第8章 复杂控制系统 复合控制系统是由两个及两个以上简单控制系统组合起来的控制一个或同时控制多个参数的控制系统。主要有以下几种: 8.1串级控制系统 串级控制系统概述及定义、特点及应用 主、副控制器控制规律的选择 主、副控制器正反作用的选择 控制器参数工程整定与系统投运 8.2 其他复杂控制系统 均匀控制系统 比值控制系统 前馈控制系统 选择性控制系统 分程控制系统 多冲量控制系统

8.1串级控制系统 8.1.1概述及定义 串级控制系统是指：在对象滞后较大、干扰作用强烈而且频繁的主控制系统中，对局部参数（副参数）进行预先控制以提高系统总体控制水平的复合控制系统。 串级控制系统通常包括： 主控制系统：系统目标参数控制系统； 副控制系统：为实现目标参数控制而设置的辅助参数控制系统。 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。

8.1串级控制系统 主变量:工艺控制指标，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。 副变量:串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量。 主对象:为主变量表征其特性的生产设备。 副对象:为副变量表征其特性的工艺生产设备。 主控制器:按主变量的测量值与给定值而工作，其输出作为副变量给定值的那个控制器。 副控制器:其给定值来自主控制器的输出，并按副变量的测量值与给定值的偏差而工作的那个控制器。 主回路:由主变量的测量变送装置，主、副控制器，执行器和主、副对象构成的外回路。 副回路:由副变量的测量变送装置，副控制器执行器和副对象所构成的内回路。

8.1串级控制系统 串级控制系统具有两个回路：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。可应用于负荷和操作条件变化较大的场合;自动调整设定值，以保证系统整体具有较好的控制质量。 图8-1　串级控制系统典型方块图

8.1串级控制系统 8.1.2串级控制系统中副回路的情况及确定 一类情况是选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量;另一类选择的副变量就是操纵变量本身,这样能及时克服它的波动,减小对主变量的影响。 确定: 由于主、副回路应有一定的内在联系,副回路应尽可能多地包含干扰因素,因此要求 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。 注意:主、副回路的时间匹配，防止“共振”,尽量使副回路包含较少的滞后时间。

8.1串级控制系统 8.1.3主、副控制器控制规律及正反作用的选择 目的(1)为了高精度地稳定主变量。主控制器通常都选用比例积分控制规律，以实现主变量的无差控制。(2)副变量的给定值是随主控制器的输出变化而变化的。副控制器一般采用比例控制规律。 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。 注意:设定值加大相当于输入信号减小。

8.1串级控制系统 1 两步整定法:指按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的方法。 8.1.4控制器参数整定与系统投运 1 两步整定法:指按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的方法。 （1）在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用运行的条件下，将主控制器的比例度先固定在100％的刻度上，逐渐减小副控制器的比例度，求取副回路在满足某种衰减比,过渡过程下的副控制器比例度和操作周期，分别用δ2s和T2s表示。 （2）在副控制器比例度等于δ2s的条件下，逐步减小主控制器的比例度，直至得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度δ1s和操作周期T1s。 （3）根据上面得到的δ1s、T1s、δ2s、T2s，按表12-3（或表12-4）的规定关系计算主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。 （4）按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定规律，将计算出的控制器参数加到控制器上。 （5）观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。

8.1串级控制系统 2 一步整定法 副控制器的参数按经验直接确定,主控制器的参数按简单控制系统整定。 2 一步整定法 副控制器的参数按经验直接确定,主控制器的参数按简单控制系统整定。 （1）在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照本章节书中表所列的数据，将副控制器比例度调到某一适当的数值。 （2）利用简单控制系统中任一种参数整定方法整定主控制器的参数。 （3）如果出现“共振”现象，可加大主控制器或减小副控制器的参数整定值，一般即能消除。

8.2均匀控制系统 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。 8.2.1 定义及目的 定义:为了解决前后工序供求矛盾，达到前后兼顾协调操作，使液位和流量均匀变化，组成的系统称为均匀控制系统。 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。

目的:为了协调液位与排出流量之间的关系，允许它们都在各自许可的范围内作缓慢的变化 8.2均匀控制系统 8.2.2均匀控制方案 （1）简单均匀控制 图8-1　简单均匀控制 目的:为了协调液位与排出流量之间的关系，允许它们都在各自许可的范围内作缓慢的变化 满足均匀控制要求的方法:通过控制器的参数整定来实现。

8.2均匀控制系统 （2）串级均匀控制 图8-2 串级均匀控制 可在简单均匀控制方案基础上增加一个流量副回路，即构成串级均匀控制。 参数整比方法(1)由小到大地进行调整。(2)串级均匀控制系统的主、副控制器一般都采用纯比例作用的。只在要求较高时，为了防止偏差过大而超过允许范围，才引入适当的积分作用。

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。 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 前馈控制系统 前馈控制的特点 前馈控制比反馈控制及时，并且不受系统滞后大小的限制。 前馈控制属于开环控制 前馈控制规律与对象特性密切相关 一种前馈作用只能克服一种干扰 图8-4 换热器的前馈控制 图8-3 换热器的反馈控制

8.4 前馈控制系统 前馈与反馈控制系统的优点: (1)不论什么干扰,只要引起被控变量变化,都可以进行控制,这是反馈控制的优点; (2)前馈控制是一种按扰动变化大小进行控制的系统,控制作用在扰动发生的同时就产生, 这就是前馈控制的主要特点。且前馈系统是基于不变性原理产生的,比反馈系统及时和有效,它是属于开环控制系统,它的使用是视对象特性而定的专用控制器,一种前馈作用只能用于克服一种干扰; (3)往往用“前馈”来克服主要干扰,再用“反馈”来克服其他干扰,组成“复合”的前馈-反馈控制系统。

8.5 选择性控制系统 8.5.1 基本概念 由于一般控制系统,都是在正常工况下工作的。当生产不正常时，通常的处理办法有两种，一种是改用手动遥控；另一种是联锁保护紧急停车，防止事故发生，即所谓硬限控制。由于硬限控制对生产和操作都不利，近年来采用了安全软限控制。 由于某种原因当一个变量将要达到危险值时,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。实现软限控制系统,称为取代控制系统,又称为选择性控制系统。

8.5 选择性控制系统 8.5.2 基本类型 (1)开关型选择性控制系统 (2)连续型选择性控制系统 (3)混合型选择性控制系统 图8-4辅助锅炉压力取代控制系统

指由一只调节器的输出信号控制两只或更多只控制阀,每只控制阀在控制器输出信号的某段范围内工作。 8.6 分程控制系统 8.6.1概述 指由一只调节器的输出信号控制两只或更多只控制阀,每只控制阀在控制器输出信号的某段范围内工作。 图8-5　分程控制示意框图

8.6 分程控制系统 8.6.2 分程控制系统应用场合 (1)用于扩大控制阀的可调场合,改善控制品质; (2)用于控制两种不同的介质,以满足工艺生产的要求; (3)用作生产安全的防护措施.

8.7 多冲量控制系统 多冲量控制系统,是指在控制系统中,有多个变量信号,经过一定的运算后,共同控制一台执行器,以使某个被控的工艺变量有较高的控制质量(冲量就是变量). 单冲量液位控制系统 蒸汽 汽包 问题：不能适应蒸汽负荷的剧烈变化。即当蒸汽负荷突然增加，汽包内蒸汽压力瞬间下降，汽包内沸腾加剧，随着汽泡的迅速增多，汽包水位显示偏高，形成了虚假水位上升现象，称为“虚假液位”。 给水 图8-6 单冲量控制系统

8.7 多冲量控制系统 图8-8 双冲量控制系统 (1)双冲量是指液位信号和蒸汽流量信号。 汽包 (1)双冲量是指液位信号和蒸汽流量信号。 (2)双冲量控制系统是一个前馈-反馈控制系统。当蒸汽负荷的变化引起液位大幅度波动时，蒸汽流量信号的引入起着超前的控制作用(即前馈作用)，它可以在液位还未出现波动时提前使控制阀动作，从而减少因蒸汽负荷量的变化而引起的液位波动，从而改善控制品质。 蒸汽 给水 图8-7 双冲量控制系统 干扰 测量、变送 给定 － 液位控制器 执行器 汽包对象 ＋ － 测量、变送 图8-8 双冲量控制系统

8.7多冲量控制系统 三冲量液位控制系统 该系统除了液位、蒸汽流量信号外,再增加一个给水流量的信号。它有助于及时克服由于供水压力波动而引起的汽包液位的变化。 图8-9 三冲量控制系统

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