第四章 复杂过程控制系统(第二讲)

1过程控制与仪表

第四章复杂过程控制系统12本节课的主要内容串级控制系统结构串级控制系统特点与分析（重点）串级控制系统的设计（重点）第四章复杂过程控制系统4-1串级控制4-2前馈控制4-3大滞后补偿控制34串级控制方案选取炉出口温度为主被控参数（简称主参数）把炉出口温度调节器的输出作为炉膛温度调节器的给定值，从而构成炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统。串级控制系统选取炉膛温度为副被控参数（简称副参数）5串级控制的特点：扰动f2(t)、f3(t)对炉出口温度的影响主要由炉膛温度调节器（称为副调节器）构成的控制回路（称为副回路）来克服。扰动f1(t)对炉出口温度的影响由出口温度调节器（称为主调节器）构成的控制回路（称为主回路）来消除。a)被加热物料的流量和初始温度——f1；b)燃料热值变化，压力波动，流量变化——f2；c)烟囱挡板位置改变，抽力变化——f3；6串级控制系统框图炉膛温度出口温度7术语解释：主被控参数：在串级系统中起主导作用的被控参数（炉出口温度）；

副被控参数：串级系统中，为了稳定主被控参数而引进的中间辅助参数（炉膛温度）；主被控过程：由主被控参数表征其特征的生产过程，其输入是副被控参数；主调节器：按主被控参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出为副调节器的给定值；8术语解释：

副调节器：按副被控参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制调节阀工作；

主回路：由主副调节器、调节阀、主副被控过程，主测量变送器组成的闭合回路；

副回路：由副调节器，副被控过程和副测量变送器组成的闭合回路；

一次扰动：不包括在副回路内的扰动f1(t)；

二次扰动：副回路内的扰动f1(t)和f2(t)；9二次扰动一次扰动术语说明主被控过程副被控过程主被控参数副被控参数副回路主回路10串级控制系统的特性及规律稳态时，f1(t)、f2(t)、f3(t)均不变，调节阀开度不变，炉膛出口温度处于相对平衡状态，y1=给定值。(1)二次扰动(副回路)：来自燃料压力、热值变化f2(t)和抽力变化f3(t)；工作过程有扰动时：扰动f2(t)、f3(t)先影响炉膛温度，于是副调节器立即发出校正信号，控制调节阀的开度，改变燃料量，克服上述扰动对炉膛温度的影响。11如果扰动量不大，经过副回路的及时控制，一般不影响炉出口温度；如果扰动的幅值较大，虽然经过副回路的及时校正，仍影响炉出口温度，此时再由主回路进一步调节，从而完全克服上述扰动，使炉出口温度调回到给定值。(2)一次扰动：来自被加热物料的流量和初温f1(t)扰动f1(t)使炉出口温度变化时，主回路产生校正作用，克服f1(t)对炉出口温度的影响。由于副回路的存在，加快了校正作用，使扰动对炉出口温度的影响比单回路系统时要小。12(3)一二次扰动同时存在

假设调节阀为气开式，主、副调节器均为反作用。如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数一个增大（炉出口温度升高），另一个减小（燃料量减少，即炉膛温度降低），此时主、副调节器控制调节阀的方向是相反的，调节阀开度只作较小变动即满足控制要求。如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数同时增大或同时减少，主、副调节器对调节阀的控制方向是一致的，即大幅度关小或开大阀门，加强控制作用，使炉出口温度很快调回到给定值上。132.串级控制系统的特点与分析串级控制系统，其主回路(外环)是一个定值控制系统，而副回路(内环)则为一个随动系统。以加热炉串级控制系统为例，在控制过程中，副回路起着对炉出口温度的“粗调”作用，而主回路则完成对炉出口温度的“细调”任务。串级控制系统与单回路控制系统相比有一个显著的区别，即其在结构上多了一个副回路，形成了两个闭环称为双闭环或称为双环。在结构上与直流调速系统中的转速-电流双闭环控制是相同的，其特点与分析方法亦基本相同。14在串级控制系统中，增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统a)改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器，增加的投资并不多，但控制效果却有显著提高，其原因是：

b)对二次干扰有很强的克服能力；c)提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。15串级控制系统框图16设副回路为：(1)改善了被控过程的动态特性假设：一阶惯性环节比例控制常数17则式中，等效被控过程放大系数等效被控过程时间系数两式相比较容量滞后减小，改善了动态特性，响应加快，适用于滞后较大的过程。18表明：a)由于副回路的存在，起到改善动态特性的作用，等效时间常数缩小了(1+KC2KVK02Km2)倍；b)而且随着调节阀比例增益的增大而减小；c)通常情况下，副对象是单容或双容对象，因此，副调节器的KC2可以取得很大，这样等效

就可以减到很小，从而加快了副回路的响应速度，提高了系统的工作效率。19主回路的特征方程(2)提高了系统的工作频率假设：主被控过程为一阶惯性、比例控制律内回路传函则：20经整理后得：一般二阶系统为：自然频率阻尼比两式相比较21特征根为：串级系统的阻尼震荡频率为：同理可得单回路控制系统的阻尼震荡频率：22通过调节器参数整定，使则因为串级控制系统工作频率大于单回路控制系统的工作频率23二次扰动作用于副回路，因此分析扰动F2(s)的影响(3)增强了克服二次扰动的能力系统的控制性能越好。当系统在给定信号作用下，其输出量能复现输入量的变化系统的抗干扰能力越强。其控制作用能迅速克服扰动的影响衡量抗干扰能力越大越好24可以求出串级系统抗干扰能力为：单回路系统抗干扰能力为：串级系统抗扰能力与单回路系统抗扰能力之比：假设串级与单回路控制系统均采用比例调节器，则25定量描述：a)当二次扰动进入副环，首先影响副参数，如影响炉膛温度变化，于是副调节器立即动作，力图削弱干扰对y2的影响；b)干扰经过副回路的抑制后再进入主回路，对y1的影响将有较大的减弱；c)主副两个调节器的比例增益大，抗干扰能力强；d)当变化剧烈或幅值较大扰动作用于系统时，可以采用串级系统，不过要把这些扰动都纳入副回路。26在生产过程中，常含有非线性与未建模动态，工作点亦常随负荷与操作条件发生变化，使过程特性发生变化。对于包含在副回路内的非线性与参数、负荷变化，串级控制系统具有一定的自适应能力。(4)具有一定的自适应能力

单回路系统：参数整定—工作点附近—参数变化—重新整定。

串级系统：副回路存在，自身对副回路的扰动有补偿作用。27

(1)主变量的选择：同单回路被控量的选择相同，即满足主要的控制目标3.串级控制系统设计串级控制系统的主回路是一个定值控制系统；对于主参数的选择和主回路的设计，可以按照单回路控制系统的设计原则进行；原因：将副回路看作是一个过程串级控制系统的设计主要是副参数的选择和副回路的设计以及主、副回路关系的考虑。28(2)副回路的设计：在整个被控对象中选取一部分作为副对象

a)副变量的选择应是物理上可测的，并应是副回路的时间常数较小，调节通道短，反映灵敏。如选炉膛温度对燃料干扰有较大的克服作用。

b)副回路应包括尽可能多的扰动，至少应包含对象所受的主要扰动。29c)应使主、副过程的时间常数适当匹配若副回路用于克服强干扰，则T01/T02应大些；d)副变量(回路)的选择应考虑经济性若副回路用于减小容量滞后或大时间常数的影响，则T01/T02应适当大些；若副回路用于克服对象的非线性，则T01/T02选小一些；30(3)主、副调节器控制规律的选择主调节器：定值控制作用；

副调节器：随动控制作用；主参数：系统响应变化范围很小或无余差，PI、PID；否则控制时间长副参数：快速跟踪，允许有余差，P调节，且放大系数大；一般不引入积分

不引入微分因本身起快速作用，否则调节器控制动作过大，对控制不利。31(4)主、副调节器的正反作用确定

负反馈原则——系统各个环节的比例系数K的乘积>0炉膛温度控制——副回路出口温度控制——主回路燃料调节阀——气开式以加热炉控制系统为例确定顺序：由内及外32燃料调节阀——气开式KV>0主被控过程，副被控过程，因为，副回路需构成负反馈，则副调节器的放大系数副回路反馈系数，Km2>0调节阀开度增大，燃料增加，炉膛温度升高，K02>0Kc2>0，即为反作用调节器炉膛温度升高，则炉出口温度也升高，K01>0Km1>0主回路反馈系数，因为，主回路需构成负反馈，则主调节器的放大系数Kc1>0，即为反作用调节器整个副回路放大系数>033(5)串级控制系统调节器参数整定两个调节器串联起来控制一个调节阀，主副调节器有联系，是相互关联的。串级控制系统主调节器Wc1(s)与副调节器Wc2(s)的参数整定亦是相互关联的，需要相互协调，反复整定才能取得最佳效果。在整定主调节器Wc1(s)时，需已知副调节器Wc2(s)的动态特性；而在整定副调节器Wc2(s)时，需已知主调节器动态特性。可见其参数整定过程相比单回路更为复杂。34a)两步整定法

基本原则：根据串级控制系统的设计原则，主、副过程的时间常数应适当匹配，即时间常数之比T01/T02在3到10范围内。这样，主、副回路的工作频率和操作周期相差很大，其动态联系很小，可忽略不计；副调节器参数按单回路系统方法整定，之后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路控制系统的整定方法，整定主调节器的参数，而不再考虑主调节器参数变化对副回路的影响。35对于主参数的质量指标要求较高，而对副参数的质量指标没有严格要求；通常设置副参数的目的是为了进一步提高主参数的控制质量。在副调节器参数整定好以后，再整定主调节器参数。这样，只要主参数的质量通过主调节器的参数整定得到保证，副参数的控制质量可以允许牺牲一些。36两步法：首先，调整副调节器参数，其次，调整主调节器参数①在工况稳定、主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用的条件下，主调节器的比例度置于100%，用单回路控制系统的衰减曲线法(4：1)整定，求取副调节器的比例度δ2s和操作周期T2s。②整定主调节器，将副调节器的比例度置于所求得的数值δ2s上，把副回路作为主回路的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主调节器的比例度δ1s和操作周期T1s。37③根据δ1s、δ2s、T1s、T2s，按单回路系统衰减曲线