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6－１第六章提高控制品质的控制系统本章提要1.串级控制系统2.前馈控制系统3.大时延控制系统授课内容第一节串级控制系统串级控制系统-----两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。例：加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统1.基本概念即组成结构串级控制系统的结构和方框图串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副6－２调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。2.串级控制系统的工作过程当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。根据扰动施加点的位置不同，分种情况进行分析：扰动作用于副回路扰动作用于主过程扰动同时作用于副回路和主过程分析可以看到：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。3.系统特点及分析特点：改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量。能迅速克服进入副回路的二次扰动。提高了系统的工作频率。对负荷变化的适应性较强4.工程应用场合应用于容量滞后较大的过程应用于纯时延较大的过程应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程应用于参数互相关联的过程应用于非线性过程5.系统设计主参数的选择和主回路的设计副参数的选择和副回路的设计控制系统控制参数的选择串级控制系统主、副调节器控制规律的选择串级控制系统主、副调节器正、反作用方式的确定6.串级控制系统的整定第二节前馈控制系统1.前馈控制原理前馈控制是按照扰动作用的大小进行控制。当扰动一出现，就能根据扰动的测量信号来控制操纵变量，及时补偿扰动对被控变量的影响，所以控制是及时的，如果补偿作用完善，可以使被控变量不产生偏差，其方框图如下图所示。它是一个开环控制系统。6－３在很多场合下都是将前馈控制与反馈控制结合在一起组成前馈—反馈控制系统，称之为复合控制系统。这些系统即使在大而频繁的扰动下，仍能获得优良的控制品质。2.前馈控制与反馈控制的比较反馈控制系统-----是按被控参数与给定值的偏差进行控制的，其特点是在被控参数出现偏差后，调节器发出控制命令以补偿扰动对被控参数的影响，最后消除(或基本消除)偏差。若扰动已经发生，而被控参数尚未变化，则调节器将不产生校正作用。所以，反馈控制总是滞后于扰动，是一种不及时的控制，会造成调节过程的动态偏差。有时其控制质量较差。前馈控制系统-----当扰动一出现，调节器即根据扰动的性质和大小进行控制，以补偿扰动的影响，使被控参数不变或基本保持不变。相对于反馈控制来说，前馈控制是及时的，理论上可达到完全补偿。因此，对于时间常数或时延大、扰动大而频繁的过程有显著效果。3.前馈控制的选用原则当生产过程的控制精度要求较高，而反馈控制又不能满足工艺要求时，可以考虑选用前馈控制。选用原则：系统中存在着频率高、幅值大、可测而不可控的扰动时，选用前馈控制；当控制系统控制通道时延较大、反馈控制又不能得到良好的控制效果时，选用前馈控制；经济性原则。4.前馈控制的系统设计6－４在设计中，以控制系统的品质指标为依据，应包括系统控制方案设计及系统参数整定两个部分。第三节大时延控制系统1.原理概述在现代工业生产过程中，有不少的过程特性具有较大的纯时延，其特点是当控制作用产生后，在时延τ范围内，被控参数完全没有响应。典型的工艺过程有：皮带传输过程、连续轧钢过程。纯时延对系统控制质量的影响过程扰动通道纯时延对系统控制质量无影响，仅使系统响应曲线推迟了一个时延τ。当过程控制通道或测量变送环节存在纯时延时，会降低系统的稳定性，另外，由控制原理可知，纯时延会导致增大被控参数的最大偏差值，系统的动态质量下降。2.补偿纯时延过程的常规控制方案微分先行控制方案中间微分控制方案中间反馈控制方案3.预估补偿控制方案针对具有纯时延的过程，提出在PID反馈控制的基础上，引入一个预估补偿环节，使控制品质大大提高。