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1、第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统第一节第一节 串级控制串级控制第二节第二节 前馈控制前馈控制第三节第三节 大滞后补偿控制大滞后补偿控制第四节第四节 比值控制比值控制第五节第五节 分程与选择性控制分程与选择性控制第六节第六节 多变量解耦控制多变量解耦控制第七节第七节 模糊控制模糊控制第八节第八节 预测控制预测控制过程控制工程过程控制工程第一节第一节 串级控制串级控制一、串级控制系统的结构与工作过程一、串级控制系统的结构与工作过程串级控制思想的产生：串级控制思想的产生：4以加热炉温度控制系统为例以加热炉温度控制系统为例4 选取炉出口温度为主被控参数（主参数），选取炉膛温度为副被控参数
2、（副参数），把炉出口温度调节器的输出作为炉膛温度的给定值就构成了图4-2的炉出口温度与4-3的炉膛温度的串级控制系统。4 扰动 f2（t）、f3（t）、对出口温度的影响主要由炉膛温度调节器（副调节器）构成的控制回路（副回路）来克服，扰动f1(t)、对炉口温度的影响由出口温度调节器（主调节器）构成的控制回路（主回路）来消除。加加热热炉炉串串级级控控制制系系统统的的工工作作过过程程是是：当处在稳定工况时，被加热物料的流量和温度不变，燃料的流量与热值不变，烟囱抽力也不变，炉出口温度和炉膛温度均处于相对平衡状态，调节阀保持一定的开度，此时炉出口温度稳定在给定值上，当扰动破坏了平衡工况时，串级系统便开始
3、了其控制过程。4二、串级控制系统的特点与分析二、串级控制系统的特点与分析1.改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作效率改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作效率串级控制系统的特点：串级控制系统的特点：442、大大增强了二次扰动的克服能力、大大增强了二次扰动的克服能力 43、对一次扰动有较好的克服能力、对一次扰动有较好的克服能力 4三、串级控制系统的设计三、串级控制系统的设计1、主、副回路的设计、主、副回路的设计串串级级控控制制系系统统的的设设计计主主要要是是副副参参数数的的选选择择和和副副回回路路的设计以及主、副回路关系的考虑。的设计以及主、副回路关系的考虑。设计原则：设计原则：4、对
4、回副路参数变化具有一定的自适应能力、对回副路参数变化具有一定的自适应能力1）副回路应包括尽可能多的扰动）副回路应包括尽可能多的扰动2）应使主、副过程的时间常数适当匹配）应使主、副过程的时间常数适当匹配43、主、副调节器正、反作用方式的确定主、副调节器正、反作用方式的确定主、副调节器正、反作用方式的选择原则：主、副调节器正、反作用方式的选择原则：使整个控制系统构成负反馈系统主、副调节器正、反作用方式的检验：主、副调节器正、反作用方式的检验：当炉出口温度升高时，主调节器输出应减小，即副调节器的给定值减小，为此，副调节器输出减小，使调节阀开度减小。这样，进入加热炉的燃料油减小，从而使炉膛温度和出口温
5、度降低。42）将副调节器的比例度置于所求得的数值）将副调节器的比例度置于所求得的数值2s上，把副回路作为主上，把副回路作为主回路的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主调节器的比回路的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主调节器的比例度例度1s和操作周期和操作周期T T1s 3）根据求得）根据求得1s、T T1s、2s、T T2s数值，按单回路系统衰减曲线数值，按单回路系统衰减曲线法整定公式计算主、副调节器的比例度法整定公式计算主、副调节器的比例度、积分时间、积分时间T T1 1 和微分和微分时间时间T TD D的数值的数值4）按先副后主、先比例后积分的整定程序，设置主、副调节器的）按先副后主
6、、先比例后积分的整定程序，设置主、副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，知道系统参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，知道系统质量达到最佳。质量达到最佳。42、逐逐步步逼逼近近法法：就就是是在在主主回回路路断断开开的的情情况况下下，求求取取副副调调节节器器和和整整定定参参数数，然然后后将将副副调调节节器器的的参参数数设设置置在在所所求求数数值值上上，将将串串级级控控制制系系统统主主回回路路闭闭合合以以求求其其主主调调节节器器的的整整定定参参数数值值；将将主主调调节节器器的的参参数数设设置置在在所所求求数数值值上上，再再进进行行整整定定，求求第第二二次次副副调调节节器器
7、的的整整定定参参数数值值；依依次次循循环环，直直至求得合适的整定参数值。至求得合适的整定参数值。步骤：步骤：1）主回路断开，把副回路作为一个单回路控制系统，并按照单回路）主回路断开，把副回路作为一个单回路控制系统，并按照单回路控制系统的参数整定法（衰减曲线法），求取副调节器的整定参控制系统的参数整定法（衰减曲线法），求取副调节器的整定参数值数值 WWc2 c2(s s)1 1 4五、串级控制系统的工业应用五、串级控制系统的工业应用1、用于克服被控过程较大的容量滞后、用于克服被控过程较大的容量滞后2、用于克服被控过程较大的纯滞后、用于克服被控过程较大的纯滞后 43、用于抑制变化剧烈而且幅度大的扰
8、动、用于抑制变化剧烈而且幅度大的扰动 44、用于克服被控过程的非线性、用于克服被控过程的非线性 4第三节第三节 前馈控制前馈控制1、反馈控制的本质是基于偏差来消除偏差、反馈控制的本质是基于偏差来消除偏差2、无论扰动发生在哪里，总要等到引起被控量发生偏差后，、无论扰动发生在哪里，总要等到引起被控量发生偏差后，调节器才动作调节器才动作3、反馈控制系统，因构成闭环，故而存在一个稳定性的问题、反馈控制系统，因构成闭环，故而存在一个稳定性的问题4、引起被控量发生偏差的一切扰动，均包围在闭环内、引起被控量发生偏差的一切扰动，均包围在闭环内5、反馈控制系统中，调节器的控制规律通常是、反馈控制系统中，调节器的
9、控制规律通常是P、PI、PD、PID1、反馈控制的特点：、反馈控制的特点：41、前馈控制原理、前馈控制原理42、前馈控制器的特点：、前馈控制器的特点：1）前馈控制是）前馈控制是“基于扰动来消除扰动对被控量的影响基于扰动来消除扰动对被控量的影响”，又称为，又称为“扰动补偿扰动补偿”2）扰动发生后，前馈控制器）扰动发生后，前馈控制器“及时及时”动作，对抑制被动作，对抑制被控量由于扰动引起的动、静态偏差比较有效控量由于扰动引起的动、静态偏差比较有效3）前馈控制属于开环装置）前馈控制属于开环装置4）只适合用来克服可测不可控的扰动，而对系统其它）只适合用来克服可测不可控的扰动，而对系统其它扰动无抑制作用
10、扰动无抑制作用5）前馈控制器的控制规律，取决于被控对象的特性。）前馈控制器的控制规律，取决于被控对象的特性。43、前馈控制的局限性：、前馈控制的局限性：1）完全补偿难以实现；）完全补偿难以实现；2）只能克服可测不可控的扰动）只能克服可测不可控的扰动二、前馈控制系统的结构二、前馈控制系统的结构 1、静态前馈控制、静态前馈控制4 2、动动态态前前馈馈控控制制：静静态态前前馈馈控控制制是是动动态态前前馈馈控控制制的的一一种种特特殊殊情情况况，通通常常只只有有在在当当工工艺艺上上对对控控制制精精度度要要求求极极高高，其其他他控控制制方方案案难难以以满满足足时，才采用动态前馈控制时，才采用动态前馈控制3
11、、前馈、前馈-反馈复合控制系统反馈复合控制系统 44三、前馈控制的选用与稳定性三、前馈控制的选用与稳定性1.实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测及不可控性实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测及不可控性可测：可测：扰动量可以通过测量变送器，在线地将其转换为前馈补偿所能接受的信号扰动量不可控：扰动量不可控：指绕栋量与控制量之间的相互独立性。2.前馈控制系统的稳定性前馈控制系统的稳定性442.动态参数动态参数 T T1、T T2 的确定的确定 443.过程时滞过程时滞的影响图的影响图 4五、前馈控制系统的工业应用五、前馈控制系统的工业应用1、冷凝器温度前馈、冷凝器温度前馈-反馈复合控制系统反馈复合控
12、制系统 42、锅炉给水前馈、锅炉给水前馈-串级三冲量系统串级三冲量系统 44第三节第三节 大滞后补偿控制大滞后补偿控制1）大滞后控制方案与PID控制的对比4一、大滞后过程与常规控制方案一、大滞后过程与常规控制方案42）中间微分反馈控制方案 43）常规控制方案比较 4Smith预估补偿方法论：预估补偿方法论：4二、大滞后过程的预估补偿控制二、大滞后过程的预估补偿控制4增益自适应预估补偿控制增益自适应预估补偿控制 44三、大滞后过程的采样控制三、大滞后过程的采样控制 4四、四、大滞后控制系统工业应用举例大滞后控制系统工业应用举例1、加热炉温度预估补偿控制、加热炉温度预估补偿控制 4 44442、高
13、压聚乙烯熔融值采样控制、高压聚乙烯熔融值采样控制 44第四节第四节 比值控制比值控制主流量、副流量和比值的关系主流量、副流量和比值的关系 1、单闭环比值控制、单闭环比值控制 42、双闭环比值控制、双闭环比值控制 3 双闭环比值控制系统中的两个控制回路是通过比值器发生联系，双闭环比值控制系统中的两个控制回路是通过比值器发生联系，若去除比值器，就为两个独立的单回路控制系统。若去除比值器，就为两个独立的单回路控制系统。43、变比值控制、变比值控制 41、主、从动量的确定 原则：在生产过程中起主导作用或可测 不可控，且较昂贵的物料流量一般为主动量，其余的物料流 量以它为准进行配比，为从动量2、控制方案
14、的选择：根据不同的工艺情况、负荷变化、扰动性 质、控制要求等进行合理选择3、调节器控制规律的确定 根据不同控制方案和控制要求而确定4、正确选用流量计与变送器5、比值控制方案的实施 包括相乘方案和相除方案6、比值系数的计算 7、比值控制系统的参数整定二、比值控制系统的设计与整定二、比值控制系统的设计与整定4三、工业应用举例三、工业应用举例自来水消毒的比值控制自来水消毒的比值控制 4第五节第五节 分程与选择性控制分程与选择性控制分程后调节阀的可调范围为单个调节阀的分程后调节阀的可调范围为单个调节阀的26倍倍 一、分程控制系统原理与设计注意问题一、分程控制系统原理与设计注意问题4分程控制：通过阀门定
15、位器或电分程控制：通过阀门定位器或电-气阀门定位器来实现的气阀门定位器来实现的分程控制根据调节阀的气开、气关形式和分程信号的区段不同分为：分程控制根据调节阀的气开、气关形式和分程信号的区段不同分为：1、调节阀同向动作的分程控制2、调节阀异向动作的分程控制 44 在分程控制中，调节阀流量特性的选择非常重要，为在分程控制中，调节阀流量特性的选择非常重要，为使总的流量特性比较平滑，请注意以下问题：使总的流量特性比较平滑，请注意以下问题：1、尽量选用对数调节阀、尽量选用对数调节阀2、采用分程信号重叠法、采用分程信号重叠法 44二、分程控制工业应用示例二、分程控制工业应用示例1、用于控制节能、用于控制节
16、能 42、用于扩大调节阀的可调范围、用于扩大调节阀的可调范围3、用于保证生产过程的安全、稳定、用于保证生产过程的安全、稳定 44、用于不同工况下的控制、用于不同工况下的控制 斧式间歇反应器的温度控制斧式间歇反应器的温度控制 4三、选择性控制系统原理与设计原则三、选择性控制系统原理与设计原则 选选择择性性控控制制：是把生产过程中的限制条件所构成的逻辑关系，叠加到正常的自动控制系统上去的一种组合控制方法。自自动动保保护护系系统统（软软保保护护系系统统）：通过选择器使原来的控制方案重新恢复工作的选择性控制系统。4 1、选择器的选型：、选择器的选型：根据生产处于不正常的情况下，取代调节器的输出信号为高
17、值或为低值来确定选择器的类型。（选择器有高值选择器与低值选择器）根根据据选选择择器器在在控控制制系系统统结结构构中中的的位位置置不不同同，选选择择性性控控制制系系统统分为两种：分为两种：2、控制器（调节器）控制规律的确定、控制器（调节器）控制规律的确定对于正常的控制器，控制精度要求搞，又要保证产品的质量，应选用PI控制规律；过程的容量滞后较大，选择用PID控制规律；对于取代控制器，在正常生产中开环备用，要求在生产将出问题时，能迅速及时采取措施，以防事故发生，选用P控制规律 3、控制器（调节器）参数整定控制器（调节器）参数整定 按照单回路控制系统的整定方法进行整定4四、选择性控制工业应用举例四、
18、选择性控制工业应用举例 蒸汽压力调节器蒸汽压力调节器 3五、选择性控制系统中的积分饱和及其防止方法五、选择性控制系统中的积分饱和及其防止方法 积积分分饱饱和和：对于在开环状态下具有积分作用的控制器，由于给定值与实际值之间存在偏差，调节器的积分动作将使其输出不停的变化，一直达到某个限值并停留在该值上。数字式控制器防止积分饱和比较容易实现；4模拟式控制器采用两种方法来防止积分饱和：模拟式控制器采用两种方法来防止积分饱和：1）PI-P法法 在电动调节器中当其输出在某一极限内时，具有在电动调节器中当其输出在某一极限内时，具有PI作作用；超出这一极限，则为纯比例作用，可避免积分饱和现象用；超出这一极限，则为纯比例作用，可避免积分饱和现象 2）外反馈法）外反馈法 对于气动调节器的选择性控制，取代调节器处于备对于气动调节器的选择性控制，取代调节器处于备用开环状态时，不用其本身的输出而用正常调节器的输出作为积用开环状态时，不用其本身的输出而用正常调节器的输出作为积分反馈，以限制积分作用分反馈，以限制积分作用