自动控制系统模型简述之常见几类

PLC工程师2018-11-23 16:58:17

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上期介绍了PID简述及常用参数整定方法,这期继续为朋友们扩充自动控制方面的常识;PID调节器是自动控制系统的模型的基本单元,一个自动控制系统的模型往往包含多个PID调节器,当然,有的模型是不需要PID调节器的,例如开环系统,那么常见的模型有哪些呢?

、反馈控制

反馈控制就是在存在干扰的情况下企图把系统的输出信号(反馈信号)和参考的输入信号之间的差(误差信号)抵消到零的一种控制方式,其通常是由控制对象和控制装置所形成的闭环系统,反馈控制中通常会选用PID算法或能适应各种复杂工况的人工智能算法实现。

 

、前馈控制

单纯的前馈控制是开环的(如下图),是按扰动进行补偿的,因此根据一种扰动设置的前馈控制就只能克服这一扰动对被控变量的影响,而对于其他扰动对被控变量的影响,由于这个前馈控制器无法感受到,也就无能为力了。

所以在实际工业过程中单独使用前馈控制很难达到工艺要求,因此为了克服其他扰动对被控变量的影响,就必须将前馈控制和反馈控制结合起来,构成前馈反馈控制系统。前馈反馈控制系统有两种结构形式,一种是前馈控制作用与反馈控制作用相乘,如下图所示的精馏塔出口温度的进料前馈反馈控制系统。

另一种是前馈控制作用与反馈控制作用相加,这是前馈反馈控制系统中最典型的结构形式,如下图所示的加热炉出口温度的进料前馈反馈控制系统。

图中,进口原料的控制为前馈控制,出口温度的控制为反馈控制。

、比值控制

在生产过程中,工艺上经常需要两种或两种以上的物料按一定的比例混合或参加化学反应。例如,在合成氨生产中,需要保持氢气与氮气按一定的比例进人合成反应器;在加热护中,需要保持燃料油与空气成一定的比例。

凡是两个或多个参数自动维持一定比值关系的过程控制系统,统称为比值控制系统,下图为单闭环比例控制系统图,F1F2为两种不同物料。

、顺序控制/程序控制

工业生产中依照不同的条件,使用的顺序控制包括时间顺序控制、逻辑顺序控制和条件顺序控制三种方式。

    时间顺序控制是固定时间程序的控制系统。它以执行时间为依据,每个设备的运行或停止与时间有关。例如,一个水槽中的水温控制,假设先进热水,将热水阀打开一段时间后关闭,再进冷水,将冷水阀打开一段时间后关闭。

逻辑顺序控制系统按照逻辑先后顺序执行操作指令,它与时间无严格的关系,用过PLC的顺序控制指令的朋友们都会懂得。

条件顺序控制系统是以执行操作指令的条件是否满足为依据,当条件满足时,相应的操作就被执行,不满足时,将执行另外的操作,典型的例子是电梯控制系统。

以上三种控制,实质上都是根据工艺要求而设计的程序动作,所以又称为程序控制。

、串级控制

采用不止一个控制器,而且各控制器间互相串接,一个控制器的输出作为另一个控制器的给定值的系统,称为串级控制系统,串级控制系统是按其结构命名的。

串级控制系统是改善控制过程品质应用最为广泛的一种控制方法。当对象应用简单控制系统得不到满意的控制效果时,就可以考虑使用串级控制。如过热汽温串级控制、汽包水位串级控制等。

图中,锅炉的出口温度控制器与夹套温度控制器组成了一个串级控制系统,出口温度控制器为主调节器,夹套温度控制器为副调节器。

、选择控制

在现代工业生产过程中,要求设计的过程控制系统不但能够在正常工况下克服外来扰动,实现平稳操作,而且还必须考虑事故状态下能安全生产。

由于实际生产限制条件多,其逻辑关系又比较复杂,操作人员的自身反应往往跟不上生产变化速度,在突发事件、故障状态下难以确保生产安全,以往大多采用手动或联锁停车保护的方法。但停车后少则数小时,多则数十小时才能重新恢复生产。这对生产影响太大,易造成经济上的严重损失。为了有效地防止生产事故的发生,减少开车、停车的次数,开发了一种能适应短期内生产异常,改善控制品质的控制方案,即选择性控制。

正常情况:燃料气压力低于脱火压力,PC1工作,----蒸汽压力控制系统

非正常情况:燃料气压力高于脱火压力,PC2工作-----燃料气压力控制系统

、多冲量控制

生产过程控制中,为了保证控制系统的控制质量,往往把互相有关联的几个参数同时引人控制系统,称为多冲最控制系统,或称多变量控制系统。其中常见的有锅炉自动控制,是采用三冲量控制。

工业锅炉是工业生产中重要的动力设备,锅炉汽包的水位控制是极其重要的控制,如果水位过低容易使汽包的水全部汽化烧坏锅炉甚至引起爆炸。水位过高则影响汽水分离效果,使蒸汽带水,影响后面设备安全。

影响汽包水位的因素除了加热汽化这一正常因素外,还有蒸汽负荷和给水流量的波动,当负荷突然增大(用气量增大),汽包压力突然降低,水就会急剧汽化,出现大量气泡,使水的体积似乎大了许多,形成虚假液位,实际上水很少。

如果使用简单的单冲量(即单变量)控制系统,一旦负荷急剧变化,虚假液位出现,控制器就会误认为液位升高而关小供水阀。结果,使急需供水的汽包反而减小供水,势必影响生产甚至造成危险。   

为此,可以采取双冲量控制,即在单冲量控制的基础上再加一个蒸汽冲量,以克服虚假液位的影响.当负荷突然变化时,蒸汽流量信号通过加法器与水位信号叠加,假水位出现时,液位信号企图关小给水阀,而燕汽信号却要开大给水阀,这就可以克服虚假液位的影响。

实际工程中常用的是下图所示的三冲量控制系统,它是在双冲量控制的基础上再加一个给水流量的冲量,使它与液位信号的作用方向一致,用以克服给水压力波动的影响,液位信号a、蒸汽流量b和给水流量信号c经加法器后共同作用于调节阀,实现三冲量控制。  

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