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1、第七章 复杂控制系统 Chapter 7 complex control system,基本要求：,1、掌握串级控制系统的结构、工作过程、特点及应用场合；了解串级控制系统中副变量的确定及主、副控制器正、反作用的选择；了解串级控制系统中主、副控制器参数的工程整定方法； 2、熟悉设置均匀控制系统的目的及控制方案； 3、了解比值控制系统的各种类型；熟悉单闭环比值控制方案的结构及特点； 4、了解前馈控制系统的结构、特点及应用场合； 5、理解连续型选择性控制系统及分程控制系统； 6、理解三冲量控制系统的结构特点；,Requirements:,1. Structure, work, characteris
2、tics, and application of cascade stage control system. Confirmation of vice variable, selection of positive and counter active of main and vice controllers. Engineering setting of parameters of main and vice controllers 2. Purpose and control program of setting uniform control system. 3. Type of rat
3、io control system, structure and characteristics of single close-loop control system. 4. Structure, characteristics, and application of forward control system. 5. Continuous selection control system and split control system 6. Structure characteristics of three impulse control system,简单控制系统是自动控制中最简单
4、、最基本的形式，约占全部控制系统的80%，能解决大量的生产控制问题。但随着生产过程的大型化和复杂化，各种变量之间的关系非常复杂，以及对产品质量的更高要求，出现了与简单控制系统不同的其它控制形式，这些控制系统统称复杂控制系统。 常见的复杂控制系统有：串级(cascade stage)、均匀(uniform)、比值(ratio)、分程(split)、前馈多冲量(forward multiple impulse)控制系统。,一、概述 适用场合：当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁，采用简单控制质量较差，或要求被控变量的误差范围很小，简单控制系统不能满足工艺要求。,第一节 串级控制系统,实例：,管式加
5、热炉出口温度控制系统,根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度，即改变燃料量来维持原油出口温度保持在工艺过程规定的数值。（滞后大，约15分钟，控制质量差）,管式加热炉出口温度串级控制系统,上述简单控制系统控制质量较差，主要原因是燃料在炉膛燃烧后，是首先使炉膛温度变化，然后才使原油温度的变化。,管式加热炉出口温度串级控制系统方块图,两个控制器串接工作：系统中有两个控制器T1C和 T2C，分别接收来自对象不同部位的测量信号1和2，T1C的输出是T2C的输入，而T2C 的输出去执行器。,串级控制系统中常用名词： 1、主变量： 系统上起主导作用的被控变量。 2、副变量：为稳定主变量而引入的辅助变量。
6、 3、主对象：表征主变量特性的生产设备。 4、副对象：表征副变量特性的生产设备。 5、主控制器：控制主变量的控制器。 6、副控制器：控制副变量的控制器。 7、主回路：主控制器及主变量组成的回路。 8、副回路：副控制器及副变量组成的回路。,炉出口温度,炉膛温度,受热管道,炉膛及燃烧装置,T1C,T2C,外环,内环,P172图7-4,图7-4 串级控制系统典型方框图,二、串级 控制系统的工作过程 假定执行器采用气开型（有标准气压信号时，阀门打开）；温度控制器采用反作用方向； 1、干扰进入副回路（干扰量小与大两种情况） 2、干扰作用于主对象 3、干扰同时作用于副回路和主对象 1）干扰作用下，主、副变
7、量的变化方向相同； 2）主、副变量的变化方向相反，一增一减。 副回路具有先调，粗调，快调的特点；主回路则有后调，细调，慢调的特点，对副回路没有完全克服的影响由主回路彻底克服。,三、串级控制系统的特点 1、结构上，有两个闭合回路，两个控制器 两个测量变送器；两个控制器串联工作；且主回路是定值控制，而副回路是随动控制。 2、串级系统中，有两个变量：主变量与副变量； 3、串级控制系统，由于副回路的引入，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前作用，有效地克服滞后。 4、由于副回路的增加，系统具有一定的自适应能力。可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。 应用场合：对象滞后和时间常数很大，干扰作用强而
8、频繁，负荷变化大，简单控制系统不能满足质量要求时，采用串级控制系统。,四、串级控制系统主、副变量的选择,主变量的选择： 与单回路控制时被控变量的选择原则是一样。能直接或间接地表征生产过程质量的参数都可以作为控制系统的被控变量。,副变量的选择 副变量的变化应在很大程度上影响主变量的变化； 副回路应将生产过程中的主要干扰包围在内； 在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰； 副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防发生“共振”； 当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时，在选择副变量时应使副环尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后。,五 、串级控制系统中副回路的确定 在串级控制系统中，副回路的确
9、定是否合适，直接关系到串级控制系统的工作效果； 副回路的确定：根据生产工艺，选择一个合适的副变量，从而构成以副变量为被控变量的副回路。,精馏塔釜温度串级控制系统,选择的副变量是操纵变量吗？,副回路的确定原则： 1、主、副变量间应有一定的内在联系；副变量的变化很大程度上要能影响主变量的变化。 选副变量：选择中间变量或选择操纵变量,当干扰来自蒸汽压力或流量的波动时，副回路的FC能及时加以克服，以大大减少这种干扰对主变量的影响，使塔釜温度TC的控制质量得以提高。,2、要使系统的主要干扰被包围在副回路内 确定副变量，一是要对主变量影响最严重，变化最剧烈的干扰包围在副回路内；二是要使副变量的时间常数小，
10、利用其快速抗干扰性能，将干扰的影响抑制在最低限度。,出口温度与燃料油压力串级控制系统 主要干扰来自压力的波动,3、副回路要尽可能包围更多的次要干扰 充分利用其快速抗干扰能力，提高控制质量。但这种包围也要考虑其灵敏度；过多的干扰包围，可能会增加滞后，影响其快速抗干扰能力的发挥。,如果在副回路中包括了太多的干扰，副回路将变大，副变量将十分接近主变量，滞后将增加，失去了副回路快速响应的特性。,4、考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防“共振”的发生。 主、副对象时间常数之比为3:10，减少主、副回路的动态联系，避免共振。 注意：副回路的时间常数又不能太小，否则可能使副回路包含的干扰太少，使系统抗干扰能
11、力减弱。,5、当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量情况下，在选择副变量时，应使副变量尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后。,化纤厂胶液压力与压力串级控制系统,计量泵,热交换器,过滤器,五、主、副控制器控制规律及正、反作用的选择 1、控制规律的选择 串级控制的目的是高精度地稳定主变量。主变量是工艺控制指标，一般不许有余差；故主控制器通常采用比例积分控制规律，实现无差控制；有时为克服控制通道的大容量滞后，也可以选择比例积分微分控制规律。而副控制器则一般采用比例控制规律。 2、控制器正、反作用的选择 1）副控制器作用方向 选定执行器的气开、气关形式后，使副回路形成负反馈控制系统的原则。,2）主控制器的作用
12、方向 当主、副变量在增加（减少）时，如果由工艺分析得出，为使主、副变量减少（增加），要求控制阀的动作方向是一致的时候，主控制器应选“反”作用；反之则选“正”作用。,冷却器温度串级控制系统（主控制器为正作用）,3）因工艺过程的需要，控制阀由气开改为气关（或相反）时，只要改变副控制器的正反作用而不需要改变主控制器的正反作用。 某些串级控制系统，可以将副控制器切除，实现主控；其切换条件为： 当主变量变化时，串级时副控制器的输出与主控时主控制器的输出信号方向完全一致。,六、控制器参数的工程整定 串级控制系统主、副控制器的参数整定方法有：两步整定法、一步整定法。 1、两步整定法 先整定副控器，后整定主控
13、器 1）在工况稳定，主、副控制器在纯比例控制作用下，将主控制器的比例度先固定在100%的刻度上，逐渐缩小副控制器的比例度，求取副回路在满足某种衰减比（4:1）过渡过程下的副控制器比例度和操作周期。分别用2s 、 T2s表示。,2）在副控制器比例度等于2s 条件下，逐步减小主控制器的比例度，直至得到同样衰减比的过渡过程，记下主控制器的比例度1s和操作周期T1s 3）根据主、副控制器同样衰减比下的比例度和操作周期，按表7-2、 表7-3 ，计算主、副控制器的比例度，积分时间，微分时间。 4）按“先副后主”，“先比例次积分后微分”的规律，将计算出的参数加到控制器上。 5）观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。,2、一步整定法 根据经验先将副控制器一次放好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制参数。,一步整定法步骤： 1）在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照上表数据，将副控制器比例度调到某一适当的数值。 2）利用简单控制系统中任意一种参数整定法整定主控制器的参数。 3）如果出现“共振”现象，可加大主控制器或减少副控制器的参数值，一般即能消除。,
