过程装备控制基础

*,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,过程装备控制工程,第二章过程装备控制基础,2,过程装备控制基础,11/27/2024,1,2.3,复杂控制系统,复杂控制系统分类（按开发目的不同）,为提高响应曲线的性能指标而开发的控制系统,开发这类系统的目的，主要是企图获得比单回路,PID,控制更优越的过渡过程质量，如串级控制系统、前馈控制系统等。,按某些特殊目的而开发的控制系统,这是为满足不同的化工生产工艺、操作方式、乃至特殊的控制性能指标而开发的控制系统，如比值控制系统、分程控制系统等。,11/27/2024,2,2.3.1,串级控制系统,（,1,）串级控制的基本原理,被加热油料的流量和温度的扰动,D,1,；燃料油压力的波动、热值的变化,D,2,；喷油用的过热蒸汽压力的波动,D,3,；配风、炉膛漏风和大气温度方面的扰动,D,4,等。,被控变量：油料出口温度,T,；操纵变量：燃料油流量。,11/27/2024,3,2.3,复杂控制系统（,串级控制系统）,（,1,）串级控制的基本原理,为了保持被加热油料出口温度稳定，可以根据炉膛温度的变化，先调节燃油量，然后再根据被加热油料出口温度与给定值之间的偏差，进一步调节燃料油量，以保持出口温度稳定，这样就构成了出口温度调节器与炉膛温度调节器串联起来的串级控制系统，如左图所示。,11/27/2024,4,2.3,复杂控制系统（,串级控制系统）,被控对象包括炉膛、管壁和油料等三个热容积。,11/27/2024,5,2.3,复杂控制系统（,串级控制系统）,连续槽反应器温度控制系统,三个热容积：夹套、槽壁、反应槽。,11/27/2024,6,2.3,复杂控制系统（,串级控制系统）,从冷却水调节阀动作到反应温度,T,改变，需要相继通过夹套、槽壁、反应槽等三个热容积，因此反应很缓慢。,11/27/2024,7,2.3,复杂控制系统（,串级控制系统）,11/27/2024,8,2.3,复杂控制系统（,串级控制系统）,通用的串级控制系统方框图,11/27/2024,9,2.3,复杂控制系统（,串级控制系统）,串级控制系统中常用的名词和术语,主变量：,被控变量；,副变量：,引出的中间变量；,副对象：,副变量与操纵变量之间的通道特性；,主对象：,主变量与副变量之间的通道特性；,副控制器：,接受副变量的偏差，其输出去操纵阀门；,主控制器：,接受主变量的偏差，其输出去改变副控制器的设定值；,副回路：,粗调回路；,主回路：,细调回路，若将副回路看成一个以主控制器输出,r,2,为输入，以副变量,y,2,为输出的等效环节，则串联控制系统转化为一个单回路，称这个单回路为主回路。,11/27/2024,10,2.3,复杂控制系统（,串级控制系统）,通用的串级控制系统方框图,11/27/2024,11,2.3,复杂控制系统（,串级控制系统）,串级控制系统的主要特点和应用场合,能迅速克服进入副回路的干扰；,能改善被控对象的特性，提高系统克服干扰的能力；,主回路对副对象具有“鲁棒性”，提高了系统的控制精度。,适用对象：凡是可以利用上述特点之一来提高系统的控制品质的场合，都可以采用串级控制系统，特别是在被控对象的容量滞后大、干扰强、要求高的场合，采用串级控制可以获得明显的效果。,11/27/2024,12,2.3.2,前馈控制系统,反馈控制的特点：,优点：不论什么干扰引起被控变量变化，均可根据偏差进行调节；,缺点：对象总存在滞后惯性，从扰动作用出现到形成偏差需要时间。,当偏差产生后反馈环路产生调节作用又需要一些时间。因此反馈控制根本无法将扰动克服在被控变量偏离给定值之前，调节作用总不及时。由于反馈控制构成一闭环系统，信号的传递要经过闭环中的所有储能元件，因而包含着内在的不稳定因素。,11/27/2024,13,2.3,复杂控制系统（,前馈控制系统）,（,1,）前馈控制的基本原理,前馈控制的概念：前馈控制又称扰动补偿，是通过测量进入过程的干扰，并按其信号产生合适的控制作用去改变操纵变量，使被控变量维持在设定值上。,11/27/2024,14,2.3,复杂控制系统（,前馈控制系统）,11/27/2024,15,2.3,复杂控制系统（,前馈控制系统）,前馈控制计算公式,扰动通道传递函数,控制通道传递函数,前馈补偿器传递函数,实现完全补偿时，则必须 ，同时 ，得,11/27/2024,16,2.3,复杂控制系统（,前馈控制系统）,（,2,）前馈控制的主要形式,静态前馈控制,利用物料或能量平衡，可以获得完善的静态前馈算式。例如，图,2-41,的热交换过程，其热平衡过程表达式为：,物料比热容,物料入口温度,蒸汽流量,蒸汽汽化热,11/27/2024,17,2.3,复杂控制系统（,前馈控制系统）,由上式解得：,用物料出口温度的设定值 代替上式中 的,11/27/2024,18,2.3,复杂控制系统（,前馈控制系统）,前馈控制器在测出扰动量以后，按过程中的某种物质或能量平衡条件计算出校正值，这种校正作用只能保证在稳态下补偿扰动作用，一般称为静态前馈。,11/27/2024,19,2.3,复杂控制系统（,前馈控制系统）,前馈,-,反馈控制系统,前馈控制系统存在偏差：,实际的工业对象会存在多个扰动，若均设置前馈通道，势必增加控制系统投资费用和维护工作量。,受前馈控制模型精度限制，模型的误差将导致非完全补偿，使被控变量最终存在偏差。,用仪表实现前馈控制时，往往作了近似处理，尤其当综合得到的前馈控制算式包含有纯超前环节或纯微分环节时，它们在物理上是不能实现的，构成的前馈控制器只能是近似的。,11/27/2024,20,2.3,复杂控制系统（,前馈控制系统）,11/27/2024,21,2.3,复杂控制系统（,前馈控制系统）,前馈,-,反馈控制系统的优点,从前馈控制角度，由于增添了反馈控制，降低了对前馈控制模型的精度要求，并能对未选作前馈信号的干扰产生校正作用。,从反馈控制角度，由于前馈控制的存在，对干扰作了及时的粗调作用，大大减轻了反馈控制的负担。,11/27/2024,22,2.3,复杂控制系统（,前馈控制系统）,前馈,-,串级控制系统,11/27/2024,23,2.3,复杂控制系统（,比值控制系统）,2.3.3,比值控制系统,比值控制的目的：就是为了实现几种物料符合一定的比例关系，以使生产能安全正常地进行。,11/27/2024,24,2.3,复杂控制系统（,比值控制系统）,（,1,）定比值控制系统,定比值控制系统的一个共同特点是系统以保持两物料流量比值一定为目的，比值器的参数经计算设置好后不再变动，工艺要求的实际流量比值,r,也就固定不变，因此，称为定比值控制系统。,定比值控制系统共有三类：开环比值控制系统、单闭环比值控制系统和双闭环比值控制系统。,11/27/2024,25,2.3,复杂控制系统（,比值控制系统）,开环比值控制系统,缺点：系统是开环的，副流量本身无抗干扰能力，只适用于副流量较平稳且流量比值要求不高的场合。,11/27/2024,26,2.3,复杂控制系统（,比值控制系统）,单闭环比值控制系统,优点：两种物料流量的比值较为精确，实施比较方便，在工业中得到了广泛的应用；,缺点：由于主流量是可变的，导致进入的总流量是不固定的，可能影响后续的正常生产。,11/27/2024,27,2.3,复杂控制系统（,比值控制系统）,双闭环比值控制系统,优点：两个闭合回路都可以克服各自的外界干扰，使主、副流量都比较平稳，流量间的比值可通过比值器实现。,缺点：所用的仪表较多，投资高。一般情况下，采用两个单回路控制系统分别稳定主流量和副流量，也可以达到目的。,11/27/2024,28,2.3,复杂控制系统（,比值控制系统）,（,2,）变比值控制系统,11/27/2024,29,2.3,复杂控制系统（,比值控制系统）,11/27/2024,30,2.3,复杂控制系统（,比值控制系统）,（,3,）比值控制系统的实施,应用比值器方案,副流量控制器的测量值,副流量控制器的设定值,主流量的测量值,比值器的,比值系数,11/27/2024,31,2.3,复杂控制系统（,比值控制系统）,（,a,）,流量与测量信号之间存在线性关系或用差压测量并经过开方运算时，测量信号 与流量 之间的关系为,比值系数,K,与两流量之比,r,和测量仪表的量程上限有关，而与负荷大小无关。,11/27/2024,32,2.3,复杂控制系统（,比值控制系统）,（,b,）,用差压法测量流量，但未经开方运算，测量信号 与流量 之间的关系为,该比值系数,K,同样与负荷大小无关。比值器的比值系数,K,只能在一定范围内调整（如,0.254),，所以要实现预定的流量比,r,，变送器的量程必须适当选择，若选择适当，,K,值在,1,附近。,11/27/2024,33,2.3,复杂控制系统（,比值控制系统）,应用乘法器方案,比值系统的设计任务是要按工艺要求的流量比值,r,来正确设置图中的 信号。电动,型仪表乘法器的运算式为,乘法器,输出信号,乘法器,输入信号,11/27/2024,34,2.3,复杂控制系统（,比值控制系统）,当系统稳定时，得,当流量为线性变送时,当流量为非线性变送时,11/27/2024,35,2.3,复杂控制系统（,比值控制系统）,应用除法器方案,除法器方案的优点是直观，可直接读出比值，使用方便，可调范围宽；但也有其弱点：由于比值的计算包含在控制回路中，因此对象的放大倍数随负荷的不同而发生变化，当负荷较小时，系统不易稳定，现已逐渐被乘法器方案所取代。,11/27/2024,36,2.3,复杂控制系统（,选择性控制系统）,（,1,）选择性控制系统的基本原理,常用的选择器是高值选择器和低值选择器，它们各有两个（或多个）输入。低值选择器把低信号作为输出，而高值选择器把高信号作为输出。,11/27/2024,37,2.3,复杂控制系统（,选择性控制系统）,（,2,）选择性控制系统的类型,选择器位于两个调节器与执行器之间 这种类型的选择性控制系统的特点是两个调节器公用一个执行器，其中一个调节器处于工作状态；另一个调节器处于待命状态。,11/27/2024,38,2.3,复杂控制系统（,选择性控制系统）,11/27/2024,39,2.3,复杂控制系统（,选择性控制系统）,选择器在变送器与调节器之间 这类选择性控制系统的特点是多个变送器公用一个调节器，其任务是实现被控变量的选点。,（,a,）选出最高或最低测量值，以满足生产需要。,（,b,）选出可靠或中间测量值。,（,3,）选择性控制中选择器性质的确定,在选择性控制系统中，一个重要的内容是确定选择器的性质，是使用高值选择器，还是使用低值选择器。,11/27/2024,40,2.3,复杂控制系统（,均匀控制系统）,实现均匀控制的两个特点：,（,1,）,表征前后供求矛盾的两个变量都应该是变化的，且变化是缓慢的。,11/27/2024,41,2.3,复杂控制系统（,均匀控制系统）,（,2,）,前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内。均习控制要求在最大干扰作用下，液位在贮罐的上下限内波动，而流量应在一定范围内平稳渐变，避免对后序设备产生较大的干扰。,简单均匀控制,串级均匀控制,双冲量均匀控制,11/27/2024,42,2.3,复杂控制系统（,均匀控制系统）,11/27/2024,43,思考题与习题,2-5,、,19,3,、什么是积分时间和微分时间？它们对系统过渡过程分别有什么影响？,11/27/2024,44,