常用复杂控制系统.ppt
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1、教书育人要义 传道授业释疑;师生同心协力,共探过控真谛。熟悉仪表原理,统领系统设计;理论实践结合,思维创新第一。,过程控制与自动化仪表,西安理工大学 潘永湘 杨延西 赵跃 制作,教学理念:,第6章 常用复杂控制系统,第6章 常用复杂控制系统,6.1 串级控制系统6.2 前馈控制系统,本章要点,1)了解串级控制系统的应用背景,熟悉串级控制系统的典型结构与特点;2)掌握串级控制系统的设计方法,熟悉串级控制系统的参数整定方法;3)了解前馈控制的原理及使用场合;4)掌握前馈补偿器的设计方法,熟悉前馈反馈复合控制的特点及工业应用。,6.1 串级控制系统,6.1.1 串级控制的基本概念,连续反应釜温度控制
2、示意图,物料自顶部连续进入釜中,经反应后由底部排出。反应产生的热量由夹套中的冷却水带走。为保证产品质量,对反应温度T1要进行严格控制。,工艺要求:,被控过程有三个热容积,即夹套中的冷却水、釜壁和釜中物料。,选取冷却水流量为调节参数,构成单回路控制系统,引起温度T1变化的干扰因素有:进料方面有进料流量、进料入口温度和化学组成,用F1表示;冷却水方面有水的入口温度和阀前压力,用F2表示。,问题:过渡过程时间长,调节不及时,将两个调节器串联在一起工作,各自完成不同任务的系统结构,就是串级控制的基本思想。根据这一构思,反应釜温度串级控制示意图为,串级控制系统的一般结构框图,主回路-定值控制副回路-随动
3、控制,副回路,主回路,6.1.2 串级控制系统的特点,对于同一对象,单回路控制,串级控制,1.能迅速克服进入副回路的干扰,串级控制等效方框图,等效副对象为,在给定信号X1作用下,在干扰F2作用下,控制能力和抗干扰能力综合指标:,比值越大,系统的控制能力和抗干扰能力越强,控制能力和抗干扰能力综合指标:,假设,则,结论:主、副调节器放大系数的乘积越大,抗干扰能力越强,控制质量越好。,与单回路控制系统的比较:,控制能力和抗干扰能力综合指标为:,一般情况下有,结论:由于副回路的存在,能迅速克服二次干扰。,假设,则,2.能改善控制通道的动态特性,提高工作频率,(1)等效时间常数减小,响应速度加快,等效副
4、回路,假设,则,串级系统的特征方程为:,串级控制系统的工作频率为:,(2)提高了系统的工作频率,将各环节传函代入,化简得,标准形式:,将各环节传函代入,化简得,单回路系统特征方程为,单回路系统工作频率,(2)提高了系统的工作频率,3.能适应负荷和操作条件的剧烈变化,当采用串级控制时,主环是一个定值系统,而副环却是一个随动系统。主调节器能够根据操作条件和负荷变化的情况,不断修改副调节器的给定值,以适应操作条件和负荷的变化。,副回路的等效放大系数为,一般,当K02或KV随操作条件或负荷变化时,K02几乎不变.,串级控制:副回路粗调;主回路细调,综上所述,串级控制系统的主要特点有:,1)对进入副回路
5、的干扰有很强的抑制能力;2)能改善控制通道的动态特性,提高系统的快速反应能力;3)对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的自适应 能力。,结论:副回路改善了动特性、提高了响应速度和工作频率;当主、副时间常数比值一定,副调节器的比例系数越大,工作频率越高;同样,当比例系数一定,主、副时间常数比值越大,工作频率也越高。其结果使振荡周期缩短,提高了系统的控制质量。,6.1.3 串级控制系统的适用范围,适用于容量滞后较大的过程 选容量滞后较小的辅助变量,组成副回路以减小时间常数,提高工作频率。,加热炉温度串级控制系统,2.适用于纯滞后较大的过程,仿丝胶液压力与压力串级控制系统,工艺要求:过滤前的压
6、力稳定在250KPa特点:距离长,纯滞后时间长。,在离调节阀较近、纯时延较小的地方,选择一个辅助参数作为副参数,构成一个纯滞后较小的副回路。,计量泵,3.应用于干扰变化剧烈、幅度大的过程,工艺要求:汽包液位控制特点:快装锅炉容量小,蒸汽流量与水压变化频繁、激烈三冲量液位串级控制。,快装锅炉三冲量液位串级控制,4.应用于参数互相关联的过程,常压塔塔顶出口温度和一线温度串级控制,同一种介质控制两种参数单回路控制:两套装置,不经济又无法工作,5.应用于非线性过程,合成反应器温度串级控制:换热器呈非线性特性,特点:负荷或操作条件改变导致过程特性改变。若单回路控制,需随时改变调节器整定参数以保证系统的衰
7、减率不变;串级控制,则可自动调整副调节器的给定值。,注 意 串级控制虽然应用范围广,但必须根据具体情况,充分利用优点,才能收到预期的效果。,6.1.4 串级控制系统的设计,副回路的设计与副参数的选择2.主、副调节器调节规律的选择3.主、副调节器正、反作用方式的选择,问题:副参数如何选择?主、副回路的联系?调节器如何选择?正、反作用如何选择?,副回路的设计与副参数的选择,选择原则:,(1)副参数要物理可测、副对象的时间常数要小、纯滞后时间应 尽可能短,(2)副回路应尽可能多地包含变化频繁、幅度大的干扰,但也 不是越多越好,a)燃料油压力为主要干扰,b)燃料油粘度、成分、热值、处理量为主要干扰,(
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