第四讲：复杂调节系统

1、第四章：复杂调节系统设计第四章：复杂调节系统设计郑辑光西安交通大学自动控制研究所2005年3月14:49:46复杂调节系统复杂调节系统 这里，把在简单反馈回路中再增加计算环节、控制环节或其他环节的控制系统称为复杂控制系统复杂控制系统。但从输入和输出变量的关系来看，总体上仍基本是单一的。这些系统在50年代已有相当的发展、它们原是经典控制理论的产物，当时用常规仪表来实现。但到今天它们也可用现代控制理论来分析，更多用计算机来实现，在 DCS装置中都备有很多种复杂控制系统的算法模块。 复杂控制系统包括：串级串级、比值、前馈前馈、选择性控制系统等。这些系统有的以它们的结构命名，有的以功能特征或原理命名，

2、因此出现了交叉的复杂局面，而且它们还可以相互融合，几者结合在一起。 在各自特定的情况下，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。作为粗略估计复杂控制复杂控制 回路通常约占全部控制回路数的回路通常约占全部控制回路数的1010。14:49:46复杂调节系统 串级控制系统 前馈控制系统14:49:464 41 1 串级调节系统串级调节系统教 学 要 求了解串级控制系统的概念与特点；掌握串级控制系统的方框图表示法；结合控制原理，掌握串级系统的分析方法；了解串级控制系统的设计原则。14:49:46单回路控制的局限性单回路控制的局限性14:49:46 反应温度单回路控制框图反应

3、温度单回路控制框图14:49:46 单回路控制系统扰动分析单回路控制系统扰动分析14:49:46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，如冷却水的入口冷却水的入口温度温度、阀前压力阀前压力等扰动，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”14:49:46反应器温度的串级控制方案反应器温度的串级控制方案14:49:46 反应器温度串级控制框图反应器温度串级控制框图14:49:

4、46通用的串级控制系统通用的串级控制系统14:49:46串级控制系统方块图串级控制系统方块图14:49:46 串级系统副环的等效性串级系统副环的等效性14:49:46 串级控制系统的特点（串级控制系统的特点（1 1）14:49:46串级控制系统的特点（串级控制系统的特点（2 2）14:49:46串级控制系统的特点（串级控制系统的特点（2 2）14:49:46串级控制系统的特点（串级控制系统的特点（3 3）14:49:46串级系统的设计原则串级系统的设计原则1. 副参数的选择应使副对象的时间常数比主对象的时间常数小，调节通道短，反应灵敏；2. 副回路应包含被控对象所受到的主要干扰；3. 尽可能将

5、带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中。 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。14:49:46串级方案设计举例串级方案设计举例14:49:46串级方案设计举例（续）串级方案设计举例（续）14:49:46如何避免“共振现象”？ 共振是由于主、副回路的工作频率十分接近，以致系统进入增幅区，主，副参数依次产生大幅度振荡，相互影响经久不衰。显然，共振现象在实际生产中是绝不能允许的。为避免共振现象，一般要求满足下列条件，即： T1(主回路周期)(310)T2(副回路周期) 为实现主、副回路周期之间的差别，除了在选择副参数时应加以注意，使副对象的时间常数要小，反应灵敏外

6、，在调节器整定时应注意加快副回路的频率，保证上式的条件，以避免系统出现“共振”现象。14:49:46如何避免“共振现象”？14:49:46串级系统副调节器选型串级系统副调节器选型副调节器常选择副调节器常选择PIPI控制律控制律原因：原因：副回路为随动系统，其设定值及扰动变化频繁，一般不宜加微分作用；另外，副回路的主要目的是快速克服内环中的各种扰动，为加大副回路的调节能力，理想上不用加积分作用。但实际运行中，串级系统有时会断开主回路，因而，通常需要加入积分作用。但积分作用要求弱些积分作用要求弱些以保证副回路较强的抗干扰能力。14:49:46串级系统主调节器选型串级系统主调节器选型主调节器常选择主

7、调节器常选择PIPI或或PIDPID控制律控制律原因：原因：主回路的任务是满足主参数的定值控制要求。因而对于主参数为温度的串级系统，主调节器必须加入较强的积分作用。当主对象的调节滞后较大，而主参数变化较平缓时，可加入通常大小的微分作用。14:49:46串级系统串级系统PIDPID参数的整定方法参数的整定方法两步整定法l先断开主回路，按单回路方式整定副调节器的PID参数。l在主调节器为“手动”、副回路闭环的情况下，测试得到主回路广义对象的动态特性与相应特征参数。l采用单回路调节参数的工程整定法（如Z-N准则），确定主回路的PID参数。14:49:46复杂调节系统串级控制系统 前馈控制系统14:4

8、9:464 42 2 前馈及复合控制系统前馈及复合控制系统1. 前馈控制的基本思想前馈控制的基本思想2. 前馈控制与反馈控制的对比前馈控制与反馈控制的对比3. 前馈控制器设计4. 前馈反馈控制系统前馈反馈控制系统5. 结论结论14:49:461. 前馈控制的基本思想14:49:46前馈控制的基本思想前馈思想前馈思想： 相对于串级控制，这里是在扰动还未影响输出以前，更及时更及时地调整操作变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。 前馈控制系统的主要特点是信息的向前流动信息的向前流动，而且系统没有利用被调量，因为如果利用了被调量就相当于构成了闭环反馈。 前馈控制器正是利用已知的给定值去改变调节量，同

9、时测量扰动并对其做出补偿，以使被调量达到设定值。 14:49:46前馈控制的基本思想前馈思想前馈思想： 单纯从扰动补偿的角度来看，在上述前馈控制系统中，从扰动作用点（负荷分量的变化）到被调量之间实际上存在着两条平行的通道，即过程干扰通过程干扰通道道以及前馈补偿通道前馈补偿通道；如果这两个通道对输出影响的大小相同，而作用方向相反，则系统输出量完全不受扰动的影响，即实现了不变性，这就是所谓实实现不变性的双通道原理现不变性的双通道原理。14:49:46换热器控制方案举例14:49:462. 前馈控制与反馈控制 在过程控制领域中，前馈和反馈是两类并列的控制方式，为了分析前馈控制的基本原理，首先对反馈控

10、制和前馈控制的特点作一比较：1、反馈控制的特性：、反馈控制的特性： 反馈控制的本质是“基于偏差的控制基于偏差的控制”。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，总要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于扰动作用的发生，是一种一种“不及时不及时”的控制的控制。 14:49:46前馈控制与反馈控制 反馈控制系统，因构成闭环构成闭环，故而存在一个稳定性存在一个稳定性问题问题。即使组成闭环系统的每个环节都是稳定的，闭环后是否稳定，仍然需要作进一步的分析。 引起被控量发生偏差的一切扰动，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可消除多种扰动对被

11、控量的影响。也可以说，对各处的扰动均有校正作用。 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。14:49:46前馈控制与反馈控制2、前馈控制的特性：、前馈控制的特性： 前馈控制器是“基于扰动的控制基于扰动的控制”，故前馈控制又称为“扰动补偿”。 扰动发生后，前馈控制器“及时及时”动作，对抑制被控量由于扰动引起的动、静态偏差比较有效。前馈控制属开环控制开环控制，所以只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定。只对被前馈的可测而不可控的主要扰动有校正作用，而对系统中的其他扰动无校正作用。因此，前馈控制具有指定性补偿的局限性具有指定性补偿的局限性。前馈控制器的控制规律，

12、取决于被控对象的特性控制规律，取决于被控对象的特性，因此有时控制规律比较复杂。14:49:46前馈控制与反馈控制 3、不变性原理与前馈控制器：、不变性原理与前馈控制器： 不变性原理是实现前馈控制的理论基础。不变性原理是实现前馈控制的理论基础。 “不变性不变性”是指控制系统的被控量与扰动量完全无关，是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。或在一定准确度下无关。然而进入控制系统中的扰动必然通过被控对象的内部联系、使被控量发生偏离其给定值的变化。而不变性原理是通过前馈控制器的校正作用，消除扰动对被控量的这种影响。14:49:46前馈控制的基本概念 绝对不变性绝对不变性: : 所谓

13、绝对不变性，是指系统在扰动量f(t)的作用下，被控参数y(t)在整个过渡过程中始终保持不变。即控制过程的动态偏差和静态偏差均等于零。 不变性不变性: : 不变性实质上是精确度为 的不变性，即近似的绝对不变性。 不变性系统是指系统在扰动量f(t)的作用下被控量y(t)的偏差小于一个很小的 值，即)0)( ,)(tfty14:49:46前馈控制的基本概念 稳态不变性稳态不变性: : 稳态不变性是指系统在稳态工况下被控量与扰动无关。即系统在扰动量f(t)作用虽然被控量y(t)的动态偏差不为零但其静态偏差y()恒为零，即 静态前馈系统就属于这种稳态不变性系统。工程上常将 不变性与稳态不变性结合起来应用

14、，这样构成的系统既能消除静态偏差，又能满足工艺上对动态偏差的要求。)0)( , 0)(limtftyt14:49:463. 前馈控制器设计14:49:46前馈控制器设计 假设被控过程干扰通道与调节通道如上图所示，假设某一特定扰动变量 d2 持续存在，并且对系统影响较大，如果我们发现 d2 满足如下条件： 该扰动变量可以可靠地测量； 不受过程输入变量的影响（即不构成闭环反馈）； 此干扰通道与调节通道的动态特性相近； 则可以在控制方框图中引入前馈控制，其中包括插入一检测扰动变量的传感器传感器，改变操作变量通常采用的执行器执行器，以及一个新的前馈控制器前馈控制器用来调节阀的开度。 14:49:46前

15、馈控制器设计14:49:46前馈控制器设计14:49:46前馈控制器设计14:49:46前馈控制器设计14:49:46前馈控制器设计 上式中，增益Kff代表干扰通道与调节通道中过程稳态增益的比值，超前时间常数Tlead、滞后时间常数Tlag则分别代表调节通道与干扰通道内对象的等效时间常数，ff则为干扰通道与调节通道纯滞后时间之差。这四个参数可以象PID控制器参数那样，进行现场调整，使取得被控变量对于扰动的良好响应特性。 四个参数当中，增益的作用是放大补偿器的响应输出，纯滞后时间常数则是延迟控制器的响应，当扰动通道纯滞后比调节通道过程纯滞后大时，使补偿器不会过早地影响受控变量。然而，如果情况相反

16、，即扰动通道纯滞后小，则理想的控制要求负的，这意味着前馈控制器要能够预测未来扰动的发生，提前动作。 14:49:46前馈控制器设计 超前、滞后参数可对控制器的动态响应进行整形。例如，如果TlagTlead，则控制器输出随时间单调增长，当干扰通道内扰动比调节通道内调节变量行进得慢的情况下有必要这样设置；如果情况相反，则需要一开始就提供更加剧烈的调节器动作，以弥补响应速率上的不足，此时需要设置Tlead Tlag。 实际上可以采用前馈控制的大部分过程，其扰动通道和调节通道的传递函数在性质上和数量上都是相近的。虽然在两者中还可能碰到纯延迟，但是它们的数值一般也比较接近。所以在大多数情况下，只需要考虑

17、主要的惯性环节，也就是实现部分补偿，而上述简单的超前-滞后装置作为动态补偿器也就能够满足要求了。 14:49:46前馈控制的局限性 前馈控制属开环控制方式 在开环控制下被控量的偏差没有进行检验。在前面所讨论的换热器温度前馈控制的例子中，被控温度是不存在反馈的，因此，如果前馈控制效果不佳，或其它扰动出现，被控温度将偏离给定值，由于前馈系统无法获得这一偏差信息而不能做进一步的校正。故单纯的前馈控制方案一般不宜采用。14:49:46前馈控制的局限性 完全补偿难以满足 前馈控制只有在实现完全补偿的前提下，才能使得系统得到良好的动态品质。但完全补偿几乎是难以做到的，因为：a) 要准确地掌握过程扰动通道特

18、性及控制通道特性是不容易的，故而前馈控制器模型难以准确；且被控对象常含有非线性特性，在不同的运行工况下其动态特性参数将产生明显的变化，原有的前馈模型此时就不能适应了，因此无法实现动态上的完全补偿。b) 即使前馈模型能准确求出有时工程上也难以实现。14:49:46前馈控制的局限性 c) 实际的生产过程中，往往同时存在着若干个扰动,如上述换热器温度系统中，物料流量、物料入口温度、蒸汽压力等的变化均将引起出口温度的变化。如果要对一种扰动都实行前馈控制，就是对每一个扰动至少使用一套测量变送仪表和一个前馈控制器，这将会使控制系统庞大且复杂，从而将增加大量自动化设备的投资；另外，尚有一些扰动量至今无法对其

19、实现在线测量，而若仅对某些可测扰动进行前馈控制，则无法消除其它扰动对被控参数的影响。这些因素均限制了前馈控制的应用范围。14:49:464. 4. 前馈前馈- -反馈复合控制系统反馈复合控制系统14:49:46前馈前馈- -反馈复合控制系统反馈复合控制系统14:49:46前馈前馈- -反馈复合控制系统反馈复合控制系统14:49:46前馈前馈- -串级复合控制系统串级复合控制系统14:49:46前馈前馈- -串级复合控制方案串级复合控制方案14:49:46反馈控制与前馈控制的区别串级内环串级内环：反馈闭环结构，蒸汽流量波动，通过内环控制器，及时调节蒸汽阀，以稳定蒸汽流量，避免进一步影响被控温度。

20、前馈补偿前馈补偿：开环结构，介质流入量改变，会通过前馈补偿器，调整蒸汽流量，进而减少对被控温度的影响，但这不会影响介质本身流入量但这不会影响介质本身流入量。 提示：基于双通道补偿原理采用前馈，基于反馈调节采用串级控制方案。 大家可试着画出控制结构方框图。14:49:46前馈控制与反馈控制的比较前馈控制与反馈控制的比较 前前 馈馈 控控 制制 反反 馈馈 控控 制制扰动可测，但不要求被控量可测被控量直接可测超前调节，可实现系统输出的不变性（但存在可实现问题）按偏差控制，存在偏差才能调节，（滞后调节）开环调节，无稳定性问题闭环调节，存在稳定性问题系统仅能感受有限个可测扰动系统可感受所有影响输出的扰

21、动对于干扰与控制通道的动态模型，要求已知而且准确对通道模型要求弱，大多数情况无需各通道模型对时变与非线性对象的适应性弱对时变与非线性对象的适应性与鲁棒性强14:49:46结结 论论引入前馈控制的可能应用场合：（1）主要被控量不可测；（2）尽管被控量可测，但控制系统所受的干扰严重， 常规反馈控制系统难以满足要求。应用前馈控制的前提条件：（1）主要干扰可测；（2）干扰通道的响应速度比控制通道慢，至少应接近；（3）干扰通道与控制通道的动态特性变化不大。14:49:46复杂调节系统串级控制系统前馈控制系统典型工业过程控制系统典型工业过程控制系统郑辑光西安交通大学自动控制研究所2004年12月14:49

22、:46锅炉的自动调节系统锅炉的自动调节系统 锅妒是发电、炼油、化工等工业部门的重要能源、热源动力设备动力设备。锅炉种类很多，按所用燃料分类，有燃燃煤锅炉煤锅炉、燃油锅炉燃油锅炉、燃气锅炉燃气锅炉。所有这些锅炉，虽然燃料种类各不相同，但蒸汽发生系统和蒸汽处理系统是基本相同的。常见的锅炉设备主要工艺流程如下页图所示。 锅炉由炉膛、烟道、汽水系统（其中包括受热面、汽包、联箱和连接管道），以及炉墙和构架等部分组成的整体，称为“锅炉本体锅炉本体”。除锅炉本体之外，还有供给空气的送风机、排除烟气的引风机、煤粉制备系统、给水设备和除尘、除灰设备等一系列辅助设备。锅炉本体连同其辅助设备一起总称为“锅炉设备锅炉

23、设备”。 14:49:4614:49:46能源的转换 锅炉的任务是完成能源的转换，它使燃料通过燃烧将化学能转变为蒸汽（或热水）的热能燃料在锅炉中进行燃烧、放热，形成高温烟气，烟气的热量则通过锅炉的受热面（金属壁）传给工质（水），把水加热（热水锅炉），或把水加热到沸点使之汽化，并使之过热，形成一定数量和质量（参数）的蒸汽（蒸汽锅炉），简单地说，锅炉的主要工作就是燃料的燃烧、热量的传递、水的汽化和蒸汽的过热等。它主要由输煤系统、燃烧系统、送风系统、给水系统、蒸汽管道系统、排烟系统等组成， 14:49:46锅炉设备的工艺流程14:49:46锅炉设备的控制问题14:49:461. 汽包水位的控制问题被

24、调量：汽包水位， 用H (s) 表示调节量：汽包给水量，用G (s) 表示主要干扰： 蒸汽负荷（蒸汽流量），用D (s) 表示通道对象： 非自衡、非最小相位、非线性等特性说明：说明： 汽包水位调节系统被调量是汽包水位，调节量是给水流量。它主要考虑汽包内部物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内。14:49:46汽包水位干扰通道特性14:49:46非最小相位特性14:49:46汽包水位调节通道特性14:49:46液位非自衡对象响应测试（1）手动改变控制器的输出信号u(k)，观察被控变量y(k)的变化过程。（2）由阶跃响应曲线得到对象基本特征参数 。14:49:46非自

25、衡对象特征参数的获得14:49:46非自衡对象PID控制稳定性分析14:49:46汽包水位的单冲量控制LC蒸汽汽包省煤器给水注意：这里的单冲量指汽包水位。14:49:46汽包水位的双冲量控制14:49:46汽包水位的双冲量控制14:49:46汽包水位的双冲量控制 C1 的取值比较简单，可取为1，也可小于1。C1 和调节器的放大系数的乘积是整个反馈回路的放大系数。例如，假设调节阀为气关阀， C1 =1，则调节器为正作用。 设置C0的目的是使其在正常负荷下，调节器和加法器的输出都能有一个比较适中的数值。 控制阀气开与气关的选用，一般从生产安全角度考虑。如果高压蒸汽是供给蒸汽透平压缩机或汽轮机，那么

26、为保护这些设备选用气开阀为宜；如果蒸汽仅仅用作加热剂，为保护锅炉以采用气关阀为宜。14:49:46汽包水位的双冲量控制 双冲量调节系统的不足：双冲量调节系统的不足：1. 调节阀的工作特性不一定能成为线性特性，要做到静态补偿比较因难；2. 对于给水系统的干扰仍不能克服。为此可再将给水流量信号引入，构成三冲量调节系统。14:49:4614:49:46三冲量控制系统的简化连接14:49:4614:49:462. 燃烧燃烧控制问题 控制目标控制目标： 使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷需要( 蒸汽压力控制 )； 使燃料量与空气量保持一定比例，以保证经济燃烧(交叉限幅燃烧控制)； 使引风量与送风量相适应

27、，以保证炉膛负压稳定(炉膛负压控制) 。14:49:46燃烧控制的经济性指标说明：说明： 以烟气含氧量作为燃烧经济性指标，燃烧的经济性是以燃料流量与空气流量有最佳的配比来实现的。空气的不足，使燃烧不充分；空气过量，使排烟带走热量过多，二者都不经济。以检测烟气含氧量作为燃烧经济性指标是一种普遍采用的方法。图中是以检测烟道中的氧气含量通过调节器(O2)(其设定值决定于蒸汽负荷)来改变第二乘法器的系数，从而改变空气流量的比例系数，实现燃料与空气的配比最佳。( 由于锅炉在负荷不同时，烟气含氧量的最佳值是有变化的，所以，氧气调节器的给定值应由蒸汽流量信号通过函数变换单元来校正，烟气含氧的定值随锅炉负荷而改变。) 14:49:4614:49:46锅炉蒸汽压力控制和燃料与空气比值控制系统14:49:46提 降 分 析 当要增大负荷时，首先压力主调节器的输出增大，这将使高值选择器动作，选择主调节器的信号