第七章 控制示例

第七章控制示例第七章內(nèi)容

7.1電機控制7.2轉(zhuǎn)爐煉銅供氧量的控制7.3具有大滯后對象的控制7.4鋼坯加熱爐的控制22024/6/117.1電機控制1)單閉環(huán)電機控制原理圖圖7-1單閉環(huán)電機控制原理圖32024/6/117.1電機控制2)單閉環(huán)電機控制結(jié)構(gòu)圖圖7-2單閉環(huán)電機控制結(jié)構(gòu)圖42024/6/117.1電機控制3)單閉環(huán)控制系統(tǒng)存在的問題采用轉(zhuǎn)速負反饋和PID調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。52024/6/11b)理想的快速起動過程IdLntIdOIdma)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖7-3直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形4)問題分析IdLntIdOIdmIdcr7.1電機控制62024/6/11帶電流截止負反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程如圖所示，起動電流達到最大值Idm

后，受電流負反饋的作用降低下來，電機的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過程延長。IdLntIdOIdmIdcr圖7-3a)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)7.1電機控制72024/6/11理想起動過程波形如圖，這時，起動電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性增長。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動過程。IdLntIdOIdm圖7-3b)理想的快速起動過程7.1電機控制82024/6/115）問題解決思路：

為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程。

按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負反饋應該能夠得到近似的恒流過程。

我們希望能實現(xiàn)控制：起動過程，只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋；穩(wěn)態(tài)時，只有轉(zhuǎn)速負反饋，沒有電流負反饋。

怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？7.1電機控制92024/6/11

6）轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成

為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置轉(zhuǎn)速和電流串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。7.1電機控制102024/6/11

圖8-5中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。7.1電機控制112024/6/11

6）采用串級控制抑制內(nèi)回路擾動主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器主回路內(nèi)回路7.1電機控制圖7-6雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖122024/6/117.1電機控制內(nèi)回路傳函：主回路傳函：控制的目的是通過主、副調(diào)節(jié)器的選擇使得：132024/6/117.1電機控制假設：則：只要充分大則有好的抑制效果，一般副回路的系統(tǒng)階數(shù)低，通常可以取的較大，故有：甚至142024/6/117.2轉(zhuǎn)爐煉銅富氧吹煉的自動控制2024/6/11151）工藝情況簡介

富氧空氣氧濃度控制十分關(guān)鍵，氧濃度過低達不到預期的目的，氧濃度過大，造成單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)爐反應熱提高過快，影響爐襯壽命；同時氧氣濃度過高，容易造成爐內(nèi)銅過吹，泡沫渣形成過多容易冒爐，嚴重時會發(fā)生危險；另外如果管道積存氧氣濃度過高，開爐時若碰到火花容易發(fā)生爆炸。因此，轉(zhuǎn)爐加氧控制中，通過風、氧流量配比調(diào)節(jié)以控制氧濃度、風氧閥門聯(lián)鎖控制及氧氣閥站控制等十分關(guān)鍵。7.2轉(zhuǎn)爐煉銅富氧吹煉的自動控制1）工藝情況簡介

富氧空氣氧濃度控制十分關(guān)鍵，氧濃度過低達不到預期的目的，氧濃度過大，造成單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)爐反應熱提高過快，影響爐襯壽命；同時氧氣濃度過高，容易造成爐內(nèi)銅過吹，泡沫渣形成過多容易冒爐，嚴重時會發(fā)生危險；另外如果管道積存氧氣濃度過高，開爐時若碰到火花容易發(fā)生爆炸。因此，轉(zhuǎn)爐加氧控制中，通過風、氧流量配比調(diào)節(jié)以控制氧濃度、風氧閥門聯(lián)鎖控制及氧氣閥站控制等十分關(guān)鍵。162024/6/117.2轉(zhuǎn)爐煉銅富氧吹煉的自動控制2024/6/1117

從圖8-7可看出，在供風、供氧管道上分別裝有流量計(FE4407、FE1113)及氣動調(diào)節(jié)閥(FV4407、FV1113)，流量檢測信號均送入控制系統(tǒng)，氣動調(diào)節(jié)閥控制信號均由控制系統(tǒng)給出。圖7-7風、氧流量調(diào)節(jié)原理圖7.2轉(zhuǎn)爐煉銅富氧吹煉的自動控制式中，——需要的富氧空氣流量；

——需要的富氧濃度；——當?shù)乜諝庵泻鯘舛龋?/p>

——純氧濃度；——純氧流量；

——供風流量。

工藝要求轉(zhuǎn)爐吹煉所需富氧空氣中氧濃度一般為24%，可以通過供風、供氧流量配比調(diào)節(jié)達到，因轉(zhuǎn)爐加氧是在正常吹煉過程中所需的風量達到一定值后才加入氧氣，因此控制系統(tǒng)經(jīng)以下比值關(guān)系運算式計算后確定氧氣流量：182024/6/117.2轉(zhuǎn)爐煉銅富氧吹煉的自動控制

在轉(zhuǎn)爐正常吹煉中，所需的供風量若為35000m3/h，富氧空氣中氧濃度要求為24%，氧氣站所供的純氧濃度為99.7%，當?shù)乜諝庵泻鯘舛葹?0.6%，通過上式可計算得出所需的純氧流量及富氧空氣量：192024/6/11207.2轉(zhuǎn)爐煉銅富氧吹煉的自動控制

這樣通過確定設定供風流量即可按比例調(diào)節(jié)供氧流量，比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖如圖8-8所示。2024/6/11純氧氣流量空氣流量2024/6/11217.2轉(zhuǎn)爐煉銅富氧吹煉的自動控制

從圖8-8可看出，在這個比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，是由一個定值調(diào)節(jié)的主動量(供風量)和一個由主動量通過比值器給定的屬于從動調(diào)節(jié)的從動量(供氧量)所組成的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。供風量通過主回路控制器的調(diào)節(jié)作用保持在希望值上，通過比值器作為供氧副回路控制器的設定值，經(jīng)供氧調(diào)節(jié)回路的作用，始終保持住了供風與供氧的比值調(diào)節(jié)關(guān)系。222024/6/11

1)引子在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，有不少的過程特性具有較大的純滯后時間，其特點是當控制作用產(chǎn)生后，在滯后時間范圍內(nèi)，被控參數(shù)完全沒有響應。（1）帶傳輸過程：圖7-9帶運輸機7.3大滯后對象2024/6/1123（2）連續(xù)軋鋼過程：對于大滯后過程的控制若采用串級控制和前饋控制等方案是不合適的。必須采用特殊的控制（補償）方法。圖7-10連續(xù)軋鋼過程7.3大滯后對象2024/6/11242）改良PID控制方案：圖7-11微分先行控制方案7.3大滯后對象(1)微分先行控制方案2024/6/1125(2)中間微分反饋控制方案圖7-12中間微分反饋控制方案7.3大滯后對象2024/6/1126（3）常規(guī)控制方案比較圖7-13PID、微分先行、中間微分反饋控制方案對定值擾動的響應特性7.3大滯后對象2024/6/11273)大滯后過程的預估補償控制：圖7-14Smith預估補償環(huán)節(jié)圖7-15等效圖7.3大滯后對象2024/6/11281）工藝及控制方案簡介煉鋼廠軋鋼車間在對工件軋制之前，先要將工件加熱到一定的溫度。右圖表示其中一個加熱工段的溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用六臺設有斷偶報警裝置的溫度變送器TTi

,三臺高值選擇器HS，一臺加法器∑，一臺PID調(diào)機器和一臺電/氣轉(zhuǎn)換器I/P。圖7-16軋鋼車間加熱爐多點平均溫度反饋控制系統(tǒng)7.4加熱爐溫度預估補償控制2024/6/1129采用高值選擇器的目的是提高控制系統(tǒng)之間的工作可靠性，當每對熱電偶中有一個斷偶時，系統(tǒng)仍能正常運行。加法器實現(xiàn)三個信號的平均，即在加法器的三個輸入通道均設置分流系數(shù)α=1/3。從而得到：7.4加熱爐溫度預估補償控制1）工藝及控制方案簡介7.4加熱爐溫度預估補償控制通過試驗測得加熱爐的數(shù)學模型：溫度傳感器與變送器的數(shù)學模型為：加熱爐是一個大滯后和大慣性的對象。2）加熱爐模型分析與建立302024/6/112024/6/1131廣義被控對象的數(shù)學模型：由于10s+1≈，故上式可演化為：7.4加熱爐溫度預估補償控制2）加熱爐模型分析與