提高控制品质的控制系统PPT课件

1、 所谓所谓复杂复杂，乃是相对，乃是相对简单简单而言的。一般来说，凡是而言的。一般来说，凡是结构上结构上比单回路控制系统更为比单回路控制系统更为复杂复杂或或控制目的控制目的上较为上较为特特殊殊的控制系统都可以称为的控制系统都可以称为复杂控制系统复杂控制系统。由于在这些系。由于在这些系统中，通常包含有两个以上的变送器、控制器或者执行统中，通常包含有两个以上的变送器、控制器或者执行器，构成的回路数也多于一个，所以，复杂控制系统又器，构成的回路数也多于一个，所以，复杂控制系统又称为称为多回路控制系统多回路控制系统。显然，这类系统的分析、设计、。显然，这类系统的分析、设计、参数整定与投运比简单控制系统要

2、参数整定与投运比简单控制系统要复杂复杂一些。一些。 常见的复杂控制系统有常见的复杂控制系统有串级、前馈、大时延串级、前馈、大时延、比值、比值、均匀、分程、选择均匀、分程、选择等控制系统。等控制系统。复杂控制系统复杂控制系统第1页/共138页第第8章章 提高提高控制质量控制质量的的控制系统控制系统q8.1 串级串级控制系统控制系统q8.2 前馈前馈控制系统控制系统q8.3 大时延大时延控制系统控制系统动态特性比较复杂第第9章章 满足满足特定要求特定要求的的过程控制系统过程控制系统q9.1 比值控制系统q9.2 均匀控制系统q9.3 分程控制系统q9.4 选择控制系统控制任务比较特殊第2页/共13

3、8页第第8章章 提高控制品质的控制系提高控制品质的控制系统统第3页/共138页第第8章章 提高控制提高控制品质品质的控制系统的控制系统 生产过程中有很多生产过程中有很多容量滞后比较大容量滞后比较大（T T0 0）的对象）的对象，由于，由于控制变量控制变量的的变化变化要经过一个要经过一个较长的时间较长的时间才能对才能对被控变量被控变量起作用，这样明显造成控制作用起作用，这样明显造成控制作用不及时不及时，使，使系统控制变差。当对象的系统控制变差。当对象的容量滞后较大，负荷或干扰容量滞后较大，负荷或干扰变化比较剧烈、比较频繁，变化比较剧烈、比较频繁，或是工艺对产品质量提出或是工艺对产品质量提出的的要

4、求很高，要求很高，此时，采用简单控制系统无法满足要求此时，采用简单控制系统无法满足要求，可以采用，可以采用串级串级控制系统。控制系统。第4页/共138页8.1.1 基本概念 1. 串级控制系统结构 炼油厂常用的设备中有一种叫管式加热炉, 工艺要求被加热原料在炉的出口温度保持恒定。第第8章章 提高控制提高控制品质品质的控制系统的控制系统q 8.1 串级控制系统冷物料加热炉热物料燃料影响物料影响物料出口温度出口温度的干扰的干扰：（1）原料油流量与初温）原料油流量与初温f1(t)（2）燃油压力、流量、热值）燃油压力、流量、热值f2(t)（3）烟囱抽力变化）烟囱抽力变化f3(t)（4）环境温度等）环境

5、温度等f4(t)空气第5页/共138页单回路设计方案1：出口温度为被控参数，燃料量为控制参数。T1CT1T冷物料加热炉热物料燃料第第8章章 提高控制质量的控制系统提高控制质量的控制系统q 8.1 串级控制系统8.1.1 基本概念 1. 串级控制系统结构9分钟45分钟结论：1.结构上合理； 2.实际控制质量 很差。炉第6页/共138页第第8章章 提高控制质量的控制系统提高控制质量的控制系统8.1.1 基本概念基本概念 1. 单回路设计方案2：炉膛温度为被控参数，燃料量为控制参数。T1CT1T冷物料加热炉热物料燃料结论：1.能及时克服 f2(t)、f3(t) ； 2.不能克服f1(t) 、 f4(

6、t) 。炉第7页/共138页第第8章章 提高控制质量的控制系统提高控制质量的控制系统q 8.1 串级控制系统8.1.1 基本概念基本概念 1. 复杂设计方案3：出口温度Y1(s)为主被控参数，炉膛温度Y2(s)为副被控参数，燃料量为控制参数。串级控制系统第8页/共138页第第8章章 提高控制质量的控制系统提高控制质量的控制系统q 8.1 串级控制系统8.1.1 基本概念基本概念 1. 主被控参数主被控参数Y1(s) ：主要：主要控制目标控制目标，工艺要求，工艺要求副被控参数副被控参数Y2(s) ：被控对象引出的：被控对象引出的中间变量中间变量副对象：副被控参数与控制参数之间的副对象：副被控参数

7、与控制参数之间的通道特性通道特性主对象：主被控参数与副被控参数之间的主对象：主被控参数与副被控参数之间的通道特性通道特性副控制器：接受副控制器：接受副变量副变量的偏差，其输出控制的偏差，其输出控制阀门阀门主控制器：接受主控制器：接受主变量主变量的偏差，其输出是副控制器的的偏差，其输出是副控制器的给定值给定值所以，主回路是一个定值控制系统，副回路则是一个随动控制系统。第9页/共138页第第8章章 提高控制质量的控制系统提高控制质量的控制系统8.1.1 基本概念基本概念 1. 副回路（副环）：由副变量检测变送器、副控制器、调节阀、副对象组成副回路（副环）：由副变量检测变送器、副控制器、调节阀、副对

8、象组成 的回路。处在串级控制系统的回路。处在串级控制系统内部内部的，在控制过程中起着的，在控制过程中起着 “粗调粗调”的作用。的作用。主回路（主环）：由主回路（主环）：由副回路副回路、主控制器、主对象、主变量检测变送器组成、主控制器、主对象、主变量检测变送器组成 的回路，在控制系统中起着的回路，在控制系统中起着“细调细调”的作用。的作用。一次干扰：进入一次干扰：进入主回路主回路的干扰的干扰 二次干扰：进入二次干扰：进入副回路副回路的干扰的干扰第10页/共138页第11页/共138页控制阀出口温度燃料油原料油温度测量值温度变送器TC温度设定值流量测量值流量变送器QC控制量第第8章章 提高控制质量

9、的控制系统提高控制质量的控制系统8.1.1 基本概念基本概念 1. 另一种方案第12页/共138页第第8章章 提高控制质量的控制系统提高控制质量的控制系统8.1.1 基本概念基本概念 2.串级控制系统的串级控制系统的工作过程工作过程+-+-1）只有二次扰动2）只有一次扰动3）一、二次扰动均有使主副参数同向变化使主副参数异向变化第13页/共138页加热炉串级控制系统工作过程器校正。作用：主回路、主调节路进一步调节。度，如果扰动大，主回影响炉出口温节，如果扰动不大，不作用：副调节器开始调、）（节过程如下：当系统受到扰动，其调)()2()()(1132tftftf第14页/共138页能满足要求。开度

10、变化较小就节阀的方向相反，阀的副调节器控制调变大，一个变小，主、数、副参数一个）一、二次扰动使主参调节速度很快；幅度开大或关小，变大或变小，调节阀大数、副参数同时）一、二次扰动使主参作用：、21)()()() 3(321tftftf第15页/共138页 第第8章章 提高控制质量的控制系统提高控制质量的控制系统8.1.2 串级控制系统的特点 1. 改善过程动态特性第16页/共138页22222222( )( )( )( )( )( )1( )( )( )( )cvoocvomGs G s GssGsXsGs G s Gs Gs 22222211cvoocvomK K KKK K K K22222

11、1oocvomTTK K K K静态放大系数时间常数1.改善过程动态特性8.1.2 串级控制系统的特点22( )mmGsK( )vvG sK22( )ccGsK222( )1oooKGsT s222222222222222222211( )11111ocvocvocvomooooocvmocvomKK K KK KT sK K K KKGsKTT sK KKT sK K K K式中：设上式中：代入，得：第17页/共138页222221oocvomTT sK K KK 其等效系统与单回路系统相比：取代2222221omoVCooTKKKKTT1.改善过程动态特性8.1.2 串级控制系统的特点从理

12、论上可以证明，由于副回路从理论上可以证明，由于副回路的存在，可以使等效对象的时间的存在，可以使等效对象的时间常数常数大大减小（中间大小的时间，大大减小（中间大小的时间，相当于在系统中增加了一个起超相当于在系统中增加了一个起超前作用的前作用的微分环节微分环节）因而使得系）因而使得系统的统的动态响应加快动态响应加快，控制更加，控制更加及及时时，最大动态偏差得到，最大动态偏差得到减小减小；与；与此同时，等效对象时间常数的缩此同时，等效对象时间常数的缩短，还使系统的短，还使系统的工作频率工作频率得到提得到提高，这就缩短了高，这就缩短了振荡周期振荡周期，减少，减少了过渡过程的时间。即便是干扰了过渡过程的

13、时间。即便是干扰作用于主对象，串级控制系统的作用于主对象，串级控制系统的控制质量也将比单回路控制系统控制质量也将比单回路控制系统有所改善。有所改善。第18页/共138页副回路的引入，使副回路的引入，使整个系统的工作频率有提高整个系统的工作频率有提高代入（8.5）图8.7可得串级系统的特征方程为：12111( )( )( )( )0coomGs Gs Gs Gs（8.5）111( )1oooKGsT s11( )ccGsK11mmGK2121211121210oocoomooooTTK K K KssT TT T（8.7）12122oooooTTT T21211121coomoooK K K K

14、T T令令：特征方程式（8.7）可写成标准形式：2220ooss （8.8）8.1.2 串级控制系统的特点2.系统工作频率提高第19页/共138页2220ooss （8.9）特征根为：2221,224412oooos 01系统出现振荡，振荡频率为： 221212112oocoooTTT T（8.10）208.1.2 串级控制系统的特点2.系统工作频率提高第20页/共138页单回路特征方程：（8.11）*12111( )( )( )( )( )0cvoomGs G s Gs Gs Gs*11( )ccGsK2220ddodoss 特征方程标准形式：12122ooddoooTTT T *21211

15、 021cvomdooK K K KT T同理可得单回路系统振荡频率为：（8.15）2102122211oooddddodTTTT 218.1.2 串级控制系统的特点2.系统工作频率提高第21页/共138页2102122211oooddddodTTTT 若使串级控制系统与单回路控制系统具有相同的衰减率，即：221212112oocoooTTT Td212112221102221 02112112ooooooooddoodoTTTT TTTTTTT T（8.16）oco2o1o2o1o2o2TT1TT1TT所以：，则有：由于工作频率提高，控制品质改善。工作频率提高，控制品质改善。串级系统：单回路

16、系统：228.1.2 串级控制系统的特点2.系统工作频率提高第22页/共138页（8.17）进入副回路的干扰F3(s)与副回路输出2(s)之间的传递函数记为G*o2(s) : *2223222( )( )( )( )1( )( )( )( )ooovomGssGsF sGs Gs Gs Gs系统输入X1(s)与被控参数1(s)之间的传递函数记为: 121111211( )( )( )( )( )1( )( )( )( )coocoomGs Gs GssX sGs Gs Gs Gs干扰F3(s)与被控参数1(s)之间的传递函数记为: *21131211( )( )( )( )1( )( )( )

17、( )oocoomGs GssF sGs Gs Gs Gs（8.19）（8.18）238.1.2 串级控制系统的特点3.对二次扰动有很强的克服能力第23页/共138页系统输入X1(s)与被控参数1(s)之间的传递函数记为: 121111211( )( )( )( )( )1( )( )( )( )coocoomGs Gs GssX sGs Gs Gs Gs干扰F3(s)与被控参数1(s)之间的传递函数记为: *21131211( )( )( )( )1( )( )( )( )oocoomGs GssF sGs Gs Gs Gs（8.19）（8.18）串级控制系统对F3(s)抗干扰能力Jc3表示

18、为: 12112113*13212( )( )( )( )( )( )/( )( )/( )( )( )( )coococoooGs Gs GsGs GssX sJsF sGs GsGs312( )( )( )cccvJGs Gs Gs（8.21）248.1.2 串级控制系统的特点3.对二次扰动有很强的克服能力第24页/共138页系统输入X1(s)与被控参数1(s)之间的传递函数记为: 干扰F3(s)与被控参数1(s)之间的传递函数记为: （8.25）单回路控制系统对F3(s)抗干扰能力Jk3表示为: 图图8.12中单回路系统中单回路系统：*1211*11211( )( )( )( )( )(

19、 )1( )( )( )( )( )cvoocvoomGs G s Gs GssX sGs G s Gs Gs Gs211*31211( )( )( )( )1( )( )( )( )( )oocvoomGs GssF sGs G s Gs Gs Gs*12111311321( )( )( )( )( )/( )( )( )( )/( )( )( )cvookcvooGs Gs Gs GssX sJGs GssF sGs Gs258.1.2 串级控制系统的特点3.对二次扰动有很强的克服能力第25页/共138页（8.25）由式（8.21）、（8.25）可得串级系统与单回路系统对进入副回路干扰F3

20、(s)的抗干扰能力之比: *12111311321( )( )( )( )( )/( )( )( )( )/( )( )( )cvookcvooGs Gs Gs GssX sJGs GssF sGs Gs312( )( )( )cccvJGs Gs Gs（8.21）31212*311( )( )( )( )( )( )( )( )cccvcckcvcJGs Gs GsGs GsJGs GsGs11( )ccGsK22( )ccGsK*11( )ccGsK31212*311( )( )ccccckccJGs GsK KJGK一般情况下，总有： Kc1Kc2K*c1268.1.2 串级控制系统的特

21、点3.对二次扰动有很强的克服能力第26页/共138页8.1.2 串级控制系统的特点4.对负荷变化有一定的自适应能力（1）单回路控制系统中控制器参数是在一定的负荷和操作条件下，按某种质量指标单回路控制系统中控制器参数是在一定的负荷和操作条件下，按某种质量指标整定得到的，固定不变。而整定得到的，固定不变。而过程控制中的对象过程控制中的对象特性会特性会随着生产负荷和操作条件的改随着生产负荷和操作条件的改变而发生变化。控制器参数只能在一个较小的工作范围内与对象特性相匹配，如果变而发生变化。控制器参数只能在一个较小的工作范围内与对象特性相匹配，如果负荷和操作条件变化过大，超出了这个适应范围，控制质量就很

22、难保证。串级控制负荷和操作条件变化过大，超出了这个适应范围，控制质量就很难保证。串级控制系统就不同。虽然主回路是一个定值控制系统，副回路却是一个随动系统，它的给系统就不同。虽然主回路是一个定值控制系统，副回路却是一个随动系统，它的给定值是随着主调节器的输出而变化的。定值是随着主调节器的输出而变化的。主调节器可以按照生产负荷和操作条件的变主调节器可以按照生产负荷和操作条件的变化情况相应地调整副调节器的给定值，使系统运行在新的工作点上化情况相应地调整副调节器的给定值，使系统运行在新的工作点上，从而保证在新，从而保证在新的负荷和操作条件下，控制系统仍然具有较好的控制质量。的负荷和操作条件下，控制系统

23、仍然具有较好的控制质量。（2）22222211cvoocvomK K KKK K K K第27页/共138页1 1、改善了控制系统的动态特性，提高了工作频率。、改善了控制系统的动态特性，提高了工作频率。 由于副环起了改善过程的动态特性的作用，可以加大主调节器的增益，提高系统的工作频率。 串级控制系统中副回路的引入，相当于将单回路控制系统中包括执行器在内的广义象分为两部分，一部分由副回路代替，另一部分就是主对象。所以可以把副回路看成是主回路中的一个环节，或者把副回路理解为一部分等效对象。此时，串级控制系统的方块图可简化成如图所示。 二、串级控制系统的效果分析 第28页/共138页从理论上可以证明

24、，由于副回路的存在，可以使等效对象的时间常数大大减小（和副对象相比），意味着对象总的时间滞后要有所缩短，（相当于在系统中增加了一个起超前作用的微分环节）因而使得系统的动态响应加快，控制更加及时，最大动态偏差得到减小；与此同时，等效对象时间常数的缩短，还使系统的工作频率得到提高，这就缩短了振荡周期，减少了过渡过程的时间。即便是干扰作用于主对象，串级控制系统的控制质量也将比单回路控制系统有所改善。 一般来说，副对象的时间常数比主对象的时间常数要小，而比测量变送环节及控制阀的时间常数要大。也就是说，副对象的时间常数在系统中是属于中间大小的时间常数。可以证明，在一个系统中，中间大小的时间常数的减小，有

25、利于提高控制质量，提高系统的可控性。第29页/共138页2 2、串级控制系统对于进入副回路的干扰具有极强的克服能力。、串级控制系统对于进入副回路的干扰具有极强的克服能力。 副环具有快速作用，能有效的克服二次扰动的影响。 这是因为当干扰作用于副环时，在它还没影响到主变量之前副调节器首先对干扰作用采取抑制措施，进行“粗调”，合适与否最后视主变量是否受影响来判断，如果主变量还会受影响(不过这种影响比没有副调节器采取抑制措施要小得多)，那么将再由主控制器进行“细调”。由于这里对副环干扰有两级控制措施，显然控制质量要比单回路控制系统一个调节器的控制质量要好得多。即使干扰作用于主环，副环的超前作用虽然得不

26、到体现，但是由于副回路的存在，使等效副对象的时间常数缩小了，因而系统的工作频率得以提高，能比单回路系统较为及时地对干扰采取控制措施，因而控制质量也会比单回路控制系统高。第30页/共138页 由上分析可以看出，串级控制系统由于有主、副两个调节器合力对干扰采取控制措施，因而抗干扰能力大为增强。 实践证明，单回路控制系统控制质量相比，当干扰作用于副环时，串级系统的质量要高10到100倍；当干扰作用于主环时，串级系统的质量也要高2到5倍。 第31页/共138页 过程控制中的对象经常表现出非线性，随着生产负荷和操作条件的改变，对象的特性就会发生变化。而控制系统投运时所设定的控制器参数却是在一定的负荷和操

27、作条件下，按某种质量指标整定得到的。因此，这些控制器参数只能在一个较小的工作范围内与对象特性相匹配，如果负荷和操作条件变化过大，超出了这个适应范围，控制质量就很难保证。这个问题是单回路控制系统中的一个难题。但是，串级控制系统就不同。虽然主回路是一个定值控制系统，副回路副回路却是一个随动随动系统，它的给定值给定值是随着主调节器随着主调节器的输出而变化的输出而变化的。主调节器可以按照生产负荷和操作条件的变化情况相应地调整副调主调节器可以按照生产负荷和操作条件的变化情况相应地调整副调节器的给定值，使系统运行在新的工作点上节器的给定值，使系统运行在新的工作点上，从而保证在新的负荷和操作条件下，控制系统

28、仍然具有较好的控制质量。 3 3、由于副环的存在，使系统对负荷或操作的变化具有一定的适应能力。、由于副环的存在，使系统对负荷或操作的变化具有一定的适应能力。第32页/共138页 在串级控制系统中，虽然主回路是一个定值控制系统，副回路却是一个随动系统，它的给定值是随着主调节器的输出而变化的。主调节器可以按照生产负荷和操作条件的变化情况相应地调整副调节器的给定值，使系统运行在新的工作点上，从而保证在新的负荷和操作条件下，控制系统仍然具有较好的控制质量。 如果对象有非线性特性存在，那么可以把它设计处于副回路之中，当操作条件或负荷发生变化时，虽然副回路的衰减比会发生一些变化，稳定裕度会降低一些，但是，

29、它对主回路的稳定性影响却很小。第33页/共138页串级控制系统的应用范围： 根据串级控制系统的特点和结构，它主要适合于被控对象的容量滞后或纯滞后时间较大，干扰作用强而且频繁，或者生产负荷经常大范围波动，简单控制系统无法满足生产工艺要求的场合。此外，当一个生产变量需要跟随另一个变量而变化或需要互相兼顾时，也可采用这种结构的控制系统。 但串级控制系统比单回路控制系统所需的仪表多，投运和整定相应也复杂一些。所以，如果单回路控制系统能够解决问题时，就不一定采用串级控制方案。综上所述，串级控制系统良好的控制性能归因于：（1）对二次干扰有很强的克服能力（2）改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率（3）

30、对负荷或操作条件的变化有一定的适应能力。第34页/共138页8.1.3 串级控制系统的工业应用1.应用于容量滞后较大的过程2.应用于纯时延较大的过程 3.应用于扰动变化激烈的过程 4.应用于参数互相关联的过程 5.应用于非线性的过程 4.有一定的自适应能力第35页/共138页增设一个流量控制系统 两个系统相互关联，无法工作。进料蒸汽采出F,zfB,xBLB再沸器精馏塔TCTTFCFTV1V2第36页/共138页应用举例2：精馏塔提馏段温度控制系统 精馏过程：将混合物料中各组分分离，达到规定的纯度。 分离的机理：利用混合物中各组分的挥发度不同（沸点不同）使液相中的轻组分（低沸物）和液相中的重组分

31、（高沸物）互相转移，从而实现分离。第37页/共138页精馏塔示意图进料热蒸汽采出冷凝冷却器F,zfB,xBD,xDLBLDL回流罐回流泵再沸器精馏塔第38页/共138页提馏段温度控制系统进料热蒸汽采出F,zfB,xBLB再沸器精馏塔TCTT如果蒸汽压力波动比较大、比较频繁，而塔釜容量比较大，控制将很不及时，控制效果会很差。控制阀的蒸汽流量不仅与阀的开度有关，而且与阀前后的压力有关。第39页/共138页增设一个流量控制系统 两个系统相互关联，无法工作。进料蒸汽采出F,zfB,xBLB再沸器精馏塔TCTTFCFTV1V2第40页/共138页关联情况分析 当进料量增大，提馏段温度下降，TC开始调节，

32、V1开度增大，蒸汽流量增大。 由于流量是个闭环系统，当检测到流量增加，FC开始调节，使流量等于设定值，即将V2关小。 上述两种情况发生矛盾，无法实现控制。第41页/共138页构成串级控制系统进料蒸汽采出F,zfB,xBLB再沸器精馏塔TCTTFCFT第42页/共138页8.1.4 串级控制系统方案设计1主参数的选择和主回路的设计 串级控制系统由主回路和副回路组成。主回路是一个定值控制系统。对于主参数的选择和主回路的设计，基本上按照单回路控制系统的设计原则进行。凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数，均可选作主参数。若条件许可，可以选用质量指标作为主参数，因为它最直接也最有

33、效。否则，应选一个与产品质量指标有单值函数关系的参数作为主参数。另外，对于选用的主参数必须具有足够的变化灵敏度，并须符合工艺过程的合理性。 第43页/共138页2副参数的选择和副回路的设计 （1）副参数的选择原则 8.1.4 串级控制系统的设计1）副参数的变化应反映主参数的变换趋势、并在很大程度上影响主参数；2）选择的副参数必须是物理上可测的；3）由副参数所构成的副回路，调节通道尽可能短，调节过程时间常数不能太大，时间滞后小，以便使等效过程时间常数显著减小，提高整个系统的工作频率，加快控制过程反映速度，改善系统控制品质。 第44页/共138页（2）副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主要干扰

34、，并尽可能多包含一些干扰。尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中。 8.1.4 串级控制系统的设计2副参数的选择和副回路的设计 常用的串级控制系统：温度+流量、温度+压力、液位+流量、温度+温度等。第45页/共138页（3）主、副回路时间常数的适当匹配 在选择副变量时，应注意使主、副回路中控制过程的时间常数之比为310，以减少主、副回路的动态联系，避免“共振”。 在副回路设计时，如果有几种可供选择的控制方案，则应同时把经济性原则和控制品质要求结合起来，进行分析比较，在满足系统设计要求的前提下，力求节约。 （5）副回路设计时应同时考虑经济性原则 （4）副回路设计应考虑生产工艺的合理性

35、应考虑和满足生产工艺要求，所设置的系统是否会影响到工艺过程的正常运行。 （4）副回路设计应考虑生产工艺的合理性 应考虑和满足生产工艺要求，所设置的系统是否会影响到工艺过程的正常运行。 在副回路设计时，如果有几种可供选择的控制方案，则应同时把经济性原则和控制品质要求结合起来，进行分析比较，在满足系统设计要求的前提下，力求节约。 8.1.4 串级控制系统的设计2副参数的选择和副回路的设计 第46页/共138页3串级控制系统控制参数选择 （1）选择可控性良好的参数作为控制参数。（2）所选择的控制参数必须使控制通道有足够大的放大系数， 并应保证大于主要扰动通道的放大系数，以实现对主要 扰动进行有效控制

36、并提高控制质量。（3）所选控制参数必须使控制通道有较高的灵敏度，即时间 常数适当小一些。（4）选择控制参数应同时考虑经济性与工艺上的合理性 。8.1.4 串级控制系统的设计第47页/共138页4主、副控制器控制规律的选择 主控制器起定值控制作用、副控制器起随动控制作用。 8.1.4 串级控制系统的设计主调节器主调节器通常选用PI调节，以实现主变量的无差控制。当控制通道容量滞后比较大时，主调节器应选用PID调节。 副调节器副调节器一般选用P调节。为了能够快速跟踪，一般不引入积分调节。第48页/共138页第49页/共138页第50页/共138页主、副调节器正、反作用方式的选择原则选择原则：依然是使

37、整个系统构成使整个系统构成负反馈负反馈。 主、副调节器的正、反作用方式选择的顺序选择的顺序是： 首先首先根据工艺的要求确定调节阀的气开、气关形式；然后然后按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、反作用；最后最后再依据主、副参数的关系和主回路构成负反馈的原则，确定主调节器的正、反作用。5主、副调节器正、反作用方式的确定 8.1.4 串级控制系统的设计第51页/共138页8.1.5 串级控制系统调节器参数的整定 常用的整定方法有：逐步逼近法、两步整定法、一步整定法1逐步逼近法 整定步骤： （1）主回路断开，把副回路作为一个单回路控制系统，并按单回路控制系统的参数整定法，求取副调节器的整定参数值

38、W2(s)1。 （2）副调节器参数值置于W2(s)1数值上，把主回路闭合，把副回路作为一个等效环节，这样，主回路又成为一个单回路控制系统。再按单回路整定方法，求取主调节器的整定参数值W1(s)1。 （3）主调节器参数置于W1(s)1上，主回路闭合，再按上述方法求取副调节器的整定参数值W2(s)2。至此，完成了一次逼近循环。若控制质量已达到工艺要求，整定即告结束。主、副调节器的整定参数值分别为W1(s)1和W2(s)2。否则，将副调节器的参数置于W2(s)2上，再按上述方法求取主调节器整定参数值W1(s)2。 如此循环下去，逐步逼近，直到满足质量指标要求为止。 第52页/共138页2两步整定法

39、两步整定法：第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。 整定步骤： （1）在工况稳定、主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用的条件下，主调节器的比例度置于100%，用单回路控制系统的衰减（如4：1）曲线法整定，求取副调节器的比例度2s和操作周期T2s。 （2）将副调节器的比例度置于所求得的数值2s上，把副回路作为主回路中的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主调节器的比例度1s和操作周期T1s。 （3）根据求得的1s、T1s，2s、T2s数值，按单回路系统衰减曲线法整定公式计算主、副调节器的比例度、积分时间T1和微分时间TD的数值。 （4）按先副后主、先比例后积分最后微分的整定程序，设置

40、主、副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到系统质量达到最佳为止。 8.1.5 串级控制系统调节器参数的整定 第53页/共138页3一步整定法 一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。 1cK02KsccKKKK021sK21cK5 . 0022KKc02K2cK理论根据：串级控制系统可以等价为单回路反馈控制系统，其等 效调节器总的放大系数KC为主调节器放大系数 与 回路等效放大系数的乘积，即在确定副调节器的比例度 时，根据式中， 为纯比例作用下，产生4：1衰减比过程的总放大系数。 这一关系式，通过副过程放大系数

41、，求取副调节器比例放大系数 ，或按经验选取。8.1.5 串级控制系统调节器参数的整定 第54页/共138页第55页/共138页整定步骤：1cK2cK （1）在生产稳定，系统为纯比例作用的情况下，由副过程K02确定副调节器的比例度，并将其设置在副调节器上。 （2）按照单回路控制系统的整定方法，整定主调节器参数。 （3）观察控制过程，根据 与 互相匹配的原理，适当调整调节器参数，使主参数品质指标最佳。 （4）在调节器参数的整定过程中，若出现“共振”，只要加大主、副调节器中任何一个调节器的参数，便可以消除“共振”。若“共振”剧烈，可以先切换至遥控，待生产稳定后，将调节器参数置于比产生“共振”时略大的

42、数值上，重新整定调节器参数。 第56页/共138页应用举例 例 某工厂在石油裂解气冷却系统中，通过液态丙烯的气化来吸收热量，以保持裂解气出口温度的稳定。组成以出口温度为主参数、气化压力为副参数的温度与压力串级控制系统。采用一步整定法： （1）在本系统中，副参数为压力，该参数反应快，滞后小，比例度可选小一些，根据本例具体情况，选取副调节器比例度为40%。 （2）将副调节器的比例度2置于40%的刻度上，按4：1衰减曲线法整定主调节器参数，得到1s30%，TI13min。 （3）按4：1衰减曲线法的经验公式计算主调节器参数，即 20.81s0.830%24% TI10.3 TI1s=0.33=0.9

43、min Td10.1 TI1s=0.13=0.3min 副调节器的比例度240%。 （4）按照“先比例后积分再微分”的程序，将主调节器的参数置于计算求得的数值上，使系统投入运行，实践证明，系统主参数稳定，完全满足工程要求。 第57页/共138页例 在硝酸生产过程中，有一个氧化炉与氨气流量的串级控制系统，炉温为主参数，工艺要求较高，温度最大偏差不能超过50C，氨气流量为副参数，允许在一定范围内变化，要求不高。采用两步整定法： （1）在系统设计时，主调节器选用PI控制规律，副调节器选用P控制规律，在系统稳定运行条件下，主、副调节器均置于纯比例作用，主调节器的比例度置于100%上，用4：1衰减曲线法

44、整定副调节器参数，得2s32%，T2s15s。 （2）将副调节器的比例度置于32%上，用相同的整定方法，将主调节器的比例度由大到小逐渐调节，求得主调节器的1s50%，T17min。 （3）根据上述求得的各参数，运用4：1衰减曲线法整定计算公式，计算主、副调节器的整定参数为：主调节器（温度调节器）： 比例度11.21s60% 积分时间T10.5T1s3.5min 副调节器（流量调节器）： 比例度22s32%。 （4）把上述计算的参数，按先比例后积分的次序，分别设置在主、副调节器上，并使串级控制系统在该参数下运行。 第58页/共138页【例1】某聚合反应釜内进行放热反应，釜温过高会发生事故，为此采

45、用夹套水冷却。由于釜温控制要求较高，且冷却水压力、温度波动较大，故设置控制系统如图所示。 这是什么类型的控制系统？试画出其框图，说明其主变量和副变量是什么； 选择调节阀的气开、气关形式； 选择控制器的正、反作用； 选择主、副控制器的控制规律；如主要干扰是冷却水的温度波动，试简述其控制过程；如主要干扰是冷却水的压力波动，试简述其控制过程，并说明这时可如何改进控制方案，以提高控制质量。8.1.6 串级控制系统实例分析第59页/共138页【例2】某干燥器的流程如图所示。干燥器采用夹套加热和真空抽吸并行的方式来干燥物料。夹套内通入的是经列管式加热器加热后的热水，而加热器采用的是饱和蒸汽。为了提高干燥速

46、度，应有较高的干燥温度,但过高会使物料的物性发生变化，这是不允许的，因此要求对干燥温度进行严格控制。 如果蒸汽压力波动是主要干扰，应采用何种控制方案？为什么？试确定这时控制阀的气开、气关形式与控制器的正、反作用。 如果冷水流量波动是主要干扰，应采用何种控制方案？为什么？试确定这时控制器的正、反作用和控制阀的气开、气关形式。如果冷水流量与蒸汽压力都经常波动，应采用何种控制方案？为什么？试画出这时的控制流程图，确定控制器的正、反作用。8.1.6 串级控制系统实例分析第60页/共138页【例3】精馏塔温度一流量串级控制系统。工艺要求塔内温度稳定在T士1；一旦发生重大事故应立即关闭蒸汽供应。画出控制系

47、统组成的框图。选择调节阀的流量特性及确定气开、气关形式选择主、副控制器的控制规律及确定其正、反作用方式。 8.1.6 串级控制系统实例分析第61页/共138页【例4】对于图所示的加热器串级控制系统。画出该控制系统框图，并说明主变量、副变量分别是什么。主控制器、副控制器分别是什么。若工艺要求加热器温度不能过高，否则易发生事故，试确定调节阀的气开、气关形式。确定主、副控制器的正、反作用。当蒸汽压力突然增加时，简述该控制系统的控制过程。当冷物料流量突然加大时，简述该控制系统的控制过程。8.1.6 串级控制系统实例分析第62页/共138页【例5】造纸厂网前箱温度串级控制混合器T1CT1TT2T立筛圆筛

48、网前箱去铜网脱水蒸汽水纸浆蒸汽水纸浆纯滞后72C61C90sT2C8.1.6 串级控制系统实例分析第63页/共138页 纸浆用泵从储槽送至混合器，在混合器内用蒸汽加热至72度，经过立筛、圆筛除去杂质后送至网前箱，再去铜网脱水。工艺要求网前箱温度保持在61度左右，允许偏差不超过1度。 若采用单回路，由于从混合器到网前箱纯滞后达90秒，不能满足工艺要求。第64页/共138页 为了克服纯滞后，在调节阀较近处选择混合器温度为副参数，网前箱出口温度为主参数，构成串级控制系统，把纸浆流量波动包括在副回路中。 注意：副回路尽量少包括或不包括纯滞后。第65页/共138页 第7章 单回路控制系统设计 8.1 串

49、级控制系统设计 都是负反馈，当扰动发生时，通过检测扰动引起的被控参数偏差进行调节。所以负反馈进行扰动调节时，输出必然有波动，即已经被扰动影响。 有没有这样一种控制，当干扰一出现，在其影响输出量之前，就进行抑制，从而对输出没有影响？8.2 前馈控制系统第66页/共138页此控制具有以下特征： 在扰动影响输出之前进行调节。 直接测量扰动大小，通过调节，实现对扰动的完全补偿，从而消除扰动对被控参数的影响。 前馈控制就是测量扰动，补偿扰动的控制。8.2 前馈控制系统第67页/共138页1. 反馈控制的本质是反馈控制的本质是“基于偏差来消除偏差基于偏差来消除偏差”。或者说或者说以以“偏差偏差”为控制依据

50、；为控制依据；2. 反馈反馈控制控制总是滞后于总是滞后于扰动扰动“不及时不及时”3. 反馈的反馈的闭环闭环结构，存在结构，存在稳定性稳定性问题；问题；4. 反馈控制可消除闭环内的反馈控制可消除闭环内的所有扰动所有扰动对被控参数的影响；对被控参数的影响；5. 反馈控制系统中，调节器的反馈控制系统中，调节器的控制规律控制规律通常是通常是P、PI、PD、PID等典型规律，等典型规律，反馈控制的特点：8.2 前馈控制系统第68页/共138页 反馈的本质是“基于偏差来消除偏差”。如果没有偏差出现，也就没有控制作用了。 无论扰动发生在哪里，总有等到引起被控量发生偏差后，调节器才动作，故调节器的动作总是落后

51、于扰动作用的发生，是一种“不及时”的控制。 反馈控制系统，因构成闭环，故存在一个稳定性的问题。即使组成闭环系统的每一个环节都是稳定的，闭环系统是否稳定，仍然需要作进一步的分析。 引起被控量发生偏差的扰动，均被包围在闭环内，故反馈控制可消除多种扰动对被控量的影响。 反馈控制系统中，调节器的控制规律通常是P、PI、PD、PID等典型规律。 第69页/共138页8.2.1 前馈控制原理1.前馈与反馈11s2123DFFp控制要求：热流体温度 恒定被控参数：热流体温度控制参数：蒸汽流量主要扰动：（）被加热的物料流量（ ）入口温度（ ）蒸汽压力8.2 前馈控制系统第70页/共138页控制原理控制原理：根

52、据冷物料流量 f (t) 的变化，通过一个前馈控制器前馈控制器 FC 直接控制调节阀。（冷物料流量是最主要的干扰） 从干扰到被控参数之间的从干扰到被控参数之间的两个通道两个通道1）通过）通过干扰通道干扰通道去影响被控参数去影响被控参数2）经过测量环节、前馈控制器和）经过测量环节、前馈控制器和调节阀产生调节阀产生控制作用控制作用，再经过，再经过控制控制通道通道去影响被控参数。去影响被控参数。8.2 前馈控制系统第71页/共138页前馈控制系统是一个开环控制系统，其传递函数为： )()(sFsYWf(s) + WFF(s)W0(s) 式中， Wf (s) 为过程扰动通道的传递函数； W0 (s)为

53、过程控制通道的传递函数； WFF (s)为前馈调节器的传递函数。 若适当选择前馈调节器的传递函数WFF (s)，可以使扰动F(s)对被控参数Y(s)不产生影响，即实现完全补偿。 当F(s) 0时，Y(s) = 0即：Wf(s) +WFF(s)W0(s) = 0 可得到前馈调节器的传递函数： )()(0sWsWfWFF(s)WFF (s) 取决于过程扰动通道的特性Wf(s)和过程控制通道的特性W0(s)，式中负号表示控制作用与扰动作用方向相反。 8.2 前馈控制系统Wff(S)Wf(S)Wo(S)+Y1(s)Y2(s)F(s)Y(s)第72页/共138页不变性原理是前馈控制的理论基础。不变性原理

54、指控制系统的被控量与扰动量完全无关，或在一定准确度下无关。 0)(0)(:tYtN时，当即 被控过程及仪表 Y(t) N(t)8.2 前馈控制系统第73页/共138页 按照控制系统输出参数与输入参数的不变性程度，可分为以下几种类型： 1绝对不变性 2稳态不变性 3不变性8.2 前馈控制系统第74页/共138页1 1绝对不变性绝对不变性 被控量Y(t)在扰动量N(t)作用下，过渡过程中始终不变。即静态偏差和动态偏差都为0。前馈控制前馈控制Wff(S)Wf(S)Wo(S)+Y1(s)Y2(s)N(s)Y(s)前馈控制方框图前馈控制方框图WffNFY(s)Y2(s)Y1(s)8.2 前馈控制系统第7

55、5页/共138页前馈控制前馈控制Wff(S)Wf(S)Wo(S)+Y Y1 1(s)(s)Y2(s)N(s)Y(s)前馈控制方框图前馈控制方框图NN y yy2(t)y1(t)tt前馈控制系统补偿过程前馈控制系统补偿过程WffNFY(s)Y2(s)Y1(s)y1(t)+ y2(t)=00)(0)(:tYtN时，当即1 1绝对不变性绝对不变性第76页/共138页 被控量Y(t)在扰动量N(t)作用下，系统的稳态偏差与扰动无关。即静态偏差为0，动态偏差不为0。y y1 1(t)(t)y y2 2(t)(t)系统输出y(t)稳态偏差为0动态偏差不为0WffNFY(s)Y2(s)Y1(s)2.2.稳态

56、稳态不变性不变性第77页/共138页3 3不变性不变性 被控量Y(t)在扰动量N(t)作用下，系统偏差小于一个小量，用表示。y y1 1(t)(t)y y2 2(t)(t)系统输出y(t)y(t)WffNFY(s)Y2(s)Y1(s)第78页/共138页前馈控制特点： 1.前馈控制是一种按扰动大小进行的控制，即以“扰动”为控制依据；2.前馈控制是一种及时的控制；3.前馈控制是一种开环控制，所以只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定，但是它不能检查控制效果；4.前馈控制只抑制“一个可测而不可控”的扰动对被控参数的影响指定性补偿；5.前馈调节器的控制规律是由对象过程特性决定。 前馈控制是减少

57、被控参数动态偏差的一种最有效的方法。 合理的控制系统应该是把前馈控制和反馈控制结合起来 ，组成前馈-反馈控制系统。8.2 前馈控制系统第79页/共138页 前馈控制是“基于扰动来消除扰动对被控变量的影响”，故前馈控制又称为“扰动补偿”。 扰动发生后， 前馈控制器“及时”动作，对抑制被控量由于扰动引起的动、静态偏差比较有效。 前馈控制属于开环控制，所以只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定。 只适用于克服可测而不可控的扰动，而对系统中的其他扰动无抑制作用，因此，前馈控制具有指定性补偿的局限性。 前馈控制的控制规律，取决于被控对象的特性。因此，往往控制规律比较复杂。 第80页/共138页 （

58、1）可测：扰动量可以通过测量变送器，在线地将其转换为前馈补偿器所能接受的信号。 （2）不可控：扰动量与控制量之间的相互独立性，即控制通道的传递函数与扰动通道的传递函数无关联，从而控制量无法改变扰动量的大小。第81页/共138页前馈与反馈控制的比较及时不及时控制作用专用调节器P,PI,PD,PID及开关典型控制器开环闭环控制系统组态有时只能近似较容易控制规律的实现被测扰动量测量和设定之间的偏差控制器输入扰动量被控变量被测变量不变性原理反馈控制理论设计原理前馈控制反馈控制8.2 前馈控制系统第82页/共138页8.2.2 前馈控制系统结构形式 1.静态前馈控制器 满足稳态不变性，取t-(即s-0)

59、的值。即只取其通道增益。有： 静态前馈控制器是一个比例环节。)(/ )()(SWSWSWofff的增益是的增益是其中)()(:/)(SWKSWKKKKSWooffffofff扰动N 扰动输出调节输出系统输出P191 例题！第83页/共138页8.2.2 前馈控制系统结构形式 1静态前馈控制系统 所谓静态前馈控制，是指前馈调节器的输出量仅仅是其输入量的函数，与时间因子无关。控制规律具有比例特性： WFF(s)()(0sWsWfKF 其大小可根据过程扰动通道的静态放大系数和过程控制通道的静态放大系数来决定。 静态前馈控制只考虑最终稳态时的校正，所以只能使被控参数最终的静态偏差接近或等于零。不考虑由

60、于过程扰动通道的时间常数和控制通道的时间常数不同，在过渡过程中所产生的动态偏差。 静态前馈控制简单，一般不需专用前馈调节器，而用DDZ仪表中的比例调节器或比值器就能满足使用要求。在实际工业生产过程中，尤其当过程扰动通道与控制通道的时延相差不大时，设计和应用静态前馈控制，可获得较高的控制精度。 第84页/共138页2动态前馈控制系统 动态前馈 Wff(s)满足绝对不变性：静态前馈控制只能保证被控参数的静态偏差接近或等于零，而不能保证被控参数的动态偏差接近或等于零。当需要严格控制动态偏差时，就要采用动态前馈控制。 动态前馈控制必须根据过程扰动通道和控制通道的动态特性，采用专用的前馈调节器。由于工业