过程控制课件-总复习.ppt

1、控制器控制器控制器的控制器的“正反作用正反作用”选择问题选择问题问题：如何构成一个负反馈控制系统？控制器的控制器的“正反作用正反作用”选择选择n 定义：定义：当被控变量的测量值测量值增大时，控制器的输出也增大，则该控制器为“正作用”；否则，当测量值测量值增大时，控制器输出反而减少，则该控制器为“反作用”。n 选择要点：选择要点：使控制回路成为“负反馈”系统。n选择方法选择方法：（1）假设检验法。假设检验法。先假设控制器的作用方向，再检查控制回路能否成为“负反馈”系统。（2）回路判别法。回路判别法。先画出控制系统的方块图，并确定回路除控制器外的各环节作用方向，再确定控制器的正反作用。控制器的作用

2、方向选择：假设检验法控制器的作用方向选择：假设检验法根据控制阀的“气开气关”的选择原则，该阀应选“气开阀”，即：u Rf。假设温度控制器为正作用，即：Tm u；则结论结论：该控制器的作用方向不能为正作用，而应为反作用.控制器的作用方向选择：控制器的作用方向选择：符号分析法符号分析法Km一般为正保证负反馈：即开环系统放大倍数KcKvKoKm为负PID控制器控制器PID 控制器控制器比例控制器比例控制器比例增益对控制性能的影响比例增益对控制性能的影响比例增益 Kc 增大，调节作用增强，但稳定性下降(当系统稳定时，调节频率提高且余差下降)。比例积分控制器比例积分控制器积分作用对控制性能的影响积分作用

3、对控制性能的影响积分时间Ti 对系统性能的影响引入积分作用的根本目的是为了消除稳态余差，但使控制系统的稳定性下降。当积分作用过强时（即Ti 过小），可能使控制系统不稳定。理想的比例积分微分控制器理想的比例积分微分控制器n微分时间Td 对系统性能的影响微分作用的增强（即Td 增大），从理论上讲使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但对高频噪声起放大作用。对于测量噪声较大的对象，需要引入测量信号的平滑滤波；而微分作用主要适合于一阶滞后较大的广义对象，如温度、成份等。微分作用对控制性能的影响微分作用对控制性能的影响实际的比例积分微分控制器实际的比例积分微分控制器其中Ad 为微分增益SimuLink

4、结构:工业工业PID控制器的选择控制器的选择*1：当工业对象具有较大的滞后时，可引入微分作用；但如果测量噪声较大，则应先对测量信号进行一阶或平均滤波。PID工程整定法工程整定法1-经验法经验法针对被控变量类型的不同，选择不同的PID参数初始值，投运后再作调整。尽管简单，但即使对于同一类型的被控变量，如温度系统，其控制通道的动态特性差别可能很大，因而经验法属最为“粗糙”的整定法。（具体整定参数原则见 p.65 表5.3-1）工程整定法工程整定法2-临界比例度法临界比例度法1、先切除PID控制器中的积分与微分作用（即将积分时间设为无穷大，微分时间取为0），并令比例增益KC为一个较小值，并投入闭环闭

5、环运行；2、将设定值作小幅度的阶跃变化，观察测量值的响应变化情况；3、逐步增大KC的取值，对于每个KC值重复步骤2中的过程，直至产生等幅振荡；4、设等幅振荡的振荡周期为Pu、产生等幅振荡的控制器增益为Kcmax。工程整定法工程整定法3-响应曲线法响应曲线法n临界比例度法的局限性：临界比例度法的局限性：生产过程有时不允许出现等幅振荡，或者无法产生正常操作范围内的等幅振荡。n响应曲线法响应曲线法PID参数整定步骤：参数整定步骤：（1）在手动状态下，改变控制器输出（通常采用阶跃 变化），记录被控变量的响应曲线；（2）根据单位阶跃响应曲线求取“广义对象”的近似模型与模型参数；（3）根据控制器类型与对象

6、模型，选择PID参数并投 入闭环运行。在运行过程中，可对增益作调整。Ziegler-Nichols参数整定法参数整定法n特点：特点：适合于存在明显纯滞后的自衡对象，而且广义对象的阶跃响应曲线可用“一阶+纯滞后”来近似。n整定公式：整定公式：周期信号的周期信号的Fourier级数展开级数展开一个以T为周期的方波函数f(t)可以展开为假设继电器的幅值为d，则继电器输出的一次谐波为单回路系统的单回路系统的“积分饱和积分饱和”问题问题问题问题：当存在大的外部扰动时，很有可能出现控制阀调节能力不够的情况，即使控制阀全开或全关，仍不能消除被控输出y(t)与设定值ysp(t)之间的误差。此时，由于积分作用的

7、存在，使调节器输出u(t)无限制地增大或减少，直至达到极限值。而当扰动恢复正常时，由于u(t)在可调范围以外，不能马上起调节作用；等待一定时间后，系统才能恢复正常。串级控制系统串级控制系统Cascade Control System单回路控制系统分析单回路控制系统分析问题：问题：从扰动开始至调节器动作，调节滞后较大，特别对于大容量的反应釜，调节滞后更大。冷却剂入口温度 夹套内冷却剂温度 T2 （经对流传热）釜壁温度 反应釜温度T1（经反馈回路）冷却剂量系统控制与扰动的分析系统控制与扰动的分析n干扰变量的影响：冷却剂入口温度变化 夹套内冷却水温度变化 釜壁温度变化 反应釜温度变化n控制变量的影响

8、：冷却剂调节阀开度变化 冷却剂流量变化 夹套内冷却剂温度变化 釜壁温度变化 反应釜温度变化解决方法解决方法夹套冷却剂温度T2比反应釜温度T1能更快地感受到来自干扰（冷却剂入口温度）以及来自控制的影响。因而可设计夹套水温单回路控制系统TC2以尽快地克服冷却剂方面的扰动。但TC2的设定值应根据T1的控制要求作相应的变化（这一要求可用反应温度调节器TC1来自动实现）。“串级控制串级控制”反应器温度的串级控制方案反应器温度的串级控制方案特点：特点：两个调节器串在一起工作，调节器TC2通过调节冷却剂量以克服冷却水方面的扰动；调节器TC1通过调节夹套内水温的设定值以保证反应温度维持在工艺所希望的某一给定值

9、。反应器温度串级控制框图反应器温度串级控制框图讨论:主副控制器的“正反作用”选择。调节阀选气关阀串级控制系统常用术语串级控制系统常用术语两个回路：主回路 副回路串级控制系统方块图串级控制系统方块图注：D1、D2 综合反映了一次扰动、二次扰动对控制系统副参数与主参数的动态影响；主回路是指：副回路闭合状态下等效的单回路（将副回路看成是一个等效的控制阀）。串级系统副环的等效性串级系统副环的等效性串级控制系统的特点（串级控制系统的特点（1）n副回路（有时称内环）具有快速调节作用，它能有效地克服二次扰动的影响；由于假设副回路的动态滞后较小，对于低频干扰，有串级控制系统的特点（串级控制系统的特点（2）n能

10、自动地能自动地克服副对象增益或调节阀特性的非克服副对象增益或调节阀特性的非线性线性对控制性能的影响（系统的对控制性能的影响（系统的“鲁棒性鲁棒性”增强）增强）。对于内环等效对象的稳态增益：串级控制系统的特点（串级控制系统的特点（3）n改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率。在相同的衰减比下，主调节器的增益可显著加大。副回路等效对象为：若：串级控制系统的特点（串级控制系统的特点（3）结论结论：由于副回路的存在，使主控制通道的动态特性得到改善（时间常数显著减少）串级控制系统的设计原则串级控制系统的设计原则n单回路控制不能满足性能要求；n有反映系统主要干扰的可测副参数(副参数必须可测）；n调节阀

11、与副参数之间具有因果关系；n副参数的选择应使副对象的时间常数比主对象的时间常数小，调节通道短，反应灵敏；n尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中。串级控制副参数选择练习串级控制副参数选择练习假设反应器的主要干扰为加热蒸汽的温度变化串级系统副参数的选择分析串级系统副参数的选择分析串级系统副参数的选择分析串级系统副参数的选择分析分析问题分析问题：副回路的快速性与副回路所能包括的扰动范围之间的矛盾。串级系统副参数的选择分析串级系统副参数的选择分析分析问题分析问题：副回路的快速性与副回路所能包括的扰动范围之间的矛盾。串级系统副参数的选择分析串级系统副参数的选择分析分析问题分析问题：副回路的快

12、速性与副回路所能包括的扰动范围之间的矛盾。串级方案设计举例串级方案设计举例流量扰动流量较小、或者流量检测困难，或者燃料油较粘稠，用检测压力代替串级方案设计举例（续）串级方案设计举例（续）讨论讨论：副回路所能包括的扰动越多，副对象与主对象的动态特性的差别越小，越容易引起内外回路之间的“共共振振”（系统稳定性越差）。1.1 1.1 比值控制系统基本概念比值控制系统基本概念 凡实现两个或两个以上参数维持一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。一般是指流量比值控制系统。K=Q2/Q1 在实际的生产过程控制中，比值控制系统除了实现一定的物料比例关系外，还能起到在扰动量影响到被控过程质量指标之前及时控制

13、的作用，具有前馈控制的实质。1 1 比值控制系统比值控制系统1.2 比值控制系统的分析比值控制系统的分析按比值的特点可分为定比值和变比值控制系统。两个或两个以上参数之间的比值是通过改变比值器的比值系数来实现的，一旦比值系数确定，系统投入运行后，此比值系数将保持不变（为常数），具有这种特点的系统称为定比值控制系统。两个或两个以上参数之间的比值不是一个常数，而是根据另一个参数的变化而不断地修正，具有这种特点的系统称为变比值控制系统。（1）定比值控制系统 可分三类 开环比值控制系统 结构最简单的比值控制系统控制器控制阀流量对象Q2Q1测量变送器（b）给定值图图1开环比值控制系统开环比值控制系统（a）

14、工艺流程图）工艺流程图 (b)原理方框图原理方框图单闭环比值控制系统 为克服开环比值控制系统不足，在其基础上，增加一个副流量的闭环控制回路，组成了单闭环比值控制系统。优点：单闭环比值控制系统不但可以实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且还可以克服副流量本身干扰对比值的影响，能够确保主、副两个流量的比值不变。同时，系统的结构比较简单，方案实现起来方便。缺点：当主流量受到干扰出现大幅度波动时，副流量难以跟踪，控制过程中主、副流量的比值会较大地偏离工艺要求的流量比。双闭环比值控制系统 为克服单闭环比值控制中主流量不受控制的不足，在其基础上，增设一个主流量控制回路，构成双闭环比值控制系统。图图3 双闭

15、环比值控制系统双闭环比值控制系统（a）系统图）系统图 （b）原理方框图）原理方框图控制器控制器1控制阀控制阀1主流量对象主流量对象给定值给定值Q1主测量变送器主测量变送器控制器控制器2控制阀控制阀2副流量对象副流量对象Q2副测量变送器副测量变送器比值器比值器 优点：双闭环比值控制系统能克服主流量扰动，实现其定值控制。副流量控制回路能抑制作用于副回路中的扰动，使副流量与主流量成比值关系。当扰动消除后，主、副流量都恢复到原设定值上，其比值不变，并且主、副流量变化平稳。当系统需要升降负荷时，只要改变主流量的设定值，主、副流量就会按比例同时增加或减小，从而克服了上述单闭环比值控制系统的缺点。双闭环比值

16、控制系统常用于主副流量扰动频繁，工艺上经常需要升降负荷，同时要求主、副物料总量恒定的生产过程。在采用双闭环比值控制方案时，对主流量控制器的参数整定应尽量保证其输出为非周期变化，以防止共振的产生。(2)变比值控制系统 当系统中存在着除流量干扰外的其他干扰，为了保证产品质量，必须适当修正两物料的比值。因此，出现了按照一定工艺指标自行修正比值系数的变比值控制系统。图图6.4 变比值控制系统变比值控制系统（a）系统图）系统图 （b）原理方框图）原理方框图 需要注意到一点：需要注意到一点：上面提到的变比值控上面提到的变比值控制方案中是用除法器来实现的，实际上还可采制方案中是用除法器来实现的，实际上还可采

17、用其他运算单元如乘法器来实现。同时从系统用其他运算单元如乘法器来实现。同时从系统的结构看，上例是单闭环变比值控制系统，如的结构看，上例是单闭环变比值控制系统，如果工艺控制需要，也可构成双闭环变比值控制果工艺控制需要，也可构成双闭环变比值控制系统。系统。1.3比值控制系统设计比值控制系统设计1、主、副流量的确定 (1)工业生产过程中起主导作用的物料流量一般选 为主流量，其它的物料流量选为副流量。(2)在工业生产过程中不可控的或者工艺上不允许 控制的物料流量一般选为主流量，可控的物料 流量选为副流量。(3)在生产过程中较昂贵的物料流量可选为主流 量，避免造成浪费。(4)按生产工艺的特殊要求确定主、

18、副物料流量。2、控制方案的选择（1）如果工艺上仅要求两物料流量之比值一定，负荷变化不大，主流量不可控制，则可选单闭环比值控制方案。（2）在生产过程中，主、副流量扰动频繁，负荷变化较大，同时要保证主、副物料流量恒定，则可选用双闭环比值控制方案。（3）当生产要求两种物料流量的比值能灵活地随第三个参数的需要进行调节时，可选用串级比值控制方案。3、控制器控制规律的确定 （1）单闭环比值控制系统中，可选P控制规律或采用一个比值器；从动回路控制器选PI控制规律。（2）双闭环比值控制系统中，两个调节器均应选PI控制规律。（3）串级（变）比值控制系统，主控制器选PI或PID控制规律，副控制器选用P控制规律。4

19、、流量计或变送器的选择 流量测量是比值控制的基础，各种流量计都有一定的适用范围，必须正确选择使用。变送器的零点及量程的调整都是十分重要的。1.4 比值控制系统的实施比值控制系统的实施1、比值系数的折算（1）流量与测量信号成线性关系 流量的任一中间值Q 所对应的电流为 则有 由上式可得工艺要求的流量比值 折算成仪表的比值系数为（2）流量与其测量信号成非线性关系 利用差压流量计测量，未经开方处理时，流量与压差的关系为 任一中间流量值Q(即相应差压 P)所对应的流量变送器的输出信号为 由上式可得工艺要求的流量比值折算成仪表的比值系数为2、比值控制的实施方案(1)应用比值器方案 比值器的输入、输出信号

20、关系式为 I。(Il-4)+4 (mA)在流量比值稳定操作时，控制器的测量值应等于设定值，即 I2=I。(Il-4)+4 (mA)所以(2)应用乘法器方案 应用乘法器实现两个信号相乘，或对一个信号乘以一个常系数的运算。乘法器的运算信号为：系统在稳态时，控制器的设定值I0和测量值I2相等，所以上式可写成：如果使用开方器，流量为线性变送时：如果没有使用开方器，流量为非线性变送时：假定由于仪表量程选择的限制和工艺比值K的条件造成 1，为了使乘法器的设定电流Is在标准信号范围内，可将乘法器由主流量一侧改接在副流量一侧，如下图所示。根据乘法器的信号关系有系统稳态时，I1=I0：(3)应用除法器方案 除法

21、器用以实现两个信号相除的运算。除法器的信号关系为由于稳态时Is=I0，所以 优点：可以直接显示读出比值，且设定操作方便，若将比值控制器的给定值改成第三参数，即能组成变比值控制系统。不足：应用除法器构成比值控制系统时，比值系数不能设置在1附近。对于副流量控制回路而言，除法器被包括在回路当中，除法器的非线性对控制系统品质将会造成影响。除法器的静态放大系数为：当采用开方器时：当没有采用开方器时：1.5比值控制系统的整定比值控制系统的整定(1)变比值控制系统，其主控制器参数整定可按串级控制系统进行。(2)单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统中的从动量回路应整定为非周期临界情况。(3)双闭环比值控制系

22、统中，主动量回路的过渡过程，希望进行得慢一些，以便从动量能跟得上，所以主动量回路过渡过程一般应整定成非周期过程。1.6比值控制系统中的若干问题比值控制系统中的若干问题1、开方器的采用 差压法测量流量时测量信号与流量关系为它的静态放大系数为它的静态放大系数为 由上式可知，采用差压法测量流量时，其静态放大系数K0正比于流量，即随负荷的增大而增大。这样的环节，将影响系统的动态品质，即小负荷时系统稳定。随着负荷的增大，系统的稳定性将下降。若将测量信号经过开方运算后，其输出信号与流量则成线性关系，从而使包括开方器在内的测量变送环节成为线性环节，它的静态放大系数与负荷大小无关，系统的动态性能不再受负荷变化

23、的影响。2、动态跟踪问题 系统在比值器GK(s)的前面，引入一个动态补偿环节Gb(s)。GC1(s)Gu1(s)Q10Q1Q2GK(s)Gb(s)G01(s)Gm1(s)GC2(s)Gu2(s)G02(s)Gm2(s)该系统传递函数：若能使若能使Q2(s)/Q1(s)=K，就能实现副流量对主流量的动态跟踪。，就能实现副流量对主流量的动态跟踪。又因为又因为 Gk(s)=K=KQ1max/Q2max，所以可求得补偿环节的，所以可求得补偿环节的传递函数为：传递函数为：动态补偿环节应具有超前特性，即需要微分特性环节。工程上，对于动态补偿环节的形式可以通过闭环动态特性测试求得当曲线无变凹点时，补偿环节为

24、：Q2图图10 对一阶滞后环节的对一阶滞后环节的 动动 态补偿态补偿当曲线有变凹点时，补偿环节为：当曲线有变凹点时，补偿环节为：3、有逻辑规律的比值控制系统 生产中有时工艺上不仅要求物料量成一定比例，而且要求在负荷变化时，它们的提、降量有一定的先后次序，实现相应功能的比值控制系统称为有逻辑规律的比值控制系统。所谓逻辑规律，是指工艺上对主、副流量提降时的先后要求，所以具有逻辑规律的比值控制也称为逻辑提量。2.1 均匀控制的概念 2 2 均匀控制系统均匀控制系统 均匀控制针均匀控制针对对“流程流程”工业工业中协调前后工序中协调前后工序的物料流量而提的物料流量而提出。出。均匀控制系统可均匀控制系统可

25、定义定义为：为：使两个有关联的被控变量在规定范围内缓慢使两个有关联的被控变量在规定范围内缓慢地、均匀地变化，使前后设备在物料的供求上相地、均匀地变化，使前后设备在物料的供求上相互兼顾、均匀协调的系统称之为均匀控制系统，互兼顾、均匀协调的系统称之为均匀控制系统，也有称之为均流控制。也有称之为均流控制。均匀控制系统特点：(1)两被控变量都应该是变化的。(2)两个被控变量的调节过程应该是缓慢的，这 与定值控制希望控制过程要短的要求不同。(3)两个被控变量的变化应在工艺允许的操作范围内。2.2 均匀控制系统的结构形式（1）简单均匀控制系统 简单均匀控制系统：简单均匀控制系统：结构简单、投运方结构简单、

26、投运方便、成本低廉。只适用便、成本低廉。只适用于干扰不大、对流量的于干扰不大、对流量的均匀程度要求较低的场均匀程度要求较低的场合。合。（2）串级均匀控制系统 串级均匀控制方案：串级均匀控制方案：能克服较大的能克服较大的干扰，适用于系统干扰，适用于系统前后压力波动较大前后压力波动较大的场合。的场合。（3）双冲量均匀控制系统 “冲量”的原来含义是作用强度大、作用时间短的信号或参数，这里引申为连续的信号或参数。所谓双冲量均匀控制系统，就是以两个测量信号（液位和流量）之差（或和）作为被控变量的系统。例：精馏塔液位与出料量的双冲量均匀控制系统。假定该系统用气假定该系统用气动单元组合式仪表来动单元组合式仪

27、表来实施。实施。加法器加法器的运算的运算规律为：规律为：由于流量控制器接受的是由加法器送来的两个变量之差，并且又要使两变量之差保持在固定值上，所以控制器应该选择PI控制规律。原理分析：原理分析：流量正常，液位受到干扰引起液位上升时；流量正常，液位受到干扰引起液位上升时；液位正常，出料量受到干扰使液位正常，出料量受到干扰使 增大时增大时；双冲量均匀控制系统与串级均匀控制系统相比，双冲量均匀控制系统与串级均匀控制系统相比，用一个加法器取代了其中的主控制器，结构上相当于用一个加法器取代了其中的主控制器，结构上相当于一个以两个信号之差为被控变量的单回路系统，故而一个以两个信号之差为被控变量的单回路系统

28、，故而参数整定可按简单均匀控制考虑参数整定可按简单均匀控制考虑。图图17 双冲量均匀控制系统的原理方框图双冲量均匀控制系统的原理方框图 2.3 控制器的参数整定控制器的参数整定 “看曲线看曲线”，“整参数整参数”。主要原则是一个。主要原则是一个“慢慢”字。字。（1）整定原则：以保证液位不超出允许的波动范围来初步设置好控制器参数；修正控制器参数，充分利用储罐的缓冲作用，使液位在最大允许的波动范围内，输出流量尽量平稳。根据工艺对流量和液位两个参数的要求，适当调整控制器的参数。（2）方法步骤 纯比例控制时 a.先将比例度放置在估计不会引起液位越限的数值；b.观察记录曲线，若液位的最大波动小于允许范围

29、，则可增加 值；c.当发现液位的最大波动可能会超出允许范围时，则应减小 值；d.这样反复调整 值，直到液位曲线满足工艺提出的均匀要求为止。比例积分控制时 a.按纯比例控制进行整定，得到液位最大波动接近允许范围时的 值；b.适当增加 值后，加入积分作用。逐渐减小积分时间，使液位在每次扰动过后，都有回复到设定值的趋势；c.减小积分时间，直到流量记录曲线将要出现缓慢的周期性衰减振荡过程为止。3.1 基本概念 将控制器输出信号全程分割成若干个信号段，每一个信号段控制一个控制阀，习惯上将这种控制系统称为分程控制系统。分程控制系统中，每个气动控制阀的输入（驱动）信号都是00201MPa，控制器输出信号的分

30、段是由附设在控制阀上的阀门定位器来实现的。3 3 分程控制系统分程控制系统 根据控制阀的作用方式，在分程控制的应用中，根据控制阀的作用方式，在分程控制的应用中，可以形成四种不同的组合形式。可以形成四种不同的组合形式。分程阀分程阀同向或异向同向或异向的选择要根的选择要根据生产工艺据生产工艺的实际需要的实际需要来确定。来确定。图图18 18 两控制阀的分程组合两控制阀的分程组合(a)(a)两阀同向两阀同向 (b)(b)两阀异向两阀异向3.2 分程控制的应用（1）扩大控制阀的可调范围，改善控制品质 阀的可调范围是一项静态指标，表明控制阀执行规定特性（线性特性或等百分比特性）运行的有效范围。可用下式表

31、示：假定并联的两个阀A、B，两只阀的最大流通能力均为 ；两阀的可调范围相同，即 =30，根据可调范围的定义可得：当采用两只控制阀组成分程控制时，最小流通能力不变，而最大流通能力应是两阀都全开时的流通能力，即：那么两阀构成分程控制时，两阀组合后的可调范围 为：60 组合后的可调范围比一个阀的可调范围扩大了一倍。下图为扩大可调范围的氨厂蒸汽减压分程控制系统应用。（2）用于控制两种不同的介质，以满足工艺操作上的特殊要求。图图20 间歇聚合反应器分程控制系统间歇聚合反应器分程控制系统（3）用作生产安全的防护措施用作生产安全的防护措施 图图6.22 6.22 罐顶氮封分程控制系统罐顶氮封分程控制系统3.

32、3 分程阀总流量特性的改善分程阀总流量特性的改善 两个同向动作的控制阀并联分程时，可以提高控制阀的可调范围。但这时存在由一个阀向另一个阀平滑过渡的问题。图图24 A、B分程阀特性分程阀特性 图图25 A、B分程阀组合特性分程阀组合特性 为了使总流量特性达到平稳过渡，可采取如下方法：（1）两个线性流量特性的阀并联分程使用 本法是先根据单个分程阀的特性找寻组合后的总流量特性，再根据单个分程阀的特性与组合总流量特性的关系找出响应的分程点，确定各分程阀的分程信号。（2）两个对数流量特性的阀并联分程使用 如果使用两个对数流量特性的阀进行并联分程，效果要比两个线性阀分程好得多。4.14.1 基本概念基本概

33、念 选择性控制又称为取代控制，也称超弛控制。生产保护措施分两类：硬保护措施和软保护措施。要构成选择性控制系统，生产操作必须具有一定的选择性逻辑关系。而选择性控制的实现则需要靠具有选择功能的自动选择器（高值选择器和低值选择器）或有关的切换装置（切换器、带接点的控制器或测量装置）来完成。4 4选择性控制选择性控制4.2 4.2 选择性控制系统的类型及应用选择性控制系统的类型及应用 根据选择器在控制回路中的位置可分为两类，一类是选择器接在控制器与执行器之间，另一类是选择器接在变送器与控制器之间。根据选择性控制系统中被选择的变量性质，也可分为以下三类：1、对被控变量的选择性控制系统 2、对操纵变量的选

34、择性控制系统 3、对测量信号的选择4.3 4.3 选择性控制系统的设计选择性控制系统的设计 选择性控制系统的设计包括控制阀开、闭形式选择，控制器规律及正、反作用选择以及选择器类型的选择等内容。控制阀开、闭形式与控制器正反作用与单回路系统中的确定方法完全相同。关于控制规律的选择，一般正常情况下应选PI形式；如果考虑到对象的容量滞后比较大，还可以选择PID控制器。至于非正常情况工作的控制器，其控制规律应选窄比例式（比例放大倍数很大）。选择器的类型可以根据生产处于非正常情况下控制器的输出信号高低来确定。图为氨冷却器出口温度与液氨液位选择控制系统通过前面的分析做出如下选择：1.控制阀应选择气开式。2.

35、温度控制器选PID控制规律。3.温度控制器选择“正”作用，液位控制器取“反”作用。4.选择器必须选低值选择器。4.4 4.4 积分饱和及其防止措施积分饱和及其防止措施 概念：一个具有积分作用的控制器，当其处于开环工作状态时，如果偏差输入信号一直存在，那么，由于积分作用的结果，将使控制器的输出不断增加（当控制器为正作用且偏差为正时）或不断减小（当偏差为负时），一直达到输出的极限值为止，这种现象称之为“积分饱和”。产生条件：一是控制器具有积分作用；二是控制器处于开环工作状态；三是偏差信号长期存在。防积分饱和主要有三种方法：1.限幅法 采用一些专门的技术措施对积分反馈信号加以限制，从而使控制器输出信

36、号限制在控制阀工作信号范围之内。2.外反馈法 控制器在开环情况下，不再使用它自身的信号做积分反馈，而是采用合适的外部信号作为积分反馈信号。从而也切断了积分正反馈，防止了进一步的偏差积分作用。3.积分切除法 使控制器积分作用在开环情况下暂时自动切除，使之仅具有比例功能。所以这类控制器称为PI-P控制器。1107.1 补偿控制的基本原理与结构补偿控制的基本原理与结构n 问题的提出问题的提出n单回路控制（单回路控制（PID）n对干扰有一定的抑制作用对干扰有一定的抑制作用n对时滞过程控制乏力对时滞过程控制乏力n串级控制串级控制n对二次干扰抑制效果好对二次干扰抑制效果好n缩短二次回路的时间常数缩短二次回

37、路的时间常数n补偿控制补偿控制n补偿干扰对被控过程的影响补偿干扰对被控过程的影响7 补偿控制补偿控制111补偿的方法补偿的方法n前馈补偿前馈补偿n控制量补偿控制量补偿n扰动量补偿扰动量补偿n反馈补偿反馈补偿n串联补偿串联补偿7 补偿控制补偿控制112前馈控制之前馈控制之控制量补偿控制量补偿将控制输入量将控制输入量 R(s)经过处理（经过处理（Gc(s)）后，）后，直接向前传递，并与主控制器的输出进行迭加。直接向前传递，并与主控制器的输出进行迭加。7 补偿控制补偿控制113前馈控制之前馈控制之扰动量补偿扰动量补偿将将系系统统的的扰扰动动输输入入量量D(s)经经过过处处理理（Gc(s)）后后向前传

38、递，并与主控制器的输出进行迭加。向前传递，并与主控制器的输出进行迭加。7 补偿控制补偿控制扰动量补偿扰动量补偿114反馈补偿反馈补偿 在主控制器反馈回路中增加一个控制器。在主控制器反馈回路中增加一个控制器。7 补偿控制补偿控制反馈补偿反馈补偿115串联补偿串联补偿 将补偿器与主控制器串联连接。将补偿器与主控制器串联连接。7 补偿控制补偿控制串联补偿串联补偿1167.2 前馈控制系统前馈控制系统7.2.1 前馈控制系统的概念前馈控制系统的概念n反馈控制反馈控制n按按被被控控量量的的偏偏差差进进行行控控制制，即即控控制制器器的的输输入入是是被被控控量的偏差。量的偏差。n所所以以，反反馈馈控控制制作

39、作用用期期间间系系统统是是偏偏离离设设定定值值的的，即即被控量是受扰动影响的。被控量是受扰动影响的。n前馈控制前馈控制n按按扰扰动动量量的的变变化化进进行行控控制制，即即控控制制器器的的输输入入是是扰扰动动量。量。n“前前馈馈”的的意意思思：根根据据扰扰动动量量的的大大小小（而而非非被被控控量量反反馈馈后后得得到到的的偏偏差差）来来直直接接改改变变控控制制量量，以以抵抵消消或或减小扰动对被控量的影响。减小扰动对被控量的影响。7 补偿控制补偿控制117换热器反馈控制系统换热器反馈控制系统扰动量扰动量M Md d被控量被控量T T2 2 操作变量操作变量M Mb b 反馈控制中，反馈控制中，扰扰动

40、动量量M Md d首首先先要要引引起起被被控控量量T T2 2变变化化，反反馈馈控控制制器器才才起起控控制制作作用用，尽尽力力保保持持T T2 2恒定。恒定。118图图7.2 换热器前馈控制系换热器前馈控制系统统7 补偿控制补偿控制前前馈馈控控制制并并不不考考虑虑被被控控量量T T2 2到到底底如如何何变变化化，只只希希望望经经过过前前馈馈控控制制使使T T2 2免免受受扰扰动动M Md d的影响的影响前馈控制是开环控制。前馈控制是开环控制。扰动量扰动量M Md d被控量被控量T T2 2 119图图7.3 换热器前馈控制系统的方框图换热器前馈控制系统的方框图7 补偿控制补偿控制扰动量扰动量M

41、 Md d被控量被控量T T2 2扰动通道传函扰动通道传函G Gd d(s)(s)前馈控制器前馈控制器G Gffff(s)(s)前馈控制通道传函前馈控制通道传函G Gp p(s)(s)1207 补偿控制补偿控制在扰动量在扰动量Md(S)作用下，系统的输出作用下，系统的输出T2(s)为为:扰动量的影响扰动量的影响对扰动量的补偿对扰动量的补偿+=0121n完全补偿完全补偿不论扰动量不论扰动量Md为何值，总有为何值，总有T2(S)=0。n对于对于 系统对于扰动量系统对于扰动量Md实现完全补偿的条件是：实现完全补偿的条件是：即即 7 补偿控制补偿控制122n前馈控制器的传递函数前馈控制器的传递函数Gf

42、f(S)为为7 补偿控制补偿控制v前前馈馈控控制制器器的的传传递递函函数数Gff(S)虽虽然然能能实实现现完全补偿，但，完全补偿，但，要求精确的要求精确的Gd(S)，Gp(S)所所以以，在在实实际际工工程程中中一一般般不不单单独独采采用用前前馈馈控控制方案。制方案。1237.2.2 前馈控制系统的基本结构前馈控制系统的基本结构1.静态前馈控制静态前馈控制适适用用于于干干扰扰通通道道Gd(s)和和控控制制通通道道Gp(s)的动态特性相同的情况下，此时有：的动态特性相同的情况下，此时有：7 补偿控制补偿控制1242.动态前馈控制动态前馈控制 当当被被控控对对象象的的控控制制通通道道和和干干扰扰通通

43、道道的的传传递递函函数数不不同同时时，或或对对动动态态误误差差控控制制精精度度要要求求很很高高的场合，必须考虑采用动态前馈控制方式。的场合，必须考虑采用动态前馈控制方式。7 补偿控制补偿控制1257 补偿控制补偿控制3.前馈前馈反馈控制反馈控制v单纯的前馈控制单纯的前馈控制n只能对指定的扰动量进行补偿；只能对指定的扰动量进行补偿；n对对指指定定的的扰扰动动量量，由由于于环环节节或或系系统统数数学学模模型型的的简简化化、工工况况的的变变化化以以及及对对象象特特性性的的漂漂移等，也很难实现完全补偿。移等，也很难实现完全补偿。v前馈前馈反馈控制反馈控制n前馈控制器用来消除主要扰动量的影响；前馈控制器

44、用来消除主要扰动量的影响；n反反馈馈控控制制器器则则用用来来消消除除前前馈馈控控制制器器不不精精确确和其它不可测干扰所产生的影响。和其它不可测干扰所产生的影响。126图图7.4 典型的前馈典型的前馈反馈控制系统结构图反馈控制系统结构图7 补偿控制补偿控制补偿控制器补偿控制器反馈控制器反馈控制器干扰通干扰通道传函道传函控制通控制通道传函道传函反馈通反馈通道传函道传函扰动量扰动量输入量输入量输出量输出量127干扰干扰D(S)对被控量对被控量Y(S)的闭环传递函数为的闭环传递函数为7 补偿控制补偿控制 干扰干扰D(S)作用下，对被控量作用下，对被控量Y(S)完全补偿的条件是：完全补偿的条件是：而而

45、因此有因此有128 4.前馈前馈串级控制串级控制 如如果果被被控控对对象象的的主主要要干干扰扰频频繁繁而而又又剧剧烈烈，而而生生产产过过程程对对被被控控参参量量的的精精度度要要求求有有很很高高，可可以以考考虑采用前馈虑采用前馈串级控制方案。串级控制方案。7 补偿控制补偿控制129图图7.5 前馈前馈串级控制系统结构图串级控制系统结构图7 补偿控制补偿控制当当副副主主1130引入前馈必须遵循以下原则：引入前馈必须遵循以下原则：n系统中的扰动量是可测不可控系统中的扰动量是可测不可控n可测，才有前馈的可能可测，才有前馈的可能n不可控，就无法设置单独的回路加以控制不可控，就无法设置单独的回路加以控制n

46、系统中的扰动量的变化幅值大、频率高系统中的扰动量的变化幅值大、频率高n否则，反馈控制就能胜任否则，反馈控制就能胜任n控控制制通通道道的的滞滞后后时时间间较较大大或或干干扰扰通通道道的的时时间常数较小间常数较小n否则，也无须前馈控制否则，也无须前馈控制7 补偿控制补偿控制131 7.3 大迟延过程系统大迟延过程系统 7.3.1 延迟对系统品质的影响延迟对系统品质的影响n大延迟过程大延迟过程n广义对象的时滞与时间常数之比大于广义对象的时滞与时间常数之比大于0.5。n工业生产中典型的大延迟过程工业生产中典型的大延迟过程n传传送送物物料料能能量量、测测量量成成分分量量、皮皮带带运运输输、带带钢钢连连轧

47、轧机机、以以及及多多容容量量、多多种种设设备备串串联联等等过过程程，都都存存在在较较大的时滞时间。大的时滞时间。n延迟对系统品质的影响延迟对系统品质的影响n使闭环特征方程中含有纯延迟因子使闭环特征方程中含有纯延迟因子n减低系统的稳定性减低系统的稳定性7 补偿控制补偿控制1327.3.2 Smith预估器预估器nSmith预估器预估器n一种以模型为基础的预估器补偿控制方法。一种以模型为基础的预估器补偿控制方法。nSmith预估器的设计思想预估器的设计思想n预估预估出过程对出过程对扰动扰动的动态响应，并将预估结的动态响应，并将预估结果作为反馈提早供给控制器动作，以提前对果作为反馈提早供给控制器动作

48、，以提前对扰动进行扰动进行补偿补偿。7 补偿控制补偿控制133图图7.6 Smith7.6 Smith预估器控制方框图预估器控制方框图7 补偿控制补偿控制控制器的输出需要经过时间控制器的输出需要经过时间 才起作用才起作用补偿的目的是：补偿的目的是：U(s)-Y(s)无延迟无延迟134Smith预估器的传递函数为：预估器的传递函数为：7 补偿控制补偿控制135整个系统的闭环传递函数为：整个系统的闭环传递函数为：7 补偿控制补偿控制闭环特征方程中不再包含纯滞后环节闭环特征方程中不再包含纯滞后环节被控量被控量Y的响应比设的响应比设定值定值R要滞后时间要滞后时间1367 补偿控制补偿控制干扰的闭环传递

49、函数为：干扰的闭环传递函数为：闭环特征方程中不再包含纯滞后环节闭环特征方程中不再包含纯滞后环节137结论：结论：n采采用用Smith预预估估补补偿偿控控制制方方法法可可以以消消除除纯滞后环节对控制系统品质的影响。纯滞后环节对控制系统品质的影响。示例（与示例（与PID控制的比较）：控制的比较）：7 补偿控制补偿控制138图图7.7 带带Smith预估器的过程控制系统预估器的过程控制系统7 补偿控制补偿控制139图图7.8 纯滞后加一阶惯性环节的数字仿真曲线纯滞后加一阶惯性环节的数字仿真曲线7 补偿控制补偿控制140图图7.9 阶跃信号作用下的响应曲线阶跃信号作用下的响应曲线7 补偿控制补偿控制1

50、417.3.3大林大林(Dahlin)算法算法n大林算法的结构大林算法的结构n针针对对计计算算机机控控制制系系统统提提出出来来的的一一种种时时滞滞补补偿偿控制算法。控制算法。7 补偿控制补偿控制计算机控制系统框图计算机控制系统框图采样保持采样保持数字控制器数字控制器一阶或二阶一阶或二阶带时滞的惯带时滞的惯性环节性环节采样周期采样周期142假设被控对象为带纯滞后的一阶惯性环节或假设被控对象为带纯滞后的一阶惯性环节或带纯滞后的二阶惯性环节，其传递函数分别为带纯滞后的二阶惯性环节，其传递函数分别为（7-35）（7-36）7 补偿控制补偿控制 是采样周期的整数倍（是采样周期的整数倍（m为正整数）为正整