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1、第七章复杂控制系统一、教学目的通过本章教学，使学生掌握前馈控制系统的结构、特点及应用场合；理解前馈控制系统与简单负反馈控制系统的主要差别；熟悉串级控制系统的结构、工作过程、特点及应用场合；掌握串级控制系统中副变量的确定及主副控制器正、反作用的选择；了解串级控制系统中主、副控制器参数的工程整定方法；熟悉设置均匀控制系统的目的及控制方案；了解比值控制系统的各种类型；熟悉单闭环比值控制方案的结构及特点；理解联系型选择性控制系统的结构特点及控制方案；了解开关型选择性控制系统；理解分程控制系统的结构及应用场合；二、教学的重点、难点前馈控制系统、串级控制系统、选择性控制系统的结构特点、方框图；控制器规律的
2、确定；控制器作用的确定三、教学时数本章教学需5课时四、教学内容7.1 前馈控制系统7.1.1前馈控制系统及特点7.1.2前馈控制的主要形式7.1.3前馈控制的应用场合7.2串级控制系统7.2.1串级控制系统的概述7.2.2串级控制系统的工作过程7.2.3串级控制系统的特点7.2.4串级控制系统中副回路的确定7.2.5串级控制系统中主副控制器规律及作用的选择7.2.6串级控制系统的控制器参数整定7.3 均匀控制系统7.3.1均匀控制系统及特点7.3.2均匀控制的主要控制方案7.4 比值控制系统7.4.1比值控制系统及特点7.4.2比值控制系统的主要形式7.5 选择性控制系统7.5.1选择性控制概
3、念的提出7.5.2选择性控制系统的主要形式第1-2课时：7.1.17.2.2引言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，必须设计出各种复杂控制系统以克服简单控制所不能胜任的特殊场合，如前馈控制、串级控制、选择性控制等。7.1前馈控制系统7.1.1前馈控制概念的提出及特点分析1.分析简单控制系统存在的问题：通过复习前章学习的简单反馈控制系统的特点发现简单控制系统普遍存在一个问
4、题：控制信号总是要在干扰已经造成影响，被控变量偏离给定值以后才能产生，控制作用总是不及时。特别是在干扰频繁，对象有较大滞后时，控制质量严重受到影响。并以下换热器温度控制系统为例进一步说明简单控制存在的问题。若换热器冷物料进料流量经常发生波动，则简单控制控制过程中存在的问题：a.控制滞后时间长；b.控制动作慢，速度难以提高2.针对简单控制存在的问题提出前馈控制系统：为了改变事后调节的状况，提出前馈控制的思路：针对以上换热器温度控制系统，进行修改，即不是根据换热器出口温度发生改变进行调节，而是根据冷物料流量Q的大小，来调节阀门开度，以弥补冷物料进料流量的干扰的影响。一旦进料流量有微小的波动，测量机
5、构可以瞬间测量出来，并立刻采取调节蒸汽流量的办法来克服因进料流量干扰而影响出口物料温度的影响，该控制方案即是前馈控制系统。思考及提问：反馈控制和前馈控制，二者的方框图有何区别?对前馈控制系统的方框图进行绘制和分析，并与反馈控制系统的方框图进行对比。为了对前馈控制系统有进一步的认识，下面仔细分析前馈控制系统的特点，并与反馈控制进行对比。前馈控制系统的四个主要特点：（1）前馈控制系统是基于不变性原理工作的，比反馈控制及时、有效通过分析例子中温度控制系统的不同作用方式可以得出：反馈控制是根据被控变量与给定值的偏差，检测的信号是被控变量，控制作用发生时间是在偏差出现以后；前馈控制是根据干扰的变化，检测
6、的信号是干扰量的大小，控制作用的发生时间是在干扰作用的瞬间而不是等到偏差出现之后。如果控制规律选择合适，是可以达到完全的补偿，使出口物料的温度完全不受进口物料流量的变化的影响。 显然，前馈控制对于干扰的克服能力要比反馈控制及时有效。干扰一旦出现，不需要等到被控变量受其影响产生变化，就会立即产生控制作用，这个特点是前馈控制的一个主要优点。为了加深对前馈控制系统第一个特点的理解和掌握，列举一些前馈控制在生活当中的具体体现，如平常开车时，受到其他事物攻击时等事例。除了第一个优点之外，引导学生思考，前馈控制系统还有哪些特点？（2）前馈控制是属于开环控制通过分析前馈控制系统的方框图可以看出，在前馈控制系
7、统中，被控变量根本没有被检测。当前馈控制器按干扰量产生控制作用后，对被控变量的影响并没有返回来影响控制器的输入信号，所以整个系统是一个开环系统。前馈控制系统是一个开环系统，是前馈控制系统的一个缺点之一；让学生思考开环控制的缺点有哪些？如下例子。（3）前馈控制使用的是视对象特性而定的专用控制器简单控制系统使用的PID控制器 针对前馈控制系统，对于不同的对象特性，控制规律也不同。前馈控制器的控制规律取决于干扰通道的特性与控制通道的特性。（4）前馈控制只能克服一种特定的干扰 前馈是按照干扰进行工作的，一种前馈控制只能克服一种干扰，而反馈可以克服多个干扰，这是前馈控制的一个弱点。课上习题，加深对前馈控
8、制的理解（详见课件）。7.1.2前馈控制的主要形式1.单纯前馈控制形式（1）静态前馈控制系统（2）动态前馈控制系统2.前馈-反馈控制思考题：根据以上的学习可知，前馈与反馈控制的优缺点是相对应的。是否能将二者结合起来使用呢?重新够成的控制系统的方框图是怎么样的呢？ 带着上述问题学习前馈-反馈控制系统的结构及特点7.1.3前馈控制的应用场合（1）某个干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，而对象的控制通道滞后大。（2）采用单纯的反馈控制，控制速度慢、质量差。（3）用串级控制，效果改善不明显。7.2串级控制系统7.2.1串级控制系统的概述以管式加热炉为例，分析采用简单控制系统存在的问题，引出串级控制系
9、统的概念在实际生产过程中，特别是当加热炉的燃料压力或燃料本身的热值有较大波动时，该简单控制系统的控制质量往往很差，原料油的出口温度波动较大，难以满足生产上的要求。因此提出以原料油出口温度为主要被控变量的炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统 串级控制系统中几个常用的名词 重点讲解和分析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思考题：串级控制系统的方框图如何呢？7.2.2串级控制系统的工作过程以管式加热炉为例，分析串级控制系统是如何有效的克服滞后提高控制质量。针对三种不同情况的干扰进行了分析。（详细过程见课件）1.干扰进入副回路2.干扰作用于主对象3.干扰同时作用于副回路和主对象通过分
10、析得出：副回路起粗调快调，主回路起细调慢调，二者相互配合，大大提高控制质量课后作业，见授课计划安排。第3-4课时：7.2.3串级控制系统的特点复习上次课程有关串级控制的知识。分析串级控制系统的方框图及特点。板书画出方框图q 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变量而选用的辅助变量。q 主、副控制是串联工作的，主控制器的输出作为副控制器的给定值。q 副回路的引入，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制。q 串级控制系统具有一定的自适应能力。并绘制如图所示，可以看出串级控制的控制质量大大提高。7.2.4串级控制系统中副回路的确定副回路设计中，
11、最重要的是选择副回路的被控参数（副变量）。副回路的设计合理，串级系统的优势会得到充分发挥，控制质量明星提高。副参数的选择一般应遵循下面几个原则：主、副变量应有一定的内在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” 的发生当对象具有较大的纯滞后时，副变量选择时尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后。例子如图7-5，7-6，7-7的讲解（具体内容见课本）7.2.5串级控制系统中主副控制器规律及作用的选择1.控制器规律主变量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
12、节。副变量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。2.控制器作用的选择以管式加热炉为例，说明串级控制系统主、副控制器的正、反作用方式的确定方法。1、根据工艺安全或节能要求确定执行器的正、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、主回路控制器正、反作用的确定。课内练习，P178,图7-8具体见课本7.2.6串级控制系统的控制器参数整定串级控制系统参数的整定，参照简单控制系统的步骤，并结合实验进行参数的整定。7.3均匀控制系统7.3.1均匀控制系统及特点以两个精馏塔为出发点，分析前后两个塔之间的物料相互关系问题
13、，为了解决前后工序供求矛盾，达到前后兼顾协调操作，使液位和流量均匀变化，提出均匀控制系统的概念。如下图所示。均匀控制系统的要求：（1）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。 具体变化曲线如图7-10所示，具体见课本。思考题：均匀控制系统与简单控制系统的区别？生活当中是否也存在均匀控制？7.3.2均匀控制的主要控制方案（1）简单均匀控制（2）串级均匀控制总结：均匀控制结构上与简单控制系统相近，但控制要求是有根本区别的，另外控制器的控制规律上也有很大的区别。7.4比值控制系统7.4.1比值控制系统及特点在现代工业生产过程中，要求两
14、种或多种物料流量成一定比例关系；一旦比例失调，会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费动力，造成环境污染，甚至产生生产事故。凡是两个或多个变量自动维持一定的比例关系的过程控制系统，称为比值控制系统。基本概念：主变量Q1、从变量Q2 K=Q2/Q1思考：在实习实践过程中，哪些工业生产中存在比值控制？7.4.2比值控制系统的主要形式1.开环比值控制系统 图7-13 图7-142.单闭环比值控制系统 图7-15 图7-163.双闭环比值控制系统 图7-177 图7-184.变比值控制系统 图7-19 图7-20分析四种比值控制系统的特点及应用场合。具体见课本课堂练习，画出四种比值控制系统的方框图？第
15、5课时：7.5.27.5选择性控制系统7.5.1选择性控制系统的提出上节课内容简单回顾。重点知识进行复习思考合成氨工业中的氨冷器在进行冷却物料时，当冷却物料温度始终达不到要求是，会出现意外的事故。如下图所示。液态氨液位不能超过一定的界限，否则控制越来越差，甚至会损坏压缩机，针对这个情况提出选择性控制系统的概念。7.5.2选择性控制系统的主要形式1. 开关型选择性控制系统 一般有A、B两个可供选择的变量。变量A，工艺操作的主要技术指标，直接关系到产品的质量 正常时候的被控变量变量B，工艺上要求在B限值以内，生产是安全的 超过一定限值后作为被控变量如图7-29 冷却器出口温度为变量A，液态丙烯为变量B。开关型选择性控制系统工程过程如图7.31所示过程。2.连续型选择性控制系统在连续型选择性控制系统中，一般具有两台连续型控制器，它们的输出通过一台选择器（高选器或低选器）后，送往控制阀。这两台控制器一台在正常情况下工作，一台在非正常情况下工作。以合成氨厂蒸汽锅炉为例分析连续性选择性控制系统的工作过程。如图7.3
