过程控制系统第五章(续)

换热器前馈-串级控制的构成示意图及对应方框图如下.
QC
TC 温度设定值
FC
Mb
加热蒸汽量
进料量
M a T1
冷凝水
uf
T2 Wf (s)
M a Wd (s)
T2r e1 Wc1(s) u1 e2 Wc2 (s) u2 Wv (s) Wo2 (s) M b Wo1(s)
T2
H m2 (s)
H m1(s) 由方框图可求出系统在干扰 M a 作用下的闭环传递函数.
频率10倍时, 副回路的传递函数可近似为1, 即:
Mb(s)
Wc2 (s)Wv (s)Wo2 (s)
1
U1(s) 1 Wc2 (s)Wv (s)Wo2 (s)Hm2 (s)
则系统的闭环传递函数可近似为:
T2 (s) Wd (s) Wf (s)Wo1(s) M a (s) 1 Wc1(s)Wo1(s)Hm1(s)
T2 (s) Wd (s)M a (s), 有反馈回路后, T2 (s) Wd (s)M a (s) /[1 Wc (s)Wv (s)Wo (s)Hm (s)]
在干扰幅值相同情况下, 出料温度的稳态值为原来的
1/(1 KcKvKoKm ) ,比单纯前馈控制受干扰的影响小.
(四)前馈-串级控制系统 对换热器前馈-反馈控制系统的分析可知, 前馈控制 器的输出与反馈控制器的输出叠加后直接送至控制阀, 这实际上是将所要求的进料量与加热蒸汽量的对应关系 转化为进料量与控制阀膜头压力间的关系. 从而为保证 前馈补偿的精度, 对控制阀提出了严格的要求, 希望它 灵敏﹑线性及尽可能小的滞环. 还要求控制阀前后的压 差恒定, 否则同样的前馈输出将对应不同的加热蒸汽流 量. 为解决上述问题, 工程上在原有的反馈控制回路中 再增设一个加热蒸汽流量副回路, 把前馈控制器的输出 与温度控制器的输出叠加后, 作为加热蒸汽流量控制器 的给定值, 构成前馈-串级控制系统.
前馈与加热炉
燃料油 控制阀
出口温度反
图(a)
原料油
温度设定值
馈的前馈-反馈控制 系统. 两者相比, 结构上完
QC f
温度变送器
TC1
出口温度
全不同, 串级 控制由内﹑外
控制量
两个反馈回路构成,
燃料油控制阀
流量变送器 原料油
图(b)
前馈-反馈控 制由一个反馈回路和 另一个开环的补偿回路构成.
进一步分析可知, 串级控制中的副变量与前馈-反馈控制
Ma Mb
1
Wd (s)
Wo (s)
Wc (s)Wv (s)Wo (s)H m (s)
T2
根据不变性原 理: M a (s) 0
H m (s)
T2 (s) 0代入上式
得前馈控制器的传递函数为: Wf (s) Wd (s) /Wv (s)Wo (s)
如前馈控制信号不与反馈回路中控制器的输出信号叠加
称作一阶“超前-滞后”型前馈控制T.1 T2超前,T1 T2 滞后. 此种类型控制器可用两种方法实现.
方法一, 见下图. 图中 K (T1 /T2 ) 1.方法二, 用常规仪表 一dW则当个(ft:K()反sd)微WK分ff(1Ks器时)f (,K滞Td有1KK后TKs1sf):TT1W121ss12K(/T(sdTKK2)T11s12sddsK11T1d)2TsK2sf 1K实KK1mddf,现TT一KfW12TTss(,11个dt1s)(ss1即比1)K器值用1K1dK(器d一KT超d1TKWT个sTf前12T2sTd3s正12(s)1''s:ss1)微K1K分111dd K f
中的副控制器的控制功能不同. 再请看下图. 由图所示
温度设定值
温度变送器
系统构成形式, 不属于
QC
TC1
出口温度 串级控制, 而且操纵变量即燃
控制量
油流量并不
燃料油控制阀 流量变送器
能改变加热 炉的进料量.
原料油
从结构形式看, 它像前馈-反馈控制系统. 其实不是, 与 前图(b)原料油流量干扰前馈与加热炉出口温度反馈的前
冷凝水
u
u
c
f
Wf (s) Wv (s)
Ma Mb
T2
1 Wc (s)Wv (s)Wo (s)HM (s) 同理: Wf (s)
Wd (s) Wo (s)
Wd (s) /Wc (s)Wv (s)Wo (s) T2
H m (s)
前馈-反馈控制的优点: (1)只需对主要干扰进行补偿, 其它干扰可由反馈控制予 以校正, 简化了原有前馈控制系统; (2)反馈回路的存在, 降低了对前馈模型的精度要求, 为 工程上实现比较简单的通用型前馈控制器创造了条件; (3)由前推导的式子可见, 引入前馈控制器不改变反馈回 路的特征方程, 从而不影响系统的稳定性, 可较好地解 决稳定性与控制精度间的矛盾; (4)无反馈回路时, 出料温度对进料量干扰间的关系式为:
四﹑前馈控制系统的参数整定 请参见教材P.141~P.142. 五﹑前馈控制系统的应用(补充) 一般来说, 在下列情况下可考虑选用前馈控制: (1)对象控制通道的容量滞后较大, 反馈控制难以满足工 艺要求时, 把主干扰引入前馈控制, 构成前馈-反馈控制系统
(2)系统中存在可测、不可控、变化频繁、幅值大且 对被控变量影响显著的干扰, 则采用前馈控制可提高控 制品质. 可测是指干扰量能用检测变送装置在线转化为 标准的电或气信号, 不可控指这些干扰难以通过设置单 独的控制系统予以稳定, 或虽设置了专门的控制系统予 以稳定, 但由于操作上的需要, 往往要经常改变其给定 值.
共同作用在控制阀上, 而是与系统的给定信号﹑系统输
出的测量信号叠后作为控制器的输入, 如下图所示, 其
对应的方框图见右下
图. 由图可得:
FC
TC 温度设定值 T2 (s)
M a (s)
进料量
MaT2r eFra bibliotekT1WC (s)
Mb
加热蒸汽量 Wd (s) Wf (s)Wc (s)Wv (s)Wo (s)
按不变性原理可得: Wf (s) Wd (s) /Wo1(s)
三﹑前馈控制作用的实施
通过对前馈控制系统几种典型结构形式的分析可知
前馈控制器的控制规律取决于对象干扰通道与控制通道
的特性, 即 Wf (s) Wd (s) /Wo (s)
由于工业对象的特性极为复杂, 导致前馈控制规律
的形式繁多, 但从工业应用的观点看, 尤其是应用常规
馈控制结构形 式有些不同,但
实际上是一静
态前馈-反馈控制系统, 仅仅是将前馈控制器改变了位置 故在系统投运整定参数时, 需先确定起静态前馈作用的 比例控制器的参数, 再整定温度控制器的参数. 实际上 有些静态前馈-反馈控制系统也采用这一非标准的结构形 式.
5-4 选择性控制系统
一﹑基本概念 选择性控制又叫取代控制, 也称超驰控制. 以前所介绍的各种自动控制系统只能在生产工艺处于正 常情况下工作, 一旦生产出现事故状态, 控制器就要改 为手动, 待故障排除后, 控制系统再重新投入运行. 对 于现代化大型生产过程, 控制仅仅做到这一步远不能满 足保证生产安全的要求. 在大型生产工艺过程中, 除要 求控制系统在生产处于正常运行情况下能克服外界干扰 维持生产的平稳运行, 当生产操作达到安全极限时, 控 制系统应有一种应变能力, 采取相应的保护措施, 促使 生产操作离开安全极限, 返回到正常工况; 或使生产暂 时停止, 以防事故的发生或进一步扩大.
近似方法, 是将其用一阶分式代替, 即:
es 1s / 2 , 其实施框图可见教材P.141图5-29. 1s / 2
前所介绍的前馈控制器的模型, 已为目前广泛应用, 在 定型的DDZ-Ⅲ型仪表、组装式仪表中都有相应的硬件模块 在可编程数字控制器或用计算机控制的DCS中也有相应的控 制算法模块, 便于调用及软连接.
控制通道的特性为
Wo (s)
K e1s 1
/(T1s 1)
干扰通道的特性为
Wd
(s)
K e2s 2
/(T2s
1)
则前馈控制器模型为
Wf
(s)
Wd
(s)
/W0
(s)
K e 2s 2
K e1s 1
/(T2s /(T1s
1) 1)
K2 K1
T s 1 e 1
( 2 1 ) s
T2s 1
K f
T1s 1 es T2s 1
在应用中, 有时会将前馈-反馈控制与串级控制混淆 不清, 这将给设计与运行带来困难, 下面以加热炉出口 温度控制系统的两种不同控制方案, 简要说明两者的关 系与区别.
下面是两种控制方案的构成示意图. 图(a)是加热炉出口温
控制量
温度设定值 温度变送器
TC2 TC1
度与炉膛温度串级控
出口温度 制系统. 图(b) 是原料油干扰
响应见下图红色曲线. 当 1, 即 T1 T2时, 前馈控制
mf (t)
器为超前型, 其单位阶响应见左
0
Kf
1 1
t 图绿色曲线. 超前型前馈控制器
适用于对象控制通道容量滞后大
于干扰通道容量滞后, 滞后型前
馈控制器适用于对象控制通道容
量滞后小于干扰通道容量滞后.
(三) "K f (T1s 1)es /(T2s 1)" 型前馈控制器 存滞后模型 es 用模拟仪表只能近似实现, 其最简单的
联锁保护虽能起到及时保护的作用, 但这种硬性保 护法使设备停车, 影响正常生产和造成经济损失.
T2 (s)
Wd
(s)
Wf
(s) 1
Wc2 (s)Wv (s)Wo2 (s) Wc2 (s)Wv (s)Wo2 (s)Hm2
(s)
Wo1 ( s)
M a (s)
1
Wc1
(s)
1
Wc Wc2 (
2 (s)Wv (s)Wo2 (s) s)Wv (s)Wo2 (s)H
m
2
(s)
Wo1
(s)
H
m1
(
s)
在串级控制系统中, 当副回路工作频率高于主回路工作
如大型压缩机的防喘振措施﹑精馏塔的防液泛措施等. 属于生产保护性措施的有两类: 一类是硬保护措施
一类是软保护措施. 硬保护措施是当生产操作达到安全极限时, 有声﹑
光警报产生, 此时, 或由操作工将控制器切换到手动, 或通过专门设置的联锁保护线路自动停车. 由于大型工 厂生产过程中的强化和限制性条件多而严格, 生产安全 保护的逻辑关系比较复杂, 由人工操作保护难免出错. 此外, 由于生产过程进行的速度很快, 操作人员的生理 反映难以跟上, 要么处理不及时, 要么处理不当, 使事 故扩大. 所以常采用联锁保护的办法来处理.
中的前馈输入量是两个截然不同的概念. 前者是在串级
控制系统副回路控制通道上被控对象的操纵量, 控制作
用对它产生明显的调节效果. 而后者是对主被控变量通
过干扰通道产生影响的干扰量, 是完全不受控制的独立
变量, 引入前馈输入量的目的是补偿原料油流量变化对
加热炉出口温度的影响. 其次, 前馈控制器与串级控制
仪表组成的控制系统, 总力求控制仪表的模式具有一定
的通用性, 以利于设计﹑生产﹑运行和维护. 另外, 由
于工业对象的复杂性, 欲精确获得其数学模型, 也较困
难. 实践证明, 相当数量的工业对象都具有非周期性和
过阻尼的特性, 因此经常可用一个一阶或二阶容量滞后
必要时再串联一个纯滞后环节给以近似, 即:
为导出前馈控制器的模型, 先将换热器前馈-反馈控
制系统的构成示意图画成相应的方框图. 由方框图可得:
FC
TC
温度设定值
Mb
加热蒸汽量 T2 (s)
进料量
M a (s)
M a T1 T2r e WC (s)
冷凝水
uf Wf (s)
uc
Wv (s)
T2 Wd (s) Wf (s)Wv (s)Wo (s)
当上式中的各参数不同时, 前馈模型分为三种基本形式
(一) "K f " 型前馈控制器 当 1 2, 0,T1 T2时 Wf (s) K f , 叫静态前馈控制器.
(二) "K f (T1s 1) /(T2s 1)" 型前馈控制器 当 1 2, 0,T1 T2时, Wf (s) K f (T1s 1) /(T2s 1)
馈-反馈控制系统相比较, 区别是前者将后者的前馈控制
器换成流量控制器, 且由干扰测量点至加法器的通路移
到了控制通路内, 如下框图所示. 但若流量控制器采用
原料油流量
纯比例控制, 尽管与
Tr e WTC (s)
H m2 (s) WQC (s) H m1(s)
Wd (s) Wo (s)
标准的前馈-反
T0
当一阶“超前-滞后”型前馈控制的输 入
d
(t
)
1(t )
时,
M
f
(S)
K f
T1s 1 1 T2s 1 s
1 Kf [s
T1 T2 T2
s
1
1
]
令 T2 /T1 并对上式拉氏反变换得:
T2
mf
(t)
K f
[1
(1
1)et /T1 ]
当 1, 即T2 T1时, 前馈控制器为滞后型, 其单位阶