第八章复杂控制系统

1、第八章第八章 复杂控制系统复杂控制系统第一节第一节 串级控制系统串级控制系统第二节第二节 均匀控制系统均匀控制系统第三节第三节 比值控制系统比值控制系统第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统复杂控制系统复杂控制系统 串级串级控制系统控制系统比值控制系统比值控制系统前馈控制系统前馈控制系统均匀控制系统均匀控制系统分程控制系统分程控制系统多冲量控制系统多冲量控制系统选择控制系统选择控制系统 串级控制系统的构成原则；如何根据工艺要求串级控制系统的构成原则；如何根据工艺要求确定主、副调节器的控制规律及正、反作用。确定主、副调节器的控制规律及正、反作用。 串级控制系统设计、应用。串级控制系统设计、应用。

2、 主要内容：主要内容： 串级控制系统的组成、特点及应用场合；串级控串级控制系统的组成、特点及应用场合；串级控制系统的构成原则；如何根据工艺要求确定主、副调制系统的构成原则；如何根据工艺要求确定主、副调节器的控制规律及正、反作用。节器的控制规律及正、反作用。 重点：重点：难点：难点：第二节第二节 串级控制系统串级控制系统一、基本概念一、基本概念当对象的滞后较大，干扰比较剧当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，采用串级控制系统。烈、频繁时，采用串级控制系统。1.1.什么是串级控制系统什么是串级控制系统 如图所示：如图所示：加热炉温度控制系统。控制参数加热炉温度控制系统。控制参数是燃料量，改变燃料

3、量来维持炉是燃料量，改变燃料量来维持炉出口温度保持在工艺所规定的数出口温度保持在工艺所规定的数值上。值上。 控制系统可以克服的干扰有：控制系统可以克服的干扰有：1)1)被加热原料方面（流量、温度）被加热原料方面（流量、温度） 的干扰的干扰f f1 1；2)2)燃料方面（组分、热值、压力）燃料方面（组分、热值、压力） 的干扰的干扰f f2 2；3)3)鼓风、炉膛抽力和环境温度方面鼓风、炉膛抽力和环境温度方面 的干扰的干扰f f3 3。f f1 1f f2f f3 3方框图（并写出控制通道）方框图（并写出控制通道）f f1f f2、f f3X11 上述系统的特点是把所有的干扰都包括在控上述系统的特

4、点是把所有的干扰都包括在控制制回路里，由温度控制器来克服。控制通道长，时回路里，由温度控制器来克服。控制通道长，时间间常数大，容量滞后大，控制不及时，克服干扰能常数大，容量滞后大，控制不及时，克服干扰能力力差，控制质量不高。差，控制质量不高。 发现干扰先从炉膛温度温度反映出来。我们先发现干扰先从炉膛温度温度反映出来。我们先稳定炉膛温度，对物料的温度是有帮助的。稳定炉膛温度，对物料的温度是有帮助的。炉管炉管原料原料f11 1控制器控制器执行器执行器炉膛炉膛测量变送器测量变送器 f2 f32 2X X2控制器控制器X X1工艺控制图工艺控制图测量变送器测量变送器T T2 2T TT T2 2C C

5、T T1 1T TT T1 1C C 根据炉膛温度的变化，来预先控制燃料量，然根据炉膛温度的变化，来预先控制燃料量，然后再根据炉出口温度与给定值之差再控制燃料量，后再根据炉出口温度与给定值之差再控制燃料量，以使炉出口温度恒定。以使炉出口温度恒定。 构成了以炉出口温度为被控参数的温度调节器构成了以炉出口温度为被控参数的温度调节器与炉膛温度调节器串联在一起的串级控制系统。与炉膛温度调节器串联在一起的串级控制系统。副测量变送器-调节阀副对象-给定值副参数主测量变送器主控制器副控制器主对象主参数一次干扰二次干扰图15-6 串级控制系统的典型方框图主被控参数（主参数）：主被控参数（主参数）：工艺要求控制

6、的指标，在串级工艺要求控制的指标，在串级 系统中起主导作用的被控参数。系统中起主导作用的被控参数。副被控参数（副参数）：副被控参数（副参数）：为稳定主参数或满足某种关系为稳定主参数或满足某种关系 需要而引入的辅助被控变量。需要而引入的辅助被控变量。 主被控对象：主被控对象：为主被控参数表征其特性的生产设备为主被控参数表征其特性的生产设备。副副被控被控对象：对象：为副被控参数表征其特性的生产设备。为副被控参数表征其特性的生产设备。副回路副回路主回路主回路2.2.串级控制系统中常用名词串级控制系统中常用名词主调节器：主调节器：按主参数测量与给定的偏差动作，输出作按主参数测量与给定的偏差动作，输出作

7、 为副控制器的给定。为副控制器的给定。 P P主出主出= =X X副副 副调节器：副调节器：按副参数测量值与主控制器输出的偏差而按副参数测量值与主控制器输出的偏差而 动作，输出直接控制执行器。动作，输出直接控制执行器。主、副测量变送器：主、副测量变送器：测量主、副参数的变送器。测量主、副参数的变送器。副测量变送器-调节阀副对象-给定值副参数主测量变送器主控制器副控制器主对象主参数一次干扰二次干扰图15-6 串级控制系统的典型方框图测量变送器测量变送器炉管炉管原料原料f1t1 T2C执行器执行器炉膛炉膛测量变送器测量变送器f2 f3t2 T1Ct10 Z1Z2e1e2P1 P23.3.串级控制系

8、统的控制过程分析串级控制系统的控制过程分析当干扰作用于副回路（当干扰作用于副回路（f f2 2、f f3 3出现）：出现）：炉温不允许过高，因此阀选气开式。炉温不允许过高，因此阀选气开式。 副控制器选反作用。主控制器选反作用。副控制器选反作用。主控制器选反作用。假设干扰使假设干扰使t t2 2温度升高温度升高t2t2 Z2 e2 P2 阀阀 若若t t2 2的变化太大影响到主参数的变化太大影响到主参数t t1 1，使的主控制器，使的主控制器 也投入控制过程。也投入控制过程。 t1 Z1 e1 P1 e2（=Z2 - P1) P2 t 2 阀阀 t1炉管炉管原料原料f1t1 T2C执行器执行器炉

9、膛炉膛测量变送器测量变送器f2 f3t2 T1Ct10 Z1Z2e1e2P1 P2测量变送器测量变送器当干扰作用于主回路（当干扰作用于主回路（f f1 1出现）出现）假设干扰使假设干扰使t t1 1温度升高温度升高t t2 t t1Z Z1 e e1 1P P1 1 P P2 2t t1 阀关小阀关小e e2 2（= = Z Z2 2 - - P P1 1 ）Z1 TC2P2e2测量变送器测量变送器炉管炉管原料原料f1t1执行器执行器炉膛炉膛测量变送器测量变送器f2 f3t2 TC1t10Z2e1P1当干扰作用于主、副回路（当干扰作用于主、副回路（f f1 1、f f2 2、f f3 3同时出

10、现）同时出现）主、副回路干扰有两种可能主、副回路干扰有两种可能一种是作用方向相同（同时增加）一种是作用方向相同（同时增加） 另一种作用方向相反（作用方向相反）另一种作用方向相反（作用方向相反）测量变送器测量变送器炉管炉管原料原料f f1t1 TC2执行器执行器炉膛炉膛测量变送器测量变送器f f2 f f3t2 TC1t10Z1Z2e1e2P1P2同相干扰同相干扰（t1、t2 ）t1相反干扰相反干扰（ t1、t2 ） 阀动作小阀动作小t1P1 e2 P2 阀阀 t2 t1P1 e2（=Z2 - P1 ）变化小变化小P P2 2变化小变化小 串级系统中，内部回路起了预报作用，进行了串级系统中，内部

11、回路起了预报作用，进行了“粗调粗调”。而炉出口温度完成。而炉出口温度完成“细调细调”的任务，以保的任务，以保证被控变量满足工艺的要求。证被控变量满足工艺的要求。二、串级控制系统的特点二、串级控制系统的特点(1)(1)有两个控制回路：主回路是定值控制系统，有两个控制回路：主回路是定值控制系统， 副回路是随动控制系统。副回路是随动控制系统。(2)(2)由于副回路的快速调节作用，具有很强的抗干扰由于副回路的快速调节作用，具有很强的抗干扰 能力能力, ,有效地克服了控制通道的滞后，大大地提高有效地克服了控制通道的滞后，大大地提高 了控制质量。了控制质量。(3)(3)由于副回路的引入，改善了对象的特性，

12、因此具由于副回路的引入，改善了对象的特性，因此具 有一定的自适应能力。有一定的自适应能力。副测量变送器-调节阀副对象-给定值副参数主测量变送器主控制器副控制器主对象主参数一次干扰二次干扰图15-6 串级控制系统的典型方框图 三、串级控制系统副回路的设计三、串级控制系统副回路的设计1 1应使副回路包含较多的干应使副回路包含较多的干 扰，尤其一定要包括主要扰，尤其一定要包括主要 干扰。干扰。2 2主、副变量间应有一定主、副变量间应有一定 内在联系，副变量选择内在联系，副变量选择 合理可行。合理可行。3.3.应使主、副对象时间常数相匹配，防止应使主、副对象时间常数相匹配，防止“共振共振 效应效应”出

13、现。出现。时间常数之比一般为时间常数之比一般为T T主主/ /T T副副 = =3-103-10之间之间如果如果T T副较大会动作缓慢，易出现共振。副较大会动作缓慢，易出现共振。如果如果T T副较小会漏掉主要干扰。副较小会漏掉主要干扰。4.4.当对象具有较大纯滞后而影响质量时，副回当对象具有较大纯滞后而影响质量时，副回 路应尽量少包括纯滞后或不包括纯滞后。路应尽量少包括纯滞后或不包括纯滞后。四、主、副控制器的选择四、主、副控制器的选择1.1.主、副控制器控制规律的选择主、副控制器控制规律的选择主变量调节过程结束时不应有主变量调节过程结束时不应有余差，主控器一般选余差，主控器一般选PIPI或或P

14、IDPID。副控制器副控制器一般不引入积分控制一般不引入积分控制作用作用，不能加微分不能加微分，否则会使，否则会使调节阀动作过大，对控制不利。调节阀动作过大，对控制不利。2. 2. 主、副控制器正、反作用的选择主、副控制器正、反作用的选择副控制器的选择：副控制器的选择：按简单控制系统选；按简单控制系统选；主控制器的选择：主控制器的选择：主、副变量同时增加（或减主、副变量同时增加（或减小），由工艺分析要求调节阀的动作方向一致小），由工艺分析要求调节阀的动作方向一致时，主控制器选反作用；反之，动作方向不一时，主控制器选反作用；反之，动作方向不一致，则应选正作用。致，则应选正作用。冷剂冷剂被冷却物料

15、被冷却物料阀：阀：被冷却物料温度不允许过低。被冷却物料温度不允许过低。副控制器：副控制器：阀为阀为“+ +”，FTFT为为“+ +”，副对象为，副对象为“+ +”。举例举例 控制器为控制器为“- -”。因此，选反作用控制器。因此，选反作用控制器。选气开阀。选气开阀。冷剂冷剂被冷却物料被冷却物料 主控制器：主控制器：副变量增大时阀要关小。主变量增大时要开副变量增大时阀要关小。主变量增大时要开 大阀门。两者要求相反，故选正作用控制器。大阀门。两者要求相反，故选正作用控制器。 最后确定：最后确定：控制阀应选气开阀控制阀应选气开阀；副控制器应选反作用；副控制器应选反作用； 主控制器应选正作用。主控制器

16、应选正作用。 先阀、后副、再主。先阀、后副、再主。举例举例举例举例举例举例燃料T1TT2TT1CT2C原料 加热炉串级控制系统加热炉串级控制系统阀的气开、气关形式：阀的气开、气关形式：被加热物料被加热物料温度不允许过高。温度不允许过高。 最后确定：最后确定：控制阀应选控制阀应选气开阀气开阀；副控制器应选副控制器应选反作用；反作用； 主控制器应选主控制器应选反作用。反作用。 举例举例选主控制器：选主控制器：副变量增大时要求阀关小，主变量增大副变量增大时要求阀关小，主变量增大时也要求阀关小，两个参数要求调节阀的动作方向一时也要求阀关小，两个参数要求调节阀的动作方向一致。致。副控制器：副控制器：阀为

17、阀为“+ +”，T T2 2T T为为“+ +”，副，副对象为对象为“+ +”。选气开阀。选气开阀。副控制器为副控制器为“- -”，选反作用控制器。选反作用控制器。主控制器选反作用。主控制器选反作用。第二节第二节 均匀控制系统均匀控制系统 为解决连续生产过程中前后设备供求之间的矛为解决连续生产过程中前后设备供求之间的矛盾而设置的。盾而设置的。均匀控制系统：均匀控制系统：用来保持前后两个设备供求用来保持前后两个设备供求间的被控变量在规定范围内缓慢、均匀变化间的被控变量在规定范围内缓慢、均匀变化的系统。的系统。一、均匀控制的目的一、均匀控制的目的11 11.液位变化曲线液位变化曲线 2.流量变化曲

18、线流量变化曲线t t液位液位流量流量2 2t t液位液位流量流量FCFTLTLC甲乙12图15-10 前后精馏塔的供求关系 2 21.1.简单均匀控制简单均匀控制二、均匀控制方案二、均匀控制方案控制器控制器LCLC的控制规律中比例度不要太小，积分时间大的控制规律中比例度不要太小，积分时间大一些。控制作用弱，两个参数都会平稳变化。一些。控制作用弱，两个参数都会平稳变化。 如图所示。如图所示。优点：优点： 结构简单，成本低廉。结构简单，成本低廉。适用于：适用于：干扰不大，要求不高的场合。干扰不大，要求不高的场合。2.2.串级均匀控制串级均匀控制如果流量波动比较严重时设计液位与流量串级控制。如果流量

19、波动比较严重时设计液位与流量串级控制。优点：优点：串级均匀控制，能串级均匀控制，能 克服较大的干扰。克服较大的干扰。 适用于：适用于：系统前后压力波动系统前后压力波动 较大的系统。对流较大的系统。对流 量要求比较平稳的量要求比较平稳的 场合。场合。三、系统的特点三、系统的特点1 1前后供求的两个变量都应是缓慢变化的。前后供求的两个变量都应是缓慢变化的。“均匀均匀”并非平均分配，应根据前后设备大小及并非平均分配，应根据前后设备大小及重要性等确定均匀的主次，有时需要以照顾流重要性等确定均匀的主次，有时需要以照顾流量为主，有时以液位为主。量为主，有时以液位为主。2 2变量应在允许范围内变化变量应在允

20、许范围内变化 3 3结构上仍然是简单控制系统或串级控制系。结构上仍然是简单控制系统或串级控制系。均匀控制必须满足上述两个限制条件均匀控制必须满足上述两个限制条件。能否实现主要在于控制器参数的整定。能否实现主要在于控制器参数的整定。第三节第三节 比值控制系统比值控制系统一、概述一、概述比值控制系统：比值控制系统：实现两个或两个以上参数符合一实现两个或两个以上参数符合一 定比例关系的控制系统。定比例关系的控制系统。主动量：主动量：表征主物料的参数，也称主流量。用表征主物料的参数，也称主流量。用Q1 1表示。表示。 从动量：从动量：表征从物料的参数，或称副流量。用表征从物料的参数，或称副流量。用Q2

21、 2表示。表示。二、比值控制系统的类二、比值控制系统的类型型1.1.开环比值控制系统：开环比值控制系统：优点：优点：结构简单，使用仪表少。结构简单，使用仪表少。执行器执行器- -给定给定测量变送测量变送Q1 1使用于：使用于：从动物料稳定的场合。从动物料稳定的场合。对象对象Q2 2控制器控制器 2.2.单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统为了克服开环比值控制系统的弱点，设计单闭环为了克服开环比值控制系统的弱点，设计单闭环比值控制系统。比值控制系统。 F F1 1C C当主流量当主流量Q Q1 1变化时，其信号经测量变送器送至比值变化时，其信号经测量变送器送至比值器器FYFY。比值器按预先设定好

22、的比值使输出成比例地。比值器按预先设定好的比值使输出成比例地变化。变化。当主流量没变而副流量发生了变化，副回路是一定值当主流量没变而副流量发生了变化，副回路是一定值控制系统，可以控制稳定下来，使流量比值仍能保持控制系统，可以控制稳定下来，使流量比值仍能保持不变。不变。优点：优点：实现副流量跟随主流量变化而变化，克服副流量实现副流量跟随主流量变化而变化，克服副流量本身对干扰对比值的影响，因此主、副流量的比本身对干扰对比值的影响，因此主、副流量的比值较为准确，结构形式较简单，实施较方便。值较为准确，结构形式较简单，实施较方便。 使用场合：使用场合：从动量经常波动的场合。从动量经常波动的场合。3.3

23、.双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统优点：优点： 实现了主、副流量定值控制。也实现了比较精确实现了主、副流量定值控制。也实现了比较精确的流量比值。确保了两物料总量不变。适应生产负荷的流量比值。确保了两物料总量不变。适应生产负荷的变化。的变化。缺点：缺点： 结构复杂，用仪表多，投资较大，系统调整比结构复杂，用仪表多，投资较大，系统调整比 较麻烦。较麻烦。适用场合：适用场合： 主物料干扰频繁，工艺上不允许负荷变化太大。主物料干扰频繁，工艺上不允许负荷变化太大。三、比值系数的计算三、比值系数的计算 工艺上规定的比值，是两个流量的质量或体积工艺上规定的比值，是两个流量的质量或体积流量之比。而仪表使用

24、的是统一的标准信号。必须流量之比。而仪表使用的是统一的标准信号。必须把工艺上要求的比值换算成仪表上的比值系数把工艺上要求的比值换算成仪表上的比值系数K K才能才能进行设定。进行设定。1.1.线性流量信号线性流量信号（如转子流量计、电磁流量计等）（如转子流量计、电磁流量计等）流量流量0 Qmax 对应仪表信号对应仪表信号420mA（型仪表）型仪表）I = kQ + C当当Q = 0 I = 4mA 所以所以 C = 4当当Q = Qmax I = 20mA 所以所以k = 20-4 / Qmax任意中间值任意中间值Q所对应的输出电流为所对应的输出电流为416maxQQI若工艺要求若工艺要求Q从从

25、/Q主主=Kmaxmax44主从主从QQIIKmaxmax从主QQKK max16Q4IQ2.2.非线性流量信号（如差压式流量计）非线性流量信号（如差压式流量计）因为因为Q=P Q = I 所以所以 I = kQ+C同理得出非线性流量信号比值系数计算公式同理得出非线性流量信号比值系数计算公式max2max22从主QQKK 第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统一、基本概念一、基本概念我们研究的是反馈控制系统采用的是闭环结构。由我们研究的是反馈控制系统采用的是闭环结构。由于偏差是干扰作用形成后才产生，按偏差的大小进于偏差是干扰作用形成后才产生，按偏差的大小进行控制的。行控制的。前馈控制是按引起被

26、控变量变化的干扰大小进行控前馈控制是按引起被控变量变化的干扰大小进行控制的。制的。换热器为例换热器为例如图采用前馈控制，进料流量变化，测出后送给前如图采用前馈控制，进料流量变化，测出后送给前馈控制器馈控制器FCFC，按一定的控制规律去操纵蒸汽阀，以，按一定的控制规律去操纵蒸汽阀，以补偿进料流量的变化对出口的影响。补偿进料流量的变化对出口的影响。前馈控制补偿过程如图所示前馈控制补偿过程如图所示从图中可看出前馈控制是一种开环控制回路。不存从图中可看出前馈控制是一种开环控制回路。不存在测量与给定的比较。在测量与给定的比较。控制作用控制作用干扰作用干扰作用前馈控制补偿过程前馈控制补偿过程 前馈、反馈区

27、别点；前馈、反馈区别点；1.1.前馈是开环控制系统，反馈是闭环控制系统。前馈是开环控制系统，反馈是闭环控制系统。2.2.系统检测的信号不同，反馈控制检测的是被控系统检测的信号不同，反馈控制检测的是被控 变量；前馈控制检测信号是干扰量。变量；前馈控制检测信号是干扰量。3.3.控制系统的依据不同，反馈控制基于偏差大小；控制系统的依据不同，反馈控制基于偏差大小； 前馈控制基于干扰大小进行控制。前馈控制基于干扰大小进行控制。二、前馈控制器的设计二、前馈控制器的设计前馈控制器可采用静态前馈和动态前馈前馈控制器可采用静态前馈和动态前馈静态前馈：静态前馈：利用对象的控制通道和干扰通道静态放利用对象的控制通道

28、和干扰通道静态放 大系数来设计前馈控制器。保证被控变量的静大系数来设计前馈控制器。保证被控变量的静 态偏差为零。态偏差为零。动态前馈：动态前馈：利用对象的控制通道和干扰通道动态数利用对象的控制通道和干扰通道动态数 学模型，使系统在干扰作用下的动态偏差接近学模型，使系统在干扰作用下的动态偏差接近 或等于零。或等于零。静态前馈可根据物料能量平衡计算得出或通过实静态前馈可根据物料能量平衡计算得出或通过实测数据得出。测数据得出。我们以换热器为例设计前馈控制器。我们以换热器为例设计前馈控制器。忽略换热器的热损失得：忽略换热器的热损失得：LQttCQp2121)(式中：式中：Q1 Q2 进料流量，蒸汽流量；进料流量，蒸汽流量； CP 被加热物料比热；被加热物料比热；t1,t2 被加热物料的给定温度和测量温度；被加