过程控制 第二篇复杂控制

过程控制第二篇复杂控制系统第五章串级控制系统与比值控制系统§5-1串级控制系统概念§5-2串级控制系统分析§5-3串级控制系统设计和实施中的几个问题§5-4调节器的选型§5-5比值控制系统过程控制第二篇复杂控制系统较大迟延对象：过热汽温简单控制系统θTθCθrDWΔWKvGc(s)Gp(s)KmθTθr§5-1串级控制系统概念过程控制第二篇复杂控制系统过程控制第二篇复杂控制系统PID过热器θrθTPID2PID1减温器过热器θrθT2θT1减温水扰动减温水扰动单回路控制系统超调量大振荡频率低调节时间长超调量小振荡频率提高调节时间缩短串级控制系统过程控制第二篇复杂控制系统进料产品冷却液θT1θC1θT2θC2θr进料产品冷却液θCθTθrPID2PID1罐体罐内θr单回路控制系统串级控制系统PID反应罐θrθT冷却液扰动θT2θT1冷却液扰动副回路主回路超调量大振荡频率低调节时间长超调量小振荡频率提高调节时间缩短过程控制第二篇复杂控制系统过程控制第二篇复杂控制系统副调节器主调节器副对象主对象ry2y1二次扰动一次扰动副回路主回路一般串级控制系统结构常称副对象为导前区，主对象为惰性区；串级控制系统的特点：有效地克服二次扰动；改善了对象的动态特性；具有一定的自适应能力；各调节器的作用：副调：粗调,克服二次扰动；主调：细调,进行系统校正。过程控制第二篇复杂控制系统§5-2串级控制系统分析1.有效克服二次扰动Gc(s)Gp(s)RY1二次扰动Gd(s)二次扰动Y2Y1Gc2(s)Gc1(s)Gp2(s)Gp1(s)RGd(s)d2p12cpG(s)G(s)Y(s)=D(s)1+G(s)G(s)单d2pc2p21c2p22c1p1c2p2G(s)G(s)1+G(s)G(s)Y(s)=G(s)G(s)D(s)1+G(s)G(s)1+G(s)G(s)串由梅荪公式：由梅荪公式：过程控制第二篇复杂控制系统d2p12cpG(s)G(s)Y(s)=D(s)1+G(s)G(s)单d2pc2p21c2p22c1p1c2p2G(s)G(s)1+G(s)G(s)Y(s)=G(s)G(s)D(s)1+G(s)G(s)1+G(s)G(s)串d2p12c2p2c1p1c2p2d2pc2p2c1c2pG(s)G(s)Y(s)=D(s)1+G(s)G(s)+G(s)G(s)G(s)G(s)G(s)G(s)=1+G(s)G(s)+G(s)G(s)G(s)串串级系统对二次扰动的响应是较小的，在主环工作频率下更为突出。与单回路比较二次扰动的影响可以减小10~100倍。过程控制第二篇复杂控制系统被控对象导前区：惰性区：过程控制第二篇复杂控制系统2.改善了对象的动态特性Gc2(s)Gc1(s)Gp2(s)Gp1(s)RY2Y1二次扰动一次扰动副回路主回路Gc1(s)G'p2(s)Gp1(s)RY2Y1主回路Gc(s)Gp2(s)Gp1(s)RY2Y1单回路比较单回路过程控制第二篇复杂控制系统c2p2p2c2p2G(s)G(s)G(s)=1+G(s)G(s)一般取c2C2G(s)K，又设p2p2p2KG(s)Ts+1p2p2p2p2KKKKT1KK1KKKT1TKKK1T11KKp2c2p2c2c2p2c2p2p2p2c2p2c2c2p2sG(s)=ss1+sp2KTp2p2G(s)=1+sc1,,12p2p2p2p2ΚΚTTΚ当过程控制第二篇复杂控制系统Tp2T'p2副调的增益可kc2↑→T‘p2↓，加快了副回路的响应速度。当T’p2很小时：G'p2(s)≈1对象等效传递函数为：G'p(s)=Gp1(s)因此系统的工作频率也提高了。过程控制第二篇复杂控制系统被控对象导前区：惰性区：过程控制第二篇复杂控制系统3.对负荷变化有一定的自适应能力cc112p2p22p2ΚΚΚΚΚ在调节阀和导前区对象出现的由于负荷变化引起非线性，对控制品质的影响可大大减小。2）副回路是一个快速流量随动系统，能快速跟踪主调节器的输出，精确地控制调节量（流量），从而保证控制品质。1）因为Y2Y1Gc2(s)Gc1(s)Gp2(s)Gp1(s)RGd(s)c1,2p2ΚΚ过程控制第二篇复杂控制系统§5-3串级控制系统设计和实施中的几个问题1.副回路的设计1）副调参数选择应使副回路的时间常数小；这样通道短，反应灵敏。2）副回路应包含主要的扰动；一般应把调节量扰动包含在内。PID2PID1减温器过热器θrθT2θT1过程控制第二篇复杂控制系统2.主、副回路工作频率的选择Y2Y1Gc2(s)Gc1(s)R21(5.3)s+1-1s21e(10.3s+1)副回路的工作频率应选择主回路工作频率的3~10倍rωωM()rωω1321过程控制第二篇复杂控制系统3.防止调节器积分饱和产生积分饱和的原因：外因是偏差长期存在内因是控制器有积分作用进料产品冷却液θT1θC1θT2θC2θrPID2PID1罐体罐内θrθT2θT1冷却液扰动副回路主回路串级控制系统当主、副调节器都采用PI调节时，很容易产生积分饱和现象。主调节器产生积分饱和，将使控制不及时，系统输出超调量增加。过程控制第二篇复杂控制系统2C112I1R(s)=KE(s)+Y(s)Ts+1系统正常时，R2(s)=Y2(s)。则主调节器输出为：(1)2C11I1R(s)=KE(s)Ts将主调节器调整为积分外反馈。即——常规PI调节当R2(s)≠Y2(s)时，则主调节器输出为：2C112r(t)=Ke(t)+y(t)——比例调节（无积分）偏置PID2PID1Gp2(s)Gp1(s)RY2Y1抗积分饱和措施：过程控制第二篇复杂控制系统4.串级控制调节器作用方向PID2PID1减温器过热器θrθT2θT11）确定调节阀气开气关2）确定副对象特性3）确定副调节器的作用方向4）确定主对象特性5）确定主调节器的作用方向气开阀副调正作用主调反作用当串级与单回路切换时，应考虑主调节器的作用方向的切换由串级切为单回路时主调改为正作用过程控制第二篇复杂控制系统§5-4调节器的选型和整定1.选型1）副调节器一般选P调节，若主、副环频率相差很大，也可选PI。2）主调节器一般选PI调节,若主回路有主要扰动也可选PID。2.参数整定1）逐次逼近法。（P.118）①②③④⑤步2）两步整定法。（P.118）①②③步过程控制第二篇复杂控制系统过程控制第二篇复杂控制系统采用串级调节控制的一般条件：*二次扰动较频繁；*较大迟延对象，且可分成特性相差较大的导前区和惰性区；*副回路的工作频率应选择主回路工作频率的3～10倍过程控制第二篇复杂控制系统应用例：主汽压控制pTBVsμBPTPIPIGp(s)PsPTΔBB方案1：以给煤机（给粉机）转速为中间测点方案2：以构造的热量测量信号为中间测点燃料扰动：给煤机（给粉机）转速变化媒质变化过程控制第二篇复杂控制系统§5-5比值控制系统定义：自动保持两个或多个参数之间的比例关系的控制系统就是比值控制系统。合成炉比值控制系统原理图KvGc(s)Gp(s)KmA物料BKmB物料A_+R单回路流量随动系统管道重点讨论R的计算物料AθCDT物料BDTR合成炉比值控制系统过程控制第二篇复杂控制系统1.比值系数的计算比值系数的计算取决于测量信号的测取与处理1）流量与测量信号成非线性关系流量由差压变送器直接测得maxΔpI-4=Δp20-4物料AθCDT物料BDTR合成炉比值控制系统对于4~20mA变送器有：2BBBΔp=KQ2AAAΔp=KQAAAmaxΔpI=(20-4)+4ΔpBBBmaxΔpI=(20-4)+4Δp经比值器R后*BBI=α(I-4)+4α为比值系数过程控制第二篇复杂控制系统将2Δp=KQ代入，得到：2AAAmaxQI=16+4Q2*BBBmaxQI=α×16+4Q2BmaxABAmaxQQα=QQ在调节器为PI作用时，在稳态下，有*ABI=I设工艺要求流量比为K，则：22BmaxAmaxQα=KQ*比值系数为常数，与负荷大小无关过程控制第二篇复杂控制系统2）流量与测量信号成线性关系物料AθCDT物料BDTR合成炉比值控制系统AAI=I-4+4BBI=I-4+4有*BBI=αI-4+4而在PI作用时，在稳态下，有*ABI=IKBmaxBmaxABAmaxAmaxQQQα=QQQ*比值系数为常数，与负荷大小无关结论：无论怎样处理测量信号比值器的比值都为常数，但数值不同过程控制第二篇复杂控制系统2.比值系统中非线性特性1）直接采用差压变送器的输出电流作为流量信号2AAAmaxQI=16+4Q32ApA2AAmaxdIK==QdQQ增益与负荷有关KvGc(s)Gp(s)KmA物料BKmB物料A_+RAIQA非线性特性导致系统的动态控制品质随负荷增加而恶化。纠正措施：选择具有补偿特性的调节阀，使系统为线性AIQA2）采用差压变送器的输出开方后作为流量信号4AAAmaxQI=+4Q4ApAAmaxdIK==dQQ增益与负荷无关测量信号的线性处理使系统的线性特性不改变过程控制第二篇复杂控制系统3.比值控制系统的整定简单比值控制系统实际上是一个流量随动系统，因此衰减率应比较大，一般选择0.9~1。可考虑先在比例工况下使系统衰减率调整为1，然后加积分使系统衰减率减为0.9。QBQA单闭环比值控制系统一般只适用于负荷变化不大的场合。负荷变化大应选用多闭环比值控制。KvGc(s)Gp(s)KmA物料BKmB物料A_+R过程控制第二篇复杂控制系统1）双闭环比值控制系统4.常见比值系统如锅炉燃烧控制系统中的风、煤控制R定值双闭环比值控制系统RKv2Gc2(s)Gp2(s)煤量风量_+RKv1Gc1(s)Gp1(s)_汽压定值过程控制第二篇复杂控制系统2）变比值控制系统R变比值控制系统如变换炉触媒层温度控制系统QCDTDTθCθT÷蒸汽煤气转化气定值过程控制第二篇复杂控制系统第六章利用补偿原理提高系统的控制品质§6-1概述§6-2前馈控制系统§6-3大迟延系统§6-4非线性增益补偿系统过程控制第二篇复杂控制系统§6-1概述反馈控制原理：按尝试法根据偏差进行控制有偏差才控制不能事先规定调节器的输出Gc(s)KvGp(s)-r+yDGd(s)++反馈控制的缺点：KvGp(s)yDGd(s)++Gff(s)设计控制器Gff(s)，使Gff(s)KvGp(s)+Gd(s)=0。则扰动D的变化与输出Y无关。前馈控制器过程控制第二篇复杂控制系统工程实际中几种不变性()0()0iDtyt当时，()0()iDtyt当时，()0lim()0itDtyt当时，（1）绝对不变性：（2）误差不变性：（3）稳态不变性：（4）选择不变性：对主要扰动不变性不变性原理：控制系统的被调量与扰动量绝对无关或在一定准确度下无关。即：U(s)Y(s)D1(s)Di(s)Dn(s)被控对象中的内部扰动（调节量）和外部扰动()0()01,2,iDtytin当时，过程控制第二篇复杂控制系统§6-2前馈控制系统1基本概念2静态前馈3动态前馈4前馈——反馈控制系统过程控制第二篇复杂控制系统HWD汽包水位控制例Gc1(s)KvGp(s)-rHDΔw+Gd(s)Gff(s)Gc2(s)当Gff(s)Gp(s)=-Gd(s)时，蒸汽扰动对水位的影响消除。把Gff(s)称为前馈控制器。，定义：基于不变性原理的控制称为前馈控制。是一种按扰动进行补偿的开环控制，不影响控制系统的稳定性。1基本概念过程控制第二篇复杂控制系统定义：基于不变性原理的控制系统称为前馈控制系统。是一种按扰动进行补偿的开环控制系统对象前馈控制器μD1DiDn……y前馈控制系统过程控制第二篇复杂控制系统过程控制第二篇复杂控制系统2静态前馈定义：保证在系统稳态下补偿扰动作用的前馈称为静态前馈。即基于稳态不变性原理()0lim()0itDtyt当