過程控制與自動化儀表第版

教書育人要義傳道授業(yè)釋疑；

師生同心協(xié)力,共探過控真諦。

熟悉儀表原理,統(tǒng)領(lǐng)系統(tǒng)設(shè)計；

理論實踐結(jié)合，思維創(chuàng)新第一。?過程控制與自動化儀表?西安理工大學(xué)潘永湘楊延西趙躍制作教學(xué)理念：1精選ppt

第6章常用高性能過程控制系統(tǒng)2精選ppt

本章要點1〕了解串級控制系統(tǒng)的應(yīng)用背景，熟悉串級控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)與特點；2〕掌握串級控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，熟悉串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法；3〕了解前饋控制的原理及使用場合；4〕掌握前饋補(bǔ)償器的設(shè)計方法，熟悉前饋－反響復(fù)合控制的特點及工業(yè)應(yīng)用；5〕了解大滯后被控過程的解決方案，掌握大滯后過程控制的設(shè)計方案。3精選ppt

6.1串級控系統(tǒng)

6.1.1串級控制系統(tǒng)的根本概念

一、什么是串級控制？它是怎樣提出來的？其組成結(jié)構(gòu)怎樣?〔圖6－1;〕

工藝流程?控制要求?系統(tǒng)分析…問題：過渡過程時間長，調(diào)節(jié)不及時解決方法：串級控制(圖6－3〕圖6－24精選ppt串級控制系統(tǒng)的一般框圖結(jié)構(gòu)特點…6.1.2串級控制系統(tǒng)的控制效果1.能迅速克服二次干擾〔圖6－5〕

控制能力和抗干擾能力綜合定義為：5精選ppt單回路系統(tǒng)(圖6－7〕及傳遞函數(shù)控制能力和抗干擾能力綜合為：一般情況下有：結(jié)論：提高了控制質(zhì)量2.能改善控制通道的動態(tài)特性，提高工作頻率〔1〕等效時間常數(shù)減小，響應(yīng)速度加快；(分析比較圖6－5和圖6－7〕6精選ppt(2)提高了系統(tǒng)的工作頻率串級系統(tǒng)的特征方程為：如式〔6－11〕所示，那么串級控制系統(tǒng)的工作頻率為：對同一過程，采用單回路控制方案，用同樣的分析方法，可得：假設(shè)兩種方案的阻尼系數(shù)相同，那么有：7精選ppt結(jié)論：副回路改善了動特性、提高了響應(yīng)速度和工作頻率；當(dāng)主、副時間常數(shù)比值一定，副調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)越大，工作頻率越高；同樣，當(dāng)比例系數(shù)一定，主、副時間常數(shù)比值越大，工作頻率也越高。其結(jié)果使振蕩周期縮短，提高了系統(tǒng)的控制質(zhì)量。3能適應(yīng)負(fù)荷和操作條件的劇烈變化副回路的等效放大系數(shù)為：2〕能改善控制通道的動態(tài)特性，提高系統(tǒng)的快速反響能力；3〕對非線性情況下的負(fù)荷或操作條件的變化有一定的適應(yīng)能力。綜上所述，串級控制系統(tǒng)的主要特點有：1〕對進(jìn)入副回路的干擾有很強(qiáng)的抑制能力；8精選ppt6.1.3串級控制系統(tǒng)的適用范圍1.適用于容量滯后較大的過程：選容量滯后較小的輔助變量，減小時常，提高頻率。〔圖6－8〕2.適用于純滯后較大的過程：〔圖6－9,〕工藝要求：過濾前的壓力穩(wěn)定在250Pa;特點：距離長，純滯后時間長。仿絲膠液壓力與壓力串級控制。3.適用于干擾變化劇烈、幅度大的過程：〔圖6－10〕工藝要求：汽包液位控制，特點：快裝鍋爐容量小，蒸汽流量與水壓變化頻繁、劇烈→三沖量液位串級控制。4.適用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過程：〔圖6－11〕9精選ppt同一種介質(zhì)控制兩種參數(shù)(圖6－11)單回路控制：兩套裝置，不經(jīng)濟(jì)又無法工作；常壓塔塔頂出口溫度和一線溫度串級控制。5.適用于非線性過程特點：負(fù)荷或操作條件改變導(dǎo)致過程特性改變。假設(shè)：單回路控制，需隨時改變調(diào)節(jié)器整定參數(shù)以保證系統(tǒng)的衰減率不變；串級控制，那么可自動調(diào)整調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)?！矆D6－12〕合成反響器溫度串級控制：換熱器呈非線性特性注意：串級控制雖然應(yīng)用范圍廣，但必須根據(jù)具體情況，充分利用優(yōu)點，才能收到預(yù)期的效果。10精選ppt

a〕：燃料油壓力為主要干擾；b〕：燃料油粘度、成分、熱值、處理量為主要干擾6.1.4串級控制系統(tǒng)的設(shè)計問題：副參數(shù)如何選擇？主、副回路的聯(lián)系？調(diào)節(jié)器如何選擇？正、反作用如何選擇？1.副回路的設(shè)計與副參數(shù)的選擇選擇原那么：〔1〕副參數(shù)要物理可測、副對象的時間常數(shù)要小、純滯后時間要盡可能短。如圖6－3、圖6－8等〔2〕副回路要盡可能多地包含變化頻繁、幅度大的干擾，但也不能越多越好。如圖6－13a)、b)所示?！?〕主、副過程的時間常數(shù)要適當(dāng)匹配.當(dāng)串級控制與單回路控制的阻尼系數(shù)相等時，有11精選ppt假設(shè)

為常量(圖6－14〕圖示說明。。。；主、副被控過程時常不能太大也不能太??？頻率的比值大于3，時常的比值在3～10范圍內(nèi)選擇〔4〕應(yīng)綜合考慮控制質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性要求(圖6－15〕a)

冷劑液位為副參數(shù)，投資少，控制質(zhì)量不高；b)

冷劑蒸發(fā)壓力為副參數(shù)，投資多，控制質(zhì)量較高。選擇應(yīng)視具體情況而定。12精選ppt2主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇主調(diào)：定值控制；副調(diào)：隨動控制。主被控參數(shù)要無靜差→PI,PID調(diào)節(jié)；副被控參數(shù)允許有靜差→P,不引入PI；為保穩(wěn)定，P選大時，可引入積分；不引入微分。3主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇〔開環(huán)放大系數(shù)為正〕選擇步驟：工藝要求→調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)→副調(diào)節(jié)器的正、反作用→主、副過程的正、反作用→主調(diào)節(jié)器的正、反作用。例如(圖6－8〕燃油閥氣開，副對象為正過程，副調(diào)為反作用調(diào)節(jié)器；主對象也為正過程，主調(diào)為反作用調(diào)節(jié)器主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式選擇參見188頁表6-113精選ppt6.1.5串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定整定原那么：盡量加大副調(diào)節(jié)器的增益，提高副回路的頻率，使主、副回路的頻率錯開，以減少相互影響1.逐步逼近整定法1〕主開環(huán)、副閉環(huán)，整定副調(diào)的參數(shù)；記為2)副回路等效成一個環(huán)節(jié)，閉合主回路，整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)，記為3〕觀察過渡過程曲線，滿足要求，所求調(diào)節(jié)器參數(shù)即為否那么，再整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，記為。。。反復(fù)進(jìn)行，滿意為止。該方法適用于主、副過程時常相差不大、主、副回路動態(tài)聯(lián)系密切，需反復(fù)進(jìn)行，費時較多2.兩步整定法1〕主、副閉合，主調(diào)為比例,比例度為百分之一百，先用4比1衰減曲線法整定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，求得比例度和操作周期；14精選ppt2)等效副回路，整定主調(diào)參數(shù)，求得主回路在4比1衰減比下的比例度和操作周期；根據(jù)兩種情況下的比例度和操作周期，按經(jīng)驗公式求出主、副調(diào)節(jié)器的積分時間和微分時間，然后再按先副后主、先比例后積分再微分的次序投入運行，觀察曲線，適當(dāng)調(diào)整，滿意為止。

3.一步整定法思路：先根據(jù)副過程特性或經(jīng)驗確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后一步完成主調(diào)節(jié)器的參數(shù)的整定。理論依據(jù)：主、副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)在1〕主、副調(diào)節(jié)器均置比例控制，根據(jù)約束條件或經(jīng)驗確定條件下，主、副過程特性一定時，為一常數(shù)。2)等效副回路，按衰減曲線法整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)；3〕觀察曲線，在約束條件下，適當(dāng)調(diào)整主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，滿意為止。；4.應(yīng)用舉例:硝酸生產(chǎn)用氧化爐，主參數(shù)：爐溫，PI調(diào)節(jié)；副參數(shù)：氨氣流量，P調(diào)節(jié)；主、副動態(tài)聯(lián)系小，兩步整定法。為100％→為32％，為15s；1〕2〕副調(diào)置于32％，得主調(diào)的為50％，為7min。3〕運用計算公式得：為60％，為3.5min,為32%。15精選ppt6.2前饋控制系統(tǒng)6.2.1前饋控制的根本概念又稱干擾補(bǔ)償控制：按干擾大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，克服干擾比反響快；理論上，可實現(xiàn)理想控制。圖6－16，圖6－17原理說明。。。補(bǔ)償器的計算：6.2.2前饋控制的特點及局限性1.前饋控制的特點1〕開環(huán)控制；2〕比反響控制及時；3〕補(bǔ)償器為專用2.

前饋控制的局限性：無法實現(xiàn)對干擾的完全補(bǔ)償1〕只能抑制可測干擾；2〕不能對每個干擾實現(xiàn)補(bǔ)償；3〕補(bǔ)償器難以精確得到，即使得到有時物理上也難以實現(xiàn)結(jié)論：不單獨使用16精選ppt6.2.3靜態(tài)補(bǔ)償與動態(tài)補(bǔ)償1.靜態(tài)補(bǔ)償：圖6－16中：該補(bǔ)償器用比例調(diào)節(jié)器即可實現(xiàn)2.動態(tài)補(bǔ)償：由于精確模型難以得到或難以實現(xiàn)，只有要求嚴(yán)格控制動態(tài)偏差時才采用。6.2.4前饋－反響復(fù)合控制〔圖6－18〕作用機(jī)理分析：前饋－反響控制的優(yōu)越性？17精選ppt復(fù)合控制系統(tǒng)的特征方程式：，與前饋補(bǔ)償器無關(guān)設(shè)計步驟：1〕獨立設(shè)計反響控制系統(tǒng)；2〕再設(shè)計前饋補(bǔ)償器6.2.5引入前饋的原那么及應(yīng)用實例1.引入前饋控制的原那么1〕系統(tǒng)存在頻率高、幅值大、可測不可控的干擾，反響控制難以克服、控制要求高時；2〕控制通道時常大于干擾通道時常，反響控制不及時，控制質(zhì)量差；3〕主要干擾無法用串級控制使其包含于副回路或副回路滯后過大時；4〕盡可能采用靜態(tài)補(bǔ)償而不采用動態(tài)補(bǔ)償。2.復(fù)合控制系統(tǒng)應(yīng)用實例〔1〕蒸發(fā)過程的濃度控制(圖6－19〕50％→73％←溶液沸點與水沸點之溫差〔被控量〕←進(jìn)料溶液濃度、溫度、流量，加熱蒸汽壓力、流量方案：蒸汽流量為前饋信號、溫差為反響信號、進(jìn)料溶液為控制參數(shù)的復(fù)合控制18精選ppt〔2〕鍋爐汽包水位控制水位控制的重要性。。。影響因素：蒸汽用量〔不可控〕、給水流量〔選為控制參數(shù)〕問題：“虛假水位〞。。。→影響控制效果。解決方案：蒸汽流量為前饋信號，給水流量為副參數(shù)，水位為主參數(shù)→前饋－反響串級控制(圖6－20〕6.3大滯后過程控制系統(tǒng)6.3.1大滯后過程概述純滯后：介質(zhì)傳輸、化學(xué)反響、管道混合、皮帶傳送、軋輥傳輸、多容器串聯(lián)成分測量等。純滯后的程度：稱為一般純滯后；稱為大純滯后。大純滯后難于控制：物理意義：1〕測量純滯后使調(diào)節(jié)作用不及時；2〕控制介質(zhì)傳輸滯后使調(diào)節(jié)動作不及時；理論分析：開環(huán)頻率特性相角滯后↑→穩(wěn)定裕度↓解決方案：微分先行、中間反響、斯密斯預(yù)估、內(nèi)?？刂频?9精選ppt6.3.2史密斯預(yù)估控制1.史密斯預(yù)估控制：預(yù)先估計動態(tài)模型→預(yù)估器使滯后了的被控量提前反響→調(diào)節(jié)器提前動作→減少超調(diào)、加速調(diào)節(jié)過程。2.仿真實例有關(guān)參數(shù)。。。實線為史密斯預(yù)估控制結(jié)果，虛線為單回路控制結(jié)果單回路控制20精選ppt6.3.3改進(jìn)型史密斯預(yù)估控制1.增益自適應(yīng)預(yù)估控制當(dāng)模型相等時，等效為圖6－25當(dāng)存在差異時，通過產(chǎn)生超前作用，使調(diào)節(jié)器提前動作，以減小超調(diào)和加快調(diào)節(jié)過程。2.動態(tài)參數(shù)自適應(yīng)預(yù)估控制當(dāng)模型準(zhǔn)確時，主反響信號為零，其效果同史密斯預(yù)估控制；當(dāng)有差異時，主反響的動態(tài)變化經(jīng)慣性濾波后反響，以增強(qiáng)適應(yīng)性。21精選ppt慣性濾波器的設(shè)計設(shè)計思路：設(shè)兩個調(diào)節(jié)器均為PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器1按模型完全準(zhǔn)確時設(shè)計；調(diào)節(jié)器2按具體情況設(shè)計，設(shè)對象的非滯后局部為一階慣性環(huán)節(jié)，且調(diào)節(jié)器2的積分時常與慣性時常相等，那么有6.3.4內(nèi)?？刂艷arcia82年提出，結(jié)構(gòu)與史密斯相似，它不僅能明顯改善大滯后過程的控制品質(zhì)，且設(shè)計簡單、調(diào)節(jié)性能好、魯棒性強(qiáng)。1.內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)22精選ppt2.理想內(nèi)?？刂破骷僭O(shè)模型沒有誤差，那么有當(dāng)X(s)=0,F(s)≠0時：假設(shè)模型“可倒〞且物理可實現(xiàn)令那么有Y(s)=0;同樣，當(dāng)X(s)≠0，F(xiàn)(s)=0時：3.實際內(nèi)?？刂破鲉栴}：模型存在誤差且不“可倒〞〔如純滯后或非最小相位環(huán)節(jié)〕→分解模型:包含所有純滯后和在S右半平面存在零點的環(huán)節(jié)，且靜態(tài)增益為1。令D(s)是靜態(tài)增益為1的低通濾波器T為希望的閉環(huán)時常，p為正數(shù)；選擇p,可使控制器既穩(wěn)定又可物理實現(xiàn)。注意：該控制器是基于零、極點相消的原理設(shè)計的，當(dāng)模型為不穩(wěn)定〔在S右半平面存在極點〕時，該設(shè)計方法不能采用。23精選ppt設(shè)模型存在誤差，那么有：設(shè)定值變化時