第五章 复合控制系统控制系统

TI se −τs Y(s) = D(s) TI sWo−1 (s) + k c (TI s + 1)(TDs + 1)e −τs
(1)
(2)
•微分先行：式(3)、式(4)。
k c (TI s + 1)e −τs Y( s ) = R(s) TI sWo−1 (s) + k c (TI s + 1)(TD + 1)e −τs ( 3)
2、解决办法
•两塔之 间增设缓冲器 (不适宜)。 •采用均 匀控制系统 (上策)。 3、均匀控制的含义 •是指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地 、均 匀地变化，使前后设备在物料供求上相互兼顾、均匀协 调的系统。
4、均匀控制的特点 •表征前后供求矛盾的两个参数都是变化的，变 化是缓慢的，是在允许范围内波动的。参见下图。
四、前馈--串级控制系统
1、方法的提出 •为了保证前馈控制 的精度，常希望控制阀 灵敏、线性等； •采用串级控制系统 可满足以上要求。 2、原理与结构图
3、应用举例：
思考题
1、前馈控制有哪几种主要型式？ 2、前馈控制与反馈控制各有什么特点？ 3、为什么一般不单独使用前馈控制方案？
第六章 大滞后补偿控制
§ 6- 1 克服纯 滞后的 几种常 见方案
6.2
6.3
1、预估补偿：原理上能消除纯滞后对控制系统的动态影响，但需 控过程的精确模型，工程上往往难以实现。 2、采样控制：成本较低，但干扰加入的时刻对控制效果影响较大。 3、改进型常规控制：具有通用性广等特点，目前较常用。 4、其他：大林算法、卡尔曼预估算法、灰色预测控制等。
第七章 实现特殊要求 2 3 4 的过程控制系统
一、概述
§7-1 比值控制系统
1、方法的产生 在现代工业生产过程中，要求两种或多种物料流 量成一定比例关系；一旦比例失调，会影响生产的正 常进行，影响产品质量，浪费动力，造成环境污染， 甚至产生生产事故。如： •燃烧过程中，往往要求燃料量与空气量需按一定 比例混合后送入炉膛。 •制药生产中要求药物和注入剂按比例混合。
非均匀控制 •前塔的液位变化不能超过规定的上、下限。 •后塔的进料量也不能超过最大和最小处理量。
二、均匀控制系统的结构方案
(一)、简单均匀控制 1、方案示例： 如下图
去下一精馏塔
2、与液位定值控制相比 系统的结构和所使用的仪表是完全一样的，但 控制目的不同。 3、对控制参数应做适当选择 比例作用是基本的；不能引入微分；积分是否 引入视情况而定。 4、特点 简单均匀控制系统的最大优点是结构简单、操 作方便、成本低；但控制效果差。 5、适用场合 通常适用于扰动较小、对流量的均匀程度要求较 低的场合。
3、特点
① 实现前馈控制作用的完全补偿的条件不变。 （令Y(s)/F(s)=0即可。） ② 不会因引入前馈控制而影响反馈控制的稳定性。 4、前馈--反馈控制的优点 ① 只需对主要的干扰采用前馈补偿，大大简化 了原来的纯前馈控制系统。 ② 降低了对前馈控制精度的要求，为工程上实 现简单的前馈补偿创造了条件。 ③ 比纯反馈控制具有控制精度高、温度速度快 的特点。 •因而是前馈控制中广泛应用的控制系统。
二、选择性控制系统的类型
(一)、对被控参数的选择性控制系统
•对比方案
•b)图增设了液面超限控制系统。 •控制参数一个，被控参数却有温度和液位两个。
(二)、对控制参数的选择性控制系统 •一般选择性控制方案如图4-58所示。
•被控参数（量）只有一个，而控制参数（操纵 量）却有两个。
•多种燃料选择性控制方案如图7-17.
二、比值控制系统的类型
(一)、开环比值控制 1、系统组成: 如下图所示。
2、特点 •简单、成本低； •只有当Q1变化时才起控制作用； •Q2变化时Q1不会响应，比例关系被破坏。 3、适用场合 副流量没有干扰的情况。 (二)、单闭环比值控制 1、特点: 能克服开环比值方案的不足。 2、系统组成：如下图所示。
三、应用举例
TI se Y(s) = D(s) TI sWo−1 (s) + k c (TI s + 1)(TDs + 1)e −τs
−τs
(4)
• 区别 ：微分先行较常规PI＋D少了一个零点
Z=1/TD , 故超调量要小一些。 4、过渡过程比较：
二、中间反ห้องสมุดไป่ตู้控制方案
1、特点 •使控制系统闭环传递函数极点位置发生变化，从 而使超调量大大下降，控制质量得到改善。 •微分作用是独立的，能及时起校正作用。
二、动态前馈控制
1、问题及办法 •静态前馈控制只能有效抑制静态偏差； •动态前馈控制不但能有效抑制静态偏差；而且 能有效抑制动态偏差。 2、原理： 如右图，其中 Wm(S)非纯比例 环节。
3、特点及适用性 •动态前馈控制能显著提高系统的控制质量，但结 构和参数整定均比较复杂。 •只适用于控制精度要求很高、反馈与静态前馈难 于满足时。 三、复合控制系统 亦称为前馈--反馈控制系统。 1、方法的提出 •前馈控制是有局限性的： ① 对补偿结果无法检测； ② 难以对每个干扰均设计一套前馈控制装置； ③ 一个固定的前馈模型难以获得良好的控制质量。
•史密斯补偿原理：如下图所示
3、控制效果： 如下图所示。
Smith预估补偿环节的等效图
•控制器接受的测量信号比实际检测到的被控量提 前了时间τ，是一个对被控量的预估器。
4、工业应用举例： • 加热炉温度预 估补偿控制
思考题
1、生产过程中的时间滞后是怎么引起的？ 2、试举一生产过程实例，简述当其扰动通道 及控制通道存在纯滞后因素时，它们带给被控参 数的不利影响如何？ 3、微分先行控制方案与常规PID控制方案有 何异同？
•复合控制的好处：既发挥了前馈校正及时的优 点，又保持了反馈控制能抑制多个干扰并对被控量 始终给予检验的长处。 2、组成原理及 结构图:
Y(s ) Wf (s ) + Wm (s )W o (s ) = F (s ) 1 + Wc (s )Wo (s )
•当负荷变化时…… •对于前馈控制未能完全消除的偏差，以及未能 入前馈控制的其他干扰( 如物料进口温度、蒸汽压力 等)……
3、工作 原理 •用右 图针对 反馈控 制做比 较说明。
其中Ma为扰动量，T2为出口 •补偿过程如下图所示。 温度，WO(s)为控制通道的传递函数,Wf(s)为前馈通道的 传递函数,Wd(s)为干扰通道的传递函数。
•可实现对扰动的完全补偿，使被控量成为对扰动 绝对不灵敏的系统。（不变性原理）
4、前馈与反馈的比较 (1)、检测：前馈控制测干扰；反馈控制测被控 量。 (2)、效果：克服干扰，前馈控制及时，理论上可实现
完全补偿；反馈控制不及时。
(3)、经济性：克服干扰，前馈控制只能一对一， 不如反馈控制经济。 (4)、稳定性：前馈为开环，不存在此问题；反 馈则不同，稳定性与控制精度是矛盾的。
§5-2 前馈控制系统的结构形式
一、静态前馈控制
•静态前馈的含义 控制器的输出仅仅 是输入F的函数，与时间 t无关。 在图4-12中，令前 馈控制器传函满足下式 即可： Kf Wm (s ) = − K m = − Ko
6、应用实例：见以下两图。
7-7 氧化炉温度与氨气/空气串级比值控制系统
§7-2 均匀控制系统
一、均匀控制的用途及特点
1、问题的提出 •在连续生产过程中，一个装置或设备往往与前后的 装置或设备紧密地联想着，前一装置或设备的出料量是 后一装置或设备的进料量，而后一装置或设备的出料量 又输送给其他的装置或设备。 •例如石油裂解气分离工艺，前后共串联了八个塔。 •前后有物料联系的精馏塔，前塔的液位与后塔的进 料量的稳定要求会发生矛盾，如下图所示。
•造纸过程中为保证纸浆浓度，要求自动控制纸浆 量和水量比例。 •水泥配料系统…… 2、比值控制的含义 凡是两个或多个变量自动维持一定比值关系的过程 控制系统，统称为比值控制系统。 3、变量及关系 •主动量---起主导作用而又不可控的物料流量； •从动量---跟随主动量而变化的物料流量； •比例系数: K=Q1/ Q2
(二)、串级 均匀控制
1、组成结构： 为了克服调节 阀前后压力波动 和被控过程的自 衡特性对流量的 影响，设计以流 量为副变量的流 量控制副回路， 如右图所示。
2、与典型串级的异同 结构方案相同，目的不同；均匀串级控制的 目的是使液位与流量均匀协调。 3、控制过程 •设干扰使1#塔液位上升… •设2#塔因塔压变化使其入料量发生变化… 4、控制作用选择(十分重要) 不能加微分作用；液位宜采用PI规律；流量一 用P规律。 5、特点 串级均匀控制系统能克服控制阀前后压力较大 的扰动，使主、副变量变化均匀缓慢平稳，控制质 量较高。
2、原理方案
3、控制效果：
与一般常规控制对比： （1）、在给定值变化时，无论是微分先行方案， 或中间反馈控制方案，其控制过程的品质均优于常规 PID，尤其在减小超调量方面效果更佳。。 （2）、在扰动作用下，其控制品质与常规PID相 差不大。
§6-3 预估控制方案
1、特点 •在PID控制回路上再并联一个补偿回路，以抵消 对象的纯滞后因素。 2、原理结构 •单回路控制系统：
§6-2 改进型常规控制方案
一、微分先行控制方案
1、特点 •是一种比较简单、工程上易实现、又能满足 定控制质量要求的控制方案。 •对降低超调量更有显著的效果。 2、组成结构 •一般常规PID控制方案：见下张图6-1。 •微分先行控制方案：见下张图6-2。
3、传递函数（随动特性与抗扰动性能） •一般常规 PI＋D：式(1)、式(2)。 k c (TI s + 1)(TD + 1)e −τs Y(s) = R(s) TI sWo−1 (s) + k c (TI s + 1)(TD + 1)e −τs
第六章 前馈及复合控制系统