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1、第五章 串级控制系统与比值控制系统,5-1 串级控制系统概念 5-2 串级控制系统分析 5-3 串级控制系统设计和实施中的几个问题 5-4 调节器的选型 5-5 比值控制系统,较大迟延对象：过热汽温,简单控制系统,5-1 串级控制系统概念,减温水扰动,减温水扰动,单回路控制系统,超调量大 振荡频率低 调节时间长,超调量小 振荡频率提高 调节时间缩短,串级控制系统,单回路控制系统,串级控制系统,超调量大 振荡频率低 调节时间长,超调量小 振荡频率提高 调节时间缩短,常称副对象为导前区，主对象为惰性区；,串级控制系统的特点： 有效地克服二次扰动； 改善了对象的动态特性； 具有一定的自适应能力；,各
2、调节器的作用： 副调：粗调,克服二次扰动； 主调：细调,进行系统校正。,5-2 串级控制系统分析,1. 有效克服二次扰动,由梅荪公式：,由梅荪公式：,串级系统对二次扰动的响应是较 小的，在主环工作频率下更为突 出。与单回路比较二次扰动的影 响可以减小10100倍。,2. 改善了对象的动态特性,比较单回路,一般取,，又设,Tp2,Tp2,副调的增益可kc2Tp2，加快了副回路的响应速度。当Tp2很小时： Gp2 (s)1 对象等效传递函数为： Gp (s)= Gp1 (s) 因此系统的工作频率也提高了。,3. 对负荷变化有一定的自适应能力,在调节阀和导前区对象出现的由于负荷变化引起非线性，对控制
3、品质的影响可大大减小。 2）副回路是一个快速流量随动系统，能快速跟踪主调节器的输出，精确地控制调节量（流量），从而保证控制品质。,1）因为,5-3 串级控制系统设计和实施中的几个问题,1. 副回路的设计,1）副调参数选择应使副回路的时间常数小； 这样通道短，反应灵敏。 2）副回路应包含主要的扰动； 一般应把调节量扰动包含在内。,2. 主、副回路工作频率的选择,副回路的工作频率应选择主回路工作频率的310倍,3. 防止调节器积分饱和,产生积分饱和的原因：,外因是偏差长期存在 内因是控制器有积分作用,串级控制系统当主、副调节器都采用PI调节时，很容易产生积分饱和现象。,主调节器产生积分饱和，将使控
4、制不及时，系统输出超调量增加。,系统正常时，R2(s)=Y2(s)。则主调节器输出为：,将主调节器调整为积分外反馈。即,常规PI调节,当R2(s)Y2(s)时，则主调节器输出为：,比例调节（无积分）,偏置,抗积分饱和措施：,4. 串级控制调节器作用方向,1）确定调节阀气开气关 2）确定副对象特性 3）确定副调节器的作用方向 4）确定主对象特性 5）确定主调节器的作用方向,气开阀 副调正作用 主调反作用,当串级与单回路切换时，应考虑主调节器的作用方向的切换,由串级切为单回路时主调改为正作用,5-4 调节器的选型和整定,1. 选型,1） 副调节器一般选P调节，若主、副环频率相差很大，也可选PI。
5、2） 主调节器一般选PI调节,若主回路有主要扰动也可选PID。,2. 参数整定,1） 逐次逼近法。 （P.118） 步 2） 两步整定法。 （P.118） 步,采用串级调节控制的一般条件： *二次扰动较频繁； *较大迟延对象，且可分成特性相差较大的导前区和惰性区； *副回路的工作频率应选择主回路工作频率的310倍,5-5 比值控制系统,定义：自动保持两个或多个参数之间的比例关系的控制系统就是比值控制系统。,合成炉比值控制系统原理图,单回路流量随动系统,管道,重点讨论R的计算,比值系数的计算 比值系数的计算取决于测量信号的测取与处理,1）流量与测量信号成非线性关系,流量由差压变送器直接测得,对于
6、420mA变送器有：,经比值器R后,为比值系数,将,代入，得到：,在调节器为PI作用时，在稳态下，有,设工艺要求流量比为K，则：,*比值系数为常数，与负荷大小无关,2）流量与测量信号成线性关系,有,在PI作用时，在稳态下，有,*比值系数为常数，与负荷大小无关,结论：无论怎样处理测量信号比值器的比值都为常数，但数值不同,2. 比值系统中非线性特性,1）直接采用差压变送器的输出电流作为流量信号,增益与负荷有关,非线性特性导致系统的动态控制品质随负荷增加而恶化。,纠正措施：选择具有补偿特性的调节阀，使系统为线性,2）采用差压变送器的输出开方后作为流量信号,增益与负荷无关,测量信号的线性处理使系统的线
7、性特性不改变,3. 比值控制系统的整定,简单比值控制系统实际上是一个流量随动系统，因此衰减率应比较大，一般选择0.91。 可考虑先在比例工况下使系统衰减率调整为1，然后加积分使系统衰减率减为0.9 。,单闭环比值控制系统一般只适用于负荷变化不大的场合。负荷变化大应选用多闭环比值控制。,1）双闭环比值控制系统,4. 常见比值系统,如锅炉燃烧控制系统中的风、煤控制,2）变比值控制系统,如变换炉触媒层温度控制系统,第六章 利用补偿原理提高系统的控制品质 6-1 概述 6-2 前馈控制系统 6-3 大迟延系统 6-4 非线性增益补偿系统,6-1 概述,反馈控制原理：按尝试法根据偏差进行控制,有偏差才控
8、制 不能事先规定调节器的输出,反馈控制的缺点：,设计控制器Gff(s)，使,Gff(s) Kv Gp(s)+ Gd (s)=0。,则扰动D的变化与输出Y无关。,前馈控制器,工程实际中几种不变性,（1）绝对不变性：,（2）误差不变性：,（3）稳态不变性：,（4）选择不变性：对主要扰动不变性,不变性原理：,控制系统的被调量与扰动量绝对无关或在一定准确度下无关。即：,被控对象中的内部扰动（调节量）和外部扰动,6-2 前馈控制系统 基本概念 静态前馈 动态前馈 前馈反馈控制系统,汽包水位控制例,当Gff(s) Gp(s)=- Gd(s)时，蒸汽扰动对水位的影响消除。 把Gff(s) 称为前馈控制器。,
9、，,定义：基于不变性原理的控制称为前馈控制。是一种按扰动进行补偿的开环控制，不影响控制系统的稳定性。,1 基本概念,定义：基于不变性原理的控制系统称为前馈控制系统。是一种按扰动进行补偿的开环控制系统,2 静态前馈,定义：保证在系统稳态下补偿扰动作用的前馈称为静态前馈。即基于稳态不变性原理,前馈控制器的设计可按简单情况和复杂情况进行,简单情况：,若,静态前馈控制器为：,静态前馈控制器参数Kff的整定：,1） 根据已知开环传函计算：,2） 试验法计算（构成PI反馈控制回路）,列管换热器控制,换热器热平衡方程为：,为定压比热容,为汽化潜热,那么前馈控制器为：,常数,静态前馈控制器,复杂情况：（多变量
10、前馈）,3 动态前馈,若,静态前馈kff,动态前馈Gff(s),扰动输出yd,动态前馈产生的面积,动态前馈Gff(s)的图示说明：,静态前馈控制,动态前馈要补偿的面积,动态前馈控制器（补偿器）,（1）讨论：, Tp=Td，则,若,动态前馈为纯迟延可实现；,若,动态前馈为纯提前不可实现。,由此可得到：在选择调节通道时应选择迟延短的和时间常数小的通道。, p= d ，则,若Tp=Td,若TpTd,若TpTd,为超前补偿特性,为滞后补偿特性,为比例环节,一般对象的纯迟延并不明显，因此动态前馈常采用,（2）动态前馈补偿器,T1和T2的整定,设对象的主要惯性为TP和TD，即近似为：,在静态前馈下：D扰动
11、响应为,其面积为,加动态前馈后：D扰动前馈控制器的输出响应为：,其面积为,因此动态前馈应保持T1-T2 =Tp-Td=C，一般可先取： 若调节通道响应快于扰动通道, 取T1=0.5T2 ，T2=1.5tp 若扰动通道响应快于调节通道, 取T1=2T2 , T2=0.7tp 然后再根据补偿效果细调T1和T2,在工程实际中前馈控制补偿器选用原则： 首先选择静态前馈，静态前馈整定好后，再添加动态前馈。若静态前馈补偿效果达到要求，无须加入动态前馈,扰动输出yd,tp,4 前馈反馈控制,将前馈、反馈控制结合可优势互补，扬长避短,选用前馈反馈控制的原则 （1）若控制系统中控制通道的惯性和迟延较大，反馈控制
12、达不到良好的控制效果时，可引入前馈控制。 （2）如果系统中存在着经常变动、可测而不可控的扰动时，反馈控制难以克服扰动对被调量的影响，这时可引入前馈控制以改善控制品质。,给水控制,6-3 大迟延系统 1 概述 2 采用补偿原理克服大迟延的影响 3 史密斯预估器的几种改进方案,1 概述,大迟延对象：/T0.3 控制难度：超调量大，调节时间长,简单解决办法：,某大迟延对象不同控制方案仿真结果,方案,PID,微分先行,中间反馈,超调量,调节时间,0.289,0.162,0.133,25min,28min,21min,2 采用补偿原理克服大迟延的影响,史密斯预估控制原理图,史密斯预估控制原理 通过加补偿
13、器使被延迟的被调量超前反映。即：,整理得史密斯预估器为：,由梅逊公式得到系统闭环传递函数,系统特征方程不纯含迟延项，因此消除了纯迟延对系统控制品质的影响。,史密斯控制框图,史密斯预估控制虽然对定值扰动有很好的控制效果，然而对其他扰动控制效果变差，而且当预估器模型不准确时，控制效果也变差。,史密斯预估器的几种改进方案,实现完全抗干扰 的史密斯补偿器,方案一,上式分子项为0，可使系统完全不受扰动D的影响。,整理得：,显然只要取,再看：,系统对R的响应为1，完全跟踪设定值。,方案二,增益自适应补偿方案,当模型匹配时可简化为,6-4 非线性增益补偿系统 自学,当模型失配时可近似为,反馈增益随模型失配情
14、况变化,第七章 解 耦 控 制,7-1 相对增益 7-2 耦合系统中的变量匹配和调节参数整定 7-3 解耦控制系统的设计 7-4 实现解耦控制系统的几个问题,单元制火力发电机组负荷对象,负荷控制为多变量控制，对象存在存在耦合,简单控制方案,缺陷：一个回路的控制动作会对其他回路产生影响。 原因：系统之间存在耦合。,因此，了解系统之间的耦合是进行多变量自动控制系统设计的关键。,7-1 相对增益,相对增益：一个调节量i对一个被调量的yj的影响,设系统的开环增益矩阵为P，记作：,矩阵P的元素pij的静态值称为j到通道yi的第一放大系数，即j到通道yi的静态增益。表示为,1. 相对增益定义,对于双变量系
15、统,设所有其它回路闭合，保持其它被调量不变的情况下，各通道开环增益矩阵为Q。它的元素qij的静态值称为j到通道yi的第二放大系数。表示为：,定义,为j到通道yi的相对增益,由,元素组成的矩阵为相对增益矩阵。,2. 相对增益计算,设式,中P为满秩，则有：,式中H=P-1,定义,则有,相对增益计算式,对双变量系统有,因此有如下关系存在：,横加,纵加,推广之，则有,相对增益反映的系统耦合特性：,（1）0.8ij1.2，表明其它通道对该通道的耦合弱，不需解耦；,（2）ij0，表明本通道通道调节作用弱，不适宜最为调节通道；,（3）0.31.5，表明其它通道对该通道的耦合强，需解耦。,4. 相对增益性质,
16、7-2 耦合系统中的变量匹配和调节器参数整定,耦合的多变量系统调节量和被调量之间的配对是进行良好控制的必要条件。,1. 变量之间的配对,（1）0.8ij1.2,根据定义,其它通道闭环与否对该通道影响很小，表明其它通道对该通道的耦合弱。不需要解耦，变量配对合适。,（2）ij0,表明该通道调节量对被调量的影响很微弱，变量配对不合适，不适宜最为调节通道。,说明1与y1 、 2与y2的配对合适，这样的配对系统不需解耦。,例如：双变量系统,若取,则：,说明1与y2 、 2与y1的配对不合适。,（3）0.3ij0.7,说明其它回路的闭合使该通道的等效增益增加，耦合强，需解耦。,根据：,（4）ij1.5,说明
