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1、1,过程控制及仪表,吉林大学通信学院,2,串级控制系统,对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，采用串级控制系统。,加热炉温度控制出口温度影响因素,被加热物料流量和初温f1燃烧压力波动、流量变化、燃料热值变化f2烟囱抽力f3,方案a：出口温度被控量的单闭环控制通道时间常数大，控制不及时,3,方案b：炉膛温度为被控量的单闭环。能抑制f2、f3的扰动，不能确保出口温度,串级控制系统,采用串级：出口温度主控参数，炉膛温度中间变量。T2回路克服f2、f3的扰动。T1回路克服f1的扰动。,被加热物料流量和初温f1;燃烧压力波动、流量变化、燃料热值变化f2;烟囱抽力f3,4,主被控变量：工艺控制指标，在串级
2、控制系统中起主导作用的被控变量。副被控变量：串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量。主被控过程（主对象）：主回路包含的过程。副被控过程（副对象）：由副被控变量为输出的过程。,串级控制系统,5,主控制器：按主变量的测量值与给定值而工作，其输出作为副变量给定值的那个控制器。副控制器：其给定值来自主控制器的输出，并按副变量的测量值与给定值的偏差而工作的那个控制器。主回路：由主变量的测量变送装置，主、副控制器，执行器和主、副对象构成的外回路。主回路是个定值控制系统副回路：由副变量的测量变送装置，副控制器执行器和副对象所构成的内回路。副回路是个随动系统,串级控制系统,6,一次扰动：作用
3、在主回路，不包括副回路。（加热物料变化）二次扰动：作用在副回路，不包括副回路。（燃烧值；烟囱抽力）f2、f3（二次扰动）先影响炉膛温度-副调节器-控制阀门。f1 （一次扰动）先影响出口温度-主调节器-控制阀门。一次、二次扰动同时存在，主副调节器调节规律可以一致也可相反。,串级控制系统,7,串级控制系统的控制效果,1.能迅速克服二次干扰,令,8,串级控制系统的控制效果,1.能迅速克服二次干扰,9,控制能力和抗干扰能力综合定义为：,趋于1好,趋于0好,若据比例控制,主副增益之积愈大,抗扰越强,10,单回路系统 及传递函数,控制能力和抗干扰能力综合：,一般情况下有：,结论：迅速克服进入副回路的扰动，
4、减少对主参数影响，提高了控制质量,令,11,2.能改善控制通道的动态特性，提高控制质量,12,2.能改善控制通道的动态特性，提高控制质量,结论：等效时间常数减小，响应速度加快；控制及时,13,3.提高了系统的工作频率,串级系统的特征方程为：,令,14,串级控制系统的工作频率为：,对同一过程，采用单回路控制方案，用同样的分析方法，可得：,若两种方案的阻尼系数相同，则有：,15,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。其结果使振荡周期缩短，提高了系统的控制质量。
5、,4 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：,2）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。,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；,即使k02变化,16,串级控制系统的适用范围,1. 适用于容量滞后较大的过程：选容量滞后较小的辅助变量，减小时常，提高频率。,适用于纯滞后较大的过程：在调节阀近纯时延小的地方选取副参数，构成时延小的副回路。在大时延主过程前减小干扰影响。工艺要求：过滤前的压力稳定在250Pa;特点：距离长，纯滞后时间长。仿丝胶液压力与压力串级控制。,纺丝胶
6、液压力控制,17,串级控制系统的适用范围,适用于干扰变化剧烈、幅度大的过程：将变化激烈且幅度大扰动包括在副回路内。工艺要求：汽包液位控制，特点：快装锅炉容量小，蒸汽流量与水压变化频繁、激烈三冲量液位串级控制。,18,同一种介质控制两种参数单回路控制：两套装置，不经济又无法工作；常压塔塔顶出口温度和一线温度串级控制。,4. 适用于参数互相关联的过程,19,5. 适用于非线性过程,特点：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数以保证系统的衰减率不变；串级控制，则可自动调整副调节器的给定值。,合成反应器温度串级控制：换热器呈非线性特性,注意：串级控制虽然应用范围广
7、，但必须根据具体情况，充分利用优点，才能收到预期的效果。,合成反应器温度串级,20,a）燃料油压力为主要干扰；b）燃料油粘度、成分、热值、处理量为主要干扰主要扰动不同控制方案不同,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？,1. 副回路的设计与副参数的选择,选择原则：,（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。,（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。,21,假设,串级控制系统的设计,（3）主、副过程的时间常数要适当匹配.,当串级控制与单回路控制的阻尼系数相等时，有,主副时间常数比值
8、较小，工作频率提高显著副回路 小些 快速性， 过小 太大。工作频率提高小，同时副回路可能不稳定。,为常量作图,时常的比值在310范围内选择,大于或接近 改善过程，,副回路迟钝，影响主参数。,主副时间常数接近时，一个参数振荡，另一个也振荡,22,（4）应综合考虑控制质量和经济性要求,a) 冷剂液位为副参数，投资少，控制质量不高；b) 冷剂蒸发压力为副参数，投资多，控制质量较高。选择应视具体情况而定。,23,串级控制系统参数的选择,可控良好的作为控制参数；控制参数须使控制通道有足够大的放大系数，大于扰动通道的放大系数 控制参数须使控制通道有足够大的灵敏度 考虑经济性和工艺合理性。,主调：定值控制；
9、副调：随动控制。,副被控参数允许有静差P,不引入PI；流量控制时，为保稳定，P选较小时，比例控制较弱，可引入积分；不引入微分。,主被控参数要无静差PI,PID调节；,主、副调节器调节规律的选择,24,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：工艺要求调节阀的气开、气关副调节器的正、反作用主、副过程的正、反作用主调节器的正、反作用。,燃油阀气开（正），副对象为正过程（正），副调为反作用调节器（正） ；主对象也为正过程（正） ，主调为反作用调节器（正）,6.8,26,串级控制系统的参数整定,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，以减少相互
10、影响,1.求串级特征方程D1(S)=0，视为单回路特征方程,特征方程变为,2.特征方程转化为,主副调节器的整定是相互关联的。主回路有较高的控制精度,按单回路整定副控制器,进而整定GC1(S)参数。,27,串级控制系统的参数整定,1. 逐步逼近整定法,1） 主开环、副闭环，整定副调的参数；记为,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,3）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即为,否则，再整定副调节器参数，记为,。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，需反复进行，费时较多,28,串级控制系统的参数整定,2. 两步整定法(适用
11、于主、副过程时常相差大),1）工况稳定，主、副闭合，主调为比例,比例度为百分之百，先用4比1衰减曲线法整定副调节器的参数，求得副回路比例度和操作周期；,等效副回路，视为主回路一环节，整定主调参数，求得主回路在4比1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。,先整定副参数，再整定主参数,29,3. 一步整定法,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整定。理论依据：主、副调节器的放大系数在,1）主、副调节器均置比
12、例控制，根据约束条件或经验确定,条件下，主、副过程特性一定时，,为一常数。,2) 等效副回路，按衰减曲线法整定主调节器参数；,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。,串级控制系统的参数整定,30,4. 应用举例:硝酸生产用氧化炉，主参数：炉温，PI调节；副参数：氨气流量，P调节；主、副动态联系小，两步整定法。,为100,为32，,为15s；,1）,2）副调置于32，得主调的,为50，,为7min。,3）运用计算公式得：,为60，,为3.5min,为32%。,串级控制系统的参数整定,31,6.2 前馈控制系统,6.2.1 前馈控制的基本概念,又称干扰补偿控制：按干扰大
13、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617,原理说明。,补偿器的计算：,32,6.2 前馈控制系统,6.2.2 前馈控制的特点及局限性,1.前馈控制的特点,1）开环控制；,2）比反馈控制及时；,3）补偿器为专用,2. 前馈控制的局限性：无法实现对干扰的完全补偿,1）只能抑制可测干扰；,2）不能对每个干扰实现补偿；,3）补偿器难以精确得到，即使得到有时物理上也难以实现,结论：不单独使用,33,6.2.3 静态补偿与动态补偿,1.静态补偿：,能量平衡,静态补偿器用比例调节器即可实现适于：干扰k和控制通道k相差不大时延相差不大的过程,静态放大系数，不考虑动态偏差,34,
14、2. 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。,6.2.4 前馈反馈复合控制,作用机理分析：,前馈反馈控制的优越性？,完全补偿，与开环前馈相同,复合控制系统的特征方程式：,，与前馈补偿器无关,设计步骤：1）独立设计反馈控制系统；2）再设计前馈补偿器,扰动对输出的影响大大减弱,35,引入前馈的原则及应用实例,1. 引入前馈控制的原则,1）系统存在频率高、幅值大、可测不可控的干扰，反馈控制难以克服、控制要求高时；,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；,3）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；,4）尽可能采用静态补偿
15、而不采用动态补偿。,2. 复合控制系统应用实例,（1）蒸发过程的浓度控制图,5073溶液沸点与水沸点之温差（被控量）进料溶液浓度、温度、流量，加热蒸汽压力、流量,方案：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,36,（2）锅炉汽包水位控制,水位控制的重要性。,影响因素：蒸汽用量（不可控）、给水流量（选为控制参数）,问题：“虚假水位”。影响控制效果。,解决方案：蒸汽流量为前馈信号，给水流量为副参数，水位为主参数前馈反馈串级控制(图620）,37,6.3 大滞后过程控制系统,6.3.1 大滞后过程概述,纯滞后：热交换，介质传输、化学反应、管道混合、皮带传送、轧辊传输、
16、多容器串联成分测量等。,纯滞后的程度：,称为一般纯滞后；,称为大纯滞后。,大纯滞后难于控制：物理意义：1）测量纯滞后使调节作用不及时；2）控制介质传输滞后使调节动作不及时；,理论分析：开环频率特性相角滞后稳定裕度。串级和前馈都无法解决,解决方案：微分先行、中间反馈、斯密斯预估、内模控制等,38,6.3.2 史密斯预估控制,1. 史密斯预估控制：预先估计动态模型预估器使滞后了的被控量提前反馈调节器提前动作减少超调、加速调节过程。,单回路控制,闭环特征方程不含滞后环节,5.19,40,6.3.2 史密斯预估控制,2. 仿真实例,实线为史密斯预估控制结果，虚线为单回路控制结果,控制器完全取决于过程特
17、性,41,6.3.3 改进型史密斯预估控制,1. 增益自适应预估控制,当存在差异时 ，通过,产生超前作用，使调节器提前动作，以减小超调和加快调节过程。,当模型相等时 ， 等效为,42,6.3.3 改进型史密斯预估控制,2.动态参数自适应预估控制,当模型准确时，主反馈信号为零，其效果同史密斯预估控制；当有差异时，主反馈的动态变化经惯性滤波后反馈，以增强适应性。,设计思路：设两个调节器均为PI调节器，调节器1按模型完全准确时设计；调节器2按具体情况设计，设对象的非滞后部分为一阶惯性环节，且调节器2的积分时常与对象 惯性时常相等，则有,惯性滤波器的设计,43,6.3.4 内模控制,Garcia 82
18、年提出，结构与史密斯相似，它不仅能明显改善大滞后过程的控制品质，且设计简单、调节性能好、鲁棒性强。,1.内模控制系统的结构,2. 理想内模控制器,假设模型没有误差，则有,当X(s)=0,F(s)0时：,假设模型“可倒”且物理可实现,令,则有 Y(s)=0;,同样，当X(s)0，F(s)=0时：,44,3. 实际内模控制器,问题：模型存在误差且不“可倒”（如纯滞后或非最小相位环节）分解模型:,包含所有纯滞后和在S右半平面存在零点的环节，,且静态增益为1。令,D(s)是静态增益为1的低通滤波器,T为希望的闭环时常，p为正数；选择p,可使控制器既稳定又可物理实现。,注意：该控制器是基于零、极点相消的
19、原理设计的，当模型为不稳定（在S右半平面存在极点）时，该设计方法不能采用。,设模型存在误差，则有：,设定值变化时的闭环传函为,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，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。,45,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。,4. 内模控制与反馈控制的关系,内模控制的等效框图：,点画线中的等效传函为,控制理论可知：零频增益无穷大的反馈控制可消除干扰引起的余差，内模控制不具有积分功能,当,47,END,