过程控制提高控制品质的控

1、提高控制品质的提高控制品质的 控制系统控制系统 第一节 串级控制系统 v应用于容量滞后较大的过程 v应用于纯时延较大的过程 v应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程 v应用于参数互相关联的过程 v应用于非线性过程 原料油 燃料 管式加热炉 T1T 原油出口温度 调节器1 炉膛调节阀1管壁原料油 温度变送器1 f3,f4 f1,f2 1. 基本概念 原料油 f1,f2 燃料 管式加热炉 T2T T2C 原油出口温度 调节器2 炉膛调节阀1管壁原料油 温度变送器2 f3,f4 f1,f2 原料油 燃料 管式加热炉 T1T T2C 原油出口温度 T1C T2T x2(t) 调节器2 炉膛调节阀1管壁原料

2、油 温度变送器2 f3,f4 f1,f2 调节器1 温度变送器1 x1x2 副调节器副过程调节阀 主过程 副变送器 二次扰动 一次扰动 主调节器 主变送器 x1x2 主回路：定值控制 副回路：随动控制 串级控制系统串级控制系统-两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另 一个调节器的给定值的系统。 副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用， A：干扰进入副回路燃料压力、燃料热值发生扰动 副回路控制通道环节少，时间常数小，反应灵敏；较单回路系统 的控制作用快 B：干扰进入主回路原料油温度流量变化 由于副回路的存在，加快了校正作用 C：干扰同时作用于主、副回路 主副参数变化方

3、向相同：主副调节器作用都使阀门关小，加 强控制作用，加快控制过程 主副参数变化方向相反：主副调节器作用抵消，减小调节阀 的动作 2. 系统特点及分析 Gc2(s) Go2(s)Gv(s) Go1(s) Gm2(s) F1(s) F2(s) Gc1(s) Gm1(s) X1(s)X2(s) F3(s) F4(s) 2(s)1(s) Go2(s)Gv(s) Go1(s) F1(s) F2(s) G*c1(s) Gm1(s) X1(s) F3(s) F4(s) 2(s)1(s) 1 )( 2 2 2 sT K sG o o o 22 )( cc KsG vv KsG)( 22 )( mm KsG 1

4、 1 1 1 1 1 1 )()()()(1 )()()( )( 2 2 222 2 222 22 2 2 2 2 2 2 2 222 22 2 sT K s KKKK T KKKK KKK K sT K KK sT K KK sGsGsGsG sGsGsG sG o o movc o movc ovc m o o vc o o vc movc ovc o ， v改善过程的动态特性，提高了系统工作频率 v对负荷变化的适应性较强 1 )( 2 2 2 sT KK sG o ov o 222 22 2 1 movc ovc o KKKK KKK K 222 2 2 1 movc o o KKKK

5、T T 1 )( 2 2 2 sT K sG o o o v二次扰动对输出的影响减小（定义 越大越好） )(/ )( )(/ )( sFs sXs J Go2(s)Gv(s) Go1(s) F1(s) F2(s) G*c1(s) Gm1(s) X1(s) F3(s) F4(s) 2(s)1(s) )()()()()(1 )()()()( )( )( 112 * 1 12 * 1 1 1 sGsGsGsGsG sGsGsGsG sX s moovc oovc )()()()()(1 )()( )( )( 112 * 1 12 3 1 sGsGsGsGsG sGsG sF s moovc oo )

6、()( )()( )()()()( )(/ )( )(/ )( * 1 12 12 * 1 31 11 3 sGsG sGsG sGsGsGsG sFs sXs J vc oo oovc k Go2(s) G*o2(s) Go1(s) F1(s) F2(s) Gc1(s) Gm1(s) X1(s) F3(s) F4(s) 2(s) 1(s) Gc2(s) Go2(s)Gv(s) Go1(s) Gm2(s) F1(s) F2(s) Gc1(s) Gm1(s) X1(s)X2(s) F3(s) F4(s) 2(s)1(s) )()()()(1 )( )( )( )( 222 2 3 2* 2 sG

7、sGsGsG sG sF s sG movc o o )()()()(1 )()()( )( 222 22 2 sGsGsGsG sGsGsG sG movc ovc o v二次扰动对输出的影响减小（定义 越大越好） )(/ )( )(/ )( sFs sXs J Go2(s) G*o2(s) Go1(s) F1(s) F2(s) Gc1(s) Gm1(s) X1(s) F3(s) F4(s) 2(s) 1(s) )()()()(1 )( )( )( )( 222 2 3 2* 2 sGsGsGsG sG sF s sG movc o o )()()()(1 )()()( )( 222 22

8、2 sGsGsGsG sGsGsG sG movc ovc o v二次扰动对输出的影响减小（定义 越大越好） )(/ )( )(/ )( sFs sXs J )()()( )( )()( )()( )()()( )(/ )( )(/ )( 21 * 2 21 1 * 2 1 21 31 11 3 sGsGsG sG sGsG sGsG sGsGsG sFs sXs J vcc o oc oo ooc c v二次扰动对输出的影响减小（定义 越大越好） )(/ )( )(/ )( sFs sXs J )()()( )( )()( )()( )()()( )(/ )( )(/ )( 21 * 2 2

9、1 1 * 2 1 21 31 11 3 sGsGsG sG sGsG sGsG sGsGsG sFs sXs J vcc o oc oo ooc c )()( )()( )()()()( )(/ )( )(/ )( * 1 12 12 * 1 31 11 3 sGsG sGsG sGsGsGsG sFs sXs J vc oo oovc k )( )()( )()( )()()( * 1 21 * 1 21 3 3 sG sGsG sGsG sGsGsG J J c cc vc vcc k c 11 )( cc KsG 22 )( cc KsG * 1 * 1 )( cc KsG * 121

10、ccc KKK一般 设主、副调节器均为比例调节 主参数的选择和主回路的设计（与单回路的选择原则一致） 副参数的选择和副回路的设计 1. 参数的选择应使副回路的时间常数小， 控制通道短，反应灵敏。 2. 通过调节副参数能够有效影响主参数 3. 选择副参数必须物理上可测 4. 副回路应包含被控对象所受到的主要干扰 主、副回路工作频率应适当匹配 3. 系统设计 PTPT TT TC 加热炉 冷原料油热原料油 T1T T2T 加热炉 冷原料油热原料油 T2C T1C 21)103(ddTT 1副调节器的选型 副调节器的任务是要快速动作以迅速消除进入副回路内的 扰动、而且副参数并不要求无差，所以一般都选

11、P调节器，也可 采用PD调节器，但这增加了系统的复杂性。在一般情况下，采 用P调节器就足够了，如果主、副回路频率相差很大，也可考虑 采用PI调节器。 2主调节器的选型 主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。凡是需采 用串级控制的生产过程，对控制品质的要求总是很高的，不允 许被调量存在静差。因此主调节器必须具有积分作用，一般都 采用PI调节器，如果控制对象惰性区的容积数目较多，同时有 主要扰动落在副回路以外的话，就可以考虑采用PID调节器。 串级控制系统主、副调节器控制规律的选择 串级控制系统的参数整定 逐次逼近法 先整定副调节器Gc2(s) 。在第一次整定副调节器时，断开主环，即 按副回

12、路单独工作时的单回路系统来整定副调节器Gc2(s)的参数， 记作Gc2(s)1 。 闭合主回路，将副回路作为一个环节，按照单回路整定的方法整定 主调节器参数，记作Gc1(s)1。 据（2）得到的Gc1(s)1，保持主回路闭合，再整定副调节器Gc2(s)。 记为Gc2(s)2。 保持两回路闭合，在副调节器参数为Gc2(s)2，情况下，重新整定 主回路得到Gc1(s)2 重复步骤（2）、（3），直到满足品质要求为止。 两步整定法 主调节器纯比例P1=100%，副回路整定到4： 1记录 P2s和T2s 主调节器纯比例P2=P2s，主回路整定到4：1记 录P1s和T1s 按照经验公式计算调节器参数 1

13、.先副回路后主回路的顺序设置参数。 一步整定法 经验法整定副调节器 工程整定方法整定主调节器 1.再已定参数的基础上对主调节器参数做调 整 第二节 前馈控制系统 v系统中存在着频率高、幅值大、可测而 不可控的扰动时，选用前馈控制 v当控制系统控制通道时延较大、反馈控 制又不能得到良好的控制效果时，选用 前馈控制； v根据被调量（或其它被调参数）和给定值之间根据被调量（或其它被调参数）和给定值之间 的偏差进行控制的负反馈系统。的偏差进行控制的负反馈系统。 那么当被控对象受到扰动后，只有等到被调量发生变化，偏差出那么当被控对象受到扰动后，只有等到被调量发生变化，偏差出 现后才开始控制，这种控制动作

14、落后于扰动必然会造成控制过程中现后才开始控制，这种控制动作落后于扰动必然会造成控制过程中 存在（动态）偏差。存在（动态）偏差。 v直接根据扰动（造成偏差的原因）进行控制。直接根据扰动（造成偏差的原因）进行控制。 就有可能及时消除扰动的影响而使被调量基本不变化（或很少变就有可能及时消除扰动的影响而使被调量基本不变化（或很少变 化）。这种直接根据扰动进行控制的系统，称为前馈控制系统。前化）。这种直接根据扰动进行控制的系统，称为前馈控制系统。前 馈控制有时又称馈控制有时又称“扰动补偿扰动补偿” 热交换器 TT TC 被加热物料冷物料 f(t), 1 x(t) y(t) 冷凝水 qh，ph 蒸汽 Gv

15、(s)Gc(s) Go(s) F 1 Ph Gm1(s) X(s)Y(s) Qh(s) v反馈系统是按照偏反馈系统是按照偏 差进行控制来消除差进行控制来消除 偏差的偏差的 v由于反馈系统构成由于反馈系统构成 闭环，存在系统是闭环，存在系统是 否稳定的问题否稳定的问题 v只要干扰位于反馈只要干扰位于反馈 环之内，反馈控制环之内，反馈控制 系统总能消除其对系统总能消除其对 被控参数的影响被控参数的影响 热交换器 FT FC 被加热物料冷物料 f(t), 1 冷凝水 qh，ph 蒸汽 Go(s)Gv(s) Y(s) F(s) Gm(s) Gb(s)Gf(s) 0)()()()()( )( )( sG

16、sGsGsGsG sF sY mbvof )()()( )( )( sGsGsG sG sG mvo f b v所以前馈控制器所以前馈控制器 v消除扰动对被控参数的影响，不变性原理消除扰动对被控参数的影响，不变性原理 前馈控制器的通用模型 )( )( )( sGKK sG sG omv f b s o o o o e sT K sG 1 )( s f f f f e sT K sG 1 )( s f o omv f o f b of e sT sT KKK K sG sG sG )( 1 1 )( )( )( of 干扰通道和控制通道一般都用一阶或二阶的容量滞后模型来近似，必要 时串联一个纯滞

17、后环节 当 时，是物理不可实现的 静态前馈控制系统 omv f omv f bb KKK K GKK G GsG )0( )0( )0()( 控制目标是系统输出的稳态值不受到扰动的影响 Kf/(Tfs+1)Kv Y(s) F(s) Km Gb(s) Kf/(Tfs+1) 前馈控制的特点 v在很多场合下都是将前馈控制与反馈控制结合在一起组成前馈反馈控制系 统，称之为复合控制系统。这些系统即使在大而频繁的扰动下，仍能获得优 良的控制品质。 v前馈控制器是“按扰动来消除扰动对被控参数的影响”又称为“扰动补偿”。 前馈控制器在扰动出现的时刻立即进行控制，控制及时，对特定的扰动引起 的动、静态偏差控制比

18、较有效。而不象反馈控制，要等到被控参数产生偏差 后采进行控制 v前馈控制是开环控制，只要系统各个环节稳定，则控制系统必定稳定。前馈 控制对控制效果不作检验 v前馈控制律不同于反馈控制律，它是由过程特性决定的，不同的过程特性控 制律不同 检测、执行和过程特性的数学模型很难精确得到，前馈控制器往往物理上难以实现 v一个前馈通道只能抑制一个干扰对被控参数的影响，而对其他干扰对被控参 数的影响没有已知作用。 不可能对每个干扰都设计一套独立的检测装置和前馈控制器 前馈-反馈控制 热交换器 FT FC 被加热物 料 冷物料 f(t), 1 冷凝水 蒸汽 TT TC Go(s)Gv(s) Y(s) F(s)

19、 Gm(s) Gb(s)Gf(s) Gc(s) X(s) Gm1(s) )( )()()()(1 )()()()()( )( )()()()(1 )()()( )( 11 sF sGsGsGsG sGsGsGsGsG sX sGsGsGsG sGsGsG sY movc mbvof movc ovc 0)()()()()(sGsGsGsGsG mbvof )()()( )( )( sGsGsG sG sG mvo f b Go(s)Gv(s) Y(s) F(s) Gm(s) Gb(s)Gf(s) Gc(s) X(s) Gm1(s) )()()()(1 1 sGsGsGsG movc 0)()(

20、)()(1 1 sGsGsGsG movc 。 可见复合控制系统与开环的前馈控制系统的补偿条件相同可见复合控制系统与开环的前馈控制系统的补偿条件相同 由于反馈控制环的存在，使干扰对输出的影响比开环的情况小了由于反馈控制环的存在，使干扰对输出的影响比开环的情况小了 倍。倍。 复合控制系统的特征方程复合控制系统的特征方程 ，与按偏差控制，与按偏差控制 的单回路控制系统的特征方程是一样的，与前馈控制器和检测环节无关。的单回路控制系统的特征方程是一样的，与前馈控制器和检测环节无关。 Go1(s)Gc2(s) Y(s) F(s) Gm(s) Gb(s)Gf(s) Gc1(s) X(s) Gm1(s) G

21、o2(s)Gv(s) Gm2(s) 前馈串级复合控制系统 0)( )()()()(1 )()()( )()()( 1 222 22 sG sGsGsGsG sGsGsG sGsGsG o movc ovc bmf )()( )( )( 1 2 sGGsG sG sG oom f b )()()()(1 )()()( )( 222 22 2 sGsGsGsG sGsGsG sG movc ovc o 前馈控制器 大滞后过程控制系统 （容量滞后和纯滞后） 大滞后过程的采样控制（调一调，等一等） 纯滞后过程的Smith预估控制 Go(s)e-tos Y(s) F(s) Gf(s) Gc(s) X(s

22、)U(s) )( )()(1 )( )( )()(1 )()( )(sF esGsG sG sX esGsG esGsG sY s oc f s oc s oc oo o 0)()(1 s oc o esGsG 纯时延对系统控制质量的影响 特征方程 s oc o esGsG )()( cc KsG)( 1 )( sT K sG o o o 20lgKoKc 0 -90 -180 s o e 当过程控制通 道或测量变送 环节存在纯时 延时，会降低 系统的稳定性 (由于相角裕 量的减小，控 制通道的迟延 增加必然导致 大的动态偏差） 若能将控制通道特性 分为 和 两部分，并以 的输出 y 作为反馈

23、信号，闭环系统的品质将大为改善（闭环特征方程变为 ) Smith预估补偿原理 s o o esG )()(sGo s o e )(sGo 0)()(1sGsG oc Go(s) Y(s) F(s) Gf(s) Gc(s) X(s)U(s) e-tos Y(s) )(sGo s o e 但实际生产过程 和 是不可分割的，所以通过Smith预估 器构造y 。 Go(s)e-tos Y(s) F(s) Gf(s) Gc(s) X(s)U(s) Gb(s) )()()( )( )( sGsGesG sU sY ob s o o )1)()( s ob o esGsG 所以预估器 Go(s)e-tos

24、Y(s) F(s) Gf(s) Gc(s) X(s)U(s) Go(s)e-tos Go(s) Y(s) F(s) Gf(s) Gc(s) X(s) U(s) Y(s) e-tos )( )()(1 )()( 1)()( )()(1 )()( )(sF esGsG esGsG sGsX sGsG esGsG sY s oc s oc f oc s oc o oo )()(1 )()( )( )( sGsG esGsG sX sY oc s oc o 第一项代表干扰对被控参数的直接影响，第二项代表闭环回路 已知干扰对被控参数影响的作用，由于第二项含有 ，表明 控制作用有纯滞后 ，Smith预估控

25、制并没有消除对干扰抑制过 程中纯滞后 的影响，所以对干扰的抑制效果不理想。 s o e s oc s oc f o o esGsG esGsG sG sF sY )()(1 )()( 1)( )( )( s o e s o e o 闭环传递函数中已经不存在 ，改善了系统的动态性能 另外，smith预估控制对模型的误差十分敏感，补偿的效果取 决于预估器的精度 比值控制系统 凡使两个或两个以上参数维持一定比值关凡使两个或两个以上参数维持一定比值关 系的控制系统称为比值控制系统系的控制系统称为比值控制系统 v单闭环比值控制系统 v双闭环比值控制系统 v串级比值控制系统 比值控制系统的种类 FTFC

26、Q2 开环比值控制系统 实现粗劣的比值控制 FTFC Q2 FCFT Q1 Gm1(s)Gc1(s)Gc2(s)Gv(s)Go2(s) Gm2(s) 单闭环比值控制方案 单闭环比值系统一般只用于 负荷变化不大的场合，原因 是该方案中主流量不是确定 值，它是随系统负荷升降或 干扰的作用而任意变化的。 因此当主流量出现大幅度波 动时，副流量难以跟踪，主 副流量的比值会较大地偏离 工艺的要求。 双闭环比值控制方案 F1TF1C Q2 F2CF2T Q1 K Gc1(s)Gv1(s)Go1(s) Gm1(s) Gc2(s)Gv2(s)Go2(s) Gm2(s) K X1(s)Q1(s) Q2(s) 实

27、现其定值控制。副流量控制回路能抑制作用于副回路中的扰动，使副流量与 主流量成比值关系。当扰动消除后，主、副流量都恢复到原设定值上，其比值 不变，并且主、副流量变化平稳。当系统需要升降负荷时，只要改变主流量的 设定值，主、副流量就会按比例同时增加或减小，从而克服上述单环比值系统 的缺点。 当生产要求两种物料流量的比值能灵活地随第三个参数的需要进行调节 变比值控制方案 比值控制系统的整定 1主、副物料流量的确定 在工业生产过程中起主导作用的物料流量一般选为主流量，其它的物 料流量选为副流量，其副流量跟随主流量变化。 在工业生产过程中不可控的或者工艺上不允许控制的物料流量一般 选为主流量 ，而可控的

28、物料流量选为副流量。 在生产过程中较昂贵的物料流量可选为主流量，这样可以不会造成浪 费或提高产量。 (1) 按生产工艺的特殊要求确定主、副物料流量。 2. 控制方案的选择（比值控制有单闭环比值控制，双闭环比值控制， 变比值控制等多种方案） 单闭环比值控制方案：工艺上仅要求两物料流量之比值一定，负 荷变化不大，主流量不可控制。 双闭环比值控制方案：在生产过程中，主、副流量扰动频繁，负 荷变化较大，同时要保证主、副物料流量恒定，则可选用。 变比值控制方案：当生产要求两种物料流量的比值能灵活地随第 三个参数的需要进行调节时可选用。 3调节器控制规律的确定 （1）单闭环比值控制系统：比值器选P控制规律

29、或用一个比值器；调节器使 副流量相对稳定，故选PI控制规律。 （2）双闭环比值控制系统：两流量两个调节器均应选PI控制规律。比值器 选P调节 （3）串级（变）比值控制系统，它具有串级控制系统的一些特点，那么， 可以根据有串级控制系统调节器控制规律的选择原则，主调节器选PI或 PID控制规律，副调节器选用P控制规律。 把工艺上的比值K(K是指两流量的体积流量或重量流量之比)折算成 仪表上的比值系数K 下面以国际标准信号制即传输信号420mA DC为例，说明比值系 数的折算方法。 5比值系数的计算 （1）流量与测量信号成线性关系 416 max1 1 1 Q Q I 416 max2 2 2 Q

30、Q I max1 max2 max1 max2 1 2 4 4 Q Q K Q Q I I K （2）流量与其测量信号成非线性关系 PCQ 416 2 max1 2 1 1 Q Q I 416 2 max2 2 2 2 Q Q I 2 max2 2 max1 2 1 2 4 4 Q Q K I I K 变比值实质是串级控制系统：按照串级控制系统的整定方法进行整定单 闭环和双闭环系统的副流量回路都是随动系统，一般要求快速、正确地跟踪主 流量变化，不宜有超调，一般整定到临界阻尼状态。 6. 比值控制系统方案的实施与参数整定 均匀控制系统 均匀控制的工作原理及特点 LT LC FT FC F L L

31、 F F L LT LC LT FC FT LC 均匀控制方案 简单均匀控制 串级均匀控制 调节规律的选择调节规律的选择：P或PI，避免使用微分 调节器参数的整定调节器参数的整定： 均匀控制系统的参数整定 Q V 简单均匀控制：按照单回路控制系统的整定方法进行，P要大，Ti要大， 看曲线整参数 串级均与控制： 停留时间法： 正常流速下，截至在被控参数允许变 化范围内流过所需要的时间 经验整定法：先副后主。固定P1，P2由小到大直至副变量 呈现缓慢的周期衰减；固定P2，P1由小到大直 至主变量呈现缓慢的周期衰减； 停留时间/min40 比力度P(%)100-150150-200200-250 积

32、分时间Ti/min51015 副调节器按经验法整定；计算停留时间，根据表确定主调节器参数；进行系统实验经验修正参数 分程控制系统 v将调节器的输出信号分段，一个调节器控制两个或两个以 上的调节阀，每个调节阀在调节器输出的某段信号范围内 作全行程动作。 TT TC 0.02 0.060.10 100 分程系统的工作原理及类型 0.02 0.060.10 100 0.02 0.060.10 100 0.02 0.060.10 100 0.02 0.060.10 100 同向动作 异向动作 分程控制系统的设计及工业应用 0.020.060.10 100 0.020.060.10 100 0.020.060.10 100 0.020.060.10 100 选择控制系统 对调节器输出信号进行选择的选择性控制系统 选择器执行器 过程1 过程2 正常调节器 取代调节器 正常变送器 取代变送器 P1T P1C P2C P2T P3C P3