中國(guó)石油大學(xué)過(guò)程控制復(fù)雜控制前饋比值分程選擇控制系統(tǒng)PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1中國(guó)石油大學(xué)過(guò)程控制復(fù)雜控制前饋比中國(guó)石油大學(xué)過(guò)程控制復(fù)雜控制前饋比值分程選擇控制系統(tǒng)值分程選擇控制系統(tǒng)控制器的正反作用選擇第1頁(yè)/共75頁(yè)第2頁(yè)/共75頁(yè)1、如果加熱蒸汽壓力波動(dòng)導(dǎo)致單回路控制效果不理想，怎么辦？2、如果工藝介質(zhì)流量波動(dòng)導(dǎo)致控制效果不理想，怎么辦？第3頁(yè)/共75頁(yè)第4頁(yè)/共75頁(yè)第5頁(yè)/共75頁(yè)TC蒸汽凝液工藝介質(zhì)cp, RF , T1T2HV, RV假設(shè)主要干擾為RF，T1第6頁(yè)/共75頁(yè)第7頁(yè)/共75頁(yè)NO!無(wú)法采用串級(jí)控制！無(wú)法采用串級(jí)控制！第8頁(yè)/共75頁(yè)蒸汽凝液工藝介質(zhì)cp, RF , T1T2HV, RVFFRF第9頁(yè)/共75頁(yè)第10頁(yè)/共75頁(yè)D1，Dn

2、為可測(cè)擾動(dòng)；u，y分別為被控對(duì)象的操作變量與受控變量。前饋思想前饋思想：在擾動(dòng)還未影響輸出以前，直接改變操作變量，以使輸出不受或少受外部擾動(dòng)的影響。第11頁(yè)/共75頁(yè)開(kāi)環(huán))()()()()()(00sFsGsGsFsGsTdf)()()()()(00sGsGsGsFsTdf不變性：輸出值在擾動(dòng)F(s)作用下不產(chǎn)生任何變化。0)(0)(0sTsF0)()()(0sGsGsGdf)()()(0sGsGsGfd第12頁(yè)/共75頁(yè)1.開(kāi)環(huán)控制，獨(dú)立的前饋難以使用。2.根據(jù)干擾的大小控制，干擾必須可測(cè)。3.只對(duì)設(shè)計(jì)補(bǔ)償?shù)母蓴_起作用。4.調(diào)節(jié)規(guī)律由對(duì)象、干擾特性決定。前饋的應(yīng)用場(chǎng)合：系統(tǒng)中存在可測(cè)、不可控

3、、變化頻繁、幅值大的干擾。第13頁(yè)/共75頁(yè) 前前 饋饋 控控 制制 反反 饋饋 控控 制制擾動(dòng)可測(cè)，但不要求被控量可測(cè)被控量直接可測(cè)超前調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出的不變性（但存在可實(shí)現(xiàn)問(wèn)題）按偏差控制，存在偏差才能調(diào)節(jié)（滯后調(diào)節(jié)）開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)，無(wú)穩(wěn)定性問(wèn)題閉環(huán)調(diào)節(jié)，存在穩(wěn)定性問(wèn)題系統(tǒng)僅能感受有限個(gè)可測(cè)擾動(dòng)系統(tǒng)可感受所有影響輸出的擾動(dòng)對(duì)于干擾與控制通道的動(dòng)態(tài)模型，要求已知而且準(zhǔn)確對(duì)通道模型要求弱，大多數(shù)情況無(wú)需對(duì)象模型對(duì)時(shí)變與非線性對(duì)象的適應(yīng)性弱對(duì)時(shí)變與非線性對(duì)象的適應(yīng)性與魯棒性強(qiáng)第14頁(yè)/共75頁(yè)例：換熱器的靜態(tài)方程：HTTFCiorp)()()(iorppiorTTFHCHCTTF特點(diǎn)：只能保證穩(wěn)定

4、后，完全補(bǔ)償， 但存在動(dòng)態(tài)誤差第15頁(yè)/共75頁(yè)分析：無(wú)論是料液流量或是設(shè)定值Tor的增大，蒸汽流量都會(huì)自動(dòng)增大，因?yàn)樗c兩者的乘積成正比。代表流量F增大所引起的溫度T0的響應(yīng)。代表增大蒸汽量所引溫度T0的響應(yīng)。 出現(xiàn)了一段時(shí)間較小的偏差。這是由于擾動(dòng)通道與調(diào)節(jié)通道之間對(duì)象動(dòng)態(tài)特性不同所引起的動(dòng)態(tài)偏差，這種偏差是靜態(tài)前饋補(bǔ)償所不能解決的，但最終仍然穩(wěn)定在設(shè)定值上。第16頁(yè)/共75頁(yè)前饋?zhàn)饔锰?，蒸汽流量減少量不足以抵消料流量的變化?！扒费a(bǔ)償”。前饋?zhàn)饔眠^(guò)強(qiáng)，蒸汽流量變化超過(guò)料液流量變化所需要的蒸汽量。在作用下，T0最終回到設(shè)定值，說(shuō)明前饋補(bǔ)償合適。HCkp（2）、若出口溫度達(dá)不到設(shè)定值，只需調(diào)

5、整K就以校正，直到殘差被消除。第17頁(yè)/共75頁(yè))()()()()(0SGSGSGsFSYdf由不變性原理：)()()(0SGSGSGdfSeSTKSG01)(000SffffeSTKSG1)(SfdSfffdeSTSTKeSTSTKKSGSGSGf1111)()()(0)(00000,0fKKfKd設(shè)控制通道的特性為：干擾通道的特性：前饋補(bǔ)償裝置的傳遞函數(shù)為：第18頁(yè)/共75頁(yè))()()()()(0SGSGSGsFSYdf由不變性原理：)()()(0SGSGSGdfSeSTKSG01)(000SffffeSTKSG1)(SfdSfffdeSTSTKeSTSTKKSGSGSGf1111)()(

6、)(0)(00000,0fKKfKd設(shè)控制通道的特性為：干擾通道的特性：前饋補(bǔ)償裝置的傳遞函數(shù)為：第19頁(yè)/共75頁(yè)第20頁(yè)/共75頁(yè)第21頁(yè)/共75頁(yè)第22頁(yè)/共75頁(yè)mvcvdmdHGGGGGGHGfSQST001)()(0)(; 0)(STSQmdvHGGGfGd0不變性原理：第23頁(yè)/共75頁(yè)第24頁(yè)/共75頁(yè)第25頁(yè)/共75頁(yè)第26頁(yè)/共75頁(yè)第27頁(yè)/共75頁(yè)第28頁(yè)/共75頁(yè)問(wèn)題：?jiǎn)栴}：假設(shè)NaoH用量QB和稀釋水量QA可測(cè)并且QA可調(diào)。如果QB變化，如何調(diào)整以使稀釋液NaoH的濃度為68%左右？解決方案解決方案：（1）出口濃度控制；（2）入口流量的比值控制（流量比值 ？）?；旌?/p>

7、器68% NaoH30% NaoHH2OQAQB第29頁(yè)/共75頁(yè)要求要求：QA / QB = KAB（比值系數(shù)）而QB 為主動(dòng)流量， QA 為可控量，要求設(shè)計(jì)一控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)QA 以實(shí)現(xiàn)上述比值控制目標(biāo)。后 續(xù)裝 置物料 B物料 AQBQA第30頁(yè)/共75頁(yè)BAQQKK：實(shí)際流量值系數(shù) 第31頁(yè)/共75頁(yè)IAIBKF2CF1CQBQA單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)第32頁(yè)/共75頁(yè)maxmaxBABAQKKQ穩(wěn)態(tài)條件穩(wěn)態(tài)條件: IA = I0maxmaxABABQQKQQBAABQQK假設(shè)流量測(cè)量變送環(huán)節(jié)為線性對(duì)象。對(duì)DDZ III型儀表, 比值器的輸入輸出關(guān)系為0(4)4BIK I

8、mAmaxmax(204)4mA,(204)4mAABABABQQIIQQ令：BAABQQK第33頁(yè)/共75頁(yè)max2max11AABBQKKQKK2FCQAQBIBIA穩(wěn)態(tài)條件穩(wěn)態(tài)條件:,maxmax2BBAAQQQQKBAABQQK2(4)4BAIKImA第34頁(yè)/共75頁(yè)22maxmaxABBAQKKQ22maxmaxABABQQKQQ假設(shè)流量測(cè)量變送環(huán)節(jié)為非線性對(duì)象。對(duì)DDZ III型儀表, 比值器的輸入輸出關(guān)系為0(4)4BIK ImA22maxmax(204)4mA,(204)4mAABABABQQIIQQ第35頁(yè)/共75頁(yè)穩(wěn)態(tài)條件穩(wěn)態(tài)條件: IA = I0maxmaxmaxmax

9、164164BAsBABABAQQIQQQKmAQ對(duì)DDZ III型儀表, 乘法器的輸入輸出關(guān)系為04 (4)416sBIIImA第36頁(yè)/共75頁(yè)maxmaxmaxmaxBBAABBAAQQQKKQQQ存在問(wèn)題存在問(wèn)題：物料A的流量回路存在非線性，當(dāng)物料B的流量減少時(shí)，回路增益增大，有可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定，并可能出現(xiàn)“除零”運(yùn)算。對(duì)DDZ III型儀表, 除法器的輸入輸出關(guān)系為444ABIKmAI第37頁(yè)/共75頁(yè)蒸汽凝液工藝介質(zhì)T2RVRFFCT2spRVspTC系統(tǒng)功能系統(tǒng)功能：前饋反饋串級(jí) 控制 ？211()spspVFvRR TTK上一節(jié)中所采用的前饋控制器：第38頁(yè)/共75頁(yè)蒸汽凝液工

10、藝介質(zhì)T2RVRFFCT2spRVspTC1FKR第39頁(yè)/共75頁(yè)蒸汽凝液工藝介質(zhì)T2RVRFFCT2spRVspTCT1k1前饋控制器第40頁(yè)/共75頁(yè)第41頁(yè)/共75頁(yè)第42頁(yè)/共75頁(yè) 分程控制系統(tǒng)是將一個(gè)控制器的輸出分成若干個(gè)信號(hào)范圍，由各個(gè)信號(hào)段去控制相應(yīng)的控制閥，從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)控制器對(duì)多個(gè)控制閥的控制，有效地提高了過(guò)程控制系統(tǒng)的控制能力。分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng) 前面介紹的控制系統(tǒng)中，通常是一個(gè)控制器的輸前面介紹的控制系統(tǒng)中，通常是一個(gè)控制器的輸出只用來(lái)控制一個(gè)控制閥，一般工作在較小的工作區(qū)出只用來(lái)控制一個(gè)控制閥，一般工作在較小的工作區(qū)域內(nèi)，在系統(tǒng)出現(xiàn)較小的干擾時(shí)可以達(dá)到較好的控

11、制域內(nèi)，在系統(tǒng)出現(xiàn)較小的干擾時(shí)可以達(dá)到較好的控制效果。效果。 如果系統(tǒng)的工作條件不滿足于較小調(diào)節(jié)范圍或系統(tǒng)如果系統(tǒng)的工作條件不滿足于較小調(diào)節(jié)范圍或系統(tǒng)受到較大干擾甚至出現(xiàn)事故時(shí)，系統(tǒng)的控制質(zhì)量就可受到較大干擾甚至出現(xiàn)事故時(shí)，系統(tǒng)的控制質(zhì)量就可能滿足不了生產(chǎn)過(guò)程的控制要求。能滿足不了生產(chǎn)過(guò)程的控制要求。第43頁(yè)/共75頁(yè) 如閥A在控制器的輸出信號(hào)為0.02MPa0.06MPa范圍內(nèi)工作，閥B則在控制器輸出信號(hào)為0.06MPa0.1MPa范圍內(nèi)工作，每個(gè)控制閥的動(dòng)作信號(hào)范圍都是相同的。 把控制器的輸出信號(hào)分成兩段，利用不同的輸出信號(hào)分別控制兩個(gè)控制閥分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)第44頁(yè)/共75頁(yè)Y“A

12、”“B”蒸汽冷水T控制要求控制要求：反應(yīng)開(kāi)始前，需要用蒸汽加熱以達(dá)到反應(yīng)所需的溫度；當(dāng)反應(yīng)開(kāi)始后，因放出大量反應(yīng)熱，需要用冷水進(jìn)行冷卻。要求全過(guò)程自動(dòng)控制反應(yīng)器的溫度？第45頁(yè)/共75頁(yè)問(wèn)題：（1）選擇兩調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)氣關(guān)屬性；（2）溫度控制器的正反作用；（3）如何協(xié)調(diào)兩調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作；（4）如何克服廣義對(duì)象的非線性。氣關(guān)氣關(guān)氣開(kāi)氣開(kāi)第46頁(yè)/共75頁(yè)工作過(guò)程：工作過(guò)程：（1）當(dāng)溫度變低時(shí)，調(diào)節(jié)閥的氣動(dòng)信號(hào)增大。若冷水閥還未全關(guān)，則先逐步關(guān)冷水閥；否則，再開(kāi)大蒸汽閥；（2）當(dāng)溫度變高時(shí)，調(diào)節(jié)閥的氣動(dòng)信號(hào)減少。若蒸汽閥還未全關(guān)，則先逐步關(guān)蒸汽閥；否則，再開(kāi)大冷水閥；當(dāng)溫度變高時(shí)，調(diào)節(jié)閥的氣動(dòng)信號(hào)減少

13、。若蒸汽閥還未全關(guān)，則先逐步關(guān)蒸汽閥；否則，再開(kāi)大冷水閥；第47頁(yè)/共75頁(yè)（2）當(dāng)溫度變高時(shí)，調(diào)節(jié)閥的氣動(dòng)信號(hào)減少。若蒸汽閥還未全關(guān)，則先逐步關(guān)蒸汽閥；否則，再開(kāi)大冷水閥；當(dāng)溫度變高時(shí)，調(diào)節(jié)閥的氣動(dòng)信號(hào)減少。若蒸汽閥還未全關(guān)，則先逐步關(guān)蒸汽閥；否則，再開(kāi)大冷水閥；第48頁(yè)/共75頁(yè) 一類是控制閥異向動(dòng)作，即隨著控制器輸出信號(hào)的增加或減小，控制閥中一個(gè)逐漸開(kāi)大，另一個(gè)逐漸減小，異向分程控制異向分程控制的兩個(gè)控制閥一個(gè)為氣開(kāi)式，一個(gè)為氣關(guān)式。 就控制閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式分兩類：就控制閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式分兩類：第49頁(yè)/共75頁(yè)就控制閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式分兩類：就控制閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式分兩類：另一類是

14、控制閥同向動(dòng)作，即隨著控制器輸出信號(hào)的增加或減小，控制閥均逐漸開(kāi)大或逐漸減小，同向分程控制的兩個(gè)控制閥同為氣開(kāi)式或同為氣關(guān)式，第50頁(yè)/共75頁(yè)minmaxCCR 1用于擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍，以改善控制品質(zhì)控制閥有一個(gè)重要指標(biāo)是閥的可調(diào)范圍R，即Cmin最小流量系數(shù)。式中 Cmax最大流量系數(shù)；第51頁(yè)/共75頁(yè)圖中，若,100, 4maxmaxBACC且兩閥的可調(diào)范圍相等，即30BARRR用于擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍用于擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍第52頁(yè)/共75頁(yè)133.0304minC1041004maxmaxmaxBACCC30782133.0104R忽略大閥的泄漏量，當(dāng)采用分程控制后，其最小流量

15、系數(shù)為因此兩閥組合在一起的可調(diào)范圍將擴(kuò)大到最大流量系數(shù)為用于擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍用于擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍第53頁(yè)/共75頁(yè)問(wèn)題：mmABTTff第54頁(yè)/共75頁(yè)mmABABTTfffufu補(bǔ)償原理：第55頁(yè)/共75頁(yè)mmABABTTfffufu補(bǔ)償原理：“A”“B”100閥開(kāi)度(%)00.020.040.10調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)信號(hào)（MPa）0.06若:3mmABTTff3ABffuu 第56頁(yè)/共75頁(yè)如何避免兩調(diào)節(jié)閥的如何避免兩調(diào)節(jié)閥的頻繁開(kāi)閉以減少頻繁開(kāi)閉以減少N2用量用量?第57頁(yè)/共75頁(yè)氣關(guān)閥氣開(kāi)閥“B”“A”100閥開(kāi)度(%)00.020.0580.10調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)信號(hào)（MPa）0.062

16、1、控制閥引入不靈敏區(qū)。 2、同時(shí)，控制器引入調(diào)節(jié)死區(qū)如何避免兩調(diào)節(jié)閥的頻繁開(kāi)閉以減少N2用量?第58頁(yè)/共75頁(yè)回?zé)捰蜐{外甩油漿輕柴油FCTCFIC203TIC203反應(yīng)油氣一中回流分餾塔富氣粗汽油C-201D-201問(wèn)題問(wèn)題：TIC203與輕柴油的產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)系密切，需要加以有效控制。但原控制方案中三通調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)能力不足，經(jīng)常需要人工干預(yù)（手動(dòng)調(diào)節(jié)一中回流量）。如何改進(jìn)方案？要求：（1）確保TIC203的控制能力；（2）盡可能使一中回流經(jīng)換熱器進(jìn)行能量回收；（3）一中回流量作為穩(wěn)定塔的熱源，希望波動(dòng)盡可能小。第59頁(yè)/共75頁(yè)圖中VPC稱為“閥位控制器”，其測(cè)量值為主調(diào)節(jié)閥（本例中為三通調(diào)

17、節(jié)閥）的開(kāi)度。 系統(tǒng)特點(diǎn)：（1）對(duì)主參數(shù)的控制能力顯著提高。與分程控制不同的是，兩調(diào)節(jié)閥同時(shí)動(dòng)作。（2）通過(guò)設(shè)定Vsp，可實(shí)現(xiàn)能量回收的最大化。輕柴油FCTCFIC203TIC203反應(yīng)油氣一中回流分餾塔VPCTspVsp第60頁(yè)/共75頁(yè)“急先治標(biāo)，緩再治本急先治標(biāo)，緩再治本”第61頁(yè)/共75頁(yè)第62頁(yè)/共75頁(yè)第63頁(yè)/共75頁(yè)第64頁(yè)/共75頁(yè)放熱反應(yīng)器HSTC冷卻液產(chǎn)品進(jìn)料Tsp第65頁(yè)/共75頁(yè)第66頁(yè)/共75頁(yè)TC氣氨氣開(kāi)閥液氨待冷卻物料如何實(shí)現(xiàn)待冷卻物料溫度的控制，并保證液氨不滿罐?第67頁(yè)/共75頁(yè)1.控制器正反作用的選擇；2.選擇器(低選器LS或高選器HS)的選擇。第68頁(yè)/共75頁(yè)1.控制器正反作用的選擇；2.選擇器(低選器LS或高選器HS)的選擇。 選擇器的性質(zhì)只是取決于起超馳作選擇器的性質(zhì)只是取決于起超馳作用的那個(gè)控制器用的那個(gè)控制器第69頁(yè)/共75頁(yè)LC閥液位對(duì)象溫度測(cè)量Tsp液位測(cè)量LmaxLS