《过程控制与集散系统》-方康玲-6-特殊控制方法

6特殊控制方法信息科学与工程学院6特殊控制方法本章学习内容6.16.2均匀控制系统6.3分程控制系统6.4选择性控制系统6.5阀位控制系统信息科学与工程学院6特殊控制方法6.1.1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的作用，具有前馈控制的实质。6.1比值控制系统信息科学与工程学院6特殊控制方法6.1.2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。信息科学与工程学院6特殊控制方法（1）定比值控制系统可分三类①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6.1开环比值控制系统（a）工艺流程图(b)原理方框图信息科学与工程学院6特殊控制方法②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。信息科学与工程学院6特殊控制方法优点：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。信息科学与工程学院6特殊控制方法③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6.3双闭环比值控制系统（a）系统图（b）原理方框图控制器1控制阀1主流量对象给定值Q1主测量变送器控制器2控制阀2副流量对象Q2副测量变送器比值器信息科学与工程学院6特殊控制方法优点：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。信息科学与工程学院6特殊控制方法双闭环比值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。信息科学与工程学院6特殊控制方法(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。信息科学与工程学院6特殊控制方法图6.4变比值控制系统（a）系统图（b）原理方框图信息科学与工程学院6特殊控制方法需要注意到一点：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，如果工艺控制需要，也可构成双闭环变比值控制系统。信息科学与工程学院6特殊控制方法6.1.3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、副物料流量。信息科学与工程学院6特殊控制方法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。信息科学与工程学院6特殊控制方法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。信息科学与工程学院6特殊控制方法4、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。信息科学与工程学院6特殊控制方法6.1.4比值控制系统的实施1、比值系数的折算（1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416maxQQI16/)4(maxQIQmax1max2121244QQIIQKQ信息科学与工程学院6特殊控制方法折算成仪表的比值系数（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max2max11244QQKIIKPCQ信息科学与工程学院6特殊控制方法任一中间流量值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4162max22QQImax12max22121222244QQIIQKQ信息科学与工程学院6特殊控制方法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max22max1221244QQKIIK信息科学与工程学院6特殊控制方法比值器的输入、输出信号关系式为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4412IIKKKK信息科学与工程学院6特殊控制方法(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。信息科学与工程学院6特殊控制方法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：416)4)(4(10sIII41641644'12KIIIs信息科学与工程学院6特殊控制方法如果使用开方器，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：416max22max122QQKIs416max2max1QQKIs信息科学与工程学院6特殊控制方法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。K信息科学与工程学院6特殊控制方法根据乘法器的信号关系有系统稳态时，I1=I0：416)4)(4(20sIII41614164421KIIIs信息科学与工程学院6特殊控制方法(3)应用除法器方案除法器用以实现两个信号相除的运算。信息科学与工程学院6特殊控制方法除法器的信号关系为由于稳态时Is=I0，所以41644120III416'KIs信息科学与工程学院6特殊控制方法优点：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：①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。②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。信息科学与工程学院6特殊控制方法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：10max1100416QQIK102max12100416QQIK41610202200IddIIIIK信息科学与工程学院6特殊控制方法6.1.5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与变比值控制系统中的变比值回路的整定方法和要求基本相同。(3)双闭环比值控制系统中，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。信息科学与工程学院6特殊控制方法6.1.6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4162max2QQI它的静态放大系数为0max200216QQddQQQIK信息科学与工程学院6特殊控制方法由上式可知，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的影响。信息科学与工程学院6特殊控制方法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)信息科学与工程学院6特殊控制方法该系统传递函数：sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsQsQmCCKbm2022202221121若能使Q2(s)/Q1(s)=K，就能实现副流量对主流量的动态跟踪。KsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGmCCKbm20222022211又因为Gk(s)=K＇=KQ1max/Q2max，所以可求得补偿环节的传递函数为：max1max202221202221QQsGsGsGsGsGsGsGsGsGCmmCb信息科学与工程学院6特殊控制方法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：11sTsGbQ2图6.10对一阶滞后环节的动态补偿)1)(1(21sTsTsGb当曲线有变凹点时，补偿环节为：信息科学与工程学院6特殊控制方法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。信息科学与工程学院6特殊控制方法例：锅炉燃烧过程的逻辑规律比值控制系统串级和比值控制的组合系统。逻辑提量功能的实现：高值选择器HS和低值选择器LS的作用动作顺序？信息科学与工程学院6特殊控制方法6.2.1均匀控制的概念6.2均匀控制系统均匀控制针对“流程”工业中协调前后工序的物料流量而提出。信息科学与工程学院6特殊控制方法均匀控制系统可定义为：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。信息科学与工程学院6特殊控制方法均匀控制系统特点：(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。信息科学与工程学院6特殊控制方法6.2.2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：结构简单、投运方便、成本低廉。只适用于干扰不大、对流量的均匀程度要求