过程控制系统及仪表第版节复杂控制系统串级.ppt

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1、1,2,第7章 复杂控制系统,3,第7章 复杂控制系统 复杂控制系统凡是结构上比单回路控制系统复杂或控制目的较特殊的控制系统，都称为复杂控制系统。特点：通常包含有两个以上的变送器、控制器或者执行器，构成的回路数也多于一个，所以，复杂控制系统又称为多回路控制系统。,4,7-1 串级控制系统一、串级控制系统的结构管式加热炉是石化工业中的重要装置之一，工艺上要求被加热油料炉出口温度的波动范围应控制2内。,5,主要扰动：（1）原料方面的扰动（包括物料的流量和入口温度的变化）；（2）燃料方面的扰动（包括燃料的流量、热值及压力的波动）；（3）燃烧条件方面的扰动（包括供风量和炉膛漏风量的变化、燃料的雾化状态

2、的影响等）。传热的滞后性，以及调节通道的时间常数过大（15min左右），控制作用不及时。,6,方案：将炉膛温度作为被控变量，组成如图7-2 所示的控制系统。方案的优点:调节通道的时间常数缩短为3分钟左右。缺点：原料的流量或原料入口温度波动使炉出口温度变化时，系统无法使炉出口温度再调回到给定值上，所以该方案仍不能达到生产工艺要求。,7,方案：构成炉出口温度为被控变量，炉膛温度为辅助变量，由炉膛温度控制器的输出去操纵燃料量的控制方案.这就是炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统。,8,串级控制系统中常见的专用名词介绍：主变量 串级控制系统中起主导作用的被控变量，是 过程中主要控制的工艺指标。副变量 串

3、级控制系统中为了稳定主变量而引入的辅 助变量。,炉出口温度,炉膛温度,9,主对象 由主变量表征其主要特征的工艺设备或过 程，其输入量为副变量，输出量为主变量。副对象 由副变量表征其特性的工艺生产设备或过 程，其输入量为系统的操纵变量，输出量为副变量。,炉出口温度对象,炉膛温度对象,10,主控制器 按主变量的测量值与给定值的偏差进行工作的控制器，其输出作为副控制器的给定值。副控制器 按副变量的测量值与主控制器的输出信 号的偏差进行工作的控制器，其输出直 接控制执行器的动作。,炉出口温度控制器,炉膛温度控制器,11,主回路 由主测量变送器、主控制器、副回路等效环节和主对象组成的闭合回路，又称外环或

4、主环。副回路 由副测量变送器、副控制器、执行器和副 对象所组成的闭合回路，又称内环或副环。,12,方块图：,工艺控制流程图：,13,串级控制系统通用方块图:,14,串级控制系统在结构上具有如下特点：在串级控制系统中，有两个闭环负反馈回路，每个回路都有自己的控制器、测量变送器和对象，但只有一个执行器。两个控制器采用串联控制方式，主控制器的输出作为副控制器的给定值，而由副控制器的输出来控制执行器的动作。主回路是一个定值控制系统，副回路则是一个随动控制系统。,15,二、主、副控制器正、反作用的确定主、副控制器确定顺序：“先副后主”的原则副控制器的选择原则：副控制器的正、反作用只与副回路中的各个环节有

5、关，而与主回路无关。在简单控制系统中介绍的各环节规定符号“乘积为负”的判别准则，同样适用于串级控制系统副控制器正、反作用的选择。（副控制器）（执行器）（副对象）（副变送器）=（一）,16,主控制器的选择原则：主控制器的正、反作用只与主对象有关，而与副回路无关。分析：副回路是一个随动系统，它的最终控制结果总是要使副变量（副回路的输出）跟随主控制器的输出（副回路的输入）而变化，也就是说，当副同路的输入增加时，副回路的输出也要增加，由此可见，副回路也是一个“+”环节。主测量变送是一个“+”环节。所以，主控制器的正、反作用就只取决于主对象的符号。为了保证回路中各环节总的符号乘积为负，当主对象的符号为“

6、+”时，主控制器必须是“”号，即选择反作用；而当主对象的符号为“”时，主控制器必须是“+”号，选择正作用。,17,【例题】如图所示的精馏塔提馏段温度与加热蒸汽流量串级控制系统中，执行器选为气关式，试确定主、副控制器的正、反作用。,18,副回路：执行器 气关式，符号为“-”；副对象 执行器的阀门开度增大时，副变量蒸汽 流量也增大，故副对象的符号为“+”。副变送器 符号也为“+”。根据回路各环节符号“乘积为负”的判别公式，副控制器的符号必须取“+，即应选择正作用。,“先副后主”的原则,19,主回路：当蒸汽流量增大时，主变量提馏段的温度将上升，故主对象的符号为“+”。所以，主控制器应选择“-”，反作

7、用。,20,【练习题】如图的串级控制系统，执行器选为气开阀，试确定主、副控制器的正、反作用。,-,+,+,+,+,-,21,三、串级控制系统的工作过程工艺要求执行器选为气开式，炉出口温度控制器TC和炉膛温度控制器 TC 均采用反作用工作方式，分析系统的工作过程。,22,干扰作用于副回路：当燃料管网压力增大，,-,+,+,+,+,-,炉膛T2，,炉膛T2,阀门开度，,T2C，,T2T，,导致燃料量,23,干扰作用于主回路：当原料流量增加，,-,+,+,+,+,-,导致出料温度T1，,T1,副环随动+，T2，,T1C，,T1T，,24,干扰同时作用于主、副回路：,当原料温度升高，导致出料温度T1；

8、当燃料管网压力增大，炉膛T2；,副回路：T2T，偏差，T2C，阀开度，T1,T1C，,主回路：T1T，,25,四、串级控制系统的特点及应用场合串级控制系统与简单控制系统相比，由于在结构上多了一个副回路，因而，在相同的干扰作用下，其控制质量是单回路控制系统无法比拟的。串级控制系统在工作性能上的主要特点：1对于进入副回路的干扰具有极强的克服能力。2改善了控制系统的动态特性，提高了工作频率。3.对负荷和操作条件的变化具有一定的适应能力。串级控制系统的适应场合：主要适合于被控对象的容量滞后或纯滞后时间较大，干扰作用强而且频繁，或者生产负荷经常大范围波动，简单控制系统无法满足生产工艺要求的场合。,26,

9、五、串级控制系统设计中的几个问题 1副回路的确定（1）应将生产中的主要干扰纳入到副回路中。（2）在可能前提下，应将尽可能多的干扰纳入副回路中。（3）应使主、副回路的时间常数适当匹配。选择使副回路时间常数小一些，有利加快控制。主、副对象时间常数相近，可能发生“共振”现象。通常，主、副对象时间常数之比在 3 10 倍之间。,27,2主、副控制器控制规律的选择(1)主变量是生产工艺的重要指标，副回路不要求为了保证过渡过程没有余差，主控制器至少应选择比例积分（Pl）控制规律。主对象的容量滞后较大，必要时也可引入微分作用，即 PID 控制规律。若副控制器要求不高，可选用比例（P）作用。(2)工艺对主变量

10、要求较高，对副变量也有一定的要求。保证主变量的控制精度，主控制器需选择PI作用。副变量在干扰作用下需达到一定的控制质量，副控制器也应该选择PI作用。,28,练习题,锅炉供水控制系统如图所示，1，从锅炉安全考虑，防止因断水导致锅炉烧爆，选择气开，气关阀？选择控制器+-，构成负反馈系统。2，若锅炉给水流量波动频繁且为主要干扰，原来的液位控制系统很难满足控制要求，试问应采取何种措施来提高控制精度？设计控制方案？画出系统方块图？,29,执行器从锅炉安全考虑，防止因断水导致锅炉烧爆，应选择气关式，“-”。对象当流入量增加，液位是增加的，符号取为“+”。变送器输出信号随液位的升高增加，符号为“+”。控制器

11、必须选择正作用“+”，才能构成负反馈控制系统。,答：问题1：,30,答：问题2：,采用锅炉液位与给水流量串级控制系统来提高控制精度。串级控制设计方案如图所示。串级控制系统方块图如图：,31,液位控制器,流量控制器,流量变送,液位变送,液位对象,流量对象,锅炉液位,给水流量,答：问题2：,32,1、两步整定法,工况稳定,主副回路均闭合,衰减曲线法求得,d）按先副后主,先比例后积分，再微分的次序投入运行，观察修改到满意。,1）逐步逼近法；2）两步整定法；3）一步整定法。,六、串级控制系统参数的整定,33,课程小结,串级控制系统掌握串级控制系统的工艺控制流程图，会画串级控制系统的方块图；了解串级控制

12、系统的工作过程及应用场合；掌握串级控制的特点；掌握串级控制主、副控制器正反作用的确定。,34,内容简介过程控制系统及仪表(第3版)内容简介：过程控制系统的理论分析和设计需要较多的数学知识，自动化仪表在设计制造方面也有许多技术问题值得探讨。但是，对于工艺技术人员来说，主要关心的问题是控制系统和仪表的基本原理及其应用特性。因此，过程控制系统及仪表(第3版)尽量避免繁杂的数学推导，力求用简明扼要的文字和插图使读者对所学知识有更多的定性了解，通俗易懂，这是过程控制系统及仪表(第3版)的另一个特色。过程控制系统和仪表涉及的领域十分广阔，研究内容也极其丰富。本着理论联系实际、学以致用的原则，过程控制系统及

13、仪表(第3版)在取材方面，不追求包罗万象、面面俱到，而是力争把最基本、最常用的内容都包含进来。突出重点，注重实用是过程控制系统及仪表(第3版)的第三个特色。,第3版2010-07,第2版出版日期：2006-08-01,35,目录 第1篇 过程控制基础知识第1章 绪论1.1 生产过程自动化概述1.1.1 生产过程及其特点1.1.2 生产过程对控制的要求1.1.3 生产过程自动化的发展历程1.2 过程控制系统的组成及分类1.2.1 过程控制系统的组成1.2.2 过程控制系统的分类1.3 过程控制系统的方块图与工艺控制流程图1.3.1 过程控制系统的方块图1.3.2 过程控制系统的工艺控制流程图1.

14、4 过程控制系统的过渡过程和性能指标1.4.1 过程控制系统的过渡过程1.4.2 过程控制系统的性能指标习题第2章 被控对象的特性2.1 概述2.1.1 基本概念2.1.2 被控对象的阶跃响应特性2.2 被控对象特性的数学描述2.2.1 一阶对象的机理建模及特性分析2.2.2 二阶对象的机理建模及特性分析2.2.3 纯滞后对象的机理建模及特性分析2.3 被控对象的实验测试建模2.3.1 阶跃响应曲线的获取2.3.2 一阶纯滞后对象特性参数的确定2.3.3 二阶对象特性参数的确定习题,第2篇 过程自动化装置第3章 过程测量仪表 3.1 测量仪表中的基本概念3.1.1 测量过程及测量仪表3.1.2

15、 检测系统的基本特性及性能指标 3.2 温度测量3.2.1 概述3.2.2 热电偶温度计3.2.3 热电阻温度计3.2.4 温度测量仪表的选用3.2.5 温度交迭器3.2.6 一体化温度变送器3.2.7 智能温度变送器 3.3 压力测量3.3.1 概述3.3.2 弹性式压力表3.3.3 电容武压力变送器3.3.4 扩散硅压力变送器3.3.5 智能差压变送器3.3.6 压力表的选择和使用 3.4 流量测量3.4.1 概述3.4.2 差压式流量计3.4.3 容积式流量计3.4.4 浮子式流量计3.4.5 电磁流量计3.4.6 涡街流量计,36,3.5 物位测量3.5.1 概述3.5.2 静压式液位

16、计3.5.3 磁浮子式液位计3.5.4 电容武物位计3.5.5 其他物位测量仪表 3.6 显示仪表3.6.1 概述3.6.2 模拟式显示仪表3.6.3 数字式显示仪表3.6.4 智能化、数字化记录仪习题 第4章 过程控制仪表4.1 基本控制规律4.1.1 位式控制4.1.2 比例控制4.1.3 比例积分控制4.1.4 比例微分控制4.1.5 比例积分微分控制4.2 DDZ一型调节器4.2.1 主要功能4.2.2 构成原理4.3 可编程调节器4.3.1 KMM可编程调节器的构成4.3.2 KMM可编程调节器的主要功能4.3.3 正面板和侧面板,4.4 可编程控制器4.4.1 可编程控制器的产生与

17、发展4.4.2 可编程控制器的应用场合4.4.3 可编程控制器的构成、分类及工作过程4.4.4 可编程控制器的编程语言4.4.5 可编程控制器选型基本原则4.4.6 松下FPI可编程控制器习题第5章 过程执行仪表5.1 概述5.2 执行机构5.2.1 气动执行机构5.2.2 电动执行机构5.3 调节机构5.3.1 常用调节机构及特点5.3.2 流量系数与可调比5.3.3 流量特性5.4 电一气转换器和阀门定位器5.4.1 电一气转换器5.4.2 阀门定位器的主要用途5.4.3 电一气阀门定位器习题,37,第3篇 垃程控制系统 第6章 简单控制系统6.1 概述6.2 被控变量的选择6.3 操纵变

18、量的选择6.3.1 对象静态特性对控制质量的影响6.3.2 对象动态特性对控制质量的影响6.3.3 选择操纵变量的原则6.4 控制系统中盼测量变送问题6.4.1 测量变送问题对控制质量的影响6.4.2 克服测量变送问题的措施6.5 执行器的选择6.5.1 阀流量特性的选择6.5.2 执行器开闭形式的选择6.6 控制器的选择6.6.1 控制规律的选择6.6.2 控制器正反作用的确定6.7 控制系统的投运及控制器参数的整定6.7.1 控制系统的投运6.7.2 控制器参数的整定习题第7章 复杂控制系统7.1 串级控制系统7.1.1 串级控制系统的结构7.1.2 串级控制系统的工作过程7.1.3 串级

19、控制系统的特点及应用场合7.1.4 串级控制系统设计中的几个问题7.1.5 串级控制系统的整定,7.2 比值控制系统7.2.1 概述7.2.2 比值控制系统的类型7.3 前馈控制系统7.3.1 概述7.3.2 前馈控制系统的结构形式7.3.3 前馈控制系统的应用7.4 均匀控制系统7.4.1 均匀控制问题的提出7.4.2 均匀控制的特点7.4.3 均匀控制系统的结构形式7.5 分程控制系统7.5.1 基本概念7.5.2 分程控制系统的应用场合7.6 选择性控制系统7.6.1 基本概念7.6.2 选择性控制系统的实例分析7.7 多冲量控制系统习题第8章 先进过程控制系统介绍8.1 软测量技术8.

20、1.1 辅助变量的选择8.1.2 数据采集与处理8.1.3 软测量模型的建立8.1.4 模型校正8.2 时滞补偿控制8.2.1 Smith预估补偿控制8.2.2 控制实施中的若干问题,38,8.3 解耦控制8.3.1 耦合现象的影响及分析8.3.2 解耦控制8.4 预测控制8.4.1 预测控制的基本原理8.4.2 预测控制工业应用8.5 自适应控制8.5.1 自校正控制系统8.5.2 模型参考自适应控制系统8.6 推断控制8.7 模糊控制8.7.1 模糊控制的特点8.7.2 模糊控制的结构8.8 神经网络控制8.8.1 神经元模型8.8.2 人工神经网络厂8.8.3 神经网络在控制中的应用8.

21、9 故障诊断与容错控制8.9.1 故障检测与诊断8.9.2 容错控制习题 第4篇 计算机控制系统 第9章 计算机控制系统基础9.1 概述9.2 系统的硬件组成9.3 系统的软件组成9.3.1 过程检测9.3.2 过程控制9.3.3 组态软件习题,第10章 常用计算机控制系统介绍10.1 概述 10.1.1 数据采集系统10.1.2 操作指导控制系统10.1.3 直接数字控制系统10.1.4 监督计算机控制系统10.2 工业控制计算机10.2.1 结构组成10.2.2 功能特点10.3 分散控制系统10.3.1 结构组成 附录1 典型单元操作控制方案示例F1.1 化学反应器的控制F1.1.1 反应器的基本控制方案F1.1.2 反应器的新型控制方案F1.2 精馏塔的控制F1.2.1 精馏塔的基本控制方案F1.2.2 精馏塔的前馈、串级、比值、均匀控制F1.2.3 精馏塔的节能控制10.3.2 功能特点10.3.3 应用举例10.4 现场总线控制系统10.4.1 结构组成10.4 功能特点10.4.3 应用举例习题F1.3 泵和压缩机的控制F1.3.1 泵的控制方案F1.3.2 压缩机的控制方案F1.3.3 压缩机的串、并联运行F1.4 燃烧过程的控制 附录2 分度表F2.1 热电偶分度表F2.2 热电阻分度表 参考文献,