溫度和流量串級(jí)控制方案和原理.doc

第三章 控制系統(tǒng)的控制方案及原理3.1 控制方案的確定 溫度流量串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)是以串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)控制換熱器熱水出口溫度， 以換熱器冷水流量為副對(duì)象，流量變動(dòng)的時(shí)間常數(shù)小，時(shí)延小，控制通路短，從而可加快提高響應(yīng)速度，縮短過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，符合副回路選擇的超前，快速，反應(yīng)靈敏等要求。 換熱器熱水出口溫度為主對(duì)象，冷水流量的改變需要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后通過(guò)換熱器的熱交換才能反映到換熱器熱水出口溫度，時(shí)間常數(shù)比較大，時(shí)延大。將主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定，而副調(diào)節(jié)器的輸出控制執(zhí)行器。 反復(fù)調(diào)試，使第二支路的流量快速穩(wěn)定在給定值上，這時(shí)給定值應(yīng)與負(fù)反饋值相同。若參數(shù)比較理想，且主回路擾動(dòng)較小，經(jīng)過(guò)副回路的及時(shí)控制校正，不影響換熱器熱水出口溫度。如果擾動(dòng)比較大或參數(shù)并不理想，則經(jīng)過(guò)副回路的校正，還將影響主回路的溫度，此時(shí)再由主回路進(jìn)一步調(diào)節(jié)，從而完成克服上述擾動(dòng)，使換熱器熱水出口溫度調(diào)節(jié)到給定值上。例如當(dāng)通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器改變左邊水泵的頻率時(shí)，即改動(dòng)了熱水的流量，將立即影響到換熱器熱水出口溫度，如果沒(méi)有副回路，主回路將產(chǎn)生校正作用，克服擾動(dòng)對(duì)溫度的影響。但是由于副回路的存在，加快了校正作用，使擾動(dòng)對(duì)主回路的溫度影響較小。 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖如圖 3-1 所示，各個(gè)回路獨(dú)立調(diào)整結(jié)束，使得主調(diào)節(jié)器輸出與副調(diào)節(jié)器給定值相差不是太遠(yuǎn)。副回路對(duì)FT102進(jìn)行控制，這個(gè)反應(yīng)比較快，副回路控制目的是很快把流量控制回給定值。X主調(diào)節(jié)器LIC101副調(diào)節(jié)器LIC102換熱器熱水出口溫TE103TE103主回路干擾給定值+-圖3-1 換熱器熱水出口溫度和冷水流量串級(jí)控制框圖X-調(diào)節(jié)閥FV101電磁流量計(jì)01流量FT102換熱器熱水出口溫度變頻器干擾右邊水泵主回路對(duì)換熱器熱水出口溫度TE103進(jìn)行控制。 可以在換熱器熱水出口加入主回路干擾，要平衡這個(gè)干擾，則需要經(jīng)過(guò)流量調(diào)整，通過(guò) FT102來(lái)平衡這個(gè)變化。測(cè)量與控制端連接表 ：測(cè)量或控制量測(cè)量或控制量標(biāo)號(hào)使用控制器端口電磁流量計(jì)FT102AI0換熱器熱水出口溫度TE103AI1調(diào)節(jié)閥FV101AO03.2 主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動(dòng)控制作用，這是選擇控制規(guī)律的基本出發(fā)點(diǎn)。主參數(shù)是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動(dòng)的范圍很小，一般要求無(wú)余差，因此，主調(diào)節(jié)器應(yīng)選PI或PID控制規(guī)律。副參數(shù)的設(shè)置是為了保證主參數(shù)的控制質(zhì)量，允許在一定范圍內(nèi)變化，允許有余差，因此副調(diào)節(jié)器只要選P控制規(guī)律就可以了。一般不引入積分控制規(guī)律。因?yàn)楦眳?shù)允許有余差，而且副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)較大，控制作用強(qiáng)，余差小，若采用積分規(guī)律，會(huì)延長(zhǎng)控制過(guò)程，減弱副回路的快速作用。一般也不引入微分控制規(guī)律，因?yàn)楦被芈繁旧砥鹬焖僮饔茫僖胛⒎忠?guī)律會(huì)使調(diào)節(jié)閥動(dòng)作過(guò)大，對(duì)控制不利。3.2.1 PID 控制規(guī)律的特點(diǎn) 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID 控制，又稱(chēng)PID 調(diào)節(jié)。PID 控制器問(wèn)世至今已有近70 年歷史，它以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)， 系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定， 這時(shí)應(yīng)用PID 控制技術(shù)最為方便。 1比例(P)控制器 P控制器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可調(diào)增益的放大器。在信號(hào)變換過(guò)程中，P控制器只改變信號(hào)的增益而不影響其相位。在串級(jí)校正中，加大控制器增益Kp,可以提高系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高系統(tǒng)的控制精度，但會(huì)降低系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，在系統(tǒng)校正系統(tǒng)中，很少單獨(dú)使用比例控制規(guī)律。比例控制是最簡(jiǎn)單最基本的控制規(guī)律，能迅速有效地克服干擾的影響，或使被控變量能迅速跟蹤設(shè)定值的變化，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短，而且只有一個(gè)參數(shù)需要整定。但是，過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后有余差存在。因此，比例控制器適用于負(fù)荷變化較小、自衡能力較強(qiáng)、對(duì)象控制通道中的純滯后時(shí)間和時(shí)間常數(shù)之比（/T）較小、工藝上允許有余差存在、控制質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合。2 比例積分微分（PID）控制器 PID 控制器是一個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)用中常見(jiàn)的反饋回路部件。這個(gè)控制器把收集到的數(shù)據(jù)和一個(gè)參考值進(jìn)行比較，然后把這個(gè)差別用于計(jì)算新的輸入值，這個(gè)新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達(dá)到或者保持在參考值。和其他簡(jiǎn)單的控制運(yùn)算不同，PID控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來(lái)調(diào)整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，更加穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^(guò)數(shù)學(xué)的方法證明，在其他控制方法導(dǎo)致系統(tǒng)有穩(wěn)定誤差或過(guò)程反復(fù)的情況下，一個(gè)PID反饋回路卻可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。比例積分微分控制器又稱(chēng)三作用控制器，它綜合了各種控制器的優(yōu)點(diǎn)，既能克服對(duì)象的容量滯后，減小動(dòng)態(tài)偏差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又能消除系統(tǒng)的余差。如果能對(duì)三個(gè)參數(shù)（比例度，積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD）加以適當(dāng)整定，可以使系統(tǒng)具有最好的控制性能。比例積分微分控制器適用于控制對(duì)象負(fù)荷變化大、對(duì)象容量滯后較大、工藝要求無(wú)余差、控制質(zhì)量的系統(tǒng)但是，對(duì)于純滯后很大、負(fù)荷變化很大的系統(tǒng)，三作用控制器同樣無(wú)能為力。PID控制器主要適用于基本線(xiàn)性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。 3.2.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定及方法PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。 幾種常用的控制器參數(shù)的工程整定方法有臨界比例度法、衰減曲線(xiàn)法、經(jīng)驗(yàn)湊試等幾種。 1. 臨界比例度法 在系統(tǒng)閉環(huán)情況下，將控制器的積分時(shí)間 iT 放到最大，微分時(shí)間 d T 放到最小，比例度 放于適當(dāng)數(shù)值(一般為 100%)。然后使由大到小逐步改變，并且每改變一次 值時(shí)，通過(guò)改變給定值給系統(tǒng)施加一階躍干擾，同時(shí)觀(guān)察被控變量 y 的變化情況。若 y 的過(guò)渡過(guò)程呈衰減振蕩，則繼續(xù)減小 值，若 y 的過(guò)渡過(guò)程呈發(fā)散振蕩， 則應(yīng)增大 值， 直到調(diào)至某一 值， 過(guò)渡過(guò)程出現(xiàn)不衰減的等幅振蕩為止。如圖 3-2 所示：圖3-2等幅振蕩曲線(xiàn)這時(shí)的過(guò)渡過(guò)程稱(chēng)之為臨界振蕩過(guò)程。出現(xiàn)臨界振蕩過(guò)程的比例度 K 稱(chēng)為臨界比例度，而臨界振蕩的周期 K T ，則稱(chēng)臨界周期。有了 K 及 K T 這兩個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按表3-1 所給出的經(jīng)驗(yàn)公式， 就可計(jì)算出當(dāng)采用不同類(lèi)型控制器而使過(guò)渡過(guò)程呈4：l 衰減振蕩狀態(tài)的控制器參數(shù)值。表3-1 臨界比力度法整定控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式控制器類(lèi)型控制參數(shù)/%Ti/minTd/minP2x2x2xPI2.2x0.85Tx0.85TxPIDx0.5Tx0.13Tx按表3-1 算出控制器參數(shù)后，先將 放在比計(jì)算值稍大一些(一般大20)數(shù)值上，再依次放上積分時(shí)間和微分時(shí)間(如果有的話(huà))，最后再將 放回到計(jì)算數(shù)值上即可。如果這時(shí)加干擾，過(guò)渡過(guò)程與4 ：1 衰減還有一定差距，可適當(dāng)對(duì)值做一點(diǎn)調(diào)整，直到過(guò)渡過(guò)程達(dá)到滿(mǎn)意為止。至此，整定完畢。 臨界比例度法應(yīng)用起來(lái)比較簡(jiǎn)便。然而，如果工藝方面不允許被控變量作長(zhǎng)時(shí)間的等幅振蕩，這種方法就不能應(yīng)用。此外，這種方法只適用于二階以上的高階對(duì)象，或是一階加純滯后的對(duì)象，否則，在純比例控制情況下，系統(tǒng)將不會(huì)出現(xiàn)等幅振蕩，因此，這種方法也就無(wú)法應(yīng)用了。 2. 衰減曲線(xiàn)法 此法與臨界比例度法有些類(lèi)似。衰減曲線(xiàn)法是在系統(tǒng)閉環(huán)情況下，將控制器積分時(shí)間 iT 放在最大，微分時(shí)間 d T 放在最小，比例度放于適當(dāng)數(shù)值(一般為l00)，然后使由大往小逐漸改變，并在每改變一次值時(shí)，通過(guò)改變給定值給系統(tǒng)施加一階躍干擾，同時(shí)觀(guān)察過(guò)渡過(guò)程變化情況。如果衰減比大于4：1，應(yīng)繼續(xù)減小，當(dāng)衰減比小于4：1 時(shí)應(yīng)增大，直至過(guò)渡過(guò)程呈現(xiàn)4：l 衰減時(shí)為止。如圖3-3 所示：圖3-3 4：1衰減曲線(xiàn)通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可以找到4：l 衰減振蕩時(shí)的比例度 S ，及振蕩周期 S T 。再按表4-2 所給出的經(jīng)驗(yàn)公式，可以算出采用不同類(lèi)型控制器使過(guò)渡過(guò)程出現(xiàn)4 ：l振蕩的控制器參數(shù)值。表3-2 4：1衰減曲線(xiàn)法整定控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式控制器類(lèi)型控制器參數(shù)/%Ti/minTd/minPsssPI2.2s0.5Ts0.5TsPIDs0.3Ts0.1Ts按表3-2 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出控制參數(shù)后， 按照先比例、 后積分、 最后微分的順序，依次將控制器參數(shù)放好。不過(guò)在放積分、微分之前應(yīng)將 放在比計(jì)算值稍大(約20)的數(shù)值上，待積分、微分放好后再將 放到計(jì)算值上。放好控制器參數(shù)后可以再加一次干擾，驗(yàn)證一下過(guò)渡過(guò)程是否呈4 ：1 衰減振蕩。如果不符合要求，可適當(dāng)調(diào)整一下值，直到達(dá)到滿(mǎn)意為止。由于4 ：1 衰減曲線(xiàn)法試驗(yàn)過(guò)渡過(guò)程振蕩的時(shí)間較短，而且又是衰減振蕩，因此，易為工藝人員所接受。再者這種整定方法不受對(duì)象特性階次的限制， 一般對(duì)象都可以應(yīng)用， 因此， 這種整定方法應(yīng)用較為廣泛。3.3 串級(jí)控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定為了滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝指標(biāo)的要求，為了確保串級(jí)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式必須正確的選擇。對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式的選擇原則是使整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，即其主通道各環(huán)節(jié)放大系統(tǒng)系數(shù)極性乘積必須為正值。各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性的正負(fù)是這樣規(guī)定的：對(duì)于調(diào)節(jié)器的KC，當(dāng)測(cè)量值增加，調(diào)節(jié)器的輸出也增加，則KC為負(fù)（即正作用調(diào)節(jié)器）；反之，KC為正（即反作用調(diào)節(jié)器）。過(guò)程放大系數(shù)極性是：當(dāng)過(guò)程的輸入增大時(shí)，即調(diào)節(jié)閥開(kāi)大，其輸出也增大，則KO為正；反之K0為負(fù)。串級(jí)控制系統(tǒng)由于增加了副回路，對(duì)于進(jìn)入副回路的干擾有較強(qiáng)的克服能力。串級(jí)控制系統(tǒng)由于副環(huán)具有快速抗干擾功能，對(duì)于進(jìn)入副環(huán)的干擾具有很強(qiáng)的抑制作用。因此，對(duì)于同樣大小的干擾作用于主、副環(huán)，對(duì)主變量的影響是不同的。作用于副環(huán)的干擾，由于受到副環(huán)的抑制作用，結(jié)果對(duì)于主變量的影響就比較?。欢饔糜谥鳝h(huán)的干擾，由于此時(shí)副環(huán)的快速抗干擾能力未能得到發(fā)揮，因此干擾對(duì)主變量的影響就比較大。在本設(shè)計(jì)中，主控制器為負(fù)作用，副調(diào)節(jié)器為正作用8。串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)是所有復(fù)雜控制系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一種，當(dāng)要求被控變量的誤差范圍很小，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)不能滿(mǎn)足要求時(shí)，可考慮采用串級(jí)控制系統(tǒng)。一、組成原理如圖8-1所示是一個(gè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)。被加熱原料的出口溫度T是該控制系統(tǒng)的被控變量，燃料量是該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)變量，這是一個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。如果對(duì)口溫度T的誤差范圍要求不高，這個(gè)控制方案是可行的。如果出口溫度T的誤差范圍要求很小，則簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)難以勝任。分析如下：先看該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)通道，調(diào)節(jié)器TC發(fā)出的信號(hào)送給調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥改變閥門(mén)開(kāi)度，送入加熱爐的燃料流量改變，燃料在爐膛里燃燒，爐膛溫度改變，傳熱給管道，最終使原料溫度得到調(diào)整，穩(wěn)定在所希望的溫度附近。由于傳熱過(guò)程的時(shí)間常數(shù)大，達(dá)到15分鐘左右，等到出口溫度發(fā)生偏差后再進(jìn)行調(diào)節(jié)，導(dǎo)致偏差在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不能被克服，誤差太大，不符合工藝要求。如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？根據(jù)反饋原理，被控變量的任何偏差，都是由種種干擾引起的，如果能把這些干擾抑制住，則被控變量的波動(dòng)將會(huì)減小許多。在控制系統(tǒng)中，每一個(gè)干擾到被控變量之間都是一條干擾通道。對(duì)于該加熱爐，主要的干擾有：燃料壓力的波動(dòng)、燃料熱值的波動(dòng)、原料流量的調(diào)整或波動(dòng)、原料入口溫度的波動(dòng)等等。如果對(duì)每一個(gè)主要干擾都用一個(gè)控制系統(tǒng)來(lái)克服波動(dòng)，則整個(gè)系統(tǒng)的主要目標(biāo)（原料的出口溫度），肯定能被控制得很好。但實(shí)際上，有些量的控制很不方便，而且，這樣做整個(gè)控制工程的投資將是很大的。實(shí)踐中，人們探索出一種復(fù)雜控制系統(tǒng)，不需要增加太多的儀表即可使被控制量達(dá)到較高的控制精度。這就是串級(jí)控制系統(tǒng)。 從前面的分析可知，該系統(tǒng)的主要問(wèn)題在于傳熱過(guò)程時(shí)間常數(shù)很大。串級(jí)控制的思想是把時(shí)間常數(shù)較大的被控對(duì)象分解為二個(gè)時(shí)間常數(shù)較小的被控對(duì)象，如從燃料量到爐膛溫度Ts的設(shè)備可作為第一個(gè)被控對(duì)象，爐膛溫度到被控變量TM的設(shè)備作為第二個(gè)對(duì)象，也就是在原被控制對(duì)象中找出一個(gè)中間變量爐膛溫度Ts，它能提前反映干擾的作用，增加對(duì)這個(gè)中間變量的有效控制，即根據(jù)爐膛溫度的變化，先控制燃料量，再根據(jù)原料出口溫度與給定值之差，進(jìn)一步控制燃料量，可使整個(gè)系統(tǒng)的被控制變量得到較精確的控制。如此構(gòu)成的串級(jí)控制系統(tǒng)及方塊圖如圖8-2和圖8-3所示。 圖83加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)方塊圖在該串級(jí)控制系統(tǒng)中，干擾F1和F2作用在溫度對(duì)象1上，它們首先影響到Ts，然后再影響到TM。由于Ts能被測(cè)量并加以控制，因此，它的波動(dòng)范圍比未加以控制前大大減小，所以干擾F1和F2對(duì)Tm的影響也大大減少。詳細(xì)的工作過(guò)程分析見(jiàn)后。這里先介紹一下該控制系統(tǒng)的組成原理及術(shù)語(yǔ)。1組成原理（l）將原被控對(duì)象分解為兩個(gè)串聯(lián)的被控對(duì)象，如圖8-4所示。圖8-4串級(jí)控制系統(tǒng)組成原理及術(shù)語(yǔ)示意圖 （2）以連接分解后的兩個(gè)被控對(duì)象的中間變量為副被控變量，構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，稱(chēng)為副調(diào)節(jié)系統(tǒng)或到環(huán)。 （3）以原對(duì)象的輸出信號(hào)為主被控變量，即分解后的第二個(gè)被控對(duì)象的輸出信號(hào)，構(gòu)成一個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，稱(chēng)為主調(diào)節(jié)系統(tǒng)或主環(huán)。（4）主調(diào)節(jié)系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)作為副調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出信號(hào)作為主被控對(duì)象的輸入信號(hào)，如圖8-5所示。2、串級(jí)控制系統(tǒng)術(shù)語(yǔ)（l）主對(duì)象、副對(duì)象，也稱(chēng)主被控對(duì)象、副被控對(duì)象，如圖8-4所示，主對(duì)象與副對(duì)象是由原被控對(duì)象分解而得到的。（2）主變量、副變量也稱(chēng)為主被控變量、副被控變量。主變量是主被控對(duì)象的輸出信號(hào)，副變量是副被控對(duì)象的輸出信號(hào)，是原被控對(duì)象的某個(gè)中間變量，同時(shí)也是主被控對(duì)象的輸入信號(hào)。（3）主測(cè)量值、副測(cè)量值是相應(yīng)被控制變量的測(cè)量值。（4）主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器：副調(diào)節(jié)器負(fù)責(zé)虛線(xiàn)框中副環(huán)被控對(duì)象的調(diào)節(jié)任務(wù)，使副變量符合副給定值的要求；主調(diào)節(jié)器負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)