第二节均匀控制系统
均匀控制系统从系统结构上无法看出它与简单控制系统和串级控制系统的区别。其控制思想体现
在调节器的参数整定中。
一、均匀控制原理
在如图8-8所示的双塔系统中，甲塔的液位需要稳定，乙塔的进料亦需要稳定，这两个要求是相互矛盾的。甲塔的液位控制系统，用来稳定甲塔的液位，其调节参数是甲塔的底部出料，显然，稳定了甲塔液位，甲塔底部出料必然要波动。但甲塔底部出料又是乙塔的进料，乙搭进料流量的控制系统，为了稳定进料流量，需要经常改变阀门的开度，使流量保持不变。因此，要使这两个控制系统正
常工作是不可能的。
图8-8 相互冲突的控制系统
图8-9 控制目标的调整
要彻底解决这个矛盾，只有在甲、乙两个塔之间增加一个中间储罐。但增加设备就增加了流程的复杂性，加大了投资。另外，有些生产过程连续性要求高，不宜增设中间储罐。在理想状态不能实现的情况下，只有冲突的双方各自降低要求，以求共存。均匀控制思想就是在这样的应用背景下提出来
的。
通过分析，可以看到这类系统的液位和流量都不是要求很高的被控变量，可以在一定范围内波动，这也是可以采用均匀控制的前提条件，即控制目标发生了变化。图8-9中（a）为冲突的无法实现的两
个控制目标，（b）为调整后体现均匀控制思想的可实现的控制目标。在图8-9（b）中，由于干扰使液位升高时，不是迅速有力地调整，使液位几乎不变，而是允许有一定幅度的上升。同时，流量也相应地增加一些，分担液位受到的干扰；同理，流量受到干扰而变化时，液位也分担流量受到的干扰。
如此“均匀”地互帮互助，相互共存。
二、均匀控制的实现方案
1、简单均匀控制系统图8-10是一个简单均匀控制系统，可以实现基本满足甲塔液位和乙搭进料流量的控制要求。从系统结构上看，它与简单液位控制系统一样。为了实现“均匀”控制，在整定调节器参数时，要按均匀控制思想进行。通常采用纯比例调节器，且比例度放在较大的数值上，实践中要同时观察两个被控变量的过渡过程来调整比例度，以达到满意地“均匀”。有时为了防止液位超限，也引入较弱的积分作用。微分作用与均匀思想矛盾，不能采用。
2．串级均匀控制系统
简单均匀控制系统，结构简单，实现方便。但对于压力干扰反应不及时，另外，当系统自衡能力较强时，控制效果也较差。为了克服这两个缺点或这两个方面的干扰，引入副环构成串级均匀控制系
统，如图8－11所示。
图8-11从结构上看，它与液位-流量串级控制系统完全一样。串级控制中副变量的控制要求不高，这一点与均匀控制的要求类似。在这里的串级均匀中，副环用来克服塔压变化；主环中，不对主变量提出严格的控制要求，采用纯比例，一般不用积分。整定调节器参数时，主副调节器都采用纯比例控制规律，比例度一般都较大。整定时不是要求主、副变量的过渡过程呈某
个衰减比的变化，而是要看主、副变量能否“均匀”地得到控制。
第二节均匀控制系统 均匀控制系统从系统结构上无法看出它与简单控制系统和串级控制系统的区别。其控制思想体现 在调节器的参数整定中。 一、均匀控制原理 在如图8-8所示的双塔系统中，甲塔的液位需要稳定，乙塔的进料亦需要稳定，这两个要求是相互矛盾的。甲塔的液位控制系统，用来稳定甲塔的液位，其调节参数是甲塔的底部出料，显然，稳定了甲塔液位，甲塔底部出料必然要波动。但甲塔底部出料又是乙塔的进料，乙搭进料流量的控制系统，为了稳定进料流量，需要经常改变阀门的开度，使流量保持不变。因此，要使这两个控制系统正 常工作是不可能的。 图8-8 相互冲突的控制系统 图8-9 控制目标的调整 要彻底解决这个矛盾，只有在甲、乙两个塔之间增加一个中间储罐。但增加设备就增加了流程的复杂性，加大了投资。另外，有些生产过程连续性要求高，不宜增设中间储罐。在理想状态不能实现的情况下，只有冲突的双方各自降低要求，以求共存。均匀控制思想就是在这样的应用背景下提出来 的。 通过分析，可以看到这类系统的液位和流量都不是要求很高的被控变量，可以在一定范围内波动，这也是可以采用均匀控制的前提条件，即控制目标发生了变化。图8-9中（a）为冲突的无法实现的两
个控制目标，（b）为调整后体现均匀控制思想的可实现的控制目标。在图8-9（b）中，由于干扰使液位升高时，不是迅速有力地调整，使液位几乎不变，而是允许有一定幅度的上升。同时，流量也相应地增加一些，分担液位受到的干扰；同理，流量受到干扰而变化时，液位也分担流量受到的干扰。 如此“均匀”地互帮互助，相互共存。 二、均匀控制的实现方案 1、简单均匀控制系统图8-10是一个简单均匀控制系统，可以实现基本满足甲塔液位和乙搭进料流量的控制要求。从系统结构上看，它与简单液位控制系统一样。为了实现“均匀”控制，在整定调节器参数时，要按均匀控制思想进行。通常采用纯比例调节器，且比例度放在较大的数值上，实践中要同时观察两个被控变量的过渡过程来调整比例度，以达到满意地“均匀”。有时为了防止液位超限，也引入较弱的积分作用。微分作用与均匀思想矛盾，不能采用。 2．串级均匀控制系统 简单均匀控制系统，结构简单，实现方便。但对于压力干扰反应不及时，另外，当系统自衡能力较强时，控制效果也较差。为了克服这两个缺点或这两个方面的干扰，引入副环构成串级均匀控制系 统，如图8－11所示。 图8-11从结构上看，它与液位-流量串级控制系统完全一样。串级控制中副变量的控制要求不高，这一点与均匀控制的要求类似。在这里的串级均匀中，副环用来克服塔压变化；主环中，不对主变量提出严格的控制要求，采用纯比例，一般不用积分。整定调节器参数时，主副调节器都采用纯比例控制规律，比例度一般都较大。整定时不是要求主、副变量的过渡过程呈某
第四章 均匀控制系统 4.1 均匀问题的提出及特点 均匀问题的提出的背景： 在连续生产过程中，前一设备的出料往往是后一设备的进料，而且随着生产的进一步强 化，前后生产过程的联系更加紧密，自动控制系统的设计应从全局考虑。 上述控制方案存在问题:均匀目的：使液位保持在一个允许的变化范围内，而流量保持平稳。完成这一控制任务的控制系统称为均匀控制系统。 均匀控制系统把液位、流量统一在一个控制系统中，从系统内部解决工艺参数间存在的问题。 根据工艺要求，让甲塔的液位在允许的限度内波动，同时让流量作平稳缓慢的变化。 控制系统设计：流量控制系统删去，只设置液位控制系统。 均匀控制系统的特点： 1.结构上无特殊性。 2.表征前后供求矛盾的两个变量都应该是变化的，且变化是缓慢的。 3.前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在允许的范围内。 4.2 均匀控制方案 4.2.1 常用的几种结构形式 简单均匀控制 优点：结构简单，投运方便，成本低廉。 缺点：抗干扰能力低，适用于控制要求不高的合 结构上与单回路控制系统一致 结构上与串级控制系统一致 串级均匀控制 目的：流量副回路的引入主要是克服控制阀压力波动及自衡作用对流量的影响。
优点：能克服较大的干扰，适用于系统前后压力波动较大的场合。 双冲量均匀控制 冲量：连续的信号和参数。 定义：用一控制器，以两个测量信号之差为被控变量的系统。 优点：既有简单控制系统参数整定方便的特点，又有串级均匀的优点。 4.2.2 控制规律的选择1.简单均匀控系统： 控制器一般采用纯比例作用，有时也可采用比例积分控制规律。 2.串级均匀控制系统： 主控制器一般采用纯比例作用，也可采用比例积分控制规律。副控制器一般采用纯比例作用。 3.双冲量均匀控制系统： 双冲量均匀控制器一般采用比例积分作用控制规律。 所有的均匀控制系统中控制器都不需要也不应加微分作用。 均匀控制系统中引入积分作用存在的问题： 有利方面： 1.可以避免由于长时间单方向干扰引起的液位越限。 2.由于加入积分作用，比例度适当增加有利于液位存在高频噪声场合。 不利方面： 1.一旦液位偏离给定值的时间长而幅值又大时，则积分作用会使控制阀全开或全关，造成流量较大的波动。 2.由于积分的引入会使系统的稳定性变差 3.积分作用的加入，由于积分饱和，会产生洪峰现象。 4.2.3 参数整定 整定原则： 1、保证液位不超出允许的波动范围，先设置好控制器参数。 2、修正控制器参数，充分利用容器的缓冲作用，使液位在最大允许范围内波动，输出流量尽量平稳。 3、根椐工艺对流量和液位两个参数的要求，适当调整控制器参数。
第四章控制系统的频率特性 本章要点 本章主要介绍自动控制系统频域性能分析方法。内容包括频率特性的基本概念，典型环节及控制系统Bode图的绘制，用频域法对控制系统性能的分析。 用时域分析法分析系统的性能比较直观，便于人们理解和接受。但它必须直接或间接地求解控制系统的微分方程，这对高阶系统来说是相当复杂的。特别是当需要分析某个参数改变对系统性能的影响时，需反复重新计算，而且还无法确切了解参数变化量对系统性能影响的程度。而频率特性不但可以用图解的方法分析系统的各种性能，而且还能分析有关参数对系统性能的影响，工程上具有很大的实用意义。 第一节频率特性的基本概念 一、频率特性的定义 频率特性是控制系统的又一种数学模型，它是系统（或元件）对不同频率正弦输入信号的响应特性。对线性系统，若输入信号为正弦量，则其稳态输出信号也将是同频率的正弦量，但是输出信号的幅值和相位一般不同于输入量，如图4-1。 若设输入量为r(t)=A r sin(ωt+υr) 其输出量为c(t)=A c sin(ωt+υc) 若保持输入信号的幅值A r不变，改变输入信号的角频率ω，则输出信号的角频率也变化，并且输出信号的幅值和相位也随之变化。 图4-1 控制系统的频率响应
我们定义系统（或环节）输出量与输入量幅值之比为幅值频率特性，简称幅频特性，它随角频率ω变化，常用M(ω)表示。输出量与输入量的相位差为相位频率特性，简称相频特性，它也随角频率ω变化，常用υ(ω)表示。其数学定义为 r c A A M = )(ω υ(ω)=υc -υr 幅频特性和相频特性统称为频率特性，用G(j ω)表示。由此，幅频特性M(ω)又可表示为)(ωj G ，相频特性υ(ω)又可表示为)(ωj G ∠，三者可表示成下面的形式： 其中 ) ()() ()() ()()(ωω?ωωωωωj G j G M j G j G j G ∠==∠= 二、频率特性与传递函数的关系 频率特性和传递函数之间存在密切关系：若系统（或元件）的传递函数为G(s)，则其频率特性为G(j ω)。这就是说，只要将传递函数中的复变量s 用纯虚数j ω代替，就可以得到频率特性。即 )()(ωj G s G → 三、频率特性的表示方法 1．数学式表示法 频率特性是一个复数，所以它和其他复数一样，可以表示为极坐标式、直角坐标和指数坐标三种形式。见图4-2所示。 ) ()()()()()()(ω?ωωωωωωj e M jV U j G j G j G =+=∠= 显然， )()()()(22ωωωωV U j G M +== ) () (arctan )()(ωωωω?U V j G =∠= 例4-1 写出惯性环节的幅频特性、相频特性和频率特性。 图4-2 频率特性的表示方法