-型变送器，则测量信号与流量之间的关系为,可见，变送器的输出信号I与输入流量F是非线性的关系。,7.2 均匀控制方案,7.2.1 常用的几种结构形式7.2.2 控制规律的选择7.2.3 参数整定,串级均匀控制 目的：流量副回路的引入主要是克服控制阀压力波动及自衡作用对流量的影响。优点：能克服较大的干扰，适用于系统前后压力波动较大的场合。,结构上与串级控制系统一致,双冲量均匀控制 冲量：连续的信号和参数。定义：用一控制器，以两个测量信号之差为被控变量的系统。优点：既有简单控制系统参数整定方便的特点，又有串级均匀的优点。,7.2.2 控制规律的选择,1.简单均匀控系统：控制器一般采用纯比例作用，有时也可采用比例积分控制规律。2.串级均匀控制系统：主控制器一般采用纯比例作用，也可采用 比例积分控制规律。副控制器一般采用纯比例作用。3.双冲量均匀控制系统：双冲量均匀控制器一般采用比例积分作用控制规律。所有的均匀控制系统中控制器都不需要也不应加微分作用。,有利方面：1.可以避免由于长时间单方向干扰引起的液位越限。2.由于加入积分作用，比例度适当增加有利于液位存在高频噪声场合。不利方面：1.一旦液位偏离给定值的时间长而幅值又大时，则积分作用会使控制阀全开或全关，造成流量较大的波动。2.由于积分的引入会使系统的稳定性变差3.积分作用的加入，由于积分饱和，会产生洪峰现象。,引入积分作用存在的问题：,