复杂控制系统方案

第六章复杂控制系统

教学要求：掌握串级控制系统的基本概念、特点

了解串级控制系统的设计方法、应用场合

掌握比值控制系统的基本概念、特点和设计

掌握前馈控制的基本概念，几种结构形式、应用场合

掌握均匀控制的基本概念和控制方案

掌握分程控制的基本概念和应用中的几个问题

掌握选择性控制的基本概念，选择性控制的应用，了解积分饱和及其防止

重点：串级控制系统的结构特点及应用场合，

比值控制系统的三种形式的特点

前馈控制的基本概念

分程控制的基本概念

选择性控制的应用

难点：串级控制系统的结构特点，

主、副控制器正反作用的选择

动态前馈控制

控制阀分程动作关系

本章着重介绍各种复杂控制系统的组成、特点、工作过程与工程设计原则。

§6.1 串级控制系统

6.1.1 串级控制系统的基本概念

串级控制系统的采用了两个控制器，我们将温度控制器称为主控制器，把流量控制器称为副控制器。主控制器的输出作为副控制器的设定，然后由副控制器的输出去操纵控制阀。在串级控制系统中出现了两个被控对象，即主对象（温度对象）和副对象（流量对象），所以有两个被控参数，主被控参数（温度）和副被控参数（流量）。主被控参数的信号送往主控制器，而副被控参数的信号被送往副控制器作为测量，这样就构成了两个闭合回路，即主回路（外环）和副回路（环）。

二、串级控制系统的特点

1. 改善了对象特征，起了超前控制的作用

2. 改善了对象动态特性，提高了工作频率

3. 提高了控制器总放大倍数，增强了抗干扰能力

4. 具有一定的自适应能力，适应负荷和操作条件的变化

6.1.3 串级控制系统的设计

设计原则。

1. 在选择副参数时，必须把主要干扰包含在副回路中，并力求把更多的干扰包含在副回路中。

2. 选择副参数，进行副回路的设计时，应使主、副对象的时间常数适当匹配。

3. 方案应考虑工艺上的合理性、可能性和经济性。

6.1.4 串级控制系统的应用场合

1. 被控对象的控制通道纯滞后时间较长，用单回路控制系统不能满足质量指标时，可采用串级控制系统。

2对象容量滞后比较大，用单回路控制系统不能满足质量指标时，可采用串级控制系统。

3.控制系统存在变化激烈且幅值很大的干扰。

4. 被控对象具有较大的非线性，而负荷变化又较大。

6.1.5 串级控制系统应用中的问题

1. 主、副控制器控制规律的选择

串级控制系统中主、副控制器的控制规律选择都应按照工艺要求来进行。

主控制器一般选用PID控制规律，副控制器一般可选P控制规律。

2. 主、副控制器正、反作用方式的确定。

副控制器作用方式的确定，与简单控制系统相同。

主控制器的作用方向只与工艺条件有关。

3. 串级控制系统控制器参数整定

⑴在主回路闭合的情况下，主、副控制器都为纯比例作用，并将主控制器的比例度置于100%，用4：1衰减曲线法整定副控制器，求取副回路4：1衰减过程的副控制器比例度(δ2p)以及操作周期(T2P)。

⑵将副控制器的比例度置于所求的数值δ2p上，把副回路作为主回路的一个环节，用同样的方法整定主控制器，求取主回路4：1衰减过程的δ1p和T1P。

⑶根据求得的(δ1p)和(T1P)、(δ2p)和(T2P)数值，按经验公式求出主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。

⑷按先副后主、先比例后积分再微分的程序，设置主、副控制器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到系统质量达到最佳为止。

6.2 比值控制系统

6.2.1 概述

在生产过程中经常需要两种或两种以上的物料以一定的比例进行混合或参加化学反应。在需要保持比例关系的两种物料中，往往其中一种物料处于主导地位，称为主物料或主动量F1，而另一种物料随主物料的变化呈比例的变化，称为从物料或从动量F2。例如在稀硝酸生产

中，空气是随氨的多少而变化的，因此氨为主动量F1，空气为从动量F2。

6.2.2 常用的比值控制方案

1. 单闭环比值控制

这类比值控制系统的优点是两种物料流量之比较为精确，实施也较方便，所以得到广泛

的应用。

2. 双闭环比值控制

为了既能实现两流量的比值恒定，又能使进入系统的总流量F1＋F２不变，因此在单闭环比值控制的基础上又出现了双闭环比值控制系统。

这类比值控制系统的优点是在主流量受到干扰作用开始到重新稳定在设定值这段时间发挥作用，比较安全。

3. 变比值控制系统

要求两种物料流量的比值随第三参数的需要而变化。

6.2.3 比值控制系统的设计

1. 主、从动量的确定

2. 控制方案的选择

3. 比值系数的计算

4. 控制方案的实施

§6.3 前馈控制系统

一、前馈控制系统的基本概念

前馈与反馈控制比较。

前馈控制是一种按干扰进行控制的开环控制方法，当干扰出现以后，被控变量还未变化时，前馈控制器（也称前馈补偿装置）就根据干扰的幅值和变化趋势对操纵变量进行控制，来补偿干扰对被控变量的影响，所以相对于反馈控制，前馈控制是比较及时的。

6.3.2 前馈控制系统的几种结构形式

1. 静态前馈控制系统

2. 动态前馈控制系统

静态前馈控制系统虽然结构简单，易于实现，在一定程度上可改善过程品质，但在扰动作用下控制过程的动态偏差依然存在。对于扰动变化频繁和动态精度要求比较高的生产过程，对象两个通道动态特性又不相等时，静态前馈往往不能满足工艺上的要求，这时应采用动态前馈方案。

动态前馈与静态前馈从控制系统的结构上看是一样的，只是前馈控制器的控制规律不