复杂控制系统培训课程

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1、第 6 章 复杂控制系统,简单控制系统是过程控制中最基本、应用最广的控制形式，约占全部控制系统的80。但是： 随着生产过程的大型化和复杂化，操作条件更加严格，变量之间的关系更加复杂。 有些生产工艺和控制要求比较特殊。 随着技术发展，对工艺的控制目标多样化，如产量、质量、节能、环保、效率等。 为此，设计出各种复杂控制系统。,6.1 串级控制系统 当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，采用简单控制系统往往控制质量较差，满足不了工艺上的要求，这时，可考虑采用串级控制系统。 6.1.1串级控制系统基本结构及工作过程 串级控制是在简单控制系统基础上的改进。 例 管式加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之

2、一，它的任务是把原油加热到一定温度，以保证下道工艺的顺利进行。因此，需要控制原油加热后的出口温度。,问题： 控制通道容量滞后很大，控制缓慢。,燃料压力或燃料的热值变化,影响炉膛温度,热传导给原料,影响出口温度,15min,3min,若用简单温控系统：,炉膛温度 变化,T2T、T2C回路先改变燃料量,T1T、 T1C回路再改 变燃料量,出料温度变化,解决措施：在影响出口温度的通道中，加测炉膛温度的变化，提前控制。,燃料压力 变化,3min,图6.6管式加热炉出口温度串级控制系统框图为：,标准框图为：,结构特点： 系统有两个闭合回路，形成内外环。主变量是工艺要求控制的变量，副变量是为了更好地控制主

3、变量而选用的辅助变量。 主、副调节器是串联工作的，主调节器的输出作为副调节器的给定值。,控制过程分析： 1燃料压力f3(t)、燃料热值f4(t)发生扰动干扰进入副回路 进入副回路的干扰首先影响炉膛温度，副变送器提前测出，副控制器立即开始控制，控制过程大为缩短。,2原油流量 f1(t)、原油入口温度 f2(t)发生扰动 干扰进入主回路 对进入主回路的干扰，虽然副变送器不能提前测出，但副回路的闭环负反馈，使对象炉膛部分特性的时间常数大为缩短，则主控制器的控制通道被缩短，控制效果也得到改善。,3干扰同时作用于副回路和主回路 主副回路干扰的综合影响有两种情况： （1）主副回路的干扰影响方向相同。如：

4、燃料压力f3(t)炉膛温度 出口温度 副控制器开始调节 原油流量f1(t)出口温度主副控制器共同调节,（2）主副回路的干扰影响方向相反。如： 燃料压力f3(t)炉膛温度 出口温度 副控制器开始调节 原油流量f1(t)出口温度主控制器反向调节，使副控制器调节量减小。,6.1.2串级控制系统特点及其分析 将串级控制系统等效成单回路控制系统讨论。,将副环等效为：,6.1.2.1改善被控过程的动态特性 控制通道等效副对象的传函：,设：,则：,串级控制等效,真正的单回路控制,T02 T02 ，说明主环控制通道时间常数缩短，改善了系统的动态性能。,同理，通过对系统振荡频率的推导可知： 副回路的引入，提高了

5、系统的工作频率，也改善了系统的动态性能。,从系统特征方程：1+Gc1(s)Go2(s)Go1(s)Gm1(s)=0 可求出系统的工作频率c,6.1.2.2 抗干扰能力增强 对于进入副回路的干扰，串级控制和单回路控制前向通道的区别：,真正的单回路控制,1）能迅速克服进入副回路的干扰，提高控制质量。,理论分析：,控制性能与抗干扰能力的综合指标为：,对同样过程的单回路控制，其综合指标为：,由此可见，串级控制由副回路的存在，控制作用的总放大系数提高了，因而抗干扰能力与控制能力均比单回路控制系统有了明显提高。,干扰通道的传函：,设：,则：,T02* T02,K02 * K02,K02 * K02 说明干

6、扰通道的影响力降低； T02 * T02 说明干扰通道时间常数缩短，即副回路的控制速度快。,真正的单回路控制,真正的单回路控制,对于进入主回路的干扰，串级控制和单回路控制闭环回路的区别：,T02 T02 ，说明主环通道时间常数被缩短，加快了系统的控制速度。,6.1.2.3对负荷和操作条件变化的适应能力增强 有些生产过程的工艺条件经常变化。而在不同的工艺点，对象的放大倍数往往不同。如果是单回路控制，这会导致控制质量下降。,真正的单回路控制,对于串级控制，部分对象被包含在副回路中，其放大倍数被负反馈压制。因而工艺负荷或操作条件变化时，调节系统仍然具有较好的控制质量。,串级系统特点总结： 对进入副回

7、路的干扰有很强的克服能力； 改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；对进入主回路的干扰控制效果也有改善； 对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。,6.1.3 串级控制系统的设计与参数整定 6.1.3.1串级控制系统的方案设计 1主回路设计 主回路设计与单回路控制系统一样。,2副回路的选择 副回路设计中，最重要的是选择副回路的被控参数（串级系统的副参数）。副参数的选择一般应遵循下面几个原则： 主、副变量有对应关系 副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主要干扰，并尽可能多包含一些干扰 副参数的选择应考虑主、副回路中控制过程的时间常数的匹配，以防“共振” 的发生 应注意工艺上的合理性和经

8、济性,3主、副调节器调节规律的选择 在串级系统中，主参数是系统控制任务，副参数辅助变量。这是选择调节规律的基本出发点。 主参数是生产工艺的主要控制指标，工艺上要求比较严格。所以，主调节器通常选用PI调节，或PID调节。 控制副参数是为了提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，允许有静差。因此，副调节器一般选P调节就可以了。,4主、副调节器正、反作用方式的确定 对串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用方式的选择原则依然是使系统构成负反馈。 选择时的顺序是： 1、根据工艺安全或节能要求确定调节阀的正、反作用； 2、按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、反作用； 3、依据主回路构成负

9、反馈的原则，确定主调节器的正、反作用。,以管式加热炉为例，说明串级控制系统主、副调节器的正、反作用方式的确定方法。 1、从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式（正作用）。一旦出现故障或气源断气，调节阀应关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全。,2、副回路中，调节阀开大，炉膛温度升高，测量信号增大，说明副对象和变送器都是正作用。为保证副回路为负反馈，副调节器应为反作用方式。,3、对于主调节器，调节阀开大，炉膛温度升高时，原料油出口温度也升高，说明主对象和主变送器也都是正作用。为保证主回路为负反馈，主调节器也应为反作用方式。,原料出口温度1(t),原料,T1C,T1T,燃料,管式加热炉,T2

10、C,T2T,5串级系统的工业应用 当生产工艺要求高，采用简单控制系统满足不了工艺要求的情况下，可考虑采用串级控制系统。串级控制系统常用于下面一些生产过程。 1）容量滞后较大的过程 2）纯滞后较大的过程 3）干扰幅度大的过程 4）非线性严重的过程,6.1.3.2串级控制系统的参数整定 有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。 1逐步逼近法 依次整定副回路、主回路。并循环进行，逐步接近主、副回路最佳控制状态。 2两步整定法 系统处于串级工作状态，第一步按单回路方法整定副调节器参数；第二步把已经整定好的副回路视为一个环节，仍按单回路对主调节器进行参数整定。,3一步整定法 所谓一步整定法，就是根据经验，

11、先将副调节器参数一次调好，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调节器参数。,表6.1一步整定法副调节器参数选择范围 副参数类型 副调节器比例度2（%） 副调节器比例增益Kc2 温度 2060 5.01.7 压力 3070 3.01.4 流量 4080 2.51.25 液位 2080 5.01.25,6.2前馈控制系统 前馈控制的原理是：当系统出现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小改变控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响。 6.2.1前馈控制的工作原理及其特点,1、反馈控制的特点： 不论是什么干扰，只要引起被调参数的变化，调节器均可根据偏差进行调节。但必

12、须被调参数变化后才进行调节，调节速度难以进一步提高。,例 换热器出口温度反馈控制系统,TT,TC,蒸汽,换热器,冷物料入口,热物料出口,冷凝水,针对冷物料流量变化的最佳调节效果：,为了改变事后调节的状况，提出前馈控制的思路：根据冷物料流量Q的大小，调节阀门开度。,2、前馈控制的原理与特点,蒸汽,换热器,冷物料入口,热物料出口,冷凝水,例 针对换热器入口流量干扰的前馈控制系统,Gb(s),Gfs),Go(s),Gm(s),Gv(s),蒸汽,换热器,冷物料入口,热物料出口,冷凝水,F(s),Y(s),用方框图表示：,完全补偿原理 如果补偿量和干扰量以同样的大小和速度作用于被控变量，且作用方向相反的

13、话，被控变量不变。,Y(S) = F(S)Gf(s)+ F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s) = 0,得：,完全前馈补偿规律的推导：,Y(S) = F(S)Gf(s)+ F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s) = 0,广义对象: 控制对象 测量变送执行环节,Go(s),GB(s)-GF(s)/GO(s),前馈控制的特点： 前馈控制器是按是按照干扰的大小进行控制的， 称为“扰动补偿”。如果补偿精确，被调变量不会变化，能实现“不变性”控制。 前馈控制是开环控制，控制作用几乎与干扰同步产生，是事先调节，速度快。 前馈控制器的控制规律不是PID控制，是由对象特性决定的，是专用控制

14、器。 前馈控制只对特定的干扰有控制作用（可测不可控干扰），对其它干扰无效。,3前馈控制的局限性 实际工业过程中的干扰很多，不可能对每个干扰设计一套控制系统。 对不可测的干扰无法实现前馈控制； 前馈控制器的补偿控制规律由动特性GF(s)和Go(s)决定，很难精确测量，即使前馈控制器设计的非常精确， 实现时也会存在误差，而开环系统对误差无法自我纠正。 因此，一般将前馈控制与反馈控制结合使用。前馈控制针对主要干扰，反馈控制针对所有干扰。,6.2.2前馈控制系统的结构 前馈控制的结构有静态补偿和动态补偿。 1静态前馈控制系统 所谓静态前馈控制，是前馈控制器的补偿控制规律，只考虑静态增益补偿，不考虑速度

15、补偿。,（S=0时）,静态前馈控制的调节规律为比例特性，其大小是根据过程干扰通道的静态放大系数和过程控制通道的静态放大系数决定的。 静态前馈控制的控制目标是使被控参数最终的静态偏差接近或等于零，而不考虑由于两通道时间常数的不同引起的动态偏差。 静态前馈系统结构简单、易于实现，前馈控制器就是一个比例放大器。只要用DDZ仪表中的比例调节器或比值器就能满足要求。但控制过程中，动态偏差依然存在。,2动态前馈控制系统 当需要严格控制动态偏差时，则要采用动态前馈控制。完全按照补偿控制规律制作控制器。,理论上，动态前馈控制能在每个时刻都完全补偿扰动对被控参数的影响。但补偿控制规律比较复杂，常常无法获得精确表达式，也难以精确实现。,3前馈反馈复合控制系统 为了克服前馈控制的局限性，将前馈控制和反馈控制结合起来，组成前馈反馈复合控制系统。,如换热器出口温度前馈反馈复合控制系统。,TT,TC,蒸汽,换热器,冷物料入口,热物料出口,冷凝水,FT,FB,在前馈反馈复合控制系统中，设定值X(s)、干扰F(s)对输出Y(s)的