會計學1常用復雜控制系統第6章常用復雜控制系統6.1串級控制系統6.2前饋控制系統第1頁/共45頁

本章要點1）了解串級控制系統的應用背景，熟悉串級控制系統的典型結構與特點；2）掌握串級控制系統的設計方法，熟悉串級控制系統的參數整定方法；3）了解前饋控制的原理及使用場合；4）掌握前饋補償器的設計方法，熟悉前饋－反饋復合控制的特點及工業應用。第2頁/共45頁6.1串級控制系統6.1.1串級控制的基本概念連續反應釜溫度控制示意圖物料自頂部連續進入釜中，經反應后由底部排出。反應產生的熱量由夾套中的冷卻水帶走。為保證產品質量，對反應溫度T1要進行嚴格控制。工藝要求:被控過程有三個熱容積，即夾套中的冷卻水、釜壁和釜中物料。選取冷卻水流量為調節參數,構成單回路控制系統第3頁/共45頁引起溫度T1變化的干擾因素有：進料方面有進料流量、進料入口溫度和化學組成，用F1表示；冷卻水方面有水的入口溫度和閥前壓力，用F2表示。問題：過渡過程時間長，調節不及時第4頁/共45頁

將兩個調節器串聯在一起工作，各自完成不同任務的系統結構，就是串級控制的基本思想。根據這一構思，反應釜溫度串級控制示意圖為第5頁/共45頁串級控制系統的一般結構框圖主回路

--定值控制副回路

--隨動控制副回路主回路第6頁/共45頁6.1.2串級控制系統的特點對于同一對象單回路控制串級控制第7頁/共45頁1.能迅速克服進入副回路的干擾串級控制等效方框圖等效副對象為第8頁/共45頁在給定信號X1作用下在干擾F2作用下

控制能力和抗干擾能力綜合指標：比值越大，系統的控制能力和抗干擾能力越強第9頁/共45頁

控制能力和抗干擾能力綜合指標：假設則結論：主、副調節器放大系數的乘積越大，抗干擾能力越強，控制質量越好。第10頁/共45頁與單回路控制系統的比較：控制能力和抗干擾能力綜合指標為：一般情況下有結論：由于副回路的存在，能迅速克服二次干擾。假設則第11頁/共45頁2.能改善控制通道的動態特性，提高工作頻率（1）等效時間常數減小，響應速度加快等效副回路假設則第12頁/共45頁串級系統的特征方程為：串級控制系統的工作頻率為：（2）提高了系統的工作頻率將各環節傳函代入，化簡得標準形式：第13頁/共45頁將各環節傳函代入，化簡得單回路系統特征方程為

單回路系統工作頻率

假定則（2）提高了系統的工作頻率第14頁/共45頁3.能適應負荷和操作條件的劇烈變化

當采用串級控制時，主環是一個定值系統，而副環卻是一個隨動系統。主調節器能夠根據操作條件和負荷變化的情況，不斷修改副調節器的給定值，以適應操作條件和負荷的變化。副回路的等效放大系數為一般當K02或KV隨操作條件或負荷變化時，K02’幾乎不變.第15頁/共45頁串級控制：副回路——粗調;主回路——細調綜上所述，串級控制系統的主要特點有：1）對進入副回路的干擾有很強的抑制能力；2）能改善控制通道的動態特性，提高系統的快速反應能力；3）對非線性情況下的負荷或操作條件的變化有一定的自適應能力。結論：副回路改善了動特性、提高了響應速度和工作頻率；當主、副時間常數比值一定，副調節器的比例系數越大，工作頻率越高；同樣，當比例系數一定，主、副時間常數比值越大，工作頻率也越高。其結果使振蕩周期縮短，提高了系統的控制質量。第16頁/共45頁6.1.3串級控制系統的適用范圍適用于容量滯后較大的過程選容量滯后較小的輔助變量，組成副回路以減小時間常數，提高工作頻率。加熱爐溫度串級控制系統第17頁/共45頁2.適用于純滯后較大的過程仿絲膠液壓力與壓力串級控制系統工藝要求：過濾前的壓力穩定在250KPa特點：距離長，純滯后時間長。在離調節閥較近、純時延較小的地方，選擇一個輔助參數作為副參數，構成一個純滯后較小的副回路。計量泵第18頁/共45頁3.應用于干擾變化劇烈、幅度大的過程工藝要求：汽包液位控制特點：快裝鍋爐容量小，蒸汽流量與水壓變化頻繁、激烈→三沖量液位串級控制。快裝鍋爐三沖量液位串級控制第19頁/共45頁4.應用于參數互相關聯的過程常壓塔塔頂出口溫度和一線溫度串級控制同一種介質控制兩種參數單回路控制：兩套裝置，不經濟又無法工作第20頁/共45頁5.應用于非線性過程合成反應器溫度串級控制：換熱器呈非線性特性特點：負荷或操作條件改變導致過程特性改變。若單回路控制，需隨時改變調節器整定參數以保證系統的衰減率不變；串級控制，則可自動調整副調節器的給定值。第21頁/共45頁

注意串級控制雖然應用范圍廣，但必須根據具體情況，充分利用優點，才能收到預期的效果。第22頁/共45頁6.1.4串級控制系統的設計副回路的設計與副參數的選擇2.主、副調節器調節規律的選擇3.主、副調節器正、反作用方式的選擇問題：副參數如何選擇？主、副回路的聯系？調節器如何選擇？正、反作用如何選擇？第23頁/共45頁副回路的設計與副參數的選擇選擇原則：（1）副參數要物理可測、副對象的時間常數要小、純滯后時間應盡可能短（2）副回路應盡可能多地包含變化頻繁、幅度大的干擾，但也不是越多越好a）燃料油壓力為主要干擾b)燃料油粘度、成分、熱值、處理量為主要干擾第24頁/共45頁（3）主、副被控過程的時間常數要適當匹配當串級控制與單回路控制的阻尼系數相等時，有假設為常量主、副被控過程的時間常數的比值不能太大也不能太小，應適當匹配。結論:為使主、副回路之間的動態聯系較小，避免引起系統共振，通常選擇時間常數的比值在3～10范圍內為宜。使第25頁/共45頁（4）應綜合考慮控制質量和經濟性要求冷劑液位為副參數，投資少，控制質量不高；冷劑蒸發壓力為副參數，投資多，但副回路比較靈敏，控制質量較高。選擇應視具體情況而定。第26頁/共45頁2.主、副調節器調節規律的選擇主調：定值控制；副調：隨動控制。

主被控參數是工藝操作的主要指標，允許波動的范圍很小，一般要求無靜差，因此，主調節器應選PI或PID調節規律。

副被控參數允許有靜差→P,一般不引入PI；當選流量為副參數時，為保穩定，P較大，可引入積分，即采用PI，以增強控制作用；一般不引入微分，否則會使調節閥動作過大或過于頻繁，對控制不利。第27頁/共45頁3.主、副調節器正、反作用方式的選擇選擇步驟：工藝要求→調節閥的氣開、氣關→副調節器的正、反作用→主、副過程的正、反作用→主調節器的正、反作用。示例：燃油閥氣開，副對象為正過程，副調為反作用調節器；主對象也為正過程，主調為反作用調節器第28頁/共45頁6.1.5串級控制系統的參數整定

整定原則：盡量加大副調節器的增益，提高副回路的頻率，使主、副回路的頻率錯開，以減少相互影響。1.逐步逼近整定法1）主開環、副閉環，整定副調的參數；記為2)副回路等效成一個環節，閉合主回路，整定主調節器參數，記為3）觀察過渡過程曲線，滿足要求，所求調節器參數即為否則，再整定副調節器參數，記為。。。反復進行，滿意為止。該方法適用于主、副過程時常相差不大、主、副回路動態聯系密切，需反復進行，費時較多第29頁/共45頁投運原則:

先投副環后投主環;投運過程必須保證無擾動切換.6.1.5串級控制系統的參數整定整定原則:

盡量加大副調節器的增益，提高副回路的頻率，使主、副回路的工作頻率錯開，以減少相互影響。先整副環后整主環。第30頁/共45頁1.逐步逼近整定法1）主開環、副閉環，整定副調的參數；記為2)副回路等效成一個環節，閉合主回路，整定主調節器參數，記為3）觀察過渡過程曲線，滿足要求，所求調節器參數即為否則，再整定副調節器參數，記為……反復進行，滿意為止。

該方法適用于主、副過程時常相差不大、主、副回路動態聯系密切，需反復進行，費時較多。第31頁/共45頁2.兩步整定法1）主、副閉合，主調為比例,比例度為100%，先用4：1衰減曲線法整定副調節器的參數，求得比例度δ2S和振蕩周期T2S；2)

副調節器比例度置δ2S，整定主調參數，求得主回路在4：1衰減比下的比例度δ1S和振蕩周期T1S

；根據兩種情況下的比例度和振蕩周期，按經驗公式求出主、副調節器的積分時間和微分時間，然后再按先副后主、先比例后積分再微分的次序投入運行，觀察曲線，適當調整，滿意為止。

第32頁/共45頁3.一步整定法1）根據經驗確定副調節器比例度；2）按單回路系統整定方法直接整定主調節器參數；3）觀察曲線，在約束條件下，適當調整主、副調節器的參數，滿意為止。

思路：先根據副過程特性或經驗確定副調節器的參數，然后一步完成主調節器參數的整定。理論依據：主、副調節器的放大系數在一定范圍內可以任意匹配，即在的條件下，當主、副過程特性一定時，為一常數。第33頁/共45頁4.應用舉例硝酸生產用氧化爐，主參數：爐溫，PI調節；副參數：氨氣流量，P調節；主、副動態聯系小，兩步整定法。為100％→1）2）副調置于32％，得主調的3）運用計算公式得：第34頁/共45頁6.2前饋控制系統6.2.1前饋控制的基本概念干擾補償控制：按干擾大小進行調節，克服干擾比反饋快;理論上，可實現理想控制。干擾F對輸出Y的傳遞函數為實現輸出Y(s)完全不變性的條件為第35頁/共45頁前饋控制系統的補償過程第36頁/共45頁

前饋控制是按照干擾作用的大小進行控制的，如控制作用恰到好處，一般比反饋控制要及時。前饋控制與反饋控制的比較：第37頁/共45頁6.2.2前饋控制的特點及局限性1.前饋控制的特點1）開環控制；2）比反饋控制及時；3）補償器為專用調節器2.前饋控制的局限性：無法實現對全部干擾的完全補償1）只能抑制可測干擾；2）不能對每個干擾實現補償；3）補償器難以精確得到，即使得到有時物理上也難以實現.結論：不能單獨使用第38頁/共45頁6.2.3靜態補償與動態補償1.靜態補償該補償器用比例調節器即可實現2.動態補償

由于精確模型難以得到或難以實現，只有要求嚴格控制動態偏差時才采用。第39頁/共45頁6.2.4前饋－反饋復合控制作用機理分析：對干擾F的完全補償條件為設計步驟：1）獨立設計反饋控制系統；

2）再根據不變性原理設計前饋補償器.復合控制系統的特征方程式：與GB(s)無關。第40頁/共45頁6.2.5引入前饋的原則及應用實例1.引入前饋控制的原則1）系統存在頻率高、幅值大、可測不可控的干擾，反饋控制難以克服、控制要求高時；2）控制通道時常大于干擾通道時常，反饋控制不及時，控制質量差；4）盡可能采用靜態補償而不采用動態補償。3）主要干擾無法用串級控制使其包含于副回路或副回路滯后過大時；第41頁/共45頁6.2.5引入前饋的原則及應用實例2.復合控制系統應用實例（1）蒸發過程的濃度控制50％→73％