熱工測量及儀表第七章復(fù)雜控制系統(tǒng)講稿

1、第七章復(fù)雜控制系統(tǒng)一、教學(xué)目的通過本章教學(xué)，使學(xué)生掌握前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點及應(yīng)用場合：理解前饋控制系統(tǒng) 與簡單負(fù)反饋控制系統(tǒng)的主要差別：熟悉串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作過程、特點及應(yīng)用場合; 掌握串級控制系統(tǒng)中副變量的確定及主副控制器正、反作用的選擇：了解串級控制系統(tǒng)中主、 副控制器參數(shù)的工程整定方法；熟悉設(shè)置均勻控制系統(tǒng)的目的及控制方案：了解比值控制系 統(tǒng)的各種類型：熟悉單閉環(huán)比值控制方案的結(jié)構(gòu)及特點：理解聯(lián)系型選擇性控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 特點及控制方案；了解開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)；理解分程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用場合； 二、教學(xué)的重點、難點前饋控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)、選擇性控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點、方框圖：

2、控制器規(guī)律的確定： 控制器作用的確定三、教學(xué)時數(shù)本章教學(xué)需5課時四、教學(xué)容7.1 前饋控制系統(tǒng)7.1.1 前饋控制系統(tǒng)及特點7.1.2 前饋控制的主要形式7.1.3 前饋控制的應(yīng)用場合7.2 串級控制系統(tǒng)7.2.1 串級控制系統(tǒng)的概述7.2.2 串級控制系統(tǒng)的工作過程723串級控制系統(tǒng)的特點7.2.4 串級控制系統(tǒng)中副回路的確定7.2.5 串級控制系統(tǒng)中主副控制器規(guī)律及作用的選擇7.2.6 串級控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)整定7.3 均勻控制系統(tǒng)7.3.1 均勻控制系統(tǒng)及特點732均勻控制的主要控制方案7.4 比值控制系統(tǒng)7.4.1 比值控制系統(tǒng)及特點7.4.2 比值控制系統(tǒng)的主要形式7.5 選擇性控

3、制系統(tǒng)7.5.1 選擇性控制概念的提出7.5.2 選擇性控制系統(tǒng)的主要形式第 1-2 課時：7.1.17.2.2引言簡單控制系統(tǒng)是過程控制中最基本、應(yīng)用最廣的控制形式，約占全部控制系統(tǒng)的80%。 但是：隨著生產(chǎn)過程的大型化和復(fù)雜化，操作條件更加嚴(yán)格，變量之間的關(guān)系更加復(fù)雜。有 些生產(chǎn)工藝和控制要求比較特殊。隨著技術(shù)發(fā)展，對工藝的控制目標(biāo)多樣化，如產(chǎn)量、質(zhì)量、 行能、環(huán)保、效率等。為此，必須設(shè)計出各種復(fù)雜控制系統(tǒng)以克服簡單控制所不能勝任的特 殊場合，如前饋控制、串級控制、選擇性控制等。§ 7.1 饋控制系統(tǒng)7.1.1 前饋控制概念的提出及特點分析1 .分析簡單控制系統(tǒng)存在的問題：通過復(fù)

4、習(xí)前章學(xué)習(xí)的簡單反饋控制系統(tǒng)的特點發(fā)現(xiàn)簡單控制系統(tǒng)普遍存在一個問題:控 制信號總是要在干擾已經(jīng)造成影響，被控變量偏離給定值以后才能產(chǎn)生，控制作用總是不及 時。特別是在干擾頻繁，對象有較大滯后時，控制質(zhì)量嚴(yán)重受到影響。并以下?lián)Q熱器溫度控 制系統(tǒng)為例進(jìn)一步說明簡單控制存在的問題。若換熱器冷物料進(jìn)料流量經(jīng)常發(fā)生波動，則簡單控制控制過程中存在的問題：a.控制滯后時間長：b.控制動作慢，速度難以提高2 .針對簡單控制存在的問題提出前饋控制系統(tǒng)：為了改變事后調(diào)節(jié)的狀況，提出前饋控制的思路：針對以上換熱器溫度控制系統(tǒng)，進(jìn)行 修改，即不是根據(jù)換熱器出口溫度發(fā)生改變進(jìn)行調(diào)行，而是根據(jù)冷物料流量Q的大小，來調(diào) 節(jié)

5、閥門開度，以彌補(bǔ)冷物料進(jìn)料流量的干擾的影響。一旦進(jìn)料流量有微小的波動，測量機(jī)構(gòu) 可以瞬間測量出來，并立刻采取調(diào)行蒸汽流量的辦法來克服因進(jìn)料流量干擾而影響出口物料 溫度的影響，該控制方案即是前饋控制系統(tǒng)。燈坡思考及提問：反饋控制和前饋控制，二者的方框圖有何區(qū)別？對前饋控制系統(tǒng)的方框圖進(jìn)行繪制和分析，并與反饋控制系統(tǒng)的方框圖進(jìn)行對比。為了對前饋控制系統(tǒng)有進(jìn)一步的認(rèn)識，下而仔細(xì)分析前饋控制系統(tǒng)的特點，并與反饋控制進(jìn) 行對比。前饋控制系統(tǒng)的四個主要特點：（1）前饋控制系統(tǒng)是基于不變性原理工作的，比反饋控制及時、有效通過分析例子中溫度控制系統(tǒng)的不同作用方式可以得出：反饋控制是根據(jù)被控變量與給定值的偏差，

6、檢測的信號是被控變量，控制作用發(fā)生時間是 在偏差出現(xiàn)以后；前饋控制是根據(jù)干擾的變化，檢測的信號是干擾量的大小，控制作用的發(fā)生時間是在干擾 作用的瞬間而不是等到偏差出現(xiàn)之后。如果控制規(guī)律選擇合適，是可以達(dá)到完全的補(bǔ)償，使出口物料的溫度完全不受進(jìn)口物料流 量的變化的影響。顯然，前饋控制對于干擾的克服能力要比反饋控制及時有效。干擾一旦出現(xiàn)，不需要等 到被控變量受其影響產(chǎn)生變化，就會立即產(chǎn)生控制作用，這個特點是前饋控制的一個主要優(yōu) 點6為了加深對前饋控制系統(tǒng)第一個特點的理解和掌握，列舉一些前饋控制在生活當(dāng)中的具 體體現(xiàn)，如平常開車時，受到其他事物攻擊時等事例。除了第一個優(yōu)點之外，引導(dǎo)學(xué)生思考，前饋控制

7、系統(tǒng)還有哪些特點？（2）前饋控制是屬于開環(huán)控制通過分析前饋控制系統(tǒng)的方框圖可以看出，在前饋控制系統(tǒng)中，被控變量根本沒有被檢測。 當(dāng)前饋控制器按干擾量產(chǎn)生控制作用后，對被控變量的影響并沒有返回來影響控制器的輸入 信號，所以整個系統(tǒng)是一個開環(huán)系統(tǒng)。前饋控制系統(tǒng)是一個開環(huán)系統(tǒng)，是前饋控制系統(tǒng)的一個缺點之一：讓學(xué)生思考開環(huán)控制的 缺點有哪些？如下例子。蒸汽（3）前饋控制使用的是視對象特性而定的專用控制器簡單控制系統(tǒng)使用的PID控制器針對前饋控制系統(tǒng)，對于不同的對象特性，控制規(guī)律也不同。前饋控制器的控制規(guī)律取 決于干擾通道的特性與控制通道的特性。（4）前饋控制只能克服一種特定的干擾前饋是按照干擾進(jìn)行工作

8、的，一種前饋控制只能克服一種干擾，而反饋可以克服多個干 擾，這是前饋控制的一個弱點。課上習(xí)題，加深對前饋控制的理解（詳見課件）。7.1.2 前饋控制的主要形式1 .單純前饋控制形式f（l）靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)1（2）動態(tài)前饋控制系統(tǒng)2 ,前饋-反饋控制思考題：根據(jù)以上的學(xué)習(xí)可知，前饋與反饋控制的優(yōu)缺點是相對應(yīng)的。是否能將二者結(jié) 合起來使用呢?重新夠成的控制系統(tǒng)的方框圖是怎么樣的呢？帶著上述問題學(xué)習(xí)前饋-反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點7.1.3 前饋控制的應(yīng)用場合（1）某個干擾幅值大而頻繁，對被控變量影響劇烈，而對象的控制通道滯后大。4（2）采用單純的反饋控制，控制速度慢、質(zhì)量差。1（3）用串級控制，效果

9、改善不明顯。§7.2串級控制系統(tǒng)7.2.1 串級控制系統(tǒng)的概述以管式加熱爐為例，分析采用簡單控制系統(tǒng)存在的問題，引出串級控制系統(tǒng)的概念在實際生產(chǎn)過程中，特別是當(dāng)加熱爐的燃料壓力或燃料本身的熱值有較大波動時，該簡單控 制系統(tǒng)的控制質(zhì)量往往很差，原料油的出口溫度波動較大，難以滿足生產(chǎn)上的要求。因此提 出以原料油出口溫度為主要被控變量的爐出口溫度與爐膛溫度的串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)中幾個常用的名詞重點講解和分析主變量 副變量J主對象 副對象主控制器副控制器I主回路副回路 思考題：串級控制系統(tǒng)的方框圖如何呢？722串級控制系統(tǒng)的工作過程以管式加熱爐為例，分析串級控制系統(tǒng)是如何有效的克服滯后提

10、高控制質(zhì)量。針對三種不同 情況的干擾進(jìn)行了分析。（詳細(xì)過程見課件）L干擾進(jìn)入副回路2 .干擾作用于主對象3 .干擾同時作用于副回路和主對象通過分析得出：副回路起粗調(diào)快調(diào)，主回路起細(xì)調(diào)慢調(diào)，二者相互配合，大大提高控制質(zhì)量 課后作業(yè)，見授課計劃安排。第 3-4 課時：7.2.3-7A2723串級控制系統(tǒng)的特點復(fù)習(xí)上次課程有關(guān)串級控制的知識。分析串級控制系統(tǒng)的方框圖及特點。板書畫出方框圖 系統(tǒng)有兩個閉合回路，形成外環(huán)。主變量是工藝要求控制的變量，副變量是為了更 好地控制主變量而選用的輔助變量0 主、副控制是串聯(lián)工作的，主控制器的輸出作為副控制器的給定值。 副回路的引入，改善了對象的特性，使控制過程加

11、快，具有超前控制。 串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。并繪制如圖所示，可以看出串級控制的控制質(zhì)量大大提高。7.2.4串級控制系統(tǒng)中副回路的確定副回路設(shè)計中，最重要的是選擇副回路的被控參數(shù)（副變量）。副回路的設(shè)計合理，串級 系統(tǒng)的優(yōu)勢會得到充分發(fā)揮，控制質(zhì)量明星提高。副參數(shù)的選擇一般應(yīng)遵循下面幾個原則:主、副變量應(yīng)有一定的在關(guān)系副參數(shù)的選擇必須使副回路包含變化劇烈的主要干擾，并盡可能多包含一些干擾 副參數(shù)的選擇應(yīng)考慮主、副回路中控制過程的時間常數(shù)的匹配，以防“共振”的發(fā)生 當(dāng)對象具有較大的純滯后時，副變量選擇時盡量少包含純滯后或不包含純滯后。例子如圖7-5, 7-6, 7-7的講解（具體容見課本

12、）725串級控制系統(tǒng)中主副控制器規(guī)律及作用的選擇1 .控制器規(guī)律主變量是生產(chǎn)工藝的主要控制指標(biāo)，工藝上要求比較嚴(yán)格。所以，主調(diào)行器通常選用PI調(diào) 節(jié)，或PID調(diào)節(jié)。副變量是為了提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對副參數(shù)的要求一般不嚴(yán)格，允許有靜差。因此，副 調(diào)節(jié)器一般選P調(diào)節(jié)就可以了。2 .控制器作用的選擇以管式加熱爐為例，說明串級控制系統(tǒng)主、副控制器的正、反作用方式的確定方法。1、根據(jù)工藝安全或節(jié).能要求確定執(zhí)行器的正、反作用；2、按照副回路構(gòu)成負(fù)反饋的原則確定副調(diào)節(jié)器的正、反作用：3、主回路控制器正、反作用的確定。課練習(xí)，P178,圖7-8具體見課本7.2.6串級控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)整定串級控制系統(tǒng)參

13、數(shù)的整定，參照簡單控制系統(tǒng)的步驟，并結(jié)合實驗進(jìn)行參數(shù)的整定。§ 7 3均勻控制系統(tǒng)7.3均勻控制系統(tǒng)及特點以兩個精馀塔為出發(fā)點，分析前后兩個塔之間的物料相互關(guān)系問題，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，提出均勻控制系統(tǒng)的概念。如下圖 所示。均勻控制系統(tǒng)的要求：(1 )兩個變量在控制過程中都應(yīng)該是緩慢變化的。(2)前后互相聯(lián)系又互相矛盾的兩個變量應(yīng)保持在所允許的圍波動。具體變化曲線如圖7-10所示，具體見課本。思考題:均勻控制系統(tǒng)與簡單控制系統(tǒng)的區(qū)別？生活當(dāng)中是否也存在均勻控制？7.3.2均勻控制的主要控制方案(1)簡單均勻控制(2)串級均勻控制總結(jié)

14、：均勻控制結(jié)構(gòu)上與簡單控制系統(tǒng)相近，但控制要有根本區(qū)別的，另外控制器的控制規(guī) 律上也有很大的區(qū)別。§ 7.4比值控制系統(tǒng)7.4.1 比值控制系統(tǒng)及特點在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，要求兩種或多種物料流量成一定比例關(guān)系：一旦比例失調(diào)，會 影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，影響產(chǎn)品質(zhì)量，浪費動力，造成環(huán)境污染，甚至產(chǎn)生生產(chǎn)事故。凡是兩個或多個變量自動維持一定的比例關(guān)系的過程控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)?；靖拍睿褐髯兞縌1、從變量Q2 K=Q2/Q1思考：在實習(xí)實踐過程中，哪些工業(yè)生產(chǎn)中存在比值控制？7.4.2 比值控制系統(tǒng)的主要形式1 .開環(huán)比值控制系統(tǒng)圖7-13圖7-142 .單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)圖7-15-

15、7-163 .雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)圖7-177圖7-184 .變比值控制系統(tǒng)圖7-19圖7-20分析四種比值控制系統(tǒng)的特點及應(yīng)用場合。具體見課本課堂練習(xí)，畫出四種比值控制系統(tǒng)的方框圖？第 5 課時：7.5.17.5.2§ 7. 5選擇性控制系統(tǒng)7.5.1 選擇性控制系統(tǒng)的提出上節(jié)課容簡單回顧。重點知識進(jìn)行復(fù)習(xí)思考合成頷工業(yè)中的氨冷器在進(jìn)行冷卻物料時，當(dāng)冷卻物料溫度始終達(dá)不到要，會出現(xiàn)意外 的事故。如下圖所示。液態(tài)氨液位不能超過一定的界限，否則控制越來越差，甚至?xí)p壞壓 縮機(jī)，針對這個情況提出選擇性控制系統(tǒng)的概念。7.5.2 選擇性控制系統(tǒng)的主要形式1 .開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)一般有A、B

16、兩個可供選擇的變量。變量A,工藝操作的主要技術(shù)指標(biāo)，直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量正常時候的被控變量 變量B,工藝上要求在B限值以，生產(chǎn)是安全的 超過一定限值后作為被控變量 如圖7-29冷卻器出口溫度為變量A,液態(tài)丙烯為變量B.開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)工程過程如圖7.31所示過程。2 .連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng)在連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng)中，一般具有兩臺連續(xù)型控制器，它們的輸出通過一臺選擇器（高 選器或低選器）后，送往控制閥。這兩臺控制器一臺在正常情況下工作，一臺在非正常情況 下工作。以合成氨廠蒸汽鍋爐為例分析連續(xù)性選擇性控制系統(tǒng)的工作過程。如圖7.32所示，為了防 止發(fā)生脫火現(xiàn)象，對蒸汽壓力及燃料壓力進(jìn)行了選擇性控制。具體見課本3 .混合型選擇性控制系統(tǒng)混合型選擇性控制系統(tǒng)中,既包含有開關(guān)型選擇的容，又包含有連續(xù)型選擇的容。以合成氨廠蒸汽鍋爐為例分析混合型選擇性控制系統(tǒng)的工作過程。如圖7.34所示，為了防 止發(fā)生脫火同時還要防止發(fā)生回火現(xiàn)象，對蒸汽壓力及燃料壓力進(jìn)行了混合型選擇性控制。 例題分析：選擇性控制系統(tǒng)的設(shè)計具體見PPT,本