热工控制系统第07次课讲解.ppt

热工控制系统 魏建平 热能工程学院 1 课程安排 s1、比值控制系统 s2、大迟延控制系统 s3、分程控制系统 2 第七章 比值控制系统 s生产工艺要求两个或两个以上参数成 一定比例关系 • 例如，锅炉燃烧系统中，风煤比 s凡使两个或两个以上参数维持一定比 值关系的控制系统称为比值控制系统 s单闭环比值、双闭环比值、串级比值 及有逻辑规律的比值控制系统 s主流量（主物料）、副流量（从物料 ） 3 第一节 比值控制系统的 分析 s按比值的特点可分为定比值和变比值 控制系统 • 定比值控制系统：两个或两个以上参数 之间的比值是通过改变比值器的比值系 数来实现的，一旦比值系数确定，系统 投入运行后，此比值系数将保持不变（ 为常数），具有这种特点的系统称为定 比值控制系统 • 变比值控制系统：两个或两个以上参数 之间的比值不是一个常数，而是根据另 一个参数的变化而不断地修正，具有这 种特点的系统称为变比值控制系统 4 s按结构特点可分为简单比值和复 杂比值控制系统 •简单比值控制系统：凡构成一个闭 环以下的比值控制系统称为简单比 值控制系统； •复杂比值控制系统：凡构成两个闭 环以上的比值控制系统称为复杂比 值控制系统。

5 开环比值控制系统 6 一、单闭环比值控制系 统 s工艺上要求两种物料流量保持一 定的比例关系 7 s课本的例子（炉膛一般是风煤比 ，多不采用这个系统） 8 s单闭环比值控制系统是由两个信号即主流量Q1，副流量Q2，两个 变送器F1T、F2T，调节器T1、T2，执行机构和一个以Q2作为反馈 信号的闭环回路组成； s在稳定时，能实现主、副流量的工艺比值的要求即Q2／Q1＝K（K 为常数当主流量Q1不变，而副流量Q2受到扰动时，则可通过副 流量的闭合回路进行定值控制主流量调节器WT1(s)的输出作为 副流量的给定值 s当主流量Q1受到扰动时，WT1(s)则按预先设置好的比值使其输出 成比例变化，即改变Q2的给定值，WT2(s)根据给定值的变化，发 出控制命令以改变调节阀的开度，使副流量Q2跟随主流量Q1而变 化，从而保证原设定的比值不变 s当主副流量同时受到扰动时，调节器WT2(s)在克服副流量扰动的 同时，又根据新的给定值，改变调节阀的开度，使主、副流量在 新的流量数值的基础上，保持其原设定值的比值关系 s它不但可以实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且还可以克 服副流量本身干扰对比值的影响。

可见，该系统能确保主、副两 个流量的比值不变，同时，系统的结构又较简单，方案实现起来 方便，仅用一只比值器或比例调节器即可 9 缺点及使用范围 s单闭环比值系统一般只用于负荷变化 不大的场合，原因是该方案中主流量 不是确定值，它是随系统负荷升降或 干扰的作用而任意变化的因此当主 流量出现大幅度波动时，副流量难以 跟踪，主副流量的比值会较大地偏离 工艺的要求因此，单闭环比值控制 系统适用于负荷变化不大，主流量不 可控制，两种物料间的比值要求较精 确的生产过程 10 二、双闭环比值控制系 统 s为了克服单闭环比值控制对主流量不受控制所引 起的不足，在单闭环控制的基础上，设计了双闭 环比值控制系统 s双闭环比值控制系统是由一个定值控制的主流量 回路和一个跟随主流量变化的副流量控制回路组 成 11 12 s主流量控制回路能克服主流量扰动， 实现其定值控制副流量控制回路能 抑制作用于副回路中的扰动，使副流 量与主流量成比值关系 s当扰动消除后，主、副流量都恢复到 原设定值上，其比值不变，并且主、 副流量变化平稳 s当系统需要升降负荷时，只要改变主 流量的设定值，主、副流量就会按比 例同时增加或减小，从而克服上述单 环比值系统的缺点。

13 s自动化要求较高的 比值控制，不仅要 求静态比值恒定， 还要求动态比值一 定，在扰动作用下 ，要求主、副流量 接近同步变化，即 要求静态与动态时 物料量保持一定比 值为了使主、副 流量在时间上和相 位上同步变化，必 须引入“动态补偿 环节”Wb(s) 14 使用范围 s双闭环比值控制系统适用于主副 流量扰动频繁，负荷变化较大， 同时保证主、副物料总量恒定的 生产过程 15 实例 16 三、串级比值控制系统 s有些生产过程中，要求两种物料 流量的比值，随第三个参数的需 要而变化为此可以设计成串级 比值控制系统 17 18 s副回路是一个闭环比值系统，其 比值由除法器来实现，两个流量 比称为副参数 s主回路也是一个闭环系统，由 Y(s)的反馈构成，R2(s)为变比值 信号，即单闭环比值系统的给定 值，Y(s)称为第三个参数或称主 参数(质量指标) 19 s串级比值控制系统在稳态时，主副流量恒定，分 别经测量变送器后送至除法器，其输出即为比值 ，作为WT2(s)的测量信号，此时主参数Y(s)也恒 定WT1(s)输出信号R2(s)稳定，且R2(s)＝ m2(s)，WT2(s)输出稳定，调节阀开度一定，所 以主参数符合工艺要求，产品质量合格。

s当Q2、Q1出现扰动时，副回路可以很快动作，使 两者的比例维持常数即保持比值一定，从而不影 响(扰动幅值不大时)主参数，或大大减小扰动对 主参数Y(s)的影响 s若主参数受某种干扰偏离给定值R1(s)时，主调 节器将会改变副调节器的给定值即WT1(s)的输出 R2(s)产生变化，修正了WT2(s)的给定值即修正 了两个流量的比值，使系统在新的比值上重新稳 定 20 实例（画出方框图） 21 四、有逻辑规律的比值控制 系统 s在某些比值控制系统中，不仅要求两个物 料流量保持一定的比例，而且要求物料流 量的变动有一定的先后次序，称为有逻辑 规律的比值控制系统 s例如在燃料控制系统中，希望燃料量与空 气量成一定的比例而燃料量取绝于蒸汽 量的需要，常用蒸汽压力来反映，当蒸汽 量要求增加时即蒸汽压力降低，燃料量也 要增加为了保证燃烧完全，应先加大空 气量后加大燃料量在减负荷时，应先减 燃料量后减空气量以保证燃烧的安全性 和经济性 22 23 s当蒸汽流量增加时即蒸汽压力下降，此时 蒸汽压力控制器输出增加，增大的信号送 到低选、高选器由于压力控制器输出通 不过低选器LS，而可通过高选器HS，并作 为空气流量控制器的给定值，用来加大空 气量。

s空气流量变送器的输出信号被低选选中， 空气流量的增加也使低选输出增加，从而 改变燃料控制器的给定值，使燃料量增大 s这样保证增加燃料之前先加大空气量，使 燃料完值控制系统减少空气量这样满足 了先减燃料量后减空气量的逻辑关系，保 证燃烧完全 24 25 第二节 比值控制系统的 整定 s一、控制系统的设计 • 1．主、副物料流量的确定 • 确定主、副物料流量的原则是： •(1) 在工业生产过程中起主导作用的物料 流量一般选为主流量，其它的物料流量选 为副流量，其副流量跟随主流量变化 •(2) 在工业生产过程中不可控的或者工艺 上不允许控制的物料流量一般选为主流量 ，而可控的物料流量选为副流量 •(3)在生产过程中较昂贵的物料流量可选为 主流量，这样可以不会造成浪费或提高产 量 •(4)按生产工艺的特殊要求确定主、副物料 流量26 2．控制方案的选择 s根据不同生产工艺情况，负荷变化、扰动 特性、控制要求和经济性等进行具体分析 ，选择合适的比值控制方案 s如果工艺上仅要求两物料流量之比值一定 ，负荷变化不大，主流量不可控制，则可 选单闭环比值控制方案又如在生产过程 中，主、副流量扰动频繁，负荷变化较大 ，同时要保证主、副物料流量恒定，则可 选用双闭环比值控制方案。

再如，当生产 要求两种物料流量的比值能灵活地随第三 个参数的需要进行调节时，可选用串级比 值控制方案 27 3．调节器控制规律的 确定 s（1）单闭环比值控制系统中WT1(s)仅接收主流 量的测量信号，仅起比值计算作用，故选P控制 规律或用一个比值器；WT2(s)起比值控制作用和 使副流量相对稳定，故选PI控制规律 s（2）双闭环比值控制系统中两流量不仅要保持 恒定的比值，而且主流量要实现定值控制，其结 果副流量的设定值也是恒定的，所以两个调节器 均应选PI控制规律 s（3）串级（变）比值控制系统，它具有串级控 制系统的一些特点，那么，可以根据有串级控制 系统调节器控制规律的选择原则，主调节器选PI 或PID控制规律，副调节器选用P控制规律 28 4．流量计或变送器的 选择 s流量测量是比值控制的基础，各 种流量计都有一定的适用范围（ 一般正常流量选择在满量程的70% 左右）必须正确选择使用变送 器的零点及量程的调整都是十分 重要的，具体选用时可参考有关 设计资料手册 29 第八章 大迟延控制系 统 s1.1、纯滞后过程的概念 • 在现代工业生产过程中，不少生产过程 特性具有纯滞后特性，其特点是在施加 控制作用后，被控对象在经过纯滞后时 间后，才对施加的控制作用有响应，即 ：输出参数的变化落后于输入参数的作 用和变化，其原因就在于实际系统变量 的测量、设备的物理性质以及信号的采 集、传递和处理等多方面的因素均可导 致输出响应相对于输入的时间滞后现象 。

下面是几个典型的生产过程实例： 30 1.1.1带传输过程 s在工业生产过程中，一些块状或粉状的物料，例 如硫酸生产中沸腾焙烧炉的硫铁矿进料、热电厂 燃煤锅炉的煤粉进料等，需用图1-1-1所示的带 运输机进行输送当挡板的开度变动引起下料量 改变时，需经过带传输机传送时间(纯滞后)后 ，物料才到达设备，引起工艺参数发生变化所 以有人把纯滞后又称为传输滞后 图1-1-1 带传输滞后过程 31 1.1.2管道输送过程 图1-1-2 管道输送滞后过程 32 1.1.3连续轧钢过程 s图1-1-3所示，钢坯通过行星轧机初轧， 再经平整机精轧平整后．得到所需厚度的 钢板测厚仪通常安装在距平整机出口一 定距离的位置上执行器安装在行星轧机 上．用以调整下压量这是一个纯滞后起 主要作用的过程 图1-1-3 连续轧钢滞后过程 33 34 1.2、纯滞后环节的传递 函数 35 纯滞后环节的传递函数和频率特性 传递函数： 频率特性 ： 相角： 3636 纯滞后对系统性能的影响 纯滞后的存在不利于控制， Ø 在测量方面，因为有了纯滞后，使控制器不能 及时发觉被控变量的变化情况； Ø 在控制方面，因为有了纯滞后，使控制作用不 能及时产生效应 。

3737 1.3、纯滞后对系统性能的 影响 s在控制系统中，纯滞后可以出现 在控制系统的不同位置，但主要 可分为两种情况： •1.3.1纯滞后出现在控制系统的闭环 回路中 •1.3.2纯滞后出现在控制系统的干扰 通道上 38 1.3.1纯滞后出现在控制系统的闭环回路 中 图1-3-3 纯滞后出现在闭环回路中的控制系统 39 1.3.2纯滞后出现在控制系统的干扰通道 上 图1-3-5纯滞后出现在干扰通道的控制系统40 二、纯滞后过程的常用控制 方法 s时滞系统的控制方法主要有两类 ：基于模型的方法和无模型方法 基于模型的方法主要有Smith预 估补偿控制、最优控制、自适应 控制、动态矩阵预报控制、预测 控制、滑模变结构控制、鲁棒控 制等；无模型的方法主要有模糊 Smith控制、模糊自适应控制、模 糊PID控制、神经网络控制、专家 控制等 41 2.1、微分先行控制方 案 s微分作用的特点是能够按被控参数变化速度的大小来校正被控参数 的偏差，它对克服超调现象能起很大的作用常用的PID控制方案 如图2-1-1所示，微分环节的输入是对偏差作了比例积分后的值， 因此，微分环节实际上并不能真正起到对被控参数变化数对进行校 正的目的，其克服动态超调的作用是有限的。

如果将微分环节换到 图2-1-2所示的位置，微分环节克服动态超调的能力就大大不同了 ，这就是微分先行控制方案 PID控制系统框图 微分先行控制系统框图 42 43 2.2、Smith预估补偿控制方 案 44 图2-2-1 Smith预估补偿控制系统方框。