常用复杂控制系统
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化工自动化及仪表第八章复杂控制系统 第一节串级控制系统
图8-4 加热炉温度串级控制系统方块图
图8-5
副回路（副控制系统）
串级
控制 系统 组成 原理 及术
主设 定值
主控 制器
副设 定值
副控 制器
干扰
操纵
变量
副被控
变量
执行器 副对象
-
-
副测量值
副测量、变送
语
主测量值
主测量、变送
(1) 组成原理
①将原被控对象分解为两个串联的被控对象。
干扰 主对象
主被控 变量
TC
TT
PC
PT
燃料油 气开阀
被加热原料
T 出口温度
解答：
(1)阀的气开、气关特性
依据安全原则，当供气中断时，应使控制阀处于 全关闭状态，不致烧坏加热炉，所以应选气开阀
TC燃料油 气开阀
被加热原料
T 出口温度
(2)控制器的正、反作用
副控 制器
因为：P ys e
P 燃料量 阀开度 u
根据系统的结构和所担负的任务来分：串级、均
匀、比值、分程、选择性、前馈、多冲量等
本章研究内容：
8.1 串级控制系统 8.2 均匀控制系统 8.3 比值控制系统 8.4 分程控制系统 8.6 前馈控制系统
8.1 串级控制系统
复杂控制系统中用的最多的一种。
适用场合：当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、
频繁，采用简单控制质量较差，或要求被控变量 的误差范围很小，简单控制系统不能工艺满足要 求。
人们研究出了一种不需要增加太多的仪表就可以 使被控变量达到较高的控制精度的方法——串级控制 系统。
串级控制系统的思想：
把时间常数较大的被控对象分解为两 个时间常数较小的被控对象。
复杂系统控制和优化技术
复杂系统控制和优化技术复杂系统是指由多个部分相互作用而形成的系统，如交通网络、金融市场、生态系统等。
这些系统通常具有多样性、不确定性和灵敏性。
因此，对于复杂系统的控制和优化显得尤为重要。
本文将探讨复杂系统控制和优化技术。
1. 复杂系统控制技术复杂系统控制技术的目标是通过控制系统的输入和输出来稳定和优化系统的性能。
常用的复杂系统控制技术包括反馈控制、前馈控制和自适应控制。
反馈控制是一种最基本的控制方法，它通过对系统输出的反馈来调整输入，从而稳定系统。
反馈控制的本质是把输出与目标进行比较，然后产生误差信号并作为控制信号输入系统。
前馈控制是在输入信号中加入一个先验信息，以改进系统响应速度和稳定性。
具体来说，即在目标信号之前，将一些预测信号加入输入信号之中。
这样，系统会更快地响应，并更加稳定。
常见的前馈控制技术包括预测控制和自适应前馈控制。
自适应控制是一种能够自动调整控制器参数以达到最佳性能的控制方法。
自适应控制器利用反馈信号对系统进行监控，并根据监控结果改变控制器的行为。
最常用的自适应控制技术包括模型参考自适应控制、最小方差自适应控制和模糊自适应控制。
2. 复杂系统优化技术复杂系统优化技术的目标是找到系统的最优解，以达到最大化系统的性能。
常用的复杂系统优化技术包括遗传算法、蚁群算法和粒子群优化算法等。
遗传算法是一种基于进化的优化算法。
它通过对解决方案进行一定的变异、交叉和选择等操作，以逐步优化解决方案。
遗传算法的核心思想是将每个候选解看作一个“基因”，并通过对基因进行“进化”产生新的解决方案。
蚁群算法是一种基于蚂蚁群体行为的优化算法。
它借鉴了蚂蚁在寻找食物时的行为特征，通过模拟蚁群的行为寻找问题的最优解。
蚁群算法的重要性在于它能够适应复杂系统的非线性特性。
粒子群优化算法是一种基于群体行为的优化算法，其核心思想是将优化问题转化为寻求一组粒子在搜索空间中的最优位置。
与遗传算法和蚁群算法相比，粒子群优化算法更加灵活和高效。
常用复杂控制系统
0
20
T01 T02' T01T02'
02
1
Kc1K02' K01Km1 T01T02'
标准形式： s2 20s 02 0
串级控制系统的工作频率为：
串 0
12
1 2 T01 T02'
2
T01T02 '
（2）提高了系统的工作频率
单回路系统特征方程为 1 Gc (s)Gv (s)G02 (s)G01(s)Gm1(s) 0
K
' 02
1
Kc2 Kv K02 Kc2 Kv K02 Km2
K
' 02
1 Km2
当K02或KV随操作条件或负荷变化时，K02’几乎不变.
当采用串级控制时，主环是一个定值系统，而副环 却是一个随动系统。主调节器能够根据操作条件和负荷 变化的情况，不断修改副调节器的给定值，以适应操作 条件和负荷的变化。
5.应用于非线性过程 特点：负荷或操作条件改变导致过程特性改变。若单回路控 制，需随时改变调节器整定参数以保证系统的衰减率不变； 串级控制，则可自动调整副调节器的给定值。
合成反应器温度串级控制：换热器呈非线性特性
注意
串级控制虽然应用范围广，但必 须根据具体情况，充分利用优点，才 能收到预期的效果。
整定原则: 尽量加大副调节器的增益，提高副回路的频率，
使主、副回路的工作频率错开，以减少相互影响。 先整副环后整主环。
1. 逐步逼近整定法
1）主开环、副闭环，整定副调的参数；记为 GC2(s)1
2) 副回路等效成一个环节，闭合主回路，整定主调节器参数，
记为
GC1(s)1
3）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即为
串级、比值、前馈-反馈、选择性、分程以及三冲量六种复杂控制系统
1、串级控制系统
串级控制系统是应用最早，效果最好，使 用最广泛的一种复杂控制系统，它的特点 是两个调节器相串联，主调节器的输出作 为副调节器的设定，当对象的滞后较大， 干扰比较剧烈、频繁时，可考虑采用串级 控制系统。
1、基本概念
串级控制系统(Cascade Cont ro1System)是一 种常用的复杂控制系统，它根据系统结构
主回路(外回路)：断开副调节器的反馈回路 后的整个外回路。
副回路(内回路)：由副参数、副调节器及所 包括的一部分对象所组成的闭合回路（随
动回路)
主对象(惰性区)：主参数所处的那一部分工 艺设备，它的输入信号为副变量，输出信 号为主参数(主变量)。
副对象(导前区)：副参数所处的那一部分工 艺设备，它的输入信号为调节量，其输出 信号为副参数(副参数 将要达到危险值时，就适当降低生产要求， 让它暂时维持生产，并逐渐调整生产，使 之朝正常工况发展。能实现软限控制的控 制系统称为选择性控制系统，又称为取代 控制系统或超驰控制系统。
通常把控制回路中有选择器的控制系统称 为选择性控制(selective control)系统。选择 器实现逻辑运算，分为高选器和低选器两 类。高选器输出是其输入信号中的高信号， 低选器输出是其输入信号中的低信号。
控制系统一般又可分为简单控制系统和复 杂控制系统两大类，所谓复杂，是相对于 简单而言的。凡是多参数，具有两个以上 变送器、两个以上调节器或两个以上调节 阀组成多回路的自动控制系统，称之为复 杂控制系统。
目前常用的复杂控制系统有串级、比值、 前馈-反馈、选择性、分程以及三冲量等， 并且随着生产发展的需要和科学技术进步， 又陆续出现了许多其他新型的复杂控制系 统。
路外，使调整k时不影响控制回路稳定性。
常见的复杂控制系统
串级控制系统主、副被控变量的选择 选择原则如下： 根据工艺过程的控制要求选择主被控变量；主被控 变量应反映工艺指标。 副被控变量应包含主要扰动，并应包含尽可能多的 扰动。 主、副回路的时间常数和时滞应错开，即工作频率 错开，以防止共振现象发生。 主、副被控变量之间应有一一对应关系。 主被控变量的选择应使主对象有较大的增益和足够 的灵敏度。 应考虑经济性和工艺的合理性。
采用外部积分的防饱和积分系统
y
x1
yep
G2
K
T | |
G1
K
T | |
2-6（a）采用外部积分的防饱和积分系统
yep
1
K2
2
1 TI 2 s
3
G1外部积分的防饱和环节的主环开环系统方框图
最终得到输入节点e1与输出节点x1之间的传递函 数： K 1 G (s)W (s) K G (s)W (s) K G (s)W (s)(1 1 )
=
1-
2 T1 x串 g
+ T 2 + K T 2K Z K f K m 2K 2T 1 1 g T 1T 2 2x串
w单 =
1-
1 2 T1 + T 2 x单 g g T 1T 2 2x单
假定串级控制系统和单回路控制以同样的衰减率工作，即令
x串 = x单
T 1 + T 2 + K T 2K Z K f K m 2K 2T 1 w串 = = w单 T1 + T 2 K T 2K Z K f K m 2K 2T 1 = 1+ T1 + T 2 1+ T1 (1 + K T 2K Z K f K m 2K 2 ) T2 T 1+ 1 T2
常见的复杂控制系统有串级均匀比值精选全文
(1)两个变量在控制过程中都 应该是变化的,且变化缓慢。
(2)前后互相联系又互相矛盾 的两个变量应保持在所允许的 范围内波动。
过程控制系统
二.均匀控制系统的方案 1 .简单均匀控制
过程控制系统
如何能够满足均 匀控制的要求呢?是 通过控制器的参数 整定来实现的。
有时为了克服连续发生的同一方向干扰所造成的 过大偏差，防止液位超出规定范围，则引人积分作 用，这时比例度一般大于100％，积分时间也要放 得大一些。
主变送器：测量并转换主被控变量的变送器。 副变送器：测量并转换副被控变量的变送器。 主对象：大多为工业过程中所要控制的、由主被控 变量表 征其主要特性的生产设备或过程。 副对象：大多为工业过程中影响主被控变量的、由副被控变 量表征其特性的辅助生产设备或辅助过程。 副回路:由副变送器、副控制器、控制阀和副对象所构成的 闭环回路 , 又称为“ 副环” 或“内环”。 主回路：由主变送器、主控制器、副回路等效环节、主对象 所构成的闭环回路，又称为“主环”或“外环”。
副被控变量（Y2）：大多为影响主被控变量的重要参数。 主控制器：在系统中起主导作用，按主被控变量和其设定值之差 进行控制运算，并将其输出作为副控制器给定值。 副控制器：在系统中起辅助作用，按所测得的副被控变量和主控 输出之差来进行控制运算，其输出直接作用于控制阀的控制器， 简称为“副控”。
过程控制系统
K= F2/F1 式中K为从动流量与主动流量的工艺流量比值。 F1---主动流量(其物料处于主导地位既主物料 ) F2---从动流量(其物料在控制过程中随主物料而变化 )
燃料与空气成比例,什么是主动物料?什么是从动物料?
氢氧化钠浓溶液与水成比例,什么是主动物料?什么是从动物 料?
一.比值控制系统的类型
复杂控制系统分析
把副回路看成是一个动态环节，这个环节的
输出为：
若采用单回路控制，在同样条件下采用同样的方法， 可以得到它的稳态输出为：
y1（∞）＜ y‘1 （∞），也就是说，串级控制系统 的稳态偏差比单回路控制系统的稳态误差要小得多， 其原因就在于前者具有一定的自适应能力。
串级控制系统主副回路和主副调节器选择： 一、主副回路的选择原则 (1)副回路应该把生产系统中尽量多的干扰、变
(4)前馈控制系统只能用来克服生产过程中主要的、 可测的扰动。 实际工业生产中使被调量发生变化的原因（扰动） 是很多的，对每一种扰动都需要一个独立的前馈控 制，这就会使控制系统变得非常复杂；而且有的扰 动往往是难于测量的，对于这些扰动就无法实现前 馈控制。 (5)前馈控制系统一般只能实现局部补偿而不能保 证被调量的完全不变。
(4)动态前馈比静态前馈复杂，参数的整定也比较麻烦。 因此，在静态前馈能够满足工艺要求的时候，尽量不采 用动态前馈。实际工程中，通常控制通道和扰动通道的 惯性时间和纯滞后时间接近，往往采用静态前馈就能获 得良好的控制效果。 (5)扰动通道的时间常数远大于控制通道的时间常数， 反馈控制已能获得良好的控制性能，只有控制性能要求 很高时，才有必要引入前馈控制。 (6)扰动通道的时间常数远远小于控制通道的时间常数， 由于扰动的影响十分快速，前馈调节器的输出迅速达到 最大或最小，以至难于补偿扰动的影响，这时不宜采用 前馈控制。
预估补偿控制
Smith（史密斯）预估补偿是针对具有纯迟延
的过程，在PID反馈控制的基础上，引入预补 偿环节，从而使控制品质大大提高的方法。
Smith（史密斯）预估补偿原理
被控变量的闭环传递函数是
扰动作用至被控变量的闭环传递函数是
常用复杂控制系统之串级控制原理
先副回路， 后主回 路 情况二：干扰来自原料油方面，使炉出口温度 升高
出口温度 温度控制器输出 流量控制器设定值 。 燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化。
情况三：一次干扰和二次干扰同时
存在 主、副变量同向变化
主、副调节器共同作用，执行阀的开度大幅度变化， 使得炉出口温度很快恢复到设定值。
偏差大，控制质量差。
方案二：管式加热炉出口温度的间接控制（1）
流量检测 变送器
期望 流量
流量控 制器
存在的问题：
在这个方案中，炉出口温度不是被控量，当来自原料入 口温度和初始温度等干扰因素使出口温度发生变化时，此间 接控制系统无法将变化了的温度调回来；
管式加热炉出口温度的间接控制（2）
期望炉膛 温度
返回
Kc2 K 2 ( K c 2 K 2 1)
等效副对象的时间常数小于副对象本身的时间常数，意
味着控制通道的缩短，从而使控制作用更加及时，响应速度
更快。
串级控制系统的设计
一、主变量的选择
与单回路控制系统的选择原则一致，即选择直接或间接反映 生产过程的产品产量、质量、节能、环保以及安全等控制要求 的参数作为主变量。
Z1 ( s ) E1 ( s )
F1 ( s )
WV ( s )
-
X 2 (s) Wc1 ( s ) +
Z 2 (s)
E2 (s)
+
Wc 2 ( s )
-
+
Y (s) W02 ( s ) 2 +
+
W01 ( s )
Y1 ( s )
Wm 2 ( s )
Wm1 ( s )
输出对于输入的传递函数：
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比值控制系统
基本原理和结构
开环比值控制系统 单闭环比值控制系统
双闭环比值控制系统
变比值控制系统
在稳定工况下，两种物料的流量应满足Q2=kQ1的要求。该系 统对副流量无抗干扰能力，当副流管线压力改变时，就满足 不了所要求的比值。所以这种开环比值控制系统只适用于从 动物料管线压力比较稳定，对比值精度要求不高的场合，其 优点是结构简单，投资省。
最频繁、激烈的干扰因素置于副回路中 时间常数选择：副回路为快速控制
整定步骤：迭代循环过程
串级控制系统的设计与参数整定
整定步骤：迭代循环过程
首先断开主回路，闭合副回路，按单回路控
制系统的整定方法整定副回路参数 闭合主、副回路，保持上步取得的副回路参 数，按单回路控制系统的整定方法整定主回 路参数 在闭合主、副回路，主控制器参数保持情况 下，再次调整副回路控制器参数 至此已完成一个循环，如控制品质未达到规 定指标，返回第2步继续
比值控制系统
基本原理和结构
单闭环比值控制系统
为了克服开环比值控制系统的缺点，在开环比值 控制的基础上，增加一个副流量的闭环控制
双闭环比值控制系统 变比值控制系统
比值系数的计算 比值控制系统的应用实例
比值控制系统
基本原理和结构——双闭环比值控制系统
为了克服单闭环比值控制系统对主流量不受控制所引 起的不足，在单闭环控制的基础上，又提出了双闭环 比值控制系统 双闭环比值控制系统是由一个定值控制的主流量控制 回路和一个跟随主流量变化的副流量控制回路组成。 主流量控制回路能克服主流量扰动，实现其定值控制； 副流量控制回路能抑制作用于副回路的干扰，从而使 主、副流量均比较稳定，使总物料量也比较平稳。因 此，在工业生产过程中，当要求负荷变化比较平稳时， 可以采用这种控制方案，不过，该方案所用仪表较多， 投资较高。
串级控制系统的应用范围
应用于纯时延较大的过程
当被控过程纯时延时间较长，单回路控制系
统不能满足工艺要求时，可以考虑用串级控 制系统来改善控制质量。通常的做法是，在 离调节阀较近、纯时延时间较小的地方选择 一个辅助参数作为副参数，构成一个纯时延 较小的副回路，由它实现对主要干扰的控制。
为提高控制质量，在靠近计量泵出口的某个地方选择一个测压点 纺丝胶液从混合器由计量泵送到冷却器中进行冷却，随 作为副参数，构成一个压力与压力的串级控制系统，如图6所示。 后又被送到过滤器以除去杂质。工艺要求过滤前的压力 由图可见，当来自纺丝胶液的粘度发生变化或因计量泵前的混合 串级控制系统的应用范围 应稳定在250kPa，以保证后面喷头抽丝工序的正常工作。
串级控制系统
串级：一个控制器的输出是另一控制器的
设定值 两个控制器和两个受控对象 本质上仍是定值控制系统
由于副回路的作用，具有较强的抗干扰能力 由于副回路的存在，改善了对象特性，提高了
工作频率 具有自适应能力
串级控制系统
串级控制系统与简单控制系统的显著区别是，串级控制系统 在结构上形成两个闭环，一个闭环在里面，称为副环（或副 回路），它的输出送往调节阀直接控制生产过程。由此可见， 串级控制系统比单回路控制系统只多了一个测量变送器和一 个调节器，增加的仪表并不多，而控制效果却得到了显著的 改善。
串级控制系统的应用范围
串级控制系统的工业应用范围虽然较广，
但是必须根据工业生产的具体情况，充 分利用串级控制系统的优点，才能收到 预期的效果，这一点，必须充分注意。
串级控制系统的设计与参数整定
主、副回路
控制器选择
主回路一般可选PI、PID 副回路一般选P或PI
受控变量选择：将影响主被控变量最严重，
串级控制系统的应用范围
应用于容量滞后较大的过程 应用于纯时延较大的过程 应用于干扰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
串级控制系统的应用范围
应用于容量滞后较大的过程
当被控过程容量滞后较大时，可以选择一个
滞后较小的辅助变量组成副回路，使被控过 程的等效时间常数减小，以提高系统的工作 频率，最终提高控制质量。因此，对于很多 以温度或质量指标为被控参数的过程，其容 量滞后往往比较大，而生产上对这些参数的 控制质量要求又比较高，此时宜采用串级控 制系统。
均匀控制系统—控制规律选择 与参数整定
参数整定
PI控制
按纯比例控制方式进行整定，得到所适用的比例 增益Kc值； 适当减小比例增益值，投入积分作用。由大到小 逐渐调整积分时间，直到出现缓慢的周期性衰减 振荡为止。一般Ti在几分到十几分钟之间。
前馈控制系统
基本原理
开环控制，基于苏联学者倡导的不变性原理 根据扰动，按补偿原理，将扰动的影响消除在萌芽 状态 前馈控制又称干扰补偿，它与反馈控制完全不同， 是按照引起被控参数变化的干扰大小进行控制的。 在这种控制系统中，当干扰刚刚出现而又能测出时， 调节器便发出调节信号使调节参数作相应的变化， 使两者相互抵消于被控参数发生偏差之前。因此， 前馈调节对干扰的克服比反馈调节快。 静态前馈 前馈－反馈控制系统 多变量前馈控制
双闭环比值控制系统
比值控制系统
变比值控制系统
比值是变化的，并
且由另一个控制器 设定。 从结构上看，是以 比值控制系统为副 回路的串级控制系 统。
比值控制系统—参数整定
在比值控制系统中，双闭环比值控制系统的主流量回 路可按单回路控制系统进行整定；变比值控制系统因 结构上属串级控制系统，所以主调节器可按串级控制 的整定方法进行。这样，比值控制系统的参数整定， 主要是讨论单闭环、双闭环的副流量回路、变比值控 制和变化回路的整定问题。由于这些回路本质是都是 随时动系统，因此要求其快整、正确跟随主流量变化， 而且不宜有超调，最好整定在振荡与不振荡的边界为 宜。具体整定步骤可归纳如下： （1）在满足工艺生产流量比的条件下，计算比值系统 K`，将比值控制系统投入自动运行。 （2）将积分时间置于最大，并由大到小逐渐调节比例 度，使系统响应迅速，并处于振荡与不振荡的临界过 程。 （3）若欲投入积分作用，则先适当放宽比例度，再投 入积分作用，逐步减小积分时间，直到系统出现振荡 与不振荡或稍有超调过程为止。
第四讲：常用复杂控制系统
背景知识
单回路控制系统－－定值控制问题 生产的发展，工艺变革操作要求更高，关系 更复杂复杂控制系统 复杂控制系统
单回路+计算、控制或其它环节 在DCS中，用计算机实现 占10%，但贡献达80% 常用类型：串级、比值、均匀、分程、选择、前馈 等控制系统
锅炉的三冲量液位控制。在工业生产过程中，
用汽和用水的场合很多，蒸汽流量和水压的 变化既频繁且幅值又大，而快装锅炉的汽包 容量往往又较小，所以汽包液位是一个很重 要的参数。为确保控制质量，常以蒸汽流量 和水流量的综合作用作为副回路的测量值， 同液位一起构成串级控制系统，即所谓三冲 量液位串级控制系统。由于该系统把多冲量 与串级控制结合起来，所以它比一般的三冲 量控制系统对液位具有更强的控制能力。
串级控制系统的应用范围
应用于容量滞
后较大的过程
工业生产中的
加热炉，其任 务是将被加热 物料加热到一 定温度，然后 送给下一道工 序。
串级控制系统的应用范围
应用于容量滞后较大的过程
为了使炉出口温度为一定值，选取燃料流量
为调节参数。但是，由于炉子的时间常数比 较大，容量滞后也较大，干扰因素也较多， 单回路控制系统不能满足工艺对炉出口温度 的要求。为此，可以选择时滞较小的炉膛温 度为副参数，构成炉出口温度对炉膛温度的 串级控制系统，运用副回路快速作用，将有 效地提高控制质量，从而满足工艺要求。
串级控制系统的应用范围
应用于参数互相关联的过程
在有些生产过程中，有时两个 互相关联的参数需要用同一个 介质进行控制。在这种情况下， 若采用单回路控制系统，则需 要装两套装置，如在同一个管 道上装两个调节阀。这样，既 不经济又无法工作。对这样的 过程，可以采用串级控制系统， 即分清互相关联的主次，组成 串级控制，以满足工艺要求。
串级控制系统的应用范围
应用于干扰变化激烈而且幅度大的过程
由于串级控制系统的副回路对于进入其中的
干扰具有较强的克服能力，因此，在系统设 计时，只要将变化激烈而且幅度大的干扰包 括在副回路之中，就可以大大减小变化激烈 而又幅度大的干扰对主参数的影响。
串级控制系统的应用范围
应用于干扰变化激烈而且幅度大的过程
均匀控制系统
串级均匀控制系统
均匀控制系统
双冲量均匀控制系统
以液位和流量两信号
之差（和）为被控变 量的均匀控制系统。
均匀控制系统—控制规律选择 与参数整定
控制规律选择：P或PI 参数整定
P控制
将比例增益放置在不会引起液位超值但相对较小 的的数值，如Kc=0.5左右； 观察趋势，若液位的最大波动小于允许的范围， 则可增加比例增益； 当发现液位的最大波动大于允许范围，则减小比 例增益 反复调整比例增益，直至液位的的波动小于且接 近于允许范围，一般Kc=0.5~1。
复杂控制功能块组态
比值控制：
AI OUT AI OUT
维持两种 物料的比 例关系
IN1 R
IN IN PID
BKCAL_IN
OUT CAS_IN BKCAL_OUT BKCAL_IN OUT CAS_IN AO BKCAL_OUT
均匀控制系统
需求：大多数连续生产过程中，为了节约设备投资和 紧凑生产装置，往往设法减少中间罐。这样，前一设 备的出料往往又是后一设备的进料。多数前一设备希 望料位稳定，而后一设备希望进料平稳。 原能及时反应，并通过副回路 及时予以克服，从而稳定了过滤前的胶液压力，满足了工艺要求。 应用于纯时延较大的过程