第8章-提高控制品质的控制系统.ppt

单回路控制系统回顾单回路控制系统回顾图图 单回路控制系统框图单回路控制系统框图调节器调节器执行器执行器被控对象被控对象检测变送器检测变送器结构和特性结构和特性：单单回路回路、负、负反馈、应用较反馈、应用较广泛广泛。适用。适用 于于时间常数时间常数较小较小，负荷变化，负荷变化小小的对象。的对象。但是但是，在某些被控对象的在某些被控对象的动态特性比较复杂动态特性比较复杂 或者或者控制任务比较特殊控制任务比较特殊的应用场合，的应用场合，简单控制系统就显得简单控制系统就显得力不从心力不从心。.所谓所谓复杂复杂，乃是相对，乃是相对简单简单而言的。一般来说，凡是而言的。一般来说，凡是结构上结构上比单回路控制系统更为比单回路控制系统更为复杂复杂或或控制目的控制目的上较为上较为特特殊殊的控制系统都可以称为的控制系统都可以称为复杂控制系统复杂控制系统。由于在这些系。由于在这些系统中，通常包含有两个以上的变送器、控制器或者执行统中，通常包含有两个以上的变送器、控制器或者执行器，构成的回路数也多于一个，所以，复杂控制系统又器，构成的回路数也多于一个，所以，复杂控制系统又称为称为多回路控制系统多回路控制系统。显然，这类系统的分析、设计、。显然，这类系统的分析、设计、参数整定与投运比简单控制系统要参数整定与投运比简单控制系统要复杂复杂一些。一些。常见的复杂控制系统有常见的复杂控制系统有串级、前馈、大时延串级、前馈、大时延、比值、比值、均匀、分程、选择均匀、分程、选择等控制系统。等控制系统。复杂控制系统复杂控制系统.第第8章章 提高提高控制质量控制质量的的控制系统控制系统q8.1 串级串级控制系统控制系统q8.2 前馈前馈控制系统控制系统q8.3 大时延大时延控制系统控制系统动态特性动态特性比较复杂比较复杂第第9章章 满足满足特定要求特定要求的的过程控制系统过程控制系统q9.1 比值比值控制系统控制系统q9.2 均匀均匀控制系统控制系统q9.3 分程分程控制系统控制系统q9.4 选择选择控制系统控制系统控制任务控制任务比较特殊比较特殊.qq8.18.1 串级控制系统串级控制系统串级控制系统串级控制系统qq8.28.2 前馈控制系统前馈控制系统前馈控制系统前馈控制系统qq8.38.3 大时延控制系统大时延控制系统大时延控制系统大时延控制系统第第8章章 提高控制品质的控制系统提高控制品质的控制系统.第第8章章 提高控制提高控制品质品质的控制系统的控制系统q q 8.1 8.1 串级控制系统串级控制系统串级控制系统串级控制系统 生产过程中有很多生产过程中有很多容量滞后比较大容量滞后比较大（T T0 0）的对象，）的对象，由于由于控制变量控制变量的的变化变化要经过一个要经过一个较长的时间较长的时间才能对才能对被被控变量控变量起作用，这样明显造成控制作用起作用，这样明显造成控制作用不及时不及时，使系，使系统控制变差。当对象的统控制变差。当对象的容量滞后较大，负荷或干扰变容量滞后较大，负荷或干扰变化比较剧烈、比较频繁，化比较剧烈、比较频繁，或是工艺对产品质量提出的或是工艺对产品质量提出的要求很高，要求很高，此时，采用简单控制系统无法满足要求，此时，采用简单控制系统无法满足要求，可以采用可以采用串级串级控制系统。控制系统。.8.1.1 基本概念基本概念 1.串级控制系统结构串级控制系统结构 炼油厂常用的设备中有一种叫炼油厂常用的设备中有一种叫管式加热炉管式加热炉,工艺要求工艺要求被加热原料在炉的被加热原料在炉的出口温度出口温度保持恒定。保持恒定。第第8章章 提高控制提高控制品质品质的控制系统的控制系统q 8.1 串级控制系统串级控制系统影响物料影响物料出口温度出口温度的干扰：的干扰：（1）原料油流量与初温）原料油流量与初温f1(t)（2）燃油压力、流量、热值）燃油压力、流量、热值f2(t)（3）烟囱抽力变化）烟囱抽力变化f3(t)（4）环境温度等）环境温度等f4(t)空气空气.单回路单回路设计方案设计方案1：出口温度出口温度为被控参数，为被控参数，燃料量燃料量为控制参数。为控制参数。T1CT1T第第8章章 提高控制质量的控制系统提高控制质量的控制系统q 8.1 串级控制系统串级控制系统8.1.1 基本概念基本概念 1.串级控制系统结构串级控制系统结构9分钟分钟45分钟分钟结论结论：1.结构上结构上合理合理；2.实际控制质量实际控制质量 很差很差。炉.第第8章章 提高控制质量的控制系统提高控制质量的控制系统q q 8.18.1 串级控制系统串级控制系统串级控制系统串级控制系统8.1.1 基本概念基本概念 1.串级控制系统结构串级控制系统结构串级控制系统结构串级控制系统结构单回路单回路设计方案设计方案2：炉膛温度炉膛温度为被控参数，为被控参数，燃料量燃料量为控制参数。为控制参数。T1CT1T结论结论：1.能及时克服能及时克服 f2(t)、f3(t)；2.不能克服不能克服f1(t)、f4(t)。炉.第第8章章 提高控制质量的控制系统提高控制质量的控制系统q 8.1 串级控制系统串级控制系统8.1.1 基本概念基本概念 1.串级控制系统结构串级控制系统结构串级控制系统结构串级控制系统结构复杂复杂设计方案设计方案3：出口温度出口温度Y1(s)为主被控参数，为主被控参数，炉膛温度炉膛温度Y2(s)为副被控参数，为副被控参数，燃料量燃料量为控制参数。为控制参数。串级串级控控制系统制系统.第第8章章 提高控制质量的控制系统提高控制质量的控制系统q 8.1 串级控制系统串级控制系统8.1.1 基本概念基本概念 1.串级控制系统结构串级控制系统结构串级控制系统结构串级控制系统结构主被控参数主被控参数Y1(s)：主要：主要控制目标控制目标，工艺要求，工艺要求副被控参数副被控参数Y2(s)：被控对象引出的：被控对象引出的中间变量中间变量副对象：副被控参数与控制参数之间的副对象：副被控参数与控制参数之间的通道特性通道特性主对象：主被控参数与副被控参数之间的主对象：主被控参数与副被控参数之间的通道特性通道特性副控制器：接受副控制器：接受副变量副变量的偏差，其输出控制的偏差，其输出控制阀门阀门主控制器：接受主控制器：接受主变量主变量的偏差，其输出是副控制器的的偏差，其输出是副控制器的给定值给定值所以，主回路所以，主回路是一个是一个定值控定值控制系统制系统，副回，副回路则是一个路则是一个随随动控制系统动控制系统。.第第8章章 提高控制质量的控制系统提高控制质量的控制系统q q 8.18.1 串级控制系统串级控制系统串级控制系统串级控制系统8.1.1 基本概念基本概念 1.串级控制系统结构串级控制系统结构串级控制系统结构串级控制系统结构副回路（副环）：由副变量检测变送器、副控制器、调节阀、副对象组成副回路（副环）：由副变量检测变送器、副控制器、调节阀、副对象组成 的回路。处在串级控制系统的回路。处在串级控制系统内部内部的，在控制过程中起着的，在控制过程中起着 “粗调粗调”的作用。的作用。主回路（主环）：由主回路（主环）：由副回路副回路、主控制器、主对象、主变量检测变送器组成、主控制器、主对象、主变量检测变送器组成 的回路，在控制系统中起着的回路，在控制系统中起着“细调细调”的作用。的作用。一次干扰：进入一次干扰：进入主回路主回路的干扰的干扰 二次干扰：进入二次干扰：进入副回路副回路的干扰的干扰.控制阀控制阀出口温度出口温度燃料油燃料油原料油原料油温度测量值温度测量值温度变送器温度变送器温度设定值温度设定值流量测量值流量测量值流量变送器流量变送器控制量控制量第第8章章 提高控制质量的控制系统提高控制质量的控制系统q q 8.18.1 串级控制系统串级控制系统串级控制系统串级控制系统8.1.1 基本概念基本概念 1.串级控制系统结构串级控制系统结构串级控制系统结构串级控制系统结构另一种方案另一种方案.第第8章章 提高控制质量的控制系统提高控制质量的控制系统q q 8.18.1 串级控制系统串级控制系统串级控制系统串级控制系统8.1.1 基本概念基本概念 2.串级控制系统的串级控制系统的工作过程工作过程+-+-1）只有二次扰动）只有二次扰动2）只有一次扰动）只有一次扰动3）一、二次扰动均有）一、二次扰动均有使主副参数使主副参数同向同向变化变化使主副参数使主副参数异向异向变化变化.第第8章章 提高控制质量的控制系统提高控制质量的控制系统q q 8.18.1 串级控制系统串级控制系统串级控制系统串级控制系统8.1.2 串级控制系统的串级控制系统的特点特点 1.改善改善过程动态特性过程动态特性.静态放大系数静态放大系数时间常数时间常数1.改善过程动态特性改善过程动态特性q q 8.18.1 串级控制系统串级控制系统串级控制系统串级控制系统8.1.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点式中：式中：设上式中：设上式中：代入，得：代入，得：.其等效系统与其等效系统与单回路系统单回路系统相比：相比：取代取代1.改善过程动态特性改善过程动态特性q q 8.18.1 串级控制系统串级控制系统串级控制系统串级控制系统8.1.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点从理论上可以证明，由于副回路从理论上可以证明，由于副回路的存在，可以使等效对象的时间的存在，可以使等效对象的时间常数常数大大减小（中间大小的时间，大大减小（中间大小的时间，相当于在系统中增加了一个起超相当于在系统中增加了一个起超前作用的前作用的微分环节微分环节）因而使得系）因而使得系统的统的动态响应加快动态响应加快，控制更加，控制更加及及时时，最大动态偏差得到，最大动态偏差得到减小减小；与；与此同时，等效对象时间常数的缩此同时，等效对象时间常数的缩短，还使系统的短，还使系统的工作频率工作频率得到提得到提高，这就缩短了高，这就缩短了振荡周期振荡周期，减少，减少了过渡过程的时间。即便是干扰了过渡过程的时间。即便是干扰作用于主对象，串级控制系统的作用于主对象，串级控制系统的控制质量也将比单回路控制系统控制质量也将比单回路控制系统有所改善。有所改善。.副回路的引入，使副回路的引入，使整个系统的工作频率有提高整个系统的工作频率有提高代入（代入（8.5）图图8.7可得串级系统的特征方程为：可得串级系统的特征方程为：（8.5）（8.7）令：令：特征方程式（特征方程式（8.7）可写成标准形式：）可写成标准形式：（8.8）q q 8.1 串级控制系统串级控制系统8.1.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点2.系统系统工作频率工作频率提高提高.（8.9）特征根为：特征根为：系统出现振荡，振荡频率为：系统出现振荡，振荡频率为：（8.10）q q 8.1 串级控制系统串级控制系统8.1.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点2.系统系统工作频率工作频率提高提高21.单回路特征方程：单回路特征方程：（8.11）特征方程标准形式：特征方程标准形式：同理可得单回路系统振荡频率为：同理可得单回路系统振荡频率为：（8.15）q q 8.1 串级控制系统串级控制系统8.1.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点2.系统系统工作频率工作频率提高提高22.若使串级控制系统与单回路控制系统具有相同的衰减率，即：若使串级控制系统与单回路控制系统具有相同的衰减率，即：（8.16）工作频率提高，控制品质改善。工作频率提高，控制品质改善。串级系统：串级系统：单回路系统：单回路系统：q q 8.1 串级控制系统串级控制系统8.1.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点2.系统系统工作频率工作频率提高提高23.（8.17）进入副回路的干扰进入副回路的干扰F3(s)与副回路输出与副回路输出2(s)之间的传递函数记为之间的传递函数记为G*o2(s):系统输入系统输入X1(s)与被控参数与被控参数1(s)之间的传递函数记为之间的传递函数记为:干扰干扰F3(s)与被控参数与被控参数1(s)之间的传递函数记为之间的传递函数记为:（8.19）（8.18）q q 8.1 串级控制系统串级控制系统8.1.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点3.对对二次扰动二次扰动有有很强很强的克服能力的克服能力24.系统输入系统输入X1(s)与被控参数与被控参数1(s)之间的传递函数记为之间的传递函数记为:干扰干扰F3(s)与被控参数与被控参数1(s)之间的传递函数记为之间的传递函数记为:（8.19）（8.18）串级控制系统对串级控制系统对F3(s)抗干扰能力抗干扰能力Jc3表示为表示为:（8.21）q q 8.1 串级控制系统串级控制系统8.1.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点3.对对二次扰动二次扰动有有很强很强的克服能力的克服能力25.系统输入系统输入X1(s)与被控参数与被控参数1(s)之间的传递函数记为之间的传递函数记为:干扰干扰F3(s)与被控参数与被控参数1(s)之间的传递函数记为之间的传递函数记为:（8.25）单回路控制系统对单回路控制系统对F3(s)抗干扰能力抗干扰能力Jk3表示为表示为:图图8.12中单回路系统：中单回路系统：q q 8.1 串级控制系统串级控制系统8.1.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点3.对对二次扰动二次扰动有有很强很强的克服能力的克服能力26.（8.25）由式（由式（8.21）、（）、（8.25）可得串级系统与单回路系统对进入副回路）可得串级系统与单回路系统对进入副回路干扰干扰F3(s)的抗干扰能力之比的抗干扰能力之比:（8.21）一般情况下，总有：一般情况下，总有：Kc1Kc2K*c1q q 8.1 串级控制系统串级控制系统8.1.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点3.对对二次扰动二次扰动有有很强很强的克服能力的克服能力27.q q 8.1 串级控制系统串级控制系统8.1.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点4.对负荷变化对负荷变化有一定的有一定的自适应自适应能力能力（1）单回路控制系统中控制器参数是在一定的负荷和操作条件单回路控制系统中控制器参数是在一定的负荷和操作条件下，按某种质量指标整定得到的，固定不变。而下，按某种质量指标整定得到的，固定不变。而过程控制中的过程控制中的对象对象特性会特性会随着生产负荷和操作条件的改变而发生变化。控制随着生产负荷和操作条件的改变而发生变化。控制器参数只能在一个较小的工作范围内与对象特性相匹配，如果器参数只能在一个较小的工作范围内与对象特性相匹配，如果负荷和操作条件变化过大，超出了这个适应范围，控制质量就负荷和操作条件变化过大，超出了这个适应范围，控制质量就很难保证。串级控制系统就不同。虽然主回路是一个定值控制很难保证。串级控制系统就不同。虽然主回路是一个定值控制系统，副回路却是一个随动系统，它的给定值是随着主调节器系统，副回路却是一个随动系统，它的给定值是随着主调节器的输出而变化的。的输出而变化的。主调节器可以按照生产负荷和操作条件的变主调节器可以按照生产负荷和操作条件的变化情况相应地调整副调节器的给定值，使系统运行在新的工作化情况相应地调整副调节器的给定值，使系统运行在新的工作点上点上，从而保证在新的负荷和操作条件下，控制系统仍然具有，从而保证在新的负荷和操作条件下，控制系统仍然具有较好的控制质量。较好的控制质量。（2）.8.1.3 串级控制系统的工业应用串级控制系统的工业应用1.应用于应用于容量滞后较大容量滞后较大的过程的过程2.应用于应用于纯时延较大纯时延较大的过程的过程 3.应用于应用于扰动变化激烈扰动变化激烈的过程的过程 4.应用于应用于参数互相关联参数互相关联的过程的过程 5.应用于应用于非线性非线性的过程的过程 4.有一定的有一定的自适应自适应能力能力.增设一个增设一个流量控制流量控制系统系统两个系统相两个系统相互关联，无互关联，无法工作。法工作。进料进料蒸汽蒸汽采出采出F,zfB,xBLB再沸器再沸器精馏塔精馏塔TCTTFCFTV1V2.构成串级控制系统构成串级控制系统进料进料蒸汽蒸汽采出采出F,zfB,xBLB再沸器再沸器精馏塔精馏塔TCTTFCFT.8.1.4 串级控制系统方案设计串级控制系统方案设计1主参数主参数的选择和的选择和主回路主回路的设计的设计 串级控制系统由主回路和副回路组成。主回路是一个串级控制系统由主回路和副回路组成。主回路是一个定值控制系统定值控制系统。对于主参数的选择和主回路的设计，。对于主参数的选择和主回路的设计，基本基本上按照单回路控制系统的设计原则进行。上按照单回路控制系统的设计原则进行。凡直接或间接与凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数，均生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数，均可选作主参数。若条件许可，可以选用可选作主参数。若条件许可，可以选用质量指标质量指标作为主参作为主参数，因为它最直接也最有效。否则，应选一个与产品质量数，因为它最直接也最有效。否则，应选一个与产品质量指标有指标有单值函数关系的参数作为主参数单值函数关系的参数作为主参数。另外，对于选用。另外，对于选用的主参数必须具有足够的的主参数必须具有足够的变化灵敏度变化灵敏度，并须符合工艺过程，并须符合工艺过程的合理性。的合理性。.2副参数副参数的选择和的选择和副回路副回路的设计的设计（1）副参数的选择原则）副参数的选择原则 8.1.4 串级控制系统的设计串级控制系统的设计1）副参数的变化应反映主参数的变换趋势、并在很大程度上）副参数的变化应反映主参数的变换趋势、并在很大程度上影响影响主参数；主参数；2）选择的副参数必须是物理上）选择的副参数必须是物理上可测可测的；的；3）由副参数所构成的副回路，）由副参数所构成的副回路，调节通道尽可能短，调节过程调节通道尽可能短，调节过程时间常数不能太大，时间滞后小，时间常数不能太大，时间滞后小，以便使等效过程时间常数以便使等效过程时间常数显著减小，提高整个系统的显著减小，提高整个系统的工作频率工作频率，加快控制过程反映速，加快控制过程反映速度，改善系统控制品质。度，改善系统控制品质。.（2）副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的）副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主要干扰主要干扰，并尽可能并尽可能多包含一些干扰。多包含一些干扰。尽可能将带有尽可能将带有非线性或时变特性非线性或时变特性的的环节包含于环节包含于副回路副回路中。中。8.1.4 串级控制系统的设计串级控制系统的设计2副参数副参数的选择和的选择和副回路副回路的设计的设计 常用的串级控制系统：温度常用的串级控制系统：温度+流量、温度流量、温度+压力、液位压力、液位+流量、流量、温度温度+温度等。温度等。.（3）主、副回路时间常数的适当）主、副回路时间常数的适当匹配匹配 在选择副变量时，应注意使主、副回路中控制过程的时在选择副变量时，应注意使主、副回路中控制过程的时间常数之比为间常数之比为310，以减少主、副回路的动态联系，避免，以减少主、副回路的动态联系，避免“共振共振”。在副回路设计时，如果有几种可供选择的控制方案，则应在副回路设计时，如果有几种可供选择的控制方案，则应同时把经济性原则和控制品质要求结合起来，进行分析比较，同时把经济性原则和控制品质要求结合起来，进行分析比较，在满足系统设计要求的前提下，力求节约。在满足系统设计要求的前提下，力求节约。（5）副回路设计时应同时考虑）副回路设计时应同时考虑经济性经济性原则原则（4）副回路设计应考虑生产工艺的）副回路设计应考虑生产工艺的合理性合理性 应考虑和满足生产工艺要求，所设置的系统是否会影响应考虑和满足生产工艺要求，所设置的系统是否会影响到工艺过程的正常运行。到工艺过程的正常运行。（4）副回路设计应考虑生产工艺的）副回路设计应考虑生产工艺的合理性合理性 应考虑和满足生产工艺要求，所设置的系统是否会影响应考虑和满足生产工艺要求，所设置的系统是否会影响到工艺过程的正常运行。到工艺过程的正常运行。在副回路设计时，如果有几种可供选择的控制方案，则应在副回路设计时，如果有几种可供选择的控制方案，则应同时把经济性原则和控制品质要求结合起来，进行分析比较，同时把经济性原则和控制品质要求结合起来，进行分析比较，在满足系统设计要求的前提下，力求节约。在满足系统设计要求的前提下，力求节约。8.1.4 串级控制系统的设计串级控制系统的设计2副参数副参数的选择和的选择和副回路副回路的设计的设计.3串级控制系统控制参数选择串级控制系统控制参数选择（1）选择）选择可控性良好可控性良好的参数作为控制参数。的参数作为控制参数。（2）所选择的控制参数必须使控制通道有）所选择的控制参数必须使控制通道有足够大的放大系数足够大的放大系数，并应保证并应保证大于大于主要扰动通道的放大系数，以实现对主要主要扰动通道的放大系数，以实现对主要 扰动进行有效控制并提高控制质量。扰动进行有效控制并提高控制质量。（3）所选控制参数必须使）所选控制参数必须使控制通道有较高的灵敏度，即时间控制通道有较高的灵敏度，即时间 常数适当小一些。常数适当小一些。（4）选择控制参数应同时考虑）选择控制参数应同时考虑经济性经济性与工艺上的与工艺上的合理性合理性。8.1.4 串级控制系统的设计串级控制系统的设计.4主、副控制器控制规律的选择主、副控制器控制规律的选择 主控制器起主控制器起定值控制定值控制作用、副控制器起作用、副控制器起随动控制随动控制作用。作用。8.1.4 串级控制系统的设计串级控制系统的设计主调节器通常选用主调节器通常选用PI调节，以实现主变量的无差控制。调节，以实现主变量的无差控制。当控制当控制通道容量滞后比较大通道容量滞后比较大时，主调节器应选用时，主调节器应选用PID调节。调节。副调节器一般选用副调节器一般选用P调节。调节。为了能够为了能够快速跟踪快速跟踪，一般不引入积分调节。，一般不引入积分调节。.主、副调节器正、反作用方式的选择原则：主、副调节器正、反作用方式的选择原则：依然是依然是使整个系统构成使整个系统构成负反馈负反馈。主、副调节器的正、反作用方式主、副调节器的正、反作用方式选择的顺序选择的顺序是：是：首先首先根据工艺的要求确定调节阀的气开、气关形式；根据工艺的要求确定调节阀的气开、气关形式；然后然后按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、反作用；反作用；最后最后再依据主、副参数的关系和主回路构成负反馈的原再依据主、副参数的关系和主回路构成负反馈的原则，确定主调节器的则，确定主调节器的正、反作用正、反作用。5主、副调节器正、反作用方式的确定主、副调节器正、反作用方式的确定 8.1.4 串级控制系统的设计串级控制系统的设计.8.1.5 串级控制系统调节器参数的整定串级控制系统调节器参数的整定 常用的整定方法有：常用的整定方法有：逐步逼近法逐步逼近法、两步整定法两步整定法、一步整定法一步整定法1逐步逼近法逐步逼近法 整定步骤：整定步骤：（1）主回路断开，把副回路作为一个单回路控制系统，并按单回路）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，求取副调节器的整定参数值控制系统的参数整定法，求取副调节器的整定参数值W2(s)1。（2）副调节器参数值置于）副调节器参数值置于W2(s)1数值上，把主回路闭合，把副回数值上，把主回路闭合，把副回路作为一个等效环节，这样，主回路又成为一个单回路控制系统。再按路作为一个等效环节，这样，主回路又成为一个单回路控制系统。再按单回路整定方法，求取主调节器的整定参数值单回路整定方法，求取主调节器的整定参数值W1(s)1。（3）主调节器参数置于）主调节器参数置于W1(s)1上，主回路闭合，再按上述方法求上，主回路闭合，再按上述方法求取副调节器的整定参数值取副调节器的整定参数值W2(s)2。至此，完成了一次逼近循环至此，完成了一次逼近循环。若控。若控制制质量已达到工艺要求，整定即告结束。主、副调节器的整定参数值分别质量已达到工艺要求，整定即告结束。主、副调节器的整定参数值分别为为W1(s)1和和W2(s)2。否则，将副调节器的参数置于。否则，将副调节器的参数置于W2(s)2上，再按上上，再按上述方法求取主调节器整定参数值述方法求取主调节器整定参数值W1(s)2。如此如此循环循环下去，逐步逼近，直到满足质量指标要求为止。下去，逐步逼近，直到满足质量指标要求为止。.2两步整定法两步整定法 两步整定法：第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。两步整定法：第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。整定步骤：整定步骤：（1）在工况稳定、主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用的）在工况稳定、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（如，用单回路控制系统的衰减（如4：1）曲线法整定，求取副调节器的比例度）曲线法整定，求取副调节器的比例度2s和操作周期和操作周期T2s。（2）将副调节器的比例度置于所求得的数值）将副调节器的比例度置于所求得的数值2s上，把副回路作上，把副回路作为主回路中的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主调节器的比为主回路中的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主调节器的比例度例度1s和操作周期和操作周期T1s。（3）根据求得的）根据求得的1s、T1s，2s、T2s数值，按单回路系统衰减数值，按单回路系统衰减曲线法整定公式计算主、副调节器的比例度曲线法整定公式计算主、副调节器的比例度、积分时间、积分时间T1和微分时和微分时间间TD的数值。的数值。（4）按先副后主、先比例后积分最后微分的整定程序，设置主、）按先副后主、先比例后积分最后微分的整定程序，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，直到副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到系统质量达到最佳为止。系统质量达到最佳为止。8.1.5 串级控制系统调节器参数的整定串级控制系统调节器参数的整定.3一步整定法一步整定法 一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。理论根据：串级控制系统可以等价为单回路反馈控制系统，其等理论根据：串级控制系统可以等价为单回路反馈控制系统，其等 效调节器总的放大系数效调节器总的放大系数KC为主调节器放大系数为主调节器放大系数 与与 回路等效放大系数的乘积，即回路等效放大系数的乘积，即在确定副调节器的比例度在确定副调节器的比例度 时，根据时，根据式中，式中，为纯比例作用下，产生为纯比例作用下，产生4：1衰减比过程的总放大系数。衰减比过程的总放大系数。这一关系式，这一关系式，通过副过程放大系数通过副过程放大系数 ，求取副调节器比例放大系数，求取副调节器比例放大系数 ，或按经，或按经验选取。验选取。8.1.5 串级控制系统调节器参数的整定串级控制系统调节器参数的整定.整定步骤：整定步骤：（1）在生产稳定，系统为纯比例作用的情况下，由副过程）在生产稳定，系统为纯比例作用的情况下，由副过程K02确定副确定副调节器的比例度，并将其设置在副调节器上。调节器的比例度，并将其设置在副调节器上。（2）按照单回路控制系统的整定方法，整定主调节器参数。）按照单回路控制系统的整定方法，整定主调节器参数。（3）观察控制过程，根据）观察控制过程，根据 与与 互相匹配的原理，适当调整调节互相匹配的原理，适当调整调节器参数，使主参数品质指标最佳。器参数，使主参数品质指标最佳。（4）在调节器参数的整定过程中，若出现）在调节器参数的整定过程中，若出现“共振共振”，只要加大主、，只要加大主、副调节器中任何一个调节器的参数，便可以消除副调节器中任何一个调节器的参数，便可以消除“共振共振”。若。若“共振共振”剧剧烈，可以先切换至遥控，待生产稳定后，将调节器参数置于比产生烈，可以先切换至遥控，待生产稳定后，将调节器参数置于比产生“共振共振”时略大的数值上，重新整定调节器参数。时略大的数值上，重新整定调节器参数。.应用举例应用举例 例例 某工厂在石油裂解气冷却系统中，通过液态丙烯的气化来某工厂在石油裂解气冷却系统中，通过液态丙烯的气化来吸收热量，以保持裂解气出口温度的稳定。组成以出口温度为主吸收热量，以保持裂解气出口温度的稳定。组成以出口温度为主参数、气化压力为副参数的温度与压力串级控制系统。参数、气化压力为副参数的温度与压力串级控制系统。采用一步整定法：采用一步整定法：（1）在本系统中，副参数为压力，该参数反应快，滞后小，比）在本系统中，副参数为压力，该参数反应快，滞后小，比例度可选小一些，根据本例具体情况，选取副调节器比例度为例度可选小一些，根据本例具体情况，选取副调节器比例度为40%。（2）将副调节器的比例度）将副调节器的比例度2置于置于40%的刻度上，按的刻度上，按4：1衰减曲衰减曲线法整定主调节器参数，得到线法整定主调节器参数，得到1s30%，TI13min。（3）按）按4：1衰减曲线法的经验公式计算主调节器参数，即衰减曲线法的经验公式计算主调节器参数，即 20.81s0.830%24%TI10.3 TI1s=0.33=0.9min Td10.1 TI1s=0.13=0.3min 副调节器的比例度副调节器的比例度240%。（4）按照）按照“先比例后积分再微分先比例后积分再微分”的程序，将主调节器的参数置于的程序，将主调节器的参数置于计算求得的数值上，使系统投入运行，实践证明，系统主参数稳定，计算求得的数值上，使系统投入运行，实践证明，系统主参数稳定，完全满足工程要求。完全满足工程要求。.例例 在硝酸生产过程中，有一个氧化炉与氨气流量的串级控制在硝酸生产过程中，有一个氧化炉与氨气流量的串级控制系统，炉温为主参数，工艺要求较高，温度最大偏差不能超过系统，炉温为主参数，工艺要求较高，温度最大偏差不能超过50C，氨气流量为副参数，允许在一定范围内变化，要求不高。，氨气流量为副参数，允许在一定范围内变化，要求不高。采用两步整定法：采用两步整定法：（1）在系统设计时，主调节器选用）在系统设计时，主调节器选用PI控制规律，副调节器选用控制规律，副调节器选用P控制规律，在系统稳定运行条件下，主、副调节器均置于纯比例作用，控制规律，在系统稳定运行条件下，主、副调节器均置于纯比例作用，主调节器的比例度主调节器的比例度置于置于100%上，用上，用4：1衰减曲线法整定副调节器参衰减曲线法整定副调节器参数，得数，得2s32%，T2s15s。（2）将副调节器的比例度置于）将副调节器的比例度置于32%上，用相同的整定方法，将主调上，用相同的整定方法，将主调节器的比例度由大到小逐渐调节，求得主调节器的节器的比例度由大到小逐渐调节，求得主调节器的1s50%，T17min。（3）根据上述求得的各参数，运用）根据上述求得的各参数，运用4：1衰减曲线法整定计算公式，衰减曲线法整定计算公式，计算主、副调节器的整定参数为：主调节器（温度调节器）：计算主、副调节器的整定参数为：主调节器（温度调节器）：比例度比例度11.21s60%积分时间积分时间T10.5T1s3.5min 副调节器（流量调节器）：副调节器（流量调节器）：比例度比例度22s32%。（4）把上述计算的参数，按先比例后积分的次序，分别设置在主、）把上述计算的参数，按先比例后积分的次序，分别设置在主、副调节器上，并使串级控制系统在该参数下运行。副调节器上，并使串级控制系统在该参数下运行。.【例1】某聚合反应釜内进行放热反应，釜温过高会发生事故，为此采用夹套水冷却。由于釜温控制要求较高，且冷却水压力、温度波动较大，故设置控制系统如图所示。这是什么类型的控制系统？试画出其框图，说明其主变量和副变量是什么；选择调节阀的气开、气关形式；选择控制器的正、反作用；选择主、副控制器的选择主、副控制器的控制规律控制规律；如如主要干扰主要干扰是冷却水的是冷却水的温度温度波动，波动，试简述其控制过程；试简述其控制过程；如如主要干扰主要干扰是冷却水的是冷却水的压力压力波动，波动，试简述其控制过程，并说明这时可试简述其控制过程，并说明这时可如何如何改进改进控制方案，以提高控制质控制方案，以提高控制质量。量。8.1.6 串级控制系统实例分析串级控制系统实例分析.【例2】某干燥器的流程如图所示。干燥器采用夹套加热和真空抽吸并行的方式来干燥物料。夹套内通入的是经列管式加热器加热后的热水，而加热器采用的是饱和蒸汽。为了提高干燥速度，应有较高的干燥温度,但过高会使物料的物性发生变化，这是不允许的，因此要求对干燥温度进行严格控制。如果蒸汽压力波动是主要干扰，应采用何种控制方案？为什么？试确定这时控制阀的气开、气关形式与控制器的正、反作用。如果如果冷水流量波动是主要干扰冷水流量波动是主要干扰，应采，应采用何种控制方案？为什么？试确定这时用何种控制方案？为什么？试确定这时控制器的正、反作用和控制阀的气开、控制器的正、反作用和控制阀的气开、气关形式。气关形式。如果如果冷水流量与蒸汽压力都经常波动冷水流量与蒸汽压力都经常波动，应采用何种控制方案？为什么？试画出应采用何种控制方案？为什么？试画出这时的控制流程图，确定控制器的正、这时的控制流程图，确定控制器的正、反作用。反作用。8.1.6 串级控制系统实例分析串级控制系统实例分析.【例例3】精馏塔温度一流量串级控制系统。工艺要求塔内温度稳定在T士1；一旦发生重大事故应立即关闭蒸汽供应。画出控制系统组成的框图。选择调节阀的流量特性及确定气开、气关形式选择主、副控制器的控制规律及确定其正、反作用方式。8.1.6 串级控制系统实例分析串级控制系统实例分析.【例例4】对于图所示的加热器串级控制系统。画出该控制系统框图，并说明主变量、副变量分别是什么。主控制器、副控制器分别是什么。若工艺要求加热器温度不能过高，否则易发生事故，试确定调节阀的气开、气关形式。确定主、副控制器的正、反作用。当蒸汽压力突然增加时，简述该控制系统的控制过程。当冷物料流量突然加大时，简述该控制系统的控制过程。8.1.6 串级控制系统实例分析串级控制系统实例分析.【例例5】造纸厂造纸厂网前箱温度网前箱温度串级控制串级控制混合器混合器T1CT1TT2T立筛立筛圆筛圆筛网前箱网前箱去铜网去铜网脱水脱水蒸汽蒸汽水水纸纸浆浆蒸汽蒸汽水水纸纸浆浆纯滞后纯滞后72C61C90sT2C8.1.6 串级控制系统实例分析串级控制系统实例分析.第第7章章 单回路单回路控制系统设计控制系统设计 8.1 串级串级控制系统设计控制系统设计 都是都是负反馈负反馈，当扰动发生时，通过检测扰动引起的，当扰动发生时，通过检测扰动引起的被控参数被控参数偏差偏差进行调节。所以负反馈进行扰动调节进行调节。所以负反馈进行扰动调节时，输出必然有时，输出必然有波动，即已经被扰动影响波动，即已经被扰动影响。有没有这样一种有没有这样一种控制控制，当，当干扰一出现干扰一出现，在其影响输，在其影响输出量出量之前之前，就进行，就进行抑制抑制，从而对，从而对输出输出没有影响？没有影响？8.2 前馈控制系统前馈控制系统.此控制具有以下此控制具有以下特征特征：在扰动影响输出在扰动影响输出之前之前进行进行调节调节。直接测量扰动大小直接测量扰动大小，通过调节，实现对扰动的，通过调节，实现对扰动的完完全补偿全补偿，从而消除扰动对，从而消除扰动对被控参数被控参数的影响。的影响。前馈控制前馈控制就是测量扰动，补偿扰动的控制。就是测量扰动，补偿扰动的控制。8.2 前馈控制系统前馈控制系统.1.反馈控制的本质是反馈控制的本质是“基于偏差来消除偏差基于偏差来消除偏差”。或者说或者说以以“偏差偏差”为控制依据；为控制依据；2.反馈反馈控制控制总是滞后于总是滞后于扰动扰动，是一种，是一种，是一种，是一种“不及时不及时”的控制；的控制；的控制；的控制；3.反馈的反馈的闭环闭环结构，存在结构，存在稳定性稳定性问题；问题；4.反馈控制可消除闭环内的反馈控制可消除闭环内的所有扰动所有扰动对被控参数的影响；对被控参数的影响；5.反馈控制系统中，调节器的