6 第6章_复杂规律计算机控制系统设计

1第六章复杂规律计算机控制系统设计2自动控制系统基本概念人工控制：测量——求偏差——再控制以纠正偏差加热电阻丝调压器∽220V自动控制系统：用控制器代替人的职能电压放大器功率放大器执行电机减速器比较给定信号3主机系统总线D/A执行机构被控对象传感器滤波整流I/V前置放大器A/D接口接口功率放大器检测被控对象输出量抑制无用频率信号交流信号转为直流电流信号转为电压放大信号模拟信号转为数字格式或电平转换﹑信息传输或缓冲数字信号转为模拟控制信号转换成位移（直线或角）、形变调节机构改变被控对象的物质流或能量流计算机控制系统的基本组成4自动控制系统基本概念加热电阻丝调压器∽220V电压放大器功率放大器执行电机减速器比较给定信号输入量：给定量（给定信号）；输出量：被控制量（温度）；反馈：输出量通过适当的测量装置将信号全部或一部分返回输入端，使之与输入量比；偏差：输入量与输出量的比较结果。5自动控制系统基本概念加热电阻丝调压器∽220V电压放大器功率放大器执行电机减速器比较给定信号开环控制系统闭环控制系统加热电阻丝调压器∽220V6自动控制系统基本概念加热电阻丝调压器∽220V电压放大器功率放大器执行电机减速器比较给定信号恒温箱温度控制系统电压功率放大器恒温箱执行电机减速器输入量：给定信号调压器热电偶恒温箱温度控制系统方框图输出量：温度7多回路计算机控制系统串级控制：两个以上调节器串联工作，抑制扰动能力强前馈控制：直接对扰动进行控制，及时克服扰动解耦控制：解除多控制回路各变量之间的耦合比值控制：使多个变量自动保持一定比例关系均匀控制：使被控参数的变化保持在一定范围之内分程控制：一个调节器同时对多个执行机构进行控制86.1串级控制6.1.1串级控制系统的组成和工作原理例：管壳式换热器出口气温控制1、单回路控制：温度控制回路工艺气流量q烟气入口烟气出口工艺气出口温度y1(t)温度测量温度调节器温度给定值r(t)2、串级控制：温度控制回路和压力控制回路同时作用压力测量压力调节器温度测量温度调节器温度给定值r(t)压力控制回路管壳式换热器9工艺气流量q烟气入口烟气出口工艺气出口温度y1(t)压力测量压力调节器温度测量温度调节器温度给定值r(t)管壳式换热器一次扰动N1(s)D1(s)G1(s)Km1主调节器主控对象主控回路（气温控制回路）R(s)Y1(s)-++温度调节器换热器GV(s)执行器调节阀+G2(s)GV(s)D2(s)Km2副调节器执行器副控对象压力测量副控回路（压力控制回路）二次扰动N2(s)Y2(s)-+++压力调节器调节阀管道温度测量10串级控制系统方框图1、结构特点：至少两个调节器、调节器串联、多回路；2、回路性质：主回路为定值回路、副回路为随动回路；3、主回路输出为副回路给定值（变化的）；4、扰动：主（副）回路的扰动为一（二）次扰动；D1(s)G2(s)GV(s)D2(s)G1(s)Km1Km2主调节器副调节器执行器副控对象主控对象压力测量副控回路（随动）主控回路（定值）二次扰动N2(s)一次扰动N1(s)R(s)Y1(s)Y2(s)--++++++温度调节器压力调节器调节阀管道换热器温度测量11(1)减少副控对象的等效时间常数6.1.2串级控制系统的优点及应用一、串级控制系统的优点Y1(s)-+U1(s)KP1N1(s)N2(s)R(s)U2(z)Y2(s)+++T2-++KP2KVK21+Ts2______K11+Ts1______Km2Km1主控调节器副控调节器副控对象主控对象调节阀通常：所以：1222mVPKKKK22'KK2'2TT副控回路的传递函数：sTKsKKKKTKKKKKKKsUsYsGmVPmVPVP'2'222222222212'21111)()()(12副控回路的传递函数：通常：所以分析：1.由于等效时间常数，系统动作灵敏，反应速度快，调节及时；2.与成反比，则副控调节器增加，降低；3.由于，则可提高，有助于抑制一次扰动。1222mVPKKKK22'KK2'2TT'2T2'2TT'2T2221mVPKKKK2PK22'KK1PKsTKsKKKKTKKKKKKKsUsYsGmVPmVPVP'2'222222222212'21111)()()(13(2)提高系统的工作频率串级控制系统的特征方程为：Y1(s)-+U1(s)KP1N1(s)N2(s)R(s)U2(z)Y2(s)+++T2-++KP2KVK21+Ts2______K11+Ts1______Km2Km1主控调节器副控调节器副控对象主控对象调节阀0/)1(/)(2112121222211222212TTKKKKKKKKKKTTTKKKKTTssmVPPmVPmVP2002022002ss可写为：21122112222120TTTKKKKTTmVPsr工作频率：14相应的单回路控制系统的工作频率：令则分析1.串级控制系统提高了系统的工作频率，改善系统的动态特性；2.副控调节器的比例系数越大，工作频率的提高越显著。'2'122121TTTTsg'11211222TTTKKKKmVPsgsr15(3)提高抑制二次扰动的能力将串级控制做等效变换Y1(s)-+N2(s)R(s)-++Km2Km1D1(s)D2(s)Gv(s)G2(s)G1(s)Y2(s)Gv(s)D2(s)+N1(s)++D1(s)G2(s)GV(s)D2(s)G1(s)Km1Km2N2(s)N1(s)R(s)Y1(s)Y2(s)--++++++u1y2e2y2'16(3)提高抑制二次扰动的能力将串级控制做等效变换Y1(s)-+N2(s)R(s)-++Km2Km1D1(s)D2(s)Gv(s)G2(s)G1(s)Y2(s)Gv(s)D2(s)+N1(s)++Y1(s)N2(s)R(s)--+Km2Km1D1(s)D2(s)Gv(s)G2(s)G1(s)Y2(s)Gv(s)D2(s)+N1(s)++++17(3)提高抑制二次扰动的能力将串级控制做等效变换则系统的输出对扰动的传递函数：121212222121)()()()()()()()(1)()()()(mvmvKsGsGsGsDsDsGKsDsGsGsGsNsYY1(s)N2(s)R(s)--+Km2Km1D1(s)D2(s)Gv(s)G2(s)G1(s)Y2(s)Gv(s)D2(s)+N1(s)++++)()(21sNsY分析：越趋于零，抗干扰能力越强18(3)提高抑制二次扰动的能力将串级控制做等效变换1212122221211)()()()()()()()(1)()()()()()()(mvmvvKsGsGsGsDsDsGKsDsGsGsGsGsDsDsRsY系统的输出对输入的传递函数：分析：越趋于恒定值，系统输出的稳定性越好)()(1sRsYY1(s)-+N2(s)R(s)-++Km2Km1D1(s)D2(s)Gv(s)G2(s)G1(s)Y2(s)Gv(s)D2(s)+N1(s)++19：越趋于零，抗干扰能力越强：越趋于恒定值，系统输出的稳定性越好系统抑制扰动的能力可用下式表示：若主控和副控调节器均用比例控制)()(21sNsY)()(1sRsY)()()()(/)()(/)(21211sGsDsDsNsYsRsYAvsr)()(/)()(/)(21211sGKKsNsYsRsYAvPPsr20相应的单回路控制系统输出对扰动的传递函数：输出对输入的传递函数：抗干扰能力为：Y(s)-+N(s)R(s)++Km1D1(s)Gv(s)G2(s)G1(s)121121)()()()(1)()()()(mvKsGsGsGsDsGsGsNsY1211211)()()()(1)()()()()()(mvvKsGsGsGsDsGsGsGsDsRsY)(')()()(/)()(/)(11211sGKsGsDsNsYsRsYAvPvsr'121PPPKKK21分析：1、由于，的变化对的影响比较小，减少了副控对象的放大系数，从而减少了负荷变化的影响；2、副控回路是随动系统，主控调节器可调整副控调节器的给定值，操作条件和负荷变化时调节系统仍具有较好的品质(4)提高对负荷的适应能力串级控制系统等效副控对象的放大系数222222'21KKKKKKKKKmVPVP1222mVPKKKK'2K2KY1(s)-+U1(s)KP1N1(s)N2(s)R(s)U2(z)Y2(s)+++T2-++KP2KVK21+Ts2______K11+Ts1______Km2Km1主控调节器副控调节器副控对象主控对象调节阀22二、串级控制系统的应用（1）抑制控制系统的扰动副控回路包含主要扰动，提高主控参数的控制性能（2）克服对象的纯滞后缩短过渡时间，降低超调量，改善系统控制性能（3）减少对象的非线性影响副控回路包含非线性对象主控对象、副控对象的时间常数要拉开236.1.3计算机串级控制系统一、系统结构D1(z)——计算机实现的主回路数字调节器（常用PID规律）D2(z)——计算机实现的副回路数字调节器（常用P、PI规律）H0(s)——零阶保持器，T1——主控回路采样周期T2——副回路的采样周期H0(s)Y1(s)G2(s)G1(s)R(z)-+D2(z)U1(z)D1(z)E1(z)N1(s)N2(s)E2(z)R(s)U2(z)Y2(s)+++T1T2-主控对象副控对象零阶保持器副控调节器主控调节器T1T2++T124二、算法步骤1.主、副回路采样周期相同（同步采样：T1=T2=T）思路：外回路——内回路)()()(111kTykTrkTe（1）计算主回路的偏差e1(kT)H0(s)Y1(s)G2(s)G1(s)R(z)-+D2(z)U1(z)D1(z)E1(z)N1(s)N2(s)E2(z)R(s)U2(z)Y2(s)+++T1T2-主控对象副控对象零阶保持器副控调节器主控调节器T1T2++T125)]()([)()]([)()()(1111111TkTekTeKkTeKkTeKTkTukTukTudip)()()(111TkTekTekTe比例系数微分系数积分系数)2()()(111TkTeTkTeTkTe（1）计算主回路的偏差e1(kT)（2）计算主调节器的增量输出△u1(kT)H0(s)Y1(s)G2(s)G1(s)R(z)-+D2(z)D1(z)E1(z)N1(s)N2(s)E2(z)R(s)U2(z)Y2(s)+++T1T2-主控对象副控对象零阶保持器副控调节器主控调节器T1T2++T1U1(z)26（1）计算主回路的偏差e1(kT)（2）计算主调节器的增量输出△u1(kT)（3）计算主控调节器的位置输出u1(kT))()()(111kTuTkTukTuH0(s)Y1(s)G2(s)G1(s)R(z)-+D2(z)U1(z)D1(z)E1(z)N1(s)N2(s)E2(z)R(s)U2(z)Y2(s)+++T1T2-主控对象副控对象零阶保持器副控调节器主控调节器T1T2++T127（1）计算主回路的偏差e1(kT)（2）计算主调节器的增量输出△u1(kT)（3）计算主控调节器的位置输出u1(kT)（4）计算副回路的偏差e2(kT))()()(212kTykTukTeH0(s)Y1(s)G2(s)G1(s)R(z)-+D2(z)U1(z)D1(z)E1(z)N1(s)N2(s)R(s)U2(z)Y2(s)+++T1T2-主控对象副控对象零阶保持器副控调节器主控调节器T1T2++T1E2(z)28（1）计算主回路的偏差e1(kT)（2）计算主调节器的增量输出△u1(kT)（3）计算主控调节器的位置输出u1(kT)（4）计算副回路的偏差e2(kT)（5）计算副调节器的增量输出△u2(kT))]()([)()]