第6章高性能过程控制.ppt

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1、第6章 常用高性能过程控制系统,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，设计出各种复杂控制系统。,本章要点,1）串级控制: 熟悉串级控制系统的概念与特点； 掌握串级控制系统的方框图表示法； 结合控制原理，掌握串级系统的分析方法； 了解串级控制系统的设计原则； 掌握串级控制系统的参数整定方法与仿真实现; 2）掌握前馈控制的原理；前馈补偿器的设计方法； 3）了解大滞后被

2、控过程的解决方案,当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，采用简单控制系统往往控制质量较差，满足不了工艺上的要求，这时，可考虑采用串级控制系统。 6.1.1串级控制系统基本结构及工作过程 串级控制是在简单控制系统基础上的改进。,6.1 串级控制系统,例1：反应釜温度单回路控制系统,操纵变量：冷却剂流量 被控变量：反应温度 扰动变量：冷却剂温度以及工艺介质流量 控制规律：PID,反应釜温度单回路控制响应曲线,单回路控制系统分析,问题：从扰动开始至调节器动作，调节滞后较大，特别对于大容量的反应槽，调节滞后更大。,冷却水入口温度 夹套内冷却水温度 T2 （经对流传热）槽壁温度 反应槽温度T1 （经反

3、馈回路）冷却水量,系统控制与扰动的分析,干扰变量的影响：冷却水入口温度变化 夹套内冷却水温度变化 槽壁温度变化 反应槽温度变化 控制变量的影响：冷却水调节阀开度变化 冷却水流量变化 夹套内冷却水温度变化 槽壁温度变化 反应槽温度变化,解决方法,夹套冷却水温度T2比反应槽温度T1能更快地感受到来自干扰（冷却水入口温度）以及来自控制的影响。因而可设计夹套水温单回路控制系统TC2以尽快地克服冷却水方面的扰动。但TC2的设定值应根据T1的控制要求作相应的变化（这一要求可用反应温度调节器TC1来自动实现）。,“串级控制”,反应器温度的串级控制方案,特点：两个调节器串在一起工作，调节器TC2通过调节冷却剂

4、量以克服冷却水方面的扰动；调节器TC1通过调节夹套内水温的设定值以保证反应温度维持在工艺所希望的某一给定值。,反应器温度的串级控制响应,反应器温度串级控制框图,讨论: 主副控制器的“正反作用”选择。,串级控制系统常用术语,串级控制系统方块图,注：D1、D2 综合反映了一次扰动、二次扰动对控制系统副参数与主参数的动态影响；主回路是指：副回路闭合状态下等效的单回路（将副回路看成是一个等效的控制阀）。,例2：锅炉过热蒸汽调节系统,被控参数：过热蒸汽温度。 控制参数：减温水流量。,主要扰动有: A.烟气流量和温度变化的扰动f1 B.入口蒸汽流量和温度的扰动f2 C.减温水压力变化扰动f3 D.过热器管

5、道较长必会存在一定的纯滞后,单回路局限：,调节器1接受过热器温度1的信号,去调节减温水调节阀.当入口有扰动时,要在1变化后,调节器才开始动作,Qj改变后,得经过一段时间,才能影响汽温1 不能及早发现扰动 不能及时反映调节效果 将使输出蒸汽温度产生不能允许的动态偏差 影响锅炉的安全和经济运行,解决方案：附加中间变量,解决方案二： 锅炉设备蒸汽温度串级调节系统,过热器出口汽温调节器1的输出信号,不是用来控制调节阀而是用来改变调节器2的给定值,减温器出口水温作为调节器2的被控参数。,方块图,例3：燃烧带温度控制系统,实例:管式加热炉出口温度控制系统,图是管式加热炉出口温度串级控制系统，主对象为受 热

6、管道，温度对象1，输出变量为原料出口温度1，主控制 器为T1C；副对象为炉膛及燃烧装置，温度对象2，输出变 量为炉膛温度2，副控制器为T2C；操纵变量为燃料流量.,管式加热炉出口温度串级控制系统,管式加热炉串级控制系统,串级控制系统的工作过程: 干扰F2进入副回路 燃料油的压力或组分波动 (F2)使2变升高： T2C输出减小,阀门关小,燃料油流量减小,2下降,1变化很小，基本消 除干扰F2的影响； 1升高，T1C 输出减小，T2C 给定值减小，T2C输出减小，阀门进一 步关小，燃料油流量减小，2进一步下降，1升高降低，彻底消除干扰 F2的影响 干扰F1作用于主对象 主回路控制，及时改变副变量的

7、数值 ，稳定主变量。 干扰（ F2 、 F1 ）同时作用于副对象和主对象 作用方向相同，主、副回路共同控制，加强、加快； 作用方向相反，主、副控制能相互抵消一部分，控制平稳。,例4：合成氨厂的硝酸生产过程,被控变量：氧化炉温度 操作变量：加入的氨量 对象：滞后大，时间常数大 主要干扰：氨压力和流量 方案： 1、氨流量定值控制，炉温开环 2、炉温定值控制，氨流量影响大 3、炉温主环，氨流量副环的串级控制, 串级控制系统的结构特点,结构特点： 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。 有两个检测变送，两个控制器和一个控制阀。 主、副

8、控制器是串联工作的，主控制器的输出作为副控制器的给定值。 主回路的定值控制和副回路的随动控制。,串级控制的特点,串级控制的主要优点： 1副回路的内部干扰，通常在它影响主被调量之前就已经被副控制器所控制了。 2副对象的相位滞后由于存在副回路而显著减小，因而改善了主回路的响应速度。 3副对象增益变化的影响在副回路内部被克服。 4副回路可按主回路的需要进行精确的控制。,串级控制也存在如下一些不足： 1只有当中间变量能够被检测出来时，才可能采用串级控制，但许多过程在结构上是不容易以这种方式加以分割的。 2串级控制系统比单回路控制系统需要更多的仪表。 3串级控制系统的投放和整定比单回路控制系统要复杂一些

9、。,6.1.2串级控制系统特点及其分析,将串级控制系统与单回路控制系统相比。,串级系统副环的等效性, 1、副环抗干扰能力,串级：,单回路：,进入副环的等效干扰是单回路的：,与单回路控制系统相比，被调量受进入副回路的扰动F的影响可以减小10100倍,反应器温度的串级控制响应,控制能力和抗干扰能力综合定义为：,串级控制,单回路,控制能力和抗干扰能力综合为：,一般情况下有：,结论：提高了控制质量,结论：,由于串级控制系统副回路的存在，使进入副环的干扰在进入主环时已经大大减小，因此能迅速克服进入副回路扰动的影响。 在设计串级控制系统时，应尽量使干扰进入副回路，即： 应使主要干扰进入副回路 应使尽可能多

10、的干扰进入副回路,串级控制,设：,则：,2. (1)改善被控过程的动态特性,T02 T02,K02 1/Km2,单回路,T02 T02 ， 说明主环通道时间常数被缩短，加快了系统的控制速度。,(2) 提高了系统的工作频率,特征方程：,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。,对同一过程，采用单回路控制方案，用同样的分析方法，可得：,若两种方案的阻尼系数相同，则有：,反应器温度的串级控制响应,3. 对负荷和操作条件变

11、化的适应能力增强 有些生产过程的工艺条件经常变化。而在不同的工艺点，对象的放大倍数往往不同。如果是单回路控制，这会导致控制质量下降。,对于串级控制，部分对象被包含在副回路中，其放大倍数被负反馈压制。因而工艺负荷或操作条件变化时，调节系统仍然具有较好的控制质量。,串级系统特点总结： 对进入副回路的干扰有很强的克服能力； 改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；对进入主回路的干扰控制效果也有改善； 对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。,当生产工艺要求高，采用简单控制系统满足不了工艺要求的情况下，可考虑采用串级控制系统。串级控制系统常用于下面一些生产过程。 1）容量滞后较大的过程 2）纯

12、滞后较大的过程 3）干扰幅度大的过程 4）非线性严重的过程,6.1.3串级系统的工业应用,串级控制系统的方案设计 1主回路设计 主回路设计与单回路控制系统一样。,6.1.4 串级控制系统的设计与参数整定,副回路设计中，最重要的是选择副回路的被控参数（串级系统的副参数）。副参数的选择一般应遵循下面几个原则： 主、副变量有对应关系 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 应注意工艺上的合理性和经济性, 2副回路的选择,应使主要的和更多的干扰落入副回路,副变量的选择,分析问题：副回路的快速性

13、与副回路所能包括的扰动范围之间的矛盾。,在串级系统中，主参数是系统控制任务，副参数辅助变量。这是选择调节规律的基本出发点。 主参数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。 控制副参数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。, 3主、副调节器调节规律的选择,对串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用方式的选择原则依然是使系统构成负反馈。 选择时的顺序是： 1、根据工艺安全或节能要求确定调节阀的正、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、依据主回路构成负

14、反馈的原则，确定主调节器的正、反作用。, 4主、副调节器正、反作用方式的确定,以管式加热炉为例，说明串级控制系统主、副调节器的正、反作用方式的确定方法。 1、从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式（正作用）。一旦出现故障或气源断气，调节阀应关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全。,2、副回路中，调节阀开大，炉膛温度升高，测量信号增大，说明副对象和变送器都是正作用。为保证副回路为负反馈，副调节器应为反作用方式。,3、对于主调节器，调节阀开大，炉膛温度升高时，原料油出口温度也升高，说明主对象和主变送器也都是正作用。为保证主回路为负反馈，主调节器也应为反作用方式。,主控制器：正、反作用选择顺序

15、为先副后主。 副控制器：正、反作用根据副回路的具体情况而定， 副回路内各环节放大倍数符号的乘积应为“负” 。 主控制器的正、反作用实际上只取决于主对象的放大倍数符号。当主对象放大倍数符号为“正”极性时，主控制器应选“负”作用；反之，当主对象放大倍数符号为“负”时，主控制器应选正作用。,主、副控制器正反作用的选择,有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。 1逐步逼近法 依次整定副回路、主回路。并循环进行，逐步接近主、副回路最佳控制状态。 2两步整定法 系统处于串级工作状态，第一步按单回路方法整定副调节器参数；第二步把已经整定好的副回路视为一个环节，仍按单回路对主调节器进行参数整定。,7.1.3.2

16、串级控制系统的参数整定,3一步整定法 所谓一步整定法，就是根据经验，先将副调节器参数一次调好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主调节器参数。,一步整定法副调节器参数选择范围 副参数类型 副调节器比例度2（%） 副调节器比例增益Kc2 温度 2060 5.01.7 压力 3070 3.01.4 流量 4080 2.51.25 液位 2080 5.01.25,串级控制系统应用举例,1、串级控制在某精馏塔底温度控制的应用,精馏塔塔釜温度与加热蒸汽流量的串级控制系统,对比较大的干扰，单回路控制系统控制品质较差。当控制器的放大倍数K=1.3时，最大偏差为10，无法满足工艺最大偏差 1

17、.5的要求。 采用塔釜温度与加热蒸汽流量的串级控制后，副控制器的 =5，由于副回路的存在，对扰动有较强的克服能力。当有较大的干扰出现时，主变量塔釜温度只是稍微波动一下就平稳下来，满足工艺要求。,2、某化纤厂纺丝胶液压力串级控制方案,图5.10 某化纤厂纺丝胶液压力串级控制系统,为了提高控制质量，可在执行器与冷却器之间，靠近执行器的某个适当位置选择一压力测量点，并以它为副变量组成一串级控制系统，如图5.10所示。当纺丝胶液粘度发生变化或因执行器前的混合器有污染而引起压力变化时，副变量可及时得到反映，并通过副回路进行克服，从而稳定过滤前的胶液压力。,3、电厂串级三冲量给水控制系统,图5.11 串级

18、三冲量给水控制系统,图5.11是在大型汽包锅炉上采用的串级三冲量给水控制系统。此方案的控制任务由两个控制器来完成，主控制器PI1采用比例积分控制规律，以保证水位无静差。主控制器的输出信号和给水流量、蒸汽流量信号都作用到副控制器PI2。一般串级控制系统的副控制器可采用比例控制器，以保证副回路的快速性。,串级系统的主、副控制器的任务不同。 副控制器的任务：消除给水压力波动等因素引起的给水流量的自发性扰动以及当蒸汽负荷改变时迅速控制给水流量，以保证给水流量和蒸汽流量平衡。主控制器的任务：校正水位偏差。 串级三冲量控制系统工作更合理，控制品质更好。,例：图8-4所示冷却器温度串级控制系统，主变量即被冷

19、却物料出口温度升高时，需开大控制阀；而当副变量即冷剂流量增加时，需要关小阀门，它们对控制阀动作方向不一致，因此主控制器TC的作用方向应选用“正”。,图8-4 冷却器温度串级控制系统,本章小结,1、掌握串级控制系统的组成原理，会画原理方 框图；分析串级控制系统的工作原理。,2、从理论上对串级控制系统进行分析，掌握串级 控制系统的特点：,串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克服能力。 由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，提高系 统响应速度。 提高系统的工作频率，改善了系统控制质量。 串级系统有一定的自适应能力。,3、设计串级控制系统时，应注意以下几点：,主、副回路的设计原则 主、副控制器的选

20、型 主、副控制器正反作用的选择 串级控制系统的整定方法：逐步逼近法、两步整定 法和一步整定法。,4、通过实例掌握串级控制系统的实际应用情况。,6.2 前馈调节系统,前馈控制的原理是：当系统出现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小改变控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响。,反馈调节系统,换热器出口温度的反馈控制系统,反馈控制的特点： 不论是什么干扰，只要引起被调参数的变化，调节器均可根据偏差进行调节。但必须被调参数变化后才进行调节，调节速度难以进一步提高。,换热器出口温度的前馈控制系统,为了改变事后调节的状况，提出前馈控制的思路：根据冷物料流量Q的大小，调节阀门开度。,一、

21、前馈控制系统原理,不变性原理： 在扰动的影响下，系统的被控变量与扰动变量之间无关或在一定精度下无关，即被控变量保持不变。,用方框图表示：,原理分析,根据不变性原理，当扰动F(s)变化时，对被控变量无影响，即与扰动变化无关,前馈控制的特点： 前馈控制器是按是按照干扰的大小进行控制的， 称为“扰动补偿”。如果补偿精确，被调变量不会变化，能实现“不变性”控制。 前馈控制是开环控制，控制作用几乎与干扰同步产生，是事先调节，速度快。 前馈控制器的控制规律不是PID控制，是由对象特性决定的。 前馈控制只对特定的干扰有控制作用，对其它干扰无效。,前馈和反馈控制的比较,实际工业过程中的干扰很多，不可能对每个干

22、扰设计一套控制系统，况且有的干扰的在线检测非常困难。 前馈控制器的补偿控制规律很难精确计算，即使前馈控制器设计的非常精确， 实现时也会存在误差，而开环系统对误差无法自我纠正。 因此，一般将前馈控制与反馈控制结合使用。前馈控制针对主要干扰，反馈控制针对所有干扰。,前馈控制的局限性,静态前馈和动态前馈,前馈控制分为静态前馈和动态前馈两类 假设 前馈控制器传递函数,为了克服前馈控制的局限性，将前馈控制和反馈控制结合起来，组成前馈反馈复合控制系统。,如换热器出口温度前馈反馈复合控制系统。,二、前馈反馈复合控制系统,补偿条件：,同纯开环前馈！,1、传函分子即是前馈控制系统的补偿条件。表明复合控制系统与开

23、环前馈控制系统的补偿条件完全相同，并不因为引进反馈控制而有所改变。 2、传函分母即是反馈控制系统的闭环传递函数。表明反馈控制系统的稳定性并不因为引进前馈控制而有所改变；且由于反馈控制回路的存在，使前馈控制的精度比开环前馈控制高。,干扰通道的传递函数为：,在反馈控制的基础上，针对主要干扰进行前馈补偿。既提高了控制速度，又保证了控制精度。 反馈控制回路的存在，降低了对前馈控制器的精度要求，有利于简化前馈控制器的设计和实现。 在单纯的反馈控制系统中，提高控制精度与系统稳定性是一对矛盾。往往为保证系统的稳定性而无法实现高精度的控制。而前馈反馈控制系统既可实现高精度控制，又能保证系统稳定运行。,复合控制

24、系统具有以下优点：,系统引进前馈控制必须遵循的原则：,1）系统存在频率高、幅值大、可测不可控的干扰，反馈控制难以克 服、控制要求高时；,2）控制通道时常大于干扰通道时常，反馈控制不及时，控制质量差；,3）主要干扰无法用串级控制使其包含于副回路或副回路滞后过大时；,4）尽可能采用静态补偿而不采用动态补偿。,6.3.1 大滞后过程概述,纯滞后：介质传输、化学反应、管道混合、皮带传送、轧辊传输、多容器串联成分测量等。,纯滞后的程度：,称为一般纯滞后；,称为大纯滞后。,大纯滞后难于控制： 物理意义：1）测量纯滞后使调节作用不及时；2）控制介质传输滞后使调节动作不及时；,解决方案：微分先行、中间反馈、斯密斯预估、内模控制等,6.3 大滞后过程控制系统,6.3.2 史密斯预估控制, 1. 史密斯预估控制：预先估计动态模型预估器使滞后了的被控量提前反馈调节器提前动作减少超调、加速调节过程。,实线为史密斯预估控制结果，虚线为单回路控制结果,单回路控制, Smith预估器控制方框图,为预估补偿器的传函,整个系统的闭环传递函数,本章作业：,1. (8)(9)(11)(12) 2. (1)(4) 3. (3),