过程控制系统课件 第八章_第二三四节

1、 第八章第八章 第二节第二节 串级控制系统串级控制系统 第三节第三节 前馈控制系统前馈控制系统 第四节第四节 大时延控制系统大时延控制系统 1 1）了解串级控制系统的应用背景，熟悉串级控）了解串级控制系统的应用背景，熟悉串级控 制系统的典型结构与特点；制系统的典型结构与特点； 2 2）掌握串级控制系统的设计方法，熟悉串级控）掌握串级控制系统的设计方法，熟悉串级控 制系统的参数整定方法；制系统的参数整定方法； 3 3）了解前馈控制的原理及使用场合；）了解前馈控制的原理及使用场合； 4 4）掌握前馈补偿器的设计方法，熟悉前馈反）掌握前馈补偿器的设计方法，熟悉前馈反 馈复合控制的特点及工业应用；馈复

2、合控制的特点及工业应用； 5 5）了解大滞后被控过程的解决方案，掌握大滞）了解大滞后被控过程的解决方案，掌握大滞 后过程控制的设计方案。后过程控制的设计方案。 一、什么是串级控制？它是怎样提出来一、什么是串级控制？它是怎样提出来 的？其组成结构怎样的？其组成结构怎样? ?（图（图6 61;1;） 工艺流程工艺流程?控制要求控制要求?系统分析系统分析 问题：过渡过程时间长，调节不及时问题：过渡过程时间长，调节不及时 解决办法：串级控制解决办法：串级控制( (图图6 63 3） 图图6 62 2 结构特点结构特点 2 2 串级控制系统的控制效果串级控制系统的控制效果 1.1.能迅速克服二次干扰（图

3、能迅速克服二次干扰（图6 65 5） 202* 02 22022 1 cvm YsGs Gs FsGs Gs Gs Gs 11 12 12 ccv YsXs KKK YsFs 控制能力和抗干扰能力综合定义为：控制能力和抗干扰能力综合定义为： 1120201 11202011 1 ccv ccvm Y sGs Gs G s Gs Gs X sGs Gs G s Gs Gs Gs * 10201 * 21202011 1 ccvm Y sGs Gs F sG s Gs G s Gs Gs Gs sGsGsG sFsY sXsY vcc21 21 11 11 ( ) c G sK 22 ( ) CC

4、 GsK( ) VV GsK sGsGsGsGsG sGsGsGsG sX sY mvc vc 10102 0102 1 1 1 sGsGsGsG sGsG sF sY mvc102 0102 2 1 1 控制能力和抗干扰能力综合为：控制能力和抗干扰能力综合为： sGsG sFsY sXsY vc 21 11 ( ) CC G sK( ) VV G sK 11 12 cv Y sXs K K Y sFs 12CCC K KK一般情况下有：一般情况下有： 结论：提高了结论：提高了 控制质量控制质量 2.2.能改善控制通道的动态特性，提高工作频率能改善控制通道的动态特性，提高工作频率 （1 1）等

5、效时间常数减小，响应速度加快；）等效时间常数减小，响应速度加快；( (分析比较图分析比较图6 65 5和图和图6 67 7） 2202 02202 22022 ( )( )( ) 1 cv cv cvm YsGs Gs Gs GsGs G s Gs XsGs Gs Gs Gs 020202 22 22 ( )1 , ( ), ( ),( ) cc vvmm GsKTs GsK GsKGsK 20202 02 220202 2022202 02 02 02 2202 1 ( ) 11 1 1 1 1 cv cvm cvcvm cvm KK KTs Gs KK KKTs KK KKK KKK T

6、Ts s KK KK 0202 TT 串级系统的特征方程为：串级系统的特征方程为： 102011 10 cm Gs Gs Gs Gs 010101111102 /1,( ) ccmm G sKT sG sKG sK G s如式（611）所示，则 1020110201 1/110 cm K K K KT sT s 2 010212011 01020102 1 0 ccm TTK KK K ss T TT T 0102 0 0102 2 102011 0 0102 2 1 cm TT TT KKKK TT 22 00 20ss 串级控制系统的工作频率为：串级控制系统的工作频率为： 0210 020

7、1 2 2 0 2 1 1 TT TT 串 对同一过程，采用单回路控制方案，对同一过程，采用单回路控制方案， 用同样的分析方法，可得：用同样的分析方法，可得： 0201 0201 2 2 0 2 1 1 TT TT 单 若两种方案的阻尼系数相同，则有： 0201 0201 02010201 0201 0201 1 1 TT TT TTTT TTTT 单 串 0201 0201 TTTT 单串 结论：结论：副回路改善了动特性、提高了响应速度和工作频率；当主、副时副回路改善了动特性、提高了响应速度和工作频率；当主、副时 间常数比值一定，副调节器的比例系数越大，工作频率越高；同样，当间常数比值一定，

8、副调节器的比例系数越大，工作频率越高；同样，当 比例系数一定，主、副时间常数比值越大，工作频率也越高。其结果使比例系数一定，主、副时间常数比值越大，工作频率也越高。其结果使 振荡周期缩短，提高了系统的控制质量。振荡周期缩短，提高了系统的控制质量。 3 3 能适应负荷和操作条件的剧烈变化能适应负荷和操作条件的剧烈变化 副回路的等效放大系数为：副回路的等效放大系数为： 202 02 2022 1 cv cvm KK K K KK KK 2022 02 1 cvm K k K K K 几乎不变 2）能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速反应能力；）能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速反应能力；

9、 3）对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的适应能力。）对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的适应能力。 综上所述，串级控制系统的主要特点有：综上所述，串级控制系统的主要特点有： 1）对进入副回路的干扰有很强的抑制能力；）对进入副回路的干扰有很强的抑制能力； 3 3 串级控制系统的适用范围串级控制系统的适用范围 1. 1. 适用于容量滞后较大的过程：适用于容量滞后较大的过程： 选容量滞后较小的辅助变量，减小选容量滞后较小的辅助变量，减小 时常，提高频率。（图时常，提高频率。（图6 68 8） 2. 2. 适用于纯滞后较大的过程：适用于纯滞后较大的过程： （图（图6 69, 9, ）

10、工艺要求：过滤前的）工艺要求：过滤前的 压力稳定在压力稳定在250Pa;250Pa;特点：距离长，特点：距离长， 纯滞后时间长。纯滞后时间长。仿丝胶液压力与压仿丝胶液压力与压 力串级控制。力串级控制。 3. 3. 适用于干扰变化剧烈、幅度适用于干扰变化剧烈、幅度 大的过程：大的过程：（图（图6 61010）工艺要求：工艺要求： 汽包液位控制，特点：快装锅炉汽包液位控制，特点：快装锅炉 容量小，蒸汽流量与水压变化频容量小，蒸汽流量与水压变化频 繁、激烈繁、激烈三冲量液位串级控制。三冲量液位串级控制。 4. 4. 适用于参数互相关联的过程：适用于参数互相关联的过程： （图（图6 61111） 同一

11、种介质控制两种参数同一种介质控制两种参数( (图图6 611)11) 单回路控制：两套装置，不经济又单回路控制：两套装置，不经济又 无法工作；无法工作； 常压塔塔顶出口温度和一线温度串常压塔塔顶出口温度和一线温度串 级控制。级控制。 5. 5. 适用于非线性过程适用于非线性过程 特点：特点：负荷或操作条件改变导致过程特负荷或操作条件改变导致过程特 性改变。若：单回路控制，需随时改变性改变。若：单回路控制，需随时改变 调节器整定参数以保证系统的衰减率不调节器整定参数以保证系统的衰减率不 变；串级控制，则可自动调整调节器的变；串级控制，则可自动调整调节器的 整定参数。整定参数。 （图（图612）合

12、成反应器温度串级）合成反应器温度串级 控制：换热器呈非线性特性控制：换热器呈非线性特性 注意：注意：串级控制虽然应用范围广，串级控制虽然应用范围广， 但必须根据具体情况，充分利用优但必须根据具体情况，充分利用优 点，才能收到预期的效果。点，才能收到预期的效果。 a a）：燃料油压力为主要）：燃料油压力为主要 干扰；干扰； b b）：燃料油粘度、成分、）：燃料油粘度、成分、 热值、处理量为主要热值、处理量为主要 干扰干扰 1. 1. 副回路的设计与副参数的选择副回路的设计与副参数的选择 选择原则：选择原则： （1 1）副参数要物理可测、副对象的时间常数要小、纯滞后时间要副参数要物理可测、副对象的

13、时间常数要小、纯滞后时间要 尽可能短。如图尽可能短。如图6 63 3、图、图6 68 8等等 （2） 副回路要尽可能多地包含变化频繁、幅度大的干扰，但也不能越多越好。副回路要尽可能多地包含变化频繁、幅度大的干扰，但也不能越多越好。 如图如图613 a)、b)所示。所示。 （3 3）主、副过程的时间主、副过程的时间 常数要适当匹配常数要适当匹配. . 20220102 0102 01020102 11/1/ 1/1/ cvm K K K KTTTT TTTT 串 单 当串级控制与单回路控制的当串级控制与单回路控制的 阻尼系数相等时，有阻尼系数相等时，有 假设假设 2022 1 cvm K K K

14、 K为常量为常量( (图图6 61414） 图示说明。；主、副被控过程时图示说明。；主、副被控过程时 常不能太大也不能太小？常不能太大也不能太小？ 频率的比值大于频率的比值大于3 3，时常的比值在，时常的比值在 3 31010范围内选择范围内选择 （4 4）应综合考虑控制质量和经济性应综合考虑控制质量和经济性 要求要求( (图图6 61515） a)a) 冷剂液位为副参数，冷剂液位为副参数， 投资少，控制质量不高；投资少，控制质量不高； b)b) 冷剂蒸发压力为副冷剂蒸发压力为副 参数，投资多，控制质参数，投资多，控制质 量较高。选择应视具体量较高。选择应视具体 情况而定。情况而定。 2 2

15、主、副调节器调节规律的选择主、副调节器调节规律的选择 主调主调：定值控制；：定值控制；副调副调：随动控制。：随动控制。 主被控参数要主被控参数要无静差无静差PI,PIDPI,PID调节；调节； 副被控参数允许副被控参数允许有静差有静差PP, ,不引入不引入PIPI；为保稳定，；为保稳定，P P选大时，可引入积选大时，可引入积 分；分；不引入微分不引入微分。 3 3 主、副调节器正、反作用方式的选择（开环放大系数为正）主、副调节器正、反作用方式的选择（开环放大系数为正） 选择步骤选择步骤：工艺要求：工艺要求调节阀的气开、气关调节阀的气开、气关副调节器的正、反作用副调节器的正、反作用主、主、 副过

16、程的正、反作用副过程的正、反作用主调节器的正、反作用。主调节器的正、反作用。 示例示例(图图68） 燃油阀气开，副对象为燃油阀气开，副对象为 正过程，副调为反作用正过程，副调为反作用 调节器；主对象也为正调节器；主对象也为正 过程，主调为反作用调过程，主调为反作用调 节器节器 主、副调节器正、反作用方主、副调节器正、反作用方 式选择参见式选择参见188188页表页表 6-16-1 5 5 串级控制系统的参数整定串级控制系统的参数整定 整定原则：整定原则： 尽量加大副调节器的增益，提高副回路的频率，使主、副回路的频率错尽量加大副调节器的增益，提高副回路的频率，使主、副回路的频率错 开，以减少相互

17、影响开，以减少相互影响 1. 1. 逐步逼近整定法逐步逼近整定法 1 1） 主开环、副闭环，整定副调的参数；记为主开环、副闭环，整定副调的参数；记为 1 2( )C Gs 2) 2) 副回路等效成一个环节，闭合主回路，整定主调节器参数，记为副回路等效成一个环节，闭合主回路，整定主调节器参数，记为 1 1( )C Gs 3 3）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即为为 1 1( )C Gs 1 2( )C Gs 否则，再整定副调节器参数，记为否则，再整定副调节器参数，记为 2 2 () C Gs。反复进行，满意为止。反复进行，满意为止。 该方

18、法适用于主、副过程时常相差不大、主、副回路动态联系密切，需反该方法适用于主、副过程时常相差不大、主、副回路动态联系密切，需反 复进行，费时较多复进行，费时较多 2. 2. 两步整定法两步整定法 1 1）主、副闭合，主调为比例）主、副闭合，主调为比例, ,比例度为百分之一百，先用比例度为百分之一百，先用4 4比比1 1衰减曲线法整衰减曲线法整 定副调节器的参数，求得比例度和操作周期；定副调节器的参数，求得比例度和操作周期； 2) 2) 等效副回路，整定主调参数，求得主回路在等效副回路，整定主调参数，求得主回路在4 4比比1 1衰减比下的比例度衰减比下的比例度 和操作周期；根据两种情况下的比例度和

19、操作周期，按经验公式求出主、和操作周期；根据两种情况下的比例度和操作周期，按经验公式求出主、 副调节器的积分时间和微分时间，然后再按先副后主、先比例后积分再副调节器的积分时间和微分时间，然后再按先副后主、先比例后积分再 微分的次序投入运行，观察曲线，适当调整，满意为止。微分的次序投入运行，观察曲线，适当调整，满意为止。 2 1 T 3. 3. 一步整定法一步整定法 思路：思路：先根据副过程特性或经验确定副调节器的参数，然后一步完成主调先根据副过程特性或经验确定副调节器的参数，然后一步完成主调 节器的参数的整定。节器的参数的整定。理论依据：理论依据：主、副调节器的放大系数在主、副调节器的放大系数

20、在 1 1）主、副调节器均置比例控制，根据约束条件或经验确定）主、副调节器均置比例控制，根据约束条件或经验确定 5 . 00 21 cc KK 条件下，主、副过程特性一定时，条件下，主、副过程特性一定时， 21cc KK 为一常数。为一常数。 2c K 2) 2) 等效副回路，按衰减曲线法整定主调节器参数；等效副回路，按衰减曲线法整定主调节器参数； 3 3）观察曲线，在约束条件下，适当调整主、副调节器的参数，满意为止。）观察曲线，在约束条件下，适当调整主、副调节器的参数，满意为止。 ； 4. 4. 应用举例应用举例: : 硝酸生产用氧化炉，主参数：炉温，硝酸生产用氧化炉，主参数：炉温，PIPI

21、调节；副参数：氨气流量，调节；副参数：氨气流量，P P调节；调节； 主、副动态联系小，两步整定法。主、副动态联系小，两步整定法。 1 2 s 1 s T 1s 1 为为100100为为32，为为15s15s；1） 2 2）副调置于）副调置于3232，得主调的，得主调的为为50，为为7min7min。 3 3）运用计算公式得：）运用计算公式得： 为为6060， 为为3.5min3.5min,为为32%32%。 2 s T 第三节第三节 前馈控制系统前馈控制系统 1 1 前馈控制的基本概念前馈控制的基本概念 又称干扰补偿控制：按干扰大小进行调节，克服干扰比反馈快；理论上，可又称干扰补偿控制：按干扰

22、大小进行调节，克服干扰比反馈快；理论上，可 实现理想控制。图实现理想控制。图616，图，图617 原理说明。原理说明。 补偿器的计算：补偿器的计算： 0FB Y s GsGs Gs F s sG sG sG F B 0 2 前馈控制的特点及局限性前馈控制的特点及局限性 1.1.前馈控制的特点前馈控制的特点 1 1）开环控制；）开环控制；2 2）比反馈控制及时；）比反馈控制及时； 3 3）补偿器为专用）补偿器为专用 2.2. 前馈控制的局限性前馈控制的局限性：无法实现对干扰的完全补偿：无法实现对干扰的完全补偿 1 1）只能抑制可测干扰；只能抑制可测干扰； 2 2）不能对每个干扰实现补偿；不能对每

23、个干扰实现补偿； 3 3）补偿器难以精确得到，即使得到有时物补偿器难以精确得到，即使得到有时物 理上也难以实现理上也难以实现结论：结论：不单独使用不单独使用 3 3 静态补偿与动态补偿静态补偿与动态补偿 1.1.静态补偿：静态补偿： 0 0(0)/(0) BFB GGGK 图616中： 0021 () fp q Hq C TT 00 21 fp q H TT q C 20 0 0fp dTH K dqq C 2 20021 ff fpf dTq HTT Kq dqCq 21 00 () fp B KCTT K KH 该补偿器用比例调节器即可实现该补偿器用比例调节器即可实现 2. 2. 动态补偿

24、：动态补偿： sGsGsG FB0 / 由于精确模型难以得到或难以实现，只有要求严格控制动态偏差时才采用。由于精确模型难以得到或难以实现，只有要求严格控制动态偏差时才采用。 6.2.4 6.2.4 前馈反馈复合控制（图前馈反馈复合控制（图6 61818） 作用机理分析：作用机理分析： sF sGsG sGsGsG sX sGsG sGsG sY c BF c c 0 0 0 0 11 0 0 sGsGsG BF )(/ 0 sGsGsG FB 前馈反馈控制的优越性？前馈反馈控制的优越性？ 复合控制系统的特征方程式：复合控制系统的特征方程式： 01 0 sGsGc ，与前馈补偿器无关，与前馈补偿

25、器无关 设计步骤：设计步骤：1 1）独立设计反馈控制系统；独立设计反馈控制系统；2 2）再设计前馈补偿器再设计前馈补偿器 4 4 引入前馈的原则及应用实例引入前馈的原则及应用实例 1. 1. 引入前馈控制的原则引入前馈控制的原则 1 1）系统存在频率高、幅值大、可测不可控的干扰，反馈控制难以克系统存在频率高、幅值大、可测不可控的干扰，反馈控制难以克 服、控制要求高时；服、控制要求高时； 2 2）控制通道时常大于干扰通道时常，反馈控制不及时，控制质量差；控制通道时常大于干扰通道时常，反馈控制不及时，控制质量差； 3 3）主要干扰无法用串级控制使其包含于主要干扰无法用串级控制使其包含于 副回路或副

26、回路滞后过大时；副回路或副回路滞后过大时； 4 4）尽可能采用静态补偿而不采用动态补偿。尽可能采用静态补偿而不采用动态补偿。 2. 2. 复合控制系统应用实例复合控制系统应用实例 （1 1）蒸发过程的浓度控制）蒸发过程的浓度控制( (图图6 61919） 50507373溶液沸点与水沸点之溶液沸点与水沸点之 温差（被控量）温差（被控量）进料溶液浓度、温度、进料溶液浓度、温度、 流量流量，加热蒸汽压力、，加热蒸汽压力、流量流量 方案方案：蒸汽流量为前馈信号、温差为反馈信号、：蒸汽流量为前馈信号、温差为反馈信号、 进料溶液为控制参数的复合控制进料溶液为控制参数的复合控制 （2 2）锅炉汽包水位控制

27、）锅炉汽包水位控制 水位控制的重要性。水位控制的重要性。 影响因素：影响因素：蒸汽用量（不可控）、给水流量蒸汽用量（不可控）、给水流量 （选为控制参数）（选为控制参数） 问题：问题：“虚假水位虚假水位”。影响控制效果。影响控制效果。 解决方案：解决方案：蒸汽流量为前馈信号，给水流量蒸汽流量为前馈信号，给水流量 为副参数，水位为主参数为副参数，水位为主参数前馈反馈串级前馈反馈串级 控制控制( (图图6 62020） 第三节第三节 大滞后过程控制系统大滞后过程控制系统1 1 大滞后过程概述大滞后过程概述 纯滞后：纯滞后：介质传输、化学反应、管道混合、皮带传送、轧辊传输、多容器串介质传输、化学反应、

28、管道混合、皮带传送、轧辊传输、多容器串 联成分测量等。联成分测量等。 纯滞后的程度：纯滞后的程度：3 . 0/ T3 . 0/ T称为一般纯滞后；称为一般纯滞后；称为大纯滞后。称为大纯滞后。 大纯滞后难于控制大纯滞后难于控制：物理意义：物理意义：1 1）测量纯滞后使调节作用不及时；测量纯滞后使调节作用不及时；2 2）控控 制介质传输滞后使调节动作不及时；制介质传输滞后使调节动作不及时； 理论分析：开环频率特性相角滞后理论分析：开环频率特性相角滞后稳定裕度稳定裕度 解决方案：微分先行、中间反馈、斯密斯预估、内模控制等解决方案：微分先行、中间反馈、斯密斯预估、内模控制等 2 2 史密斯预估控制史密

29、斯预估控制 1. 1. 史密斯预估控制：史密斯预估控制：预先估计动态模型预先估计动态模型预估器使滞后了的被控量提前反预估器使滞后了的被控量提前反 馈馈调节器提前动作调节器提前动作减少超调、加速调节过程。减少超调、加速调节过程。 0 0 1 s c s c YsGs Gs e XsGs Gs e 00 s s Ys Gs eGsGs Us 0 1 s s GsGse s cSc s c Sc s c Sc s c esGsGsGsG esGsG sGsGesGsG sGsGesGsG sX sY 0 0 0 0 1 11 1 sGsG esGsG c s c 0 0 1 2. 2. 仿真实例仿真

30、实例 有关参数。有关参数。 实线为史密斯预估控制结果，实线为史密斯预估控制结果， 虚线为单回路控制结果虚线为单回路控制结果 单回路控制单回路控制 3 3 改进型史密斯预估控制改进型史密斯预估控制 1. 1. 增益自适应预估控制增益自适应预估控制 s c esGsUsYA BAsD sDssD sUsGsD sDsDsY sYsXsGsU 0 2 23 01 31 1 当模型相等时，等效为图当模型相等时，等效为图625 当存在差异时，通过当存在差异时，通过1s 产生超前作用，使调节器产生超前作用，使调节器 提前动作，以减小超调和提前动作，以减小超调和 加快调节过程。加快调节过程。 2.2.动态参

31、数自适应预估控制动态参数自适应预估控制 当模型准确时，主反馈信号当模型准确时，主反馈信号 为零，其效果同史密斯预估为零，其效果同史密斯预估 控制；当有差异时，主反馈控制；当有差异时，主反馈 的动态变化经惯性滤波后反的动态变化经惯性滤波后反 馈，以增强适应性。馈，以增强适应性。 惯性滤波器的设计惯性滤波器的设计 ) 1 )( 1 1 (1 ) 1 )( 1 1 ( )( )(1 )( )( )( 0 0 2 2 0 0 2 2 02 02 sT K sT K sT K sT K sGsG sGsG sG c C c C C C F 1 1 1 1 02 0020 02 sT s KK TKKsT

32、 KK F C C C 设计思路：设两个调节器设计思路：设两个调节器 均为均为PIPI调节器，调节器调节器，调节器1 1 按模型完全准确时设计；按模型完全准确时设计； 调节器调节器2 2按具体情况设计，按具体情况设计， 设对象的非滞后部分为一设对象的非滞后部分为一 阶惯性环节，且调节器阶惯性环节，且调节器2 2 的积分时常与惯性时常相的积分时常与惯性时常相 等，则有等，则有 4 4 内模控制内模控制 Garcia 82Garcia 82年提出，结构与史密斯年提出，结构与史密斯 相似，它不仅能明显改善大滞后过相似，它不仅能明显改善大滞后过 程的控制品质，且设计简单、调节程的控制品质，且设计简单、

33、调节 性能好、鲁棒性强。性能好、鲁棒性强。 1.1.内模控制系统的结构内模控制系统的结构 00 0000 ( )( ) ( )1( ) 1( )( )1( )( ) cc cc Y sX sF s Gs G sGs G s Gs G sG sGs G sG s 2. 2. 理想内模控制器理想内模控制器 假设模型没有误差，则有假设模型没有误差，则有 00 ( )( )1( )( ) cc Y sGs Gs X sGs GsF s 当当X(sX(s)=0,F(s)0)=0,F(s)0时：时： 0 1( )( ) c Y sGs G sF s 假设模型假设模型“可倒可倒”且物理可实且物理可实 现现 令令 0 1/ c GsG 则有则有 Y(sY(s)=0;)=0; 同样，当同样，当X(s)0X(s)0，F(sF(s)=0)=0时：时： 00 0 1 ( ) ( )( )( )( )( ) c Gs YsGs Gs X sGs X sX s 3. 3. 实际内模控制器实际内模控制器 问题：模型存在误差且不问题：模型存在误