《復(fù)雜控制系統(tǒng)》PPT課件.ppt

1,2,7-2 比值控制系統(tǒng) 一、概述 用來實現(xiàn)兩個或兩個以上物料之間保持一定比值關(guān)系的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。,3,主流量和副流量確定原則： 常將主要物料定為主流量，次要流量定為副流量； 將不可控流量定為主流量，將可控流量定為副流量。,若用F1表示主流量，F(xiàn)2表示副流量，則F1和F2之間應(yīng)滿足一定的比值關(guān)系： F2=K*F1,4,二、比值控制的類型 1開環(huán)比值控制 比值控制系統(tǒng)中最簡單的控制方案，組成原理及方塊圖如圖所示。,主流量,副流量,P控制器,5,優(yōu)點(diǎn)：實施方便，只需一臺比例控制器即可，且比值調(diào)整容易。,開環(huán)比值控制方案分析：,缺點(diǎn)：對副流量F2而言，該控制方案是一個開環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)F2因管線兩端壓力波動發(fā)生變化時沒有控制作用，此時，很難保證F2與F1間的比值關(guān)系。 應(yīng)用場合：適用于副流量較平穩(wěn)且比值要求不高的場合。實際生產(chǎn)中，F(xiàn)2的干擾常常是不可避免的，因此這種方案使用較少。,6,2單閉環(huán)比值控制 目的：改進(jìn)開環(huán)比值控制，避免F2波動的影響。 單閉環(huán)比值控制如圖所示，圖中的K表示比值計算器，比值計算器的輸入信號為主流量信號，K=F2/F1。,單回路閉環(huán)流量控制,7,單閉環(huán)比值控制優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)： 對進(jìn)入副流量回路的干擾都有較好的抑制作用。 結(jié)構(gòu)簡單，在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。 缺點(diǎn)：該方案無法保證主流量的穩(wěn)定。當(dāng)主流量波動較大時，無法保證系統(tǒng)流量比。,8,3雙閉環(huán)比值控制 要求兩種物料之間保持精確的比例關(guān)系，且還要求兩種物料的流量也保持相對的穩(wěn)定. 雙閉環(huán)是在單閉環(huán)比值控制基礎(chǔ)上，增設(shè)了主流量控制回路構(gòu)成。,9,雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方塊圖：,10,雙閉環(huán)比值控制優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)： 對進(jìn)入主、副流量回路的干擾都有較好的抑制作用。不論系統(tǒng)處于靜態(tài)，還是動態(tài)，都能實現(xiàn)比較精確的流量比。 當(dāng)系統(tǒng)改變負(fù)荷時，只要改變主流量控制器的給定值就能方便地實現(xiàn)。 缺點(diǎn)：該方案儀表多、投資高。要求主流量可控。,11,4變比值控制 變比值控制：生產(chǎn)過程要求兩種物料的配比根據(jù)第三參數(shù)的需要而自動調(diào)整。,例：硝酸生產(chǎn)過程中的氧化爐設(shè)備的控制,12,分析： 要求氨氣和空氣混合后進(jìn)入爐內(nèi)，在鉑觸媒的作用下，進(jìn)行氧化反應(yīng)生成硝酸氣體，這一過程是放熱反應(yīng)。 爐溫作為間接表征氧化生產(chǎn)的質(zhì)量指標(biāo)。影響氧化爐溫度的干擾因素很多，其中氨氣和空氣的比值對反應(yīng)溫度影響很大。,13,方塊圖：,14,7-3 前饋控制系統(tǒng) 一、概述 在反饋控制中，控制器是按照偏差進(jìn)行控制作用的。,?,15,為了彌補(bǔ)反饋控制的上述缺陷，即便有干擾存在，只要能預(yù)先加以補(bǔ)償，控制系統(tǒng)能避免偏差出現(xiàn)。 控制系統(tǒng)在干擾還沒有影響到被控變量之前就產(chǎn)生控制作用，該系統(tǒng)稱為前饋控制。,16,例：換熱器前饋控制的工作原理,TT,FT,TffC,虛線：反饋控制,實線：前饋控制,進(jìn)料流量波動,TC,換熱器前饋控制原理： 當(dāng)進(jìn)料流量F1變化時，前饋控制器根據(jù)輸入信號運(yùn)算后，輸出控制信號，相應(yīng)改變閥門開度，使蒸汽量變化，以補(bǔ)償進(jìn)料量F1變化對溫度2的影響。,17,前饋控制過程： 圖7-15 是進(jìn)料量F1增加時，采用前饋控制的補(bǔ)償過程。,F1擾動引起出口溫度降低,前饋控制打開閥門，出口溫度升高,出口溫度的實際值,只要干擾通道和調(diào)節(jié)通道的特性相匹配，則前饋控制完全有可能抵消進(jìn)料量的影響，使出口溫度穩(wěn)定?？梢?，前饋控制實現(xiàn)了對擾動的全補(bǔ)償。,F1增加,18,前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)： 前饋控制系統(tǒng)是基于擾動來消除干擾因素對被控變量的影響；反饋控制基于偏差大小來消除干擾。 在擾動發(fā)生后，前饋控制作用比反饋控制作用更為及時和有效。 前饋控制系統(tǒng)是一種開環(huán)控制系統(tǒng)。反饋控制是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)。 前饋控制系統(tǒng)只對它所測量的擾動量有校正作用，而對系統(tǒng)中的其他未測干擾則無能為力，反饋控制對進(jìn)入閉環(huán)的所有擾動均有校正作用。 前饋控制器的控制規(guī)律是根據(jù)對象特性確定的。由于大多數(shù)對象的特性是不同的，所以在前饋控制中，需要采用各種形式的專用前饋控制器，而不是采用通用的PID控制器。反饋控制采用通用PID控制器。,19,蒸汽加熱的換熱器,換熱器靜態(tài)前饋控制,熱交換器是應(yīng)用前饋控制較多的場合，換熱器有滯后大、時間常數(shù)大、反應(yīng)慢的特性，前饋控制就是針對這種對象特性設(shè)計的，故能很好發(fā)揮作用。,二、前饋控制的結(jié)構(gòu)形式,靜態(tài)前饋控制,20,根據(jù)熱平衡原理：放熱量=吸熱量,令,靜態(tài)前饋控制如圖，通過調(diào)整K值，達(dá)到校正效果。,缺點(diǎn)：1、靜態(tài)模型的準(zhǔn)確性問題； 2、只能針對具體的擾動設(shè)計。,則：,21,前饋-反饋復(fù)合控制,虛線：反饋控制；實線：前饋控制。,干擾,前饋控制器,+,22,三、前饋控制的應(yīng)用,對象的純滯后較大，反饋控制難以滿足工藝要求，可采用前饋控制。 系統(tǒng)中存在變化頻繁，波動幅值大，對被控變量影響顯著的干擾，反饋控制又難以克服，采用前饋控制。 當(dāng)主要干擾為可測、不可控變量，無法將其納入到串級控制的副回路時，可采用前饋控制。,23,7-4 均勻控制系統(tǒng) 一、背景 例：多塔分離過程 圖中甲塔出料量即為乙塔進(jìn)料量。 甲塔需保持塔釜液位的穩(wěn)定，設(shè)計了液面控制系統(tǒng)；乙塔希望進(jìn)料量保持不變，設(shè)計了流量控制系統(tǒng)。,24,當(dāng)甲塔塔釜液位在干擾作用下上升時，液位控制發(fā)出信號使閥1開大，從而使乙塔進(jìn)料流量增加。于是乙塔流量控制產(chǎn)生控制作用又使閥2關(guān)小，其結(jié)果會使甲塔液位升高，如此下去，這兩個控制系統(tǒng)始終在相互矛盾狀態(tài)下工作。,相互矛盾!,解決辦法1：從工藝設(shè)計角度，增加緩沖罐，投資增加 解決辦法2：均勻控制 可實現(xiàn)前后設(shè)備在物料供求關(guān)系上互相協(xié)調(diào)、統(tǒng)籌兼顧的控制系統(tǒng)稱為均勻控制系統(tǒng)。,閥2,閥1,25,二、均勻控制的特點(diǎn),只有液位控制：當(dāng)把液位參數(shù)控制平穩(wěn)時，進(jìn)入下一個設(shè)備的流量就會產(chǎn)生較大的波動。,26,只有流量控制：當(dāng)把流量參數(shù)控制平穩(wěn)時，前一個設(shè)備的液位也將出現(xiàn)大范圍變化。,27,要求：當(dāng)某一個參數(shù)發(fā)生變化時，另一個參數(shù)也相應(yīng)地發(fā)生變化，因為只有通過這種變化才能緩解供求之間的矛盾。 均勻控制：能夠?qū)崿F(xiàn)前后設(shè)備在物料供求關(guān)系上相互協(xié)調(diào)、統(tǒng)籌兼顧的控制系統(tǒng)。,特點(diǎn)：表征前后供求矛盾的兩個參數(shù)都應(yīng)該在各自允許的波動范圍內(nèi)緩慢變化。,28,三、均勻控制的結(jié)構(gòu)形式,設(shè)計要求：控制器不含微分作用；通過PI參數(shù)整定達(dá)到均勻控制效果。,29,7-5 分程控制系統(tǒng) 一、基本概念 分程控制系統(tǒng)：由一個控制器的輸出去控制兩個或兩個以上執(zhí)行器的系統(tǒng)。 分程控制是通過閥門定位器來實現(xiàn)的。,30,例： 執(zhí)行器A在0.020.06MPa的范圍內(nèi)動作； 執(zhí)行器B在0.060.1MPa的范圍內(nèi)動作；,輸出氣壓信號小于0.06MPa 的范圍，執(zhí)行器A隨著氣壓信號的變化而改變開度； 輸出氣壓信號大于0.06MPa 的范圍，執(zhí)行器A移動到極限位置開度不再變化，執(zhí)行器B則隨著氣壓信號的變化而改變開度。,31,分程控制的分類： 執(zhí)行器同向動作的分程控制,執(zhí)行器反向動作的分程控制,32,二、分程控制系統(tǒng)的應(yīng)用,擴(kuò)大執(zhí)行器的可調(diào)范圍，以適應(yīng)不同生產(chǎn)負(fù)荷需要 例：蒸汽壓力分程控制,33,7-6 選擇性控制系統(tǒng) 一、基本概念 在現(xiàn)代化的大型生產(chǎn)過程中，對自動控制的期望越來越高。不僅要求控制系統(tǒng)能在正常工況下克服外界干擾，而且還要求控制系統(tǒng)具有良好的應(yīng)變能力。當(dāng)生產(chǎn)操作達(dá)到極限時，能采取一些相應(yīng)的保護(hù)措施，以防止事故的發(fā)生。 屬于保護(hù)措施的自動控制系統(tǒng)主要有兩類：一類是硬保護(hù)控制，另一類是軟保護(hù)控制。 硬保護(hù)控制，ESD（Emergency Shutdown Device，緊急停車系統(tǒng) ）。,34,軟保護(hù)控制，就是當(dāng)生產(chǎn)操作出現(xiàn)異常情況時，不使設(shè)備停車，而用另一套符合工藝安全邏輯關(guān)系的控制方案實現(xiàn)對生產(chǎn)的安全保護(hù)。選擇性控制系統(tǒng)就可以用于達(dá)到上述目的。 選擇控制，又被稱作取代控制，超馳控制。 工作過程：在正常工況下，選擇性控制系統(tǒng)基于克服擾動的控制方案工作，而當(dāng)生產(chǎn)操作條件趨向于安全極限時，系統(tǒng)立即切換到一個用于控制不安全情況的控制方案。待影響生產(chǎn)的不利因素被克服，生產(chǎn)操作重新回到安全范圍時，正常工況下的控制方案又恢復(fù)對生產(chǎn)的控制。,35,二、選擇性控制系統(tǒng)的實例分析 例：液氨蒸發(fā)器溫度與液位選擇控制 正常生產(chǎn)中，以被冷卻物料的出口溫度作為被控變量，液氨流量作為操縱變量構(gòu)成單回路溫度控制系統(tǒng)。 安全性：液氨液位上升較高，可能將液氨夾帶到壓縮機(jī)中。,冷卻器,壓縮機(jī),熱物料,冷物料,36,選擇控制系統(tǒng)中選擇形式的確定,閥門開閉形式選擇：氣開閥，+ TT，+ 對象，液氮流量增加，溫度降低，- 所以，TC為正作用。,溫度控制系統(tǒng)設(shè)計：,37,閥門開閉形式選擇：氣開閥，+ LT，+ 對象，液氮流量增加，液位升高，+ 所以，LC為反作用。,液位控制系統(tǒng)設(shè)計：,38,+,+,-,正常情況： 液位控制： 液位遠(yuǎn)低于設(shè)定值 偏差較大 液位控制器輸出較高信號,溫度控制： 溫度接近設(shè)定值 偏差較小 溫度控制器輸出較小信號,因此，設(shè)計一個低選器，構(gòu)成溫度-液位選擇控制回路。 LS：low select HS：high select,選擇控制系統(tǒng)中選擇形式的確定,39,選擇性控制方塊圖,40,構(gòu)成該系統(tǒng)應(yīng)具備兩方面: 生產(chǎn)操作上有一定的選擇性規(guī)律； 組成控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)中，必須包含具有選擇性功能的選擇單元。,選擇控制特點(diǎn)： 通常系統(tǒng)中設(shè)有兩個控制器； 設(shè)有兩個以上的變送器； 設(shè)有選擇器，選出能適應(yīng)生產(chǎn)安全狀況的控制信號，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動控制。,41,7.7 多沖量控制系統(tǒng) 沖量既變量的意思。多沖量控制系統(tǒng)，也就是多變量控制系統(tǒng)。,例：鍋爐給水系統(tǒng)控制 在鍋爐的正常運(yùn)行中，汽包水位是重要的操作指標(biāo)，給水控制系統(tǒng)的作用就是自動控制鍋爐的給水量，使其適應(yīng)蒸發(fā)量的變化，維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。 控制閥作用方式選擇 保證鍋爐安全（防止燒干）： 保證后續(xù)汽輪機(jī)安全（防止蒸汽帶液）：,選用氣關(guān)閥,選用氣開閥,42,（1）單沖量控制(液位控制),單沖量：汽包液位 操作變量：鍋爐給水量 方案特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單 對所有干擾影響均有克服作用 存在的問題： 蒸汽負(fù)荷變化，產(chǎn)生的“虛假液位”使控制器發(fā)出的信號不利于生產(chǎn)安全，不能克服虛假水位的影響； 控制質(zhì)量不高，對給水變化及負(fù)荷變化干擾的克服滯后較大。,43,雙沖量： 汽包液位，蒸汽流量 控制特點(diǎn)： 對蒸汽負(fù)荷變化產(chǎn)生的“虛假液位”具有前饋補(bǔ)償控制功能 實際上是前饋-反饋復(fù)合控制控制。 存在的問題： 水壓變化引起的給水流量變化，控制滯