第四章 复杂过程控制系统 第一节 串级控制 第二节 前馈控制 第三节 大滞后补偿控制 第四节 比值控制 第五节 分程与选择性控制 第六节 多变量解耦控制 第七节 模糊控制 第八节 预测控制,过程控制工程,第一节 串级控制,一、串级控制系统的结构与工作过程,串级控制思想的产生：,4,以加热炉温度控制系统为例,4,选取炉出口温度为主被控参数（主参数），选取炉膛温度为副被控参数（副参数），把炉出口温度调节器的输出作为炉膛温度的给定值就构成了图4-2的炉出口温度与4-3的炉膛温度的串级控制系统。,4,扰动 f2（t）、 f3（t） 、对出口温度的影响主要由炉膛温度调节器（副调节器）构成的控制回路（副回路）来克服，扰动f1(t)、对炉口温度的影响由出口温度调节器（主调节器）构成的控制回路（主回路）来消除。,加热炉串级控制系统的工作过程是：当处在稳定工况时，被加热物料的流量和温度不变，燃料的流量与热值不变，烟囱抽力也不变，炉出口温度和炉膛温度均处于相对平衡状态，调节阀保持一定的开度，此时炉出口温度稳定在给定值上，当扰动破坏了平衡工况时，串级系统便开始了其控制过程。,4,根据不同的扰动，产生的三种情况,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） 一次扰动和主回路扰动,3、一次扰动和二次扰动同时存在,4,二、串级控制系统的特点与分析,改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作效率,串级控制系统的特点：,4,4,2、大大增强了二次扰动的克服能力,4,4,3、对一次扰动有较好的克服能力,4,三、串级控制系统的设计,1、主、副回路的设计,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。,设计原则：,4、对回副路参数变化具有一定的自适应能力,1）副回路应包括尽可能多的扰动 2）应使主、副过程的时间常数适当匹配,4,2、主、副调节器控制规律的选择,1、选择规律的基础： 主调节器起定值控制作用；副调节器起随动控制作用 2、主调节器的选择： PI和 PID控制规律 3、副调节器的选择： P控制规律,4,3、主、副调节器正、反作用方式的确定,主、副调节器正、反作用方式的选择原则：使整个控制系统构成负反馈系统 主、副调节器正、反作用方式的检验：当炉出口温度升高时，主调节器输出应减小，即副调节器的给定值减小，为此，副调节器输出减小，使调节阀开度减小。这样，进入加热炉的燃料油减小，从而使炉膛温度和出口温度降低。,4,四、串级控制系统调节器参数的整定,串级控制系统常用的整定方法：两步整定法、逐步逼近法,1、两步整定法：是指第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数,步骤：,1）工况稳定、主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用的条件下，主调节器的比例度置于100%，用单回路控制系统的衰减曲线法整定，求取副调节器的比例度2s 和操作周期T2s ；,4,2）将副调节器的比例度置于所求得的数值2s上，把副回路作为主回路的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主调节器的比例度1s和操作周期T1s,3）根据求得1s、 T1s、 2s、 T2s数值，按单回路系统衰减曲线法整定公式计算主、副调节器的比例度、积分时间T1 和微分时间TD的数值,4）按先副后主、先比例后积分的整定程序，设置主、副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，知道系统质量达到最佳。,4,2、逐步逼近法：就是在主回路断开的情况下，求取副调节器和整定参数，然后将副调节器的参数设置在所求数值上，将串级控制系统主回路闭合以求其主调节器的整定参数值；将主调节器的参数设置在所求数值上，再进行整定，求第二次副调节器的整定参数值；依次循环，直至求得合适的整定参数值。,步骤：,1）主回路断开，把副回路作为一个单回路控制系统，并按照单回路控制系统的参数整定法（衰减曲线法），求取副调节器的整定参数值Wc2 (s) 1,4,2）副调节器参数置于数值Wc2 (s) 1上，把主回路闭合，副回路作为一个等效环节；主回路成为一个单回路控制系统，再按照衰减曲线整定法，求取主调节器的整定参数值 Wc1 (s) 1,3）主调节器参数置于Wc1 (s) 1上，主回路闭合，再按上述方法求取副调节器的整定参数值Wc2 (s) 1,4,五、串级控制系统的工业应用,1、用于克服被控过程较大的容量滞后,2、用于克服被控过程较大的纯滞后,4,3、用于抑制变化剧烈而且幅度大的扰动,4,4、用于克服被控过程的非线性,4,第三节 前馈控制,1、反馈控制的本质是基于偏差来消除偏差 2、无论扰动发生在哪里，总要等到引起被控量发生偏差后， 调节器才动作 3、反馈控制系统，因构成闭环，故而存在一个稳定性的问题 4、引起被控量发生偏差的一切扰动，均包围在闭环内 5、反馈控制系统中，调节器的控制规律通常是P 、PI 、PD 、PID,1、反馈控制的特点：,4,1、前馈控制原理,4,4,2、前馈控制器的特点：,1）前馈控制是“基于扰动来消除扰动对被控量的影响”，又称为“扰动补偿” 2）扰动发生后，前馈控制器“及时”动作，对抑制被控量由于扰动引起的动、静态偏差比较有效 3）前馈控制属于开环装置 4）只适合用来克服可测不可控的扰动，而对系统其它扰动无抑制作用 5）前馈控制器的控制规律，取决于被控对象的特性。,4,3、前馈控制的局限性： 1）完全补偿难以实现； 2）只能克服可测不可控的扰动,二、前馈控制系统的结构,1、静态前馈控制,4,2、动态前馈控制：静态前馈控制是动态前馈控制的一种特殊情况，通常只有在当工艺上对控制精度要求极高，其他控制方案难以满足时，才采用动态前馈控制,3、前馈-反馈复合控制系统,4,4、前馈-串级复合控制系统,4,4,三、前馈控制的选用与稳定性,实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测及不可控性,可测：扰动量可以通过测量变送器，在线地将其转换为前馈补偿所能接受的信号 扰动量不可控：指绕栋量与控制量之间的相互独立性。,2. 前馈控制系统的稳定性,4,四、前馈控制系统的工程整定,工程整定法：是在具体分析前馈模型参数对过渡过程影响的基础上，通过闭环实验来确定前馈控制器参数。,1.静态参数 KM 的确定,4,4,2. 动态参数 T1、T2 的确定,4,4,3.过程时滞的影响图,4,五、前馈控制系统的工业应用,1、冷凝器温度前馈-反馈复合控制系统,4,2、锅炉给水前馈-串级三冲量系统,4,4,第三节 大滞后补偿控制,1）大滞后控制方案与PID控制的对比,4,一、大滞后过程与常规控制方案,4,2）中间微分反馈控制方案,4,3）常规控制方案比较,4,Smith预估补偿方法论：,4,二、大滞后过程的预估补偿控制,4,增益自适应预估补偿控制,4,4,三、大滞后过程的采样控制,4,四、大滞后控制系统工业应用举例,1、加热炉温度预估补偿控制,4,4,4,4,4,2、高压聚乙烯熔融值采样控制,4,4,第四节 比值控制,主流量、副流量和比值的关系,1、单闭环比值控制,4,2、双闭环比值控制,3,双闭环比值控制系统中的两个控制回路是通过比值器发生联系，若去除比值器，就为两个独立的单回路控制系统。,4,3、变比值控制,4,1、主、从动量的确定 原则：在生产过程中起主导作用或可测 不可控，且较昂贵的物料流量一般为主动量，其余的物料流 量以它为准进行配比，为从动量 2、控制方案的选择：根据不同的工艺情况、负荷变化、扰动性 质、控制要求等进行合理选择 3、调节器控制规律的确定 根据不同控制方案和控制要求而确定 4、正确选用流量计与变送器 5、比值控制方案的实施 包括相乘方案和相除方案 6、比值系数的计算 7、比值控制系统的参数整定,二、比值控制系统的设计与整定,4,三、工业应用举例,自来水消毒的比值控制,4,第五节 分程与选择性控制,分程后调节阀的可调范围为单个调节阀的26倍,一、分程控制系统原理与设计注意问题,4,分程控制：通过阀门定位器或电-气阀门定位器来实现的,分程控制根据调节阀的气开、气关形式和分程信号的区段不同分为：,1、调节阀同向动作的分程控制 2、调节阀异向动作的分程控制,4,4,在分程控制中，调节阀流量特性的选择非常重要，为使总的流量特性比较平滑，请注意以下问题：,1、尽量选用对数调节阀 2、采用分程信号重叠法,4,4,二、分程控制工业应用示例,1、用于控制节能,4,2、用于扩大调节阀的可调范围 3、用于保证生产过程的安全、稳定,4,4、用于不同工况下的控制 斧式间歇反应器的温度控制,4,三、选择性控制系统原理与设计原则,选择性控制：是把生产过程中的限制条件所构成的逻辑关系，叠加到正常的自动控制系统上去的一种组合控制方法。,自动保护系统（软保护系统）：通过选择器使原来的控制方案重新恢复工作的选择性控制系统。,4,1、选择器的选型： 根据生产处于不正常的情况下，取代调节器的输出信号为高值或为低值来确定选择器的类型。（选择器有高值选择器与低值选择器）,根据选择器在控制系统结构中的位置不同，选择性控制系统分为两种：,2、控制器（调节器）控制规律的确定 对于正常的控制器，控制精度要求搞，又要保证产品的质量，应选用PI控制规律；过程的容量滞后较大，选择用PID控制规律；对于取代控制器，在正常生产中开环备用，要求在生产将出问题时，能迅速及时采取措施，以防事故发生，选用P控制规律,3、控制器（调节器）参数整定 按照单回路控制系统的整定方法进行整定,4,四、选择性控制工业应用举例,蒸汽压力调节器,3,五、选择性控制系统中的积分饱和及其防止方法,积分饱和：对于在开环状态下具有积分作用的控制器，由于给定值与实际值之间存在偏差，调节器的积分动作将使其输出不停的变化，一直达到某个限值并停留在该值上。,数字式控制器防止积分饱和比较容易实现；,4,模拟式控制器采用两种方法来防止积分饱和：,1）PI-P法 在电动调节器中当其输出在某一极限内时，具有PI作用；超出这一极限，则为纯比例作用，可避免积分饱和现象,2）外反馈法 对于气动调节器的选择性控制，取代调节器处于备用开环状态时，不用其本身的输出而用正常调节器的输出作为积分反馈，以限制积分作用,