过程控制第五章

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1、联系实际、实验，实际过程控制系统设计； 学后能干什么？多将找工作的话题，女生是否适合学自动化（体力）？ 考研方面的信息，报考学校的选择，专业的排名； 其他知识：嵌入式系统、单片机、C语言、组态软件、其他学科知识； 自动化研究热点？（学科导论） 讲习题、讲重点、联系以前课程知识； 课程理论性强？公式很难（别讲）？结论？,就读大学时，你应当掌握七项学习，包括:,自修之道、 基础知识、 实践贯通、 培养兴趣、 积极主动、 掌控时间、 为人处世。,系统输出,调节器,执行器,被控对象,比较器,测量单元,给定值,测量值,偏差,PID调节器 参数整定 第二、三章内容,控制电机 或调节阀 第四章内容,过控第一

2、章 自控第二章 内容,检测技术 课程内容,简单控制系统 简单控制系统的组成 简单控制系统的特点 现代生产过程的特点和要求,第五章 串级控制系统与比值控制系统,第一节 串级控制系统的举例与基本概念 一、实际生产例子 例 1 连续槽反应器温度控制 （如图51）,反应器工作原理 控制任务 恒定反应釜内温度 系统主要干扰 进料流量、温度扰动 冷却液温度、压力扰动 简单控制系统设计,存在的问题时间延迟引出的问题 当D2温度突然升高，需经夹套、槽壁、反应器三个环节才能使 温度升高，此时调节器才开始改变参数，加大调节阀开度，把冷却水加大。在延迟的时间内，D2的变化已经迅速使 改变，也使 很会升高，这样产生了

3、 的偏差。,（图53）,改进的控制系统方案图,控制系统结构图,例2：精溜塔提溜段的控制,工作原理 控制任务 恒定精溜塔内温度 系统主要干扰 进料流量、温度扰动 加热蒸汽温度、压力扰动 再沸器的传热条件 简单控制系统设计 存在的问题 加热蒸汽的压力波动对温度的影响很大,（图56）,改进方案一,缺点：该方法增加了蒸汽管路的压力损失。造成经济的不划算。,（图57）,改进方案二,根据加热蒸汽流量信号控制调节阀，根据精溜塔温度得到期望的加热蒸汽。,控制系统结构图,例3 炼油厂管式加热炉温控制系统,工作原理 控制任务 恒定出口原油温度 系统主要干扰 进料流量、温度扰动 燃料油方面扰动 炉膛漏风和大气温度方

4、面 喷油用过热蒸汽压力波动 控制系统设计,控制系统结构图,主对象、副对象； 主变量、副变量； 主调节器、副调节器； 主给定值、副给定值； 主环、副环； 一次扰动、二次扰动。,二、串级控制系统术语,三、串级控制系统的组成原理 1）将原被控对象分解为两个串联的被控对象； 2）以连接分解后的两个被控对象的中间变量为副被控量，构成一个简单控制系统，称为副调节系统或副环 3）以原对象的输出信号为主被控量，即分解后的第二个被控对象的输出信号，构成一个调节系统，称为主调节系统或主环。 4）主调节系统中调节器的输出作为副调节器的给定值，副调节器的输出信号作为主被控对象的输入信号。,1）干扰作用于副回路 2）干

5、扰作用于主回路 3）干扰同时作用于主、副回路,四、串级控制系统消除干扰的工作过程,五、串级控制系统特点 1）分级控制思想 将调节通道较长的对象分为两级，许多干扰在副环中消除掉，剩余的影响及其他干扰由主环消除。 2）串级系统的结构组成 两个对象；两个调节器；两测量变送器；一个执行器 3）系统工作方式 副环工作于随动控制方式；主环工作于定值控制方式 4）控制性能 系统对于干扰反应及时，克服干扰速度快，能克服系统滞后，改善控制精度和提高控制质量。,第二节 串级控制系统的分析 常把副回路内的扰动称二次扰动，而把副环路之外的扰动称一次扰动。 与简单控制系统比较，串级控制增加了副回路，它的作用是有效地克服

6、二次扰动的影响。 串级控制的功能分析： 1、增强了系统的抗干扰能力,在扰动D2(s)作用下，副回路的传递函数为：,为了便于分析，等效图为：,对于上图所示的串级系统，在给定信号R1(S)作用下的传递函数为：,在扰动作用下的传递函数为：,对于一个控制系统来说，在它的给定信号下，其输出量能复现输入量的变化，即：Y1(s)/R1(s) 越接近1，则系统的控制性能越好，当它在扰动作用下，其控制作用能迅速克服扰动的影响，即：Y1(s)/D2(s)越接近零越好，其抗干扰的能力可用（54）表示：,若串级控制系统中的主、副调节器均采用纯比例环节，其比例系数分别为K1、K2，则上式可写成：,上式表明，串级控制系统

7、中的主、副调节器的放大系数越大，则串级控制系统抗干扰的能力就越强。因此，主参数的控制质量就越高。 为了与单回路反馈控制系统进行比较，下面用同样的方法分析相同条件下单回路反馈控制系统的抗干扰能力。见下图:,在给定信号R1(s)条件下，传递函数为：,在扰动D2作用下，传递函数为：,单回路反馈控制系统的抗干扰能力为：,设单回路控制系统中的调节器均采用纯比例环节，比例系数为K，则：,同理，单回路控制系统中的放大系数越大，则抗干扰的能力就越强。与串级控制系统比较有：,K1*K2K,上述分析可知，由于串级控制系统副回路的存在，能迅速克服进入副回路的二次扰动，从而大大减小了二次扰动对主参数的影响，提高了控制

8、质量。另外由于控制作用的放大系数提高了，抗扰动能力比单回路反馈控制系统强，克服扰动能更为迅速。副环也起到了改善对象动态特性的作用。提高了系统的工作频率。,2、改善了过程的动态特性，提高了控制作用的快速性 a）时间常数减小 分析串级系统中的副环，可把它看成一个等效对象，即：,设各副回路中各环节的传递函数为：,将上式代入副回路传递函数：,将上述两式代入得：,式中可看出， 分别为等效对象的增益和时间常数比较 和 由于：,永远成立,因此有：,上式说明等效对象的时间常数缩小了( )倍，且随副调节器的比例增益的增大而缩小,从而加快了副环的响应速度。,b）工作频率提高 串级控制系统的特征方程：,假定主回路各

9、环节传递函数：,串级控制系统的工作频率：,同样求出单回路控制系统的工作频率：,工作频率的提高可以使振荡周期缩短、系统的快速性增强，从而提高系统的控制品质。,3、对负荷变化的适应性强,串级控制系统对负荷变化的适应性体现在两方面： 1）等效对象增益的适应性 串级控制系统的副环等效增益：,生产过程控制质量将下降,一般情况下， 上式为：,因此，如果副对象增益或调节阀的特性随负荷变化时，对等效增益影响不大，因而在不改变调节器整定参数的情况下，系统的副环能自动克服非线性因素的影响，保持或接近原来的控制质量。,2）随动系统的适应性 串级控制系统主回路是一个定值控制系统，副回路是一个随动控制系统，当负荷改变时

10、，主调节器将改变输出值，副回路能快速及时跟踪，从而保证了控制品质。,例：串级系统的框图为：,其中：,Char5_1,估算结果为：,表一,主、副回路的设计 串级控制系统由主回路和副回路构成，主回路是一个定值控制系统，对主参数的选择和主回路的设计，可按照单回路反馈控制系统设计。副回路设计原则是： （1）主副变量应有对应关系 （2）副回路必须包括生产过程中的主要扰动，并且应该包括更多的扰动。 为了充分利用副回路克服扰动的快速性、提高主参数的控制精度，在副回路设计时，应将生产过程中的主要扰动包括在副回路之中，这样，在扰动影响主参数之前，已经受到副回路的控制，使其影响大大消弱，确保主参数的控制质量。,第

11、三节 串级系统设计和实施中的几个问题,例如：在下图所示的加热炉,主要扰动：燃料流量或其压力的波动,出口温度与燃料压力串级控制系统,主要扰动：被加热物料流量、或燃烧热值,出口温度与膛内油温串级控制,对于精馏塔提馏段温度串级控制系统，,串级控制系统主、副对象的时间常数相匹配是一个比较复杂的问题，原则上，主、副对象的时间常数相匹配应保证在使主、副回路的工作频率之比大于3，为了达到此要求，主、副对象的时间常数之比应在310之间的范围内，实际应用中，应根据实际情况而定。 若设置的串级控制系统的目的主要是利用副回路克服主要扰动，则副回路的时间常数要小一点。只要能够将主要扰动包括在副回路中即可。 若设置的串

12、级控制系统的目的是针对时间常数过大、滞后严重，而希望利用串级控制系统改善对象动态性能，则副回路的时间常数要大一点。 必须注意：副对象的时间常数和滞后接近主对象的时间常数和滞后时间，就有发生“共振”现象，应小心整定。,（3）副回路必须使主、副对象的时间常数相匹配,（4）副回路的设计应考虑工艺的合理性、实现可能性和经济性 过程控制系统是为生产工艺要求服务的，应按工艺要求设计串级控制系统，选择的副参数在工艺上是可以检测的。,2 串级控制系统主、副调节器控制规律 串级控制系统主、副调节器起的作用是不同的，主调节器起定值控制作用，而副调节器起随动控制作用。主参数是工艺操作的重要指标，允许的波动范围小，一

13、般要求无余差，副参数的引入是为了提高和保证主参数的控制质量。 在串级控制系统中，主、副调节器的控制规律有以下四种组合情况： （1）主、副调节器均选用比例控制规律 （2）主调节器选用比例控制规律，副调节器选用比例积分控制规律，但这种选择一般是不采用的。 （3）主调节器选用比例积分控制规律，副调节器选用比例控制规律 （4）主、副调节器均选用比例积分控制规律,3 串级控制系统主、副回路工作频率的选择 前面已经指出：主、副回路的工作频率之比应大于3。由于主、副回路是相互独立又密切相关的回路，在一定条件下，如受到某种干扰的作用，主参数的变化进入副环将引起副环参数波动振幅的增加，而副环参数变化也影响主参数

14、的的变化幅度。如此循环往返，就会使主、副参数长时间大幅度波动，这就是串级系统的共振。共振的产生使系统失去控制。 对于二阶系统：,其幅频特性为：,当系统的阻尼比为0.707时，系统的幅频特性出现一个峰值。如外界干扰信号的频率等于共振频率，系统将产生共振。共振频率 和自然频率 之间有一定的关系，,代入（519）,将,1,1.4,10,0.1,下图为这个关系的曲线。从图中看出，在 时有一个峰值，在,内有一个增幅区域。在该区域内，系统的幅值有明显的增大，因此，称该区为广义共振区。上式称广义共振条件。,设主、副回路都是二阶系统，如避免副回路进入共振区，主环的工作频率 与副环的共振频率 必须,由于系统工作

15、频率 和自然频率 之间的关系，即： 与 比较，可以认为当,满足：,对于副回路则有： 上式可写成：,同样，从主回路看，副回路的输出对主环是一个持续的干扰作用，也可写出主环进入共振的条件：,时,在假定主、副回路均是二阶系统情况下，所得到结论与前面分析一致。,考虑副回路的工作频率总是高于主回路的工作频率，为避免进入共振区得到的条件为：,通常取：,Char5_2,4 防止调节器积分器饱和的措施 如副调节器是P作用，主调节器是PI或PID作用，出现积分饱和的条件与单回路控制系统相同，只要在主调节器反馈回路中加一个间歇单元就可以有效防止积分饱和。 但如果主、副调节器均具有积分作用，就存在两个调节器输出分别

16、达到极限值的可能性，此时，积分饱和的情况显然比单回路要严重。仅利用调节器反馈回路中加一个间歇单元，只能克服副调节器的积分饱和，主调节器将产生积分饱和。必须采用新的措施：,它是采用副参数y2作为主调节器的外部反馈信号。在动态过程中，主调节器的输出为：,主、副调节器防止积分饱和原理,在系统工作正常时，Y2跟踪R2，使： 此时主调节器的输出为：,上式说明主调节器实现比例积分，与R2作为正反馈信号相同，当副回路出现长期偏差时，即,则主调节器的输出R2与输入E1之间存在比例关系，由Y2决定偏差项，此时，主调节器失去积分作用，在稳态时,从式中可看出，r2不会因副回路的偏差的长期存在而发生饱和。 这种方案的特性还有 ：它使将副回路包围在主调节器的正反馈回路中，实现了补偿反馈。这必定会改