第10章复杂控制系统共40页
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刘玉长 的回路，亦称内环或副环
二、串级控制工作过程
(一)扰动进入副回路 ①
温度控 制器
流量控 制器
控制 阀
流量 对象
温度 对象
流量变 送器
温度变 送器
(二)扰动进入主回路
温度控 制器
流量控 制器
控制 阀
②
流量 对象
温度 对象
刘玉长
流量变 送器
温度变 送器
(三)扰动同时进入主、副回路
温度控 制器
流量控 制器
刘玉长 制器的设定。
(二)有关术语
主控(变)量：指工艺控制指标，是在串级控制系统中起主导作 用的被控量。
副控(变)量：为了稳定主控变量或某种需要引入的辅助量。 主对象：由主控变量表征其主要特性的生产设备。 副对象：由副控变量表征其主要特性的生产设备。 主控制器：在系统中起主导作用的控制器，按主控变量的测
量值与工艺规定值之间的偏差工作，其输出作为副控 制器的设定值。 副控制器：按副控变量的测量值与主控制器来的设定值之间 的偏差工作，其输出直接操纵执行器。 主回路：由主对象、主测量变送器、主控制器、副控制器、 控制阀及副对象构成的外回路，亦称外环或主环。 副回路：由副对象、副测量变送器、副控制器及控制阀构成
扰动量大小
检测变量 被控量 扰动量
作用时间 偏差出现后 偏差出现前
五、前馈控制类型
(一)静态前馈控制 静态前馈控制，是指控制器的输出量mf仅是其输入量D的
函数而与时间无关，即mf=f(D)。为了便于工程上实施，这种 关系可以近似表示为线性关系：mf =Kf D。
刘玉长
[例]图示换热器， F1为主要扰动，F2、
T1i为次要扰动，试设计前馈控制系统， 以保证T1o满足要求(稳定于设定值Tx)。
按照上式，应用仪表装置构建前馈系统如下图。系统不但 实现了对F1的前馈控制，同时还考虑了次要的扰动F2和T1i的变 化，控制质量较高，可把冷流体出口温度稳定在设定值Tx。
刘玉长
(二)动态前馈控制
为了提高动态品质，可在静态前馈基础上适当加入动态 环节，实现动态前馈控制。 (三)前馈—反馈控制
刘玉长
(五)比值系数的计算
比 值：k =Q2/Q1 比值系数：K =（I2-4）/（I1-4）
⑴ 流量与测量信号成线性关系时
⑵ 流量与测量信号成非线性关系时
刘玉长
(七)比值控制实施问题
具体实现方案有两种:
1.把两个流量的测量值相除， 其商作为调节器的反馈值， 称为相除控制方案。
副检测变送
扰动
扰动
副对象 主对象
y2
y1
主检测变送
串级控制系统框图
(一)串级控制结构特点
【组成】两个闭环，内环(副环)和外环(主环)；
【内环】包括副控制器、副对象、副变送器，组成随动控制 系统，给定值由主控制器输出给定，副控制器输出 控制控制阀；
【外环】包括主控制器、主对象、主变送器，组成定值控制 系统，给定值由工艺设定，主控制器输出作为副控
刘玉长
第二节前馈控制系统
一、反馈控制局限与前馈控制的提出 换热器进料量F1为主要干扰量，换
热器滞后明显，单回路反馈控制往往达 不到工艺的要求，此时可采用前馈控制： 通过测量进料量(干扰)，由前馈控制器 控制阀门，改变操纵量以补偿进料量变 化DF1对被控量(出口温度)的影响。
DF1
前馈补偿
刘玉长
干扰
控制 阀
流量变 送器
温度变 送器
①
流量对 象
②
温度对 象
结论：串级控制系统具有单回路控制系统的全部功
能，控制品质优于单回路系统，且实现方便，
生产过程中应用比较普遍。
刘玉长
三、设计与应用
1.容量滞后较大的过程 2.纯延时较大的过程
3.干扰变化激烈且幅度 较大的过程
刘玉长
4.参数相关联的过程 5.非线性过程
选择对象中最主要的、反馈控制不易克服的扰动进行前 馈控制，其他一些扰动则进行反馈控制，如下图。
TC TSP
载
+
热
FY
T10
体 F2,T2i
换热器
FC
冷流体 F1, T1i
刘玉换长热器前馈—反馈控制方案
锅炉汽包液位控制
第三节 其它复杂控制系统 一、比值控制系统
使两个或两个以上参数保持一定比值关系的控制系统，称 为比值控制系统。在需要保持比值关系的两种物料中，必有一 种处于主导地位称之为主物料(主动量)，其流量称为主流量， 用F1表示；另一种物料则按主物料进行配比称之为从物料(从动 量) ，其流量称之为从流量或副流量，用F2表示。
三、前馈控制补偿原理
由前馈控制系统方框图可得：
Y(s)=[GFW(s)GP(s)-GF(s)]N(s)
显然当GFW(s)GP(s)-GF(s)=0时，扰动对系统被控量不会
产生影响。全补偿条件是：
刘玉长
GFW
(s)
GF (s) GP (s)
四、前馈控制与反馈控制的区别
反馈控制 前馈控制
控制依据 偏差
前馈控制及其补偿原理示意图
二、前馈控制基本概念
前馈控制是指按照扰动产生校正作用的控制方法。 基本原理：测取进入过程的扰动量(外界扰动和设定值变
化)，并按照其信号产生合适的控制作用去改变控 制量，已抵消(补偿)扰动对被控量的影响。 特点：按引起被控量变化的扰动大小直接进行控制，无须等 待被控量的变化。
刘玉长
(一)开环比值控制系统
由于是开环控制系统，若副流量
的温度、压力稍有变化，副流量也发
生变化，两物料间的实际比值很难保
FY
持不变，因此控制质量通常很差，工
业生产过程中采用闭环控制系统。
F1
FC F2
只能保证F2的阀门开度与F1成比例，不能
(二)单闭环比值控制系统
图中的从流量变送器FT2、 控制器FC、控制阀V2以及对 象(指从流量的检测点到执行 器之间的一段管道)等构成一 个闭合的从动回路。
刘玉长能保证F2与F1成比例。
保证F2与F1成比例。
FT1 FT2
F1 FY
FC V2 F2
(三)双闭环比值控制系统
主、副物料都有各自的控 制系统，主物料进行定值控制； 副物料进行随动控制。
能保证F2与F1成比例，且Байду номын сангаас稳定F1。
(四)变比值控制系统
F1C
V1 F1
FY
F2C
V2
F2
根据第三参数的需 要而不断改变两物料比 值的控制系统就称为变 比值控制系统。
第一节串级控制系统
一、串级控制系统组成
串级控制系统(cascade control system)是一种常用的复杂 控制系统，它根据系统结构命名。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，这类控制系统称为串级控制系统。
刘玉长
_ 主控制器
副控制器 控制阀 _
二、串级控制工作过程
(一)扰动进入副回路 ①
温度控 制器
流量控 制器
控制 阀
流量 对象
温度 对象
流量变 送器
温度变 送器
(二)扰动进入主回路
温度控 制器
流量控 制器
控制 阀
②
流量 对象
温度 对象
刘玉长
流量变 送器
温度变 送器
(三)扰动同时进入主、副回路
温度控 制器
流量控 制器
刘玉长 制器的设定。
(二)有关术语
主控(变)量：指工艺控制指标，是在串级控制系统中起主导作 用的被控量。
副控(变)量：为了稳定主控变量或某种需要引入的辅助量。 主对象：由主控变量表征其主要特性的生产设备。 副对象：由副控变量表征其主要特性的生产设备。 主控制器：在系统中起主导作用的控制器，按主控变量的测
量值与工艺规定值之间的偏差工作，其输出作为副控 制器的设定值。 副控制器：按副控变量的测量值与主控制器来的设定值之间 的偏差工作，其输出直接操纵执行器。 主回路：由主对象、主测量变送器、主控制器、副控制器、 控制阀及副对象构成的外回路，亦称外环或主环。 副回路：由副对象、副测量变送器、副控制器及控制阀构成
扰动量大小
检测变量 被控量 扰动量
作用时间 偏差出现后 偏差出现前
五、前馈控制类型
(一)静态前馈控制 静态前馈控制，是指控制器的输出量mf仅是其输入量D的
函数而与时间无关，即mf=f(D)。为了便于工程上实施，这种 关系可以近似表示为线性关系：mf =Kf D。
刘玉长
[例]图示换热器， F1为主要扰动，F2、
T1i为次要扰动，试设计前馈控制系统， 以保证T1o满足要求(稳定于设定值Tx)。
按照上式，应用仪表装置构建前馈系统如下图。系统不但 实现了对F1的前馈控制，同时还考虑了次要的扰动F2和T1i的变 化，控制质量较高，可把冷流体出口温度稳定在设定值Tx。
刘玉长
(二)动态前馈控制
为了提高动态品质，可在静态前馈基础上适当加入动态 环节，实现动态前馈控制。 (三)前馈—反馈控制
刘玉长
(五)比值系数的计算
比 值：k =Q2/Q1 比值系数：K =（I2-4）/（I1-4）
⑴ 流量与测量信号成线性关系时
⑵ 流量与测量信号成非线性关系时
刘玉长
(七)比值控制实施问题
具体实现方案有两种:
1.把两个流量的测量值相除， 其商作为调节器的反馈值， 称为相除控制方案。
副检测变送
扰动
扰动
副对象 主对象
y2
y1
主检测变送
串级控制系统框图
(一)串级控制结构特点
【组成】两个闭环，内环(副环)和外环(主环)；
【内环】包括副控制器、副对象、副变送器，组成随动控制 系统，给定值由主控制器输出给定，副控制器输出 控制控制阀；
【外环】包括主控制器、主对象、主变送器，组成定值控制 系统，给定值由工艺设定，主控制器输出作为副控
刘玉长
第二节前馈控制系统
一、反馈控制局限与前馈控制的提出 换热器进料量F1为主要干扰量，换
热器滞后明显，单回路反馈控制往往达 不到工艺的要求，此时可采用前馈控制： 通过测量进料量(干扰)，由前馈控制器 控制阀门，改变操纵量以补偿进料量变 化DF1对被控量(出口温度)的影响。
DF1
前馈补偿
刘玉长
干扰
控制 阀
流量变 送器
温度变 送器
①
流量对 象
②
温度对 象
结论：串级控制系统具有单回路控制系统的全部功
能，控制品质优于单回路系统，且实现方便，
生产过程中应用比较普遍。
刘玉长
三、设计与应用
1.容量滞后较大的过程 2.纯延时较大的过程
3.干扰变化激烈且幅度 较大的过程
刘玉长
4.参数相关联的过程 5.非线性过程
选择对象中最主要的、反馈控制不易克服的扰动进行前 馈控制，其他一些扰动则进行反馈控制，如下图。
TC TSP
载
+
热
FY
T10
体 F2,T2i
换热器
FC
冷流体 F1, T1i
刘玉换长热器前馈—反馈控制方案
锅炉汽包液位控制
第三节 其它复杂控制系统 一、比值控制系统
使两个或两个以上参数保持一定比值关系的控制系统，称 为比值控制系统。在需要保持比值关系的两种物料中，必有一 种处于主导地位称之为主物料(主动量)，其流量称为主流量， 用F1表示；另一种物料则按主物料进行配比称之为从物料(从动 量) ，其流量称之为从流量或副流量，用F2表示。
三、前馈控制补偿原理
由前馈控制系统方框图可得：
Y(s)=[GFW(s)GP(s)-GF(s)]N(s)
显然当GFW(s)GP(s)-GF(s)=0时，扰动对系统被控量不会
产生影响。全补偿条件是：
刘玉长
GFW
(s)
GF (s) GP (s)
四、前馈控制与反馈控制的区别
反馈控制 前馈控制
控制依据 偏差
前馈控制及其补偿原理示意图
二、前馈控制基本概念
前馈控制是指按照扰动产生校正作用的控制方法。 基本原理：测取进入过程的扰动量(外界扰动和设定值变
化)，并按照其信号产生合适的控制作用去改变控 制量，已抵消(补偿)扰动对被控量的影响。 特点：按引起被控量变化的扰动大小直接进行控制，无须等 待被控量的变化。
刘玉长
(一)开环比值控制系统
由于是开环控制系统，若副流量
的温度、压力稍有变化，副流量也发
生变化，两物料间的实际比值很难保
FY
持不变，因此控制质量通常很差，工
业生产过程中采用闭环控制系统。
F1
FC F2
只能保证F2的阀门开度与F1成比例，不能
(二)单闭环比值控制系统
图中的从流量变送器FT2、 控制器FC、控制阀V2以及对 象(指从流量的检测点到执行 器之间的一段管道)等构成一 个闭合的从动回路。
刘玉长能保证F2与F1成比例。
保证F2与F1成比例。
FT1 FT2
F1 FY
FC V2 F2
(三)双闭环比值控制系统
主、副物料都有各自的控 制系统，主物料进行定值控制； 副物料进行随动控制。
能保证F2与F1成比例，且Байду номын сангаас稳定F1。
(四)变比值控制系统
F1C
V1 F1
FY
F2C
V2
F2
根据第三参数的需 要而不断改变两物料比 值的控制系统就称为变 比值控制系统。
第一节串级控制系统
一、串级控制系统组成
串级控制系统(cascade control system)是一种常用的复杂 控制系统，它根据系统结构命名。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，这类控制系统称为串级控制系统。
刘玉长
_ 主控制器
副控制器 控制阀 _