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第六章第六章 常用高性能控制系统常用高性能控制系统Email:Email:1第七章第七章 复杂控制系统复杂控制系统 提提 要要§串级控制系统：串级控制系统： 串级控制系统的组成、工作过程、特点、应串级控制系统的组成、工作过程、特点、应用范围、设计、控制器的选型和参数整定用范围、设计、控制器的选型和参数整定§比值控制系统：比值控制系统： 比值控制系统的组成原理、比值控制系统的设比值控制系统的组成原理、比值控制系统的设计和控制器参数的整定计和控制器参数的整定§均匀控制系统均匀控制系统§前馈控制系统前馈控制系统§自治控制系统自治控制系统26.2 前馈控制系统§反馈控制系统的优缺点：Ø优点：反馈控制是按照偏差来控制的，不论是什么干扰引起被控量的变化，控制器均可根据偏差来进行控制Ø缺点：由于对象总存在一定的滞后惯性，从扰动作用出现到形成偏差需要时间；从偏差产生到偏差信号遍历整个反馈环路产生控制作用去抵消干扰作用的影响又需要时间即控制作用总是不及时的，反馈控制无法将扰动克服在被控量偏离其给定值之前，限制了控制质量的进一步提高。

反馈控制系统构成一闭环系统，信号的传递要经过闭环中的所有贮能元件，因而包含着内在的不稳定因素36.2 前馈控制系统§不变性原理： 控制理论中提出的不变性原理在各种特殊调节规律的发展中得到了较充分的应用 不变性原理：是指控制系统的被控量与扰动量绝对无关或者在一定准确度下无关，也即被控量完全独立或基本独立46.2 前馈控制系统 几种不变性：Ø绝对不变性： 指对象在扰动作用下，被控量y(t)在整个过渡过程中始终保持不变，即调节过程的动态偏差与静态偏差均为零Ø误差不变性： 指准确度有一定限制的不变性，或说与绝对不变性存在一定误差ε的不变性，又称为ε不变性56.2 前馈控制系统Ø稳态不变性： 指被控量在稳态工况下与扰动量无关，即在干扰的作用下，被控量的动态偏差不为零，而其稳态误差等于零Ø选择不变性： 若系统采用了被控量对其中几个主要的干扰实现不变性就称为选择不变性 此法既能减少补偿装置、节省投资又能达到对主要干扰的不变性，是有发展前途的方法基于不变性原理组成的控制系统称为前馈控制系统66.2 前馈控制系统§前馈控制的工作原理： 前馈控制又称扰动补偿，是基于不变性原理的。

按照引起被控量变化的干扰大小进行控制在前馈控制系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚出现而能测出时，控制器就可发出控制信号使控制量作相应的变化，使两者抵消于被控量发生偏差之前 前馈控制对于干扰的克服比反馈控制快 76.2 前馈控制系统例：换热器前馈控制： 引起温度改变的干扰因素很多，其中的主要干扰为：被加热液体的流量Q. 采用反馈控制的工作过程：扰动引起θ 变化，然后控制器的控制作用改变阀门的开度，再经过换热器的惯性，才改变θ 图P285图7－1886.2 前馈控制系统Ø 采用前馈控制的工作过程： 根据被加热的液体流量Q的测量信号来控制调节阀，当发生Q的扰动后，可根据流量的变化来控制调节阀的开度，这样可以在出口温度还未变化时就将液体流量的扰动补偿了其系统框图96.2 前馈控制系统 扰动作用到被控量y之间存在两个传输通道：n 干扰通过干扰通道进入系统影响被控量；n 干扰通过测量装置和补偿器产生调节作用，再经过对象的控制通道影响被控量n 控制作用与干扰作用对被控量的影响是相反的于是在一定的条件下有可能使补偿通道的作用很好地抵消扰动对被控量的影响，使被控量不随扰动变化。

n实现补偿的条件：要十分精确的测出扰动量和知道对象的动态特性106.2 前馈控制系统 反馈控制系统中：信号的传递形成一个闭环系统；有稳定性问题 前馈控制中：则是一个开环系统，因输出的被控量不反过来影响补偿器的输出；不存在稳定性问题；补偿量的设计主要考虑取得最好的补偿效果理想情况下，把补偿器设计成能达到完全补偿的目的，即在所考虑的扰动作用下，被控量始终保持不变，这样实现了不变性原理 116.2 前馈控制系统126.2 前馈控制系统式中的负号表示控制作用与干扰作用的方向相反前馈控制的控制规律136.2 前馈控制系统§前馈控制系统的形式：Ø 静态前馈：当干扰通道和控制通道的动态特性相同时：146.2 前馈控制系统Ø动态前馈： 要求前馈控制的输出不仅是干扰量的函数，而且也是时间的函数 根据不变性原理，前馈控制的控制规律为：156.2 前馈控制系统 控制通道的传递函数为：166.2 前馈控制系统176.2 前馈控制系统§前馈控制的局限性： 如果前馈控制装置能精确实现 传递函数，那么扰动对被控量的影响将等于零，实现了完全不变性原理。

186.2 前馈控制系统Ø前馈控制的局限性在于：v 实现完全补偿在很多情况下只有理论意义，实际上做不到；v在工业对象中扰动的因素很多，不可能对每个扰动加一套前馈控制装置去一一补偿；只是选择一两个主要干扰予以补偿 将前馈控制与反馈控制结合起来，取长补短，构成复合控制系统196.2 前馈控制系统§前馈－反馈控制： 将前馈与反馈控制结合起来构成前馈－反馈控制系统 特点： 既发挥了前馈控制及时的优点，又保证了反馈控制能克服多个扰动和具有对被控量实行反馈检验的长处前馈－反馈控制是适合于过程控制的较好方式206.2 前馈控制系统Ø前馈－反馈控制系统方框图216.2 前馈控制系统226.2 前馈控制系统236.2 前馈控制系统 前馈－反馈控制系统的特征方程：246.2 前馈控制系统§ 前馈－反馈控制系统设计： 可先按闭环控制系统的设计方法进行设计，使系统满足稳定储备要求和一定的过渡过程品质要求； 当闭环系统确定以后再根据不变性条件设计补偿器256.2 前馈控制系统266.2 前馈控制系统v 前馈－反馈控制系统的优点：1只需对主要的且反馈控制不易克服的干扰进行前馈补偿，其他干扰由反馈控制予以克服；1反馈控制回路的存在，降低了对前馈控制器模型的精度要求，为在工程上实现前馈补偿提供了条件；1具有控制精度高，稳定速度快的优点，因而在一定程度上解决了稳定性与控制精度之间的矛盾。

工程上广泛应用的前馈控制系统，大多是属于前馈－反馈控制类型276.2 前馈控制系统§ 前馈控制系统的参数整定： 前馈控制器的参数取决于对象的控制通道和干扰通道的特性，虽在设计时对象特性已经确定，但是由于特性的测试精度、测试工况与运行的情况不同，为此必须对前馈控制系统要进行整定 以最常用的前馈补偿器模型 为例讨论静态特性参数和动态参数的整定 286.2 前馈控制系统Ø § 开环整定法： 是在系统作单纯的静态前馈运行下施加干扰， 值由小逐步增大，直到被控量回到设定值，此时所对应的 值可视为最佳整定值 注意： 整定时，力求工况稳定以减少其他扰动量对被控量的影响，否则Kf的整定值将有较大的误差 整定过程中， Kf由小逐步增大，以避免Kf过大导致被控量产生较大的偏差，甚至发生事故 此法缺点： 容易影响生产的正常进行，在实际生产过程中应用较少 296.2 前馈控制系统§闭环整定法：# 让系统处于前馈－反馈运行状态整定Kf;# 让系统处于反馈运行状态整定Kf Kf闭环整定法系统框图306.2 前馈控制系统#前馈－反馈运行状态整定kf： 图中开关S闭合使系统处于前馈－反馈运行状态。

在反馈控制已经整定好的基础上，施加相同的干扰作用，由小到大逐步改变Kf值，直到获得满意的补偿过程 Kf值对补偿过程的影响: 316.2 前馈控制系统# 反馈运行状态整定kf： 图中开关S断开，使系统处于反馈运行状态，待系统运行稳定后，记下干扰量变送器的输出电流（或气压）信号Id0和反馈控制器的输出稳定值Ic0，然后对扰动f施加一个增量Δf,待反馈控制系统在Δf的作用下被控量重新回到设定值时，重新记下干扰量变送器的输出值Id及反馈控制器输出Ic值，则前馈控制器的静态放大系数：326.2 前馈控制系统注意：使用这种方法整定Kf时，反馈控制器应具有积分作用，否则在干扰作用下无法消除被控量的静差；同时，要求工况稳定，以消除其他干扰的影响 336.2 前馈控制系统ØT1、T2的整定：(T1= T0 ,T2 =TL) 动态参数决定了动态补偿的程度 当T1>T2时，前馈控制器在动态补偿过程中起超前作用； 当T1

346.2 前馈控制系统 根据校正作用在时间上的超前或滞后，可以决定的T1、T2数值 因：当T1过大（或T2过小）时，由于过补偿而使过渡过程曲线反向超调过高，甚至达到不能允许的地步所以从生产安全角度出发，前馈控制器的动态参数应从欠补偿开始，按过渡过程曲线变化的趋势，逐次试凑逼近 可以：在初次实验时，取 (超前）或 (滞后）的数值进行，施加干扰，观察补偿过程首先调整T1和T2使补偿过程曲线达到上下偏差面积相等，然后再调整T1与T2的比值，直到获得平坦的补偿过程曲线为止356.2 前馈控制系统366.2 前馈控制系统 小结： 前馈控制： 是一种按干扰信号的大小和方向产生相应控制作用的开环控制系统，因而系统控制的及时性和稳定性方面远优于反馈控制系统 前馈控制系统的结构形式：静态前馈、动态前馈、前馈－反馈和前馈－串级等控制方案 静态前馈：是前馈控制中最简单的方式，不需要专用的控制装置当干扰通道和控制通道的滞后相差不大时，应用静态前馈方案仍可获得较高得控制精度376.2 前馈控制系统 动态前馈：结构复杂，需要专用控制装置，运行和参数整定也复杂些，只有工艺对控制精度要求严格，而反馈或静态前馈控制难以满足要求时，才需考虑使用动态前馈方案。

前馈－反馈控制：大大简化了原有的前馈控制系统，反馈回路的存在降低了对前馈控制器模型的精度要求，为工程上实现前馈补偿创造了条件，在一定程度上解决了稳定性与控制精度的矛盾，因而工程上应用的多数是这类系统前馈－串级控制：是在前馈－反馈基础上发展起来的，效果更佳386.2 前馈控制系统 前馈控制器的模型：由干扰通道和控制通道的特性所决定的，应用不变性原理求得： 396.2 前馈控制系统 前馈控制系统的参数整定都进行整定 静态参数Kf的整定方法有开环整定法和闭环整定法； 动态参数T1、T2的整定： 当T1>T2时，前馈控制器在动态补偿过程中起超前作用； 当T1