第八章 复杂控制系统主要内容串级控制比值控制均匀控制分程控制选择性控制前馈控制8.1串级控制系统串级控制系统8.1.1 串级控制系统的基本原理和结构采用不止一个控制器，而且控制器间相串接，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值的系统，称为串级控制系统。 串级控制方块图串级控制方块图8.1.2 串级控制系统的特点能迅速克服进入副回路扰动的影响串级控制系统由于副回路的存在，改善了对象特性，提高了工作频率串级控制系统的自适应能力能够更精确控制操纵变量的流量可实现更灵活的操作方式8.1.3. 串级控制系统的设计主、副回路的设计主回路仍是一个定值控制系统。主被控变量的选择和主回路的设计，仍可用单回路控制系统的设计原则进行。副回路应尽量包含生产过程中主要的、变化剧烈、频繁和幅度大的扰动，并力求包含尽可能多的扰动。副被控变量的选择原则：副被控变量的选择原则：必须保证它是操纵变量到主被控变量通道中的一个适当中间必须保证它是操纵变量到主被控变量通道中的一个适当中间变量。变量。串级控制系统设计的关键串级控制系统设计的关键使主要扰动作用于副对象上使主要扰动作用于副对象上使副对象包含适当多的扰动使副对象包含适当多的扰动主、副对象的时间常数不能太接近主、副对象的时间常数不能太接近通常使通常使TsTs明显明显 TMTM原因：原因：一方面：如果相差很小，失去设置副环的意义一方面：如果相差很小，失去设置副环的意义 另一方面：如果基本相等，系统可能出现另一方面：如果基本相等，系统可能出现“共振共振”，降，降低控制质量甚至会出现不稳定低控制质量甚至会出现不稳定主、副控制器控制规律的选择主控制器控制规律：主控制器控制规律：原则：与简单控制类似原则：与简单控制类似从工艺上来说，采用串级控制系统的主被控变量是主要参数，从工艺上来说，采用串级控制系统的主被控变量是主要参数，不允许有余差。不允许有余差。PI/PID(PI/PID(滞后较大时滞后较大时) )副控制器控制规律：副控制器控制规律：依据：依据：副环是随动控制系统，副被控变量的控制可以有余差。副环是随动控制系统，副被控变量的控制可以有余差。为了使副环尽可能的发挥其作用，为了使副环尽可能的发挥其作用，一般选择一般选择P P控制，而且比控制，而且比例度选的较小。例度选的较小。当流量为副被控变量时，它的时间常数及时滞很小，为了使当流量为副被控变量时，它的时间常数及时滞很小，为了使其在需要时可单独使用，其在需要时可单独使用，可采用可采用PIPI控制控制主、副控制器正、反作用的选择依据：使系统为负反馈系统依据：使系统为负反馈系统副控制器方向的选择与简单系统类似。副控制器方向的选择与简单系统类似。副控制器正、反作用的选择根据调节阀的气开、气副控制器正、反作用的选择根据调节阀的气开、气关形式来确定。关形式来确定。主控制器正、反作用的选择根据副被控变量对主被主控制器正、反作用的选择根据副被控变量对主被控变量的影响关系来确定。控变量的影响关系来确定。结论：结论：副调节器正、反作用的选择要依据阀门的气副调节器正、反作用的选择要依据阀门的气开、气关特性；主调节器正、反作用的选择与阀门开、气关特性；主调节器正、反作用的选择与阀门的气开、气关形式无关。的气开、气关形式无关。例题：例题：8.2. 比值控制系统比值控制系统8.2.1.基本原理和结构8.2.1.基本原理和结构凡是用来实现两个或两个以上的物料按一定比例关系控制以达到某种控制目的的控制系统，称为比值控制系统。主动量 ，从动量 ，比值单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统和变比值控制系统。 单闭环比值控制系统 双闭环比值控制系统 变比值控制系统 变比值控制系统的比值是变化的，比值由另一个控制器设定。 8.2.2. 比值系数的计算采用线性流量检测单元情况采用差压法未经开方的流量检测单元情况8.3. 均匀控制系统均匀控制系统8.3.1 均匀控制系统的基本原理和结构均匀控制系统是指一种控制方案所起的作用而言，因为就控制方案的结构来看，它可能象是液位或压力的简单定值控制系统，也可能象是液位与流量或压力与流量的串级控制系统。 均匀控制系统应具有既允许表征前后供求矛盾的两个变量都有一定范围的变化，又要保证它们的变化不应过于剧烈的特点。 简单均匀控制系统 串级均匀控制系统 8.3.2. 均匀控制系统的控制规律的选择及参数整定(1) 控制规律作用的选择对一般的简单均匀控制系统的控制器，选择纯比例控制规律。对一些输入流量存在急剧变化的场合或液位存在“噪声”的场合，特别是希望液位正常稳定工况时保持在特定值附近时，则应选用比例积分控制规律。(2) 参数的整定 纯比例控制规律先将比例度放置在不会引起液位超值但相对较大的数值。 观察趋势，若液位的最大波动小于允许的范围，则可增加比例度。当发现液位的最大波动大于允许范围，则减小比例度。反复调整比例度，直至液位的波动小于且接近于允许范围止。 比例积分控制规律按纯比例控制方式进行整定，得到所适用的比例度值。适当加大比例度值，然后，投入积分作用。由大至小逐渐调整积分时间，直到记录趋势出现缓慢的周期性衰减振荡为止。8.4 前馈控制系统前馈控制系统8.4.1基本原理前馈控制系统是一种开环控制系统，根据扰动或设定值的变化按补偿原理而工作 其特点是当扰动产生后，被控变量还未变化以前，根据扰动作用的大小进行控制，以补偿扰动作用对被控变量的影响。 换热器的前馈控制系统及其方块图 8.4.2. 前馈控制的主要结构形式静态前馈 静态前馈是在扰动作用下，前馈补偿作用只能最终使被控变量回到要求的设定值，而不考虑补偿过程中的偏差大小。在有条件的情况下，可以通过物料平衡和能量平衡关系求得采用多大校正作用。 静态前馈控制不包含时间因子，实施简便。而事实证明，在不少场合，特别是控制通道和扰动通道的时间常数相差不大时，应用静态前馈控制可以获得很好的控制精度。前馈反馈控制系统 8.4.3. 采用前馈控制系统的条件前馈控制系统主要用于克服控制系统中对象滞后大、由扰动而造成的被控变量偏差消除时间长、系统不易稳定、控制品质差等弱点采用前馈控制系统的条件是： 扰动可测但是不可控。 变化频繁且变化幅度大的扰动。 扰动对被控变量影响显著，反馈控制难以及时克服，且过程对控制精度要求又十分严格的情况。8.5 选择性控制系统选择性控制系统基本原理和结构 在控制系统中含有选择单元的系统，通常称为选择性控制系统。常用的选择器是低选器和高选器，它们各有两个或更多个输入，低选器把低信号作为输出，高选器把高信号作为输出，即分别是 uo=min (ui1,ui2,- uij)和 uo=max (ui1,ui2,- uij) 选择性控制又称取代控制、超驰控制和保护控制等。选择性控制系统是为使控制系统既能在正常工况下工作,又能在一些特定的工况下工作而设计的，因此，选择性控制系统应具备：生产操作上有一定的选择性规律。组成控制系统的各个环节中，必须包含具有选择性功能选择单元。8.6 分程控制系统分程控制系统一个控制器的输出同时送往两个或多个执行器，而各个执行器的工作范围不同，这样的系统称之为分程控制系统。例如，一个控制器的输出同时送往气动控制阀甲和乙,阀甲在气压20-60kPa范围内由全开到全关,而阀乙在气压60-100kPa范围内由全开到全关，控制阀分程工作。 为了实现分程动作，一般需要引入阀门定位器。 8.6.1. 不同工况需要不同的控制手段间歇式搅拌槽反应器的温度控制，在开始时需要加热升温，而到反应开始并逐渐剧烈时，反应放热，又需要冷却降温。热水阀V1和冷却水阀V2由同一个温度控制器操纵，需要分程工作。 8.6.2. 扩大控制阀的可调范围为了使控制系统在小流量和大流量时都能够精确控制，应扩大控制阀的可调范围R，R=国产控制阀的R一般为30，如果采用两个口径不同的控制阀，实现分程后，总的可调范围可扩大。例如，大阀A的CAmax=100，小阀B的CBmax=4，则CBmin=4/30=0.133；假设大阀泄漏量为0，则分程控制后，最小总流通能力为0.133 ，最大总流通能力为100+4；系统的可调范围为(100+4)/0.133=780。本章小结