最新8第八章复合控制系统汇总
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。
《自动控制原理》第八章 非线性控制系统分析
第八章 非线性控制系统分析8-1 非线性控制系统概述1. 研究非线性控制理论的意义以上各章详细地讨论了线性定常控制系统的分析和设计问题。
但实际上，理想的线性系统并不存在，因为组成控制系统的各元件的动态和静态特性都存在着不同程度的非线性。
以随动系统为例，放大元件由于受电源电压或输出功率的限制，在输入电压超过放大器的线性工作范围时，输出呈饱和现象，如图8-l(a)所示；执行元件电动机，由于轴上存在着摩擦力矩和负载力矩，只有在电枢电压达到一定数值后，电机才会转动，存在着死区，而当电枢电压超过一定数值时，电机的转速将不再增加，出现饱和现象，其特性如图8-1(b)所示；又如传动机构，受加工和装配精度的限制，换向时存在着间隙特性，如图8-1(c)所示。
在图8-2所示的柱形液位系统中，设H 为液位高度，Q i为液体流入量，Q o 为液体流出量，C 为贮槽的截面积。
根据水力学原理0Q k H = (8-1)其中比例系数k 是取决于液体的粘度和阀阻。
液位系统的动态方程为0i i dH CQ Q Q k H dt =-=-显然，液位H 和液体输入量Q i 的数学关系式为非线性微分方程。
由此可见，实际系统中普遍存在非线性因素。
当系统中含有一个或多个具有非线性特性的元件时，该系统称为非线性系统。
一般地，非线性系统的数学模型可以表示为：(,,...,,)(,,...,,)n m n m d y dy d r dr f t y g t r dt dt dt dt =(8-3)其中f(·)和g(·)为非线性函数。
当非线性程度不严重时，例如不灵敏区较小、输入信号幅值较小、传动机构间隙不大时，可以忽略非线性特性的影响，从而可将非线性环节视为线性环节；当系统方程解析且工作在某一数值附近的较小范围内时，可运用小偏差法将非线性模型线性化。
例如，设图8—2液位系统的液位H 在H 0附近变化，相应的液体输入量Q i 在Q i0，附近变化时，可取ΔH =H −H 0，ΔQ i =Q i −Q i0,对√H 作泰勒级数展开。
第8章 过程控制系统的组成与特点
L（Level）：液位 T（Temperature）：温度
八、过程控制系统的性能指标
1、静态（稳态）与动态（瞬态）： 2、系统的过渡过程： 3、影响过程控制系统品质的环节：
-- 控制系统结构 -- 被控过程（对象）特性 -- 过程检测、控制、执行仪表 4、性能良好的过程控制系统，在受到外来扰动作用或 给定值发生变化后，应 --稳定（稳定性） --准确（准确性） --快速地回复（或趋近）到给定值上。（快速性）
2）过程控制系统组成框图：
3）有关术语：
设定值（Set Point :SP) ：被控变量的预定值。 测量值（Present Value :PV)：被控变量的当前实际测量值。 偏差（Error ：E) ：被控变量的设定值与当前实际值之差。
五、过程控制系统的特点
1、被控过程（对象）复杂多样： 具有非线性、时变、时滞及不确定性等特点，难以获得精
确的过程数学模型。 2、控制过程多属缓慢过程：
具有一定时间常数和时滞，控制并不需在极短时间完成。 3、控制方案多种多样：
同一被控过程，因受扰动不同，需采用不同的控制方案； 同一控制方案可适用于不同的生产过程控制； 控制方案适应性强。 4、过程控制的常用控制形式为定值控制。 5、过程控制实施手段多样性： 可以方便地在计算机控制装置上实现； 可以方便地在控制室或现场获得仪表的信息； 可以直接进行仪表的校验和调整。
也越高。但，一般控制衰减率在ψ=0.75～0.9之间。
衰减比 n=4：1为评价定值控制系统的指标。
衰减比 n=10：1为评价随动控制系统的指标。
C、系统稳定性动态指标：最大动态偏差A或超调量σ ---- 描述被控变量偏离给定值最大程度的物理量。 ---- 最大动态偏差A：被控变量第一个波的峰值与给定值 之差。用于描述定值控制系统。 ----超调量σ ： 被控变量第一个波的峰值与系统最终稳态值之差。用 于描述随动控制系统。一般，超调量以百分数给出：
复合控制
能否想一个办法使得，既能消除系统的稳定误差，又能保证系统稳定性不变的目的。
——于是引入了复合控制。
为此人们提出了一种即提高了系统的稳态精度，又不影响系统的稳定性的措施——复合控制系统。
1． 什么叫复合控制系统：复合控制系统是系统的反馈控制回路中加入前馈通路，组成一个前馈控制与反馈相结合的的系统，只要系统参数选择合适，不但可以保持系统稳定，极大地减小乃是消除稳态误差，而且可以抑制几乎所有的可量测扰动。
这是将第六章的内容提前。
复合控制系统是在反馈控制系统中加入前馈（顺馈） 控制。
复合控制系统的基本构成是反馈控制系统，前馈控制是用来补偿反馈系统的不足之处。
顺馈是相对于反馈而言的，相当于开环控制。
由前面的讨论可知，提高系统的开环增益和增加系统的类型是减小和消除系统稳态误差的有效方法。
但这两种方法在其他条件不变时，一般都会影响系统的动态性能，乃至系统的稳定性。
若在系统中加入顺馈控制作用，就能实现既减小系统的稳定误差，又能保证系统稳定性不变的目的。
（1） 按扰动补偿的复合控制——已知扰动或可直接测量。
如果系统的误差主要由某一处加干扰信号引起的，并且该干扰或是可直接测量的，或是可间接测量的，总之是可测的，那么能不能用不变性原理来消除干扰信号的影响呢？也就是说 ()0n E s =或者()()0()en E s s N s Φ==。
图为对扰动进行补偿的系统方块图。
系统除了原有的反馈通道外，还增加了一个由扰动通过前馈（补偿）装置产生的控制作用，旨在补偿由扰动对系统产生的影响。
图中)(s G n 为待求的前馈控制装置的传递函数；)(s N 为扰动作用，且可进行测量或者已知。
()()()r r E s R s C s =-()0()()n n n E s C s C s =-=-注意扰动输出的期望值为0。
因此，12()0()()[()()]n n n n n E s C s C s C s C s =-=-=-+其中，1()n C s 为没有加顺馈时的实际输出， 2()n C s 为顺馈补偿得出的实际输出2112()()()1()()n G s C s N s G s G s =+12212()()()()()1()()n n G s G s G s C s N s G s G s =+两个信号叠加。
第8-6章前馈控制系统
+ Y=T2
例：加热炉出口温度前馈－串级控制系统
原油
燃料
8.6.3 前馈控制系统的应用场合
1）干扰幅值大而频繁、对被控变量影响剧烈，仅采用反馈 控制达不到要求的对象。 2）主要干扰是可测而不可控的变量。 3）当对象的控制通道的惯性和滞后大，反馈控制不及时， 控制质量差时，可引入前馈控制。
4）当工艺上要求实现变量间的某种特殊的关系，而需要通 过建立数学模型来实现控制时，可以引入前馈控制。
过程控制
8. 6 前馈控制系统
6.2前馈控制
8.6.1 概述 8.6.2 前馈控制系统的结构 8.6.3 前馈控制系统的应用场合
8.6.1 概述
反馈控制特点（例：换热器温度控制系统）
蒸汽
Q1：冷物料流量 pD ：蒸汽压力
TC
pD , Q2 Q1，T1 T2 给定值 偏差
T1：冷物料温度 T2：热物料温度
换热器温度前馈-反馈控制系统
前馈控制器的传递函数：
W
ff
(S )
W PD ( S ) W PC ( S )
前馈反馈控制系统实现完 全补偿与开环前馈比较前 馈控制器传函相同。
Q1 前馈-反馈控制原理方块图
Wff(S)
+
WPD(S) WPC(S)
+ T 2
T1i
-
WC(S)
前馈-反馈控制方框图
前馈-反馈控制系统优点： 1、只需对主要的干扰进行前馈补偿，其它 干扰可由反馈控制予以校正； 2、反馈回路的存在，降低了前馈控制模型 的精度要求，为工程上实现比较简单的通用 模型创造了条件； 3、负荷变化时，模型特性也要变化，可由 反馈控制加以补偿，因此具有一定自适应能 力。
第八章控制系统工程设计 过程控制系统课件
第八章 控制系统工程设计
8.1.3 自控系统工程设计的方法
接到一个工程项目后，在进行自控系统的工程设计时，一般应按照 以下所述的方法来完成。
（1）熟悉工艺流程 熟悉工艺流程是自控设计的第一步。自控设计人员对工艺流程熟悉
和了解的深度将决定设计的好坏与成败。在此阶段还需收集工艺中有关的 物性参数和重要数据。
而文字资料则是对设计第八章控制系统工程设计表81被测变量和仪表功能的字母代号首位字母后继字母被测变量修饰词读出功能输出功能修饰词a分析报警b喷嘴火焰供选用供选用供选用c电导率控制d密度差e电压电动势检测元件f流量比分数g供选用视镜观察h手动高i电流指示j功率扫描第八章控制系统工程设计自动手动操作器k时间时间程序变化速率l物位指示灯低m水分或湿度瞬动中中间n供选用供选用供选用供选用oo供选用节流孔p压力真空连接或测试点q数量积算累计r核辐射记录s速度频率安全开关联锁第八章控制系统工程设计t温度传送变送u多变量多功能多功能多功能v振动机械监视阀风门百叶窗w重量或力套管x未分类x轴未分类未分类未分类y供选用y轴继动器继电器计算器转换器z位置尺寸z轴驱动器执行元件第八章控制系统工程设计对于表81中所涉及的内容简要说明如下
第八章 控制系统工程设计
8.1.1 工程设计的基本任务和设计步骤
1．基本任务与设计宗旨 自控系统工程设计的基本任务是：依据生产工艺的要求， 以企业经济效益、安全、环境保护等指标为设计宗旨，对生产 工艺过程中的温度、压力、流量、物位、成分及火焰、位置、 速度等各类质量参数进行自动检测、反馈控制、顺序控制、程 序控制、人工遥控及安全保护（如自动信号报警与联锁保护系 统等）等方面的设计，并进行与之配套的相关内容（如控制室、 配电、气源，以及水、蒸汽、原料、成品计量等）的辅助设计。 在实际工作中，必须按照国家的经济政策，结合工艺特点 进行精心设计。一切设计既要注意厂情，又要符合国情，严格 以科学的态度执行相关技术标准和规定，在此基础上建树设计 项目的特色。总之，工程设计的宗旨应切合实际、技术上先进、 系统安全可靠、经济投入/效益比要小。
第八章现场总线控制系统
Profibus-DP
PLC
从站
PLC
主站
采用主站之间的令牌传递和主从站之间的主、从通信方式。
令牌传递
Publisher
(z.B. Lichtgitter)
Slave
DP-从站 2
PROFIBUS
DP-Master
PROFIBUS-DP 1类主站
PROFIBUS
DP-Master
PROFIBUS-DP 2类主站
费用可节省40%左右
现场总线系统的优势
几点说明
现场总线技术是DCS技术的继承和发展，而不是对DCS的否定或取代。工业上已出现DCS与现场总线系统混合使用的控制系统。 。
现场总线的优点主要是仪表的智能化、网络化、控制的分散化等先进技术所带来的好处，而不单单是节省电缆。
现场总线不能解决企业自动化的所有问题，例如ESD、MES、ERP等等，而是作为底层网络与其它自动化装置一起更好地实现企业综合自动化。
现场总线标准的制订工作起步很早，各大集团公司意见不一，经多年争论，2000年颁布了涵盖多种规范的总线标准，2003年扩展为10种类型的现场总线。
>IEC 61158 的标准现场总线
Type1：IEC 61158 技术报告。
Type2：ControlNet，得到CI组织的支持。
Type3：Profibus，得到PNO组织的支持。
应用行规2
应用行规1
通信协议
传输特性
专用应用行规
通用应用行规（可选）
PROFIBUS DP-V0~V2
RS 485 (PROFIBUS DP)
IEC 61158-2 (PROFIBUS PA)
传输特性(物理层)的DP采用RS-485通信标准，PA采用IEC 61158-2(MBP)传输技术。通信协议(数据链路层):采用DP-V0~V2。应用行规说明各种设备的功能和行为，有通用和专用应用行规。
第八章 复合控制系统
例： 管式加热炉的控制
s.p
出口温度 T1C 炉温
Θ1
Θ2
• 主要干扰为 燃料油的组 分（或热值）
T2C
燃料量 原料
炉出口温度-温度串级控制系统
3.副变量的选择应考虑主、副对象时间常
数的匹配，防止共振的发生
副对象的T应小于主对象的T 4. 副环尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后。 应将对象的纯滞后部分放到主对象中
主回路：（外回路，主环，外环）
副回路：（内回路，副环，外环）
给 定 值
F2 主控 - 制器 副控 制器 执行 器 副测量 变送 主测量 变送 副对 象
F1 主变量 主对 象 副 变 量
串级控制系统方块图
二.串级控制系统的工作过程 1.干扰进入副回路 2.干扰作用于主对象 3.干扰同时作用于副回路和主对象
F C
及时克服压力 变化引起的流量 变化
控制目的：协 调液位和流量间 的关系
串级均匀控制
串级均匀控制
通过两个参数的控制，制约调和两个参
数的矛盾。
主、副回路都采用低精度快反应的纯比
例控制，通过参数整定实现均匀控制 （δ一般较大），要求高精度时可适当 加入积分作用。
适用的场合
系统压力波动较大的场合
1.单纯的前馈控制 按干扰的大小进行控制—干扰补偿控制
有效控制T或τ较大、干扰大而频繁的对象
静态前馈控制： 目的：使被控参数的静态偏差接近于零
前馈控制的控制算法为比例控制，用比值
器或比例控制器均可。
动态前馈控制： 动态前馈与静态前馈的控制系统结构是一
样的，只是前馈控制器的控制规律不同。 动态前馈要求控制器的输出不仅仅是干扰
（3）可克服反馈环内多个干扰的影响。
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– 硬保护：极限情况下，声光报警，转入人工控制或 停车；
– 软保护：极限情况下，转入另一种控制模式，进行 自动处理——选择性控制系统。
根据处理方法不同，选择性控制系统可以分为 三类；
– 开关型选择性控制系统：由限位信号切断控制器输 出；
– 连续型选择性控制系统：由限位信号切换为另一个 控制器输出给执行器；
和操作条件变化较大的场合。 ❖自适应：自动调整设定值，以保证系统
整体具有较好的控制质量。
串级控制系统中副回路的确定
1. 主、副回路应有一定的内在联系 2. 副回路应尽可能多地包含干扰因素
– 主要干扰应包含在副回路中； – 在可能条件下，使副回路包含较多的次要
干扰。
3. 注意主、副回路的时间匹配，防止“共 振”
LC LT
§8.6 多冲量控制系统
多冲量控制系统： ——以多个变量经过一定 的运算后，共同控制同一 个执行器，以实现较高质 量的控制系统。
多冲量控制系统示例
——锅炉液位控制系统
FT
FT
LT
LT
LT
LC
LC
LC
LA
单冲量 e=a-s
LA
双冲量 e=(a-b)-s
LA
FT 三冲量
e=(a-b+c)-s
§8.2 均匀控制系统
当系统中具有两个相互关联的参数，其 中任意一个参数的稳定必然导致另一个 参数的大幅度变化，而工艺上需要两者 兼顾时，可采用均匀控制。
均匀控制的目标：
– 两个参数都是变化的，且变化缓慢； – 两个参数的变化范围都要尽可能小。
均匀控制方案
简单均匀控制
– 采用简单控制系统，选择适宜的控制参数， 降低单个参数的控制精度。
8第八章复合控制系统
例： 管式加热料
主参数（目标参数）： 出口温度
操纵变量：燃料量 副变量：炉温
通过出口温度 调节炉温设定值
原料量变化
炉温变化
通过燃料量
出口温度变化
串级控制的特点
两个回路：主回路、副回路 两个变量：主变量、副变量 改善了对象的特性，有效地克服了滞后 具有一定的自适应能力。可应用于负荷
本章作业
P215
– 2，4，9，14，18，23，26
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比值控制方案
– 开环比值控制系统：以一个参数的测定值控制另一 个参数；
– 单闭环比值控制系统：以一个参数的测定值计算出 另一个参数闭环控制的设定值；
– 双闭环比值控制系统：以一个单闭环参数的测定值 计算另一个参数闭环控制的设定值；
– 变比值控制系统：以第三个参数的大小决定上述控 制系统的比值。
§8.4 选择性控制系统
– 混合型选择性控制系统：采用两个限制信号，同时 进行上述两种控制。
§8.5 分程控制系统
分程控制系统：由一个控制器同时控制 两个执行机构并使之次第执行的控制系 统。
使用范围：
– 扩大调节范围，提高调节精度； – 可用于两种不同的介质，以满足工艺要求； – 用作生产安全的防护措施。
分程控制系统示例
4. 尽量使副回路包含较少的滞后时间。
控制规律与正反作用
控制规律
– 主回路：无余差——PI、PID控制 – 副回路：快速反应——纯P控制。
正反作用
– 主回路：根据主、副变量的关系确定正反作 用；
– 副回路：根据系统安全性确定正反作用。 – 如考虑运行中切除副回路，则副控制器应选
用反作用。
• 设定值加大相当于输入信号减小。
• 减小放大倍数，延长积分时间，不用微分控制。
串级均匀控制
– 通过两个参数的控制制约调和两个参数的矛 盾。
– 串级均匀控制的主、副回路一般都采用低精 度快反应的纯比例控制。要求高精度时可适当加入 积分作用。
§8.3 比值控制系统
比值控制系统：实现两个或两个以上参数符合 一定比例关系的控制系统。