环境工程仿真模拟第四章复杂控制系统

1,环境工程仿真与控制,第四章复杂控制系统,2,第四章复杂控制系统,单回路控制系统简单控制系统，最基本、最广泛,复杂控制系统串级、比值、前馈、均匀、分程、选择控制等,3,4.1串级控制系统,结构与原理由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值。,第四章复杂控制系统,4,4.1串级控制系统,结构与原理,第四章复杂控制系统,被控变量加热炉出口温度,燃料气压力扰动时？,5,4.1串级控制系统,结构与原理,第四章复杂控制系统,加热炉出口温度,进料负荷扰动时？,6,4.1串级控制系统,结构与原理,第四章复杂控制系统,进料负荷扰动时？燃料气压力扰动时？,被控变量加热炉出口温度,7,4.1串级控制系统,结构与原理,主被控变量,副被控变量,副控制器,主控制器,副被控对象,主被控对象,副控制回路,主控制回路,第四章复杂控制系统,第四章复杂控制系统,8,4.1串级控制系统,仿真与分析,9,4.1串级控制系统,仿真与分析,第四章复杂控制系统,10,4.1串级控制系统,特点1）主控制器的输出是副控制器的设定；2）由两个控制器、两个检测变送器、一个执行器组成；3）主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统。,第四章复杂控制系统,11,4.1串级控制系统,特点4）能迅速克服进入副回路干扰的影响，在设计串级控制系统时，应使主要扰动进入副回路，使尽量多的扰动进入副回路。,第四章复杂控制系统,12,4.1串级控制系统,应用实例时间常数较大的过程（污水厌氧处理）：,主被控变量T1（去反应器温度）副被控变量T2（热水仓温度）进厌氧反应器的废水温度串级控制,第四章复杂控制系统,13,4.1串级控制系统,应用实例纯滞后时间较大的过程（物料浸取过程）：,浸取过程网前箱温度串级控制,第四章复杂控制系统,14,4.1串级控制系统,应用实例扰动幅度大且变化大的过程（石灰石-石膏湿法脱硫）：,主被控变量D（浆液密度）副被控变量W（给料机速率）石灰石浆液密度串级控制系统,第四章复杂控制系统,15,4.1串级控制系统,应用实例参数互相关联的过程（精馏塔温度）：,主被控变量T1（塔中温度）副被控变量T2（塔顶温度）塔顶温度和塔中温度的串级控制,第四章复杂控制系统,16,4.1串级控制系统,主、副控制器的选择主控制器：PI或PID；副控制器：P或PI。主控制器要采用PI，才能保证系统无余差。,第四章复杂控制系统,17,4.1串级控制系统,主、副控制器正反作用的选择副环可近似为1：1环节,第四章复杂控制系统,18,4.1串级控制系统,主、副控制器正反作用的选择1）根据副回路负反馈原则，判断副控制器的正反作用；2）将副回路看作1：1环节，根据主回路负反馈原则，判断主控制器的正反作用。,第四章复杂控制系统,19,4.1串级控制系统,主、副控制器正反作用的选择1）根据副回路负反馈原则，判断副控制器的正反作用；2）将副回路看作1：1环节，根据主回路负反馈原则，判断主控制器的正反作用。,第四章复杂控制系统,第四章复杂控制系统,20,4.1串级控制系统,画出串级控制系统的控制框图；主控制器LC应为作用副控制器FC应为作用,21,4.1串级控制系统,溶解氧DO浓度和鼓风机风量串级控制,第四章复杂控制系统,22,4.2前馈控制系统,结构与原理反馈：只有出现偏差时才进行调节；前馈：在偏差还未出现之前把扰动的影响消除。,第四章复杂控制系统,23,4.2前馈控制系统,结构与原理,第四章复杂控制系统,24,4.2前馈控制系统,结构与原理,第四章复杂控制系统,25,4.2前馈控制系统,结构与原理前馈：（开环）,第四章复杂控制系统,26,4.2前馈控制系统,结构与原理前馈反馈（闭环）,第四章复杂控制系统,第四章复杂控制系统,27,4.2前馈控制系统,仿真与分析,物料,蒸汽,物料,蒸汽,28,4.2前馈控制系统,适用情况1）扰动变量可测不可控；2）扰动变化频繁，幅度变化大；3）扰动变量对被控变量影响大。,第四章复杂控制系统,29,4.2前馈控制系统,第四章复杂控制系统,30,4.2前馈控制系统,应用实例液位控制（锅炉汽包液位）,锅炉汽包液位三冲量控制系统示意图,主被控变量（汽包液位）副被控变量（给水流量）前馈（蒸汽流量）,第四章复杂控制系统,31,4.2前馈控制系统,应用实例浓度控制（蒸发过程）,蒸发过程前馈反馈控制系统示意图,主被控变量（溶液沸点与水沸点之差，与溶质含量相关）前馈（蒸汽流量）,第四章复杂控制系统,32,4.2前馈控制系统,应用实例温度控制（连续消毒塔温度）,连续消毒塔温度前馈反馈控制系统示意图,主被控变量（消毒塔出口温度）前馈（蒸汽压力）,第四章复杂控制系统,33,4.2前馈控制系统,原油污水处理装置污水浓度前馈串级反馈控制,第四章复杂控制系统,34,4.3比值控制系统,结构与原理控制两个物料比值的控制系统；一个物料流量（从动量）跟随另一各物料流量（主动量）变化。,第四章复杂控制系统,35,4.3比值控制系统,结构与原理开环比值控制系统,第四章复杂控制系统,36,4.3比值控制系统,结构与原理单闭环比值控制系统,第四章复杂控制系统,第四章复杂控制系统,37,4.3比值控制系统,结构与原理双闭环比值控制系统（变比值控制系统）,38,4.3比值控制系统,分类情况按结构分类：开环、闭环（单闭环，双闭环）；按实施方案分类：乘法、除法；按比值分类：定比值、变比值。,第四章复杂控制系统,39,4.3比值控制系统,主动量与从动量的选择1）主动量通常可测不可控；2）主动量可能会供应不足；3）从安全角度出发选择主与从；4）从动量通常可测可控；5）从动量一般供应有余。,第四章复杂控制系统,40,4.3比值控制系统,自来水消毒装置的水氯比值控制,主动量,从动量,第四章复杂控制系统,41,4.3比值控制系统,硫磺回收装置的燃料气/酸性气/空气比值控制,主动量（开车）,主动量（正常）,从动量,第四章复杂控制系统,42,4.4均匀控制系统,结构与原理均匀控制是指对两个被控变量的兼顾。,第四章复杂控制系统,43,4.4均匀控制系统,单回路控制控制器选用较大比例度，较大的积分时间，使液位和流量均缓慢无振荡变化。,第四章复杂控制系统,44,4.4均匀控制系统,串级均匀控制主控：较大比例度，较大的积分时间。,第四章复杂控制系统,45,4.4均匀控制系统,控制效果比较单纯的液位控制单纯的流量控制均匀控制,第四章复杂控制系统,46,4.4均匀控制系统,特点1）用一个控制器使两个被控变量都得到控制；2）通过控制器参数合理整定实现均匀的目的；,第四章复杂控制系统,47,4.4均匀控制系统,特点3）控制目标：流量平稳或缓慢变化；在最大干扰下，液位仍在工艺操作允许范围内波动；4）参数整定原则：P大，I大。,第四章复杂控制系统,48,4.5分程控制系统,结构与原理一个控制器的输出同时送往两个或两个以上的执行器，各执行器的工作范围不同。,第四章复杂控制系统,49,4.5分程控制系统,分程控制的目的（1）不同工况需要不同的控制手段；（2）扩大控制阀的可调范围。,国产控制阀的可调比R=30；小阀C小MAX=4，则C小MIN=4/30=0.133，大阀C大MAX=100，则C大MIN=100/30=3.33；两阀合用，CMIN=0.133，CMAX=104，因此，可调比R=104/0.133=780。,第四章复杂控制系统,50,4.5分程控制系统,分程控制的结构,第四章复杂控制系统,51,4.5分程控制系统,工业废液PH值分程控制根据工艺安全性，选择控制阀的气开和气关方式：小加碱阀V1和大加碱阀V2选气开型；,第四章复杂控制系统,52,4.5分程控制系统,工业废液PH值分程控制根据负反馈的要求，选择控制器的正反作用方式：小加碱阀V1开大，PH上升，对象Kp1为正，阀V2同上；控制器选反作用；,第四章复杂控制系统,53,4.5分程控制系统,工业废液PH值分程控制确定分程控制类型：PH高，控制器测量值大，反作用控制器输出小，应关小阀V1；,第四章复杂控制系统,第四章复杂控制系统,54,4.5分程控制系统,工业废液PH值分程控制PH低，控制器测量值小，反作用控制器输出大，阀V1已全开，开大阀V2；选气开气开的同向分程控制。,55,4.5分程控制系统,洁净室温湿度分程控制,温度变化的方向与冷/热水阀的动作方向相反，在控制冷、热水阀时选用分程控制。,第四章复杂控制系统,56,4.5分程控制系统,洁净室温湿度分程控制,为了实现湿度控制，在控制冷水阀和加湿阀时选用分程控制。,第四章复杂控制系统,57,4.6选择控制系统,结构与原理控制回路中有选择器，选择器实现逻辑运算，分为高选器和低选器两类。,第四章复杂控制系统,58,4.6选择控制系统,结构与原理控制回路中有选择器，选择器实现逻辑运算，分为高选器和低选器两类。,第四章复杂控制系统,59,4.6选择控制系统,选择器位于两个控制器和一个执行器之间“超驰控制”overridecontrol,第四章复杂控制系统,60,4.6选择控制系统,选择器位于两个控制器和一个执行器之间“超驰控制”overridecontrol,第四章复杂控制系统,61,4.6选择控制系统,选择器位于几个检测变送器和一个控制器之间（1）竞争控制系统（2）冗余控制系统,第四章复杂控制系统,62,4.6选择控制系统,选择器位于几个检测变送器和一个控制器之间（1）竞争控制系统（2）冗余控制系统,第四章复杂控制系统,第四章复杂控制系统,63,4.6选择控制系统,选择器位于几个检测变送器和一个控制器之间为了控制反应温度，选择其中最高点温度用于控制。称为竞争控制系统。,第四章复杂控制系统,64,4.6选择控制系统,选择器位于几个检测变送器和一个控制器之间为防止因仪表故障造成事故，对同一检测点采用多个仪表测量，选择中间值或多数值作为该检测点的测量值，这类系统称为冗余系统。,65,4.6选择控制系统,实现逻辑提量和逻辑降量燃烧时始终维持低过剩空气系数，保证较高的燃烧效率。控制要求：1）提负荷时，先提空气，后提燃料气；2）减负荷时，先减燃料气，后减空气。,第四章复杂控制系统,第四章复杂控制系统,66,4.6选择控制系统,实现逻辑提量和逻辑降量提量时：TRC1输出被FY2（HS）选中空气FRC3设定值空气先提经FT3被FY1（LS）选中FRC2设定值按比例增加燃料气后提,第四章复杂控制系统,67,4.6选择控制系统,实现逻辑提量和逻辑降量降量时：TRC1输出被FY1（LS）选中燃料气FRC2设定值燃料气先减经FT2被FY2（HS）选中FRC3设定值按比例减小空气后减,68,4.6选择控制系统,选择器类型的选择（1）从安全角度出发，选择控制阀的气开气关类型；（2）确定被控对象特性，包括正常工况和取代工况下的特性；,第四章复杂控制系统,69,4.6选择控制系统,选择器类型的选