常用復(fù)雜控制系統(tǒng)

常用復(fù)雜控制系統(tǒng)第一頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日

第6章常用復(fù)雜控制系統(tǒng)第二頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日第6章常用復(fù)雜控制系統(tǒng)6.1串級(jí)控制系統(tǒng)6.2前饋控制系統(tǒng)第三頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日

本章要點(diǎn)1）了解串級(jí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用背景，熟悉串級(jí)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)；2）掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，熟悉串級(jí)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(chǎng)合；4）掌握前饋補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)方法，熟悉前饋－反饋復(fù)合控制的特點(diǎn)及工業(yè)應(yīng)用。第四頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日6.1串級(jí)控制系統(tǒng)6.1.1串級(jí)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(jìn)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(duì)反應(yīng)溫度T1要進(jìn)行嚴(yán)格控制。工藝要求:被控過(guò)程有三個(gè)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)第五頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日引起溫度T1變化的干擾因素有：進(jìn)料方面有進(jìn)料流量、進(jìn)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(wèn)題：過(guò)渡過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，調(diào)節(jié)不及時(shí)第六頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日

將兩個(gè)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(jí)控制的基本思想。根據(jù)這一構(gòu)思，反應(yīng)釜溫度串級(jí)控制示意圖為第七頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日串級(jí)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(dòng)控制副回路主回路第八頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日6.1.2串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)對(duì)于同一對(duì)象單回路控制串級(jí)控制第九頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日1.能迅速克服進(jìn)入副回路的干擾串級(jí)控制等效方框圖等效副對(duì)象為第十頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日在給定信號(hào)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(biāo)：比值越大，系統(tǒng)的控制能力和抗干擾能力越強(qiáng)第十一頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日

控制能力和抗干擾能力綜合指標(biāo)：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(qiáng)，控制質(zhì)量越好。第十二頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日與單回路控制系統(tǒng)的比較：控制能力和抗干擾能力綜合指標(biāo)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)則第十三頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.能改善控制通道的動(dòng)態(tài)特性，提高工作頻率（1）等效時(shí)間常數(shù)減小，響應(yīng)速度加快等效副回路假設(shè)則第十四頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日串級(jí)系統(tǒng)的特征方程為：串級(jí)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(jiǎn)得標(biāo)準(zhǔn)形式：第十五頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日將各環(huán)節(jié)傳函代入，化簡(jiǎn)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)的工作頻率第十六頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.能適應(yīng)負(fù)荷和操作條件的劇烈變化

當(dāng)采用串級(jí)控制時(shí)，主環(huán)是一個(gè)定值系統(tǒng)，而副環(huán)卻是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。主調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)操作條件和負(fù)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(fù)荷的變化。副回路的等效放大系數(shù)為一般當(dāng)K02或KV隨操作條件或負(fù)荷變化時(shí)，K02’幾乎不變.第十七頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日串級(jí)控制：副回路——粗調(diào);主回路——細(xì)調(diào)綜上所述，串級(jí)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：1）對(duì)進(jìn)入副回路的干擾有很強(qiáng)的抑制能力；2）能改善控制通道的動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力；3）對(duì)非線性情況下的負(fù)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(dòng)特性、提高了響應(yīng)速度和工作頻率；當(dāng)主、副時(shí)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(dāng)比例系數(shù)一定，主、副時(shí)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。第十八頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日6.1.3串級(jí)控制系統(tǒng)的適用范圍適用于容量滯后較大的過(guò)程選容量滯后較小的輔助變量，組成副回路以減小時(shí)間常數(shù)，提高工作頻率。加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)第十九頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.適用于純滯后較大的過(guò)程仿絲膠液壓力與壓力串級(jí)控制系統(tǒng)工藝要求：過(guò)濾前的壓力穩(wěn)定在250KPa特點(diǎn)：距離長(zhǎng)，純滯后時(shí)間長(zhǎng)。在離調(diào)節(jié)閥較近、純時(shí)延較小的地方，選擇一個(gè)輔助參數(shù)作為副參數(shù)，構(gòu)成一個(gè)純滯后較小的副回路。計(jì)量泵第二十頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.應(yīng)用于干擾變化劇烈、幅度大的過(guò)程工藝要求：汽包液位控制特點(diǎn)：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(jí)控制?？煅b鍋爐三沖量液位串級(jí)控制第二十一頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日4.應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過(guò)程常壓塔塔頂出口溫度和一線溫度串級(jí)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(jì)又無(wú)法工作第二十二頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.應(yīng)用于非線性過(guò)程合成反應(yīng)器溫度串級(jí)控制：換熱器呈非線性特性特點(diǎn)：負(fù)荷或操作條件改變導(dǎo)致過(guò)程特性改變。若單回路控制，需隨時(shí)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(jí)控制，則可自動(dòng)調(diào)整副調(diào)節(jié)器的給定值。第二十三頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日

注意串級(jí)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(diǎn)，才能收到預(yù)期的效果。第二十四頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日6.1.4串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)副回路的設(shè)計(jì)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(wèn)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？第二十五頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日副回路的設(shè)計(jì)與副參數(shù)的選擇選擇原則：（1）副參數(shù)要物理可測(cè)、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)要小、純滯后時(shí)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二十六頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日（3）主、副被控過(guò)程的時(shí)間常數(shù)要適當(dāng)匹配當(dāng)串級(jí)控制與單回路控制的阻尼系數(shù)相等時(shí)，有假設(shè)為常量主、副被控過(guò)程的時(shí)間常數(shù)的比值不能太大也不能太小，應(yīng)適當(dāng)匹配。結(jié)論:為使主、副回路之間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系較小，避免引起系統(tǒng)共振，通常選擇時(shí)間常數(shù)的比值在3～10范圍內(nèi)為宜。使第二十七頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日（4）應(yīng)綜合考慮控制質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)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。第二十八頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日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(dòng)控制。

主被控參數(shù)是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動(dòng)的范圍很小，一般要求無(wú)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(dāng)選流量為副參數(shù)時(shí)，為保穩(wěn)定，P較大，可引入積分，即采用PI，以增強(qiáng)控制作用；一般不引入微分，否則會(huì)使調(diào)節(jié)閥動(dòng)作過(guò)大或過(guò)于頻繁，對(duì)控制不利。第二十九頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日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(guò)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(duì)象為正過(guò)程，副調(diào)為反作用調(diào)節(jié)器；主對(duì)象也為正過(guò)程，主調(diào)為反作用調(diào)節(jié)器第三十頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日6.1.5串級(jí)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(cuò)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(gè)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(guò)渡過(guò)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(jìn)行，滿意為止。該方法適用于主、副過(guò)程時(shí)常相差不大、主、副回路動(dòng)態(tài)聯(lián)系密切，需反復(fù)進(jìn)行，費(fèi)時(shí)較多第三十一頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日投運(yùn)原則:

先投副環(huán)后投主環(huán);投運(yùn)過(guò)程必須保證無(wú)擾動(dòng)切換.6.1.5串級(jí)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(cuò)開，以減少相互影響。先整副環(huán)后整主環(huán)。第三十二頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日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(gè)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(guò)渡過(guò)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(jìn)行，滿意為止。

該方法適用于主、副過(guò)程時(shí)常相差不大、主、副回路動(dòng)態(tài)聯(lián)系密切，需反復(fù)進(jìn)行，費(fèi)時(shí)較多。第三十三頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日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(yàn)公式求出主、副調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間和微分時(shí)間，然后再按先副后主、先比例后積分再微分的次序投入運(yùn)行，觀察曲線，適當(dāng)調(diào)整，滿意為止。

第三十四頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.一步整定法1）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(dāng)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(guò)程特性或經(jīng)驗(yàn)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(dāng)主、副過(guò)程特性一定時(shí)，為一常數(shù)。第三十五頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日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(dòng)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(yùn)用計(jì)算公式得：第三十六頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日6.2前饋控制系統(tǒng)6.2.1前饋控制的基本概念干擾補(bǔ)償控制：按干擾大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，克服干擾比反饋快;理論上，可實(shí)現(xiàn)理想控制。干擾F對(duì)輸出Y的傳遞函數(shù)為實(shí)現(xiàn)輸出Y(s)完全不變性的條件為第三十七頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日前饋控制系統(tǒng)的補(bǔ)償過(guò)程第三十八頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日

前饋控制是按照干擾作用的大小進(jìn)行控制的，如控制作用恰到好處，一般比反饋控制要及時(shí)。前饋控制與反饋控制的比較：第三十九頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日6.2.2前饋控制的特點(diǎn)及局限性1.前饋控制的特點(diǎn)1）開環(huán)控制；2）比反饋控制及時(shí)；3）補(bǔ)償器為專用調(diào)節(jié)器2.前饋控制的局限性：無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)全部干擾的完全補(bǔ)償1）只能抑制可測(cè)干擾；2）不能對(duì)每個(gè)干擾實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償；3）補(bǔ)償器難以精確得到，即使得到有時(shí)物理上也難以實(shí)現(xiàn).結(jié)論：不能單獨(dú)使用第四十頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日6.2.3靜態(tài)補(bǔ)償與動(dòng)態(tài)補(bǔ)償1.靜態(tài)補(bǔ)償該補(bǔ)償器用比例調(diào)節(jié)器即可實(shí)現(xiàn)2.動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

由于精確模型難以得到或難以實(shí)現(xiàn)，只有要求嚴(yán)格控制動(dòng)態(tài)偏差時(shí)才采用。第四十一頁(yè)，共四十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日6.2.4前饋－反饋復(fù)合控制作用機(jī)理分析：對(duì)干擾F的完全補(bǔ)償條件為設(shè)計(jì)步驟：1）獨(dú)立設(shè)計(jì)反饋控制系統(tǒng)；

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