过程控制提高控制品质的控.

提高控制品质的控制系统第一节串级控制系统应用于容量滞后较大的过程应用于纯时延较大的过程应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程应用于参数互相关联的过程应用于非线性过程原料油燃料管式加热炉T1T原油出口温度调节器1炉膛调节阀1管壁原料油温度变送器1f3,f4f1,f21.基本概念原料油f1,f2燃料管式加热炉T2TT2C原油出口温度调节器2炉膛调节阀1管壁原料油温度变送器2f3,f4f1,f2原料油燃料管式加热炉T1TT2C原油出口温度T1CT2Tx2(t)调节器2炉膛调节阀1管壁原料油温度变送器2f3,f4f1,f2调节器1温度变送器1x1x2副调节器副过程调节阀主过程副变送器二次扰动一次扰动主调节器主变送器x1x2主回路：定值控制副回路：随动控制串级控制系统-----两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，A：干扰进入副回路——燃料压力、燃料热值发生扰动副回路控制通道环节少，时间常数小，反应灵敏；较单回路系统的控制作用快B：干扰进入主回路——原料油温度流量变化由于副回路的存在，加快了校正作用C：干扰同时作用于主、副回路主副参数变化方向相同：主副调节器作用都使阀门关小，加强控制作用，加快控制过程主副参数变化方向相反：主副调节器作用抵消，减小调节阀的动作2.系统特点及分析Gc2(s)Go2(s)Gv(s)Go1(s)Gm2(s)F1(s)F2(s)Gc1(s)Gm1(s)X1(s)X2(s)F3(s)F4(s)Θ2(s)Θ1(s)Go2(s)Gv(s)Go1(s)F1(s)F2(s)G*c1(s)Gm1(s)X1(s)F3(s)F4(s)Θ2(s)Θ1(s)1)(222sTKsGooo22)(ccKsGvvKsG)(22)(mmKsG1111111)()()()(1)()()()('2'2222222222222222222222'2sTKsKKKKTKKKKKKKKsTKKKsTKKKsGsGsGsGsGsGsGsGoomovcomovcovcmoovcoovcmovcovco，改善过程的动态特性，提高了系统工作频率对负荷变化的适应性较强1)(222sTKKsGoovo22222'21movcovcoKKKKKKKK2222'21movcooKKKKTT1)('2'2'2sTKsGooo二次扰动对输出的影响减小（定义越大越好）)(/)()(/)(sFssXsJGo2(s)Gv(s)Go1(s)F1(s)F2(s)G*c1(s)Gm1(s)X1(s)F3(s)F4(s)Θ2(s)Θ1(s))()()()()(1)()()()()()(112*112*111sGsGsGsGsGsGsGsGsGsXsmoovcoovc)()()()()(1)()()()(112*11231sGsGsGsGsGsGsGsFsmoovcoo)()()()()()()()()(/)()(/)(*11212*131113sGsGsGsGsGsGsGsGsFssXsJvcoooovckG’o2(s)G*o2(s)Go1(s)F1(s)F2(s)Gc1(s)Gm1(s)X1(s)F3(s)F4(s)Θ2(s)Θ1(s)Gc2(s)Go2(s)Gv(s)Go1(s)Gm2(s)F1(s)F2(s)Gc1(s)Gm1(s)X1(s)X2(s)F3(s)F4(s)Θ2(s)Θ1(s))()()()(1)()()()(222232*2sGsGsGsGsGsFssGmovcoo)()()()(1)()()()(22222'2sGsGsGsGsGsGsGsGmovcovco二次扰动对输出的影响减小（定义越大越好）)(/)()(/)(sFssXsJG’o2(s)G*o2(s)Go1(s)F1(s)F2(s)Gc1(s)Gm1(s)X1(s)F3(s)F4(s)Θ2(s)Θ1(s))()()()(1)()()()(222232*2sGsGsGsGsGsFssGmovcoo)()()()(1)()()()(22222'2sGsGsGsGsGsGsGsGmovcovco二次扰动对输出的影响减小（定义越大越好）)(/)()(/)(sFssXsJ)()()()()()()()()()()()(/)()(/)(21*2'211*21'2131113sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsFssXsJvccoocoooocc二次扰动对输出的影响减小（定义越大越好）)(/)()(/)(sFssXsJ)()()()()()()()()()()()(/)()(/)(21*2'211*21'2131113sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsFssXsJvccoocoooocc)()()()()()()()()(/)()(/)(*11212*131113sGsGsGsGsGsGsGsGsFssXsJvcoooovck)()()()()()()()(*121*12133sGsGsGsGsGsGsGsGJJcccvcvcckc11)(ccKsG22)(ccKsG*1*1)(ccKsG*121cccKKK一般设主、副调节器均为比例调节•主参数的选择和主回路的设计（与单回路的选择原则一致）•副参数的选择和副回路的设计1.参数的选择应使副回路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏。2.通过调节副参数能够有效影响主参数3.选择副参数必须物理上可测4.副回路应包含被控对象所受到的主要干扰•主、副回路工作频率应适当匹配3.系统设计PTPTTTTC加热炉冷原料油热原料油T1TT2T加热炉冷原料油热原料油T2CT1C21)10~3(ddTT1．副调节器的选型副调节器的任务是要快速动作以迅速消除进入副回路内的扰动、而且副参数并不要求无差，所以一般都选P调节器，也可采用PD调节器，但这增加了系统的复杂性。在一般情况下，采用P调节器就足够了，如果主、副回路频率相差很大，也可考虑采用PI调节器。2．主调节器的选型主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。凡是需采用串级控制的生产过程，对控制品质的要求总是很高的，不允许被调量存在静差。因此主调节器必须具有积分作用，一般都采用PI调节器，如果控制对象惰性区的容积数目较多，同时有主要扰动落在副回路以外的话，就可以考虑采用PID调节器。•串级控制系统主、副调节器控制规律的选择•串级控制系统的参数整定逐次逼近法先整定副调节器Gc2(s)。在第一次整定副调节器时，断开主环，即按副回路单独工作时的单回路系统来整定副调节器Gc2(s)的参数，记作[Gc2(s)]1。闭合主回路，将副回路作为一个环节，按照单回路整定的方法整定主调节器参数，记作[Gc1(s)]1。据（2）得到的[Gc1(s)]1，保持主回路闭合，再整定副调节器Gc2(s)。记为[Gc2(s)]2。保持两回路闭合，在副调节器参数为[Gc2(s)]2，情况下，重新整定主回路得到[Gc1(s)]2重复步骤（2）、（3），直到满足品质要求为止。两步整定法1.主调节器纯比例P1=100%，副回路整定到4：1记录P2s和T2s2.主调节器纯比例P2=P2s，主回路整定到4：1记录P1s和T1s3.按照经验公式计算调节器参数4.先副回路后主回路的顺序设置参数。一步整定法1.经验法整定副调节器2.工程整定方法整定主调节器3.再已定参数的基础上对主调节器参数做调整第二节前馈控制系统系统中存在着频率高、幅值大、可测而不可控的扰动时，选用前馈控制当控制系统控制通道时延较大、反馈控制又不能得到良好的控制效果时，选用前馈控制；根据被调量（或其它被调参数）和给定值之间的偏差进行控制的负反馈系统。那么当被控对象受到扰动后，只有等到被调量发生变化，偏差出现后才开始控制，这种控制动作落后于扰动必然会造成控制过程中存在（动态）偏差。直接根据扰动（造成偏差的原因）进行控制。就有可能及时消除扰动的影响而使被调量基本不变化（或很少变化）。这种直接根据扰动进行控制的系统，称为前馈控制系统。前馈控制有时又称“扰动补偿”热交换器TTTC被加热物料冷物料f(t),θ1x(t)y(t)冷凝水qh，ph蒸汽Gv(s)Gc(s)Go(s)Fθ1PhGm1(s)X(s)Y(s)Qh(s)反馈系统是按照偏差进行控制来消除偏差的由于反馈系统构成闭环，存在系统是否稳定的问题只要干扰位于反馈环之内，反馈控制系统总能消除其对被控参数的影响热交换器FTFC被加热物料冷物料f(t),θ1冷凝水qh，ph蒸汽Go(s)Gv(s)Y(s)F(s)Gm(s)Gb(s)Gf(s)0)()()()()()()(sGsGsGsGsGsFsYmbvof)()()()()(sGsGsGsGsGmvofb所以前馈控制器消除扰动对被控参数的影响，不变性原理前馈控制器的通用模型)()()(sGKKsGsGomvfbsooooesTKsG1)(sffffesTKsG1)(sfoomvfofbofesTsTKKKKsGsGsG)(11)()()(of干扰通道和控制通道一般都用一阶或二阶的容量滞后模型来近似，必要时串联一个纯滞后环节当时，是物理不可实现的静态前馈控制系统omvfomvfbbKKKKGKKGGsG)0()0()0()(控制目标是系统输出的稳态值不受到扰动的影响Kf/(Tfs+1)KvY(s)F(s)KmGb(s)Kf/(Tfs+1)前馈控制的特点在很多场合下都是将前馈控制与反馈控制结合在一起组成前馈—反馈控制系统，称之为复合控制系统。这些系统即使在大而频繁的扰动下，仍能获得优良的控制品质。前馈控制器是“按扰动来消除扰动对被控参数的影响”又称为“扰动补偿”。前馈控制器在扰动出现的时刻立即进行控制，控制及时，对特定的扰动引起的动、静态偏差控制比较有效。而不象反馈控制，要等到被控参数产生偏差后采进行控制前馈控制是开环控制，只要系统各个环节稳定，则控制系统必定稳定。前馈控制对控制效果不作检验前馈控制律不同于反馈控制律，它是由过程特性决定的，不同的过程特性控制律不同检测、执行和过程特性的数学模型很难精确得到，前馈控制器往往物理上难以实现一个前馈通道只能抑制一个干扰对被控参数的影响，而对其他干扰对被控参数的影响没有已知作用。不可能对每个干扰都设计一套独立的检测装置和前馈控制器前馈--反馈控制热交换器FTFC被加热物料冷物料f(t),θ1冷凝水蒸汽TTTC∑Go(s)Gv(s)Y(s)F(s)Gm(s)Gb(s)Gf(s)Gc(s)X(s)Gm1(s))()()()()(1)()()()()()()()()()(1)()()()(11sFsGsGsGsGsGsGsGsGsGsXsGsGsGsGsGsGsGsYmovcmbvofmovcovc0)()()()()(sGsGsGsGsGmbvof)()()()()(sGsGsGsGsGmvofbGo(s)Gv(s)Y(s)F(s)Gm(s)Gb(s)Gf(s)Gc(s)X(s)Gm1(s))()()()(11sGsGsGsGmovc0)()()()(11sGsGsGsGmovc。•可见复合控制系统与开环的前馈控制系统的补偿条件相同•由于反馈控制环的存在，使干扰对输出的影响比开环的情况小了倍。•复合控制系统的特征方程，与按偏差控制的单回路控制系统的特征方程是一样的，与前馈控制器和检测环节无关。Go1(s)Gc2(s)Y(s)F(s)Gm(s)Gb(s)Gf(s)Gc1(s)X(s)Gm1(s)Go2(s)Gv(s)Gm2(s)前馈—串级复合控制系统0)()()()()(1)()()()()()(122222sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsG