复杂控制策略

42
（二）采样控制方案

2、采样控制的特点



核心思想就是避免控制器不必要的误操作，而宁愿 让控制作用弱一些。 无需掌握精确的过程动态特性，就能克服被控过程 中纯滞后的不利影响。 需注意采样周期的选取应略大于过程的纯滞后时间。
43
（三）几点说明



工业实际过程控制中，一旦出现了大时滞过程， 要想取得满意的动静态控制效果是很难的。 在进行控制系统方案设计时，应尽一切可能避 免大时滞控制系统的出现。比如，在条件允许 的情况下，不采用简单的单回路控制系统，而 引入中间变量构成串级控制系统等。 微分作用对时滞控制无能为力；所谓“先进控 制”尚未见实际效果。
31
（五）前馈-反馈复合控制系统

1、前馈控制的局限性

属于开环控制方式。准确地说，应称之为前馈补偿！ 完全补偿难以满足，因为： ( s) G p是 ( s) 要准确掌握扰动通道 Gd 及控制通道特性 不容易的； s) 即使前馈模型 G ff ( 能准确求出，有时工程上也难 以实现； 对每一个扰动至少使用一套测量变送仪表和一个 前馈控制器，这将会使控制系统庞大而复杂； 有一些扰动无法在线测量！

若不观察蒸汽流量量，只开大或关小阀门的，则很 有可能调节过头或感觉不及时！
这其实就是过程控制中所谓的“串级控制”思想。

5
6.1.1 引言

温度串级控制解决方案
FC
TC
FT TC
TT
TT
6
FC FT TC
6.1.1 引言

温度串级控制解决方案
入口流量 干扰 干扰 温度
TT
设定温度 温度控制器 流量控制器 调节阀 管路 容器
19
6.1.5 串级控制应用实例

为了克服系统的纯滞后，决定采用串级控制： 即在给矿皮带上安装皮带秤，以给矿量为副参 数、以机腔料位为主参数构成串级控制系统。
20
6.1.5 串级控制应用实例


主控制器（料位控制器）采用PI规律，反作用； 副控制器（矿量控制器）采用PI规律，反作用。 投运：先皮带秤、料位计投运；手动操纵电液 推杆控制下矿量；稳定运行一段时间后无扰动 切换，并整定。
44
6.3 解耦控制

6.3.1 控制回路间的耦合
流量计 温度计

与单回路控制相比，增加了一个流量计和一个流量控 制器。
7
6.1.2 串级控制结构及特点

（一）串级控制的结构
8
6.1.2 串级控制结构及特点

（二）串级控制的特点

1、串级控制系统有主、副两个闭合回路。 主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统。 2、副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路 具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有 完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。
过程控制系统
主讲人：钱艳平
2010.09
过程控制策略

开关（ON/OFF）控制 PID控制


PID控制算法、数字PID算法 PID改进算法
串级控制、前馈控制、解耦控制等 预测控制、智能控制等

复杂过程控制


先进过程控制（APC）

2
第六讲 复杂控制策略

6.1 串级控制 6.2 前馈及时滞控制 6.3 解耦控制 6.4 比值控制
32
（五）前馈-反馈复合控制系统

2、前馈-反馈复合控制系统


将前馈和反馈结合，既利用前馈控制及时克服主要 扰动，又保持反馈控制克服多个扰动的长处； 复合控制降低了系统对前馈补偿器的要求，使其在 工程上更易于实现。 D( s)
G ff ( s )
R( s)
Gd ( s )
G p (s)
C (s)
G ff ( s )
D(s)
Gd ( s )
G p ( s)
Y ( s)
27
（三）前馈控制设计原理

3、前馈控制的必要条件

“可测”：指扰动量可以通过测量变送器，在线地 将其转换为前馈补偿器所能按受的信号。 “不可控”：指这些扰动量不可以通过控制回路予 以控制。 如之前的生产负荷。

28
4、前馈控制与反馈控制比较
11
6.1.4 串级控制设计

（二）主、副对象的时间常数匹配


1、若副回路设计得太大，主、副对象时间常数比 较接近，易引起“共振”问题。 2、串级控制系统的主、副回路既独立又密切相关。
12
6.1.4 串级控制设计

（三）主副控制器控制规律的选择

主控制器一般选PI或PID控制规律； 副控制器一般选P或PI控制规律： 对于温度副回路过程，若采用积分，会减弱副回 路的快速作用；但对流量副回路过程常采用PI规 律。 作为随动环节，由于给定值经常变化，显然不宜 引入微分规律。若确需引入，可采用微分先行规 律。


6.5 均匀及超驰控制
6.6 分程控制
3
6.1 串级控制

6.1.1 引言 温度单回路控制系统：
TC
若温度变化较大， 如何解决？
饱和蒸汽
TT
加热物料
4
TC
6.1.1 引言

人工控制的解决办法

TT

仿照人工操作，不仅观察容器 内的温度，还要观察入口蒸汽流量！ 温度低，则开大蒸汽阀门；若蒸汽流量不够，及时 再开大阀门，直到得到希望的温度为止。
y(t ) , d (t ) 0

或者，系统在稳态工况下被控量与扰动无关：
lim y( t ) 0,
t
d (t ) 0

静态前馈控制器采用比例控制，是前馈模型中最简 单的形式：
Gd ( s) G ff ( s ) K ff G p ( s)
30
（四）静态前馈与动态前馈
（三）前馈控制设计原理

1、“不变性”原理

在扰动作用下，使控制系统的被控量与扰动作用完 全无关（或在一定准确度下无关）。
D(t )
D(t )
26
（三）前馈控制设计原理

2、前馈控制器

由不变性原理,前馈控制器是由过程扰动通道与控 制通道特性之比决定的，即：
Gd ( s ) G ff ( s ) G p ( s)

2、动态前馈


当工艺上对控制精度要求很高，静态方案难以满足 时，可考虑使用动态前馈方案。 为避免对扰动通道及控制通道数学模型的过分依赖， 且便于整定，根据被控过程的非周期、过阻尼特性， 动态前馈系统常采用如下典型的控制规律：
1s 1 G ff ( s ) K ff 2s 1


17
6.1.5 串级控制应用实例


在冶金行业选矿 工艺中，大量使 用矿石破碎机对 矿石进行破碎。 破碎系统的主体 设备是破碎机， 要求给矿料位稳 定。
18
6.1.5 串级控制应用实例


下矿量的波动（如粒度、 粘度发生变化）是系统中 的一个主要扰动。 若仅以机腔料位作为被控 参数构成单回路控制系统， 当扰动发生后，由于给矿 皮带的传输需要一定的时 间，即存在纯滞后，单回 路控制系统往往会引起很 大的超调，甚至振荡。


预估补偿方案； 采样控制方案。
37
（一）Smith预估补偿

1、基本原理

一种以模型为基础的预估补偿控制方法； 预先估计出被控过程动态数学模型； 预估出过程对扰动的动态响应，并将预估结果作为 反馈提早供给控制器动作，以提前对扰动进行补偿。
38
（一）Smith预估补偿
Βιβλιοθήκη Baidu
2、Smith预估补偿结构
可消除被包围在闭环内的一切扰 只对被前馈的扰动有校正作 动对被控量的影响。 用，具有指定性补偿局限性。 通常是P、PI、PD、PID等典型 规律。 取决于过程扰动通道与控制 通道特性之比。
29
（四）静态前馈与动态前馈

1、静态前馈

工程上要实现完全补偿是很难的，所以一般要求控 制系统能在一定准确度下获得近似补偿：

控制算法 （大脑）
d
原油管路、 加热炉
燃料量 调节阀
燃料管路、 加热炉
24
（二）前馈控制的结构
G ff ( s )
D(s)
Gd ( s )
开环结构
G p ( s)

Y ( s)
G ff (前馈控制器； s)
过程控制通道传递函数； Gp (s )
过程扰动通道传递函数。 Gd ( s )
25
15
6.1.4 串级控制设计

（五）串级控制系统参数整定

整定步骤:

断开主回路，把副回路按单回路控制系统的参数 整定，求取副控制器的整定参数值。
闭合主回路，将副回路作为一个等效环节，按单 回路整定方法，求取主控制器的整定参数值。

16
6.1.5 串级控制应用实例

主要应用场合：

用于克服被控过程较大的容量滞后或纯滞后； 用于抑制变化剧烈而且幅度较大的扰动； 用于克服被控过程的非线性。
反馈控制 控制依据 基于偏差来消除偏差。 前馈控制 基于扰动来消除扰动对被控 量的影响。 扰动发生后，前馈控制器 “及时”动作。 开环控制。只要各环节稳定， 则控制系统必然稳定。
总要等到引起被控量发生偏差后， 控制作用 控制器才动作，是一种“不及时” 发生时间 的控制。 控制结构 校正范围 控制规律 闭环控制。存在稳定性问题。

9
6.1.3 串级控制性能分析及仿真

（一）串级控制性能分析

1、增强系统的抗干扰能力
串级控制系统的副环能够有效地克服二 次扰动的影响。
10
6.1.3 串级控制性能分析及仿真

（一）串级控制性能分析

2、改善对象动态特性，提高系统的工作频率
串级控制系统的副环具有较快的响应速 度，提高了系统的工作效率。
T1C
T2C
T1T
T2T
燃料
原油 23
6.2.1 前馈控制
人工控制的基本思想 （1）若原油流量不可调节， 而扰动幅度又大，则可测量 原油流量，据此及时调节燃 料阀门的开度，以减少对出 口温度的影响。 （2）这就是所谓“前馈控制 （Feed Forward）”的基 本思想：若无法控制此扰动， 则测量它，且不等扰动影响 到被控量就提前及时调节。
21
6.2 前馈及时滞控制

前馈控制

结构、原理及特点 静态前馈、动态前馈 前馈-反馈复合控制系统

时间滞后控制系统


Smith预估补偿方案 采样控制方案
22
6.2.1 前馈控制

（一）引言

原油加热炉出口温度的控制 若原油流量是主要扰动，那么该如何处理？ 原油是生产 负荷！不可 调节。
Gc ( s )
H ( s)
33
（五）前馈-反馈复合控制系统

3、前馈反馈控制系统的设计原则


采用前馈控制主要是针对那些“可测不可控”、变 化频繁且幅值较大的扰动量； 工程中，一般选用静态前馈-反馈控制方案，即可得 到较为满意的控制效果。
34
（六）前馈控制设计举例
G ff
35
（六）前馈控制设计举例
R(s)
Gc (s)
U(s)
D( s )
G p ( s )e s
Y (s)
G p (s)
e s
Y ( s)
Gp ( s )
采用Smith预估补偿控制可以消除纯 滞后环节对控制系统品质的影响。
39
（一）Smith预估补偿

3、Smith预估补偿的不足

Smith预估器在应用中很不尽如人意，主要原因： 需要确知被控对象的精确数学模型。 即使是最简单的一阶模型，放大系数、时间常数 或纯滞后哪怕只有10%的误差，也易产生振荡！ 只能用于线性定常系统。 对负载扰动无所助益。
13
6.1.4 串级控制设计

（四）串级控制系统投运

先副回路，后主回路； 副回路或主回路投运步骤与单回路相同。 无扰动切换。
14
6.1.4 串级控制设计

（五）串级控制系统参数整定



串级控制系统主回路是一个定值控制系统，要求主 参数有较高的控制精度，其品质指标与单回路定值 控制系统一样。 副回路是一个随动系统，只要求副参数能快速而准 确地跟随主控制器的输出变化即可。 在工程实践中，串级控制系统采用先副后主的整定 方式。
40
（一）Smith预估补偿

4、Smith预估补偿的改进
R(s)
Gc (s)
U(s)
D( s )
G p ( s )e
s
Y (s)
G p (s)
1 es
G f (s)
41
（二）采样控制方案

1、基本原理

“调一下，等一等”（Wait and See)的办法: 当控制器输出后，一段时间内不再增加或减小， 而是保持此值（保持的时间比纯滞后时间τ 0稍长 些），直到控制作用的效果在被控量变化中反映 出来为止； 接着，根据偏差的大小再决定下一步控制作用的 大小和方向。
36
6.2.2 时滞控制



时间滞后是指纯滞后过程。纯滞后往往是由于 物料或能量需要经过一个传输过程而形成的。 纯滞后极大地影响系统动态性能，引起闭环控 制系统稳定性明显降低，过渡过程时间加长。 若 / T ≥0.3，就被认为是具有较大纯滞后的 工艺过程，时滞系统的控制是世界公认的控制 难题。可考虑的方案：