《自動控制原理與系統(tǒng)》第6章 復(fù)雜控制系統(tǒng)

第6章復(fù)雜控制系統(tǒng)6.1串級控制系統(tǒng)6.2前饋控制系統(tǒng)返回6.1串級控制系統(tǒng)

6.1.1串級控制系統(tǒng)的組成1.加熱爐加熱爐是冶金、化工生產(chǎn)中的重要設(shè)備。圖6-1所示是一個加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)。被加熱原料的出口溫度是該控制系統(tǒng)的被控量，燃料量是該系統(tǒng)的操縱量，這是一個簡單控制系統(tǒng)。如果對出口溫度的穩(wěn)態(tài)誤差范圍要求不高，這個控制方案是可行的。如果對出口溫度的穩(wěn)態(tài)誤差范圍要求很小，則簡單控制系統(tǒng)難以控制。上一頁返回6.1串級控制系統(tǒng)系統(tǒng)的控制通道，控制器發(fā)出的信號送給控制閥，控制閥改變閥門開度，送入加熱爐的燃料油量改變，燃料油在爐膛里燃燒，爐膛溫度改變，最終使原料溫度得到調(diào)整，穩(wěn)定在所希望的溫度附近。由于傳熱過程的時間常數(shù)大，等到出口溫度發(fā)生偏差后再進行控制，導(dǎo)致偏差在較長的時間內(nèi)不能被糾正，穩(wěn)態(tài)誤差太大，不符合工藝要求。怎樣解決這個問題呢?根據(jù)反饋原理，被控量的任何偏差，都是由各種擾動引起的，如果能把這些擾動抑制住，則被控量的波動將會減小。下一頁返回6.1串級控制系統(tǒng)在控制系統(tǒng)中，每一個擾動到被控量之間都是一條擾動通道。對于該加熱爐，主要的擾動有燃料油壓力的波動、燃料熱值的波動、原料入口溫度的波動等。如果對每個主要擾動都用一個控制系統(tǒng)來克服波動，則原料的出口溫度肯定能被控制得很好。但實際上，有些量的控制很不方便，而且這樣做整個控制系統(tǒng)的投資將是很大的。實踐中，使用串級控制系統(tǒng)，不需要增加太多的設(shè)備即可使被控量達到較高的控制精度。上一頁下一頁返回6.1串級控制系統(tǒng)

2.串級控制系統(tǒng)中常用的術(shù)語主被控量:它指工藝控制指標或與工藝控制指標有直接關(guān)系，在串級控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被控量。如本例中的原料出口溫度c1(t)。副被控量:它指在串級控制系統(tǒng)中，為了更好地穩(wěn)定主被控量或因其他某些要求而引入的輔助量。如本例中的爐膛溫度c2(t)主被控對象:大多為工業(yè)過程中所要控制的、由主被控量表征其主要特性的生產(chǎn)設(shè)備或過程。上一頁下一頁返回6.1串級控制系統(tǒng)副被控對象:大多為工業(yè)過程中影響主被控量的、由副被控量表征其特性的輔助生產(chǎn)設(shè)備或輔助過程。主控制器:在系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用，按主被控量的測量值與給定值的偏差進行工作的控制器，其輸出作為副控制器的給定值。副控制器:在系統(tǒng)中起輔助作用，按副被控量的測量值與主控制器的輸出值的偏差進行工作的控制器，其輸出直接改變控制閥的閥門開度。上一頁下一頁返回6.1串級控制系統(tǒng)主檢測變送器:測量并轉(zhuǎn)換主被控量的變送器。副檢測變送器:測量并轉(zhuǎn)換副被控量的變送器。副回路:由副檢測變送器、副控制器、執(zhí)行器和副被控對象構(gòu)成的內(nèi)層閉合回路，也稱副環(huán)或內(nèi)環(huán)。主回路:由主檢測變送器、主控制器、副回路和主被控對象構(gòu)成的外層閉合回路，也稱主環(huán)或外環(huán)。一次擾動:作用于主回路的擾動，用d1(c)表示。二次擾動:作用于副回路的擾動，用d2(c)表示。上一頁下一頁返回6.1串級控制系統(tǒng)6.1.2串級控制系統(tǒng)的工作過程1.一次擾動作用在主回路一次擾動使主被控量發(fā)生變化時，主回路產(chǎn)生控制作用，克服一次擾動對主被控量的影響。由于副回路的存在加快了控制作用，使一次擾動對主被控量的影響比單回路控制系統(tǒng)時要小。2.二次擾動作用在副回路二次擾動使副被控量發(fā)生變化時，副控制器立即發(fā)出控制信號，控制閥的開度變化，克服二次擾動對副被控量的影響。如果擾動量不大，經(jīng)過副回路的控制一般不會影響主被控量。如果擾動量的幅度較大，經(jīng)過副回路的及時控制，仍影響主被控量，此時再由主回路進一步控制，從而完全克服上述擾動，使主被控量回到給定值。上一頁下一頁返回6.1串級控制系統(tǒng)3.一次、二次擾動同時作用于主、副回路如果一次、二次擾動的作用使主、副被控量同時增加或同時減小，主、副控制器對控制閥的控制方向是一致的，即控制閥開度變化幅度大，加強控制作用，使主被控量很快回到給定值。如果一次、二次擾動的作用使主、副被控量一個增加，另一個減小，主、副控制器對控制閥的控制方向是相反的，控制閥開度只要做較小的變化就能滿足控制要求。串級控制系統(tǒng)對于作用在主回路上的一次擾動和作用在副回路上的二次擾動都能有效地克服。副回路特點是先調(diào)、粗調(diào)、快調(diào)，主回路的特點是后調(diào)、細調(diào)、慢調(diào)。綜上所述，在串級控制系統(tǒng)中，由于從對象提取出副被控量并增加了一個副回路，整個系統(tǒng)克服擾動的能力更強，克服擾動的作用更及時，控制性能明顯提高。上一頁下一頁返回6.1串級控制系統(tǒng)6.1.3串級控制系統(tǒng)的特點1.抗擾性能對串級控制系統(tǒng)而言，它對二次擾動的抑制能力比對一次擾動的抑制能力更強，可以顯著提高系統(tǒng)對二次擾動的抑制能力，甚至二次擾動在對主被控量尚未產(chǎn)生明顯影響時就被副回路克服了。由于副回路調(diào)節(jié)作用的加快，整個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用也加快了，對一次擾動的抑制能力也提高了。上一頁下一頁返回6.1串級控制系統(tǒng)2.對象特性由于副回路顯著改善了包括控制閥在內(nèi)的副對象的特性，減小其時間常數(shù)和容量滯后，使得整個系統(tǒng)的動態(tài)性能有明顯的改善，并提高了系統(tǒng)的工作頻率。3.自適應(yīng)能力主回路是定值控制系統(tǒng)，副回路是隨動控制系統(tǒng)，主控制器根據(jù)操作條件和負荷變化，不斷修改副控制器的給定值，因此串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。上一頁下一頁返回6.1串級控制系統(tǒng)

6.1.4串級控制系統(tǒng)的設(shè)計串級控制系統(tǒng)的設(shè)計包括主回路的設(shè)計和副回路的設(shè)計。1.主、副回路的設(shè)計主回路:主回路是定值控制系統(tǒng)，前面講述的有關(guān)簡單控制系統(tǒng)設(shè)計原則也適用于它。主被控量的選擇與簡單控制系統(tǒng)相同。副回路:串級控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是選擇副被控量，確定副回路。(1)副被控量要可測、副被控對象時間常數(shù)要小、純滯后時間盡可能短。為了構(gòu)成副回路，副被控量為可測是必要條件。為了提高副回路快速反應(yīng)能力、縮短調(diào)節(jié)時間，副被控對象時間常數(shù)不能太大，純滯后時間也盡可能小，充分發(fā)揮副回路快速調(diào)節(jié)作用。上一頁下一頁返回6.1串級控制系統(tǒng)

(2)副回路應(yīng)盡可能多地包含變化頻繁、幅度大的擾動。串級控制系統(tǒng)對二次擾動有很快、很強的克服能力。必須使副回路包含變化劇烈、頻繁且幅度大的主要擾動，并力求包含更多的擾動，但也不能越多越好。前面加熱爐原料出口溫度串級控制系統(tǒng)的例子中，圖6-2中的控制方案，在爐膛壓力波動是工藝主要擾動時，取爐膛溫度為副參數(shù)的串級控制方案是合理的，并且還包含了較多的其他擾動。需要注意的是，副回路所包含的擾動，也不是越多越好。因為這樣的話，副對象的通道較長，滯后大，對發(fā)揮副回路的快速控制作用不利。若工藝的燃料油波動是主擾動，并直接影響噴入爐膛的燃料油量，對原料出口溫度影響嚴重，可以采用圖6-4所示的控制方案。直接選取燃料油壓力為副被控量，構(gòu)成與原料出口溫度的串級控制系統(tǒng)。上一頁下一頁返回6.1串級控制系統(tǒng)

(3)主、副被控對象的時間常數(shù)要匹配。串級控制系統(tǒng)中，一般是副被控對象時間常數(shù)T02<T01(主被控對象時間常數(shù))，主、副被控對象的時間常數(shù)應(yīng)匹配。副被控對象的時間常數(shù)T02<T01(主被控對象的時間常數(shù))時，副回路雖然控制作用快、迅速，但是包含擾動少，對這個系統(tǒng)改善作用小，不利于控制質(zhì)量的提高。副被控對象的時間常數(shù)與主被控對象的時間常數(shù)接近時，T02/T01<3時，這時雖然副回路包含的干擾較多，對整個系統(tǒng)改善較多，但是副回路時間常數(shù)較大，滯后加大，控制作用不靈敏，失去了快速性。不能及時·有效地克服進入副回路的擾動，且此時主·副回路之間已產(chǎn)生“共振”，故式，T02/T01<3-10較好。上一頁下一頁返回6.1串級控制系統(tǒng)(4)應(yīng)注意工藝上的合理性和經(jīng)濟性。控制必須服從工藝的要求，設(shè)計系統(tǒng)時要考慮工藝上的合理性。串級控制系統(tǒng)的操縱量必定先影響副參數(shù)，然后再由副被控量去影響主被控量。在串級控制系統(tǒng)設(shè)計時，所選擇的主、副被控量，必須在工藝上也符合這樣的串聯(lián)對應(yīng)關(guān)系。同時，在副回路的選擇設(shè)計時，應(yīng)選擇經(jīng)濟可靠、簡單易行的控制方案。上一頁下一頁返回6.1串級控制系統(tǒng)2.主、副控制器控制規(guī)律的選擇主被控量是控制的主要參數(shù)，其狀態(tài)是生產(chǎn)工藝的主要指標，而只有對主被控量控制要求較高的條件下才考慮采用串級控制方式，因此主控制器應(yīng)采用PI和PID控制。至于副控制器，主要起隨動控制作用，如果對副被控量的控制范圍在工藝上要求不是太嚴格，通常允許有穩(wěn)態(tài)誤差，那么副控制器就可以只采用P控制。從另一方面來說，副控制器不必要的積分作用引入，會降低副回路的快速作用，對提高控制質(zhì)量不利，還可能使副控制器出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象。但是，對副回路為流量或壓力控制系統(tǒng)時，因該副被控對象反應(yīng)靈敏，時間常數(shù)很小，副控制器的比例度只能整定得很大，若不加積分作用，往往會使副被控量的偏差很大，可能已超出它所允許的范圍，這時就要加入一定的積分作用。副控制器一般不必加微分作用;否則會使控制閥動作過大或過于頻繁，對控制不利。上一頁下一頁返回6.1串級控制系統(tǒng)3.主、副控制器的正、反作用選擇(1)繪制串級控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖6-5所示。(2)確定除控制器以外的各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的符號是“+”還是“一”，并標注在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的相應(yīng)位置上。①因為工藝要求原料出口溫度過高，會燒壞爐膛，因此裝在燃料油入口管線上的控制閥，當氣源因故突然中斷時，應(yīng)處于全關(guān)狀態(tài)，對工藝的產(chǎn)品、設(shè)備更安全，則控制在有控制信號后才打開，所以應(yīng)選氣開閥，Gv(s)符號為“+”。②控制閥打開時，燃料量增加，將使爐膛溫度升高，即G02(s)符號為“+”。進一步將使原料出口溫度也升高，即G01(s)的符號也為“+”。③檢測變送裝置的傳遞函數(shù)從Hm1和Hm2應(yīng)為“+”。上一頁下一頁返回6.1串級控制系統(tǒng)(3)確定控制器的正、反作用。①先看副回路，要確保負反饋，要求②再看主回路，要確保負反饋，要求(4)驗證所定控制器正、反作用的正確性。①只存在二次擾動時。當系統(tǒng)處于穩(wěn)定時，突然有二次擾動，雖然這時控制閥門開度沒變，但是二次擾動使得副被控量(爐膛溫度)變大，經(jīng)副檢測變送器后，副控制器接受的測量值變大。由于副被控量的變化沒有立刻引起主被控量的變化，所以主控制器的輸出暫時還是沒有變化，因此副控制器處于定值控制狀態(tài)。由于副控制器是反作用，所以副控制器的輸出減小，“氣開”調(diào)節(jié)閥被關(guān)小，燃料油流量減小，爐膛溫度降下來。上一頁下一頁返回6.1串級控制系統(tǒng)②只存在一次擾動時。當系統(tǒng)處于穩(wěn)定時，突然有一次擾動，使得主被控量(原料溫度)降低，經(jīng)主變送器得到的測量值減小(此時副回路不受影響，即副變送器得到的測量值不變)。根據(jù)主控制器的反作用，其輸出升高，也就是副控制器的給定值增大了。因為副變送器的測量值暫時還沒有變化，對于副控制器而言，給定值增大而測量值不變，可以等效為給定值不變，測量值減小。副控制器反作用，其輸出增大，“氣開”調(diào)節(jié)閥打開，燃料油流量增大，副被控變量(爐膛溫度)升高，進而使主被控量(原料出口溫度)升高。上一頁下一頁返回6.1串級控制系統(tǒng)③一次擾動和二次擾動同時存在。a.一次擾動和二次擾動引起的主、副被控量同方向變化，即同時增大(或減小)。這時，對于主控制器來講，由于它的測量值升高，根據(jù)它的反作用，它的輸出將在穩(wěn)態(tài)時的基礎(chǔ)上減小，也就是副控制器的給定值減小。而對于副控制器來講，由于它的測量值增大，其輸出的變化應(yīng)該根據(jù)它的反作用以及給定值和測量值的變化方向共同決定。將給定值變化等效為給定值不變而測量值變化的情況，給定值減小等效為給定值不變而測量值增大。根據(jù)副控制器的反作用，副控制器的輸出將減小，使得控制閥開度關(guān)小?？刂崎y開度的變化是主、副控制器共同作用的疊加。上一頁下一頁返回6.1串級控制系統(tǒng)b.一次擾動和二次擾動引起主、副被控量反方向變化，即一個增大另一個減小。假定一次擾動使主被控量下降，二次擾動使副被控量升高。對主控制器而言，由于其測量值減小，根據(jù)其反作用，它的輸出將增大，也將使副控制器的給定值增大。對副控制器而言，由于測量值增大，給定值也增大，如果它們同步增大，幅度相同，即副控制器的輸入信號—偏差沒有改變，控制器的輸出當然不變，控制閥開度也不變。實際上二次擾動補償了一次擾動，控制閥無需調(diào)節(jié)。如果兩個擾動引起副控制器的給定值和測量值的同向變化不相同，也就是說二次擾動不足以補償一次擾動時，副控制器再根據(jù)偏差的性質(zhì)做小范圍調(diào)節(jié)，即可以將主被控變量穩(wěn)定在給定值上。上一頁下一頁返回6.1串級控制系統(tǒng)6.1.5串級控制系統(tǒng)的適用場合設(shè)計串級控制系統(tǒng)時，首先需堅持的原則是:凡是能用單回路控制系統(tǒng)滿足生產(chǎn)要習的，就不要用串級控制系統(tǒng)。在生產(chǎn)對控制質(zhì)量要求高時，串級控制系統(tǒng)適用于:(1)被控對象控制通道的時間常數(shù)、容積遲延都較大。(2)工藝負荷變化大，而被控對象又有較大的非線性。(3)擾動變化頻繁、劇烈且幅值大的以及干擾因素較多。盡管串級控制系統(tǒng)在工業(yè)上應(yīng)用較廣，但必須根據(jù)工藝要求，充分發(fā)揮串級控制的特點，才能達到預(yù)期的要求。上一頁返回6.2前饋控制系統(tǒng)6.2.1前饋控制的概念前面分析了一些反饋控制系統(tǒng)，反饋控制是按被控量與給定值的偏差進行控制的，其特點是在被控量出現(xiàn)偏差后，控制器發(fā)出控制信號以補償擾動對被控量的影響，最后消除偏差。若擾動已經(jīng)發(fā)生，而被控量尚未變化，則控制器將不產(chǎn)生校正作用。所以，反饋控制的作用總是滯后于擾動作用，是一種不及時的控制，有時其控制質(zhì)量較差。當擾動一出現(xiàn)，控制器直接根據(jù)擾動的大小和方向，不等擾動引起被控量發(fā)生變化，就按照一定的規(guī)律進行控制，以補償擾動作用對被控量的影響，這樣的控制方式稱為前饋控制。前饋控制又稱擾動補償控制。它與反饋控制不同，它是依據(jù)引起被控量變化的擾動大小進行控制的。在這種控制中，當擾動剛出現(xiàn)而又能測量時，前饋控制器便發(fā)出控制信號使操縱量作出變化，在擾動還沒有影響被控量之前就起到控制的作用。因此，前饋控制對擾動的克服要比反饋控制快。下一頁返回6.2前饋控制系統(tǒng)加熱蒸汽通過換熱器中排管的外表面，將熱量傳遞給排管內(nèi)部流過的被加熱液體。熱物料的出口溫度用蒸汽管路上控制閥開度的大小進行控制。引起出口溫度變化的擾動有冷物料的流量、初始溫度和蒸汽壓力等，其中最主要的擾動是冷物料的流量。當冷物料的流量發(fā)生變化時，熱物料的出口溫度就會產(chǎn)生偏差。若只采用反饋控制，如圖6一6(a)所示，控制器只能等溫度發(fā)生變化后才能動作，使蒸汽流量控制閥的開度產(chǎn)生變化來改變蒸汽量。由于換熱器存在滯后，從擾動出現(xiàn)到實現(xiàn)控制需要很長時間。若引入前饋控制，如圖6-6(b)所示，可直接根據(jù)冷物料流量的變化，通過前饋控制器使控制閥產(chǎn)生動作，這樣就可在出口溫度尚未變化時就對冷物料的流量進行控制。上一頁下一頁返回6.2前饋控制系統(tǒng)6.2.2前饋控制的特點及局限性1.前饋控制的特點由以上的分析得到前饋控制的特點如下:(1)前饋控制是一種開環(huán)控制。(2)前饋控制是一種按擾動大小進行補償?shù)目刂?，能及時、有效地抑制擾動對被控量的影響。(3)前饋控制器不是通用控制器，前饋控制器是專用控制器，它取決于被控對象的特性。(4)前饋控制只能抑制可測不可控的擾動。(5)一種前饋作用只能克服一種擾動。上一頁下一頁返回6.2前饋控制系統(tǒng)2.前饋控制的局限性(1)不可能對所有擾動進行補償，這樣既不經(jīng)濟也不可能實現(xiàn)。(2)對不可測的擾動無法實現(xiàn)前饋補償。(3)前饋控制器是專用控制器。由于以上的原因，前饋控制往往不能單獨使用。6.2.3前饋一反饋控制前面分析了反饋控制與前饋控制，下面就將這兩種不同的控制進行比較。(1)檢測量。前饋控制測擾動量;反饋控制測被控量。(2)效果?？朔_動，前饋控制及時，理論上可實現(xiàn)完全補償，基于擾動消除擾動;反饋控制不及時，基于偏差消除擾動。上一頁下一頁返回6.2前饋控制系統(tǒng)(3)經(jīng)濟性?？朔_動，前饋控制只能一對一，不如反饋控制經(jīng)濟。(4)穩(wěn)定性。前饋為開環(huán)，不存在穩(wěn)定性問題;反饋則不同，穩(wěn)定性與控制精度是矛盾的。(5)控制規(guī)律。前饋控制器的控制規(guī)律取決于被控對象的擾動通道與控制通道的特性，控制規(guī)律往往比較復(fù)雜;反饋控制則常用PID控制規(guī)律。由于單純前饋控制效果不理想，在生產(chǎn)過程中很少使用。如果能把前饋和反饋兩者結(jié)合起來構(gòu)成控制系統(tǒng)，取長補短，協(xié)同工作一起克服擾動，能進一步提高控制質(zhì)量，這種系統(tǒng)稱為前饋一反饋控制系統(tǒng)。上一頁下一頁返回6.2前饋控制系統(tǒng)綜上所述，前饋一反饋控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:(1)發(fā)揮了前饋控制系統(tǒng)及時的優(yōu)點。(2)保持了反饋控制能克服多個擾動影響和具有對控制效果進行校驗的特點。(3)反饋的存在，降低了對前饋控制設(shè)計的精度要求。不必要求它進行全補償，因為剩余的偏差可由反饋控制部分繼續(xù)去克服。6.2.4前饋控制的應(yīng)用1.前饋控制的應(yīng)用場合(1)系統(tǒng)中存在頻繁、幅值大的擾動，這種擾動可測但不可控，對被控變量影響比較大，采用反饋控制難以克服其影響，但工藝上對被控量的要求又比較嚴格，為了改善和提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，可以考慮引入前饋控制。上一頁下一頁返回6.2前饋控制系統(tǒng)(2)當采用串級控制系統(tǒng)仍不能把主要擾動包含在副回路中時，采用前饋控制系統(tǒng)，可獲得更好的控制效果。(3)當對象的控制通道滯后大，反饋控制不及時，控制質(zhì)量差，可采用前饋控制，以提高控制質(zhì)量