第6章-高性能过程控制-过程控制与自动化仪表-潘永湘

教书育人要义传道授业释疑；师生同心协力,共探过控真谛。熟悉仪表原理,统领系统设计；理论实践结合，思维创新第一。《过程控制与自动化仪表》西安理工大学潘永湘杨延西赵跃制作教学理念：第6章常用高性能过程控制系统本章要点1）了解串级控制系统的应用背景，熟悉串级控制系统的典型结构与特点；2）掌握串级控制系统的设计方法，熟悉串级控制系统的参数整定方法；3）了解前馈控制的原理及使用场合；4）掌握前馈补偿器的设计方法，熟悉前馈－反馈复合控制的特点及工业应用；5）了解大滞后被控过程的解决方案，掌握大滞后过程控制的设计方案。6.1串级控系统6.1.1串级控制系统的基本概念一、什么是串级控制？它是怎样提出来的？其组成结构怎样?（图6－1;）工艺流程?控制要求?系统分析…问题：过渡过程时间长，调节不及时解决办法：串级控制(图6－3）图6－2串级控制系统的一般框图结构特点…6.1.2串级控制系统的控制效果1.能迅速克服二次干扰（图6－5）202*02220221cvmYsGsGsFsGsGsGsGs111212ccvYsXsKKKYsFs控制能力和抗干扰能力综合定义为：1120201112020111ccvccvmYsGsGsGsGsGsXsGsGsGsGsGsGs*10201*212020111ccvmYsGsGsFsGsGsGsGsGsGssGsGsGsFsYsXsYvcc21211111()cGsK22()CCGsK()VVGsK单回路系统(图6－7）及传递函数sGsGsGsGsGsGsGsGsGsXsYmvcvc101020102111sGsGsGsGsGsGsFsYmvc1020102211控制能力和抗干扰能力综合为：sGsGsFsYsXsYvc2111()CCGsK()VVGsK1112cvYsXsKKYsFs12CCCKKK一般情况下有：结论：提高了控制质量2.能改善控制通道的动态特性，提高工作频率（1）等效时间常数减小，响应速度加快；(分析比较图6－5和图6－7）'22020220222022()()()1cvcvcvmYsGsGsGsGsGsGsGsXsGsGsGsGs0202022222()1,(),(),()ccvvmmGsKTsGsKGsKGsK'2020202220202'202220202'020222021()111111cvcvmcvcvmcvmKKKTsGsKKKKTsKKKKKKKKTTssKKKK0202'TT(2)提高了系统的工作频率串级系统的特征方程为：'10201110cmGsGsGsGs'010101111102/1,,,()ccmmGsKTsGsKGsKGs如式（6－11）所示，则''10201102011/110cmKKKKTsTs''2010212011''0102010210ccmTTKKKKssTTTT'01020'0102'21020110'010221cmTTTTKKKKTT220020ss串级控制系统的工作频率为：'0210'0201220211TTTT串对同一过程，采用单回路控制方案，用同样的分析方法，可得：02010201'2'2''0211TTTT单若两种方案的阻尼系数相同，则有：0201'020102010201'0201'020111TTTTTTTTTTTT单串0201'0201TTTT单串结论：副回路改善了动特性、提高了响应速度和工作频率；当主、副时间常数比值一定，副调节器的比例系数越大，工作频率越高；同样，当比例系数一定，主、副时间常数比值越大，工作频率也越高。其结果使振荡周期缩短，提高了系统的控制质量。3能适应负荷和操作条件的剧烈变化副回路的等效放大系数为：'2020220221cvcvmKKKKKKKK2022'021cvmKkKKK几乎不变2）能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速反应能力；3）对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的适应能力。综上所述，串级控制系统的主要特点有：1）对进入副回路的干扰有很强的抑制能力；6.1.3串级控制系统的适用范围1.适用于容量滞后较大的过程：选容量滞后较小的辅助变量，减小时常，提高频率。（图6－8）2.适用于纯滞后较大的过程：（图6－9,）工艺要求：过滤前的压力稳定在250Pa;特点：距离长，纯滞后时间长。仿丝胶液压力与压力串级控制。3.适用于干扰变化剧烈、幅度大的过程：（图6－10）工艺要求：汽包液位控制，特点：快装锅炉容量小，蒸汽流量与水压变化频繁、激烈→三冲量液位串级控制。4.适用于参数互相关联的过程：（图6－11）同一种介质控制两种参数(图6－11)单回路控制：两套装置，不经济又无法工作；常压塔塔顶出口温度和一线温度串级控制。5.适用于非线性过程特点：负荷或操作条件改变导致过程特性改变。若：单回路控制，需随时改变调节器整定参数以保证系统的衰减率不变；串级控制，则可自动调整调节器的整定参数。（图6－12）合成反应器温度串级控制：换热器呈非线性特性注意：串级控制虽然应用范围广，但必须根据具体情况，充分利用优点，才能收到预期的效果。a）：燃料油压力为主要干扰；b）：燃料油粘度、成分、热值、处理量为主要干扰6.1.4串级控制系统的设计问题：副参数如何选择？主、副回路的联系？调节器如何选择？正、反作用如何选择？1.副回路的设计与副参数的选择选择原则：（1）副参数要物理可测、副对象的时间常数要小、纯滞后时间要尽可能短。如图6－3、图6－8等（2）副回路要尽可能多地包含变化频繁、幅度大的干扰，但也不能越多越好。如图6－13a)、b)所示。（3）主、副过程的时间常数要适当匹配.'2022010201020102010211/1/1/1/cvmKKKKTTTTTTTT串单当串级控制与单回路控制的阻尼系数相等时，有假设20221cvmKKKK为常量(图6－14）图示说明。。。；主、副被控过程时常不能太大也不能太小？频率的比值大于3，时常的比值在3～10范围内选择（4）应综合考虑控制质量和经济性要求(图6－15）a)冷剂液位为副参数，投资少，控制质量不高；b)冷剂蒸发压力为副参数，投资多，控制质量较高。选择应视具体情况而定。2主、副调节器调节规律的选择主调：定值控制；副调：随动控制。主被控参数要无静差→PI,PID调节；副被控参数允许有静差→P,不引入PI；为保稳定，P选大时，可引入积分；不引入微分。3主、副调节器正、反作用方式的选择（开环放大系数为正）选择步骤：工艺要求→调节阀的气开、气关→副调节器的正、反作用→主、副过程的正、反作用→主调节器的正、反作用。示例(图6－8）燃油阀气开，副对象为正过程，副调为反作用调节器；主对象也为正过程，主调为反作用调节器主、副调节器正、反作用方式选择参见188页表6-16.1.5串级控制系统的参数整定整定原则：尽量加大副调节器的增益，提高副回路的频率，使主、副回路的频率错开，以减少相互影响1.逐步逼近整定法1）主开环、副闭环，整定副调的参数；记为12()CGs2)副回路等效成一个环节，闭合主回路，整定主调节器参数，记为11()CGs3）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即为11()CGs12()CGs否则，再整定副调节器参数，记为22()CGs。。。反复进行，满意为止。该方法适用于主、副过程时常相差不大、主、副回路动态联系密切，需反复进行，费时较多2.两步整定法1）主、副闭合，主调为比例,比例度为百分之一百，先用4比1衰减曲线法整定副调节器的参数，求得比例度和操作周期；2)等效副回路，整定主调参数，求得主回路在4比1衰减比下的比例度和操作周期；根据两种情况下的比例度和操作周期，按经验公式求出主、副调节器的积分时间和微分时间，然后再按先副后主、先比例后积分再微分的次序投入运行，观察曲线，适当调整，满意为止。21T3.一步整定法思路：先根据副过程特性或经验确定副调节器的参数，然后一步完成主调节器的参数的整定。理论依据：主、副调节器的放大系数在1）主、副调节器均置比例控制，根据约束条件或经验确定5.0021ccKK条件下，主、副过程特性一定时，21ccKK为一常数。2cK2)等效副回路，按衰减曲线法整定主调节器参数；3）观察曲线，在约束条件下，适当调整主、副调节器的参数，满意为止。；4.应用举例:硝酸生产用氧化炉，主参数：炉温，PI调节；副参数：氨气流量，P调节；主、副动态联系小，两步整定法。12s1sT1s1为100％→为32％，为15s；1）2）副调置于32％，得主调的为50％，为7min。3）运用计算公式得：为60％，为3.5min,为32%。2sT6.2前馈控制系统6.2.1前馈控制的基本概念又称干扰补偿控制：按干扰大小进行调节，克服干扰比反馈快；理论上，可实现理想控制。图6－16，图6－17原理说明。。。补偿器的计算：0FBYsGsGsGsFssGsGsGFB06.2.2前馈控制的特点及局限性1.前馈控制的特点1）开环控制；2）比反馈控制及时；3）补偿器为专用2.前馈控制的局限性：无法实现对干扰的完全补偿1）只能抑制可测干扰；2）不能对每个干扰实现补偿；3）补偿器难以精确得到，即使得到有时物理上也难以实现结论：不单独使用6.2.3静态补偿与动态补偿1.静态补偿：00(0)/(0)BFBGGGK图6－16中：0021()fpqHqCTT0021fpqHTTqC2000fpdTHKdqqC220021fffpfdTqHTTKqdqCq2100()fpBKCTTKKH该补偿器用比例调节器即可实现2.动态补偿：sGsGsGFB0/由于精确模型难以得到或难以实现，只有要求严格控制动态偏差时才采用。6.2.4前馈－反馈复合控制（图6－18）作用机理分析：sFsGsGsGsGsGsXsGsGsGsGsYcBFcc00001100sGsGsGBF)(/0sGsGsGFB前馈－反馈控制的优越性？复合控制系统的特征方程式：010sGsGc，与前馈补偿器无关设计步骤：1）独立设计反馈控制系统；2）再设计前馈补偿器6.2.5引入前馈的原则及应用实例1.引入前馈控制的原则1）系统存在频率高、幅值大、可测不可控的干扰，反馈控制难以克服、控制要求高时；2）控制通道时常大于干扰通道时常，反馈控制不及时，控制质量差；3）主要干扰无法用串级控制使其包含于副回路或副回路滞后过大时；4）尽可能采用静态补偿而不采用动态补偿。2.复合控制系统应用实例（1）蒸发过程的浓度控制(图6－19）50％→73％←溶液沸点与水沸点之温差（被控量）←进料溶液浓度、温度、流量，加热蒸汽压力、流量方案：蒸汽流量为前馈信号、温差为反馈信号、进料溶液为控制参数的复合控制（2）锅炉汽包水位控制水位控制的重要性。。。影响因素：蒸汽用量（不可控）、给水流量（选为控制参数）问题：“虚假水位”。。。→影响控制效果。解决方案：蒸汽流量为前馈信号，给水流量为副参数，水位为主参数→前馈－反馈串级控制(图6－20）6.3大滞后过程控制系统6.3.1大滞后过程概述纯滞后：介质传输、化学反应、