第二章 常用复杂控制系统
第一节 串级控制系统
一、基本原理、结构和性能分析
1.基本概念和系统结构
2.性能分析
★能迅速克服进入副回路扰动的影响
★改善主控制器 Gc2的广义对象特性，提高工作频率
★容许副回路内各环节特性在一定范围内变动不影响整个系统控制品质
★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
二、串级控制系统设计和工程应用中的问题
1.串级控制系统主、副被控变量的选择
2.串级控制系统主、副控制器控制规律的选择
3.串级控制系统主、副控制器正反作用的选择
4.串级控制系统的积分饱和及防止积分饱和的措施
5.串级控制系统中副环的非线性
6.串级控制系统中控制器的参数整定和系统投运
三、串级控制系统的变型
1.引入中间辅助变量的串级控制系统
2.引入阀门定位器的串级控制系统
第二节 均匀控制系统
一、基本原理和结构
1.基本原理
2.均匀控制系统的实施方案
★单回路控制系统结构
★串级控制系统结构
★双冲量均匀控制系统结构
○被控变量的差作为被控变量
○被控变量的和作为被控变量
3.均匀控制系统的特点和示例
二、控制器参数整定
1.控制器控制规律的选择
2.控制器参数整定
3.控制系统分析
★控制系统分析
★液位被控对象近似为积分环节
★液位被控对象近似为一阶惯性环节
第三节 比值控制系统
一、基本原理、结构和性能分析
1.基本原理
2.基本结构
3.性能分析
二、控制方案分析
1.相乘方案的实施
2.相除方案的实施
三、比值控制系统设计和工程应用中的问题
1.主动量和从动量的选择
2.比值控制系统类型的选择
3.比值函数环节的选择
4.检测变送环节的选择
5.其他问题
6.比值控制系统的参数整定和投运
四、比值控制系统的变型
1.快速跟踪
2.无限可调比的比值控制系统
3.均分控制系统
公式汇总
第四节 前馈控制系统
一、基本原理、结构和性能分析
1.基本原理
2.基本结构
● 单纯前馈控制系统
● 前馈信号与反馈信号相乘的前馈 -反馈控制系统
● 前馈信号与反馈信号相加的前馈 -反馈控制系统
3.性能分析
二、前馈控制系统设计和工程应用中的问题
1.扰动变量的选择
2.前馈控制规律的设计
3.前馈 -反馈控制系统中流量副回路的引入
4.前馈控制通道中非线性环节的处理
5.前馈控制规律的实现和偏置值的设置
6.前馈控制系统的参数整定和投运
7.多变量前馈控制系统
8.比例滞后控制
第五节 分程控制系统
一、基本原理、结构和性能分析
1.基本原理
2.基本结构和性能分析
釜式反应器温度分程控制系统分析
二、分程控制系统设计和工程应用
中的问题
1.分程控制系统中控制阀的泄漏量
2.分程控制工作范围的选择和实现
3.分程点广义对象特性的突变
● 分程控制用于适应不同控制要求
● 分程控制用于扩大可调范围
示例一 示例二 示例三
第六节 选择性控制系统
一、基本原理、结构和性能分析
1.基本原理
2.基本结构和性能分析
● 选择器位于两个控制器和一个执行器之间
● 选择器位于几个检测变送环节与控制器之间
● 利用选择器实现非线性控制规律
二、选择性控制系统与其他控制系统的结合
1.选择性控制系统与比值控制系统的结合
● 具有逻辑规律的比值控制系统
● 从动量供应不足时的比值控制系统
2.选择性控制系统与分程控制系统的结合
3.补充燃料的选择性控制系统
三、选择性控制系统设计和工程应用中的问题
1.选择器类型的选择
2.控制器的选择
3.防积分饱和
选择性控制实验
实验结果
第七节 双重控制系统
一、基本原理、结构和性能分析
1.基本原理和结构
2.性能分析
● 增加开环零点，改善控制品质，提高系统稳定性
● 提高双重控制系统的工作频率
● 动静结合，快慢结合，急则治标，缓则治本
二、双重控制系统设计和工程应用中的问题
1.主、副操纵变量的选择
2.主、副控制器的选择
3.主、副控制器正反作用的选择
4.双重控制系统的关联
5.双重控制系统的投运和参数整定
第八节 基于模型计算的控制系统
一、根据模型计算测量值的控制系统
1.质量流量的控制
2.热量控制
3.内回流控制
二、根据模型计算设定值的控制系统
1.具有压力补偿的温度控制
2.离心压缩机的防喘振控制系统
3.根据计算指标控制系统应用时的注意事项
三、非线性控制
1.补偿被控对象的非线性
● 采用控制阀的非线性流量特性补偿
● 采用非线性控制规律进行补偿
● 采用串级控制系统
2.位式控制
3.满足一定控制要求而引入的非线性
第二章结束
谢谢！
控制系统框图
GC2(s)
GF1(s) GF2(S)
GM2(s)
GM1(s)
GP1(s) GP2(s) GV(s) GC1(s)
R1 E1 U2 Q Y2 Y1
F1 F2
U1=R2 E2
YM1 YM2
串级控制系统的框图
串级控制系统的相关名词术语
? 主被控变量 y1是要保持平稳控制的主要被控变量。
? 副被控变量 y2是串级控制系统的辅助被控变量。
? 主控制器、副控制器 的传递函数 Gc1(s),Gc2(s) 。
? 主被控对象、副被控对象 传递函数 Gp1(s),Gp2(s) 。
? 主被控变量的检测变送环节 Gm1(s)、副被控变量的检测变送环节 Gm2(s) 。
? 主被控变量的测量值 ym1、副被控变量的测量值 ym2。
? F1和 F2分别是 进入主、副被控对象的扰动 。扰动通道传递函数分别为 Gf1(s)
和 Gf2(s)。
? 由 Gc2(s),Gv(s),Gp2(s)和 Gm2(s)组成的控制回路称为 副回路，或副环 。
? 由 Gc1(s)和副回路,Gp1(s)和 Gm1(s)组成的控制回路称 为主回路，或主环 。
串级控制系统中有关的传递函数如下,
1 2 1
2 2 2 2 1 2 2 1 1
( ) ( ) ( )
( ) 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )FFc v p m c c v p p m
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串级控制系统传递函数
GC2(s)
GF1(s) GF2(S)
GM2(s)
GM1(s)
GP1(s) GP2(s) GV(s) GC1(s)
R1 E1 U2 Q Y2 Y1
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U1=R2 E2
YM1 YM2
GC2(s)
GF1(s) GF2(S)
GM1(s)
GP1(s) GP2(s) GV(s)
U2 Q Y2 Y1
F1 F2
E2
YM2
R2
串级控制框图
提高系统工作效率
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工作效率和其他参数的关系
串级控制框图
示例一
示例二
示例三
示例四
示例五
防积分饱和
串级控制框图
串级控制框图
方案二
方案一
与单回路液位控制的区别
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示例一
示例二
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计算公式
前馈与反馈控制的比较
前馈控制框图
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示例二
示例一
示例二
示例一
正常,TC→ 控制阀 u1=kc1e1+u1/(Tis+1) Tis/(Tis+1)u1=kc1e1
u1/e1=(Tis+1)/Tis PI作用
而 LC,u2=kc2e2+u1/(Tis+1) u1<u2
异常,e2反向时
u2=kc2e2+u1/(Tis+1)<u1 此时 LC切上
u2=kc2e2+u2/(Tis+1) 具有 PI作用
u1=kc1e1+u2/(Tis+1)>u2 满足同步要求
TC LC
TY
< u
1 u2
控制阀
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第一节 串级控制系统
一、基本原理、结构和性能分析
1.基本概念和系统结构
2.性能分析
★能迅速克服进入副回路扰动的影响
★改善主控制器 Gc2的广义对象特性，提高工作频率
★容许副回路内各环节特性在一定范围内变动不影响整个系统控制品质
★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
二、串级控制系统设计和工程应用中的问题
1.串级控制系统主、副被控变量的选择
2.串级控制系统主、副控制器控制规律的选择
3.串级控制系统主、副控制器正反作用的选择
4.串级控制系统的积分饱和及防止积分饱和的措施
5.串级控制系统中副环的非线性
6.串级控制系统中控制器的参数整定和系统投运
三、串级控制系统的变型
1.引入中间辅助变量的串级控制系统
2.引入阀门定位器的串级控制系统
第二节 均匀控制系统
一、基本原理和结构
1.基本原理
2.均匀控制系统的实施方案
★单回路控制系统结构
★串级控制系统结构
★双冲量均匀控制系统结构
○被控变量的差作为被控变量
○被控变量的和作为被控变量
3.均匀控制系统的特点和示例
二、控制器参数整定
1.控制器控制规律的选择
2.控制器参数整定
3.控制系统分析
★控制系统分析
★液位被控对象近似为积分环节
★液位被控对象近似为一阶惯性环节
第三节 比值控制系统
一、基本原理、结构和性能分析
1.基本原理
2.基本结构
3.性能分析
二、控制方案分析
1.相乘方案的实施
2.相除方案的实施
三、比值控制系统设计和工程应用中的问题
1.主动量和从动量的选择
2.比值控制系统类型的选择
3.比值函数环节的选择
4.检测变送环节的选择
5.其他问题
6.比值控制系统的参数整定和投运
四、比值控制系统的变型
1.快速跟踪
2.无限可调比的比值控制系统
3.均分控制系统
公式汇总
第四节 前馈控制系统
一、基本原理、结构和性能分析
1.基本原理
2.基本结构
● 单纯前馈控制系统
● 前馈信号与反馈信号相乘的前馈 -反馈控制系统
● 前馈信号与反馈信号相加的前馈 -反馈控制系统
3.性能分析
二、前馈控制系统设计和工程应用中的问题
1.扰动变量的选择
2.前馈控制规律的设计
3.前馈 -反馈控制系统中流量副回路的引入
4.前馈控制通道中非线性环节的处理
5.前馈控制规律的实现和偏置值的设置
6.前馈控制系统的参数整定和投运
7.多变量前馈控制系统
8.比例滞后控制
第五节 分程控制系统
一、基本原理、结构和性能分析
1.基本原理
2.基本结构和性能分析
釜式反应器温度分程控制系统分析
二、分程控制系统设计和工程应用
中的问题
1.分程控制系统中控制阀的泄漏量
2.分程控制工作范围的选择和实现
3.分程点广义对象特性的突变
● 分程控制用于适应不同控制要求
● 分程控制用于扩大可调范围
示例一 示例二 示例三
第六节 选择性控制系统
一、基本原理、结构和性能分析
1.基本原理
2.基本结构和性能分析
● 选择器位于两个控制器和一个执行器之间
● 选择器位于几个检测变送环节与控制器之间
● 利用选择器实现非线性控制规律
二、选择性控制系统与其他控制系统的结合
1.选择性控制系统与比值控制系统的结合
● 具有逻辑规律的比值控制系统
● 从动量供应不足时的比值控制系统
2.选择性控制系统与分程控制系统的结合
3.补充燃料的选择性控制系统
三、选择性控制系统设计和工程应用中的问题
1.选择器类型的选择
2.控制器的选择
3.防积分饱和
选择性控制实验
实验结果
第七节 双重控制系统
一、基本原理、结构和性能分析
1.基本原理和结构
2.性能分析
● 增加开环零点，改善控制品质，提高系统稳定性
● 提高双重控制系统的工作频率
● 动静结合，快慢结合，急则治标，缓则治本
二、双重控制系统设计和工程应用中的问题
1.主、副操纵变量的选择
2.主、副控制器的选择
3.主、副控制器正反作用的选择
4.双重控制系统的关联
5.双重控制系统的投运和参数整定
第八节 基于模型计算的控制系统
一、根据模型计算测量值的控制系统
1.质量流量的控制
2.热量控制
3.内回流控制
二、根据模型计算设定值的控制系统
1.具有压力补偿的温度控制
2.离心压缩机的防喘振控制系统
3.根据计算指标控制系统应用时的注意事项
三、非线性控制
1.补偿被控对象的非线性
● 采用控制阀的非线性流量特性补偿
● 采用非线性控制规律进行补偿
● 采用串级控制系统
2.位式控制
3.满足一定控制要求而引入的非线性
第二章结束
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控制系统框图
GC2(s)
GF1(s) GF2(S)
GM2(s)
GM1(s)
GP1(s) GP2(s) GV(s) GC1(s)
R1 E1 U2 Q Y2 Y1
F1 F2
U1=R2 E2
YM1 YM2
串级控制系统的框图
串级控制系统的相关名词术语
? 主被控变量 y1是要保持平稳控制的主要被控变量。
? 副被控变量 y2是串级控制系统的辅助被控变量。
? 主控制器、副控制器 的传递函数 Gc1(s),Gc2(s) 。
? 主被控对象、副被控对象 传递函数 Gp1(s),Gp2(s) 。
? 主被控变量的检测变送环节 Gm1(s)、副被控变量的检测变送环节 Gm2(s) 。
? 主被控变量的测量值 ym1、副被控变量的测量值 ym2。
? F1和 F2分别是 进入主、副被控对象的扰动 。扰动通道传递函数分别为 Gf1(s)
和 Gf2(s)。
? 由 Gc2(s),Gv(s),Gp2(s)和 Gm2(s)组成的控制回路称为 副回路，或副环 。
? 由 Gc1(s)和副回路,Gp1(s)和 Gm1(s)组成的控制回路称 为主回路，或主环 。
串级控制系统中有关的传递函数如下,
1 2 1
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串级控制系统传递函数
GC2(s)
GF1(s) GF2(S)
GM2(s)
GM1(s)
GP1(s) GP2(s) GV(s) GC1(s)
R1 E1 U2 Q Y2 Y1
F1 F2
U1=R2 E2
YM1 YM2
GC2(s)
GF1(s) GF2(S)
GM1(s)
GP1(s) GP2(s) GV(s)
U2 Q Y2 Y1
F1 F2
E2
YM2
R2
串级控制框图
提高系统工作效率
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工作效率和其他参数的关系
串级控制框图
示例一
示例二
示例三
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防积分饱和
串级控制框图
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方案二
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与单回路液位控制的区别
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前馈控制框图
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示例二
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示例一
正常,TC→ 控制阀 u1=kc1e1+u1/(Tis+1) Tis/(Tis+1)u1=kc1e1
u1/e1=(Tis+1)/Tis PI作用
而 LC,u2=kc2e2+u1/(Tis+1) u1<u2
异常,e2反向时
u2=kc2e2+u1/(Tis+1)<u1 此时 LC切上
u2=kc2e2+u2/(Tis+1) 具有 PI作用
u1=kc1e1+u2/(Tis+1)>u2 满足同步要求
TC LC
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1 u2
控制阀
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