过程控制—复杂控制系统
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29- 《过程控制》第七章复杂控制系统(串级控制系统及其工作过程分析)
e e 1 温度控 P1 制器T1C
2
温度控 制器T2C
P2 执行器
F2
θ2
温度对象2
F1
θ1
温度对象1
Z1
Z2
θ2测量变送器
θ1测量变送器
一种是干扰作用下，主、副变量的变化方向相同（ 同时增加或同时减小）；
假设干扰使2 ↑- P1 ↓）↑↑→
P2↓↓→
θ1 ↓
θ2 ↓↓ ←阀↓↓
θ10
e e 1 温度控 P1 制器T1C
2
温度控 制器T2C
P2 执行器
F2
θ2
温度对象2
F1
θ1
温度对象1
Z1
Z2
θ2测量变送器
θ1测量变送器
另一种是主、副变量的变化方向相反（一个增加，另 一个减小）；
相反干扰（ θ1 ↓ 、θ2 ↑ ）
θ1↓→
P1 ↑→ e2（=Z2 ↑ - P1 ↑）变化小→ P2变化小→
扰进入副回路时，可以获得比单回路控制系统超前的 控制作用，有效地克服干扰对主被控变量的影响
θ10
e e 1 温度控 P1 制器T1C
2
温度控 制器T2C
P2 执行器
F2 θ2
温度对象2
F1
θ1
温度对象1
Z1
Z2
θ2测量变送器
θ1测量变送器
2. 当干扰作用于主对象（F1出现） 假设干扰使θ1温度升高
1. 当干扰作用于副回路（F2出现）：
设置了副回路以后，干扰F2引起θ2变化，温度控制器 T2C及时进行控制，使其很快稳定下来。
假设干扰使θ2温度升高。如干扰量小，经过副回路控制 后，影响不到物料出口温度θ1
复杂过程控制系统--串级控制
W *02 (s)W01 (s) Y1 (s) = F2 (s) 1+WC1 (s)W'02 (s)W01 (s)Wm1 (s)
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对于一个控制系统来说，当它在给定信号作用 下，其输出量能复现输入量的变化，即Y1(s)/X1(s) 越接近于1时，则系统的控制性能越好；当它在扰 动作用下，其控制作用能迅速克服扰动的影响，即 Y1(s)/F2(s)越接近于0时，则系统的控制性能越 好，系统的抗干扰能力就越强。 图4-5串级控制系统抗干扰能力可用下式表示： Y1 (s)/X 1 (s) WC1 (s)W'02 (s) QC2 (s) = = = WC1 (s)WC2 (s)WV (s) Y1 (s)/F2 (s) W *02 (s)
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(三)对一次扰动有较好的克服能力
对串级控制系统： Y1 (s)
W01 (s) = F1 (s) 1+WC1 (s)W'02 (s)W01 (s)Wm1 (s)
Байду номын сангаас
抗扰动能力：
Y1 (s)/X 1 (s) QC1 (s) = = WC1 (s)W'02 (s) Y1 (s)/F1 (s)
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(一)改善了被控过程的动态特性
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副回路闭环传递函数
WC2 (s)WV (s)W02 (s) Y2 (s) W02 (s) = = X 2 (s) 1+ WC2 (s)WV (s)W02 (s)Wm2 (s)
'
设W02(s)=K02/(T02s+1)，Wc2(s)=Kc2， ' Wv(s)=Kv，Wm2(s)=Km2，可得 ' K02 W02 (s) = ' T02 s + 1 ' 式中 K 02 ----等效被控过程的放大系数 ' T02 ----等效被控过程的时间常数
复杂过程控制系统
EXIT
第14页
过程控制及仪表
2．相对增益
在多变量过程控制系统中，虽然变量间相互关联，然而 总有一个操纵变量对某一被控变量旳影响是最基本旳， 对其他被控变量旳影响是次要旳，这就是操纵变量与被 控变量间旳搭配关系，也就是常说旳变量配对。
相对增益便是用来衡量一种选定旳操纵变量与其配正 确被控变量间相互影响旳尺度。
EXIT
第13页
过程控制及仪表
该系统中被控变量有两个，分别是塔顶温度T1 和塔底 温度T2；操作变量也有两个，即加热蒸汽流量Q2和回流 Q3。
T1C为塔顶温度控制器，其输出P1控制回流控制阀， 控制塔顶旳回流量，实现对塔顶温度T1旳控制。
T2C为塔底温度控制器，其输出P2控制再沸器加热蒸 汽控制阀，控制加热蒸汽流量Q2，实现对塔底温度T2旳 控制。
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第20页
过程控制及仪表
2．教授系统旳特点
教授系统经过移植到计算机内旳相应知识，模拟人类教 授旳推理决策过程。这一人工智能处理措施与常规旳软 件程序相比，具有如下旳明显特征：
1）教授系统是一种知识信息处理系统。 2）教授系统具有高度灵活旳问题求解能力。
3）教授系统具有启发性和透明性。
EXIT
第4页
EXIT
过程控制及仪表
根据其设计原理和构造旳不同，主要涉及： 增益调度自适应控制; 模型参照自适应控制系统; 自校正控制系统等。
EXIT
第5页
过程控制及仪表
1．增益调度自适应控制
这是一种最为简朴旳自适应控制系统，主要经过监测 过程旳运营条件来变化控制器旳参数，以此补偿系统 受环境等条件变化而造成对象参数变化旳影响，故称 为增益调度自适应控制。
第21页
过程控制及仪表
第7章 复杂过程控制系统
1
r
冷却水(F2)
出料
①进料流量、进料入口温度 及其化学成分，表示为Fl； ②冷却水的入口温度和阀前 压力，表示为 F2。
2
连续反应釜单回路温度控制系统
F2 Tr 温度检测变送单元 控制器 执行器 夹套 釜壁
F1 釜 T1
连续反应釜单回路温度控制系统框图
问题： 来自于冷却水的干扰F2会使夹套温度T2很快 发生变化 ，怎样及时抑制干扰F2对反应温 度T2的影响 ？ 关键： 把T2的变化及时检测到并加以控制，就可以 使调节阀尽早动作。
G02 ( s ) K 02 T02 s 1
Gc2 (s) Kc2 Gv (s) Kv Gm2 (s) Km2
' K K K ( T s 1) K ' c2 v 02 02 G02 ( s) ' 02 1 Kc2 Kv K02 Km2 (T02 s 1) T02 s 1
令
2 可写成标准形式： s 2 20 s 0 0
当 0 1 时
2 ' 1 ( T T 2 01 02 ) 串 =0 1- = ' 2 T01T02
' 而对于单回路： 单 0
'2 1 (T01 T02 ) '2 1 2 ' T01T02
23
2．两步整定法
1）在工况稳定、主副回路闭合的情况下，主控制器采 用纯比例控制，且比例度置于100%，用衰减曲线法（ 如n=4:1）整定副控制器参数，求得副控制器在4:1衰 减过程下的比例度δ2s和衰减振荡周期T2s。 2）将副控制器的比例度置为δ2s，把副回路等效成主 回路的一个环节，用同样的方法整定主控制器参数， 求得主控制器的比例度δ1s和衰减振荡周期T1s。 3）根据求得的δ2s、T2s、δ1s、T1s，按经验公式计 算出主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间 。 4）按照先副后主、先比例后积分再微分的次序将系 统投入运行，并观察过渡过程曲线，必要时进行适 当的调整，直到系统的控制质量符合要求为止。
r
冷却水(F2)
出料
①进料流量、进料入口温度 及其化学成分，表示为Fl； ②冷却水的入口温度和阀前 压力，表示为 F2。
2
连续反应釜单回路温度控制系统
F2 Tr 温度检测变送单元 控制器 执行器 夹套 釜壁
F1 釜 T1
连续反应釜单回路温度控制系统框图
问题： 来自于冷却水的干扰F2会使夹套温度T2很快 发生变化 ，怎样及时抑制干扰F2对反应温 度T2的影响 ？ 关键： 把T2的变化及时检测到并加以控制，就可以 使调节阀尽早动作。
G02 ( s ) K 02 T02 s 1
Gc2 (s) Kc2 Gv (s) Kv Gm2 (s) Km2
' K K K ( T s 1) K ' c2 v 02 02 G02 ( s) ' 02 1 Kc2 Kv K02 Km2 (T02 s 1) T02 s 1
令
2 可写成标准形式： s 2 20 s 0 0
当 0 1 时
2 ' 1 ( T T 2 01 02 ) 串 =0 1- = ' 2 T01T02
' 而对于单回路： 单 0
'2 1 (T01 T02 ) '2 1 2 ' T01T02
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2．两步整定法
1）在工况稳定、主副回路闭合的情况下，主控制器采 用纯比例控制，且比例度置于100%，用衰减曲线法（ 如n=4:1）整定副控制器参数，求得副控制器在4:1衰 减过程下的比例度δ2s和衰减振荡周期T2s。 2）将副控制器的比例度置为δ2s，把副回路等效成主 回路的一个环节，用同样的方法整定主控制器参数， 求得主控制器的比例度δ1s和衰减振荡周期T1s。 3）根据求得的δ2s、T2s、δ1s、T1s，按经验公式计 算出主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间 。 4）按照先副后主、先比例后积分再微分的次序将系 统投入运行，并观察过渡过程曲线，必要时进行适 当的调整，直到系统的控制质量符合要求为止。
复杂过程控制系统--串级控制专业教学
1.燃料压力、热值变化f2(t)和烟筒抽力变化f3(t) ----二次扰动或副回路扰动
2.被加热物料的流量和初温变化f1(t)----一次扰动 或主回路扰动
7
技术教育
3.一次扰动和二次扰动同时存在
假设调节阀为气开式，主、副调节器均为反 作用。如果一、二次扰动的作用使主、副被控参 数同时增大或同时减少，主、副调节器对调节阀 的控制方向是一致的，即大幅度关小或开大阀门， 加强控制作用，使炉出口温度很快调回到给定值 上。
串级控制系统主回路是一个定值控制系统。主 参数的选择和主回路的设计可以按照单回路控制 系统的设计原则进行。串级控制系统的设计主要 是副参数的选择和副回路的设计以及主、副回路 关系的考虑。
1．副回路应包括尽可能多的扰动
副回路对于包含在其内的二次扰动以及非线 性、参数变化有很强的抑制能力与一定的自适应 能力，因此副回路应包括生产过程中变化剧烈且 幅度大的主要扰动。
❖ 图4-5串级控制系统抗干扰能力可用下式表示：
QC2
(s)
=
Y1 (s)/X 1 (s) Y1(s)/F2 (s)
=
WC1 (s)W'02 (s) W *02 (s)
=
WC1
(s)WC2
(s)WV
(s)
14
技术教育
为了与单回路控制系统比较，用同样方法可得 出单回路控制系统(图4—1a)输出Y(s)对输入 X(s)的传递函数。
副调节器选P控制规律：副参数的设置是为了 保证主参数的控制质量，可以在一定范围内变化， 允许有余差。一般不引入积分(会延长控制过程， 减弱副回路的快速作用)。也不引入微分(副回路本 身起着快速作用，再引入微分规律会使调节阀动作 过大，对控制不利)。
29
2.被加热物料的流量和初温变化f1(t)----一次扰动 或主回路扰动
7
技术教育
3.一次扰动和二次扰动同时存在
假设调节阀为气开式，主、副调节器均为反 作用。如果一、二次扰动的作用使主、副被控参 数同时增大或同时减少，主、副调节器对调节阀 的控制方向是一致的，即大幅度关小或开大阀门， 加强控制作用，使炉出口温度很快调回到给定值 上。
串级控制系统主回路是一个定值控制系统。主 参数的选择和主回路的设计可以按照单回路控制 系统的设计原则进行。串级控制系统的设计主要 是副参数的选择和副回路的设计以及主、副回路 关系的考虑。
1．副回路应包括尽可能多的扰动
副回路对于包含在其内的二次扰动以及非线 性、参数变化有很强的抑制能力与一定的自适应 能力，因此副回路应包括生产过程中变化剧烈且 幅度大的主要扰动。
❖ 图4-5串级控制系统抗干扰能力可用下式表示：
QC2
(s)
=
Y1 (s)/X 1 (s) Y1(s)/F2 (s)
=
WC1 (s)W'02 (s) W *02 (s)
=
WC1
(s)WC2
(s)WV
(s)
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技术教育
为了与单回路控制系统比较，用同样方法可得 出单回路控制系统(图4—1a)输出Y(s)对输入 X(s)的传递函数。
副调节器选P控制规律：副参数的设置是为了 保证主参数的控制质量，可以在一定范围内变化， 允许有余差。一般不引入积分(会延长控制过程， 减弱副回路的快速作用)。也不引入微分(副回路本 身起着快速作用，再引入微分规律会使调节阀动作 过大，对控制不利)。
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过程控制-第4章 复杂控制系统
第五章复杂控制系统钱厚亮南京工程学院工业中心2013/01一、串级控制系统二、均匀控制系统三、比值控制系统四、前馈控制系统复杂控制系统定义:通常复杂控制系统是多变量的，具有两个以上变送器、两个以上控制器或两个以上控制阀所组成的多个回路的控制系统，所以又称为多回路控制系统。
常见的复杂控制系统有串级、均匀、比值、分程、三冲量、前馈、选择性等系统。
4.1 串级控制系统一、串级控制系统概述目的：①可延长炉子寿命，防止炉管烧坏；②可保证后面精馏分离的质量。
为了控制炉出口温度，可以设置一个简单控制系统。
PID反作用气开由于炉子的控制通道容量滞后很大，反应缓慢，控制精度低，但是工艺上要求炉出口温度的变化范围为±(1～2)℃。
上图的单变量单回路控制系统是难以满足的。
串级控制系统简单控制系统1.串级控制系统的组成串级控制系统定义:由两个测量变送器、两个控制器其中一个控制器的输出是另一个控制器的给定、一个控制阀组成的双闭环定值系统.2.串级控制系统中常用的名词主被控变量（Yl)：是工艺控制指标或与工艺控制指标有直接关系，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。
副被控变量（Y2）：大多为影响主被控变量的重要参数。
主控制器：在系统中起主导作用，按主被控变量和其设定值之差进行控制运算，并将其输出作为副控制器给定值。
副控制器：在系统中起辅助作用，按所测得的副被控变量和主控输出之差来进行控制运算，其输出直接作用于控制阀的控制器，简称为“副控”。
主变送器：测量并转换主被控变量的变送器。
副变送器：测量并转换副被控变量的变送器。
主对象：大多为工业过程中所要控制的、由主被控 变量表征其主要特性的生产设备或过程。
副对象：大多为工业过程中影响主被控变量的、由副被控变量表征其特性的辅助生产设备或辅助过程。
副回路:由副变送器、副控制器、控制阀和副对象所构成的闭环回路 , 又称为“ 副环” 或“内环”。
主回路：由主变送器、主控制器、副回路等效环节、主对象所构成的闭环回路，又称为“主环”或“外环”。
复杂过程控制系统
EX2:矿浆池的液位及出浆量均匀控制
• 磨矿及浮选工艺中，生产工艺要求：
1.矿浆池的液位保持相对稳定。 2.矿浆池的出浆流量，即送入浮选设备的矿浆量保持相对稳定。
原矿矿浆
浮选流程 LT LC
泵
16
8.7 分程控制系统
1、问题的提出
Q1:采用一个控制阀，能够控制的最大流量和最小流量不可能相差 太大，满足不了生产上流量大范围变化的要求。
主要干扰
进料流量
测量变送
f(t)
y(t)
前馈补偿器 执行器 被控过程
换热器的前馈控制
优点：同步于扰动，立刻进行控制。
局限性：只能克服主要干扰的影响，对于其他干扰则不能起到很好的控制。
3
8.1 前馈控制系统
前馈控制与反馈控制的比较
控制类型 反馈控制
基于偏差来消除偏差。
总要等到引起被控量发生偏差 后，控制器才动作，是一种“ 不及时”的控制。 闭环控制。存在稳定性问题。 可消除被包围在闭环内的一切 扰动对被控量的影响。 通常是P、PI、PD、PID等典型 规律。
19
8.7 分程控制系统
分程控制分类
100% 阀 门 开 度 0 0.02 0.06 阀压 (a)两阀气开式 100% 阀 门 开 度 0 0.02 0.06 阀压 (c)气开气关式 0.1MPa 100% 阀 门 开 度 0 0.02 0.06 阀压 (d)气关气开式 0.1MPa 0.1MPa 100% 阀 门 开 度 0 0.02 0.06 阀压 (b)两阀气关式 0.1MPa
第8章 复杂过程控制系统
主要内容
♦ 理解前馈控制系统 ♦ 了解时间滞后控制系统 ♦ 了解解耦控制系统 ♦ 了解比值控制系统
♦ 理解均匀控制系统
• 磨矿及浮选工艺中，生产工艺要求：
1.矿浆池的液位保持相对稳定。 2.矿浆池的出浆流量，即送入浮选设备的矿浆量保持相对稳定。
原矿矿浆
浮选流程 LT LC
泵
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8.7 分程控制系统
1、问题的提出
Q1:采用一个控制阀，能够控制的最大流量和最小流量不可能相差 太大，满足不了生产上流量大范围变化的要求。
主要干扰
进料流量
测量变送
f(t)
y(t)
前馈补偿器 执行器 被控过程
换热器的前馈控制
优点：同步于扰动，立刻进行控制。
局限性：只能克服主要干扰的影响，对于其他干扰则不能起到很好的控制。
3
8.1 前馈控制系统
前馈控制与反馈控制的比较
控制类型 反馈控制
基于偏差来消除偏差。
总要等到引起被控量发生偏差 后，控制器才动作，是一种“ 不及时”的控制。 闭环控制。存在稳定性问题。 可消除被包围在闭环内的一切 扰动对被控量的影响。 通常是P、PI、PD、PID等典型 规律。
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8.7 分程控制系统
分程控制分类
100% 阀 门 开 度 0 0.02 0.06 阀压 (a)两阀气开式 100% 阀 门 开 度 0 0.02 0.06 阀压 (c)气开气关式 0.1MPa 100% 阀 门 开 度 0 0.02 0.06 阀压 (d)气关气开式 0.1MPa 0.1MPa 100% 阀 门 开 度 0 0.02 0.06 阀压 (b)两阀气关式 0.1MPa
第8章 复杂过程控制系统
主要内容
♦ 理解前馈控制系统 ♦ 了解时间滞后控制系统 ♦ 了解解耦控制系统 ♦ 了解比值控制系统
♦ 理解均匀控制系统
第4章 复杂过程控制系统
一、用于克服对象的纯滞后
当被控对象纯滞后时间较长时，在离控制阀较近、ห้องสมุดไป่ตู้纯滞后时间较小的地方选择一个副变量，把干扰拉入副 回路。 利用副回路的超前作用来克服对象的纯滞后仅仅是 对二次干扰而言的，一次干扰不直接影响副变量。
例 如下图所示：
被控参数：A点温度
控制参数：减温水流量
主要干扰：减温水压力波动。
例 如下张图：
燃料油热值 变化后，炉膛反 应滞后3分钟，而 出口温度则需 15 分钟。
三、用于克服变化剧烈和幅值大的干扰
串级控制系统对二次 干扰具有很强的克服能 力。 设计时应把变化剧 烈、幅值大的干扰包含 在副回路中。 副回路放大系数应大 些，会使抗干扰能力大 大提高。 例 如下图4-13，脱 气塔的压力对主控指标 (液位)影响很大，甚至 造成溢出或打干的事故， 是主干扰，串级控制后 效果很好。
3、对主变量控制要求不高，甚至允许小波动 主变量采用P规律，副回路对主回路的跟随要求快 而准时采用PI控制规律。
4、对主、副变量控制要求均不高 可均采用P规律；必要时对主变量控制引进微分 作用 。
(二)、正、反作用方式的选择 副控制器按单回路方式选择，具体见前章。
主控制器按下式确定: (主控制器+/-)(副对象+/-)(主对象+/-)=(-) 主、副控制器正、反作用方式的确定是否正确， 可进行验证，如图。
思考题
1、与单回路系统相比，串级控制系统有哪些主
要特点？ 2、为什么说串级控制系统具有改善过程动态特 性的特点？T’02和K’02减小与提高控制质量有何关系 ？
3、为什么提高系统工作频率也算是串级控制系
统的一大特点？
下一章
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温度测量
复杂过程控制系统
复杂过程控制系统复杂过程控制系统是在工业生产中广泛应用的一种自动化控制系统。
它通常由多个子系统和分布式控制单元组成，用于监测和控制物理过程中的各种参数和变量。
这些系统通常用于化工、石油、电力、冶金和制药等行业，帮助提高生产效率、降低生产成本，并确保产品质量的稳定性。
1.传感器和执行器：传感器用于监测和测量物理过程中的各种参数，如温度、压力、流量和浓度等。
执行器用于控制各种执行设备，如阀门、开关和电机等。
2.控制器：控制器是系统的核心组件，负责处理传感器采集到的数据，并根据预定的控制算法进行计算和决策。
常见的控制算法包括PID控制、模糊逻辑控制和模型预测控制等。
3.通信网络：复杂过程控制系统通常是分布式的，需要通过通信网络将各个子系统和分布式控制单元连接起来，实现数据的传输和共享。
通信网络可以采用以太网、现场总线和无线通讯等多种技术。
4.数据存储和处理：复杂过程控制系统通常需要处理大量的实时数据，这些数据需要进行存储和处理，以便后续分析和优化。
常见的数据存储和处理技术包括数据库、数据仓库和大数据分析等。
5.人机界面：复杂过程控制系统通常需要人机界面来展示和操作控制系统的状态和参数。
人机界面可以采用计算机监视器、触摸屏和报警器等多种设备，以便操作员及时了解系统的运行状况并进行调整。
在复杂过程控制系统中，通常还需要考虑以下几个方面的问题：1.安全性：复杂过程控制系统通常处于高风险的工业环境中，因此安全性是一个重要考虑因素。
系统需要采取措施来防止任何非法、损坏或恶意的访问，并确保系统的稳定性和可靠性。
2.可靠性：复杂过程控制系统通常需要长时间的运行，因此可靠性是一个重要指标。
系统需要设计合理的备份机制和冗余系统，以防止单点故障导致系统的停机或数据丢失。
3.故障诊断和维护：系统需要具备故障诊断和维护功能，以便快速发现和解决系统中的故障。
这可以通过自动化的故障诊断系统和远程监控系统来实现。
4.系统集成：复杂过程控制系统通常由多个子系统和分布式控制单元组成，系统集成是一个重要的工作。
第3章 复杂控制系统-过程控制系统-慕延华-清华大学出版社
2021/4/16
第3章 复杂控制系统
4
3.1 串级控制系统
• 3.1.1 串级控制系统的基本原理和结构 • 3.1.2 串级控制系统的特点 • 3.1.3 串级控制系统的设计 • 3.1.4 串级控制系统的参数整定及投运 • 3.1.5 串级控制系统的变型 • 3.1.6 串级控制系统Simulink仿真示例
2021/4/16
第3章 复杂控制系统
7
3.1.1 串级控制系统的基本原理和结构
• 如果改用图3-2所示的流量控制系统，则对温度来说是开环 的，此时对于控制阀的阀前压力等扰动，可以迅速克服， 但对于被加热油料的流量变化、燃料油的热值变化等扰动 ，却完全无能为力。
出口温度 1
FT
FCΒιβλιοθήκη 燃料油2021/4/16
• 主回路是由主控制器、主变送器、副回路等效环节、主对 象所构成的闭环回路。
2021/4/16
第3章 复杂控制系统
12
3.1.1 串级控制系统的基本原理和结构
• 图3-5是用传递函数描述的串级控制系统框图。
r1
e1
Gc1(s)
r2=u1
e2
u2
Gc2(s) Gv(s)
－
－
ym2
Gm2(s)
ym1 Gm1(s)
过程控制系统
第3章 复杂控制系统
2021/4/16
第3章 复杂控制系统
1
第3章 复杂控制系统
• 3.1 串级控制系统 • 3.2 比值控制系统 • 3.3 均匀控制系统 • 3.4 前馈控制系统 • 3.5 选择性控制系统 • 3.6 分程控制系统 • 3.7 双重控制系统
2021/4/16
第3章 复杂控制系统
第4-1章 复杂过程控制系统-串级控制系统
先副回路， 后主回路
情况二：干扰来自原料油方面，使炉出口温度升高
出口温度 温度控制器输出 流量控制器设定值 。 燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化。
-过程控制
第四章 复杂过程控制系统
情况三：一次干扰和二次干扰同时存在
主、副变量同向变化
主、副调节器共同作用，执行阀的开度大幅度变化， 使得炉出口温度很快恢复到设定值。
-过程控制 过程控制
第四章 复杂过程控制系统
-过程控制
第四章 复杂过程控制系统
回顾
单回路系统： 一个被控过程，采用一个测量变送器检测被控
过程，采用一个控制器保持一个被控参数恒定， 或在小范围内变化，其输出也只控制一个执行 机构的系统。
着眼点：
运用PID控制，着眼于一个物理量的稳定工作， 控制方块图也是由一个闭环完成的。
控参数，输出量为主被控参数。
t 副被控过程—由副被控参数作为输出的生产过程，其输入量为控制参 数。 t 主调节器 —按主被控参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器 ，其输出作为副调节器的给定值。 t 副调节器 —按副被控参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的 调节器，其输出控制调节阀动作。
t副回路—由副调节器、副被控过程和副测量变送器组成的闭合回路。
t一次扰动—不包括在副回路内的扰动。 t二次扰动—包括在副回路内的扰动。
-过程控制
第四章 复杂过程控制系统
串级控制原理
一、串级控制系统的组成
例 ：管式加热炉是炼油厂经常采用的设备之一（如下所示），
其工艺要求是：炉出口温度保持恒定。
干扰：
原料的流量、初始温度； 燃料的流量、燃料热值。
-过程控制
第四章 复杂过程控制系统
过程控制 第二篇复杂控制
2）副回路是一个快速流量随动系统，能快速跟踪主调节器的输 出，精确地控制调节量（流量），从而保证控制品质。
过程控制
第二篇
复杂控制系统
§5-3 串级控制系统设计和实施中的几个问题
1. 副回路的设计
1）副调参数选择应使副回路的时 间常数小；
这样通道短，反应灵敏。 2）副回路应包含主要的扰动；
一般应把调节量扰动包含在内。
θr
PID1
PID2
θT2
θT1
减温器 过热器
过程控制
第二篇
复杂控制系统
2. 主、副回路工作频率的选择
R
Gc1(s)
Gc2(s)
1
Y2
1
Y1
e-1s
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(5.3s + 1)2
(10.3s +1)2
ω M( )
ωr
ω
1 3
1
2 ωr
副回路的工作频率应选择主回路工作频率的3~10倍
过程控制
第二篇
复杂控制系统
- Gc(s) Kv
D Gd (s)
+y Gp(s) +
反馈控制的缺点： 有偏差才控制 不能事先规定调节器的输出
D
Gff(s) Kv
Gd (s)
+y Gp(s) +
前馈控制器
设计控制器Gff(s)，使 Gff(s) Kv Gp(s)+ Gd (s)=0。
则扰动D的变化与输出Y无关。
过程控制
第二篇
复杂控制系统
Vs
B
燃料扰动：
给煤机（给粉机）转速变化 媒质变化
方案1：以给煤机（给粉机）转速为中间测点 方案2：以构造的热量测量信号为中间测点
过程控制
第二篇
复杂控制系统
§5-3 串级控制系统设计和实施中的几个问题
1. 副回路的设计
1）副调参数选择应使副回路的时 间常数小；
这样通道短，反应灵敏。 2）副回路应包含主要的扰动；
一般应把调节量扰动包含在内。
θr
PID1
PID2
θT2
θT1
减温器 过热器
过程控制
第二篇
复杂控制系统
2. 主、副回路工作频率的选择
R
Gc1(s)
Gc2(s)
1
Y2
1
Y1
e-1s
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(5.3s + 1)2
(10.3s +1)2
ω M( )
ωr
ω
1 3
1
2 ωr
副回路的工作频率应选择主回路工作频率的3~10倍
过程控制
第二篇
复杂控制系统
- Gc(s) Kv
D Gd (s)
+y Gp(s) +
反馈控制的缺点： 有偏差才控制 不能事先规定调节器的输出
D
Gff(s) Kv
Gd (s)
+y Gp(s) +
前馈控制器
设计控制器Gff(s)，使 Gff(s) Kv Gp(s)+ Gd (s)=0。
则扰动D的变化与输出Y无关。
过程控制
第二篇
复杂控制系统
Vs
B
燃料扰动：
给煤机（给粉机）转速变化 媒质变化
方案1：以给煤机（给粉机）转速为中间测点 方案2：以构造的热量测量信号为中间测点
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D1 Di Dn
μ
对 象
前馈控制系统
…
y
前馈控制器
…
过程控制
第二篇
复杂控制系统
过程控制
第二篇
复杂控制系统
2 静态前馈 定义：保证在系统稳态下补偿扰动作用的前馈称为静态
前馈。即基于稳态不变性原理
当 Di (t ) 0 时， lim y (t ) 0
t
前馈控制器的设计可按简单情况和复杂情况进行
t
（4）选择不变性：对主要扰动不变性
过程控制
第二篇
复杂控制系统
§6-2 前馈控制系统
1 基本概念
2 静态前馈
3 动态前馈
4 前馈——反馈控制系统
过程控制
第二篇
复杂控制系统
1 基本概念
D H
汽包水位控制例
D Gff(s) + Δw Kv Gp(s) Gd(s) H
r
W
Gc1(s)
Gc2(s)
G ff (s) 1+ T ps 1+ T ds e
-(τ d - τ p )s
Gd(s) Gp(s)
扰 动 D
讨论：
-(τd - τp )s （1）Tp=Td，则 Gff (s) e
若 τ d τ p , 动态前馈为纯迟延可实现； 若 τ d τ p , 动态前馈为纯提前不可实现。 由此可得到：在选择调节通道时应选
过程控制
第二篇
复杂控制系统
列管换热器控制
θ2r
+ ∑
×
-
D
k
QC
换热器热平衡方程为：
Qcp (2r 1 ) DHs
θT
加热蒸汽
DT
DT
c p 为定压比热容
H s为汽化潜热
θ1 料液
θ2 Q
那么前馈控制器为：
K ff D cp Hs
静态前馈控制器
常数
Q( 2 r 1 ) kQ( 2 r 1 )
U(s)
-
Kpgp (s)e-τds
e-τds
Y(s) - + + +
Kpgp (s)
Gf(S)
-τ d s -τ d s 1 + K g (s)G (s) G (s)K g (s)(1 e ) K g (s)e Y(s) p p f c p p p p = D(s) 1 + K p g p (s)G f (s) G c (s)K p g p (s)
2）前馈控制器的调节规律取决于过程的干扰通道特性和控制通道特性。 准确掌握上述特性是困难的，前馈控制器难以获得；工程上难于实现。 被控过程的非线性，使其动态特性发生变化，原有前馈控制器不再 适用，无法实现干扰的动态完全补偿。
前馈控制往往不能单独使用。
过程控制
第二篇
复杂控制系统
4 前馈—反馈控制 前馈控制的优点： 前馈控制的缺点： 反馈控制的优点： 反馈控制的缺点：
过程控制
第二篇
复杂控制系统 D Gff(s)
3 动态前馈
Kd -τ d s G (s) = e 若 d 1 + Td s
Gd(s)
Gp(s)
G p (s) =
Kp 1 + Tps
e
-τp s
K d 1 + Tp s -(τ d - τ p )s G ff (s) = e K p 1 + Td s K ff 1 + Tp s 1 + Td s e
Y(s)
D1(s) Di(s) Dn(s)
U(s)
当 Di (t ) 0 时， y(t ) 0 i 1, 2, n
被控对象中的内部扰动（调节量）和外部扰动
工程实际中几种不变性 （1）绝对不变性： 当 Di (t ) 0 时，y(t ) 0
y(t ) （2）误差不变性： 当 Di (t ) 0 时， （3）稳态不变性： 当 Di (t ) 0 时， lim y (t ) 0
-
Gc(s)
Kv
Gp(s) +
不能事先规定调节器的输出
D
Gff(s) Kv
Gd (s)
+y
设计控制器Gff(s)，使 Gff(s) Kv Gp(s)+ Gd (s)=0。
Gp(s) +
则扰动D的变化与输出Y无关。
过程控制
第二篇
复杂控制系统
不变性原理：
控制系统的被调量与扰动量绝对无关 或在一定准确度下无关。即：
过程控制
第二篇
G f (s) =
-(τ d - τ p )s
静态前馈kff
动态前馈G'ff(s)
过程控制
第二篇
复杂控制系统 D Kff
动态前馈G‘ff(s)的图示说明：
扰动D
Gd(s)
Gp(s)
扰动输出
静态前馈控制
系统输出
动态前馈要 消除的面积
调节输出
动态前馈产 生的面积
过程控制
第二篇
复杂控制系统 D Gff(s)
动态前馈控制器（补偿器）
使可测扰动对系统没有影响或影响很小； 对系统的稳定性没有影响。 对不可测扰动或不明扰动无法消除影响；
控制器和对象参数变化影响系统的准确性。
任何扰动对系统的影响均可消除；
系统准确性高。
有偏差才控制 不能事先规定调节器的输出
将前馈、反馈控制结合可优势互补，扬长避短
过程控制
第二篇
复杂控制系统
4.1前馈-反馈复合控制系统
GB ( s)
GF ( s) G01 ( s)
多个变化频繁且剧烈的干扰影响，同时对被控变量的控制质量和稳定性要求较高
过程控制
第二篇
复杂控制系统
5 前馈控制系统---选用原则
1）实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测既不可控性。
2 ）当过程控制通道的时间常数比干扰通道的时间常数大，
且反馈控制不及时而导致控制质量较差时，选用前馈控制。 3）当主要干扰无法用串级控制使其包含在副回路内或者副 回路滞后过大时，选用前馈控制。 4）经济性原则。通常动态前馈控制器的投资高于静态前馈 控制器。若静态前馈控制能够达到工艺要求时，应采用静态 前馈控制。
Gc ( s)G0 ( s) GF ( s) GB ( s)G0 ( s) Y ( s) R( s ) F ( s) 1 Gc ( s)G0 ( s) 1 Gc ( s)G0 ( s)
反馈控制 前馈控制
Y ( s) GF ( s) GB ( s)G0 ( s) 0 F ( s) 1 Gc ( s)G0 ( s)
d
整理得史密斯预估器为： Ksgs (s) = Kpgp (s)(1 e-τ s )
过程控制
第二篇
R(s) + -
复杂控制系统
D(s) Gc(S) Y'(s) U(s)
史密斯控制框图
Kpgp (s)e-τds
e-τds
Y(s) - + + +
Kp(s)K p g p (s)e -τds Y(s) = R (s) 1 + G c (s)K p g p (s)e -τd s G c (s)K p g p (s)(1 - e -τd s ) G c (s)K p g p (s)e -τds 1 + G c (s)K p g p (s)
GF (s) GB (s)G0 (s) 0
系统稳定性由反馈控制回路决定。加不加前馈控制器并不影响系统的稳定性。
过程控制
第二篇
复杂控制系统
4.2前馈-串级复合控制系统
* * Gc1 (s)G02 (s)G01 (s) GF (s) GB (s)G02 (s)G01 (s) Y1 (s) R ( s ) F1 (s) * * 1 Gc1 (s)G02 (s)G01 (s) 1 Gc1 (s)G02 (s)G01 (s)
扰 动 D
Gd(s)
Gp(s)
一般对象的纯迟延并不明显，因此 动态前馈常采用
G ff (s) 1+ T 1s 1 + T2s
过程控制
第二篇
复杂控制系统
3、前馈控制系统---特点
1）前馈控制属于开环控制。
----只要系统中各环节是稳定的，控制系统必然稳定。 反馈控制是闭环控制。 ----即使各环节稳定，也不能保证闭环系统稳定。 2）前馈控制是“基于干扰来消除干扰对被控量的影响”。 ----通过前馈控制器的补偿作用及时抑制干扰对被控变量的影响。 反馈控制是“基于偏差来消除偏差”。 ----当干扰引起被控变量产生偏差后才能产生控制作用。 3）前馈控制器的控制规律取决于过程特性，是一个专用控制器。 反馈控制系统中，控制器通常采用P、PI、PD、PID等典型控制策略。
K DTDs TDs + 1
中间反馈控制
微分先行控制
过程控制
第二篇
复杂控制系统
2 4 s 某大迟延对象G p ( s) 4s 1 e 不同控制方案仿真结果
方案 PID 微分先行 中间反馈 超调量 0.289 0.162 0.133 调节时间 25min 28min 21min
过程控制
第二篇
过程控制
第二篇
复杂控制系统
第六章 利用补偿原理提高系统的控制品质
§6-1 概述 §6-2 前馈控制系统 §6-3 大迟延系统
§6-4 非线性增益补偿系统（自学）
过程控制
第二篇
复杂控制系统
§6-1 概述
反馈控制原理：按尝试法根据偏差进行控制
D Gd (s) r +
+ y
μ
对 象
前馈控制系统
…
y
前馈控制器
…
过程控制
第二篇
复杂控制系统
过程控制
第二篇
复杂控制系统
2 静态前馈 定义：保证在系统稳态下补偿扰动作用的前馈称为静态
前馈。即基于稳态不变性原理
当 Di (t ) 0 时， lim y (t ) 0
t
前馈控制器的设计可按简单情况和复杂情况进行
t
（4）选择不变性：对主要扰动不变性
过程控制
第二篇
复杂控制系统
§6-2 前馈控制系统
1 基本概念
2 静态前馈
3 动态前馈
4 前馈——反馈控制系统
过程控制
第二篇
复杂控制系统
1 基本概念
D H
汽包水位控制例
D Gff(s) + Δw Kv Gp(s) Gd(s) H
r
W
Gc1(s)
Gc2(s)
G ff (s) 1+ T ps 1+ T ds e
-(τ d - τ p )s
Gd(s) Gp(s)
扰 动 D
讨论：
-(τd - τp )s （1）Tp=Td，则 Gff (s) e
若 τ d τ p , 动态前馈为纯迟延可实现； 若 τ d τ p , 动态前馈为纯提前不可实现。 由此可得到：在选择调节通道时应选
过程控制
第二篇
复杂控制系统
列管换热器控制
θ2r
+ ∑
×
-
D
k
QC
换热器热平衡方程为：
Qcp (2r 1 ) DHs
θT
加热蒸汽
DT
DT
c p 为定压比热容
H s为汽化潜热
θ1 料液
θ2 Q
那么前馈控制器为：
K ff D cp Hs
静态前馈控制器
常数
Q( 2 r 1 ) kQ( 2 r 1 )
U(s)
-
Kpgp (s)e-τds
e-τds
Y(s) - + + +
Kpgp (s)
Gf(S)
-τ d s -τ d s 1 + K g (s)G (s) G (s)K g (s)(1 e ) K g (s)e Y(s) p p f c p p p p = D(s) 1 + K p g p (s)G f (s) G c (s)K p g p (s)
2）前馈控制器的调节规律取决于过程的干扰通道特性和控制通道特性。 准确掌握上述特性是困难的，前馈控制器难以获得；工程上难于实现。 被控过程的非线性，使其动态特性发生变化，原有前馈控制器不再 适用，无法实现干扰的动态完全补偿。
前馈控制往往不能单独使用。
过程控制
第二篇
复杂控制系统
4 前馈—反馈控制 前馈控制的优点： 前馈控制的缺点： 反馈控制的优点： 反馈控制的缺点：
过程控制
第二篇
复杂控制系统 D Gff(s)
3 动态前馈
Kd -τ d s G (s) = e 若 d 1 + Td s
Gd(s)
Gp(s)
G p (s) =
Kp 1 + Tps
e
-τp s
K d 1 + Tp s -(τ d - τ p )s G ff (s) = e K p 1 + Td s K ff 1 + Tp s 1 + Td s e
Y(s)
D1(s) Di(s) Dn(s)
U(s)
当 Di (t ) 0 时， y(t ) 0 i 1, 2, n
被控对象中的内部扰动（调节量）和外部扰动
工程实际中几种不变性 （1）绝对不变性： 当 Di (t ) 0 时，y(t ) 0
y(t ) （2）误差不变性： 当 Di (t ) 0 时， （3）稳态不变性： 当 Di (t ) 0 时， lim y (t ) 0
-
Gc(s)
Kv
Gp(s) +
不能事先规定调节器的输出
D
Gff(s) Kv
Gd (s)
+y
设计控制器Gff(s)，使 Gff(s) Kv Gp(s)+ Gd (s)=0。
Gp(s) +
则扰动D的变化与输出Y无关。
过程控制
第二篇
复杂控制系统
不变性原理：
控制系统的被调量与扰动量绝对无关 或在一定准确度下无关。即：
过程控制
第二篇
G f (s) =
-(τ d - τ p )s
静态前馈kff
动态前馈G'ff(s)
过程控制
第二篇
复杂控制系统 D Kff
动态前馈G‘ff(s)的图示说明：
扰动D
Gd(s)
Gp(s)
扰动输出
静态前馈控制
系统输出
动态前馈要 消除的面积
调节输出
动态前馈产 生的面积
过程控制
第二篇
复杂控制系统 D Gff(s)
动态前馈控制器（补偿器）
使可测扰动对系统没有影响或影响很小； 对系统的稳定性没有影响。 对不可测扰动或不明扰动无法消除影响；
控制器和对象参数变化影响系统的准确性。
任何扰动对系统的影响均可消除；
系统准确性高。
有偏差才控制 不能事先规定调节器的输出
将前馈、反馈控制结合可优势互补，扬长避短
过程控制
第二篇
复杂控制系统
4.1前馈-反馈复合控制系统
GB ( s)
GF ( s) G01 ( s)
多个变化频繁且剧烈的干扰影响，同时对被控变量的控制质量和稳定性要求较高
过程控制
第二篇
复杂控制系统
5 前馈控制系统---选用原则
1）实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测既不可控性。
2 ）当过程控制通道的时间常数比干扰通道的时间常数大，
且反馈控制不及时而导致控制质量较差时，选用前馈控制。 3）当主要干扰无法用串级控制使其包含在副回路内或者副 回路滞后过大时，选用前馈控制。 4）经济性原则。通常动态前馈控制器的投资高于静态前馈 控制器。若静态前馈控制能够达到工艺要求时，应采用静态 前馈控制。
Gc ( s)G0 ( s) GF ( s) GB ( s)G0 ( s) Y ( s) R( s ) F ( s) 1 Gc ( s)G0 ( s) 1 Gc ( s)G0 ( s)
反馈控制 前馈控制
Y ( s) GF ( s) GB ( s)G0 ( s) 0 F ( s) 1 Gc ( s)G0 ( s)
d
整理得史密斯预估器为： Ksgs (s) = Kpgp (s)(1 e-τ s )
过程控制
第二篇
R(s) + -
复杂控制系统
D(s) Gc(S) Y'(s) U(s)
史密斯控制框图
Kpgp (s)e-τds
e-τds
Y(s) - + + +
Kp(s)K p g p (s)e -τds Y(s) = R (s) 1 + G c (s)K p g p (s)e -τd s G c (s)K p g p (s)(1 - e -τd s ) G c (s)K p g p (s)e -τds 1 + G c (s)K p g p (s)
GF (s) GB (s)G0 (s) 0
系统稳定性由反馈控制回路决定。加不加前馈控制器并不影响系统的稳定性。
过程控制
第二篇
复杂控制系统
4.2前馈-串级复合控制系统
* * Gc1 (s)G02 (s)G01 (s) GF (s) GB (s)G02 (s)G01 (s) Y1 (s) R ( s ) F1 (s) * * 1 Gc1 (s)G02 (s)G01 (s) 1 Gc1 (s)G02 (s)G01 (s)
扰 动 D
Gd(s)
Gp(s)
一般对象的纯迟延并不明显，因此 动态前馈常采用
G ff (s) 1+ T 1s 1 + T2s
过程控制
第二篇
复杂控制系统
3、前馈控制系统---特点
1）前馈控制属于开环控制。
----只要系统中各环节是稳定的，控制系统必然稳定。 反馈控制是闭环控制。 ----即使各环节稳定，也不能保证闭环系统稳定。 2）前馈控制是“基于干扰来消除干扰对被控量的影响”。 ----通过前馈控制器的补偿作用及时抑制干扰对被控变量的影响。 反馈控制是“基于偏差来消除偏差”。 ----当干扰引起被控变量产生偏差后才能产生控制作用。 3）前馈控制器的控制规律取决于过程特性，是一个专用控制器。 反馈控制系统中，控制器通常采用P、PI、PD、PID等典型控制策略。
K DTDs TDs + 1
中间反馈控制
微分先行控制
过程控制
第二篇
复杂控制系统
2 4 s 某大迟延对象G p ( s) 4s 1 e 不同控制方案仿真结果
方案 PID 微分先行 中间反馈 超调量 0.289 0.162 0.133 调节时间 25min 28min 21min
过程控制
第二篇
过程控制
第二篇
复杂控制系统
第六章 利用补偿原理提高系统的控制品质
§6-1 概述 §6-2 前馈控制系统 §6-3 大迟延系统
§6-4 非线性增益补偿系统（自学）
过程控制
第二篇
复杂控制系统
§6-1 概述
反馈控制原理：按尝试法根据偏差进行控制
D Gd (s) r +
+ y