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1、第6章高性能过程控制第1页，共25页，编辑于2022年，星期一 第第6 6章章 常用高性能过程控制系统常用高性能过程控制系统第2页，共25页，编辑于2022年，星期一 本章要点本章要点1 1）了解串级控制系统的应用背景，熟悉串级控制系统）了解串级控制系统的应用背景，熟悉串级控制系统的典型结构与特点；的典型结构与特点；2 2）掌握串级控制系统的设计方法，熟悉串级控制系）掌握串级控制系统的设计方法，熟悉串级控制系统的参数整定方法；统的参数整定方法；3 3）了解前馈控制的原理及使用场合；）了解前馈控制的原理及使用场合；4 4）掌握前馈补偿器的设计方法，熟悉前馈反馈复）掌握前馈补偿器的设计方法，熟悉前
2、馈反馈复合控制的特点及工业应用；合控制的特点及工业应用；5 5）了解大滞后被控过程的解决方案，掌握大滞后）了解大滞后被控过程的解决方案，掌握大滞后过程控制的设计方案。过程控制的设计方案。第3页，共25页，编辑于2022年，星期一6.1 串级控系统串级控系统6.1.16.1.16.1.16.1.1串级控制系统的基本概念串级控制系统的基本概念串级控制系统的基本概念串级控制系统的基本概念 一、什么是串级控制？它是怎样提出来的？其组一、什么是串级控制？它是怎样提出来的？其组成结构怎样成结构怎样?（图（图6 61;1;）工艺流程工艺流程?控制要求控制要求?系统分析系统分析问题：过渡过程时间长，调节不及时
3、问题：过渡过程时间长，调节不及时解决办法：串级控制解决办法：串级控制(图图6 63 3）图图6 62 2第4页，共25页，编辑于2022年，星期一串级控制系统的一般框图串级控制系统的一般框图串级控制系统的一般框图串级控制系统的一般框图结构特点结构特点6.1.2 6.1.2 串级控制系统的控制效果串级控制系统的控制效果1.1.能迅速克服二次干扰（图能迅速克服二次干扰（图6 65 5）控制能力和抗干扰能力综合定义为：控制能力和抗干扰能力综合定义为：第5页，共25页，编辑于2022年，星期一单回路系统单回路系统单回路系统单回路系统(图图图图6 6 6 67 7 7 7）及传递函数）及传递函数）及传递
4、函数）及传递函数控制能力和抗干扰能力综合为：控制能力和抗干扰能力综合为：一般情况下有：一般情况下有：结论：提高了结论：提高了控制质量控制质量2.2.能改善控制通道的动态特性，提高工作频率能改善控制通道的动态特性，提高工作频率（1 1）等效时间常数减小，响应速度加快；）等效时间常数减小，响应速度加快；(分析比较图分析比较图6 65 5和图和图6 67 7）第6页，共25页，编辑于2022年，星期一(2)(2)(2)(2)提高了系统的工作频率提高了系统的工作频率提高了系统的工作频率提高了系统的工作频率串级系统的特征方程为：串级系统的特征方程为：如式（611）所示，则串级控制系统的工作频率为：串级控
5、制系统的工作频率为：对同一过程，采用单回路控制方案，对同一过程，采用单回路控制方案，用同样的分析方法，可得：用同样的分析方法，可得：若两种方案的阻尼系数相同，则有：第7页，共25页，编辑于2022年，星期一结论：结论：副回路改善了动特性、提高了响应速度和工作频率；当主、副时间常副回路改善了动特性、提高了响应速度和工作频率；当主、副时间常数比值一定，副调节器的比例系数越大，工作频率越高；同样，当比例系数数比值一定，副调节器的比例系数越大，工作频率越高；同样，当比例系数一定，主、副时间常数比值越大，工作频率也越高。其结果使一定，主、副时间常数比值越大，工作频率也越高。其结果使振荡周期缩短，振荡周期
6、缩短，提高了系统的控制质量。提高了系统的控制质量。3 3 能适应负荷和操作条件的剧烈变化能适应负荷和操作条件的剧烈变化副回路的等效放大系数为：副回路的等效放大系数为：2）能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速反应能力；）能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速反应能力；3）对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的适应能力。）对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的适应能力。综上所述，串级控制系统的主要特点有：综上所述，串级控制系统的主要特点有：1）对进入副回路的干扰有很强的抑制能力；）对进入副回路的干扰有很强的抑制能力；第8页，共25页，编辑于2022年，星期一6.1.3 6.1.3
7、 串级控制系统的适用范围串级控制系统的适用范围1.1.适用于容量滞后较大的过程：适用于容量滞后较大的过程：选容量滞选容量滞后较小的辅助变量，减小时常，提高频率。后较小的辅助变量，减小时常，提高频率。（图（图6 68 8）2.2.适用于纯滞后较大的过程：适用于纯滞后较大的过程：（图（图6 69,9,）工艺要求：过滤前的压力稳定在）工艺要求：过滤前的压力稳定在250Pa;250Pa;特点：距离长，纯滞后时间长。特点：距离长，纯滞后时间长。仿仿丝胶液压力与压力串级控制。丝胶液压力与压力串级控制。3.3.适用于干扰变化剧烈、幅度大的适用于干扰变化剧烈、幅度大的过程：过程：（图（图6 61010）工艺要
8、求：汽包工艺要求：汽包液位控制，特点：快装锅炉容量小，液位控制，特点：快装锅炉容量小，蒸汽流量与水压变化频繁、激烈蒸汽流量与水压变化频繁、激烈三冲量液位串级控制。三冲量液位串级控制。4.4.适用于参数互相关联的过程：适用于参数互相关联的过程：（图（图6 61111）第9页，共25页，编辑于2022年，星期一同一种介质控制两种参数同一种介质控制两种参数(图图6 611)11)单回路控制：两套装置，不经济又无单回路控制：两套装置，不经济又无法工作；法工作；常压塔塔顶出口温度和一线温度串级控常压塔塔顶出口温度和一线温度串级控制。制。5.5.适用于非线性过程适用于非线性过程特点：特点：负荷或操作条件改
9、变导致过程特性改变。负荷或操作条件改变导致过程特性改变。若：单回路控制，需随时改变调节器整定参若：单回路控制，需随时改变调节器整定参数以保证系统的衰减率不变；串级控制，则数以保证系统的衰减率不变；串级控制，则可自动调整调节器的整定参数。可自动调整调节器的整定参数。（图（图612）合成反应器温度串级控）合成反应器温度串级控制：换热器呈非线性特性制：换热器呈非线性特性注意：注意：串级控制虽然应用范围广，但必串级控制虽然应用范围广，但必须根据具体情况，充分利用优点，才能须根据具体情况，充分利用优点，才能收到预期的效果。收到预期的效果。第10页，共25页，编辑于2022年，星期一a a）：燃料油压力为
10、主要干扰；）：燃料油压力为主要干扰；b b）：燃料油粘度、成分、热值、）：燃料油粘度、成分、热值、处理量为主要干扰处理量为主要干扰6.1.4 6.1.4 6.1.4 6.1.4 串级控制系统的设计串级控制系统的设计串级控制系统的设计串级控制系统的设计问题：副参数如何选择？主、副回路的联系？调节器如何选择？正、反作用如何选择？问题：副参数如何选择？主、副回路的联系？调节器如何选择？正、反作用如何选择？问题：副参数如何选择？主、副回路的联系？调节器如何选择？正、反作用如何选择？问题：副参数如何选择？主、副回路的联系？调节器如何选择？正、反作用如何选择？1.1.副回路的设计与副参数的选择副回路的设计
11、与副参数的选择选择原则：选择原则：（1 1）副参数要物理可测、副对象的时间常数要小、纯滞后时间要尽可能短。副参数要物理可测、副对象的时间常数要小、纯滞后时间要尽可能短。如图如图6 63 3、图、图6 68 8等等（2）副回路要尽可能多地包含变化频繁、幅度大的干扰，但也不能越多越好。如图副回路要尽可能多地包含变化频繁、幅度大的干扰，但也不能越多越好。如图613 a)、b)所示。所示。（3 3）主、副过程的时间常主、副过程的时间常数要适当匹配数要适当匹配.当串级控制与单回路控制的阻当串级控制与单回路控制的阻尼系数相等时，有尼系数相等时，有第11页，共25页，编辑于2022年，星期一假设假设 为常量
12、为常量(图图6 61414）图示说明。；主、副被控过程时常不能图示说明。；主、副被控过程时常不能太大也不能太小？太大也不能太小？频率的比值大于频率的比值大于3 3，时常的比值在，时常的比值在3 31010范围内选择范围内选择（4 4）应综合考虑控制质量和经济性要应综合考虑控制质量和经济性要求求(图图6 61515）a)a)冷剂液位为副参数，冷剂液位为副参数，投资少，控制质量不高；投资少，控制质量不高；b)b)冷剂蒸发压力为副参数，冷剂蒸发压力为副参数，投资多，控制质量较高。选投资多，控制质量较高。选择应视具体情况而定。择应视具体情况而定。第12页，共25页，编辑于2022年，星期一2 2 主、
13、副调节器调节规律的选择主、副调节器调节规律的选择主调主调：定值控制；：定值控制；副调副调：随动控制。：随动控制。主被控参数要主被控参数要无静差无静差PI,PIDPI,PID调节；调节；副被控参数允许副被控参数允许有静差有静差PP,不引入不引入PIPI；为保稳定，；为保稳定，P P选大时，可引入积分；选大时，可引入积分；不引入不引入微分微分。3 3 主、副调节器正、反作用方式的选择（开环放大系数为正）主、副调节器正、反作用方式的选择（开环放大系数为正）选择步骤选择步骤：工艺要求：工艺要求调节阀的气开、气关调节阀的气开、气关副调节器的正、反作用副调节器的正、反作用主、副过主、副过程的正、反作用程的
14、正、反作用主调节器的正、反作用。主调节器的正、反作用。示例示例(图图68）燃油阀气开，副对象为正过燃油阀气开，副对象为正过程，副调为反作用调节器；程，副调为反作用调节器；主对象也为正过程，主调为主对象也为正过程，主调为反作用调节器反作用调节器主、副调节器正、反作用方式选择主、副调节器正、反作用方式选择参见参见188188页表页表 6-1 6-1第13页，共25页，编辑于2022年，星期一6.1.5 6.1.5 串级控制系统的参数整定串级控制系统的参数整定 整定原则：整定原则：尽量加大副调节器的增益，提高副回路的频率，使主、副回路的频率错开，尽量加大副调节器的增益，提高副回路的频率，使主、副回路
15、的频率错开，以减少相互影响以减少相互影响1.1.逐步逼近整定法逐步逼近整定法1 1）主开环、副闭环，整定副调的参数；记为主开环、副闭环，整定副调的参数；记为2)2)副回路等效成一个环节，闭合主回路，整定主调节器参数，记为副回路等效成一个环节，闭合主回路，整定主调节器参数，记为3 3）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即为为否则，再整定副调节器参数，记为否则，再整定副调节器参数，记为。反复进行，满意为止。反复进行，满意为止。该方法适用于主、副过程时常相差不大、主、副回路动态联系密切，需反复进该方法适用于主、副过程时常相差不大、主、副回路动态联
16、系密切，需反复进行，费时较多行，费时较多2.2.两步整定法两步整定法1 1）主、副闭合，主调为比例）主、副闭合，主调为比例,比例度为百分之一百，先用比例度为百分之一百，先用4 4比比1 1衰减曲线法整定副调节器的参数，衰减曲线法整定副调节器的参数，求得比例度和操作周期；求得比例度和操作周期；第14页，共25页，编辑于2022年，星期一2)2)等效副回路，整定主调参数，求得主回路在等效副回路，整定主调参数，求得主回路在4 4比比1 1衰减比下的比例度和操作周衰减比下的比例度和操作周期；根据两种情况下的比例度和操作周期，按经验公式求出主、副调节器的积分期；根据两种情况下的比例度和操作周期，按经验公
17、式求出主、副调节器的积分时间和微分时间，然后再按先副后主、先比例后积分再微分的次序投入运行，观时间和微分时间，然后再按先副后主、先比例后积分再微分的次序投入运行，观察曲线，适当调整，满意为止。察曲线，适当调整，满意为止。3.3.一步整定法一步整定法思路：思路：先根据副过程特性或经验确定副调节器的参数，然后一步完成主调节器的参数的先根据副过程特性或经验确定副调节器的参数，然后一步完成主调节器的参数的整定。整定。理论依据：理论依据：主、副调节器的放大系数在主、副调节器的放大系数在1 1）主、副调节器均置比例控制，根据约束条件或经验确定）主、副调节器均置比例控制，根据约束条件或经验确定条件下，主、副
18、过程特性一定时，条件下，主、副过程特性一定时，为一常数。为一常数。2)2)等效副回路，按衰减曲线法整定主调节器参数；等效副回路，按衰减曲线法整定主调节器参数；3 3）观察曲线，在约束条件下，适当调整主、副调节器的参数，满意为止。）观察曲线，在约束条件下，适当调整主、副调节器的参数，满意为止。；4.4.应用举例应用举例:硝酸生产用氧化炉，主参数：炉温，硝酸生产用氧化炉，主参数：炉温，PIPI调节；副参数：氨气流量，调节；副参数：氨气流量，P P调节；主、调节；主、副动态联系小，两步整定法。副动态联系小，两步整定法。为为100100为为32，为为15s15s；1）2 2）副调置于）副调置于3232
19、，得主调的，得主调的为为50，为为7min7min。3 3）运用计算公式得：）运用计算公式得：为为6060，为为3.5min3.5min,为为32%32%。第15页，共25页，编辑于2022年，星期一6.2 6.2 前馈控制系统前馈控制系统6.2.1 6.2.1 前馈控制的基本概念前馈控制的基本概念又称干扰补偿控制：按干扰大小进行调节，克服干扰比反馈快；理论上，可实现理想控制。图又称干扰补偿控制：按干扰大小进行调节，克服干扰比反馈快；理论上，可实现理想控制。图616，图，图617原理说明。原理说明。补偿器的计算：补偿器的计算：6.2.2 前馈控制的特点及局限性前馈控制的特点及局限性1.1.前馈
20、控制的特点前馈控制的特点1 1）开环控制；）开环控制；2 2）比反馈控制及时；）比反馈控制及时；3 3）补偿器为专用）补偿器为专用2.2.前馈控制的局限性前馈控制的局限性：无法实现对干扰的完全补偿：无法实现对干扰的完全补偿1 1）只能抑制可测干扰；只能抑制可测干扰；2 2）不能对每个干扰实现补偿；不能对每个干扰实现补偿；3 3）补偿器难以精确得到，即使得到有时物理上也难以补偿器难以精确得到，即使得到有时物理上也难以实现实现结论：结论：不单独使用不单独使用第16页，共25页，编辑于2022年，星期一6.2.3 6.2.3 静态补偿与动态补偿静态补偿与动态补偿1.1.静态补偿：静态补偿：图616中
21、：该补偿器用比例调节器即可实现该补偿器用比例调节器即可实现2.2.动态补偿：动态补偿：由于精确模型难以得到或难以实现，只有要求严格控制动态偏差时才采用。由于精确模型难以得到或难以实现，只有要求严格控制动态偏差时才采用。6.2.4 6.2.4 前馈反馈复合控制（图前馈反馈复合控制（图6 61818）作用机理分析：作用机理分析：前馈反馈控制的优越性？前馈反馈控制的优越性？第17页，共25页，编辑于2022年，星期一复合控制系统的特征方程式：复合控制系统的特征方程式：，与前馈补偿器无关，与前馈补偿器无关设计步骤：设计步骤：1 1）独立设计反馈控制系统；独立设计反馈控制系统；2 2）再设计前馈补偿器再
22、设计前馈补偿器6.2.5 6.2.5 引入前馈的原则及应用实例引入前馈的原则及应用实例1.1.引入前馈控制的原则引入前馈控制的原则 1 1）系统存在频率高、幅值大、可测不可控的干扰，反馈控制难以克系统存在频率高、幅值大、可测不可控的干扰，反馈控制难以克 服、控制要服、控制要求高时；求高时；2 2）控制通道时常大于干扰通道时常，反馈控制不及时，控制质量差；控制通道时常大于干扰通道时常，反馈控制不及时，控制质量差；3 3）主要干扰无法用串级控制使其包含于副回路或主要干扰无法用串级控制使其包含于副回路或副回路滞后过大时；副回路滞后过大时；4 4）尽可能采用静态补偿而不采用动态补偿。尽可能采用静态补偿
23、而不采用动态补偿。2.2.复合控制系统应用实例复合控制系统应用实例（1 1）蒸发过程的浓度控制）蒸发过程的浓度控制(图图6 61919）50507373溶液沸点与水沸点之溶液沸点与水沸点之温差（被控量）温差（被控量）进料溶液浓度、温度、进料溶液浓度、温度、流量流量，加热蒸汽压力、加热蒸汽压力、流量流量方案方案：蒸汽流量为前馈信号、温差为反馈信号、：蒸汽流量为前馈信号、温差为反馈信号、进料溶液为控制参数的复合控制进料溶液为控制参数的复合控制第18页，共25页，编辑于2022年，星期一（2 2）锅炉汽包水位控制）锅炉汽包水位控制水位控制的重要性。水位控制的重要性。影响因素：影响因素：蒸汽用量（不可
24、控）、给水流量蒸汽用量（不可控）、给水流量（选为控制参数）（选为控制参数）问题：问题：“虚假水位虚假水位”。影响控制效果。影响控制效果。解决方案：解决方案：蒸汽流量为前馈信号，给水流量为副参数，蒸汽流量为前馈信号，给水流量为副参数，水位为主参数水位为主参数前馈反馈串级控制前馈反馈串级控制(图图6 62020）6.3 6.3 大滞后过程控制系统大滞后过程控制系统6.3.1 6.3.1 大滞后过程概述大滞后过程概述纯滞后：纯滞后：介质传输、化学反应、管道混合、皮带传送、轧辊传输、多容器串联成分测介质传输、化学反应、管道混合、皮带传送、轧辊传输、多容器串联成分测量等。量等。纯滞后的程度：纯滞后的程度
25、：称为一般纯滞后；称为一般纯滞后；称为大纯滞后。称为大纯滞后。大纯滞后难于控制大纯滞后难于控制：物理意义：物理意义：1 1）测量纯滞后使调节作用不及时；测量纯滞后使调节作用不及时；2 2）控制介质传输滞后使控制介质传输滞后使调节动作不及时；调节动作不及时；理论分析：开环频率特性相角滞后理论分析：开环频率特性相角滞后稳定裕度稳定裕度解决方案：微分先行、中间反馈、斯密斯预估、内模控制等解决方案：微分先行、中间反馈、斯密斯预估、内模控制等第19页，共25页，编辑于2022年，星期一6.3.2 6.3.2 史密斯预估控制史密斯预估控制1.1.史密斯预估控制：史密斯预估控制：预先估计动态模型预先估计动态
26、模型预估器使滞后了的被控量提前反馈预估器使滞后了的被控量提前反馈调节调节器提前动作器提前动作减少超调、加速调节过程。减少超调、加速调节过程。2.2.仿真实例仿真实例有关参数。有关参数。实线为史密斯预估控制结果，虚实线为史密斯预估控制结果，虚线为单回路控制结果线为单回路控制结果单回路控制单回路控制第20页，共25页，编辑于2022年，星期一6.3.3 6.3.3 改进型史密斯预估控制改进型史密斯预估控制1.1.增益自适应预估控制增益自适应预估控制当模型相等时，等效为图当模型相等时，等效为图625当存在差异时，通过当存在差异时，通过产生超前作用，使调节器提产生超前作用，使调节器提前动作，以减小超调
27、和加快前动作，以减小超调和加快调节过程。调节过程。2.2.动态参数自适应预估控制动态参数自适应预估控制当模型准确时，主反馈信号为当模型准确时，主反馈信号为零，其效果同史密斯预估控制；零，其效果同史密斯预估控制；当有差异时，主反馈的动态变当有差异时，主反馈的动态变化经惯性滤波后反馈，以增强化经惯性滤波后反馈，以增强适应性。适应性。第21页，共25页，编辑于2022年，星期一惯性滤波器的设计惯性滤波器的设计设计思路：设两个调节器设计思路：设两个调节器均为均为PIPI调节器，调节器调节器，调节器1 1按按模型完全准确时设计；调模型完全准确时设计；调节器节器2 2按具体情况设计，设按具体情况设计，设对
28、象的非滞后部分为一阶对象的非滞后部分为一阶惯性环节，且调节器惯性环节，且调节器2 2的积的积分时常与惯性时常相等，分时常与惯性时常相等，则有则有6.3.4 6.3.4 内模控制内模控制Garcia 82Garcia 82年提出，结构与史密斯相年提出，结构与史密斯相似，它不仅能明显改善大滞后过程似，它不仅能明显改善大滞后过程的控制品质，且设计简单、调节性的控制品质，且设计简单、调节性能好、鲁棒性强。能好、鲁棒性强。1.1.内模控制系统的结构内模控制系统的结构第22页，共25页，编辑于2022年，星期一2.2.理想内模控制器理想内模控制器假设模型没有误差，则有假设模型没有误差，则有当当X(s)=0
29、,F(s)0X(s)=0,F(s)0时：时：假设模型假设模型“可倒可倒”且物理可实现且物理可实现令令则有则有 Y(s)=0;Y(s)=0;同样，当同样，当X(s)0X(s)0，F(s)=0F(s)=0时：时：3.3.实际内模控制器实际内模控制器问题：模型存在误差且不问题：模型存在误差且不“可倒可倒”（如纯滞后或非最小相位环节）（如纯滞后或非最小相位环节）分解模型分解模型:包含所有纯滞后和在包含所有纯滞后和在S S右半平面存在零点的环节，右半平面存在零点的环节，且静态增益为且静态增益为1 1。令。令D(s)D(s)是静态增益为是静态增益为1 1的低通滤波器的低通滤波器T T为希望的闭环时常，为希
30、望的闭环时常，p p为正数；选择为正数；选择p,p,可使控制器既稳定又可物理实现。可使控制器既稳定又可物理实现。注意注意：该控制器是基于零、极点相消的原理设计的，当模型为不稳定（在：该控制器是基于零、极点相消的原理设计的，当模型为不稳定（在S S右半平面存在极点）右半平面存在极点）时，该设计方法不能采用。时，该设计方法不能采用。第23页，共25页，编辑于2022年，星期一设模型存在误差，则有：设模型存在误差，则有：设定值变化时的闭环传函为设定值变化时的闭环传函为该式表明：该式表明：滤波器与闭环性能关系密切，其中时间常数的选择是关键；时常越小，滞后越小，滤波器与闭环性能关系密切，其中时间常数的选
31、择是关键；时常越小，滞后越小，但对模型误差越敏感；需要在动态性能和鲁棒性之间折中选择。但对模型误差越敏感；需要在动态性能和鲁棒性之间折中选择。小结：小结：内模控制比史密斯预估控制更具一般性，它不仅可以解决大滞后过程的控内模控制比史密斯预估控制更具一般性，它不仅可以解决大滞后过程的控制，而且还可通过调整滤波器的参数以增强系统的鲁棒性；由于它同样依赖于模制，而且还可通过调整滤波器的参数以增强系统的鲁棒性；由于它同样依赖于模型，应用同样受限。型，应用同样受限。4.4.内模控制与反馈控制的关系内模控制与反馈控制的关系内模控制的等效框图：内模控制的等效框图：点画线中的等效传函为点画线中的等效传函为控制理论可控制理论可知：零频增知：零频增益无穷大的益无穷大的反馈控制可反馈控制可消除干扰引消除干扰引起的余差，起的余差，因而具有积因而具有积分功能分功能第24页，共25页，编辑于2022年，星期一本章结束，谢谢！本章结束，谢谢！第25页，共25页，编辑于2022年，星期一