1、第四章復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)類型：1、串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)2、比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)3、均勻調(diào)節(jié)系統(tǒng)4、前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)5、選擇調(diào)節(jié)系統(tǒng)6、解耦調(diào)節(jié)系統(tǒng)7、分程調(diào)節(jié)系統(tǒng)8、 簡單的單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)：簡單、應(yīng)用廣泛復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)： 1、對象特性比較復(fù)雜或難以控制 2、調(diào)節(jié)任務(wù)比較特殊或要求較高復(fù)雜控制系統(tǒng)4.1 串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)的工作原理及分析工藝要求：氧化率達到97%以上，為此要將氧化爐溫度控制在。氨氧化過程的溫度控制氨氧化過程的溫度控制串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)方塊圖： 概念：主回路、副回路、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、主參數(shù)、副參數(shù)。 核心：主調(diào)節(jié)器輸出作為副調(diào)節(jié)器給定值，副調(diào)節(jié)器用于調(diào)節(jié)閥。串級控制系統(tǒng)的組成干擾作用于副回路

2、（設(shè)氨氣流量干擾增加）串級控制系統(tǒng)的工作過程圖4-6 干擾進入副回路時串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖串級控制系統(tǒng)的工作過程干擾作用于副回路（設(shè)氨氣流量干擾增加）開始：假設(shè)副回路給定值不變，氨氣流量干擾 使氨氣流量的調(diào)節(jié)，最終使氨氣流量恢復(fù)到給定值。增加，流量調(diào)節(jié)器（反作用）輸出減小，從而使調(diào)節(jié)閥開度（氣開閥）減小，通過副回路繼而：由于氨氣流量增加進入主回路后，使氧化爐的溫度增加，溫度調(diào)節(jié)器（反作用）輸出減小，也就是流量調(diào)節(jié)器給定值減小，由于流量調(diào)節(jié)器為反作用，因此輸出到調(diào)節(jié)閥膜頭信號減小，這樣引起調(diào)節(jié)閥開度減小，使氨氣流量減小，通過主回路的調(diào)節(jié)，最終使氧化爐的溫度恢復(fù)到給定值。串級控制系統(tǒng)的工作過程結(jié)論：

3、當干擾進入副回路，由于主、副回路的共同作用（作用方向相同，都是使氨氣流量調(diào)節(jié)閥開度減小），使副調(diào)節(jié)器的給定與測量兩方面變化加在一起，加速了克服干擾的能力。串級控制系統(tǒng)的工作過程干擾作用于主回路（設(shè)空氣流量 干擾增加）時結(jié)論：該調(diào)節(jié)方式從工作頻率來說要比單回路高得多，所以調(diào)節(jié)時間大大縮短，并且最大超調(diào)量也大大減小。工作過程：當空氣流量受干擾作用增加時，造成氧化爐溫度增加，溫度調(diào)節(jié)器（反作用）輸出減小，也就是流量調(diào)節(jié)器（反作用）的給定值減小，這樣流量調(diào)節(jié)器輸出到氨氣流量調(diào)節(jié)閥的信號減小，從而使進入氧化爐的氨氣量減小，使氧化爐的溫度減小、回復(fù)到設(shè)定值。串級控制系統(tǒng)的工作過程干擾作用于主回路（設(shè)空氣流

4、量 干擾增加）時假設(shè)：串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)分析 u可得閉環(huán)特征方程：其中：把閉環(huán)的副回路看作等效對象 ： 求解可得串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過渡過程頻率 為：其中：串級控制系統(tǒng)分析上圖中：單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng) 串級控制系統(tǒng)分析可得閉環(huán)特征方程：其中： 求解可得單回路系統(tǒng)的過渡過程頻率 為串級控制系統(tǒng)分析2、若使串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)和單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有同樣的衰減系數(shù)值，即 則它們的過渡過程頻率之比為 兩種調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能比較即串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)由于副回路改善了對象的動特性，使整個系統(tǒng)的過渡過程比單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過渡過程頻率有所提高，即加快了調(diào)節(jié)速度，減小了被調(diào)量的動態(tài)偏差。 1、T2 比 T2 減小 (1+K2 ) 倍，且由于

5、 G02 是一階慣性環(huán)節(jié)，所以 K2 可以 取得很大，即副環(huán)等效對象時間常數(shù)可以減到很小，改善了對象動特性。3、盡可能可以將一些主要干擾包括在副環(huán)，利用副環(huán)的快速調(diào)節(jié)進行抑 制，利于提高主環(huán)的調(diào)節(jié)品質(zhì)和減輕主環(huán)的負擔。串級控制系統(tǒng)分析串級控制系統(tǒng)的特點在系統(tǒng)特性上，串級控制系統(tǒng)由于副回路的引入，改善了對象特征，使控制過程加快，具有超前控制的作用。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，串級控制系統(tǒng)有兩個閉合回路：主回路和副回路；有兩個控制器：主控制器和副控制器；有兩個測量變送器。串級控制系統(tǒng)的特點設(shè)定值控制閥流 量控制器干擾測量變送溫 度控制器溫度對象干擾測量變送流量對象定值控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)的特點串級控

6、制系統(tǒng)由于增加了副回路，具有有一定的自適應(yīng)能力。發(fā)生于副回路的內(nèi)部干擾通常在它影響主被控變量之前，就由副控制器消除其影響了，因而對這類干擾具有較強的穩(wěn)定作用； 過程的相位滯后由于有了副回路而顯著減小，這就改善了主回路的響應(yīng)速度，相當于縮小了主對象的時間常數(shù)； 副過程增益變化的影響在副回路內(nèi)部被克服；副回路可按主回路的需要對質(zhì)量流向或能量流向?qū)嵤┚_的控制。串級控制系統(tǒng)的設(shè)計串級控制系統(tǒng)副參數(shù)的選擇及副回路的設(shè)計主副變量間應(yīng)有一定的內(nèi)在聯(lián)系系統(tǒng)的主要干擾應(yīng)包圍在副回路中在可能的情況下，應(yīng)使副環(huán)包圍更多的次要干擾副變量的選擇應(yīng)考慮主副對象時間常數(shù)的匹配，防止共振的發(fā)生。即主副時間常數(shù)不能太接近當對

7、象具有較大的純滯后而影響控制質(zhì)量時，在選擇副變量時應(yīng)使副環(huán) 盡量少包含純滯后或不包含純滯后串級控制系統(tǒng)的設(shè)計 防積分飽和圖4-10串級控制主回路的防積分飽和串級控制系統(tǒng)的設(shè)計 主副控制器正反作用的選擇實例 當主、副變量在增加（或減小）時，為使主、副變量減小（或增加），要求控制閥的作用方向是一致的時候，主控制器應(yīng)選擇反作用；反之選正作用。設(shè)定值控制閥流 量控制器干擾測量變送溫 度控制器溫度對象干擾測量變送流量對象反反氣開 1、調(diào)節(jié)算法選型： （1）、串級系統(tǒng)副環(huán)的對象慣性小，工作頻率高，而主環(huán)慣性大，工作頻率以免頻率接近，發(fā)生共振。低。為了提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能，希望主副環(huán)的工作頻率錯開3倍以上 （

8、2）、選擇中間變量構(gòu)成副環(huán)的原則是中間變量既能迅速反應(yīng)干擾的作用，又能使副環(huán)包括更多的，特別是幅度大而頻繁的主要擾動在內(nèi)，利用副環(huán)快速抑制。但中間變量并不要求無差，故副調(diào)節(jié)器一般采用比例調(diào)節(jié)。（3）、主環(huán)主要是克服落在副環(huán)以外的擾動，并保證被調(diào)量的準確控制，凡是需要考慮串級調(diào)節(jié)的場合，工藝上對調(diào)節(jié)品質(zhì)總是要求很高，所以一般主調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)。如果副環(huán)外面的對象容積數(shù)目較多，同時有主要擾動落在副環(huán)外面的情況，就可以考慮用PID調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)器選型及參數(shù)整定2、調(diào)節(jié)算法參數(shù)整定調(diào)節(jié)算法的選型即參數(shù)整定按單回路算法參數(shù)整定 法整定 （2）、主副環(huán)兩部分對象時間常數(shù)和滯后大致相等時采用“二步整定法” 整

9、定參數(shù)投入對等效對象 ，參數(shù)。a、主環(huán)閉環(huán)用“衰減曲線法“整定參數(shù)副環(huán)在時的 。的比例度置于 的b、等效對象 ，為對用”衰減曲線法“整定投運副調(diào)節(jié)器即副環(huán)投運主環(huán)即 。 （1）、主副環(huán)頻率相差較大時的參數(shù)整定：切除主調(diào)節(jié)器 主環(huán)開環(huán) 按單回路算法參數(shù)整定法3、一步整定法： 先根據(jù)經(jīng)驗選一合適的副控參數(shù)放好。然后在副控自動狀態(tài)下，按簡單控制系統(tǒng)的方式整定主控。 適于對副控參數(shù)要求不嚴格的情況。調(diào)節(jié)算法的選型即參數(shù)整定生產(chǎn)工藝及控制要求示例1：火力發(fā)電廠過熱器生產(chǎn)（蒸汽）溫度控制被調(diào)量：出口蒸汽溫度調(diào)節(jié)量：減溫水流量主要干擾因素： ， ， 。調(diào)節(jié)要求： 穩(wěn)定對象特性（減溫器和過熱器）：管道有較長純

10、滯后。過熱器管壁金屬的熱容量很大出口蒸汽 (高溫)減溫水入口蒸汽(低溫)煙氣入口蒸汽溫度入口蒸汽流量減溫器過熱器減溫水壓力煙氣溫度煙氣流量減溫水流量蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)的應(yīng)用案例方案：問題：調(diào)節(jié)滯后太大，使 發(fā)生較大動態(tài)偏差。出口蒸汽 (高溫)減溫水調(diào)節(jié)器入口蒸汽(低溫)煙氣減溫器過熱器：蒸汽溫度：減溫水流量串級控制系統(tǒng)的應(yīng)用案例方案 ：問題：不夠經(jīng)濟出口蒸汽 (高溫)減溫水調(diào)節(jié)器入口蒸汽(低溫)煙氣減溫器過熱器：蒸汽溫度調(diào)節(jié)器：減溫水流量串級控制系統(tǒng)的應(yīng)用案例方案 ：出口蒸汽 (高溫)減溫水調(diào)節(jié)器入口蒸汽(低溫)煙氣減溫器過熱器：蒸汽溫度調(diào)節(jié)器：減溫水流量問題：最好。方框圖？閥門？控制器？串

11、級控制系統(tǒng)的應(yīng)用案例示例2：石油工業(yè)中管式加熱爐溫度控制溫出口燃料油原料油串級控制系統(tǒng)的應(yīng)用案例控制工藝：管式加熱爐的任務(wù)是把原油或重油加熱到一定的溫度，以保證下一道工序的順利進行。被加熱的原料油流過爐膛四周的排管，由燃料油燃燒進行加熱，原料油被加熱到出口溫度 ，工藝上要求該溫度的波動不超過 。 串級控制系統(tǒng)的應(yīng)用案例主要擾動：原料油的流量和入口溫度的變化； 燃料油壓力和噴油用的過熱蒸汽的波動； 燃燒供風和大氣溫度的變化等溫主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器出口燃料油原料油串級控制系統(tǒng)的應(yīng)用案例方案設(shè)計：由于工藝上對出口油溫的要求很高，而對象的熱慣性很大、純滯后又長， 所以要采用串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，才能滿足調(diào)節(jié)品質(zhì)的要求。 用爐膛溫度 作為中間變量通過副調(diào)節(jié)器去控制燃料油流量調(diào)節(jié)閥，再以 出口溫度 通過主調(diào)節(jié)器去校正副調(diào)節(jié)器的給定值。 擾動因素 、 包括在副環(huán)之內(nèi)，因此可以大大減小這些擾動對出口油溫 的影響