[學(xué)習(xí)]宋彤過程控制工程3串級(jí)控制系統(tǒng)_第1頁
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文檔簡介

1、3. 串級(jí)控制系統(tǒng),主要內(nèi)容3.1 串級(jí)控制系統(tǒng)基本概念和構(gòu)成3.2 串級(jí)控制系統(tǒng)特性3.3 串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.4 串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn),3.1 串級(jí)控制系統(tǒng)構(gòu)成及動(dòng)作分析3.1.1 構(gòu)成例1:管式加熱爐例:,主要擾動(dòng): 1) 原料方面的擾動(dòng)(物料的流量和溫度的變化);2) 燃料方面的擾動(dòng)(燃料流量、壓力及熱值波動(dòng));3) 燃燒條件方面的擾動(dòng)(供風(fēng)量、引風(fēng)量、燃料霧化狀態(tài)等)。,操作及控制目的: 保證

2、原料出口溫度及其穩(wěn)定性(±2℃)。,3,被控變量:爐出口溫度操作變量:燃料流量特點(diǎn):各種干擾對(duì)出口溫度的影響本回路均具有抑制作用。問題:調(diào)節(jié)通道的時(shí)間常數(shù)過大(15min左右),控制作用不及時(shí),超調(diào)量過大,不能滿足控制要求。,,單回路控制方案及問題,方案1:,方案2:,設(shè)定:主要干擾來自燃料熱值波動(dòng),被控變量:爐膛溫度操作變量:燃料流量特點(diǎn):增強(qiáng)了控制靈敏度(T≈3min),對(duì)爐膛溫度有較好的控制能力;可間接保證出口

3、溫度的穩(wěn)定性。問題:對(duì)工藝要求的被控變量無監(jiān)測。,4,,,,串級(jí)控制方案,方案特點(diǎn):選取主、副兩個(gè)被控變量,主變量是要求嚴(yán)格監(jiān)控的工藝變量(出口溫度),副變量為爐膛溫度為輔助變量,由爐膛溫度控制器的輸出操縱燃料量.,,爐出口溫度與爐膛溫度 串級(jí)控制系統(tǒng),存在問題: a方案:能克服各種干擾,但是干擾控制滯后大 b方案:對(duì)于除加熱蒸氣之外的干擾無克服能力,例2:精餾塔釜溫度控制 (主要干擾:蒸汽壓

4、力波動(dòng)) 單回路控制方案,串級(jí)控制——精餾塔釜溫度控制,,1)串級(jí)控制基本構(gòu)成,構(gòu)成及方案特點(diǎn):具有主、副兩個(gè)或多個(gè)被控變量。主變量是要求嚴(yán)格監(jiān)控的工藝變量(出口溫度、塔釜溫度);副變量是為保證主變量的穩(wěn)定而選擇的輔助變量(爐膛溫度、蒸汽壓力)。每個(gè)被控變量分別由不同的控制器負(fù)責(zé)監(jiān)控;各控制器串聯(lián)連接,一個(gè)控制器的輸出作為另一個(gè)控制器的設(shè)定值。具有多層回路的控制系統(tǒng)由最內(nèi)環(huán)回路的副變量控制器的輸出操縱執(zhí)行器。最常用的復(fù)雜控制

5、系統(tǒng),,,,,2)串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖① 加熱爐串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖,系統(tǒng)控制圖,方框圖,②串級(jí)控制系統(tǒng)一般方框圖,3)串級(jí)控制主要參數(shù)及環(huán)節(jié),主要變量,主被控變量(主參數(shù)) 工藝要求嚴(yán)格控制的系統(tǒng)變量。 例如:例中精餾塔塔釜溫度副被控變量(副參數(shù)) 為穩(wěn)定主參數(shù)而設(shè)定的中間(輔助)被控變量。 例如:例中精餾塔再沸器加熱蒸汽壓力。,,,構(gòu)成單元環(huán)節(jié),被控對(duì)象主:反映主被控變

6、量與副被控變量的通道關(guān)系特性,生 產(chǎn)中所控制的由主變量表征其特性的工藝設(shè)備。 如例中的精餾塔釜副:反映副被控變量與操作變量的通道關(guān)系特性,由 副變量表征其特性的工藝設(shè)備。 如例中的蒸氣管道,,,控制器:主控制器:接受主測量變送器來的主被控變量的信號(hào),輸出作為副控制器的給定。 如例中的溫度控制器副控制器:接受副測量變送器來的副被

7、控變量的信號(hào),輸出作為執(zhí)行器的控制信號(hào)。 如例中的壓力控制器,,,測量變送:主測量變送:檢測主參數(shù)狀態(tài),并將其變成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送給主控制器。 例中的溫度變送器副測量變送:檢測副參數(shù)狀態(tài),并將其變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)送給副控制器。 例中的壓力變送器,,,回路:副回路:由副控制器、執(zhí)行器、副對(duì)象構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng) 如圖中的蒸汽壓力控制回路主回路:由主控制器、副回路、主對(duì)象構(gòu)成的閉環(huán)系

8、統(tǒng) 如例中的溫度控制回路,,,回路動(dòng)作特性,主回路:定值控制 給定值為常數(shù) R1(s) =count 副回路:隨動(dòng)控制 給定值是主控制器輸出 R2(s)=u1(s) 如圖中壓力控制器的給定值是溫度控制器輸出值,副參數(shù)跟隨給定值(主控制器輸出)變動(dòng)而變動(dòng)。,R1(s),R2(s),3.1.2 精餾塔塔

9、釜溫度串級(jí)控制動(dòng)作分析,1)系統(tǒng)設(shè)定方塊圖,設(shè)定元件作用方式: 溫度對(duì)象:正作用(+)壓力對(duì)象:正作用(+)調(diào)節(jié)閥門:氣關(guān)閥(-),(-),(+),(-),(+),(+),(+),(+),測量變送器:正作用(+)壓力控制器:正作用(+)溫度控制器:副作用(-),2)動(dòng)作分析,副環(huán)動(dòng)作過程:,,干擾進(jìn)入副回路 f2 → P↑ → T↑,主環(huán)動(dòng)作過程:,干擾進(jìn)入主回路,,設(shè)定: f1 →T↓,動(dòng)作過程:,f1,副回路:依據(jù)

10、主回路控制要求動(dòng)作(隨動(dòng)控制)。,干擾同時(shí)進(jìn)入主、副回路,設(shè):同向干擾, f1 → T↓; f2 → P↓ → T↓動(dòng)作過程:,,,f1,f2,設(shè):反向干擾, f1 → T↓; f2 → P↑ 動(dòng)作過程,,,f2,f1,3.2 串級(jí)控制系統(tǒng)特性分析,3.2.1 應(yīng)用例氨氧化工藝,1)基本狀況:氧化反應(yīng)式: 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O + Q控制要求:

11、 反應(yīng)塔內(nèi)溫度誤差為 840±5℃。氨氣流量的影響: 氨氣變化1% 溫度變化 △T=64℃,,2)控制方案,3)控制效果對(duì)比單回路控制:控制通道過長,引起控制滯后,不能滿足控制要求(±10℃)串級(jí)控制: 作為副環(huán),引入氨氣壓力控制,縮短了控制通道(時(shí)間常數(shù)減?。瑴p小了氨氣壓力對(duì)主參數(shù)溫度的影響。可以滿足控制要求。,方框圖等效變換,,3.2.

12、2 串級(jí)控制特性分析1)對(duì)干擾的抑制力度 串級(jí)控制方框圖,與單回路控制的干擾影響之比為,結(jié)論:在串級(jí)控制中,由于副環(huán)的存在,使進(jìn)入副環(huán)的干擾對(duì)被控變量的影響大大降低。,單回路系統(tǒng)方框圖,串級(jí)控制等效方框圖,,串級(jí)控制系統(tǒng)等效方框圖,2)提高系統(tǒng)的工作頻率,等效副對(duì)象傳遞函數(shù):,令:GC2 = KC2, GV = KV, Gm2 = Km2, 代入前式:,,串級(jí)控制系統(tǒng)等效副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)縮小了

13、 倍。,結(jié)論:由于副回路的存在,對(duì)象系統(tǒng)容量滯后減小。,提高系統(tǒng)的工作頻率----時(shí)間常數(shù),由等效方框圖,得串級(jí)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)為,,②工作頻率a.串級(jí)控制系統(tǒng)工作頻率,特征方程:,代入特征方程,,得:,,b. 單回路控制系統(tǒng)工作頻率單回路控制系統(tǒng)方框圖,傳遞函數(shù),特征方程,根據(jù)特征方程有:,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)二階函數(shù)有工作頻率:,結(jié)論:副回路的存在可

14、以提高控制系統(tǒng)的工作頻率, 改善控制質(zhì)量。,,,,c.串級(jí)控制與單回路控制系統(tǒng)工作頻率比較,魯棒性:控制系統(tǒng)對(duì)于被控對(duì)象特性改變的不靈敏 度的描述。不靈敏度高則魯棒性好??刂苾x表參數(shù)是依據(jù)對(duì)象特性整定的。對(duì)象特性的變化將影響整定的儀表參數(shù)的適應(yīng)性。串級(jí)控制主環(huán)是定值控制,副環(huán)是隨動(dòng)控制。主控制器能根據(jù)主變量控制要求改變副控制器的給定值,如此可以適應(yīng)操作條件、

15、負(fù)荷變化,克服副回路中廣義對(duì)象(副對(duì)象、調(diào)節(jié)閥)特性變化的影響。,3)自適應(yīng)能力(魯棒性),自適應(yīng)能力分析,副回路傳遞函數(shù):,若KC2KV乘積較大時(shí),副對(duì)象參數(shù)KP2對(duì)副環(huán)等效增益影響不大。有:,,,即:允許副回路內(nèi)各環(huán)節(jié)特性在一定范圍內(nèi)變動(dòng)而不影響整個(gè)系統(tǒng)的控制質(zhì)量, 亦可以減小控制閥流量特性不合適帶來的影響。,結(jié)論:串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)于副環(huán)的廣義對(duì)象特性變化 有一定的自適應(yīng)性。注意:副環(huán)本身

16、對(duì)于副被控變量無此性質(zhì)。,,串級(jí)控制系統(tǒng)基本特性:,在串級(jí)控制中,由于副環(huán)的存在,使得進(jìn)入副環(huán)的干擾對(duì)被控變量的影響大大降低。由于副回路的存在,對(duì)象容量滯后減小。副回路的存在可以提高控制系統(tǒng)的工作頻,改善控制質(zhì)量。串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)于副環(huán)的廣義對(duì)象特性變化有一定的自適應(yīng)性。注意:副回路的加入是為了很好地保證主變量的控制。 由于副回路是隨動(dòng)控制系統(tǒng),可以根據(jù)主變量的控制要求,隨時(shí)、快速、有效地調(diào)整副變量狀態(tài)

17、,保證主變量的穩(wěn)定性。,控制演示,1) 選擇原則主要干擾包含在副環(huán)內(nèi)將更多的干擾納入副環(huán)純滯后不要包含在副環(huán)內(nèi)保證副環(huán)的靈敏度注意主副環(huán)時(shí)間常數(shù)匹配注意工藝合理性,3.3 串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.3.1副被控變量選擇,注意:上述原則之間的矛盾性,應(yīng)根據(jù)過程及控制的實(shí)際進(jìn)行選擇。,例1 精餾塔釜溫度串級(jí)控制設(shè)計(jì)(主要干擾處理),副變量候補(bǔ):,1)蒸汽流量 F ;,2)閥后蒸汽壓力 P ;,3)釜液循環(huán)流量F,2) 副被控變

18、量選擇及串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例,,控制目標(biāo):保證精餾塔底溫度及其穩(wěn)定性主要干擾:塔底蒸汽量,串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案1:塔釜溫度-蒸汽流量串級(jí),特點(diǎn): 包含干擾:蒸汽流量,換熱器壓力變化調(diào)節(jié)速度: 時(shí)間常數(shù)較小, 能快速克服上述干擾的影響對(duì)其他干擾無克服能力,串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2 :塔釜溫度-蒸汽閥后壓力串級(jí),特點(diǎn):包含干擾: 蒸汽源壓力、換熱器壓力及壁 溫的影響調(diào)節(jié)

19、速度: 壁溫變化時(shí)間常數(shù)(幾秒)納入副環(huán),提高整體系統(tǒng)工作頻率不足: 副參數(shù)對(duì)主參數(shù)間接影響時(shí)間常數(shù)較大。塔釜溫度控制要求較嚴(yán)格時(shí),不能保證工藝側(cè)蒸汽流的恒定完全保證控制要求指標(biāo),串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3: 塔釜溫度-工藝蒸汽流量串級(jí),特點(diǎn):包含干擾: 增加了再沸器液位、溫度, 以及傳熱系數(shù)干擾不足: 副環(huán)時(shí)間常數(shù)較大,對(duì)蒸汽氣源壓力的波動(dòng)的克 服能力減弱。,例2 造紙工藝網(wǎng)前箱溫度控制(純滯后處理

20、),,工藝過程純滯后時(shí)間:90秒 單回路控制: 紙漿波動(dòng):35kg/min 或者 蒸汽波動(dòng):0.12MPa/cm2 最大偏差:±8.5℃ 過渡時(shí)間:450s 設(shè)計(jì)串級(jí)控制,將純滯后環(huán)節(jié)置于副環(huán)之外。 串級(jí)控制效果: 紙漿波動(dòng):35kg/min 或者 蒸汽波動(dòng):0.12MPa/cm2

21、 最大偏差:±1℃ 過渡時(shí)間:200s,例3:合成反應(yīng)器溫度串級(jí)控制系統(tǒng) (非線性環(huán)節(jié)處理),非線性環(huán)節(jié):換熱器 非線性環(huán)節(jié)影響: 整個(gè)對(duì)象特性隨負(fù)荷、溫度變化而變化,控制質(zhì)量不高處理方法 設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng),將非線性環(huán)節(jié)包含在副環(huán)內(nèi) 利用串級(jí)控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力克服非線性影響,控制要求: 保證反應(yīng)溫度的穩(wěn)定性,(要求嚴(yán)格),控制要求:保證出口溫度防止液態(tài)丙烯隨

22、氣態(tài)丙烯被吸出方案a: * 靈敏度較低,比較遲鈍, * 日常操作:經(jīng)濟(jì)性較好 * 不能確保氣態(tài)丙烯不帶液方案b: * 靈敏度較高, * 氣態(tài)丙烯出口壓力不穩(wěn)定。 * 冷量利用不足 抽吸氣態(tài)丙烯的壓縮機(jī)入口壓力相同情況下:方案b的蒸發(fā)壓力高于方案a * 需要增加一套液位控制系統(tǒng),例4 冷凝器溫度控制 (經(jīng)濟(jì)性),方案a,方案b,建議:溫度控制質(zhì)量要求不高時(shí)應(yīng)用方案

23、a,3.3.2 控制器選擇兩方面的問題: 1) 控制規(guī)律選擇 控制規(guī)律的選擇應(yīng)考慮兩方面的問題一般要求主被控變量無余差。利用串級(jí)控制方法克服容量滯后問題。,,a. 控制規(guī)律b. 作用方式,a. 主控制器控制規(guī)律選擇: 一般串級(jí)控制的場合對(duì)參數(shù)的控制要求較高,并且對(duì)象特性總是存在較大的容量滯后。 主控制器一般選擇PI

24、D作用注意: 若對(duì)象的容量滯后較小,則應(yīng)該選擇PI作用的控制器,b. 副控制器控制規(guī)律選擇: 副回路允許存在余差,可采用純比例控制器。但是:流量和液體壓力作為副變量時(shí),由于其開環(huán)靜態(tài)增益較小,應(yīng)適當(dāng)加入積分作用 目的:加強(qiáng)控制作用。溫度的場合,可加入微分控制作用。,注意: 由于副回路是隨動(dòng)系統(tǒng),應(yīng)采用具有微分先行的控制器,,2) 控制器作用方式選擇a. 副控制器

25、作用方式選擇: 選擇的結(jié)果應(yīng)使副環(huán)構(gòu)成負(fù)反饋工作方式。方式選擇同單回路系統(tǒng)控制器選擇方法,(控制器±) · (執(zhí)行器±) · (對(duì)象特性±) · (測量變送±) = (-),b. 主控制器作用方式選擇:原則: 通過主控制器作用方式選擇使主回路構(gòu)成負(fù)反饋。 選擇方法:利用等效副環(huán)模塊,將串級(jí)系統(tǒng)等效為一個(gè)單回路系統(tǒng)。根據(jù)等效副環(huán)的作用方式及

26、主對(duì)象的作用方式,按照單回路系統(tǒng)控制器選擇方法選擇主控制器的作用方式,等效方框圖,注意: 串級(jí)控制系統(tǒng)副環(huán)屬于隨動(dòng)控制, 其整體作用方式為正作用。選擇方法: 主控制器作用方式(±)= -主對(duì)象作用方式(±),,(+),3.3.3 串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn),基本要求:無擾動(dòng)切換投運(yùn)順序:先副環(huán)后主環(huán)操作主、副控制器置手動(dòng),主控制器為內(nèi)給定,副控制器為外給定正確放置控制器的

27、正、反作用方式,參數(shù)置于預(yù)定數(shù)值。副控制器手動(dòng)操作,主變量接近給定值,副變量穩(wěn)定時(shí),手動(dòng)調(diào)節(jié)主控制器輸出,使副控制器的給定值等于其測量值(偏差等于0),副環(huán)切到自動(dòng)。同方法,手操主控制器,使主變量處于給定值位置,調(diào)整主控制器的給定值等于測量值(偏差等于0),主環(huán)切到自動(dòng)。,3.4 串級(jí)控制系統(tǒng)應(yīng)用范圍,根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn),串級(jí)控制適用于如下對(duì)象系統(tǒng)的控制需要:滯后較大的對(duì)象系統(tǒng)具有非線性環(huán)節(jié)的對(duì)象系統(tǒng)用于克服變化激烈和幅

28、值大的干擾。,串級(jí)控制系統(tǒng)舉例,如圖某連續(xù)反應(yīng)器,通過向夾套內(nèi)通冷卻水的方式控制反應(yīng)器內(nèi)溫度。已知冷卻水壓力波動(dòng)頻繁,請為此過程設(shè)計(jì)一串級(jí)控制系統(tǒng)。要求:a. 在圖中完成所設(shè)計(jì)的控制方案(繪出工藝控制流程圖)。b. 為保證反應(yīng)器內(nèi)溫度在任何時(shí)刻都不超高。試選定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式;主、副控制器正、反作用方式。c.若冷卻水溫度波動(dòng)是主要干擾,上面所設(shè)計(jì)的控制回路能否滿足控制要求?若不能滿足應(yīng)作如何改動(dòng)?畫出控制流程圖。,a. 在

29、圖中完成所設(shè)計(jì)的控制方案被控變量選擇主: (盡可能選用直接參數(shù)) 反應(yīng)器內(nèi)溫度(T)副: (將主要干擾納入副環(huán)) 冷卻水壓力(P) (取閥后壓力)繪出工藝控制流程圖,T,P,b. 確定調(diào)節(jié)閥、控制器的工作方式,調(diào)節(jié)閥開關(guān)形式: 反應(yīng)器內(nèi)溫度不允許超高,冷卻水不能中斷: 選調(diào)節(jié)閥為氣(電)關(guān)式調(diào)節(jié)閥(-)控制器作用形式

30、副控制器(PC): 副對(duì)象作用形式: q↑→P↑ 正作用(+) 副測量變送環(huán)節(jié)默認(rèn)為正作用(+) 判定:選擇正作用式副控制器,,主控制器(TC): 等效副環(huán)作用形式為正作用形式 主對(duì)象作用形式: P ↑→T↓ 反作用形式 判定:選擇正作用式主控制器,,,冷卻水溫度是主要干擾,上述控制

31、方案能否滿足控制要求不能滿足方案改動(dòng): a. 取加套溫度作為副被控變量,,,b. 在溫度控制器與壓力控制器之間加一級(jí)夾套 溫度控制回路,構(gòu)成三級(jí)串級(jí)控制系統(tǒng)。,考慮的問題:,若冷卻液是液氨,在夾套內(nèi)蒸發(fā)吸熱,應(yīng)如何選擇副被控變量,設(shè)計(jì)例2:某原油加熱爐如圖要求控制原油出口溫度,已知該工藝過程的主要干擾是燃料壓力的波動(dòng),請為此工藝過程設(shè)計(jì)一串級(jí)控制系統(tǒng)保證原油出口溫度的穩(wěn)定。,選:主被控變量:出口溫度副

32、被控變量:燃料流量調(diào)節(jié)閥的閥后壓力,由于對(duì)象時(shí)間常數(shù)過大,上述控制系統(tǒng)不能滿足控制要求,現(xiàn)修改為如下串級(jí)控制系統(tǒng),請分析二串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。,分析要點(diǎn):副環(huán)包含的干擾時(shí)間常數(shù)變化,本章主要知識(shí)點(diǎn):串級(jí)控制系統(tǒng)構(gòu)成特點(diǎn)(系統(tǒng)圖、方框圖)內(nèi)環(huán)的作用控制過程動(dòng)作分析,區(qū)別干擾進(jìn)入點(diǎn)主、副控制器作用方式選擇串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)投運(yùn),串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)練習(xí),某換熱器利用飽和蒸汽對(duì)物料加熱(如圖),工藝要求對(duì)換熱器出口物料溫

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