华南农业大学过程控制课件过程控制系统3-2.ppt

第三章 单回路过程控制系统的设计 实例分析 一、喷雾式干燥设备控制系统设计 牛奶类乳化物干燥过程中的喷雾式干燥工艺设备。由于乳化物属胶体物 质，激烈搅拌易固化，不能用泵输出，故采用高位槽的办法。 浓缩的乳液由高位槽流经过滤器A或B。除去凝结块等杂质，再至干燥器顶部从喷嘴喷出。空气由鼓风机送至换热器（用蒸汽加热），热空气与鼓风机直接来的空气混合后，经风管进入干燥器，从而蒸发乳液中的水分，成为奶粉，并随湿空气一起送出，进行分离。生产工艺对干燥后的产品质量要求很高，水分含量不能波动太大，因而对干燥的温度要求严格控制。试验表明，若温度波动小于±2℃，则产品符合质量要求。 1.被控参数与控制参数 （1）被控参数选择 由于产品水分含量测量十分困难（测水分精度不高），而根据生产工艺，产品质量（水分含量）与干燥温度密切相关，因而选干燥器的温度为被控参数（间接参数）。 （2）控制参数的选择 影响干燥器温度的因素有乳液流量f1，旁路空气量f2，热蒸汽量f3，因而有三个变量可作为控制参数。 三种控制方案的比较示意图如下： 从过程特性对控制质量的影响讨论选择哪个作为控制参数 静态特性分析 单回路控制系统的框图如左图所示 Wc(s)控制器执行机构函数 Wo(s)控制通道传递函数 Wf(s)扰动通道的传递函数 分析： 扰动通道静态放大系数Kf越大，则系统的稳态误差也愈大 控制通道的静态放大系数Ko愈大，表示控制作用愈灵敏，克服扰动的能力愈强，控制效果越显著 要使控制通道的放大系数Ko大于扰动通道的放大系数Kf是合理的。 可以调节Kc，使Kc*Ko 远大于Kf 过程动态性能的分析 扰动通道动态特性对控制质量的影响 （1）时间常数Tf的影响 设Wf(s)是单容过程，传函为： 由于扰动通道是一个一阶惯性环节，系统的特征方程式增加了一个极点(-1/Tf),随着时间常数Tf的增大，极点a将向jw轴移动，使得调节时间Ts加长。但是由于这个过程乘上了一个(1/Tf),使得扰动对过程的影响幅度减小Tf倍，从而使超调量随Tf的增大而减小。 结论： 扰动通道的时间常数Tf愈大，容积越多，扰动对被控参数的影响也愈小。控制质量愈好。 （2）时延的影响 干扰通道存在的纯时间滞后，理论上不影响控制质量，仅使被控参数对干扰的影响在时间上比无滞后存在时推迟了一个值。 2.控制通道动态特性对控制系统的影响 （1）时间常数To的影响 控制通道时间常数的大小反映了控制作用的强弱，反映了控制器的校正作用克服扰动对被控参数影响的快慢。 To太大，控制作用太弱，被控参数缓慢，控制不及时，过渡过程时间长，控制质量下降； To太小，控制作用强，控制及时，克服扰动影响快，过渡过程时间短，但易引起系统震荡，使系统稳定性下降。 （2）时间滞后的影响 控制通道的时间滞后包括纯滞后和容量滞后，都会给控制质量带来不良的影响，纯滞后的影响最坏 当控制通道存在纯滞后时，控制器的校正作用将要滞后一个时间，从而使超调增加，使被控参数的最大偏差增大，引起系统动态指标下降。 （3）时间常数分配的影响 控制系统的开环传函，一般可以写为几个一阶环节串联的形式 实验表明，开环传函中的几个时间常数错开，减小中间的时间常数，可以提高系统的工作频率，减小过渡过程时间和最大偏差，改善控制质量。 执行器（调节阀）选择 气动执行器、电动执行器、液动执行器 选择原则 1.选择合适的调节工作区间 正常工况下要求调节阀开度处于15%-85%之间。 阀口口径选的过小，当受到大扰动时，调节阀开在全开或接近全开的非线性饱和工作状态，使系统暂时失控； 阀口口径过大，系统运行中阀门会经常处于小开度的工作状态，调节不灵敏。 2.选择合适的流量特性 若过程特性为线性时，选用直线流量特性的调节阀，若过程特性为非线性，则选用对数流量特性的调节阀 3.选择合适的调节阀开、关形式 主要以生产安全考虑。 1）考虑事故状态时人身、工艺设备的安全。 例如锅炉供水调节阀一般采用气关式，一旦事故发生，可以保证事故状态下阀门处于全开位置，使锅炉不会因进水中断而烧干，甚至引起爆炸危险。又如，进加热炉的燃料气或燃料油的调节阀应采用气开式，一旦事故发生，调节阀处于全关状态，切断进炉燃料，避免炉温继续升高，烧坏炉管，造成设备事故 2）考虑事故状态下减少经济损失，保证产品质量 3）考虑介质特性。对装有易结晶、易凝固物料的装置，整齐流量调节阀需选用气开式。 ?积分控制作用能消除余差，但降低了系统的稳定性。 ?