常见复杂控制系统.pptx

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1、会计学1常见复杂控制系统常见复杂控制系统 基本原理、结构与性能分析基本原理、结构与性能分析基本原理、结构与性能分析基本原理、结构与性能分析uu基本概念和系统结构基本概念和系统结构 串级控制系统串级控制系统(Cascade Cont ro1System)(Cascade Cont ro1System)是一种常用的复杂控制系统，它是一种常用的复杂控制系统，它根据系统结构命名。它由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个控根据系统结构命名。它由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，这类控制系统称为制器的输出作为另一个控制器的设定值，这类控制系统称为串级控制系统

2、串级控制系统。第1页/共129页图2-1 串级控制系统原理方框图第2页/共129页第3页/共129页pp主调节器(主控制器)：根据主参数与给定值的偏差而动作，其输出作为副调节器的给定值的调节器。pp副调节器(副控制器)：其给定值由主调节器的输出决定，并根据副参数与给定值(即主调节器输出)的偏差动作。第4页/共129页p主回路主回路(外回路外回路)：断开副调节器的反馈回路后断开副调节器的反馈回路后的整个外回路。的整个外回路。p副回路副回路(内回路内回路)：由副参数、副调节器及所包由副参数、副调节器及所包括的一部分对象所组成的闭合回路（随动回路括的一部分对象所组成的闭合回路（随动回路)第5页/共1

3、29页p主对象主对象(惰性区惰性区)：主参数所处的那一部分工艺主参数所处的那一部分工艺设备，它的输入信号为副变量，输出信号为主设备，它的输入信号为副变量，输出信号为主参数参数(主变量主变量)。p副对象副对象(导前区导前区)：副参数所处的那一部分工艺副参数所处的那一部分工艺设备，它的输入信号为调节量，其输出信号为设备，它的输入信号为调节量，其输出信号为副参数副参数(副变量副变量)。第6页/共129页uu串级控制系统的特点串级控制系统的特点pp串级控制系统具有很强的克服内扰的能力。串级控制系统具有很强的克服内扰的能力。将图将图2-12-1简化为图简化为图2-22-2 图图2-2 2-2 串级控制系

4、统原理简化方框图串级控制系统原理简化方框图第7页/共129页其中其中（2-2-1 1）输出对于扰动输出对于扰动 的传递函数的传递函数输出对输入输出对输入 的传递函数的传递函数（2-22-2）（2-32-3）第8页/共129页对于一个定值对于一个定值控制控制系统，扰动造成的影响应该越小越系统，扰动造成的影响应该越小越好，而定值部分应尽量保持恒定，因此，式（好，而定值部分应尽量保持恒定，因此，式（2-22-2）越）越接接近近0 0，式（，式（2-32-3）越接近）越接近1 1（令（令 ），则控制系统性能越好。也即用以表征克），则控制系统性能越好。也即用以表征克服服干扰干扰能力的式子能力的式子 的值

5、越大越好。的值越大越好。第9页/共129页现有现有即为两个调节器传递函数的乘积。即为两个调节器传递函数的乘积。如果如果，则有，则有 第10页/共129页若采用如图2-3所示单回路控制系统，可以算得其表征克服干扰能力的式子 （2-5）一般有：第11页/共129页结论结论：系统的开环放大倍数越大，稳态误差越小，：系统的开环放大倍数越大，稳态误差越小，克服干扰的能力也就越强，副调节器的放大倍克服干扰的能力也就越强，副调节器的放大倍数整定得越大，这个优点越显著。数整定得越大，这个优点越显著。图图2-32-3单回路控制系统原理方框单回路控制系统原理方框图图第12页/共129页p串级控制系统可减小副回路的

6、时间常数，改善对象动态串级控制系统可减小副回路的时间常数，改善对象动态特性，提高系统的工作频率。特性，提高系统的工作频率。假定串级控制系统和单回路控制以同样的衰减率工作，即令假定串级控制系统和单回路控制以同样的衰减率工作，即令第13页/共129页显然显然 ，所以，所以pp串级控制系统具有一定的自适应能力。串级控制系统具有一定的自适应能力。pp能够更精确控制操纵变量的流量。能够更精确控制操纵变量的流量。pp可实现更灵活的操作方式。可实现更灵活的操作方式。第14页/共129页 串级控制系统设计及工程应用串级控制系统设计及工程应用串级控制系统设计及工程应用串级控制系统设计及工程应用uu串级控制系统主

7、副回路和主副调节器选择串级控制系统主副回路和主副调节器选择pp主副回路的选择原则主副回路的选择原则 副回路应把副回路应把 变化幅度大变化幅度大 最剧烈最剧烈 最频繁最频繁 等干扰包括在副回路内，充分发等干扰包括在副回路内，充分发挥副回路改善系统动态特性的作挥副回路改善系统动态特性的作用，保证主参数的稳定用，保证主参数的稳定;应合理选择副对象和检测变送环节的特性，使副环可近应合理选择副对象和检测变送环节的特性，使副环可近似为似为1 1：1 1比例环节。比例环节。第15页/共129页主副对象的时间常数应适当匹配，串级控制系统与单回主副对象的时间常数应适当匹配，串级控制系统与单回路控制系统相比，其工

8、作频率提高了，但这与主副对象路控制系统相比，其工作频率提高了，但这与主副对象的时间常数选择是有关的。原则是两者相差大一些，效的时间常数选择是有关的。原则是两者相差大一些，效果好一些。果好一些。在选择副回路时，主、副对象的时间常数比值应选取适在选择副回路时，主、副对象的时间常数比值应选取适 当，一般当，一般之间较合适。之间较合适。第16页/共129页当时表示很小，副回路包括的干扰因素越来越少，副回路克服干扰能力强的优点未能充分利用；当时表明过大，副回路包括的干扰过多，控制作用不及时；当时，主副对象之间的动态联系十分紧密，如果在干扰作下，主、副参数任一个先振荡，必将引起另一个也振荡，这样，两个参数

9、互相促进，振荡更加剧烈，这就是所谓的共振效应，显然应力求避免。第17页/共129页pp串级控制系统主、副被控变量的选择串级控制系统主、副被控变量的选择 选择原则如下：选择原则如下：n n根据工艺过程的控制要求选择主被控变量；主被控根据工艺过程的控制要求选择主被控变量；主被控变量应反映工艺指标。变量应反映工艺指标。n n副被控变量应包含主要扰动，并应包含尽可能多的副被控变量应包含主要扰动，并应包含尽可能多的扰动。扰动。n n主、副回路的时间常数和时滞应错开，即工作频率主、副回路的时间常数和时滞应错开，即工作频率错开，以防止共振现象发生。错开，以防止共振现象发生。n n主、副被控变量之间应有一一对

10、应关系。主、副被控变量之间应有一一对应关系。n n主被控变量的选择应使主对象有较大的增益和足够主被控变量的选择应使主对象有较大的增益和足够的灵敏度。的灵敏度。n n应考虑经济性和工艺的合理性。应考虑经济性和工艺的合理性。第18页/共129页pp主、副回路调节器调节规律的选择原则主、副回路调节器调节规律的选择原则 控制器控制规律的选择应根据控制系统的要求确定。控制器控制规律的选择应根据控制系统的要求确定。主控制器控制规律的选择通常为主控制器控制规律的选择通常为PIDPID。副控制器控制规律的选择通常为副控制器控制规律的选择通常为P P或或PIPI。pp串级控制系统主、副控制器正反作用的选择串级控

11、制系统主、副控制器正反作用的选择 应满足负反馈的控制要求。因此，对主环和副环都必须使总开环增益为正。应满足负反馈的控制要求。因此，对主环和副环都必须使总开环增益为正。第19页/共129页uu串级控制系统中副环检测变送环节的非线性。串级控制系统中副环检测变送环节的非线性常出现在两种场合：一是副被控变量为流量，采用孔板和差压变送器，未用开方器的场合；二是用阀门定位器的凸轮改变控制阀流量特性的场合。在串级控制系统中，副被控变量为流量的使用最广泛。第20页/共129页u串级控制系统中控制器的参数整定和系统投运串级控制系统中控制器的参数整定和系统投运 串级控制系统控制器参数整定有逐步逼近法、两步法和串级

12、控制系统控制器参数整定有逐步逼近法、两步法和一步法等。一步法等。逐步逼近法逐步逼近法）断开主回路，整定副控制器参数；）断开主回路，整定副控制器参数；）闭合主回路，整定主控制器参数）闭合主回路，整定主控制器参数）再整定副控制器参数、主控制器参数，直到控制）再整定副控制器参数、主控制器参数，直到控制 品质满足要求。品质满足要求。第21页/共129页两步法两步法主控制器手动情况下，主控制器手动情况下，）整定副控制器参数；）整定副控制器参数；）整定好后，主控制器切自动，整定主控制器参）整定好后，主控制器切自动，整定主控制器参数。数。一步法一步法根据副被控对象的特性，按表根据副被控对象的特性，按表2-2

13、-设置副控制器参设置副控制器参数，然后整定主控制器参数。数，然后整定主控制器参数。表表2 2 副控制器比例度的经验数据副控制器比例度的经验数据第22页/共129页应用场合：应用场合：逐步逼近法用于对主、副被控变量都有较高控制指标的逐步逼近法用于对主、副被控变量都有较高控制指标的场合，两步法和一步法用于对副被控变量的控制要求场合，两步法和一步法用于对副被控变量的控制要求不高的场合。不高的场合。注意问题：注意问题：参数整定时应参数整定时应防止共振现象出现防止共振现象出现。一旦出现共振，应加。一旦出现共振，应加大主控制器或副控制器的比例度，使副回路的工作频率大主控制器或副控制器的比例度，使副回路的工

14、作频率与主回路工作频率错开以消除共振。与主回路工作频率错开以消除共振。串级控制系统的投运串级控制系统的投运宜先副后主宜先副后主，对副控制器参数整定，对副控制器参数整定的结果不应作过多限制，应以快速、准确跟踪主控制器的结果不应作过多限制，应以快速、准确跟踪主控制器输出为整定参数的目标。输出为整定参数的目标。第23页/共129页串级控制系统抗积分饱和串级控制系统抗积分饱和串级控制系统抗积分饱和串级控制系统抗积分饱和与单回路控制系统积分饱和现象相似，串级控制系统的积分饱和现象也使与单回路控制系统积分饱和现象相似，串级控制系统的积分饱和现象也使控制品质变差，在设计控制系统时，必须防止此现象的发生。控制

15、品质变差，在设计控制系统时，必须防止此现象的发生。对于不同仪表，应根据其结构性能，组成不同的抗积分饱和的系统结构。对于不同仪表，应根据其结构性能，组成不同的抗积分饱和的系统结构。uu采用跟踪保持功能实现限制积分饱和现象采用跟踪保持功能实现限制积分饱和现象 第24页/共129页图图2 2 采用跟踪保持功能限制积分饱和现象采用跟踪保持功能限制积分饱和现象第25页/共129页当阀门开度当阀门开度(或副控制器输出或副控制器输出)达到上限时，逻辑信号送到跟踪保持组件，达到上限时，逻辑信号送到跟踪保持组件，它保持主控制器输出为当前值；逻辑信号送到切换开关它保持主控制器输出为当前值；逻辑信号送到切换开关T1

16、T1，通过切换开关，通过切换开关了了1 1，限制主控制器输出不能大于最大值。当有反向随机扰动时，被控变，限制主控制器输出不能大于最大值。当有反向随机扰动时，被控变量反向变化，主控制器输出可立即减小，使阀门开度减小，避免了积分饱量反向变化，主控制器输出可立即减小，使阀门开度减小，避免了积分饱和现象。反之亦然。在阀门开度和现象。反之亦然。在阀门开度(副控制器输出副控制器输出)达到下限时，逻辑信号也达到下限时，逻辑信号也使跟踪保持组件保持主控制器输出当前值，同时，切换开关使跟踪保持组件保持主控制器输出当前值，同时，切换开关T2T2动作，限制动作，限制主控制器输出最小值。当有相反方向的扰动时，被控制量

17、反向变化，主控主控制器输出最小值。当有相反方向的扰动时，被控制量反向变化，主控制器输出可立即增加，阀门跟着开大，也既不存在积分饱和现象了。制器输出可立即增加，阀门跟着开大，也既不存在积分饱和现象了。本方本方法不影响主控制器和副控制器的控制规律法不影响主控制器和副控制器的控制规律。第26页/共129页uu采用外部积分的防饱和积分系统采用外部积分的防饱和积分系统 2-6（a）采用外部积分的防饱和积分系统）采用外部积分的防饱和积分系统第27页/共129页2-6(b)2-6(b)采用外部积分的防饱和环节的主环开环系统方框图采用外部积分的防饱和环节的主环开环系统方框图第28页/共129页 最终得到输入节

18、点最终得到输入节点e1e1与输出节点与输出节点x1x1之间的传递函数：之间的传递函数：从上式可以看出，采用外部积分的中级系统与采用导从上式可以看出，采用外部积分的中级系统与采用导前微分信号的双回路控制系统非常相近，而与常规的前微分信号的双回路控制系统非常相近，而与常规的串级系统有较大区别。串级系统有较大区别。第29页/共129页uu采用浮动上、下限幅的防止积分饱采用浮动上、下限幅的防止积分饱和统和统 当主控制器输出增加时，上限当主控制器输出增加时，上限幅上浮；反向动作时，下限幅跟着幅上浮；反向动作时，下限幅跟着下浮。当阀门开度至极限位置时，下浮。当阀门开度至极限位置时，副环被控变量不再变化，主

19、控制器副环被控变量不再变化，主控制器输出增加到上限后不再增加。但当输出增加到上限后不再增加。但当主控制器输出减小、越过不灵敏区主控制器输出减小、越过不灵敏区A A后，副控制器输出才减小，形成后，副控制器输出才减小，形成一个很小的、可调整的不灵敏区。一个很小的、可调整的不灵敏区。所以当阀门在权限位置时，控制品所以当阀门在权限位置时，控制品质稍为变差。此系统结构简单，但质稍为变差。此系统结构简单，但仅适用于副环被控变量仅适用于副环被控变量2 2惯性比较惯性比较小的对象。小的对象。采用浮动上、下限幅的防止积分饱和系统示意图采用浮动上、下限幅的防止积分饱和系统示意图 第30页/共129页 串级控制系统

20、的变型串级控制系统的变型串级控制系统的变型串级控制系统的变型uu导前微分控制系统导前微分控制系统 图图2-72-7导前微分控制系统原理方框图导前微分控制系统原理方框图第31页/共129页图图2-8 2-8 导前微分控制导前微分控制系统系统的原理方框图的原理方框图 第32页/共129页等效后的主副调节器分别为等效后的主副调节器分别为设微分器设微分器 调节器为调节器为PIPI规律时，即规律时，即等效等效主调节器的特性主调节器的特性：由此可见，等效主由此可见，等效主调节器调节器也为也为PIPI规律，其中规律，其中第33页/共129页等效副调节器的特性为等效副调节器的特性为，具有比例积分性质。，具有比

21、例积分性质。，具有比例积微分性质。，具有比例积微分性质。第34页/共129页，具有比例积微分性质，具有比例积微分性质一般一般 ，所以所以 基本上是基本上是PIPI规律。规律。导前微分控制系统导前微分控制系统 主、副调节器均为主、副调节器均为PI控制规律的串级控制系统控制规律的串级控制系统（具有很强的（具有很强的克服克服内扰的能力内扰的能力）结论：结论：只有当串级控制系统中的主调节器为只有当串级控制系统中的主调节器为PID规律时，其规律时，其性能才优于导前微分控制系统。同时也可以看到，在一定条性能才优于导前微分控制系统。同时也可以看到，在一定条件下导前微分件下导前微分控制控制系统和串级控制系统是

22、可以互换的。系统和串级控制系统是可以互换的。互换的条件为：互换的条件为：用串级控制系统代替导前微分控制系统时：用串级控制系统代替导前微分控制系统时：第35页/共129页p当串级控制系统中的主调节器采用当串级控制系统中的主调节器采用PID调节规律时，就很调节规律时，就很难用导前微分系统代替。难用导前微分系统代替。第36页/共129页u引入阀门定位器的串级控制系统引入阀门定位器的串级控制系统 图图 2-9 引入阀门定位器后组成的串级控制系统引入阀门定位器后组成的串级控制系统在使用时应注意，当阀门定位器用于流量等时间常数较小在使用时应注意，当阀门定位器用于流量等时间常数较小的控制系统时，由于副对象时

23、间常数也较小，因此，容易的控制系统时，由于副对象时间常数也较小，因此，容易出现共振现象。出现共振现象。第37页/共129页2.2 2.2 2.2 2.2 比值控制系统比值控制系统比值控制系统比值控制系统 基本原理、结构和方案分析基本原理、结构和方案分析 比值控制系统设计和工程应用中的问题比值控制系统设计和工程应用中的问题 比值控制系统的变型比值控制系统的变型第38页/共129页 基本原理、结构和方案分析基本原理、结构和方案分析基本原理、结构和方案分析基本原理、结构和方案分析uu基本原理 比值控制系统比值控制系统 控制两个物料流量比值的控制系统控制两个物料流量比值的控制系统。一个物料流量需要跟随

24、另一物料流量变化。一个物料流量需要跟随另一物料流量变化。前者称为前者称为从动从动量量，后者称为后者称为主动量主动量。通常选择的主动量应是主要的物料或关键物料的流量，它通常选择的主动量应是主要的物料或关键物料的流量，它们通常是可测不可控，物料不足时，可能会影响安全生们通常是可测不可控，物料不足时，可能会影响安全生产的物料流量。产的物料流量。第39页/共129页uu基本结构和方案分析基本结构和方案分析 比值控制系统又称为比率控制系统。比值控制系统又称为比率控制系统。按系统结构分：按系统结构分：开环比值开环比值 闭环比值闭环比值按比值分类：按比值分类：定比值定比值 变比值变比值按实施的方案分：按实施

25、的方案分：相乘相乘 相除相除第40页/共129页相乘方案：相乘方案：用主动量信号乘以比值作为从动量控制器的设定用主动量信号乘以比值作为从动量控制器的设定值值 主动量信号作为从动量控制器的设定，从动量乘主动量信号作为从动量控制器的设定，从动量乘以以 比值作为从动量控制器的测量比值作为从动量控制器的测量相除方案：相除方案：它们是将主、从动量信号相除它们是将主、从动量信号相除(可有主动量作为分可有主动量作为分母或分子两种类型母或分子两种类型)的信号作为比值控制器的测量，比的信号作为比值控制器的测量，比值控制器的设定是所需的比值值控制器的设定是所需的比值(或比值的倒数或比值的倒数)。第41页/共129

26、页pp相乘方案的实相乘方案的实施施 图图2-10 2-10 相乘方案结构相乘方案结构第42页/共129页1采用流量变送器(线性检测变送环节)应注意下列问题应注意下列问题：当采用线性检测变送环节时，仪表比值系数当采用线性检测变送环节时，仪表比值系数K K与工艺比值与工艺比值系数系数k k之间的关系可按式之间的关系可按式(2(235)35)计算。计算。采用电动和气动仪表时，乘法器输人的比值电流或气压采用电动和气动仪表时，乘法器输人的比值电流或气压可按下列公式计算。可按下列公式计算。一般标准公式：输人信号仪表量程范围一般标准公式：输人信号仪表量程范围K K零点。零点。第43页/共129页 电动电动型

27、组合仪表：型组合仪表：（mAmA）（2 23535）电动电动IIII型组合仪表：型组合仪表：（mAmA）（2 23636）气动组合仪表：气动组合仪表：（MPaMPa）（2 23737）分流器、加法器等仪表可直接设置仪表比值系数分流器、加法器等仪表可直接设置仪表比值系数K K。实现比值函数环节的仪表可以用乘法器实现比值函数环节的仪表可以用乘法器(配合定值器配合定值器)、分流器、加法器等。分流器、加法器等。第44页/共129页2 2采用差压变送器采用差压变送器(非线性检测变送环节非线性检测变送环节)主动量变送器输出为主动量变送器输出为从动量变送器输出为从动量变送器输出为 代入和简化，得到代入和简化

28、，得到第45页/共129页3 3仪表比值系数大于仪表比值系数大于1 1时的处时的处理理 在上述两种实施方案中，如在上述两种实施方案中，如果计算所得的仪表比值系数果计算所得的仪表比值系数K K大大于于1 1。则输人到比值函数环节的。则输人到比值函数环节的信号就大于该仪表的量程上限，信号就大于该仪表的量程上限，为此，可将该比值函数环节设置为此，可将该比值函数环节设置在从动量控制回路。假设输人信在从动量控制回路。假设输人信号为号为 ，可推导得到乘法器输，可推导得到乘法器输人的比值电流或气压的计算公式人的比值电流或气压的计算公式与式与式(2(234)34)、式、式(2(236)36)、式式(2(237

29、)37)相同，只需要将式中相同，只需要将式中的的K K用其倒数用其倒数 代入即可。代入即可。图2-11K大于1时的相乘比值控制第46页/共129页4相乘控制方案的特点n n比值函数环节不管是位于从动量控制回路外部还是内部，由于乘法器的增益是固定比值，因此，仪表比值系数与从动量控制回路中负荷的变化无关。n n实施时，根据所选仪表类型，按式（234)、式(236)、式(237)可计算相应的输人信号数值。第47页/共129页l采用常规仪表实施相乘控制方案时，应根据仪表采用常规仪表实施相乘控制方案时，应根据仪表比值系数比值系数K K的大小确定比值函数环节在控制回路中的大小确定比值函数环节在控制回路中的

30、位置。采用的位置。采用DCSDCS或计算机控制系统实施时，可直或计算机控制系统实施时，可直接根据工艺比值系数接根据工艺比值系数k,k,将比值函数环节置于从动将比值函数环节置于从动量控制回路外，使调整量控制回路外，使调整k k时不影响控制回路稳定性。时不影响控制回路稳定性。l采用相乘控制方案不能直接获得实际的流量比值。采用相乘控制方案不能直接获得实际的流量比值。第48页/共129页pp相除方案的实施相除方案的实施图图2-12 2-12 相除方案结构相除方案结构第49页/共129页1 1采用流量变送器采用流量变送器(线性检测变送环节线性检测变送环节)采用流量变送器，主、从动量变送器输出分别为采用流

31、量变送器，主、从动量变送器输出分别为对于电动对于电动型仪表，仪表比值系数型仪表，仪表比值系数K K与乘法器与乘法器 电流电流稳态时，比值控制器稳态时，比值控制器的测量值的测量值应等于设定值应等于设定值，即，即简化可得简化可得该计算公式与采用线性检测变送环节时相乘方案的仪该计算公式与采用线性检测变送环节时相乘方案的仪表比值系数表比值系数K K计算公式相同。计算公式相同。第50页/共129页2 2采用差压变送器采用差压变送器(非线性检测变送环节非线性检测变送环节)与相乘方案相同与相乘方案相同 3 3仪表比值系数仪表比值系数K K大于大于1 1时的处理时的处理在上述两种实施方案中，如果计算所得的仪表

32、比值系在上述两种实施方案中，如果计算所得的仪表比值系数数K K大于大于1 1，则除法器的输人信号更换，即主动量信号，则除法器的输人信号更换，即主动量信号作为被除数信号，从动量信号作为除数信号。比值控作为被除数信号，从动量信号作为除数信号。比值控制器设定信号对应的电流或气压计算公式与式制器设定信号对应的电流或气压计算公式与式(2(2一一34)34)式式(2(2一一36)36)、式、式(2(2一一37)37)相同，也只需将式中的相同，也只需将式中的K K用其倒用其倒数数代入即可。代入即可。第51页/共129页 4 4相除控制方案的特点相除控制方案的特点n n实施时，根据所选仪表类型，按式实施时，根

33、据所选仪表类型，按式(2(235)35)，式，式(2(2一一40)40)可计算比值控制器可计算比值控制器设定值或相应的信号数值。设定值或相应的信号数值。n n采用常规仪表实施相除控制方案时，应根据仪表比值系数采用常规仪表实施相除控制方案时，应根据仪表比值系数K K的大小确定被的大小确定被除数信号和除数信号的位置。采用除数信号和除数信号的位置。采用DCSDCS或计算机控制系统实施时，可直接或计算机控制系统实施时，可直接根据工艺比值系数根据工艺比值系数k k，将该比值作为比值控制器的设定。，将该比值作为比值控制器的设定。第52页/共129页l采用相除控制方案能直接从比值控制器的测量值获得实采用相除

34、控制方案能直接从比值控制器的测量值获得实际流量的比值。际流量的比值。l不管仪表比值系数的大小，比值函数环节输出作为比值不管仪表比值系数的大小，比值函数环节输出作为比值控制器的测量，因此，仪表比值系数与从动量控制回路控制器的测量，因此，仪表比值系数与从动量控制回路中负荷的变化有关，呈现非线性关系。中负荷的变化有关，呈现非线性关系。第53页/共129页 比值控制系统设计和工程应用中的问题比值控制系统设计和工程应用中的问题比值控制系统设计和工程应用中的问题比值控制系统设计和工程应用中的问题uu主动量和从动量的选择主动量和从动量的选择 选择依据选择依据 p 主动量通常选择可测量但不可控制的过程变量。主

35、动量通常选择可测量但不可控制的过程变量。p 主动量选择可能供应不足的过程变量。主动量选择可能供应不足的过程变量。p 从安全角度考虑，如该过程变量供应不足会导致不从安全角度考虑，如该过程变量供应不足会导致不 安全时，应选择该过程变量为主动量。安全时，应选择该过程变量为主动量。p 从动量通常应是既可测量又可控制，并需要保持一从动量通常应是既可测量又可控制，并需要保持一 定比值的过程变量。定比值的过程变量。p 从动量通常选择供应有余的过程变量。从动量通常选择供应有余的过程变量。第54页/共129页uu比值控制系统类型的选择比值控制系统类型的选择 有有单闭环单闭环、双闭环双闭环和和变比值变比值三类，可

36、根据工艺要求选择。三类，可根据工艺要求选择。p主动量不可控时主动量不可控时.选用单闭环比值控制系统。选用单闭环比值控制系统。p主动量可控可测，但变化不大，受到的扰动较小或主动量可控可测，但变化不大，受到的扰动较小或扰扰 动的影响不大时，宜选择单闭环比值控制系统。动的影响不大时，宜选择单闭环比值控制系统。p主动量可控可测，并且变化较大时，宜选双闭环比主动量可控可测，并且变化较大时，宜选双闭环比值值 控制系统。控制系统。第55页/共129页p当比值需要根据生产过程的需要由另一个控制器进行当比值需要根据生产过程的需要由另一个控制器进行调节时。应选择变比值控制系统。调节时。应选择变比值控制系统。p当主

37、动量作为前馈信号，并影响串级控制系统的流量当主动量作为前馈信号，并影响串级控制系统的流量 副回路时，应采用变比值控制系统。副回路时，应采用变比值控制系统。p当质量偏离控制指标需要改变流量的比优时，应采用当质量偏离控制指标需要改变流量的比优时，应采用变比值控制系统。变比值控制系统。p变比值控制系统的第三过程变垦通常选择过程的质量变比值控制系统的第三过程变垦通常选择过程的质量指标。指标。第56页/共129页uu比值函数环节的选择比值函数环节的选择 采用常规仪表实施比值控制系统时，需要选择比值函数环节的仪表。根据采用常规仪表实施比值控制系统时，需要选择比值函数环节的仪表。根据比值控制系统类型的选择原

38、则，比值控制系统宜采用相乘方案，因此，比比值控制系统类型的选择原则，比值控制系统宜采用相乘方案，因此，比值函数环节可从乘法器、分流器、加法器等仪表中选择。值函数环节可从乘法器、分流器、加法器等仪表中选择。采用常规仪表实施，如果采用常规仪表实施，如果K K大于大于1 1，应将比值函数环节设置在从动量控制回，应将比值函数环节设置在从动量控制回路内。用路内。用DCSDCS或计算机实施时，或计算机实施时，K K可大于可大于1 1。比值函数环节仍设置在从动量。比值函数环节仍设置在从动量控制回路设定值通道。控制回路设定值通道。第57页/共129页uu检测变送环节的选择检测变送环节的选择 采用线性检测变送环

39、节和非线性检测变送环节时，除采用线性检测变送环节和非线性检测变送环节时，除了仪表比值系数的计算公式不同外，还有下列区别。了仪表比值系数的计算公式不同外，还有下列区别。p从检测角度看，采用线性检测变送环节从检测角度看，采用线性检测变送环节(例如采用开例如采用开 方器方器)，可使显示刻度均匀，小流量时的读数也较清，可使显示刻度均匀，小流量时的读数也较清 楚，但不见得能提高检测精确度。楚，但不见得能提高检测精确度。第58页/共129页p从可调范围看，由于仪表比值系数在有无开方器时的计从可调范围看，由于仪表比值系数在有无开方器时的计算公式不同。如果引人开方器，仪表比值系数的可调范算公式不同。如果引人开

40、方器，仪表比值系数的可调范围可增大，因此有利于提高可调的比值范围。围可增大，因此有利于提高可调的比值范围。p从系统角度看，对于变比值控制系统，如果比值函数环从系统角度看，对于变比值控制系统，如果比值函数环节位于副流量控制回路，则未引入开方器，使副环具有节位于副流量控制回路，则未引入开方器，使副环具有非线性特性非线性特性(第第2.12.1节的讨论节的讨论)，造成控制系统的不稳定。，造成控制系统的不稳定。第59页/共129页pp从经济角度看，引入开方器需要增加投资。从经济角度看，引入开方器需要增加投资。根据上述讨论，建仪在比值控制系统中采用根据上述讨论，建仪在比值控制系统中采用线性检测变送环节线性

41、检测变送环节。uu其他问题其他问题 1.1.变送器量程的选择变送器量程的选择 2.2.流量的温度压力补偿流量的温度压力补偿uu比值控制系统的参数整定和投运比值控制系统的参数整定和投运 比值控制系统的投运可按单回路控制系统的投运方法分别投运主、从动比值控制系统的投运可按单回路控制系统的投运方法分别投运主、从动量控制系统。变比值控制系统按串级控制系统的投运方法进行投运。量控制系统。变比值控制系统按串级控制系统的投运方法进行投运。第60页/共129页 比值控制系统的变型比值控制系统的变型比值控制系统的变型比值控制系统的变型uu快速跟踪单闭环比值控制系统快速跟踪单闭环比值控制系统 图图2-13 2-1

42、3 快速跟踪单闭环比值控制系统框图快速跟踪单闭环比值控制系统框图第61页/共129页uu双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统 图图2-14 2-14 双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统第62页/共129页uu串级比值控制系统串级比值控制系统 图2-15 串级比值控制系统第63页/共129页2.3 2.3 2.3 2.3 双重控制系统和选择性控制双重控制系统和选择性控制双重控制系统和选择性控制双重控制系统和选择性控制 双重控制系统双重控制系统 选择性控制选择性控制(超驰控制超驰控制)第64页/共129页 双重控制系统双重控制系统双重控制系统双重控制系统uu基本原理、结构和性能分析基本原理、结构

43、和性能分析 1.1.基本原理和结构基本原理和结构 一个被控变量采用两个或两个以上的操纵变量进行一个被控变量采用两个或两个以上的操纵变量进行 控制的控制系统称为双重或多重控制系统。这类控控制的控制系统称为双重或多重控制系统。这类控 制系统采用不止一个控制器，其中，一个控制器输制系统采用不止一个控制器，其中，一个控制器输 出作为另一个控制器的测量信号。出作为另一个控制器的测量信号。第65页/共129页图图2-16 2-16 双重控制系统框图双重控制系统框图第66页/共129页图图2-17 2-17 双重控制系统的等效框图双重控制系统的等效框图第67页/共129页2.2.性能分析性能分析 双重控制系

44、统增加了副回路，与由主控制器、副双重控制系统增加了副回路，与由主控制器、副控制器和慢对象组成的慢响应的单回路控制系控制器和慢对象组成的慢响应的单回路控制系统比较，有下列特点。统比较，有下列特点。增加开环零点，改善控制品质，提高系统稳定性。增加开环零点，改善控制品质，提高系统稳定性。提高双重控制系统的工作频率。提高双重控制系统的工作频率。动静结合，快慢结合，动静结合，快慢结合，“急则治标，缓则治本急则治标，缓则治本”。第68页/共129页uu双重控制系统设计和工程应用中的问题双重控制系统设计和工程应用中的问题pp主、副操纵变量的选择主、副操纵变量的选择主操纵变量主操纵变量应选择具有较快动态响应的

45、操纵变量应选择具有较快动态响应的操纵变量副操纵变量则选择有较好静态性能的操纵变量副操纵变量则选择有较好静态性能的操纵变量p 主、副控制器的选择主、副控制器的选择双重控制系统的主、副控制器均起定值控制作用，为双重控制系统的主、副控制器均起定值控制作用，为了消除余差，主、副控制器均应选择具有积分控制作了消除余差，主、副控制器均应选择具有积分控制作用的控制器，通常不加入微分控制作用，当快被控对用的控制器，通常不加入微分控制作用，当快被控对象的时间常数较大时，为加速主对象的响应，可适当象的时间常数较大时，为加速主对象的响应，可适当加入微分。对于副控制器，由于起缓慢的调节作用，加入微分。对于副控制器，由

46、于起缓慢的调节作用，因此，也可选用纯积分的控制器。因此，也可选用纯积分的控制器。第69页/共129页pp主、副控制嚣正反作用的选择主、副控制嚣正反作用的选择 双重控制系统的主、副控制回路是并联的单回路，主、副控制器正反作用双重控制系统的主、副控制回路是并联的单回路，主、副控制器正反作用的选择与单回路控制系统中控制器正反作用的选择方法相同。的选择与单回路控制系统中控制器正反作用的选择方法相同。pp双重控制系统的关联双重控制系统的关联 pp双重控制系统的投运和参数整定双重控制系统的投运和参数整定第70页/共129页 选择性控制（超驰控制）选择性控制（超驰控制）选择性控制（超驰控制）选择性控制（超驰

47、控制）uu基本原理、结构和性能分析基本原理、结构和性能分析1.1.基本原理基本原理 通常把控制回路中有选择器的控制系统称为选择性控制通常把控制回路中有选择器的控制系统称为选择性控制(selective(selective control)control)系统。选择器实现逻辑运算，分为高选器和低选器两类。高选系统。选择器实现逻辑运算，分为高选器和低选器两类。高选器输出是其输入信号中的高信号，低选器输出是其输入信号中的低信号。器输出是其输入信号中的高信号，低选器输出是其输入信号中的低信号。第71页/共129页使用选择性控制系统的目的如下使用选择性控制系统的目的如下 :n n生产过程中某一工况参数超

48、过安全软限时，用另一个控制回路替代原有控生产过程中某一工况参数超过安全软限时，用另一个控制回路替代原有控制回路，使工艺过程能安全运行，这类选择性控制系统称为超驰控制制回路，使工艺过程能安全运行，这类选择性控制系统称为超驰控制(override control)(override control)系统。系统。n n选择生产过程中的最高、最低或中间值，用于生产过程的指导或控制，防选择生产过程中的最高、最低或中间值，用于生产过程的指导或控制，防止事故发生，这类选择性控制系统称为竞争控制系统或冗余系统。止事故发生，这类选择性控制系统称为竞争控制系统或冗余系统。n n用于逻辑提量和逻辑减量的控制系统。用

49、于逻辑提量和逻辑减量的控制系统。n n用于生产过程开、停车的控制。用于生产过程开、停车的控制。n n用于实现非线性控制规律。用于实现非线性控制规律。第72页/共129页2.2.基本的结构和性能分析基本的结构和性能分析选择器位于两个控制器和一个执行器之间选择器位于两个控制器和一个执行器之间选择器位于几个检测变送环节与控制器之间选择器位于几个检测变送环节与控制器之间竞争控制系统竞争控制系统 冗余系统冗余系统利用选择器实现非线性控制利用选择器实现非线性控制第73页/共129页uu选择性控制系统与其他控制系统的结合选择性控制系统与其他控制系统的结合 （1 1）选择性控制系统与比值控制系统的结合）选择性

50、控制系统与比值控制系统的结合 (2)(2)选择性控制系统与分程控制系统的结合选择性控制系统与分程控制系统的结合具有逻辑规律的比值控制系统具有逻辑规律的比值控制系统 从动量供应不足时的比值控制系统从动量供应不足时的比值控制系统图图2-18 2-18 选择性分程控制系统框图选择性分程控制系统框图第74页/共129页图图2-18 2-18 蒸汽减压控制系统蒸汽减压控制系统实例分析实例分析第75页/共129页(3)(3)补充燃料的选择性控制系统补充燃料的选择性控制系统 实例分析实例分析:图图2-19 2-19 加热炉燃料的选择性控制系统加热炉燃料的选择性控制系统 第76页/共129页uu选择性控制系统