过程控制 第5章简单控制系统

5.1 前馈控制的基本概念
前馈控制系统框图如图5-3所示。
Wm (s)
F (s)
W0 (s)
Wf (s)

Y (s)

图5-3 前馈控制系统框图
图中， Wm (s)为前馈控制器，传递函数 Wf (s) 为过程扰动通道传递函数；W0(s) 为过程控制通道传递函数；F(s) 为系统可测不可控扰动；Y (s) 为被控参数。
（5-5）
式（5-5）右边第一项是扰动量 F(s) 对被控量Y (s) 的影响，第二项是前馈控制作
用，第三项是反馈控制作用。
5.2 前馈控制系统的结构形式
对图5-5a所示前馈-反馈控制系统，输出对扰动 F(s) 的传递函数为
Y (s) Wf (s) Wm (s)W0 (s) F(s) 1Wc (s)W0 (s)
（5-6）
注意到在单纯前馈控制下，扰动对被控量的影响为
Y (s) F (s)

Wf
(s)
Wm (s)W0 (s)
（5-7）
可见，采用了前馈-反馈控制后，扰动对被控量的影响为原来的 1/ [1Wc (s)W0 (s)] 。 这就证明了反馈回路不仅可以降低对前馈补偿器精度的要求，同时对于工况变动时 所引起的对象非线性特性参数的变化也具有一定的自适应能力。
在过程控制领域中，前馈和反馈是两类并列的控制方式，为了分析前馈控制 的基本原理，首先回顾一下反馈控制的特点。
5.1 前馈控制的基本概念
5.1.1 反馈控制的特点
a）原理示意图 图5-1 换热器温度反馈控制系统
图5-1为换热器温度控制系统原理框图。图中，

p
D2为 为热蒸流汽体压温力度；T；T 为1 为温冷度流测体量温变度送；器q；为20流为体热流流量体；温q度D给为定蒸值汽；流量；

系统特性—是指控制系统输入输出之间的关系。
环节特性—是指环节本身输入输出之间的关系。
干扰f + 给定值
e
－
控制器
执行器
被控对象
被控量
实测值
变送器
前几章的讨论中，我们已知变送器和执行器的 特性是比例关系、控制器的特性由控制规律决定。 本章讨论被控对象的特性。
X r i (s)
被控对象
X c i (s)
又称一阶惯性特性或单容特性
对象的特性参数K、T反映了对象的物理本质。 因为工艺过程就是能量或物质的交换过程，在 此过程中，肯定存在能量的储存和阻力。 （1）容量系数——反映对象存储能量的能力。 如水槽面积A，它影响时间常数 T 的大小。 T = ARS （2）阻力系数——反映对象对物料或能量传递 的阻力。
t
用自衡率ρ表征对象自衡能力的大小
1 1 h ( ) K
与放大系数K互为倒数
如果 ρ大，说明对象的自 衡能力大 。即对象能以较小 的自我调整量Δh（∞），来抵 消较大的扰动量Δμ1。
1
Δμ1
t Δh
K
T
t
并不是所有被控过程都具有自衡特性。同样的 单容水槽如果出水用泵抽出，则成为无自衡特性。
3
即：经过 3T 时间，输出已经变化了满幅值的 95％。这时，可以近似地认为动态过程基本结束。
例：被控过程的单位阶跃响应是一条 S 形单调曲 线，用有纯滞后的一阶环节近似描述该过程的特性。 作图法： 1）在响应曲线的拐 点处作一条切线，该切线 与时间轴的交点切出τ； 2）以τ为起点，与 y(∞)的交点切出的时间段 为T； 3）K= y(∞)/1
此时，对象的输入量是流入水槽的流量 Q1 ，对 象的输出量是液位h。 Q1 W(S) h 机理建模步骤： 从水槽的物料平衡关 系考虑，找出表征 h 与 Q1 关 系的方程式。 设水槽的截面积为A

过程控制
3、主、副调节器的选择
控制规律的选择
在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主调 节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择控 制规律的出发点。 主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围比较小，一般 要求无余差。因此，主调节器应选PI或PID控制规律。 副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，可以在一定范围 内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P控制规律。 引入积分控制规律，会延长控制过程，减弱副回路的快速作用 引入微分作用，因副回路本身起着快速作用，再引入微分作用 会使调节阀动作过大，对控制不利。
定量分析：
D2
R1 + Gd2(s) Gv(s) Gp2(s)
过程控制
D1
Gd1(s)
Gc1(s)
R2
Gc2(s)
+ Gp1(s)
Y2
Y1
－
Ym1
－
Ym2
Gm2(s)
Gm1(s)
串级控制系统方框图
Y1 ( s) D2 ( s )

Gd 2 ( s)G p1 ( s) 1 Gc 2 ( s)Gv ( s)G p 2 ( s)Gm 2 ( s ) Gc1 ( s )Gc 2 ( s)Gv ( s)G p 2 ( s)G p1 ( s)Gm1 ( s )
主调节器、副调节器；
主给定值、副给定值；
主对象、副对象；
一次扰动、二次扰动。
三、串级控制系统的组成原理
1）将原被控对象分解为两个串联的被控对象；
过程控制
2）以连接分解后的两个被控对象的中间变量为副被控量， 构成一个简单控制系统，称为副调节系统或副环 3）以原对象的输出信号为主被控量，即分解后的第二个 被控对象的输出信号，构成一个调节系统，称为主调 节系统或主环。 4）主调节系统中调节器的输出作为副调节器的给定值， 副调节器的输出信号作为主被控对象的输入信号。

第五章 串级控制系统与比值控制系统
02.12.2020
过程控制
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本章基本要求
了解串级控制系统的概念与特点；
掌握串级控制系统的方框图表示法；
结合控制原理，掌握串级系统的分析方法；
了解串级控制系统的设计原则；
掌握串级控制系统的参数整定方法;
了解串级控制系统的抗积分饱和措施。
了解比值控制系统的几种控制方案
02.12.2020
过程控制
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反应器的温度串级控制方框图
D2
D1
θ1r
主调节器 副调节器 调节阀
夹套 θ2 槽壁
反应槽 θ1
温度测量 温度测量
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过程控制
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例5-2 精馏塔提馏段的温度控制
1、 简单控制系统方案
被调量：提馏段温度θ 扰动D2：加热蒸汽压力 扰动D1：加料方面的扰动， 如温度、流量、组分等
掌握比值系数的计算
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过程控制
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R(s)
—
Gc(s)
Gv(s)
Y(s) G(s)
Gm(s)
单回路控制系统方框图
组成： 一个调节器，一个控制阀，一个被控制对象，一个 测量变送器
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过程控制
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§5-1 串级控制系统的概念
定义:就是采用两个控制器串联工作，主控制 器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器 的输出去操纵控制阀，从而对主被控变量具有 更好的控制效果。
在多回路控制系统中,有两个被控过程,两套 测量变送装置, 两台控制器和一个调节阀构成 的系统．
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例5-1 连续槽反应器温度控制
1) 采用单回路控制