第8章 提高控制品质的控制系统.ppt

1、单回路控制系统回顾,图 单回路控制系统框图,调节器,执行器,被控对象,检测变送器,结构和特性：单回路、负反馈、应用较广泛。适用 于时间常数较小，负荷变化小的对象。 但是，在某些被控对象的动态特性比较复杂 或者控制任务比较特殊的应用场合， 简单控制系统就显得力不从心。,所谓复杂，乃是相对简单而言的。一般来说，凡是结构上比单回路控制系统更为复杂或控制目的上较为特殊的控制系统都可以称为复杂控制系统。由于在这些系统中，通常包含有两个以上的变送器、控制器或者执行器，构成的回路数也多于一个，所以，复杂控制系统又称为多回路控制系统。显然，这类系统的分析、设计、参数整定与投运比简单控制系统要复杂一些。 常见的

2、复杂控制系统有串级、前馈、大时延、比值、均匀、分程、选择等控制系统。,复杂控制系统,第8章 提高控制质量的控制系统,8.1 串级控制系统 8.2 前馈控制系统 8.3 大时延控制系统,动态特性比较复杂,第9章 满足特定要求的过程控制系统,9.1 比值控制系统 9.2 均匀控制系统 9.3 分程控制系统 9.4 选择控制系统,控制任务比较特殊,8.1 串级控制系统 8.2 前馈控制系统 8.3 大时延控制系统,第8章 提高控制品质的控制系统,第8章 提高控制品质的控制系统,8.1 串级控制系统,生产过程中有很多容量滞后比较大（T0）的对象，由于控制变量的变化要经过一个较长的时间才能对被控变量起作

3、用，这样明显造成控制作用不及时，使系统控制变差。当对象的容量滞后较大，负荷或干扰变化比较剧烈、比较频繁，或是工艺对产品质量提出的要求很高，此时，采用简单控制系统无法满足要求，可以采用串级控制系统。,8.1.1 基本概念 1. 串级控制系统结构 炼油厂常用的设备中有一种叫管式加热炉, 工艺要求被加热原料在炉的出口温度保持恒定。,第8章 提高控制品质的控制系统,8.1 串级控制系统,影响物料出口温度的干扰： （1）原料油流量与初温f1(t) （2）燃油压力、流量、热值f2(t) （3）烟囱抽力变化f3(t) （4）环境温度等f4(t),空气,单回路设计方案1：出口温度为被控参数，燃料量为控制参数。

4、,第8章 提高控制质量的控制系统,8.1 串级控制系统,8.1.1 基本概念 1. 串级控制系统结构,9分钟,45分钟,结论：1.结构上合理； 2.实际控制质量 很差。,炉,第8章 提高控制质量的控制系统,8.1 串级控制系统,8.1.1 基本概念 1. 串级控制系统结构,单回路设计方案2：炉膛温度为被控参数，燃料量为控制参数。,结论：1.能及时克服 f2(t)、f3(t) ； 2.不能克服f1(t) 、 f4(t) 。,炉,第8章 提高控制质量的控制系统,8.1 串级控制系统,8.1.1 基本概念 1. 串级控制系统结构,复杂设计方案3：出口温度Y1(s)为主被控参数，炉膛温度Y2(s)为副

5、被控参数，燃料量为控制参数。,串级控制系统,第8章 提高控制质量的控制系统,8.1 串级控制系统,8.1.1 基本概念 1. 串级控制系统结构,主被控参数Y1(s) ：主要控制目标，工艺要求 副被控参数Y2(s) ：被控对象引出的中间变量 副对象：副被控参数与控制参数之间的通道特性 主对象：主被控参数与副被控参数之间的通道特性 副控制器：接受副变量的偏差，其输出控制阀门 主控制器：接受主变量的偏差，其输出是副控制器的给定值,所以，主回路是一个定值控制系统，副回路则是一个随动控制系统。,第8章 提高控制质量的控制系统,8.1 串级控制系统,8.1.1 基本概念 1. 串级控制系统结构,副回路（副

6、环）：由副变量检测变送器、副控制器、调节阀、副对象组成 的回路。处在串级控制系统内部的，在控制过程中起着 “粗调”的作用。 主回路（主环）：由副回路、主控制器、主对象、主变量检测变送器组成 的回路，在控制系统中起着“细调”的作用。 一次干扰：进入主回路的干扰 二次干扰：进入副回路的干扰,第8章 提高控制质量的控制系统,8.1 串级控制系统,8.1.1 基本概念 1. 串级控制系统结构,另一种方案,第8章 提高控制质量的控制系统,8.1 串级控制系统,8.1.1 基本概念 2.串级控制系统的工作过程,+,-,+,+,+,+,-,1）只有二次扰动 2）只有一次扰动 3）一、二次扰动均有,使主副参数

7、同向变化 使主副参数异向变化,加热炉串级控制系统工作过程,第8章 提高控制质量的控制系统,8.1 串级控制系统,8.1.2 串级控制系统的特点 1. 改善过程动态特性,静态放大系数,时间常数,改善过程动态特性,8.1 串级控制系统,8.1.2 串级控制系统的特点,式中：,设上式中：,代入，得：,其等效系统与单回路系统相比：,取代,改善过程动态特性,8.1 串级控制系统,8.1.2 串级控制系统的特点,从理论上可以证明，由于副回路的存在，可以使等效对象的时间常数大大减小（中间大小的时间，相当于在系统中增加了一个起超前作用的微分环节）因而使得系统的动态响应加快，控制更加及时，最大动态偏差得到减小；

8、与此同时，等效对象时间常数的缩短，还使系统的工作频率得到提高，这就缩短了振荡周期，减少了过渡过程的时间。即便是干扰作用于主对象，串级控制系统的控制质量也将比单回路控制系统有所改善。,副回路的引入，使整个系统的工作频率有提高,代入（8.5）,图8.7可得串级系统的特征方程为：,（8.5）,（8.7）,令：,特征方程式（8.7）可写成标准形式：,（8.8）,8.1 串级控制系统,8.1.2 串级控制系统的特点,2.系统工作频率提高,（8.9）,特征根为：,系统出现振荡，振荡频率为：,（8.10）,21,8.1 串级控制系统,8.1.2 串级控制系统的特点,2.系统工作频率提高,单回路特征方程：,（

9、8.11）,特征方程标准形式：,同理可得单回路系统振荡频率为：,（8.15）,22,8.1 串级控制系统,8.1.2 串级控制系统的特点,2.系统工作频率提高,若使串级控制系统与单回路控制系统具有相同的衰减率，即：,（8.16）,工作频率提高，控制品质改善。,串级系统：,单回路系统：,23,8.1 串级控制系统,8.1.2 串级控制系统的特点,2.系统工作频率提高,（8.17）,进入副回路的干扰F3(s)与副回路输出2(s)之间的传递函数记为G*o2(s) :,系统输入X1(s)与被控参数1(s)之间的传递函数记为:,干扰F3(s)与被控参数1(s)之间的传递函数记为:,（8.19）,（8.1

10、8）,24,8.1 串级控制系统,8.1.2 串级控制系统的特点,3.对二次扰动有很强的克服能力,系统输入X1(s)与被控参数1(s)之间的传递函数记为:,干扰F3(s)与被控参数1(s)之间的传递函数记为:,（8.19）,（8.18）,串级控制系统对F3(s)抗干扰能力Jc3表示为:,（8.21）,25,8.1 串级控制系统,8.1.2 串级控制系统的特点,3.对二次扰动有很强的克服能力,系统输入X1(s)与被控参数1(s)之间的传递函数记为:,干扰F3(s)与被控参数1(s)之间的传递函数记为:,（8.25）,单回路控制系统对F3(s)抗干扰能力Jk3表示为:,图8.12中单回路系统：,2

11、6,8.1 串级控制系统,8.1.2 串级控制系统的特点,3.对二次扰动有很强的克服能力,（8.25）,由式（8.21）、（8.25）可得串级系统与单回路系统对进入副回路干扰F3(s)的抗干扰能力之比:,（8.21）,一般情况下，总有： Kc1Kc2K*c1,27,8.1 串级控制系统,8.1.2 串级控制系统的特点,3.对二次扰动有很强的克服能力,8.1 串级控制系统,8.1.2 串级控制系统的特点,4.对负荷变化有一定的自适应能力 （1）单回路控制系统中控制器参数是在一定的负荷和操作条件下，按某种质量指标整定得到的，固定不变。而过程控制中的对象特性会随着生产负荷和操作条件的改变而发生变化。

12、控制器参数只能在一个较小的工作范围内与对象特性相匹配，如果负荷和操作条件变化过大，超出了这个适应范围，控制质量就很难保证。串级控制系统就不同。虽然主回路是一个定值控制系统，副回路却是一个随动系统，它的给定值是随着主调节器的输出而变化的。主调节器可以按照生产负荷和操作条件的变化情况相应地调整副调节器的给定值，使系统运行在新的工作点上，从而保证在新的负荷和操作条件下，控制系统仍然具有较好的控制质量。 （2）,1、改善了控制系统的动态特性，提高了工作频率。,由于副环起了改善过程的动态特性的作用，可以加大主调节器的增益，提高系统的工作频率。 串级控制系统中副回路的引入，相当于将单回路控制系统中包括执行

13、器在内的广义象分为两部分，一部分由副回路代替，另一部分就是主对象。所以可以把副回路看成是主回路中的一个环节，或者把副回路理解为一部分等效对象。此时，串级控制系统的方块图可简化成如图所示。,二、串级控制系统的效果分析,从理论上可以证明，由于副回路的存在，可以使等效对象的时间常数大大减小（和副对象相比），意味着对象总的时间滞后要有所缩短，（相当于在系统中增加了一个起超前作用的微分环节）因而使得系统的动态响应加快，控制更加及时，最大动态偏差得到减小；与此同时，等效对象时间常数的缩短，还使系统的工作频率得到提高，这就缩短了振荡周期，减少了过渡过程的时间。即便是干扰作用于主对象，串级控制系统的控制质量也

14、将比单回路控制系统有所改善。,一般来说，副对象的时间常数比主对象的时间常数要小，而比测量变送环节及控制阀的时间常数要大。也就是说，副对象的时间常数在系统中是属于中间大小的时间常数。可以证明，在一个系统中，中间大小的时间常数的减小，有利于提高控制质量，提高系统的可控性。,2、串级控制系统对于进入副回路的干扰具有极强的克服能力。,副环具有快速作用，能有效的克服二次扰动的影响。 这是因为当干扰作用于副环时，在它还没影响到主变量之前副调节器首先对干扰作用采取抑制措施，进行“粗调”，合适与否最后视主变量是否受影响来判断，如果主变量还会受影响(不过这种影响比没有副调节器采取抑制措施要小得多)，那么将再由主

15、控制器进行“细调”。由于这里对副环干扰有两级控制措施，显然控制质量要比单回路控制系统一个调节器的控制质量要好得多。即使干扰作用于主环，副环的超前作用虽然得不到体现，但是由于副回路的存在，使等效副对象的时间常数缩小了，因而系统的工作频率得以提高，能比单回路系统较为及时地对干扰采取控制措施，因而控制质量也会比单回路控制系统高。,由上分析可以看出，串级控制系统由于有主、副两个调节器合力对干扰采取控制措施，因而抗干扰能力大为增强。 实践证明，单回路控制系统控制质量相比，当干扰作用于副环时，串级系统的质量要高10到100倍；当干扰作用于主环时，串级系统的质量也要高2到5倍。,过程控制中的对象经常表现出非

16、线性，随着生产负荷和操作条件的改变，对象的特性就会发生变化。而控制系统投运时所设定的控制器参数却是在一定的负荷和操作条件下，按某种质量指标整定得到的。因此，这些控制器参数只能在一个较小的工作范围内与对象特性相匹配，如果负荷和操作条件变化过大，超出了这个适应范围，控制质量就很难保证。这个问题是单回路控制系统中的一个难题。但是，串级控制系统就不同。虽然主回路是一个定值控制系统，副回路却是一个随动系统，它的给定值是随着主调节器的输出而变化的。主调节器可以按照生产负荷和操作条件的变化情况相应地调整副调节器的给定值，使系统运行在新的工作点上，从而保证在新的负荷和操作条件下，控制系统仍然具有较好的控制质量

17、。,3、由于副环的存在，使系统对负荷或操作的变化具有一定的适应能力。,在串级控制系统中，虽然主回路是一个定值控制系统，副回路却是一个随动系统，它的给定值是随着主调节器的输出而变化的。主调节器可以按照生产负荷和操作条件的变化情况相应地调整副调节器的给定值，使系统运行在新的工作点上，从而保证在新的负荷和操作条件下，控制系统仍然具有较好的控制质量。,如果对象有非线性特性存在，那么可以把它设计处于副回路之中，当操作条件或负荷发生变化时，虽然副回路的衰减比会发生一些变化，稳定裕度会降低一些，但是，它对主回路的稳定性影响却很小。,串级控制系统的应用范围： 根据串级控制系统的特点和结构，它主要适合于被控对象

18、的容量滞后或纯滞后时间较大，干扰作用强而且频繁，或者生产负荷经常大范围波动，简单控制系统无法满足生产工艺要求的场合。此外，当一个生产变量需要跟随另一个变量而变化或需要互相兼顾时，也可采用这种结构的控制系统。 但串级控制系统比单回路控制系统所需的仪表多，投运和整定相应也复杂一些。所以，如果单回路控制系统能够解决问题时，就不一定采用串级控制方案。,综上所述，串级控制系统良好的控制性能归因于： （1）对二次干扰有很强的克服能力 （2）改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率 （3）对负荷或操作条件的变化有一定的适应能力。,8.1.3 串级控制系统的工业应用,应用于容量滞后较大的过程 应用于纯时延较

19、大的过程 应用于扰动变化激烈的过程 应用于参数互相关联的过程 应用于非线性的过程,4.有一定的自适应能力,增设一个流量控制系统,两个系统相互关联，无法工作。,进料,蒸汽,采出,F,zf,B,xB,LB,再沸器,精馏塔,TC,TT,FC,FT,V1,V2,应用举例2：精馏塔提馏段温度控制系统,精馏过程：将混合物料中各组分分离，达到规定的纯度。 分离的机理：利用混合物中各组分的挥发度不同（沸点不同）使液相中的轻组分（低沸物）和液相中的重组分（高沸物）互相转移，从而实现分离。,精馏塔示意图,进料,热蒸汽,采出,冷凝冷却器,F,zf,B,xB,D,xD,LB,LD,L,回流罐,回流泵,再沸器,精馏塔,

20、提馏段温度控制系统,进料,热蒸汽,采出,F,zf,B,xB,LB,再沸器,精馏塔,TC,TT,如果蒸汽压力波动比较大、比较频繁，而塔釜容量比较大，控制将很不及时，控制效果会很差。,控制阀的蒸汽流量不仅与阀的开度有关，而且与阀前后的压力有关。,增设一个流量控制系统,两个系统相互关联，无法工作。,进料,蒸汽,采出,F,zf,B,xB,LB,再沸器,精馏塔,TC,TT,FC,FT,V1,V2,关联情况分析,当进料量增大，提馏段温度下降，TC开始调节，V1开度增大，蒸汽流量增大。 由于流量是个闭环系统，当检测到流量增加，FC开始调节，使流量等于设定值，即将V2关小。 上述两种情况发生矛盾，无法实现控制

21、。,构成串级控制系统,进料,蒸汽,采出,F,zf,B,xB,LB,再沸器,精馏塔,TC,TT,FC,FT,8.1.4 串级控制系统方案设计,1主参数的选择和主回路的设计,串级控制系统由主回路和副回路组成。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，基本上按照单回路控制系统的设计原则进行。凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数，均可选作主参数。若条件许可，可以选用质量指标作为主参数，因为它最直接也最有效。否则，应选一个与产品质量指标有单值函数关系的参数作为主参数。另外，对于选用的主参数必须具有足够的变化灵敏度，并须符合工艺过程的合理性。,2副参数的选择和副回路

22、的设计,（1）副参数的选择原则,8.1.4 串级控制系统的设计,1）副参数的变化应反映主参数的变换趋势、并在很大程度上影响主参数； 2）选择的副参数必须是物理上可测的； 3）由副参数所构成的副回路，调节通道尽可能短，调节过程时间常数不能太大，时间滞后小，以便使等效过程时间常数显著减小，提高整个系统的工作频率，加快控制过程反映速度，改善系统控制品质。,（2）副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主要干扰，并尽可能多包含一些干扰。尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中。,8.1.4 串级控制系统的设计,2副参数的选择和副回路的设计,常用的串级控制系统：温度+流量、温度+压力、液位+流量、

23、温度+温度等。,（3）主、副回路时间常数的适当匹配,在选择副变量时，应注意使主、副回路中控制过程的时间常数之比为310，以减少主、副回路的动态联系，避免“共振”。,在副回路设计时，如果有几种可供选择的控制方案，则应同时把经济性原则和控制品质要求结合起来，进行分析比较，在满足系统设计要求的前提下，力求节约。,（5）副回路设计时应同时考虑经济性原则,（4）副回路设计应考虑生产工艺的合理性,应考虑和满足生产工艺要求，所设置的系统是否会影响到工艺过程的正常运行。,（4）副回路设计应考虑生产工艺的合理性,应考虑和满足生产工艺要求，所设置的系统是否会影响到工艺过程的正常运行。,在副回路设计时，如果有几种可

24、供选择的控制方案，则应同时把经济性原则和控制品质要求结合起来，进行分析比较，在满足系统设计要求的前提下，力求节约。,8.1.4 串级控制系统的设计,2副参数的选择和副回路的设计,3串级控制系统控制参数选择,（1）选择可控性良好的参数作为控制参数。 （2）所选择的控制参数必须使控制通道有足够大的放大系数， 并应保证大于主要扰动通道的放大系数，以实现对主要 扰动进行有效控制并提高控制质量。 （3）所选控制参数必须使控制通道有较高的灵敏度，即时间 常数适当小一些。 （4）选择控制参数应同时考虑经济性与工艺上的合理性 。,8.1.4 串级控制系统的设计,4主、副控制器控制规律的选择,主控制器起定值控制

25、作用、副控制器起随动控制作用。,8.1.4 串级控制系统的设计,主调节器通常选用PI调节，以实现主变量的无差控制。 当控制通道容量滞后比较大时，主调节器应选用PID调节。,副调节器一般选用P调节。 为了能够快速跟踪，一般不引入积分调节。,主、副调节器正、反作用方式的选择原则： 依然是使整个系统构成负反馈。,主、副调节器的正、反作用方式选择的顺序是：,首先根据工艺的要求确定调节阀的气开、气关形式； 然后按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、 反作用； 最后再依据主、副参数的关系和主回路构成负反馈的原 则，确定主调节器的正、反作用。,5主、副调节器正、反作用方式的确定,8.1.4 串级控制系

26、统的设计,8.1.5 串级控制系统调节器参数的整定,常用的整定方法有：逐步逼近法、两步整定法、一步整定法,1逐步逼近法,整定步骤：,（1）主回路断开，把副回路作为一个单回路控制系统，并按单回路 控制系统的参数整定法，求取副调节器的整定参数值W2(s)1。 （2）副调节器参数值置于W2(s)1数值上，把主回路闭合，把副回 路作为一个等效环节，这样，主回路又成为一个单回路控制系统。再按 单回路整定方法，求取主调节器的整定参数值W1(s)1。 （3）主调节器参数置于W1(s)1上，主回路闭合，再按上述方法求 取副调节器的整定参数值W2(s)2。至此，完成了一次逼近循环。若控制 质量已达到工艺要求，整

27、定即告结束。主、副调节器的整定参数值分别 为W1(s)1和W2(s)2。否则，将副调节器的参数置于W2(s)2上，再按上 述方法求取主调节器整定参数值W1(s)2。 如此循环下去，逐步逼近，直到满足质量指标要求为止。,2两步整定法,两步整定法：第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。,整定步骤：,（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（如 4：1）曲线法整定，求取副调节器的比例度2s和操作周期T2s。 （2）将副调节器的比例度置于所求得的数值2s上，把副回路作 为主回路中的一个环节，用同样方法整定主回路，

28、求取主调节器的比 例度1s和操作周期T1s。 （3）根据求得的1s、T1s，2s、T2s数值，按单回路系统衰减 曲线法整定公式计算主、副调节器的比例度、积分时间T1和微分时 间TD的数值。 （4）按先副后主、先比例后积分最后微分的整定程序，设置主、 副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到 系统质量达到最佳为止。,8.1.5 串级控制系统调节器参数的整定,3一步整定法,一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后 按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。,理论根据：串级控制系统可以等价为单回路反馈控制系统，其等 效调节器总的放大系数KC为主调节器放大系数 与

29、 回路等效放大系数的乘积，即,在确定副调节器的比例度 时，根据,式中， 为纯比例作用下，产生4：1衰减比过程的总放大系数。,这一关系式，,通过副过程放大系数 ，求取副调节器比例放大系数 ，或按经 验选取。,8.1.5 串级控制系统调节器参数的整定,整定步骤：,（1）在生产稳定，系统为纯比例作用的情况下，由副过程K02确定副调节器的比例度，并将其设置在副调节器上。 （2）按照单回路控制系统的整定方法，整定主调节器参数。 （3）观察控制过程，根据 与 互相匹配的原理，适当调整调节器参数，使主参数品质指标最佳。 （4）在调节器参数的整定过程中，若出现“共振”，只要加大主、副调节器中任何一个调节器的参

30、数，便可以消除“共振”。若“共振”剧烈，可以先切换至遥控，待生产稳定后，将调节器参数置于比产生“共振”时略大的数值上，重新整定调节器参数。,应用举例,例 某工厂在石油裂解气冷却系统中，通过液态丙烯的气化来 吸收热量，以保持裂解气出口温度的稳定。组成以出口温度为主 参数、气化压力为副参数的温度与压力串级控制系统。 采用一步整定法： （1）在本系统中，副参数为压力，该参数反应快，滞后小，比 例度可选小一些，根据本例具体情况，选取副调节器比例度为40%。 （2）将副调节器的比例度2置于40%的刻度上，按4：1衰减曲 线法整定主调节器参数，得到1s30%，TI13min。 （3）按4：1衰减曲线法的经

31、验公式计算主调节器参数，即 20.81s0.830%24% TI10.3 TI1s=0.33=0.9min Td10.1 TI1s=0.13=0.3min 副调节器的比例度240%。 （4）按照“先比例后积分再微分”的程序，将主调节器的参数置于 计算求得的数值上，使系统投入运行，实践证明，系统主参数稳定， 完全满足工程要求。,例 在硝酸生产过程中，有一个氧化炉与氨气流量的串级控制 系统，炉温为主参数，工艺要求较高，温度最大偏差不能超过 50C，氨气流量为副参数，允许在一定范围内变化，要求不高。 采用两步整定法： （1）在系统设计时，主调节器选用PI控制规律，副调节器选用P 控制规律，在系统稳定

32、运行条件下，主、副调节器均置于纯比例作用， 主调节器的比例度置于100%上，用4：1衰减曲线法整定副调节器参 数，得2s32%，T2s15s。 （2）将副调节器的比例度置于32%上，用相同的整定方法，将主调 节器的比例度由大到小逐渐调节，求得主调节器的1s50%，T17min。 （3）根据上述求得的各参数，运用4：1衰减曲线法整定计算公式， 计算主、副调节器的整定参数为：主调节器（温度调节器）： 比例度11.21s60% 积分时间T10.5T1s3.5min 副调节器（流量调节器）： 比例度22s32%。 （4）把上述计算的参数，按先比例后积分的次序，分别设置在主、 副调节器上，并使串级控制系

33、统在该参数下运行。,【例1】某聚合反应釜内进行放热反应，釜温过高会发生事故，为此采用夹套水冷却。由于釜温控制要求较高，且冷却水压力、温度波动较大，故设置控制系统如图所示。 这是什么类型的控制系统？试画出其框图，说明其主变量和副变量是什么； 选择调节阀的气开、气关形式； 选择控制器的正、反作用；,选择主、副控制器的控制规律； 如主要干扰是冷却水的温度波动，试简述其控制过程； 如主要干扰是冷却水的压力波动，试简述其控制过程，并说明这时可如何改进控制方案，以提高控制质量。,8.1.6 串级控制系统实例分析,【例2】某干燥器的流程如图所示。干燥器采用夹套加热和真空抽吸并行的方式来干燥物料。夹套内通入的

34、是经列管式加热器加热后的热水，而加热器采用的是饱和蒸汽。为了提高干燥速度，应有较高的干燥温度,但过高会使物料的物性发生变化，这是不允许的，因此要求对干燥温度进行严格控制。 如果蒸汽压力波动是主要干扰，应采用何种控制方案？为什么？试确定这时控制阀的气开、气关形式与控制器的正、反作用。,如果冷水流量波动是主要干扰，应采用何种控制方案？为什么？试确定这时控制器的正、反作用和控制阀的气开、气关形式。 如果冷水流量与蒸汽压力都经常波动，应采用何种控制方案？为什么？试画出这时的控制流程图，确定控制器的正、反作用。,8.1.6 串级控制系统实例分析,【例3】精馏塔温度一流量串级控制系统。工艺要求塔内温度稳定

35、在T士1；一旦发生重大事故应立即关闭蒸汽供应。 画出控制系统组成的框图。 选择调节阀的流量特性及确定气开、气关形式 选择主、副控制器的控制规律及确定其正、反作用方式。,8.1.6 串级控制系统实例分析,【例4】对于图所示的加热器串级控制系统。 画出该控制系统框图，并说明主变量、副变量分别是什么。主控制器、副控制器分别是什么。 若工艺要求加热器温度不能过高，否则易发生事故，试确定调节阀的气开、气关形式。 确定主、副控制器的正、反作用。 当蒸汽压力突然增加时，简述该控制系统的控制过程。 当冷物料流量突然加大时，简述该控制系统的控制过程。,8.1.6 串级控制系统实例分析,【例5】造纸厂网前箱温度串

36、级控制,混合器,T1C,T1T,T2T,立筛,圆筛,网前箱,去铜网,脱水,蒸汽,水,纸 浆,蒸汽,水,纸 浆,纯滞后,72C,61C,90s,T2C,8.1.6 串级控制系统实例分析,纸浆用泵从储槽送至混合器，在混合器内用蒸汽加热至72度，经过立筛、圆筛除去杂质后送至网前箱，再去铜网脱水。工艺要求网前箱温度保持在61度左右，允许偏差不超过1度。 若采用单回路，由于从混合器到网前箱纯滞后达90秒，不能满足工艺要求。,为了克服纯滞后，在调节阀较近处选择混合器温度为副参数，网前箱出口温度为主参数，构成串级控制系统，把纸浆流量波动包括在副回路中。 注意：副回路尽量少包括或不包括纯滞后。,第7章 单回路

37、控制系统设计 8.1 串级控制系统设计 都是负反馈，当扰动发生时，通过检测扰动引起的被控参数偏差进行调节。所以负反馈进行扰动调节时，输出必然有波动，即已经被扰动影响。 有没有这样一种控制，当干扰一出现，在其影响输出量之前，就进行抑制，从而对输出没有影响？,8.2 前馈控制系统,此控制具有以下特征： 在扰动影响输出之前进行调节。 直接测量扰动大小，通过调节，实现对扰动的完全补偿，从而消除扰动对被控参数的影响。 前馈控制就是测量扰动，补偿扰动的控制。,8.2 前馈控制系统,1. 反馈控制的本质是“基于偏差来消除偏差”。或者说以“偏差”为控制依据； 2. 反馈控制总是滞后于扰动，是一种“不及时”的控

38、制； 3. 反馈的闭环结构，存在稳定性问题； 4. 反馈控制可消除闭环内的所有扰动对被控参数的影响； 5. 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，通用性强，整定容易。,反馈控制的特点：,8.2 前馈控制系统,反馈的本质是“基于偏差来消除偏差”。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，总有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“不及时”的控制。,反馈控制系统，因构成闭环，故存在一个稳定性的问题。即使组成闭环系统的每一个环节都是稳定的，闭环系统是否稳定，仍然需要作进一步的分析。,引起被控量发生偏差

39、的扰动，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。,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。,8.2.1 前馈控制原理 1.前馈与反馈,8.2 前馈控制系统,Feedforward control,控制原理： 根据冷物料流量 f (t) 的变化，通过一个前馈控制器 FC 直接控制调节阀。（冷物料流量是最主要的干扰）,从干扰到被控参数之间的两个通道 1）通过干扰通道去影响被控参数 2）经过测量环节、前馈控制器和调节阀产生控制作用，再经过控制通道去影响被控参数。,8.2 前馈控制系统,前馈控制系统是一个开环控制系统，其传递函数为：,Wf(s) + W

40、FF(s)W0(s),式中，Wf (s) 为过程扰动通道的传递函数； W0 (s)为过程控制通道的传递函数； WFF (s)为前馈调节器的传递函数。,若适当选择前馈调节器的传递函数WFF (s)，可以使扰动F(s)对被控参数Y(s)不产生影响，即实现完全补偿。,当F(s) 0时，Y(s) = 0即：Wf(s) +WFF(s)W0(s) = 0,可得到前馈调节器的传递函数：,WFF(s),WFF (s) 取决于过程扰动通道的特性Wf(s)和过程控制通道的特性W0(s)，式中负号表示控制作用与扰动作用方向相反。,8.2 前馈控制系统,不变性原理是前馈控制的理论基础。 不变性原理指控制系统的被控量与

41、扰动量完全无关， 或在一定准确度下无关。,8.2 前馈控制系统,按照控制系统输出参数与输入参数的不变性程度，可分为以下几种类型： 1绝对不变性 2稳态不变性 3不变性,8.2 前馈控制系统,1绝对不变性,被控量Y(t)在扰动量N(t)作用下，过渡过程中始终不变。即静态偏差和动态偏差都为0。,前馈控制,前馈控制方框图,Y1(s),8.2 前馈控制系统,前馈控制,前馈控制方框图,前馈控制系统补偿过程,y1(t)+ y2(t)=0,1绝对不变性,被控量Y(t)在扰动量N(t)作用下，系统的稳态偏差与扰动无关。即静态偏差为0，动态偏差不为0。,2.稳态不变性,3不变性,被控量Y(t)在扰动量N(t)作

42、用下，系统偏差小于一个小量，用表示。,前馈控制特点：,1.前馈控制是一种按扰动大小进行的控制，即以“扰动”为控制依据； 2.前馈控制是一种及时的控制； 3.前馈控制是一种开环控制，所以只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定，但是它不能检查控制效果； 4.前馈控制只抑制“一个可测而不可控”的扰动对被控参数的影响指定性补偿； 5.前馈调节器的控制规律是由对象过程特性决定。,前馈控制是减少被控参数动态偏差的一种最有效的方法。,合理的控制系统应该是把前馈控制和反馈控制结合起来 ， 组成前馈-反馈控制系统。,8.2 前馈控制系统,前馈控制是“基于扰动来消除扰动对被控变量的影响”，故前馈控制又称为“

43、扰动补偿”。,扰动发生后， 前馈控制器“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。,前馈控制属于开环控制，所以只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定。,只适用于克服可测而不可控的扰动，而对系统中的其他扰动无抑制作用，因此，前馈控制具有指定性补偿的局限性。,前馈控制的控制规律，取决于被控对象的特性。因此，往往控制规律比较复杂。,（1）可测：扰动量可以通过测量变送器，在线地将其转换为前馈补偿器所能接受的信号。 （2）不可控：扰动量与控制量之间的相互独立性，即控制通道的传递函数与扰动通道的传递函数无关联，从而控制量无法改变扰动量的大小。,前馈与反馈控制的比较,8.2 前馈控制

44、系统,8.2.2 前馈控制系统结构形式 1.静态前馈控制器 满足稳态不变性，取t-(即s-0)的值。即只取其通道增益。有： 静态前馈控制器是一个比例环节。,P191 例题！,8.2.2 前馈控制系统结构形式,1静态前馈控制系统,所谓静态前馈控制，是指前馈调节器的输出量仅仅是其输入量的 函数，与时间因子无关。控制规律具有比例特性：,WFF(s),KF,其大小可根据过程扰动通道的静态放大系数和过程控制通道的静态 放大系数来决定。,静态前馈控制只考虑最终稳态时的校正，所以只能使被控参数最终 的静态偏差接近或等于零。不考虑由于过程扰动通道的时间常数和控制 通道的时间常数不同，在过渡过程中所产生的动态偏

45、差。 静态前馈控制简单，一般不需专用前馈调节器，而用DDZ仪表中的 比例调节器或比值器就能满足使用要求。在实际工业生产过程中，尤其 当过程扰动通道与控制通道的时延相差不大时，设计和应用静态前馈控 制，可获得较高的控制精度。,2动态前馈控制系统,动态前馈 Wff(s)满足绝对不变性： 静态前馈控制只能保证被控参数的静态偏差接近或等于零， 而不能保证被控参数的动态偏差接近或等于零。当需要严格控 制动态偏差时，就要采用动态前馈控制。 动态前馈控制必须根据过程扰动通道和控制通道的动态特性， 采用专用的前馈调节器。由于工业过程数学模型复杂，实际上动 态前馈补偿是有限的，常规仪表难以实现完全补偿。当运用计

46、算 机实现前馈控制时，可随时辨识过程数学模型，及时修正动态前 馈补偿，理论上能实现完全不变性。 通常动态前馈控制与静态前馈控制是结合在一道使用的，可 更好提高其控制品质。但是动态前馈控制系统的结构比较复杂， 系统的运行和参数整定亦较复杂，而且需要一套专用的控制装置， 当然系统的控制品质较高。所以，当工艺要求控制品质很高时， 才使用动态前馈控制方案。,8.2.2 前馈控制系统结构形式,3. 前馈-反馈复合控制系统,单纯前馈控制的存在问题： (1) 补偿效果无法检验：单纯前馈不存在被控变量的反馈，补偿效果没有检验的手段，前馈作用并没有最后消除偏差时，系统无法得知这一信息而作进一步的校正。 （2）多

47、个干扰成本大：由于工业对象存在多个干扰，势必要设置多个前馈控制通道，因而增加了投资费用和维护工作量。 （3）控制精度不高：前馈控制模型的精度也受到多种因素的限制，对象特性要受到负荷和工况等因素的影响而产生漂移，导致Wo(s)和Wf(s)的变化。,8.2.2 前馈控制系统结构形式,以换热器前馈反馈控制系统为例，如图8.28,图8.28 换热器前馈-反馈控制系统 a）控制系统流程图 b）控制系统组成框图,输入X(s)、F(s)对输出Y(s)的影响为 :,要实现对扰动F(s)的完全补偿：,WFF(s),3. 前馈-反馈控制系统,8.2.2 前馈控制系统结构形式,优点： 1）有利于对主要干扰进行前馈补

48、偿和对其他干扰进行反馈调节，保证控制精度。 2）由于增加了反馈控制回路，降低了对前馈控制器的精度要求，有利于简化前馈控制器的设计与实现，具有一定自适应能力。 3）既可以实现高精度控制，又能保证系统稳定运行，因而在一定程度上解决了稳定性与控制精度之间的矛盾。,3. 前馈-反馈控制系统,8.2.2 前馈控制系统结构形式,前馈反馈控制系统优点：,（1）由于增加了反馈回路，只需对主要的干扰进行前馈补偿，其它干扰可由反馈控制予以校正，大大简化了原有前馈控制系统； （2）反馈回路的存在，降低了前馈控制模型的精度要求； （3）负荷变化时，模型特性也要变化，可由反馈控制加以补偿，因此系统具有一定自适应能力。

49、（4）当前馈信号加在反馈信号之前时，前馈控制器特性不仅与扰动通道特性和控制通道特性有关，而且与反馈控制器特性有关。（同学试自己推导）,共同点：测取对象的两个参数，采用两个调节器， 在结构形式上具有一定的共性两个回路。,不同点： 1.串级：由内、外两个反馈回路组成。 前馈-反馈：一个反馈回路和一个开环补偿回路叠加而成。,2.串级：副参数是反映主参数的中间变量，控制作用对它 产生明显的调节效果。 前馈-反馈：前馈输入量是对主参数有显著影响的干扰量， 是完全不受控制作用的独立变量不可控。,3.前馈调节器与串级中的副调节器担负着不同的功能。,4前馈-串级控制系统,8.2.2 前馈控制系统结构形式,c,

50、加热炉的两种控制系统,（a）串级控制系统 主参数：出口温度 副参数：炉膛温度 调节量：燃料流量,（b）前馈-反馈控制系统 被调参数：出口温度 前馈输入：原料油量 调节参数：燃料流量,4前馈-串级控制系统,8.2.2 前馈控制系统结构形式,设计错误的串级控制系统,上图所示的系统方框图,加热炉的两种控制系统,4前馈-串级控制系统,8.2.2 前馈控制系统结构形式,4前馈-串级控制系统,对于图8.28所示的前馈-反馈控制系统增加一个蒸汽流量回路。用前馈调节器的输出去改变流量回路的给定值，从而构成了前馈-串级控制系统，其方框图见图8.29所示。,图8.29 前馈-串级控制系统框图,8.2.2 前馈控制

51、系统结构形式,前馈调节器的传递函数为：,WFF(s),设副回路的工作频率高于主回路的工作频率，有：,WFF(s),即：,小结：无论采用哪种形式的前馈控制系统，其前馈调节器的传递函数均可表示为对象的干扰通道与控制通道的特性之比。,4前馈-串级控制系统,8.2.2 前馈控制系统结构形式,3. 前馈-串级控制系统,8.2.3 前馈控制规律及其实施,1控制规律,过程控制通道特性：,W0(s),扰动通道特性：,Wf(s),则前馈调节器为：,WFF(s),=,=KF,式中KFK2/ K1 = 21,当1=2时有：,WFF(s)KF,当1=2，T1=T2时有：,WFF(s)KF,因此，前馈调节器的模型有三种

52、形式：,KF；,KF,KF,2模拟仪表实施,(1) 型前馈调节器：,WFF(s),这种前馈模型具有比例特性。KF的大小，根据过程控制通 道和扰动通道的静态放大系数来决定。应用这种模型的前馈控 制系统称为静态前馈控制系统。可以用比例调节器等常规仪表 来实现。,(2) 型前馈调节器：,WFF(s)KF,这是一种动态前馈模型， 当T1T2时，其传递函数表现 为微分特性，当T1T2时，其 传递函数表现为时延特性，也 称为反微分特性，见图7-9。,图7-9 微分时延特性曲线,图7-10 微分时延特性实施框图,该动态前馈模型的实现装置如图7-10,(3) 型前馈调节器：,WFF(s)KF,这是一种动态前馈

53、模型。其特性实际上是比例特性、动态微分特 性与纯时延特性的串联。,此模型的实现只要采用在前面介绍的实现KF 型模型装置 的后面串联一个能实现e-s型模型的环节即可。,3数字仪表实施,F(t)与uf(t)分别为前馈调节器的输入和输出 将式 用微分方程表示为：,KF,+ uf(t) = KF,在采样周期Ts足够短时，将上述方程离散并经简化、整理后可得 前馈控制差分算式为 ：,uf(k+1)a2uf(k)=HF(k+1df)a1F(kdf),式中：H= KF,；a21,；a11,四、前馈控制系统设计,1设计思路 控制方案设计的一般程序为： （1）调研工艺需求 首先熟悉生产工艺过程，充分了解工艺对自动

54、化设计的要求， 了解现场工艺设备，了解生产中可能出现的各种影响因素，以便 能发现问题和提出问题； （2）设计方案 要对已有的自动化方案认真地进行调查、分析比较，据此提出 新的设计方案。 （3）确定数学模型。 （4）仿真与模拟试验。 （5）修改完善方案。 （6）现场安装、试车。 同时在总体方案设计时还应包括安全保护、自动检测、自动开 车、停车等内容。,2注意因素,（1）前馈控制规律,1）当ToTf时，由于控制通道很灵敏，克服扰动的能力强，因此， 一般只要采用反馈控制就可达到满意的控制质量要求，不必采 用前馈控制。 2）当ToTf时，只要采用静态前馈反馈控制就可以较好地改善控 制质量。 3）当To

55、Tf时，可采用动态前馈反馈控制来改善控制品质。 4）当f0时，则前馈调节器控制规律应修改为:,KF,5) 当0f时，不能采用前馈补偿。,（2）系统稳定性： 对任一过程控制系统，能正常运行的必要条件是必须稳定。 由于前馈控制是开环控制，所以确定控制方案时，必须重视稳 定性问题。,五、前馈控制系统的工程整定,整定前馈反馈控制系统时，反馈回路和前馈控制要分别整定。 分两步：,（2）整定前馈装置,（1）整定反馈回路,WFF(s)=KF,对于前馈装置的传递函数：,目标：确定静态参数KF和动态参数T1、T2,1. 静态参数KF的整定,（1）开环整定法,KF,（2）闭环整定法,图7-11 闭环整定法框图,如

56、图7-11，可采用飞馈系统 整定，也可结合前馈-反馈系统 整定。,2. 、 值整定,由前馈调节器的动态模型可知，T1、T2是决定动态补偿程度的。 当T1T2时，前馈调节器在动态过程中起超前作用；反之，当T1T2 时，则起时延作用。 在工程整定时，首先应估计扰动通道和控制通道哪一个时间时 延大（或超前大），来决定T1、T2值的大小，然后将T1、T2从零开 始凑试，直到系统响应曲线满意为止。,8.2.5 前馈控制系统的应用,选用原则：,1.对象控制通道的容量滞后和纯滞后较大，反馈控制难以满足 工艺要求时，可以采用前馈控制。,2.系统中存在着可测、不可控、变化频繁、幅值大且对被控参数影响显著的干扰，

57、采用前馈可大大提高控制品质。,4.经济性原则。由于动态前馈的设备投资高于静态前馈， 所以，若静态前馈能达到工艺要求时，即选用静态前馈。 当对象的干扰通道与控制通道的时间常数相当时，用静态 前馈即可获得满意的控制品质。,3.主要扰动无法包含在副回路中时。,葡萄糖浓度控制系统,初始浓度为50的葡萄糖液，用泵送入升降膜式蒸发器，经蒸汽加热蒸发至73的葡萄糖液，然后送至下一道工序。由工艺可知，在给定压力下，溶液浓度与溶液沸点与水沸点之温差有较好的单值对应关系，故以温差为间接质量指标作为被控参数以反映浓度的高低。,控制方案：蒸汽流量为前馈信号、温差为反馈信号、进料溶液为控制参数的前馈-反馈复合控制系统。

58、,干扰因素：进料溶液浓度、温度、流量，加热蒸汽压力、流量。,进料,8.2.5 前馈控制系统的应用,连续消毒塔温度控制 制药业中，抗菌素生产采用培养基发酵的方法进行。培养基是用粮食、油料等粉剂和水制成，在它进入发酵罐接种之前必须进行灭菌消毒。 过去的消毒方法是把培养基放到发酵罐中，用蒸汽加温到128度左右，保持一段时间，杀灭其中的霉菌，并将培养基煮成熟料。 消毒后的培养基还需要冷却到适当的温度，方能接种发酵。这种消毒方法的操作周期很长。,8.2.5 前馈控制系统的应用,为了改进上述消毒时间过长的缺点，采用了连续消毒方法。 培养基液料经预热后由离心泵送入连续消毒塔，与蒸汽直接混合使其温度上升到128度然后进入维持罐停留保温15分钟，以便充分灭菌，再经排管冷