《化工仪表及自动化》课件第13章.ppt
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- 化工仪表及自动化 化工 仪表 自动化 课件 13
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1、 第十三章第十三章 复杂控制系统复杂控制系统 内容提要内容提要n 串级控制系统串级控制系统n串级控制系统概述串级控制系统概述n串级控制系统的特点及应用串级控制系统的特点及应用n主、副控制器控制规律的选择主、副控制器控制规律的选择n主、副控制器正反作用的选择主、副控制器正反作用的选择n控制器参数工程整定与系统投运控制器参数工程整定与系统投运n 其他复杂控制系统其他复杂控制系统n均匀控制系统均匀控制系统1内容提要内容提要n比值控制系统比值控制系统n前馈控制系统前馈控制系统n取代控制系统取代控制系统n分程控制系统分程控制系统n多冲量控制系统多冲量控制系统2概述概述3复杂控制系统复杂控制系统串级串级控
2、制控制系统系统 均匀均匀控制控制系统系统比值比值控制控制系统系统分程分程控制控制系统系统 前馈前馈控制控制系统系统 选择选择控制控制系统系统 三冲量三冲量控制系控制系统统 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统n 一、串级控制系统概述一、串级控制系统概述4 当对象的滞后较大,干扰比较剧烈、频繁时,可考当对象的滞后较大,干扰比较剧烈、频繁时,可考虑采用串级控制系统。虑采用串级控制系统。举例举例说明串级控制系统的结构及其工作原理说明串级控制系统的结构及其工作原理 可延长炉子寿命,防止炉管烧坏;可延长炉子寿命,防止炉管烧坏;可保证后面精馏分离的质量。可保证后面精馏分离的质量。图13-1 管式加热炉出
3、口温度控制系统第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度 5第一节第一节 串级控制系统串级控制系统6 当燃料压力或燃料本身的热值变化后,先影响当燃料压力或燃料本身的热值变化后,先影响炉膛的温度,然后通过传热过程才能逐渐影响原料炉膛的温度,然后通过传热过程才能逐渐影响原料油的出口温度,这个通道容量滞后很大,时间常数油的出口温度,这个通道容量滞后很大,时间常数约约15min左右,反应缓慢,而温度控制器左右,反应缓慢,而温度控制器TC是根据是根据原料油的出口温度与给定值的偏差工作的。所以当原料油的出口温度与给定值的偏差
4、工作的。所以当干扰作用在对象上后,并不能较快地产生控制作用干扰作用在对象上后,并不能较快地产生控制作用以克服干扰被控变量的影响。当工艺上要求原料油以克服干扰被控变量的影响。当工艺上要求原料油的出口温度非常严格时,为了解决容量滞后问题,的出口温度非常严格时,为了解决容量滞后问题,还需对加热炉的工艺作进一步分析。还需对加热炉的工艺作进一步分析。第一节第一节 串级控制系统串级控制系统7 图13-3管式加热炉出口温度串级控制系统的方框图图13-2管式加热炉出口温度串级控制系统第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 在上述控制系统中,有两个控制器T1C和T2C,接收来自对象不同部位的测量信号1和2。T1
5、C的输出作为T2C的给定值,而后者的输出去控制执行器以改变操纵变量。从系统的结构看,这两个控制器是串接工作的。工艺控制指标,在串级控制系统中起主导工艺控制指标,在串级控制系统中起主导作用的被控变量。作用的被控变量。8第一节第一节 串级控制系统串级控制系统9为主变量表征其特性的生产设备。为主变量表征其特性的生产设备。为副变量表征其特性的工艺生产设备。为副变量表征其特性的工艺生产设备。按主变量的测量值与给定值而工作,其输按主变量的测量值与给定值而工作,其输出作为副变量给定值的那个控制器。出作为副变量给定值的那个控制器。串级控制系统中为了稳定主变量或因某串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要而引入
6、的辅助变量。种需要而引入的辅助变量。第一节第一节 串级控制系统串级控制系统由主变量的测量变送装置,主、副控制器,由主变量的测量变送装置,主、副控制器,执行器和主、副对象构成的外回路。执行器和主、副对象构成的外回路。由副变量的测量变送装置,副控制器执行器和由副变量的测量变送装置,副控制器执行器和副对象所构成的内回路。副对象所构成的内回路。其给定值来自主控制器的输出,并按副变其给定值来自主控制器的输出,并按副变量的测量值与给定值的偏差而工作的那个量的测量值与给定值的偏差而工作的那个控制器。控制器。10第一节第一节 串级控制系统串级控制系统11图13-4串级控制系统典型方块图第一节第一节 串级控制系
7、统串级控制系统n 二、串级控制系统的特点及应用二、串级控制系统的特点及应用12 串级控制系统有两个闭合回路。主回路是个定值控制系统,副回路是个随动系统。在串级控制系统中,主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺参数。副变量的引入往往是为了提高主变量的控制质量,它是基于主,副变量之间具有一定的内在关系而工作的。第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 一类情况是选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量;另一类选择的副变量就是操纵变量本身,这样能及时克服它的波动,减小对主变量的影响。13第一节第一节 串级控制系统串级控制系统14 通过这套串级控制系统,能够在塔釜温度稳定不变时,蒸汽流量
8、能保持恒定值,而当温度在外来干扰作用下偏离给定值时,又要求蒸汽流量能作相应的变化,以使能量的需要与供给之间得到平衡,从而保持釜温在要求的数值上。图13-5精馏塔塔釜温度串级控制系统1精馏塔;2再沸器第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 在上例中,选择的副变量就是操纵变量(加热蒸汽量)本身。这样,当干扰来自蒸汽压力或流量的波动时,副回路能及时加以克服,以大大减少这种干扰对主变量的影响,使塔釜温度的控制质量得以提高。15第一节第一节 串级控制系统串级控制系统(1)(1)干扰作用于副回路干扰作用于副回路F2引起2变化,控制器T2C及时进行控制,使其很快稳定下来;如果干扰量小,经过副回路控制后,F2
9、一般影响不到温度1;如果干扰量大,其大部分影响为副回路所克服,波及到被控变量温度1再由主回路进一步控制,彻底消除干扰的影响,使被控变量回复到给定值。16第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 由于副回路控制通道短,时间常数小,所以当干由于副回路控制通道短,时间常数小,所以当干扰进入回路时,可以获得比单回路控制系统超前的控扰进入回路时,可以获得比单回路控制系统超前的控制作用,有效地克服燃料油压力或热值变化对原料油制作用,有效地克服燃料油压力或热值变化对原料油出口温度的影响,从而大大提高了控制质量。出口温度的影响,从而大大提高了控制质量。在确定副回路时,除了要考虑它的快速性外,还应在确定副回路时,
10、除了要考虑它的快速性外,还应该使副回路包括主要干扰,可能条件下应力求包括较该使副回路包括主要干扰,可能条件下应力求包括较多的次要干扰。多的次要干扰。17第一节第一节 串级控制系统串级控制系统图13-6 加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统如果燃料油的压力比较稳定如果燃料油的压力比较稳定,而燃料油的组分波动较大而燃料油的组分波动较大,那么那么,该图串级控制系统的该图串级控制系统的副回路作用就不大。副回路作用就不大。18第一节第一节 串级控制系统串级控制系统(2)(2)干扰同时作用于副回路和主对象干扰同时作用于副回路和主对象在干扰作用下,主、副变量的变化方向相同。在干扰作用下,主、副变量的变化方
11、向相同。回复设定值副控制器的输出给定值测量值主控制器的输出原料油出口温度炉膛温度11219第一节第一节 串级控制系统串级控制系统20主、副变量的变化方向相反,一个增加,另一个减小。主、副变量的变化方向相反,一个增加,另一个减小。副控制器输出不变,偏差为零时副控制器的测定值主控制器的输出原料油出口温度炉膛温度212,第一节第一节 串级控制系统串级控制系统在串级控制系统中,由于引入一个闭合的副回路,在串级控制系统中,由于引入一个闭合的副回路,不仅能迅速克服作用于副回路的干扰,而且对作不仅能迅速克服作用于副回路的干扰,而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服过程。用于主对象上的干扰也能加速克服过程。因
12、此,在串级控因此,在串级控制系统中,由于主、副回路相互配合、相互补充,制系统中,由于主、副回路相互配合、相互补充,充分发挥了控制作用,大大提高了控制质量。充分发挥了控制作用,大大提高了控制质量。21第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 由于增加了副回路,使串级控制系统具有一定的自适应能力,可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。当对象的滞后和时间常数很大,干扰作用强而频繁,负荷变化大,简单控制系统满足不了要求时,使用串级控制系统是合适的,尤其是当主要干扰来自控制阀方面时,选择控制介质的流量或压力作为副变量来构成串级控制系统是很适宜的。22第一节第一节 串级控制系统串级控制系统n 三、主、副控制
13、器控制规律的选择三、主、副控制器控制规律的选择23为了高精度地稳定主变量。主控制器通常都选用比例积分控制规律,以实现主变量的无差控制。副变量的给定值是随主控制器的输出变化而变化的。副控制器一般采用比例控制规律。第一节第一节 串级控制系统串级控制系统选择方法序号对变量的要求应选控制规律备 注主 变 量副 变 量主 控副 控1234重要指标,要求很高主要指标,要求较高允许变化,要求不高要求不高,互相协调允许变化,要求不严主要指标,要求较高要求较高,变化较快 要求不高,互相协调PIPIPPPPIPIP主控必要时引入微分工程上很少采用表13-1 主、副变量不同时应选用的控制规律24第一节第一节 串级控
14、制系统串级控制系统25n 四、主、副控制器正反作用的选择四、主、副控制器正反作用的选择 串级控制系统中的副控制器作用方向的选择,根据工艺安全等要求,选定执行器的气开、气关形式后,按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定。例如图例如图13-213-2所示的管式加热炉温度所示的管式加热炉温度-温度串级控制系统温度串级控制系统中的副回路。中的副回路。气源中断,停止供给燃料油时,执行器选气开阀,“正”方向。燃料量加大时,炉膛温度2(副变量)增加,副对象“正”方向。为使副回路构成一个负反馈系统,副控制器T2C选择“反”方向。1.副控制器作用方向的选择副控制器作用方向的选择第一节第一节 串级控制系统
15、串级控制系统 当主、副变量增加(减小)时,如果由工艺分析得出,为使主、副变量减小(增加),要求控制阀的动作方向是一致的时候,主控制器应选“反”作用;反之,则应选“正”作用。26例如图例如图13-213-2所示的管式加热炉串级控制系统。所示的管式加热炉串级控制系统。主变量1或副变量2增加时,都要求关小控制阀,减少供给的燃料量,才能使1或2降下来,所以此时主控制器T1C应确定为反作用方向。第一节第一节 串级控制系统串级控制系统n 五、控制器参数整定与系统投运五、控制器参数整定与系统投运27串级控制系统主、副控制器的参数整定的两种方法。串级控制系统主、副控制器的参数整定的两种方法。按照串级控制系统主
16、、副回路的情况,先整定副控制器,后整定主控制器的方法。第一节第一节 串级控制系统串级控制系统(1)在工况稳定,主、副控制器都在纯比例作用运行的条件下,将主控制器的比例度先固定在100的刻度上,逐渐减小副控制器的比例度,求取副回路在满足某种衰减比(如41)过渡过程下的副控制器比例度和操作周期,分别用2s和T2s表示。(2)在副控制器比例度等于2s的条件下,逐步减小主控制器的比例度,直至得到同样衰减比下的过渡过程,记下此时主控制器的比例度1s和操作周期T1s。28第一节第一节 串级控制系统串级控制系统29(3)根据上面得到的1s、T1s、2s、T2s,按表12-3(或表12-4)的规定关系计算主、
17、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。(4)按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定规律,将计算出的控制器参数加到控制器上。(5)观察控制过程,适当调整,直到获得满意的过渡过程。第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 如果主、副对象时间常数相差不大,动态联系密切,可能会出现“共振共振”现象。可适当减小副控制器比例度或积分时间,以达到减小副回路操作周期的目的。同理,可以加大主控制器的比例度或积分时间,以期增大主回路操作周期,使主、副回路的操作周期之比加大,避免“共振”。如果主、副对象特性太接近,就不能完全靠控制器参数的改变来避免“共振”了。30第一节第一节 串级控制系统串级控制系统2.2.一
18、步整定法一步整定法 副控制器的参数按经验直接确定副控制器的参数按经验直接确定,主控制器的参数按主控制器的参数按简单控制系统整定。简单控制系统整定。这种整定方法,对于对主变量要求较高,而对副变量没有什么要求或要求不严,允许它在一定范围内变化的串级控制系统,是很有效的。31第一节第一节 串级控制系统串级控制系统32副变量副变量放大倍数放大倍数K Kc2c2比例度比例度2s2s温度压力流量液位5.0 1.73.0 1.42.5 1.255.0 1.2520 6030 7040 8020 80表 13-2采用一步整定法时副变量的选择范围第一节第一节 串级控制系统串级控制系统33(1)在生产正常,系统为
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