哈工大的过程控制课程第五章

简单控制系统设计实例——喷雾式乳液干燥控制系统干燥流程如图，通过空气干燥器将浓缩乳液干燥成乳粉。干燥速度快，料液经雾化后表面积大大增加，在热风气流中，含湿量40%～90%的物料可在瞬间就可蒸发95%～98%的水份，完成干燥时间仅需数秒钟。能一次干燥成粉粒产品，干燥后不需粉碎和筛选，减少生产工序，提高产品纯度。对产品粒径、松密度、在一定范围内可通过改变操作条件进行调整、控制和管理都很方便。蒸汽过滤器A过滤器B鼓风机产品高位储槽热交换器)(ty℃)(1tf)(2tf)(3tf1.控制方案设计：（1）被控参数选择：乳液质量取决于湿度，但湿度测量精度低、滞后较大，而乳粉中水分含量与干燥器出口温度有关且为单值关系，试验表明，出口温度偏差小于±2℃时乳液合格，故选择干燥器出口温度作为被调量（间接）。（2）调节量的选择影响出口温度的因素：乳液流量f1、旁路空气流量f2和加热蒸气流量f3，可通过相应的三个调节阀对这三个量进行调节控制。选其中任一个均可实现干燥器出口温度的控制，则得到三种不同的控制方案。热交换器风管（混合传输）调节器调节器阀2干燥器温度变送器)(ty)(1tf)(2tf)(3tf)(tr+-+方案1乳液流量f1为调节量方案2旁路空气流量f2为调节量方案3加热蒸气流量f3为调节量热交换器风管（混合传输）调节器调节器阀1干燥器温度变送器)(ty)(1tf)(2tf)(3tf)(tr++-+热交换器风管（混合传输）调节器调节器阀2干燥器温度变送器)(ty)(1tf)(2tf)(3tf)(tr+-+（3）方案分析1.主要环节特性分析a.蒸汽对加热空气温度的影响，为一双容过程，可近似为b.空气混合后经风管到进入干燥器对空气流量的影响可近似为c.阀1到干燥器，阀2到混合环节，阀3到换热器的滞后较小忽略d.干燥器对空气流量、空气温度和乳液流量的特性差异对控制方案影响不大，暂不考虑。)1)(1()(21sTsTKsGhhhh1)(sTeKsGmsmm2.控制方案分析、选择方案1乳液流量f1为调节量特点：1）控制通道短，滞后小，控制灵敏；2）干扰进入点与调节量重合，干扰引起的动态偏差小，控制质量好；3）干扰通到有滞后，且GmGh均有滤波作用，故对被调量的影响较为平缓。热交换器风管（混合传输）调节器调节器阀1干燥器温度变送器)(ty)(1tf)(2tf)(3tf)(tr++-+方案2旁路空气流量f2为调节量特点：1）控制通道变长，滞后加大，控制不够灵敏；2）干扰f1进入点距调节阀2较远，干扰引起的动态偏差较大；干扰f3进入点距调节阀2较近，且干扰通道环节多，其引起的动态偏差小且平缓；3）与方案1比较控制品质下降，但Tm和τ不是很大，下降有限。热交换器风管（混合传输）调节器调节器阀2干燥器温度变送器)(ty)(1tf)(2tf)(3tf)(tr+-+方案3加热蒸气流量f3为调节量特点：1）控制通道滞后时间很大，控制不灵敏；2）干扰f1进入点距调节阀2恨远，干扰f2进入点距调节阀2较远，且干扰通道环节少，引起的动态偏差大；3）与方案1、2比较控制品质下降很大。热交换器风管（混合传输）调节器调节器阀2干燥器温度变送器)(ty)(1tf)(2tf)(3tf)(tr+-+从控制角度，方案1最好，但以乳液流量作为调节量，就不能始终稳定在最大值，限制了加工能力，另外乳液管到上加装调节阀，易使乳液结块堵塞管道降低产量和质量。故方案2较好。2.检测仪表、调节仪表及调节规律的选择根据工艺选择电动单元组合仪表——DDZ-Ш。1）温度传感器及变送器温度在600以下可选热电阻（铂电阻）温度变送器。为减小滞后，安装在出口位置；2）调节阀根据工艺安全及介质特性选择气闭型调节阀，并进行相应的调节阀参数计算；3）调节器根据工艺特点及要求（偏差≤2℃），采用PI或PID。按负反馈原则，调节器选择正在用方式。3.绘制控制系统流程图4.调节器参数整定蒸汽过滤器A过滤器B鼓风机高位储槽热交换器)(tyTTTC例锅炉汽水系统WTTTCLTLC问题：当被控对象容量较大时，采用简单控制系统控制不及时，控制品质达不到控制要求。解决方法：采用其他的控制方法——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调节器的选型和整定方法§5-5比值控制系统第二篇复杂控制系统§5-2串级控制系统分析一、有效的克服二次干扰二、改善广义对象特性，提高工作频率三、有一定自适应能力四、能够更精确控制调节量的流量五、可实现更灵活的操作方式§5-3串级控制系统设计和实施中的几个问题一、串级系统主、副回路的选择二、串级系统主、副回路工作频率的选择三、串级系统的积分饱和及防止措施四、串级控制系统中出现非线性的场合§5-5比值控制系统一、基本原理、比值计算、常见结构二、控制方案分析（一）相乘方案的实施（二）相除方案的实施三、比值控制系统设计和工程应用中的问题较大迟延对象：过热汽温简单PID控制系统§5-1串级控制系统概念PID过热器ΘrθT减温水扰动ΔWKvGc(s)Gp(s)KmθTθr超调量大振荡频率低调节时间长减温水扰动超调量小振荡频率提高调节时间缩短PID2PID1减温器过热器θrθT2θT1进料产品冷却液TCTTθr单回路控制系统特点：σ大、ω低、ts长反应釜温度控制系统T、τ较大PID反应罐θrθT冷却液扰动进料产品冷却液TT1TC1TT2TC2θrPID2PID1罐体罐内θrθT2θT1冷却液扰动副回路主回路串级控制系统特点：σ小、ω提高、ts缩短副调节器主调节器副对象主对象ry2y1副回路主回路二次扰动一次扰动一般串级控制系统结构框图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。Gf1(s)Gf2(S)GV(s)GC1(s)R1E1U2QY2Y1F1F2U1=R2E2YM1YM2GC2(s)Gp2(s)Gm2(s)Gp1(s)Gm1(s)Y2串级控制系统的框图串级控制系统的相关名词术语♠主被控变量y1是要保持平稳控制的主被控变量♠副被控变量y2是串级控制系统的辅助被控变量♠主、副控制器的传递函数Gc1(s)、Gc2(s)♠主、副被控对象传递函数Gp1(s)、Gp2(s)♠主、副被控变量的检测变送环节Gm1(s)、Gm2(s)♠主、副被控变量的测量值ym1、ym2♠一次和二次扰动F1、F2：进入主、副被控对象的扰动，扰动通道传函Gf1(s)、Gf2(s)。♠由Gc2(s)、Gv(s)、Gp2(s)和Gm2(s)组成的控制回路称为副回路，或副环，对主回路而言副回路为随动系统，对克服二次扰动则看作定值系统。♠由Gc1(s)、副回路、Gp1(s)和Gm1(s)组成的控制回路称为主回路，或主环，主回路为定值系统。串级控制系统中有关的传递函数如下：)()()()()()()()()()(1)()()()()()()(11221222122111sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsRsYmppvCCmpvCppvCCGf1(s)Gf2(S)GV(s)GC1(s)R1E1U2QY2Y1F1F2U1=R2E2YM1YM2GC2(s)Gp2(s)Gm2(s)Gp1(s)Gm1(s)Y2)()()()()()()()()()(1)()()()()()()()(112212221222111sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsFsYmppvCCmpvCfmpvCfGf1(s)Gf2(S)GV(s)GC1(s)R1E1U2QY2Y1F1F2U1=R2E2GC2(s)GP2(s)Gm2(s)GP1(s)Gm1(s))()()()()()()()()()(1)()()()(112212221221sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsFsYmppvCCmpvCpfGf1(s)Gf2(S)GV(s)GC1(s)R1E1U2QY2Y1F1F2U1=R2E2GC2(s)GP2(s)Gm2(s)GP1(s)Gm1(s))()()()(1)()()()()()(2222222sGsGsGsGsGsGsGsGsRsYmpvCpvC副§5-2串级控制系统分析一、有效克服二次扰动Gc(s)Gp(s)RY1二次扰动Gf2(s)二次扰动Y2Y1Gc2(s)Gc1(s)Gp2(s)Gp1(s)RGf2(s)由梅荪公式：由梅荪公式：)()(1)()()()(221sGsGsGsGsFsYpcpf单)()(1)()()()(1)()(1)()()()(2222c1122221sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsFsYpcppcpcpf串)()(1)()()()(221sGsGsGsGsFsYpcpf单)()(1)()()()(1)()(1)()()()(2222c1122221sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsFsYpcppcpcpf串)()()()()()(1)()(22c11222sGsGsGsGsGsGsGsGppcpcpf)()()()()(1)()(2c1222sGsGsGsGsGsGsGpcpcpf串级系统对F2的响应较小，在主环工作频率更为突出，与单回路比较可以减小10～100倍。单串)()()()(2121jFjYjFjY以加热炉出口温度控制系统为例：炉温为被调量，滞后大，控制质量差（1）扰动分析燃料：压力、流量、成分和热值等原料：进料量、进料温度（不可控）（2）控制方案方案一：TC—FC串级主要用于克服燃料油上游侧压力干扰的影响，燃料油黏度大，易堵，不常采用。方案二：TC—PC串级取压点在阀后，克服燃料油下游侧压力影响，燃料油黏度大，易堵，使用时要加报警系统。方案三：TC—TC串级炉内温度作为副被调量，拥有克服燃料影响，如温度、成分等，温度点不宜找准。设计系统时，应使主要的扰动、尽可能多的扰动进入副回路。二、改善广义对象特性，提高工作频率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单回路比较单回路一般取，又设)()(1)()()(22222sGsGsGsGsGpcpcp22)(ccKsG1)(222sTKsGppp222222222222222222211111)(11)()(pcppcpcpcppcppcppcpKKsTKKKKKKsTKKsTKsGsTKsGsG1)(222sTKsGppp,122pcKK当1,222pppKTTTp2T'p2副调的增益kc2↑→T'p2↓，加快副回路响应速度T'p2很小,G'p2(s)≈1对象等效传函为：G'p(s)=Gp1(s)系统工作频率提高。副对象阶跃响应特性等效副对象阶跃响应特性串级系统的工作频率：设主、副对象为一阶环节，串级系统的其它环节为比例环节，即1)(,1)(,)(,)(2221112211sTKsGsTKsGKsGKsGppppppcccc串级系统的闭环传函为)()()(1)()()()()()(12112111sGsGsGsGsGsGsRsYsppcppc闭环特征方程为0)()()(1)(121sGsGsGsPppc011111221sTKsTKKppppc01)(12121221ppcppppKKKsTTsTT222221pcpcpKKKKK22221pcppKKTT其中比较二阶标准形式0222nnss2121cs2ppppnTTTT2121cs21ppppnTTTT则串级