矿大(北京)仪表与自动化_7(3学时)

1、第七章第七章 复杂控制系统复杂控制系统Chapter 7 complex control system1、掌握串级控制系统的结构、工作过程、特点及、掌握串级控制系统的结构、工作过程、特点及应用场合；了解串级控制系统中副变量的确定及主、应用场合；了解串级控制系统中副变量的确定及主、副控制器正、反作用的选择；了解串级控制系统中副控制器正、反作用的选择；了解串级控制系统中主、副控制器参数的工程整定方法；主、副控制器参数的工程整定方法；2、熟悉设置均匀控制系统的目的及控制方案；、熟悉设置均匀控制系统的目的及控制方案；3、了解比值控制系统的各种类型；熟悉单闭环比、了解比值控制系统的各种类型；熟悉单闭环比

2、值控制方案的结构及特点；值控制方案的结构及特点；4、了解前馈控制系统的结构、特点及应用场合；、了解前馈控制系统的结构、特点及应用场合；5、理解连续型选择性控制系统及分程控制系统；、理解连续型选择性控制系统及分程控制系统；6、理解三冲量控制系统的结构特点；、理解三冲量控制系统的结构特点；1. Structure, work, characteristics, and application of cascade stage control system. Confirmation of vice variable, selection of positive and counter active

3、 of main and vice controllers. Engineering setting of parameters of main and vice controllers2. Purpose and control program of setting uniform control system.3. Type of ratio control system, structure and characteristics of single close-loop control system.4. Structure, characteristics, and applicat

4、ion of forward control system.5. Continuous selection control system and split control system6. Structure characteristics of three impulse control system 简单控制系统简单控制系统是自动控制中最简单、最基本的形是自动控制中最简单、最基本的形式，式，约占全部控制系统的约占全部控制系统的80%，能解决大量的生产控，能解决大量的生产控制问题。但随着生产过程的大型化和复杂化，各种变制问题。但随着生产过程的大型化和复杂化，各种变量之间的关系非常复杂，以及

5、对产品质量的更高要求，量之间的关系非常复杂，以及对产品质量的更高要求，出现了与简单控制系统不同的其它控制形式，这些控出现了与简单控制系统不同的其它控制形式，这些控制系统统称制系统统称复杂控制系统复杂控制系统。 常见的复杂控制系统有：串级常见的复杂控制系统有：串级(cascade stage)、均匀、均匀(uniform)、比值、比值(ratio)、分程、分程(split)、前馈多冲量、前馈多冲量(forward multiple impulse)控制系统。控制系统。一、概述一、概述 适用场合：适用场合：当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁，采用简单控制质量较差

6、，或要求被控变量的误繁，采用简单控制质量较差，或要求被控变量的误差范围很小，简单控制系统不能满足工艺要求。差范围很小，简单控制系统不能满足工艺要求。第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 实例：实例：管式加热炉出口温度控制系统管式加热炉出口温度控制系统 根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度开度，即改变燃料量来维持原油出口温度保持在，即改变燃料量来维持原油出口温度保持在工艺过程规定的数值。（滞后大，约工艺过程规定的数值。（滞后大，约1515分钟，控分钟，控制质量差）制质量差） 管式加热炉出口温度串级控制系统管式加热炉出口温度串级控制系统上述简单控制系统

7、控制质量较差，主要原因是燃料上述简单控制系统控制质量较差，主要原因是燃料在炉膛燃烧后，是首先使炉膛温度变化，然后才使在炉膛燃烧后，是首先使炉膛温度变化，然后才使原油温度的变化。原油温度的变化。 管式加热炉出口温度串级控制系统方块图管式加热炉出口温度串级控制系统方块图两个控制器串接工作两个控制器串接工作：系统中有两个控制器系统中有两个控制器T1C和和 T2C，分别接收来自对象不同部位的测量信号分别接收来自对象不同部位的测量信号 1和和 2，T1C的输的输出是出是T2C的输入，而的输入，而T2C 的输出去执行器。的输出去执行器。温度控温度控制器制器T2C执行器执行器 温度温度对象对象2被控变量被控

8、变量 1设定值设定值干扰干扰F1温度对温度对象象1温度控温度控制器制器T1C干扰干扰F2 1测量变送测量变送 2测量变送测量变送 2串级控制系统中常用名词：1 1、主变量：、主变量： 系统上起主导作用的被控变量。系统上起主导作用的被控变量。2 2、副变量：为稳定主变量而引入的辅助变量。、副变量：为稳定主变量而引入的辅助变量。3 3、主对象：表征主变量特性的生产设备。、主对象：表征主变量特性的生产设备。4 4、副对象：表征副变量特性的生产设备。、副对象：表征副变量特性的生产设备。5 5、主控制器：控制主变量的控制器。、主控制器：控制主变量的控制器。6 6、副控制器：控制副变量的控制器。、副控制器

9、：控制副变量的控制器。7 7、主回路：主控制器及主变量组成的回路。、主回路：主控制器及主变量组成的回路。8 8、副回路：副控制器及副变量组成的回路。、副回路：副控制器及副变量组成的回路。炉出口温度炉出口温度炉膛温度炉膛温度受热管道受热管道炉膛及燃烧装置炉膛及燃烧装置T1CT2C外环外环内环内环P172图图7-4 执行器执行器 主变量主变量设定值设定值主干扰主干扰F1主对象主对象主控主控制器制器副干扰副干扰F2主测量、变送主测量、变送副测量、变送副测量、变送副变量副变量副回路副回路主回路主回路副对象副对象副控副控制器制器图图7-4 串级控制系统典型方框图串级控制系统典型方框图 二、串级二、串级

10、控制系统的工作过程控制系统的工作过程 假定执行器采用气开型（有标准气压信号时，假定执行器采用气开型（有标准气压信号时，阀门打开）；温度控制器采用反作用方向；阀门打开）；温度控制器采用反作用方向；1 1、干扰进入副回路（干扰量小与大两种情况）干扰进入副回路（干扰量小与大两种情况）2 2、干扰作用于主对象干扰作用于主对象3 3、干扰同时作用于副回路和主对象干扰同时作用于副回路和主对象 1 1）干扰作用下，主、副变量的变化方向相同；）干扰作用下，主、副变量的变化方向相同； 2 2）主、副变量的变化方向相反，一增一减。）主、副变量的变化方向相反，一增一减。 副回路副回路具有具有先调先调，粗调粗调，快调

11、快调的特点；的特点；主回路主回路则有则有后调后调，细调，慢调细调，慢调的特点，对副回路没有完全的特点，对副回路没有完全克服的影响由主回路彻底克服。克服的影响由主回路彻底克服。 三、串级控制系统的特点三、串级控制系统的特点1 1、结构上，有两个闭合回路，两个控制器结构上，有两个闭合回路，两个控制器 两个测量变送两个测量变送器；两个控制器串联工作；且主回路是定值控制，而副回器；两个控制器串联工作；且主回路是定值控制，而副回路是随动控制。路是随动控制。2 2、串级系统中，有两个变量：主变量与副变量；串级系统中，有两个变量：主变量与副变量；3 3、串级控制系统，由于副回路的引入，改善了对象的特性，串级

12、控制系统，由于副回路的引入，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前作用，有效地克服滞后。使控制过程加快，具有超前作用，有效地克服滞后。4 4、由于副回路的增加，系统具有一定的自适应能力。可用由于副回路的增加，系统具有一定的自适应能力。可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。于负荷和操作条件有较大变化的场合。 应用场合应用场合：对象滞后和时间常数很大，干扰作用强对象滞后和时间常数很大，干扰作用强而频繁，负荷变化大，简单控制系统不能满足质量要而频繁，负荷变化大，简单控制系统不能满足质量要求时，采用串级控制系统。求时，采用串级控制系统。四、串级控制系统主、副变量的选择四、串级控制系统主、副变量的选

13、择主变量的选择：主变量的选择： 与单回路控制时被控变量的选择原则是一样。能直接或与单回路控制时被控变量的选择原则是一样。能直接或间接地间接地表征生产过程质量的参数表征生产过程质量的参数都可以作为控制系统的被都可以作为控制系统的被控变量。控变量。 副变量的选择副变量的选择 副变量的变化应在很大程度上影响主变量的变化；副变量的变化应在很大程度上影响主变量的变化； 副回路应将生产过程中的主要干扰包围在内；副回路应将生产过程中的主要干扰包围在内； 在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰；在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰； 副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防副变量的选择应考

14、虑到主、副对象时间常数的匹配，以防发生发生“共振共振”； 当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时，在选择副变当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时，在选择副变量时应使副环尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后。量时应使副环尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后。 五五 、串级控制系统中副回路的确定、串级控制系统中副回路的确定 在串级控制系统中，副回路的确定是否合适，直接在串级控制系统中，副回路的确定是否合适，直接关系到串级控制系统的工作效果；关系到串级控制系统的工作效果；副回路的确定副回路的确定：根据生产工艺，选择一个合适的副变根据生产工艺，选择一个合适的副变量，从而构成以副变量为被控变量的副回路。量，从而构

15、成以副变量为被控变量的副回路。 精馏塔釜温度串级控制系统精馏塔釜温度串级控制系统选择的副变量是操纵变量吗？选择的副变量是操纵变量吗？副回路的确定原则副回路的确定原则：1、主、副变量间应有一定的内在联系；主、副变量间应有一定的内在联系；副变量的变化副变量的变化很大程度上要能影响主变量的变化。很大程度上要能影响主变量的变化。 选副变量：选择中间变量选副变量：选择中间变量或或选择操纵变量选择操纵变量当干扰来自蒸汽压力或流量当干扰来自蒸汽压力或流量的波动时，副回路的的波动时，副回路的FC能能及时加以克服，以大大减少及时加以克服，以大大减少这种干扰对主变量的影响，这种干扰对主变量的影响，使塔釜温度使塔釜

16、温度TC的控制质量的控制质量得以提高。得以提高。 2、要使系统的主要干扰被包围在副回路内要使系统的主要干扰被包围在副回路内 确定副变量，一是要对主变量影响最严重，变化最确定副变量，一是要对主变量影响最严重，变化最剧烈的干扰包围在副回路内；二是要使副变量的时间常剧烈的干扰包围在副回路内；二是要使副变量的时间常数小，利用其快速抗干扰性能，将干扰的影响抑制在最数小，利用其快速抗干扰性能，将干扰的影响抑制在最低限度。低限度。出口温度与燃料油压力串级控制系统出口温度与燃料油压力串级控制系统主要干扰来自压力的波动主要干扰来自压力的波动 3、副回路要尽可能包围更多的次要干扰副回路要尽可能包围更多的次要干扰

17、充分利用其快速抗干扰能力，提高控制质量。但这充分利用其快速抗干扰能力，提高控制质量。但这种包围也要考虑其灵敏度；过多的干扰包围，可能会增种包围也要考虑其灵敏度；过多的干扰包围，可能会增加滞后，影响其快速抗干扰能力的发挥。加滞后，影响其快速抗干扰能力的发挥。 如果在副回路中包括了太多的干扰，副回路将变如果在副回路中包括了太多的干扰，副回路将变大，副变量将十分接近主变量，滞后将增加，失去了大，副变量将十分接近主变量，滞后将增加，失去了副回路快速响应的特性。副回路快速响应的特性。 4、考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防“共共振振”的发生。的发生。 主、副对象时间

18、常数之比为主、副对象时间常数之比为3:10，减少主、副回路，减少主、副回路的动态联系，避免共振。的动态联系，避免共振。注意注意：副回路的时间常数又不能太小，否则可能使副：副回路的时间常数又不能太小，否则可能使副回路包含的干扰太少，使系统抗干扰能力减弱。回路包含的干扰太少，使系统抗干扰能力减弱。 5、当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量情况当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量情况下，下，在选择副变量时，应使副变量尽量少包含纯滞后在选择副变量时，应使副变量尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后。或不包含纯滞后。化纤厂胶液压力与压力串级控制系统化纤厂胶液压力与压力串级控制系统计量泵计量泵热交换器热交换器过滤

19、器过滤器 五、主、副控制器控制规律及正、反作用的选择五、主、副控制器控制规律及正、反作用的选择1 1、控制规律的选择、控制规律的选择 串级控制的目的是高精度地稳定主变量。主变量是串级控制的目的是高精度地稳定主变量。主变量是工艺控制指标，一般不许有余差；故工艺控制指标，一般不许有余差；故主控制器主控制器通常采用通常采用比例积分控制规律比例积分控制规律，实现无差控制实现无差控制；有时为克服控制通；有时为克服控制通道的大容量滞后，也可以选择比例积分微分控制规律。道的大容量滞后，也可以选择比例积分微分控制规律。而而副控制器副控制器则则一般采用比例控制规律一般采用比例控制规律。2 2、控制器正、反作用的

20、选择、控制器正、反作用的选择1）副控制器作用方向 选定执行器的气开、气关形式后，选定执行器的气开、气关形式后，使副回路形成负使副回路形成负反馈控制系统反馈控制系统的原则。的原则。 2）主控制器的作用方向 当主、副变量在当主、副变量在增加增加（减少）时，如果由工艺分（减少）时，如果由工艺分析得出，析得出，为使主、副变量为使主、副变量减少减少（增加）（增加），要求控制阀的，要求控制阀的动作方向是一致的时候，动作方向是一致的时候，主控制器应选主控制器应选“反反”作用作用；反；反之则选之则选“正正”作用作用。冷却器温度串级控制系统（主控制器为正作用）冷却器温度串级控制系统（主控制器为正作用） 3）因工

21、艺过程的需要，控制阀由气开改为气关（或相反）时，只要改变副控制器的正反作用而不需要改变主控制器的正反作用。 某些串级控制系统，可以将副控制器切除，实现某些串级控制系统，可以将副控制器切除，实现主控；其切换条件为：主控；其切换条件为： 当主变量变化时，串级时副控制器的输出与主控时当主变量变化时，串级时副控制器的输出与主控时主控制器的输出信号方向完全一致。主控制器的输出信号方向完全一致。 六、控制器参数的工程整定六、控制器参数的工程整定 串级控制系统主、副控制器的参数整定方法有：串级控制系统主、副控制器的参数整定方法有：两步整定法、一步整定法。两步整定法、一步整定法。1 1、两步整定法、两步整定法 先整定副控器，后整定主控器先整定副控器，后整定主控器1）在工况稳定，主、副控制器在纯比例控制作用下，在工况稳定，主、副控制器在纯比例控制作用下，将主控制器的比例度先固定在将主控制器的比例度先固定在100%的刻度上，逐渐缩的刻度上，逐渐缩小副控制器的比例度，求取副回路在满足某种衰减比小副控制器的比例度，求取副回路在满足某种衰减比（4:1）过渡过程下的副控制器比例度和操作周期。分过渡过程下的副控制器比例度和操作周期。分别用别用2s 、 T2s表示。表示。 2）在副控制器比例度等于在副控制器比例度等于2s 条件下，逐步减小主控条件下，逐步减小主控制器的比例度，直至得到同样衰减比的过渡