特定要求而开发的控制系统

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1、第三章 按某些特定要求而开发的控制系统,黄越洋 信息与控制工程学院自动化系,2,本章内容,比值控制系统 均匀控制系统 分程控制系统 选择性控制系统,3,3.1 比值控制系统,本节要点 3.1.1 比值控制概述 3.1.2 常见的比值控制方案 3.1.3 比值控制系统的实施 3.1.4 比值控制系统的设计、投运及整定 3.1.5 比值控制系统中若干问题的讨论,4,3.1.1比值控制概述,比值控制问题的由来,问题：当NaoH用量QB变化时，调整稀释水量QA 以使稀释液NaoH的浓度为68%左右。 解决方案： （1）出口浓度控制； （2）入口流量的比值控制（流量比值 ？）。,溶液配制问题,5,3.1

2、.1比值控制概述,比值控制的定义,定义实现使两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统称为比值控制系统。,油品调合,废水处理,注意：比值系统定义不是按其系统结构，而是按控制目的要求而定义。,6,3.1.1比值控制概述,主流量：起主导作用的流量，用Q1表示； 副流量：跟随主流量而变化的流量，用Q2表示。,比值控制系统就是要实现副流量与主流量成一定的比值关系，即,式中，K为副流量与主流量的流量比值。,7,3.1.1比值控制概述,一般的比值控制问题,要求：Q2 / Q1 = K（比值系数）而Q1 为主动流量， Q2 为可控量，要求设计一控制系统通过调节Q2 以实现上述比值控制目标。,8,3.1.2

3、比值控制方案,开环比值控制,认为阀的开度(输入)与流量是对应关系, 认为是线性关系 。,特点：结构简单，仪表少。 缺点：开环控制，比值不准确,应用：NaOH浓度稳定 H2O压力稳定 总量不限,9,3.1.2比值控制方案,单闭环比值控制,(1) 引入原因：单闭环控制系统主要解决从动量压力波 动造成的比例失调。 (2) 单闭环比值控制：Q1流量测量乘以系数K做为Q2 流量的给定值。即 I1KI2 优点：比值精确。缺点：Q1+Q2总量随Q1变。,10,3.1.2比值控制方案,双闭环比值控制,引入原因：克服主动量波动。两个流量都是闭环，Q1是定值控制，同时把测量信号I1乘以K做为第二个流量Q2的给定值

4、，即 I1KI2 。 优点： 比值准确，总量一定。 提、降负荷容易。 缺点：投资大。,11,3.1.2比值控制方案,上述三种比值控制方案的一个共同特点是它们都以保持两物料流量比值一定为目的，比值计算器的参数经计算设置好后不在变动，工艺要求的实际流量比值K也就固定不 变，因此统称为定比值控制系统。,12,3.1.2比值控制方案,变比值控制例： 氧化率与 比值影响最大。对RC调节器，测量值为 两流量的比值，所以称为比值控制器，同时其给定值是T的输出, 输出是变化的，所以又称变比值控制。,控制过程是T变化改变的比值来控制氧化炉温度。,Q1,Q2,I1,I2,T0,13,3.1.2比值控制方案,变比值

5、控制,Q1,14,3.1.3 比值控制的实施,差压变送器输出信号,K：比值器的设定系数, k： 流量比。,Q1max和Q2max分别为主、副流量变送器的最大量程,则有,可得工艺要求的流量比值,由此可折算成仪表的比值系数,差压测量加开方,比值系数的折算,15,3.1.3比值控制的实施, 差压测量不加开方,流量与压差的关系为,工艺要求的流量比值,则有,可折算成仪表的比值系数,流量Q对应的输出电流为,16,3.1.3比值控制的实施,比值控制的实施方法 相乘方案依据Q2=kQ1可以对Q1的测量值乘以比值k,作为Q2流 量控制器的设定值. 相除方案依据Q2/Q1=k可以将Q2与Q1的测量值相除,作为比值

6、 控制器的设定值.,17,2. 相除方案,对 RC 控制器，测量值为比值，信号比。,有开方器：, 稳定性下降，注意负荷变化对稳定性影响。,假设除法器的输入变量是Q2，输出变量是K，因此对象的静态增益是,1.相乘方案 表示乘法器。比值系统的设计任务，是要按工艺要求的流量比值k来正确设置图中仪表的比值系数K。,3.1.3比值控制的实施,18,3.1.4比值控制的设计、投运及整定,主、从动量的确定设计比值控制系统时，需要先确定主、从动量。其原则是在生产过程中起主导作用、可测而不可控、且较昂贵的物料流量一般为主动量。 其余的物料量以它为准进行配比，则为从动量。 控制方案的选择根据不同的工艺情况、负荷变

7、化、扰动性质、控制要求等进行合理选择。 控制器控制规律的确定由不同控制方案和控制要求而确定。,19,3.1.4比值控制的设计、投运及整定,比值控制系统的投运 投运前的准备工作i 充分了解控制意图ii 仪表的接线、校验iii 设置好初始参数 投运 原则： 无扰动切换步骤: i 手动 手动操作控制器的输出值,使测量值等于给定值；ii 手动切到自动,20,3.1.4比值控制的设计、投运及整定,比值控制系统的整定在比值控制系统中，变比值控制系统因结构上是串级控制系统，因此主控制器按串级控制系统整定。双闭环比值控制系统的主流量回路可按单回路定值控制系统整定。,21,3.1.5比值控制若干问题讨论,1.

8、关于开方器的使用 不加开方器：测量环节的放大倍数：因为 为常数，所以KmQ，非线性稳定性下降，动态难跟踪。 加开方器：测量环节的放大倍数： 线性,不随负荷变化，稳定性不变。,22,2. 动态跟踪,动态跟踪即在变化过程中保证 两流量的比值关系。如图所示在比值控制系统中人 为加入一个动态补偿环节GZ(s)。,k,动态补偿,主流量对副流量的传递函数为,因为要求副流量跟随主流量变化，在同步情况下无相位差，为此Q2(s) = kQ1(s),k,23,2. 动态跟踪,因为 (设流量与流量信号为线性关系)所以补偿式为,24,3. 逻辑提量问题,保持比值有个先后的问题，蒸汽压力是控制目标，燃料是调节量，如图所

9、示，锅炉燃烧系统，要求Fuel/air比值一定。 同时要求：增加Fuel时，先增加air量，降Fuel时，先降Fuel，后降air。,25,3.2 均匀控制系统,本节要点 3.2.1 均匀控制的概念与特点 3.2.2 常见的均匀控制系统 3.2.3 均匀控制系统的应用场合 3.2.4 均匀控制系统参数整定,26,3.2.1 均匀控制的概念与特点,例：脱乙烷塔脱丙烷塔前者要求液面稳定，后者要求进料稳定。,塔的平稳：希望进料和塔底液位尽量波动小,1# 液位定值控制,2# 进料流量定值控制,但两个方案不能同时存在！,怎么解决矛盾？,27,3.2.1 均匀控制的概念与特点,解决办法：均匀控制矛盾的折中

10、，使二参数都缓慢的变化。 均匀要求：二参数在一定的范围内缓慢变化。 均匀的概念：被控变量和操纵变量要求都在允许的范围内缓慢波动。,28,3.2.1 均匀控制的概念与特点,均匀控制系统的特点 (1) 不同于常规的定值控制系统，而对被控变量 (CV)与操纵变量(MV)都有平稳的要求； (2) 为解决CV与MV都希望平稳这一对矛盾，只能要求CV与MV都渐变。均匀控制通常要求在最大干扰下，液位在贮罐的上下限内波动，而流量应在一定范围内平缓渐变。 (3) 均匀控制指的是控制目的，而不是控制结构。,29,3.2.2 均匀控制方案,简单均匀控制,结构同液位定值控制，但在此处控制目的不同：均匀控制,如何实现均

11、匀？ 在控制规律和参数整定上实现。 采用P规律，大的(大于100%)， 有时采用PI (大, Ti大)，,缺点：对于 有较大变化时不适用。对于自衡作用强的对象也不适用。,P2,P1,30,3.2.2 均匀控制方案,串级均匀控制,如图方案 控制目的与串级不同。 要求液位和流量都波动小。,对于液位可用P规律，控制器整定的要弱(大),对于流量可用PI规律，比例度要大(40%100%)，积分时间要小(0.11min),31,3.2.2 均匀控制方案,双冲量均匀控制,以PL和PF作为测量，形式上同单回路，但有二个测量，故命名为双冲量，实质是串级结构。 从流程图上看,=常数,G 用PI作用,即,=常数,当

12、 一定，则 也一定，可克服 等对G的影响。,32,3.2.2 均匀控制方案,双冲量均匀控制当 变化时，例 增大，则 也增大，保持 一定，达到均匀控制。,相当于串级控制，主调节器P作用，=100%。,33,3.2.3 均匀控制参数工程整定,纯比例控制时 先将比例度放置在估计不会引起液位超越的数值，例如比例度=100%左右； 观察记录曲线，若液位的最大波动小于允许范围，则可增加值，其结果必然是液 位“质量”降低，而使流量更为平稳； 当发现液位的最大波动可能会超过允许范围时，则应减小值； 这样反复调整值，直到液位最大波动接近允许范围为止。,34,3.2.3 均匀控制参数工程整定,比例积分控制时 按纯

13、比例控制进行整定，得到液位最大波动接近允许范围时的值； 适当增加值后，加积分作用。逐渐减少积分时间，使液位在每次扰动过后，都有回复到设定值的趋势； 减小积分时间，直到流量记录曲线将要出现缓慢的周期性衰减振荡过程为止。,35,3.3 分程控制系统,本节要点 3.3.1 分程控制的概念与特点 3.3.2 为什么要分程 3.2.3 分程控制方案 3.2.4 分程控制实现,36,3.3.1分程控制概述,分程：一个控制器控制二个或二个以上阀，各阀对应于控制器输出的不同区段。,例：,A阀：0.020.06MPa 全行程。 B阀：0.060.1MPa 全行程,二阀结合的情况：,a. 连续分程,37,3.3.

14、1分程控制概述,b. 间隙分程,c. 重叠分程,注意：当两阀100%重叠时，就不叫分程了，而叫两个阀“并联”。,38,3.3.2为什么要分程,1、扩大可调范围扩大可调比R，一般R=30例如：阀A： ， 。阀B： ， 同向动作的二只阀并联控制同一介质（忽略泄漏量），则,比原来的R=30扩大了26倍,39,3.3.2为什么要分程,2、工艺的特殊要求,例1 间歇聚合反应器的控制问题,控制要求：反应开始前，需要用蒸汽加热以达到反应所需的温度；当反应开始后，因放出大量反应热，需要用冷水进行冷却。要求全过程自动控制反应器的温度？,40,3.3.2为什么要分程,方案设计,问题： （1）选择两调节阀的气开气关

15、属性； （2）温度控制器的正反作用； （3）协调两调节阀的动作。,反应器温度分程控制,冷水阀：气关,蒸汽阀：气开,控制器：反作用,41,3.3.2为什么要分程,冷水,蒸汽,断电时，关蒸汽，加冷水，所以左边为冷水，右为蒸汽。,，加蒸汽。,，加冷水。,工作点时，不加冷水，也不加蒸汽。,42,3.3.2为什么要分程,例2 贮罐气封分程控制系统,问题： （1）选择两调节阀的气开气关属性； （2）温度控制器的正反作用； （3）协调两调节阀的动作。 （4）如何避免两调节阀的频繁开闭以减少N2用量?,进N2阀：气开,排N2阀：气关,控制器：反作用,43,3.3.2为什么要分程,平衡时，应使二阀都关，又当P在一定范围时，二阀可都不动作，加死区。 当断电时，应使排空阀全开，所以排N2在左，进N2在右。,避免两调节阀频繁开闭的方法： （1）控制阀引入不灵敏区。 （2）同时，控制器引入调节死区（为什么？）,