热工控制系统课堂ppt_第六章导前微分控制系统概要

第六章导前微分控制系统第一节导前微分控制系统的组成第二节导前微分控制系统的特点第三节导前微分控制系统的整定第四节导前微分控制系统实例——再热汽温控制系统分析第五节汽温分段控制系统第一节导前微分控制系统的组成众所周知，在温度控制系统中，影响汽温的扰动主要有三个：减温水量Gj，蒸汽流量Ｄ，烟气传热量Qy。汽温在这三个扰动作用下特性的共同点都有惯性，有迟延，尤其是对基本扰动Gj迟延和惯性更大。为了改善控制系统的动态特性，可引取副信号2，组成串级控制系统，用于提高系统的控制品质。但是这种控制方法并不是唯一的，由第三章可知，微分作用能反映输出量的变化趋势，因而能提前反映输出量的变化。若能把微分作用用于控制系统，势必也能改善控制性能。所以人们设想在减温器出口处引出一个温度信号，接入一个微分器，构成一个新的系统。又因为它有两个信号（调节器入口反馈信号，称为“冲量”）直接送入到调节器，所以也称这样的系统为具有导前微分信号的双冲量控制系统。这种系统结构特点：只用一个调节器，调节器的输入取了两个信号。一是主汽温经变送器而直接进入调节器的信号；另一是减温器后的温度经微分器后送入调节器的信号。在时间和相位上，后一个信号超前于主信号（即主汽温），因此把这种系统称为导前微分控制系统。图6-1微分控制导前系统原理方框图WT(s)WD2(s)WD1(s)Wf(s)WZ(s)Wm2(s)Wm1(s)Wd(s)12I1△I1I2I’2Ig调节器执行器调节阀微分器测量变送器测量变送器减温器过热器Z+-WD2(s)：导前区对象动态特性；WD1(s)：惰性区对象动态特性；Wd(s)：微分器；I1：通过变送器过来的主信号；I2：通过变送器过来的副信号；I’2：通过微分器过来的副信号；Z：内扰。副回路：WSWWS主回路：WS返回第二节导前微分控制系统的特点一、引入导前微分信号缩短，等效改善控制对象动态特性在汽温导前微分控制系统中，当减温水量发生阶跃扰动时I1、I2变化的曲线如图6-2所示。图6-2减温水量扰动时各信号的变化曲线tttt1△I2△I1-GjI’2I﹡=I1+I’2cTて2てTc2TcI1I2原来的主信号是，如不加微分回路，则I1（或△I1）的变化趋势（设定值Ig不变）就反映了的变化特性，迟延时间常数为て，惯性时间常数为TC，加上微分器组成的导前微分系统中，的变化趋势反映了对象的动态特性，它的迟延时间常数由图中可见，，所以加入微分器等效地改善了对象的动态特性。IC2*C2*TT,ττ**,CCTT迟延时间缩短后，可控性变好，控制品质将得到改善。其原因在于影响系统控制品质的因素除调节器参数外，更多地取决于系统本身的动态特性。二、引入导前微分信号能减小动态偏差，改善控制品质由于调节器的提前动作，加入导前微分的动态偏差比不加的动态偏差要小得多，引入导前微分信号可以有效地减少阀门开度或减温水扰动下汽温的动态偏差；且不像反馈控制那样根据被调量偏差反复调节，因而可减小控制系统的调节过程时间ts。三、导前微分控制系统有很强的克服内扰的能力把导前微分控制系统等效为串级控制系统即可清楚看出这一性质。令图6-1中的导前微分控制系统原理方框图中的121zfmmWSWSWSWS则可把它等效成如图6-3的串级控制系统。)(1SWdWT(s)Wd(s)WD1(s)WD2(s)--Zθ2θ1I1I’2Ig图6-3导前微分控制系统等效为串级系统等效后的主副调节器分别为：WSWSWSWSWSTdTTD121设微分器,调节器为PI规律时,即：WSKTSTSDddd1STSWiT111那么主调节器的特性为：STSTKSTKSTSWSWidddddDT11111111111可见,等效主调节器也为PI规律,其中：11KTTdid等效副调节器的特性为：STTTKSTTTSTTTTTKSTSTKSTSTSWSWSWdiddddiddiidddddiiDTT111111112当Td＞Ti时，它具有比例积分性质：STKSTTTKSTTTKSWidddiddiddT1111111112当Td＜Ti时，则具有比例微分性质：STSTTTTKSTSTSTTTKSTSTTTKSWdididdddiidddiiddT11111112当Td=Ti时,具有比例性质：WSKTd2一般Td＞Ti，所以WT1(s)基本上是PI规律。导前微分控制系统可以等效为主、副调节器都为PI控制规律的控制系统，因此具有很强的克服内扰能力。从以上推导也可以看出：只有当串级控制中的主调节器PID时，其性能才优于导前微分系统。用串级系统代替导前微分系统时：等效主调节器等效副调节器WSWSWSWSWSTDTTd121等效微分器等效调节器WSWSWSWSWSdTTTT1112需要说明的是，当串级控制系统中的主调节器采用PID调节规律时，就很难用导前微分系统代替。同时也可知在一定条件下导前微分控制系统和串级控制系统是可以互换。互换的条件为：第三节导前微分控制系统的整定WSKTSTSDddd1导前微分控制系统中，若微分器传递函数为:调节器用PI规律时，则需要整定的参数有四个:Kd、Td、δ、Ti整定方法有两种:其一称作补偿法，又称等效对象法，即将被控对象以及微分器部分化作等效对象，变成单回路进行整定；另一种方法是将导前微分控制系统化为串级控制系统，采用前面提到的串级系统的整定方法进行整定。一、补偿整定法（等效对法）首先将方框图6－1简化成如图6－4所示。)(SWD等效调节对象KfWD2(s)WD1(s)Wd(s)Km21/Km1KZWT(s)Km1θ1θ2μI2GjI’2图6-4导前微分控制系统的等效变换下面我们以汽包锅炉中汽温导前微分系统为例加以说明。根据上一节的分析，为使导前微分控制系统具有良好的控制品质，希望等效对象特性接近导前区的特性。)(SWD据扰动的完全补偿有：KKKWSKWSWSKKWSfDfDDmmd222121上式可知：若传递函数WD1(S)已知，则就能求得Wd(S)。简化得：SWKKKKSWDmmd1221（6-2）从图6-4可以看出：WSSSKWSWSKKWSDfDDmmd**2121（6-1）实际上，往往不易测取WD1(S)传递函数，而只能测得WD2(S)和WD(S)飞升特性曲线。因此，现在需解决的首要问题实如何通过WD2(S)和WD(S)来求取WD1(S)，具体方法如下：从试验测得对象的飞升曲线后，可求得整个对象以及导前区的对象的迟延时间，惯性时间和自平衡率，分别用、TC、和2、TC22来表示，然后根据切线法或两点法可求得其传递函数：WSSSKTSDn11WSSSKTSDn222221WSSSWSWSKTSDDDn11221111`由以上两式得：式中n,n1,n2分别为整个对象，惯性区及导前区对象传函阶次。将上式展开为级数形式，得：WSKTSKTSKnTSnnTSDnn11111111111112211112122222222222222222211122111111STnnTnnTnTnSTnnTKKSTTSKKSTKTSKSWSWSWnnnnDDD对比两式的S同阶项得：12212211/)(TTnnT　nTnnTTnnnTnTnTnnTnnT111222222221211将上面两式代入整理得：212122222221222221KKKTnnTTnnTnTnnTTnnTT（6-3）根据式6-2得：KTSTSKTSKKdddnmm111111112（6-4）从上式就可以求出微分器的计算公式，这里有两种情况：（1）当n1＝1时,可以得完全补偿,此时：KTSTSKTSTSKKdddmm1111112比较等式两边即可得微分器参数的计算公式为：TTKKKKKKKKKKddmmmmmm1112212212（2）当n11时,只能得到近似补偿将等式6-4两边分别展开成级数,并比较S的同阶项,即可得微分器参数的计算公式：KTSTSKTSTSTSKTSKKKnTSnnTSKKKTnTKKKKTnnTKKKdddddddnmmmmddmmddmm11111051051221111211111122121111221112121..解得：12111111215.0KKKnnKTnTmmdd（6-5）又由式6-1知，WD﹡(S)可由WD1（S）确定,因为该式中WD(S)和WD2(S)是已知的。确定WD﹡（S）后,可用单回路等效对象法整定WD*（S）的比例带和积分时间。等效框图如下：)(SWD)(SWT图中：WSWKKKKTSTSTTzmzmii**1111111KZ为执行机构比例系数。即：*KKTmi21Ti*据以上分析，补偿整定法的步骤归纳如下：1、根据主汽温和导前汽温在阀门扰动下的阶跃响应曲线，用两点法或切线法求出主汽温和导前汽温对象的参数n、T、K和n2、T2、K2；2、由式（6-3）求出惰性区参数n1，T1，K1；3、根据补偿原理，由式求出微分器的参数Td，Kd；)(SWD4、根据等效对象特性，用动态参数法求取调节器的参数和TI。二、用补偿原理进行试验整定法试验线路图如下:图6-5补偿原理试验整定接线示意图具体步骤归纳如下：(1)断开”自动”,操作位于”手动”,调节器Ti=∞,Td=0,δ=100%,在调节器输出回路与两个变送器输出回路上接电阻,电流变电压,记录。(2)手动操作,阶跃改变阀门开度μ,观察I*,I2曲线,改变Kd,Td,使I*,I2曲线形状接近，即I*终值趋于I1终值。fDDKWKKsW22*)/()((3)整定好Kd、Td后，将系统接成闭环，改变调节器δ值，使I1曲线为不衰减振荡形状。记下此时δkTk值，根据经验公式有：KKT85.0T2.2i整定Td、Kd的一般规律如下图。图6-6KdTd对I*阶跃曲线形状的影响曲线3：补偿过头，衰减较快，Td合适、Kd太大；曲线4：起始部分重合，衰减缓慢，Td太大、Kd合适；曲线5：起始偏低，Td合适、Kd太小；曲线6：起始低斜率大，但呈马鞍形，微分信号太大，Td太小合适、Kd太大；曲线7：基本与I*特性一致,说明微分信号太弱,Td、Kd太偏小；图中曲线1：希望的I*的响应曲线；曲线2：补偿过头，衰减太慢，Td、Kd都偏大；三、等效为串级控制系统整定法先将导前微分控制系统化成串级控制系统,然后按串级整定。等效方框图如下：1、整定副回路根据导前区特性，确定等效副调节器参数δ/Kd如下：先断开等效主调节器，整定等效副调节器，如下图。等