常见的复杂控制系统

第二章常见的复杂控制系统§2.1串级控制系统§2.2比值控制系统§2.3双重控制系统和选择性控制§2.4前馈控制系统§2.5大迟延控制§2.6解耦控制§2.1串级控制系统基本原理、结构与性能分析串级控制系统设计及工程应用串级控制系统抗积分饱和串级控制系统的变型基本原理、结构与性能分析基本概念和系统结构串级控制系统(CascadeContro1System)是一种常用的复杂控制系统，它根据系统结构命名。它由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，这类控制系统称为串级控制系统。1()TWs2()TWs()ZWs()fWs2()DWs1()DWs1()mWs2()mWs1X2X2Y1Y2Z图2-1串级控制系统原理方框图主调节器(主控制器)：根据主参数与给定值的偏差而动作，其输出作为副调节器的给定值的调节器。副调节器(副控制器)：其给定值由主调节器的输出决定，并根据副参数与给定值(即主调节器输出)的偏差动作。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(副变量)。串级控制系统的特点串级控制系统具有很强的克服内扰的能力。将图2-1简化为图2-21()TWs2()TWs()ZWs1()DWs1()mWs1X2Y1Y2Z2()DWs图2-2串级控制系统原理简化方框图其中222222()()()()()1()()()()()fDDTfDmZWsWsysWssWsWsWsWsWsm¢==+2Z111212112121()()()()()()()()1()()()()()()TTDDZxTTDDmZysWsWsWsWsWsWsxsWsWsWsWsWsWs¢==¢+（2-1）输出对于扰动的传递函数输出对输入的传递函数2112212121()()()()()1()()()()()()DDZTTDDmZysWsWSWsZsWsWsWsWsWsWs¢==¢+1x（2-2）（2-3）对于一个定值控制系统，扰动造成的影响应该越小越好，而定值部分应尽量保持恒定，因此，式（2-2）越接近0，式（2-3）越接近1（令），则控制系统性能越好。也即用以表征克服干扰能力的式子的值越大越好。11mW121112()()()()()()xZysWsxsysWszs=现有1122()()()()()xTTZZWsWsWsWsWs=11()TTWsK=22()TTWsK=即为两个调节器传递函数的乘积。如果()1ZZWsK==，则有111212()()()()TTysxsKKyszs=若采用如图2-3所示单回路控制系统，可以算得其表征克服干扰能力的式子（2-5）一般有：111112()()()()TTysxsWKyszs==121TTTKKK结论：系统的开环放大倍数越大，稳态误差越小，克服干扰的能力也就越强，副调节器的放大倍数整定得越大，这个优点越显著。1()TWs()ZWs()fWs2()DWs1()DWs1()mWs1X1Y2Z图2-3单回路控制系统原理方框图122221220121112TZfmTTKKKKKTTTwxwxx++=-=-gg串串串串串12212112TTTTwxx+=-gg单单单串单xx=()串单1222122221211222221121111TZfmTZfmTZfmTKKKKKTTKKKKKTTTTTTKKKKKTTTww++++==++=++串级控制系统可减小副回路的时间常数，改善对象动态特性，提高系统的工作频率。假定串级控制系统和单回路控制以同样的衰减率工作，即令显然，所以串级控制系统具有一定的自适应能力。能够更精确控制操纵变量的流量。可实现更灵活的操作方式。1ww单串xx串单串级控制系统设计及工程应用串级控制系统主副回路和主副调节器选择主副回路的选择原则副回路应把变化幅度大最剧烈最频繁等干扰包括在副回路内，充分发挥副回路改善系统动态特性的作用，保证主参数的稳定;应合理选择副对象和检测变送环节的特性，使副环可近似为1：1比例环节。主副对象的时间常数应适当匹配，串级控制系统与单回路控制系统相比，其工作频率提高了，但这与主副对象的时间常数选择是有关的。原则是两者相差大一些，效果好一些。在选择副回路时，主、副对象的时间常数比值应选取适当，一般12/2~6(3~10TT或）之间较合适。当时表示很小，副回路包括的干扰因素越来越少，副回路克服干扰能力强的优点未能充分利用；当时表明过大，副回路包括的干扰过多，控制作用不及时；当时，主副对象之间的动态联系十分紧密，如果在干扰作下，主、副参数任一个先振荡，必将引起另一个也振荡，这样，两个参数互相促进，振荡更加剧烈，这就是所谓的共振效应，显然应力求避免。12/10TT2T12/3TT12/1TT2T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。主、副回路调节器调节规律的选择原则控制器控制规律的选择应根据控制系统的要求确定。主控制器控制规律的选择通常为PID。副控制器控制规律的选择通常为P或PI。串级控制系统主、副控制器正反作用的选择应满足负反馈的控制要求。因此，对主环和副环都必须使总开环增益为正。串级控制系统中副环检测变送环节的非线性。串级控制系统中副环检测变送环节的非线性常出现在两种场合：一是副被控变量为流量，采用孔板和差压变送器，未用开方器的场合；二是用阀门定位器的凸轮改变控制阀流量特性的场合。在串级控制系统中，副被控变量为流量的使用最广泛。串级控制系统中控制器的参数整定和系统投运串级控制系统控制器参数整定有逐步逼近法、两步法和一步法等。逐步逼近法１）断开主回路，整定副控制器参数；２）闭合主回路，整定主控制器参数３）再整定副控制器参数、主控制器参数，直到控制品质满足要求。两步法主控制器手动情况下，１）整定副控制器参数；２）整定好后，主控制器切自动，整定主控制器参数。一步法根据副被控对象的特性，按表2-４设置副控制器参数，然后整定主控制器参数。表2－４副控制器比例度的经验数据应用场合：逐步逼近法用于对主、副被控变量都有较高控制指标的场合，两步法和一步法用于对副被控变量的控制要求不高的场合。注意问题：参数整定时应防止共振现象出现。一旦出现共振，应加大主控制器或副控制器的比例度，使副回路的工作频率与主回路工作频率错开．以消除共振。串级控制系统的投运宜先副后主，对副控制器参数整定的结果不应作过多限制，应以快速、准确跟踪主控制器输出为整定参数的目标。串级控制系统抗积分饱和与单回路控制系统积分饱和现象相似，串级控制系统的积分饱和现象也使控制品质变差，在设计控制系统时，必须防止此现象的发生。对于不同仪表，应根据其结构性能，组成不同的抗积分饱和的系统结构。采用跟踪保持功能实现限制积分饱和现象K||KTR||yepyxT1T2F/HH/L1NONOCOMCOMNCNC图2—５采用跟踪保持功能限制积分饱和现象当阀门开度(或副控制器输出)达到上限时，逻辑信号送到跟踪保持组件，它保持主控制器输出为当前值；逻辑信号送到切换开关T1，通过切换开关了1，限制主控制器输出不能大于最大值。当有反向随机扰动时，被控变量反向变化，主控制器输出可立即减小，使阀门开度减小，避免了积分饱和现象。反之亦然。在阀门开度(副控制器输出)达到下限时，逻辑信号也使跟踪保持组件保持主控制器输出当前值，同时，切换开关T2动作，限制主控制器输出最小值。当有相反方向的扰动时，被控制量反向变化，主控制器输出可立即增加，阀门跟着开大，也既不存在积分饱和现象了。本方法不影响主控制器和副控制器的控制规律。采用外部积分的防饱和积分系统KT||KT||1G2G1xyepy2-6（a）采用外部积分的防饱和积分系统2K21ITs11()()GsWsepyy1x1232-6(b)采用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：211211211122111112211()()()()()()(1)111()()1()()IIIIKGsWsKGsWsKGsWsxTsTsGsWsGsWsTsTs21111()()1()()()KGsWsDsGsWs22()1IITsDsTs从上式可以看出，采用外部积分的中级系统与采用导前微分信号的双回路控制系统非常相近，而与常规的串级系统有较大区别。采用浮动上、下限幅的防止积分饱和统当主控制器输出增加时，上限幅上浮；反向动作时，下限幅跟着下浮。当阀门开度至极限位置时，副环被控变量不再变化，主控制器输出增加到上限后不再增加。但当主控制器输出减小、越过不灵敏区A后，副控制器输出才减小，形成一个很小的、可调整的不灵敏区。所以当阀门在权限位置时，控制品质稍为变差。此系统结构简单，但仅适用于副环被控变量2惯性比较小的对象。KK||xyepy采用浮动上、下限幅的防止积分饱和系统示意图串级控制系统的变型导前微分控制系统()TWs()ZWs()fWs2()DWs1()DWs1()mWs2()mWs2Z()dWsgI1I1I2ITIjG212I调节器执行器调节阀微分器测量、变送器测量、变送器图2-7导前微分控制系统原理方框图()TWs2()DWs1()DWs()dWs1I2I1()TWs2()DWs1()DWs()dWs222()I11()I22()I*I*或(a)(b)图2-8导前微分控制系统的原理方框图121()()()()()TdTTdWsWsWsWsWsüï=ïïïýïï=ïïþ()()/(1)ddddWsKTsTs=+11()1TiWsTsd骣÷ç=+÷ç÷ç桫111111111()11()dTdddddiTsWsWsKTsKTsTsd+骣骣鼢珑===+=+鼢珑鼢珑桫桫11didKTTd=üïïýï=ïþ等效后的主副调节器分别为设微分器调节器为PI规律时，即等效主调节器的特性：由此可见，等效主调节器也为PI规律，其中21()()()1iddTTdidTsKTsWsWsWsTsTs(1)11111iidddddddiiddTTTTsKTTTKTTTsTsdiTT2(1)1()(1)1111dddiddidddiTidididTsKTTsKTTsTsKTTWsTTsTTsTTs等效副调节器的特性为，具有比例积分性质。21111()11(1)11ddididdTdidTKTKTTKWsTsTssT，具有比例积微分性质。diTTdiTT=2()dTKWsd=，具有比例积微分性质diTT一般，所以基本上是PI规律。2()TWs导前微分控制系统主、副调节器均为PI控制规律的串级控制系统（具有很强的克服内扰的能力）结论：只有当串级控制系统中的主调节器为PID规律时，其性能才优于导前微分控制系统。同时也可以看到，在一定条件下导前微分控制系统和串级控制系统是可以互换的。互换的条件为：用串级控制系统代替导前微分控制系统时：1121()()()()()dTTTTWsWsWsWsWs