第四章 復(fù)雜過程控制系統(tǒng)(第二講)

1過程控制與儀表

第四章復(fù)雜過程控制系統(tǒng)12本節(jié)課的主要內(nèi)容串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)串級控制系統(tǒng)特點(diǎn)與分析（重點(diǎn)）串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（重點(diǎn)）第四章復(fù)雜過程控制系統(tǒng)4-1串級控制4-2前饋控制4-3大滯后補(bǔ)償控制34串級控制方案選取爐出口溫度為主被控參數(shù)（簡稱主參數(shù)）把爐出口溫度調(diào)節(jié)器的輸出作為爐膛溫度調(diào)節(jié)器的給定值，從而構(gòu)成爐出口溫度與爐膛溫度的串級控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)選取爐膛溫度為副被控參數(shù)（簡稱副參數(shù)）5串級控制的特點(diǎn)：擾動(dòng)f2(t)、f3(t)對爐出口溫度的影響主要由爐膛溫度調(diào)節(jié)器（稱為副調(diào)節(jié)器）構(gòu)成的控制回路（稱為副回路）來克服。擾動(dòng)f1(t)對爐出口溫度的影響由出口溫度調(diào)節(jié)器（稱為主調(diào)節(jié)器）構(gòu)成的控制回路（稱為主回路）來消除。a)被加熱物料的流量和初始溫度——f1；b)燃料熱值變化，壓力波動(dòng)，流量變化——f2；c)煙囪擋板位置改變，抽力變化——f3；6串級控制系統(tǒng)框圖爐膛溫度出口溫度7術(shù)語解釋：主被控參數(shù)：在串級系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被控參數(shù)（爐出口溫度）；

副被控參數(shù)：串級系統(tǒng)中，為了穩(wěn)定主被控參數(shù)而引進(jìn)的中間輔助參數(shù)（爐膛溫度）；主被控過程：由主被控參數(shù)表征其特征的生產(chǎn)過程，其輸入是副被控參數(shù)；主調(diào)節(jié)器：按主被控參數(shù)的測量值與給定值的偏差進(jìn)行工作的調(diào)節(jié)器，其輸出為副調(diào)節(jié)器的給定值；8術(shù)語解釋：

副調(diào)節(jié)器：按副被控參數(shù)的測量值與給定值的偏差進(jìn)行工作的調(diào)節(jié)器，其輸出直接控制調(diào)節(jié)閥工作；

主回路：由主副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、主副被控過程，主測量變送器組成的閉合回路；

副回路：由副調(diào)節(jié)器，副被控過程和副測量變送器組成的閉合回路；

一次擾動(dòng)：不包括在副回路內(nèi)的擾動(dòng)f1(t)；

二次擾動(dòng)：副回路內(nèi)的擾動(dòng)f1(t)和f2(t)；9二次擾動(dòng)一次擾動(dòng)術(shù)語說明主被控過程副被控過程主被控參數(shù)副被控參數(shù)副回路主回路10串級控制系統(tǒng)的特性及規(guī)律穩(wěn)態(tài)時(shí)，f1(t)、f2(t)、f3(t)均不變，調(diào)節(jié)閥開度不變，爐膛出口溫度處于相對平衡狀態(tài)，y1=給定值。(1)二次擾動(dòng)(副回路)：來自燃料壓力、熱值變化f2(t)和抽力變化f3(t)；工作過程有擾動(dòng)時(shí)：擾動(dòng)f2(t)、f3(t)先影響爐膛溫度，于是副調(diào)節(jié)器立即發(fā)出校正信號，控制調(diào)節(jié)閥的開度，改變?nèi)剂狭浚朔鲜鰯_動(dòng)對爐膛溫度的影響。11如果擾動(dòng)量不大，經(jīng)過副回路的及時(shí)控制，一般不影響爐出口溫度；如果擾動(dòng)的幅值較大，雖然經(jīng)過副回路的及時(shí)校正，仍影響爐出口溫度，此時(shí)再由主回路進(jìn)一步調(diào)節(jié)，從而完全克服上述擾動(dòng)，使?fàn)t出口溫度調(diào)回到給定值。(2)一次擾動(dòng)：來自被加熱物料的流量和初溫f1(t)擾動(dòng)f1(t)使?fàn)t出口溫度變化時(shí)，主回路產(chǎn)生校正作用，克服f1(t)對爐出口溫度的影響。由于副回路的存在，加快了校正作用，使擾動(dòng)對爐出口溫度的影響比單回路系統(tǒng)時(shí)要小。12(3)一二次擾動(dòng)同時(shí)存在

假設(shè)調(diào)節(jié)閥為氣開式，主、副調(diào)節(jié)器均為反作用。如果一、二次擾動(dòng)的作用使主、副被控參數(shù)一個(gè)增大（爐出口溫度升高），另一個(gè)減小（燃料量減少，即爐膛溫度降低），此時(shí)主、副調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)閥的方向是相反的，調(diào)節(jié)閥開度只作較小變動(dòng)即滿足控制要求。如果一、二次擾動(dòng)的作用使主、副被控參數(shù)同時(shí)增大或同時(shí)減少，主、副調(diào)節(jié)器對調(diào)節(jié)閥的控制方向是一致的，即大幅度關(guān)小或開大閥門，加強(qiáng)控制作用，使?fàn)t出口溫度很快調(diào)回到給定值上。132.串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與分析串級控制系統(tǒng)，其主回路(外環(huán))是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，而副回路(內(nèi)環(huán))則為一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。以加熱爐串級控制系統(tǒng)為例，在控制過程中，副回路起著對爐出口溫度的“粗調(diào)”作用，而主回路則完成對爐出口溫度的“細(xì)調(diào)”任務(wù)。串級控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)相比有一個(gè)顯著的區(qū)別，即其在結(jié)構(gòu)上多了一個(gè)副回路，形成了兩個(gè)閉環(huán)稱為雙閉環(huán)或稱為雙環(huán)。在結(jié)構(gòu)上與直流調(diào)速系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)控制是相同的，其特點(diǎn)與分析方法亦基本相同。14在串級控制系統(tǒng)中，增加了一個(gè)包含二次擾動(dòng)的副回路，使系統(tǒng)a)改善了被控過程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；與單回路控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)多用了一個(gè)測量變送器與一個(gè)控制器，增加的投資并不多，但控制效果卻有顯著提高，其原因是：

b)對二次干擾有很強(qiáng)的克服能力；c)提高了對一次擾動(dòng)的克服能力和對回路參數(shù)變化的自適應(yīng)能力。15串級控制系統(tǒng)框圖16設(shè)副回路為：(1)改善了被控過程的動(dòng)態(tài)特性假設(shè)：一階慣性環(huán)節(jié)比例控制常數(shù)17則式中，等效被控過程放大系數(shù)等效被控過程時(shí)間系數(shù)兩式相比較容量滯后減小，改善了動(dòng)態(tài)特性，響應(yīng)加快，適用于滯后較大的過程。18表明：a)由于副回路的存在，起到改善動(dòng)態(tài)特性的作用，等效時(shí)間常數(shù)縮小了(1+KC2KVK02Km2)倍；b)而且隨著調(diào)節(jié)閥比例增益的增大而減小；c)通常情況下，副對象是單容或雙容對象，因此，副調(diào)節(jié)器的KC2可以取得很大，這樣等效

就可以減到很小，從而加快了副回路的響應(yīng)速度，提高了系統(tǒng)的工作效率。19主回路的特征方程(2)提高了系統(tǒng)的工作頻率假設(shè)：主被控過程為一階慣性、比例控制律內(nèi)回路傳函則：20經(jīng)整理后得：一般二階系統(tǒng)為：自然頻率阻尼比兩式相比較21特征根為：串級系統(tǒng)的阻尼震蕩頻率為：同理可得單回路控制系統(tǒng)的阻尼震蕩頻率：22通過調(diào)節(jié)器參數(shù)整定，使則因?yàn)榇壙刂葡到y(tǒng)工作頻率大于單回路控制系統(tǒng)的工作頻率23二次擾動(dòng)作用于副回路，因此分析擾動(dòng)F2(s)的影響(3)增強(qiáng)了克服二次擾動(dòng)的能力系統(tǒng)的控制性能越好。當(dāng)系統(tǒng)在給定信號作用下，其輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的變化系統(tǒng)的抗干擾能力越強(qiáng)。其控制作用能迅速克服擾動(dòng)的影響衡量抗干擾能力越大越好24可以求出串級系統(tǒng)抗干擾能力為：單回路系統(tǒng)抗干擾能力為：串級系統(tǒng)抗擾能力與單回路系統(tǒng)抗擾能力之比：假設(shè)串級與單回路控制系統(tǒng)均采用比例調(diào)節(jié)器，則25定量描述：a)當(dāng)二次擾動(dòng)進(jìn)入副環(huán)，首先影響副參數(shù)，如影響爐膛溫度變化，于是副調(diào)節(jié)器立即動(dòng)作，力圖削弱干擾對y2的影響；b)干擾經(jīng)過副回路的抑制后再進(jìn)入主回路，對y1的影響將有較大的減弱；c)主副兩個(gè)調(diào)節(jié)器的比例增益大，抗干擾能力強(qiáng)；d)當(dāng)變化劇烈或幅值較大擾動(dòng)作用于系統(tǒng)時(shí)，可以采用串級系統(tǒng)，不過要把這些擾動(dòng)都納入副回路。26在生產(chǎn)過程中，常含有非線性與未建模動(dòng)態(tài)，工作點(diǎn)亦常隨負(fù)荷與操作條件發(fā)生變化，使過程特性發(fā)生變化。對于包含在副回路內(nèi)的非線性與參數(shù)、負(fù)荷變化，串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。(4)具有一定的自適應(yīng)能力

單回路系統(tǒng)：參數(shù)整定—工作點(diǎn)附近—參數(shù)變化—重新整定。

串級系統(tǒng)：副回路存在，自身對副回路的擾動(dòng)有補(bǔ)償作用。27

(1)主變量的選擇：同單回路被控量的選擇相同，即滿足主要的控制目標(biāo)3.串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)串級控制系統(tǒng)的主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)；對于主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計(jì)，可以按照單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行；原因：將副回路看作是一個(gè)過程串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計(jì)以及主、副回路關(guān)系的考慮。28(2)副回路的設(shè)計(jì)：在整個(gè)被控對象中選取一部分作為副對象

a)副變量的選擇應(yīng)是物理上可測的，并應(yīng)是副回路的時(shí)間常數(shù)較小，調(diào)節(jié)通道短，反映靈敏。如選爐膛溫度對燃料干擾有較大的克服作用。

b)副回路應(yīng)包括盡可能多的擾動(dòng)，至少應(yīng)包含對象所受的主要擾動(dòng)。29c)應(yīng)使主、副過程的時(shí)間常數(shù)適當(dāng)匹配若副回路用于克服強(qiáng)干擾，則T01/T02應(yīng)大些；d)副變量(回路)的選擇應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性若副回路用于減小容量滯后或大時(shí)間常數(shù)的影響，則T01/T02應(yīng)適當(dāng)大些；若副回路用于克服對象的非線性，則T01/T02選小一些；30(3)主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇主調(diào)節(jié)器：定值控制作用；

副調(diào)節(jié)器：隨動(dòng)控制作用；主參數(shù)：系統(tǒng)響應(yīng)變化范圍很小或無余差，PI、PID；否則控制時(shí)間長副參數(shù)：快速跟蹤，允許有余差，P調(diào)節(jié)，且放大系數(shù)大；一般不引入積分

不引入微分因本身起快速作用，否則調(diào)節(jié)器控制動(dòng)作過大，對控制不利。31(4)主、副調(diào)節(jié)器的正反作用確定

負(fù)反饋原則——系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的比例系數(shù)K的乘積>0爐膛溫度控制——副回路出口溫度控制——主回路燃料調(diào)節(jié)閥——?dú)忾_式以加熱爐控制系統(tǒng)為例確定順序：由內(nèi)及外32燃料調(diào)節(jié)閥——?dú)忾_式KV>0主被控過程，副被控過程，因?yàn)椋被芈沸铇?gòu)成負(fù)反饋，則副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)副回路反饋系數(shù)，Km2>0調(diào)節(jié)閥開度增大，燃料增加，爐膛溫度升高，K02>0Kc2>0，即為反作用調(diào)節(jié)器爐膛溫度升高，則爐出口溫度也升高，K01>0Km1>0主回路反饋系數(shù)，因?yàn)椋骰芈沸铇?gòu)成負(fù)反饋，則主調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)Kc1>0，即為反作用調(diào)節(jié)器整個(gè)副回路放大系數(shù)>033(5)串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來控制一個(gè)調(diào)節(jié)閥，主副調(diào)節(jié)器有聯(lián)系，是相互關(guān)聯(lián)的。串級控制系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器Wc1(s)與副調(diào)節(jié)器Wc2(s)的參數(shù)整定亦是相互關(guān)聯(lián)的，需要相互協(xié)調(diào)，反復(fù)整定才能取得最佳效果。在整定主調(diào)節(jié)器Wc1(s)時(shí)，需已知副調(diào)節(jié)器Wc2(s)的動(dòng)態(tài)特性；而在整定副調(diào)節(jié)器Wc2(s)時(shí)，需已知主調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)特性?？梢娖鋮?shù)整定過程相比單回路更為復(fù)雜。34a)兩步整定法

基本原則：根據(jù)串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，主、副過程的時(shí)間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配，即時(shí)間常數(shù)之比T01/T02在3到10范圍內(nèi)。這樣，主、副回路的工作頻率和操作周期相差很大，其動(dòng)態(tài)聯(lián)系很小，可忽略不計(jì)；副調(diào)節(jié)器參數(shù)按單回路系統(tǒng)方法整定，之后將副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路控制系統(tǒng)的整定方法，整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)，而不再考慮主調(diào)節(jié)器參數(shù)變化對副回路的影響。35對于主參數(shù)的質(zhì)量指標(biāo)要求較高，而對副參數(shù)的質(zhì)量指標(biāo)沒有嚴(yán)格要求；通常設(shè)置副參數(shù)的目的是為了進(jìn)一步提高主參數(shù)的控制質(zhì)量。在副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定好以后，再整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。這樣，只要主參數(shù)的質(zhì)量通過主調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定得到保證，副參數(shù)的控制質(zhì)量可以允許犧牲一些。36兩步法：首先，調(diào)整副調(diào)節(jié)器參數(shù)，其次，調(diào)整主調(diào)節(jié)器參數(shù)①在工況穩(wěn)定、主回路閉合，主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用的條件下，主調(diào)節(jié)器的比例度置于100%，用單回路控制系統(tǒng)的衰減曲線法(4：1)整定，求取副調(diào)節(jié)器的比例度δ2s和操作周期T2s。②整定主調(diào)節(jié)器，將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的數(shù)值δ2s上，把副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主調(diào)節(jié)器的比例度δ1s和操作周期T1s。37③根據(jù)δ1s、δ2s、T1s、T2s，按單回路系統(tǒng)衰減曲線