过程控制系统与仪表 王再英第7章 复杂控制系统-2010

1过程控制仪表及系统第7章复杂控制系统主讲教师：高松巍2本章主要内容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37.1串级控制系统7.1.1串级控制系统的基本原理与工作原理管式加热炉—单回路出口温度控制系统影响原油出口温度的干扰：（1）原油流量f1(t)（2）原料油入口温度f2(t)（3）燃油压力f3(t)（4）燃料热值f4(t)47.1串级控制系统7.1.1串级控制系统的基本原理与工作原理管式加热炉—单回路炉膛温度控制系统影响原油出口温度的干扰：（1）原油流量f1(t)（2）原料油入口温度f2(t)（3）燃油压力f3(t)（4）燃料热值f4(t)57.1串级控制系统7.1.1串级控制系统的基本原理与工作原理管式加热炉—出口温度串级控制系统67.1串级控制系统7.1.1串级控制系统的基本原理与工作原理加热炉串级控制系统控制原理的简单分析扰动的三种情况：1.燃料压力f3、燃料热值f4发生扰动——干扰进入副回路2.原料油流量f1、原料油入口温度f2发生扰动——干扰进入主回路3.干扰f3f4f1f2同时作用于副回路和主回路77.1串级控制系统7.1.1串级控制系统的基本原理与工作原理加热炉串级控制系统控制原理的简单分析1.燃料压力f3、燃料热值f4发生扰动——干扰进入副回路干扰f1、f2为0；f3、f4出现。干扰首先引起炉膛温度θ2变化，温度变送器2及时测量到θ2的变化，并通过调节器2及时控制燃料调节阀，使θ2很快回到原先的稳定值。87.1串级控制系统7.1.1串级控制系统的基本原理与工作原理加热炉串级控制系统控制原理的简单分析2.原料油流量f1、原料油入口温度f2发生扰动——干扰进入主回路干扰f3、f4为0；f1、f2出现。干扰首先引起原料油出口温度θ1变化，温度变送器1及时测量到θ1的变化，并通过主调节器1改变副调节器2的给定值x2，副调节器2根据给定值的变化控制燃料阀开度，改变θ2，以校正θ2的变化。97.1串级控制系统7.1.1串级控制系统的基本原理与工作原理加热炉串级控制系统控制原理的简单分析3.干扰f3f4f1f2同时作用于副回路和主回路假定：气开调节阀，主、副调节器均为反作用形式，主、副参数的变化情况：（1）扰动作用下，主、副参数的变化方向相同；（2）扰动作用下，主、副参数的变化方向相反。107.1串级控制系统7.1.1串级控制系统的基本原理与工作原理加热炉串级控制系统控制原理的简单分析串级控制系统主副回路的特点：副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，对副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以消除。由于主、副回路相互配合、相互补充，使控制质量显著提高。117.1.2串级控制系统的特点及其分析7.1.2.1改善被控过程的动态特性图7-6的串级系统框图表示为图7-7所示传递函数框图：12图7-2的单回路系统框图简化为图7-8所示传递函数框图：7.1.2串级控制系统的特点及其分析7.1.2.1改善被控过程的动态特性13'22222222()()()()()()1()()()()cvoocvomGsGsGssGsXsGsGsGsGs（7-1）7.1.2串级控制系统的特点及其分析7.1.2.1改善被控过程的动态特性对比图7-7和图7-8：副回路的等效对象：14'22222222()()()()()()1()()()()cvoocvomGsGsGssGsXsGsGsGsGs（7-1）7.1.2串级控制系统的特点及其分析7.1.2.1改善被控过程的动态特性222()1oooKGsTs设上式中：22()ccGsK()vvGsK22()mmGsK代入式（7-1）得：2222''222222'22222222211()11111ocvocvocvomooooocvmocvomKKKKKKTsKKKKKGsKTTsKKKTsKKKK（7-2）式中：'22222211cvoocvomKKKKKKKK'222221oocvomTTsKKKK静态放大系数时间常数157.1.2串级控制系统的特点及其分析7.1.2.1改善被控过程的动态特性图7-7串级系统化简为图7-9等效单回路控制系统：167.1.2串级控制系统的特点及其分析'222221oocvomTTsKKKK7.1.2.1改善被控过程的动态特性图7-9等效系统与图7-8单回路系统相比：取代2222221omoVCooTKKKKTT副回路的存在，使等效对象的时间常数大大减小，改善了系统的动态特性。177.1.2串级控制系统的特点及其分析7.1.2.1改善被控过程的动态特性副回路的引入，使整个系统的工作频率有提高，动态性能大为改善：代入（7-3）图7-9可得串级系统的特征方程为：'12111()()()()0coomGsGsGsGs（7-3）111()1oooKGsTs11()ccGsK11mmGK''2121211''121210oocoomooooTTKKKKssTTTT（7-4）'12'122oooooTTTT'21211'121coomoooKKKKTT令：特征方程式（7-4）可写成标准形式：2220ooss（7-5）187.1.2串级控制系统的特点及其分析7.1.2.1改善被控过程的动态特性副回路的引入，使整个系统的工作频率有提高，动态性能大为改善：2220ooss（7-5）特征根为：2221,224412oooos（7-6）01系统出现振荡，振荡频率为：2'212'12112oocoooTTTT（7-7）197.1.2串级控制系统的特点及其分析7.1.2.1改善被控过程的动态特性单回路特征方程：（7-8）（7-9）*12111()()()()()0cvoomGsGsGsGsGs**11()ccGsK2220ddodoss特征方程标准形式：'12'122ooddoooTTTT*21211021cvomdooKKKKTT同理可得单回路系统振荡频率为：（7-10）2102122211oooddddodTTTT207.1.2串级控制系统的特点及其分析2102122211oooddddodTTTT7.1.2.1改善被控过程的动态特性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：（7-10）2'212'12112oocoooTTTT（7-7）d2'121''1222110222102112112ooooooooddoodoTTTTTTTTTTTT（7-11）oco2o1o2o1o2o2TT1TT1TT所以：，则有：由于工作频率提高，控制品质改善。串级系统：单回路系统：217.1.2.2抗干扰能力增强（7-13）7.1.2串级控制系统的特点及其分析进入副回路的干扰F3(s)与副回路输出Θ2(s)之间的传递函数记为G*o2(s):*2223222()()()()1()()()()ooovomGssGsFsGsGsGsGs系统输入X1(s)与被控参数Θ1(s)之间的传递函数记为:'1211'11211()()()()()1()()()()coocoomGsGsGssXsGsGsGsGs干扰F3(s)与被控参数Θ1(s)之间的传递函数记为:*211'31211()()()()1()()()()oocoomGsGssFsGsGsGsGs（7-14）（7-15）227.1.2.2抗干扰能力增强7.1.2串级控制系统的特点及其分析系统输入X1(s)与被控参数Θ1(s)之间的传递函数记为:'1211'11211()()()()()1()()()()coocoomGsGsGssXsGsGsGsGs干扰F3(s)与被控参数Θ1(s)之间的传递函数记为:*211'31211()()()()1()()()()oocoomGsGssFsGsGsGsGs（7-14）（7-15）串级控制系统对F3(s)抗干扰能力Jc3表示为:''12112113**13212()()()()()()/()()/()()()()coococoooGsGsGsGsGssXsJsFsGsGsGs312()()()cccvJGsGsGs（7-16）237.1.2.2抗干扰能力增强7.1.2串级控制系统的特点及其分析系统输入X1(s)与被控参数Θ1(s)之间的传递函数记为:干扰F3(s)与被控参数Θ1(s)之间的传递函数记为:（7-17）单回路控制系统对F3(s)抗干扰能力Jk3表示为:图7-8的单回路系统：*'1211*'11211()()()()()()1()()()()()cvoocvoomGsGsGsGssXsGsGsGsGsGs211*'31211()()()()1()()()()()oocvoomGsGssFsGsGsGsGsGs**12111311321()()()()()/()()()()/()()()cvookcvooGsGsGsGssXsJGsGssFsGsGs247.1.2.2抗干扰能力增强7.1.2串级控制系统的特点及其分析（7-17）由式（7-16）、（7-17）可得串级系统与单回路系统对进入副回路干扰F3(s)的抗干扰能力之比:**12111311321()()()()()/()()()()/()()()cvookcvooGsGsGsGssXsJGsGssFsGsGs312()()()cccvJGsGsGs（7-16）31212**311()()()()()()()()cccvcckcvcJGsGsGsGsGsJGsGsGs（7-18）11()ccGsK22()ccGsK**11()ccGsK31212**311()()ccccckccJGsGsKKJGK（7-19）一般情况下，总有：Kc1Kc2K*c1257.1.2.3对负荷和操作条件变化的适用能力增强7.1.2串级控制系统的特点及其分析串级控制系统的主回路是定值控制系统，但副回路是一个随动控制系统，其设定值随主调节器的输出而变化。主调节器可以按照操作条件和负荷变化的情况，相应地调整副调节器的设定值，从而保证在操作条件和负荷变化的情况下；副调节器仍在设定值附近较小的范围内工作，从而使系统的控制品质得到保证。267.1.3串级控制系统的设计与参数整定7.1.3.1串级控制系统的方案设计1.主回路设计主回路设计：确定被控参数（串级控制系统的主参数）。主参数选择原则：与单回路控制系统被控参数的选择原则一致。272.副回路的选择7.1.3串级控制系统的设计与参数整定7.1.3.1串级控制系统的方案设计（1）主、副参数有对应关系1）副参数的变化应反映主参数的变换趋势、并在很大程度上影响主参数；2）选择的副参数必须是物理上可测的；3）由副参数所构成的副回路，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，以便使等效过程时间常数显著减小，提高整个系统的工作频率，加快控制过程反映速度，改善系统控制品质。282.副回路的选择7.1.3串级控制系统的设计与参数整定7.1.3.1串级控制系统的方案设计（2）副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主要干扰，并尽可能多包含一些干扰292.副回路的选择7.1.3串级控制系统的设计与参数整定7.1.3.1串级控制系统的方案设计（3）副参数的选择应考虑主、副回路中控制过程的时间常数的匹配，以防“共振”的发生。（4）应注意工艺上的合理性和经济性在选择副变量时，应注意使主、副回路中控制过程的时间常数之比为3～10，以减少主、副回路的动态联系，避免“共振”。303.主、副调节器调节规律的选择7.1.3串级控制系统的设计与参数整