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第八章复杂控制系统
zhm07@
均匀控制的特点
• 不同于常规的定值控制系统，而对被控变量(CV)与控制变量 (MV)都有平稳的要求；
• 为解决CV与MV都希望平稳这一对矛盾，只能要求CV与MV都 渐变。均匀控制通常要求在最大干扰下，CV在上下限内波动， 而MV应在一定范围内平缓渐变。
• 均匀控制指的是控制功能，而不是控制方案。因为就系统的结 构来看，有时象简单控制系统，有时象串级控制系统。所以要 识别控制方案是否起均匀控制作用，应从控制的目的进行确定。
服掉的干扰影响能彻底加以克服。 因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，充 分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。
zhm07@
串级控制系统的特点及应用范围：
(1) 从系统结构来看，串级控制系统有主、副两个闭合回路；有 主、副两个控制器；有分别测量主变量和副变量的两个测量变送器。
zhm07@
比值控制方案1：开环比值控制系统
给定
控制器
－
执行器 测量、变送
开环比值控制系统方块图
对象
Q2
Q1
• 主、副流量均开环；
• 由于系统开环，该方案对副流量Q2无克服干扰的能力，只适用 于副流量较平稳且比值要求不高的场合。
zhm07@
比值控制方案2：单闭环比值控制系统
控制器
－
控制阀B
测量、变送
分程控制系统方块图
对象
zhm07@
分程控制的种类
100
阀
门
A阀
开
B阀
度
％ 阀压kPa
(a)
100
阀 门 开 度 ％
两阀同向动作
A阀
B阀
阀压kPa
(b)
100
均匀控制的特点
• 不同于常规的定值控制系统，而对被控变量(CV)与控制变量 (MV)都有平稳的要求；
• 为解决CV与MV都希望平稳这一对矛盾，只能要求CV与MV都 渐变。均匀控制通常要求在最大干扰下，CV在上下限内波动， 而MV应在一定范围内平缓渐变。
• 均匀控制指的是控制功能，而不是控制方案。因为就系统的结 构来看，有时象简单控制系统，有时象串级控制系统。所以要 识别控制方案是否起均匀控制作用，应从控制的目的进行确定。
服掉的干扰影响能彻底加以克服。 因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，充 分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。
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串级控制系统的特点及应用范围：
(1) 从系统结构来看，串级控制系统有主、副两个闭合回路；有 主、副两个控制器；有分别测量主变量和副变量的两个测量变送器。
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比值控制方案1：开环比值控制系统
给定
控制器
－
执行器 测量、变送
开环比值控制系统方块图
对象
Q2
Q1
• 主、副流量均开环；
• 由于系统开环，该方案对副流量Q2无克服干扰的能力，只适用 于副流量较平稳且比值要求不高的场合。
zhm07@
比值控制方案2：单闭环比值控制系统
控制器
－
控制阀B
测量、变送
分程控制系统方块图
对象
zhm07@
分程控制的种类
100
阀
门
A阀
开
B阀
度
％ 阀压kPa
(a)
100
阀 门 开 度 ％
两阀同向动作
A阀
B阀
阀压kPa
(b)
100
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。
常见的复杂控制系统
串级控制系统主、副被控变量的选择 选择原则如下： 根据工艺过程的控制要求选择主被控变量；主被控 变量应反映工艺指标。 副被控变量应包含主要扰动，并应包含尽可能多的 扰动。 主、副回路的时间常数和时滞应错开，即工作频率 错开，以防止共振现象发生。 主、副被控变量之间应有一一对应关系。 主被控变量的选择应使主对象有较大的增益和足够 的灵敏度。 应考虑经济性和工艺的合理性。
采用外部积分的防饱和积分系统
y
x1
yep
G2
K
T | |
G1
K
T | |
2-6（a）采用外部积分的防饱和积分系统
yep
1
K2
2
1 TI 2 s
3
G1外部积分的防饱和环节的主环开环系统方框图
最终得到输入节点e1与输出节点x1之间的传递函 数： K 1 G (s)W (s) K G (s)W (s) K G (s)W (s)(1 1 )
=
1-
2 T1 x串 g
+ T 2 + K T 2K Z K f K m 2K 2T 1 1 g T 1T 2 2x串
w单 =
1-
1 2 T1 + T 2 x单 g g T 1T 2 2x单
假定串级控制系统和单回路控制以同样的衰减率工作，即令
x串 = x单
T 1 + T 2 + K T 2K Z K f K m 2K 2T 1 w串 = = w单 T1 + T 2 K T 2K Z K f K m 2K 2T 1 = 1+ T1 + T 2 1+ T1 (1 + K T 2K Z K f K m 2K 2 ) T2 T 1+ 1 T2
3复杂控制系统-1
3.1 串级控制系统
串级控制系统的设计
主、副控制器正、反作用的选择
- 依据控制阀的气开、气关形式，副对象的放大倍数， 决定副控制器正反作用方式，使Kc2KvKp2Km2乘积为正 值，其中Km2通常总是正值。 - 主控制器的正、反作用主要取决于主对象的放大倍数， 使Kc1Kp1Km1的乘积为正值，通常Km1总是正值，因此应 使Kc1Kp1为正值。
3.1 串级控制系统
串级控制系统的性能分析
1. 能迅速克服进入副回路扰动的影响
r1
-
副回路扰动通道 传递函数
f2
Gf 2(s) 1 Gc2 (s)Gv (s)Gp2 (s)Gm2 (s)
Gc1(s)
Gc2 (s)Gv (s)Gp2 (s) 1 Gc2 (s)Gv (s)Gp2 (s)Gm2 (s)
3.1 串级控制系统
系统结构图
主控制器 副控制器
r1
e1
r1=u1 e2
u2
Gc1(s)
Gc2(s)
Gv(s)
-
-
ym2 Gm1(s)
副回路
ym1 Gm2(s)
主回路
副被控变量 主被控变量
f2
f1
Gf2(s)
Gf1(s)
y2
y1
Gpc12(s)
Gp1(s)
副被控对象 主被控对象
3.1 串级控制系统
- 逐步逼近法 （副——主——副——……） - 两步法（副——主） - 一步法（根据经验）
3.1 串级控制系统
串级控制控制器的参数整定
逐步逼近法
① 断开主回路，闭合副回路，按单回路控制系统的整定 方法整定副控制器参数； ② 闭合主、副回路，保持上一步取得的副控制器参数， 按单回路控制系统的整定方法整定主控制器参数； ③ 闭合主、副回路，主控制器参数保持的情况下，再次 调整副控制器参数； ④ 依次循环，直到求得合适的整定参数值。
复杂控制系统
3、控制器作用方向选择
原则：使得控制系统（主、副）为负反馈 。 （1）副控制器：由于副控制器处于副环， 因此副控制器的作用方向选择同简单控制系 统，使得副环成为负反馈控制系统。 （2）主控制器：主控制器处于主环中，无 论副控制器的作用方向是否选择好，主控制 器的作用方向都可单独选择，而与副控制器 无关。此时，把整个副环简化为一个方框。
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）。
（2）副控制器：副环是随动控制系统，副 被控变量的控制可以有余差，因此副控制器 一般采用比例控制规律即可。而且比例度较 小，使得控制作用较强，余差不大。如果引 入积分控制作用，会使控制作用滞后，甚至 带来积分饱和。 当流量为副被控变量时，由于对象的时 间常数和时滞都较小，可引入积分作用，但 比例度要设置较大。
图9－5 加热炉温度－压力串级控制系统
当串级控制系统经过简化后，确定主控 制器的作用方向更加容易，此时的等效方框 图中不用考虑控制阀的作用方向。 以图9-5所示的串级控制系统为例： 从加热炉安全角度考虑，控制阀选用气开 阀，为正作用方向。 副对象：正作用（燃料流量增加，控制阀 后压力增加） 主对象：正作用（控制阀后压力增加，加 热炉温度增加）
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
复杂控制系统
TSC
TST
T 被加热原料 燃料油 出口温度
图8-3 加热炉温度串级控制系统
干扰 f1 干扰 f2 rM eM rS eS u q 干扰 f3
出口温 度 TM
TMC
TSC yS
控制阀
温度对象 1
温度对象 2 炉膛温 度 TS
yM
TS 测量变送
TM 测量变送
图8-4 加热炉温度串级控制系统方块图
图8-5 串级 控制 系统 组成 原理 及术 语
TC
TT
PC
PT
T 出口温度 燃料油 气开阀 被加热原料
解答： (1)阀的气开、气关特性（应如何选择？）
依据安全原则，当供气中断时，应使控制阀处于全关闭状态，不致烧坏加热炉， 所以应选气开阀
TC
TT
PC
PT
T 出口温度 燃料油 气开阀 被加热原料
(2)控制器的正、反作用（如何确定？） 副控制 器 因为：
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。
复杂、成本高
实际工业控制过程对控制系统的要求： 在满足工艺要求的前提下，尽可能简单、经济
人们研究出了一种不需要增加太多的仪表就可以使被控变量达到较高的控制 精度的方法——串级控制系统。
串级控制系统的思想： 把时间常数较大的被控对象分解为两个时间常数较小的被 控对象。
尽快地克服扰动
(3)控制器作用方向的选择
依据：使系统为负反馈系统 副控制器方向的选择与简单系统类似。如何选择？
副控制器正、反作用的选择根据调节阀的气开、气关形式来确定。
主控制器正、反作用的选择根据副被控变量对主被控变量的影响关系来确定。
常见复杂控制系统共132页
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
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29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
132
常见复杂控制系统
46、法律有权打破平静。——马·格林 47、在一千磅法律里，没有一盎司仁 爱。— —英国
48、法律一多，公正就少。——托·富 勒 49、犯罪总是以惩罚相补偿；只有处 罚才能 使犯罪 得到偿 还。— —达雷 尔
50、弱者比强者更能得到法律的保护 。—— 威·厄尔
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