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1、教书育人要义 传道授业释疑；师生同心协力,共探过控真谛。熟悉仪表原理,统领系统设计；理论实践结合，思维创新第一。,过程控制与自动化仪表,西安理工大学 潘永湘 杨延西 赵跃 制作,教学理念：,第6章 常用复杂控制系统,第6章 常用复杂控制系统,6.1 串级控制系统6.2 前馈控制系统,本章要点,1）了解串级控制系统的应用背景，熟悉串级控制系统的典型结构与特点；2）掌握串级控制系统的设计方法，熟悉串级控制系统的参数整定方法；3）了解前馈控制的原理及使用场合；4）掌握前馈补偿器的设计方法，熟悉前馈反馈复合控制的特点及工业应用。,6.1 串级控制系统,6.1.1 串级控制的基本概念,连续反应釜温度控制
2、示意图,物料自顶部连续进入釜中，经反应后由底部排出。反应产生的热量由夹套中的冷却水带走。为保证产品质量，对反应温度T1要进行严格控制。,工艺要求:,被控过程有三个热容积，即夹套中的冷却水、釜壁和釜中物料。,选取冷却水流量为调节参数,构成单回路控制系统,引起温度T1变化的干扰因素有：进料方面有进料流量、进料入口温度和化学组成，用F1表示；冷却水方面有水的入口温度和阀前压力，用F2表示。,问题：过渡过程时间长，调节不及时,将两个调节器串联在一起工作，各自完成不同任务的系统结构，就是串级控制的基本思想。根据这一构思，反应釜温度串级控制示意图为,串级控制系统的一般结构框图,主回路-定值控制副回路-随动
3、控制,副回路,主回路,6.1.2 串级控制系统的特点,对于同一对象,单回路控制,串级控制,1.能迅速克服进入副回路的干扰,串级控制等效方框图,等效副对象为,在给定信号X1作用下,在干扰F2作用下,控制能力和抗干扰能力综合指标：,比值越大，系统的控制能力和抗干扰能力越强,控制能力和抗干扰能力综合指标：,假设,则,结论：主、副调节器放大系数的乘积越大，抗干扰能力越强，控制质量越好。,与单回路控制系统的比较：,控制能力和抗干扰能力综合指标为：,一般情况下有,结论：由于副回路的存在，能迅速克服二次干扰。,假设,则,2.能改善控制通道的动态特性，提高工作频率,（1）等效时间常数减小，响应速度加快,等效副
4、回路,假设,则,串级系统的特征方程为：,串级控制系统的工作频率为：,（2）提高了系统的工作频率,将各环节传函代入，化简得,标准形式：,将各环节传函代入，化简得,单回路系统特征方程为,单回路系统工作频率,（2）提高了系统的工作频率,3.能适应负荷和操作条件的剧烈变化,当采用串级控制时，主环是一个定值系统，而副环却是一个随动系统。主调节器能够根据操作条件和负荷变化的情况，不断修改副调节器的给定值，以适应操作条件和负荷的变化。,副回路的等效放大系数为,一般,当K02或KV随操作条件或负荷变化时，K02几乎不变.,串级控制：副回路粗调;主回路细调,综上所述，串级控制系统的主要特点有：,1）对进入副回路
5、的干扰有很强的抑制能力；2）能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速反应能力；3）对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的自适应 能力。,结论：副回路改善了动特性、提高了响应速度和工作频率；当主、副时间常数比值一定，副调节器的比例系数越大，工作频率越高；同样，当比例系数一定，主、副时间常数比值越大，工作频率也越高。其结果使振荡周期缩短，提高了系统的控制质量。,6.1.3 串级控制系统的适用范围,适用于容量滞后较大的过程 选容量滞后较小的辅助变量，组成副回路以减小时间常数，提高工作频率。,加热炉温度串级控制系统,2.适用于纯滞后较大的过程,仿丝胶液压力与压力串级控制系统,工艺要求：过滤前的压
6、力稳定在250KPa特点：距离长，纯滞后时间长。,在离调节阀较近、纯时延较小的地方，选择一个辅助参数作为副参数，构成一个纯滞后较小的副回路。,计量泵,3.应用于干扰变化剧烈、幅度大的过程,工艺要求：汽包液位控制特点：快装锅炉容量小，蒸汽流量与水压变化频繁、激烈三冲量液位串级控制。,快装锅炉三冲量液位串级控制,4.应用于参数互相关联的过程,常压塔塔顶出口温度和一线温度串级控制,同一种介质控制两种参数单回路控制：两套装置，不经济又无法工作,5.应用于非线性过程,合成反应器温度串级控制：换热器呈非线性特性,特点：负荷或操作条件改变导致过程特性改变。若单回路控制，需随时改变调节器整定参数以保证系统的衰
7、减率不变；串级控制，则可自动调整副调节器的给定值。,注 意 串级控制虽然应用范围广，但必须根据具体情况，充分利用优点，才能收到预期的效果。,6.1.4 串级控制系统的设计,副回路的设计与副参数的选择2.主、副调节器调节规律的选择3.主、副调节器正、反作用方式的选择,问题：副参数如何选择？主、副回路的联系？调节器如何选择？正、反作用如何选择？,副回路的设计与副参数的选择,选择原则：,（1）副参数要物理可测、副对象的时间常数要小、纯滞后时间应 尽可能短,（2）副回路应尽可能多地包含变化频繁、幅度大的干扰，但也 不是越多越好,a）燃料油压力为主要干扰,b)燃料油粘度、成分、热值、处理量为主要干扰,（
8、3）主、副被控过程的时间常数要适当匹配,当串级控制与单回路控制的阻尼系数相等时，有,主、副被控过程的时间常数的比值不能太大也不能太小，应适当匹配。,结论:,为使主、副回路之间的动态联系较小，避免引起系统共振，通常选择时间常数的比值在310范围内为宜。,使,（4）应综合考虑控制质量和经济性要求,冷剂液位为副参数，投资少，控制质量不高；冷剂蒸发压力为副参数，投资多，但副回路比较灵敏，控制质量较高。,选择应视具体情况而定。,2.主、副调节器调节规律的选择,主调：定值控制；副调：随动控制。,主被控参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要求无静差，因此，主调节器应选PI或PID调节规律。,副
9、被控参数允许有静差P,一般不引入PI；当选流量为副参数时，为保稳定，P较大，可引入积分，即采用PI，以增强控制作用；一般不引入微分，否则会使调节阀动作过大或过于频繁，对控制不利。,3.主、副调节器正、反作用方式的选择,选择步骤：工艺要求调节阀的气开、气关副调节器的正、反作用主、副过程的正、反作用主调节器的正、反作用。,示例：,燃油阀气开，副对象为正过程，副调为反作用调节器；主对象也为正过程，主调为反作用调节器,6.1.5 串级控制系统的参数整定,整定原则：尽量加大副调节器的增益，提高副回路的频率，使主、副回路的频率错开，以减少相互影响。,1.逐步逼近整定法,1）主开环、副闭环，整定副调的参数；
10、记为,2)副回路等效成一个环节，闭合主回路，整定主调节器参数，记为,3）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即为,否则，再整定副调节器参数，记为,。反复进行，满意为止。,该方法适用于主、副过程时常相差不大、主、副回路动态联系密切，需反复进行，费时较多,投运原则:先投副环后投主环;投运过程必须保证无扰动切换.,6.1.5 串级控制系统的参数整定,整定原则:尽量加大副调节器的增益，提高副回路的频率，使主、副回路的工作频率错开，以减少相互影响。先整副环后整主环。,1.逐步逼近整定法,1）主开环、副闭环，整定副调的参数；记为,2)副回路等效成一个环节，闭合主回路，整定主调节器参数，记为,3）观察
11、过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即为,否则，再整定副调节器参数，记为,反复进行，满意为止。,该方法适用于主、副过程时常相差不大、主、副回路动态联系密切，需反复进行，费时较多。,2.两步整定法,1）主、副闭合，主调为比例,比例度为100%，先用4：1衰减 曲线法整定副调节器的参数，求得比例度2S和振荡周期T2S；,2)副调节器比例度置2S，整定主调参数，求得主回路在4：1衰减比下的比例度1S和振荡周期T1S；根据两种情况 下的比例度和振荡周期，按经验公式求出主、副调节器的积 分时间和微分时间，然后再按先副后主、先比例后积分再微 分的次序投入运行，观察曲线，适当调整，满意为止。,3.一步整定
12、法,1）根据经验确定副调节器比例度；2）按单回路系统整定方法直接整定主调节器参数；3）观察曲线，在约束条件下，适当调整主、副调节器的参数，满意为止。,思路：先根据副过程特性或经验确定副调节器的参数，然后一步完成主调节器参数的整定。理论依据：主、副调节器的放大系数在一定范围内可以任意匹配，即在 的条件下，当主、副过程特性一定时，为一常数。,4.应用举例硝酸生产用氧化炉，主参数：炉温，PI调节；副参数：氨气流量，P调节；主、副动态联系小，两步整定法。,为100,1）,2）副调置于32，得主调的,3）运用计算公式得：,6.2 前馈控制系统,6.2.1 前馈控制的基本概念,干扰补偿控制：按干扰大小进行
13、调节，克服干扰比反馈快;理论上，可实现理想控制。,干扰F对输出Y的传递函数为,实现输出Y(s)完全不变性的条件为,前馈控制系统的补偿过程,前馈控制是按照干扰作用的大小进行控制的，如控制作 用恰到好处，一般比反馈控制要及时。,前馈控制与反馈控制的比较：,6.2.2 前馈控制的特点及局限性,1.前馈控制的特点,1）开环控制；,2）比反馈控制及时；,3）补偿器为专用调节器,2.前馈控制的局限性：无法实现对全部干扰的完全补偿,1）只能抑制可测干扰；,2）不能对每个干扰实现补偿；,3）补偿器难以精确得到，即使得到有时物理上也难以实现.,结论：不能单独使用,6.2.3 静态补偿与动态补偿,1.静态补偿,该
14、补偿器用比例调节器即可实现,2.动态补偿,由于精确模型难以得到或难以实现，只有要求严格控制动态偏差时才采用。,6.2.4 前馈反馈复合控制,作用机理分析：,对干扰F的完全补偿条件为,设计步骤：1）独立设计反馈控制系统；2）再根据不变性原理设计前馈补偿器.,复合控制系统的特征方程式：与GB(s)无关。,6.2.5 引入前馈的原则及应用实例,1.引入前馈控制的原则,1）系统存在频率高、幅值大、可测不可控的干扰，反馈控制难以克服、控制要求高时；,2）控制通道时常大于干扰通道时常，反馈控制不及时，控制质量差；,4）尽可能采用静态补偿而不采用动态补偿。,3）主要干扰无法用串级控制使其包含于副回路或副回路滞后过大时；,6.2.5 引入前馈的原则及应用实例,2.复合控制系统应用实例,（1）蒸发过程的浓度控制,5073葡萄糖液被控参数：溶液沸点和水沸点之温差影响温差的主要因素：进料溶液浓度、温度、流量，加热蒸汽压力、流量等.,方案：,进料,（2）锅炉汽包水位控制,被控参数：汽包水位影响因素：蒸汽用量（不可控）给水流量（选为控制参数）,解决方案：蒸汽流量为前馈信号，给水流量为副参数，水位为主参数前馈反馈串级控制,问题：“虚假水位”影响控制效果。,本章结束，谢谢！,
