第五章 复合控制系统控制系统

3、工作过程
•稳定状态下…… •主流量变化时…… •副变量由于干扰而变化时……
4、应用实例:
如右图 所示。
7-3 丁烯洗涤塔进料量与洗涤水量的比值控制系统
5、优缺点 •优点：不但能实现流量的副量跟主量变化，而且 能克服流量干扰等。 •缺点：主流量不受控。 6、应用场合 在负荷变化不太大的场合得到广泛应用。
§ 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。
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
(四)、变比值控制 1、方法的产生 •在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随 第三个变量的变化而变化。 •为了满足上述生产工艺要求，开发并应用变比值 控制。 2、系统结构：如下图所示。
3、变比值控制的含义 变比值控制系统是一个以第三个变量为主变量(质 量指标)、以两个流量比为副变量的串级控制系统。 4、工作过程 •系统稳定时…… •当Q1、Q2出现扰动时…… •当出现其他扰动(如温度、压力、成分等变化) 时…… 5、该法特点 比值只是一种手段，不是最终目的，而第三变量 Y(s)往往是产品质量指标。
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。
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、中间反馈控制方案
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。
•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)……
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。
(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。
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。
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
•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？
第六章 前馈及复合控制系统
§6-1 基本概念
1、问题的提出
其他反馈控制的缺点： •无法将干扰克服在被控制量偏离设计值之前。 •被控对象总是存在一定的纯滞后和容量滞后，故 限制了控制作用的充分发挥。
6.2
2、技术思路 •直接按扰动而不是按偏差进行控制。 •干扰发生后，被控量还未显现出变化之前，控 制器就产生了控制作用。 •这种前馈控制系统对干扰的克服要比反馈控制 系统及时得多。
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。
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
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.
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。
(三)、双冲量均匀控制
1、含义 所谓双冲量均匀控制系统，就是将两个变量的 测量信号通过加法器后作为被控量的均匀控制系统。 2、应用示例：见下图。
•图中
P O= P H- P Q+ P r+ C
3、一般方块图：如下图所示。
§7-3 选择性控制系统
一、基本概念
1、问题的提出 •控制中往往会出现一些随机的特殊要求，如在故障情况下能 保证安全生产； •发出报警后改由人工操作或联锁保护不是最佳办法。 2、对选择性控制的要求 故障时自动起保护作用而又不停车--是一种取代控制系统 。
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ຫໍສະໝຸດ Baidu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：
•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
§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
(三)、双闭环比值控制
1、特点 能克服单闭环主流量不受控的不足。 2、系统组成：如下图所示。
设定值(定值)
给定(随动值)
7-4 a)
双闭环比值控制
3、另一优点 升降负荷比较方便。 4、适用场合 常用 在主流量干 扰频繁或工 艺上不允许 设定值 负荷有较大 的波动，或 工艺上经常 需要升降负 荷的场合。 5、应用 实例：如图。
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。
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
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)