复杂控制系统的设计

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1、6.1串级控制系统的工程设计,第六章 复杂控制系统,第六章 复杂控制系统 提高控制品质,6.2前馈控制系统的工程设计,6.3大滞后补偿控制系统的特性及应用,6.4其它控制系统,6-4-1比值控制 6-4-2分程与选择性控制 6-4-3多变量解耦控制 6-4-4预估控制 6-4-5模糊控制,串级控制系统 前馈控制系统 大滞后控制系统 比值控制系统 选择控制系统 分程控制系统 多变量控制系统,7种主要 控制系统,第六章 复杂控制系统,6.1串级控制系统的工程设计,1 串级系统的提出-单回路控制的局限性,目标：控制塔釜温度稳定 方案1 优点：将所有对温度的干扰都概括在控制回路内。 缺点：当蒸汽压力波

2、动较大时，由于温度对象滞后较大，控制质量不理想。 方案2 优点：能及时克服蒸汽压力的干扰对温度的影响 缺点：不能克服进料流量、物料温度等其他因素对温度的影响。,第六章 复杂控制系统,希望在塔釜温度不变时蒸汽流量能保持设定值，而当塔釜温度在外来干扰的作用下偏离给定值时，又要求蒸汽流量能作相应的变化，使塔釜温度保持在设定值上。,O,第六章 复杂控制系统,串级控制系统：采用两个控制器串联工作，主控制器的输出 作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵控制阀， 从而对住被控变量具有更好的控制效果。,常用名词 主变量 副变量 主对象 副对象 主控制器 副控制器 主回路 副回路,2 串级控制系统方块图,

3、第六章 复杂控制系统,3 串级控制系统的工作过程,在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服。副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。,干扰作用于副对象 由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干扰进入副回路时，可以获得比单回路控制系统超前的控制作用，有效地克服蒸汽压力变化对塔釜温度的影响 干扰作用于主对象 由于副回路的存在，可以及时改变副变量的

4、数值，以达到稳定主变量的目的。,第六章 复杂控制系统,4 串级控制系统的特点及应用范围,从系统结构来看，有主、副两个闭合回路,主、副两个控制器；分别测量主变量和副变量的两个测量变送器。主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统。 (2) 从系统特性来看，由于副回路的引入，改善了对象的动态特性，使控制过程加快，具有超前控制的作用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量。 (3)加强了对一、二次扰动的克服能力，对副回路参数变化具有一定的自适应能力。,适用范围：当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而且频繁、负荷变化大，简单控制系统满足不了控制质量的要求时，可采用串级控制系统。,第六章 复杂控制系统,

5、5 串级控制系统主、副回路的设计,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的，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“共振效应” （避免的条件 ） 。 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。,回路选择,第六章 复杂控制系统,6 主副控制器控制规律的选择,串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量。 主

6、变量是生产工艺的主要控制指标，它直接关系到产品的质量或生产的正常，工艺上对它的要求比较严格。一般来说，主变量不允许有余差。所以，主控制器通常都选用比例积分控制规律，以实现主变量的无余差控制。 在串级控制系统中，稳定副变量并不是目的，设置副变量的目的就在于保证和提高主变量的控制质量。 副变量的给定值是随主控制器输出变化而变化的。所以，在控制过程中，对副变量的要求一般都不很严格，允许它有波动。因此，副控制器一般采用比例控制规律。,第六章 复杂控制系统,稳定主变量,7 主副控制器正、反作用的选择,选择副回路控制器的正反作用 与简单控制系统中控制器“正”、“反”作用的选择方式相同，先判断副对象的正反作

7、用，然后根据工艺安全等要求，选定执行器的“正”、“反”作用方式，并按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定副回路控制器的正反作用。,选择主回路控制器的正反作用 确定原则：当主、副变量在增加(或减小)时，如果由工艺分析得出，为使主、副变量减小(或增加)，要求控制阀的动作方向是一致的，主控制器应选“反”作用，反之，则应选“正”作用。,第六章 复杂控制系统,8 主副控制器参数的工程整定,两步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器,(1) 在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用的条件下，将主控制器的比例度先固定在100的刻度上，然后逐渐减小副控制器的比例度，求取副回路在满足某种衰减比(如4：1)

8、过渡过程下的副控制器比例度2S和操作周期2S。 (2) 在副控制器比例度等于2S，的条件下，逐步减小主控制器的比例度，直至得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度1S。和操作周期1S 。 (3) 根据上面得到的1S、1S、2S、2S按表的规定关系计算主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。 (4) 按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定方法，将计算出的控制器参数加到控制器上。 (5)观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。,第六章 复杂控制系统,一步整定法：即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器参数。,采用一步整

9、定法副控制器参数选择范围,一步整定法的整定步骤如下。 (1)在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照上表所列的数据，将副控制器比例度调到某一适当的数值。 (2)利用简单控制系中任一种参数整定方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小副控制器的参数整定值，一般即能消除。,第六章 复杂控制系统,6.2 前馈控制系统的工程设计,1）反馈与前馈,第六章 复杂控制系统,1 概念：,D1，Dn为可测扰动；u，y分别为被控对象的操作变量与受控变量。,前馈原理：出现扰动时，立即测出来，通过前馈控制器，根据扰动量大小直接改变控制量，以抵消或减小扰动对被控量的影响。,2） 前馈控

10、制原理,全补偿条件,控制目标：,Wm(s)为前馈控制器的动态特性；Wf(s)、Wo(s)分别为干扰通道与控制通道的动态特性。,第六章 复杂控制系统,前馈控制器模型：,前馈控制比反馈控制及时，并且不受系统滞后大小的限制。 前馈控制属于开环控制 前馈控制规律与对象特性密切相关 一种前馈作用只能克服一种干扰,3） 前馈控制的特点,第六章 复杂控制系统,1）静态前馈控制系统,第六章 复杂控制系统,2 系统基本结构：,前馈控制器输出信号仅是输入信号（d）的函数， 与时间（t）无关。,是一比例控制器。 适用：扰动变化不大，或对补偿控制要求不高的生产过程。,2）动态前馈控制系统,在静态前馈控制的基础上，加上

11、延迟环节或微分环节，使干扰经过前馈控制器至被控量通道的动态特性完全复制对象干扰通道的动态特性，并使它们符号相反，即可达到控制作用完全补偿干扰对被控量的影响，使系统不仅保证了静态偏差等于或接近于零，也保证了动态偏差等于或接近于零。,第六章 复杂控制系统,实际使用为：,3）前馈-反馈控制系统,用“前馈”来克服主要干扰，再用“反馈”来克服其他干扰,第六章 复杂控制系统,4）前馈-串级控制系统,前馈控制器的输出作为副调节器的给定值,适用：多个变化频繁而剧烈的扰动对被控参数的控制精度、稳定性要求很高。,3 前馈控制的应用场合,干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，仅采用反馈控制达不到要求的对象。 主要干

12、扰是可测而不可控的变量。所谓可测，是指干扰量可以用检测变送装置将其在线转化为标准的电信号。所谓不可控，主要是指这些干扰难以通过设置单独的控制系统进行控制，这类干扰在连续生产过程中是经常遇到的，其中也包括一些虽能控制但生产上不允许控制的变量，例负荷量等。 当对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差时，可采用前馈或前馈反馈控制系统，提高控制质量。,第六章 复杂控制系统,6.3 大滞后补偿控制系统,1 常用方案：,1）常规方案,2）微分先行方案,3）中间微分方案,2 预估补偿方案： 设想出一种模型（补偿器）加入到反馈控制系统中，力图 使控制延迟了的被控量超前反映到控制器，使控制器提前动作，减

13、小超调和过渡过程时间。,1）Smith预估补偿器数学模型,2）改进的Smith预估补偿器 增益自适应预估补偿,W,c,(,s,),-,X(s),W,(,s,),W,o,(,s,),-,Y(s),1. 均匀控制系统,均匀控制问题的提出,连续精馏的多塔分离过程,对甲塔来说，塔釜液位是一个重要的工艺参数，必须保持在一定范围之内，为此配备了液位控制系统； 对乙塔来说，从自身平稳操作的要求出发，希望进料量稳定，所以设置了流量控制系统； 这样，甲、乙两塔间的供求关系就出现了矛盾。 为解决这一前后工序供求矛盾，希望设计一种控制系统使液位与流量同时平稳；同时“均匀”地变化。,第六章 复杂控制系统,6.4 其它

14、控制系统,1、表征前后供求矛盾的两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化的。,2、前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内波动。,1液位变化曲线 2流量变化曲线,均匀控制的要求,第六章 复杂控制系统,不同于常规的定值控制系统，而对被控变量(CV)与控制变量(MV)都有平稳的要求； 为解决CV与MV都希望平稳这一对矛盾，只能要求CV与MV都渐变。均匀控制通常要求在最大干扰下，CV在上下限内波动，而MV应在一定范围内平缓渐变。 均匀控制指的是控制功能，而不是控制方案。因为就系统的结构来看，有时象简单控制系统，有时象串级控制系统。所以要识别控制方案是否起均匀控制作用，应从控制的目的进行确定

15、。,均匀控制的特点,第六章 复杂控制系统,单回路均匀控制系统,串级均匀控制系统,常用的两种均匀控制方案,第六章 复杂控制系统,通过控制器参数的设置，而不是改变控制系统的结构，来实现前后两个变量间的相互协调的。 参数整定的目的不是使变量尽快地回到给定值，而是要求变量在允许的范围内作缓慢的变化。 控制器参数一般都采用纯比例作用，且控制器比例度放的很大，以使输出变化缓慢，只是在要求较高时，为了防止偏差超过允许范围，才引入适当的积分作用。,均匀控制系统小结,第六章 复杂控制系统,2. 比值控制系统,1) 问题的提出,比值控制的目的是为了实现几种物料按一定比例混合，使生产能安全、正常的进行。实现两个或两

16、个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。通常为流量比值控制。 在需要保持比值关系的两种物料中，必有一种物料处于主导地位，成为主物料、主动量、主流量，用Q1表示；而另一种物料按主物料进行配比，在控制过程中随主物料而变化，因此称为从物料、从动量、副流量，用Q2表示； 副流量Q2与主流量Q1的比值关系为: Q2KQ1 式中K为副流量与主流量的流量比值系数。,第六章 复杂控制系统,2) 比值控制方案,主、副流量均开环； 由于系统开环，该方案对副流量Q2无克服干扰的能力，只适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。,第六章 复杂控制系统,(1)开环比值控制系统,(2)单闭环比值控制系统,副流量闭环控制 主流量开环控制 适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合,第六章 复杂控制系统,(3)双闭环比值控制系统,主、副流量均闭环控制； 该系统既实现了比较精确的流量比值控制，又确保了两物料总量的基本不变 主要适用于主流量干扰频繁、工艺上不允许负荷有较大