第六章提高品质的控制系统

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5了了6主调节器（主控制器副调节器（副控制器78y2z2q9y1z1u1u2qy2y1W2(s)K2

W02(s)

K02

Wv(s)

Wm2(s)Km分析等效副对象特性W*02W(W(s)22 (s) SW(S)vvW(S)WYW(s)W (s) X21W(s)W 2vmT'SKK2Kv1KK mK,1KK mKT若若1K串级控制系统可以看作是一个改变了过程部分特性的单回路系统W02(s)W*02(s)，时间常数T02减小T’021.1.W(s)Y2(s)F21W(s)W2vmY1(s)X1W1(s)W2(s)W'(s)W011W12 (s)W01(s)Wm1'1W1W12 *

W* X1

W1(s)W2(s)W'(s)W011W1(s)W2(s)W'(s)W01(s)Wm1

W* 1W1(s)W2(s)W*(s)W01(s)Wm1 对于控制系统，Y1(SX1(S)Y1(S)/F2(S)

Y1(s)/X1(s)

W1(s)K1,W2(s)K

12Y1(s)/12Y(s)/F

K1K

Y1(S)/X1(S)

(S)K2.

Y1(S)/

Y1(s) Y1(s) Y1Y1(S)/X1(S)W(S)KY1(S)/F2(S)K1K2特征方程：特征方程：1W(S)Y(S)21X(S)W (S)2SS2 TTS1K '1 2 01 K TT0 c0 2S2 11TS11TS

, (S)

, (S)S1,2 c0cc212c12c Tc0cTT 2.特征方程：1W(s)Wv(s)W02s)W01(s)Wm(ss2T01T02s1KKvK02K01s22 d d d d dT 3.设设cdQ1K2KvK02Km2cgcg/dg为纵坐标作图.cg/dg为纵坐标作图.1）T01T02比值一定，K2越大，W()'2W()'2XT'2K2Kv11KKKK mK mKKmK02 44T01/T023表明副回路包括的扰动太多,这将使控制不及时T01/T02>10表明副回路包括的扰动太少,作用不明显T01/T02≈1T01/T02>10表明副回路包括的扰动太少,作用不明显主调节器：PI或PID1.1.一是“先副后主”，即先投副回路后投主回路。

副调 主调

数整定方法，求主调节器的整定参数数整定方法，求主调节器的整定参数 求副调节器的比例度δ2S和操作周期T2S调节器的比例度δ1S和操作周期T1S；3、根据求得的δ1S、T1S、δ2S、T2S数值，按单回路系统衰减曲整定计算主、副调节器的比例度δ、积分时间TIP

副调节器比例度 解：1.置δ2=40%，TI，TD=0，按4:1衰减 数，得 δ1=0.8δ1S=0.8×30%=TI1=0.3T1S=0.3×3=0.9TI1=0.3T1S=0.3×3=0.9δ2δ2=按先“比例后积分再微分”的顺序设置主调节器参数， 由于存在主、副回路，串级控制系统整定时可能出现“共振”，要掌握消除系统 的方法。(b(b张质量，工艺要求网前箱温度保持在61℃左右，容许纠偏筛、圆筛除去杂质后到网前箱，再经铜网脱水。为了保张质量，工艺要求网前箱温度保持在61℃左右，容许纠偏差不得超过±1℃滞后达滞后达6.2前馈控制器例 热交换器温度控制系例 热交换器温度控制系T为出口温度（系统输出：当扰动出 通过扰动通道导致输出偏 11(理论或理想△f(t)≠0,△即当F(s)≠0时,要求Y(s)设计原则——不变性因为F(s)≠0W设计原则——不变性

W(s)W(s)WfW0例例Wf(s)sW0(s)3s (s)WfW0结论:扰动产生后，输出可以不产生偏差前馈控制器由被控对象的特性决定f(t≠0,y(t)∣t→∞≡0t→∞对应s→0，若Kef KWf(s)

Tfs

Wf(s)+Wff(s)W0(s) (s)Wf(s)KW0K0此时前馈控制器为一个0结论:Wff(s) 0结论:△f(t)≠0,∣△y(t)∣△f(t)≠0,∣△y(t)∣ 可可实现问题模型精度Wf(s)sWfm(s)W0(s)(3sW0m(s)(2.5sffW0(s)(3s1)(s (s)Wf(s)3s

Wff

(s)Wfm(s)

(s)KKK（静态前馈

0 (s)（动态前馈

cpF(TscpF(TsT0)QFpH(TT)s0ffs必须对T0+∑-×QFTF(s)≠0时,要求Y(s)≡0,W(s)W(s)W(s)fff0 (s)F(s)≠0时,要求Y(s)≡0,W(s)W(s)W(s)fff0 (s)WfW0Y(s)Wf(s)Wff(s)W0

F Wf(s)Wff(s)W0(s)Y(s)W(s)W (s)Wfff01W(s)WFc0例控制器Wc1(s)和串级副控制器Wc2(s)。与单纯串级系统一样,主控制器Wc1(s)和串级副控制器Wc2(s)与再讨论F(s),令X(s)W*(s)

1

FW(s) (s)YW(s)]W*(s)W(s)Y fW(s)f(s)W*(s)W(s)f(s)W*(s)W(s)Wff(s)

Wf ＞WW*(s)1 (s)WfW具有反馈——WW(s)fe1TffW0(s)1Ts0 (s)

1T0s

ffffffff1Tf KK0f0 (s)

1T1s

2 ff1T211）T1f0Wff(s)Kff采用比例放大器可以实现，需要整定的参数为TT12TT12f0 (s)1ff1T2 0

Wff(s)

1T1s此为带有纯滞后的“超前-滞后”的前馈控制规律;2ff1T此为带有纯滞后的“超前-滞后”的前馈控制规律;2

1effs 12121212sseeffs12s121212s12s具体实施如图，需要整定的参数为T1、T2和

(s) 1T1sU2 2

ff1T F 1Ts

1 (z)Z

Z1

1Ts

1T

T1)

U(z)1ffT1

z

T2

F(z) aT1,b

K F(z)

ff

zebTU(z)

b F(z)

ff zebTU(z)(zebT)U(z)zebTU(z)

a(zebT)b(1a)zF(z)Kff(abab)F(z)zu(k1)ebTu(k

(abab)f(k1)aebT

f(ku(k)ebTu(k (abab)f(k)aebT f(k Wff(s)K

1T1sU1T F2u(t)Tdu f(t)Tdf(t)2

ff

duu(k)u(k dff(k)f(k u(k)TT2[u(k)u(kKffTf(k)KffT1[f(k)f(ku(k)T

[u(k)u(k

aT1,bKffKffTf(k)KffT1[f(k)f(k u(k)(TT2)T2u(kKff(TT1)f(k)KffT1f(kuu(k)(TT2u(k1)Kff(TT1)f(k) Kff

f(k(TT2u(k)ebTu(k

Kff(abab)f(k)ae Kfff(k当生产过程的存在较大的可测而不可控的扰动，而系统当生产过程的存在较大的可测而不可控的扰动，而系统明确为什么要引入前馈（在设计单回路系统的基础上（工艺特点、模型、系统要求以及经济性（工艺特点、模型、系统要求以及经济性0.7（模拟前馈或数字前馈 步骤：i步骤：i根据工艺确定Kff的符号;i 在稳态时，改变△f(t)，使系统；ii ，由小变大，观察曲线直到ff tfft例 i根据工艺确定Kff的符号iv.开关闭合，调节Kff，由小变大，观察曲线直到曲线达欠补 补偿合

理想情况：就是扰动产生的偏差与给定值之间 积基本相 KKu2f21步骤：i根据工艺确定Kff步骤：i根据工艺确定Kff的符号;ii在稳态时，记录f1和控制量u1，并改变△f(tWff(s)

1T1s 1 ff1T ff1T 当K

T1 存在的动态误差的 积调节T1

T2T2

T12,T2T1T231 T1T25.51 T18.4,T2

K K

T 那么此时的T1T2T0Tf3、保持T1、T2的差不变的情况下细调T1、T2确定动态参数T1、 的皮带机进行输送。(2)例

W0(s)

10s

不变，时间延时作一个仿真，结果是

T

T T

时间已超出其开环系统的稳态时间（4T+=52分钟）我们改变系统时间常数T=20，时间延时取12，此时/T=0.6由于系统特征方程中包含有e-fW(s) f

W(s)

W(s)es

0Tfs0

Ts

1W(s)W 从上两式的特征方程中由于引入了e- W0(s)

T T

我们称系统为采样方案；（计算机控制实现方式6.3.26.3.2Smith希望消除闭环特征方程里的es项，或者将e但实际系统通常不好分割，即很难找到Ys)点，Y(sX(s1(1eY(sX(s1(1es)W0(s)Wc(s1 (s) (s)e1(1es) 0(s)c(s1W(s)WesW1c0c01W(s)1

1

结果是系统闭环传递函数特征方程中不含e-

10sY(s F(s

Wf(s (s) (s)

1 1(1es) (s) (s 1 (s) (s) (s) Wf (s1Wc(s)W0(s1f[1W(s)es]1f

(s W(sW(s)(1e11ss对模型精度要求太高不易用模拟仪表实现Ke0s

W0(s)

W0m(s) 当K0m=K0,T0m=T0,0m=0 1）K0m≠K0,T0m=T0,0m=

Ke0s0A 0Ke0sB U0d 0

(Ts Y'(s)d

Km U

Y'(s)d

UTms1 A UKeA UKe0sKe0sB UABd1(TsUm2）K0m=K0,T0m≠T0,0m=m00

Ts

TsK0m＝K0,T0m=T0,0m≠Ke0s

U

B

e(0m)