常用復(fù)雜控制系統(tǒng)

常用復(fù)雜控制系統(tǒng)第1頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一

第6章常用復(fù)雜控制系統(tǒng)第2頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一第6章常用復(fù)雜控制系統(tǒng)6.1串級控制系統(tǒng)6.2前饋控制系統(tǒng)第3頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一

本章要點1）了解串級控制系統(tǒng)的應(yīng)用背景，熟悉串級控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)與特點；2）掌握串級控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，熟悉串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法；3）了解前饋控制的原理及使用場合；4）掌握前饋補償器的設(shè)計方法，熟悉前饋－反饋復(fù)合控制的特點及工業(yè)應(yīng)用。第4頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一6.1串級控制系統(tǒng)6.1.1串級控制的基本概念連續(xù)反應(yīng)釜溫度控制示意圖物料自頂部連續(xù)進入釜中，經(jīng)反應(yīng)后由底部排出。反應(yīng)產(chǎn)生的熱量由夾套中的冷卻水帶走。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，對反應(yīng)溫度T1要進行嚴格控制。工藝要求:被控過程有三個熱容積，即夾套中的冷卻水、釜壁和釜中物料。選取冷卻水流量為調(diào)節(jié)參數(shù),構(gòu)成單回路控制系統(tǒng)第5頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一引起溫度T1變化的干擾因素有：進料方面有進料流量、進料入口溫度和化學(xué)組成，用F1表示；冷卻水方面有水的入口溫度和閥前壓力，用F2表示。問題：過渡過程時間長，調(diào)節(jié)不及時第6頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一

將兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)在一起工作，各自完成不同任務(wù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，就是串級控制的基本思想。根據(jù)這一構(gòu)思，反應(yīng)釜溫度串級控制示意圖為第7頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一串級控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)框圖主回路

--定值控制副回路

--隨動控制副回路主回路第8頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一6.1.2串級控制系統(tǒng)的特點對于同一對象單回路控制串級控制第9頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一1.能迅速克服進入副回路的干擾串級控制等效方框圖等效副對象為第10頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一在給定信號X1作用下在干擾F2作用下

控制能力和抗干擾能力綜合指標：比值越大，系統(tǒng)的控制能力和抗干擾能力越強第11頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一

控制能力和抗干擾能力綜合指標：假設(shè)則結(jié)論：主、副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)的乘積越大，抗干擾能力越強，控制質(zhì)量越好。第12頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一與單回路控制系統(tǒng)的比較：控制能力和抗干擾能力綜合指標為：一般情況下有結(jié)論：由于副回路的存在，能迅速克服二次干擾。假設(shè)則第13頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一2.能改善控制通道的動態(tài)特性，提高工作頻率（1）等效時間常數(shù)減小，響應(yīng)速度加快等效副回路假設(shè)則第14頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一串級系統(tǒng)的特征方程為：串級控制系統(tǒng)的工作頻率為：（2）提高了系統(tǒng)的工作頻率將各環(huán)節(jié)傳函代入，化簡得標準形式：第15頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一將各環(huán)節(jié)傳函代入，化簡得單回路系統(tǒng)特征方程為

單回路系統(tǒng)工作頻率

假定則（2）提高了系統(tǒng)的工作頻率第16頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一3.能適應(yīng)負荷和操作條件的劇烈變化

當采用串級控制時，主環(huán)是一個定值系統(tǒng)，而副環(huán)卻是一個隨動系統(tǒng)。主調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)操作條件和負荷變化的情況，不斷修改副調(diào)節(jié)器的給定值，以適應(yīng)操作條件和負荷的變化。副回路的等效放大系數(shù)為一般當K02或KV隨操作條件或負荷變化時，K02’幾乎不變.第17頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一串級控制：副回路——粗調(diào);主回路——細調(diào)綜上所述，串級控制系統(tǒng)的主要特點有：1）對進入副回路的干擾有很強的抑制能力；2）能改善控制通道的動態(tài)特性，提高系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力；3）對非線性情況下的負荷或操作條件的變化有一定的自適應(yīng)能力。結(jié)論：副回路改善了動特性、提高了響應(yīng)速度和工作頻率；當主、副時間常數(shù)比值一定，副調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)越大，工作頻率越高；同樣，當比例系數(shù)一定，主、副時間常數(shù)比值越大，工作頻率也越高。其結(jié)果使振蕩周期縮短，提高了系統(tǒng)的控制質(zhì)量。第18頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一6.1.3串級控制系統(tǒng)的適用范圍適用于容量滯后較大的過程選容量滯后較小的輔助變量，組成副回路以減小時間常數(shù)，提高工作頻率。加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)第19頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一2.適用于純滯后較大的過程仿絲膠液壓力與壓力串級控制系統(tǒng)工藝要求：過濾前的壓力穩(wěn)定在250KPa特點：距離長，純滯后時間長。在離調(diào)節(jié)閥較近、純時延較小的地方，選擇一個輔助參數(shù)作為副參數(shù)，構(gòu)成一個純滯后較小的副回路。計量泵第20頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一3.應(yīng)用于干擾變化劇烈、幅度大的過程工藝要求：汽包液位控制特點：快裝鍋爐容量小，蒸汽流量與水壓變化頻繁、激烈→三沖量液位串級控制?？煅b鍋爐三沖量液位串級控制第21頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一4.應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過程常壓塔塔頂出口溫度和一線溫度串級控制同一種介質(zhì)控制兩種參數(shù)單回路控制：兩套裝置，不經(jīng)濟又無法工作第22頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一5.應(yīng)用于非線性過程合成反應(yīng)器溫度串級控制：換熱器呈非線性特性特點：負荷或操作條件改變導(dǎo)致過程特性改變。若單回路控制，需隨時改變調(diào)節(jié)器整定參數(shù)以保證系統(tǒng)的衰減率不變；串級控制，則可自動調(diào)整副調(diào)節(jié)器的給定值。第23頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一

注意串級控制雖然應(yīng)用范圍廣，但必須根據(jù)具體情況，充分利用優(yōu)點，才能收到預(yù)期的效果。第24頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一6.1.4串級控制系統(tǒng)的設(shè)計副回路的設(shè)計與副參數(shù)的選擇2.主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇3.主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇問題：副參數(shù)如何選擇？主、副回路的聯(lián)系？調(diào)節(jié)器如何選擇？正、反作用如何選擇？第25頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一副回路的設(shè)計與副參數(shù)的選擇選擇原則：（1）副參數(shù)要物理可測、副對象的時間常數(shù)要小、純滯后時間應(yīng)盡可能短（2）副回路應(yīng)盡可能多地包含變化頻繁、幅度大的干擾，但也不是越多越好a）燃料油壓力為主要干擾b)燃料油粘度、成分、熱值、處理量為主要干擾第26頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一（3）主、副被控過程的時間常數(shù)要適當匹配當串級控制與單回路控制的阻尼系數(shù)相等時，有假設(shè)為常量主、副被控過程的時間常數(shù)的比值不能太大也不能太小，應(yīng)適當匹配。結(jié)論:為使主、副回路之間的動態(tài)聯(lián)系較小，避免引起系統(tǒng)共振，通常選擇時間常數(shù)的比值在3～10范圍內(nèi)為宜。使第27頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一（4）應(yīng)綜合考慮控制質(zhì)量和經(jīng)濟性要求冷劑液位為副參數(shù)，投資少，控制質(zhì)量不高；冷劑蒸發(fā)壓力為副參數(shù)，投資多，但副回路比較靈敏，控制質(zhì)量較高。選擇應(yīng)視具體情況而定。第28頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一2.主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇主調(diào)：定值控制；副調(diào)：隨動控制。

主被控參數(shù)是工藝操作的主要指標，允許波動的范圍很小，一般要求無靜差，因此，主調(diào)節(jié)器應(yīng)選PI或PID調(diào)節(jié)規(guī)律。

副被控參數(shù)允許有靜差→P,一般不引入PI；當選流量為副參數(shù)時，為保穩(wěn)定，P較大，可引入積分，即采用PI，以增強控制作用；一般不引入微分，否則會使調(diào)節(jié)閥動作過大或過于頻繁，對控制不利。第29頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一3.主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇選擇步驟：工藝要求→調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)→副調(diào)節(jié)器的正、反作用→主、副過程的正、反作用→主調(diào)節(jié)器的正、反作用。示例：燃油閥氣開，副對象為正過程，副調(diào)為反作用調(diào)節(jié)器；主對象也為正過程，主調(diào)為反作用調(diào)節(jié)器第30頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一6.1.5串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定

整定原則：盡量加大副調(diào)節(jié)器的增益，提高副回路的頻率，使主、副回路的頻率錯開，以減少相互影響。1.逐步逼近整定法1）主開環(huán)、副閉環(huán)，整定副調(diào)的參數(shù)；記為2)副回路等效成一個環(huán)節(jié)，閉合主回路，整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)，記為3）觀察過渡過程曲線，滿足要求，所求調(diào)節(jié)器參數(shù)即為否則，再整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，記為。。。反復(fù)進行，滿意為止。該方法適用于主、副過程時常相差不大、主、副回路動態(tài)聯(lián)系密切，需反復(fù)進行，費時較多第31頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一投運原則:

先投副環(huán)后投主環(huán);投運過程必須保證無擾動切換.6.1.5串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定整定原則:

盡量加大副調(diào)節(jié)器的增益，提高副回路的頻率，使主、副回路的工作頻率錯開，以減少相互影響。先整副環(huán)后整主環(huán)。第32頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一1.逐步逼近整定法1）主開環(huán)、副閉環(huán)，整定副調(diào)的參數(shù)；記為2)副回路等效成一個環(huán)節(jié)，閉合主回路，整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)，記為3）觀察過渡過程曲線，滿足要求，所求調(diào)節(jié)器參數(shù)即為否則，再整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，記為……反復(fù)進行，滿意為止。

該方法適用于主、副過程時常相差不大、主、副回路動態(tài)聯(lián)系密切，需反復(fù)進行，費時較多。第33頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一2.兩步整定法1）主、副閉合，主調(diào)為比例,比例度為100%，先用4：1衰減曲線法整定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，求得比例度δ2S和振蕩周期T2S；2)

副調(diào)節(jié)器比例度置δ2S，整定主調(diào)參數(shù)，求得主回路在4：1衰減比下的比例度δ1S和振蕩周期T1S

；根據(jù)兩種情況下的比例度和振蕩周期，按經(jīng)驗公式求出主、副調(diào)節(jié)器的積分時間和微分時間，然后再按先副后主、先比例后積分再微分的次序投入運行，觀察曲線，適當調(diào)整，滿意為止。

第34頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一3.一步整定法1）根據(jù)經(jīng)驗確定副調(diào)節(jié)器比例度；2）按單回路系統(tǒng)整定方法直接整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)；3）觀察曲線，在約束條件下，適當調(diào)整主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，滿意為止。

思路：先根據(jù)副過程特性或經(jīng)驗確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后一步完成主調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。理論依據(jù)：主、副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)在一定范圍內(nèi)可以任意匹配，即在的條件下，當主、副過程特性一定時，為一常數(shù)。第35頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一4.應(yīng)用舉例硝酸生產(chǎn)用氧化爐，主參數(shù)：爐溫，PI調(diào)節(jié)；副參數(shù)：氨氣流量，P調(diào)節(jié)；主、副動態(tài)聯(lián)系小，兩步整定法。為100％→1）2）副調(diào)置于32％，得主調(diào)的3）運用計算公式得：第36頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一6.2前饋控制系統(tǒng)6.2.1前饋控制的基本概念干擾補償控制：按干擾大小進行調(diào)節(jié)，克服干擾比反饋快;理論上，可實現(xiàn)理想控制。干擾F對輸出Y的傳遞函數(shù)為實現(xiàn)輸出Y(s)完全不變性的條件為第37頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一前饋控制系統(tǒng)的補償過程第38頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一

前饋控制是按照干擾作用的大小進行控制的，如控制作用恰到好處，一般比反饋控制要及時。前饋控制與反饋控制的比較：第39頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一6.2.2前饋控制的特點及局限性1.前饋控制的特點1）開環(huán)控制；2）比反饋控制及時；3）補償器為專用調(diào)節(jié)器2.前饋控制的局限性：無法實現(xiàn)對全部干擾的完全補償1）只能抑制可測干擾；2）不能對每個干擾實現(xiàn)補償；3）補償器難以精確得到，即使得到有時物理上也難以實現(xiàn).結(jié)論：不能單獨使用第40頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一6.2.3靜態(tài)補償與動態(tài)補償1.靜態(tài)補償該補償器用比例調(diào)節(jié)器即可實現(xiàn)2.動態(tài)補償

由于精確模型難以得到或難以實現(xiàn)，只有要求嚴格控制動態(tài)偏差時才采用。第41頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一6.2.4前饋－反饋復(fù)合控制作用機理分析：對干擾F的完全補償條件為設(shè)計步驟：1）獨立設(shè)計反饋控制系統(tǒng)；

2）再根據(jù)不變性原理設(shè)計前饋補償器.復(fù)合控制系統(tǒng)的特征方程式：