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1、复杂控制系统第一节第一节 串级控制系统串级控制系统一、串级控制系统的概念一、串级控制系统的概念 当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，采用简单控制系统往往控制质量较差，满足不了采用简单控制系统往往控制质量较差，满足不了工艺上的要求，这时，可考虑采用串级控制系统。工艺上的要求，这时，可考虑采用串级控制系统。把加热物料加热到把加热物料加热到一定的温度，以保一定的温度，以保证下道工艺顺利进证下道工艺顺利进行。被控量为加热行。被控量为加热物料加热后的出口物料加热后的出口温度。温度。影响出口温度的因素：影响出口温度的因素：1.1.燃料油的压力和流量燃料油的压力和
2、流量2.2.喷油用的过热蒸汽压力喷油用的过热蒸汽压力3.3.加热物料的流量、入口温度加热物料的流量、入口温度4.4.配风、炉膛漏风、大气温度等配风、炉膛漏风、大气温度等1 1、加热炉出口稳定间接控制方案、加热炉出口稳定间接控制方案（1 1）被控量：被控量：加热物料出口加热物料出口温度温度控制量：控制量：燃料油的流量燃料油的流量燃料油流燃料油流量变化量变化炉膛温度炉膛温度的变化的变化管壁热传管壁热传导温度的导温度的变化变化出口温出口温度变化度变化问题：问题：当通过控制阀改变燃料油的流量到出口温度的变当通过控制阀改变燃料油的流量到出口温度的变化，控制通道容量滞后很大，控制缓慢，控制效果差。化，控制
3、通道容量滞后很大，控制缓慢，控制效果差。被控量：被控量：炉膛温度炉膛温度控制量：控制量：燃料油的流量燃料油的流量优点：优点：克服燃料油和配风方面引起的干扰。克服燃料油和配风方面引起的干扰。缺点：缺点：不能保证炉子出口温度恒定。（加热物料的不能保证炉子出口温度恒定。（加热物料的流量和出口温度的变化不在回路中）流量和出口温度的变化不在回路中）（2 2）加热炉串级控制系统的工作过程加热炉串级控制系统的工作过程：当处在稳：当处在稳定工况时，被加热物料的流量和温度不变，燃料定工况时，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，炉出口温的流量与热值不变，烟囱抽力也不变，炉出口温度和炉
4、膛温度均处于相对平衡状态，调节阀保持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，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，串级系统便开始了其当扰动破坏了平衡工况时，串级系统便开始了其控制过程。控制过程。形成两个环形成两个环形成两个环形成两个环:主主环或主回路，环或主回路，环或主回路，环或主回路，定值定值控制，控制，控制，控制，“细调细调”作用作用作用作用 副副环或副回路，环或副回路，环或副回路，环或副回路，随动随动控制，控制，控制，控制，“粗调粗调”作用作用作用作用 副环中有副调节器、副变送器、副对象以及调节阀副环中有副调节器、副
5、变送器、副对象以及调节阀副环中有副调节器、副变送器、副对象以及调节阀副环中有副调节器、副变送器、副对象以及调节阀 主环中有主调节器、主变送器、主对象，无调节阀主环中有主调节器、主变送器、主对象，无调节阀主环中有主调节器、主变送器、主对象，无调节阀主环中有主调节器、主变送器、主对象，无调节阀副环调节副参数，如炉膛温度副环调节副参数，如炉膛温度副环调节副参数，如炉膛温度副环调节副参数，如炉膛温度主环调节主参数，如物料出口温度主环调节主参数，如物料出口温度主环调节主参数，如物料出口温度主环调节主参数，如物料出口温度最终目标最终目标最终目标最终目标 一次扰动：一次扰动：一次扰动：一次扰动：作用在主被控
6、过程上的而不包含在副作用在主被控过程上的而不包含在副作用在主被控过程上的而不包含在副作用在主被控过程上的而不包含在副回路内的扰动回路内的扰动回路内的扰动回路内的扰动 二次扰动：二次扰动：二次扰动：二次扰动：作用在副被控过程上，既包含在副回作用在副被控过程上，既包含在副回作用在副被控过程上，既包含在副回作用在副被控过程上，既包含在副回路范围内的扰动路范围内的扰动路范围内的扰动路范围内的扰动 串级控制系统：串级控制系统：两个控制器串联工作，其中被控量控两个控制器串联工作，其中被控量控制器的输出作为辅助控制器的给定值，而后者的输出去制器的输出作为辅助控制器的给定值，而后者的输出去控制控制阀（执行器）
7、以改变操纵变量，这种结构称之控制控制阀（执行器）以改变操纵变量，这种结构称之为串级控制系统。为串级控制系统。主变量主变量y y1 1：在串级控制系统中起主导作用的被在串级控制系统中起主导作用的被控变量。控变量。副变量副变量y y2 2：在串级控制系统中，为了更好地稳在串级控制系统中，为了更好地稳定主变量或因其他某些要求而引入的辅助变量。定主变量或因其他某些要求而引入的辅助变量。主对象：主对象：由主变量表征其主要特征的生产设备。由主变量表征其主要特征的生产设备。副对象：副对象：由副变量表征其特征的生产设备。由副变量表征其特征的生产设备。主控制器：主控制器：按主变量的测量值与给定值的偏差按主变量的
8、测量值与给定值的偏差进行工作的控制器，其输出作为副控制器的给定值。进行工作的控制器，其输出作为副控制器的给定值。副控制器：副控制器：按副变量的测量值与主控制器的输按副变量的测量值与主控制器的输出值的偏差进行工作的控制器，其输出直接改变控制出值的偏差进行工作的控制器，其输出直接改变控制阀阀门开度。阀阀门开度。名词术语：名词术语：主变送器：主变送器：测量并转换主变量的变送器。测量并转换主变量的变送器。副变送器：副变送器：测量并转换副变量的变送器。测量并转换副变量的变送器。副回路：副回路：由副测量变送器，副控制器，执行器由副测量变送器，副控制器，执行器和副对象构成的内层闭合回路，也称副环或内环。和副
9、对象构成的内层闭合回路，也称副环或内环。主回路：主回路：由主测量变送器，主控制器，副回路由主测量变送器，主控制器，副回路和主对象构成的外层闭合回路，也称主环或外环。和主对象构成的外层闭合回路，也称主环或外环。一次干扰：一次干扰：作用在主对象上而没有包括在副回作用在主对象上而没有包括在副回路范围内的干扰。路范围内的干扰。二次干扰：二次干扰：作用在副对象上，即包括在副回路作用在副对象上，即包括在副回路范围内的干扰。范围内的干扰。名词术语：名词术语：结构特点：结构特点：系统有两个闭合回路，形成内外环。主变量是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工艺要求
10、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。变量而选用的辅助变量。主、副调节器是串联工作的，主调节器的输出作主、副调节器是串联工作的，主调节器的输出作为副调节器的给定值。为副调节器的给定值。二、串级控制系统的工作过程及特点二、串级控制系统的工作过程及特点 工况稳定时，炉出口温度稳定在给定值上；扰工况稳定时，炉出口温度稳定在给定值上；扰动发生时，串级系统便开始了其控制过程，根据不动发生时，串级系统便开始了其控制过程，根据不同的扰动，分三种情况讨论：同的扰动，分三种情况讨论：1 1二次扰动（干扰进入副回路）：燃料压力或流二次扰动（干扰进入副回路）：燃料压力或流量变化量变化 进入副回路
11、的干扰首先进入副回路的干扰首先影响炉膛温度，副变送器影响炉膛温度，副变送器提前测出，副控制器立即提前测出，副控制器立即开始控制，调节控制阀的开始控制，调节控制阀的开度，改变燃料流量，控开度，改变燃料流量，控制过程大为缩短。制过程大为缩短。2 2一次扰动（干扰进入主回路）：被加热燃料的流量一次扰动（干扰进入主回路）：被加热燃料的流量和初温和初温 对进入主回路的干扰，虽然副变送器不能提前测对进入主回路的干扰，虽然副变送器不能提前测出，但副回路的闭环负反馈，使对象炉膛部分特性出，但副回路的闭环负反馈，使对象炉膛部分特性的时间常数大为缩短，则主控制器的控制通道被缩的时间常数大为缩短，则主控制器的控制通
12、道被缩短，控制效果也得到改善。短，控制效果也得到改善。3 3干扰同时作用于副回路和主回路干扰同时作用于副回路和主回路 串级控制系统对作用在主回路上的干扰和作串级控制系统对作用在主回路上的干扰和作用在副对象上的干扰都能有效的克服，副回路特点用在副对象上的干扰都能有效的克服，副回路特点是：先调、粗调、快调。主回路的特点是：后调、是：先调、粗调、快调。主回路的特点是：后调、细调、慢调。细调、慢调。（1 1）主副回路的干扰影响方向相同。如：）主副回路的干扰影响方向相同。如：燃料流量燃料流量炉膛温度炉膛温度 出口温度出口温度 副控制器开始调节副控制器开始调节加热物料流量加热物料流量出口温度出口温度主副控
13、制器共同调节主副控制器共同调节主副回路干扰的综合影响有两种情况：主副回路干扰的综合影响有两种情况：（2 2）主副回路的干扰影响方向相反。如：）主副回路的干扰影响方向相反。如：燃料压力燃料压力炉膛温度炉膛温度 出口温度出口温度 副控制器开始调节副控制器开始调节 燃料流量燃料流量出口温度出口温度主控制器反向调节，主控制器反向调节，使副控制器调节量减小。使副控制器调节量减小。对进入副回路的干扰有很强的克服能力；对进入副回路的干扰有很强的克服能力；改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；对进入主回路的干扰控制效果也有改作频率；对进入主回路的干扰控制效果也
14、有改善；善；对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。串级控制回路的特点：串级控制回路的特点：三、串级控制系统的工业三、串级控制系统的工业应用应用原则：原则：凡是用单回路控制系统能满足控制要求的，就不凡是用单回路控制系统能满足控制要求的，就不再用串级控制系统。同时，串级系统并不是处处适用，再用串级控制系统。同时，串级系统并不是处处适用，有其特定的应用场合。有其特定的应用场合。1 1、用于克服对象较大的容量滞后、用于克服对象较大的容量滞后、用于克服对象较大的容量滞后、用于克服对象较大的容量滞后 容量滞后容量滞后会使被控对象反应迟钝，超调大，过会使被控对象反应
15、迟钝，超调大，过会使被控对象反应迟钝，超调大，过会使被控对象反应迟钝，超调大，过渡过程长。（如温度控制系统）渡过程长。（如温度控制系统）渡过程长。（如温度控制系统）渡过程长。（如温度控制系统）对象容量滞后大、干扰复杂的情况下，串级控制对象容量滞后大、干扰复杂的情况下，串级控制对象容量滞后大、干扰复杂的情况下，串级控制对象容量滞后大、干扰复杂的情况下，串级控制系统的使用最为普遍，效果较好。系统的使用最为普遍，效果较好。系统的使用最为普遍，效果较好。系统的使用最为普遍，效果较好。2 2 2 2、用于克服对象的纯滞后、用于克服对象的纯滞后、用于克服对象的纯滞后、用于克服对象的纯滞后当被控对象纯滞后时
16、间较长时，在离控制阀当被控对象纯滞后时间较长时，在离控制阀当被控对象纯滞后时间较长时，在离控制阀当被控对象纯滞后时间较长时，在离控制阀较近、纯滞后时间较小的地方选择一个副变较近、纯滞后时间较小的地方选择一个副变较近、纯滞后时间较小的地方选择一个副变较近、纯滞后时间较小的地方选择一个副变量，把干扰拉入副回路。量，把干扰拉入副回路。量，把干扰拉入副回路。量，把干扰拉入副回路。利用副回路的超前作用来克服对象的纯滞后利用副回路的超前作用来克服对象的纯滞后利用副回路的超前作用来克服对象的纯滞后利用副回路的超前作用来克服对象的纯滞后仅仅是对二次干扰而言的，一次干扰不直接仅仅是对二次干扰而言的，一次干扰不直
17、接仅仅是对二次干扰而言的，一次干扰不直接仅仅是对二次干扰而言的，一次干扰不直接影响副变量。影响副变量。影响副变量。影响副变量。3 3 3 3、用于克服变化剧烈和幅值大的干扰、用于克服变化剧烈和幅值大的干扰、用于克服变化剧烈和幅值大的干扰、用于克服变化剧烈和幅值大的干扰串级控制系统对二次干扰具有很强的克服能力。串级控制系统对二次干扰具有很强的克服能力。串级控制系统对二次干扰具有很强的克服能力。串级控制系统对二次干扰具有很强的克服能力。设计时应把变化剧烈、幅值大的干扰包含在副回设计时应把变化剧烈、幅值大的干扰包含在副回设计时应把变化剧烈、幅值大的干扰包含在副回设计时应把变化剧烈、幅值大的干扰包含在
18、副回路中。路中。路中。路中。4 4、利用串级控制有一定的自适应能力，来满足工艺上、利用串级控制有一定的自适应能力，来满足工艺上某些特殊的要求（克服对象的非线性）。某些特殊的要求（克服对象的非线性）。四、串级控制系统的设计四、串级控制系统的设计1.1.主回路的设计主回路的设计 主回路设计与单回路控制系统一样。（被控主回路设计与单回路控制系统一样。（被控量、操纵量、控制器及控制器参数的整定）量、操纵量、控制器及控制器参数的整定）设计包括：设计包括：设计包括：设计包括：主、副回路的设计主、副回路的设计 主、副回路之间的关系主、副回路之间的关系 主、副调节器控制规律选型和正、反作用的确定主、副调节器控
19、制规律选型和正、反作用的确定。2.2.副回路的设计副回路的设计 副回路设计中，最重要的是选择副回路的被控副回路设计中，最重要的是选择副回路的被控参数（串级系统的副参数）。副参数的选择一般应参数（串级系统的副参数）。副参数的选择一般应遵循下面几个原则：遵循下面几个原则：主、副变量有对应关系主、副变量有对应关系 副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主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。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，以防时间常数的匹配，以防“共振共振”的发生。的发生
20、。应注意工艺上的合理性和经济性。应注意工艺上的合理性和经济性。3 3、主、副调节器调节规律的选择主、副调节器调节规律的选择 在串级系统中，主参数是系统控制任务，副参在串级系统中，主参数是系统控制任务，副参数辅助变量。这是选择调节规律的基本出发点。数辅助变量。这是选择调节规律的基本出发点。主参数是生产工艺的主要控制指标，工艺上要求主参数是生产工艺的主要控制指标，工艺上要求比较严格。所以，主调节器通常选用比较严格。所以，主调节器通常选用PIPI调节，或调节，或PIDPID调节。调节。控制副参数是为了提高主参数的控制质量，对副参控制副参数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
21、差。因此，副调节数的要求一般不严格，允许有静差。因此，副调节器一般选器一般选P P调节就可以了。调节就可以了。4 4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 对串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用对串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用方式的选择原则依然是使系统构成负反馈。方式的选择原则依然是使系统构成负反馈。选择时的顺序是：选择时的顺序是：1 1、根据工艺安全或节能要求确定调节阀的正、反、根据工艺安全或节能要求确定调节阀的正、反作用；作用；2 2、按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的、按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、反作用；正、反作用；3 3、依
22、据主回路构成负反馈的原则，确定主调节器、依据主回路构成负反馈的原则，确定主调节器的正、反作用（把整个副回路等效看成一个正作用的的正、反作用（把整个副回路等效看成一个正作用的对象）。对象）。以管式加热炉为例，说明串级控制系统主、副调以管式加热炉为例，说明串级控制系统主、副调节器的正、反作用方式的确定方法。节器的正、反作用方式的确定方法。1 1、从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开、从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式（正作用）。一旦出现故障或气源断气，调节阀应式（正作用）。一旦出现故障或气源断气，调节阀应关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全。关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全
23、。原料出口温度原料出口温度1(t)原料原料T1CT1T燃料燃料管式加热炉管式加热炉T2CT2T 2 2、副回路中，调节阀开大，炉膛温度升高，测、副回路中，调节阀开大，炉膛温度升高，测量信号增大，说明副对象和变送器都是正作用。为保量信号增大，说明副对象和变送器都是正作用。为保证副回路为负反馈，副调节器应为反作用方式。证副回路为负反馈，副调节器应为反作用方式。原料出口温度原料出口温度1(t)原料原料 T1C T1T燃料燃料管式加热炉管式加热炉 T2C T2T 3 3、对于主调节器，调节阀开大，炉膛温度升高、对于主调节器，调节阀开大，炉膛温度升高时，原料油出口温度也升高，说明主对象和主变送时，原料油
24、出口温度也升高，说明主对象和主变送器也都是正作用。为保证主回路为负反馈，主调节器也都是正作用。为保证主回路为负反馈，主调节器也应为反作用方式。器也应为反作用方式。原料出口温度原料出口温度1(t)原料原料 T1C T1T燃料燃料管式加热炉管式加热炉 T2C T2T五、串级控制系统的投运与整定五、串级控制系统的投运与整定1.1.投运投运 （1 1）投运顺序：先投副环后投主环。）投运顺序：先投副环后投主环。（2 2）投运过程必须保证无扰动切换，以保证）投运过程必须保证无扰动切换，以保证生产的平稳运行。生产的平稳运行。2.2.串级控制系统的参数整定串级控制系统的参数整定 有逐步逼近法、两步整定法和一步
25、整定法。有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。（1 1）逐步逼近法）逐步逼近法 依次整定副回路（断开主回路）、主回路（将依次整定副回路（断开主回路）、主回路（将副回路看成主回路的一个环节）。并循环进行，逐副回路看成主回路的一个环节）。并循环进行，逐步接近主、副回路最佳控制状态。步接近主、副回路最佳控制状态。（2 2）两步整定法）两步整定法 系统处于串级工作状态，第一步按单回路方法系统处于串级工作状态，第一步按单回路方法整定副控制器参数；第二步把已经整定好的副回路整定副控制器参数；第二步把已经整定好的副回路视为一个环节，仍按单回路对主控制器进行参数整视为一个环节，仍按单回路对主控制器进行参数整定
26、。定。（3 3）一步整定法）一步整定法 就是根据经验，先将副控制器参数一次调好，就是根据经验，先将副控制器参数一次调好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。直接整定主控制器参数。第二节第二节 前馈及复合控制前馈及复合控制一、基本概念一、基本概念 单回路、串级控制系统在内的系统都是反馈闭单回路、串级控制系统在内的系统都是反馈闭环控制系统。其特点是：当被控过程受到扰动后，环控制系统。其特点是：当被控过程受到扰动后，须等到被控参数出现偏差时，控制器才动作，以补须等到被控参数出现偏差时，控制器才动作，以补偿扰动对被控参数的影响，
27、算是一种偿扰动对被控参数的影响，算是一种“事后事后”补偿。补偿。被控参数正是因为有扰动才产生偏差，若能在被控参数正是因为有扰动才产生偏差，若能在扰动出现时就进行控制，而并非是在偏差发生后再扰动出现时就进行控制，而并非是在偏差发生后再进行控制，这样的控制方案一定可以更有效地消除进行控制，这样的控制方案一定可以更有效地消除扰动对被控参数的影响。扰动对被控参数的影响。“前馈控制前馈控制”正是基于这种正是基于这种思路而提出的。思路而提出的。换热器出口温度反馈控制系统：换热器出口温度反馈控制系统：换热器出口温度反馈控制系统：换热器出口温度反馈控制系统：被控量：被控量：物料出口物料出口 温度。温度。控制量
28、控制量：蒸汽流量：蒸汽流量主要干扰：主要干扰：加热物加热物料的流量料的流量Q。当当Q 变化（扰动）时，要等到出口温度变化（扰动）时，要等到出口温度T发生变发生变化产生偏差时，控制器才起作用，使控制阀改变开化产生偏差时，控制器才起作用，使控制阀改变开度来改变蒸汽流量，但从度来改变蒸汽流量，但从Q到到T的变化，热交换过程的变化，热交换过程有惯性，产生较大的动态误差。有惯性，产生较大的动态误差。被控量：被控量：物料出口物料出口 温度。温度。控制量控制量：蒸汽流量：蒸汽流量主要干扰：主要干扰：加热物加热物料的流量料的流量Q。当当Q 变化（扰动）时，用一个流量检测变送器变化（扰动）时，用一个流量检测变送
29、器测得扰动量，将扰动信号送到前馈控制器，前馈控测得扰动量，将扰动信号送到前馈控制器，前馈控制器形成控制策略去调节控制阀，通过改变蒸汽流制器形成控制策略去调节控制阀，通过改变蒸汽流量来补偿量来补偿Q对对T的影响。的影响。1 1、前馈控制：、前馈控制：当扰动一出现，控制器直接根据当扰动一出现，控制器直接根据扰动的大小和性质，不等扰动引起被控变量发生变化，扰动的大小和性质，不等扰动引起被控变量发生变化，就按照一定的规律进行控制，以补偿干扰作用对被控就按照一定的规律进行控制，以补偿干扰作用对被控变量的影响。变量的影响。补偿原理：补偿原理：如果补偿量和干如果补偿量和干扰量以同样的大小和速度作扰量以同样的
30、大小和速度作用于被控变量，且作用方向用于被控变量，且作用方向相反的话，被控变量不变。相反的话，被控变量不变。在物料流量在物料流量Q为阶跃为阶跃干扰下，前馈作用和扰干扰下，前馈作用和扰动作用的响应曲线方向动作用的响应曲线方向相反，幅值相同。所以相反，幅值相同。所以它们的合成结果，可使它们的合成结果，可使达到理想的控制连续地达到理想的控制连续地维持在恒定的设定值上。维持在恒定的设定值上。1)1)前馈是前馈是“开环开环”，反馈是，反馈是“闭环闭环”控制系统。控制系统。2)2)前馈系统中测量干扰量，反馈系统中测量被控变量。前馈系统中测量干扰量，反馈系统中测量被控变量。（如换热器控制中，反馈测量的是物料
31、出口温度，前馈（如换热器控制中，反馈测量的是物料出口温度，前馈测量的是物料的流量变化，即干扰）测量的是物料的流量变化，即干扰）2 2、前馈控制与反馈控制的比较、前馈控制与反馈控制的比较3)3)前馈需要专用控制器，反馈一般只要用通用控制器。前馈需要专用控制器，反馈一般只要用通用控制器。扰动扰动F(s)F(s)到被控量到被控量Y(s)Y(s)有两条通道有两条通道:扰动扰动F F通过对象的扰动通道通过对象的扰动通道W Wd d(s)(s)去影响去影响Y(s)Y(s)。扰动扰动F F通过前馈控制器通过前馈控制器W Wf f(s)(s)和对象的控制通道和对象的控制通道去影响去影响Y(s)Y(s)。系统在
32、干扰作用下的传递函数：系统在干扰作用下的传递函数：系统对干扰系统对干扰F F完全补偿的条件是：完全补偿的条件是：4)4)前馈只能克服所测量的干扰，反馈则可克服前馈只能克服所测量的干扰，反馈则可克服所有干扰。所有干扰。5)5)前馈理论上可以无差，反馈必定有差。前馈理论上可以无差，反馈必定有差。6)6)实现的经济性和可能性。（反馈只要一个回实现的经济性和可能性。（反馈只要一个回路就可以控制各种干扰，而前馈对每个干扰都要独立路就可以控制各种干扰，而前馈对每个干扰都要独立形成一个控制，不经济）形成一个控制，不经济）二、前馈控制系统的几种典型结构形式二、前馈控制系统的几种典型结构形式1.1.单纯的前馈控
33、制系统单纯的前馈控制系统（1 1）静态前馈：是前馈控制器的输出仅是输）静态前馈：是前馈控制器的输出仅是输入的函数，与时间因子无关。（入的函数，与时间因子无关。（s=0s=0时）时）特点：特点：静态前馈控制器为一比例调节器，实施静态前馈控制器为一比例调节器，实施起来十分方便。起来十分方便。应用：应用：对于扰动变化不大或者补偿要求不高的对于扰动变化不大或者补偿要求不高的生产过程可采用静态前馈的结构形式。生产过程可采用静态前馈的结构形式。（2 2）动态前馈控制：力求在任何时刻实现对干扰的）动态前馈控制：力求在任何时刻实现对干扰的补偿。补偿。（W Wd d(s)(s)非纯比例环节）非纯比例环节）特点：
34、特点：动态前馈控制能在每个时刻都完全补偿动态前馈控制能在每个时刻都完全补偿扰动对被控参数的影响扰动对被控参数的影响,能显著提高系统的控制质量，能显著提高系统的控制质量，但结构和参数整定均比较复杂。但结构和参数整定均比较复杂。适用性：适用性：适用于控制精度要求很高、反馈与静适用于控制精度要求很高、反馈与静态前馈难于满足时。态前馈难于满足时。前馈控制系统局限性：前馈控制系统局限性：实际工业过程中的干扰很多，不可能对每实际工业过程中的干扰很多，不可能对每个干扰设计一套控制系统，况且有的干扰的在线检个干扰设计一套控制系统，况且有的干扰的在线检测非常困难。测非常困难。前馈控制器的补偿控制规律很难精确计算
35、，前馈控制器的补偿控制规律很难精确计算，即使前馈控制器设计的非常精确，实现时也会存在即使前馈控制器设计的非常精确，实现时也会存在误差，而开环系统对误差无法自我纠正。误差，而开环系统对误差无法自我纠正。2.2.复合控制系统复合控制系统（1 1）前馈）前馈-反馈控制：发挥了前馈校正作用及时反馈控制：发挥了前馈校正作用及时的优点，又保持了反馈控制能克服多种扰动及对的优点，又保持了反馈控制能克服多种扰动及对受控变量最终检验的长处。受控变量最终检验的长处。特点：特点：1 1）扰动对输出的影响比纯前馈时小。）扰动对输出的影响比纯前馈时小。前馈前馈-反馈反馈控制系统的扰动传递函数为控制系统的扰动传递函数为
36、由于反馈作用的存在，被控量由于反馈作用的存在，被控量Y(s)Y(s)受干扰受干扰F(s)F(s)的影响的影响要比纯前馈控制时缩小要比纯前馈控制时缩小 分之一。分之一。前馈控制系统的传递函数为前馈控制系统的传递函数为系统对干扰系统对干扰F F完全补偿的条件是：完全补偿的条件是：2 2）引入反馈控制后，前馈控制中的完全补偿条件不变。）引入反馈控制后，前馈控制中的完全补偿条件不变。即：前馈控制器的传递函数不变。即：前馈控制器的传递函数不变。3 3）前馈补偿对于系统的稳定性没有影响。）前馈补偿对于系统的稳定性没有影响。前馈前馈-反馈控制与反馈控制的传递函数的分母相反馈控制与反馈控制的传递函数的分母相同
37、，及系统的特征方程没变。即：极点不变。同，及系统的特征方程没变。即：极点不变。反馈传递函数反馈传递函数前馈前馈-反馈系统具有下列优点：反馈系统具有下列优点：1 1）发挥了前馈控制系统及时的优点；）发挥了前馈控制系统及时的优点；2 2）保持了反馈控制能克服多个干扰影响和）保持了反馈控制能克服多个干扰影响和具有对控制效果进行校验的长处；具有对控制效果进行校验的长处；3 3）反馈回路的存在，降低了对前馈控制模）反馈回路的存在，降低了对前馈控制模型的精度要求，为工程上实现比较简单的模型创造型的精度要求，为工程上实现比较简单的模型创造了条件。了条件。3 3、前馈、前馈-串级控制系统串级控制系统 对于慢过
38、程的控制，如果生产过程中的主要干扰对于慢过程的控制，如果生产过程中的主要干扰频繁而又剧烈，而工艺对被控参量的控制精度要求又频繁而又剧烈，而工艺对被控参量的控制精度要求又很高，可以考虑采用前馈很高，可以考虑采用前馈-串级复合控制方案。串级复合控制方案。工程上将在原有的工程上将在原有的反馈控制回路中再增反馈控制回路中再增设一个蒸汽流量副回设一个蒸汽流量副回路，把前馈控制器的路，把前馈控制器的输出与温度控制器的输出与温度控制器的输出叠加后，作为蒸输出叠加后，作为蒸汽流量控制器的给定汽流量控制器的给定值。值。1 1、串级控制回路的传递函数和单纯的串级控制系、串级控制回路的传递函数和单纯的串级控制系统一
39、样。统一样。2 2、前馈控制器的传递函数主要由扰动通道和主对、前馈控制器的传递函数主要由扰动通道和主对象特性决定。象特性决定。三、前馈控制规律的实施三、前馈控制规律的实施1 1、系统设计、系统设计 对可测不可控的干扰，变化幅度大，且对被调对可测不可控的干扰，变化幅度大，且对被调参数影响大，工艺要求实现参数间的某种特殊关系，参数影响大，工艺要求实现参数间的某种特殊关系，即按某一种数学模型来进行调节。即按某一种数学模型来进行调节。2 2、前馈补偿装置的控制算法、前馈补偿装置的控制算法 前馈控制器的控制规律取决于对象干扰通道与前馈控制器的控制规律取决于对象干扰通道与控制通道的特性。前馈控制规律的形式
40、繁多，经常控制通道的特性。前馈控制规律的形式繁多，经常可用一个一阶或二阶容量滞后，必要时再串联一个可用一个一阶或二阶容量滞后，必要时再串联一个纯滞后环节来近似它。纯滞后环节来近似它。1.1.静态前馈控制器静态前馈控制器2.2.一阶超前一阶超前-滞后动态前馈控制器滞后动态前馈控制器 3.3.具有纯滞后的超前具有纯滞后的超前-滞后动态前馈控制器滞后动态前馈控制器四、前馈控制系统的参数整定四、前馈控制系统的参数整定1.K1.Kf f的整定的整定（1 1）开环整定法：断开反馈回路）开环整定法：断开反馈回路（2 2）闭环整定法：前馈）闭环整定法：前馈-反馈运行状态下，反馈运行状态下，反馈运行状态下反馈运
41、行状态下 工程整定法：是在具体分析前馈模型参数对过工程整定法：是在具体分析前馈模型参数对过渡过程影响的基础上，通过闭环实验来确定前馈控渡过程影响的基础上，通过闭环实验来确定前馈控制器参数。常用前馈控制模型制器参数。常用前馈控制模型 来讨论。来讨论。k kf f 对控制过程的影响对控制过程的影响a)PID b)a)PID b)欠补偿欠补偿 c)c)补偿合适补偿合适 d)d)过补偿过补偿四、前馈控制系统的参数整定四、前馈控制系统的参数整定2.T2.T1 1、T T2 2的整定：当的整定：当T T1 1、T T2 2分别接近或等于对象控分别接近或等于对象控制通道和干扰通道时间参数时，控制品质最佳。制
42、通道和干扰通道时间参数时，控制品质最佳。第三节第三节 大时延控制大时延控制一、概述一、概述 在工业生产中，控在工业生产中，控制通道往往不同程度地制通道往往不同程度地存在着纯滞后。存在着纯滞后。一般将纯滞后时间一般将纯滞后时间0 0与时间常数与时间常数T T之比大之比大于于0.30.3（0 0/T/T0.30.3）的过程称之为大时延过的过程称之为大时延过程。程。影响：影响：当过程控制系统存在大纯延迟环节时，当过程控制系统存在大纯延迟环节时，会使系统的闭环特征方程式包含纯延迟因子，导致会使系统的闭环特征方程式包含纯延迟因子，导致系统的稳定性降低。延迟时间足够长时，还可能造系统的稳定性降低。延迟时间
43、足够长时，还可能造成系统的不稳定。这就是大纯延迟过程难于控制的成系统的不稳定。这就是大纯延迟过程难于控制的本质。本质。大时延过程采用串级控制和前馈控制等方案都大时延过程采用串级控制和前馈控制等方案都不能解决实质问题，必须采用特殊的控制（补偿）不能解决实质问题，必须采用特殊的控制（补偿）方法，我们来介绍几种常规的大时延控制方案。方法，我们来介绍几种常规的大时延控制方案。二、常规控制方案二、常规控制方案1.1.微分先行控制方案微分先行控制方案 （1 1）特点：是一种比较简单、工程上易实现、）特点：是一种比较简单、工程上易实现、又能满足一定控制质量要求的控制方案。对降又能满足一定控制质量要求的控制方
44、案。对降低超调量更有显著的效果。低超调量更有显著的效果。常规常规PI+DPI+D作用控制系统结构图作用控制系统结构图 微分先行控制系统结构图微分先行控制系统结构图（2 2）组成结构）组成结构（3 3）传递函数（随动特性与抗扰动性能）传递函数（随动特性与抗扰动性能）一般常规一般常规 PI PID D：微分先行：微分先行：微分先行较常规微分先行较常规PIDPID少了一个零点少了一个零点Z=-1/TZ=-1/TD D,故超故超调量要小一些。调量要小一些。2 2、中间反馈控制方案、中间反馈控制方案 （1 1）特点：使控制系统闭环传递函数极点位置发）特点：使控制系统闭环传递函数极点位置发生变化（向左移动
45、），从而使超调量大大下降，控制生变化（向左移动），从而使超调量大大下降，控制质量得到改善。微分作用是独立的，能及时起校正作质量得到改善。微分作用是独立的，能及时起校正作用。用。（2 2）中间反馈控制）中间反馈控制（3 3）控制效果）控制效果 （1 1）在给定值变化时，无论是微分先行方案，）在给定值变化时，无论是微分先行方案，或中间反馈控制方案，其控制过程的品质均优于常或中间反馈控制方案，其控制过程的品质均优于常规规PIDPID，尤其在减小超调量方面效果更佳。，尤其在减小超调量方面效果更佳。（2 2）在扰动作用下，其控制品质与常规）在扰动作用下，其控制品质与常规PIDPID相差相差不大。不大。与
46、一般常规控制与一般常规控制对比：对比：三、采样控制系统方案三、采样控制系统方案 所谓采样控制所谓采样控制，是一种定周期的断续，是一种定周期的断续PIDPID控制控制方式，即控制器按周期方式，即控制器按周期T T进行采样控制。在两次采进行采样控制。在两次采样之间，保持该控制信号不变，直到下一个采样控样之间，保持该控制信号不变，直到下一个采样控制信号信号到来。保持的时间制信号信号到来。保持的时间T T与必须大于纯滞后与必须大于纯滞后时间时间0 0。这样重复动作，一步一步地校正被控参。这样重复动作，一步一步地校正被控参数的偏差值，直至系统达到稳定状态。数的偏差值，直至系统达到稳定状态。这种这种“调一
47、调，等一等调一调，等一等”的方案的核心思想的方案的核心思想就是放慢控制速度，减少控制器的过度调节。就是放慢控制速度，减少控制器的过度调节。炉温自动控制系统的示意图炉温自动控制系统的示意图炉温控制系统结构图炉温控制系统结构图炉温采样控制系统炉温采样控制系统典型的采样控制系统框图典型的采样控制系统框图四、四、SmithSmith预估补偿方案预估补偿方案1.Smith1.Smith补偿原理补偿原理 Smith Smith预估补偿控制是按照对象动态特性，设计一预估补偿控制是按照对象动态特性，设计一个模型加入到反馈控制系统，提早估计出对象在扰动个模型加入到反馈控制系统，提早估计出对象在扰动作用下的动态响
48、应，提早进行补偿，使控制器提前动作用下的动态响应，提早进行补偿，使控制器提前动作，从而降低超调量，并加速调节过程。作，从而降低超调量，并加速调节过程。假设广义对象的传递函数为：假设广义对象的传递函数为：在广义对象上并连一个分路，假设这一分路的传在广义对象上并连一个分路，假设这一分路的传递函数为递函数为W W(s)(s)。并联后的等效传递函数为并联后的等效传递函数为 则：则：2.Smith2.Smith补偿方案补偿方案有纯延时的单回路控制系统有纯延时的单回路控制系统闭环系统的传递函数为闭环系统的传递函数为特征方程特征方程 方程中含有纯滞后环节，随着方程中含有纯滞后环节，随着的增大，相的增大，相位
49、滞后增加，系统稳定性下降，控制质量变差。位滞后增加，系统稳定性下降，控制质量变差。具有补偿器的单回路控制系统具有补偿器的单回路控制系统在具有纯延迟的对象上加上在具有纯延迟的对象上加上smithsmith补偿器：补偿器：在实际的操作中，在实际的操作中，simthsimth补偿器反向接在控制器上补偿器反向接在控制器上闭环系统的传递函数为闭环系统的传递函数为特征方程特征方程无纯滞后，控制质量提高无纯滞后，控制质量提高图 7-49 Smith补偿回路SmithSmith补偿的等效结构图补偿的等效结构图y y（t t）与）与y y1 1（t t）响应曲线）响应曲线第四节第四节 比值控制系统比值控制系统一
50、、基本概念一、基本概念1 1、方法的产生、方法的产生 在现代工业生产过程中，要求两种或多种物料在现代工业生产过程中，要求两种或多种物料流量成一定比例关系；流量成一定比例关系；燃烧过程中，往往要求燃料量与空气量需按燃烧过程中，往往要求燃料量与空气量需按一定比例混合后送入炉膛。一定比例混合后送入炉膛。制药生产中要求药物和注入剂按比例混合。制药生产中要求药物和注入剂按比例混合。一旦比例失调，会影响生产的正常进行，影响一旦比例失调，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，甚至产生生产品质量，浪费动力，造成环境污染，甚至产生生产事故。产事故。2 2、比值控制的含义、比值控制的含义 凡