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1、第二章复杂控制系统,Chapter 2 Complex Control System,常用复杂控制系统,在简单反馈控制回路中增加了计算环节、控制环节或其他环节的控制系统称复杂控制系统。 从输入输出关系上看，其整体上仍然是单一的。,本章主要内容,串级控制系统 均匀控制系统 比值控制系统 前馈控制系统 分程控制系统 选择性控制系统 非线性控制,本章重点,串级控制系统 均匀控制系统 比值控制系统 前馈控制系统 分程控制系统,串级控制系统(cascade control system) 由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，这类控制系统称为串级控制系统。 结构
2、特点： 由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值。 由两个或两个以上的控制器，相应数量的检测变送器和一个执行器组成。 主控制回路是定值控制系统，对主控制器的输出而言，副控制回路是随动控制系统；对进入副回路的扰动而言，副控制回路是定值控制系统。,能否加一个蒸汽流量控制系统。 希望MV受控制器指挥，此时可考虑串级控制。 串级控制术语： 主回路；副回路； 主参数；副参数； 操纵变量； 串级控制的调节动作。,y2,y1,sv,例2 硝酸生产过程氨生成一氧化氮,控制方案 1、氨气流量定值控制： 控制方案保持氨气体流 量为定值，由于炉温是开环、因此炉温不能保持恒定 2
3、、炉温定值控制：该方案选氧化炉温度为被控变量，选择氨气流量作为操纵变量。由于被控过程的滞后时间长，时间常数大，控制品质不好。 3、选炉温为主控变量，氨气流量为副控变量，氨气流量为操纵变量组成串级控制。,FT,TT,例2 硝酸生产过程氨全成一氧化氮,随动,定值,定值,定性分析,定性分析： 当扰动进入后，首先，副被控变量检测扰动的影响，并通过副回路的定值作用进行控制，及时调整操纵变量，使副被控变量回复到副设定值，从而使扰动对主被控变量的影响减小。即副环回路对扰动进行粗调，主环回路对扰动进行细调。因些串级能迅速克服进入副回路扰动的影响。,主回路对应传递函数,定量分析,串级时副环回路扰动的传递函数,单
4、回路副环扰动的传递函数,单回路副环的传递函数,串级时副环回路的传递函数,扰动,余差,例 1 串级控制系统分析,三种串级和一种单回路控制方案：,方案一是以出口温度为主控变量、 燃料流量为副控变量的串级控制 系统。该控制系统的副回路由燃 料油量控制回路组成。抗干扰能 力强。但该控制方案因燃料黏度较 大，导压管容易堵而不常被采用。,方案二是以出口温度为主控变量、 燃料压力为副控变量的串级控制 系统。该控制系统的副回路由燃 料油压力控制回路组成。因阀后 压力与燃料油流量之间对应关系 ，因此，用阀后压力作为燃料油 流量的间接变量，组成串级控制 系统。同样该控制方案因燃料黏 度较大，导压管容易堵而不常被
5、采用。,方案三是以出口温度为主控变量、 炉膛温度为副控变量的串级控制 系统。该控制系统的副回路由炉膛温度控制回路组成。用于克服燃料油热值或成分的变化造成的影响，这是上面两个方面所不及的。但炉膛温度检测点的位置重要，要能及时反映炉膛温度变化。,方案四是以出口温度为主控变量 的单回路控制方案。,四 串级控制系统的特点 思想： 主回路：定值控制系统，细调。 副回路：随动控制系统，粗调。 特点： 改善了系统的动态特性，提高了系统的工作频率； 对副回路干扰有很强的克服能力； 提高对主回路干扰的克服能力; 对副回路参数变化的自适应能力。, 改善了系统的动态特性,减少了副过程的时间常数，改善了系统的动态特性
6、。 系统的闭环特征方程为,串级控制系统即提高了系统的工作频率。,2、增强了对副回路扰动的克服能力,系统总的传递函数,扰动F2作用下的传递函数,单回路系统,所以串级控制系统对进入副回路的干扰有较强的克服能力。 思路：抗干扰能力定义； 比较各种情况下的抗干扰能力, 对主回路干扰有较强的克服能力,对单回路系统,时做比较, 对副回路参数变化有自适应能力,当 时，对主回路的干扰有较强的克服能力,因此对副回路参数变化有自适应能力。,串级与单回路的比较, 改善了系统的动态特性，提高了系统的工作频率； 对副回路干扰有很强的克服能力； 提高对主回路干扰的克服能力; 对副回路参数变化的自适应能力。,二 串级控制系
7、统的实施 1. 用仪表构成串级控制系统 回路状态： 普通的串级控制系统, 带主控单回路串级切换的控制系统,2. 串级控制系统的实施 设计准则： 应使主要扰动进入副环，且使尽量多的扰动进入副环； 应合理选择副控对象和检测变送环节的特性，使副环可近似为1：1的比例环节； 根据副环频率特性，当副控制器参数整定不合适或副对象时间常数与主对象时间常数不匹配时，容易出现共振现象。 设计串级控制系统时应合理选择副对象，调整主副被控对象时间常数，控制参数速写要合适，防止发生共振。,2. 串级控制系统的实施 主、副控制变量的选择 根据工艺过程的控制要求选择主被控制变量，主被控变量应反映工艺指标。 副被控变量应包
8、含主要扰动，并应包含尽量多的扰动。 主副回路的时间常数和时滞应错开，即工作频率错开，以防止共振现象的发生。 主被控制对象的时间常数与副被控制对象的时间常数之比应该在3：1以上，防止副环工作频率进入谐振频率。 主副被控变量之间应该是一一对应关系。 主被控制变量的选择应使主被控对象有较大的增益和灵敏度。 综合考虑经济性和工艺的合理性。,串级控制系统的实施 主、副控制器控制规律的选择 主控制器：定值控制系统，为了消除余差，通常选择PI，慢对象，可加入微分，亦采用PID控制规律。 副控制器一般选择P或PI，要求有大比例度要求,无消除余差的要求，可不采用I控制器。 有流量的副控制器可加积分减弱控制作用。
9、 温度副控制器，由于回路容量大，可加微分，。 例子：,例题2-4：串级控制系统的余差,假设主、副广义对象均为一阶惯性环节，分析当主副控制器采用不同的控制规律时，串级控制系统的余差。,设扰动F2为阶跃信号,当主、副控制器中有一个具有积分作用时，串级控制系统的余差均为0， 2、扰动进入主环，同样设扰动为阶跃信号,当主副控制器都为P控制规律时，串级控制系统的余差为,主控制器要采用PI控制规律，才能保证系统无余差,分析，只有当主控制器为PI、副控制器为P，或PI时， 串级控制系统才没有余差。,2. 串级控制系统的实施 主、副控制器正、反作用的选择 先确定副控制器的正、反作用（正作用Kc为负，反作用Kc
10、为正）。 将副回路等效为一环节，判断主控制器的正、反作用。 具体步骤同单回路反馈控制系统。一般采用回路增益法。,操作步骤：,从安全角度选择阀的气开或气关型（气开型KV为正，气关型KV为负）。 根据工艺条件确定副被控对象的特性（操纵变量增加时，若副被控变量增加，则KP2为正，操纵变量增加时，若副被控变量减小则KP2为负）。 根据副控制回路为负反馈的准则，确定副控制器的正反作用，正作用KC2为负，反作用KC2为正。,操作步骤：,根据工艺条件确定主被控对象的特性（副被控变量增加时，主被控变量增加，则KP1为正，副被控变量增加时，主被控变量减小则KP1为负）。 根据主控制回路为负反馈的准则，确定主控制
11、器的正反作用，正作用KC1为负，反作用KC1为正。,例 确定图示系统主、副控制器正、反作用。 先判断副控制器。 燃料调节阀取气开阀，KV为正； 燃料增加，炉膛温度升高， KO2为正； Km2为正，所以KC2为正，即副调节器取反作用。 再判断主控制器。副回路等效增益为KO2。 所以KO2为正； 炉膛温度升高，物料出口温 度升高， KO1为正； Km1为正 所以KC1应为正，即主调 节器取反作用。 验证：,KC2,Km2,KO2,KV,KC1,KO1,Km1,3. 串级控制系统回路状态的无扰动切换, 副回路MA 切换前： 副回路手动时，应置内给定，主回路手动。 SV2=PV2， MV0=手动输出。
12、 MV = f (e) + MV0 切换后： MV0=手动输出 实现无扰动。, 副回路内给定外给定 切换前： 主回路手动。 MV1=SV2 切换后，实现无扰动。 主回路手动自动 同单回路, 串级控制主控单回路控制 切换前：MV1=MV2 切换后，实现无扰动。,切换原则,当主控制器在主控制方式时控制器正反作用是否要更换，应根据负反馈原则。当副控制器是反作用控制器时，主控制器从串级方式切换到主控方式时，不需要更换控制器的作用方式 ，例如原来是正作用的主控制器，切换完以后仍为正作用。而当副控制器为正作用时，由于KC20，应更换作用方式。,三 串级控制系统的投运和整定 1.串级控制系统的投运 主、副回路手动。 副回路手动控制稳定后投自动，观察。 副回路自动控制稳定后,主回路投自动,观察。 主、副回路控制器参数整定。 2. 串级控制系统的工程整定方法 两步法 整定副回路控制器参数。 整定主回路控制器参数。 一步法 根据经验设置副回路控制器参数。（前提：确保稳副回路定） 整定主回路控制器参数。,四 串级控制系统副回路的设计 副回路应包括主要扰动。 副回路应包括尽可能多的扰动。 应使非线性环节包含在副回路。 应使副回路尽量不包含纯滞后环节。 应使主、副过程的时间常数适当匹配，原则上，主、副过程的时间常数之比为310。 保证经济性和工艺合理性。,
