Process Control
过程控制清华大学自动化系王京春第二篇 复杂控制系统
1,什么是复杂系统简单控制系统
+
-r y
u
ym
)(sGc )(sGp
)(sGv
)(sGm
复杂系统 --随着控制理论与工业应用的发展，包含的内容也不同，例如复杂大系统 --人口系统，环境控制，能源控制，企业生产经营控制等。
复杂系统 --多回路系统复杂控制系统
÷μ ÷? ú?÷ ·aμ÷? ú?÷ μ÷? ú?§?÷ó·aó
÷aí?÷
·aaí?÷
ò? ′? èˉ?t ′? èˉ
2,多回路系统
特征：基于 PID控制策略；由多个控制回路组成的系统。
案例：
（ 1）一般串级控制系统案例（ 2）串级比值控制系统案例（ 3）
2r PI PI 阀 换热器
k
– –
+ + +
+ Q?1
2
D
1121ss
p–
+
前馈控制图 6.19 换热器前馈 -反馈控制系统
÷μ ÷? ú?÷ ·aμ÷? ú?÷ μ÷? ú?§?÷ó·aó
÷aí?÷
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ò? ′? èˉ?t ′? èˉ
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案例（ 4）
C1 K11 g11
K21 g21
K12 g12
K22 g22
D21
D12
C2
+ +
y1
+ +
y2
+ +
c1?1
+
+?c2
2
<
限制过程控制系统图 7.13 应用前馈补偿法进行解耦
3.多回路系统的发展
80-90%控制系统是基于 PID控制的系统，包括多回路系统。
多回路系统应用状况以乙烯生产厂为例，它共有 421个控制回路其中：常规 PID单回路 347个串级、比值等 74个（串级 24）
多回路系统占 17.5%
4.第二篇内容
串级控制系统
比值控制系统
前馈控制系统
大迟延控制系统
非线性增益控制系统
解耦控制系统
5,若干典型控制系统
反应器
加热炉
精馏塔
换热器
TI
313
F IC
307
F IC
308
F IC
309
F IC
306
TI
336
T IC A
302
F IQ
305
TI
321
F IC
313
TI
318
A IC
302
0.7Mpa
STEAM
TI
325
TI
326
TI
327
TI
328
TI
340
TI
341
TI
339
P IC
302
ATMOSPHERIC
TOWER
RESIDUE
HIGHER
PRESSURE GAS
V1
8
TI
323
F IC
310
ATOMIZED
STEAM
OFFGAS
FROM
VACUUM
TOWER
HEAT
CARRIER
TI
366
TI
319
TI
324
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R
FROM
AIC302
FUEL OIL
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TOWER
HEAT CARRIER
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1
41
34
33
31
29
28
27
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22
21
19
17
16
15
13
11
45
40
39
37
36
35
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T
124
TI
117
TI
129
F IC
119
TI
123
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102
F IC
138
TI
120
F IC
118
F IC
114
FIC
114
F IC
114
FIC
114
TI
128
FIC
107
TI
127
FIC
106
FI
122
TI
122
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102
TI
115
T I C
104
PI
104
L I C
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114
TI
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F I Q
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AI
102
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AI
108
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104
FIC
136
T I C
104
FIC
137
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TI
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L IC
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FI
132
F IC
115
F IC
114
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FI
133
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1 st S D
2 n d S D
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P 3 / A B
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E1 4 / AE1 4 E1 2 /
E6
3 r d S D
4 t h S D
E3 9E3 2
P 1 3 / A B
E2 9E2 5
P 1 2 / A B
E9 / A BE1 7E2 1
P 1 1 / A B
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EP
IP
T2
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AB
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S T EA M
P 1 4 / A B
TI
121
L IC
111
F R O M A T M O S P H ER I C
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F R O M P R EF L A S H T O W ER
O V ER H EA D
F R O M P R EF L A S H T O W ER
S I D ED R A W
T O V A C U U M
H EA T ER
1
4
6
4
1
1
1 9 9 9,3,1 8
第五章 串级控制系统
(Cascade Control)
§ 5－ 1串级控制系统的概念图 5.1反应器的温度控制图 5.2反应器简单温度控制系统
1r 调节器夹套调节阀槽壁
D2
反应槽
D1
温度测量
–
2?1
图 5.3反应器的温度串级控制方案图 5.4反应器温度控制系统
D2 D1
1?2?1r
主调节器副调节器调节阀夹套反应槽温度测量温度测量
– –
2r 槽壁串级控制系统的结构
形成两个环,副环或副回路－－,粗调”作用主环或主回路－－,细调”作用
副环中有副调节器、副变送器、副对象以及调节阀主环中有主调节器、主变送器、主对象，无调节阀
副环调节副参数，如夹套内温度主环调节主参数，如反应器温度－－最终目标
副回路是一个随动系统,其设定值是主调节器之输出,
不代表副参数要达到的设定值 。
§ 5-2 串级控制系统的分析图 5.12串级控制系统方框图
R1(s)
Gc(s) Gv(s) Gp2(s) Gp1(s)
Gd2(s)
Gm(s)
Y2(s)–
R2(s) Y1(s)
D2(s)
R1(s) G
c1(s) Gc2(s) Gv(s) Gp2(s) Gp1(s)
Gd2(s)
Gm2(s)
Gm1(s)
Y2(s)
– –
R2(s) Y
1(s)
D2(s)
)(' 2 sGp
图 5.13 单回路控制系统方框图一,串级系统的特点
1.串级系统的内环具有快速作用，能有效地克服二次扰动的影响
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)()(
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222
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sGsG
sGsGsGsG
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sGsGsG
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sGsG
sD
sY
pvcpmcmpvc
pd
mpvc
pvc
pmc
mpvc
pd
在二次干扰下，被控量受二次干扰的影响,
串级系统比单回路系统要减小 10－ 100倍。
(5-1)
)()()()()(1
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)(
)(
21
12
2
1
sGsGsGsGsG
sGsG
sD
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mppvc
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单 (5-2)
2,内环起了改善对象动态特性的作用，提高系统工作频率，提高控制品质整个副回路可看成一个等效对象 )('
2 sGp
其中,
222
22'
2 1
pmvc
pvc
p KKKK
KKKK
11 222 pmvc KKKK
222
2'
2 1
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p
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2
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(式 5-5)
(式 5-6)
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2
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KsG
p
p
p 22 )( cc KsG?
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)( mm KsG?
1
)(
2
'
2
'
2
'
sT
KsG
p
p
p
(图 5.14)
Td1/ Td2>3,| Wc2|<| W2|,| Gc2|
Td1/ Td2>5,| Wc2|?1,1:1随动系统
Td1/ Td2＝ 1～ 3,| Wc2|>| W2|,?共振现象
3,内环的存在，使系统有一定的自适应能力
2
'
2222
222
21'
2
1
,1
1
m
pmpvc
mpvc
pvc
p
K
KKKKK
KKKK
KKK
K
所以因为
副回路增益不受主回路系统负荷影响
副回路是个随动系统，快速跟踪的能力二,性能比较单回路系统 串级系统工作频率 0.087 0.23
(短期最大偏差 )二次 0.24 0.011
(短期最大偏差 )一次 0.3 0.11
§ 5-3 串级系统的几个问题一,副回路的设计原则：
副参数的选择要使副回路时间常数小，调节通道短，反应灵敏
副参数应包含被控对象所受到的主要干扰
(图 5.16)
二,副回路工作频率的选择
1.串级回路的共振现象
2.Td1>(3~5) Td2
三,串级控制系统中的量纲副回路
)()()()(1
)()()()(
222
22'
2 sGsGsGsG
sGsGsGsG
mpvc
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p
1),111()( 222 c
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Gm1
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– –
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Gc1(s) G p 1 (s)
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(mA) (mA)
(mA)
-
(mA) (?C) (?C)
(?C)
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四,串级控制系统的正反作用副回路的正反作用同单回路系统，且作为等效副对象
，永远是“＋”的主回路只需考虑等效副对象，按单回路选择正反作用。
特殊问题,有时会将串级系统改为单回路系统，此时应考虑正反作用。例如对一个冷却系统。
r G
c1 Gc2 Gv Gp2 Gp1
Gm2
Gm1
– –
)(' 2 sGp 反反正
–
正
)(' 2 sGp
§ 5-4 调节器的选型和整定方法一,选型
(2)副参数要求：允许误差? 选 P调节器原则,(1)主参数要求高? Gc1选 PID调节器二,整定方法
1.逐步逼近法
2.两步整定法要求无差? PI调节器
§ 5-5 比值控制系统一,什么是比值控制系统常见系统，例如：加热炉中空气 /燃气，
合成炉两种物料
KQQ
B
A?
(图 5.19，图 5.20)
(Ratio Control)
二,特殊问题－－比值系数的计算已知：
KQQ
B
A?
但比值器设置为 K
Q
QK
A
B 2
m a x
m a x )(?
计算：（ 1）孔板侧流量方程,2KQp
2m a xm a x KQp（ 2）压差变送器方程：
4)420(
m a x
p pI
（ 3）比值器方程
4)4( II
4)(16
4)(16
2
m a x
2
m a x
B
B
B
A
A
A
Q
Q
I
Q
Q
I
2
m a x
m a x )(
A
B
Q
QK
习题第 183页
5.4,5.5,5.7
实验安排序号 周次 日期 实验安排
1 4 M a t l a b 及 S i m u l i n k 使用实验一 动态特性
2 8 4.14 实验二 P I D
实验四 二阶系统
3 9 4.21 实验五 调节器参数影响实验六 单回路整定
4 13 5.19 实验七 串级控制系统
5 14 5.26 实验八 前馈――反馈控制
6* 实验十一 解耦控制系统
过程控制清华大学自动化系王京春第二篇 复杂控制系统
1,什么是复杂系统简单控制系统
+
-r y
u
ym
)(sGc )(sGp
)(sGv
)(sGm
复杂系统 --随着控制理论与工业应用的发展，包含的内容也不同，例如复杂大系统 --人口系统，环境控制，能源控制，企业生产经营控制等。
复杂系统 --多回路系统复杂控制系统
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2,多回路系统
特征：基于 PID控制策略；由多个控制回路组成的系统。
案例：
（ 1）一般串级控制系统案例（ 2）串级比值控制系统案例（ 3）
2r PI PI 阀 换热器
k
– –
+ + +
+ Q?1
2
D
1121ss
p–
+
前馈控制图 6.19 换热器前馈 -反馈控制系统
÷μ ÷? ú?÷ ·aμ÷? ú?÷ μ÷? ú?§?÷ó·aó
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ò? ′? èˉ?t ′? èˉ
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案例（ 4）
C1 K11 g11
K21 g21
K12 g12
K22 g22
D21
D12
C2
+ +
y1
+ +
y2
+ +
c1?1
+
+?c2
2
<
限制过程控制系统图 7.13 应用前馈补偿法进行解耦
3.多回路系统的发展
80-90%控制系统是基于 PID控制的系统，包括多回路系统。
多回路系统应用状况以乙烯生产厂为例，它共有 421个控制回路其中：常规 PID单回路 347个串级、比值等 74个（串级 24）
多回路系统占 17.5%
4.第二篇内容
串级控制系统
比值控制系统
前馈控制系统
大迟延控制系统
非线性增益控制系统
解耦控制系统
5,若干典型控制系统
反应器
加热炉
精馏塔
换热器
TI
313
F IC
307
F IC
308
F IC
309
F IC
306
TI
336
T IC A
302
F IQ
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TI
321
F IC
313
TI
318
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302
0.7Mpa
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TI
325
TI
326
TI
327
TI
328
TI
340
TI
341
TI
339
P IC
302
ATMOSPHERIC
TOWER
RESIDUE
HIGHER
PRESSURE GAS
V1
8
TI
323
F IC
310
ATOMIZED
STEAM
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FROM
VACUUM
TOWER
HEAT
CARRIER
TI
366
TI
319
TI
324
AI
R
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AIC302
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TO VACUUM
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HEAT CARRIER
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34
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28
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19
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16
15
13
11
45
40
39
37
36
35
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T
124
TI
117
TI
129
F IC
119
TI
123
L ICA
102
F IC
138
TI
120
F IC
118
F IC
114
FIC
114
F IC
114
FIC
114
TI
128
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107
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106
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122
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TI
115
T I C
104
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104
L I C
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132
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1 st S D
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E2 8 E3
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4 t h S D
E3 9E3 2
P 1 3 / A B
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P 1 2 / A B
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P 1 1 / A B
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F R O M P R EF L A S H T O W ER
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T O V A C U U M
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1
4
6
4
1
1
1 9 9 9,3,1 8
第五章 串级控制系统
(Cascade Control)
§ 5－ 1串级控制系统的概念图 5.1反应器的温度控制图 5.2反应器简单温度控制系统
1r 调节器夹套调节阀槽壁
D2
反应槽
D1
温度测量
–
2?1
图 5.3反应器的温度串级控制方案图 5.4反应器温度控制系统
D2 D1
1?2?1r
主调节器副调节器调节阀夹套反应槽温度测量温度测量
– –
2r 槽壁串级控制系统的结构
形成两个环,副环或副回路－－,粗调”作用主环或主回路－－,细调”作用
副环中有副调节器、副变送器、副对象以及调节阀主环中有主调节器、主变送器、主对象，无调节阀
副环调节副参数，如夹套内温度主环调节主参数，如反应器温度－－最终目标
副回路是一个随动系统,其设定值是主调节器之输出,
不代表副参数要达到的设定值 。
§ 5-2 串级控制系统的分析图 5.12串级控制系统方框图
R1(s)
Gc(s) Gv(s) Gp2(s) Gp1(s)
Gd2(s)
Gm(s)
Y2(s)–
R2(s) Y1(s)
D2(s)
R1(s) G
c1(s) Gc2(s) Gv(s) Gp2(s) Gp1(s)
Gd2(s)
Gm2(s)
Gm1(s)
Y2(s)
– –
R2(s) Y
1(s)
D2(s)
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图 5.13 单回路控制系统方框图一,串级系统的特点
1.串级系统的内环具有快速作用，能有效地克服二次扰动的影响
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在二次干扰下，被控量受二次干扰的影响,
串级系统比单回路系统要减小 10－ 100倍。
(5-1)
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)(
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单 (5-2)
2,内环起了改善对象动态特性的作用，提高系统工作频率，提高控制品质整个副回路可看成一个等效对象 )('
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222
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2 1
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222
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(式 5-5)
(式 5-6)
设
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p 22 )( cc KsG?
vv KsG?)( 22
)( mm KsG?
1
)(
2
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2
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KsG
p
p
p
(图 5.14)
Td1/ Td2>3,| Wc2|<| W2|,| Gc2|
Td1/ Td2>5,| Wc2|?1,1:1随动系统
Td1/ Td2＝ 1～ 3,| Wc2|>| W2|,?共振现象
3,内环的存在，使系统有一定的自适应能力
2
'
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222
21'
2
1
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m
pmpvc
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pvc
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K
KKKKK
KKKK
KKK
K
所以因为
副回路增益不受主回路系统负荷影响
副回路是个随动系统，快速跟踪的能力二,性能比较单回路系统 串级系统工作频率 0.087 0.23
(短期最大偏差 )二次 0.24 0.011
(短期最大偏差 )一次 0.3 0.11
§ 5-3 串级系统的几个问题一,副回路的设计原则：
副参数的选择要使副回路时间常数小，调节通道短，反应灵敏
副参数应包含被控对象所受到的主要干扰
(图 5.16)
二,副回路工作频率的选择
1.串级回路的共振现象
2.Td1>(3~5) Td2
三,串级控制系统中的量纲副回路
)()()()(1
)()()()(
222
22'
2 sGsGsGsG
sGsGsGsG
mpvc
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1),111()( 222 c
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Gc1(s) G p 1 (s)
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(mA) (mA)
(mA)
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(?C)
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四,串级控制系统的正反作用副回路的正反作用同单回路系统，且作为等效副对象
，永远是“＋”的主回路只需考虑等效副对象，按单回路选择正反作用。
特殊问题,有时会将串级系统改为单回路系统，此时应考虑正反作用。例如对一个冷却系统。
r G
c1 Gc2 Gv Gp2 Gp1
Gm2
Gm1
– –
)(' 2 sGp 反反正
–
正
)(' 2 sGp
§ 5-4 调节器的选型和整定方法一,选型
(2)副参数要求：允许误差? 选 P调节器原则,(1)主参数要求高? Gc1选 PID调节器二,整定方法
1.逐步逼近法
2.两步整定法要求无差? PI调节器
§ 5-5 比值控制系统一,什么是比值控制系统常见系统，例如：加热炉中空气 /燃气，
合成炉两种物料
KQQ
B
A?
(图 5.19，图 5.20)
(Ratio Control)
二,特殊问题－－比值系数的计算已知：
KQQ
B
A?
但比值器设置为 K
Q
QK
A
B 2
m a x
m a x )(?
计算：（ 1）孔板侧流量方程,2KQp
2m a xm a x KQp（ 2）压差变送器方程：
4)420(
m a x
p pI
（ 3）比值器方程
4)4( II
4)(16
4)(16
2
m a x
2
m a x
B
B
B
A
A
A
Q
Q
I
Q
Q
I
2
m a x
m a x )(
A
B
Q
QK
习题第 183页
5.4,5.5,5.7
实验安排序号 周次 日期 实验安排
1 4 M a t l a b 及 S i m u l i n k 使用实验一 动态特性
2 8 4.14 实验二 P I D
实验四 二阶系统
3 9 4.21 实验五 调节器参数影响实验六 单回路整定
4 13 5.19 实验七 串级控制系统
5 14 5.26 实验八 前馈――反馈控制
6* 实验十一 解耦控制系统
