1、 教书育人要义 传道授业释疑；师生同心协力,共探过控真谛。熟悉仪表原理,统领系统设计；理论实践结合，思维创新第一。过程控制与自动化仪表过程控制与自动化仪表西安理工大学 潘永湘 杨延西 赵跃 制作教学理念：教学理念：第第6 6章章 常用复杂控制系统常用复杂控制系统第第6章章 常用复杂控制系统常用复杂控制系统6.1 6.1 串级控制系统串级控制系统6.2 6.2 前馈控制系统前馈控制系统1 1）了解串级控制系统的应用背景，熟悉串级控制系统）了解串级控制系统的应用背景，熟悉串级控制系统的典型结构与特点；的典型结构与特点；2 2）掌握串级控制系统的设计方法，熟悉串级控制系统）掌握串级控制系统的设计方法
2、，熟悉串级控制系统的参数整定方法；的参数整定方法；3 3）了解前馈控制的原理及使用场合；）了解前馈控制的原理及使用场合；4 4）掌握前馈补偿器的设计方法，熟悉前馈反馈复合）掌握前馈补偿器的设计方法，熟悉前馈反馈复合控制的特点及工业应用。控制的特点及工业应用。6.1 串级控制系统串级控制系统6.1.1 串级控制的基本概念串级控制的基本概念 连续反应釜温度控制示意图连续反应釜温度控制示意图 物料自顶部连续进入釜中，物料自顶部连续进入釜中，经反应后由底部排出。反经反应后由底部排出。反应产生的热量由夹套中的应产生的热量由夹套中的冷却水带走。为保证产品冷却水带走。为保证产品质量，对反应温度质量，对反应温
3、度T1要进要进行严格控制。行严格控制。工艺要求工艺要求:被控过程有三个热容积，即夹套中的冷却水、釜壁和釜中物料。被控过程有三个热容积，即夹套中的冷却水、釜壁和釜中物料。选取冷却水流量为调节参数选取冷却水流量为调节参数,构成单回路控制系统构成单回路控制系统 引起温度引起温度T T1 1变化的干扰因素有：变化的干扰因素有：进料方面有进料流量、进料入口温度和化学组成，用进料方面有进料流量、进料入口温度和化学组成，用F F1 1表示；表示；冷却水方面有水的入口温度和阀前压力，用冷却水方面有水的入口温度和阀前压力，用F F2 2表示。表示。问题：过渡过程时间长，调节不及时问题：过渡过程时间长，调节不及时
4、 将将两个调节器串联两个调节器串联在一起工作，各自完成不同任务的系统在一起工作，各自完成不同任务的系统结构，就是串级控制的基本思想。根据这一构思，反应釜温度结构，就是串级控制的基本思想。根据这一构思，反应釜温度串级控制示意图为串级控制示意图为串级控制系统的一般结构框图串级控制系统的一般结构框图 主回路主回路 -定值控制定值控制副回路副回路 -随动控制随动控制副回路主回路6.1.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点对于同一对象对于同一对象)()()(02010sGsGsG单回路控制单回路控制串级控制串级控制1.能迅速克服进入副回路的干扰能迅速克服进入副回路的干扰串级控制等效方框图串级控制等效
5、方框图 202*02220221cvmYsGsGsFsGs Gs Gs Gs等效副对象为等效副对象为 1120201112020111ccvccvmY sGs Gs G s Gs GsX sGs Gs G s Gs Gs Gs *10201*212020111ccvmY sGs GsF sG s Gs G s Gs Gs Gs在给定信号在给定信号X1作用下作用下在干扰在干扰F2作用下作用下 控制能力和抗干扰能力综合指标：控制能力和抗干扰能力综合指标：sGsGsGsFsYsXsYvcc212111比值越大，系统的控制能力和抗干扰能力越强 控制能力和抗干扰能力综合指标：控制能力和抗干扰能力综合指标
6、：sGsGsGsFsYsXsYvcc212111111212ccvYsXsKKKYsFs1122(),(),()ccCCVVG sK GsKG sK假设假设则则结论：结论：主、副调节器放大系数的乘积越大，主、副调节器放大系数的乘积越大，抗干扰能力越强，控制质量越好。抗干扰能力越强，控制质量越好。sGsGsGsGsGsGsGsGsGsXsYmvcvc101020102111 sGsGsGsGsGsGsFsYmvc1020102211 控制能力和抗干扰能力综合指标为：控制能力和抗干扰能力综合指标为：sGsGsFsYsXsYvc2111 1112cvY sXsK KY sFs12CCCK KK一般情
7、况下有一般情况下有结论：结论：由于副回路的存在，由于副回路的存在，能迅速克服二次干扰。能迅速克服二次干扰。(),()CCVVG sK G sK假设假设则则2.2.能改善控制通道的动态特性，提高工作频率能改善控制通道的动态特性，提高工作频率（1 1）等效时间常数减小，响应速度加快）等效时间常数减小，响应速度加快 22020220222022()()()1cvcvcvmYsGs Gs GsGsGs G s GsXsGs Gs Gs Gs0202022222()1,(),(),()ccvvmmGsKTsGsKGsKGsK20222020202020222021()111cvcvmcvmKK KKK
8、KKKGsTTssKK KK0202TT等效副回路假设则串级系统的特征方程为：串级系统的特征方程为：10201110cmGs Gs Gs Gs20102120110102010210ccmTTK KK KssT TT T01020010221020110010221cmTTTTKKKKTT 串级控制系统的工作频率为：串级控制系统的工作频率为：02100201220211TTTT串（2 2）提高了系统的工作频率）提高了系统的工作频率将各环节传函代入，化简得将各环节传函代入，化简得220020ss标准形式：标准形式：201020201101 0201 0210cvmTTK K K K KssT T
9、T T将各环节传函代入，化简得将各环节传函代入，化简得单回路系统特征方程为单回路系统特征方程为0)()()()()(110102sGsGsGsGsGmvc 单回路系统工作频率单回路系统工作频率220102001 02112 TTT T单 假定假定则则020102010201020102010201/1/1TTTTTTTTTTTT单串01020102/TTTT串单0102001022010210010221cvmTTTTK K KKKTT（2 2）提高了系统的工作频率）提高了系统的工作频率3.3.能适应负荷和操作条件的剧烈变化能适应负荷和操作条件的剧烈变化 当采用串级控制时，主环是一个定值系统，
10、而副环当采用串级控制时，主环是一个定值系统，而副环却是一个随动系统。主调节器能够根据操作条件和负荷却是一个随动系统。主调节器能够根据操作条件和负荷变化的情况，不断修改副调节器的给定值，以适应操作变化的情况，不断修改副调节器的给定值，以适应操作条件和负荷的变化。条件和负荷的变化。副回路的等效放大系数为副回路的等效放大系数为2020220221cvcvmK K KKK K K K一般一般20221cvmK K K K当当K0202或或KV随操作条件或负荷变化时，随操作条件或负荷变化时，K K0202几乎不变几乎不变.0221mKK串级控制：副回路串级控制：副回路粗调粗调;主回路主回路细调细调综上所
11、述，串级控制系统的主要特点有：综上所述，串级控制系统的主要特点有：1 1）对进入副回路的干扰有很强的抑制能力；）对进入副回路的干扰有很强的抑制能力；2 2）能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速反应能力；）能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速反应能力；3 3）对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的自适应）对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的自适应 能力。能力。结论：结论：副回路改善了动特性、提高了响应速度和工作频率；副回路改善了动特性、提高了响应速度和工作频率；当主、副时间常数比值一定，副调节器的比例系数越大，工当主、副时间常数比值一定，副调节器的比例系数越大，工作频率越高
12、；同样，当比例系数一定，主、副时间常数比值作频率越高；同样，当比例系数一定，主、副时间常数比值越大，工作频率也越高。其结果使振荡周期缩短，提高了系越大，工作频率也越高。其结果使振荡周期缩短，提高了系统的控制质量。统的控制质量。6.1.3 6.1.3 串级控制系统的适用范围串级控制系统的适用范围 适用于容量滞后较大的过程适用于容量滞后较大的过程 选容量滞后较小的辅助变量，组成副回路以减小时间常选容量滞后较小的辅助变量，组成副回路以减小时间常数，提高工作频率。数，提高工作频率。加热炉温度串级控制系统加热炉温度串级控制系统2.2.适用于纯滞后较大的过程适用于纯滞后较大的过程仿丝胶液压力与压力串级控制
13、系统工艺要求：工艺要求：过滤前的压力稳定在过滤前的压力稳定在250KPa250KPa特点：特点：距离长，纯滞后时间长。距离长，纯滞后时间长。在离调节阀较近、纯时延较小的地方，选择一个辅助参数在离调节阀较近、纯时延较小的地方，选择一个辅助参数作为副参数，构成一个纯滞后较小的副回路。作为副参数，构成一个纯滞后较小的副回路。计量泵3.3.应用于干扰变化剧烈、幅度大的过程应用于干扰变化剧烈、幅度大的过程工艺要求：工艺要求：汽包液位控制汽包液位控制特点：特点：快装锅炉容量小，蒸汽流量与水压变化频繁、激快装锅炉容量小，蒸汽流量与水压变化频繁、激烈烈三冲量液位串级控制。三冲量液位串级控制。快装锅炉三冲量液位
14、串级控制4.4.应用于参数互相关联的过程应用于参数互相关联的过程常压塔塔顶出口温度和一线温度串级控制常压塔塔顶出口温度和一线温度串级控制同一种介质控制两种参数同一种介质控制两种参数单回路控制：两套装置，不经济又无法工作单回路控制：两套装置，不经济又无法工作5.5.应用于非线性过程应用于非线性过程合成反应器温度串级控制：换热器呈非线性特性合成反应器温度串级控制：换热器呈非线性特性特点：特点：负荷或操作条件改变导致过程特性改变。若单回路控负荷或操作条件改变导致过程特性改变。若单回路控制，需随时改变调节器整定参数以保证系统的衰减率不变；制，需随时改变调节器整定参数以保证系统的衰减率不变；串级控制，则
15、可自动调整副调节器的给定值。串级控制，则可自动调整副调节器的给定值。注注 意意 串级控制虽然应用范围广，但必串级控制虽然应用范围广，但必须根据具体情况，充分利用优点，才须根据具体情况，充分利用优点，才能收到预期的效果。能收到预期的效果。6.1.4 6.1.4 串级控制系统的设计串级控制系统的设计 副回路的设计与副参数的选择副回路的设计与副参数的选择 2.2.主、副调节器调节规律的选择主、副调节器调节规律的选择3.3.主、副调节器正、反作用方式的选择主、副调节器正、反作用方式的选择 副回路的设计与副参数的选择副回路的设计与副参数的选择选择原则：选择原则：（1 1）副参数要物理可测、副对象的时间常
16、数要小、纯滞后时间应副参数要物理可测、副对象的时间常数要小、纯滞后时间应 尽可能短尽可能短（2 2）副回路应尽可能多地包含变化频繁、幅度大的干扰，但也副回路应尽可能多地包含变化频繁、幅度大的干扰，但也 不是越多越好不是越多越好a a）燃料油压力为主要干扰）燃料油压力为主要干扰b)b)燃料油粘度、成分、热值、处理量为主要干扰燃料油粘度、成分、热值、处理量为主要干扰（3 3）主、副被控过程的时间常数要适当匹配主、副被控过程的时间常数要适当匹配当串级控制与单回路控制的阻尼系数相等时，有当串级控制与单回路控制的阻尼系数相等时，有2022010201020102010211/1/1/1/cvmK K K
17、 KTTTTTTTT串单假设假设20221cvmK K K K为常量为常量主、副被控过程的时间常数的比值主、副被控过程的时间常数的比值不能太大也不能太小，应适当匹配。不能太大也不能太小，应适当匹配。结论结论:为使主、副回路之间的动态联系较小，为使主、副回路之间的动态联系较小，避免引起系统共振，通常选择时间常避免引起系统共振，通常选择时间常数的比值在数的比值在3 31010范围内为宜。范围内为宜。3/,3/0201TT副主使使（4 4）应综合考虑控制质量和经济性要求应综合考虑控制质量和经济性要求 冷剂液位为副参数，投资少，控制质量不高；冷剂液位为副参数，投资少，控制质量不高；冷剂蒸发压力为副参数
18、，投资多，但副回路比较灵敏，冷剂蒸发压力为副参数，投资多，但副回路比较灵敏，控制质量较高。控制质量较高。选择应视具体情况而定。选择应视具体情况而定。2.2.主、副调节器调节规律的选择主、副调节器调节规律的选择主调：主调：定值控制；定值控制；副调：副调：随动控制。随动控制。主被控参数是工艺操作的主要指标，允许波动的主被控参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要求无静差，因此，主调节器应选范围很小，一般要求无静差，因此，主调节器应选PIPI或或PIDPID调节规律。调节规律。副被控参数允许有静差副被控参数允许有静差P,P,一般不引入一般不引入PIPI；当选流；当选流量为副参数时，为保稳
19、定，量为副参数时，为保稳定，P P较大，可引入积分，即采用较大，可引入积分，即采用PIPI，以增强控制作用；一般不引入微分，否则会使调节阀，以增强控制作用；一般不引入微分，否则会使调节阀动作过大或过于频繁，对控制不利。动作过大或过于频繁，对控制不利。3.3.主、副调节器正、反作用方式的选择主、副调节器正、反作用方式的选择选择步骤：选择步骤：工艺要求工艺要求调节阀的气开、气关调节阀的气开、气关副调节器的正、反作用副调节器的正、反作用主、副过程的正、反作用主、副过程的正、反作用主调节器的正、反作用。主调节器的正、反作用。示例：示例：燃油阀气开，副对象燃油阀气开，副对象为正过程，副调为反为正过程，副
20、调为反作用调节器；主对象作用调节器；主对象也为正过程，主调为也为正过程，主调为反作用调节器反作用调节器6.1.5 6.1.5 串级控制系统的参数整定串级控制系统的参数整定 整定原则：整定原则：尽量加大副调节器的增益，提高副回路的频率，使主、副尽量加大副调节器的增益，提高副回路的频率，使主、副回路的频率错开，以减少相互影响。回路的频率错开，以减少相互影响。1.1.逐步逼近整定法逐步逼近整定法1 1）主开环、副闭环，整定副调的参数；记为主开环、副闭环，整定副调的参数；记为12()CGs2)2)副回路等效成一个环节，闭合主回路，整定主调节器参数，记为副回路等效成一个环节，闭合主回路，整定主调节器参数
21、，记为11()CGs3 3）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即为）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即为11()CGs12()CGs否则，再整定副调节器参数，记为否则，再整定副调节器参数，记为22()CGs。反复进行，满意为止。反复进行，满意为止。该方法适用于主、副过程时常相差不大、主、副回路动态联系密切，需反该方法适用于主、副过程时常相差不大、主、副回路动态联系密切，需反复进行，费时较多复进行，费时较多投运原则投运原则:先投副环后投主环先投副环后投主环;投运过程必须保证无扰动切换投运过程必须保证无扰动切换.6.1.5 6.1.5 串级控制系统的参数整定串级控制系统的参数整定
22、整定原则整定原则:尽量加大副调节器的增益，提高副回路的频率，尽量加大副调节器的增益，提高副回路的频率，使主、副回路的工作频率错开，以减少相互影响。使主、副回路的工作频率错开，以减少相互影响。先整副环后整主环。先整副环后整主环。1.1.逐步逼近整定法逐步逼近整定法11()CGs1 1）主开环、副闭环，整定副调的参数；记为）主开环、副闭环，整定副调的参数；记为12()CGs2)2)副回路等效成一个环节，闭合主回路，整定主调节器参数，副回路等效成一个环节，闭合主回路，整定主调节器参数，记为记为3 3）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即为）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即为11(
23、)CGs12()CGs否则，再整定副调节器参数，记为否则，再整定副调节器参数，记为22()CGs反复进行，满意为止。反复进行，满意为止。该方法适用于主、副过程时常相差不大、主、副回路动态该方法适用于主、副过程时常相差不大、主、副回路动态联系密切，需反复进行，费时较多。联系密切，需反复进行，费时较多。2.2.两步整定法两步整定法1 1）主、副闭合，主调为比例主、副闭合，主调为比例,比例度为比例度为100%100%，先用，先用4 4：1 1衰减衰减 曲线法整定副调节器的参数，求得比例度曲线法整定副调节器的参数，求得比例度2S2S和振荡周期和振荡周期T T2S2S；2)2)副调节器比例度置副调节器比
24、例度置2S2S，整定主调参数，求得主回路在，整定主调参数，求得主回路在4 4：1 1衰减比下的比例度衰减比下的比例度1S1S和振荡周期和振荡周期T T1S1S；根据两种情况；根据两种情况 下下的比例度和振荡周期，按经验公式求出主、副调节器的积的比例度和振荡周期，按经验公式求出主、副调节器的积 分时间和微分时间，然后再按先副后主、先比例后积分再微分时间和微分时间，然后再按先副后主、先比例后积分再微 分的次序投入运行，观察曲线，适当调整，满意为止。分的次序投入运行，观察曲线，适当调整，满意为止。3.3.一步整定法一步整定法1 1）根据经验确定副调节器比例度；根据经验确定副调节器比例度；2 2）按单
25、回路系统整定方法直接整定主调节器参数；按单回路系统整定方法直接整定主调节器参数；3 3）观察曲线，在约束条件下，适当调整主、副调节器的参数，观察曲线，在约束条件下，适当调整主、副调节器的参数，满意为止。满意为止。21ccKK思路：思路：先根据副过程特性或经验确定副调节器的参数，然后一先根据副过程特性或经验确定副调节器的参数，然后一步完成主调节器参数的整定。步完成主调节器参数的整定。理论依据：理论依据：主、副调节器的放大系数在一定范围内可以任意匹主、副调节器的放大系数在一定范围内可以任意匹配，即在配，即在 的条件下，当主、副过程特性一定时，的条件下，当主、副过程特性一定时，为一常数。为一常数。5
26、.0021ccKK232%3.5minIT 4.4.应用举例应用举例硝酸生产用氧化炉，主参数：炉温，硝酸生产用氧化炉，主参数：炉温，PIPI调节；调节；副参数：氨气流量，副参数：氨气流量，P P调节；调节；主、副动态联系小，两步整定法。主、副动态联系小，两步整定法。1223 2%,1 5.ssTs16 0%为为1001001）2 2）副调置于）副调置于3232，得主调的，得主调的3 3）运用计算公式得：）运用计算公式得：1150%,7min.ssT6.2 6.2 前馈控制系统前馈控制系统6.2.1 6.2.1 前馈控制的基本概念前馈控制的基本概念 0FBY sGsGs GsF s sGsGsG
27、FB0干扰补偿控制：按干扰大小进行调节，克服干扰比反馈快干扰补偿控制：按干扰大小进行调节，克服干扰比反馈快;理论上，可实现理想控制。理论上，可实现理想控制。干扰F对输出Y的传递函数为实现输出Y(s)完全不变性的条件为前馈控制系统的补偿过程前馈控制系统的补偿过程 前馈控制是按照干扰作用的大小进行控制的，如控制作前馈控制是按照干扰作用的大小进行控制的，如控制作 用恰到好处，一般比反馈控制要及时。用恰到好处，一般比反馈控制要及时。前馈控制与反馈控制的比较：前馈控制与反馈控制的比较：6.2.2 6.2.2 前馈控制的特点及局限性前馈控制的特点及局限性1.1.前馈控制的特点前馈控制的特点1 1）开环控制
28、；开环控制；2 2）比反馈控制及时；比反馈控制及时；3 3）补偿器为专用调节器补偿器为专用调节器2.2.前馈控制的局限性：前馈控制的局限性：无法实现对全部干扰的完全补偿无法实现对全部干扰的完全补偿1 1）只能抑制可测干扰；只能抑制可测干扰；2 2）不能对每个干扰实现补偿；不能对每个干扰实现补偿；3 3）补偿器难以精确得到，即使得到有时物理上也难以实现补偿器难以精确得到，即使得到有时物理上也难以实现.结论：结论：不能单独使用不能单独使用6.2.3 6.2.3 静态补偿与动态补偿静态补偿与动态补偿1.1.静态补偿静态补偿 00(0)/(0)BFBGGGK0021()fpq Hq C TT0021f
29、pq HTTq C2000fpdTHKdqq C220021fffpfdTq HTTKqdqCq2100()fpBKCTTKKH 该补偿器用比例调节器即可实现该补偿器用比例调节器即可实现2.2.动态补偿动态补偿 sGsGsGFB0/由于精确模型难以得到或难以实现，只有要求严格控制由于精确模型难以得到或难以实现，只有要求严格控制动态偏差时才采用。动态偏差时才采用。6.2.4 6.2.4 前馈反馈复合控制前馈反馈复合控制作用机理分析：作用机理分析：0000()()()()()()()()1()()1()()cFBccG s G sG sG s G sY sX sF sG s G sG s G s0
30、()()()0FBGsGs G s )(/0sGsGsGFB对干扰对干扰F F的完全补偿条件为的完全补偿条件为设计步骤：设计步骤：1 1）独立设计反馈控制系统；独立设计反馈控制系统；2 2）再根据不变性原理设计前馈补偿器再根据不变性原理设计前馈补偿器.复合控制系统的特征方程式：复合控制系统的特征方程式：与与G GB B(s)(s)无关。无关。010sGsGc6.2.5 6.2.5 引入前馈的原则及应用实例引入前馈的原则及应用实例1.1.引入前馈控制的原则引入前馈控制的原则1 1）系统存在频率高、幅值大、可测不可控的干扰，反馈系统存在频率高、幅值大、可测不可控的干扰，反馈控制难以克服、控制要求高
31、时；控制难以克服、控制要求高时；2 2）控制通道时常大于干扰通道时常，反馈控制不及时，控控制通道时常大于干扰通道时常，反馈控制不及时，控制质量差；制质量差；4 4）尽可能采用静态补偿而不采用动态补偿。尽可能采用静态补偿而不采用动态补偿。3 3）主要干扰无法用串级控制使其包含于副回路或副回路滞主要干扰无法用串级控制使其包含于副回路或副回路滞后过大时；后过大时；6.2.5 6.2.5 引入前馈的原则及应用实例引入前馈的原则及应用实例2.2.复合控制系统应用实例复合控制系统应用实例（1 1）蒸发过程的浓度控制）蒸发过程的浓度控制50507373葡萄糖液葡萄糖液被控参数：被控参数：溶液沸点和水沸点之温
32、差溶液沸点和水沸点之温差影响温差的主要因素：进料溶液浓度、影响温差的主要因素：进料溶液浓度、温度、流量，加热蒸汽压力、流量等温度、流量，加热蒸汽压力、流量等.方案：方案：复合控制复合控制蒸汽流量为前馈信号蒸汽流量为前馈信号温差为反馈信号温差为反馈信号进料溶液为控制参数进料溶液为控制参数进料（2 2）锅炉汽包水位控制）锅炉汽包水位控制被控参数：被控参数：汽包水位汽包水位影响因素：影响因素：蒸汽用量（不可控）蒸汽用量（不可控）给水流量（选为控制参数）给水流量（选为控制参数）解决方案：解决方案：蒸汽流量为前馈信号，给水流量为副参数，蒸汽流量为前馈信号，给水流量为副参数，水位为主参数水位为主参数前馈反馈串级控制前馈反馈串级控制问题：问题：“虚假水位虚假水位”影响控制效果。影响控制效果。本章结束，谢谢！本章结束，谢谢！
