热工测量及仪表.doc

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1、热工测量及仪表-第七章讲稿第七章 复杂控制系统一、教学目的 通过本章教学，使学生掌握前馈控制系统的 结构、特点及应用场合； 理解前馈控制系统与简 单负反馈控制系统的主要差别； 熟悉串级控制系 统的结构、工作过程、特点及应用场合；掌握串程、统的结构、工作过程、特点及应用场合；掌握串 级控制系统中副变量的确定及主副控制器正、 作用的选择； 了解串级控制系统中主、 副控制器 参数的工程整定方法； 熟悉设置均匀控制系统的 目的及控制方案；了解比值控制系统的各种类 型；熟悉单闭环比值控制方案的结构及特点； 解联系型选择性控制系统的结构特点及控制方 案；了解开关型选择性控制系统； 理解分程控制系统的结构及

2、应用场合；、教学的重点、难点 前馈控制系统、 串级控制系统、 选择性控制系统 的结构特点、方框图；控制器规律的确定；控制 器作用的确定 三、教学时数本章教学需 5 课时四、教学内容7.1 前馈控制系统前馈控上 s 、八 Ztr XA制系统及特点前馈控制的主要形式前馈控制的应用场合7.2 串级控制系统串级控制系统的概述串级控制系统的工作过程串级控制系统的特点串级控制系统中副回路的确定串级控制系统中主副控制器规律及作用的选择串级控制系统的控制器参数整定7.3 均匀控制系统控制系统及特点均匀控制的主要控制方案均匀控制7.4 比值控制系统比值控制系统及特点比值控制系统的主要形式77.55.12选选择择

3、性性控控制制系概念统的的主提出要形式7.5 选择性控制系统第 1-2 课时： 引言简单控制系统是过程控制中最基本、 应用最 广的控制形式，约占全部控制系统的 80。但 是：随着生产过程的大型化和复杂化， 操作条件 更加严格， 变量之间的关系更加复杂。 有些生产 工艺和控制要求比较特殊。 随着技术发展， 对工 艺的控制目标多样化，如产量、质量、节能、环 保、效率等。为此，必须设计出各种复杂控制系 统以克服简单控制所不能胜任的特殊场合， 如前 馈控制、串级控制、选择性控制等。71.1分.1析前简馈单控控制制概系念统的存提在出的及问特题点：分析通过复习前章学习的简单反馈控制系统的7.1 前馈控制系统

4、 特点发现简单控制系统普遍存在一个问题： 控制 信号总是要在干扰已经造成影响， 被控变量偏离 给定值以后才能产生， 控制作用总是不及时。 特 别是在干扰频繁， 对象有较大滞后时， 控制质量 严重受到影响。 并以下换热器温度控制系统为例 进一步说明简单控制存在的问题。干攬若换热器冷物料进料流量经常发生波动，则 简单控制控制过程中存在的问题：a. 控制滞后时间长；b. 控制动作慢，速度难以提高2.针对简单控制存在的问题提出前馈控制系统： 为了改变事后调节的状况，提出前馈控制的 思路：针对以上换热器温度控制系统，进行修改， 即不是根据换热器出口温度发生改变进行调节， 而是根据冷物料流量 Q的大小，来

5、调节阀门开 度，以弥补冷物料进料流量的干扰的影响。 一旦 进料流量有微小的波动，测量机构可以瞬间测量 出来，并立刻采取调节蒸汽流量的办法来克服因 进料流量干扰而影响出口物料温度的影响， 该控 制方案即是前馈控制系统。思考及提问：反馈控制和前馈控制，二者的方框 图有何区别？、一、对前馈控制系统的方框图进行绘制和分析， 并与 反馈控制系统的方框图进行对比。面仔细为了对前馈控制系统有进一步的认识， 下面仔细 分析前馈控制系统的特点， 并与反馈控制进行对 比。前馈控制系统的四个主要特点：（1）前馈控制系统是基于不变性原理工作的， 比反馈控制及时、有效通过分析例子中温度控制系统的不同作用方 式可以得出：

6、前馈反馈控制是根据被控变量与给定值的偏差， 检 测的信号是被控变量， 控制作用发生时间是在偏 差出现以后；前馈控制是根据干扰的变化， 检测的信号是干 扰量的大小，控制作用的发生时间是在干扰作用 的瞬间而不是等到偏差出现之后如果控制规律选择合适， 是可以达到完全的补 偿，使出口物料的温度完全不受进口物料流量的 变化的影响。显然，前馈控制对于干扰的克服能力要比反 馈控制及时有效。 干扰一旦出现， 不需要等到被 控变量受其影响产生变化， 就会立即产生控制作 用，这个特点是前馈控制的一个主要优点。为了加深对前馈控制系统第一个特点的理解 和掌握，列举一些前馈控制在生活当中的具体体 现，如平常开车时，受到

7、其他事物攻击时等事例 除了第一个优点之外， 引导学生思考， 前馈控 制系统还有哪些特点？（2）前馈控制是属于开环控制通过分析前馈控制系统的方框图可以看出， 在 前馈控制系统中， 被控变量根本没有被检测。 当 前馈控制器按干扰量产生控制作用后， 对被控变 量的影响并没有返回来影响控制器的输入信号， 所以整个系统是一个开环系统。前馈控制系统是一个开环系统， 是前馈控制系 统的一个缺点之一； 让学生思考开环控制的缺点 有哪些？如下例子。蒸汽冷物料AU貳物料出口冷凝水*（3）前馈控制使用的是视对象特性而定的专 用控制器简单控制系统使用的PID控制器 针对前馈控制系统，对于不同的对象特性， 控制规律也不

8、同。前馈控制器的控制规律取决于 干扰通道的特性与控制通道的特性。（4）前馈控制只能克服一种特定的干扰前馈是按照干扰进行工作的，一种前馈控制 只能克服一种干扰，而反馈可以克服多个干扰， 这是前馈控制的一个弱点。课上习题，加深对前馈控制的理解（详见课件）。、前馈控制的主要形式1. 单纯前馈控制形式r （ 1）静态前馈控制系统L （ 2）动态前馈控制系统2. 前馈-反馈控制、思考题：根据以上的学习可知，前馈与反馈 控制的优缺点是相对应的。是否能将二者结合起 来使用呢？重新够成的控制系统的方框图是怎么 样的呢？合带着上述问题学习前馈-反馈控制系统的结 构及特点前馈控制的应用场匚（1）某个干扰幅值大而频

9、繁，对被控变量影I （ 2）米用单纯的反馈控制，控制速度慢、质 量。(3)用串级控制，效果改善不明显 7.2串级控制系统以管式串级控制系统的分析采用简单控制系统存在 的问题，引出串级控制系统的概念cd Lrnli? H在实际生产过程中，特别是当加热炉的燃料压力 或燃料本身的热值有较大波动时，该简单控制系 统的控制质量往往很差，原料油的出口温度波动 较大，难以满足生产上的要求。因此提出以原料 油出口温度为主要被控变量的炉出口温度与炉 膛温度的串级控制系统重点讲解和分串级控制系统中几个常用的名词 析一主变量 副变量I主对象 副对象主控制器副控制器主回路 副回路 思考题：串级控制系统的方框图如何呢?

10、以管式加热炉为统的分析过程控制系统是如何有以管式加热炉为例，分/I、 效的克服滞后提高控制质量。针对三种不同情况 的干扰进行了分析。（详细过程见课件）1干扰进入副回路-3.干扰同时作用于副回路和主对象第3-4课时：723742控制系上次课框程有关串级。板书画出方框图723串级空制的知识。分析串级给定主控制器副控制云*左制阀主变童2干扰作用于主对象 通过调析得出相互配回路起粗调快调控制质量路起细 课后作业，见授课计划安排系统有两个闭合回路，形成内外环。主变量 是工艺要求控制的变量，副变量是为了更好 地控制主变量而选用的辅助变量。主、副控制是串联工作的，主控制器的输出 作为副控制器的给定值。副回路

11、的引入，改善了对象的特性，使控制 过程加快，具有超前控制。串级控制系统具有一定的自适应能力。并绘制如图所示，可以看出串级控制的控制质量大大提咼串级控制系统中副回路的确定副回路设计中，最重要的是选择副回路的被控 参数（副变量）。副回路的设计合理，串级系统 的优势会得到充分发挥，控制质量明星提高。副 参数的选择一般应遵循下面几个原则： 主、副变量应有一定的内在关系 副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈 的主要干扰，并尽可能多包含一些干扰 副参数的选择应考虑主、副回路中控制过程 的时间常数的匹配，以防 共振”的发生 当对象具有较大的纯滞后时，副变量选择时 尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后。例子如图7-

12、5，7-6, 7-7的讲解（具体内容见 课本）串级控制系统中主副控制器规律及作用的 选择1. 控制器规律主变量是生产工艺的主要控制指标，工艺上要求 比较严格。所以，主调节器通常选用 PI调节， 或PID调节。副变量是为了提高主参数的控制质量，对副参数 的要求一般不严格，允许有静差。因此，副调节 器一般选P调节就可以了。2. 控制器作用的选择以管式加热炉为例，说明串级控制系统主、副控 制器的正、反作用方式的确定方法。原料原料出口謳度叭们1、根据工艺安全或节能要求确定执行器的正、反作用；2、按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、反作用；3、主回路控制器正、反作用的确定。课内练习，P178，图

13、7-8具体见课本7-2.6串级控制系统的控制器参数整定.心一、弘 串级控制系统参数的整定，参照简单控制系统的 步骤，并结合实验进行参数的整定。 7.3均匀控制系统7.3.1均匀控制系统及特点以两个精馏塔为出发点，分析前后两个塔之间的 物料相互关系问题，为了解决前后工序供求矛 盾，达到前后兼顾协调操作，使液位和流量均匀 变化，提出均匀控制系统的概念。如下图所示。均匀控制系统的要求:（1）两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化 的。（2）前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保 持在所允许的范围内波动。具体变化曲线如图7-10所示，具体见课本。 思考题：均匀控制系统与简单控制系统的区别?生活当中是否也存

14、在均匀控制？7-3-2均匀控制的主要控制方案（1）间单均匀控制（2）串级均匀控制总结：均匀控制结构上与简单控制系统相近， 但 控制要求是有根本区别的，另外控制器的控制规 律上也有很大的区别 7.4比值控制系统比值控制系统及特点在现代工业生产过程中，要求两种或多种物 料流量成一定比例关系； 一旦比例失调， 会影响 生产的正常进行，影响产品质量，浪费动力，造 成环境污染，甚至产生生产事故。凡是两个或多个变量自动维持一定的比例 关系的过程控制系统，称为比值控制系统。 基本概念：主变量Q1、从变量Q2 K=Q2/Q1思考：在实习实践过程中， 哪些工业生产中存在 比值控制？比值控制系统的主要形式1.开环

15、比值控制系统 图 7-13 图 7-14 2.单闭环比值控制系统 图 7-15 图 7-16 3.双闭环比值控制系统 图 7-177 图 7-18 4.变比值控制系统 图 7-19 图 7-20 分析四种比值控制系统的特点及应用场合。 具体 见课本 课堂练习，画出四种比值控制系统的方框图？第75.5课选时择：性7.控5.制1系7统.5.27上.5节.1课选内择容性简控单制回顾系统。的重提点出知识进行复习思考合成氨工业中的氨冷器在进行冷却物料时， 当冷却物料温度始终达不到要求是， 会出现意外 的事故。如下图所示。 液态氨液位不能超过一定 的界限，否则控制越来越差，甚至会损坏压缩机, 针对这个情况

16、提出选择性控制系统的概念。反应产物气态氨2512选择性控制系统的主要形式1. 开关型选择性控制系统一般有A、B两个可供选择的变量。变量A，工艺操作的主要技术指标，直接关系到 产品的质量正常时候的被控变量变量B，工艺上要求在B限值以内，生产是安全 的超过一定限值后作为被控变量如图7-29冷却器出口温度为变量 A，液态丙烯 为变量B。开关型选择性控制系统工程过程如图 7.31所示 过程。2. 连续型选择性控制系统在连续型选择性控制系统中，一般具有两台连续 型控制器，它们的输出通过一台选择器（高选器 或低选器）后，送往控制阀。这两台控制器一台 在正常情况下工作，一台在非正常情况下工作。以合成氨厂蒸汽

17、锅炉为例分析连续性选择性控 制系统的工作过程。如图 7.32 所示，为了防止 发生脱火现象，对蒸汽压力及燃料压力进行了选 择性控制。具体见课本3. 混合型选择性控制系统 混合型选择性控制系统中 ,既包含有开关型选择 的内容，又包含有连续型选择的内容。 以合成氨厂蒸汽锅炉为例分析混合型选择性控 制系统的工作过程。如图 7.34 所示，为了防止 发生脱火同时还要防止发生回火现象， 对蒸汽压 力及燃料压力进行了混合型选择性控制。 例题分析：选择性控制系统的设计 具体见 PPT 本章小结2.串级控制1.前馈控制系统的四个主要特点。 系统有两个回路主、副回路；副回路 起粗调快调系，统主有回两路个起回细路调主慢、调副的回作路用；副回串路级控 制系统的设计： 副回路选择的四个原则、 主副控 制器规律及作用的选择。3. 均匀控制的两个要求；均匀控制方案有简单均 匀控制和串级均匀控制。4. 比值控制有两个变量：主变量、从变量；比值 控制有开环比值控制、 单闭环比值控制、 双闭环 比值控制及变比值控制。5. 选择性控制系统是一种软保护措施；选择性控制系统有开关型选择性控制系统、 连续型选择性 控制系统、混合型选择性控制系统。 本章课程结束，布置课后作业