過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表第潘永湘高性能過(guò)程控制詳解PPT課件

1、 第第6 6章章 常用高性能過(guò)程控制系常用高性能過(guò)程控制系統(tǒng)統(tǒng)第1頁(yè)/共25頁(yè)1 1）了解串級(jí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用背景，熟悉串級(jí)）了解串級(jí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用背景，熟悉串級(jí)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)；控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)；2 2）掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，熟悉串級(jí)）掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，熟悉串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法；控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法；3 3）了解前饋控制的原理及使用場(chǎng)合；）了解前饋控制的原理及使用場(chǎng)合；4 4）掌握前饋補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)方法，熟悉前饋）掌握前饋補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)方法，熟悉前饋反饋復(fù)合控制的特點(diǎn)及工業(yè)應(yīng)用；反饋復(fù)合控制的特點(diǎn)及工業(yè)應(yīng)用；5 5）了解大滯后被控過(guò)程的解決方案，掌握大）了解

2、大滯后被控過(guò)程的解決方案，掌握大滯后過(guò)程控制的設(shè)計(jì)方案。滯后過(guò)程控制的設(shè)計(jì)方案。第2頁(yè)/共25頁(yè) 一、什么是串級(jí)控制？它是怎樣提一、什么是串級(jí)控制？它是怎樣提出來(lái)的？其組成結(jié)構(gòu)怎樣出來(lái)的？其組成結(jié)構(gòu)怎樣? ?（圖（圖6 61;1;） 工藝流程?控制要求?系統(tǒng)分析問(wèn)題：過(guò)渡過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，調(diào)節(jié)不及時(shí)解決辦法：串級(jí)控制( (圖6 63 3）圖6 62 2第3頁(yè)/共25頁(yè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)6.1.2 6.1.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的控制效果1.1.能迅速克服二次干擾（圖6 65 5） 202*02220221cvmYsGsGsFsGs Gs Gs Gs111212ccvYsXsKKKYsFs 控制能力和抗干擾能力綜合定

3、義為： 1120201112020111ccvccvmY sGs Gs G s Gs GsX sGs Gs G s Gs Gs Gs *10201*212020111ccvmY sGs GsF sG s Gs G s Gs Gs Gs sGsGsGsFsYsXsYvcc21211111( )cG sK22( )CCGsK( )VVGsK第4頁(yè)/共25頁(yè) sGsGsGsGsGsGsGsGsGsXsYmvcvc101020102111 sGsGsGsGsGsGsFsYmvc1020102211 控制能力和抗干擾能力綜合為： sGsGsFsYsXsYvc2111( )CCG sK( )VVG sK

4、1112cvY sXsK KY sFs12CCCK KK一般情況下有：結(jié)論：提高了控制質(zhì)量2.2.能改善控制通道的動(dòng)態(tài)特性，提高工作頻率（1 1）等效時(shí)間常數(shù)減小，響應(yīng)速度加快；( (分析比較圖6 65 5和圖6 67 7） 22020220222022( )( )( )1cvcvcvmYsGs Gs GsGsGs G s GsXsGs Gs Gs Gs0202022222( )1 ,( ),( ),( )ccvvmmGsKTsGsKGsKGsK2020202220202202220202020222021( )111111cvcvmcvcvmcvmKK KTsGsKK KKTsKK KKK

5、KKKTTssKK KK0202TT第5頁(yè)/共25頁(yè)串級(jí)系統(tǒng)的特征方程為： 10201110cmGs Gs Gs Gs 010101111102/1,( )ccmmG sKT sG sKG sK G s如式（611）所示，則10201102011/110cmK K K KT sT s 20102120110102010210ccmTTK KK KssT TT T01020010221020110010221cmTTTTKKKKTT220020ss串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率為：02100201220211TTTT 串對(duì)同一過(guò)程，采用單回路控制方案，用同樣的分析方法，可得：020102012 2 02

6、11TTTT 單若兩種方案的阻尼系數(shù)相同，則有：02010201020102010201020111TTTTTTTTTTTT單串02010201TTTT單串第6頁(yè)/共25頁(yè)結(jié)論：結(jié)論：副回路改善了動(dòng)特性、提高了響應(yīng)速度和工作頻率；當(dāng)主、副時(shí)間常數(shù)比值一定，副回路改善了動(dòng)特性、提高了響應(yīng)速度和工作頻率；當(dāng)主、副時(shí)間常數(shù)比值一定，副調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)越大，工作頻率越高；同樣，當(dāng)比例系數(shù)一定，主、副時(shí)間常數(shù)比副調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)越大，工作頻率越高；同樣，當(dāng)比例系數(shù)一定，主、副時(shí)間常數(shù)比值越大，工作頻率也越高。其結(jié)果使值越大，工作頻率也越高。其結(jié)果使振蕩周期縮短，提高了系統(tǒng)的控制質(zhì)量。振蕩周期縮短，提高了

7、系統(tǒng)的控制質(zhì)量。3 3 能適應(yīng)負(fù)荷和操作條件的劇烈變化副回路的等效放大系數(shù)為：2020220221cvcvmKK KKKK KK2022021cvmK k K KK幾乎不變2）能改善控制通道的動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力；3）對(duì)非線(xiàn)性情況下的負(fù)荷或操作條件的變化有一定的適應(yīng)能力。綜上所述，串級(jí)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：1）對(duì)進(jìn)入副回路的干擾有很強(qiáng)的抑制能力；第7頁(yè)/共25頁(yè)6.1.3 6.1.3 串級(jí)控制系統(tǒng)的適用范圍1. 1. 適用于容量滯后較大的過(guò)程：選容量滯后較小的輔助變量，減小時(shí)常，提高頻率。（圖6 68 8）2. 2. 適用于純滯后較大的過(guò)程：（圖6 69, 9, ）工藝要求：過(guò)濾前

8、的壓力穩(wěn)定在250Pa;250Pa;特點(diǎn)：距離長(zhǎng)，純滯后時(shí)間長(zhǎng)。仿絲膠液壓力與壓力串級(jí)控制。3. 3. 適用于干擾變化劇烈、幅度大的過(guò)程：（圖6 61010）工藝要求：汽包液位控制，特點(diǎn)：快裝鍋爐容量小，蒸汽流量與水壓變化頻繁、激烈三沖量液位串級(jí)控制。4. 4. 適用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過(guò)程：（圖6 61111） 第8頁(yè)/共25頁(yè)同一種介質(zhì)控制兩種參數(shù)( (圖6 611)11)單回路控制：兩套裝置，不經(jīng)濟(jì)又無(wú)法工作；常壓塔塔頂出口溫度和一線(xiàn)溫度串級(jí)控制。5. 5. 適用于非線(xiàn)性過(guò)程特點(diǎn)：負(fù)荷或操作條件改變導(dǎo)致過(guò)程特性改變。若：?jiǎn)位芈房刂?，需隨時(shí)改變調(diào)節(jié)器整定參數(shù)以保證系統(tǒng)的衰減率不變；串級(jí)控制，則

9、可自動(dòng)調(diào)整調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。（圖612）合成反應(yīng)器溫度串級(jí)控制：換熱器呈非線(xiàn)性特性注意：串級(jí)控制雖然應(yīng)用范圍廣，但必須根據(jù)具體情況，充分利用優(yōu)點(diǎn)，才能收到預(yù)期的效果。第9頁(yè)/共25頁(yè)a a）：燃料油壓力為主）：燃料油壓力為主要干擾；要干擾；b b）：燃料油粘度、成）：燃料油粘度、成分、熱值、處理量為分、熱值、處理量為主要干擾主要干擾1. 1. 副回路的設(shè)計(jì)與副參數(shù)的選擇選擇原則：（1 1）副參數(shù)要物理可測(cè)、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)要小、純滯后時(shí)間要盡可能短。如圖6 63 3、圖6 68 8等（2） 副回路要盡可能多地包含變化頻繁、幅度大的干擾，但也不能越多越好。如圖613 a)、b)所示。（3 3）主

10、、副過(guò)程的時(shí)間常數(shù)要適當(dāng)匹配. .2022010201020102010211/1/1/1/cvmK K K KTTTTTTTT串單當(dāng)串級(jí)控制與單回路控制的阻尼系數(shù)相等時(shí)，有第10頁(yè)/共25頁(yè)假設(shè)假設(shè) 20221cvmK K K K為常量( (圖6 61414）圖示說(shuō)明。；主、副被控過(guò)程時(shí)常不能太大也不能太小？頻率的比值大于3 3，時(shí)常的比值在3 31010范圍內(nèi)選擇（4 4）應(yīng)綜合考慮控制質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性要求( (圖6 61515）a)a) 冷劑液位為副參數(shù)，投資少，控制質(zhì)量不高；b)b) 冷劑蒸發(fā)壓力為副參數(shù)，投資多，控制質(zhì)量較高。選擇應(yīng)視具體情況而定。第11頁(yè)/共25頁(yè)2 2 主、副調(diào)節(jié)器調(diào)

11、節(jié)規(guī)律的選主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇擇主調(diào)：定值控制；副調(diào)：隨動(dòng)控制。主被控參數(shù)要無(wú)靜差PI,PIDPI,PID調(diào)節(jié)；副被控參數(shù)允許有靜差P P, ,不引入PIPI；為保穩(wěn)定，P P選大時(shí)，可引入積分；不引入微分。3 3 主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇（開(kāi)環(huán)放大系數(shù)為正）選擇步驟：工藝要求調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)副調(diào)節(jié)器的正、反作用主、副過(guò)程的正、反作用主調(diào)節(jié)器的正、反作用。示例(圖68）燃油閥氣開(kāi)，副對(duì)象為正過(guò)程，副調(diào)為反作用調(diào)節(jié)器；主對(duì)象也為正過(guò)程，主調(diào)為反作用調(diào)節(jié)器主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式選擇參見(jiàn)188188頁(yè)表 6-16-1第12頁(yè)/共25頁(yè)6.1.5 6.1.5 串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整串

12、級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定定 整定原則：整定原則： 盡量加大副調(diào)節(jié)器的增益，提高副回路的頻率，使主、副回路的盡量加大副調(diào)節(jié)器的增益，提高副回路的頻率，使主、副回路的頻率錯(cuò)開(kāi)，以減少相互影響頻率錯(cuò)開(kāi)，以減少相互影響1. 1. 逐步逼近整定法1 1） 主開(kāi)環(huán)、副閉環(huán)，整定副調(diào)的參數(shù)；記為12( )CGs2) 2) 副回路等效成一個(gè)環(huán)節(jié)，閉合主回路，整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)，記為11( )CGs3 3）觀察過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)，滿(mǎn)足要求，所求調(diào)節(jié)器參數(shù)即為11( )CGs12( )CGs否則，再整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，記為22()CGs。反復(fù)進(jìn)行，滿(mǎn)意為止。該方法適用于主、副過(guò)程時(shí)常相差不大、主、副回路動(dòng)態(tài)聯(lián)系密切，需反復(fù)進(jìn)行

13、，費(fèi)時(shí)較多2. 2. 兩步整定法1 1）主、副閉合，主調(diào)為比例, ,比例度為百分之一百，先用4 4比1 1衰減曲線(xiàn)法整定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，求得比例度和操作周期；第13頁(yè)/共25頁(yè)2) 2) 等效副回路，整定主調(diào)參數(shù)，求得主回路在等效副回路，整定主調(diào)參數(shù)，求得主回路在4 4比比1 1衰減比下的衰減比下的比例度和操作周期；根據(jù)兩種情況下的比例度和操作周期，按經(jīng)比例度和操作周期；根據(jù)兩種情況下的比例度和操作周期，按經(jīng)驗(yàn)公式求出主、副調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間和微分時(shí)間，然后再按先副驗(yàn)公式求出主、副調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間和微分時(shí)間，然后再按先副后主、先比例后積分再微分的次序投入運(yùn)行，觀察曲線(xiàn)，適當(dāng)調(diào)后主、先比例后積分再

14、微分的次序投入運(yùn)行，觀察曲線(xiàn)，適當(dāng)調(diào)整，滿(mǎn)意為止。整，滿(mǎn)意為止。21T3. 3. 一步整定法思路：先根據(jù)副過(guò)程特性或經(jīng)驗(yàn)確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后一步完成主調(diào)節(jié)器的參數(shù)的整定。理論依據(jù)：主、副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)在1 1）主、副調(diào)節(jié)器均置比例控制，根據(jù)約束條件或經(jīng)驗(yàn)確定5 . 0021ccKK條件下，主、副過(guò)程特性一定時(shí)，21ccKK為一常數(shù)。2cK 2) 2) 等效副回路，按衰減曲線(xiàn)法整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)；3 3）觀察曲線(xiàn)，在約束條件下，適當(dāng)調(diào)整主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，滿(mǎn)意為止。；4. 4. 應(yīng)用舉例: :硝酸生產(chǎn)用氧化爐，主參數(shù)：爐溫，PIPI調(diào)節(jié)；副參數(shù)：氨氣流量，P P調(diào)節(jié)；主、副動(dòng)態(tài)聯(lián)系小，兩步整

15、定法。12 s1 sT1s1為100100為32，為15s15s；1）2 2）副調(diào)置于3232，得主調(diào)的為50，為7min7min。3 3）運(yùn)用計(jì)算公式得：為6060，為3.5min3.5min,為32%32%。2 sT第14頁(yè)/共25頁(yè)6.2 6.2 前饋控制系統(tǒng)6.2.1 6.2.1 前饋控制的基本概念又稱(chēng)干擾補(bǔ)償控制：按干擾大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，克服干擾比反饋快；理論上，可實(shí)現(xiàn)理想控制。圖616，圖617原理說(shuō)明。補(bǔ)償器的計(jì)算： 0FBY sGsGs GsF s sGsGsGFB06.2.2 前饋控制的特點(diǎn)及局限性1.1.前饋控制的特點(diǎn)1 1）開(kāi)環(huán)控制； 2 2）比反饋控制及時(shí)；3 3）補(bǔ)償器為

16、專(zhuān)用2.2. 前饋控制的局限性：無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的完全補(bǔ)償1 1）只能抑制可測(cè)干擾；2 2）不能對(duì)每個(gè)干擾實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償；3 3）補(bǔ)償器難以精確得到，即使得到有時(shí)物理上也難以實(shí)現(xiàn)結(jié)論：不單獨(dú)使用第15頁(yè)/共25頁(yè)6.2.3 6.2.3 靜態(tài)補(bǔ)償與動(dòng)態(tài)補(bǔ)償1.1.靜態(tài)補(bǔ)償： 00(0)/(0)BFBGGGK圖616中：0021()fpq Hq C TT0021fpq HTTq C2000fpdTHKdqq C220021fffpfdTq HTTKqdqCq2100()fpBKCTTKKH 該補(bǔ)償器用比例調(diào)節(jié)器即可實(shí)現(xiàn)2. 2. 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償： sGsGsGFB0/由于精確模型難以得到或難以實(shí)現(xiàn)，只有要求嚴(yán)格

17、控制動(dòng)態(tài)偏差時(shí)才采用。6.2.4 6.2.4 前饋反饋復(fù)合控制（圖6 61818）作用機(jī)理分析： sFsGsGsGsGsGsXsGsGsGsGsYcBFcc000011 00sGsGsGBF )(/0sGsGsGFB前饋反饋控制的優(yōu)越性？第16頁(yè)/共25頁(yè)復(fù)合控制系統(tǒng)的特征方程式： 010sGsGc，與前饋補(bǔ)償器無(wú)關(guān)設(shè)計(jì)步驟：1 1）獨(dú)立設(shè)計(jì)反饋控制系統(tǒng)；2 2）再設(shè)計(jì)前饋補(bǔ)償器6.2.5 6.2.5 引入前饋的原則及應(yīng)用實(shí)例1. 1. 引入前饋控制的原則 1 1）系統(tǒng)存在頻率高、幅值大、可測(cè)不可控的干擾，反饋控制難以克 服、控制要求高時(shí)；2 2）控制通道時(shí)常大于干擾通道時(shí)常，反饋控制不及時(shí)，

18、控制質(zhì)量差；3 3）主要干擾無(wú)法用串級(jí)控制使其包含于副回路或副回路滯后過(guò)大時(shí)；4 4）盡可能采用靜態(tài)補(bǔ)償而不采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。2. 2. 復(fù)合控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例（1 1）蒸發(fā)過(guò)程的濃度控制( (圖6 61919）50507373溶液沸點(diǎn)與水沸點(diǎn)之溫差（被控量）進(jìn)料溶液濃度、溫度、流量，加熱蒸汽壓力、流量方案：蒸汽流量為前饋信號(hào)、溫差為反饋信號(hào)、進(jìn)料溶液為控制參數(shù)的復(fù)合控制第17頁(yè)/共25頁(yè)（2 2）鍋爐汽包水位控制水位控制的重要性。影響因素：蒸汽用量（不可控）、給水流量（選為控制參數(shù)）問(wèn)題：“虛假水位”。影響控制效果。解決方案：蒸汽流量為前饋信號(hào)，給水流量為副參數(shù)，水位為主參數(shù)前饋反饋串級(jí)控制( (

19、圖6 62020）6.3 6.3 大滯后過(guò)程控制系統(tǒng)6.3.1 6.3.1 大滯后過(guò)程概述純滯后：介質(zhì)傳輸、化學(xué)反應(yīng)、管道混合、皮帶傳送、軋輥傳輸、多容器串聯(lián)成分測(cè)量等。純滯后的程度：3 . 0/ T3 . 0/ T稱(chēng)為一般純滯后；稱(chēng)為大純滯后。大純滯后難于控制：物理意義：1 1）測(cè)量純滯后使調(diào)節(jié)作用不及時(shí)；2 2）控制介質(zhì)傳輸滯后使調(diào)節(jié)動(dòng)作不及時(shí)；理論分析：開(kāi)環(huán)頻率特性相角滯后穩(wěn)定裕度解決方案：微分先行、中間反饋、斯密斯預(yù)估、內(nèi)模控制等第18頁(yè)/共25頁(yè)6.3.2 6.3.2 史密斯預(yù)估控制1. 1. 史密斯預(yù)估控制：預(yù)先估計(jì)動(dòng)態(tài)模型預(yù)估器使滯后了的被控量提前反饋調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作減少超調(diào)、加速

20、調(diào)節(jié)過(guò)程。 001scscYsGs Gs eXsGs Gs e 00ssYsGs eGsGsUs 01ssGsGse scScscScscScscesGsGsGsGesGsGsGsGesGsGsGsGesGsGsXsY00001111 sGsGesGsGcsc001 2. 2. 仿真實(shí)例有關(guān)參數(shù)。實(shí)線(xiàn)為史密斯預(yù)估控制結(jié)果，虛線(xiàn)為單回路控制結(jié)果單回路控制第19頁(yè)/共25頁(yè)6.3.3 6.3.3 改進(jìn)型史密斯預(yù)估控制1. 1. 增益自適應(yīng)預(yù)估控制 scesGsUsYABAsDsDssDsUsGsDsDsDsYsYsXsGsU022301311當(dāng)模型相等時(shí)，等效為圖625當(dāng)存在差異時(shí)，通過(guò)1s產(chǎn)生超

21、前作用，使調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作，以減小超調(diào)和加快調(diào)節(jié)過(guò)程。2.2.動(dòng)態(tài)參數(shù)自適應(yīng)預(yù)估控制當(dāng)模型準(zhǔn)確時(shí)，主反饋信號(hào)為零，其效果同史密斯預(yù)估控制；當(dāng)有差異時(shí)，主反饋的動(dòng)態(tài)變化經(jīng)慣性濾波后反饋，以增強(qiáng)適應(yīng)性。第20頁(yè)/共25頁(yè)慣性濾波器的設(shè)計(jì))1)(11 (1)1)(11 ()()(1)()()(002200220202sTKsTKsTKsTKsGsGsGsGsGcCcCCCF111102002002sTsKKTKKsTKKFCCC設(shè)計(jì)思路：設(shè)兩個(gè)調(diào)節(jié)器均為PIPI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器1 1按模型完全準(zhǔn)確時(shí)設(shè)計(jì)；調(diào)節(jié)器2 2按具體情況設(shè)計(jì)，設(shè)對(duì)象的非滯后部分為一階慣性環(huán)節(jié)，且調(diào)節(jié)器2 2的積分時(shí)常與慣性時(shí)常相等

22、，則有6.3.4 6.3.4 內(nèi)?？刂艷arcia 82Garcia 82年提出，結(jié)構(gòu)與史密斯相似，它不僅能明顯改善大滯后過(guò)程的控制品質(zhì)，且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)性能好、魯棒性強(qiáng)。1.1.內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu) 000000( )( )( )1( )1( )( )1( )( )ccccY sX sF sGs G sGs G sGs G sG sGs G sG s第21頁(yè)/共25頁(yè)2. 2. 理想內(nèi)?？刂破骷僭O(shè)模型沒(méi)有誤差，則有 00( )( )1( )( )ccY sGs Gs X sGs GsF s當(dāng)X(s)=0,F(s)0X(s)=0,F(s)0時(shí)： 01( )( )cY sGs G sF s假設(shè)模型“可倒”且物理可實(shí)現(xiàn)令 01/cGsG則有 Y(s)=0;Y(s)=0;同樣，當(dāng)X(s)0X(s)0，F(xiàn)(s)=0F(s)=0時(shí)： 0001( )( )( )(