1、串级控制系统串级控制系统 系统干扰系统干扰 进料方面：进料方面：进料量，进料温度，进料化学成分等。以上干扰统称为F1 冷却水方面：冷却水方面：冷却水温度，冷却水压力。以上干扰称为F2反应釜温度控制系统反应釜温度控制系统控制系统实例控制系统实例假设冷却水的压力升高！假设冷却水的压力升高！冷却水流量冷却水流量 夹套温度夹套温度夹套温度夹套温度（传热）（传热）釜壁温度釜壁温度釜壁温度釜壁温度（传热）（传热）介质温度介质温度介质温度介质温度（调节）（调节）阀门开度阀门开度阀门开度阀门开度（节流）（节流）冷水流量冷水流量问题：问题：调节滞后很大，效果不好！调节滞后很大，效果不好！改进后控制系统结构 。能
2、否在反应釜温度降低前提前关小阀门？能否在反应釜温度降低前提前关小阀门？串级控制系统串级控制系统串级控制系统的结构 TC1 称为称为“主调节器主调节器”；TC2称为称为”副调节器副调节器”。F1称为称为“一次扰动一次扰动”；F2称称为为 “二次扰动二次扰动”。串级控制系统的标准结构 对外环来讲，操作量对外环来讲，操作量 （控制量）为（控制量）为夹套温度夹套温度！对内环来讲，被控量为对内环来讲，被控量为夹套温度夹套温度，操作量为阀门，操作量为阀门开度！开度！副回路相当于一个副回路相当于一个 “伪执行器伪执行器”串级控制效果分析串级控制效果分析控制效果分析 sGsGsGsGsGsFsYsGmvc20
3、220222021 sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsXsYmvccvcc1010221010221111 sGsGsGsGsGsGsGsGsFsYmvcc10102210102211 sG0201理想效果理想效果控制效果分析 sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsXsYmvccvcc1010221010221111 sGsGsGsGsGsGsGsGsFsYmvcc1010221010221101 sGsGsGsFsYsXsYvcc212111/sFsYsXsY2111/我们把作为衡量系统性能的标准，其值越大系统性能越好考虑都采用纯比例则考虑都采用纯比例则 cvccKKKs
4、FsYsXsY212111/控制效果对比 sGsGsGsGsGsGsGsGsGsXsYmvcvc101020102111 sGsGsGsGsGsGsGsFsYmvc101020102211 vcvccKKsGsGsGsFsYsXsY212111/如不采用串级控制如不采用串级控制由于cccKKK21所以串级控制系统性能更好所以串级控制系统性能更好实验一（单回路系统性能）sessG121701700T121K实验一（单回路系统性能）系统给定值扰动曲线（系统给定值扰动曲线（S1）实验一（单回路系统性能）系统系统F2干扰扰动曲线（干扰扰动曲线（S2）实验二（串级系统性能）400T51K实验二（串级系统
5、性能）系统给定值扰动曲线（S5）与单回路相比系统过渡过程加快实验二（串级系统性能）系统系统F2干扰扰动曲线（干扰扰动曲线（S3）与单回路相比系统最大偏差明显减小实验结果分析为何系统的给定值扰动的过渡过程也加快？为何系统的给定值扰动的过渡过程也加快？把副回路看作一个等效过程 sGsGsGsGsGsGsGsXsYsGmvcvc202202222021)1/()(:020202sTKsG设22)(ccKsGvvKsG)(22)(mmKsG为简化分析取实验结果分析 sGsGsGsGsGsGsGsXsYsGmvcvc202202222021 1020202TKsG0202022211TTKKKKmvc)
6、1(1/11/0222020220202220202202KKKKsTKKKsTKKKKsTKKKsGmvcvcmvcvc 111/022202022202202sKKKKTKKKKKKKsGmvcmvcvc实验三（分析实验）对比实验（对比实验（S6）副对象的惯性明显减小串级控制系统的优点(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系统时间常数的减小导致工作频率提高，同时由于时间常数的减小系统时间常数的减小导致工作频率提高，同时由于时间常数的减小，可提高控制器增益进一步提高工作频率，可提高控制器增益进一步提高工作频率0202022211TTKKKKmvc(2)改善
7、了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率。串级控制系统的优点(3)对负荷或操作条件的变化有较强的适应能力。对负荷或操作条件的变化有较强的适应能力。112022202202202mvcmvcvcKKKKKKKKKKKK220220220211mmvcvcKKKKKKKKK串级控制系统的优点(4)消除非线性环节消除非线性环节串级控制系统的设计1)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a)副参数必须是物理可测。b)必须使副回路包含被控过程中变化剧烈、频繁且幅度大的主要干扰，并力求包含更多的干扰。控制系统抑止控制系统抑止F2干扰比抑止干扰比
8、抑止F1干扰的能力强！干扰的能力强！a a）：燃料油压力为主要）：燃料油压力为主要干扰；干扰；b b）：燃料油粘度、成分、）：燃料油粘度、成分、热值、处理量为主要热值、处理量为主要干扰干扰2022010201020102010211/1/1/1/cvmK K K KTTTTTTTT串单当串级控制与单回路控制的当串级控制与单回路控制的阻尼系数相等时，有阻尼系数相等时，有串级控制系统的设计c)副参数的选择应使主、副被控过程的时间常数适当错开。副回路的时间常数不能太大，调节通道尽可能短。假设假设 20221cvmK K K K为常量为常量频率的比值大于频率的比值大于3 3，时常的，时常的比值在比值在
9、3 31010范围内选择。范围内选择。串级控制系统的设计2022010201020102010211/1/1/1/cvmK K K KTTTTTTTT串单串级控制系统的设计c)副参数的选择应使主、副被控过程的时间常数适当错开。副回路的时间常数不能太大，调节通道尽可能短。那个控制那个控制系统采用串级系统采用串级控制方法后性控制方法后性能改善比较明能改善比较明显？显？13515012sssG1201)(1ssG串级控制系统的设计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a)主调节器定值控制，所以一般选PI或PID。b)副调节器起随动控制，一般选P或PI。3)主副调节器正反作用的选择主副调
10、节器正反作用的选择 按先内环后外环的原则，在确定外环时将内环看作一个”伪执行器伪执行器“正、反作用方式的选择实例正、反作用方式的选择实例选择步骤选择步骤：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、主、副过程的正、反作用副过程的正、反作用主调节器的正、反作用。主调节器的正、反作用。(图图68）燃油阀气开，副对象为燃油阀气开，副对象为正过程，副调为反作用正过程，副调为反作用调节器；主对象也为正调节器；主对象也为正过程，主调为反作用调过程，主调为反作用调节器节器主、副调节器正、反作用方主、副调节器正、反作用方式选择参见式选择参见232232页页
11、串级控制系统的设计c)观察控制过程，适当调整调节器参数，使系统满足工艺要求。串级控制系统的参数整定4.1)一步整定法。一步整定法。主、副控制回路时间常数错开的情况(T01/T02=310）a)将副回路置于纯比例控制，由经验设定副调节器参数b)闭合副回路，按普通单回路控制系统的整定方法整定主回路PID参数4)串级控制系统串级控制系统PID参数的整定方法参数的整定方法c)按先副后主、先比例后积分再微分的次序投入运行，观察修改到满意。串级控制系统的参数整定4.2)两步整定法。两步整定法。a)工况稳定，主副回路均闭合，0,%100111DITT，用4:1的衰减比求得22T和b)将副回路等效成一个环节，
12、同样的方法求得11T和按两步整定的方法，反复试凑主副回路的PID参数！串级控制系统的参数整定4.3)逐步逼近法。逐步逼近法。主、副控制回路时间常数接近的情况 1.1.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，减小选容量滞后较小的辅助变量，减小时常，提高频率。（图时常，提高频率。（图6 68 8）2.2.适用于纯滞后较大的过程：适用于纯滞后较大的过程：（图（图6 69,9,）工艺要求：过滤前的）工艺要求：过滤前的压力稳定在压力稳定在250Pa;250Pa;特点：距离长，特点：距离长，纯滞后时间长。纯滞后时间长。仿丝胶液压力与压仿丝胶液压力与压力串级控制。力串级
13、控制。串级控制系统的适用范围5.5.适用于非线性过程适用于非线性过程注意：注意：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，才能收到预期的效果。点，才能收到预期的效果。4.4.适用于参数互相关联的过程：适用于参数互相关联的过程：3.3.适用于干扰变化剧烈、幅度大的过程：适用于干扰变化剧烈、幅度大的过程：串级控制系统的适用范围前馈控制系统前馈控制系统例：换热器温度控制系统 由于反馈控制过程中不可避免的存在偏差，所以反馈控制无法实现完美的控制。采用前馈控制的效果 由此可见前馈控制理论上可以实现完美的控制效果但它是一种开环控制，控制
14、结果无法检验。前馈控制的特点 00sGsGsGsFsYBF sGsGsGFB0前馈控制的特点前馈控制的特点1 前馈控制是一种开环控制。2 前馈控制是一种按干扰大小进行补偿的控制。3 前馈控制器的调节规律与常规PID调节规律不同，它是一个专用控制器。4 前馈控制只能抑制可测不可控的干扰。前馈控制的局限性前馈控制的局限性前馈控制的局限性 sGsGsGFB03 决定前馈控制器的调节规律的是过程的动特性 和 而 和 的精确值是很难得到的，既使 能够得到，有时也很难实现。sGF sG0 sGF sG0 1 在实际工业生产过程中，使被控参数变化的干扰是 很多的，不可能针对每一个干扰设计和应用一套独 立的前
15、馈控制器。2 对不可测的干扰无法实现前馈控制。BFKKK0静态前馈前馈-反馈复合控制系统 在设计前馈-反馈复合控制系统时首先按常规方法设计反馈控制回路，然后针对系统中可测不可控的强干扰设计前馈控制器，构成复合控制系统。纯滞后概念的引入纯滞后概念的引入1 建立被控对象的数学模型建立被控对象的数学模型（第二章）（第二章）2 单回路控制系统单回路控制系统PIDPID参数整定参数整定（第五章）（第五章）5.1T当当 时系统不能采用常规的时系统不能采用常规的PIDPID控制控制 高阶惯性系统可近高阶惯性系统可近似为一阶惯性加纯滞似为一阶惯性加纯滞后系统后系统 seTsKsG1o)(tyKTt纯滞后系统的
16、纯滞后系统的Smith预估控制预估控制SmithSmith例例1：燃煤锅炉中的纯滞后：燃煤锅炉中的纯滞后给煤机给煤机皮带输煤机皮带输煤机锅炉锅炉给煤量给煤量燃煤锅炉中的关键设备燃煤锅炉中的关键设备给煤机皮带输煤机给煤量给煤量纯滞后控制系统实例纯滞后控制系统实例lv燃烧控制中的纯滞后燃烧控制中的纯滞后 设传输距离为设传输距离为L，皮带速皮带速度为度为V，则纯滞后时间为：则纯滞后时间为：vl sesGsG0控制量被滞后控制量被滞后例例2：轧机控制中的纯滞后：轧机控制中的纯滞后例例2：轧机控制中的纯滞后：轧机控制中的纯滞后例例2：轧机控制中的纯滞后：轧机控制中的纯滞后传感器轧制辊卷取机平整辊控制器执
17、行器vl 传感器的滞后导致板厚测量值被延迟了传感器的滞后导致板厚测量值被延迟了 sesGsG0lv测量信号被滞后测量信号被滞后纯滞后系统的纯滞后系统的Smith预估控制预估控制SmithSmith被控制被控制对对象传递函数为：象传递函数为：sesssG1511101)(PID控制器控制器sess1155012无纯滞后系统的响应曲线无纯滞后系统的响应曲线无纯滞后的响应曲线无纯滞后的响应曲线 无纯滞后的情况无纯滞后的情况下系统调节效果比较下系统调节效果比较理想！理想！观察系统的阶跃响应曲线观察系统的阶跃响应曲线假设纯滞后时间假设纯滞后时间s3.1结论：结论：试验试验1 结果分析结果分析 1、纯滞后
18、的存在严重影响、纯滞后的存在严重影响系统的稳定裕度！系统的稳定裕度！2、改变、改变PID参数后系统的过参数后系统的过渡过程性能指标严重下降！渡过程性能指标严重下降！对象有纯滞后对象有纯滞后对象无纯滞后对象无纯滞后60S重新整定调节器参数重新整定调节器参数180S纯滞后环节的纯滞后环节的BODE图图 纯滞后环节的滞后相角随频率的增加无限增大。纯滞后环节的滞后相角随频率的增加无限增大。sesG 纯滞后纯滞后 广泛存在于过程控制系统中广泛存在于过程控制系统中 要求设计一种要求设计一种有效的有效的控制方法把纯滞后对系统的控制方法把纯滞后对系统的影响降低到最小！影响降低到最小！小结小结 纯滞后纯滞后 对
19、控制系统性能的影响非常大对控制系统性能的影响非常大 1、稳定裕度降低。、稳定裕度降低。2、控制系统性能变差。、控制系统性能变差。Smith预估控制预估控制纯滞后系统的纯滞后系统的Smith预估控制预估控制SmithSmith sesssG3.12115501可否采用如下方法可否采用如下方法?11550111550123.13.12sseesssGss 由于时间轴是单向的，由于时间轴是单向的，“纯超前纯超前”系统是系统是不存在的，物理上不可以实现！不存在的，物理上不可以实现！系统输出不能系统输出不能“超前超前”，但是否可以预测呢？，但是否可以预测呢？Smith预估控制的基本思想预估控制的基本思想
20、利用预估模型提前预测系统输出。利用预估模型提前预测系统输出。预估模型预估模型系统建模系统建模由于模型一样，系统对于控制量的输出也相同由于模型一样，系统对于控制量的输出也相同!理想系统的控制效果理想系统的控制效果 系统的输出虽然被延迟了一段时间，但控制效果和没有系统的输出虽然被延迟了一段时间，但控制效果和没有纯滞后环节是一样的。纯滞后环节是一样的。系统真实输出系统真实输出预测模型输出预测模型输出Smith预估控制的基本思想预估控制的基本思想问题如此简单的解决了？问题如此简单的解决了？预估模型预估模型该系统是闭环控制系统？该系统是闭环控制系统？被控对象被控对象 实际上这是一个貌似闭环的实际上这是一
21、个貌似闭环的开环控制系统开环控制系统，仅，仅仅只是对控制器内部变量的局部闭环！仅只是对控制器内部变量的局部闭环！开环预估系统的问题开环预估系统的问题而辨识模型难免存在误差而辨识模型难免存在误差 1155012sssG开环控制对模型误差非常敏感开环控制对模型误差非常敏感 118451.12sssG假设：假设：简单预估系统的问题简单预估系统的问题 受模型误差的影响，系统输出必然存在控制误差。受模型误差的影响，系统输出必然存在控制误差。这些误差会在系统的状态变量中累积。经过一段时间的这些误差会在系统的状态变量中累积。经过一段时间的运行可能产生很大的偏差！运行可能产生很大的偏差！系统真实输出系统真实输
22、出预测模型输出预测模型输出如何解决如何解决Smith预估控制系统预估控制系统 此时形成了此时形成了两个调节系统两个调节系统，一个系统根据预估值对，一个系统根据预估值对对象进行调节，另一个系统则对误差进行抑制。两个对象进行调节，另一个系统则对误差进行抑制。两个系统共用系统共用PID调节装置！调节装置！Smith预估控制系统预估控制系统目的：目的：使结构紧凑使结构紧凑Smith预估控制系统预估控制系统 sSesGsG10Smith预估预估控制器控制器结论：结论：Smith预估预估控制的效果控制的效果 Smith预估控制在模型有差的情况下依然具有良预估控制在模型有差的情况下依然具有良好的调节效果！好
23、的调节效果！总结：预估控制的特点与问题总结：预估控制的特点与问题 2、Smith预估控制要求掌握被控对象的数学模型，预估控制要求掌握被控对象的数学模型，该条件在很多时候不易满足。该条件在很多时候不易满足。1、Smith预估控制器是与被控对象传递函数相关的预估控制器是与被控对象传递函数相关的专用控制器，对不同的系统需要特殊设计。专用控制器，对不同的系统需要特殊设计。3、Smith预估本身对模型的偏差有一定的补偿作用，预估本身对模型的偏差有一定的补偿作用，但在模型偏差较大的情况下控制效果也不理想。但在模型偏差较大的情况下控制效果也不理想。纯滞后系统的纯滞后系统的Smith预估控制预估控制Smith
24、SmithSmith预估控制的问题 针对模型变化的情况，我们可以在线辨识被控对针对模型变化的情况，我们可以在线辨识被控对象的传递函数，然后实时调整象的传递函数，然后实时调整Smith预估控制器。这预估控制器。这样就成为了一种样就成为了一种自适应控制系统！自适应控制系统！在工业实际中，被控对象模型的时变很多时候表在工业实际中，被控对象模型的时变很多时候表现在开环放大倍数的变化上，而且有时放大倍数的现在开环放大倍数的变化上，而且有时放大倍数的变化幅度还比较大。在这种情况下普通的史密斯预变化幅度还比较大。在这种情况下普通的史密斯预估控制器的效果就不是很理想，针对这种特殊情况估控制器的效果就不是很理想，针对这种特殊情况可以考虑可以考虑改进型史密斯预估控制器改进型史密斯预估控制器。参数变化剧烈时如何处理？参数变化剧烈时如何处理？改进型Smith预估控制系统seKK000000KKeeKKss0000KKKKses作业：作业：1、自学改进型、自学改进型Smith预估预估控制系统。控制系统。2、课后作业、课后作业615、16、17、18。改进型Smith预估控制器 scesGsUsYAsDssDBAsDsUsGsDsDsDsYsYsXsGsU)()()()()1()(/)()()()()()()()()()()(02320131控制效果对比
