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1、7.1 串级控制系统 7.2 前馈控制系统 7.3 大时延控制系统,第7章 提高控制质量的控制系统,7.1 串级控制系统,实例：,图7-1所示为炼油厂管式加热炉温度控制系统。,工艺要求被加热物料的出口温度（即炉出口温度） 保持为某一定值，所以选定炉出口温度为被控制参数。,a 图以出口温度为被控参数、燃料量为控制参数构成单回路反馈控制系统,b图以炉膛温度为被控参数、燃料量为控制参数构成单回路反馈控制系统,图7-1 加热炉温度控制系统流程图,其中，,选择炉出口温度为主被控参数，炉膛温度为中间辅助被控制参数。 采取串级结构进行控制，见图7-2。,扰动f2(t) ，f3(t)对炉出口温度的影响，主要由
2、炉膛温度控制器T2C 构成的控制回路来克服，扰动f1(t)、f(t)对炉出口温度的影响由炉出口 温度控制器T1C构成的控制回路来消除。,图7-2 串级温度控制系统流程图,一、串级控制系统组成框图：,图7-3 串级温度控制系统框图,结构上形成了两个闭环，一个闭环在里面，称为副环或者副回路， 在控制过程中起着“粗调”的作用；一个环在外面，称为主环或主回路， 用来完成“细调”任务，以最终保证被调量满足工艺要求。,特点：,二、串级控制系统的特点,改善过程动态特性 克服二次扰动 系统工作频率高 4. 有一定的自适应能力,三、串级控制系统的工业应用,应用于容量滞后较大的过程 应用于纯时延较大的过程 应用于
3、扰动变化激烈的过程 应用于参数互相关联的过程 应用于非线性的过程,四、串级控制系统的设计,1主参数的选择和主回路的设计,串级控制系统由主回路和副回路组成。主回路 是一个定值控制系统。对于主参数的选择和主回路 的设计，基本上按照单回路控制系统的设计原则进 行。凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关并 可直接测量的工艺参数，均可选作主参数。若条件 许可，可以选用质量指标作为主参数，因为它最直 接也最有效。否则，应选一个与产品质量指标有单 值函数关系的参数作为主参数。另外，对于选用的 主参数必须具有足够的变化灵敏度，并须符合工艺 过程的合理性。,2副参数的选择和副回路的设计,（1）副参数的选择：,副
4、参数的选择应使副回路的时间常数小，时延小，控制通道短， 这样可使等效过程的时间常数大大减小，从而加快系统的工作频率， 提高响应速度，缩短过渡过程时间，改善系统的控制品质。,（2）副回路必须包括被控对象的主要扰动,串级控制系统副回路具有调节快，抗扰动能力强的特点。在设计串级控制系统时，要充分发挥这一特点。应把主要扰动、并尽可 能把其他一些扰动包括在副回路中，以提高主参数的控制精度。,在实际工业生产过程中，副回路的范围大小，取决于整个过程 的特性及各种扰动的影响。一般应使副回路的频率比主回路高得多。,（3）主、副回路时间常数的适当匹配,串级系统的共振现象,为了保持串级控制系统的控制性能，应避免副回
5、路进入高增益、 幅度变化快的区域，即主回路振荡周期 为（13）的副振荡周期 即：,（4）副回路设计应考虑生产工艺的合理性,应考虑和满足生产工艺要求，所设置的系统是否会影响到工艺 过程的正常运行。,（5）副回路设计时应同时考虑经济性原则,在副回路设计时，如果有几种可供选择的控制方案，则应同时 把经济性原则和控制品质要求结合起来，进行分析比较，在满足系 统设计要求的前提下，力求节约。,3被控制参数和控制参数选择,（1）选择可控性良好的参数作为控制参数。 （2）所选择的控制参数必须使控制通道有足够大的放大系数， 并应保证大于主要扰动通道的放大系数，以实现对主要 扰动进行有效控制并提高控制质量。 （3
6、）所选控制参数必须使控制通道有较高的灵敏度，即时间 常数适当小一些。 （4）选择控制参数应同时考虑经济性与工艺上的合理性 。,4主、副控制器控制规律的选择,主控制器起定值控制作用、副控制器起随动控制作用。,主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小， 一般要求无余差，因此，主调节器应选PI或PID控制规律。,副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，可以允许在 一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P控制 规律就可以了。一般不引入积分控制规律或微分控制规律。,5主、副调节器正、反作用方式的确定,表7-1 主副调节器作用方向,五、串级控制系统调节器参数的整定,常用的整定方法有：逐步逼近
7、法、一步整定法、两步整定法,1逐步逼近法,整定步骤：,（1）主回路断开，把副回路作为一个单回路控制系统，并按单回路 控制系统的参数整定法，求取副调节器的整定参数值W2(s)1。 （2）副调节器参数值置于W2(s)1数值上，把主回路闭合，把副回 路作为一个等效环节，这样，主回路又成为一个单回路控制系统。再按 单回路整定方法，求取主调节器的整定参数值W1(s)1。 （3）主调节器参数置于W1(s)1上，主回路闭合，再按上述方法求 取副调节器的整定参数值W2(s)2。至此，完成了一次逼近循环。若控制 质量已达到工艺要求，整定即告结束。主、副调节器的整定参数值分别 为W1(s)1和W2(s)2。否则，
8、将副调节器的参数置于W2(s)2上，再按上 述方法求取主调节器整定参数值W1(s)2。 如此循环下去，逐步逼近，直到满足质量指标要求为止。,2两步整定法,两步整定法：第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。,整定步骤：,（1）在工况稳定、主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用的 条件下，主调节器的比例度置于100%，用单回路控制系统的衰减（如 4：1）曲线法整定，求取副调节器的比例度2s和操作周期T2s。 （2）将副调节器的比例度置于所求得的数值2s上，把副回路作 为主回路中的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主调节器的比 例度1s和操作周期T1s。 （3）根据求得的1s、T1s，2
9、s、T2s数值，按单回路系统衰减 曲线法整定公式计算主、副调节器的比例度、积分时间T1和微分时 间TD的数值。 （4）按先副后主、先比例后积分最后微分的整定程序，设置主、 副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到 系统质量达到最佳为止。,3一步整定法,一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后 按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。,理论根据：串级控制系统可以等价为单回路反馈控制系统，其等 效调节器总的放大系数KC为主调节器放大系数 与 回路等效放大系数的乘积，即,在确定副调节器的比例度 时，根据,式中， 为纯比例作用下，产生4：1衰减比过程的总放大系数
10、。,这一关系式，,通过副过程放大系数 ，求取副调节器比例放大系数 ，或按经 验选取。,整定步骤：,（1）在生产稳定，系统为纯比例作用的情况下，由副过程K02确定副调节器的比例度，并将其设置在副调节器上。 （2）按照单回路控制系统的整定方法，整定主调节器参数。 （3）观察控制过程，根据 与 互相匹配的原理，适当调整调节器参数，使主参数品质指标最佳。 （4）在调节器参数的整定过程中，若出现“共振”，只要加大主、副调节器中任何一个调节器的参数，便可以消除“共振”。若“共振”剧烈，可以先切换至遥控，待生产稳定后，将调节器参数置于比产生“共振”时略大的数值上，重新整定调节器参数。,应用举例,例7-1 某
11、工厂在石油裂解气冷却系统中，通过液态丙烯的气化来 吸收热量，以保持裂解气出口温度的稳定。组成以出口温度为主 参数、气化压力为副参数的温度与压力串级控制系统。 采用一步整定法： （1）在本系统中，副参数为压力，该参数反应快，滞后小，比 例度可选小一些，根据本例具体情况，选取副调节器比例度为40%。 （2）将副调节器的比例度2置于40%的刻度上，按4：1衰减曲 线法整定主调节器参数，得到1s30%，TI13min。 （3）按4：1衰减曲线法的经验公式计算主调节器参数，即 20.81s0.830%24% TI10.3 TI1s=0.33=0.9min Td10.1 TI1s=0.13=0.3min
12、副调节器的比例度240%。 （4）按照“先比例后积分再微分”的程序，将主调节器的参数置于 计算求得的数值上，使系统投入运行，实践证明，系统主参数稳定， 完全满足工程要求。,例7-2 在硝酸生产过程中，有一个氧化炉与氨气流量的串级控制 系统，炉温为主参数，工艺要求较高，温度最大偏差不能超过 50C，氨气流量为副参数，允许在一定范围内变化，要求不高。 采用两步整定法： （1）在系统设计时，主调节器选用PI控制规律，副调节器选用P 控制规律，在系统稳定运行条件下，主、副调节器均置于纯比例作用， 主调节器的比例度置于100%上，用4：1衰减曲线法整定副调节器参 数，得2s32%，T2s15s。 （2）
13、将副调节器的比例度置于32%上，用相同的整定方法，将主调 节器的比例度由大到小逐渐调节，求得主调节器的1s50%，T17min。 （3）根据上述求得的各参数，运用4：1衰减曲线法整定计算公式， 计算主、副调节器的整定参数为：主调节器（温度调节器）： 比例度11.21s60% 积分时间T10.5T1s3.5min 副调节器（流量调节器）： 比例度22s32%。 （4）把上述计算的参数，按先比例后积分的次序，分别设置在主、 副调节器上，并使串级控制系统在该参数下运行。,7.2 前馈控制系统,一、概述,发电厂换热器出口温度控制的反馈控制和前馈控制，如图7-6所示。,图7-6 前馈控制与反馈控制 a）
14、反馈控制系统 b）前馈控制系统,前馈控制系统是一个开环控制系统，其传递函数为：,Wf(s)+ WFF(s) W0(s),式中， Wf(s) 为过程扰动通道的传递函数； W0(s)为过程控制通道的传递函数； WFF(s)为前馈调节器的传递函数。,若适当选择前馈调节器的传递函数WFF(s)，可以使扰动 F(s)对被控参数Y(s)不产生影响，即实现完全补偿。,当Q(s) 0时，T(s) =0 即： Wf(s)+ WFF(s) W0(s)=0,可得到前馈调节器的传递函数：,WFF(s),WFF(s)决定于过程扰动通道的特性Wf(s)和过程控制通道的特性W0(s)， 式中负号表示控制作用与扰动作用方向相
15、反。,前馈控制特点：,（1）前馈控制是一种开环控制,（2）前馈控制是一种按扰动大小进行的控制,（3）前馈调节器的控制规律是由对象过程特性决定,（4）前馈控制只抑制可测而不可控的扰动对被控参 数的影响,前馈控制是减少被控参数动态偏差的一种最有效的方法。,合理的控制系统应该是把前馈控制和反馈控制结合起来 ， 组成前馈-反馈控制系统。,二、前馈控制系统结构形式,1静态前馈控制系统,所谓静态前馈控制，是指前馈调节器的输出量仅仅是其输入量的 函数，与时间因子无关。控制规律具有比例特性：,WFF(s),KF,其大小可根据过程扰动通道的静态放大系数和过程控制通道的静态 放大系数来决定。,静态前馈控制只考虑最
16、终稳态时的校正，所以只能使被控参数最终 的静态偏差接近或等于零。不考虑由于过程扰动通道的时间常数和控制 通道的时间常数不同，在过渡过程中所产生的动态偏差。 静态前馈控制简单，一般不需专用前馈调节器，而用DDZ仪表中的 比例调节器或比值器就能满足使用要求。在实际工业生产过程中，尤其 当过程扰动通道与控制通道的时延相差不大时，设计和应用静态前馈控 制，可获得较高的控制精度。,2动态前馈控制系统,静态前馈控制只能保证被控参数的静态偏差接近或等于零， 而不能保证被控参数的动态偏差接近或等于零。当需要严格控 制动态偏差时，就要采用动态前馈控制。 动态前馈控制必须根据过程扰动通道和控制通道的动态特性， 采用专用的前馈调节器。由于工业过程数学模型复杂，实际上动 态前馈补偿是有限的，常规仪表难以实现完全补偿。当运用计算 机实现前馈控制时，可随时辨识过程数学模型，及时修正动态前 馈
