《過程控制系統(tǒng)與儀表》課件及教案

《過程控制系統(tǒng)與儀表》課件及教案,過程控制系統(tǒng)與儀表,過程,控制系統(tǒng),儀表,課件,教案 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章第第7 7章章 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)簡簡單單控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)是是過過程程控控制制中中最最基基本本、最最常常見見的的控控制制方方式式，約約占占全全部部控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的80。但但對對有有些些工工藝控制效果不佳，因為：藝控制效果不佳，因為：q有些生產(chǎn)工藝和控制要求比較特殊。有些生產(chǎn)工藝和控制要求比較特殊。q大型生產(chǎn)過程的變量多、關(guān)系復(fù)雜、要求嚴(yán)格。大型生產(chǎn)過程的變量多、關(guān)系復(fù)雜、要求嚴(yán)格。q控控制制目目標(biāo)標(biāo)多多樣樣化化，除除工工藝藝參參數(shù)數(shù)外外，還還要要求求產(chǎn)產(chǎn)量量、質(zhì)量節(jié)能、環(huán)保、高效等。質(zhì)量節(jié)能、環(huán)保、高效等。為此，設(shè)計出各種復(fù)雜控制系統(tǒng)。為此，設(shè)計出各種復(fù)雜控制系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章 7.1 串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)當(dāng)當(dāng)對對象象的的滯滯后后較較大大，而而干干擾擾比比較較劇劇烈烈、頻頻繁繁時時，簡單控制系統(tǒng)控制品質(zhì)較差，可采用串級控制系統(tǒng)。簡單控制系統(tǒng)控制品質(zhì)較差，可采用串級控制系統(tǒng)。7.1.1串級控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作過程串級控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作過程串級控制是在簡單控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上的改進(jìn)。串級控制是在簡單控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上的改進(jìn)。例例 管管式式加加熱熱爐爐是是化化工工煉煉油油生生產(chǎn)產(chǎn)中中的的重重要要裝裝置置之之一一，它它的的任任務(wù)務(wù)是是把把原原油油加加熱熱到到一一定定溫溫度度，以以保保證證下下道道工工藝藝順順利利進(jìn)進(jìn)行行。因因此此，需需要要控控制制原原油油加加熱熱后后的的出口溫度。出口溫度。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章簡單溫控系統(tǒng)存在的問題：控制通道容量滯后簡單溫控系統(tǒng)存在的問題：控制通道容量滯后很大，控制緩慢。如：很大，控制緩慢。如：原料出口原料出口原料入口原料入口T1CT1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐1(t)燃料壓力燃料壓力變化變化爐膛溫度爐膛溫度變化變化原料溫度原料溫度變化變化出口溫度出口溫度變化變化15min3minT1T、T1C調(diào)燃料量調(diào)燃料量過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章T2T、T2C先粗調(diào)燃料量先粗調(diào)燃料量T1T、T1C再細(xì)調(diào)燃料量再細(xì)調(diào)燃料量解決措施解決措施：在影響出口溫度的通道中，增加爐：在影響出口溫度的通道中，增加爐膛溫度的測量，提前控制。膛溫度的測量，提前控制。燃料壓力燃料壓力變化變化爐膛溫度爐膛溫度變化變化原料溫度原料溫度變化變化出口溫度出口溫度變化變化3min原料出口原料出口原料入口原料入口T1CT1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐T2CT2T2(t)1(t)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章圖圖7.6管式加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)框圖為：管式加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)框圖為：控制器1調(diào)節(jié)閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f2管壁溫度變送器1溫度變送器2控制器2x2(t)2(t)1(t)原料出口原料出口原料入口原料入口T1CT1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐T2CT2T2(t)1(t)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章主控制器執(zhí)行器副對象主對象主變送器副變送器副控制器 主變量副變量給定干擾串級控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)框圖為：串級控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)框圖為：原料出口原料出口原料入口原料入口T1CT1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐T2CT2T2(t)1(t)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：q系系統(tǒng)統(tǒng)有有兩兩個個閉閉合合回回路路，形形成成內(nèi)內(nèi)外外環(huán)環(huán)。主主變變量量是是工工藝藝要要求求控控制制的的變變量量，副副變變量量是是為為了了更更好好地地控控制制主主變量而選用的輔助變量。變量而選用的輔助變量。q主主、副副調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)器器是是串串聯(lián)聯(lián)工工作作的的，主主調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)器器的的輸輸出出作為副調(diào)節(jié)器的給定值。作為副調(diào)節(jié)器的給定值。主控制器執(zhí)行器副對象主對象主變送器副變送器副控制器 主變量副變量給定干擾過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章控制過程分析：控制過程分析：1干擾進(jìn)入副回路干擾進(jìn)入副回路如燃料壓力或燃料熱值發(fā)生擾動，首先影響爐如燃料壓力或燃料熱值發(fā)生擾動，首先影響爐膛溫度，變送器膛溫度，變送器T2T提前測出，控制器提前測出，控制器T2C立即開立即開始控制，控制時間提前。始控制，控制時間提前。原料出口原料出口原料入口原料入口T1CT1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐T2CT2T2(t)1(t)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章因為燃料壓力因為燃料壓力f3(t)和燃料熱值和燃料熱值f4(t)發(fā)生擾動是通發(fā)生擾動是通過閥門影響爐膛溫度，是進(jìn)入副回路的干擾，副變過閥門影響爐膛溫度，是進(jìn)入副回路的干擾，副變送器能提前測出，副控制器立即控制，使控制過程送器能提前測出，副控制器立即控制，使控制過程大為縮短。大為縮短。主控制器調(diào)節(jié)閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f2管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器x2(t)2(t)1(t)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章2干擾進(jìn)入主回路干擾進(jìn)入主回路如原油流量擾動如原油流量擾動 f1(t)、或原油入口溫度擾動、或原油入口溫度擾動f2(t)是進(jìn)入主回路的干擾，副變送器是進(jìn)入主回路的干擾，副變送器T2T不能提前測出，不能提前測出，控制器控制器T2C不能開始提前控制。但不能開始提前控制。但T1C的控制量到來的控制量到來時，副回路使系統(tǒng)控制速度加快。時，副回路使系統(tǒng)控制速度加快。原料出口原料出口原料入口原料入口T1CT1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐T2CT2T2(t)1(t)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章對進(jìn)入主回路的干擾，雖然副變送器不能提前對進(jìn)入主回路的干擾，雖然副變送器不能提前測出，但由于副回路的閉環(huán)負(fù)反饋，使對象爐膛部測出，但由于副回路的閉環(huán)負(fù)反饋，使對象爐膛部分特性的時間常數(shù)大為縮短，則主控制器的控制通分特性的時間常數(shù)大為縮短，則主控制器的控制通道被縮短，控制效果得到改善。道被縮短，控制效果得到改善。主控制器調(diào)節(jié)閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f2管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器x2(t)2(t)1(t)等效副對象等效副對象過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章3副回路和主回路同時出現(xiàn)干擾副回路和主回路同時出現(xiàn)干擾（1）主、副回路的干擾影響方向相同，）主、副回路的干擾影響方向相同，主、副主、副回路同向調(diào)節(jié)，控制量疊加。回路同向調(diào)節(jié)，控制量疊加。如：如：正正反反反反原料出口原料出口原料入口原料入口T1CT1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐T2CT2T2(t)1(t)原油流量原油流量f1(t)出口溫度出口溫度主控制器輸出主控制器輸出副控制器輸出副控制器輸出閥門閥門燃料壓力燃料壓力f3(t)爐膛溫度爐膛溫度出口溫度出口溫度主控制器輸出主控制器輸出 副控制器輸出副控制器輸出 閥門閥門過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章（2）主副回路的干擾影響方向相反，有互相抵）主副回路的干擾影響方向相反，有互相抵消的作用，控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)量減小。如：消的作用，控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)量減小。如：正正反反反反原料出口原料出口原料入口原料入口T1CT1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐T2CT2T2(t)1(t)原油流量原油流量f1(t)出口溫度出口溫度主控制器輸出主控制器輸出副控制器輸出副控制器輸出閥門閥門燃料壓力燃料壓力f3(t)爐膛溫度爐膛溫度出口溫度出口溫度主控制器輸出主控制器輸出 副控制器輸出副控制器輸出 閥門閥門過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章7.1.2串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及其分析串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及其分析將副環(huán)等效成單回路控制系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)。將副環(huán)等效成單回路控制系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)。Gc1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Gc2(s)X2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm2(s)Gm1(s)F3(s)、F4(s)G*o2(s)Go2(s)X2(s)2(s)等效為等效為過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章Gc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)串級控制等效方框圖：串級控制等效方框圖：G*c1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)真正的單回路控制：真正的單回路控制：注：注：G*c1(s)與與Gc1(s)輸出控制的參數(shù)不同，整定也不一樣。輸出控制的參數(shù)不同，整定也不一樣。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章7.1.2.1串級控制系統(tǒng)能改善被控過程的動態(tài)特性串級控制系統(tǒng)能改善被控過程的動態(tài)特性 分析分析控制通道等效副對象的傳函：控制通道等效副對象的傳函：Gc1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Gc2(s)X2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm2(s)Gm1(s)設(shè)：設(shè)：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章得：得：T02 T02K02 1/Km2代入：代入：Gc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)K02 1/Km2 說明對象控制通道的放大倍數(shù)變化影響力降低；說明對象控制通道的放大倍數(shù)變化影響力降低；T02 T02 說明對象控制通道時間常數(shù)縮短。說明對象控制通道時間常數(shù)縮短。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章Gc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)G*c1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)串級控制等效串級控制等效單回路控制單回路控制結(jié)論結(jié)論1：T02 T02，說明主環(huán)控制通道時間常，說明主環(huán)控制通道時間常數(shù)縮短，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。數(shù)縮短，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章Gc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)可求出等效系統(tǒng)的工作頻率可求出等效系統(tǒng)的工作頻率c比單回路時高。比單回路時高。結(jié)論結(jié)論2：副回路的引入能提高系統(tǒng)的工作頻率，：副回路的引入能提高系統(tǒng)的工作頻率，也改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。也改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。等效串級控制系統(tǒng)的特征方程：等效串級控制系統(tǒng)的特征方程：1+Gc1(s)Go2(s)Go1(s)Gm1(s)=0過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章7.1.2.2串級控制系統(tǒng)抗干擾能力增強(qiáng)串級控制系統(tǒng)抗干擾能力增強(qiáng)1、對于進(jìn)入副回路的干擾，串級控制和單回路、對于進(jìn)入副回路的干擾，串級控制和單回路控制前向通道的區(qū)別：控制前向通道的區(qū)別：Gc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)串級控制等效串級控制等效G*c1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)單回路控制單回路控制過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章等效干擾通道的傳函：等效干擾通道的傳函：設(shè)：設(shè)：Gc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)串級控制等效串級控制等效過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章 K*02 K02 說明干擾通道的影響力降低；說明干擾通道的影響力降低；T*02 T02 說明干擾通道時間常數(shù)縮短。說明干擾通道時間常數(shù)縮短。Gc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)串級控制等效串級控制等效T*02 T02K*02 K02得：得：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章Gc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)串級控制等效串級控制等效G*c1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)單回路控制單回路控制2、對于進(jìn)入主回路的干擾，串級控制和單回路、對于進(jìn)入主回路的干擾，串級控制和單回路控制前向通道的區(qū)別：控制前向通道的區(qū)別：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章 T02 T02，說明控制通道時間常數(shù)縮短，說明控制通道時間常數(shù)縮短，系統(tǒng)的控制速度加快，抗干擾能力增強(qiáng)。系統(tǒng)的控制速度加快，抗干擾能力增強(qiáng)。Gc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)串級控制等效串級控制等效T02 T02K02 1/Km2過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章7.1.2.3串級控制系統(tǒng)對負(fù)荷和操作條件變化的適串級控制系統(tǒng)對負(fù)荷和操作條件變化的適應(yīng)能力增強(qiáng)應(yīng)能力增強(qiáng)有些生產(chǎn)工藝的負(fù)荷經(jīng)常變化。而在不同的工有些生產(chǎn)工藝的負(fù)荷經(jīng)常變化。而在不同的工藝點(diǎn)，對象的放大倍數(shù)往往不同。如果是單回路控藝點(diǎn)，對象的放大倍數(shù)往往不同。如果是單回路控制，這會導(dǎo)致控制質(zhì)量下降。制，這會導(dǎo)致控制質(zhì)量下降。G*c1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)單回路控制單回路控制過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章K02 1/Km2對于串級控制，部分對象被包含在副回路中，其對于串級控制，部分對象被包含在副回路中，其放大倍數(shù)被負(fù)反饋掩蓋。因而工藝負(fù)荷變化時，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)被負(fù)反饋掩蓋。因而工藝負(fù)荷變化時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制質(zhì)量能基本保持。系統(tǒng)的控制質(zhì)量能基本保持。Gc1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Gc2(s)X2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm2(s)Gm1(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章串級控制系統(tǒng)特點(diǎn)總結(jié)：串級控制系統(tǒng)特點(diǎn)總結(jié)：副回路的時間常數(shù)很小，系統(tǒng)對進(jìn)入副回路的副回路的時間常數(shù)很小，系統(tǒng)對進(jìn)入副回路的干擾控制效果有很大改善；干擾控制效果有很大改善；主回路的動態(tài)特性得到改善，系統(tǒng)對進(jìn)入主回主回路的動態(tài)特性得到改善，系統(tǒng)對進(jìn)入主回路的干擾控制效果也有改善；路的干擾控制效果也有改善；副回路減小了副對象特性改變的影響，系統(tǒng)對副回路減小了副對象特性改變的影響，系統(tǒng)對負(fù)荷或操作條件變化有一定的自適應(yīng)能力。負(fù)荷或操作條件變化有一定的自適應(yīng)能力。比較：比較：串級控制串級控制單回路控制單回路控制ty過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章7.1.3 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計與參數(shù)整定串級控制系統(tǒng)的設(shè)計與參數(shù)整定7.1.3.1串級控制系統(tǒng)的方案設(shè)計串級控制系統(tǒng)的方案設(shè)計1主回路設(shè)計主回路設(shè)計主回路設(shè)計與單回路控制系統(tǒng)一樣。主回路設(shè)計與單回路控制系統(tǒng)一樣。2副回路設(shè)計副回路設(shè)計副回路設(shè)計中，最重要的是選擇副變量。副回路設(shè)計中，最重要的是選擇副變量。Gc1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Gc2(s)X2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm2(s)Gm1(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章副變量的選擇原則是：副變量的選擇原則是：主、副變量有對應(yīng)關(guān)系；主、副變量有對應(yīng)關(guān)系；盡量將主要干擾都包含在副回路中，但要防止副環(huán)過盡量將主要干擾都包含在副回路中，但要防止副環(huán)過大、降低速度；大、降低速度；避免主、副回路的時間常數(shù)匹配，以防發(fā)生避免主、副回路的時間常數(shù)匹配，以防發(fā)生“共振共振”；注意工藝上的合理性和經(jīng)濟(jì)性。注意工藝上的合理性和經(jīng)濟(jì)性。Gc1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Gc2(s)X2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm2(s)Gm1(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章3主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇串級控制系統(tǒng)的主變量是系統(tǒng)的控制任務(wù)，有串級控制系統(tǒng)的主變量是系統(tǒng)的控制任務(wù)，有工藝控制指標(biāo)要求。主調(diào)節(jié)器常選用工藝控制指標(biāo)要求。主調(diào)節(jié)器常選用PI或或PID調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)。串級控制系統(tǒng)的副變量是為了提高主變量的控串級控制系統(tǒng)的副變量是為了提高主變量的控制質(zhì)量而選的輔助變量，工藝上沒有嚴(yán)格的指標(biāo)要制質(zhì)量而選的輔助變量，工藝上沒有嚴(yán)格的指標(biāo)要求，副調(diào)節(jié)器一般選求，副調(diào)節(jié)器一般選P調(diào)節(jié)就可以了。調(diào)節(jié)就可以了。主控制器執(zhí)行器副對象主對象主變送器副變送器副控制器 主變量副變量給定干擾過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章4主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定對串級控制系統(tǒng)來說，主、副調(diào)節(jié)器正、反作對串級控制系統(tǒng)來說，主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇原則依然是使系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋。用方式的選擇原則依然是使系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋。選擇的順序是：選擇的順序是：根據(jù)工藝安全或節(jié)能要求確定調(diào)節(jié)閥的正、根據(jù)工藝安全或節(jié)能要求確定調(diào)節(jié)閥的正、反作用；反作用；按照副回路構(gòu)成負(fù)反饋的原則確定副調(diào)節(jié)器按照副回路構(gòu)成負(fù)反饋的原則確定副調(diào)節(jié)器的正、反作用；的正、反作用；依據(jù)主回路構(gòu)成負(fù)反饋的原則，確定主調(diào)節(jié)依據(jù)主回路構(gòu)成負(fù)反饋的原則，確定主調(diào)節(jié)器的正、反作用。器的正、反作用。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章以管式加熱爐為例，說明串級控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥以管式加熱爐為例，說明串級控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥和主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用的確定方法。和主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用的確定方法。從生產(chǎn)工藝安全考慮，燃料調(diào)節(jié)閥選用氣開式從生產(chǎn)工藝安全考慮，燃料調(diào)節(jié)閥選用氣開式（正作用）。一旦出現(xiàn)故障控制信號中斷，調(diào)節(jié)閥關(guān)（正作用）。一旦出現(xiàn)故障控制信號中斷，調(diào)節(jié)閥關(guān)閉切斷燃料，確保設(shè)備安全。閉切斷燃料，確保設(shè)備安全。正正原料出口原料出口原料入口原料入口T1CT1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐T2CT2T2(t)1(t)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章先通過副回路確定副調(diào)節(jié)器的正反作用先通過副回路確定副調(diào)節(jié)器的正反作用副回路中，調(diào)節(jié)閥開大，爐膛溫度升高，測量副回路中，調(diào)節(jié)閥開大，爐膛溫度升高，測量信號增大，說明副對象是正作用，變送器都是正作信號增大，說明副對象是正作用，變送器都是正作用。所以，為保證副回路為負(fù)反饋，副調(diào)節(jié)器應(yīng)為用。所以，為保證副回路為負(fù)反饋，副調(diào)節(jié)器應(yīng)為反作用方式。反作用方式。正正正正反反原料出口原料出口原料入口原料入口T1CT1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐T2CT2T2(t)1(t)正正過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章再通過主回路確定主調(diào)節(jié)器的作用方式再通過主回路確定主調(diào)節(jié)器的作用方式調(diào)節(jié)閥開大、爐膛溫度升高時，原料油出口溫調(diào)節(jié)閥開大、爐膛溫度升高時，原料油出口溫度也升高，說明主對象也是正作用。而主調(diào)信號從副度也升高，說明主對象也是正作用。而主調(diào)信號從副調(diào)節(jié)器的給定端通過時不反向，為保證主回路為負(fù)反調(diào)節(jié)器的給定端通過時不反向，為保證主回路為負(fù)反饋，主調(diào)節(jié)器也應(yīng)為反作用方式。饋，主調(diào)節(jié)器也應(yīng)為反作用方式。正正正正反反原料出口原料出口原料入口原料入口T1CT1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐T2CT2T2(t)1(t)正正正正反反正正過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章5串級系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用串級系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用串級控制系統(tǒng)常用于下面一些生產(chǎn)過程：串級控制系統(tǒng)常用于下面一些生產(chǎn)過程：1）容量滯后較大的過程）容量滯后較大的過程2）純滯后較大的過程）純滯后較大的過程3）干擾幅度大的過程）干擾幅度大的過程4）非線性嚴(yán)重的過程）非線性嚴(yán)重的過程對于上述情況，當(dāng)生產(chǎn)工藝要求高，采用簡單對于上述情況，當(dāng)生產(chǎn)工藝要求高，采用簡單控制系統(tǒng)滿足不了工藝要求的情況下，可考慮采用控制系統(tǒng)滿足不了工藝要求的情況下，可考慮采用串級控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章7.1.3.2串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定有以下三種方法：有以下三種方法：1逐步逼近法逐步逼近法依次整定副回路、主回路。并循環(huán)進(jìn)行，逐步接依次整定副回路、主回路。并循環(huán)進(jìn)行，逐步接近主、副回路最佳控制狀態(tài)。近主、副回路最佳控制狀態(tài)。2兩步整定法兩步整定法系統(tǒng)處于串級工作狀態(tài)，第一步按單回路方法整系統(tǒng)處于串級工作狀態(tài)，第一步按單回路方法整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)；第二步把已經(jīng)整定好的副回路視為定副調(diào)節(jié)器參數(shù)；第二步把已經(jīng)整定好的副回路視為一個環(huán)節(jié)，仍按單回路對主調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)整定。一個環(huán)節(jié)，仍按單回路對主調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)整定。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章3一步整定法一步整定法所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗，先將副調(diào)節(jié)器所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗，先將副調(diào)節(jié)器參數(shù)一次調(diào)好，不再變動，然后按一般單回路控制系參數(shù)一次調(diào)好，不再變動，然后按一般單回路控制系統(tǒng)的整定方法直接整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。統(tǒng)的整定方法直接整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。表表7.17.1一步整定法副調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇范圍一步整定法副調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇范圍副參數(shù)類型副參數(shù)類型 副調(diào)節(jié)器比例度副調(diào)節(jié)器比例度2（%）副調(diào)節(jié)器比例增益副調(diào)節(jié)器比例增益Kc2 溫度溫度 2060 5.01.7 壓力壓力 3070 3.01.4 流量流量 4080 2.51.25 液位液位 2080 5.01.25過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章7.2 前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)前前面面討討論論的的都都是是反反饋饋控控制制，其其結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)特特點(diǎn)點(diǎn)是是對對被被控控變變量量進(jìn)進(jìn)行行監(jiān)監(jiān)測測，只只要要干干擾擾引引起起被被控控變變量量變變化化，控控制制器器就就進(jìn)進(jìn)行行調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)，屬屬于于事事后后調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)。最最好好的的控控制制效效果果是：是：給定值給定值測量變送器測量變送器控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對象對象控制變量控制變量被控變量被控變量干擾干擾ty過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章測量變送器測量變送器控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對象對象控制變量控制變量被控變量被控變量干擾干擾為為了了改改進(jìn)進(jìn)事事后后調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)的的品品質(zhì)質(zhì)，提提出出前前饋饋控控制制的的思思路路：監(jiān)監(jiān)測測干干擾擾、事事先先調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)。即即在在干干擾擾引引起起被被控控變變量量變化之前進(jìn)行控制。變化之前進(jìn)行控制。如如果果前前饋饋控控制制量量的的大大小小和和速速度度都都準(zhǔn)準(zhǔn)確確恰恰當(dāng)當(dāng)，前前饋饋控控制制可可以以完完全全抵抵消消干干擾擾對對被被控控變變量量的的影影響響，實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)不變性調(diào)節(jié)。不變性調(diào)節(jié)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章7.2.1前饋控制的工作原理及其特點(diǎn)前饋控制的工作原理及其特點(diǎn)1 1、反饋控制的優(yōu)缺點(diǎn)、反饋控制的優(yōu)缺點(diǎn)1 1）對進(jìn)入反饋環(huán)的所有擾動都有控制作用。）對進(jìn)入反饋環(huán)的所有擾動都有控制作用。2 2）根據(jù)偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，被控變量必定變化。）根據(jù)偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，被控變量必定變化。3 3）控制質(zhì)量的提高受反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性的限制。）控制質(zhì)量的提高受反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性的限制。例例MTTTC蒸汽蒸汽物料進(jìn)口物料進(jìn)口冷凝水冷凝水換熱器換熱器物料出口物料出口換熱器出口溫度換熱器出口溫度簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章?lián)Q熱器出口溫度控制存在的主要干擾有：換熱器出口溫度控制存在的主要干擾有：物料入口流量變化、溫度變化及蒸汽壓力變化物料入口流量變化、溫度變化及蒸汽壓力變化反饋控制系統(tǒng)根據(jù)偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，對進(jìn)入反饋反饋控制系統(tǒng)根據(jù)偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，對進(jìn)入反饋環(huán)的所有擾動都有控制作用。但調(diào)節(jié)過程中被控變量環(huán)的所有擾動都有控制作用。但調(diào)節(jié)過程中被控變量必定變化，且由于系統(tǒng)穩(wěn)定性限制，控制質(zhì)量的提高必定變化，且由于系統(tǒng)穩(wěn)定性限制，控制質(zhì)量的提高是有限的。是有限的。MTTTC蒸汽蒸汽物料進(jìn)口物料進(jìn)口冷凝水冷凝水換熱器換熱器物料出口物料出口過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章2 2、前饋控制的原理與特點(diǎn)、前饋控制的原理與特點(diǎn)前前饋饋控控制制的的原原理理是是：當(dāng)當(dāng)干干擾擾出出現(xiàn)現(xiàn)時時就就將將其其測測量量出出來來，前前饋饋控控制制器器根根據(jù)據(jù)擾擾動動量量的的大大小小進(jìn)進(jìn)行行控控制制。是是先于被控量變化的補(bǔ)償控制。先于被控量變化的補(bǔ)償控制。例例 針對換熱器物料流量干擾的前饋控制系統(tǒng)針對換熱器物料流量干擾的前饋控制系統(tǒng)物料入口物料入口物料出口物料出口MFBFT蒸汽蒸汽冷凝水冷凝水換熱器換熱器過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gfs)Go(s)Y(s)用方框圖表示：用方框圖表示：Gb(s)Gfs)Go(s)Gm(s)Gv(s)F(s)物料入口物料入口物料出口物料出口MFBFT蒸汽蒸汽冷凝水冷凝水換熱器換熱器Y(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章補(bǔ)償原理補(bǔ)償原理如如果果補(bǔ)補(bǔ)償償量量和和干干擾擾量量以以同同樣樣的的大大小小和和速速度度作作用用于被控變量，且作用方向相反的話，被控變量不變。于被控變量，且作用方向相反的話，被控變量不變。得：得：Y(S)=F(S)Gf(s)+F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s)=0Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gf(s)Go(s)Y(s)導(dǎo)出前饋補(bǔ)償規(guī)律：導(dǎo)出前饋補(bǔ)償規(guī)律：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章前饋補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)：前饋補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)：Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gf(s)Go(s)Y(s)負(fù)號表示前饋補(bǔ)償作用與干擾作用方向相反。負(fù)號表示前饋補(bǔ)償作用與干擾作用方向相反。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章q前饋控制的特點(diǎn)：前饋控制的特點(diǎn)：前饋控制是按干擾進(jìn)行控制的，前饋控制是按干擾進(jìn)行控制的，稱為稱為“擾動補(bǔ)償擾動補(bǔ)償”?？刂谱饔脦缀跖c干擾同步產(chǎn)生?？刂谱饔脦缀跖c干擾同步產(chǎn)生。前饋控制是開環(huán)控制，沒有穩(wěn)定性問題。前饋控制是開環(huán)控制，沒有穩(wěn)定性問題。前饋控制規(guī)律是根據(jù)對象特性確定的。前饋控制規(guī)律是根據(jù)對象特性確定的。前饋控制只對特定的干擾有控制作用，對其它干擾無前饋控制只對特定的干擾有控制作用，對其它干擾無效。效。物料入口物料入口物料出口物料出口MFBFT蒸汽蒸汽冷凝水冷凝水換熱器換熱器過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章前饋控制的局限性：前饋控制的局限性：實(shí)際工業(yè)過程中干擾很多，不可能對每個干實(shí)際工業(yè)過程中干擾很多，不可能對每個干擾設(shè)計一套控制系統(tǒng)。擾設(shè)計一套控制系統(tǒng)。前饋控制器的補(bǔ)償控制規(guī)律很難精確實(shí)現(xiàn)，前饋控制器的補(bǔ)償控制規(guī)律很難精確實(shí)現(xiàn)，而而開環(huán)系統(tǒng)對誤差無法自我糾正開環(huán)系統(tǒng)對誤差無法自我糾正。物料入口物料入口物料出口物料出口MFBFT蒸汽蒸汽冷凝水冷凝水換熱器換熱器過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章7.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)前饋控制有靜態(tài)補(bǔ)償和動態(tài)補(bǔ)償兩種結(jié)構(gòu)。前饋控制有靜態(tài)補(bǔ)償和動態(tài)補(bǔ)償兩種結(jié)構(gòu)。1靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)所謂靜態(tài)前饋控制，是前饋控制器只進(jìn)行靜態(tài)所謂靜態(tài)前饋控制，是前饋控制器只進(jìn)行靜態(tài)增益補(bǔ)償，不考慮補(bǔ)償速度。增益補(bǔ)償，不考慮補(bǔ)償速度。Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gf(s)Go(s)Y(s)s s=0時時:過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章靜態(tài)前饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)。前饋控制靜態(tài)前饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)。前饋控制器就是一個比例放大器。但控制過程中，動態(tài)偏差器就是一個比例放大器。但控制過程中，動態(tài)偏差依然存在。依然存在。Gb(s)Gfs)Go(s)Gm(s)Gv(s)F(s)物料入口物料入口物料出口物料出口MFBFT蒸汽蒸汽冷凝水冷凝水換熱器換熱器Y(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章2動態(tài)前饋控制系統(tǒng)動態(tài)前饋控制系統(tǒng)完全按照補(bǔ)償控制規(guī)律設(shè)計控制器，能在每個完全按照補(bǔ)償控制規(guī)律設(shè)計控制器，能在每個時刻都完全補(bǔ)償擾動對被控變量的影響。但控制器時刻都完全補(bǔ)償擾動對被控變量的影響。但控制器復(fù)雜。復(fù)雜。Gb(s)Gfs)Go(s)Gm(s)Gv(s)F(s)物料入口物料入口物料出口物料出口MFBFT蒸汽蒸汽冷凝水冷凝水換熱器換熱器Y(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章3前饋前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)反饋復(fù)合控制系統(tǒng)為為了了克克服服前前饋饋控控制制的的局局限限性性，將將前前饋饋控控制制與與反反饋饋控控制制結(jié)結(jié)合合起起來來。前前饋饋控控制制針針對對主主要要干干擾擾，反反饋饋控控制針對所有干擾。制針對所有干擾。如換熱器出口溫度前饋如換熱器出口溫度前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)：反饋復(fù)合控制系統(tǒng)：MJTFBFTTTTC蒸汽蒸汽冷凝水冷凝水換熱器換熱器物料進(jìn)口物料進(jìn)口物料出口物料出口過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章控制系統(tǒng)框圖控制系統(tǒng)框圖Gv(s)Gb(s)GmF(s)F(s)Gf(s)Go(s)Y(s)GmT(s)Gc(s)X(s)MJTFBFTTTTC蒸汽蒸汽冷凝水冷凝水換熱器換熱器物料進(jìn)口物料進(jìn)口物料出口物料出口過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章設(shè)定值設(shè)定值X(s)和干擾和干擾F(s)對輸出對輸出Y(s)的共同影響為：的共同影響為：Gv(s)Gb(s)GmF(s)F(s)Gf(s)Go(s)Y(s)GmT(s)Gc(s)X(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章1）復(fù)合控制系統(tǒng)的干擾）復(fù)合控制系統(tǒng)的干擾F(s)對對Y(s)的傳函的分的傳函的分子即是前饋控制系統(tǒng)的補(bǔ)償條件。表明前饋控制加子即是前饋控制系統(tǒng)的補(bǔ)償條件。表明前饋控制加入反饋控制后，補(bǔ)償條件沒有改變。入反饋控制后，補(bǔ)償條件沒有改變。2）復(fù)合控制系統(tǒng)的傳函的分母與反饋控制系統(tǒng)）復(fù)合控制系統(tǒng)的傳函的分母與反饋控制系統(tǒng)的傳函分母相同。表明反饋控制加入前饋控制后，的傳函分母相同。表明反饋控制加入前饋控制后，穩(wěn)定性沒有改變。而且由于反饋控制回路的存在，穩(wěn)定性沒有改變。而且由于反饋控制回路的存在，前饋控制的精度得到保證。前饋控制的精度得到保證。前饋前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章復(fù)合控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：復(fù)合控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：在反饋控制的基礎(chǔ)上對主要干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)償。在反饋控制的基礎(chǔ)上對主要干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)償。既提高了控制速度，又保證了控制精度。既提高了控制速度，又保證了控制精度。反饋控制回路的存在，降低了對前饋控制器的反饋控制回路的存在，降低了對前饋控制器的精度要求，有利于簡化前饋控制器。精度要求，有利于簡化前饋控制器。復(fù)合控制系統(tǒng)能在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，復(fù)合控制系統(tǒng)能在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，提高控制品質(zhì)。提高控制品質(zhì)。Gv(s)Gb(s)GmF(s)F(s)Gf(s)Go(s)Y(s)GmT(s)Gc(s)X(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章4前饋前饋-串級復(fù)合控制系統(tǒng)串級復(fù)合控制系統(tǒng)對于慢過程的控制，如果生產(chǎn)過程中的主要干擾對于慢過程的控制，如果生產(chǎn)過程中的主要干擾頻繁而又劇烈，而工藝對被控參量的控制精度要求又頻繁而又劇烈，而工藝對被控參量的控制精度要求又很高，可以考慮采用前饋很高，可以考慮采用前饋-串級復(fù)合控制方案。串級復(fù)合控制方案。Gv(s)Gb(s)GmF(s)F(s)Gf(s)Go1(s)Y(s)Gm2(s)Gc1(s)X(s)Gc2(s)Go2(s)Gm1(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章 5前饋控制器的通用模型前饋控制器的通用模型由于對象特性各異，且精確求解比較困難，前饋由于對象特性各異，且精確求解比較困難，前饋控制器一一特別設(shè)計也難于精確實(shí)現(xiàn)。為簡化設(shè)計和控制器一一特別設(shè)計也難于精確實(shí)現(xiàn)。為簡化設(shè)計和使用，可將前饋控制器簡化成通用模型。使用，可將前饋控制器簡化成通用模型。Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gf(s)Go(s)Y(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章得前饋控制器的通用模型：得前饋控制器的通用模型：Kb 靜態(tài)放大系數(shù)；靜態(tài)放大系數(shù)；T1 加速系數(shù)；加速系數(shù)；T2 減速系數(shù)；減速系數(shù)；純滯后時間。純滯后時間。Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gf(s)Go(s)Y(s)代入：代入：令：令：Go(s)、Gf(s)為帶滯后的一階特性，為帶滯后的一階特性，Gv(s)、Gm(s)為比例特性。為比例特性。簡化計算過程：簡化計算過程：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章根根據(jù)據(jù)通通用用模模型型制制作作的的前前饋饋控控制制器器稱稱為為通通用用前前饋饋控控制制器器。目目前前，比比較較高高檔檔的的控控制制儀儀表表中中都都配配有有通通用用前饋控制模塊，供用戶選用。前饋控制模塊，供用戶選用。使使用用通通用用前前饋饋控控制制器器時時，根根據(jù)據(jù)實(shí)實(shí)際際的的補(bǔ)補(bǔ)償償要要求求調(diào)整各個系數(shù)值，就可獲得不同的前饋補(bǔ)償效果。調(diào)整各個系數(shù)值，就可獲得不同的前饋補(bǔ)償效果。Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gf(s)Go(s)Y(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章前饋控制的應(yīng)用場合前饋控制的應(yīng)用場合（1 1）某個干擾對被控變量影響劇烈。）某個干擾對被控變量影響劇烈。（2 2）對對象象的的控控制制通通道道滯滯后后大大，單單純純的的反反饋饋控控制速度慢、質(zhì)量差。制速度慢、質(zhì)量差。（3 3）用串級控制，品質(zhì)改善不明顯。）用串級控制，品質(zhì)改善不明顯。MJTFBFTTTTC蒸汽蒸汽冷凝水冷凝水換熱器換熱器物料進(jìn)口物料進(jìn)口物料出口物料出口