过程控制课件-总复习.ppt
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1、控制器控制器控制器的控制器的“正反作用正反作用”选择问题选择问题问题:如何构成一个负反馈控制系统?控制器的控制器的“正反作用正反作用”选择选择n 定义:定义:当被控变量的测量值测量值增大时,控制器的输出也增大,则该控制器为“正作用”;否则,当测量值测量值增大时,控制器输出反而减少,则该控制器为“反作用”。n 选择要点:选择要点:使控制回路成为“负反馈”系统。n选择方法选择方法:(1)假设检验法。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。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。控制器的作用
2、方向选择:假设检验法控制器的作用方向选择:假设检验法根据控制阀的“气开气关”的选择原则,该阀应选“气开阀”,即:u Rf。假设温度控制器为正作用,即:Tm u;则结论结论:该控制器的作用方向不能为正作用,而应为反作用.控制器的作用方向选择:控制器的作用方向选择:符号分析法符号分析法Km一般为正保证负反馈:即开环系统放大倍数KcKvKoKm为负PID控制器控制器PID 控制器控制器比例控制器比例控制器比例增益对控制性能的影响比例增益对控制性能的影响比例增益 Kc 增大,调节作用增强,但稳定性下降(当系统稳定时,调节频率提高且余差下降)。比例积分控制器比例积分控制器积分作用对控制性能的影响积分作用
3、对控制性能的影响积分时间Ti 对系统性能的影响引入积分作用的根本目的是为了消除稳态余差,但使控制系统的稳定性下降。当积分作用过强时(即Ti 过小),可能使控制系统不稳定。理想的比例积分微分控制器理想的比例积分微分控制器n微分时间Td 对系统性能的影响微分作用的增强(即Td 增大),从理论上讲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。对于测量噪声较大的对象,需要引入测量信号的平滑滤波;而微分作用主要适合于一阶滞后较大的广义对象,如温度、成份等。微分作用对控制性能的影响微分作用对控制性能的影响实际的比例积分微分控制器实际的比例积分微分控制器其中Ad 为微分增益SimuLink
4、结构:工业工业PID控制器的选择控制器的选择*1:当工业对象具有较大的滞后时,可引入微分作用;但如果测量噪声较大,则应先对测量信号进行一阶或平均滤波。PID工程整定法工程整定法1-经验法经验法针对被控变量类型的不同,选择不同的PID参数初始值,投运后再作调整。尽管简单,但即使对于同一类型的被控变量,如温度系统,其控制通道的动态特性差别可能很大,因而经验法属最为“粗糙”的整定法。(具体整定参数原则见 p.65 表5.3-1)工程整定法工程整定法2-临界比例度法临界比例度法1、先切除PID控制器中的积分与微分作用(即将积分时间设为无穷大,微分时间取为0),并令比例增益KC为一个较小值,并投入闭环闭
5、环运行;2、将设定值作小幅度的阶跃变化,观察测量值的响应变化情况;3、逐步增大KC的取值,对于每个KC值重复步骤2中的过程,直至产生等幅振荡;4、设等幅振荡的振荡周期为Pu、产生等幅振荡的控制器增益为Kcmax。工程整定法工程整定法3-响应曲线法响应曲线法n临界比例度法的局限性:临界比例度法的局限性:生产过程有时不允许出现等幅振荡,或者无法产生正常操作范围内的等幅振荡。n响应曲线法响应曲线法PID参数整定步骤:参数整定步骤:(1)在手动状态下,改变控制器输出(通常采用阶跃 变化),记录被控变量的响应曲线;(2)根据单位阶跃响应曲线求取“广义对象”的近似模型与模型参数;(3)根据控制器类型与对象
6、模型,选择PID参数并投 入闭环运行。在运行过程中,可对增益作调整。Ziegler-Nichols参数整定法参数整定法n特点: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。n整定公式:整定公式:周期信号的周期信号的Fourier级数展开级数展开一个以T为周期的方波函数f(t)可以展开为假设继电器的幅值为d,则继电器输出的一次谐波为单回路系统的单回路系统的“积分饱和积分饱和”问题问题问题问题:当存在大的外部扰动时,很有可能出现控制阀调节能力不够的情况,即使控制阀全开或全关,仍不能消除被控输出y(t)与设定值ysp(t)之间的误差。此时,由于积分作用的
7、存在,使调节器输出u(t)无限制地增大或减少,直至达到极限值。而当扰动恢复正常时,由于u(t)在可调范围以外,不能马上起调节作用;等待一定时间后,系统才能恢复正常。串级控制系统串级控制系统Cascade Control System单回路控制系统分析单回路控制系统分析问题: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釜,调节滞后更大。冷却剂入口温度 夹套内冷却剂温度 T2 (经对流传热)釜壁温度 反应釜温度T1(经反馈回路)冷却剂量系统控制与扰动的分析系统控制与扰动的分析n干扰变量的影响:冷却剂入口温度变化 夹套内冷却水温度变化 釜壁温度变化 反应釜温度变化n控制变量的影响
8、:冷却剂调节阀开度变化 冷却剂流量变化 夹套内冷却剂温度变化 釜壁温度变化 反应釜温度变化解决方法解决方法夹套冷却剂温度T2比反应釜温度T1能更快地感受到来自干扰(冷却剂入口温度)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以尽快地克服冷却剂方面的扰动。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)。“串级控制串级控制”反应器温度的串级控制方案反应器温度的串级控制方案特点:特点:两个调节器串在一起工作,调节器TC2通过调节冷却剂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
9、。反应器温度串级控制框图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。调节阀选气关阀串级控制系统常用术语串级控制系统常用术语两个回路:主回路 副回路串级控制系统方块图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)。串级系统副环的等效性串级系统副环的等效性串级控制系统的特点(串级控制系统的特点(1)n副回路(有时称内环)具有快速调节作用,它能有效地克服二次扰动的影响;由于假设副回路的动态滞后较小,对于低频干扰,有串级控制系统的特点(串级控制系统的特点(2)n能
10、自动地能自动地克服副对象增益或调节阀特性的非克服副对象增益或调节阀特性的非线性线性对控制性能的影响(系统的对控制性能的影响(系统的“鲁棒性鲁棒性”增强)增强)。对于内环等效对象的稳态增益:串级控制系统的特点(串级控制系统的特点(3)n改善了对象的动态特性,提高了系统的工作频率。在相同的衰减比下,主调节器的增益可显著加大。副回路等效对象为:若:串级控制系统的特点(串级控制系统的特点(3)结论结论:由于副回路的存在,使主控制通道的动态特性得到改善(时间常数显著减少)串级控制系统的设计原则串级控制系统的设计原则n单回路控制不能满足性能要求;n有反映系统主要干扰的可测副参数(副参数必须可测);n调节阀
11、与副参数之间具有因果关系;n副参数的选择应使副对象的时间常数比主对象的时间常数小,调节通道短,反应灵敏;n尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中。串级控制副参数选择练习串级控制副参数选择练习假设反应器的主要干扰为加热蒸汽的温度变化串级系统副参数的选择分析串级系统副参数的选择分析串级系统副参数的选择分析串级系统副参数的选择分析分析问题分析问题:副回路的快速性与副回路所能包括的扰动范围之间的矛盾。串级系统副参数的选择分析串级系统副参数的选择分析分析问题分析问题:副回路的快速性与副回路所能包括的扰动范围之间的矛盾。串级系统副参数的选择分析串级系统副参数的选择分析分析问题分析问题:副回路的快
12、速性与副回路所能包括的扰动范围之间的矛盾。串级方案设计举例串级方案设计举例流量扰动流量较小、或者流量检测困难,或者燃料油较粘稠,用检测压力代替串级方案设计举例(续)串级方案设计举例(续)讨论讨论:副回路所能包括的扰动越多,副对象与主对象的动态特性的差别越小,越容易引起内外回路之间的“共共振振”(系统稳定性越差)。1.1 1.1 比值控制系统基本概念比值控制系统基本概念 凡实现两个或两个以上参数维持一定比例关系的控制系统,称为比值控制系统。一般是指流量比值控制系统。K=Q2/Q1 在实际的生产过程控制中,比值控制系统除了实现一定的物料比例关系外,还能起到在扰动量影响到被控过程质量指标之前及时控制
13、的作用,具有前馈控制的实质。1 1 比值控制系统比值控制系统1.2 比值控制系统的分析比值控制系统的分析按比值的特点可分为定比值和变比值控制系统。两个或两个以上参数之间的比值是通过改变比值器的比值系数来实现的,一旦比值系数确定,系统投入运行后,此比值系数将保持不变(为常数),具有这种特点的系统称为定比值控制系统。两个或两个以上参数之间的比值不是一个常数,而是根据另一个参数的变化而不断地修正,具有这种特点的系统称为变比值控制系统。(1)定比值控制系统 可分三类 开环比值控制系统 结构最简单的比值控制系统控制器控制阀流量对象Q2Q1测量变送器(b)给定值图图1开环比值控制系统开环比值控制系统(a)
14、工艺流程图)工艺流程图 (b)原理方框图原理方框图单闭环比值控制系统 为克服开环比值控制系统不足,在其基础上,增加一个副流量的闭环控制回路,组成了单闭环比值控制系统。优点:单闭环比值控制系统不但可以实现副流量跟随主流量的变化而变化,而且还可以克服副流量本身干扰对比值的影响,能够确保主、副两个流量的比值不变。同时,系统的结构比较简单,方案实现起来方便。缺点:当主流量受到干扰出现大幅度波动时,副流量难以跟踪,控制过程中主、副流量的比值会较大地偏离工艺要求的流量比。双闭环比值控制系统 为克服单闭环比值控制中主流量不受控制的不足,在其基础上,增设一个主流量控制回路,构成双闭环比值控制系统。图图3 双闭
15、环比值控制系统双闭环比值控制系统(a)系统图)系统图 (b)原理方框图)原理方框图控制器控制器1控制阀控制阀1主流量对象主流量对象给定值给定值Q1主测量变送器主测量变送器控制器控制器2控制阀控制阀2副流量对象副流量对象Q2副测量变送器副测量变送器比值器比值器 优点:双闭环比值控制系统能克服主流量扰动,实现其定值控制。副流量控制回路能抑制作用于副回路中的扰动,使副流量与主流量成比值关系。当扰动消除后,主、副流量都恢复到原设定值上,其比值不变,并且主、副流量变化平稳。当系统需要升降负荷时,只要改变主流量的设定值,主、副流量就会按比例同时增加或减小,从而克服了上述单闭环比值控制系统的缺点。双闭环比值
16、控制系统常用于主副流量扰动频繁,工艺上经常需要升降负荷,同时要求主、副物料总量恒定的生产过程。在采用双闭环比值控制方案时,对主流量控制器的参数整定应尽量保证其输出为非周期变化,以防止共振的产生。(2)变比值控制系统 当系统中存在着除流量干扰外的其他干扰,为了保证产品质量,必须适当修正两物料的比值。因此,出现了按照一定工艺指标自行修正比值系数的变比值控制系统。图图6.4 变比值控制系统变比值控制系统(a)系统图)系统图 (b)原理方框图)原理方框图 需要注意到一点:需要注意到一点:上面提到的变比值控上面提到的变比值控制方案中是用除法器来实现的,实际上还可采制方案中是用除法器来实现的,实际上还可采
17、用其他运算单元如乘法器来实现。同时从系统用其他运算单元如乘法器来实现。同时从系统的结构看,上例是单闭环变比值控制系统,如的结构看,上例是单闭环变比值控制系统,如果工艺控制需要,也可构成双闭环变比值控制果工艺控制需要,也可构成双闭环变比值控制系统。系统。1.3比值控制系统设计比值控制系统设计1、主、副流量的确定 (1)工业生产过程中起主导作用的物料流量一般选 为主流量,其它的物料流量选为副流量。(2)在工业生产过程中不可控的或者工艺上不允许 控制的物料流量一般选为主流量,可控的物料 流量选为副流量。(3)在生产过程中较昂贵的物料流量可选为主流 量,避免造成浪费。(4)按生产工艺的特殊要求确定主、
18、副物料流量。2、控制方案的选择(1)如果工艺上仅要求两物料流量之比值一定,负荷变化不大,主流量不可控制,则可选单闭环比值控制方案。(2)在生产过程中,主、副流量扰动频繁,负荷变化较大,同时要保证主、副物料流量恒定,则可选用双闭环比值控制方案。(3)当生产要求两种物料流量的比值能灵活地随第三个参数的需要进行调节时,可选用串级比值控制方案。3、控制器控制规律的确定 (1)单闭环比值控制系统中,可选P控制规律或采用一个比值器;从动回路控制器选PI控制规律。(2)双闭环比值控制系统中,两个调节器均应选PI控制规律。(3)串级(变)比值控制系统,主控制器选PI或PID控制规律,副控制器选用P控制规律。4
19、、流量计或变送器的选择 流量测量是比值控制的基础,各种流量计都有一定的适用范围,必须正确选择使用。变送器的零点及量程的调整都是十分重要的。1.4 比值控制系统的实施比值控制系统的实施1、比值系数的折算(1)流量与测量信号成线性关系 流量的任一中间值Q 所对应的电流为 则有 由上式可得工艺要求的流量比值 折算成仪表的比值系数为(2)流量与其测量信号成非线性关系 利用差压流量计测量,未经开方处理时,流量与压差的关系为 任一中间流量值Q(即相应差压 P)所对应的流量变送器的输出信号为 由上式可得工艺要求的流量比值折算成仪表的比值系数为2、比值控制的实施方案(1)应用比值器方案 比值器的输入、输出信号
20、关系式为 I。(Il-4)+4 (mA)在流量比值稳定操作时,控制器的测量值应等于设定值,即 I2=I。(Il-4)+4 (mA)所以(2)应用乘法器方案 应用乘法器实现两个信号相乘,或对一个信号乘以一个常系数的运算。乘法器的运算信号为:系统在稳态时,控制器的设定值I0和测量值I2相等,所以上式可写成:如果使用开方器,流量为线性变送时:如果没有使用开方器,流量为非线性变送时:假定由于仪表量程选择的限制和工艺比值K的条件造成 1,为了使乘法器的设定电流Is在标准信号范围内,可将乘法器由主流量一侧改接在副流量一侧,如下图所示。根据乘法器的信号关系有系统稳态时,I1=I0:(3)应用除法器方案 除法
21、器用以实现两个信号相除的运算。除法器的信号关系为由于稳态时Is=I0,所以 优点:可以直接显示读出比值,且设定操作方便,若将比值控制器的给定值改成第三参数,即能组成变比值控制系统。不足:应用除法器构成比值控制系统时,比值系数不能设置在1附近。对于副流量控制回路而言,除法器被包括在回路当中,除法器的非线性对控制系统品质将会造成影响。除法器的静态放大系数为:当采用开方器时:当没有采用开方器时:1.5比值控制系统的整定比值控制系统的整定(1)变比值控制系统,其主控制器参数整定可按串级控制系统进行。(2)单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统中的从动量回路应整定为非周期临界情况。(3)双闭环比值控制系
22、统中,主动量回路的过渡过程,希望进行得慢一些,以便从动量能跟得上,所以主动量回路过渡过程一般应整定成非周期过程。1.6比值控制系统中的若干问题比值控制系统中的若干问题1、开方器的采用 差压法测量流量时测量信号与流量关系为它的静态放大系数为它的静态放大系数为 由上式可知,采用差压法测量流量时,其静态放大系数K0正比于流量,即随负荷的增大而增大。这样的环节,将影响系统的动态品质,即小负荷时系统稳定。随着负荷的增大,系统的稳定性将下降。若将测量信号经过开方运算后,其输出信号与流量则成线性关系,从而使包括开方器在内的测量变送环节成为线性环节,它的静态放大系数与负荷大小无关,系统的动态性能不再受负荷变化
23、的影响。2、动态跟踪问题 系统在比值器GK(s)的前面,引入一个动态补偿环节Gb(s)。GC1(s)Gu1(s)Q10Q1Q2GK(s)Gb(s)G01(s)Gm1(s)GC2(s)Gu2(s)G02(s)Gm2(s)该系统传递函数:若能使若能使Q2(s)/Q1(s)=K,就能实现副流量对主流量的动态跟踪。,就能实现副流量对主流量的动态跟踪。又因为又因为 Gk(s)=K=KQ1max/Q2max,所以可求得补偿环节的,所以可求得补偿环节的传递函数为:传递函数为:动态补偿环节应具有超前特性,即需要微分特性环节。工程上,对于动态补偿环节的形式可以通过闭环动态特性测试求得当曲线无变凹点时,补偿环节为
24、:Q2图图10 对一阶滞后环节的对一阶滞后环节的 动动 态补偿态补偿当曲线有变凹点时,补偿环节为:当曲线有变凹点时,补偿环节为:3、有逻辑规律的比值控制系统 生产中有时工艺上不仅要求物料量成一定比例,而且要求在负荷变化时,它们的提、降量有一定的先后次序,实现相应功能的比值控制系统称为有逻辑规律的比值控制系统。所谓逻辑规律,是指工艺上对主、副流量提降时的先后要求,所以具有逻辑规律的比值控制也称为逻辑提量。2.1 均匀控制的概念 2 2 均匀控制系统均匀控制系统 均匀控制针均匀控制针对对“流程流程”工业工业中协调前后工序中协调前后工序的物料流量而提的物料流量而提出。出。均匀控制系统可均匀控制系统可
25、定义定义为:为:使两个有关联的被控变量在规定范围内缓慢使两个有关联的被控变量在规定范围内缓慢地、均匀地变化,使前后设备在物料的供求上相地、均匀地变化,使前后设备在物料的供求上相互兼顾、均匀协调的系统称之为均匀控制系统,互兼顾、均匀协调的系统称之为均匀控制系统,也有称之为均流控制。也有称之为均流控制。均匀控制系统特点:(1)两被控变量都应该是变化的。(2)两个被控变量的调节过程应该是缓慢的,这 与定值控制希望控制过程要短的要求不同。(3)两个被控变量的变化应在工艺允许的操作范围内。2.2 均匀控制系统的结构形式(1)简单均匀控制系统 简单均匀控制系统:简单均匀控制系统:结构简单、投运方结构简单、
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