控制器控制系统(各种控制系统) 特殊控制系统:& nbsp& nbsp一、选择性控制系统:& nbsp& nbsp& nbsp通常自动控制系统只能在一定的工况下工作，不能完全满足所有生产过程安全经济运行的要求，如磨机过载、砂泵池溢流或泄漏空等。 以往一般采用根据报警信号手动处理或自动联锁的方法，势必造成操作紧张或设备停机，甚至造成事故。 & nbsp& nbsp& nbsp& nbsp为了解决这类问题，可以在普通的自动控制系统中增加一个由过程约束组成的逻辑装置。当生产过程接近但尚未到达“危险”区域(称为安全软极限)时，将通过选择器投入适合该工况的备用调节器，该调节器将自动替换正常工况下工作的调节器。生产过程恢复正常工况后，备用调节器将自动离开系统，正常工况下工作的调节器将自动替换并重新启动。 这种系统被称为选择性控制系统。 选择性控制既保证了生产安全，又能根据工况自动选择被控量及其控制回路，以满足更高的控制要求。 & nbsp& nbsp& nbsp& nbsp在设计选择性控制系统时，首先要了解工艺流程及其约束条件，从而确定软极限条件及其边界，确定使工况恢复正常的控制手段、速度和幅度，以此作为设计选择性控制系统的依据。 二是选择调控法。 选择性调节只在事故边界条件下起作用，所以异常工况调节器通常采用比例调节规律，甚至可以利用变送器直接发出信号。 第三，选择器是选择性地连接或断开调节器的开关装置。选择器有高值选择器和低值选择器两种，根据系统脱离约束条件的手段和控制阀的关闭形式来确定。 当计算机实现选择性控制时，需要根据工艺要求的逻辑关系编写相应的程序来实现这种切换。 第四，防止积分饱和。 当非正常工况调节器投入运行时，正常工况调节器的测量值可能完全偏离其给定值，然后积分继续发挥作用，甚至:& nbsp达到整体饱和的程度 这样，当正常工况下的调节器再次投入运行时，系统会受到很大的干扰，以至于无法工作。 为了实现无干扰切换，正常工况调节器和异常工况调节器的组成部分都连接到同一输出线上。 & nbsp& nbsp& nbsp& nbsp二。极值控制系统:& nbsp& nbsp& nbsp在生产过程中，往往要求某些指标是最佳的，如磨机的最佳负荷、最佳返砂比、能量损失最小等。 这些指标随着一些可控变量和不可控变量的干扰而变化。 极值控制系统是解决这类问题的方法之一。 & nbsp& nbsp& nbsp& nbsp极值控制的具体方法有很多。工程中常用的一种方法是自寻最佳控制法，利用生产过程本身自动寻找某一指标的极值。 如果指数φ是可控变量X和不可控干扰Y的函数，即φ = φ (x，Y)在干扰y1或y2的作用下改变X，并及时记录φ，就可以得到图1中的曲线。 显然，对应的最低点(极值)φ11和x1，或者φ22和x2可以在各种干扰y下找到。 如果系统的干扰经常是y1，那么只要通过定值调整系统在x1上调整X，系统就可以在最佳指标φ11上工作。 但实际上Y随时都会发生变化，比如y2，这样在常值X = X1的调节系统中，指标就变成了φ12，超过了原来的值φ11，不是最佳值。 如果用极值控制寻找最佳点，也就是改变x的值，找到最低的φ 22。φ 22 < φ 12再次，是干扰y2下的最佳值。 & nbsp1 & nbsp指数φ与控制量x的关系:& nbsp& nbsp& nbsp(1)自我寻求最佳行动原则& nbsp& nbsp& nbsp& nbsp如图2，求被控对象的索引φ的最大(或最小)值，并尽量保持这个值。 y干扰既不可控也不可测，只有变量X是可控的。 & nbsp2 & nbsp极值控制系统示意图:& nbsp& nbsp& nbsp自优化就是合理的改变x，得到一个最优的φ。 如果x = x1(图3)，得到φ = φ 1。△t时间后，增加x1至△x至x2。同时测量φ2，计算△ φ 1 = φ 2-φ 1。△ φ 1 > 0时，搜索方向正确。 接下来将x2增加△x到x3 = x2+△x，得到φ3，计算△ φ 2 = φ 3-φ 2。如果△ φ 2 > 0，继续找，直到△ φ变号。如果x5后△x变成X6 = x5+△ x，则得到φ 6-φ 5 < 0。 这样，如果每次都计算出△φ > 0，则继续在原方向上减少△x，直到△φ < 0，再次改变方向。 最后X会在极值φ5附近搜索，也就是停留在最佳指标φ5附近。 从这个自寻过程可以看出，当扰动Y稳定时，指标以△φ 5 = φ 6-φ 4的振幅起伏形式保持在最优值φ5。 △φ5在这里经常被称为搜索范围。 使控制系统保持在最优点附近的代价称为搜索损失，用D表示，在图3所示的抛物线极值关系中，D = 1/3 △φ s。 为了减少搜索损失，可以在找到极值后停止搜索一段时间。当然，这段时间应该小于极值在对象中的漂移时间。 & nbsp图3 & nbsp自我优化过程:& nbsp& nbsp& nbsp采用极值控制必须满足以下基本条件 生产过程在工艺条件下有一个极值，这个极值会随着工况的变化而变化；最好的指标必须是可测量的，可以是代表生产过程的一个或几个变量的组合；指数的极值必须是可控的。指标φ是许多不可控扰动Y的函数，也应该是一些可控变量X的函数，通过控制这些变量X，可以人为地改变指标φ(x，Y)。 但如果扰动变化快且频繁，以至于控制变量不能控制指标φ的变化，则不能使用极值控制。 如果指标φ由几个变量X控制，则应采用多变量极值控制系统，这种控制系统比较复杂，在实际中很少使用。 & nbsp& nbsp& nbsp& nbsp(二)极值控制方案:& nbsp& nbsp& nbsp该方案的极值控制系统具有自动搜索功能。以下部分是搜索极值的方法:& nbsp& nbsp& nbsp1.步进法，也称稳态搜索法，是测量每个控制步前后输出指标φ的稳态值的差值，以确定输入变量x的控制方向。 原理框图如图4所示。 & nbsp图4 & nbsp步进法原理框图:& nbsp& nbsp& nbsp2.逐步动态搜索法，原理框图类似于逐步法，通过比较每个控制步前后输出指标φ变化速度的差异来确定控制方向。 & nbsp& nbsp& nbsp& nbsp3.记忆极值法原理框图见图5。 当控制量X增加时，指数φ也增加。当φ减小时，存储器保持最大值φe，并将φe送至比较器与φ的实际值进行比较，差值φ-φ E送至执行器。 当φ-φE超过执行器的不灵敏区时，执行器反转，即X减小，φ开始增大，同时向存储器发出清零信号重新开始记忆，于是极值控制系统从另一个方向搜索极值，来回控制。 & nbsp图5 & nbsp记忆极值法原理:& nbsp& nbsp& nbsp4.测量导数法，其原理框图如图6所示。 利用被控对象的静态特性，当控制量x=x0时，φ达到极值，导数dφ/dx=0，可以作为判断控制方向的依据。 & nbsp图6 & nbsp测量导数法原理框图:& nbsp& nbsp& nbsp5.谐波调制法，利用被控对象的输出在正弦干扰信号的作用下产生不同的相移来确定控制方向。其原理框图如图7所示。 这种方法只适用于单变量、对象惯性小的系统。 & nbsp图7 & nbsp谐波调制法原理框图:& nbsp& nbsp& nbsp三。大纯滞后对象的控制系统:& nbsp& nbsp& nbsp在工业中输送物料和测量元件的过程中，会出现纯滞后时间较大的被控对象，通常称为纯滞后对象。 对于一些具有高阶惯性环节的被控对象，阶跃响应曲线的起始段也可以近似地视为大纯滞后时间。 对于这种大纯滞后对象(τ/t > 1.0)，常规的单回路控制会造成很大的超调；串级控制不能达到满意的控制品质。 如果采用前馈控制，效果更好。 如果不能实现前馈控制，可以采用时间补偿法或采样控制法。 & nbsp& nbsp& nbsp& nbsp(1)时间补偿法:& nbsp& nbsp& nbsp在控制回路内部加入时间补偿回路，如果能更好地反映对象的特性，效果会更好。 但是，这种方法只能用于较大的扰动，如控制通道的扰动。对于其他具有不同动态特性的扰动，其补偿效果较差。 时间补偿方法之一是补偿对象的特性，其原理框图如图8所示。另一种方法是改变调节器的特性。系统框图如图9所示。 & nbsp图8 & nbsp薪酬对象特征框图:图9 & nbsp改变调节器特性的框图:& nbsp& nbsp& nbsp(二)抽样控制方法:& nbsp& nbsp& nbsp其实质是减缓控制动作，以防止被控对象的过度纯滞后造成过渡过程中的大动态偏差和振荡。 在采样控制中，一般采用对偏差反应较慢的积分调节规律，比例规律很少使用，微分规律也不用。 & nbsp& nbsp& nbsp& nbsp(3)抽样控制的作用:& nbsp& nbsp& nbsp当设定值γ突然增大时，系统出现偏差E = γ-C，C为被控量。 如果这时采样测得E，积分调节器开始工作，其输出M按积分规律变化。在调节器的工作时间△tc后，调节器的输出将保持在△tc时的M值。经过对象的纯滞后时间τ后，被控变量C将与M成正比变化(假设对象的惯性时间常数极小)，它能无超调地跟随给定值γ。参见图10。有必要在采样间隔△ T内消除偏差 对于纯滞后物体或惯性小的纯滞后物体，宜采用纯积分的调节律，积分时间Ti=K0△tc，K0=△c/△m作为物体的静态放大系数。 如果纯滞后时间τ很大，可以每k个采样次数开启一次调节器，k ≥ (τ+△ TC)/△ TC。 对于具有一定惯性的时滞对象，利用比例积分规律可以加快调节过程。 积分时间Ti=σK0△tc/100，减小比例带σ可以加速过渡过程，但不要造成超调。 & nbsp图10:取样控制流程图:& nbsp& nbsp& nbsp通用调节器的采样控制见图11。 开关A导通时是调节器δTC的工作时间，δTC后B导通，相当于切断了调节器，其输出保持当时的纯积分值。 & nbsp图11:常用仪器的采样控制:& nbsp& nbsp& nbsp四。多变量控制系统:& nbsp& nbsp& nbsp前述控制系统基本上是由一个被控量和一个被控量组成的系统，称为单变量控制系统，它们的被控对象称为单变量被控对象。 在实际生产过程中，经常会出现多个受控量，多个受控量。 如果这些被控量之间只有一一对应关系，即一个被控量只影响一个被控量，那么生产过程就可以分成几个单变量被控对象，都可以用单变量控制来处理。 如果这些被控变量相互关联，那么每个被控变量的变化都会同时引起几个被控变量的变化。这种被控对象称为多变量被控对象。 根据这类对象的特点设计的控制系统称为多变量控制系统。 图12是闭合研磨回路中受控量和受控变量之间关系的示意图。 在设计多变量控制系统时，需要正确选择控制回路，主要是确定被控变量和被控变量对，使控制回路之间的耦合最小。 & nbsp图12:多变量被控对象(闭磨回路):& nbsp& nbsp& nbsp(1)控制权的选择& nbsp:& nbsp；& nbsp& nbsp根据实际运行的经验，我们可以知道多变量被控对象中哪个被控变量对哪个被控变量的影响最大，起着决定性的作用，所以我们把这对变量组成一个控制回路。 如果这种影响不明显，往往需要采用分析的方法来比较耦合度，进而确定控制回路。 & nbsp& nbsp& nbsp& nbsp多变量被控对象可以根据被控变量和被控变量的相对法系数分析其耦合程度，并根据最大相对放大系数选择回路。 但是相对放大系数也会随着工况的变化而变化，这种方法也是相对的。 此外，在选择控制回路之后，回路仍然是耦合的。 此外，还有动态耦合的问题。 一般来说，当两个电路的时间常数相差较大时，时间常数较小的电路很少受到时间常数较大的电路的影响。 当两个电路的时间常数相近时，它们之间可能存在严重的耦合。 & nbsp& nbsp& nbsp& nbsp在多变量系统中，当被控变量的个数等于被控变量的个数时，可以用上述方法成对选取，形成一个控制回路。 当被控变量的数量超过被控变量的数量时，被控变量必须与被控变量形成某种逻辑关系的控制回路，如选择性控制。 当被控变量个数超过被控变量个数时，超出的部分必须是固定的，或者在一定程度上满足实际要求。 & nbsp& nbsp& nbsp& nbsp(2)无关控制:& nbsp& nbsp& nbsp控制回路确定后，如果相对放大系数λ ij > 1.2或λ ij < 0.8，就要考虑解耦问题，实现不相关控制。 为了使一个受控量只影响一个受控量而不影响其他受控量，可以如图13所示串联一个计算装置，实现两个控制回路的不相关控制。 G1、G2、G3、G4是被控对象中各通道的传递函数，Gc1、Gc2是对应两个回路的调节器传递函数，D1、D2、D3、D4是所需解耦装置中各环节的传递函数。 为了实现不相关的控制，解耦计算装置中的D1、D2、D3和D4必须具有以下关系:d2g 2+d4g 3 = gbd2g 4+D4 G1 = 0d1 g 1+d3g 4 = gad1 g 3+d3g 2 = 0 & nbsp；& nbsp& nbsp& nbsp类型& nbspGa、GB-过程目标传递函数，根据控制要求和过程要求人工预置。 & nbsp& nbsp& nbsp& nbsp可以得到上面的公式:& nbspD1 = gag 2/g1g 2-g3g4d 2 = GB G1/g1g 2-g3g4d 3 = gag 3/g3g 4-g1g2d 4 = GB G4/g3g 4-g1g 2 & nbsp；图13:两个控制回路的不相关控制:& nbsp& nbsp& nbsp如果每个D都包含动态参数，则需要适当阶数的积分-微分或微分-积分环节来实现解耦。 如果所有受控变量与每个受控变量具有相同的动态特性，那么只需要静态解耦。 & nbsp& nbsp& nbsp& nbsp另外，在某些情况下，可以通过技术改造相关系统，即改变整个对象的特性，实现无关控制。 或者通过参数设置，降低相关影响，主控系统设置得快一些，其他控制系统设置得慢一些，以降低快速主控系统的耦合影响。 & nbsp& nbsp& nbsp& nbsp五、顺序控制系统& nbsp& nbsp& nbsp& nbsp在工业生产中，不连续的生产过程，复杂设备的启动和停止，以及紧急情况的处理，如破碎过程中设备的启动和停止，都需要间歇的开关控制，这可以通过顺序控制来实现。 & nbsp& nbsp& nbsp& nbsp顺序是按照预定的顺序或条件，逐一控制各个控制阶段。 它的输入信号一般是开关信号，或者通过阈值比较，把模拟输入信号变成开关信号，输出信号也是开关信号。 生产设备的一些动作应该事先遵循规定的顺序，而另一些动作则应该依赖于一些测得的逻辑组合条件。 下列控制中的一种或两种统称为顺序控制:程序控制或条件控制。 & nbsp& nbsp& nbsp& nbsp程序控制中的顺序和各阶段的动作大多是预先确定的，顺序要用记忆元件记忆。 条件控制应根据此阶段输入的逻辑组合选择此阶段应执行的动作。一般来说，判断、分支、跳转、互锁都可以认为是条件控制。在大多数情况下，它是由组合逻辑电路组成的。 & nbsp& nbsp& nbsp& nbsp包括顺序控制系统、顺序控制装置、致动器、受控对象和检测元件。 顺序控制装置包括操作信号处理、逻辑处理、故障状态显示和报警、比较和检测等。，如图14所示。 & nbsp图14:顺序控制系统结构& nbsp& nbsp& nbsp& nbsp早期的顺序控制主要依靠固定接线的继电器配电盘。如果控制对象的要求很复杂，继电器逻辑的设计就很复杂。 随着电子技术的发展，时序控制装置可以由各种无触点逻辑元件组成。 提高了系统的可靠性，实现了计算机对生产过程的顺序控制，增加了系统的灵活性。 & nbsp& nbsp& nbsp& nbsp由电子元件组成的顺序控制器通常有两种:一种是矩阵顺序控制器，如图15所示；另一种是可编程序列控制器，如图16所示。它通常由程序存储器、中央处理器、输入输出通道、中间变量存储器、定时器和计数器等组成。，一个特殊的程序设置器(通常是键盘)传输程序。 & nbsp图15:矩阵顺序控制器框图:图16:可编程控制器框图:& nbsp& nbsp& nbsp在工业自动化中，顺序控制和反馈控制是两种不同的控制，但生产过程中的许多自动控制往往是这两种控制的组合，形成一个综合控制系统，如图17所示。 & nbsp图17:集成控制系统示意图:& nbsp& nbsp& nbsp图18是多级分布式系统的示意图，其中可编程序控制器与生产过程控制和监视对象直接连接。 & nbsp图18:多级分布式系统 免责声明：本网部分内容来自互联网媒体、机构或其他网站的信息转载以及网友自行发布，并不意味着赞同其观点或证实其内容的真实性。本网所有信息仅供参考，不做交易和服务的根据。本网内容如有侵权或其它问题请及时告之，本网将及时修改或删除。凡以任何方式登录本网站或直接、间接使用本网站资料者，视为自愿接受本网站声明的约束。
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