《過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表》 教案 17.復(fù)雜控制系統(tǒng)

《過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表》課程教案NO.17授課班級(jí)周次日期任課教師復(fù)習(xí)提問(wèn)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與參數(shù)整定學(xué)習(xí)模塊模塊六過(guò)程控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)任務(wù)任務(wù)3復(fù)雜控制系統(tǒng)授課內(nèi)容復(fù)雜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及參數(shù)整定課時(shí)2教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：1.了解各類復(fù)雜控制系統(tǒng)組成及應(yīng)用；2.掌握串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；3.掌握串級(jí)控制參數(shù)的工程整定。能力目標(biāo)：1.培養(yǎng)學(xué)生串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力；2.培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力。素質(zhì)目標(biāo)：1.培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和勇于進(jìn)取的精神。重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：串級(jí)控制方案設(shè)計(jì)與參數(shù)整定；難點(diǎn)：其他復(fù)雜控制系統(tǒng)。授課過(guò)程步驟內(nèi)容方法、資源運(yùn)用1復(fù)雜控制系統(tǒng)分類多媒體課件、實(shí)例演示2串級(jí)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)多媒體課件、實(shí)例演示3串級(jí)控制系統(tǒng)控制器參數(shù)整定多媒體課件、實(shí)例演示4其他復(fù)雜控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介多媒體課件、實(shí)例演示5授課方式講授教學(xué)地點(diǎn)教室教學(xué)資源過(guò)程控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)圖、投影系統(tǒng)、PPT電子課件

教學(xué)時(shí)間教學(xué)內(nèi)容注釋5分鐘回顧簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容，進(jìn)行復(fù)習(xí)提問(wèn)。80分鐘一、復(fù)雜控制系統(tǒng)的分類復(fù)雜控制系統(tǒng)分為:串級(jí)控制、分程控制、均勻控制、比值控制、前饋控制等。二、串級(jí)控制系統(tǒng)1．串級(jí)控制系統(tǒng)典型方塊圖主變量——工藝最終要求控制的被控變量；副變量——為穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量；主對(duì)象——表征主變量的生產(chǎn)設(shè)備；副對(duì)象——表征副變量的生產(chǎn)設(shè)備；主控制器——按主變量與工藝設(shè)定值的偏差工作，其輸出作為副控制器的外設(shè)定值，在系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用；副控制器——按副變量與主控制器來(lái)的外設(shè)定值的偏差工作，其輸出直接操縱控制閥；主測(cè)量變送器——對(duì)主變量進(jìn)行測(cè)量及信號(hào)轉(zhuǎn)換的變送器；副測(cè)量變送器——對(duì)副變量進(jìn)行測(cè)量及信號(hào)轉(zhuǎn)換的變送器；主回路——是指由主測(cè)量變送器，主、副控制器，執(zhí)行器和主、副對(duì)象構(gòu)成的外回路，又叫主環(huán)或外環(huán)；副回路——是指由副測(cè)量變送器、副控制器、執(zhí)行器和副對(duì)象構(gòu)成的內(nèi)回路，又稱副環(huán)或內(nèi)環(huán)。串級(jí)控制系統(tǒng)的組成方塊圖。2．串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)1）主回路為定值控制系統(tǒng)，而副回路是隨動(dòng)控制系統(tǒng)。2）結(jié)構(gòu)上是主、副控制器串聯(lián)，主控制器的輸出作為副控制器的外設(shè)定，形成主、副兩個(gè)回路，系統(tǒng)通過(guò)副控制器操縱執(zhí)行器。3）副回路對(duì)象時(shí)間常數(shù)小，動(dòng)作迅速，但控制不一定精確，具有先調(diào)、粗調(diào)、快調(diào)的特點(diǎn)；主回路對(duì)象時(shí)間常數(shù)大，動(dòng)作滯后，但主控制器能進(jìn)一步消除副回路沒(méi)有克服掉的干擾，具有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn)。4）抗擾動(dòng)能力強(qiáng)，對(duì)進(jìn)入副回路的擾動(dòng)抑制力更強(qiáng)，控制精度高，控制滯后小。因此，它特別適用于溫度對(duì)象等滯后大的場(chǎng)合。3.串級(jí)控制系統(tǒng)的控制方案設(shè)計(jì)（1）副變量的選擇串級(jí)控制系統(tǒng)中主變量和控制閥的選擇與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的被控變量與控制閥的選用原則相同。副變量的選擇是設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，在選擇過(guò)程中應(yīng)考慮以下原則：1）副回路應(yīng)包括盡可能多的擾動(dòng)，尤其是主要的擾動(dòng)。2）盡量不要把純滯后環(huán)節(jié)包含在副回路中，以提高副回路的快速抗干擾能力。3）主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)不能太接近。副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)應(yīng)小于主對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，一般主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)之比在3-10之間。舉例：（2）主副控制器控制規(guī)律的選擇為了高精度地穩(wěn)定主變量。主控制器通常都選用比例積分控制規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)主變量的無(wú)差控制。副變量的給定值是隨主控制器的輸出變化而變化的。副控制器一般采用比例控制規(guī)律。（3）主副控制器的正、反作用方式選擇1）串級(jí)控制系統(tǒng)中的副控制器作用方向的選擇：根據(jù)工藝安全等要求，選定執(zhí)行器的氣開(kāi)、氣關(guān)形式后，按照使副控制回路成為一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)的原則來(lái)確定。2）串級(jí)控制系統(tǒng)中主控制器作用方向的選擇：當(dāng)主、副變量增加（減?。r(shí)，如果由工藝分析得出，為使主、副變量減?。ㄔ黾樱?，要求控制閥的動(dòng)作方向是一致的時(shí)候，主控制器應(yīng)選“反”作用；反之，則應(yīng)選“正”作用。4.串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定（1）兩步整定法按照串級(jí)控制系統(tǒng)主、副回路的情況，先整定副控制器，后整定主控制器的方法。1）在工況穩(wěn)定，主、副控制器都在純比例作用運(yùn)行的條件下，將主控制器的比例度先固定在100％的刻度上，逐漸減小副控制器的比例度，求取副回路在滿足某種衰減比（如4∶1）過(guò)渡過(guò)程下的副控制器比例度和操作周期，分別用δ2s和T2s表示。2）在副控制器比例度等于δ2s的條件下，逐步減小主控制器的比例度，直至得到同樣衰減比下的過(guò)渡過(guò)程，記下此時(shí)主控制器的比例度δ1s和操作周期T1s。3）根據(jù)上面得到的δ1s、T1s、δ2s、T2s，按下表計(jì)算主、副控制器的比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間。調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)參數(shù)比例度δ／％積分時(shí)間TI微分時(shí)間TD/minPδSPI1.2δS0.5TSPID0.8δS0.3TS0.1TS4）按“先副后主”、“先比例次積分后微分”的整定規(guī)律，將計(jì)算出的控制器參數(shù)加到控制器上。5）觀察控制過(guò)程，適當(dāng)調(diào)整，直到獲得滿意的過(guò)渡過(guò)程。（2）一步整定法根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將副控制器一次放好，不再變動(dòng)，然后按一般單回路控制系統(tǒng)的整定方法直接整定主控制器參數(shù)。三、其他控制系統(tǒng)1.均勻控制系統(tǒng)（1）均勻控制的目的（大屏幕投影）逐一解說(shuō)串級(jí)控制相關(guān)知識(shí)，案例分析讓學(xué)生加深印象。為了解決前后工序供求矛盾，達(dá)到前后兼顧協(xié)調(diào)操作，使液位和流量均勻變化，組成的系統(tǒng)稱為均勻控制系統(tǒng)。（2）均勻控制的特點(diǎn)1）兩個(gè)變量在控制過(guò)程中都應(yīng)該是緩慢變化的。2）前后互相聯(lián)系又互相矛盾的兩個(gè)變量應(yīng)保持在所允許的范圍內(nèi)波動(dòng)。（3）均勻控制方案2.比值控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。通常為流量比值控制系統(tǒng)。（1）單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)相乘方案和相除方案（2）雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)（3）變比值控制系統(tǒng)要求兩種物料的比值能靈活地隨第三變量的需要而加以調(diào)整，這樣就出現(xiàn)一種變比值控制系統(tǒng)，又稱串級(jí)比值控制系統(tǒng)。3.前饋控制系統(tǒng)（1）前饋與反饋的區(qū)別控制形式控制所依據(jù)的信號(hào)檢測(cè)信號(hào)控制系統(tǒng)組態(tài)控制作用發(fā)生的時(shí)間反饋控制被控變量的偏差大小被控變量閉環(huán)偏差出現(xiàn)之后前饋控制干擾量的大小干擾量開(kāi)環(huán)偏差出現(xiàn)之前（2）前饋控制的應(yīng)用場(chǎng)合1）系統(tǒng)中存在頻繁且幅值大的干擾，這種干擾可測(cè)但不可控，對(duì)被控變量影響比較大，采用反饋控制難以克服，但工藝上對(duì)被控變量的要求又比較嚴(yán)格，可以考慮引入前饋回路來(lái)改善控制系統(tǒng)的品質(zhì)。2）當(dāng)采用串級(jí)控制系統(tǒng)仍不能把主要干擾包含在副回路中時(shí)，采用前饋-反饋控制系統(tǒng)，可獲得更好的控制效果。3）當(dāng)對(duì)象的控制通道滯后大，反饋控制不及時(shí)，控制質(zhì)量差，可采用前饋-反饋控制系統(tǒng)，以提高控制質(zhì)量。4.分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)是通過(guò)將一個(gè)控制器的輸出分成若干個(gè)信號(hào)范圍，每一個(gè)信號(hào)段分別控制一個(gè)控制閥，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)控制器對(duì)多個(gè)控制閥的開(kāi)度控制，從而在較大范圍內(nèi)控制進(jìn)入被控對(duì)象的能量或原料，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)的控制。5.選擇控制系統(tǒng)在這些大型工藝生產(chǎn)過(guò)程中，除了要求控制系統(tǒng)在生產(chǎn)處于正常運(yùn)行情況下，能夠克服外界干擾，維持生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)行外，當(dāng)生產(chǎn)操作達(dá)到安全極限時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)有一種應(yīng)變能力，能采取相應(yīng)的保護(hù)措施，促使生產(chǎn)操作離開(kāi)安全極限，返回到正常情況。選擇性控制系