复杂控制系统

1、第九章 复杂控制系统单回路控制系统解决了大量的定值控制问题。 随着现代工业生产规模越来越大，复杂程度越来越高，产品质量要求也越来越高，简单控制系统已经不能满足这些要求。 复杂控制系统可以较好的满足这些要求。 在单回路控制系统的基础上，再增加计算环节，控制环节或其他环节的控制系统称之为复杂控制系统。采用复杂控制系统对提高控制品质，扩大自动化应用范围起着关键性的作用。据粗略估计，通常复杂控制系统约占全部控制系统数的10%，但是，对生产过程的贡献则达80%。复杂控制系统有的以结构命名，如串级控制，有的以功能或原理命名，如选择控制，因此，出现交叉复杂的局面，而且他们的功能可以相互熔合，如选择性比值控制

2、，串级比值控制等。常见的复杂控制系统u 串级u 均匀u 比值u 选择性u 分程u 前馈本章学习常见的各类复杂控制系统的基本原理、系统结构和性能分析，以及它们的设计和应用方面的问题。图91 加热炉温度控制系统被控变量：原料出口温度；操纵变量：燃料流量。当对出口温度控制要求不高时，简单控制系统可以满足要求。 图91简单控制系统控制品质不高的原因：有干扰时，TC输出信号改变阀门开度，进而改变燃料流量，在炉膛中燃烧后，炉膛温度改变，传给管道，最终改变原料温度。该过程时间常数大，可达到15min。因此等到出口温度改变后，再改变操纵变量，控制不及时，偏差在较长时间内不能被消除。问题：如何及时抑制扰动？首先

3、分析扰动性质及对被控变量的影响。 控制系统中，每个扰动到被控变量之间都有一条扰动通道。加热炉温度控制系统的扰动有：（1）燃料压力波动、燃料热值的波动。（2）原料流量的调整或波动、原料入口温度的波动等。第一类扰动首先要影响到炉膛温度，再影响原料出口温度。第二类扰动直接影响到原料出口温度。设想设想：扰动引起被控变量变化，若能及时及时抑制扰动，可以提高控制品质。虽然不可能对每个扰动都用一个控制系统来克服波动，但可以把时间常数较大的被控对象分解为两个时间常数较小的被控对象，在控制系统中增加一个中间被控变量，该变量可以及时地反映出某些干扰的影响，通过对该变量的及时控制克服干扰影响，最终使被控变量得到精确

4、的控制，这就是串级控制的思想。加热炉温度串级控制系统如图92所示。图92 加热炉温度串级控制系统中间被控变量：炉膛温度；操纵变量：燃料流量。炉膛温度变化时，TSC可以及时动作，克服干扰。一、串级控制系统组成原理1、串级控制系统组成原理u将被控对象分解为两个串连的被控对象，如图94所示。u以连接分解后的两个被控对象中的中间变量为副被控变量，构成一个简单控制系统，称为副控制系统或副环。图93 加热炉温度串级控制系统方框图u以原对象的输出为主被控变量，即分解后的第二个被控对象的输出，构成一个控制系统，称为主控制系统或主环。u主控制系统中控制器的输出信号作为副控制系统控制器的设定值，副控制系统的输出作

5、为主对象的输入，如图94所示。图94 串级控制系统组成原理及术语示意图2、串级控制系统术语u主对象、副对象：是由原被控对象分解而得到的。u主被控变量、副被控变量：分别是主对象和副对象的输出。u主测量值、副测量值：相应被控变量的测量值。u主控制器、副控制器：分别负责主、副对象即整个控制系统的控制任务。u主设定值、副设定值。u主环、副环二、控制过程1、扰动作用于副对象 作用于副对象的扰动，可能是燃料油的压力或组分发生了变化。若是压力升高，将导致炉膛温度TS升高。uTS升高，导致ZS升高，使ES下降，副控制器输出下降，燃料油流量下降，最终使得TS降低，达到控制目的。uTS升高，直接导致TM上升，ZM

6、上升，EM下降，使得RS下降。RS是副环的设定值，RS的下降，副环进一步抑制了扰动压力的变化所引起的炉膛温度TS的变化。 由于副环的作用，使控制作用变得更快、更强。下标：M:主环，Master S:副环，Slave2、扰动作用于主对象 作用于主对象的扰动，可能是原料的流量波动或入口温度波动。当原料流量增加时，炉膛温度TS几乎不受影响，但原料出口温度TM下降，使ZM下降，EM上升，RS上升，RS是副环的设定值，RS上升，副环的输出TS一定上升，最终使TM回升，克服扰动。虽然这时TS升高了，但副环不会把TS调整到原来的TS值，因为副环的设定值RS已经调高了。 综合上述两个分析可知，在串级控制系统中

7、，由于从对象提取出副被控变量并增加一个副环，整个系统克服扰动的能力更强、作用更及时，控制性能明显提升。三、系统特点（1）分级控制思想 这里将一个控制通道较长的对象分为两级，把许多扰动在第一级副环就基本克服掉。剩余的影响及其他方面扰动的综合影响再由主环克服。（2）串级系统结构组成 与简单控制系统明显不同，串级控制系统有两个对象：主、副对象；两个控制器：主、副控制器；两个测量变送器：主、副测量变送器；一个执行器，组成了如图94所示的系统结构。（3）系统工作方式 副环工作既是随动又是定值，对于主控制器输出其设定值是不确定的，随时变化，是随动系统，而对于进入副环的干扰则是定值控制。 主环工作于定值控制

8、方式，如果把副环看作一个整体方框，主环就相当于一个简单控制系统。 由于主环工作在定值控制方式，因此串级控制系统也可认为是定值控制系统。（4）控制性能 由于引入副环构成了串级控制，与简单控制系统相比，系统对于扰动反应更及时，克服扰动的速度更快，能有效地克服系统滞后，改善控制精度和提高控制质量。四、系统设计1、主、副被控变量的选择 主被控变量的选择与简单控制系统相同。副被控变量的选择必须保证它是操纵变量到主被控变量这个控制通道中的一个适当的中间变量。这是串级控制系统的设计关键。此外，还需考虑如下几点：（1）使主要扰动作用在副环上 只有使主要扰动作用在副环上，才能充分发挥副环响应快速的特性，更快更好

9、地克服扰动。 如对于图92所示加热炉温度温度控制系统，炉膛温度作为副被控变量，就能很好地克服燃料热值等扰动。若燃料压力波动是主要干扰，就应该选择它作为副被控变量，从而及时克服该扰动，如图95所示。图95 加热炉温度压力串级控制系统（2）使副对象包含适当多的干扰 这实际上是副被控变量的选择问题。副被控变量越靠近主被控变量，它包含的扰动越多，但通道变长，滞后增加；副被控变量越靠近操纵变量，所包含干扰越少，通道越短。因此，要选择适当位置，使副对象在包含主要扰动的同时，能包含适当多的扰动，从而使副环的控制作用得以更好地发挥。（3）主、副对象时间常数不能太接近 通常副对象时间常数TS小于主对象时间常数T

10、M。因为如果TM很小，说明副被控变量的位置很靠近主被控变量。两个变量几乎同时变化，失去设置副环的意义。 如果主、副环时间常数基本相等，由于主、副环是密切相关的，系统可能出现“共振”，使得控制质量下降甚至不稳定。 因此，TS要明显小于TM。2、控制器控制规律选择 （1）主控制器：主环是定值控制系统，因此主控制器的选择与简单控制系统类似。由于串级控制系统的主被控变量往往是比较重要参数，因此，主控制器通常要选用PI或PID控制规律（滞后较大时）。 （2）副控制器：副环是随动控制系统，副被控变量的控制可以有余差，因此副控制器一般采用比例控制规律即可。而且比例度较小，使得控制作用较强，余差不大。如果引入

11、积分控制作用，会使控制作用滞后，甚至带来积分饱和。 当流量为副被控变量时，由于对象的时间常数和时滞都较小，可引入积分作用，但比例度要设置较大。3、控制器作用方向选择原则：使得控制系统（主、副）为负反馈 。（1）副控制器：由于副控制器处于副环，因此副控制器的作用方向选择同简单控制系统，使得副环成为负反馈控制系统。（2）主控制器：主控制器处于主环中，无论副控制器的作用方向是否选择好，主控制器的作用方向都可单独选择，而与副控制器无关。此时，把整个副环简化为一个方框。图96 简化的串级控制系统方框图 主控制器的输出是副环的输入（副被控变量的设定值），副被控变量是副环的输出。而且副环的输入与输出信号变化

12、方向一致（设定值增加，副被控变量增加），因此副环总是正作用方向。简化的串级控制系统如图9-6所示。 当串级控制系统经过简化后，确定主控制器的作用方向更加容易，此时的等效方框图中不用考虑控制阀的作用方向。 以图9-5所示的串级控制系统为例：u从加热炉安全角度考虑，控制阀选用气开阀，为正作用方向。u副对象：正作用（燃料流量增加，控制阀后压力增加）u主对象：正作用（控制阀后压力增加，加热炉温度增加）图95 加热炉温度压力串级控制系统 当串级控制系统经过简化后，确定主控制器的作用方向更加容易，此时的等效方框图中不用考虑控制阀的作用方向。 以图9-5所示的串级控制系统为例：u从加热炉安全角度考虑，控制阀

13、选用气开阀，为正作用方向。u副对象：正作用（燃料流量增加，控制阀后压力增加）u主对象：正作用（控制阀后压力增加，加热炉温度增加） 把各个方框的作用方向标注在系统方框图上，然后确定主、副控制器的作用方向。得到如图9-7所示的串级控制系统方框图。图97 加热炉温度压力串级控制系统方框图主、副控制器作用方向的确定：主控制器：主对象为（），主测量（），副环等效为（），为了构成负反馈系统，主控制规律必须为正，主控制器（整个虚线框）为反作用。副控制器：选择原理同简单控制系统，整个副控制方框的作用方向为（一），副控制器（不含负反馈比较环节）为正作用，从而保证副环是负反馈系统。4、系统投运 实际的串级控制系统

14、设计还要考虑系统是否有“主控”要求等因素。“主控”是指在设计好的串级控制系统中暂时不用副控制器，由主控制器的输出直接控制控制阀。设计中要考虑切换及切换后的“主控”系统为负反馈等问题。 串级控制系统的投运与所选用的仪表有关，采用DDZ或计算机控制时较容易。 采用DDZ型仪表投运过程如下：（1）将主控制器的设定值设定为内给定，副控制器为外给定。（2）在副控制器处于软手动状态下进行遥控操作，使主被控变量逐步在主设定值附近稳定下来。（3）将副控制器切入自动。（4）将主控制器切入自动。 至此串级控制系统投运完成。5、控制器参数整定 串级控制系统的参数整定过程是：先整定副环，然后再稳定主环。主要方法有：u 两步整定法u 一步整定法 在系统投运并稳定后，将主控制器设置为纯比例方式，比例度放在100，按4:1衰减比整定副环，找出相应的副控制器比例度 和振荡周期 ；然后在副控制器的比例度为 情况下整定主环，使主被控变量过渡过程的衰减比为4:1，得到主控制器的比例度 和振荡周期 。（1）两步整定法MSSSSSTSSMST最后按照简单控制系统整定时介绍的经验公式，根据 ， ， ， ，找出主控制参数 ， 和 ，副控制的参数 ， 。 再将上述整定得到的参数设置于控制器中，观察主被控变量的过渡过程，如不满意，再作调整。MDTSITSST