常用复杂控制系统

会计学1常用复杂控制系统第6章常用复杂控制系统6.1串级控制系统6.2前馈控制系统第1页/共45页

本章要点1）了解串级控制系统的应用背景，熟悉串级控制系统的典型结构与特点；2）掌握串级控制系统的设计方法，熟悉串级控制系统的参数整定方法；3）了解前馈控制的原理及使用场合；4）掌握前馈补偿器的设计方法，熟悉前馈－反馈复合控制的特点及工业应用。第2页/共45页6.1串级控制系统6.1.1串级控制的基本概念连续反应釜温度控制示意图物料自顶部连续进入釜中，经反应后由底部排出。反应产生的热量由夹套中的冷却水带走。为保证产品质量，对反应温度T1要进行严格控制。工艺要求:被控过程有三个热容积，即夹套中的冷却水、釜壁和釜中物料。选取冷却水流量为调节参数,构成单回路控制系统第3页/共45页引起温度T1变化的干扰因素有：进料方面有进料流量、进料入口温度和化学组成，用F1表示；冷却水方面有水的入口温度和阀前压力，用F2表示。问题：过渡过程时间长，调节不及时第4页/共45页

将两个调节器串联在一起工作，各自完成不同任务的系统结构，就是串级控制的基本思想。根据这一构思，反应釜温度串级控制示意图为第5页/共45页串级控制系统的一般结构框图主回路

--定值控制副回路

--随动控制副回路主回路第6页/共45页6.1.2串级控制系统的特点对于同一对象单回路控制串级控制第7页/共45页1.能迅速克服进入副回路的干扰串级控制等效方框图等效副对象为第8页/共45页在给定信号X1作用下在干扰F2作用下

控制能力和抗干扰能力综合指标：比值越大，系统的控制能力和抗干扰能力越强第9页/共45页

控制能力和抗干扰能力综合指标：假设则结论：主、副调节器放大系数的乘积越大，抗干扰能力越强，控制质量越好。第10页/共45页与单回路控制系统的比较：控制能力和抗干扰能力综合指标为：一般情况下有结论：由于副回路的存在，能迅速克服二次干扰。假设则第11页/共45页2.能改善控制通道的动态特性，提高工作频率（1）等效时间常数减小，响应速度加快等效副回路假设则第12页/共45页串级系统的特征方程为：串级控制系统的工作频率为：（2）提高了系统的工作频率将各环节传函代入，化简得标准形式：第13页/共45页将各环节传函代入，化简得单回路系统特征方程为

单回路系统工作频率

假定则（2）提高了系统的工作频率第14页/共45页3.能适应负荷和操作条件的剧烈变化

当采用串级控制时，主环是一个定值系统，而副环却是一个随动系统。主调节器能够根据操作条件和负荷变化的情况，不断修改副调节器的给定值，以适应操作条件和负荷的变化。副回路的等效放大系数为一般当K02或KV随操作条件或负荷变化时，K02’几乎不变.第15页/共45页串级控制：副回路——粗调;主回路——细调综上所述，串级控制系统的主要特点有：1）对进入副回路的干扰有很强的抑制能力；2）能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速反应能力；3）对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。结论：副回路改善了动特性、提高了响应速度和工作频率；当主、副时间常数比值一定，副调节器的比例系数越大，工作频率越高；同样，当比例系数一定，主、副时间常数比值越大，工作频率也越高。其结果使振荡周期缩短，提高了系统的控制质量。第16页/共45页6.1.3串级控制系统的适用范围适用于容量滞后较大的过程选容量滞后较小的辅助变量，组成副回路以减小时间常数，提高工作频率。加热炉温度串级控制系统第17页/共45页2.适用于纯滞后较大的过程仿丝胶液压力与压力串级控制系统工艺要求：过滤前的压力稳定在250KPa特点：距离长，纯滞后时间长。在离调节阀较近、纯时延较小的地方，选择一个辅助参数作为副参数，构成一个纯滞后较小的副回路。计量泵第18页/共45页3.应用于干扰变化剧烈、幅度大的过程工艺要求：汽包液位控制特点：快装锅炉容量小，蒸汽流量与水压变化频繁、激烈→三冲量液位串级控制。快装锅炉三冲量液位串级控制第19页/共45页4.应用于参数互相关联的过程常压塔塔顶出口温度和一线温度串级控制同一种介质控制两种参数单回路控制：两套装置，不经济又无法工作第20页/共45页5.应用于非线性过程合成反应器温度串级控制：换热器呈非线性特性特点：负荷或操作条件改变导致过程特性改变。若单回路控制，需随时改变调节器整定参数以保证系统的衰减率不变；串级控制，则可自动调整副调节器的给定值。第21页/共45页

注意串级控制虽然应用范围广，但必须根据具体情况，充分利用优点，才能收到预期的效果。第22页/共45页6.1.4串级控制系统的设计副回路的设计与副参数的选择2.主、副调节器调节规律的选择3.主、副调节器正、反作用方式的选择问题：副参数如何选择？主、副回路的联系？调节器如何选择？正、反作用如何选择？第23页/共45页副回路的设计与副参数的选择选择原则：（1）副参数要物理可测、副对象的时间常数要小、纯滞后时间应尽可能短（2）副回路应尽可能多地包含变化频繁、幅度大的干扰，但也不是越多越好a）燃料油压力为主要干扰b)燃料油粘度、成分、热值、处理量为主要干扰第24页/共45页（3）主、副被控过程的时间常数要适当匹配当串级控制与单回路控制的阻尼系数相等时，有假设为常量主、副被控过程的时间常数的比值不能太大也不能太小，应适当匹配。结论:为使主、副回路之间的动态联系较小，避免引起系统共振，通常选择时间常数的比值在3～10范围内为宜。使第25页/共45页（4）应综合考虑控制质量和经济性要求冷剂液位为副参数，投资少，控制质量不高；冷剂蒸发压力为副参数，投资多，但副回路比较灵敏，控制质量较高。选择应视具体情况而定。第26页/共45页2.主、副调节器调节规律的选择主调：定值控制；副调：随动控制。

主被控参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要求无静差，因此，主调节器应选PI或PID调节规律。

副被控参数允许有静差→P,一般不引入PI；当选流量为副参数时，为保稳定，P较大，可引入积分，即采用PI，以增强控制作用；一般不引入微分，否则会使调节阀动作过大或过于频繁，对控制不利。第27页/共45页3.主、副调节器正、反作用方式的选择选择步骤：工艺要求→调节阀的气开、气关→副调节器的正、反作用→主、副过程的正、反作用→主调节器的正、反作用。示例：燃油阀气开，副对象为正过程，副调为反作用调节器；主对象也为正过程，主调为反作用调节器第28页/共45页6.1.5串级控制系统的参数整定

整定原则：尽量加大副调节器的增益，提高副回路的频率，使主、副回路的频率错开，以减少相互影响。1.逐步逼近整定法1）主开环、副闭环，整定副调的参数；记为2)副回路等效成一个环节，闭合主回路，整定主调节器参数，记为3）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即为否则，再整定副调节器参数，记为。。。反复进行，满意为止。该方法适用于主、副过程时常相差不大、主、副回路动态联系密切，需反复进行，费时较多第29页/共45页投运原则:

先投副环后投主环;投运过程必须保证无扰动切换.6.1.5串级控制系统的参数整定整定原则:

尽量加大副调节器的增益，提高副回路的频率，使主、副回路的工作频率错开，以减少相互影响。先整副环后整主环。第30页/共45页1.逐步逼近整定法1）主开环、副闭环，整定副调的参数；记为2)副回路等效成一个环节，闭合主回路，整定主调节器参数，记为3）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即为否则，再整定副调节器参数，记为……反复进行，满意为止。

该方法适用于主、副过程时常相差不大、主、副回路动态联系密切，需反复进行，费时较多。第31页/共45页2.两步整定法1）主、副闭合，主调为比例,比例度为100%，先用4：1衰减曲线法整定副调节器的参数，求得比例度δ2S和振荡周期T2S；2)

副调节器比例度置δ2S，整定主调参数，求得主回路在4：1衰减比下的比例度δ1S和振荡周期T1S

；根据两种情况下的比例度和振荡周期，按经验公式求出主、副调节器的积分时间和微分时间，然后再按先副后主、先比例后积分再微分的次序投入运行，观察曲线，适当调整，满意为止。

第32页/共45页3.一步整定法1）根据经验确定副调节器比例度；2）按单回路系统整定方法直接整定主调节器参数；3）观察曲线，在约束条件下，适当调整主、副调节器的参数，满意为止。

思路：先根据副过程特性或经验确定副调节器的参数，然后一步完成主调节器参数的整定。理论依据：主、副调节器的放大系数在一定范围内可以任意匹配，即在的条件下，当主、副过程特性一定时，为一常数。第33页/共45页4.应用举例硝酸生产用氧化炉，主参数：炉温，PI调节；副参数：氨气流量，P调节；主、副动态联系小，两步整定法。为100％→1）2）副调置于32％，得主调的3）运用计算公式得：第34页/共45页6.2前馈控制系统6.2.1前馈控制的基本概念干扰补偿控制：按干扰大小进行调节，克服干扰比反馈快;理论上，可实现理想控制。干扰F对输出Y的传递函数为实现输出Y(s)完全不变性的条件为第35页/共45页前馈控制系统的补偿过程第36页/共45页

前馈控制是按照干扰作用的大小进行控制的，如控制作用恰到好处，一般比反馈控制要及时。前馈控制与反馈控制的比较：第37页/共45页6.2.2前馈控制的特点及局限性1.前馈控制的特点1）开环控制；2）比反馈控制及时；3）补偿器为专用调节器2.前馈控制的局限性：无法实现对全部干扰的完全补偿1）只能抑制可测干扰；2）不能对每个干扰实现补偿；3）补偿器难以精确得到，即使得到有时物理上也难以实现.结论：不能单独使用第38页/共45页6.2.3静态补偿与动态补偿1.静态补偿该补偿器用比例调节器即可实现2.动态补偿

由于精确模型难以得到或难以实现，只有要求严格控制动态偏差时才采用。第39页/共45页6.2.4前馈－反馈复合控制作用机理分析：对干扰F的完全补偿条件为设计步骤：1）独立设计反馈控制系统；

2）再根据不变性原理设计前馈补偿器.复合控制系统的特征方程式：与GB(s)无关。第40页/共45页6.2.5引入前馈的原则及应用实例1.引入前馈控制的原则1）系统存在频率高、幅值大、可测不可控的干扰，反馈控制难以克服、控制要求高时；2）控制通道时常大于干扰通道时常，反馈控制不及时，控制质量差；4）尽可能采用静态补偿而不采用动态补偿。3）主要干扰无法用串级控制使其包含于副回路或副回路滞后过大时；第41页/共45页6.2.5引入前馈的原则及应用实例2.复合控制系统应用实例（1）蒸发过程的浓度控制50％→73％