常見的復(fù)雜控制系統(tǒng)

常見的復(fù)雜控制系統(tǒng)第一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日§2.1串級控制系統(tǒng)

基本原理、結(jié)構(gòu)與性能分析

串級控制系統(tǒng)設(shè)計及工程應(yīng)用

串級控制系統(tǒng)抗積分飽和

串級控制系統(tǒng)的變型第二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日

基本原理、結(jié)構(gòu)與性能分析基本概念和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)串級控制系統(tǒng)(CascadeContro1System)是一種常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)，它根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)命名。它由兩個或兩個以上的控制器串聯(lián)連接組成，一個控制器的輸出作為另一個控制器的設(shè)定值，這類控制系統(tǒng)稱為串級控制系統(tǒng)。

第三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日圖2-1串級控制系統(tǒng)原理方框圖第四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日第五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日主調(diào)節(jié)器(主控制器)：根據(jù)主參數(shù)與給定值的偏差而動作，其輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值的調(diào)節(jié)器。副調(diào)節(jié)器(副控制器)：其給定值由主調(diào)節(jié)器的輸出決定，并根據(jù)副參數(shù)與給定值(即主調(diào)節(jié)器輸出)的偏差動作。第六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日主回路(外回路)：斷開副調(diào)節(jié)器的反饋回路后的整個外回路。副回路(內(nèi)回路)：由副參數(shù)、副調(diào)節(jié)器及所包括的一部分對象所組成的閉合回路（隨動回路)第七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日主對象(惰性區(qū))：主參數(shù)所處的那一部分工藝設(shè)備，它的輸入信號為副變量，輸出信號為主參數(shù)(主變量)。副對象(導(dǎo)前區(qū))：副參數(shù)所處的那一部分工藝設(shè)備，它的輸入信號為調(diào)節(jié)量，其輸出信號為副參數(shù)(副變量)。第八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日串級控制系統(tǒng)的特點串級控制系統(tǒng)具有很強的克服內(nèi)擾的能力。將圖2-1簡化為圖2-2

圖2-2串級控制系統(tǒng)原理簡化方框圖第九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日其中（2-1）輸出對于擾動的傳遞函數(shù)輸出對輸入的傳遞函數(shù)（2-2）（2-3）第十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日對于一個定值控制系統(tǒng)，擾動造成的影響應(yīng)該越小越好，而定值部分應(yīng)盡量保持恒定，因此，式（2-2）越接近0，式（2-3）越接近1（令

），則控制系統(tǒng)性能越好。也即用以表征克服干擾能力的式子

的值越大越好。

第十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日現(xiàn)有即為兩個調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)的乘積。如果，則有第十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日若采用如圖2-3所示單回路控制系統(tǒng)，可以算得其表征克服干擾能力的式子

（2-5）一般有：第十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日結(jié)論：系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)越大，穩(wěn)態(tài)誤差越小，克服干擾的能力也就越強，副調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)整定得越大，這個優(yōu)點越顯著。圖2-3單回路控制系統(tǒng)原理方框圖

第十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日串級控制系統(tǒng)可減小副回路的時間常數(shù)，改善對象動態(tài)特性，提高系統(tǒng)的工作頻率。假定串級控制系統(tǒng)和單回路控制以同樣的衰減率工作，即令第十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日顯然，所以串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。能夠更精確控制操縱變量的流量?？蓪崿F(xiàn)更靈活的操作方式。第十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日

串級控制系統(tǒng)設(shè)計及工程應(yīng)用串級控制系統(tǒng)主副回路和主副調(diào)節(jié)器選擇主副回路的選擇原則

副回路應(yīng)把

變化幅度大

最劇烈

最頻繁

等干擾包括在副回路內(nèi)，充分發(fā)揮副回路改善系統(tǒng)動態(tài)特性的作用，保證主參數(shù)的穩(wěn)定;應(yīng)合理選擇副對象和檢測變送環(huán)節(jié)的特性，使副環(huán)可近似為1：1比例環(huán)節(jié)。第十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日主副對象的時間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配，串級控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)相比，其工作頻率提高了，但這與主副對象的時間常數(shù)選擇是有關(guān)的。原則是兩者相差大一些，效果好一些。在選擇副回路時，主、副對象的時間常數(shù)比值應(yīng)選取適當(dāng)，一般之間較合適。第十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日當(dāng)時表示很小，副回路包括的干擾因素越來越少，副回路克服干擾能力強的優(yōu)點未能充分利用；當(dāng)時表明過大，副回路包括的干擾過多，控制作用不及時；當(dāng)時，主副對象之間的動態(tài)聯(lián)系十分緊密，如果在干擾作下，主、副參數(shù)任一個先振蕩，必將引起另一個也振蕩，這樣，兩個參數(shù)互相促進(jìn)，振蕩更加劇烈，這就是所謂的"共振效應(yīng)"，顯然應(yīng)力求避免。

第十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日串級控制系統(tǒng)主、副被控變量的選擇選擇原則如下：根據(jù)工藝過程的控制要求選擇主被控變量；主被控變量應(yīng)反映工藝指標(biāo)。副被控變量應(yīng)包含主要擾動，并應(yīng)包含盡可能多的擾動。主、副回路的時間常數(shù)和時滯應(yīng)錯開，即工作頻率錯開，以防止共振現(xiàn)象發(fā)生。主、副被控變量之間應(yīng)有一一對應(yīng)關(guān)系。主被控變量的選擇應(yīng)使主對象有較大的增益和足夠的靈敏度。應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性和工藝的合理性。第二十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日主、副回路調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇原則控制器控制規(guī)律的選擇應(yīng)根據(jù)控制系統(tǒng)的要求確定。主控制器控制規(guī)律的選擇通常為PID。副控制器控制規(guī)律的選擇通常為P或PI。

串級控制系統(tǒng)主、副控制器正反作用的選擇應(yīng)滿足負(fù)反饋的控制要求。因此，對主環(huán)和副環(huán)都必須使總開環(huán)增益為正。第二十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日串級控制系統(tǒng)中副環(huán)檢測變送環(huán)節(jié)的非線性。串級控制系統(tǒng)中副環(huán)檢測變送環(huán)節(jié)的非線性常出現(xiàn)在兩種場合：一是副被控變量為流量，采用孔板和差壓變送器，未用開方器的場合；二是用閥門定位器的凸輪改變控制閥流量特性的場合。在串級控制系統(tǒng)中，副被控變量為流量的使用最廣泛。

第二十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日串級控制系統(tǒng)中控制器的參數(shù)整定和系統(tǒng)投運串級控制系統(tǒng)控制器參數(shù)整定有逐步逼近法、兩步法和一步法等。

逐步逼近法１）斷開主回路，整定副控制器參數(shù)；２）閉合主回路，整定主控制器參數(shù)３）再整定副控制器參數(shù)、主控制器參數(shù)，直到控制品質(zhì)滿足要求。

第二十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日兩步法主控制器手動情況下，１）整定副控制器參數(shù)；２）整定好后，主控制器切自動，整定主控制器參數(shù)。一步法根據(jù)副被控對象的特性，按表2-４設(shè)置副控制器參數(shù)，然后整定主控制器參數(shù)。表2－４副控制器比例度的經(jīng)驗數(shù)據(jù)第二十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日應(yīng)用場合：逐步逼近法用于對主、副被控變量都有較高控制指標(biāo)的場合，兩步法和一步法用于對副被控變量的控制要求不高的場合。注意問題：

參數(shù)整定時應(yīng)防止共振現(xiàn)象出現(xiàn)。一旦出現(xiàn)共振，應(yīng)加大主控制器或副控制器的比例度，使副回路的工作頻率與主回路工作頻率錯開．以消除共振。串級控制系統(tǒng)的投運宜先副后主，對副控制器參數(shù)整定的結(jié)果不應(yīng)作過多限制，應(yīng)以快速、準(zhǔn)確跟蹤主控制器輸出為整定參數(shù)的目標(biāo)。第二十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日串級控制系統(tǒng)抗積分飽和與單回路控制系統(tǒng)積分飽和現(xiàn)象相似，串級控制系統(tǒng)的積分飽和現(xiàn)象也使控制品質(zhì)變差，在設(shè)計控制系統(tǒng)時，必須防止此現(xiàn)象的發(fā)生。對于不同儀表，應(yīng)根據(jù)其結(jié)構(gòu)性能，組成不同的抗積分飽和的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。采用跟蹤保持功能實現(xiàn)限制積分飽和現(xiàn)象

第二十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日圖2—５采用跟蹤保持功能限制積分飽和現(xiàn)象第二十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日當(dāng)閥門開度(或副控制器輸出)達(dá)到上限時，邏輯信號送到跟蹤保持組件，它保持主控制器輸出為當(dāng)前值；邏輯信號送到切換開關(guān)T1，通過切換開關(guān)了1，限制主控制器輸出不能大于最大值。當(dāng)有反向隨機(jī)擾動時，被控變量反向變化，主控制器輸出可立即減小，使閥門開度減小，避免了積分飽和現(xiàn)象。反之亦然。在閥門開度(副控制器輸出)達(dá)到下限時，邏輯信號也使跟蹤保持組件保持主控制器輸出當(dāng)前值，同時，切換開關(guān)T2動作，限制主控制器輸出最小值。當(dāng)有相反方向的擾動時，被控制量反向變化，主控制器輸出可立即增加，閥門跟著開大，也既不存在積分飽和現(xiàn)象了。本方法不影響主控制器和副控制器的控制規(guī)律。第二十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日采用外部積分的防飽和積分系統(tǒng)2-6（a）采用外部積分的防飽和積分系統(tǒng)第二十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日2-6(b)采用外部積分的防飽和環(huán)節(jié)的主環(huán)開環(huán)系統(tǒng)方框圖第三十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日最終得到輸入節(jié)點e1與輸出節(jié)點x1之間的傳遞函數(shù)：從上式可以看出，采用外部積分的中級系統(tǒng)與采用導(dǎo)前微分信號的雙回路控制系統(tǒng)非常相近，而與常規(guī)的串級系統(tǒng)有較大區(qū)別。第三十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日采用浮動上、下限幅的防止積分飽和統(tǒng)當(dāng)主控制器輸出增加時，上限幅上?。环聪騽幼鲿r，下限幅跟著下浮。當(dāng)閥門開度至極限位置時，副環(huán)被控變量不再變化，主控制器輸出增加到上限后不再增加。但當(dāng)主控制器輸出減小、越過不靈敏區(qū)A后，副控制器輸出才減小，形成一個很小的、可調(diào)整的不靈敏區(qū)。所以當(dāng)閥門在權(quán)限位置時，控制品質(zhì)稍為變差。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但僅適用于副環(huán)被控變量2慣性比較小的對象。

采用浮動上、下限幅的防止積分飽和系統(tǒng)示意圖

第三十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日

串級控制系統(tǒng)的變型導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)

圖2-7 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)原理方框圖第三十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日圖2-8導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的原理方框圖

第三十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日等效后的主副調(diào)節(jié)器分別為設(shè)微分器

調(diào)節(jié)器為PI規(guī)律時，即等效主調(diào)節(jié)器的特性：由此可見，等效主調(diào)節(jié)器也為PI規(guī)律，其中第三十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日等效副調(diào)節(jié)器的特性為

，具有比例積分性質(zhì)。

，具有比例積微分性質(zhì)。第三十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日

，具有比例積微分性質(zhì)一般，所以基本上是PI規(guī)律。導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)

主、副調(diào)節(jié)器均為PI控制規(guī)律的串級控制系統(tǒng)（具有很強的克服內(nèi)擾的能力）結(jié)論：只有當(dāng)串級控制系統(tǒng)中的主調(diào)節(jié)器為PID規(guī)律時，其性能才優(yōu)于導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)。同時也可以看到，在一定條件下導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)和串級控制系統(tǒng)是可以互換的。

互換的條件為：

用串級控制系統(tǒng)代替導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)時：第三十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日當(dāng)串級控制系統(tǒng)中的主調(diào)節(jié)器采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律時，就很難用導(dǎo)前微分系統(tǒng)代替。第三十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日引入閥門定位器的串級控制系統(tǒng)

圖2-9引入閥門定位器后組成的串級控制系統(tǒng)在使用時應(yīng)注意，當(dāng)閥門定位器用于流量等時間常數(shù)較小的控制系統(tǒng)時，由于副對象時間常數(shù)也較小，因此，容易出現(xiàn)共振現(xiàn)象。第三十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日§2.2比值控制系統(tǒng)

基本原理、結(jié)構(gòu)和方案分析

比值控制系統(tǒng)設(shè)計和工程應(yīng)用中的問題

比值控制系統(tǒng)的變型第四十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日

基本原理、結(jié)構(gòu)和方案分析基本原理比值控制系統(tǒng)控制兩個物料流量比值的控制系統(tǒng)。一個物料流量需要跟隨另一物料流量變化。前者稱為從動量，后者稱為主動量。

通常選擇的主動量應(yīng)是主要的物料或關(guān)鍵物料的流量，它們通常是可測不可控，物料不足時，可能會影響安全生產(chǎn)的物料流量。

第四十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日基本結(jié)構(gòu)和方案分析比值控制系統(tǒng)又稱為比率控制系統(tǒng)。按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分：

開環(huán)比值

閉環(huán)比值按比值分類：

定比值

變比值按實施的方案分：

相乘

相除第四十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日相乘方案：

用主動量信號乘以比值作為從動量控制器的設(shè)定值

主動量信號作為從動量控制器的設(shè)定，從動量乘以比值作為從動量控制器的測量相除方案：

它們是將主、從動量信號相除(可有主動量作為分母或分子兩種類型)的信號作為比值控制器的測量，比值控制器的設(shè)定是所需的比值(或比值的倒數(shù))。第四十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日相乘方案的實施

圖2-10相乘方案結(jié)構(gòu)第四十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日1．采用流量變送器(線性檢測變送環(huán)節(jié))應(yīng)注意下列問題：①當(dāng)采用線性檢測變送環(huán)節(jié)時，儀表比值系數(shù)K與工藝比值系數(shù)k之間的關(guān)系可按式(2－35)計算。②采用電動和氣動儀表時，乘法器輸人的比值電流或氣壓可按下列公式計算。一般標(biāo)準(zhǔn)公式：輸人信號＝儀表量程范圍K＋零點。第四十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日電動Ⅲ型組合儀表：（mA）（2－35）電動II型組合儀表：（mA）（2－36）氣動組合儀表：（MPa）（2－37）分流器、加法器等儀表可直接設(shè)置儀表比值系數(shù)K。③實現(xiàn)比值函數(shù)環(huán)節(jié)的儀表可以用乘法器(配合定值器)、分流器、加法器等。第四十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日2．采用差壓變送器(非線性檢測變送環(huán)節(jié))主動量變送器輸出為從動量變送器輸出為

代入和簡化，得到第四十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日3．儀表比值系數(shù)大于1時的處理在上述兩種實施方案中，如果計算所得的儀表比值系數(shù)K大于1。則輸人到比值函數(shù)環(huán)節(jié)的信號就大于該儀表的量程上限，為此，可將該比值函數(shù)環(huán)節(jié)設(shè)置在從動量控制回路。假設(shè)輸人信號為，可推導(dǎo)得到乘法器輸人的比值電流或氣壓的計算公式與式(2－34)、式(2－36)、式(2－37)相同，只需要將式中的K用其倒數(shù)代入即可。圖2-11K大于1時的相乘比值控制第四十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日4．相乘控制方案的特點比值函數(shù)環(huán)節(jié)不管是位于從動量控制回路外部還是內(nèi)部，由于乘法器的增益是固定比值，因此，儀表比值系數(shù)與從動量控制回路中負(fù)荷的變化無關(guān)。實施時，根據(jù)所選儀表類型，按式（2－34)、式(2－36)、式(2－37)可計算相應(yīng)的輸人信號數(shù)值。第四十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日采用常規(guī)儀表實施相乘控制方案時，應(yīng)根據(jù)儀表比值系數(shù)K的大小確定比值函數(shù)環(huán)節(jié)在控制回路中的位置。采用DCS或計算機(jī)控制系統(tǒng)實施時，可直接根據(jù)工藝比值系數(shù)k,將比值函數(shù)環(huán)節(jié)置于從動量控制回路外，使調(diào)整k時不影響控制回路穩(wěn)定性。采用相乘控制方案不能直接獲得實際的流量比值。第五十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日相除方案的實施圖2-12相除方案結(jié)構(gòu)第五十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日1．采用流量變送器(線性檢測變送環(huán)節(jié))采用流量變送器，主、從動量變送器輸出分別為對于電動Ⅲ型儀表，儀表比值系數(shù)K與乘法器電流穩(wěn)態(tài)時，比值控制器的測量值應(yīng)等于設(shè)定值，即簡化可得該計算公式與采用線性檢測變送環(huán)節(jié)時相乘方案的儀表比值系數(shù)K計算公式相同。

第五十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日2．采用差壓變送器(非線性檢測變送環(huán)節(jié))與相乘方案相同

3．儀表比值系數(shù)K大于1時的處理在上述兩種實施方案中，如果計算所得的儀表比值系數(shù)K大于1，則除法器的輸人信號更換，即主動量信號作為被除數(shù)信號，從動量信號作為除數(shù)信號。比值控制器設(shè)定信號對應(yīng)的電流或氣壓計算公式與式(2一34)式(2一36)、式(2一37)相同，也只需將式中的K用其倒數(shù)代入即可。第五十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日

4．相除控制方案的特點實施時，根據(jù)所選儀表類型，按式(2－35)，式(2一40)可計算比值控制器設(shè)定值或相應(yīng)的信號數(shù)值。采用常規(guī)儀表實施相除控制方案時，應(yīng)根據(jù)儀表比值系數(shù)K的大小確定被除數(shù)信號和除數(shù)信號的位置。采用DCS或計算機(jī)控制系統(tǒng)實施時，可直接根據(jù)工藝比值系數(shù)k，將該比值作為比值控制器的設(shè)定。第五十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日采用相除控制方案能直接從比值控制器的測量值獲得實際流量的比值。不管儀表比值系數(shù)的大小，比值函數(shù)環(huán)節(jié)輸出作為比值控制器的測量，因此，儀表比值系數(shù)與從動量控制回路中負(fù)荷的變化有關(guān)，呈現(xiàn)非線性關(guān)系。第五十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日

比值控制系統(tǒng)設(shè)計和工程應(yīng)用中的問題主動量和從動量的選擇

選擇依據(jù)

主動量通常選擇可測量但不可控制的過程變量。主動量選擇可能供應(yīng)不足的過程變量。從安全角度考慮，如該過程變量供應(yīng)不足會導(dǎo)致不安全時，應(yīng)選擇該過程變量為主動量。從動量通常應(yīng)是既可測量又可控制，并需要保持一定比值的過程變量。從動量通常選擇供應(yīng)有余的過程變量。第五十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日比值控制系統(tǒng)類型的選擇

有單閉環(huán)、雙閉環(huán)和變比值三類，可根據(jù)工藝要求選擇。

主動量不可控時.選用單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。主動量可控可測，但變化不大，受到的擾動較小或擾動的影響不大時，宜選擇單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。主動量可控可測，并且變化較大時，宜選雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。第五十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日當(dāng)比值需要根據(jù)生產(chǎn)過程的需要由另一個控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)時。應(yīng)選擇變比值控制系統(tǒng)。當(dāng)主動量作為前饋信號，并影響串級控制系統(tǒng)的流量副回路時，應(yīng)采用變比值控制系統(tǒng)。當(dāng)質(zhì)量偏離控制指標(biāo)需要改變流量的比優(yōu)時，應(yīng)采用變比值控制系統(tǒng)。變比值控制系統(tǒng)的第三過程變墾通常選擇過程的質(zhì)量指標(biāo)。第五十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日比值函數(shù)環(huán)節(jié)的選擇

采用常規(guī)儀表實施比值控制系統(tǒng)時，需要選擇比值函數(shù)環(huán)節(jié)的儀表。根據(jù)比值控制系統(tǒng)類型的選擇原則，比值控制系統(tǒng)宜采用相乘方案，因此，比值函數(shù)環(huán)節(jié)可從乘法器、分流器、加法器等儀表中選擇。采用常規(guī)儀表實施，如果K大于1，應(yīng)將比值函數(shù)環(huán)節(jié)設(shè)置在從動量控制回路內(nèi)。用DCS或計算機(jī)實施時，K可大于1。比值函數(shù)環(huán)節(jié)仍設(shè)置在從動量控制回路設(shè)定值通道。

第五十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日檢測變送環(huán)節(jié)的選擇采用線性檢測變送環(huán)節(jié)和非線性檢測變送環(huán)節(jié)時，除了儀表比值系數(shù)的計算公式不同外，還有下列區(qū)別。從檢測角度看，采用線性檢測變送環(huán)節(jié)(例如采用開方器)，可使顯示刻度均勻，小流量時的讀數(shù)也較清楚，但不見得能提高檢測精確度。第六十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日從可調(diào)范圍看，由于儀表比值系數(shù)在有無開方器時的計算公式不同。如果引人開方器，儀表比值系數(shù)的可調(diào)范圍可增大，因此有利于提高可調(diào)的比值范圍。從系統(tǒng)角度看，對于變比值控制系統(tǒng)，如果比值函數(shù)環(huán)節(jié)位于副流量控制回路，則未引入開方器，使副環(huán)具有非線性特性(第2.1節(jié)的討論)，造成控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定。第六十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日從經(jīng)濟(jì)角度看，引入開方器需要增加投資。根據(jù)上述討論，建儀在比值控制系統(tǒng)中采用線性檢測變送環(huán)節(jié)。其他問題1.變送器量程的選擇2.流量的溫度壓力補償比值控制系統(tǒng)的參數(shù)整定和投運比值控制系統(tǒng)的投運可按單回路控制系統(tǒng)的投運方法分別投運主、從動量控制系統(tǒng)。變比值控制系統(tǒng)按串級控制系統(tǒng)的投運方法進(jìn)行投運。

第六十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日

比值控制系統(tǒng)的變型快速跟蹤單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)

圖2-13快速跟蹤單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)框圖第六十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)

圖2-14雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)第六十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日串級比值控制系統(tǒng)圖2-15串級比值控制系統(tǒng)第六十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日§2.3雙重控制系統(tǒng)和選擇性控制

雙重控制系統(tǒng)

選擇性控制(超馳控制)第六十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日

雙重控制系統(tǒng)基本原理、結(jié)構(gòu)和性能分析

1.基本原理和結(jié)構(gòu)一個被控變量采用兩個或兩個以上的操縱變量進(jìn)行控制的控制系統(tǒng)稱為雙重或多重控制系統(tǒng)。這類控制系統(tǒng)采用不止一個控制器，其中，一個控制器輸出作為另一個控制器的測量信號。

第六十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日圖2-16雙重控制系統(tǒng)框圖第六十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日圖2-17雙重控制系統(tǒng)的等效框圖第六十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日2.性能分析雙重控制系統(tǒng)增加了副回路，與由主控制器、副控制器和慢對象組成的慢響應(yīng)的單回路控制系統(tǒng)比較，有下列特點。增加開環(huán)零點，改善控制品質(zhì)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。提高雙重控制系統(tǒng)的工作頻率。動靜結(jié)合，快慢結(jié)合，“急則治標(biāo)，緩則治本”。第七十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日雙重控制系統(tǒng)設(shè)計和工程應(yīng)用中的問題主、副操縱變量的選擇主操縱變量應(yīng)選擇具有較快動態(tài)響應(yīng)的操縱變量副操縱變量則選擇有較好靜態(tài)性能的操縱變量主、副控制器的選擇雙重控制系統(tǒng)的主、副控制器均起定值控制作用，為了消除余差，主、副控制器均應(yīng)選擇具有積分控制作用的控制器，通常不加入微分控制作用，當(dāng)快被控對象的時間常數(shù)較大時，為加速主對象的響應(yīng)，可適當(dāng)加入微分。對于副控制器，由于起緩慢的調(diào)節(jié)作用，因此，也可選用純積分的控制器。第七十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日主、副控制囂正反作用的選擇雙重控制系統(tǒng)的主、副控制回路是并聯(lián)的單回路，主、副控制器正反作用的選擇與單回路控制系統(tǒng)中控制器正反作用的選擇方法相同。雙重控制系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)雙重控制系統(tǒng)的投運和參數(shù)整定第七十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日

選擇性控制（超馳控制）基本原理、結(jié)構(gòu)和性能分析1.基本原理通常把控制回路中有選擇器的控制系統(tǒng)稱為選擇性控制(selectivecontrol)系統(tǒng)。選擇器實現(xiàn)邏輯運算，分為高選器和低選器兩類。高選器輸出是其輸入信號中的高信號，低選器輸出是其輸入信號中的低信號。

第七十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日使用選擇性控制系統(tǒng)的目的如下:生產(chǎn)過程中某一工況參數(shù)超過安全軟限時，用另一個控制回路替代原有控制回路，使工藝過程能安全運行，這類選擇性控制系統(tǒng)稱為超馳控制(overridecontrol)系統(tǒng)。選擇生產(chǎn)過程中的最高、最低或中間值，用于生產(chǎn)過程的指導(dǎo)或控制，防止事故發(fā)生，這類選擇性控制系統(tǒng)稱為競爭控制系統(tǒng)或冗余系統(tǒng)。用于邏輯提量和邏輯減量的控制系統(tǒng)。用于生產(chǎn)過程開、停車的控制。用于實現(xiàn)非線性控制規(guī)律。第七十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日2.

基本的結(jié)構(gòu)和性能分析選擇器位于兩個控制器和一個執(zhí)行器之間選擇器位于幾個檢測變送環(huán)節(jié)與控制器之間競爭控制系統(tǒng)冗余系統(tǒng)利用選擇器實現(xiàn)非線性控制第七十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日選擇性控制系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)的結(jié)合（1）選擇性控制系統(tǒng)與比值控制系統(tǒng)的結(jié)合

(2)選擇性控制系統(tǒng)與分程控制系統(tǒng)的結(jié)合具有邏輯規(guī)律的比值控制系統(tǒng)

從動量供應(yīng)不足時的比值控制系統(tǒng)圖2-18選擇性分程控制系統(tǒng)框圖第七十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日圖2-18蒸汽減壓控制系統(tǒng)實例分析第七十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日(3)補充燃料的選擇性控制系統(tǒng)實例分析:

圖2-19加熱爐燃料的選擇性控制系統(tǒng)

第七十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日選擇性控制系統(tǒng)設(shè)計和工程應(yīng)用中的問題選擇器類型的選擇控制器的選擇防積分飽和第七十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日§2.4前饋控制系統(tǒng)

基本原理、結(jié)構(gòu)和性能分析

前饋控制系統(tǒng)設(shè)計和工程應(yīng)用中的問題第八十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日

基本原理、結(jié)構(gòu)和性能分析1.基本原理反饋控制系統(tǒng)的輸出是偏差的函數(shù)，只有出現(xiàn)偏差才進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此，調(diào)節(jié)不及時。如果采用某種控制策略。使該控制運算的輸出是擾動的函數(shù)，則一旦擾動出現(xiàn)，控制就有輸出，就能在偏差還未出現(xiàn)以前就把擾動的影響消除，因此，調(diào)節(jié)及時。依據(jù)預(yù)防的控制策略設(shè)計的控制系統(tǒng)稱為前饋控制系統(tǒng)（FeedforwardControlSystem）。實際應(yīng)用中由于存在某些原因，不常采用單純前饋控制，而通常采用前饋控制與反饋控制結(jié)合組成的前潰—反饋控制系統(tǒng)。

第八十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日2.基本結(jié)構(gòu)常用的前饋控制系統(tǒng)：

單純前饋控制系統(tǒng)前饋反饋信號相加的前饋—反饋控制系統(tǒng)前饋反饋信號相乘的前饋—反饋控制系統(tǒng)單純前饋控制系統(tǒng)是開環(huán)控制系統(tǒng)，開環(huán)比值控制系統(tǒng)是采用靜態(tài)前饋的一類單純前饋控制系統(tǒng)。如圖2-20所示第八十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日圖2-20單純前饋控制系統(tǒng)示例

第八十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日前饋反饋信號相乘的前饋—反饋控制系統(tǒng)圖2-21精餾塔相乘前饋-反饋控制第八十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日圖2-22相乘型的前饋-反饋控制系統(tǒng)框圖第八十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日前饋反饋信號相加的前饋—反饋控制系統(tǒng)圖2-23加熱爐的相加型前饋-反饋控制系統(tǒng)第八十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日圖2-24相加型前饋-反饋控制系統(tǒng)框圖第八十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日3.性能分析前饋控制分靜態(tài)前饋和動態(tài)前饋兩類。前饋控制器傳遞函數(shù)為

式中，稱為靜態(tài)前饋增益。靜態(tài)前饋控制算式為式中，

動態(tài)前饋算式通常采用近似式第八十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日根據(jù)和的大小關(guān)系，動態(tài)前饋控制器的階躍響應(yīng)曲線不同，當(dāng)時，前饋控制器呈現(xiàn)超前特性;當(dāng)時，前饋控制器呈現(xiàn)滯后特性；當(dāng)時，前饋控制器呈現(xiàn)比例特性，即為靜態(tài)前饋增益。第八十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日

前饋控制系統(tǒng)設(shè)計和工程應(yīng)用中的問題擾動變量的選擇

擾動變量選擇的依據(jù):通常，擾動變量可測量但不可控。擾動變量應(yīng)是主要擾動，擾動變化頻繁，幅度變化較大。擾動變量對被控變量影響大.用常規(guī)的反饋控制較難實現(xiàn)所需控制要求;用前饋控制(通常用靜態(tài)前饋)可以解決。雖然擾動變量可控，但工藝需要經(jīng)常改變其數(shù)值.進(jìn)而影響被控變最。第九十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日前饋控制規(guī)律的設(shè)計

（1）靜態(tài)前饋控制的設(shè)計

以換熱器為例靜態(tài)前饋設(shè)計第九十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日計算各環(huán)節(jié)增益為

靜態(tài)前饋控制器的控制規(guī)律為也可根據(jù)圖中前饋控制器環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系汁算得第九十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日（2）動態(tài)前饋控制的設(shè)計鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)如下圖所示第九十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日鍋爐前饋—串級反饋控制系統(tǒng)框圖第九十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日擾動通道傳遞函數(shù)廣義主對象傳遞函數(shù)第九十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日副環(huán)傳遞函數(shù)根據(jù)串級控制系統(tǒng)特點，副環(huán)可近似表示為1：1比例環(huán)節(jié)。前饋控制器傳遞函數(shù)前饋－反饋控制系統(tǒng)中流量副回路的引入是將前饋和反饋結(jié)合后的信號作為流量副回路的設(shè)定，還是將其直接作為執(zhí)行器的輸入信號，應(yīng)具體分析。

前饋控制制通道中非線性環(huán)節(jié)的處理第九十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日前饋控制規(guī)律的實現(xiàn)和偏置值的設(shè)置其中第九十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日前饋拉制系統(tǒng)的投運和參數(shù)整定

靜態(tài)前饋增益的確定：

工況下實測擾動通道的增益和控制通道的增益，然后相除得到靜態(tài)前饋增益。擾動變化量影響下，通過反饋控制系統(tǒng)使被控變量回復(fù)到設(shè)定值。則靜態(tài)前饋增益為偏置值的設(shè)置超前滯后環(huán)節(jié)的整定

變量前饋控制系統(tǒng)比例滯后控制第九十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日§2.5大遲延控制

概述

Smith預(yù)估器

Smith預(yù)估器的改進(jìn)方案第九十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日

概述

大遲延系統(tǒng)的控制是當(dāng)前研究的熱點之一客觀存在一類大遲延系統(tǒng)

=d+c, d--純遲延,c--容積遲延

/T>0.3 為大遲延對象遲延環(huán)節(jié)的存在令控制性能變壞常規(guī)控制方案特殊整定參數(shù)其他改進(jìn)方案:微分先行、中間反饋等第一百頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日

smith預(yù)估器

史密斯預(yù)估補償控制系統(tǒng)第一百零一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日精確補償時精確補償時等效框圖(未畫擾動通道)閉環(huán)特征方程中不含時滯項，消除了時滯對控制品質(zhì)的影響。對隨動控制系統(tǒng)，第一百零二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日實施Smith預(yù)估補償控制時的注意事項

魯棒性差對模型誤差敏感數(shù)學(xué)模型精度或運行條件將影響Smith補償器的控制效果。smith預(yù)估補償控制是特殊的內(nèi)?？刂频谝话倭闳?，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日圖

史密斯預(yù)估補償?shù)膬?nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)第一百零四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日

smith預(yù)估器的改進(jìn)方案1．增益自適應(yīng)補償控制

R(s)Gc(s)Y(s)++-D(s)A/B+BA根據(jù)模型和過程輸出信號之間的比值來提供一個自動校正預(yù)估器增益的信號。超調(diào)小，調(diào)節(jié)時間小第一百零五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日2.實現(xiàn)完全抗干擾的史密斯補償器不易實現(xiàn)第一百零六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日§2.6解耦控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析和相對增益

解耦控制設(shè)計和工程應(yīng)用中的問題

多變量控制器解耦

工程應(yīng)用中的有關(guān)問題第一百零七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日

系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析和相對增益1.多變量控制系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)

控制系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)或耦合的定義

：生產(chǎn)過程中的控制系統(tǒng)往往不止一個,各個控制系統(tǒng)之間會相互影響，這種影響稱為控制系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)或耦合。下3-7圖所示為流量,壓力相可關(guān)聯(lián)的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)之間關(guān)聯(lián)程度可用傳遞函數(shù)矩陣表示。圖3-8所示為雙輸入雙輸出控制系統(tǒng)的框圖。

第一百零八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日圖嚴(yán)重關(guān)聯(lián)的控制系統(tǒng)圖

雙輸入雙輸出控制系統(tǒng)框圖第一百零九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日2.相對增益陣列1966年布里斯托爾(Bristol)提出采用相對增益陣列表示控制系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)程度。兩個增益

圖

雙輸入雙輸出對象的靜態(tài)特性框圖第一百一十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日第一增益是指其他控制回路均為開環(huán)用表示。時,第二增益是其他控制回路處于閉環(huán)，該通道的增益。用表示。該通道的增益第一百一十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日相對增益指某通道輸入對輸出的第一增益與某通道輸入對輸出的第二增益之比。用表示，即第一百一十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日

3.相對增益的特點相對增益陣列中，每行和每列元素之和為1。相對增益陣列中所有元素為正時，稱為正耦合。相對增益陣列中只要有一個元素為負(fù)時,稱為負(fù)耦合。雙輸入雙輸出系統(tǒng)中有一對=1，說明該系統(tǒng)不存在靜態(tài)關(guān)聯(lián)。第一百一十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日控制系統(tǒng)中，如果某一個接近l，則采用第j個控制輸入控制第i個輸出，可減小系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)。

當(dāng)某一個接近0時，表示不宜用第j個控制輸入控制第i個輸出。這樣的輸入和輸出配對的控制方案是不可取的。

當(dāng)某一個在0.3-0.7之間或大于1.5時，說明該控制系統(tǒng)存在嚴(yán)重關(guān)聯(lián)，必須用解耦控制系統(tǒng)設(shè)計方法去除耦合

第一百一十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日4.多輸入多輸出系統(tǒng)的相對增益陣列其中，

的各元素是；其轉(zhuǎn)置矩陣的元素仍是,則相對增益矩陣為

是系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)矩陣；它就是第一開環(huán)增益矩陣；如果非奇異，則存在逆第一百一十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日

解耦控制設(shè)計和工程應(yīng)用中的問題1.解耦控制系統(tǒng)設(shè)計原則解耦控制系統(tǒng)是多變量控制系統(tǒng)，多變量控制系統(tǒng)的設(shè)計原則是穩(wěn)定