第7章 复杂控制系统,7.1 提高控制品质的控制系统 7.2 特定要求过程控制系统,7.1 提高控制品质的控制系统,7.1.1 串级控制系统 7.1.2 前馈控制系统 7.1.3 大延时控制系统,7.1.1 串级控制系统,1.基本概念 2.串级控制系统的特点 3.串级控制系统设计 4.串级控制系统控制器参数的整定 5.串级控制系统实例分析,1.基本概念,(1)串级控制系统结构 (2)串级控制系统的工作过程,(1)串级控制系统结构,图7-1 管式加热炉温度控制系统流程图,图7-2 串级温度控制系统流程图,图7-3 串级温度控制系统框图,图7-4 串级控制系统典型框图,2.串级控制系统的特点,(1)改善过程动态特性 (2)克服二次扰动 (3)有一定的自适应能力,3.串级控制系统设计,(1)主参数的选择和主回路的设计 (2)副参数的选择和副回路的设计 (3)被控制参数和控制参数的选择 (4)主、副控制器控制规律的选择 (5)主、副控制器正、反作用方式的确定,4.串级控制系统控制器参数的整定,1)主回路断开，把副回路作为一个单回路控制系统，并按单回路控制系统的参数整定法整定副控制器参数值。 2)闭合主、副回路，保持上步取得的副控制器参数，按单回路控制系统的整定方法，整定主控制器参数。 3)在闭合主、副回路及主控制器参数保持的情况下，再次调整副控制器参数。 4)至此，已经完成一个循环，如果控制品质没有达到规定指标，返回步骤2)继续。,表7-1 主、副控制器作用方向,图7-5 聚合釜反应温度串级 控制系统流程图,5.串级控制系统实例分析,(1)聚合釜反应温度串级控制系统 (2)某造纸厂网前箱温度控制系统 (3)汽包锅炉给水控制系统,图7-6 网前箱温度控制系统流程图,图7-7 串级三冲量给水控制 系统流程图,7.1.2 前馈控制系统,1.前馈控制与反馈控制 2.前馈控制的特点 3.前馈控制系统结构形式 4.前馈控制系统的选用原则 5.前馈控制系统设计 6.前馈控制系统的工程整定 7.前馈控制系统应用举例,1.前馈控制与反馈控制,图7-8 前馈控制与反馈控制 a)反馈控制系统 b)前馈控制系统,图7-9 前馈控制与反馈控制框图 a)反馈控制框图 b)前馈控制框图,图7-10 前馈控制框图,2.前馈控制的特点,1)前馈控制是一种开环控制：如图7-8b所示，当测量到物料流量产生变化时，通过前馈控制器，其输出信号直接去控制调节阀的开度，从而改变加热蒸汽流量。 2)前馈控制按扰动大小进行的控制：前馈控制将所测扰动通过前馈控制器和控制通道，能及时有效抑制扰动的影响，而不像反馈控制那样要待被控参数产生偏差后再进行控制。 3)前馈控制器的控制规律由对象特性决定：前馈控制器的控制规律与常规控制器不同，它必须根据被控过程特性来确定，即 4)前馈控制只抑制可测而不可控的扰动对被控参数的影响：在设计前馈控制时，首先需要分析扰动的性质。,3.前馈控制系统结构形式,1)静态前馈控制系统：静态前馈控制器的输出量仅仅是其输入量的函数，与时间因子无关。 2)动态前馈控制系统：动态前馈控制必须根据过程扰动通道和控制通道的动态特性，采用专用的前馈控制器。 3)前馈反馈控制系统：对被控变量影响最显著的主要扰动由前馈控制进行补偿，而其余次要的扰动可依靠反馈来克服，从而保证了被控变量最终趋向于给定值。 4)前馈串级控制系统：为了进一步提高系统前馈控制的精度，可在图7-11所示的前馈反馈控制系统中增加一个蒸汽流量回路，用前馈控制器的输出去改变流量回路的给定值，从而构成前馈串级控制系统。,0.tif,7Z11.TIF,图7-11 换热器前馈反馈控制系统 a)控制系统流程图 b)控制系统框图,图7-12 前馈串级控制系统框图,4.前馈控制系统的选用原则,1)当系统存在频率高、幅值大、可测而不可控的扰动时，反馈控制难以克服扰动对被控变量的显著影响，而工艺生产对被控变量的要求又十分严格，为了改善和提高系统的控制品质，可以引入前馈控制。 2)当控制系统控制通道延时较大、反馈控制又不能得到良好的控制效果时，可以选用前馈控制。 3)经济原则。,5.前馈控制系统设计,(1)前馈控制器的控制规律 (2)系统稳定性,6.前馈控制系统的工程整定,(1)整定反馈控制器 (2)整定前馈控制器参数,7.前馈控制系统应用举例,图7-13 蒸发过程中浓度 控制系统流程图,7.1.3 大延时控制系统,大延时过程被公认为较难控制的过程，其主要原因在于： 1)由于检测信号提供不及时而产生的纯滞后，会导致控制器不能及时产生控制作用，影响控制品质。 2)由于控制量的传输而产生的纯滞后，会导致执行器的调节作用不能及时作用而影响控制效果。 3)由控制理论知，纯滞后会引起开环相频特性的相角滞后随频率的增大而增大，其开环频率特性包围(-1，j0)点的可能性增大，导致闭环系统的稳定裕度下降，超调量增加，过渡过程时间增大，稳定性降低。,常用方案： 1.常规控制方案 2.Smith预估控制方案 3.采样控制方案,1.常规控制方案,(1)微分先行控制方案 (2)中间微分控制方案,(1)微分先行控制方案,图7-14 PID控制系统框图,(2)中间微分控制方案,图7-15 微分先行控制系统框图,图7-16 中间微分控制系统框图,2.Smith预估控制方案,图7-17 单回路系统框图,图7-18 Smith预估补偿方案,3.采样控制方案,图7-19 采样控制系统原理框图,7.2 特定要求过程控制系统,7.2.1 比值控制系统 7.2.2 均匀控制系统 7.2.3 分程控制系统 7.2.4 选择性控制系统,7.2.1 比值控制系统,1.单闭环比值控制系统 2.双闭环比值控制系统,图7-20 开环比值控制系统 a)控制系统流程图 b)控制系统组成框图,1.单闭环比值控制系统,图7-21 单闭环比值控制系统 a)系统流程图 b)系统组成框图,2.双闭环比值控制系统,图7-22 双闭环比值控制系统 a)系统流程图 b)系统组成框图,7.2.2 均匀控制系统,1.简单均匀控制方案 2.串级均匀控制方案 3.双冲量均匀控制方案,图7-23 液位流量均匀 变化曲线,1.简单均匀控制方案,图7-24 简单均匀控制系统,2.串级均匀控制方案,图7-25 串级均匀控制系统,3.双冲量均匀控制方案,图7-26 双冲量均匀控制系统,7.2.3 分程控制系统,1.调节阀同向动作的分程控制系统 2.调节阀异向动作的分程控制系统 3.分程控制系统设计注意事项,图7-27 温度分程控制系统 a)控制系统流程图 b)控制系统组成框图,1.调节阀同向动作的分程控制系统,图7-28 调节阀同向动作的分程控制系统的输入输出关系 a)气开阀的输入输出关系 b)气关阀的输入输出关系,3.分程控制系统设计注意事项,(1)分程信号的确定 (2)调节阀特性的选择 (3)控制器控制规律的选择与参数整定,(1)分程信号的确定,图7-29 调节阀异向动作的分程控制系统的输入输出关系 a)阀A为气开阀、阀B为气关阀的输入输出关系 b)阀A为气关阀、阀B为气开阀的输入输出关系,(2)调节阀特性的选择,图7-30 确定分程信号的重叠部分,7.2.4 选择性控制系统,1.选择器位于控制器的输出端，对控制器输出信号进行选择的系统 2.选择器位于控制器之前，对变送器输出信号进行选择的系统,图7-31 对控制器输出信号进行选择的 选择性控制系统框图,图7-32 反应器最高温度选择性控制系统 a)控制系统流程图 b)控制系统框图,