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與小Z一起學自控——被控變數的選擇與控制方案的確立之串級控制

與小Z……溫度控制給大家拿出下圖工藝去選擇控制方案

根據工藝要求,被控變數為出口流量和罐的液位。

出口流量控制分析

由於水入口流量不固定,並不允許控制,那麼它屬於我們控制過程中的擾動(相關概念參閱一篇…術語)。

為了使出口流量與設定值(系統要求的值或者說是我們想要的值)保持一致;

需檢測被控變數(出口流量),並與設定值進行比較得到偏差;

按一定控制規律對偏差運算;

輸出信號驅動操縱變數(出口流量);

最終使被控變數恢復到設定值。

 

【方案】

如上圖:

變送器檢測流量;

控制器對偏差運算;

執行器改變操縱變數。

 

明確幾個概念:

1、PV過程變數,變送器檢測來的值。

2、SP設定值,我們想要的值。

3、偏差,測量值與設定值的差PV-SP。

4、OP輸出值,送給執行器的值。

 

控制過程描述:

流量變送器檢測出罐出口的實際流量(PV),送到控制器中與預先定好的理想中的值(SP)進行比較運算,如有偏差存在,運算過程結果輸出(OP)到執行器(閥門),閥門接到命令動作,從而改變罐出口流量,直至罐中液位(PV)與設定的值(SP)一致為止。

 

【問題】

上面的分析是在控制方案確立時最優先要考慮的,但是此控制方案忽略另外一個被控變數(生產工藝要求罐的液位也需要控制),如果做上述控制方案,當出口流量小的時候開大出口閥門,這樣,在閥門開大的同時,除了被控變數流量要變化,我們的另外一個被控變數罐液位也要變化。

那麼我們再來研究一下液位控制方案(前文曾有介紹,我們簡單敘述一下)。

液位控制分析

由於水入口流量不固定,並不允許控制,那麼它屬於我們控制過程中的擾動(相關概念參閱一篇…術語)。

為了使液位與設定值(系統要求的值或者說是我們想要的值)保持一致;

需檢測被控變數(液位),並與設定值進行比較得到偏差;

按一定控制規律對偏差運算;

輸出信號驅動操縱變數(出口流量);

最終使被控變數恢復到設定值。

 

【方案】

如上圖:

變送器檢測液位;

控制器對偏差運算;

執行器改變操縱變數。

 

控制過程描述:

液位變送器檢測出罐中的實際液位(PV),送到控制器中與預先定好的理想中的值(SP)進行比較運算,如有偏差存在,運算過程結果輸出(OP)到執行器(閥門),閥門接到命令動作,從而改變罐中液位,直至罐中液位(PV)與設定的值(SP)一致為止。

 

【問題】

此控制方案中只考慮了液位的控制而忽略流量的控制,如果做上述控制方案,當出口液位變化的時候出口閥門開大或關小的同時會影響罐的出口流量的穩定。

【思考】

是不是可以將兩個方案同時使用呢?

方案一:

通過觀察上圖,由於在出口管道上安裝兩台調節閥,那麼當兩個閥門開度不一致時,只有開度小的會起作用,另一個則失去對操縱變數的調節作用,所以方案不可行。

 

方案二:

兩個控制器同時輸出給同一個執行機構,看似很合理,但是,實際的執行機構無法接受兩個控制信號。或者說這種控制方式執行器將不知道該聽哪個控制命令,所以此方案也不可行。

 

串級概念:串級控制是在簡單控制的基礎上發展起來的,當被控物件的滯後較大,干擾較劇烈、頻繁,採用簡單控制不能滿足要求時,可考慮採用串級控制系統。

 

串級控制系統設計規則:

1、單迴路控制系統性能不能滿足要求;

2、有一個被測變數是有效的;

3、副迴路能夠代表重要擾動的發生;

4、副迴路與執行機構間有因果關係;

5、副迴路要比主迴路有更快的相應

 

根據控制原則,可以做如下圖控制方案。

如上圖:

液位變送器檢測液位;

控制器對偏差運算;

液位(主)控制器輸出送到流量(副)控制器的設定;

流量變送器檢測流量;

控制器對偏差運算;

執行器改變操縱變數。

 

明確幾個概念

1、主控制器:按主變數對給定值的偏差而動作,其輸出作為副控制器的給定。

2、副控制器:其給定值由主變數的輸出決定,並按副變數對給定值的偏差而動作。

3、主迴路:由主測量、變送,主、副控制器,執行器和主、副物件構成的外環迴路。

4、副迴路:由副測量、變送,副控制器,執行器和副物件構成的內環迴路。

 

控制過程描述:

流量控製作用:流量變送器檢測出罐出口的實際流量(PV),送到控制器中與主迴路送來的值(SP)進行比較運算,如有偏差存在,運算過程結果輸出(OP)到執行器(閥門),閥門接到命令動作,從而改變罐出口流量,直至罐中液位(PV)與設定的值(SP)一致為止。

液位控製作用:液位變送器檢測出罐的實際液位(PV),送到控制器中與預先定好的理想中的值(SP)進行比較運算,如有偏差存在,運算過程結果輸出到副迴路的設定值,副控制器將其與出口實際流量進行比較運算,如有偏差存在,運算過程結果輸出(OP)到執行器(閥門),閥門接到命令動作,從而改變罐出口流量,直至罐中液位(PV)與設定的值(SP)一致為止。

 

關於串級控制的組態以及串級的投用與整定後面會有介紹,請持續關註!

 

看看下麵的情況該怎麼辦?歡迎提供解決方案!

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