单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,1,过程把握及仪表,吉林大学通信学院,2,串级把握系统,对象的滞后较大，干扰比较猛烈、频繁时，承受串级把握系统。,加热炉温度把握,出口温度,影响因素,被加热物料流量和初温f,1,燃烧压力波动、流量变化、燃料热值变化f2,烟囱抽力f3,方案a：出口温度被控量的单闭环,把握通道时间常数大，把握不准时,3,方案b：炉膛温度为被控量的单闭环。能抑制f2、f3的扰动，不能确保出口温度,串级把握系统,承受串级：出口温度主控参数，炉膛温度中间变量。,T2回路抑制f2、f3的扰动。T1回路抑制f1的扰动。,被加热物料流量和初温f1;燃烧压力波动、流量变化、燃料热值变化f2;烟囱抽力f3,4,主被控变量：工艺把握指标，在串级把握系统中起主导作用的被控变量。,副被控变量：串级把握系统中为了稳定主变量或因某种需要而引入的帮助变量。,主被控过程主对象：主回路包含的过程。,副被控过程副对象：由副被控变量为输出的过程。,串级把握系统,5,主把握器：按主变量的测量值与给定值而工作，其输出作为副变量给定值的那个把握器。,副把握器：其给定值来自主把握器的输出，并按副变量的测量值与给定值的偏差而工作的那个把握器。,主回路：由主变量的测量变送装置，主、副把握器，执行器和主、副对象构成的外回路。主回路是个定值把握系统,副回路：由副变量的测量变送装置，副把握器执行器和副对象所构成的内回路。副回路是个随动系统,串级把握系统,6,一次扰动：作用在主回路，不包括副回路。加热物料变化,二次扰动：作用在副回路，不包括副回路。燃烧值；烟囱抽力,f2、f3二次扰动先影响炉膛温度-副调整器-把握阀门。,f1 一次扰动先影响出口温度-主调整器-把握阀门。,一次、二次扰动同时存在，主副调整器调整规律可以全都也可相反。,串级把握系统,7,串级把握系统的把握效果,1.能快速抑制二次干扰,令,8,串级把握系统的把握效果,1.能快速抑制二次干扰,9,把握力气和抗干扰力气综合定义为：,趋于1好,趋于0好,假设据比例把握,主副增益之积愈大,抗扰越强,10,单回路系统 及传递函数,把握力气和抗干扰,力气综合：,一般状况下有：,结论：快速抑制进入副回路的扰动，削减对主参数影响，提高了把握质量,令,11,2.能改善把握通道的动态特性，提高把握质量,12,2.能改善把握通道的动态特性，提高把握质量,结论：等效时间常数减小，响应速度加快；把握准时,13,3.提高了系统的工作频率,串级系统的特征方程为：,令,14,串级把握系统的工作频率为：,对同一过程，承受单回路把握方案，用同样的分析方法，可得：,假设两种方案的阻尼系数一样，则有：,15,结论：副回路改善了动特性、提高了响应速度和工作频率；当主、副时间常数比值确定，副调整器的比例系数越大，工作频率越高；同样，当比例系数确定，主、副时间常数比值越大，工作频率也越高。其结果使振荡周期缩短，提高了系统的把握质量。,4 能适应负荷和操作条件的猛烈变化,副回路的等效放大系数为：,2能改善把握通道的动态特性，提高系统的快速反响力气；,3对非线性状况下的负荷或操作条件的变化有确定的适应力气。,综上所述，串级把握系统的主要特点有：,1对进入副回路的干扰有很强的抑制力气；,即使k,02,变化,16,串级把握系统的适用范围,1. 适用于容量滞后较大的过程：选容量滞后较小的帮助变量，减小时常，提高频率。,适用于纯滞后较大的过程：,在调整阀近纯时延小的地方选取副参数，构成时延小的副回路。在大时延主过程前减小干扰影响。,工艺要求：过滤前的压力稳定在250Pa;特点：距离长，纯滞后时间长。仿丝胶液压力与压力串级把握。,纺丝胶液压力把握,17,串级把握系统的适用范围,适用于干扰变化猛烈、幅度大的过程：,将变化猛烈且幅度大扰动包括在副回路内。,工艺要求：汽包液位把握，特点：快装锅炉容量小，蒸汽流量与水压变化频繁、猛烈三冲量液位串级把握。,18,同一种介质把握两种参数,单回路把握：两套装置，不经济又无法工作；,常压塔塔顶出口温度和一线温度串级把握。,4. 适用于参数相互关联的过程,19,5. 适用于非线性过程,特点：负荷或操作条件转变导致过程特性转变。假设：单回路把握，需随时转变调整器整定参数以保证系统的衰减率不变；串级把握，则可自动调整副调整器的给定值。,合成反响器温度串级把握：换热器呈非线性特性,留意：串级把握虽然应用范围广，但必需依据具体状况，充分利用优点，才能收到预期的效果。,合成反响器温度串级,20,a燃料油压力为主要干扰；,b燃料油粘度、成分、热值、处理量为主要干扰,主要扰动不同把握方案不同,串级把握系统的设计,问题：副参数如何选择？主、副回路的联系？调整器如何选择？正、反作用如何选择？,1. 副回路的设计与副参数的选择,选择原则：,1副参数要物理可测、副对象的时间常数要小、纯滞后时间要尽可能短。,2 副回路要尽可能多地包含变化频繁、幅度大的干扰，但也不能越多越好。,21,假设,串级把握系统的设计,3主、副过程的时间常数要适当匹配.,当串级把握与单回路把握的阻尼系数相等时，有,主副时间常数比值较小，工作频率提高显著,副回路,小些 快速性，,过小 太大。,工作频率提高小，同时副回路可能不稳定。,为常量作图,时常的比值在310范围内选择,大于或接近 改善过程，,副回路迟钝，影响主参数,。,主副时间常数接近时，一个参数振荡，另一个也振荡,22,4应综合考虑把握质量和经济性要求,a) 冷剂液位为副参数，投资少，把握质量不高；b) 冷剂蒸发压力为副参数，投资多，把握质量较高。选择应视具体状况而定。,23,串级把握系统参数的选择,可控良好的作为把握参数；,把握参数须使把握通道有足够大的放大系数，大于扰动通道的放大系数,把握参数须使把握通道有足够大的灵敏度,考虑经济性和工艺合理性。,主调：定值把握；副调：随动把握。,副被控参数允许有静差P,不引入PI；,流量把握时，为保稳定，P选较小时，比例把握较弱，可引入积分；,不引入微分。,主被控参数要无静差PI,PID调整；,主、副调整器调整规律的选择,24,主、副调整器正、反作用方式的选择开环放大系数为正,选择步骤：工艺要求调整阀的气开、气关副调整器的正、反作用主、副过程的正、反作用主调整器的正、反作用。,燃油阀气开正，,副对象为正过程正，,副调为反作用调整器正 ；主对象也为正过程正 ，,主调为反作用调整器正,6.8,26,串级把握系统的参数整定,整定原则：尽量加大副调整器的增益，提高副回路的频率，使主、副回路的频率错开，以削减相互影响,1.,求串级特征方程D,1,(S)=0，视为单回路特征方程,特征方程变为,2.,特征方程转化为,主副调整器的整定是相互关联的。主回路有较高的把握精度,按单回路整定副把握器,进而整定G,C1,(S)参数。,27,串级把握系统的参数整定,1. 逐步靠近整定法,1 主开环、副闭环，整定副调的参数；记为,2) 副回路等效成一个环节，闭合主回路，整定主调整器参数，记为,3观看过渡过程曲线，满足要求，所求调整器参数即为,否则，再整定副调整器参数，记为,。反复进展，满足为止。,该方法适用于主、副过程时常相差不大、主、副回路动态联系亲切，需反复进展，费时较多,28,串级把握系统的参数整定,2. 两步整定法(,适用于主、副过程时常相差大,),1工况稳定，主、副闭合，主调为比例,比例度为百分之百，先用4比1衰减曲线法整定副调整器的参数，求得副回路比例度和操作周期；,等效副回路，视为主回路一环节，整定主调参数，求得主回路在4比1衰减比下的比例度和操作周期；依据两种状况下的比例度和操作周期，按阅历公式求出主、副调整器的积分时间和微分时间，然后再按先副后主、先比例后积分再微分的次序投入运行，观看曲线，适当调整，满足为止。,先整定副参数，再整定主参数,29,3. 一步整定法,思路：先依据副过程特性或阅历确定副调整器的参数，然后一步完成主调整器的参数的整定。,理论依据：主、副调整器的放大系数在,1主、副调整器均置比例把握，依据约束条件或阅历确定,条件下，主、副过程特性确定时，,为一常数。,2) 等效副回路，按衰减曲线法整定主调整器参数；,3观看曲线，在约束条件下，适当调整主、副调整器的参数，满足为止。,串级把握系统的参数整定,30,4. 应用举例:,硝酸生产用氧化炉，主参数：炉温，PI调整；副参数：氨气流量，P调整；主、副动态联系小，两步整定法。,为100,为32，,为15s；,1,2副调置于32，得主调的,为50，,为7min,。,3运用计算公式得：,为60,，,为3.5min,为32%。,串级把握系统的参数整定,31,6.2 前馈把握系统,6.2.1 前馈把握的根本概念,又称干扰补偿把握：按干扰大小进展调整，抑制干扰比反响快；理论上，可实现抱负把握。图616，图617,原理说明。,补偿器的计算：,32,6.2 前馈把握系统,6.2.2 前馈把握的特点及局限性,1.前馈把握的特点,1开环把握；,2比反响把握准时；,3补偿器为专用,2. 前馈把握的局限性：无法实现对干扰的完全补偿,1只能抑制可测干扰；,2不能对每个干扰实现补偿；,3补偿器难以准确得到，即使得到有时物理上也难以实现,结论：,不单独使用,33,6.2.3 静态补偿与动态补偿,1.静态补偿：,能量平衡,静态补偿器用比例调整器即可实现,适于：干扰k和把握通道k相差不大,时延相差不大的过程,静态放大系数，不考虑动态偏差,34,2. 动态补偿：由于准确模型难以得到或难以实现，只有要求严格把握动态偏差时才承受。,6.2.4 前馈反响复合把握,作用机理分析：,前馈反响把握的优越性？,完全补偿，与开环前馈一样,复合把握系统的特征方程式：,，与前馈补偿器无关,设计步骤：1独立设计反响把握系统；2再设计前馈补偿器,扰动对输出的影响大大减弱,35,引入前馈的原则及应用实例,1. 引入前馈把握的原则,1系统存在频率高、幅值大、可测不行控的干扰，反响把握难以抑制、把握要求高时；,2把握通道时常大于干扰通道时常，反响把握不准时，把握质量差；,3主要干扰无法用串级把握使其包含于副回路或副回路滞后过大时；,4尽可能承受静态补偿而不承受动态补偿。,2. 复合把握系统应用实例,1蒸发过程的浓度把握图,5073溶液沸点与水沸点之温差被控量进料溶液浓度、温度、流量，加热蒸汽压力、流量,方案：蒸汽流量为前馈信号、温差为反响信号、进料溶液为把握参数的复合把握,进料,36,2锅炉汽包水位把握,水位把握的重要性。,影响因素：蒸汽用量不行控、给水流量,选为把握参数,问题：“虚假水位”。影响把握效果。,解决方案：蒸汽流量为前馈信号，给水流量为副参数，水位为主参数前馈反响串级把握(图620,37,6.3 大滞后过程把握系统,6.3.1 大滞后过程概述,纯滞后：热交换，介质传输、化学反响、管道混合、皮带传送、轧辊传输、多容器串联成分测量等。,纯滞后的程度：,称为一般纯滞后；,称为大纯滞后。,大纯滞后难于把握：物理意义：,1测量纯滞后使调整作用不准时；,2把握介质传输滞后使调整动作不准时；,理论分析：开环频率特性相角滞后,稳定裕度,。,串级和前馈都无法解决,解决方案：微分先行、中间反响、斯密斯预估、内模把握等,38,6.3.2 史密斯预估把握,1. 史密斯预估把握：预先估量动态模型预估器使滞后了的被控量提前反响调整器提前动作削减超调、加速调整过程。,单回路把握,闭环特征方程不含滞后环节,5.19,40,6.3.2 史密斯预估把握,2. 仿真实例,实线为史密斯预估把握结果，虚线为单回路把握结果,把握器完全取决于过程特性,41,6.3.3 改进型史密斯预估把握,1. 增益自适应预估把握,当存在差异时 ，通过,产生超前作用，使调整器提前动作，以减小超调和加快调整过程。,当模型相等时 ， 等效为,42,6.3.3 改进型史密斯预估把握,2.动态参数自适应预估把握,当模型准确时，主反响信号为零，其效果同史密斯预估把握；当有差异时，主反响的动态变化经惯性滤波后反响，以增加适应性。,设计思路：设两个调整器均为PI调整器，调整器1按模型完全准确时设计；调整器2按具体状况设计，设对象的非滞后局部为一阶惯性环节，且调整器2的积分时常与对象 惯性时常相等，则有,惯性滤波器的设计,43,6.3.4 内模把握,Garcia 82年提出，构造与史密斯相像，它不仅能明显改善大滞后过程的把握品质，且设计简洁、调整性能好、鲁棒性强。,1.内模把握系统的构造,2. 抱负内模把握器,假设模型没有误差，则有,当X(s)=0,F(s)0时：,假设模型“可倒”且物理可实现,令,则有 Y(s)=0;,同样，当X(s)0，F(s)=0时：,44,3. 实际内模把握器,问题：模型存在误差且不“可倒”如纯滞后或非最小相位环节分解模型:,包含全部纯滞后和在S右半平面存在零点的环节，,且静态增益为1。令,D(s)是静态增益为1的低通滤波器,T为希望的闭环时常，p为正数；选择p,可使把握器既稳定又可物理实现。,留意：该把握器是基于零、极点相消的原理设计的，当模型为不稳定在S右半平面存在极点时，该设计方法不能承受。,设模型存在误差，则有：,设定值变化时的闭环传函为,该式说明：滤波器与闭环性能关系亲切，其中时间常数的选择是关键；时常越小，滞后越小，但对模型误差越敏感；需要在动态性能和鲁棒性之间折中选择。,45,小结：内模把握比史密斯预估把握更具一般性，它不仅可以解决大滞后过程的把握，而且还可通过调整滤波器的参数以增加系统的鲁棒性；由于它同样依靠于模型，应用同样受限。,4. 内模把握与反响把握的关系,内模把握的等效框图：,点画线中的等效传函为,把握理论可知：零频增益无穷大的反响把握可消退干扰引起的余差，内模把握不具有积分功能,当,47,END,