复杂控制系统

1、第第4章章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统主讲：李晓媛主讲：李晓媛E-mail:Contents4-5 分程与选择性控制分程与选择性控制4-4 比值控制比值控制4-3 大滞后补偿控制大滞后补偿控制4-1 串级控制串级控制4-6 多变量解耦控制多变量解耦控制4-2 前馈控制前馈控制4 4 复杂控制系统复杂控制系统简单控制系统是过程控制中最基本、应用最广简单控制系统是过程控制中最基本、应用最广的控制形式，约占全部控制系统的的控制形式，约占全部控制系统的80。但是：。但是：q随着生产过程的大型化和复杂化，操作条件更随着生产过程的大型化和复杂化，操作条件更加严格，变量之间的关系更加复杂。加严格，变量

2、之间的关系更加复杂。q有些生产工艺和控制要求比较特殊。有些生产工艺和控制要求比较特殊。q随着技术发展，对工艺的控制目标多样化，如随着技术发展，对工艺的控制目标多样化，如产量、质量、节能、环保、效率等。产量、质量、节能、环保、效率等。为此，设计出各种复杂控制系统。为此，设计出各种复杂控制系统。例：反应釜温度单回路控制系统例：反应釜温度单回路控制系统出料进料冷却剂TC控制变量：冷却剂量被控变量：反应温度控 制 阀：气关阀控制规律：PID 正作用调节器调节阀夹套槽壁反应槽温度测量变送D2D1T1spT2T1单回路控制系统扰动分析单回路控制系统扰动分析问题：问题：从扰动开始至调节器动作，调节滞后较大，

3、特别对于大容量的反应槽，调节滞后更大。冷却水入口温度 夹套内冷却水温度 T2 （经对流传热）槽壁温度 反应槽温度T1 （经反馈回路）冷却水量出料进料冷却剂TC对调节滞后的解决方法之一对调节滞后的解决方法之一对于冷却水方面的扰动，如冷却水的入口温度、阀前压力等扰动，夹套冷却水温度T2比反应槽温度T1能更快地感受到。因而可设计夹套水温单回路控制系统TC2以尽快地克服冷却水方面的扰动。但TC2的设定值应根据T1的控制要求作相应的变化（这一要求可用反应温度调节器TC1来自动实现）。“串级控制串级控制” 反应器温度的串级控制方案反应器温度的串级控制方案特点：特点：两个调节器串在一起工作，调节器TC2通过

4、调节冷却剂量以克服冷却水方面的扰动；调节器TC1通过调节夹套内水温的设定值以保证反应温度维持在工艺所希望的某一给定值。 出料进料冷却剂TC2TC1T2T1反应器温度串级控制框图反应器温度串级控制框图TC1称为“主调节器”，TC2称为“副调节器”。TC2阀夹套槽壁反应槽反应器温度测量D2D1T2spT2T1T1sp夹套水温测量TC1 4.1 串级控制系统串级控制系统当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，采用简单控制系统往往控制质量较差，满足不了工采用简单控制系统往往控制质量较差，满足不了工艺上的要求，这时，可考虑采用串级控制系统。艺上的要求，这时，可考虑

5、采用串级控制系统。 4.1.1串级控制系统基本结构及工作过程串级控制系统基本结构及工作过程串级控制是在简单控制系统基础上的改进。串级控制是在简单控制系统基础上的改进。例例 管式加热炉是炼油、化工生产中的重要装置管式加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之一，它的任务是把原油加热到一定温度，以保证之一，它的任务是把原油加热到一定温度，以保证下道工艺的顺利进行。因此，需要控制原油加热后下道工艺的顺利进行。因此，需要控制原油加热后的出口温度。的出口温度。问题：问题：控制通道容量滞后控制通道容量滞后很大，控制缓慢。很大，控制缓慢。燃料压力或燃燃料压力或燃料的热值变化料的热值变化 影响炉膛温度影响炉膛温度

6、热传导给原料热传导给原料 影响出口温度影响出口温度15min3min原料出口温度原料出口温度1(t)原料原料T1CT1T燃料燃料管式加热炉管式加热炉若用简单温控系统：若用简单温控系统：炉膛温度炉膛温度变化变化T2T、T2C回路先改变燃料量回路先改变燃料量T1T、 T1C回路再改回路再改变燃料量变燃料量出料温度出料温度变化变化解决措施：解决措施：在影响出口温度的通道中，加测在影响出口温度的通道中，加测炉膛温度的变化，提前控制。炉膛温度的变化，提前控制。燃料压力燃料压力变化变化3min原料出口温度原料出口温度1(t)原料原料T1CT1T燃料燃料管式加热炉管式加热炉T2CT2T管式加热炉出口温度串级

7、控制系统框图为：管式加热炉出口温度串级控制系统框图为：主控制器调节阀x1炉膛原料油f2、f3 f1管壁温度变送器1温度变送器2副控制器x2(t)2(t)1(t) 标准框图为：标准框图为：主调节器副调节器调节阀副参数测量变送副对象主对象一次扰动二次扰动主参数副参数主参数测量变送y1,spy2,spy2ym2y1ym1结构特点：结构特点：q系统系统有两个闭合回路，形成内外环。有两个闭合回路，形成内外环。主变量是工艺要主变量是工艺要求控制的变量，副变量是为了更好地控制主变量而选用的辅求控制的变量，副变量是为了更好地控制主变量而选用的辅助变量。助变量。q主、副调节器是串联工作的，主调节器的输出作为副主

8、、副调节器是串联工作的，主调节器的输出作为副调节器的给定值。调节器的给定值。q副控制器的确定：副控制器的确定：符合单回路控制系统符合单回路控制系统q主控制器的确定：主控制器的确定： (主主对象对象)(副对象副对象)(主控制器主控制器)=“”主控制器控制阀副对象主对象主变送器副变送器副控制器 主变量副变量给定干扰控制过程分析：控制过程分析：1燃料压力、燃料热值燃料压力、燃料热值f2(t)和烟筒抽力变化和烟筒抽力变化 f3(t)发生扰动发生扰动干扰进入副回路（干扰进入副回路（二次干扰二次干扰）进入副回路的干扰首先影响炉膛温度，副变送进入副回路的干扰首先影响炉膛温度，副变送器提前测出，副控制器立即开

9、始控制，控制过程大器提前测出，副控制器立即开始控制，控制过程大为缩短。为缩短。主控制器调节阀x1炉膛原料油f3、f2f1管壁温度变送器1温度变送器2副控制器x2(t)Y2(t)Y1(t) 主控制器调节阀x1炉膛原料油f3、f2f1管壁温度变送器1温度变送器2副控制器x2(t)Y2(t)Y1(t) 2原油流量和原油流量和 原油入口温度原油入口温度 f1(t)发生扰动发生扰动干扰进入主回路（干扰进入主回路（一次干扰一次干扰） 对进入主回路的干扰，虽然副变送器不能提前测对进入主回路的干扰，虽然副变送器不能提前测出，但副回路的闭环负反馈，使对象炉膛部分特性的出，但副回路的闭环负反馈，使对象炉膛部分特性

10、的时间常数大为缩短，则主控制器的控制通道被缩短，时间常数大为缩短，则主控制器的控制通道被缩短，控制效果也得到改善。控制效果也得到改善。3干扰同时作用于副回路和主回路干扰同时作用于副回路和主回路主副回路干扰的综合影响有两种情况：主副回路干扰的综合影响有两种情况：（1）主副回路的干扰影响方向相同。）主副回路的干扰影响方向相同。如：如：燃料压力燃料压力f3(t)炉膛温度炉膛温度 出口温度出口温度 副控制器开始调节副控制器开始调节原油流量原油流量f1(t)出口温度出口温度主副控制器共同调节主副控制器共同调节主控制器调节阀x1炉膛原料油f3、f2f1管壁温度变送器1温度变送器2副控制器x2(t)Y2(t

11、)Y1(t) （2）主副回路的干扰影响方向相反。）主副回路的干扰影响方向相反。如：如：燃料压力燃料压力f3(t)炉膛温度炉膛温度 出口温度出口温度 副控制器开始调节副控制器开始调节原油流量原油流量f1(t)出口温度出口温度主控制器反向调节，主控制器反向调节，使副控制器调节量减小。使副控制器调节量减小。主控制器调节阀x1炉膛原料油f3、f2f1管壁温度变送器1温度变送器2副控制器x2(t)Y2(t)Y1(t) 4.1.2串级控制系统特点及其分析串级控制系统特点及其分析副回路：副回路： 随动系统，完成系统的随动系统，完成系统的“粗调粗调”任务。任务。主回路：主回路： 恒值调节系统，完成系统的恒值调

12、节系统，完成系统的“细调细调”任务。任务。将串级控制系统等效成单回路控制系统讨论。将串级控制系统等效成单回路控制系统讨论。Wc1(s)Wv(s)X1(s)Y1(s)Wo2(s) F2(s)Wo1(s)Wc2(s)X2(s)Y2(s)F1(s)Wm2(s)Wm1(s) F2(s)G*o2(s)Go2(s)X2(s)Y2(s)将副环等效为：将副环等效为：)()()()(1)()()()(222222sWsWsWsWsWsWsWsWmovcovco)()()()(1)()(2222*2sWsWsWsWsWsWmovcoo（1）改善被控过程的动态特性）改善被控过程的动态特性 控制通道等效副对象的传函：

13、控制通道等效副对象的传函：1)(20202sTKsW22)(ccKsW设：设：则：则：C2V02C2V02m20202C2V02m2KK K1KK K KG( )T1S1KK K KsT02 T02K02 1/Km2)()()()(1)()()()(222222sWsWsWsWsWsWsWsWmovcovcovvKsW)(22)(mmKsW)(2sWoWc1(s)X1(s)Y1(s)W*o2(s) F2(s)Wo1(s)Wo2(s)Y2(s)F1(s)Wm1(s)w*c1(s)Wv(s)X1(s)Y1(s)Wo2(s) F2(s)Wo1(s) F1(s)Wm1(s)串级控制等效串级控制等效真正

14、的单回路控制真正的单回路控制 T02 T02 ，说明主环控制通道时间常数缩短，说明主环控制通道时间常数缩短，改善了系统的动态性能。改善了系统的动态性能。 同理，通过对系统振荡频率的推导可知：同理，通过对系统振荡频率的推导可知：副回路的引入，提高了系统的工作频率，也改副回路的引入，提高了系统的工作频率，也改善了系统的动态性能。善了系统的动态性能。 从系统特征方程：从系统特征方程：1+Wc1(s)Wo2(s)Wo1(s)Wm1(s)=0可求出系统的工作频率可求出系统的工作频率cWc1(s)X1(s)Y1(s)W*o2(s) F2(s)Wo1(s)Wo2(s)Y2(s)F1(s)Wm1(s)(2)

15、大大增强抗二次干扰能力大大增强抗二次干扰能力对于进入副回路的干扰，串级控制和单回路控对于进入副回路的干扰，串级控制和单回路控制前向通道的区别：制前向通道的区别：真正的单回路控制真正的单回路控制Wc1(s)X1(s)Y1(s)W*o2(s) F2(s)Wo1(s)Wo2(s)Y2(s)F1(s)Wm1(s)w*c1(s)Wv(s)X1(s)Y1(s)Wo2(s) F2(s)Wo1(s) F1(s)Wm1(s)真正的单回路控制真正的单回路控制（3）对一次干扰有较好的克服能力）对一次干扰有较好的克服能力对于进入主回路的干扰，串级控制和单回路控制对于进入主回路的干扰，串级控制和单回路控制闭环回路的区别

16、：闭环回路的区别：Wc1(s)X1(s)Y1(s)W*o2(s) F2(s)Wo1(s)Wo2(s)Y2(s)F1(s)Wm1(s)w*c1(s)Wv(s)X1(s)Y1(s)Wo2(s) F2(s)Wo1(s) F1(s)Wm1(s)（4）对负荷和操作条件变化的适应能力增强）对负荷和操作条件变化的适应能力增强有些生产过程的工艺条件经常变化。而在不同的有些生产过程的工艺条件经常变化。而在不同的工艺点，对象的放大倍数往往不同。如果是单回路控工艺点，对象的放大倍数往往不同。如果是单回路控制，这会导致控制质量下降。制，这会导致控制质量下降。真正的单回路控制真正的单回路控制w*c1(s)Wv(s)X1

17、(s)Y1(s)Wo2(s) F2(s)Wo1(s) F1(s)Wm1(s)Wc1(s)X1(s)Y1(s)W*o2(s) F2(s)Wo1(s)Wo2(s)Y2(s)F1(s)Wm1(s)C2V02C2V02m20202C2V02m2KK K1KK KKG( )T1S1KK KKsK02 1/Km2对于串级控制，部分对象被包含在副回路中，其对于串级控制，部分对象被包含在副回路中，其放大倍数被负反馈压制。因而工艺负荷或操作条件变放大倍数被负反馈压制。因而工艺负荷或操作条件变化时，调节系统仍然具有较好的控制质量。化时，调节系统仍然具有较好的控制质量。串级系统特点总结：串级系统特点总结：改善了被控

18、过程的动态特性，提高了系统的工改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；作频率； 对进入副回路的干扰有很强的克服能力；对进入副回路的干扰有很强的克服能力；对进入主回路的干扰控制效果也有改善；对进入主回路的干扰控制效果也有改善；对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。 调节效果比较调节效果比较串级控制串级控制单回路控制单回路控制ty4.1.3 串级控制系统的设计串级控制系统的设计1主回路设计主回路设计 主回路设计与单回路控制系统一样。主回路设计与单回路控制系统一样。Wc1(s)Wv(s)X1(s)Y1(s)Wo2(s) F2(s)Wo1(s)Wc2(

19、s)X2(s)Y2(s)F1(s)Wm2(s)Wm1(s)2副回路的选择副回路的选择副回路设计中，最重要的是选择副回路的被控副回路设计中，最重要的是选择副回路的被控参数（串级系统的副参数）。副参数的选择一般应参数（串级系统的副参数）。副参数的选择一般应遵循下面几个原则：遵循下面几个原则： 主、副变量有对应关系主、副变量有对应关系副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主要干扰，并尽可能多包含一些干扰主要干扰，并尽可能多包含一些干扰副参数的选择应考虑主、副回路中控制过程副参数的选择应考虑主、副回路中控制过程的时间常数的匹配，以防的时间常数的匹配，以防“共振共振

20、” 的发生的发生应注意工艺上的合理性和经济性应注意工艺上的合理性和经济性3主、副调节器调节规律的选择主、副调节器调节规律的选择 在串级系统中，主参数是系统控制任务，副参在串级系统中，主参数是系统控制任务，副参数辅助变量。这是选择调节规律的基本出发点。数辅助变量。这是选择调节规律的基本出发点。主参数是生产工艺的主要控制指标，工艺上要求比主参数是生产工艺的主要控制指标，工艺上要求比较严格。所以，主调节器通常选用较严格。所以，主调节器通常选用PI调节，或调节，或PID调节。调节。 控制副参数是为了提高主参数的控制质量，对控制副参数是为了提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，允许有静差。因此

21、，副副参数的要求一般不严格，允许有静差。因此，副调节器一般选调节器一般选P调节就可以了。调节就可以了。 4主、副调节器正、反作用方式的确定主、副调节器正、反作用方式的确定对串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用对串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用方式的选择原则依然是使系统构成负反馈。方式的选择原则依然是使系统构成负反馈。选择时的顺序是：选择时的顺序是：1、根据工艺安全或节能要求确定调节阀的正、反、根据工艺安全或节能要求确定调节阀的正、反作用；作用；2、按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的、按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、反作用；正、反作用；3、依据主回路构成负反馈的原则

22、，确定主调节器、依据主回路构成负反馈的原则，确定主调节器的正、反作用。的正、反作用。以管式加热炉为例，说明串级控制系统主、副调节以管式加热炉为例，说明串级控制系统主、副调节器的正、反作用方式的确定方法。器的正、反作用方式的确定方法。1、从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式、从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式（正作用）。一旦出现故障或气源断气，调节阀应关（正作用）。一旦出现故障或气源断气，调节阀应关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全。闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全。原料出口温度原料出口温度1(t)原料原料T1CT1T燃料燃料管式加热炉管式加热炉T2CT2T2、副回路中，

23、调节阀开大，炉膛温度升高，测量、副回路中，调节阀开大，炉膛温度升高，测量信号增大，说明副对象和变送器都是正作用。为保证信号增大，说明副对象和变送器都是正作用。为保证副回路为负反馈，副调节器应为反作用方式。副回路为负反馈，副调节器应为反作用方式。原料出口温度原料出口温度1(t)原料原料T1CT1T燃料燃料管式加热炉管式加热炉T2CT2T3、对于主调节器，调节阀开大，炉膛温度升高时，、对于主调节器，调节阀开大，炉膛温度升高时，原料油出口温度也升高，说明主对象和主变送器也原料油出口温度也升高，说明主对象和主变送器也都是正作用。为保证主回路为负反馈，主调节器也都是正作用。为保证主回路为负反馈，主调节器

24、也应为反作用方式。应为反作用方式。原料出口温度原料出口温度1(t)原料原料T1CT1T燃料燃料管式加热炉管式加热炉T2CT2T5串级系统的工业应用串级系统的工业应用当生产工艺要求高，采用简单控制系统满足不当生产工艺要求高，采用简单控制系统满足不了工艺要求的情况下，可考虑采用串级控制系统。了工艺要求的情况下，可考虑采用串级控制系统。串级控制系统常用于下面一些生产过程。串级控制系统常用于下面一些生产过程。1）容量滞后较大的过程）容量滞后较大的过程2）纯滞后较大的过程）纯滞后较大的过程3）干扰幅度大的过程）干扰幅度大的过程4）非线性严重的过程）非线性严重的过程4.1.4串级控制系统的参数整定串级控制

25、系统的参数整定有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。1逐步逼近法逐步逼近法依次整定副回路、主回路。并循环进行，逐步接依次整定副回路、主回路。并循环进行，逐步接近主、副回路最佳控制状态。近主、副回路最佳控制状态。 2两步整定法两步整定法系统处于串级工作状态，第一步按单回路方法整系统处于串级工作状态，第一步按单回路方法整定副调节器参数；第二步把已经整定好的副回路视为定副调节器参数；第二步把已经整定好的副回路视为一个环节，仍按单回路对主调节器进行参数整定。一个环节，仍按单回路对主调节器进行参数整定。3一步整定法一步整定法所谓一步整定法，就是根据经验，先将副调节器

26、所谓一步整定法，就是根据经验，先将副调节器参数一次调好，不再变动，然后按一般单回路控制系参数一次调好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主调节器参数。统的整定方法直接整定主调节器参数。表表1 1 一步整定法副调节器参数选择范围一步整定法副调节器参数选择范围副参数类型副参数类型 副调节器比例度副调节器比例度2（%） 副调节器比例增益副调节器比例增益Kc2 温度温度 2060 5.01.7 压力压力 3070 3.01.4 流量流量 4080 2.51.25 液位液位 2080 5.01.254.2前馈控制系统前馈控制系统前馈控制的原理是：当系统出现扰动时，立即将前馈控制的原理是

27、：当系统出现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小改其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小改变控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响。变控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响。4.2.1前馈控制的工作原理及其特点前馈控制的工作原理及其特点1 1、反馈控制的特点、反馈控制的特点：不论是什么干扰，只要引起被调参数的变化，不论是什么干扰，只要引起被调参数的变化，调节器均可根据偏差进行调节。但必须被调参数变调节器均可根据偏差进行调节。但必须被调参数变化后才进行调节，调节速度难以进一步提高。化后才进行调节，调节速度难以进一步提高。MTTTC蒸汽蒸汽换热器换热器冷物料冷物料入口入口热

28、物料热物料出口出口冷凝水冷凝水 针对冷物料针对冷物料流量变化的最佳流量变化的最佳调节效果：调节效果：ty为了改变事后调节的状况，提出前馈控制的思为了改变事后调节的状况，提出前馈控制的思路：根据冷物料流量路：根据冷物料流量Q的大小，调节阀门开度。的大小，调节阀门开度。 2 2、前馈控制的原理与特点、前馈控制的原理与特点M蒸汽蒸汽换热器换热器冷物料冷物料入口入口热物料热物料出口出口冷凝水冷凝水FTFCGb(s)Gfs)Go(s)Gm(s)Gv(s)M蒸汽蒸汽换热器换热器冷物料冷物料入口入口热物料热物料出口出口冷凝水冷凝水FTFCF(s)Y(s)Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gfs)Go(s

29、)Y(s)用方框图表示：用方框图表示：补偿原理补偿原理如果补偿量和干扰量以同样的大小和速度作用如果补偿量和干扰量以同样的大小和速度作用于被控变量，且作用方向相反的话，被控变量不变。于被控变量，且作用方向相反的话，被控变量不变。 Y(S) = F(S)Gf(s)+ F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s) = 0Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gfs)Go(s)Y(s)得：得：前馈补偿规律的推导：前馈补偿规律的推导：Y(S) = F(S)Gf(s)+ F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s) = 0fbomvG (s)G ( )G ( ) G (s) G (s)ss Gv(

30、s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gfs)Go(s)Y(s)q前馈控制的特点：前馈控制的特点：前馈控制器是按是按照干扰的大小进行控制前馈控制器是按是按照干扰的大小进行控制的，的， 称为称为“扰动补偿扰动补偿”。如果补偿精确，被调变量。如果补偿精确，被调变量不会变化，能实现不会变化，能实现“不变性不变性”控制。控制。前馈控制是开环控制，控制作用几乎与干扰前馈控制是开环控制，控制作用几乎与干扰同步产生，是事先调节，速度快。同步产生，是事先调节，速度快。前馈控制器的控制规律不是前馈控制器的控制规律不是PID控制，是由控制，是由对象特性决定的。对象特性决定的。前馈控制只对特定的干扰有控制作用，对其前馈控

31、制只对特定的干扰有控制作用，对其它干扰无效。它干扰无效。3前馈控制的局限性前馈控制的局限性实际工业过程中的干扰很多，不可能对每个实际工业过程中的干扰很多，不可能对每个干扰设计一套控制系统，况且有的干扰的在线检测干扰设计一套控制系统，况且有的干扰的在线检测非常困难。非常困难。前馈控制器的补偿控制规律很难精确计算，前馈控制器的补偿控制规律很难精确计算，即使前馈控制器设计的非常精确，即使前馈控制器设计的非常精确， 实现时也会存在实现时也会存在误差，而误差，而开环系统对误差无法自我纠正开环系统对误差无法自我纠正。因此，一般将前馈控制与反馈控制结合使用。因此，一般将前馈控制与反馈控制结合使用。前馈控制针

32、对主要干扰，反馈控制针对所有干扰。前馈控制针对主要干扰，反馈控制针对所有干扰。4.2.2前馈控制系统的结构前馈控制系统的结构前馈控制的结构有静态补偿和动态补偿。前馈控制的结构有静态补偿和动态补偿。 1静态前馈控制系统静态前馈控制系统所谓静态前馈控制，是前馈控制器的补偿控制所谓静态前馈控制，是前馈控制器的补偿控制规律，只考虑静态增益补偿，不考虑速度补偿。规律，只考虑静态增益补偿，不考虑速度补偿。fbomvG (s)G ( )G ( ) G (s) G (s)ss fbbomvKG (0)KKKK Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gf(s)Go(s)Y(s)（S=0时）时）静态前馈系统结构简

33、单、易于实现，前馈控制静态前馈系统结构简单、易于实现，前馈控制器就是一个比例放大器。但控制过程中，动态偏差器就是一个比例放大器。但控制过程中，动态偏差依然存在。依然存在。2动态前馈控制系统动态前馈控制系统完全按照补偿控制规律制作控制器。完全按照补偿控制规律制作控制器。理论上，动态前馈控制能在每个时刻都完全补偿理论上，动态前馈控制能在每个时刻都完全补偿扰动对被控参数的影响。但补偿控制规律比较复杂，扰动对被控参数的影响。但补偿控制规律比较复杂，常常无法获得精确表达式，也难以精确实现。常常无法获得精确表达式，也难以精确实现。fbomvG (s)G ( )G ( ) G (s) G (s)ss 3前馈

34、前馈反馈复合控制系统反馈复合控制系统为了克服前馈控制的局限性，将前馈控制和反馈为了克服前馈控制的局限性，将前馈控制和反馈控制结合起来，组成前馈控制结合起来，组成前馈反馈复合控制系统。反馈复合控制系统。 v如换热器出口温度前馈如换热器出口温度前馈反馈复合控制系统。反馈复合控制系统。TTTCM蒸汽蒸汽换热器换热器冷物料冷物料入口入口热物料热物料出口出口冷凝水冷凝水FTFB 在前馈在前馈反馈复合控制系统中，设定值反馈复合控制系统中，设定值X(s)、干扰干扰F(s)对输出对输出Y(s)的共同影响为：的共同影响为：0vc0vcmT( )( )( )Y( )( )1( )( )( )G(S)G s G s

35、 GssX sG s G s G sfovbmFovcmT( )G (S)G (S)G (S)G(S)( )1( )( )( )G(S)G sF sG s G s G sGv(s)Gb(s)GmF(s)F(s)Gf(s)Go(s)Y(s)GmT(s)Gc(s)X(s)fovbmFfovcmT( )G (S)G (S)G (S)G(S)Y (S)( )1( )( )( )G(S)G sF sG s G s G s1、传函分子即是前馈控制系统的补偿条件。表、传函分子即是前馈控制系统的补偿条件。表明复合控制系统与开环前馈控制系统的补偿条件完全明复合控制系统与开环前馈控制系统的补偿条件完全相同，并不因

36、为引进反馈控制而有所改变。相同，并不因为引进反馈控制而有所改变。2、传函分母即是反馈控制系统的闭环传递函数、传函分母即是反馈控制系统的闭环传递函数。表明反馈控制系统的稳定性并不因为引进前馈控制。表明反馈控制系统的稳定性并不因为引进前馈控制而有所改变；且由于反馈控制回路的存在，使前馈控而有所改变；且由于反馈控制回路的存在，使前馈控制的精度比开环前馈控制高。制的精度比开环前馈控制高。干扰通道的传递函数为：干扰通道的传递函数为：复合控制系统具有以下优点：复合控制系统具有以下优点：在反馈控制的基础上，针对主要干扰进行前馈补在反馈控制的基础上，针对主要干扰进行前馈补偿。既提高了控制速度，又保证了控制精度

37、。偿。既提高了控制速度，又保证了控制精度。反馈控制回路的存在，降低了对前馈控制器的精反馈控制回路的存在，降低了对前馈控制器的精度要求，有利于简化前馈控制器的设计和实现。度要求，有利于简化前馈控制器的设计和实现。在单纯的反馈控制系统中，提高控制精度与系统在单纯的反馈控制系统中，提高控制精度与系统稳定性是一对矛盾。往往为保证系统的稳定性而无法稳定性是一对矛盾。往往为保证系统的稳定性而无法实现高精度的控制。而前馈实现高精度的控制。而前馈反馈控制系统既可实反馈控制系统既可实现高精度控制，又能保证系统稳定运行。现高精度控制，又能保证系统稳定运行。 4前馈前馈串级复合控制系统串级复合控制系统对于慢过程的控

38、制，如果生产过程中的主要干扰对于慢过程的控制，如果生产过程中的主要干扰频繁而又剧烈，而工艺对被控参量的控制精度要求又频繁而又剧烈，而工艺对被控参量的控制精度要求又很高，可以考虑采用前馈很高，可以考虑采用前馈串级复合控制方案。串级复合控制方案。Gv(s)Gb(s)GmF(s)F(s)Gf(s)Go1(s)Y(s)Gm2(s)Gc1(s)X(s)Gc2(s)Go2(s)Gm1(s)从前馈从前馈串级复合控制系统的传递函数（串级复合控制系统的传递函数（ P226式式7-25作了简化）可知：作了简化）可知： 1、串级控制回路的传函和单纯的串级控制系统一样、串级控制回路的传函和单纯的串级控制系统一样 2、

39、前馈控制器的传函主要由扰动通道和主对象特性决、前馈控制器的传函主要由扰动通道和主对象特性决定定Gv(s)Gb(s)GmF(s)F(s)Gf(s)Go1(s)Y(s)Gm2(s)Gc1(s)X(s)Gc2(s)Go2(s)Gm1(s)1/Gm2(S) 5前馈控制器的通用模型前馈控制器的通用模型 前面按照不变性条件，求得前馈控制器的传前面按照不变性条件，求得前馈控制器的传递函数表达式递函数表达式 fbomvG (s)G ( )G ( ) G (s) G (s)ss 实际上，要得到上式的精确数学模型比较困难，实际上，要得到上式的精确数学模型比较困难，准确实现也比较困难，还不如用简约化模型。准确实现也

40、比较困难，还不如用简约化模型。将将Go(S)、 Gf(S)用带滞后的一阶模型近似，将用带滞后的一阶模型近似，将Gv(S)、 Gm(S)用比例模型近似，代入上式整理得：用比例模型近似，代入上式整理得： 因此，可以事先做好各系数可调的通用前馈控因此，可以事先做好各系数可调的通用前馈控制器。使用时根据补偿要求，调整各个系数值，就制器。使用时根据补偿要求，调整各个系数值，就可获得不同特性的前馈控制功能。可获得不同特性的前馈控制功能。s1bb2Ts+1G ( )KeT s+1s前馈控制器的通用模型：前馈控制器的通用模型：各系数物理意义：各系数物理意义：Km 静态放大系数；静态放大系数； T1 加速系数；

41、加速系数；T2 减速系数；减速系数； 纯滞后时间。纯滞后时间。前馈控制的应用场合前馈控制的应用场合（1 1）某个干扰幅值大而频繁，对被控变量影）某个干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，而对象的控制通道滞后大。响剧烈，而对象的控制通道滞后大。（2 2）采用单纯的反馈控制，控制速度慢、质）采用单纯的反馈控制，控制速度慢、质量差。量差。（3 3）用串级控制，效果改善不明显。）用串级控制，效果改善不明显。目前，比较高档的控制仪表中都配备通用前目前，比较高档的控制仪表中都配备通用前馈控制模块，供用户选用。馈控制模块，供用户选用。4.3大滞后过程控制系统大滞后过程控制系统在工业生产中，控制通道往往不同程

42、度地存在着在工业生产中，控制通道往往不同程度地存在着纯滞后。一般将纯滞后时间纯滞后。一般将纯滞后时间与时间常数与时间常数T之比大于之比大于0.3（ / T0.3）的过程称之为大滞后过程。）的过程称之为大滞后过程。大滞后过程包含大滞后过程包含容量滞后容量滞后和和纯滞后纯滞后。容量滞后：容量滞后：采用微分控制（采用微分控制（D）；）；纯滞后：纯滞后：由于物理传输作用，检测点和控制点存由于物理传输作用，检测点和控制点存在时间上的延迟。在时间上的延迟。（1）带传输过程；）带传输过程；（2）连续轧钢过程。）连续轧钢过程。纯滞后过程控制的难点：纯滞后过程控制的难点：纯滞后过程是公认较难控制的过程。其难于控

43、制纯滞后过程是公认较难控制的过程。其难于控制的的主要原因主要原因是纯滞后的增加导致开环相频特性相角滞是纯滞后的增加导致开环相频特性相角滞后增大，使闭环系统的稳定性下降。为了保证稳定裕后增大，使闭环系统的稳定性下降。为了保证稳定裕度，不得不减小调节器的放大系数，造成控制质量的度，不得不减小调节器的放大系数，造成控制质量的下降。下降。最早的大滞后过程控制方案是最早的大滞后过程控制方案是采样控制采样控制。4.3.1纯滞后过程的采样控制纯滞后过程的采样控制 所谓采样控制，是一种定周期的断续所谓采样控制，是一种定周期的断续PID控制方控制方式，即控制器按周期式，即控制器按周期T进行采样控制。在两次采样之

44、进行采样控制。在两次采样之间，保持该控制信号不变，直到下一个采样控制信间，保持该控制信号不变，直到下一个采样控制信号信号到来。保持的时间号信号到来。保持的时间T与必须大于纯滞后时间与必须大于纯滞后时间。这样重复动作，一步一步地校正被控参数的偏差值，这样重复动作，一步一步地校正被控参数的偏差值，直至系统达到稳定状态。直至系统达到稳定状态。 这种这种“调一调，等一等调一调，等一等”的方案的的方案的核心思想核心思想就就是放慢控制速度，减少控制器的过度调节。是放慢控制速度，减少控制器的过度调节。 典型的大滞后过程的采样控制系统框图如图所典型的大滞后过程的采样控制系统框图如图所示。图中，采样控制器每隔采

45、样周期示。图中，采样控制器每隔采样周期T动作一次。动作一次。S1、S2表示采样器，它们同时接通或同时断开。表示采样器，它们同时接通或同时断开。S1、S2，接通时，采样控制器闭环工作；，接通时，采样控制器闭环工作；S1、S2断开时，采样控制器停止工作，输出为零，但是断开时，采样控制器停止工作，输出为零，但是上一时刻的控制值上一时刻的控制值u*(t)通过保持器持续输出。通过保持器持续输出。采样控制器采样控制器y(t)过程过程x(t)保持器保持器执行器执行器_ _e*(t)u*(t)u(t)S1S2+变送器变送器采样控制是以牺牲速度来获取稳定的控制效果，采样控制是以牺牲速度来获取稳定的控制效果，如果

46、在采样间隔内出现干扰，必须要等到下一次采样如果在采样间隔内出现干扰，必须要等到下一次采样后才能作出反应。后才能作出反应。 4.3.2纯滞后过程的微分先行控制纯滞后过程的微分先行控制PID控制方案控制方案图4-29 PID控制系统Y(s)X(s)PIDWo(s)e-SS_ _U(s)+Wf(s)F(s)Wf(s)F(s)Y(s)X(s)Wo(s)e-SS_ _U(s)+)11 (sTKIc) 1(sTD图4-30 微分先行控制方案sDIcoIsDIcesTsTKssWTesTsTKsXsY) 1)(1()() 1)(1()()(1sDIcoIsIcesTsTKssWTesTKsXsY) 1)(1

47、()() 1()()(1PID控制：控制：微分先行控制：微分先行控制：4.3.3纯滞后过程的中间微分控制纯滞后过程的中间微分控制图4-31 中间微分反馈控制方案Wf(s)F(s)Y(s)X(s)Wo(s)e-SS_ _U(s)+)11 (sTKIcsTD4.3. 4大滞后过程的大滞后过程的Simth预估补偿控制预估补偿控制Simth预估补偿控制是按照对象特性，设计一个预估补偿控制是按照对象特性，设计一个模型加入到反馈控制系统，提早估计出对象在扰动作模型加入到反馈控制系统，提早估计出对象在扰动作用下的动态响应，提早进行补偿，使控制器提前动作，用下的动态响应，提早进行补偿，使控制器提前动作，从而降

48、低超调量，并加速调节过程。从而降低超调量，并加速调节过程。为理解为理解Smith预估控制的工作原理，先分析采用预估控制的工作原理，先分析采用简单控制方案时，大滞后过程的特性。简单控制方案时，大滞后过程的特性。Y(s)Wf(s)X(s)Wc(s)Wo(s)e-SS_ _U(s)+F(s)如图是采用简单控制方案的大滞后过程控制系统如图是采用简单控制方案的大滞后过程控制系统框图。其中框图。其中Wo(s)e S为控制通道的广义传递函数，特为控制通道的广义传递函数，特意将纯滞后环节意将纯滞后环节e S单独写出，并且变送器的传递函单独写出，并且变送器的传递函数简化为数简化为1。该系统。该系统X(s)与与Y

49、(s)之间的闭环传递函数为：之间的闭环传递函数为：socsocesWsWesWsWsXsY)()(1)()()()(PID控制系统控制系统若能将若能将W0(s)e S中的中的e S补偿掉，则实现无滞后补偿掉，则实现无滞后控制。控制。Smith提出了一种大滞后系统预估补偿控制方提出了一种大滞后系统预估补偿控制方法，图法，图4-34(a)是是Smith预估补偿控制系统框图，预估补偿控制系统框图，Wb(s) 是是Smith预估补偿器的传递函数。预估补偿器的传递函数。Y(s)Wf(s)X(s)Wc(s)Wo(s)e-SS_ _U(s)+F(s)Wb(s)+Y(s)采用预估补偿器后，控制量采用预估补偿器

50、后，控制量U(s)与反馈信号与反馈信号Y(s)之间的传递函数是两个并联通道之间的传递函数是两个并联通道W0(s) e oS与与Wb(s)之之和，并且应当等于和，并且应当等于W0(s)：得：得：Y(s)Wf(s)X(s)Wc(s)Wo(s)e-SS_ _U(s)+F(s)Wb(s)+Y(s)()()()()(sUsWsUesWsYbso没有滞后时的输出没有滞后时的输出：)()()(sUsWsYo)1)()(sobesWsW（Y(s)Wf(s)X(s)Wc(s)Wo(s)e-SS_ _U(s)+F(s)Wo(s)+Y(s)e-SS_ _ 根据根据Smith预估器的传递函数预估器的传递函数Wb(s)

51、表达式，就可表达式，就可得到图得到图4-34(a)的的Smith预估补偿控制系统实施框图。预估补偿控制系统实施框图。 )1)()(sobesWsW（sococesWsWsWsWsXsY)()(1)()()()(X(s)Y(s)Wc(s)Wo(s) _ _U(s)+e-SSsococesWsWsWsWsXsY)()(1)()()()(等效图等效图对比基本的单回路控制系统，对比基本的单回路控制系统， Smith预估补偿控预估补偿控制系统的特征方程中已不包含制系统的特征方程中已不包含e S项，即预估补偿消项，即预估补偿消除了控制通道纯滞后对系统闭环稳定性的影响。除了控制通道纯滞后对系统闭环稳定性的影

52、响。单回路控制单回路控制预估补偿控制预估补偿控制至于分子中的至于分子中的e S 项只是将被控参数项只是将被控参数y(t)的响应的响应在时间上推迟了在时间上推迟了时段。说明预估补偿后，设定值通时段。说明预估补偿后，设定值通道的控制品质和过程无滞后时完全相同。道的控制品质和过程无滞后时完全相同。sococesWsWsWsWsXsY)()(1)()()()(socsocesWsWesWsWsXsY)()(1)()()()(干扰干扰F(s)与与Y(s)之间的闭环传递函数为之间的闭环传递函数为Y(s)Wf(s)X(s)Wc(s)Wo(s)e-SS_ _U(s)+F(s)Wo(s)+Y(s)e-SS_ _

53、)()()(1)()(1)()(sWesWsWsWsWsFsYfsococ式中，干扰式中，干扰F(s)与被控参数与被控参数Y(s)之间的传递函数之间的传递函数由两部分组成：第一项是干扰对被控参数的扰动作用；由两部分组成：第一项是干扰对被控参数的扰动作用；第二项是控制系统抑制干扰影响的控制作用。第二项是控制系统抑制干扰影响的控制作用。和设定值通道一样，干扰通道的传递函数特征方和设定值通道一样，干扰通道的传递函数特征方程中也不包含程中也不包含e oS项，即预估补偿消除了纯滞后对系项，即预估补偿消除了纯滞后对系统闭环稳定性的影响。统闭环稳定性的影响。但是，但是，Smith预估补偿器并没有消除纯滞后预

54、估补偿器并没有消除纯滞后对干对干扰扰F(s)抑制过程的影响。因为抑制过程的影响。因为)()()(1)()(1)()(sWesWsWsWsWsFsYfsococ由于上式第二项含有由于上式第二项含有e -S项，表明系统对干扰的项，表明系统对干扰的控制作用比干扰作用纯滞后控制作用比干扰作用纯滞后时段，这仍然影响控制时段，这仍然影响控制效果。效果。因此，因此，Smith预估补偿系统对设定值扰动的控制预估补偿系统对设定值扰动的控制效果很好；对负荷扰动的控制效果有所改善。效果很好；对负荷扰动的控制效果有所改善。但是，但是，Smith预估补偿系统对补偿模型的误差十预估补偿系统对补偿模型的误差十分敏感，补偿效

55、果取决于补偿器模型的精度。分敏感，补偿效果取决于补偿器模型的精度。 Wb(s)= W0(s)(1 - e -S)4.4比值控制比值控制 在现代工业生产过程中，要求两种或多种物料流在现代工业生产过程中，要求两种或多种物料流量成一定比例关系；一旦比例失调，会影响生产量成一定比例关系；一旦比例失调，会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费动力，造成环的正常进行，影响产品质量，浪费动力，造成环境污染，甚至产生生产事故。境污染，甚至产生生产事故。比值控制系统举例比值控制系统举例 （1）锅炉燃烧系统的空燃比；）锅炉燃烧系统的空燃比； （2）化肥厂合成氨）化肥厂合成氨H2和和N2比例控制；比例控制； （3）

56、制药生产中要求药物和注入剂按比例混合；）制药生产中要求药物和注入剂按比例混合； （4）啤酒生产中原料和母料（原液）的配比。）啤酒生产中原料和母料（原液）的配比。 比值控制系统的含义比值控制系统的含义凡是凡是两个或多个参数两个或多个参数自动维持一定的自动维持一定的比例关系比例关系的过的过程控制系统，称为程控制系统，称为比值控制系统比值控制系统。 变量及关系变量及关系主动量主动量(主物料主物料q1) -起主导作用而又不可控的物起主导作用而又不可控的物料流量；料流量；从动量从动量(从物料从物料q2)-跟随主动量而变化的物料流跟随主动量而变化的物料流量；量；12qqK 4.4.1比值控制系统的类型比值

57、控制系统的类型 1.开环比值控制开环比值控制 系统组成系统组成特点特点简单、成本低；简单、成本低； 只有当只有当 Q1变化时才起控制作用；变化时才起控制作用； Q2变化时变化时 Q1不会响应，比例关系被破坏。不会响应，比例关系被破坏。适用场合适用场合副流量没有干扰的情况。副流量没有干扰的情况。 2.单闭环比值控制单闭环比值控制 系统组成系统组成特点特点 能克服开环比值方案的不足。能克服开环比值方案的不足。 稳定状态下，稳定状态下，Q Q2 2= =K QK Q1 1主流量变化时主流量变化时副变量由于干扰而变化时副变量由于干扰而变化时应用实例应用实例 工程应用方框图工程应用方框图 优点：优点：不

58、但能实现流量的副量跟随主量变化，而且能克不但能实现流量的副量跟随主量变化，而且能克服流量干扰等。服流量干扰等。 缺点：缺点：主流量不受控。主流量不受控。 应用场合应用场合 在负荷变化不太大的场合得到广泛应用。在负荷变化不太大的场合得到广泛应用。Y(s)Wc(s)Wo(s) _ _Q1+X(s)单闭环单闭环比值控制比值控制Q2 3.双闭环比值控制双闭环比值控制 系统组成系统组成 优点：优点： 能克服单闭环主流量不受控的不足，升降负荷比能克服单闭环主流量不受控的不足，升降负荷比较方便。较方便。 适用场合适用场合 常用在主流量干扰频繁或工艺上不允许负荷有较常用在主流量干扰频繁或工艺上不允许负荷有较大

59、的波动，或工艺上经常需要升降负荷的场合。大的波动，或工艺上经常需要升降负荷的场合。 需要实现动态比值关系时，应用双闭环比值控制。需要实现动态比值关系时，应用双闭环比值控制。应用实例应用实例异丁烷丁烯馏分与硫酸的双闭环比值控制系统 工程应用方框图工程应用方框图 注意避免产生注意避免产生“共振共振”现象。现象。Y(s)Wc(s)Wo(s) _ _Q1+X(s)双闭环双闭环比值控制比值控制Q2 4.变比值控制变比值控制 方法产生方法产生 在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第三个变量的在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第三个变量的变化而变化时，开发并应用变比值控制。变化而变化时，开发并

60、应用变比值控制。 系统组成系统组成 变比值控制的含义变比值控制的含义 变比值控制系统是一个以第三个变量为主变量变比值控制系统是一个以第三个变量为主变量(质质量指标量指标)、以两个流量比为副变量的串级控制系统。、以两个流量比为副变量的串级控制系统。工作过程工作过程系统稳定时系统稳定时当当Q1、Q2出现扰动时出现扰动时当出现其他扰动当出现其他扰动(如温度、压力、成分等变化如温度、压力、成分等变化)4.5分程与选择性控制分程与选择性控制4.5.1分程控制原理分程控制原理 通常，在一个控制系统中，一个调节器的输出信通常，在一个控制系统中，一个调节器的输出信号只控制一个执行器或调节阀，其结构与特性见号只