第6章高性能过程控制

1、 第第6 6章章 常用高性能过程控制系统常用高性能过程控制系统1 1）了解串级控制系统的应用背景，熟悉串级控）了解串级控制系统的应用背景，熟悉串级控制系统的典型结构与特点；制系统的典型结构与特点；2 2）掌握串级控制系统的设计方法，熟悉串级控）掌握串级控制系统的设计方法，熟悉串级控制系统的参数整定方法；制系统的参数整定方法；3 3）了解前馈控制的原理及使用场合；）了解前馈控制的原理及使用场合；4 4）掌握前馈补偿器的设计方法，熟悉前馈反）掌握前馈补偿器的设计方法，熟悉前馈反馈复合控制的特点及工业应用；馈复合控制的特点及工业应用；5 5）了解大滞后被控过程的解决方案，掌握大滞）了解大滞后被控过程

2、的解决方案，掌握大滞后过程控制的设计方案。后过程控制的设计方案。 一、什么是串级控制？它是怎样提出来的？其组成结构怎样一、什么是串级控制？它是怎样提出来的？其组成结构怎样? ?（图（图6 61;1;）化学反应釜的温度控制T1经过3个容器：夹套釜壁反应釜进料流量，温度和成分水温和水压问题：过渡过程时间长，问题：过渡过程时间长，调节不及时调节不及时解决办法：串级控制解决办法：串级控制6.1.2 6.1.2 串级控制系统的控制效果串级控制系统的控制效果1.1.能迅速克服二次干扰（图能迅速克服二次干扰（图6 65 5） 202*02220221cvmYsGsGsFsGs Gs Gs Gs副回路等效传函

3、： 1120201112020111ccvccvmY sGs Gs G s Gs GsX sGs Gs G s Gs Gs Gs *10201*212020111ccvmY sGs GsF sG s Gs G s Gs Gs Gs控制及干扰通道传函：6.1.2 6.1.2 串级控制系统的控制效果串级控制系统的控制效果111212ccvYsXsKKKYsFs 控制能力控制能力 sGsGsGsFsYsXsYvcc212111抗干扰能力抗干扰能力比值越接近比值越接近1 1，控制性能越好，控制性能越好比值越接近比值越接近0 0，抗干扰性能越强，抗干扰性能越强11( )cG sK22( )CCGsK(

4、)VVGsK假设放大系数乘积越大，性能越好控制能力和抗干扰能力综合为：控制能力和抗干扰能力综合为： 1112cvY sXsK KY sFs12CCCK KK一般情况下有：一般情况下有：结论：提高了控制质量结论：提高了控制质量2.2.能改善控制通道的动态特性，提高工作频率能改善控制通道的动态特性，提高工作频率（1 1）等效时间常数减小，响应速度加快；）等效时间常数减小，响应速度加快；( (分析比较图分析比较图6 65 5和图和图6 67 7）0202022222( )1 ,( ),( ),( )ccvvmmGsKTsGsKGsKGsK2020202220202202220202020222021

5、( )111111cvcvmcvcvmcvmKK KTsGsKK KKTsKK KKK KKKTTssKK KK0202TT副回路代替了单回路系统中的一部分过程 22020220222022( )( )( )1cvcvcvmYsGs Gs GsGsGs G s GsXsGs Gs Gs Gs副回路等效传函：串级系统的特征方程为：串级系统的特征方程为： 10201110cmGs Gs Gs Gs串级控制系统的工作频率为：串级控制系统的工作频率为：02100201220211TTTT 串对同一过程，采用单回路控制方案，用同样的分析方法，可得：对同一过程，采用单回路控制方案，用同样的分析方法，可得：

6、020102012 2 0211TTTT 单若两种方案的阻尼系数相同，则有：02010201020102010201020111TTTTTTTTTTTT单串01020102T TT T 串单20102120110102010210ccmTTK KK KssT TT T各环节代入并整理得01020010221020110010221cmTTTTKKKKTT令结论：结论：副回路改善了动态特性、提高了响应速度和工作频率；副回路改善了动态特性、提高了响应速度和工作频率； 主、副时间常数比值一定，副调节器的比例系数越大，工作频率越高；主、副时间常数比值一定，副调节器的比例系数越大，工作频率越高； 副调节

7、器比例系数一定，主、副时间常数比值越大，工作频率也越高。副调节器比例系数一定，主、副时间常数比值越大，工作频率也越高。其结果使其结果使振荡周期缩短，提高了系统的控制质量。振荡周期缩短，提高了系统的控制质量。3 3 能适应负荷和操作条件的剧烈变化能适应负荷和操作条件的剧烈变化副回路的等效放大系数为：副回路的等效放大系数为：2020220221cvcvmKK KKKK KK2022021cvmKk K KK 几乎不变2）能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速反应能力；）能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速反应能力；3）对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的适应能力。）对非线性情况下的负

8、荷或操作条件的变化有一定的适应能力。综上所述，串级控制系统的主要特点有：综上所述，串级控制系统的主要特点有：1）对进入副回路的干扰有很强的抑制能力；）对进入副回路的干扰有很强的抑制能力；6.1.3 6.1.3 串级控制系统的适用范围串级控制系统的适用范围1.1.适用于容量滞后较大的过程：适用于容量滞后较大的过程：选容量滞后较小的辅助变量，减小时常，提高频率。（图选容量滞后较小的辅助变量，减小时常，提高频率。（图6 68 8）加热炉温度串级控制系统6.1.3 6.1.3 串级控制系统的适用范围串级控制系统的适用范围2.2. 适用于纯滞后较大的过程：适用于纯滞后较大的过程：（图（图6 69 9）工

9、艺要求：过滤前的压力稳定在工艺要求：过滤前的压力稳定在250Pa;250Pa;特点：距离长，纯滞后时间长。特点：距离长，纯滞后时间长。计量泵纺丝胶液压力与压力串级控制6.1.3 6.1.3 串级控制系统的适用范围串级控制系统的适用范围3.3. 适用于干扰变化剧烈、幅度大的过程：适用于干扰变化剧烈、幅度大的过程：（图（图6 61010）工艺要求：汽包液位控制，工艺要求：汽包液位控制，特点：快装锅炉容量小，蒸汽流量与水压变化频繁、激烈特点：快装锅炉容量小，蒸汽流量与水压变化频繁、激烈三冲量液位串级控制4. 适用于参数互相关联的过程：适用于参数互相关联的过程：（图（图611）同一种介质控制两种参数同

10、一种介质控制两种参数单回路控制：两套装置，不经济又无法工作；单回路控制：两套装置，不经济又无法工作；：汽油、航空煤油等：轻柴油、重柴油、煤油等常压塔塔顶出口温度和一线温度串级控制常压塔塔顶出口温度和一线温度串级控制5. 5. 适用于非线性过程适用于非线性过程特点：特点：负荷或操作条件改变导致过程特性改变。负荷或操作条件改变导致过程特性改变。单回路控制：需随时改变调节器整定参数以保证系统的衰减率不变单回路控制：需随时改变调节器整定参数以保证系统的衰减率不变串级控制：串级控制： 可自动调整调节器的整定参数。可自动调整调节器的整定参数。醋酸生产醋酸生产-合成反应器温度串级控制合成反应器温度串级控制注

11、意：注意：串级控制虽然应用范围广，但必须根据具体情况，充分利用串级控制虽然应用范围广，但必须根据具体情况，充分利用优点，才能收到预期的效果。优点，才能收到预期的效果。a a）：燃料油压力为主要）：燃料油压力为主要干扰；干扰；b b）：燃料油粘度、成分、）：燃料油粘度、成分、热值、处理量为主要热值、处理量为主要干扰干扰副参数如何选择？副参数如何选择？ 主、副回路的联系？主、副回路的联系？调节器如何选择？调节器如何选择？ 正、反作用如何选择？正、反作用如何选择？1. 1. 副回路的设计与副参数的选择副回路的设计与副参数的选择选择原则：选择原则：（1 1）副参数要物理可测、副对象的时间常数要小、纯滞

12、后时间要副参数要物理可测、副对象的时间常数要小、纯滞后时间要尽可能短。尽可能短。 如图如图6 63 3、图、图6 68 8等等（2） 副回路要尽可能多地包含变化频繁、幅度大的干扰，但也不能越多越好。副回路要尽可能多地包含变化频繁、幅度大的干扰，但也不能越多越好。干扰越多，调节通道的惯性滞后越大。干扰越多，调节通道的惯性滞后越大。（3 3）主、副过程的时间常数要适当匹配主、副过程的时间常数要适当匹配. .2022010201020102010211/1/1/1/cvmK K K KTTTTTTTT串单当串级控制与单回路控制的阻尼系数相等时，有当串级控制与单回路控制的阻尼系数相等时，有设设 202

13、21cvmK K K K为常量为常量( (图图6 61414）图示说明；主、副被控过程时常不能图示说明；主、副被控过程时常不能太大也不能太小太大也不能太小主副回路工作频率的比值大于主副回路工作频率的比值大于3 3，时间常数的比值在时间常数的比值在3 31010范围内范围内（4 4）应综合考虑控制质量和经济性要求应综合考虑控制质量和经济性要求( (图图6 61515）a)a) 冷剂液位为副参数，投资少，控制质量不高；冷剂液位为副参数，投资少，控制质量不高；b)b) 冷剂冷剂蒸发压力为副参数，投资多，控制质量较高。选择应视具体蒸发压力为副参数，投资多，控制质量较高。选择应视具体情况而定。情况而定。

14、2 2 主、副调节器调节规律的选择主、副调节器调节规律的选择主调主调：定值控制；：定值控制；副调副调：随动控制。：随动控制。主被控参数要主被控参数要无静差无静差PI,PIDPI,PID调节；调节；副被控参数允许副被控参数允许有静差有静差PP, ,不引入不引入PIPI；当选择流量为副参时，为保稳定，当选择流量为副参时，为保稳定，P P选大时，可引入积分；选大时，可引入积分；不引入微分不引入微分。3 3 主、副调节器正、反作用方式的选择（开环放大系数为正）主、副调节器正、反作用方式的选择（开环放大系数为正）选择步骤选择步骤：工艺要求：工艺要求调节阀的气开、气关调节阀的气开、气关副调节器的正、副调节

15、器的正、反作用反作用主、副过程的正、反作用主、副过程的正、反作用主调节器的正、反作用。主调节器的正、反作用。燃油阀气开燃油阀气开副对象为正过程副对象为正过程副调为反作用调节器副调为反作用调节器主对象也为正过程主对象也为正过程主调为反作用调节器主调为反作用调节器主、副调节器正、反作用方主、副调节器正、反作用方式选择参见式选择参见188188页表页表 6-16-1加热炉温度串级控制形成负反馈6.1.5 6.1.5 串级控制系统的参数整定串级控制系统的参数整定 整定原则：整定原则： 尽量加大副调节器的增益，提高副回路的频率，使主、副回路的频率错尽量加大副调节器的增益，提高副回路的频率，使主、副回路的

16、频率错开，以减少相互影响开，以减少相互影响1. 1. 逐步逼近整定法逐步逼近整定法1 1） 主开环、副闭环主开环、副闭环，整定副调的参数；记为，整定副调的参数；记为12( )CGs2) 2) 副回路等效成一个环节，副回路等效成一个环节，闭合主回路闭合主回路，整定主调节器参数，记为，整定主调节器参数，记为11( )CGs3 3）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即为为11( )CGs12( )CGs否则，再整定副调节器参数，记为否则，再整定副调节器参数，记为22()CGs。反复进行，满意为止。反复进行，满意为止。该方法适用于主、副过程时间常数

17、相差不大、主、副回路动态联系密切，该方法适用于主、副过程时间常数相差不大、主、副回路动态联系密切，需反复进行，费时较多需反复进行，费时较多2. 2. 两步整定法两步整定法1 1）主、副闭合，主调为比例）主、副闭合，主调为比例, ,比例度为比例度为100%100%，先用，先用4 4：1 1衰衰减曲线法整定副调节器的参数，求得比例度和操作周期；减曲线法整定副调节器的参数，求得比例度和操作周期；2) 等效副回路，整定主调参数，求得主回路在等效副回路，整定主调参数，求得主回路在4：1衰减比衰减比下的比例度和操作周期；根据两种情况下的比例度和操作周下的比例度和操作周期；根据两种情况下的比例度和操作周期，

18、按经验公式求出主、副调节器的积分时间和微分时间，期，按经验公式求出主、副调节器的积分时间和微分时间，然后再按先副后主、先比例后积分再微分的次序投入运行，然后再按先副后主、先比例后积分再微分的次序投入运行，观察曲线，适当调整，满意为止。观察曲线，适当调整，满意为止。3. 3. 一步整定法一步整定法思路：思路：先根据副过程特性或经验确定副调节器的参数，然后一步完成主调先根据副过程特性或经验确定副调节器的参数，然后一步完成主调节器的参数的整定。节器的参数的整定。理论依据：理论依据：主、副调节器的放大系数在主、副调节器的放大系数在1 1）主、副调节器均置比例控制，根据约束条件或经验确定）主、副调节器均

19、置比例控制，根据约束条件或经验确定5 . 0021ccKK主、副过程特性一定时，主、副过程特性一定时，21ccKK为一常数。为一常数。2cK 2) 2) 等效副回路，按衰减曲线法整定主调节器参数；等效副回路，按衰减曲线法整定主调节器参数；3 3）观察曲线，在约束条件下，适当调整主、副调节器的参数，满意为止。）观察曲线，在约束条件下，适当调整主、副调节器的参数，满意为止。条件下，条件下，21T4. 4. 应用举例应用举例: :硝酸生产用氧化炉，主参数：炉温，硝酸生产用氧化炉，主参数：炉温，PIPI调节；副参数：氨气流量，调节；副参数：氨气流量，P P调节；调节；主、副动态联系小，两步整定法。主、

20、副动态联系小，两步整定法。12 s1 sT1s1为为100100为为32，为为15s15s；1）2 2）副调置于）副调置于3232，得主调的，得主调的为为50，为为7min7min。3 3）运用计算公式得：）运用计算公式得：为为6060，为为3.5min3.5min,为为32%32%。2 sT6.2 6.2 前馈控制系统前馈控制系统6.2.1 6.2.1 前馈控制的基本概念前馈控制的基本概念又称干扰补偿控制：按干扰大小进行调节又称干扰补偿控制：按干扰大小进行调节克服干扰比反馈快克服干扰比反馈快理论上，可实现理想控制理论上，可实现理想控制反馈控制：偏差产生之后，进行控制前馈控制：未出现偏差就提前

21、进行补偿控制干扰可测干扰初现前馈调节作用与干扰作用抵消偏差怎么产生的？6.2 6.2 前馈控制系统前馈控制系统补偿器的计算：补偿器的计算： 0FBY sGsGs GsF s sGsGsGFB0调节器只能等到T变化后才能动作结论：结论：不单独使用不单独使用6.2.2 前馈控制的特点及局限性前馈控制的特点及局限性1.1.前馈控制的特点前馈控制的特点1 1）开环开环控制；控制；2 2）比反馈控制）比反馈控制及时及时；3 3）补偿器为）补偿器为专用专用2.2. 前馈控制的局限性前馈控制的局限性：无法实现对干扰的完全补偿：无法实现对干扰的完全补偿1 1）只能抑制可测干扰；只能抑制可测干扰；2 2）不能对

22、每个干扰实现补偿；不能对每个干扰实现补偿；3 3）补偿器难以精确得到，即使得到有时物理上也难以实现补偿器难以精确得到，即使得到有时物理上也难以实现前馈反馈复合控制前馈反馈复合控制作用机理分析：作用机理分析： sFsGsGsGsGsGsXsGsGsGsGsYcBFcc000011换热器复合控制系统静态补偿/动态补偿与开环前馈相同 )(/0sGsGsGFB完全补偿条件： 011cGs Gs不同：干扰对输出的影响缩小静态补偿与动态补偿静态补偿与动态补偿静态补偿静态补偿动态补偿动态补偿静态放大系数之比动态传函之比干扰通道与控制通道的时间常数相差不大 物理易实现物理不易实现结构简单结构复杂工艺要求较低工

23、艺要求特别高 00(0)/(0)BFBGGGK sGsGsGFB0/6.2.5 6.2.5 引入前馈的原则及应用实例引入前馈的原则及应用实例1. 1. 引入前馈控制的原则引入前馈控制的原则 1 1）系统存在频率高、幅值大、系统存在频率高、幅值大、可测不可控可测不可控的干扰，的干扰，反馈控制难以克服反馈控制难以克服、控制要求高时；控制要求高时；2 2）控制通道时常大于干扰通道时常，控制通道时常大于干扰通道时常，反馈控制不及时反馈控制不及时，控制质量差；，控制质量差；3 3）主要干扰主要干扰无法用串级控制无法用串级控制使其包含于副回路或副回路滞后过大时；使其包含于副回路或副回路滞后过大时；4 4）

24、尽可能采用尽可能采用静态补偿静态补偿而不采用动态补偿。而不采用动态补偿。6.2.5 6.2.5 引入前馈的原则及应用实例引入前馈的原则及应用实例2. 2. 复合控制系统应用实例复合控制系统应用实例（1 1）蒸发过程的浓度控制）蒸发过程的浓度控制浓度浓度 溶液沸点与水沸点之温差溶液沸点与水沸点之温差复合控制复合控制方案方案：蒸汽流量为前馈信号蒸汽流量为前馈信号温差为反馈信号温差为反馈信号进料溶液为控制参数进料溶液为控制参数水（2 2）锅炉汽包水位控制）锅炉汽包水位控制水位控制的重要性水位控制的重要性影响因素：影响因素：蒸汽用量（不可控）、给水流量（选为控制参数）蒸汽用量（不可控）、给水流量（选为

25、控制参数）问题：问题： 沸水沸水“虚假水位虚假水位”。影响控制效果。影响控制效果。解决方案：解决方案：蒸汽流量为前馈信号蒸汽流量为前馈信号给水流量为副参数给水流量为副参数水位为主参数水位为主参数前馈反馈串级控制前馈反馈串级控制燃料量不变6.3 6.3 大滞后过程控制系统大滞后过程控制系统6.3.1 6.3.1 大滞后过程概述大滞后过程概述纯滞后：纯滞后：介质传输、化学反应、管道混合、皮带传送、轧辊传输、多容器串介质传输、化学反应、管道混合、皮带传送、轧辊传输、多容器串联成分测量等。联成分测量等。纯滞后的程度：纯滞后的程度：3 . 0/ T3 . 0/ T称为一般纯滞后；称为一般纯滞后；称为大滞

26、后。称为大滞后。大纯滞后难于控制大纯滞后难于控制：1 1）测量纯滞后使调节作用不及时；测量纯滞后使调节作用不及时；2 2）控制介质传输滞后使调节动作不及时；控制介质传输滞后使调节动作不及时；3）开环频率特性的相角滞后随频率）开环频率特性的相角滞后随频率 闭环稳定裕度闭环稳定裕度解决方案：微分先行、中间反馈、解决方案：微分先行、中间反馈、史密斯预估、内模控制史密斯预估、内模控制等等6.3.2 6.3.2 史密斯预估控制史密斯预估控制1. 1. 史密斯预估控制：史密斯预估控制：预先估计动态模型预先估计动态模型 预估器使滞后了的被控量提前预估器使滞后了的被控量提前反馈反馈 调节器提前动作调节器提前动

27、作 减少超调、加速调节过程。减少超调、加速调节过程。 00ssYsGs eGsGsUs 01ssGsGse 001scscYsGs Gs eXsGs Gs e单回路控制：单回路控制：6.3.2 6.3.2 史密斯预估控制史密斯预估控制 scScscScscScscesGsGsGsGesGsGsGsGesGsGsGsGesGsGsXsY00001111 sGsGesGsGcsc001 01ssGsGse2. 2. 仿真实例仿真实例实线为史密斯预估控制结果，实线为史密斯预估控制结果，虚线为单回路控制结果虚线为单回路控制结果6.3.3 6.3.3 改进型史密斯预估控制改进型史密斯预估控制1. 1.

28、增益自适应预估控制增益自适应预估控制 scesGsUsYABAsDsDssDsUsGsDsDsDsYsYsXsGsU022301311当模型相等时，等效为图当模型相等时，等效为图625当存在差异时，通过当存在差异时，通过1s产生超前作用，使调节器产生超前作用，使调节器提前动作，以减小超调和提前动作，以减小超调和加快调节过程。加快调节过程。2.2.动态参数自适应预估控制动态参数自适应预估控制当模型准确时，主反馈信号当模型准确时，主反馈信号为零，其效果同史密斯预估为零，其效果同史密斯预估控制；当有差异时，主反馈控制；当有差异时，主反馈的动态变化经惯性滤波后反的动态变化经惯性滤波后反馈，以增强适应性

29、。馈，以增强适应性。惯性滤波器的设计惯性滤波器的设计)1)(11 (1)1)(11 ()()(1)()()(002200220202sTKsTKsTKsTKsGsGsGsGsGcCcCCCF111102002002sTsKKTKKsTKKFCCC设计思路：设两个调节器设计思路：设两个调节器均为均为PIPI调节器，调节器调节器，调节器1 1按模型完全准确时设计；按模型完全准确时设计；调节器调节器2 2按具体情况设计，按具体情况设计，设对象的非滞后部分为一设对象的非滞后部分为一阶惯性环节，且调节器阶惯性环节，且调节器2 2的积分时常与惯性时常相的积分时常与惯性时常相等，则有等，则有6.3.4 6.

30、3.4 内模控制内模控制明显改善大滞后过程的控制品质明显改善大滞后过程的控制品质设计简单设计简单调节性能好调节性能好鲁棒性强鲁棒性强内模控制系统的结构内模控制系统的结构 000000( )( )( )1( )1( )( )1( )( )ccccY sX sF sGs G sGs G sGs G sG sGs G sG s如何设计内模控制器？2. 2. 理想内模控制器理想内模控制器假设模型没有误差，则有假设模型没有误差，则有 00( )( )1( )( )ccY sGs Gs X sGs GsF s当当X(sX(s)=0,F(s)0)=0,F(s)0时：时： 01( )( )cY sGs G sF s当当X(s)0X(s)0，F(sF