复杂控制系统(已修改).docVIP

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复杂控制系统(已修改)

21 复杂控制系统 一、概述 1、单回路控制系统——简单控制系统:在一般情况下能够满足生产控制要求。 特殊情况:系统干扰因素多、干扰变化剧烈,以及工艺特殊要求。 2、复杂控制系统——串级控制系统、比值控制系统、均匀控制系统、前馈控制系统、选择控制系统、分程控制系统等复杂系统--随着控制理论与工业应用的发展,包含的内容也不同,例如复杂大系统--人口系统,环境控制,能源控制,企业生产经营控制等。 3、多回路系统 多回路系统特征:基于PID控制策略;由多个控制回路组成的系统。 4、多回路系统的发展 80-90%控制系统是基于PID控制的系统,包括多回路系统。多回路系统应用状况以乙烯生产厂为例,它共有421个控制回路其中:常规PID单回路347个,串级、比值等74个(串级24)多回路系统占17.5%。 二、串级控制系统的构成 加热炉是工业生产中常用设备之一。工艺要求被加 热物料的温度为某一定值,因此选取加热炉的出口温度为被控变量,选取燃料量为操纵变量,构成图5-1(a)所示的单回路控制系统。 影响炉出口温度的因素很多,主要有:被加热物料的流量和炉前温度变化[f1(t)];燃料热值的变化、压力的波动[f2(t)];烟囱挡板位置的改变、抽力的变化[f3(t)]等。图5-1(a)系统的特点是,所有对被控变量的扰动都包含在这个回路之中,并都由温度控制器来克服。但是控制通道的时间常数和容量滞后较大,控制作用不用及时,系统克服扰动的能力较差,不能满足工艺的要求。为此,另外选择,炉膛温度为被控变量,燃料量为操纵变量,设计图5-1(b)所示的单回路控制系统,以维持炉口温度为某一定值。该系统的特点是对于扰动[f2(t)] 、[f3(t)]能及时有效地克服,但是扰动[f1(t)]未包括在系统内,系统不能克服扰动[f1(t)]对炉出口温度的影响,仍然不能达到生产工艺要求。 综上分析,为了充分应用上述两种方案的优点,选取炉出口温度为被控变量,选择炉膛温度为中间辅助参数,把炉出口温度控制器的输出作为炉膛温度控制器的设定值,构成了图5-2所示的炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统,图5-3是它的方块图。这样扰动[f2(t)] 、[f3(t)]对炉出口温度的影响主要由炉膛温度控制器T2构成的控制回路来克服,扰动[f1(t)]对炉出口温度的影响由炉出口温度控制器T1构成的控制回路来消除。 1、串级控制系统的构成原理 (1)将原被控对象分解为两个串联的被控对象,如图5-3示。 (2)以连接分解后的两个被控对象的中间参数为副被控变量,构成一个简单控制系统,称为副控制系统或副环。 (3)以原对象的输出信号为主被控变量,即分解后的第二个被控对象的输出信号,构成一个控制系统,称为主控制系统或主回路。 (4)主控制系统中的控制器的输出信号作为副控制系统控制器的设定值,副控制系统的输出信号作为主被控对象的输入信号,如图5-3所示。 2、名词术语 (1)主被控变量:生产过程中工艺要求控制的主要被控变量,如上例中的炉出口温度。 (2)副被控变量:串级控制系统中为了稳定主被控变量而引入的中间辅助变量,如上例中的炉膛温度。 (3)主对象:生产过程中所要控制的,由主被控变量表征其中主要特征的生产过程设备,其输入量为副被控变量,输出量为主被控变量。这个例子中,主对象是锅炉。 (4)副对象:由副被控变量为输出的生产过程(生产设备),其输入量为操纵变量。这个例子中,副对象是炉膛。 (5)主控制器:按主被控变量的测量值与设定值的差值进行工作的控制器,其输出作为副控制器的设定值。 (6)副控制器:按副被控变量的测量值与主控制器输出值的差值进行工作的控制器,输出直接控制控制阀的动作。 (7)主回路:由主、副控制器,主、副对象,主测量变送器组成的闭合回路。 (8)副回路:由副控制器,控制阀,副对象和副 测量变送器组成的闭合回路。 (9)一次扰动:不包括在副回路内的扰动。如图5-2中被加热物料的流量和炉前温度变化[f1(t)]。 (10)二次扰动:包括在副回路内的扰动。如图5-2中燃料方面的扰动[f2(t)]和烟囱抽力的变化[f3(t)]。 二、串级控制系统的控制过程 设控制阀为气开式,主副控制器为反作用。当生产过程处在稳定工况时,被加热物料的流量和温度不变,燃料的流量与热值不变,烟囱抽力也不变,炉出口温度和炉膛温度均处在相对平衡状态,控制阀保持一定的开度,此时炉出口温度稳定在设定值上。 当扰动破坏了平衡工况时,串级控制系统便开始了其控制过程。根据不同扰动分三种情况讨论。 (1)只有二次扰动 二次扰动来自燃料热值的变化、压力的波动f2(t)和烟囱抽力的变化f3(t)。 扰动f2(t)和f3(t)先影响炉膛温度,于是副控制器马上发出校正信号。控制执行器(控制阀)的开度,改变燃料量,克服上述扰动对炉膛温度的影响

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