过程自动检测与控制技术-CHAPT7-复杂控制系统.ppt
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1、第七章 复杂控制系统 第一节、串级控制系统一串级控制首先来看一个夹套式反应器。假定有一个放热反应过程,选取反应器内反应温度作为被控变量,用冷却水通过夹套带走反应所生成的确热量。根据生产要求,为该反应器设置一个单回路控制系统。 图81-1 反应器温度控制进料出料冷却水TC AC影响反应器内温度的主要因素有:a.反应物浓度;b.反应物料量;c.反应物料入口温度;d.冷却水流量;e.冷却水温度等。 第一节、串级控制系统v换热过程是比较慢的,其时间常数比较大,容量滞后严重。所以采用单回路控制系统对反应器进行控制的方案,难以达到生产要求,特别是反应温度控制精度要求高的时候更是如此。如果能够采取技术手段稳
2、定夹套温度或者使夹套温度波动很小,这将对提高控制精度是非常有益的。 图81-2 反应器串级控制进料出料冷却水TC2 TC1 ACR T 温度控制器1 温度控制器2 控制阀 夹套 反应器 温度变送器2 温度变送器 1 图81-3 夹套温度与反应温度串级控制系统方块图TTT第一节、串级控制系统二串级控制系统的特点1由于副回路的存在,改善了被控对象的特性。 R Y2 Y1GC1 GC2 GV GO2 GO1 Hm2 Hm1 图81-5 一般串级控制系统方块图222222222222221( )( )111OCVCVOOOOCVOmCVmOKKKG G GT sGssKG G GHKKKT s 设纯比
3、例控制器传递函数为KC2;控制阀传递函数为KV;变送传递函数为Km2;副被控对象传递函数为 2221OOOKGT s第一节、串级控制系统v对公式进行整理可得:222222222221( )111OCVOmOOOOCVOmKKK KKKGsTT ssKK KK2221OOOKGT s第一节、串级控制系统2 串级控制系统具有较强的抗干扰能力当干扰作用于副环时,在还没影响到主被控变量之前,副控制器首先进行调整,相当与先进行“预调整”,如果主被控变量还会受影响(不过这种影响比没有副控制器采取抑制措施要小得多),那么将再由主控制器进行“细调整”。由于对进入副环的干扰做了两级控制调整施,显然控制质量要比单
4、回路控制系统的控制质量要好。干扰作用于主环,由于副回路的存在,使等效副对象的时间常数缩小了,被控对象对控制作用的反应变得比较敏捷,因此控制质量也会比单回路控制系统高。 第一节、串级控制系统3串级系统具有一定的自适应能力 当Km2Kc2Kv12020202222( )1( )1( )CVmCVmKK GsGsGs KKKK第一节、串级控制系统三串级控制系统设计 1串级控制系统副回路设计 (1)使系统中的主要干扰包含在副环内。 由于串级系统的副回路具有动作速度快、抗干扰能力强的特点,如果在设计中把对主变量影响最严重、变化最剧烈、最频繁的干扰包含在副环内,就可以充分利用副环快速抗干扰性能,将干扰的影
5、响抑制在最低限度。这样,干扰对主被控变量的影响就会大大减小,从而使控制质量获得提高。(2)在可能情况下,应使副环包含更多一些干扰。 第一节、串级控制系统 PC TC燃料 原料图81-6 炉出口温度与燃料压力串级方案 T C2 TC1燃料 原料图81-7 炉出口温度与炉膛温度串级方案第一节、串级控制系统(3)当被控对象具有非线性环节时,在设计时应使非线性环节处于副环之中。 生成气 TC1 TC2 醋酸、乙烯混合物气 图81-8 合成反应器中温度与入口温度串级控制系统醋酸乙烯合成反应器中为保证合成气的质量,要求对反应器中温度进行严格控制。而在控制通道中包含了两个具有非线性特性的热交换器,因而使整个
6、对象的特性随着负荷的变化而变化。为此,可在换热器的出口设置一温度检测点,并以它为副被控变量,组成一个温度与温度串级控制系统。 第一节、串级控制系统(4)当被控对象具有较大纯滞后时,应使所设计的副回路尽量少包括或不包括纯滞后。(5)副回路设计应考虑到主、副被控对象时间常数的匹配,以防“共振”发生。 (6)需考虑到方案经济性和工艺的合理性。 气丙烯 进料 PC TC 气丙烯 进料 出料 出料 LC TC 液丙烯 液丙烯 LC (a ) (b) 图81-10 丙烯冷却器两种不同串级控制方案第一节、串级控制系统本例中以蒸汽压力作为副被控变量比以冷却器液位为副被控变量要灵敏些。假如冷冻机入口压力(气体丙
7、烯返回冷冻压缩机冷凝后重复使用)在两种情况下都相等,方案(b)中丙烯蒸发压力就需高于方案(a)中的丙烯蒸发压力(控制阀上需要有一定压降),这样冷却温差就要减小,冷量利用就不够充分。而且此方案中还需要另外设置一套液位控制系统,以维持一定的蒸发空间,防止气丙烯带液进入冷冻机而危及后者的安全,这样方案(b)的仪表投资费相应地也要有所增加。相比之下,方案(a)虽然较为迟钝一些(因为它是借助于传热面积的改变以达到控制温度的目的,因此反应比较慢),但是却较为经济。所以,在温度控制要求不是很高的情况下,采用方案(a)是较为经济的。 第一节、串级控制系统2串级控制系统中控制器控制规律的选择一般情况下,副控制器
8、可选P作用;主控制器选PI,或PID。3串级控制系统中主、副控制器正、反作用的选择主、副控制器正、反作用的确定顺序应遵循先副后主的原则。副控制器正、反作用:SignG02SignGvSignGm2SignGc2=-1。当控制器放大倍数远远大于1时,又因为通常各个环节都是无量纲化的,此时Gm2=1。则有,则副环近似等于+1。202022021cvcvmG G GGG G G G第一节、串级控制系统例一:确定加热炉出口温度与燃料油(或燃料气)压力串级控制系统主、副控制器的正、反作用。 PC TC燃料油 A.O 原料图81-12 加热炉出口温度与燃料压力串级控制系统副回路:压力上升PC输入增加如果压
9、力回落阀门关小阀门关小其信号减小则PC为反作用为反作用主回路:温度上升TC输入增加如果温度回落压力降低如果压力降低TC输出减小则TC反作用反作用第一节、串级控制系统例二:试确定精馏塔提馏段温度与加热蒸汽流量串级控制系统主、副控制器的正、反作用。已知控制阀为气闭式。 进料 FC TC 蒸汽 采出 精馏塔提馏段温度与加热蒸汽 流量串级控制系统副环:已知控制阀为气闭式,KV符号为负;当控制阀开度增大时,流量增大。K0符号为正;流量增加信号增加Km2为正;根据副环开环放大倍数符号为负的要求,副控制器应选正作用正作用。 主环:副被控变量流量增大时,主被控变量温度将上升,K01为正。故主控制器应选反作用反
10、作用。 第二节 比值控制系统 实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统,称为比值控制系统。由于过程工业中大部分物料都是以流体形态在密闭管道、容器中进行能量传递与物质交换的,所以比值控制系统一般是指流量比值控制系统。比值控制系统就是要实现副流量F2与主流量Fl成一定比值关系,满足如下关系式: KF2/F1 式中K为副流量与主流量的流量比值。第二节 比值控制系统一比值控制系统的类型1开环比值控制系统开环比值控制系统是最简单的比值控制方案,其系统组成如图所示,整个系统是一个开环控制系统。 F1F2FC控制器控制阀对象测量变送F1F2第二节 比值控制系统2单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统是
11、为了克服开环比值方案的不足,在开环比值控制系统的基础上,增加个副流量的闭环控制系统,如图所示。 F1F2KFCK控制器控制阀对象测量变送测量变送F1F2第二节 比值控制系统3双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统是为了克服单闭环比值控制系统主流量不受控而设计的,是在单闭环比值控制的基础上,增设了主流量控制回路。如图所示。 F1F2F1CKF2C主控制器副控制器控制阀主对象副对象控制阀测量变送测量变送KF1F2第二节 比值控制系统二比值控制系统中的信号关系比值控制系统的任务是将工艺上两个物料进行配比,使得物料量之间保持一定比例关系,工艺上规定的比值K是指两物料的流量比(体积或重量)。实施比值控制时
12、一定会采用适当的传感器和仪表对流量进行测量,这些仪表会有一个代表流量大小的输出信号。这些信号所表达的是最大流量的百分比,显然流量的信号比不但与流量比有关,还和仪表的量程有关。目前仪表信号所采用的大多数为420mA直流电流,过去老仪表信号为010mA直流电流。因此必须把工艺规定的流量比K换算成仪表信号之间的比值系数K才能进行比值设定。 第二节 比值控制系统1比值K和比值系数K定义。流量比也称为比值K,流量信号比也称为比值系数。比值K是工艺要求的流量比,定义为从动流量F2与主动流量F1之比。比值系数K是仪表有效信号之比,定义为从动流量F2的有效百分信号与主动流量F1的有效百分信号之比。如果用I 来
13、表示仪表的测量信号,则有:21FKF从动流量主动流量2202max201101max10IIIIKIIII从动流量的测量信号主动流量的测量信号第二节 比值控制系统式中I 2max、I 1max为信号上限;I 20、I 10为信号零点。一般情况下都会采同一信号制仪表,所以也可将信号零点表示为I 0。流量信号的测量一般关系是有效信号与流量的相对变化具有一一对应关系。即: 00max0max0IIFFfIIFF第二节 比值控制系统a线性测量关系线性测量关系为:如果最小流量为零,经整理则有:b平方测量关系 00max0max0IIFFIIFFmax00maxFIIIIF()200max0max0IIF
14、FIIFF2max00maxFIIIIF()+第二节 比值控制系统2流量与测量信号成线性关系时的计算当使用转子流量计、涡轮流量计、椭圆齿轮流量计或带开方的差压变送器测量流量时,流量信号均与测量信号成线性关系。下面就K与K的关系加以说明。 22max2020202max2202max202max201max1max211012max2max11max1010101max101max1max10FIIIIFIIIIIIFFFKKIIF FFFIIIIIIFII()()第二节 比值控制系统3流量与测量信号成非线性关系时的计算在使用节流装置测量流量而未经开方处理时,流量与差压的非线性关系为:变送器对差
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