楼宇自动控制原理第二部

1、 第二章第二章 控制系统设计控制系统设计1. 控制系统的性能指标控制系统的性能指标2. 被控对象的动态特性被控对象的动态特性3. 确定被控对象传递函数的几种方法确定被控对象传递函数的几种方法4. 基本基本PID控制器及其调节过程控制器及其调节过程5. 控制系统的整定方法控制系统的整定方法6. 复杂控制系统复杂控制系统第一节第一节 控制系统的性能指标控制系统的性能指标一、控制系统的稳态和动态一、控制系统的稳态和动态稳态稳态：被控量不随时间而变化的平衡状态：被控量不随时间而变化的平衡状态动态动态：被控量随时间而变化的不平衡状态：被控量随时间而变化的不平衡状态二、控制系统的过渡响应二、控制系统的过渡

2、响应三、控制系统的性能指标三、控制系统的性能指标二、控制系统的过渡响应二、控制系统的过渡响应1.发散振荡发散振荡2.等幅振荡等幅振荡3.衰减振荡衰减振荡4.单调过程单调过程三、控制系统的性能指标三、控制系统的性能指标自动控制系统的输入有两种，自动控制系统的输入有两种， 给定作用给定作用和和干扰作用干扰作用调节器传感变送器被控对象执行器干扰-RZRS +Y阶跃干扰阶跃干扰阶跃给定阶跃给定调节器传感变送器被控对象执行器干扰-RZRS +Y 自动控制系统性能指标的基本要求：自动控制系统性能指标的基本要求： 稳定、快速、准确稳定、快速、准确C1. 衰减比（衰减比（n）和衰减率）和衰减率 衰减比衰减比：

3、前后两个波峰的比值。：前后两个波峰的比值。n1衰减；衰减；n小衰减慢，小衰减慢，n很大接近单调过程。很大接近单调过程。衰减率衰减率 ：每经过一个周期后，波动幅度：每经过一个周期后，波动幅度衰减的百分数。衰减的百分数。31yyn 131yyy C2. 最大偏差（最大偏差（A）：被控量偏离给定值的最大偏差值。：被控量偏离给定值的最大偏差值。3. 超调量（百分比超调量）超调量（百分比超调量）：第一峰值与新稳态值之：第一峰值与新稳态值之差与稳态值的百分数。差与稳态值的百分数。4.调节时间调节时间ts：从干扰发生起，到被控量进入新的稳态：从干扰发生起，到被控量进入新的稳态值上下值上下5%范围内并不在超出

4、所需要的时间。范围内并不在超出所需要的时间。CAB6. 振荡周期振荡周期T：从第一个波峰到第二个：从第一个波峰到第二个波峰所需要的时间。波峰所需要的时间。5. 静差静差C：终了状态被调参数稳态值与给定：终了状态被调参数稳态值与给定值之差。值之差。C稳定性稳定性：衰减比、衰减率、最大偏差、超调量：衰减比、衰减率、最大偏差、超调量快速性快速性：振荡周期、调节时间：振荡周期、调节时间准确性准确性：静差：静差误差积分误差积分：是将动态偏差沿时间轴积分。：是将动态偏差沿时间轴积分。ISEISE侧重于最大动态偏差；侧重于最大动态偏差；ITAEITAE兼顾调节时间和最大动态偏差两项指标兼顾调节时间和最大动态

5、偏差两项指标1.误差积分（误差积分（IE）2.绝对值误差积分（绝对值误差积分（IAE）3.平方误差积分（平方误差积分（ISE）4.时间绝对值误差积分（时间绝对值误差积分（ITAE）0edt0edt0etdt20e dt第二节第二节 被控对象的动态特性被控对象的动态特性一、对象的分类对象的分类单容对象单容对象：只有一个存储容积的对象只有一个存储容积的对象V-1V-2h空调房间1. 单容对象和多容对象单容对象和多容对象V-3V-4h1V-5h2HX-2送风热水热水加热器热水加热器多容对象多容对象：由两个或多个单容对象之间通过某：由两个或多个单容对象之间通过某些阻力联系在一起的对象。些阻力联系在一起

6、的对象。1. 单容对象和多容对象单容对象和多容对象2. 有自平衡能力有自平衡能力 的对象和无自平衡能力的对象的对象和无自平衡能力的对象有自平衡能力有自平衡能力对象：在干扰的作用下，被调量自对象：在干扰的作用下，被调量自己由一个值变化到另一个值，从而达到一种新的平己由一个值变化到另一个值，从而达到一种新的平衡状态。衡状态。空调房间121)(ssG无自平衡能力无自平衡能力的对象：在干扰的作用下，被调量将以的对象：在干扰的作用下，被调量将以固定的速度一直变化，不会自动达到新的平衡状态。固定的速度一直变化，不会自动达到新的平衡状态。V-6h流出量不变2. 有自平衡能力有自平衡能力 的对象和无自平衡能力

7、的对象的对象和无自平衡能力的对象ssG21)() 12(1)(sssG二、对象的过渡响应二、对象的过渡响应1.单容对象的过渡响应：单容对象的过渡响应：121)(ssG空调房间) 12)(12(1)(sssG2.双容对象的过渡响应：双容对象的过渡响应：V-3V-4h1V-5h23.无自平衡能力对象的过渡响应：无自平衡能力对象的过渡响应：ssG21)(V-6h流出量不变) 12(1)(sssG3.无自平衡能力对象的过渡响应：无自平衡能力对象的过渡响应：1.放大系数放大系数k：等于被调参数新旧稳定值之差：等于被调参数新旧稳定值之差与干扰变化量的比值。与干扰变化量的比值。三、对象的特性参数三、对象的特

8、性参数2.时间常数时间常数T：是被调参数以初始最大上升速度：是被调参数以初始最大上升速度变化达到稳定值所需要的时间。变化达到稳定值所需要的时间。3.滞后滞后 : 纯滞后纯滞后:由于进入对象的物料量不能由于进入对象的物料量不能立即布满全部对象造成的。立即布满全部对象造成的。 容量滞后容量滞后:由于各个环节的阻力造成的。由于各个环节的阻力造成的。1)(TskesGs122)(ssGT1)(TsksG121)(sesGs1)(TskesGs纯滞后) 12)(12(1)(sssGT C容量滞后容量滞后) 12)(12(1)(ssesGs纯滞后加容量滞后纯滞后加容量滞后第三节第三节 确定被控对象传递函数

9、的几种方法确定被控对象传递函数的几种方法一、一、解析法解析法：根据对象的物料关系、能量关：根据对象的物料关系、能量关系等列写对象的微分方程，来得到对象的系等列写对象的微分方程，来得到对象的传递函数。传递函数。条件条件：对被控对象实际发生的物理、化学过：对被控对象实际发生的物理、化学过程及其参数非常了解，并且能用数学描述。程及其参数非常了解，并且能用数学描述。二、二、测试法测试法：将被控对象作为一个黑箱，给被控对：将被控对象作为一个黑箱，给被控对象施加一定的输入信号，测量被控对象的输出。根象施加一定的输入信号，测量被控对象的输出。根据输入数据和输出数据进行一定的数学处理得到被据输入数据和输出数据

10、进行一定的数学处理得到被控对象的传递函数。控对象的传递函数。一、解析法举例一、解析法举例例例2.1：在一：在一RLC电路电路中，以电源电压中，以电源电压e为为输入，电容器两端输入，电容器两端的电压的电压Vc为输出，为输出，求传递函数求传递函数 )()()(sEsVsGceVVVCLR解：由图中可知解：由图中可知eVdtdiLiRc22dtVdcdtdic11)()()(2RCsLCssEsVsGcdtdVCic由 于 ：eVdtdVRCdtVdLCccc22 所以：)()()()(2sEsVsRCsVsVLCsccc两边取拉氏变换：一、解析法举例一、解析法举例例例2.2：已知一绝热水箱体积为：

11、已知一绝热水箱体积为V，箱内水温为，箱内水温为T，水的，水的比热为比热为C，密度为，密度为，流入和流出水箱的流量均为，流入和流出水箱的流量均为F，流入水箱的温度为流入水箱的温度为T1，流出水箱的水温为，流出水箱的水温为T，假定，假定F、T1均为常数，求加热器功率与箱内水温之间的传递函均为常数，求加热器功率与箱内水温之间的传递函数。数。解：单位时间流入的热量解：单位时间流入的热量-单位时间流出的热量单位时间流出的热量=能量蓄存变化率能量蓄存变化率dtVTdCQWQoutindtVdTCCFTWCFT1WTTCFdtVdTC)(1TTT0WWW0微分方程微分方程WWTTTCFdtTTVdC0100

12、)()(WWTCFTTCFdtTVdC010)(010)(WTTCFWTCFdtTVdC)()()(sWsCFTsVsTC11)(1)()()(sFVCFFVsCsWsTsG增量微分方程增量微分方程二、测试法二、测试法1. 由阶跃响应曲线确定一阶惯性环节由阶跃响应曲线确定一阶惯性环节加纯滞后的参数加纯滞后的参数1)(TskesGs（1）比例放大系数比例放大系数k的确定：的确定：xyyk)0()(（2）时间常数时间常数T和滞后和滞后的确定的确定切线法：切线法：计算法计算法：tTtty,exp1)(*Ttty11exp1)(Ttty2exp1)(2)(*1ln)(*1ln2112tytyttT)(

13、*1ln)(*1ln)(*1ln)(*1ln212112tytytyttyt21122)( 2ttttT63%39%t1 t2 验证验证：通常由上式计算得到的通常由上式计算得到的T T、还需进还需进行验证，另取两组数据行验证，另取两组数据t t3 3,y(t,y(t3 3) )；t t4 4,y(t,y(t4 4) )，计算，计算T T、。如果误差不超过。如果误差不超过10%10%，则认为被控对象的传递函数可很好，则认为被控对象的传递函数可很好的用一阶惯性环节来拟和。否则应将被控的用一阶惯性环节来拟和。否则应将被控对象的传递函数用二阶或对象的传递函数用二阶或n n阶惯性环节加阶惯性环节加纯滞后

14、拟合。纯滞后拟合。二、测试法二、测试法2. 由阶跃响应曲线确定二阶惯性环节加纯滞由阶跃响应曲线确定二阶惯性环节加纯滞后的参数后的参数) 1)(1()(21sTsTkesGs2121,) 1)(1(1)(TTsTsTsG211222111)(*TteTTTeTTTtyTt21212211)(*1TteTTTeTTTtyTt取y*(t1)=0.4 y*(t2)=0.8211222111)(*TteTTTeTTTtyTt6 .02111212211TteTTTeTTTTt2 .02212212211TteTTTeTTTTt)(16. 212121ttTT55. 074. 1)(2122121ttTT

15、TT46. 032. 021tt用上式求得的T1、T2应满足:16. 221ttnT46.021tt当nsTskesG) 1()(传递函数应例例2.3：已知一对象的：已知一对象的单位阶跃响应单位阶跃响应如下表，试如下表，试假定对象为一阶惯性环节加纯滞后和假定对象为一阶惯性环节加纯滞后和n阶环节阶环节加纯滞后，求对象的传递函数。加纯滞后，求对象的传递函数。解：解：k=287. 6, 3 .40T13 .402)(87. 6sesGs1)(TskesGs一阶环节加纯滞后一阶环节加纯滞后2 . 279.201t54.412t5 . 021tt16. 254.4179.2016. 221ttnT62.

16、 9T3nn阶环节加纯滞后阶环节加纯滞后nsTskesG) 1()(32 . 2) 162. 9(2)(sesGs第四节第四节 基本基本PID控制器及其调节过程控制器及其调节过程 控制器是根据给定值和测量值的偏差控制器是根据给定值和测量值的偏差e按照预定的按照预定的 规律进行运算，输出调节量规律进行运算，输出调节量P对被控对象进行调节。对被控对象进行调节。调节器传感变送器被控对象执行器干扰-RZRS +Y断续控制断续控制：双位、三位：双位、三位连续控制连续控制：比例、比例积分、比例微分、：比例、比例积分、比例微分、比例积分微分比例积分微分一、比例控制一、比例控制kp传感变送器被控对象执行器干扰

17、-RZRS +Y比例控制ep1.比例控制器的特性比例控制器的特性微分方程：微分方程：cpk e传递函数：传递函数：( )cWskt输入et输出kcekc比例控制的特点比例控制的特点（1）调节及时，（）调节及时，（2）有静差）有静差ceppbkabea浮球式水位控制器V-1ekcea bP2.比例带比例带 20 21 22 0C20mA12mA 4mA（1）比例范围比例范围：控制器输出从：控制器输出从0%100%变化时对应的被控变量值的变化范围。变化时对应的被控变量值的变化范围。（2）比例带比例带：使控制器输出作：使控制器输出作100%变化变化时，输入信号的改变占全量程的百分数。时，输入信号的改

18、变占全量程的百分数。%100maxmaxppee%100kpe对于一定的控制器，输入和输出的量程不变对于一定的控制器，输入和输出的量程不变%100maxmaxeppe2.比例带比例带100%ckk1100%ck输入和输出量程相同输入和输出量程相同当控制器输入和输出量程相同，比例带当控制器输入和输出量程相同，比例带为比例增益的倒数为比例增益的倒数2.比例带比例带举例举例：已知一比例温度调节器，输入量程为已知一比例温度调节器，输入量程为050OC，输出，输出为为010mA，当输入为，当输入为2030OC时，对应输出为时，对应输出为28mA，求该温度调节器的比例带。，求该温度调节器的比例带。解：解：

19、%100maxmaxppee%100maxmaxeppe%3 .3350102820302.比例带比例带3.比例带对调节过程的影响比例带对调节过程的影响（1）非常大，则比例增益非常大，则比例增益kc很很小，比例作用很弱，系统稳定小，比例作用很弱，系统稳定性好，但残余偏差（静差）大。性好，但残余偏差（静差）大。 结论结论：越小，比例作用越强，系统的稳定性越差，越小，比例作用越强，系统的稳定性越差，系统的静差越小。系统的静差越小。（2） 合适，系统输出为一衰合适，系统输出为一衰减振荡，减振荡，（3）当）当减小达到临界值减小达到临界值k，系，系统输出一等幅振荡。统输出一等幅振荡。（4）当）当再减小，

20、系统输出一发再减小，系统输出一发散振荡。散振荡。Wc(s)W2(s)W1(s)W3(s)干扰-RZRS +Y4.比例作用举例比例作用举例W1(s)W2(s)W(s)W3(s)-Y干扰 +10.4( )81W ss15 . 21)(2ssW2)(3sWccKW 问题思考？问题思考？阶跃给定输入下的稳态误差阶跃给定输入下的稳态误差若输入为干若输入为干扰输入呢？扰输入呢？11 0.8eKc10.4( )81W ss15 . 21)(2ssW2)(3sWccKW 2(2.51) 0.4( )2010.510.8csW sssK 分别取kc等于20、502(2.51) 0.4( )2010.517sW

21、sss2(2.51) 0.4( )2010.541sW sss干扰作用干扰作用下的稳态下的稳态误差如何误差如何计算？计算？施加一幅值为施加一幅值为8的阶跃干扰信号的阶跃干扰信号12 Kc=20Kc=50二、比例积分控制二、比例积分控制1.积分控制器特性积分控制器特性：输出与输入的积分呈正比：输出与输入的积分呈正比tt输入e输出ptIedtTP01sTsWI1)(特点特点（1）能消除静差，能消除静差， （2）动作慢）动作慢 t1 t2t1 t2t2.比例积分控制器的特性比例积分控制器的特性tIcedtTekP01sTksWIc11)(t输入e输出pt1 t2 t1 t2特点特点（1）能消除静能消

22、除静 差，差， （2）动作快）动作快二、比例积分控制二、比例积分控制3.积分时间对调节过程的影响积分时间对调节过程的影响etTkekIccITt pTIT TI I 大说明积分作用弱，大说明积分作用弱， T TI I 小说明积分作用强小说明积分作用强)1)10etTeketTekPIctIc（1）积分时间积分时间TI：偏差：偏差e为为阶跃输入信号，当积分输出阶跃输入信号，当积分输出增长到与比例输出相等时，增长到与比例输出相等时，所需要的时间。所需要的时间。二、比例积分控制二、比例积分控制 积分时间积分时间TI太大，积分作太大，积分作用太弱，当用太弱，当 积分作积分作用为用为0，输出为一比例调节

23、。，输出为一比例调节。IT（2）积分时间对调节积分时间对调节过程的影响过程的影响积积分分时时间间由由大大到到小小积分时间积分时间TI合适，可得到合适，可得到较好的衰减振荡，并可消除较好的衰减振荡，并可消除静差。静差。积分时间积分时间TI小，积分作用小，积分作用强，易引起系统振荡。强，易引起系统振荡。二、比例积分控制二、比例积分控制结论：结论：比例作用在引入积分作用的同时，比例作用在引入积分作用的同时，消除了系统的静差，但降低了原有系统的消除了系统的静差，但降低了原有系统的稳定性，为了保持与原有比例作用相同的稳定性，为了保持与原有比例作用相同的稳定性，必须适当增大比例带。稳定性，必须适当增大比例

24、带。184 . 0)(1ssW15 . 21)(2ssW2)(3sW举例：系统各个环节的传递函数为举例：系统各个环节的传递函数为二、比例积分控制二、比例积分控制10)(1sWc)511 (10)(2ssWc分别取：分别取：比例比例积分4.积分饱和现象与抗积分饱和措施积分饱和现象与抗积分饱和措施 积分饱和现象积分饱和现象：由于某种原因，被调量的偏差：由于某种原因，被调量的偏差始终为正或负，而一时又无法消除，使积分项始终为正或负，而一时又无法消除，使积分项不断增加，使控制器进入深度饱和状态，即调不断增加，使控制器进入深度饱和状态，即调节阀全开或全关，系统暂时处于失控状态，这节阀全开或全关，系统暂时

25、处于失控状态，这种现象称为积分饱和。种现象称为积分饱和。危害危害：使控制器工作于非线性状态，使系统的：使控制器工作于非线性状态，使系统的超调量增大，控制品质变坏。超调量增大，控制品质变坏。措施措施：积分分离方法积分分离方法二、比例积分控制二、比例积分控制设定偏差阈值设定偏差阈值0；eetTektIc,)10Peekc,好处好处：既保持了积分作用，消除静差，又既保持了积分作用，消除静差，又避免了积分饱和现象，减小超调避免了积分饱和现象，减小超调。4.积分饱和现象与抗积分饱和措施积分饱和现象与抗积分饱和措施三、比例微分控制三、比例微分控制1.微分控制器特性微分控制器特性：输出与输入的微分成正比：输

26、出与输入的微分成正比dtdeTpd微分方程：微分方程：sTsWd)(传递函数：传递函数：etpteptt特点特点（1）输出反应偏差的变化率，输出反应偏差的变化率，具有预调节作用。具有预调节作用。（2）不能消除静差，当偏差变不能消除静差，当偏差变化缓慢时，微分作用也很弱。化缓慢时，微分作用也很弱。 2.比例微分控制比例微分控制)(dtdeTekpdc微分方程：微分方程：)1 ()(sTksWdc传递函数：传递函数：11)(skTsTksWdddc具有饱和微分环节传递函数：具有饱和微分环节传递函数：pttp三、比例微分控制三、比例微分控制et3.微分时间对控制过程的影响微分时间对控制过程的影响dt

27、deTekpdcate )(aTatkpdcdTt )(aTaTkpddcTdTd大，微分作用强，大，微分作用强，TdTd太小，微分作用弱。太小，微分作用弱。（1）微分时间微分时间：输入量为斜坡函数，使比例项的输出：输入量为斜坡函数，使比例项的输出等于微分项时所需的时间等于微分项时所需的时间。etptTd（2）微分时间对控制过微分时间对控制过程的影响程的影响Td大，微分作用太大，微分作用太强，系统稳定性下降。强，系统稳定性下降。Td合适，有预调节合适，有预调节作用，改善调节品质作用，改善调节品质Td太小，微分作用太小，微分作用弱，弱，Td=0，微分作，微分作用为用为0一般而言，比例微分控制系统

28、随着微分时一般而言，比例微分控制系统随着微分时间间TdTd的增大，其稳定性提高，但当的增大，其稳定性提高，但当TdTd超过超过某一值时，系统反而变得不稳定。某一值时，系统反而变得不稳定。总结总结：当比例作用加入微分作用，可使系统趋向当比例作用加入微分作用，可使系统趋向稳定，为了得到与原来比例作用相同的稳稳定，为了得到与原来比例作用相同的稳定性，可适当降低比例带，从而减小静差。定性，可适当降低比例带，从而减小静差。三、比例微分控制三、比例微分控制PPD184 . 0)(1ssW15 . 21)(2ssW2)(3sW举例：系统各个环节的传递函数为举例：系统各个环节的传递函数为5)(1sWc)21

29、(10)(2ssWc分别取：分别取：四、四、比例积分微分控制规律比例积分微分控制规律微分方程：微分方程：传递函数：传递函数：)1(0dtdeTedtTekpdtIc)11 ()(sTsTksWdIc五、调节规律的选择五、调节规律的选择v被控对象时间常数较大，或容量滞后较大，应引被控对象时间常数较大，或容量滞后较大，应引入微分环节。若允许有残差，可选用入微分环节。若允许有残差，可选用PD，否则选，否则选用用PID。1)(TsKesGsv若被控对象的传递函数为若被控对象的传递函数为 ，则可根据则可根据/T的值来确定控制算法。的值来确定控制算法。v被控对象时间常数较小，负荷变化不大，被控对象时间常数

30、较小，负荷变化不大，若允许有残差，可选用若允许有残差，可选用P，否则选用，否则选用PI。v被控对象时间常数和纯滞后较大，负荷变被控对象时间常数和纯滞后较大，负荷变化较大。此时简单控制不能满足要求，应选化较大。此时简单控制不能满足要求，应选用复杂控制。用复杂控制。五、调节规律的选择五、调节规律的选择第五节第五节 控制系统的工程整定方法控制系统的工程整定方法控制器参数控制器参数的整定方法的整定方法理论计算法理论计算法工程整定法工程整定法一、动态特性参数法一、动态特性参数法通过实验得到广义对象的阶跃响应曲线，通过实验得到广义对象的阶跃响应曲线，并且广义对象的传递函数可用一阶惯性并且广义对象的传递函数

31、可用一阶惯性环节加纯滞后表示。环节加纯滞后表示。1)(TsKesGs以衰减率以衰减率=0.75作为系统的性能指标。作为系统的性能指标。Cohen-Coon整定公式整定公式)/(2 . 21/)/(3 . 0)/(33. 3/2TTTTTI)/(6 . 01/)/(5 . 0)/(5 . 2/2TTTTTI)/(2 . 01/)/(37. 0/TTTTD333. 0)/(1TKKc082. 0)/(9 . 01TKKc27. 0)/(35. 11TKKc比例控制器：比例控制器：比例积分比例积分控制器：控制器：比例积分微比例积分微分控制器：分控制器：一、动态特性参数法一、动态特性参数法二、稳定边界

32、法（临界比例带法）二、稳定边界法（临界比例带法）1. ， ， 取最大值，逐取最大值，逐步使步使 至被调曲线为等幅振荡，这时至被调曲线为等幅振荡，这时得到得到 、 。IT0DTcrcrT2.根据根据 、 计算计算 、 、 。ITDTcrcrT三、衰减曲线法三、衰减曲线法1. ， ， 取最大值，逐步使取最大值，逐步使 至被调曲线为至被调曲线为4：1或或10：1的衰减振荡，这时的衰减振荡，这时得到得到 、 。IT0DTssT2.根据根据 、 计算计算 、 、 。ITDTssT三、衰减曲线法三、衰减曲线法第六节第六节 复杂控制系统复杂控制系统一、串级控制系统一、串级控制系统单回路控制系统单回路控制系统

33、1、串级控制系统的构成、串级控制系统的构成MTc1Tc2MTc1串级控制系统串级控制系统2.串级控制系统分析串级控制系统分析1Gm2(s)Gc2(s)Gv(s)-Y干扰GD2(s)Gp2(s)输出输出输入输入22221)(mpvcDfGGGGGsG2222221)( mpvcpvCpGGGGGGGsG副回路的传递函数副回路的传递函数Gc1(s)GM2(s)Gp1(s)Gc2GvGp21+Gc2GvGp2Gm2干扰-RZRS +YGD21+Gc2GvGp2Gm22.串级控制系统分析串级控制系统分析特点特点：（1）对克服副回路的干扰有较强的能力对克服副回路的干扰有较强的能力当干扰包括在副回路，干扰

34、对主控变量的影响减弱为当干扰包括在副回路，干扰对主控变量的影响减弱为原来的原来的 22211pvcmGGGG（2）对克服主回路的干扰也有好处对克服主回路的干扰也有好处假如副回路各个环节的传递函数为：假如副回路各个环节的传递函数为：1)(222sTKsGppp22)(ccKsGvvKsG)(22)(mmKsG2.串级控制系统分析串级控制系统分析111)(22222222sTKKKKsTKKKsGppmvcppvcp2222221mvcppvcKKKKsTKKKp2222221mpvcpvcpKKKKKKKK222221mpvcppKKKKTT由于副回路的等效时间常数比原来缩小了由于副回路的等效时

35、间常数比原来缩小了 倍，调节及时，过渡时倍，调节及时，过渡时间缩短，调节品质提高间缩短，调节品质提高22211mpvcKKKK111222222222sKKKKTKKKKKKKmpvcpmpvcpvc（3）副回路的存在，使串级控制系统有一定的副回路的存在，使串级控制系统有一定的自适应能力自适应能力。2222221mpvcpvcpKKKKKKKK一般情况下，有一般情况下，有 1222mpvcKKKK22222221mmpvcpvcpKKKKKKKKK2.串级控制系统分析串级控制系统分析结论结论：当由于负荷变化：当由于负荷变化或其他原因引起副回路或其他原因引起副回路参数变化时，对主回路参数变化时，

36、对主回路的影响非常小，基本不的影响非常小，基本不影响系统的控制品质。影响系统的控制品质。3：串级控制系统的设计原则：串级控制系统的设计原则：21)103(ddTT（1 1）副回路力求包括主要干扰，即变化频繁，）副回路力求包括主要干扰，即变化频繁，幅度较大的干扰，如有条件还应包括其他次幅度较大的干扰，如有条件还应包括其他次要干扰。要干扰。（2 2）主副对象的时间常数有合适的搭配，避）主副对象的时间常数有合适的搭配，避免产生共振。免产生共振。（3 3）主副控制器的选型与整定）主副控制器的选型与整定v副控制器一般采用比例控制，主控制器一般采副控制器一般采用比例控制，主控制器一般采用用PIPI控制或控

37、制或PIDPID控制控制v当主副回路时间常数相差很大时，主副回路可当主副回路时间常数相差很大时，主副回路可单独整定，即在主回路开环的情况下先整定副回单独整定，即在主回路开环的情况下先整定副回路，再在副回路投入运行的情况下整定主回路。路，再在副回路投入运行的情况下整定主回路。v当主副回路时间常数比较接近时，主副回路影当主副回路时间常数比较接近时，主副回路影响比较严重，必须主副回路反复整定。响比较严重，必须主副回路反复整定。3：串级控制系统的设计原则：串级控制系统的设计原则：蒸汽-水型热交换器进水冷凝水蒸汽出水 被控量是热水出水温度 控制量是蒸汽流量。三、前馈三、前馈反馈控制系统反馈控制系统 应用

38、实例热交换器的控制控制器 如果出水温度比期望的温度值低，就要加大蒸汽流量； 如果出水温度比期望的温度值要高，就要减少蒸汽流量。TE温度控制器蒸汽流量调节阀热交换器温度变送器tg +_t 干扰t反馈控制l反馈控制是基于被控量的偏差进行的，l反馈控制是针对系统全部干扰进行补偿，是在被控制量“变化了”的基础上的“滞后补偿”。问题：能否在干扰作用发生后，在未影响被控变量时，就开始调节 ？Gff(s)Gd(s)Gv(s)Gp(s)Q(s)调节阀前馈控制器T(s)+热交换器干扰通道前馈控制原理： 给系统附加一个前馈通道，利用前馈控制器所附加的控制量对被控量的补偿与干扰对被控量的影响的叠加来消除或减小干扰的

39、影响。 )(sT干扰作用下的输出：0)(sT 控制目标：)()()()(sGsGsGsQpvff)()(sGsQd前馈器M进水出水蒸汽前馈控制 前馈控制是针对系统的某种特定干扰而进行的补偿，是在被控制量“变化前”提前进行的“超前补偿”。)()()()(sGsGsGsGpvdff前馈控制器传递函数0)()()()(sGsGsGsGdpvff干扰信号Q(s)不为零时：Gff(s)Gd(s)Gv(s)Gp(s)Q(s)调节阀前馈控制器T(s)+热交换器干扰通道克服某个可测不可控的主要干扰。克服某个可测不可控的主要干扰。2.前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点开环控制，信息传开环控制，信息传递没有反馈

40、，不能对递没有反馈，不能对被控变量进行验证。被控变量进行验证。前馈器M进水出水蒸汽控制规律由对象的特性决定，若不准确影控制规律由对象的特性决定，若不准确影响控制精度。响控制精度。控制依据：干扰量。控制依据：干扰量。)()()()(sGsGsGsGpvdff前馈与反馈的比较前馈是“开环”，反馈是“闭环” ；前馈控制的依据是干扰，反馈控制的依据是偏差；前馈系统中测量干扰量，反馈系统中测量被控变量；前馈只能克服所测量的干扰，反馈则可克服所有干扰；前馈理论上可控制到无差，反馈必因有差而控制；在工程中往往将前馈与反馈结合起来应用，构成前馈反馈控制系统。 3.前馈前馈反馈控制系统反馈控制系统M进水出水蒸汽

41、FCTCJT +主要干扰进行前馈，主要干扰进行前馈，其他干扰进行反馈。其他干扰进行反馈。Gv(s)调节器传感变送器被控对象执行器干扰-RZRS +Y前馈器 +从前馈控制角度，由于增添了反馈控制，降低了对前馈控制模型的精度要求，并能对未选作前馈信号的干扰加以克服。从反馈控制角度，由于前馈控制的存在，对干扰作了及时的粗调作用，大大减小了控制的负担。 前馈反馈控制系统具有下列优点选用前馈反馈控制的原则如果系统中控制通道的惯性和迟延较大，反馈控制达不到良好的控制效果，这时可引入前馈控制。如果系统中存在着经常变动、可测而不可控的扰动，反馈控制难以克服扰动对被调量的影响，这时可引入前馈控制以改善控制品质。

42、前馈反馈控制的其它应用锅炉汽包水位控制锅炉汽包水位控制课后作业 说明为什么引入蒸汽流量前馈信号。 画出锅炉汽包水位控制的结构图，并说明其控制原理。LTFT汽包蒸汽给水省煤器三、大延迟系统三、大延迟系统当被控对象的纯延迟时间当被控对象的纯延迟时间和时间常数和时间常数T的比的比值大于值大于0.3，则可认为该对象具有大延迟过程，则可认为该对象具有大延迟过程的特征。的特征。Smith预估补偿器预估补偿器：预先估计出被控对象预先估计出被控对象的传递函数，了解对象的动态特性，然的传递函数，了解对象的动态特性，然后由预估器进行补偿后由预估器进行补偿。Gc(s)-RZRS +Y(s)sppdesgK)(U(s

43、)sppdesGKsUsY)()()()()()()(sgKesGKsUsYsssppd)()()(sGKsUsYpp)1)()(sppssdesGKsgKSmith补偿器的传递函数。补偿器的传递函数。)1 (1)()( dseGcKpGpsGcsGcsssdsdsdsdsdsdsKpGpesGceGcKpGpKpGpesGceGcKpGpKpGpesGceGcKpGpKpGpesGcKpGpesGcKpGpesGcsG)()1 (1)()1 (1)(1)1 (1)()( 1)( )(sssdsdsdsdsssKpGpesGceGcKpGpKpGpesGceGcKpGpKpGpesGceGcK

44、pGpKpGpesGcKpGpesGcKpGpesGcsG)()1 (1)()1 (1)(1)1 (1)()( 1)( )(dsdsdsssssdsdsKpGpesGceGcKpGpKpGpesGceGcKpGpKpGpesGceGcKpGpKpGpesGcKpGpesGcKpGpesGcsG)()1 (1)()1 (1)(1)1 (1)()( 1)( )(ppcsppcgKsGesgKsGd)(1)()(两个反馈环节并联：两个反馈环节并联：Gc(s)-RZRS +Y(s)+sppdesgK)(1sppsppddesgKesgK)()1)(sppppsppsppdddesgKsgKesgKes

45、gK)()(1)()1)(结论结论：在系统的特征方程中已经不包在系统的特征方程中已经不包含含 项，说明项，说明Smith补偿器消除了补偿器消除了纯延迟对控制品质的影响。纯延迟对控制品质的影响。sde分子上的分子上的 项，说明被调量的响项，说明被调量的响应要比设定值的变化滞后应要比设定值的变化滞后 时间。时间。sdesppppsppcsppcdddesgKsgKesgKsGesgKsGsRsY)()()()(1)()()()(ppcsppcgKsGesgKsGd)(1)()(缺点缺点：（1）对被控对象的数学模型的误差十分）对被控对象的数学模型的误差十分敏感。限制了它的应用。敏感。限制了它的应用。（2）Smith补偿器只能补偿设定值扰动，补偿器只能补偿设定值扰动，对外界干扰无补偿能力。对外界干扰无补偿能力。原因：外界扰动的作用点在原因：外界扰动的作用点在Smith补偿补偿器之后。器之后。解决措施：增加一个反馈环节解决措施：增加一个反馈环节-)()