常用高性能过控系统

1 Kc 2 Kv Km2 K02 1
' T02 T02
实验三（分析实验）
对比实验（S6）
副对象的惯 性明显减小
串级控制系统的优点
(1)对进入副回路的干扰有很强的抑制能力
(2)改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率。
1 Kc 2 Kv Km2 K02 1
' T02 T02
串级控制系统的参数整定
4.2)两步整定法。 a)工况稳定，主副回路均闭合，
1 100%，TI 1 , TD1 0
用4:1的衰减比求得 2和T2 b)将副回路等效成一个环节，同样的方法求得 1和T1 c)按先副后主、先比例后积分再微分的次序投入运行， 观察修改到满意。
串级控制系统的参数整定
串级控制系统
串级控制系统的结构
TC1 称为“主调节器”； TC2称为”副调节器”。 F1称为“一次扰动”；F2称 为 “二次扰动”。
串级控制系统的标准结构
对外环来讲，操作量 （ 控制量）为夹套温度！ 对内环来讲，被控量为 夹套温度，操作量为阀门 开度！
副回路相当于一个
“伪执行器”
控制效果分析
串级控制效果分析
串级控制系统的适用范围
3. 适用于干扰变化剧烈、幅度大的过程：
4.
5.
适用于参数互相关联的过程：
适用于非线性过程
注意：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，才能收到预期的效果。
前馈控制系统
例：换热器温度控制系统
由于反馈控制过程中 不可避免的存在偏差，所 以反馈控制无法实现完美 的控制。
系统时间常数的减小导致工作频率提高，同时由于时间常数的减小 ，可提高控制器增益进一步提高工作频率
串级控制系统的优点
(3)对负荷或操作条件的变化有较强的适应能力。
K c 2 K v K 02 K 1 K c 2 K v K 02 K m 2
' 02 ' 02
K c 2 K v K 02 K m 2 1
控制系统抑止F2干扰比抑止F1干扰的能力强！
串级控制系统的设计
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
c)副参数的选择应使主、副被控过程的时间常数适当错 开。副回路的时间常数不能太大，调节通道尽可能短。
当串级控制与单回路控制的 阻尼系数相等时，有
串 1 T01 / T02' 1 1 Kc 2 Kv K02 Km2 T01 / T02 单 1 T01 / T02 1 T01 / T02
GF s KF GB s K B G0 s K0
静态前馈
前馈-反馈复合控制系统
在设计前馈---反馈复合控制 系统时首先按常规方法设计反 馈控制回路，然后针对系统中 可测不可控的强干扰设计前馈 控制器，构成复合控制系统。
纯滞后概念的引入
1 建立被控对象的数学模型（第二章）
采用前馈控制的效果
由此可见前馈控制理论上可以实 现完美的控制效果但它是一种开环控 制，控制结果无法检验。
前馈控制的特点
Y s GF s GB s G0 s 0 F s
GB s
前馈控制的特点
GF s G0 s
1 前馈控制是一种开环控制。 2 前馈控制是一种按干扰大小进行补偿的控制。 3 前馈控制器的调节规律与常规PID调节规律不同， 它是一个专用控制器。 4 前馈控制只能抑制可测不可控的干扰。
前馈控制的局限性
前馈控制的局限性
1 在实际工业生产过程中，使被控参数变化的干扰是 很多的，不可能针对每一个干扰设计和应用一套独 立的前馈控制器。 2 对不可测的干扰无法实现前馈控制。 3 决定前馈控制器的调节规律的是过程的动特性 GF s 和 G0 s 而 GF s 和 G0 s 的精确值是很难得到的，既使 能够得到，有时也很难实现。
G02 s
G02 s
G02 s Y2 s F2 s 1 Gc 2 s Gv s G02 s Gm 2 s

Gc1 s Gc 2 s Gv s G02 s G01 s Y1 s X 1 s 1 Gc1 s Gc 2 s Gv s G02 s G01 s Gm1 s
T0 40
5
K 1
实验二（串级系统性能）
系统给定值扰动曲线（S5）
与单回路相比系统过渡过程加快
实验二（串级系统性能）
系统F2干扰扰动曲线（S3）
与单回路相比系统最大偏差明显减小
实验结果分析
为何系统的给定值扰动的过渡过程也加快？ 把副回路看作 一个等效过程
Байду номын сангаас
' G02 s
Gc 2 s Gv s G02 s Y2 s X 2 s 1 Gc 2 s Gv s G02 s Gm 2 s
串级控制系统的设计
正、反作用方式的选择实例
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，副对象为 正过程，副调为反作用 调节器；主对象也为正 过程，主调为反作用调 节器 主、副调节器正、反作用方 式选择参见232页 (图6－8）
K c 2 K v K 02 1 K 1 K c 2 K v K 02 K m 2 K m 2
串级控制系统的优点
(4) 消除非线性环节
串级控制系统的设计
1)副回路的设计与副参数的选择 a)副参数必须是物理可测。 b)必须使副回路包含被控过程中变化剧烈、频繁且幅 度大的主要干扰，并力求包含更多的干扰。
由于
Kc1Kc 2 Kc 所以串级控制系统性能更好
实验一（单回路系统性能）
1 G s e 12 s 70 s 1
T0 70
12
K 1
实验一（单回路系统性能）
系统给定值扰动曲线（S1）
实验一（单回路系统性能）
系统F2干扰扰动曲线（S2）
实验二（串级系统性能）
1 0
我们把
Y1 s Y1 s / X 1 s F2 s
作为衡量系统性能的标准，其值越大系统性能越好
Y1 s Y1 s / Gc1 s Gc 2 s Gv s X 1 s F2 s
考虑都采用纯比例则
Y1 s Y1 s / K c1K c 2 K cv X 1 s F2 s
y (t )
K
o

T
t
高阶惯性系统可近 似为一阶惯性加纯滞 后系统 K G s e s Ts 1
2 单回路控制系统PID参数整定（第五章）
当
T
1.5 时系统不能采用常规的PID控制
纯滞后系统的Smith预估控制
一、工业实际中的纯滞后系统 二、纯滞后对系统性能的影响 三、 Smith预估控制的基本思想 四、改进型Smith预估控制系统
反应釜温度控制系统
控制系统实例
假设冷却水的压力升高！
冷却水流量↑ ＝＞夹套温度↓ 夹套温度↓（传热）＝＞釜壁温度↓ 釜壁温度↓（传热）＝＞介质温度↓ 介质温度↓（调节）＝＞阀门开度↓ 阀门开度↓（节流）＝＞冷水流量↓
问题：
调节滞后很大，效果不好！
改进后控制系统结构
能否在反应釜温度降低前提前关小阀门？ 为了及时发现来自冷却 水方面的干扰，可以用一 个温度传感器测量对冷却 水参数变化比较敏感的夹 套温度。 如果如图所示用T2T和 T2C构成夹套温度控制自 系统就可以有效抑制来自 冷却水方面的干扰。
1 0
G s G01 s Y1 s F2 s 1 Gc1 s Gc 2 s Gv s G02 s G01 s Gm1 s
02
理想效果
控制效果分析
Gc1 s Gc 2 s Gv s G02 s G01 s Y1 s X 1 s 1 Gc1 s Gc 2 s Gv s G02 s G01 s Gm1 s G02 s G01 s Y1 s F2 s 1 Gc1 s Gc 2 s Gv s G02 s G01 s Gm1 s
' 02
' G02 s
K c 2 K v K 02 / T02 s 1 K c 2 K v K 02 1 K c 2 K v K m 2 K 02 / T02 s 1 T02 s (1 K c 2 K v K m 2 K 02 )
' K02 K c 2 K v K 02 / 1 K c 2 K v K m 2 K 02 ' ' G02 s ' G02 s T02 T02 1 s 1 1 K c 2 K v K m 2 K 02
为简化分析取 Gc 2 (s) K c 2 Gv (s) Kv Gm2 (s) Km2
设 : G02 (s) K02 /(T02 s 1)
实验结果分析
Gc 2 s Gv s G02 s Y2 s G s X 2 s 1 Gc 2 s Gv s G02 s Gm 2 s
串级控制系统的设计
c)副参数的选择应使主、副被控过程的时间常数适当错 开。副回路的时间常数不能太大，调节通道尽可能短。
那个控制 系统采用串级 控制方法后性 能改善比较明 显？
1 20 s 1 1 G2 s 150 s 35 s 1 G1 ( s )
串级控制系统的设计
2)主副调节器调节规律的选择 a)主调节器定值控制，所以一般选PI或PID。 b)副调节器起随动控制，一般选P或PI。 3)主副调节器正反作用的选择 按先内环后外环的原则，在确定外环时将内环看 作一个”伪执行器“