復(fù)雜過程控制系統(tǒng)ppt課件(已修改)
2025-05-10 23:16 本頁面
【正文】 過程控制 第 五 章 復(fù)雜過程控制系統(tǒng) 過程控制 串級控制 一、串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作過程 串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 串級控制系統(tǒng) (Cascade Control Ststem)是一種常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)，它根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)命名。 由兩個或兩個以上的控制器串聯(lián)連接組成，一個控制器的輸出作為另一個控制器的設(shè)定值，這類控制系統(tǒng)稱為串級控制系統(tǒng)。 過程控制 影響爐出口溫度的因素很多，主要有： f1(t)：被加熱物料的流量和初溫； f2(t)： 燃料熱值的變化、壓力的波動，流量的變化； f3(t)： 煙囪擋板位置的改變、抽力的變化。 熱物料 冷物料 燃料 過程控制 ? 方案 1： T1C T1T 熱物料 冷物料 燃料 單回路系統(tǒng) (控制爐出口溫度 ) 過程控制 優(yōu)點：所有對溫度的干擾都包含在控制回路之中，理論上都可以由溫度調(diào)節(jié)器予以調(diào)節(jié) 缺點：控制通道的時間常數(shù)和容量滯后較大，控制作用不及時，系統(tǒng)克服擾動的能力較差。 選取爐的出口溫度為被控對象，選取燃料量為控制參數(shù)，構(gòu)成如圖所示的單回路控制系統(tǒng)。 過程控制 ? 方案 2： T2C T2T 熱物料 冷物料 燃料 單回路系統(tǒng) (控制爐膛溫度 ) 過程控制 選取爐膛的出口溫度為被控對象，選取燃料量為控制參數(shù)，構(gòu)成如圖所示的單回路控制系統(tǒng)。 優(yōu)點：能及時而有效地克服來自 f2(t) 、 f3(t)的干擾。 缺點：爐膛的出口溫度控制只起輔助作用；放棄爐出口溫度控制將無法克服來自 f1(t) 變化等方面的干擾。 過程控制 ? 方案 3： 選取爐出口溫度為主被控參數(shù)（簡稱主參數(shù)） 選取爐膛溫度為副被控參數(shù) (簡稱副參數(shù) ) 把爐出口溫度調(diào)節(jié)器的輸出作為爐膛溫度調(diào)節(jié)器的給定值 構(gòu)成了爐出口溫度與爐膛溫度的串級控制系統(tǒng) 過程控制 T2C T2T 熱物料 冷物料 燃料 串級控制系統(tǒng) T1C T1T 過程控制 主調(diào)節(jié)器 調(diào)節(jié)閥 管壁 Gm1(s) R1 Y1 Ym1 + － Gm2(s) 副調(diào)節(jié)器 爐膛 Y2 － Ym2 R2 控制系統(tǒng)方框圖 f1 f3 物料 f2 過程控制 Gc1(s) Gv(s) Gp1(s) Gm1(s) R1 Y1 Ym1 + － Gm2(s) Gc2(s) Gp2(s) Y2 － Ym2 R2 控制系統(tǒng)方框圖 F1 F2 過程控制 擾動 f2(t)、 f3(t)對出口溫度的影響主要由爐膛溫度調(diào)節(jié)器（簡稱 副調(diào)節(jié)器 ）構(gòu)成的控制回路（稱為 副回路 ）來克服 擾動 f1(t)對爐出口溫度的影響由出口溫度調(diào)節(jié)器（稱 為主調(diào)節(jié)器 ）構(gòu)成的控制回路（稱 為主回路 ）來消除 主被控參數(shù) Y 副被控參數(shù) Y 主被控過程（主對象） Gp1(s)、 副被控過程（副對象） Gp2(s)、 一次擾動 F 二次擾動 F2 串級控制系統(tǒng)的基本術(shù)語： 過程控制 反應(yīng)釜溫度的單回路控制 過程控制 反應(yīng)釜簡單控制系統(tǒng)框圖 過程控制 反應(yīng)釜溫度與夾套溫度的串級控制 過程控制 當(dāng)處于穩(wěn)定工況時，被加熱物料的流量和溫度不變，燃料的流量與熱值不變，煙囪抽力也不變，爐出口穩(wěn)定和爐膛溫度均處于相對平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥保持一定的開度，此時爐出口溫度穩(wěn)定在給定值上 串級控制系統(tǒng)的工作過程 當(dāng)擾動破壞了平衡工況時，串級控制系統(tǒng)便開始了其控制過程。根據(jù)不同的擾動，分三種情況討論： 過程控制 ? 燃料壓力、熱值變化 f2(t)和煙囪抽力變化 f3(t) （二次擾動或副回路擾動） f2(t)和 f3(t)先影響爐膛溫度，于是副調(diào)節(jié)器立即發(fā)出校正信號，控制調(diào)節(jié)閥的開度，改變?nèi)剂狭?，克服上述擾動對爐膛溫度的影響。如果擾動量不大，經(jīng)過副回路的及時控制，一般不影響爐出口溫度； 如果擾動的幅值較大，雖然經(jīng)過副回路的及時校正，仍影響爐出口溫度，使主控制器輸出，即副控制器的設(shè)定變化，副控制器的設(shè)定和測量的同時變化，進一步加速了控制系統(tǒng)克服擾動的調(diào)節(jié)過程，使?fàn)t出口溫度回復(fù)到給定值。 過程控制 ? 被加熱物料的流量和初溫變化 f1(t) （一次擾動或主回路擾動） 擾動 f1(t)使?fàn)t出口溫度變化時，主回路產(chǎn)生校正作用，克服對爐出口溫度的影響。 由于副回路的存在加快了校正作用，使擾動對爐出口溫度的影響比單回路系統(tǒng)時小。 ? 一次擾動和二次擾動同時存在 如果一、二次擾動的作用使主、副被控參數(shù)同時增大或同時減小，主、副調(diào)節(jié)器對調(diào)節(jié)閥的控制方向是一致的，即大幅度關(guān)小或開度閥門，加強控制作用，使?fàn)t出口溫度很快調(diào)回到給定值上。 如果一、二次擾動的作用使主、副被控參數(shù)一個增大（爐出口溫度升高），另一個減?。礌t膛溫度降低），此時主、副調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)器的方向是相反的，調(diào)節(jié)閥的開度只要作較小的變化即滿足控制要求。 過程控制 串級控制系統(tǒng)，就其主回路來看是一個定值控制系統(tǒng)，而副回路則為一個隨動系統(tǒng)。 改善了被控過程的動態(tài)特性 二、串級控制系統(tǒng)的特點與分析 以加熱爐串級控制系統(tǒng)為例，在控制過程中，副回路對爐出口溫度起著的“粗調(diào)”作用，而主回路則完成對爐出口溫度的“細調(diào)”任務(wù)。 過程控制 Gc1(s) Gv(s) Gp1(s) Gm1(s) R1 Y1 Ym1 + － + Gm2(s) Gc2(s) Gp2(s) Y2 － Ym2 R2 串級控制系統(tǒng)方框圖 過程控制 Gc1(s) Gp1(s) Gm1(s) R1 Y1 Ym1 + － G?p2(s) Y2 串級控制系統(tǒng)的等效方框圖 )()()(1)()()()()()(2222222 sGsGsGsGsGsGsRsYsGpvcpvcp ????2222222 )()()(1)( mmvvccppp KsGKsGKsGsTKsG ?????1222 ?????sTK)s(Gppp過程控制 222222 1mpvcpvcp KKKKKKKK???22222 1mpvcpp KKKKTT???等效被控過程的放大系數(shù) 等效被控過程的時間常數(shù) 在串級控制系統(tǒng)中，由于副回路的存在，改善了原有一部分對象的特性，使等效副對象的時間常數(shù)減小了。時間常數(shù)的減小，意味著控制通道的縮短，從而使控制作用更加及時，響應(yīng)速度更快，控制質(zhì)量必然得到提高。 等效副對象的放大系數(shù)減小了，這種減小不僅不會影響控制質(zhì)量，反而此時串級控制系統(tǒng)中主控制器放大系數(shù) Kc1可以整定得比單回路系統(tǒng)中更大一些，對提高系統(tǒng)抗干擾能力更加有利。 如果匹配得當(dāng)，副回路可近似為 1： 1的環(huán)節(jié) 過程控制 提高了系統(tǒng)的工作頻率 Gc1(s) Gp1(s) Gm1(s) R1 Y1 Ym1 + － G?p2(s) Y2 串級控制系統(tǒng)的等效方框圖 Gc(s) Gp1(s) Gm1(s) R1 Y1 Ym + － Gp2(s) Y2 單回路控制系統(tǒng)的方框圖 過程控制 串級系統(tǒng)的特征方程為： 0)()()(1121 ??? sGsGsG mpc設(shè)： 1111111 )(,)(,1)(
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