华南农业大学过程控制课件过程控制系统5-1.ppt

第五章 串级控制 串级控制的出现 串级控制的组成 串级控制系统的工作过程 5.1基本概念 隧道窑是对陶瓷制品进行预热、烧成、冷却的装置. 制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧结温度一般为1300°C，偏差不得超过土5 °C. 烧成带的烧结温度是影响产品质量的重要控制指标之一. 简单控制系统，影响烧成带温度T1的各种干扰因素都被包括在控制回路当中，只要干扰造成Tl偏离设定值，控制器就会根据偏差的情况，通过控制阀改变燃料的流量，从而把变化了的Tl重新调回到设定值。 单回路控制的问题 实践证明，这种控制方案的控制质量很差，远远达不到生产工艺的要求。原因是：从控制阀到窑道烧成带滞后时间太大。 例如： 1）如果燃料的压力发生波动，尽管控制阀门开度没变，但燃料流量将发生变化，必将引起燃烧室温度的波动，再经过隔焰板的传热、辐射，引起烧成带温度的变化。 2）只有烧成带温度出现偏差时，才能发现干扰的存在，所以对于燃料压力的干扰不能够及时发现。 烧成带温度出现偏差后，控制器根据偏差的性质立即改变控制阀的开度，改变燃料流量，对烧成带温度加以调节。 3）这个调节作用同样要经历燃烧室的燃烧、隔焰板的传热以及烧成带温度的变化这个时间滞后很长的通道，当调节过程起作用时，烧成带的温度已偏离设定值很远了。 4）即使发现了偏差，也得不到及时调节，造成超调量增大，稳定性下降。 如果燃料压力干扰频繁出现，对于单回路控制系统，不论控制器采用PID的什么控制作用，还是参数如何整定，都得不到满意的控制效果。 解决办法1 假定燃料的压力波动是主要干扰，发现它到燃烧室的滞后时间较小、通道较短，而且还有一些次要干扰，例如燃料热值的变化、助燃风流量的改变以及排烟机抽力的波动等等(D2表示)，都是首先进入燃烧室。 能否通过控制燃烧室温度T2的方法来达到稳定烧成带的温度呢? 这种控制系统对于上述的干扰有很强的抑制作用，不等到它们影响烧成带温度，就被较早发现，及时进行控制，将它们对烧成带温度的影响降低到最小限度。 存在的问题 直接影响烧成带温度的干扰，例如窑道中装载制品的窑车速度、制品的原料成分、窑车上装载制品的数量以及春夏秋冬、刮风下雨带来环境温度的变化等等(D1表示)。 在这个控制系统中，烧成带温度不是被控变量，所以对于干扰造成烧成带温度的变化，控制系统无法进行调节。 上述两个控制系统，它们各有自己的长处。 第一种控制系统包括了所有干扰 第二种控制系统能对主要的和一些次要干扰提前发现，及早控制。 将两个控制系统结合起来，发挥各自优势 另外，控制燃烧室的温度T2并不是目的，真正的目的是烧成带的温度稳定不变，所以烧成带温度控制器应该是定值控制，起主导作用。 而燃烧室温度控制器则起辅助作用，它在克服干扰D1的同时，应该受烧成带温度控制器的操纵，操纵方法就是烧成带温度控制器的输出作为燃烧室温度控制器的设定值，从而就形成了串级控制系统。 就是采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵控制阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果。 5.2串级控制的组成 串级控制标准方框图 相关术语 5.3串级控制系统的工作过程 前提： 两个控制器串联工作的，只有副控制器的输出去操纵控制阀(只有一个调节阀)；考虑到生产的安全，控制阀选择“气开”工作方式。 两个控制器都选择“反”作用方式。 1.只存在二次干扰 如果这个干扰幅度并不大，经副回路的调节，很快得到克服，不至于引起主变量(烧成带温度T1)的改变。 如果这个干扰作用比较强，尽管副回路的控制作用已大大削弱了它对主变量的影响，但随着时间的推移，主变量仍然会受到它的影响偏离了稳态值而升高。 2.只存在一次干扰 假定串级控制系统只受到来自窑车速度的干扰，比如窑车的速度加快，必然导致窑道中烧成带温度T1的降低。 对于定值控制的主控制器来说，其测量值减小，由于主控制器的“反”作用，它的输出必然增大，也就是说副控制器的设定值增大了。 因为窑车的速度属于一次干扰，它对副变量(燃烧室的温度T2)没有影响，所以这时副控制器的测量值暂时还没有改变。 由于主控制器的输出是副回路的设定值，此时设定值增大，等效于设定值不变测量值减小，根据副控制其的反作用，输出将增大，阀门开度增大，加大燃料的流量，使燃烧室温度T2提高，进而使窑道烧成带温度回升。 2.只存在一次干扰 在整个控制过程中，燃烧室的温度T2也发生了变化，然而副控制器并没有对它加以调节，原因就在于串级控制系统中，主控制器起着主导作用，体现在它的输出作为副控制器的设定值。 而副控制器则处于从属地位，它首先是接受主控制器的命令，然后才进行控制操作。在这种情况下，燃烧室温度T2的改变是作为对烧成带温度T1的控制手段来利用的，