復(fù)雜控制系統(tǒng)

1、第九章 復(fù)雜控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)解決了大量的定值控制問題。 隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模越來(lái)越大，復(fù)雜程度越來(lái)越高，產(chǎn)品質(zhì)量要求也越來(lái)越高，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足這些要求。 復(fù)雜控制系統(tǒng)可以較好的滿足這些要求。 在單回路控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再增加計(jì)算環(huán)節(jié)，控制環(huán)節(jié)或其他環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)稱之為復(fù)雜控制系統(tǒng)。采用復(fù)雜控制系統(tǒng)對(duì)提高控制品質(zhì)，擴(kuò)大自動(dòng)化應(yīng)用范圍起著關(guān)鍵性的作用。據(jù)粗略估計(jì)，通常復(fù)雜控制系統(tǒng)約占全部控制系統(tǒng)數(shù)的10%，但是，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的貢獻(xiàn)則達(dá)80%。復(fù)雜控制系統(tǒng)有的以結(jié)構(gòu)命名，如串級(jí)控制，有的以功能或原理命名，如選擇控制，因此，出現(xiàn)交叉復(fù)雜的局面，而且他們的功能可以相互熔合，如選擇性比值控制

2、，串級(jí)比值控制等。常見的復(fù)雜控制系統(tǒng)u 串級(jí)u 均勻u 比值u 選擇性u(píng) 分程u 前饋本章學(xué)習(xí)常見的各類復(fù)雜控制系統(tǒng)的基本原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能分析，以及它們的設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面的問題。圖91 加熱爐溫度控制系統(tǒng)被控變量：原料出口溫度；操縱變量：燃料流量。當(dāng)對(duì)出口溫度控制要求不高時(shí)，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)可以滿足要求。 圖91簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)控制品質(zhì)不高的原因：有干擾時(shí)，TC輸出信號(hào)改變閥門開度，進(jìn)而改變?nèi)剂狭髁?，在爐膛中燃燒后，爐膛溫度改變，傳給管道，最終改變?cè)蠝囟?。該過(guò)程時(shí)間常數(shù)大，可達(dá)到15min。因此等到出口溫度改變后，再改變操縱變量，控制不及時(shí)，偏差在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不能被消除。問題：如何及時(shí)抑制擾動(dòng)？首先

3、分析擾動(dòng)性質(zhì)及對(duì)被控變量的影響。 控制系統(tǒng)中，每個(gè)擾動(dòng)到被控變量之間都有一條擾動(dòng)通道。加熱爐溫度控制系統(tǒng)的擾動(dòng)有：（1）燃料壓力波動(dòng)、燃料熱值的波動(dòng)。（2）原料流量的調(diào)整或波動(dòng)、原料入口溫度的波動(dòng)等。第一類擾動(dòng)首先要影響到爐膛溫度，再影響原料出口溫度。第二類擾動(dòng)直接影響到原料出口溫度。設(shè)想設(shè)想：擾動(dòng)引起被控變量變化，若能及時(shí)及時(shí)抑制擾動(dòng)，可以提高控制品質(zhì)。雖然不可能對(duì)每個(gè)擾動(dòng)都用一個(gè)控制系統(tǒng)來(lái)克服波動(dòng)，但可以把時(shí)間常數(shù)較大的被控對(duì)象分解為兩個(gè)時(shí)間常數(shù)較小的被控對(duì)象，在控制系統(tǒng)中增加一個(gè)中間被控變量，該變量可以及時(shí)地反映出某些干擾的影響，通過(guò)對(duì)該變量的及時(shí)控制克服干擾影響，最終使被控變量得到精確

4、的控制，這就是串級(jí)控制的思想。加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)如圖92所示。圖92 加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)中間被控變量：爐膛溫度；操縱變量：燃料流量。爐膛溫度變化時(shí)，TSC可以及時(shí)動(dòng)作，克服干擾。一、串級(jí)控制系統(tǒng)組成原理1、串級(jí)控制系統(tǒng)組成原理u將被控對(duì)象分解為兩個(gè)串連的被控對(duì)象，如圖94所示。u以連接分解后的兩個(gè)被控對(duì)象中的中間變量為副被控變量，構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，稱為副控制系統(tǒng)或副環(huán)。圖93 加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖u以原對(duì)象的輸出為主被控變量，即分解后的第二個(gè)被控對(duì)象的輸出，構(gòu)成一個(gè)控制系統(tǒng)，稱為主控制系統(tǒng)或主環(huán)。u主控制系統(tǒng)中控制器的輸出信號(hào)作為副控制系統(tǒng)控制器的設(shè)定值，副控制系統(tǒng)的輸出作

5、為主對(duì)象的輸入，如圖94所示。圖94 串級(jí)控制系統(tǒng)組成原理及術(shù)語(yǔ)示意圖2、串級(jí)控制系統(tǒng)術(shù)語(yǔ)u主對(duì)象、副對(duì)象：是由原被控對(duì)象分解而得到的。u主被控變量、副被控變量：分別是主對(duì)象和副對(duì)象的輸出。u主測(cè)量值、副測(cè)量值：相應(yīng)被控變量的測(cè)量值。u主控制器、副控制器：分別負(fù)責(zé)主、副對(duì)象即整個(gè)控制系統(tǒng)的控制任務(wù)。u主設(shè)定值、副設(shè)定值。u主環(huán)、副環(huán)二、控制過(guò)程1、擾動(dòng)作用于副對(duì)象 作用于副對(duì)象的擾動(dòng)，可能是燃料油的壓力或組分發(fā)生了變化。若是壓力升高，將導(dǎo)致爐膛溫度TS升高。uTS升高，導(dǎo)致ZS升高，使ES下降，副控制器輸出下降，燃料油流量下降，最終使得TS降低，達(dá)到控制目的。uTS升高，直接導(dǎo)致TM上升，ZM

6、上升，EM下降，使得RS下降。RS是副環(huán)的設(shè)定值，RS的下降，副環(huán)進(jìn)一步抑制了擾動(dòng)壓力的變化所引起的爐膛溫度TS的變化。 由于副環(huán)的作用，使控制作用變得更快、更強(qiáng)。下標(biāo)：M:主環(huán)，Master S:副環(huán)，Slave2、擾動(dòng)作用于主對(duì)象 作用于主對(duì)象的擾動(dòng)，可能是原料的流量波動(dòng)或入口溫度波動(dòng)。當(dāng)原料流量增加時(shí)，爐膛溫度TS幾乎不受影響，但原料出口溫度TM下降，使ZM下降，EM上升，RS上升，RS是副環(huán)的設(shè)定值，RS上升，副環(huán)的輸出TS一定上升，最終使TM回升，克服擾動(dòng)。雖然這時(shí)TS升高了，但副環(huán)不會(huì)把TS調(diào)整到原來(lái)的TS值，因?yàn)楦杯h(huán)的設(shè)定值RS已經(jīng)調(diào)高了。 綜合上述兩個(gè)分析可知，在串級(jí)控制系統(tǒng)中

7、，由于從對(duì)象提取出副被控變量并增加一個(gè)副環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)克服擾動(dòng)的能力更強(qiáng)、作用更及時(shí)，控制性能明顯提升。三、系統(tǒng)特點(diǎn)（1）分級(jí)控制思想 這里將一個(gè)控制通道較長(zhǎng)的對(duì)象分為兩級(jí)，把許多擾動(dòng)在第一級(jí)副環(huán)就基本克服掉。剩余的影響及其他方面擾動(dòng)的綜合影響再由主環(huán)克服。（2）串級(jí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成 與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)明顯不同，串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)對(duì)象：主、副對(duì)象；兩個(gè)控制器：主、副控制器；兩個(gè)測(cè)量變送器：主、副測(cè)量變送器；一個(gè)執(zhí)行器，組成了如圖94所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。（3）系統(tǒng)工作方式 副環(huán)工作既是隨動(dòng)又是定值，對(duì)于主控制器輸出其設(shè)定值是不確定的，隨時(shí)變化，是隨動(dòng)系統(tǒng)，而對(duì)于進(jìn)入副環(huán)的干擾則是定值控制。 主環(huán)工作于定值控制

8、方式，如果把副環(huán)看作一個(gè)整體方框，主環(huán)就相當(dāng)于一個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。 由于主環(huán)工作在定值控制方式，因此串級(jí)控制系統(tǒng)也可認(rèn)為是定值控制系統(tǒng)。（4）控制性能 由于引入副環(huán)構(gòu)成了串級(jí)控制，與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)相比，系統(tǒng)對(duì)于擾動(dòng)反應(yīng)更及時(shí)，克服擾動(dòng)的速度更快，能有效地克服系統(tǒng)滯后，改善控制精度和提高控制質(zhì)量。四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、主、副被控變量的選擇 主被控變量的選擇與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)相同。副被控變量的選擇必須保證它是操縱變量到主被控變量這個(gè)控制通道中的一個(gè)適當(dāng)?shù)闹虚g變量。這是串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵。此外，還需考慮如下幾點(diǎn)：（1）使主要擾動(dòng)作用在副環(huán)上 只有使主要擾動(dòng)作用在副環(huán)上，才能充分發(fā)揮副環(huán)響應(yīng)快速的特性，更快更好

9、地克服擾動(dòng)。 如對(duì)于圖92所示加熱爐溫度溫度控制系統(tǒng)，爐膛溫度作為副被控變量，就能很好地克服燃料熱值等擾動(dòng)。若燃料壓力波動(dòng)是主要干擾，就應(yīng)該選擇它作為副被控變量，從而及時(shí)克服該擾動(dòng)，如圖95所示。圖95 加熱爐溫度壓力串級(jí)控制系統(tǒng)（2）使副對(duì)象包含適當(dāng)多的干擾 這實(shí)際上是副被控變量的選擇問題。副被控變量越靠近主被控變量，它包含的擾動(dòng)越多，但通道變長(zhǎng)，滯后增加；副被控變量越靠近操縱變量，所包含干擾越少，通道越短。因此，要選擇適當(dāng)位置，使副對(duì)象在包含主要擾動(dòng)的同時(shí)，能包含適當(dāng)多的擾動(dòng)，從而使副環(huán)的控制作用得以更好地發(fā)揮。（3）主、副對(duì)象時(shí)間常數(shù)不能太接近 通常副對(duì)象時(shí)間常數(shù)TS小于主對(duì)象時(shí)間常數(shù)T

10、M。因?yàn)槿绻鸗M很小，說(shuō)明副被控變量的位置很靠近主被控變量。兩個(gè)變量幾乎同時(shí)變化，失去設(shè)置副環(huán)的意義。 如果主、副環(huán)時(shí)間常數(shù)基本相等，由于主、副環(huán)是密切相關(guān)的，系統(tǒng)可能出現(xiàn)“共振”，使得控制質(zhì)量下降甚至不穩(wěn)定。 因此，TS要明顯小于TM。2、控制器控制規(guī)律選擇 （1）主控制器：主環(huán)是定值控制系統(tǒng)，因此主控制器的選擇與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)類似。由于串級(jí)控制系統(tǒng)的主被控變量往往是比較重要參數(shù)，因此，主控制器通常要選用PI或PID控制規(guī)律（滯后較大時(shí)）。 （2）副控制器：副環(huán)是隨動(dòng)控制系統(tǒng)，副被控變量的控制可以有余差，因此副控制器一般采用比例控制規(guī)律即可。而且比例度較小，使得控制作用較強(qiáng)，余差不大。如果引入

11、積分控制作用，會(huì)使控制作用滯后，甚至帶來(lái)積分飽和。 當(dāng)流量為副被控變量時(shí)，由于對(duì)象的時(shí)間常數(shù)和時(shí)滯都較小，可引入積分作用，但比例度要設(shè)置較大。3、控制器作用方向選擇原則：使得控制系統(tǒng)（主、副）為負(fù)反饋 。（1）副控制器：由于副控制器處于副環(huán)，因此副控制器的作用方向選擇同簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，使得副環(huán)成為負(fù)反饋控制系統(tǒng)。（2）主控制器：主控制器處于主環(huán)中，無(wú)論副控制器的作用方向是否選擇好，主控制器的作用方向都可單獨(dú)選擇，而與副控制器無(wú)關(guān)。此時(shí)，把整個(gè)副環(huán)簡(jiǎn)化為一個(gè)方框。圖96 簡(jiǎn)化的串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖 主控制器的輸出是副環(huán)的輸入（副被控變量的設(shè)定值），副被控變量是副環(huán)的輸出。而且副環(huán)的輸入與輸出信號(hào)變化

12、方向一致（設(shè)定值增加，副被控變量增加），因此副環(huán)總是正作用方向。簡(jiǎn)化的串級(jí)控制系統(tǒng)如圖9-6所示。 當(dāng)串級(jí)控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后，確定主控制器的作用方向更加容易，此時(shí)的等效方框圖中不用考慮控制閥的作用方向。 以圖9-5所示的串級(jí)控制系統(tǒng)為例：u從加熱爐安全角度考慮，控制閥選用氣開閥，為正作用方向。u副對(duì)象：正作用（燃料流量增加，控制閥后壓力增加）u主對(duì)象：正作用（控制閥后壓力增加，加熱爐溫度增加）圖95 加熱爐溫度壓力串級(jí)控制系統(tǒng) 當(dāng)串級(jí)控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后，確定主控制器的作用方向更加容易，此時(shí)的等效方框圖中不用考慮控制閥的作用方向。 以圖9-5所示的串級(jí)控制系統(tǒng)為例：u從加熱爐安全角度考慮，控制閥

13、選用氣開閥，為正作用方向。u副對(duì)象：正作用（燃料流量增加，控制閥后壓力增加）u主對(duì)象：正作用（控制閥后壓力增加，加熱爐溫度增加） 把各個(gè)方框的作用方向標(biāo)注在系統(tǒng)方框圖上，然后確定主、副控制器的作用方向。得到如圖9-7所示的串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖。圖97 加熱爐溫度壓力串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖主、副控制器作用方向的確定：主控制器：主對(duì)象為（），主測(cè)量（），副環(huán)等效為（），為了構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，主控制規(guī)律必須為正，主控制器（整個(gè)虛線框）為反作用。副控制器：選擇原理同簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，整個(gè)副控制方框的作用方向?yàn)椋ㄒ唬?，副控制器（不含?fù)反饋比較環(huán)節(jié)）為正作用，從而保證副環(huán)是負(fù)反饋系統(tǒng)。4、系統(tǒng)投運(yùn) 實(shí)際的串級(jí)控制系統(tǒng)

14、設(shè)計(jì)還要考慮系統(tǒng)是否有“主控”要求等因素?！爸骺亍笔侵冈谠O(shè)計(jì)好的串級(jí)控制系統(tǒng)中暫時(shí)不用副控制器，由主控制器的輸出直接控制控制閥。設(shè)計(jì)中要考慮切換及切換后的“主控”系統(tǒng)為負(fù)反饋等問題。 串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)與所選用的儀表有關(guān)，采用DDZ或計(jì)算機(jī)控制時(shí)較容易。 采用DDZ型儀表投運(yùn)過(guò)程如下：（1）將主控制器的設(shè)定值設(shè)定為內(nèi)給定，副控制器為外給定。（2）在副控制器處于軟手動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行遙控操作，使主被控變量逐步在主設(shè)定值附近穩(wěn)定下來(lái)。（3）將副控制器切入自動(dòng)。（4）將主控制器切入自動(dòng)。 至此串級(jí)控制系統(tǒng)投運(yùn)完成。5、控制器參數(shù)整定 串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定過(guò)程是：先整定副環(huán)，然后再穩(wěn)定主環(huán)。主要方法有：u 兩步整定法u 一步整定法 在系統(tǒng)投運(yùn)并穩(wěn)定后，將主控制器設(shè)置為純比例方式，比例度放在100，按4:1衰減比整定副環(huán)，找出相應(yīng)的副控制器比例度 和振蕩周期 ；然后在副控制器的比例度為 情況下整定主環(huán)，使主被控變量過(guò)渡過(guò)程的衰減比為4:1，得到主控制器的比例度 和振蕩周期 。（1）兩步整定法MSSSSSTSSMST最后按照簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)整定時(shí)介紹的經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù) ， ， ， ，找出主控制參數(shù) ， 和 ，副控制的參數(shù) ， 。 再將上述整定得到的參數(shù)設(shè)置于控制器中，觀察主被控變量的過(guò)渡過(guò)程，如不滿意，再作調(diào)整。MDTSITSST