1、7.1 串级控制系统串级控制系统7.2 串级控制系统设计串级控制系统设计7.3 前馈控制系统前馈控制系统7.4 时间滞后控制系统时间滞后控制系统7.5 比值控制系统比值控制系统7.6 均匀控制系统均匀控制系统7.7 分程控制系统分程控制系统7.8选择性控制选择性控制7.9多变量解耦控制系统多变量解耦控制系统1 在某些被控对象动态特性比较复杂或者控制任务比较特殊的应用场合，单回路控制系统无法满足要求，引出串级控制系统。7.1.1 串级控制系统的原理与结构（以加热炉温度控制系统为例）图7-1 加热炉出口温度单回路控制系统图7-2 加热炉出口温度间接控制方案2 选取炉出口温度为主被控参数（主参数），
2、选取炉膛温度为副被控参数（副参数），把炉出口温度调节器的输出作为炉膛温度的给定值就构成了串级控制系统。3图7-3 加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统4图7-4 加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统方框图5 加热炉串级控制系统的工作过程是：当处在稳定工况时，被加热物料的流量和温度不变，燃料的流量与热值不变，烟囱抽力也不变，炉出口温度和炉膛温度均处于相对平衡状态，调节阀保持一定的开度，此时炉出口温度稳定在给定值上，当扰动破坏了平衡工况时，串级系统便开始了其控制过程。扰动 f2（t）、f3（t）、对出口温度的影响主要由炉膛温度调节器（副调节器）构成的控制回路（副回路）来克服，扰动f1(t)、对炉口
3、温度的影响由出口温度调节器（主调节器）构成的控制回路（主回路）来消除。6根据不同的扰动，产生的三种情况1、燃料方面的扰动f2和燃烧条件方面的扰动f3 二次扰动或副回路扰动2、被加热物料方面的扰动f1 一次扰动和主回路扰动3、一次扰动和二次扰动同时存在7串级控制系统的特点1改善控制系统的动态特性，提高了工作频率图7-6 串级控制系统的结构框图8图7-7 串级控制系统等效框图9101112在串级控制系统中，由于副回路的给定值是随着主控制器的输出而变化的。主控制器可以按照生产负荷和操作条件的变化情况相应地调整副控制器的给定值，使系统运行在新的工作点上，从而保证在新的负荷和操作条件下，控制系统仍然具有
4、较好的控制质量。137.2.1 7.2.1 主、副回路控制器选择主、副回路控制器选择串级控制系统的设计主要是副参数的选择和副回路的设计以及主副回路关系的考虑。副回路的确定应考虑如下原则：1副回路中应包含主要扰动和尽可能多的扰动2主、副回路的时间常数应适当匹配142、主、副调节器控制规律的选择1、选择规律的基础：主调节器起定值控制作用；副调节器起随动控制作用2、主调节器的选择：PI和 PID控制规律3、副调节器的选择：P控制规律153、主、副调节器正、反作用方式的确定主、副调节器正、反作用方式的选择原则：使整个控制系统构成负反馈系统主、副调节器正、反作用方式的检验：当炉出口温度升高时，主调节器输
5、出应减小，即副调节器的给定值减小，为此，副调节器输出减小，使调节阀开度减小。这样，进入加热炉的燃料油减小，从而使炉膛温度和出口温度降低。16串级控制系统常用的整定方法：逐步逼近法、两步整定法1.1.逐步逼近法逐步逼近法如果主、副对象的时间常数相差不大，主、副回路的动态联系比较密切时，主、副控制器的参数相互影响比较大，需要在主、副回路之间反复进行试凑，才能达到最佳的整定。逐步逼近法就是这种依次整定副回路、主回路，然后循环进行，逐步接近主、副控制回路的最佳整定的一种方法。其步骤如下：17(1)(1)首先整定副回路首先整定副回路。此时，断开主回路，将副回路按照单回路控制系统的整定方法进行整定，求取副
6、控制器的整定参数，得到第一次整定值，记作GC2(s)1。(2)(2)整定主回路整定主回路。把刚整定好的副回路看作是主回路中的一个环节，对主回路仍按单回路控制系统的整定方法求取主控制器的整定参数，记作GC1(s)1。(3)(3)再次整定副回路再次整定副回路。此时主、副回路都已闭合。在主控制器参数为GC1(s)1的条件下，将副回路仍按单回路控制系统再次进行整定，得到副控制器新的整定参数GC2(s)2。至此已完成一个循环的整定。(4)(4)重新整定主回路重新整定主回路。同样是在两个回路都闭合、副控制器的参数为GC2(s)2的条件下，按单回路重新整定主回路，得到主控制器的新参数GC1(s)2。18当串
7、级控制系统中主、副对象的时间常数相差较大，主、副回路的动态联系不紧密时，可采用两步法进行整定。由于主、副对象的时间常数和工作频率差别很大，当副回路整定好以后，将副回路看作主回路的一个环节来整定主回路时，可认为对副回路的影响很小。另一方面，工艺上对主变量的控制要求较高，副变量的设置目的是为了进一步提高主变量的控制品质，对副变量的控制要求较低。因此，当副控制器整定好以后，再去整定主控制器时，虽然多少会影响到副变量的控制品质，但只要保证主变量的控制品质，副变量的控制质量可以允许牺牲一些。两步法的整定步骤如下：19(1)在工况稳定、主回路处于闭合条件下，主、副控制器均采用纯比例控制作用。将主控制器的比
8、例度1置于100。按单回路系统的衰减曲线法整定副回路（例如按41的衰减曲线进行整定）。将副控制器的比例度2由大到小调整，直到副变量的过渡过程曲线呈41衰减振荡为止。记下此时的比例度2s，并测量获得衰减振荡周期T2s。(2)在副控制器的比例度仍为1s的情况下，将副回路看作是主回路的一个环节，用同样的方法将主控制器的比例度1由大到小调节，直到主变量的过渡过程曲线呈4：1衰减振荡为止。记下此时主控制器的比例度1s，测量获得主变量振荡周期T1s。20(3)由已求得的2s、T2s和1s、T1s的值，结合主、副控制器的选型，按照单回路控制系统的衰减曲线法整定参数的经验公式，分别计算出主、副控制器的最佳参数
9、值。(4)按照先副后主、先P再I后D的顺序，将计算出的参数设置到控制器上，再作些扰动试验，观察过渡过程曲线，作适当的参数调整，直到控制质量最佳。211.过程系统中存在较大容量滞后2.过程系统中存在变化剧烈且幅度大的扰动图7-10 污水处理串级控制系22前馈控制是根据引起被控参数变化的干扰的大小进行调节的，是改善反馈控制不及时的一种方法。当扰动产生后并没有影响到被控量之前，控制器不要等到被控量变化，只要根据扰动作用的大小来产生控制作用去克服这种扰动。因此，前馈控制对于克服扰动的影响比反馈控制来得更快。23 图7-11 换热器前馈控制系统(a)原理示意图 (b)原理方框图24当流量Q发生扰动时就会
10、引起出口温度 产生偏差。若采用一般的反馈控制，如图7-11（a）虚线所示。当Q发生扰动后，要等出口温度 变化后调节器才能动作。而调节器控制调节阀改变加热蒸汽的流量后，又要经过热交换过程的惯性，才能使 变化而反应出调节效果。这样会使出口温度 产生较大的动态偏差。如果根据测量被加热液体流量Q来控制调节阀，如图7-11（a）实线所示。当Q发生扰动后，不必等到出口温度产生变化再去控制，直接根据流量的变化对调节阀进行控制，改变加热蒸汽的流量。以补偿被加热液体流量Q对出口温度的影响。25图7-12为前馈控制系统框图。其中Wm(s)为前馈控制器，Wf(s)为过程扰动通道传递函数，W0(s)为过程控制通道传递
11、函数，F(s)为系统可测不可控扰动，Y(s)为被控参数。由图7-12可得 图7-12 前馈控制系统框图26(1)前馈控制系统是基于扰动来消除干扰对被控量的影响。(2)前馈控制开始校正作用是在扰动发生后且产生偏差之前，比反馈控制作用更为及时有效，因而在理论上可以实现对扰动的完全补偿。(3)前馈控制系统是一种开环控制系统。(4)前馈控制系统只对它所测量的扰动量具有校正作用。而对系统中的其他未测干扰则无抑制能力。(5)前馈控制器的控制规律取决于被控对象的特性。271.稳态前馈控制稳态前馈是在扰动作用下，前馈补偿作用不考虑补偿过程中的偏差大小，只能使被控量回到要求的设定值。稳态前馈控制器的传递函数可写
12、为式中，Kf、K0为干扰通道和控制通道的静态放大倍数。稳态前馈控制不包含时间因子，实施简便，可用于扰动变化不大或控制要求不高的生产过程。28稳态前馈控制只能保证被控变量的静态偏差等于零或接近于零，但在干扰作用下，控制过程中的动态偏差依然存在。对于那些需要严格控制动态偏差的场合，用稳态前馈控制方案就不能满足要求，这时应考虑采用动态前馈控制方案。在动态前馈控制系统中，前馈控制器的输出不仅与输入扰动量的大小和方向有关，而且是时间的函数。动态前馈控所选控制规律应使干扰经过前馈控制器至对象调节通道的动态特性补偿对象干扰通道的动态特性，这样就可保证静态偏差和动态偏差均等于或接近于零。29图7-14 前馈-
13、反馈控制系统框图可见采用前馈-反馈控制后，扰动对被控量的影响下降为单纯前馈控制时的1/1+Wc(s)W0(s)。30图7-15 前馈-串级控制系统结构图31321.实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测及不可控性2.前馈控制系统的稳定性可测：扰动量可以通过测量变送器，在线地将其转换为前馈补偿所能接受的信号扰动量不可控：指绕栋量与控制量之间的相互独立性。331.1.静态参数静态参数K KM M的确定的确定KM的整定分为开环整定法与闭环整定法两种。开环整定法是将系统作单纯的稳态前馈运行（即Wm(s)=-KM），对系统施加干扰作用，同时将KM的值由小逐步增大直到被控量回到设定值附近并满足要求的静态偏差
14、指标为止，这时所对应的KM值便为最佳整定值。闭环整定法是使系统处于前馈-反馈状态运行，在反馈控制器已经整定好的基础上对系统施加干扰作用，KM的值仍然由小到大逐步改变直到获得满意的补偿过程为止。342.2.动态参数动态参数T T1 1、T T2 2的确定的确定动态参数T1和T2的引入决定了前馈控制器是处于动态补偿的状态，这两个参数的大小对动态补偿的程度有着直接的影响。在实际操作中一般根据T1和T2的大小，分为三种情况来执行补偿过程：当T1T2时，补偿起超前作用；当T1T2时，补偿起滞后作用；当T1=T2时，动态补偿将不起作用，实质上回到了静态补偿的状态。这里将T1称为超前时间，T2称为滞后时间。
15、353.3.过程时滞过程时滞 的影响的影响是扰动通道和控制通道纯时间滞后的差值，反映了前馈补偿作用提前于扰动对被控参数影响的程度。当扰动通道和控制通道纯滞后时间相近时，相当于提前了前馈作用，增强了前馈的补偿效果。36图7-16 单回路系统框图7.4.1史密斯预估控制系统 为了理解上述工作原理，先从一般的反馈控制开始讨论。单回路系统框图如图7-16所示。则系统闭环传递函数为7.4 7.4 时间滞后控制系统时间滞后控制系统377.4.17.4.1史密斯预估控制系统史密斯预估控制系统图7-17为史密斯预估补偿控制方案的框图，图中Wk(s)是引入的史密斯预估补偿器传递函数。图7-17 史密斯预估补偿控
16、制框图383940图7-18 采样控制系统原理框图采样控制系统的工作原理是当扰动引起被控参数偏离给定值时，对被控参数与给定值的偏差进行一次采样，发出一个操作信号并保持该操作信号不变，保持的时间与纯滞后大小相等或略大一些。经过 时间后，操作信号的改变引起被控参数发生变化，此时再按照被控参数与给定值的偏差及其变化方向与速度值来进一步加以校正，校正后又保持其量不变，再等待一个纯滞后。这样重复上述动作逐步地校正被控参数的偏差值，使系统趋于一个新的稳定状态。41图7-20 混合加热器温度Smith控制系统原理图42凡是两个或多个变量自动维持一定比值关系的过程控制系统均称为比值控制系统。需要保持一定比例关
17、系的两种物料中，总有一种起主导作用的物料，称这种物料为主物料或主动量Q1；另一种物料在控制过程中则跟随主物料的变化而成比例地变化，称为从物料或从动量Q2。如在前面介绍的燃烧过程中，燃料流量为主动量，而空气流量为从动量。工艺上要求两物料的比值系数为K，而且 K=Q1/Q243图7-22 单闭环比值控制44单闭环比值控制系统虽然能保持主、从动量比值不变，但是无法控制主动量不变，因此对生产过程的生产能力没有进行控制。但该控制系统比值控制比较精确，能较好地克服进入从动量回路的干扰，并且结构形式也较为简单，实施方便系统结构简单，因此在工业生产过程自动化中应用较广，尤其适用于主动量不需要进行控制的场合。4
18、5图7-23 双闭环比值控制46在双闭环比值控制系统中，主动量控制回路是一个定值控制系统，而从动量控制回路是一个随动控制系统。和单闭环比值控制系统相比，双闭环比值控制系统的具有的优点是：（1）控制系统更为稳定。能实现主动量的抗扰动、定值控制，使主、从动量均比较稳定，进而使系统的总物料流量稳定，更好地满足了生产工艺要求。（2）系统更易于调节。当需要改变主动量的设定值时，主动量控制回路通过调节控制使主动量的输出值改变为新设定值，同时从动量也将随主动量按给定比值变化。47图7-24 变比值控制48图7-25 自来水消毒比值控制系统497.6.1 7.6.1 均匀控制系统的基本原理均匀控制系统的基本原
19、理在连续生产过程中，每个装置或设备都与其前后的装置或设备有紧密的联系。前一装置或设备的出料量就是后一装置或设备的进料量，所以各个装置或设备是互相联系而又互相影响的。大多前一设备要求料位稳定，而后一设备要求进料平稳。均匀控制系统的要求与前面所研究过的控制系统有所不同，它的目的是协调好前后设备的供求，使两个参数缓慢的在允许的范围内变化。501简单均匀控制系统图7-26 简单均匀控制系统51适用场合：通常适用于扰动较小、对流量的均匀程度要求较低的场合。对控制参数应做适当选择：比例作用是基本的；不能引入微分；积分是否引入视情况而定。特点：简单均匀控制系统的最大优点是结构简单、操作方便、成本低；但控制效
20、果差。52图7-27 串级均匀控制系统53控制作用选择：不能加微分作用；液位宜采用PI规律；流量一般用P规律。特点串级均匀控制系统能克服控制阀前后压力较大的扰动，使主、副变量变化均匀缓慢平稳，控制质量较高。54图7-28 双冲量均匀控制系统557.7.17.7.1分程控制原理分程控制原理如果一个调节器的输出同时送往两个或多个执行器，而各个执行器的工作范围又不同，这样的系统称为分程控制系统。图7-29 分程控制系统示意图56阀门有气开和气关两种形式，那么在采用两个调节阀时，就有四种组合特性，如图7-30所示。图7-30 两个阀门的分程控制特性571分程区间的决定分程控制系统设计主要是多个调节阀之
21、间的分程区间问题，设计原则如下：（1）先确定调节阀的开关作用形式（以安全生产为主）；（2）再决定调节器的正反作用；（3）最后决定各个阀的分程区间。58当调节阀采用分程控制，如果它们的流通能力不同，组合后的总流通特性，在信号交接处流量的变化并不是光滑的。例如选用Cmax=4和Cmin=100这两个调节阀构成分程控制，两阀特性及它们的组合总流量特性如图7-31所示。可以看出，原来线性特性很好的两个调节阀组合在一起构成分程控制时，其总流量特性在分程点出现了一个转折点，已不再呈线性关系。a)A阀特性 b）B阀特性 c）A、B阀分程组合特性图7-31 分程控制系统大小调节阀连接组合特性59为了使总流量特
22、性比较平滑，一般应考虑如下措施：（1）尽量选用对数调节阀，除非调节阀范围扩展不大时（此时连个调节阀的流通能力很接近），可使用线性调节阀。（2）采用分程信号重叠法，即使两个调节阀有一区段重叠的调节器输出信号，这样不等小阀全开，大阀就已渐开。601.1.用于扩大调节阀的可调范围，改善控制品质用于扩大调节阀的可调范围，改善控制品质设分程控制系统中使用的大小两只调节阀的最大流通能力分别为CAmax=4,CBmax=100两调节阀的可调范围RA、RB相等均为RA=RB=30则最小流通能力为CAmin=CAmax/RA=4/30=0.133最大流通能力Cmax=CAmax+CBmax=104则两个调节阀一
23、起使用时，可调范围为R=Cmax/Cmin=(CAmax+CBmax)/CAmin=104/0.133=781.9 可见，分程后调节阀的可调范围远远大于单个调节阀的可调范围。为了使流量的变化平缓和控制的及时有效，在调节阀A接近全开时，调节阀B已有一定的开度。61（a）控制原理图 (b）调节阀A、B异向动作图图7-32 贮罐氮封分程控制系统62图7-33 反应器分程控制系统63 选择性控制：是把生产过程中的限制条件所构成的逻辑关系，叠加到正常的自动控制系统上去的一种组合控制方法。自动保护系统（软保护系统）：通过选择器使原来的控制方案重新恢复工作的选择性控制系统。64图7-34 选择性控制系统11
24、调节器输出信号的选择性控制系统65图7-35 选择性控制系统266 1、选择器的选型：根据生产处于不正常的情况下，取代调节器的输出信号为高值或为低值来确定选择器的类型。（选择器有高值选择器与低值选择器）2、控制器（调节器）控制规律的确定 对于正常的控制器，控制精度要求搞，又要保证产品的质量，应选用PI控制规律；过程的容量滞后较大，选择用PID控制规律；对于取代控制器，在正常生产中开环备用，要求在生产将出问题时，能迅速及时采取措施，以防事故发生，选用P控制规律 3、控制器（调节器）参数整定 按照单回路控制系统的整定方法进行整定67图7-36 锅炉蒸汽压力与燃料气压力的选择性控制系统68对于在开环
25、状态下的调节器，当其控制规律中有积分作用时，如果给定值和测量值之间一直存在偏差，由于积分的作用，将使调节器的输出不停地变化，直至达到输出的极限值，这种现象称为积分饱和。积分饱和。产生积分饱和有三个条件：一是调节器具有积分作用；二是调节器处于开环状态，即没有输出送往调节阀；三是调节器的有输入，即一直有偏差信号存在。691.1.积分切除法积分切除法当PI控制器未被选中而处于开环工作状态时，自动切除其积分作用，这样就不会出现积分饱和。具体方法可以是控制仪表的内部电路自动切换到比例电路，或将PI数字式控制算法改为纯比例算法。当正常控制发生作用时，再回到PI控制。702.2.限幅法限幅法利用高值或低值限幅器，使控制器的输出信号不超过工作信号的最高值或最低值。根据具体工艺来决定选用高限器还是低限器，如控制器处于开环状态时，控制器由于积分作用会使输出逐渐增大，则用高限器；反之则用低限器。713.3.外反馈法外反馈法在控制器开环状态下，不再使它自身的信号做积分反馈，而是采用合适的外部信号作为积分反馈信号。从而也切断了积分正反馈，防止了进一步的偏差积分作用。72
