常用復雜控制系統(tǒng)

常用復雜控制系統(tǒng)第一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

第6章常用復雜控制系統(tǒng)第二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日第6章常用復雜控制系統(tǒng)6.1串級控制系統(tǒng)6.2前饋控制系統(tǒng)第三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

本章要點1）了解串級控制系統(tǒng)的應用背景，熟悉串級控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)與特點；2）掌握串級控制系統(tǒng)的設計方法，熟悉串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法；3）了解前饋控制的原理及使用場合；4）掌握前饋補償器的設計方法，熟悉前饋－反饋復合控制的特點及工業(yè)應用。第四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日6.1串級控制系統(tǒng)6.1.1串級控制的基本概念連續(xù)反應釜溫度控制示意圖物料自頂部連續(xù)進入釜中，經(jīng)反應后由底部排出。反應產(chǎn)生的熱量由夾套中的冷卻水帶走。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，對反應溫度T1要進行嚴格控制。工藝要求:被控過程有三個熱容積，即夾套中的冷卻水、釜壁和釜中物料。選取冷卻水流量為調(diào)節(jié)參數(shù),構(gòu)成單回路控制系統(tǒng)第五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日引起溫度T1變化的干擾因素有：進料方面有進料流量、進料入口溫度和化學組成，用F1表示；冷卻水方面有水的入口溫度和閥前壓力，用F2表示。問題：過渡過程時間長，調(diào)節(jié)不及時第六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

將兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)在一起工作，各自完成不同任務的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，就是串級控制的基本思想。根據(jù)這一構(gòu)思，反應釜溫度串級控制示意圖為第七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日串級控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)框圖主回路

--定值控制副回路

--隨動控制副回路主回路第八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日6.1.2串級控制系統(tǒng)的特點對于同一對象單回路控制串級控制第九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日1.能迅速克服進入副回路的干擾串級控制等效方框圖等效副對象為第十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日在給定信號X1作用下在干擾F2作用下

控制能力和抗干擾能力綜合指標：比值越大，系統(tǒng)的控制能力和抗干擾能力越強第十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

控制能力和抗干擾能力綜合指標：假設則結(jié)論：主、副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)的乘積越大，抗干擾能力越強，控制質(zhì)量越好。第十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日與單回路控制系統(tǒng)的比較：控制能力和抗干擾能力綜合指標為：一般情況下有結(jié)論：由于副回路的存在，能迅速克服二次干擾。假設則第十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日2.能改善控制通道的動態(tài)特性，提高工作頻率（1）等效時間常數(shù)減小，響應速度加快等效副回路假設則第十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日串級系統(tǒng)的特征方程為：串級控制系統(tǒng)的工作頻率為：（2）提高了系統(tǒng)的工作頻率將各環(huán)節(jié)傳函代入，化簡得標準形式：第十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日將各環(huán)節(jié)傳函代入，化簡得單回路系統(tǒng)特征方程為

單回路系統(tǒng)工作頻率

假定則（2）提高了系統(tǒng)的工作頻率第十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日3.能適應負荷和操作條件的劇烈變化

當采用串級控制時，主環(huán)是一個定值系統(tǒng)，而副環(huán)卻是一個隨動系統(tǒng)。主調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)操作條件和負荷變化的情況，不斷修改副調(diào)節(jié)器的給定值，以適應操作條件和負荷的變化。副回路的等效放大系數(shù)為一般當K02或KV隨操作條件或負荷變化時，K02’幾乎不變.第十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日串級控制：副回路——粗調(diào);主回路——細調(diào)綜上所述，串級控制系統(tǒng)的主要特點有：1）對進入副回路的干擾有很強的抑制能力；2）能改善控制通道的動態(tài)特性，提高系統(tǒng)的快速反應能力；3）對非線性情況下的負荷或操作條件的變化有一定的自適應能力。結(jié)論：副回路改善了動特性、提高了響應速度和工作頻率；當主、副時間常數(shù)比值一定，副調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)越大，工作頻率越高；同樣，當比例系數(shù)一定，主、副時間常數(shù)比值越大，工作頻率也越高。其結(jié)果使振蕩周期縮短，提高了系統(tǒng)的控制質(zhì)量。第十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日6.1.3串級控制系統(tǒng)的適用范圍適用于容量滯后較大的過程選容量滯后較小的輔助變量，組成副回路以減小時間常數(shù)，提高工作頻率。加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)第十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日2.適用于純滯后較大的過程仿絲膠液壓力與壓力串級控制系統(tǒng)工藝要求：過濾前的壓力穩(wěn)定在250KPa特點：距離長，純滯后時間長。在離調(diào)節(jié)閥較近、純時延較小的地方，選擇一個輔助參數(shù)作為副參數(shù)，構(gòu)成一個純滯后較小的副回路。計量泵第二十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日3.應用于干擾變化劇烈、幅度大的過程工藝要求：汽包液位控制特點：快裝鍋爐容量小，蒸汽流量與水壓變化頻繁、激烈→三沖量液位串級控制?？煅b鍋爐三沖量液位串級控制第二十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日4.應用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過程常壓塔塔頂出口溫度和一線溫度串級控制同一種介質(zhì)控制兩種參數(shù)單回路控制：兩套裝置，不經(jīng)濟又無法工作第二十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日5.應用于非線性過程合成反應器溫度串級控制：換熱器呈非線性特性特點：負荷或操作條件改變導致過程特性改變。若單回路控制，需隨時改變調(diào)節(jié)器整定參數(shù)以保證系統(tǒng)的衰減率不變；串級控制，則可自動調(diào)整副調(diào)節(jié)器的給定值。第二十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

注意串級控制雖然應用范圍廣，但必須根據(jù)具體情況，充分利用優(yōu)點，才能收到預期的效果。第二十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日6.1.4串級控制系統(tǒng)的設計副回路的設計與副參數(shù)的選擇2.主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇3.主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇問題：副參數(shù)如何選擇？主、副回路的聯(lián)系？調(diào)節(jié)器如何選擇？正、反作用如何選擇？第二十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日副回路的設計與副參數(shù)的選擇選擇原則：（1）副參數(shù)要物理可測、副對象的時間常數(shù)要小、純滯后時間應盡可能短（2）副回路應盡可能多地包含變化頻繁、幅度大的干擾，但也不是越多越好a）燃料油壓力為主要干擾b)燃料油粘度、成分、熱值、處理量為主要干擾第二十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日（3）主、副被控過程的時間常數(shù)要適當匹配當串級控制與單回路控制的阻尼系數(shù)相等時，有假設為常量主、副被控過程的時間常數(shù)的比值不能太大也不能太小，應適當匹配。結(jié)論:為使主、副回路之間的動態(tài)聯(lián)系較小，避免引起系統(tǒng)共振，通常選擇時間常數(shù)的比值在3～10范圍內(nèi)為宜。使第二十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日（4）應綜合考慮控制質(zhì)量和經(jīng)濟性要求冷劑液位為副參數(shù)，投資少，控制質(zhì)量不高；冷劑蒸發(fā)壓力為副參數(shù)，投資多，但副回路比較靈敏，控制質(zhì)量較高。選擇應視具體情況而定。第二十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日2.主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇主調(diào)：定值控制；副調(diào)：隨動控制。

主被控參數(shù)是工藝操作的主要指標，允許波動的范圍很小，一般要求無靜差，因此，主調(diào)節(jié)器應選PI或PID調(diào)節(jié)規(guī)律。

副被控參數(shù)允許有靜差→P,一般不引入PI；當選流量為副參數(shù)時，為保穩(wěn)定，P較大，可引入積分，即采用PI，以增強控制作用；一般不引入微分，否則會使調(diào)節(jié)閥動作過大或過于頻繁，對控制不利。第二十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日3.主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇選擇步驟：工藝要求→調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)→副調(diào)節(jié)器的正、反作用→主、副過程的正、反作用→主調(diào)節(jié)器的正、反作用。示例：燃油閥氣開，副對象為正過程，副調(diào)為反作用調(diào)節(jié)器；主對象也為正過程，主調(diào)為反作用調(diào)節(jié)器第三十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日6.1.5串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定

整定原則：盡量加大副調(diào)節(jié)器的增益，提高副回路的頻率，使主、副回路的頻率錯開，以減少相互影響。1.逐步逼近整定法1）主開環(huán)、副閉環(huán)，整定副調(diào)的參數(shù)；記為2)副回路等效成一個環(huán)節(jié)，閉合主回路，整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)，記為3）觀察過渡過程曲線，滿足要求，所求調(diào)節(jié)器參數(shù)即為否則，再整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，記為。。。反復進行，滿意為止。該方法適用于主、副過程時常相差不大、主、副回路動態(tài)聯(lián)系密切，需反復進行，費時較多第三十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日投運原則:

先投副環(huán)后投主環(huán);投運過程必須保證無擾動切換.6.1.5串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定整定原則:

盡量加大副調(diào)節(jié)器的增益，提高副回路的頻率，使主、副回路的工作頻率錯開，以減少相互影響。先整副環(huán)后整主環(huán)。第三十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日1.逐步逼近整定法1）主開環(huán)、副閉環(huán)，整定副調(diào)的參數(shù)；記為2)副回路等效成一個環(huán)節(jié)，閉合主回路，整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)，記為3）觀察過渡過程曲線，滿足要求，所求調(diào)節(jié)器參數(shù)即為否則，再整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，記為……反復進行，滿意為止。

該方法適用于主、副過程時常相差不大、主、副回路動態(tài)聯(lián)系密切，需反復進行，費時較多。第三十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日2.兩步整定法1）主、副閉合，主調(diào)為比例,比例度為100%，先用4：1衰減曲線法整定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，求得比例度δ2S和振蕩周期T2S；2)

副調(diào)節(jié)器比例度置δ2S，整定主調(diào)參數(shù)，求得主回路在4：1衰減比下的比例度δ1S和振蕩周期T1S

；根據(jù)兩種情況下的比例度和振蕩周期，按經(jīng)驗公式求出主、副調(diào)節(jié)器的積分時間和微分時間，然后再按先副后主、先比例后積分再微分的次序投入運行，觀察曲線，適當調(diào)整，滿意為止。

第三十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日3.一步整定法1）根據(jù)經(jīng)驗確定副調(diào)節(jié)器比例度；2）按單回路系統(tǒng)整定方法直接整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)；3）觀察曲線，在約束條件下，適當調(diào)整主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，滿意為止。

思路：先根據(jù)副過程特性或經(jīng)驗確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后一步完成主調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。理論依據(jù)：主、副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)在一定范圍內(nèi)可以任意匹配，即在的條件下，當主、副過程特性一定時，為一常數(shù)。第三十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日4.應用舉例硝酸生產(chǎn)用氧化爐，主參數(shù)：爐溫，PI調(diào)節(jié)；副參數(shù)：氨氣流量，P調(diào)節(jié)；主、副動態(tài)聯(lián)系小，兩步整定法。為100％→1）2）副調(diào)置于32％，得主調(diào)的3）運用計算公式得：第三十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日6.2前饋控制系統(tǒng)6.2.1前饋控制的基本概念干擾補償控制：按干擾大小進行調(diào)節(jié)，克服干擾比反饋快;理論上，可實現(xiàn)理想控制。干擾F對輸出Y的傳遞函數(shù)為實現(xiàn)輸出Y(s)完全不變性的條件為第三十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日前饋控制系統(tǒng)的補償過程第三十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

前饋控制是按照干擾作用的大小進行控制的，如控制作用恰到好處，一般比反饋控制要及時。前饋控制與反饋控制的比較：第三十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日6.2.2前饋控制的特點及局限性1.前饋控制的特點1）開環(huán)控制；2）比反饋控制及時；3）補償器為專用調(diào)節(jié)器2.前饋控制的局限性：無法實現(xiàn)對全部干擾的完全補償1）只能抑制可測干擾；2）不能對每個干擾實現(xiàn)補償；3）補償器難以精確得到，即使得到有時物理上也難以實現(xiàn).結(jié)論：不能單獨使用第四十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日6.2.3靜態(tài)補償與動態(tài)補償1.靜態(tài)補償該補償器用比例調(diào)節(jié)器即可實現(xiàn)2.動態(tài)補償

由于精確模型難以得到或難以實現(xiàn)，只有要求嚴格控制動態(tài)偏差時才采用。第四十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日6.2.4前饋－反饋復合控制作用機理分析：對干擾F的完全補償條件為設計步驟：1）獨立設計反饋控制系統(tǒng)；

2）再根據(jù)不變性原理設計前饋補償器.復合控制系統(tǒng)的特征方程式：