Lesson14-复杂控制系统.ppt

9. 复杂控制系统 串级控制系统 ★ 前馈控制系统 ★ 比值控制系统 均匀控制系统 分程控制系统 选择性控制系统 多冲量控制系统 概述 随着科学技术的发展，现代过程工业规模越来越大，复杂程度越来越高，产品的质量要求越来越严格，以及相应的系统安全问题，管理与控制一体化问题等，越来越突出，因此要满足这些要求，解决这些问题，仅靠简单控制系统是不行的，需要引入更为复杂、更为先进的控制系统。由于采用复杂控制系统的装置或对象都是工厂中的重要装置或关键岗位，因此需要予以特别的重视。 本章介绍的复杂控制系统包括串级、均匀、比值、选择性、分程、前馈和多冲量等。 9. 复杂控制系统 串级控制系统(Cascade Control System) 前馈控制系统 大滞后控制系统 均匀控制系统 比值控制系统 分程控制系统 选择性控制系统 多冲量控制系统 9.1 串级控制系统 串级控制系统是所有复杂控制系统中应用最多的一种。 当要求被控变量的误差范围很小，简单控制系统不能满足要求时，可考虑采用串级控制系统。 示例 如图所示是一个加热炉温度控制系统。被加热原料的出口温度T是该控制系统的被控变量，燃料量是该系统的调节变量，这是一个简单控制系统。如果对出口温度T的误差范围要求不高，这个控制方案是可行的。如果出口温度T的误差范围要求很小，则简单控制系统难以胜任。 分析 该系统的调节通道，调节器TC发出的信号送给调节阀，调节阀改变阀门开度，送入加热炉的燃料流量改变，燃料在炉膛里燃烧，炉膛温度改变，传热给管道，最终使原料温度得到调整，稳定在所希望的温度附近。 由于传热过程的时间常数大，达到15分钟左右，等到出口温度发生偏差后再进行调节，导致偏差在较长的时间内不能被克服，误差太大，不符合工艺要求。如何解决这个问题呢？根据反馈原理，被控变量的任何偏差，都是由种种干扰引起的，如果能把这些干扰抑制住，则被控变量的波动将会减小许多。 措施 在控制系统中，每一个干扰到被控变量之间都是一条干扰通道。对于该加热炉，主要的干扰有：燃料压力的波动、燃料热值的波动、原料流量的调整或波动、原料入口温度的波动等等。 如果对每一个主要干扰都用一个控制系统来克服波动，则整个系统的主要目标（原料的出口温度），肯定能被控制得很好。但实际上，有些量的控制很不方便，而且，这样做整个控制工程的投资将是很大的。实践中，人们探索出一种复杂控制系统，不需要增加太多的仪表即可使被控制量达到较高的控制精度。这就是串级控制系统。 基本思想 该系统的主要问题在于传热过程时间常数很大。串级控制的思想是把时间常数较大的被控对象分解为二个时间常数较小的被控对象。 如从燃料量到炉膛温度Ts的设备可作为第一个被控对象，炉膛温度到被控变量TM的设备作为第二个对象，也就是在原被控制对象中找出一个中间变量——炉膛温度Ts，它能提前反映干扰的作用，增加对这个中间变量的有效控制，即根据炉膛温度的变化，先控制燃料量，再根据原料出口温度与给定值之差，进一步控制燃料量，可使整个系统的被控制变量得到较精确的控制。 系统图 构成的串级控制系统及方块图如右图和下图所示。 扰动分析 该串级控制系统中，干扰F1和F2作用在温度对象1上，它们首先影响到Ts，然后再影响到TM。 由于Ts能被测量并加以控制，因此，它的波动范围比未加以控制前大大减小，所以干扰F1和F2对Tm的影响也大大减少。 1、主要术语 （l）主对象、副对象，也称主被控对象、副被控对象，如图4所示，主对象与副对象是由原被控对象分解而得到的。 （2）主变量、副变量也称为主被控变量、副被控变量。主变量是主被控对象的输出信号，副变量是副被控对象的输出信号，是原被控对象的某个中间变量，同时也是主被控对象的输入信号。 （3）主测量值、副测量值是相应被控制变量的测量值。 1、主要术语 （续） （4）主调节器、副调节器：副调节器负责虚线框中副环被控对象的调节任务，使副变量符合副给定值的要求；主调节器负责整个系统的调节任务。 （5）主给定值、副给定值：主给定值是主变量的期望值，由主调节器内部设定；副给定值是副变量的期望值，由主调节器的输出信号提供。 （6）主环、副环：也称为主回路、副回路。副环为图4中虚线框内部分；主环为包括副环的整个控制系统。 2．组成原理 （l）将原被控对象分解为两个串联的被控对象，如下图所示。 2．组成原理（续1） （2）以连接分解后的两个被控对象的中间变量为副被控变量，构成一个简单控制系统，称为副调节系统或副环。 （3）以原对象的输出信号为主被控变量，即分解后的第二个被控对象的输出信号，构成一个调节系统，称为主调节系统或主环。 2．组成原理（续2） （4）主调节系统中调节器的输出信号作为副调节系统调节器的给定值，副调节系统的输出信号