第十五章 复杂控制系统.
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复杂控制系统
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复杂控制系统
控制系统
01 定义
03 分类
目录
02 简计算环节，控制环节或者其他环节的控制系统。
定义
在单回路控制系统的基础上，再增加计算环节，控制环节或者其他环节的控制系统称为复杂控制系统
简介
随着生产的发展、工艺的革新必然导致对操作条件的要求更加严格，变量间的相关关系更加复杂，为适应生 产发展的需要，产生了复杂控制系统。在特定条件下，采用复杂控制系统对提高控制品质，扩大自动化应用范围 起着关键性作用。做粗略估计，通常复杂控制系统约占全部控制系统的10%，但是，对生产过程的贡献则达80%
用来解决前后被控量供求矛盾，保证它们的变化不会反应过于剧烈的一种控制方案。
根据扰动或者设定值的变化按补偿原理而工作的控制系统，其特点是当扰动产生以后，被控量还未变化以前， 根据扰动作用的大小进行控制，以补偿扰动作用对被控变量的影响。
一般而言，通过对一只调节阀的操作便能够实现对一台调节器的输出工作，如果通过一只调节器对两个或者 是两个以上的调节阀进行控制，并且是通过对信号的分析根据不同的需求去对不同的阀门进行操作，这种控制方 式就是分程控制。分程控制经常应用于DCS系统中，在化工行业获得了较为广泛的应用。在分程控制的作用下， 将一个调节器的信号进行分段处理，信号被分为若干段以后，每段信号对应一个执行器进行控制工作，通过执行 器的分段连续共同完成一个较为复杂的任务。例如在化工生产中，受到原料的物理或者是化学属性的影响，需要 对其进行严密的控制，这就借助于分程控制。例如对于氮气而言，需要利用密封的方式对其进行储存，且氮气的 压力需要维持在一定的范围内。在化工生产中，一些材料是通过利用氮气的压力作为动力进行传送的，在对氮气 压力的维持下，实现了原料传送的稳定性。
复杂控制系统(精)
被控变量：原料出口温度；操纵变量：燃料流量。 当对出口温度控制要求不高时，简单控制系统可以 满足要求。
图9－1
ห้องสมุดไป่ตู้
加热炉温度控制系统
图9－1简单控制系统控制品质不高的原 因：有干扰时，TC输出信号改变阀门开度， 进而改变燃料流量，在炉膛中燃烧后，炉膛 温度改变，传给管道，最终改变原料温度。 该过程时间常数大，可达到15min。因此等 到出口温度改变后，再改变操纵变量，控制 不及时，偏差在较长时间内不能被消除。 问题：如何及时抑制扰动？ 首先分析扰动性质及对被控变量的影响。
图9－3
加热炉温度串级控制系统方框图
以原对象的输出为主被控变量，即分解后 的第二个被控对象的输出，构成一个控制系 统，称为主控制系统或主环。 主控制系统中控制器的输出信号作为副控 制系统控制器的设定值，副控制系统的输出 作为主对象的输入，如图9－4所示。
图9－4
串级控制系统组成原理及术语示意图
TS升高，直接导致TM上升，ZM上升，EM 下降，使得RS下降。RS是副环的设定值，RS 的下降，副环进一步抑制了扰动压力的变化 所引起的炉膛温度TS的变化。 由于副环的作用，使控制作用变得更快、 更强。 下标：M:主环，Master S:副环，Slave
2、扰动作用于主对象
作用于主对象的扰动，可能是原料的流 量波动或入口温度波动。当原料流量增加时， 炉膛温度TS几乎不受影响，但原料出口温度 TM下降，使ZM下降，EM上升，RS上升，RS 是副环的设定值，RS上升，副环的输出TS一 定上升，最终使TM回升，克服扰动。 虽然这时TS升高了，但副环不会把TS调整到 原来的TS值，因为副环的设定值RS已经调高 了。
2、控制器控制规律选择
（1）主控制器：主环是定值控制系统，因 此主控制器的选择与简单控制系统类似。由 于串级控制系统的主被控变量往往是比较重 要参数，因此，主控制器通常要选用PI或 PID控制规律（滞后较大时）。
第四讲复杂控制系统
复杂控制系统
概述
复杂控制系统： 与简单控制系统不同的其他控制形式(结
构上较为复杂或控制目的上较为特殊的控制系统)。
2
概述
根据根据系统的结构和所担负的任务
复杂控制系统
串级 控制 系统
前馈反馈控 制系统
导前微 分制系 统
3
复杂控制系统
一、串级控制系统
1、概念 串级控制系统是指控制系统中有两个相互串联的 调节器，两个反馈通道分别将测量信号送入两个调 节器并以此形成回路的双回路控制系统。
3.前馈—反馈控制的选用原则：
• 控制系统中控制通道的惯性和迟延较大，反馈 控制达不到良好的控制效果时可以引入前馈控 制 • 如果系统中存在经常变动、可测而不可控的扰 动时，反馈控制难以克服扰动对被控量的影响， 这时可引入被调量微分信号的调节系统
对于时间常数大、阶次高和迟延大的对象，为 了改善其调节品质，除了采用串级调节外，还可 以采用引入中间被调量微分信号的调节系统。例 如过热汽温调节系统，其中间被调量就是减温器 后的汽温，汽温调节器除接受过热器出口温度信 号外，还同时接受减温器后汽温的微分信号。
2．主、副控制器的选型 （1）主参数控制质量要求不十分严格，同时 在对副参数的要求也不高的情况下，为使 两者兼顾而采用串级控制方式时，主、副 控制器均可采用比例控制(P)。 （2）要求主参数变动范围很小，且不允许有 余差(稳态误差)时，副控制器可采用比例控 制（P），主控制器采用比例积分控制（PI）
图3-1 串级控制系统典型方块图
副回 路
图3-2 串级控制系统典型方块图
5
2、理解
串级控制系统中有两个调节器，这两个 调节器相互串联，前一个调节器的输出作 为后一个调节器的输入。这两个调节器分 别叫作主调节器和副调节器，即主调节器 的输出进入副调节器，作为副调节器的给 定值。
概述
复杂控制系统： 与简单控制系统不同的其他控制形式(结
构上较为复杂或控制目的上较为特殊的控制系统)。
2
概述
根据根据系统的结构和所担负的任务
复杂控制系统
串级 控制 系统
前馈反馈控 制系统
导前微 分制系 统
3
复杂控制系统
一、串级控制系统
1、概念 串级控制系统是指控制系统中有两个相互串联的 调节器，两个反馈通道分别将测量信号送入两个调 节器并以此形成回路的双回路控制系统。
3.前馈—反馈控制的选用原则：
• 控制系统中控制通道的惯性和迟延较大，反馈 控制达不到良好的控制效果时可以引入前馈控 制 • 如果系统中存在经常变动、可测而不可控的扰 动时，反馈控制难以克服扰动对被控量的影响， 这时可引入被调量微分信号的调节系统
对于时间常数大、阶次高和迟延大的对象，为 了改善其调节品质，除了采用串级调节外，还可 以采用引入中间被调量微分信号的调节系统。例 如过热汽温调节系统，其中间被调量就是减温器 后的汽温，汽温调节器除接受过热器出口温度信 号外，还同时接受减温器后汽温的微分信号。
2．主、副控制器的选型 （1）主参数控制质量要求不十分严格，同时 在对副参数的要求也不高的情况下，为使 两者兼顾而采用串级控制方式时，主、副 控制器均可采用比例控制(P)。 （2）要求主参数变动范围很小，且不允许有 余差(稳态误差)时，副控制器可采用比例控 制（P），主控制器采用比例积分控制（PI）
图3-1 串级控制系统典型方块图
副回 路
图3-2 串级控制系统典型方块图
5
2、理解
串级控制系统中有两个调节器，这两个 调节器相互串联，前一个调节器的输出作 为后一个调节器的输入。这两个调节器分 别叫作主调节器和副调节器，即主调节器 的输出进入副调节器，作为副调节器的给 定值。
复杂控制系统
串级控制系统设计举例
加热炉的温度控制系统
TT TC
T 被加热原料 出口温度
燃料油 控制通道过程分析： 问题：滞后太大，控制不及时，误差长时间不能克服，导致误差太大，不符合工艺要求。 分析：被控变量的偏差，都是由于各种扰动引起的，如果能将这些扰动控制住，则可以 减小被控变量的波动。 串级控制系统设计举例该加热炉的主要扰动有： 燃料压力的波动、燃料热值的波动、原料流量的调整或波动、原料入口温度的波动等。 如果我们对每种扰动都进行控制，肯定满足工艺要求。但是，这样控制系统就变得非常 复杂、成本大大提高。
串级控制系统适应场合
被控对象的控制通道纯滞后时间较长,单回路控制系统不能 满足质量指标 对象容量滞后比较大,用单回路控制,不能满足质量指标 控制系统内存在变化激烈且幅值很大的干扰 被控对象具有较大的非线性，而负荷变化又较大
比值控制系统
比值控制系统-----实现两个或两个机上参数符合 一定比例系的控制系统 主物料-------处于主导地位的物料表征该物料的参数为主动量F1（主流量） 从物料--------随主物料的变化呈比例的变化的另一种物料表征该物料的参 数从动量F2 （副流量）
流量比值
K F2
F1
主流量
比值控制系统的类型
单闭环比值控制系统
F2
比值器 控制器F2C 执行器 对象
副测量变送 F1 主测量变送
特点------两种物料流量之比较为精确，系统结构简单，实施方便。 不足------两种物料的总量（F1＋F２）不固定。
比值控制系统的类型
单闭环比值控制系统与串级控制系统比较
设 定 值 比值器 控制器 执行器 对象 F2
副测量变送 主测量变送 干扰 设定值 副控 制器 主控 制器 副对象
《化工(测量)仪表与自动化》(复习题)
43. 差压式流量计配用电容式差压变送器测流量,流量测量范围是 0～16 m3／h,变送器量程为 100 KPa,问: ①.当变送器输出12mA时,流量应是多少? ②.若变送器的量程改为 125 kPa,此时变送器的输出应是多少?
44. 一台测量液体用的转子流量计,测量范围为 0～25 m3／h,用来测量某介质的流量,已知被测介质的密度为0.8g／cm3,转子的密度为7.9g／cm3,试问:当流量计指示在 20 m3／h时,被测介质的实际流量应是多少?
28. 选择用压力法测量开口容器液位时，液位的高低取决于（ ）A 取压点位置和容器横截面 B 取压点位置和介质密度 C 介质密度和横截面
29. 浮球式液位计适合于如下哪一种情形的使用条件？（ ）A 介质粘度高、压力低、温度高 B 介质粘度高、压力低、温度低C 介质粘度低、压力高、温度低 D 介质粘度高、压力高、温度低
32. 利用差压法测液位，如图所示。差压变送器的正压室引压管线内通入与容器中相同的液体，液体密度为ρ；负压室引压管线通入气相，密度忽略。请列出差压与液位L间的关系，并指出应该实施的迁移量。
第四章 流量测量及变送
33. 简述电磁流量计工作原理及其特点。
34. 简述椭圆齿轮流量计工作原理及其特点。
39. 在管道上安装孔板时，如果将方向装反了会造成：( )a.差压计倒指示 b. 对差压计指示无影响 c.差压计指示变大 d. 差压计指示变小
40. 罗茨流量计，很适合对（ ）的测量。 A 低粘度流体 B 高雷诺数流体 C 含砂脏流体 D 高粘度流体
《自动控制仪表与装置》综合习题
说明：选择题除了正确选择答案外还应给出选该答案的理由
绪论、第一章 概述
1. 如何评价测量仪表性能，常用哪些指标来评价仪表性能？
44. 一台测量液体用的转子流量计,测量范围为 0～25 m3／h,用来测量某介质的流量,已知被测介质的密度为0.8g／cm3,转子的密度为7.9g／cm3,试问:当流量计指示在 20 m3／h时,被测介质的实际流量应是多少?
28. 选择用压力法测量开口容器液位时，液位的高低取决于（ ）A 取压点位置和容器横截面 B 取压点位置和介质密度 C 介质密度和横截面
29. 浮球式液位计适合于如下哪一种情形的使用条件？（ ）A 介质粘度高、压力低、温度高 B 介质粘度高、压力低、温度低C 介质粘度低、压力高、温度低 D 介质粘度高、压力高、温度低
32. 利用差压法测液位，如图所示。差压变送器的正压室引压管线内通入与容器中相同的液体，液体密度为ρ；负压室引压管线通入气相，密度忽略。请列出差压与液位L间的关系，并指出应该实施的迁移量。
第四章 流量测量及变送
33. 简述电磁流量计工作原理及其特点。
34. 简述椭圆齿轮流量计工作原理及其特点。
39. 在管道上安装孔板时，如果将方向装反了会造成：( )a.差压计倒指示 b. 对差压计指示无影响 c.差压计指示变大 d. 差压计指示变小
40. 罗茨流量计，很适合对（ ）的测量。 A 低粘度流体 B 高雷诺数流体 C 含砂脏流体 D 高粘度流体
《自动控制仪表与装置》综合习题
说明：选择题除了正确选择答案外还应给出选该答案的理由
绪论、第一章 概述
1. 如何评价测量仪表性能，常用哪些指标来评价仪表性能？
复杂控制系统课件
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航空航天控制系统实例
总结词
航空航天控制系统的特点是高精度、高可靠性和高度集成化。
详细描述
航空航天控制系统的实例包括飞机和航天器的自动驾驶系统、导航系统、推进系统等。这些系统需要 精确地控制飞行姿态、速度和高度等参数，以实现安全、稳定的飞行和发射。同时，这些系统还需要 能够承受极端环境和条件下的工作，以确保飞行的安全和可靠性。
遗传算法是一种基于生物 进化原理的优化算法。
它通过模拟生物进化过程 中的基因突变、交叉和选 择等操作，来寻找最优解。
遗传算法具有全局搜索能 力强、能够处理多变量和 非线性问题等优点，但计 算量较大，需要调整的参 数也较多。
05
复杂控制系统的稳定性分析
稳定性分析的基本概念
平衡状态
系统在不受外界干扰的情 况下，能够保持不变的状态。
稳定性
系统受到外界干扰后，能 够恢复到平衡状态的性能。
线性系统与非线性系统
线性系统是指系统的输出 与输入成正比，而非线性 系统是指系统的输出与输
入不成正比。
线性系统的稳定性分析
1 2 3
劳斯-赫尔维茨准则 用于判断线性系统是否稳定的准则，通过计算系 统的特征方程的根来判断系统的稳定性。
频域分析法 通过分析系统的频率响应来研究系统的稳定性， 主要方法有Nyquist稳定判据和Bode图法。
优化算法广泛应用于控制系统设 计、信号处理、机器学习等领域。
优化算法的目标是找到使某个性 能指标达到最优的控制参数。
优化算法可以通过不同的迭代方 法来逼近最优解，如梯度下降法、 牛顿法等。
梯度下降法
梯度下降法是一种基于函数梯度的优化算 法。
它通过不断沿着函数梯度的负方向更新参 数，来逐渐逼近最优解。
复杂控制系统
2.4 复杂控制系统的结构
串级系统的一般框图
D2
y1,sp
y2,sp
＋
Gc1
＋
Gc2
Gv
－
－
ym2
Gm2
ym1 Gm1
＋ ＋
Gp2 副回路
D1
u
＋
Gp1 ＋
y1
主回路
定义：
1)不止一个控制器 2)控制器间相串接 3)一个控制器的输 出作为另一个控制 器的设定值的系统
y1,sp
＋ －
y2,sp
主控
副控
例2.2 一个系统由两个相反的一阶模型构成，即
G s K1 K2
11s 12s
这个系统是负响应系统的条件是？
G s K1 K2
11s 12s
=
K1
K2
1
K21
K1
K1
K2
2
1 1s 1 2 s
s
Highlights: What’s advanced PID control？ How to design the corresponding control law? What’s complex PC systems? How to design a control law for complex PC systems?
设计思想：加补偿器使闭环特征方程不含时滞项
缺点：对建模误差的灵敏性
设计步骤：
• Smith预估器局部回路的设计：建立一套可以得到 y*和y的方法，y可直接从过程模型得到，y*可从过 程模型的无延迟形式获得
• 设计Gc：按照无延迟系统设计 注： （1）Smith预估器需要一个理想的模型，而实际模型 不可能是理想的，所以必须谨慎的选择控制器参数。 （2）Smith预估器不能完全地补充滞后效应，系统将 存在滞后于差。 （3）Smith预估器不能抑制干扰
第十五章控制论方法精品PPT课件
You Know, The More Powerful You Will Be
谢谢你的到来
学习并没有结束，希望大家继续努力
Learning Is Not Over. I Hope You Will Continue To Work Hard
演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
输出
考察黑箱
否 可供选择的黑箱
模型 是
确立黑箱模型
应用
·第一步：把研究对象从环境中相对地 “分离”出来，以确认黑箱。
·第二步：考察黑箱的输入，输出及其 动态过程。
·第三步：建立模型，阐明黑箱。
2、黑箱辨识方法的作用 ·黑箱辨识方法的最大优点，在于无须 直接考察所研究对象的内部结构，而 只是就功能行为方面对事物作以整体 性研究，因而在科学研究中有着某种 特殊的作用。
·控制过程：
实际上就是信息处理和信息变换的 能动过程，深刻体现了系统的联系的观 点、动态的观点、有机整体的观点和定 量的观点以及确定性与随机性的辩证统 一的观点。
·控制方法：
运用较多的反馈方法、黑箱辩证方 法和功能模拟方法。
2、控制论方法的基本特点
扰动
输入
被控系统
输出
执行机构
感受机构
中枢控制机构
第十五章 控制论方法
维纳的控制论方法：
·突破了以抽象分析为核心的传统方法 ·通过能动的把握信息的传输对自然事物
进行整体的综合的动态研究 ·从20世纪六十年代以后，控制论的研究
逐步与系统工程、系统科学的研究相互 渗透 ·控制论普遍存在于自然、社会与思维各 个领域，成为普遍运用的方法
一、控制论方法的基本特点
目的
制定方案
政策分析
执行
谢谢你的到来
学习并没有结束，希望大家继续努力
Learning Is Not Over. I Hope You Will Continue To Work Hard
演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
输出
考察黑箱
否 可供选择的黑箱
模型 是
确立黑箱模型
应用
·第一步：把研究对象从环境中相对地 “分离”出来，以确认黑箱。
·第二步：考察黑箱的输入，输出及其 动态过程。
·第三步：建立模型，阐明黑箱。
2、黑箱辨识方法的作用 ·黑箱辨识方法的最大优点，在于无须 直接考察所研究对象的内部结构，而 只是就功能行为方面对事物作以整体 性研究，因而在科学研究中有着某种 特殊的作用。
·控制过程：
实际上就是信息处理和信息变换的 能动过程，深刻体现了系统的联系的观 点、动态的观点、有机整体的观点和定 量的观点以及确定性与随机性的辩证统 一的观点。
·控制方法：
运用较多的反馈方法、黑箱辩证方 法和功能模拟方法。
2、控制论方法的基本特点
扰动
输入
被控系统
输出
执行机构
感受机构
中枢控制机构
第十五章 控制论方法
维纳的控制论方法：
·突破了以抽象分析为核心的传统方法 ·通过能动的把握信息的传输对自然事物
进行整体的综合的动态研究 ·从20世纪六十年代以后，控制论的研究
逐步与系统工程、系统科学的研究相互 渗透 ·控制论普遍存在于自然、社会与思维各 个领域，成为普遍运用的方法
一、控制论方法的基本特点
目的
制定方案
政策分析
执行
3.常用复杂控制系统
•
由Gc1(s)和副回路、Gp1(s)和Gm1(s)组成的控制回路称为主回路，或主环。
串级控制系统中有关的传递函数如下：
Y1( s ) R1 (s) Gc1 (s)Gc 2 (s)Gv (s)Gp 2 (s)Gp1 (s) 1 Gc 2 (s)Gv (s)Gp 2 (s)Gm2 (s) Gc1 (s)Gc 2 (s)Gv ( s)Gp 2 ( s)Gp1 ( s)Gm1( s)
Gc 2 (s)Gv (s)Gp 2 (s) Y2 (s) G副 (s) R2 (s) 1 Gc 2 (s)Gv (s)Gp 2 (s)Gm2 (s)
F2 GF2(S) R1 E1 YM1
U1=R2 E2
F1 GF1(s)
GC1(s)
GC2(s)
U2
GV(s)
Q
GP2(s)
Y2
GP1(s)
Y1
YM2
GM2(s) GM1(s) F2 F1 GF1(s) GP1(s) Y1
串级控制的优点 R2 E2 GC2(s) YM2 GM1(s) U2 Q GV(s) GP2(s)
GF2(S) Y2
1.能够迅速克服进入副回路扰动的影响，并使得系统最大偏差及余差减小。 2.系统的惯性时间减少，调节时间缩短。
阀门V2
空气
SP3
FC FT2
FY
FT1
X
I=4
SP3
+ _
FC
V2
P4
I=4 X
FY
Nf1 SP2
Nf2
SP1
+ _
TC1
+ _
+ TC2 V1 P1 P2
+ P3
T2
复杂系统控制方法的研究及应用
复杂系统控制方法的研究及应用随着现代科技的不断发展，各种复杂系统已经在我们的生活中扮演着越来越重要的角色，如金融市场、交通流量、网络系统等。
这些系统都具有高度的不确定性、复杂的动态特性和多样的交互关系，难以通过传统的方法进行分析和控制。
因此，研究复杂系统的控制方法，成为了当今学术界和工业界的热门话题。
一、复杂系统的定义和特点复杂系统是指由众多独立和相互作用的组成部分所组成的系统。
这些组成部分之间的相互作用和反馈往往会导致整个系统的行为具有非线性、动态、随机和复杂的特点。
复杂系统的行为可能是不可预测的，而且对于同样的初态，其演化结果也可能出现巨大的差异。
二、复杂系统的控制方法传统的控制方法在处理复杂系统时往往会受到很大的限制。
因此，为了更好地掌控复杂系统的演化，研究借助数学模型描述复杂系统行为的新型控制方法是十分关键的。
1. 自适应控制自适应控制是针对复杂系统中不确定性因素的控制方法。
它可以动态地调整控制方式和控制参数，以适应不同时间的系统行为。
自适应控制方法通常包含一个自学习过程和一个控制器。
自学习过程会收集系统的出入数据，分析和预测系统的行为，并根据预测结果分配控制策略和参数。
控制器通过对系统状态的监测和控制信号的输出实现对复杂系统的控制。
自适应控制方法的优势在于其灵活性和自我调整的能力，可以适用于多种复杂系统的控制。
2. 非线性控制非线性控制方法是针对复杂系统中动态特性和非线性因素的控制方法。
它可以通过建立非线性数学模型来描述系统行为，并采用适当的控制策略来控制系统的演化。
常见的非线性控制方法包括反馈线性化控制、自适应非线性控制、滑模控制等。
这些方法相对于传统的线性控制方法而言，能够更好地应对复杂系统的非线性因素和动态特性，提高控制效果。
3. 模糊控制模糊控制方法是针对复杂系统中不确定性、模糊性和复杂度的控制方法。
它采用模糊逻辑来描述复杂系统的行为，并构建一个模糊控制器来实现对系统的控制。
模糊控制方法通常包括模糊化、推理和去模糊化三个步骤。
复杂控制系统
§1.4 选择性控制系统
两种系统保护措施 – 硬保护：极限情况下，声光报警，转入人工控制或 停车； – 软保护：极限情况下，转入另一种控制模式，进行 自动处理——选择性控制系统。 根据处理方法不同，选择性控制系统可以分为
三类；
– 开关型选择性控制系统：由限位信号切断控制器输 出； – 连续型选择性控制系统：由限位信号切换为另一个 控制器输出给执行器； – 混合型选择性控制系统：采用两个限制信号，同时 进行上述两种控制。
出口温度 操纵变量：燃料量 副变量：炉温
通过出口温度
燃料量 原料 原料量变化
调节炉温设定值
炉温变化 出口温度变化
通过燃料量
串级控制的特点
两个回路：主回路、副回路
两个变量：主变量、副变量 改善了对象的特性，有效地克服了滞后
具有一定的自适应能力。可应用于负荷
和操作条件变化较大的场合。 自适应：自动调整设定值，以保证系统 整体具有较好的控制质量。
干扰作用强烈而且频繁的主控制系统中， 对局部参数（副参数）进行预先控制以 提高系统总体控制水平的复合控制系统。 串级控制系统通常包括：
– 主控制系统：系统目标参数控制系统； – 副控制系统：为实现目标参数控制而设置的 辅助参数控制系统。
例： 管式加热炉的控制
出口温度 炉温
主参数（目标参数）：
复合控制系统
复合控制系统是由两个及两个以上简单控制 系统组合起来的控制一个或同时控制多个参 数的控制系统。 常见复合控制系统主要有以下几种：
1. 2. 3. 4. 5. 6. 串级控制系统 均匀控制系统 比值控制系统 选择性控制系统 分程控制系统 多冲量控制系统
§1.1串级控制系统
串级控制系统是指：在对象滞后较大、
复杂控制系统
21 简洁把握系统一、概述1、单回路把握系统——简洁把握系统：在一般状况下能够满足生产把握要求。
特别状况：系统干扰因素多、干扰变化猛烈，以及工艺特别要求。
2、简洁把握系统——串级把握系统、比值把握系统、均匀把握系统、前馈把握系统、选择把握系统、分程把握系统等简洁系统--随着把握理论与工业应用的进展，包含的内容也不同，例如简洁大系统--人口系统，环境把握，能源把握，企业生产经营把握等。
3、多回路系统多回路系统特征：基于 PID 把握策略；由多个把握回路组成的系统。
4、多回路系统的进展80-90%把握系统是基于 PID 把握的系统，包括多回路系统。
多回路系统应用状况以乙烯生产厂为例，它共有 421 个把握回路其中：常规 PID 单回路 347 个，串级、比值等 74 个〔串级 24〕多回路系统占 17.5%。
二、串级把握系统的构成加热炉是工业生产中常用设备之一。
工艺要求被加热物料的温度为某确定值，因此选取加热炉的出口 温度为被控变量，选取燃料量为操纵变量，构成图5-1 （a ） 所示的单回路把握系统。
影响炉出口温度的因素很多，主要有：被加热物料的流量和炉前温度变化[f (t)]；燃料热值的变化、压 1力的波动[f (t)]；烟囱挡板位置的转变、抽力的变化 2[f (t)]等。
图 5-1〔a 〕系统的特点是，全部对被控变 3量的扰动都包含在这个回路之中，并都由温度把握器来 抑制。
但是把握通道的时间常数和容量滞后较大，把握作用不用准时，系统抑制扰动的力气较差，不能满足工艺的要求。
为此，另外选择，炉膛温度为被控变量，燃 料量为操纵变量，设计图 5-1〔b 〕所示的单回路把握系统，以维持炉口温度为某确定值。
该系统的特点是对于扰动[f (t)] 、[f 2 (t)]能准时有效地抑制，但是扰动 3[f (t)]未包括在系统内，系统不能抑制扰动[f 1 (t)]对 1 炉出口温度的影响，照旧不能到达生产工艺要求。
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对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，对主变量控制 要求比较高，简单控制系统满足不了工艺上的要求，这时，可 考虑采用串级控制系统。 主、副变量有明确的主次之分 副变量: 应服从主变量稳定需要, 先调粗调：快，允许在一定范围内变化，允许有余差。 主变量: 是控制的目的, 细调： 稳、快、准
主回路
副回路
上述控制方案对温度控制要求不高的场合是可行的、合理的。
例：原油外输
温度控制的目的是：降低粘度、降低管阻 控制要求低，可以采用简单温度控制系统
但是，对于常减压装置等石化生产过程 对温度控制要求高：稳、快、准。
原因？
如果采用简单温度控制系统
存在问题：当加热炉的燃料压力或燃料本身的热值有较大波动时， 上述简单控制系统的控制质量往往很差，原料油的出口温度波动较 大( 5~10℃) ，难以满足工艺控制要求高的生产要求( 1~2℃) .
4. 若只有D1存在
原料
TT TC 燃料
二、串级控制系统的特点
副回路
主回路
1. 两个控制回路。 副回路是随动控制系统：外给定 先调、粗调：快、可波动、可有余差; 主回路是定值控制系统：内给定 细调：稳、快、准
2. 具有很强的抗干扰能力。因副回路的引入，对进入副回路的 二次干扰具有很强的克服能力，使控制过程加快，具有超前控 制的作用，有效克服了滞后（包括纯滞后），提高了控制质量。 这是最大特点，也是设计串级控制 系统的目的所在。 3. 由于增加了副回路，改善了对象特性， 因此具有一定的自适应能力，可用于负 荷和操作条件有较大变化的场合。
副回路
主回路
有两个回路主变量：主回路、副回路 两个被控变量变量：主变量、副变量； 两个控制器：主控制器、副控制器；两个控制器串联， 主控制器的输出作为副控制器的给定值（一个输入） 副控制器的输出控制执行器 两个被控对象：拆分成主对象、副对象； 两个变送器：主、副测量变送器 一个执行器（调节阀） 常表示为：主变量-副变量串级控制系统。
控制想法：先对炉膛温度T2进行局部控制， Ts2=160 ℃
T2
T2
Байду номын сангаас原料
T1
TT TC 燃料
T1
串级控制系统：出口温度控制器T1C与炉 膛温度控制器T2C串联：T1C输出作为T2C给 定值，T2C输出直接控制调节阀。 即：炉出口温度-炉膛温度串级控制系统：
炉出口温度为主要被控变量：细调：稳、快、准 炉膛温度为辅助被控变量：粗调：快、可波动、可有余差
因控制通道时间常数大，出口温度对燃料量变化的反应 约15分钟左右，控制质量差。
调节阀 燃料油流量 炉膛 炉管 原料 t
影响炉出口温度的干扰因素： 燃料方面(组分/热值/压力) 15分钟
原料方面(入口流量/温度/组分) D1 D2
原料
鼓风、炉膛抽力和环境温度方面 D3
TT TC 燃料
2. 若主要干扰为D2燃料压力，无燃料热值/成 分干扰、无来自炉膛干扰 燃料压力控制回路（几秒钟）比炉膛 温度控制回路（几分钟）的控制通道 时间常数小很多，调节速度更快。
原料
T
TT PT TC PC
燃料 P
加热炉出口温度-燃 料压力串级控制
3. 若D1与D2、D3同时存在，都较强
T1C和T2C控制器共同作用： T2C 可快速直接克服D2、D3干扰，T2C 不能直接克服D1干扰； T1C 可克服D1干扰，但较慢； T2C 不能直接克服D1干扰，但炉膛温度控制回路的引入， 增强了控制作用，t1偏差比简单回路减小2～5倍。
原料
T2T T1T
T2C T1C
燃料
三、系统副回路的设计 1. 应使副回路包含较多主要干扰。
越多越好?
包含干扰↑→控制通道加长→滞后↑→克服干扰能力↓
主回路
TC TT
FT
FC
蒸汽
精馏塔塔釜温度-蒸汽流量串级控制系统
干扰来源：
原料方面(入口流量/温度/组分) D1
燃料方面(组分/热值/压力)
D2
T2T T1T T2C T1C
鼓风、炉膛抽力和环境温度方面 D3
对于不同的加热炉工艺，各种干扰出 现的几率不同，需根据主要干扰确定 不同的副回路（副变量）。
第十五章
复杂控制系统
串级控制系统
均匀控制系统
比值控制系统 分程控制系统
小结
简 单 控 制 系 统
一个被控对象 一个变送器 一个控制器 一个执行器
复 杂 控 制 系 统
其中一种控制仪表多于一个．
简单控制系统：最简单，最基本，应用最广泛，解决大多数 参数定值控制问题, 占80%以上。
但是也有另外一些情况： 1.工艺对产品的质量提出更高的要求，对过渡过程的性能指 标要求也更高，而简单控制系统不能满足需要。
甲醇精馏塔的温度：偏离不允许超过10C 石油裂解气的深冷分离中，乙烯纯度要求达到99.99%。
2 工艺有特殊要求，如配比控制、分程控制等。
第一节 串级控制系统
一、基本概念 以管式加热炉为例。 控制目的：控制原料出口温度恒定 最简单的控制方案：简单控制系统 被控变量:原料出口温度 操纵变量:燃料油流量
副回路
主回路
T2T T1T
T2C T1C
原料
要求：会画工艺管道及控制流程图 方块图（方框图） （1）首先画副回路（同简单控制） （2）将整个副回路当作主回路的“执行 器”，画出主回路的其他部分。
燃料
副回路
主回路
原料 T
TT PT TC PC
燃料 P
加热炉出口温度-燃 料压力串级控制
主对象
副回路
原料
燃料
1. 若干扰D1不存在，仅有干扰D2、 D3存在 炉膛温度控制回路因控制通道时间常数小，调节及时 迅速，先调、粗调、快调； 然后出口温度控制回路慢调、细调，偏差很快会消除。 若两个控制器参数设置合适，在同样D2、D3干扰下， t1的波动（偏差）比简单回路减小10～100倍。
干扰来源：
原料方面(入口流量/温度/组分) D1 燃料方面(组分/热值/压力) D2 鼓风、炉膛抽力和环境温度方面 D3
加热炉出口简单温度控制系统
调节阀 燃料油流量 炉膛 t 2 ３分钟
D2、D3首先反应 在炉膛，且D2使炉 膛温度变化仅需3分 钟左右，反应快。
例：假设在无干扰作用时，简单控制系统已稳定：
T1=Ts1=150 ℃
T2=160 ℃
干扰：燃料热值↑ → 炉膛温度T2 ↑ （ 168 ℃ ） →出口温度T2 ↑ （ 157 ℃ ） 3分钟 12分钟