項目九-復雜控制系統(tǒng)

項目九困難限制系統(tǒng)

主講人：徐立飛

感恩、陽光、嚴謹、責任貴州應用技術職業(yè)學院

本章要點1）了解串級限制系統(tǒng)的應用背景，熟悉串級限制系統(tǒng)的典型結(jié)構與特點；2）駕馭串級限制系統(tǒng)的設計方法，熟悉串級限制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法；3）了解前饋限制的原理及運用場合；4）駕馭前饋補償器的設計方法，熟悉前饋－反饋復合限制的特點及工業(yè)應用。困難限制系統(tǒng)包含了哪些，你知道嗎？復雜控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)

均勻控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)取代控制系統(tǒng)三沖量控制系統(tǒng)任務一串級限制系統(tǒng)主變量工藝限制指標，在串級限制系統(tǒng)中起主導作用的被控變量。1任務一串級限制系統(tǒng)主對象為主變量表征其特性的生產(chǎn)設備。副對象為副變量表征其特性的工藝生產(chǎn)設備。主限制器按主變量的測量值與給定值而工作，其輸出作為副變量給定值的那個限制器。副變量串級限制系統(tǒng)中為了穩(wěn)定主變量或因某種須要而引入的協(xié)助變量。任務一串級限制系統(tǒng)主回路由主變量的測量變送裝置，主、副限制器，執(zhí)行器和主、副對象構成的外回路。副回路由副變量的測量變送裝置，副限制器執(zhí)行器和副對象所構成的內(nèi)回路。其給定值來自主限制器的輸出，并按副變量的測量值與給定值的偏差而工作的那個限制器。副限制器看圖說話！連續(xù)反應釜溫度限制示意圖物料自頂部連續(xù)進入釜中，經(jīng)反應后由底部排出。反應產(chǎn)生的熱量由夾套中的冷卻水帶走。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，對反應溫度T1要進行嚴格限制。工藝要求:被控過程有三個熱容積，即夾套中的冷卻水、釜壁和釜中物料。選取冷卻水流量為調(diào)整參數(shù),構成單回路限制系統(tǒng)引起溫度T1變更的干擾因素有：進料方面有進料流量、進料入口溫度和化學組成，用F1表示；冷卻水方面有水的入口溫度和閥前壓力，用F2表示。問題：過渡過程時間長，調(diào)整不剛好將兩個調(diào)整器串聯(lián)在一起工作，各自完成不同任務的系統(tǒng)結(jié)構，就是串級限制的基本思想。依據(jù)這一構思，反應釜溫度串級限制示意圖為爐膛出口燃料原料油TT1TC1MTT2TC2外給TT′管式加熱爐溫度限制MTT2TC2外給T′TT1TC1T給定飽和蒸汽過熱蒸汽減溫水給水鍋爐主蒸汽溫度限制串級限制系統(tǒng)的一般結(jié)構框圖主回路--定值限制副回路--隨動限制副回路主回路副對象：由副控變量表征其主要特性的生產(chǎn)設備，如上例中載熱體流量檢測點到限制閥之間的管道。主限制器：按主控變量的測量值與工藝規(guī)定值（即設定值y10）之間的偏差工作，其輸出作為副限制器的設定值，在系統(tǒng)中起主導作用。如上例中的TC。副限制器：按副控變量的測量值與主限制器來的設定值之間的偏差工作，其輸出干脆操縱執(zhí)行器。如上例中的FC。主回路：由主對象、主測量變送器、主限制器、副限制器、限制閥及副對象構成的外回路，亦稱外環(huán)或主環(huán)。副回路：由副對象、副測量變送器、副限制器及限制閥構成的回路,亦稱內(nèi)環(huán)或副環(huán)。主控（變）量：指工藝限制指標，是在串級限制系統(tǒng)中起主導作用的被控量y1，即上例中的冷流體出口溫度T10。副控（變）量：指為了穩(wěn)定主控變量或某種須要引入的協(xié)助變量y2，如上例中的載熱體流量F2。主對象：由主控變量表征其主要特性的生產(chǎn)設備，如上例中的換熱器以及從限制閥到冷流體出口溫度檢測點之間的全部管道。2串級限制系統(tǒng)的特點對于同一對象單回路限制串級限制串級限制：副回路——粗調(diào);主回路——細調(diào)綜上所述，串級限制系統(tǒng)的主要特點有：1）改善了對象特征，起了超前限制作用；2）能改善對象的動態(tài)特性，提高了工作效率；3）提高了限制器總放大倍數(shù)，增加了抗干擾實力；4）具有確定的自適應實力，適應負荷和操作條件的變更。結(jié)論：副回路改善了動特性、提高了響應速度和工作頻率；當主、副時間常數(shù)比值確定，副調(diào)整器的比例系數(shù)越大，工作頻率越高；同樣，當比例系數(shù)確定，主、副時間常數(shù)比值越大，工作頻率也越高。其結(jié)果使振蕩周期縮短，提高了系統(tǒng)的限制質(zhì)量。3串級限制系統(tǒng)的適用范圍①適用于容量滯后較大的過程選容量滯后較小的協(xié)助變量，組成副回路以減小時間常數(shù)，提高工作頻率。加熱爐溫度串級限制系統(tǒng)②、適用于純滯后較大的過程仿絲膠液壓力與壓力串級限制系統(tǒng)工藝要求：過濾前的壓力穩(wěn)定在250KPa特點：距離長，純滯后時間長。在離調(diào)整閥較近、純時延較小的地方，選擇一個協(xié)助參數(shù)作為副參數(shù)，構成一個純滯后較小的副回路。計量泵③、應用于干擾變更猛烈、幅度大的過程工藝要求：汽包液位限制特點：快裝鍋爐容量小，蒸汽流量與水壓變更頻繁、激烈→三沖量液位串級限制。快裝鍋爐三沖量液位串級限制④、應用于參數(shù)相互關聯(lián)的過程常壓塔塔頂出口溫度和一線溫度串級限制同一種介質(zhì)限制兩種參數(shù)單回路限制：兩套裝置，不經(jīng)濟又無法工作⑤.應用于非線性過程合成反應器溫度串級限制：換熱器呈非線性特性特點：負荷或操作條件變更導致過程特性變更。若單回路限制，需隨時變更調(diào)整器整定參數(shù)以保證系統(tǒng)的衰減率不變；串級限制，則可自動調(diào)整副調(diào)整器的給定值。4串級限制系統(tǒng)的設計副回路的設計與副參數(shù)的選擇2.主、副調(diào)整器調(diào)整規(guī)律的選擇3.主、副調(diào)整器正、反作用方式的選擇問題：副參數(shù)如何選擇？主、副回路的聯(lián)系？調(diào)整器如何選擇？正、反作用如何選擇？副回路的設計與副參數(shù)的選擇選擇原則：（1）副參數(shù)要物理可測、副對象的時間常數(shù)要小、純滯后時間應盡可能短（2）副回路應盡可能多地包含變更頻繁、幅度大的干擾，但也不是越多越好a）燃料油壓力為主要干擾b)燃料油粘度、成分、熱值、處理量為主要干擾（3）主、副被控過程的時間常數(shù)要適當匹配當串級限制與單回路限制的阻尼系數(shù)相等時，有假設為常量主、副被控過程的時間常數(shù)的比值不能太大也不能太小，應適當匹配。結(jié)論:為使主、副回路之間的動態(tài)聯(lián)系較小，避開引起系統(tǒng)共振，通常選擇時間常數(shù)的比值在3～10范圍內(nèi)為宜。使（4）應綜合考慮限制質(zhì)量和經(jīng)濟性要求冷劑液位為副參數(shù)，投資少，限制質(zhì)量不高；冷劑蒸發(fā)壓力為副參數(shù)，投資多，但副回路比較靈敏，限制質(zhì)量較高。選擇應視具體狀況而定。2.主、副調(diào)整器調(diào)整規(guī)律的選擇主調(diào)：定值限制；副調(diào)：隨動限制。主被控參數(shù)是工藝操作的主要指標，允許波動的范圍很小，一般要求無靜差，因此，主調(diào)整器應選PI或PID調(diào)整規(guī)律。副被控參數(shù)允許有靜差→P,一般不引入PI；當選流量為副參數(shù)時，為保穩(wěn)定，P較大，可引入積分，即接受PI，以增加限制作用；一般不引入微分，否則會使調(diào)整閥動作過大或過于頻繁，對限制不利。3.主、副調(diào)整器正、反作用方式的選擇選擇步驟：工藝要求→調(diào)整閥的氣開、氣關→副調(diào)整器的正、反作用→主、副過程的正、反作用→主調(diào)整器的正、反作用。示例：燃油閥氣開，副對象為正過程，副調(diào)為反作用調(diào)整器；主對象也為正過程，主調(diào)為反作用調(diào)整器5串級限制系統(tǒng)的參數(shù)整定整定原則：盡量加大副調(diào)整器的增益，提高副回路的頻率，使主、副回路的頻率錯開，以削減相互影響。1.逐步靠近整定法1）主開環(huán)、副閉環(huán)，整定副調(diào)的參數(shù)；記為2)副回路等效成一個環(huán)節(jié)，閉合主回路，整定主調(diào)整器參數(shù)，記為3）視察過渡過程曲線，滿足要求，所求調(diào)整器參數(shù)即為否則，再整定副調(diào)整器參數(shù)，記為。。。反復進行，滿足為止。該方法適用于主、副過程時常相差不大、主、副回路動態(tài)聯(lián)系親密，需反復進行，費時較多2.兩步整定法1）主、副閉合，主調(diào)為比例,比例度為100%，先用4：1衰減曲線法整定副調(diào)整器的參數(shù)，求得比例度δ2S和振蕩周期T2S；2)副調(diào)整器比例度置δ2S，整定主調(diào)參數(shù)，求得主回路在4：1衰減比下的比例度δ1S和振蕩周期T1S；依據(jù)兩種狀況下的比例度和振蕩周期，按閱歷公式求出主、副調(diào)整器的積分時間和微分時間，然后再按先副后主、先比例后積分再微分的次序投入運行，視察曲線，適當調(diào)整，滿足為止。

3.一步整定法1）依據(jù)閱歷確定副調(diào)整器比例度；2）按單回路系統(tǒng)整定方法干脆整定主調(diào)整器參數(shù)；3）視察曲線，在約束條件下，適當調(diào)整主、副調(diào)整器的參數(shù)，滿足為止。

思路：先根據(jù)副過程特性或經(jīng)驗確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后一步完成主調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。理論依據(jù)：主、副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)在一定范圍內(nèi)可以任意匹配，即在的條件下，當主、副過程特性一定時，為一常數(shù)。4.應用舉例硝酸生產(chǎn)用氧化爐，主參數(shù)：爐溫，PI調(diào)整；副參數(shù)：氨氣流量，P調(diào)整；主、副動態(tài)聯(lián)系小，兩步整定法。為100％→1）2）副調(diào)置于32％，得主調(diào)的3）運用計算公式得：任務二比值限制系統(tǒng)教學進程比值限制系統(tǒng)：實現(xiàn)兩個或兩個以上參數(shù)符合確定比例關系的限制系統(tǒng)流量比值較多，流量比值限制系統(tǒng)1、比值限制系統(tǒng)的類型按結(jié)構分類：開環(huán)和閉環(huán)比值限制系統(tǒng)按實施方案分類：相乘和相除方案按比值分類：定比值和變比值限制方案按限制原理：屬于前饋限制系統(tǒng)1比值限制系統(tǒng)的類型1.1開環(huán)比值限制系統(tǒng)(a)原理圖FCF1F2(b)方塊圖1、開環(huán)比值限制系統(tǒng)控制器控制閥對象F2測量變送F1本質(zhì)：整個限制系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)，F(xiàn)2流量依據(jù)F1流量，按比例系數(shù)開閉閥門場合：這種方案應用較少優(yōu)點：簡潔，儀表少缺點：系統(tǒng)開環(huán)，F(xiàn)2波動時比值難以保證2、單閉環(huán)比值限制系統(tǒng)在開環(huán)比值限制系統(tǒng)的基礎上，增加了一個副流量的閉環(huán)限制系統(tǒng)KF1F2FC從方塊圖上看，與串級限制系統(tǒng)的結(jié)構相像，只是主參數(shù)沒有閉環(huán)，F(xiàn)2不影響F1主流量變更，變更副流量限制器給定值—〉隨動限制。副流量系統(tǒng)閉環(huán)，穩(wěn)定副流量—〉定值限制。2、單閉環(huán)比值限制系統(tǒng)控制器控制閥對象F2測量變送F1K測量變送任務三、前饋限制系統(tǒng)1前饋限制的基本概念TTTCM以下介紹兩個反饋限制實例⑴問題的提出※反饋限制系統(tǒng)限制滯后、不剛好。※為了變更反饋限制不剛好的狀況及不穩(wěn)定的內(nèi)在因素，提出了前饋限制理論。LTMLCFCFT1前饋限制是依據(jù)干擾作用的大小進行限制的，如限制作用恰到好處，一般比反饋限制要剛好。前饋限制與反饋限制的比較：前饋限制又稱為擾動限制，它與反饋限制原理完全不同，它是按引起被控變量變更的干擾大小進行限制的，在這種系統(tǒng)中，要干脆測量負載干擾量的變更，當干擾剛剛出現(xiàn)而能測出時，調(diào)整器就發(fā)出調(diào)整信號，使操縱變量作相應變更，使兩者（干擾與操縱變量）抵消于被控變量發(fā)生偏差之前。因此，前饋限制對干擾的克服比反饋限制要快。⑵前饋限制概念⑶組成及原理TTTCMFTFC∑⑷特點及局限性①特點：Ⅰ、前饋限制是一種開環(huán)限制。Ⅱ、前饋限制按干擾大小進行補償。Ⅲ、前饋限制的調(diào)整規(guī)律不同于常規(guī)PID調(diào)整規(guī)律。Ⅳ、前饋限制只能抑制可測不行控的干擾對被控變量的影響。②局限性：Ⅰ、不行能針對每一個干擾都設計并應用一套獨立的前饋控制系統(tǒng)。Ⅱ、對不行測的干擾無法實現(xiàn)前饋限制。Ⅲ、前饋限制調(diào)整規(guī)律難以實現(xiàn)。2前饋限制系統(tǒng)的主要形式2.1單純前饋限制系統(tǒng)TTTCMFTFC∑⑴換熱器溫度限制Ⅱ、鍋爐汽包液位限制LTMLCFC∑FT1FT1※前饋限制一般不單獨運用（因為達不到預期效果），事實上常與反饋限制混合運用，即組成前饋—反饋限制系統(tǒng)。2.2前饋—反饋限制系統(tǒng)TTTCMFTFC∑⑴換熱器溫度限制⑵鍋爐汽包液位限制LTMLCFC∑FT1FT12.5引入前饋的原則及應用實例2.引入前饋限制的原則1）系統(tǒng)存在頻率高、幅值大、可測不行控的干擾，反饋限制難以克服、限制要求高時；2）限制通道時常大于干擾通道時常，反饋限制不剛好，限制質(zhì)量差；4）盡可能接受靜態(tài)補償而不接受動態(tài)補償。3）主要干擾無法用串級限制使其包含于副回路或副回路滯后過大時；任務三前饋限制系統(tǒng)3、前饋限制的應用場合（1）干擾幅值大而頻繁，對被控變量影響猛烈，僅接受反饋限制達不到要求的對象。（2）主要干擾是可測而不行控的變量。（3）當對象的限制通道滯后大，反饋限制不剛好，限制質(zhì)量差，可接受前饋或前饋-反饋限制系統(tǒng)，以提高限制質(zhì)量。2.復合限制系統(tǒng)應用實例（1）蒸發(fā)過程的濃度限制50％→73％葡萄糖液被控參數(shù)：溶液沸點和水沸點之溫差影響溫差的主要因素：進料溶液濃度、溫度、流量，加熱蒸汽壓力、流量等.方案：復合控制蒸汽流量為前饋信號溫差為反饋信號進料溶液為控制參數(shù)進料（2）鍋爐汽包水位限制被控參數(shù)：汽包水位影響因素：蒸汽用量（不行控）給水流量（選為限制參數(shù)）解決方案：蒸汽流量為前饋信號，給水流量為副參數(shù)，水位為主參數(shù)→前饋－反饋串級限制問題：“虛假水位”…→影響限制效果。任務四勻整限制系統(tǒng)一、概述及特點

勻整限制系統(tǒng)：以限制方案所起作用而言，因為從結(jié)構上無法看出它與簡潔限制系統(tǒng)和串級限制系統(tǒng)的區(qū)分。勻整限制系統(tǒng)應具有如下特點：（1）允許表征前后供求沖突的兩個變量在確定范圍內(nèi)變更。（2）又要保證它們的變更不過于猛烈。勻整限制系統(tǒng)是通過限制器的參數(shù)整定來實現(xiàn)。二、勻整限制原理以圖9－8所示的雙塔系統(tǒng)為例，甲塔的液位須要穩(wěn)定，乙塔的進料也須要穩(wěn)定，這兩個要求是相互沖突的。為了實現(xiàn)甲塔的液位穩(wěn)定，設計了液位限制系統(tǒng)，其操縱變量是該塔的出料流量，因此，該變量必定要變更，而該變量又是乙塔進料，因此，乙塔進料必定要變更，若增設進料流量限制系統(tǒng)，又要影響到甲塔的液位限制。圖9－8相互沖突的限制系統(tǒng)二、勻整限制原理以圖9－8所示的雙塔系統(tǒng)為例，甲塔的液位須要穩(wěn)定，乙塔的進料也須要穩(wěn)定，這兩個要求是相互沖突的。為了實現(xiàn)甲塔的液位穩(wěn)定，設計了液位限制系統(tǒng)，其操縱變量是該塔的出料流量，因此，該變量必定要變更，而該變量又是乙塔進料，因此，乙塔進料必定要變更，若增設進料流量限制系統(tǒng)，又要影響到甲塔的液位限制。解決方案：（1）在甲、乙兩塔間增加中間儲罐，但這樣導致流程困難，投資增加等，而且有些工藝由于連續(xù)性要求，不允許增設中間儲罐。（2）沖突雙方各自降低要求，以求共存。勻整限制體現(xiàn)了這種思想。由于沖突雙方降低了要求，如允許液位和流量在確定范圍內(nèi)波動，就可以接受勻整限制。圖9－9限制目標的調(diào)整（a）為無法實現(xiàn)的兩個限制目標（b）為調(diào)整后體現(xiàn)勻整限制思想的可以實現(xiàn)的限制目標。接受勻整限制后，若有擾動使液位上升，不是馬上充分地進行調(diào)整使得液位幾乎不變，而是允許液位有確定幅度的上升，同時，在液位限制系統(tǒng)作用下，流量也將會適當?shù)卦黾?，來分擔液位受到的擾動；而當流量受到擾動后，液位也分擔流量受到的擾動，即“勻整”地相互幫助。三、勻整限制的實現(xiàn)方案1、簡潔勻整限制系統(tǒng)如圖9－10所示。從結(jié)構上看，該限制系統(tǒng)與簡潔限制一樣?！皠蛘敝饕w現(xiàn)在限制器參數(shù)整定時，要依據(jù)勻整限制思想進行。通常接受純比例限制器，且比例度放在較大的數(shù)值上，同時視察兩個被控變量的過渡過程來調(diào)整比例度。為了防止液位超限，可以引入弱積分作用，但微分作用與勻整限制思想沖突，不能接受。圖9－10簡潔勻整限制系統(tǒng)2、串級勻整限制系統(tǒng)上述簡潔勻整限制雖然結(jié)構簡潔，實現(xiàn)便利，但存在問題：對于壓力擾動反應不剛好。當系統(tǒng)自衡實力較強時，限制效果較差。解決方法：串級勻整限制。如圖9－11所示。圖9－11串級勻整限制系統(tǒng)從結(jié)構上看，串級勻整限制與液位－流量串級限制系統(tǒng)完全一樣。副限制器中副變量的限制要求不高，而這與勻整限制的要求相像。該系統(tǒng)中，副環(huán)用來克服塔壓變更，主環(huán)中，不對主變量提出嚴格的要求，接受純比例，一般不用積分。整定限制器參數(shù)時，主副限制器都接受比例限制，比例度都較大，整定時主要看主、副變量能否“勻整”地得到限制，而不是要求它們的過渡過程呈某衰減比。任務五分程限制系統(tǒng)一、概述一臺限制器的輸出可以同時限制兩臺甚至兩臺以上的限制閥。限制器的輸出信號被分割成若干個信號范圍段，由每一段信號去限制一臺限制閥，稱為分程限制系統(tǒng)。圖7-35分程限制系統(tǒng)方塊圖任務五分程限制系統(tǒng)就限制閥的開、關形式分類兩個限制閥同向動作，即隨著限制器輸出信號（即閥壓）的增大或減小，兩限制閥都開大或關小。