礦大(北京)儀表與自動化_7(3學(xué)時)

1、第七章第七章 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) Chapter 7 complex control system 1、掌握串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作過程、特點及、掌握串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作過程、特點及 應(yīng)用場合；了解串級控制系統(tǒng)中副變量的確定及主、應(yīng)用場合；了解串級控制系統(tǒng)中副變量的確定及主、 副控制器正、反作用的選擇；了解串級控制系統(tǒng)中副控制器正、反作用的選擇；了解串級控制系統(tǒng)中 主、副控制器參數(shù)的工程整定方法；主、副控制器參數(shù)的工程整定方法； 2、熟悉設(shè)置均勻控制系統(tǒng)的目的及控制方案；、熟悉設(shè)置均勻控制系統(tǒng)的目的及控制方案； 3、了解比值控制系統(tǒng)的各種類型；熟悉單閉環(huán)比、了解比值控制系統(tǒng)的各種類型

2、；熟悉單閉環(huán)比 值控制方案的結(jié)構(gòu)及特點；值控制方案的結(jié)構(gòu)及特點； 4、了解前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點及應(yīng)用場合；、了解前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點及應(yīng)用場合； 5、理解連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng)及分程控制系統(tǒng)；、理解連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng)及分程控制系統(tǒng)； 6、理解三沖量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點；、理解三沖量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點； 1. Structure, work, characteristics, and application of cascade stage control system. Confirmation of vice variable, selection of positive and co

3、unter active of main and vice controllers. Engineering setting of parameters of main and vice controllers 2. Purpose and control program of setting uniform control system. 3. Type of ratio control system, structure and characteristics of single close-loop control system. 4. Structure, characteristic

4、s, and application of forward control system. 5. Continuous selection control system and split control system 6. Structure characteristics of three impulse control system 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)是自動控制中最簡單、最基本的形是自動控制中最簡單、最基本的形 式，式，約占全部控制系統(tǒng)的約占全部控制系統(tǒng)的80%，能解決大量的生產(chǎn)控，能解決大量的生產(chǎn)控 制問題。但隨著生產(chǎn)過程的大型化和復(fù)雜化，各種變制問題。但隨著生產(chǎn)過程的大型化和復(fù)

5、雜化，各種變 量之間的關(guān)系非常復(fù)雜，以及對產(chǎn)品質(zhì)量的更高要求，量之間的關(guān)系非常復(fù)雜，以及對產(chǎn)品質(zhì)量的更高要求， 出現(xiàn)了與簡單控制系統(tǒng)不同的其它控制形式，這些控出現(xiàn)了與簡單控制系統(tǒng)不同的其它控制形式，這些控 制系統(tǒng)統(tǒng)稱制系統(tǒng)統(tǒng)稱復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)。 常見的復(fù)雜控制系統(tǒng)有：串級常見的復(fù)雜控制系統(tǒng)有：串級(cascade stage)、均勻、均勻 (uniform)、比值、比值(ratio)、分程、分程(split)、前饋多沖量、前饋多沖量 (forward multiple impulse)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。 一、概述一、概述 適用場合：適用場合：當(dāng)對象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻當(dāng)對象的

6、滯后較大，干擾比較劇烈、頻 繁，采用簡單控制質(zhì)量較差，或要求被控變量的誤繁，采用簡單控制質(zhì)量較差，或要求被控變量的誤 差范圍很小，簡單控制系統(tǒng)不能滿足工藝要求。差范圍很小，簡單控制系統(tǒng)不能滿足工藝要求。 第一節(jié)第一節(jié) 串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng) 實例：實例：管式加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)管式加熱爐出口溫度控制系統(tǒng) 根據(jù)原油出口溫度的變化來控制燃料閥門的根據(jù)原油出口溫度的變化來控制燃料閥門的 開度開度，即改變?nèi)剂狭縼砭S持原油出口溫度保持在，即改變?nèi)剂狭縼砭S持原油出口溫度保持在 工藝過程規(guī)定的數(shù)值。（滯后大，約工藝過程規(guī)定的數(shù)值。（滯后大，約1515分鐘，控分鐘，控 制質(zhì)量差）制質(zhì)量差） 管式加熱爐出口

7、溫度串級控制系統(tǒng)管式加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng) 上述簡單控制系統(tǒng)控制質(zhì)量較差，主要原因是燃料上述簡單控制系統(tǒng)控制質(zhì)量較差，主要原因是燃料 在爐膛燃燒后，是首先使?fàn)t膛溫度變化，然后才使在爐膛燃燒后，是首先使?fàn)t膛溫度變化，然后才使 原油溫度的變化。原油溫度的變化。 管式加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)方塊圖管式加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)方塊圖 兩個控制器串接工作兩個控制器串接工作：系統(tǒng)中有兩個控制器系統(tǒng)中有兩個控制器T1C和和 T2C， 分別接收來自對象不同部位的測量信號分別接收來自對象不同部位的測量信號 1和和 2，T1C的輸?shù)妮?出是出是T2C的輸入，而的輸入，而T2C 的輸出去執(zhí)行器。的輸出去執(zhí)行

8、器。 溫度控溫度控 制器制器T2C 執(zhí)行器執(zhí)行器 溫度溫度 對象對象2 被控變量被控變量 1 設(shè)定值設(shè)定值 干擾干擾F1 溫度對溫度對 象象1 溫度控溫度控 制器制器T1C 干擾干擾F2 1測量變送測量變送 2測量變送測量變送 2 串級控制系統(tǒng)中常用名詞： 1 1、主變量：、主變量： 系統(tǒng)上起主導(dǎo)作用的被控變量。系統(tǒng)上起主導(dǎo)作用的被控變量。 2 2、副變量：為穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。、副變量：為穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。 3 3、主對象：表征主變量特性的生產(chǎn)設(shè)備。、主對象：表征主變量特性的生產(chǎn)設(shè)備。 4 4、副對象：表征副變量特性的生產(chǎn)設(shè)備。、副對象：表征副變量特性的生產(chǎn)設(shè)備。 5 5、

9、主控制器：控制主變量的控制器。、主控制器：控制主變量的控制器。 6 6、副控制器：控制副變量的控制器。、副控制器：控制副變量的控制器。 7 7、主回路：主控制器及主變量組成的回路。、主回路：主控制器及主變量組成的回路。 8 8、副回路：副控制器及副變量組成的回路。、副回路：副控制器及副變量組成的回路。 爐出口溫度爐出口溫度 爐膛溫度爐膛溫度 受熱管道受熱管道 爐膛及燃燒裝置爐膛及燃燒裝置 T1C T2C 外環(huán)外環(huán) 內(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán) P172圖圖7-4 執(zhí)行器執(zhí)行器 主變量主變量 設(shè)定值設(shè)定值 主干擾主干擾F1 主對象主對象 主控主控 制器制器 副干擾副干擾F2 主測量、變送主測量、變送 副測量、變送副

10、測量、變送 副變量副變量 副回路副回路 主回路主回路 副對象副對象 副控副控 制器制器 圖圖7-4 串級控制系統(tǒng)典型方框圖串級控制系統(tǒng)典型方框圖 二、串級二、串級 控制系統(tǒng)的工作過程控制系統(tǒng)的工作過程 假定執(zhí)行器采用氣開型（有標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號時，假定執(zhí)行器采用氣開型（有標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號時， 閥門打開）；溫度控制器采用反作用方向；閥門打開）；溫度控制器采用反作用方向； 1 1、干擾進(jìn)入副回路（干擾量小與大兩種情況）干擾進(jìn)入副回路（干擾量小與大兩種情況） 2 2、干擾作用于主對象干擾作用于主對象 3 3、干擾同時作用于副回路和主對象干擾同時作用于副回路和主對象 1 1）干擾作用下，主、副變量的變化方向相同

11、；）干擾作用下，主、副變量的變化方向相同； 2 2）主、副變量的變化方向相反，一增一減。）主、副變量的變化方向相反，一增一減。 副回路副回路具有具有先調(diào)先調(diào)，粗調(diào)粗調(diào)，快調(diào)快調(diào)的特點；的特點；主回路主回路 則有則有后調(diào)后調(diào)，細(xì)調(diào)，慢調(diào)細(xì)調(diào)，慢調(diào)的特點，對副回路沒有完全的特點，對副回路沒有完全 克服的影響由主回路徹底克服?？朔挠绊懹芍骰芈窂氐卓朔?。 三、串級控制系統(tǒng)的特點三、串級控制系統(tǒng)的特點 1 1、結(jié)構(gòu)上，有兩個閉合回路，兩個控制器結(jié)構(gòu)上，有兩個閉合回路，兩個控制器 兩個測量變送兩個測量變送 器；兩個控制器串聯(lián)工作；且主回路是定值控制，而副回器；兩個控制器串聯(lián)工作；且主回路是定值控制，而副

12、回 路是隨動控制。路是隨動控制。 2 2、串級系統(tǒng)中，有兩個變量：主變量與副變量；串級系統(tǒng)中，有兩個變量：主變量與副變量； 3 3、串級控制系統(tǒng)，由于副回路的引入，改善了對象的特性，串級控制系統(tǒng)，由于副回路的引入，改善了對象的特性， 使控制過程加快，具有超前作用，有效地克服滯后。使控制過程加快，具有超前作用，有效地克服滯后。 4 4、由于副回路的增加，系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力?？捎糜捎诟被芈返脑黾?，系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力?？捎?于負(fù)荷和操作條件有較大變化的場合。于負(fù)荷和操作條件有較大變化的場合。 應(yīng)用場合應(yīng)用場合：對象滯后和時間常數(shù)很大，干擾作用強(qiáng)對象滯后和時間常數(shù)很大，干擾作用強(qiáng) 而頻繁，

13、負(fù)荷變化大，簡單控制系統(tǒng)不能滿足質(zhì)量要而頻繁，負(fù)荷變化大，簡單控制系統(tǒng)不能滿足質(zhì)量要 求時，采用串級控制系統(tǒng)。求時，采用串級控制系統(tǒng)。 四、串級控制系統(tǒng)主、副變量的選擇四、串級控制系統(tǒng)主、副變量的選擇 主變量的選擇：主變量的選擇： 與單回路控制時被控變量的選擇原則是一樣。能直接或與單回路控制時被控變量的選擇原則是一樣。能直接或 間接地間接地表征生產(chǎn)過程質(zhì)量的參數(shù)表征生產(chǎn)過程質(zhì)量的參數(shù)都可以作為控制系統(tǒng)的被都可以作為控制系統(tǒng)的被 控變量?？刈兞?。 副變量的選擇副變量的選擇 副變量的變化應(yīng)在很大程度上影響主變量的變化；副變量的變化應(yīng)在很大程度上影響主變量的變化； 副回路應(yīng)將生產(chǎn)過程中的主要干擾包圍

14、在內(nèi)；副回路應(yīng)將生產(chǎn)過程中的主要干擾包圍在內(nèi)； 在可能的情況下，應(yīng)使副環(huán)包圍更多的次要干擾；在可能的情況下，應(yīng)使副環(huán)包圍更多的次要干擾； 副變量的選擇應(yīng)考慮到主、副對象時間常數(shù)的匹配，以防副變量的選擇應(yīng)考慮到主、副對象時間常數(shù)的匹配，以防 發(fā)生發(fā)生“共振共振”； 當(dāng)對象具有較大的純滯后而影響控制質(zhì)量時，在選擇副變當(dāng)對象具有較大的純滯后而影響控制質(zhì)量時，在選擇副變 量時應(yīng)使副環(huán)盡量少包含純滯后或不包含純滯后。量時應(yīng)使副環(huán)盡量少包含純滯后或不包含純滯后。 五五 、串級控制系統(tǒng)中副回路的確定、串級控制系統(tǒng)中副回路的確定 在串級控制系統(tǒng)中，副回路的確定是否合適，直接在串級控制系統(tǒng)中，副回路的確定是否合

15、適，直接 關(guān)系到串級控制系統(tǒng)的工作效果；關(guān)系到串級控制系統(tǒng)的工作效果； 副回路的確定副回路的確定：根據(jù)生產(chǎn)工藝，選擇一個合適的副變根據(jù)生產(chǎn)工藝，選擇一個合適的副變 量，從而構(gòu)成以副變量為被控變量的副回路。量，從而構(gòu)成以副變量為被控變量的副回路。 精餾塔釜溫度串級控制系統(tǒng)精餾塔釜溫度串級控制系統(tǒng) 選擇的副變量是操縱變量嗎？選擇的副變量是操縱變量嗎？ 副回路的確定原則副回路的確定原則： 1、主、副變量間應(yīng)有一定的內(nèi)在聯(lián)系；主、副變量間應(yīng)有一定的內(nèi)在聯(lián)系；副變量的變化副變量的變化 很大程度上要能影響主變量的變化。很大程度上要能影響主變量的變化。 選副變量：選擇中間變量選副變量：選擇中間變量或或選擇操

16、縱變量選擇操縱變量 當(dāng)干擾來自蒸汽壓力或流量當(dāng)干擾來自蒸汽壓力或流量 的波動時，副回路的的波動時，副回路的FC能能 及時加以克服，以大大減少及時加以克服，以大大減少 這種干擾對主變量的影響，這種干擾對主變量的影響， 使塔釜溫度使塔釜溫度TC的控制質(zhì)量的控制質(zhì)量 得以提高。得以提高。 2、要使系統(tǒng)的主要干擾被包圍在副回路內(nèi)要使系統(tǒng)的主要干擾被包圍在副回路內(nèi) 確定副變量，一是要對主變量影響最嚴(yán)重，變化最確定副變量，一是要對主變量影響最嚴(yán)重，變化最 劇烈的干擾包圍在副回路內(nèi)；二是要使副變量的時間常劇烈的干擾包圍在副回路內(nèi)；二是要使副變量的時間常 數(shù)小，利用其快速抗干擾性能，將干擾的影響抑制在最數(shù)小，

17、利用其快速抗干擾性能，將干擾的影響抑制在最 低限度。低限度。 出口溫度與燃料油壓力串級控制系統(tǒng)出口溫度與燃料油壓力串級控制系統(tǒng) 主要干擾來自壓力的波動主要干擾來自壓力的波動 3、副回路要盡可能包圍更多的次要干擾副回路要盡可能包圍更多的次要干擾 充分利用其快速抗干擾能力，提高控制質(zhì)量。但這充分利用其快速抗干擾能力，提高控制質(zhì)量。但這 種包圍也要考慮其靈敏度；過多的干擾包圍，可能會增種包圍也要考慮其靈敏度；過多的干擾包圍，可能會增 加滯后，影響其快速抗干擾能力的發(fā)揮。加滯后，影響其快速抗干擾能力的發(fā)揮。 如果在副回路中包括了太多的干擾，副回路將變?nèi)绻诟被芈分邪颂嗟母蓴_，副回路將變 大，副變

18、量將十分接近主變量，滯后將增加，失去了大，副變量將十分接近主變量，滯后將增加，失去了 副回路快速響應(yīng)的特性。副回路快速響應(yīng)的特性。 4、考慮到主、副對象時間常數(shù)的匹配，以防考慮到主、副對象時間常數(shù)的匹配，以防“共共 振振”的發(fā)生。的發(fā)生。 主、副對象時間常數(shù)之比為主、副對象時間常數(shù)之比為3:10，減少主、副回路，減少主、副回路 的動態(tài)聯(lián)系，避免共振。的動態(tài)聯(lián)系，避免共振。 注意注意：副回路的時間常數(shù)又不能太小，否則可能使副：副回路的時間常數(shù)又不能太小，否則可能使副 回路包含的干擾太少，使系統(tǒng)抗干擾能力減弱?；芈钒母蓴_太少，使系統(tǒng)抗干擾能力減弱。 5、當(dāng)對象具有較大的純滯后而影響控制質(zhì)量情況

19、當(dāng)對象具有較大的純滯后而影響控制質(zhì)量情況 下，下，在選擇副變量時，應(yīng)使副變量盡量少包含純滯后在選擇副變量時，應(yīng)使副變量盡量少包含純滯后 或不包含純滯后?；虿话儨蟆?化纖廠膠液壓力與壓力串級控制系統(tǒng)化纖廠膠液壓力與壓力串級控制系統(tǒng) 計量泵計量泵 熱交換器熱交換器 過濾器過濾器 五、主、副控制器控制規(guī)律及正、反作用的選擇五、主、副控制器控制規(guī)律及正、反作用的選擇 1 1、控制規(guī)律的選擇、控制規(guī)律的選擇 串級控制的目的是高精度地穩(wěn)定主變量。主變量是串級控制的目的是高精度地穩(wěn)定主變量。主變量是 工藝控制指標(biāo)，一般不許有余差；故工藝控制指標(biāo)，一般不許有余差；故主控制器主控制器通常采用通常采用 比例

20、積分控制規(guī)律比例積分控制規(guī)律，實現(xiàn)無差控制實現(xiàn)無差控制；有時為克服控制通；有時為克服控制通 道的大容量滯后，也可以選擇比例積分微分控制規(guī)律。道的大容量滯后，也可以選擇比例積分微分控制規(guī)律。 而而副控制器副控制器則則一般采用比例控制規(guī)律一般采用比例控制規(guī)律。 2 2、控制器正、反作用的選擇、控制器正、反作用的選擇 1）副控制器作用方向 選定執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)形式后，選定執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)形式后，使副回路形成負(fù)使副回路形成負(fù) 反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)的原則。的原則。 2）主控制器的作用方向 當(dāng)主、副變量在當(dāng)主、副變量在增加增加（減少）時，如果由工藝分（減少）時，如果由工藝分 析得出，析得出，為使主

21、、副變量為使主、副變量減少減少（增加）（增加），要求控制閥的，要求控制閥的 動作方向是一致的時候，動作方向是一致的時候，主控制器應(yīng)選主控制器應(yīng)選“反反”作用作用；反；反 之則選之則選“正正”作用作用。 冷卻器溫度串級控制系統(tǒng)（主控制器為正作用）冷卻器溫度串級控制系統(tǒng)（主控制器為正作用） 3）因工藝過程的需要，控制閥由氣開改為氣關(guān)（或 相反）時，只要改變副控制器的正反作用而不需要 改變主控制器的正反作用。 某些串級控制系統(tǒng)，可以將副控制器切除，實現(xiàn)某些串級控制系統(tǒng)，可以將副控制器切除，實現(xiàn) 主控；其切換條件為：主控；其切換條件為： 當(dāng)主變量變化時，串級時副控制器的輸出與主控時當(dāng)主變量變化時，串級

22、時副控制器的輸出與主控時 主控制器的輸出信號方向完全一致。主控制器的輸出信號方向完全一致。 六、控制器參數(shù)的工程整定六、控制器參數(shù)的工程整定 串級控制系統(tǒng)主、副控制器的參數(shù)整定方法有：串級控制系統(tǒng)主、副控制器的參數(shù)整定方法有： 兩步整定法、一步整定法。兩步整定法、一步整定法。 1 1、兩步整定法、兩步整定法 先整定副控器，后整定主控器先整定副控器，后整定主控器 1）在工況穩(wěn)定，主、副控制器在純比例控制作用下，在工況穩(wěn)定，主、副控制器在純比例控制作用下， 將主控制器的比例度先固定在將主控制器的比例度先固定在100%的刻度上，逐漸縮的刻度上，逐漸縮 小副控制器的比例度，求取副回路在滿足某種衰減比小副控制器的比例度，求取副回路在滿足某種衰減比 （4:1）過渡過程下的副控制器比例度和操作周期。分過渡過程下的副控制器比例度和操作周期。分 別用別用2s 、 T2s表示。表示。 2）在副控制器比例度等于在副控制器比例度等于2s 條件下，逐步減小主控條件下，逐步減小主控 制器的比例度，直至得到同樣衰減比