《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(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上物料之間保持一定比值關(guān)系的控制系統(tǒng)，稱(chēng)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(mǎn)足一定的比值關(guān)系： F2=K*F1,4,二、比值控制的類(lèi)型 1開(kāi)環(huán)比值控制 比值控制系統(tǒng)中最簡(jiǎn)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(shí)施方便，只需一臺(tái)比例控制器即可，且比值調(diào)整容易。,開(kāi)環(huán)比值控制方案分析：,缺點(diǎn)：對(duì)副流量F2而言，該控制方案是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)F2因管線兩端壓力波動(dòng)發(fā)生變化時(shí)沒(méi)有控制作用，此時(shí)，很難保證F2與F1間的比值關(guān)系。 應(yīng)用場(chǎng)合：適用于副流量較平穩(wěn)且比值要求不高的場(chǎng)合。實(shí)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(kāi)環(huán)比值控制，避免F2波動(dòng)的影響。 單閉環(huán)比值控制如圖所示，圖中的K表示比值計(jì)算器，比值計(jì)算器的輸入信號(hào)為主流量信號(hào)，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(duì)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(jiǎn)單，在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。 缺點(diǎn)：該方案無(wú)法保證主流量的穩(wěn)定。當(dāng)主流量波動(dòng)較大時(shí)，無(wú)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(duì)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(duì)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(dòng)態(tài)，都能實(shí)現(xiàn)比較精確的流量比。 當(dāng)系統(tǒng)改變負(fù)荷時(shí)，只要改變主流量控制器的給定值就能方便地實(shí)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(guò)程要求兩種物料的配比根據(jù)第三參數(shù)的需要而自動(dòng)調(diào)整。,例：硝酸生產(chǎn)過(guò)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(guò)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(duì)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(méi)有影響到被控變量之前就產(chǎn)生控制作用，該系統(tǒng)稱(chēng)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(shí)線：前饋控制,進(jìn)料流量波動(dòng),TC,換熱器前饋控制原理： 當(dāng)進(jìn)料流量F1變化時(shí)，前饋控制器根據(jù)輸入信號(hào)運(yùn)算后，輸出控制信號(hào)，相應(yīng)改變閥門(mén)開(kāi)度，使蒸汽量變化，以補(bǔ)償進(jìn)料量F1變化對(duì)溫度2的影響。,17,前饋控制過(guò)程： 圖7-15 是進(jìn)料量F1增加時(shí)，采用前饋控制的補(bǔ)償過(guò)程。,F1擾動(dòng)引起出口溫度降低,前饋控制打開(kāi)閥門(mén)，出口溫度升高,出口溫度的實(shí)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?jiàn)，前饋控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)擾動(dòng)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(dòng)來(lái)消除干擾因素對(duì)被控變量的影響；反饋控制基于偏差大小來(lái)消除干擾。 在擾動(dòng)發(fā)生后，前饋控制作用比反饋控制作用更為及時(shí)和有效。 前饋控制系統(tǒng)是一種開(kāi)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(duì)它所測(cè)量的擾動(dòng)量有校正作用，而對(duì)系統(tǒng)中的其他未測(cè)干擾則無(wú)能為力，反饋控制對(duì)進(jìn)入閉環(huán)的所有擾動(dòng)均有校正作用。 前饋控制器的控制規(guī)律是根據(jù)對(duì)象特性確定的。由于大多數(shù)對(duì)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(zhuān)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(chǎng)合，換熱器有滯后大、時(shí)間常數(shù)大、反應(yīng)慢的特性，前饋控制就是針對(duì)這種對(duì)象特性設(shè)計(jì)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(guò)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(wèn)題； 2、只能針對(duì)具體的擾動(dòng)設(shè)計(jì)。,則：,21,前饋-反饋復(fù)合控制,虛線：反饋控制；實(shí)線：前饋控制。,干擾,前饋控制器,+,22,三、前饋控制的應(yīng)用,對(duì)象的純滯后較大，反饋控制難以滿(mǎn)足工藝要求，可采用前饋控制。 系統(tǒng)中存在變化頻繁，波動(dòng)幅值大，對(duì)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(cè)、不可控變量，無(wú)法將其納入到串級(jí)控制的副回路時(shí)，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(guò)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(jì)了液面控制系統(tǒng)；乙塔希望進(jìn)料量保持不變，設(shè)計(jì)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(shí)，液位控制發(fā)出信號(hào)使閥1開(kāi)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(huì)使甲塔液位升高，如此下去，這兩個(gè)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(jì)角度，增加緩沖罐，投資增加 解決辦法2：均勻控制 可實(shí)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(chēng)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(shí)，進(jìn)入下一個(gè)設(shè)備的流量就會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)。,26,只有流量控制：當(dāng)把流量參數(shù)控制平穩(wěn)時(shí)，前一個(gè)設(shè)備的液位也將出現(xiàn)大范圍變化。,27,要求：當(dāng)某一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，另一個(gè)參數(shù)也相應(yīng)地發(fā)生變化，因?yàn)橹挥型ㄟ^(guò)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(gè)參數(shù)都應(yīng)該在各自允許的波動(dòng)范圍內(nèi)緩慢變化。,28,三、均勻控制的結(jié)構(gòu)形式,設(shè)計(jì)要求：控制器不含微分作用；通過(guò)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(gè)控制器的輸出去控制兩個(gè)或兩個(gè)以上執(zhí)行器的系統(tǒng)。 分程控制是通過(guò)閥門(mén)定位器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。,30,例： 執(zhí)行器A在0.020.06MPa的范圍內(nèi)動(dòng)作； 執(zhí)行器B在0.060.1MPa的范圍內(nèi)動(dòng)作；,輸出氣壓信號(hào)小于0.06MPa 的范圍，執(zhí)行器A隨著氣壓信號(hào)的變化而改變開(kāi)度； 輸出氣壓信號(hào)大于0.06MPa 的范圍，執(zhí)行器A移動(dòng)到極限位置開(kāi)度不再變化，執(zhí)行器B則隨著氣壓信號(hào)的變化而改變開(kāi)度。,31,分程控制的分類(lèi)： 執(zhí)行器同向動(dòng)作的分程控制,執(zhí)行器反向動(dòng)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(guò)程中，對(duì)自動(dòng)控制的期望越來(lái)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(shí)，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(dòng)控制系統(tǒng)主要有兩類(lèi)：一類(lèi)是硬保護(hù)控制，另一類(lèi)是軟保護(hù)控制。 硬保護(hù)控制，ESD（Emergency Shutdown Device，緊急停車(chē)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(shí)，不使設(shè)備停車(chē)，而用另一套符合工藝安全邏輯關(guān)系的控制方案實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chēng)作取代控制，超馳控制。 工作過(guò)程：在正常工況下，選擇性控制系統(tǒng)基于克服擾動(dòng)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(shí)，系統(tǒng)立即切換到一個(gè)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(shí)，正常工況下的控制方案又恢復(fù)對(duì)生產(chǎn)的控制。,35,二、選擇性控制系統(tǒng)的實(shí)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(mén)開(kāi)閉形式選擇：氣開(kāi)閥，+ TT，+ 對(duì)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(jì)：,37,閥門(mén)開(kāi)閉形式選擇：氣開(kāi)閥，+ LT，+ 對(duì)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(jì)：,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(hào),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(hào),因此，設(shè)計(jì)一個(gè)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(gè)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(gè)控制器； 設(shè)有兩個(gè)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(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)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(dòng)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(kāi)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(jiǎn)單 對(duì)所有干擾影響均有克服作用 存在的問(wèn)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(hào)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(duì)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(duì)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(shí)際上是前饋-反饋復(fù)合控制控制。 存在的問(wèn)題： 水壓變化引起的給水流量變化，控制滯