1、第七章 复杂控制规律的设计,7.1 大林(Dahlin)算法 7.2 史密斯(Smith)预估控制 7.3 串级控制 7.4 前馈控制 7.5 应用实例 本章小节 习题,7.1 大林（Dahlin）算法 大林算法亦称Dahlin算法， 是用来专门针对一类带有纯滞后环节的工业对象的控制的。 所谓纯滞后是指由于物料、 能量或信息的传输过程给对象特性带来的反应滞后现象。 大部 分工业对象都存在一定的纯滞后。 一般认为， 纯滞后时间与过程时间常数之比大于0.5， 则将该过程归为具有大纯滞后的控制过程。 大纯滞后对系统的稳定性及其控制指标影响极大， 一直是控制领域应用研究的一个重要课题。,7.1.1 适
2、用对象 具体来说， Dahlin算法适用于以下常见的工业对象。 一阶惯性加纯滞后环节：,(7.1),二阶惯性加纯滞后环节：,(7.2),式中， K为对象增益， T1、 T2为对象时间常数， 为对象纯滞后时间。,7.1.2 期望设计目标 为了克服纯滞后的不利影响， 又考虑到系统的物理可实现性， Dahlin给出的闭环系统设计目标是：,(7.3),即控制系统闭环为一阶惯性加纯滞后传递函数， 其中系统采样周期和纯滞后时间为整数倍关系， 闭环惯性时间常数T为整定参数， 可根据实际情况进行调整。,7.1.3 设计步骤 在有了对象传递函数G0(s)和闭环传递函数(s)后， 就可以应用离散化设计方法中的方法
3、直接求得数字控制器D(s)。 所以Dahlin算法控制系统的设计步骤如下： (1) 将G0(s)和(s)离散化， 即由G0(s)和(s)求相应的G(z)和(z)。 (2) 由(z)和(z)通过公式求D(z)。 (3) 用D(z)编程实现数字控制器。 例如有一阶对象,(7.4),则广义对象,(7.5),闭环脉冲传递函数为,(7.6),故设计数字控制器,式中，,例7.1 已知某工业对象,设采样周期取T1， 期望闭环,试按照Dahlin算法设计数字控制器。,解 由已知条件， T=1， T=2， T1=3， N=1， 得,由上亦得：,7.1.4 振铃现象及其消除 在应用Dahlin算法时， 有时数字控
4、制器输出u会产生较大幅度的振荡， 振荡频率为采样频率的1/2， 这种现象称为振铃。 振铃会在系统输出y上引起纹波。 纹波的存在会增加执行机构的磨损， 影响其使用寿命。 在多回路耦合系统中还会影响系统的稳定性。 之所以会产生振铃现象， 是由于D(z)中含有左半平面的极点。 极点越靠近1，振荡越严重。 设D(z)中含有1/(za)因子， 则输出中必有分量,当a0时， u(k)就表现为以1/2采样频率的正负相间的振荡， a的模越大， 则u(k)衰减越慢。 工程中用振铃幅度（RA， Ringing Amplitude）来衡量振铃的强弱程度。 振铃幅度定义为： 在单位阶跃输入下， 控制器输出第0拍和第1
5、拍之差， 即RA=u(0)u(T),简单地将引起振铃的因子去除的方法不能作为振铃的消除方法。 因为根据终值定理， 这样会影响D(z)的稳态值。 常用的消除振铃的方法是： 令振铃因子中的z =1，例如有振铃因子1+0.857z1， 可以用1+0.857=1.857来替换原因子。 例7.2 讨论 T=1时的振铃情况及其消除结果。 解 注意这里T和的非整数倍关系， 有,设有单位阶跃输入：,则系统输出：,Y(z)=(z)R(z)=0.3935z2+0.6332z3+0.779z4+0.8647z5+控制器输出： U(z)= =2.6365+0.3484z1+1.8096z2+0.6078z3+,u(k
6、)波形如图7.1(a)所示， 有周期为2T的大幅度振荡即较严重的振铃现象。可以求出该系统RA=2.63650.3487=2.2878。 控制输出的振铃也会引起系统输出在采样点之间的波纹。 分析原系统， 振铃现象主要是由接近1的极点0.733引起的。 利用上述振铃消除方法， 将D(z)中的因子(1+0.733z1)改为1.733， 则有,相应地,U(z)=1.521+1.3161z1+1.445z2+1.2351z3+1.1634z4+1.063z5+画出改造后的u(k)波形如图7.1(b)所示。 由图可见， 振铃现象基本消除。 仍存在的微弱振铃是由位于0.3935的极点引起的。,图7.1 控制
7、器输出波形,7.2 史密斯（Smith）预估控制 史密斯（Smith）预估控制也称为Smith补偿。 在大纯滞后工业过程的控制应用中， 这种方法也能取得很好的控制效果。 7.2.1 Smith预估控制原理 设闭环控制系统有纯滞后被控对象G0(s)=G(s)es， 其中G(s)为不含纯滞后部分的对象传递函数， 为纯滞后时间。 当控制器为D(s)时有系统闭环传递函数,(7.8),特征方程中的时滞环节致使系统稳定性变差， 当较大时系统会不稳定。 Smith预估控制的工作原理就是在带有大纯滞后的被控对象G0(s)上并联一个也被称之为Smith预估器的补偿器Ds(s)， 如图7.2所示。,图7.2 Sm
8、ith预估控制原理框图,由图可知， 此时系统反馈量Y(s)=G0(s)+Ds(s)U(s)。 为了将对象中的纯滞后补偿掉， 即需要使,(7.9),因此可以得出Smith预估补偿器传递函数为Ds(s) = G(s)(1es) （7.10）为了方便起见， 在实际应用中一般是将Smith预估运算和控制器一起构成带有Smith预估的控制算法， 如图7.3所示。 根据方框图的等效更换法则， 图7.2和图7.3所示系统是完全等效的。 整个控制系统的闭环传递函数为,经过补偿的系统克服了纯滞后对稳定性的影响。 上式中分子上的es项则表明控制过程在时间轴上将被向后推移时间。,图7.3 实用的Smith预估控制框
9、图,7.2.2 Smith预估控制算法的数字实现 计算机控制系统中的Smith预估控制原理的实现， 应用的是数字系统的模拟化设计方法。 一般步骤为： (1) 用含保持器的被控对象设计控制器和预估器； (2) 将控制器和预估器离散化； (3)用所得到的结果编程。 例7.3 设有控制对象 ， 取控制器D(s)为PID， 试设计Smith预估器Ds(s)的数字算法。,解 由题得广义对象,故有,将Ds(s)离散化,设a=eT/T1， b= k(1a)， 则,(7.12),为了方便实现， 设预估器输出为ys(s)， 取一中间变量p并将预估算法分为两部分， 其中,，,则有图7.4所示算法模型框图。,图7.
10、4 Smith预估器算法框图,由图可得到两部分相应的差分方程,p(k) =ap(k1)+bu(k1)， ys(k)=p(k)p,(7.13),式中的T为系统采样时间， 设T为纯滞后时间的1/N倍， 则 p(k/T)项表示运算要用到N个周期以前时刻的中间变量p值。 这就需要在内存中开辟N1个存储单元来保存所需的历史数据。 这种简单方法精度高， 但占用内存空间大。 必要时也可以采用二项式近似法等方法来实现。,例7.4 已知闭环控制系统的大滞后对象,PID控制器的比例增益和积分增益分别为1.1和0.11。 加入史密斯预估器并重新整定参数， 增加比例增益和积分增益分别到10和5。 试比较加入史密斯预估
11、器前后控制系统阶跃响应的区别。,解 MATLAB程序如下： n1=1； d1=10， 1； g1=tf(n1， d1)； np， dp=pade(10， 25)， gp=tf(np， dp)； gc=tf(1.1， 0.1， 1， 0) g0=feedback(gc*g1*gp， 1) step(g0) hold on,gc2=tf(10， 5， 1， 0) g4=feedback(gc*g1， 1) g5=g4*gp step(g5) g2=feedback(gc2*g1， 1) g3=g2*gp step(g3),由上可得加入史密斯预估器前后的系统阶跃响应如图7.5所示。 图中曲线a为没有
12、史密斯预估器的控制结果； 曲线b为加入史密斯预估器维持原PI控制器参数不变下的控制结果； 曲线c为在史密斯预估补偿情况下重新整定PI参数后的控制效 果。 由图可知经过预估补偿， 系统的稳定性和调整时间都有较大程度的提高。,图7.5 Smith预估器算法框图,7.2.3 Dahlin算法和Smith预估控制的比较 Dahlin算法和Smith预估控制法有下列异同点： （1） 两种方法均可用来克服对象的大纯滞后影响。 (2) 两种方法都要预先得知对象的结构和参数。 (3) Dahlin算法适用于式（7.1）、 式（7.2）两种特定结构对象， 而Smith控制对结构无特殊要求。 （4） Dahlin
13、算法用离散化设计方法， 用闭环传递函数和已知对象直接求控制器。 （5） Smith控制用模拟化设计方法， 用补偿器将对象改造为无纯滞后， 再针对等效对象设计相应的控制器。,7.3 串 级 控 制 串级（Cascade）控制是一种工程中应用非常广泛的提高控制质量的有效方法。串级控制系统以结构上的双闭环为主要特征， 适用于具有以下特点的生产对象： 容量滞后较大、 干扰因素较多、 干扰比较大等， 也可用于带有一定非线性的对象。 7.3.1 串级控制系统的工作原理 下面以管式加热炉温度控制系统为例说明串级控制的原理。 管式加热炉是工业生产中常用的介质加热设备， 应用闭环温度控制系统保证介质被加热到满足
14、工艺要求的给定温度。 对其实现闭环控制可以有以下几种方案。,1. 简单控制方案 图7.6(a)所示为以被加热介质出口温度T1为被控参数的直 接指标控制方案。 这种方法虽然能完成所设想的闭环控制功能， 但由于被控对象包括传输过程、 燃烧过程和传热过程等多个环节且对象惯性大， 会造成系统调节不及时， 因此难以获得非常理想的控制效果。,图7.6 管式加热炉温度简单控制方案,2 简单控制方案 图7.6(b)所示为以中间变量炉膛温度T2为系统控制参数 的方案。 该方案仍属于简单控制， 通过对T2的控制间接地控制T1的稳定。 这种控制方案减少了中间环节， 所以会在一定程度上提高系统控制质量。 但是这种方案
15、也有其缺陷。 从控制效果来看， 虽然这种方案可以有效地克服来自如燃料或雾化蒸气等大部分干扰的影响， 但它将来自被加热介质方面的干扰放在了闭环以外， 从而无法克服。,3 串级控制方案 将控制方案和控制方案结合的串级控制方案如图7.7所示。 该系统是由TC1和TC2两个控制器串联构成的(双闭环形式）。 TC1的控制输出作为TC2的给定输入。 在这个控制系统中， 对于来自燃料等方面的能够影响炉膛温度的干扰， 由控制器TC2通过闭环回路调节控制。 而对于T2控制回路以外的干扰， 则由通过TC1改变TC2的给定的方式解决。,图7.7 管式加热炉温度串级控制方案,图7.8所示为串级控制系统框图。 串级控制
16、系统在结构上以两个完整的闭环为基本特征。 其中内环为副控制回路， 外环为主控制回路。 副回路在系统中起“粗调”作用， 其输出y2是为了保证最终控制参数的控制指标而另外选取的一个中间参数， 称之为副参数。 主回路在系统中起“细调”作用， 它的输出y1是工艺上指定的实际控制参数， 称之为主参数。 其所对应的控制器也分别被称为主调节器和副调节器。,图7.8 串级控制系统框图,7.3.2 串级控制系统的特点 设在串级控制系统中各环节的传递函数如下： 主控制器： D1(s) 副控制器： D2(s) 主对象： G1(s) 副对象： G2(s) 则有副回路闭环传递函数：,(7.14),主回路闭环传递函数：,
17、(7.15),由于副回路的存在， 提高了系统控制质量， 还可克服对象的纯滞后， 减少非线性的影响。,串级控制系统的主要特点如下： （1） 减少了副回路的等效时间常数， 增加了副回路的等效放大倍数， 使副回路抗干扰的能力增强。 （2） 提高了系统的工作频率， 缩短了振荡周期， 改善了系统动态特性。 （3） 减少了副控制器内各环节参数的灵敏度， 增强了对负荷及操作条件变化的适应能力。 （4） 可实现多种控制方式的选择， 在串级和简单、 主回路和副回路几种控制方式间的灵活切换。,7.3.3 串级控制的数字实现 串级控制系统应用数字计算机实现时， 系统框图如图7.9所示。 图中D1(z)、D2(z)分
18、别为主控制器和副控制器， 应用中两数字控制器通常使用PID控制规律。G1(s)、 G2(s)分别为系统主对象和副对象。 H0(s)为零阶保持器。 T1、 T2分别为 主回路和副回路的采样周期。,图7.9 数字串级控制系统框图,一般情况下， 主副回路多采用相同的采样周期； 即T1=T2， 称为同步采样调节。 整个调节过程以两次采样输入和两次控制运算为主。 控制运算的顺序按由外向内的顺序依次完成。 其计算步骤如下： (1) 计算主回路偏差： e1(k)=r(k)y1(k) （7.16） (2) 计算主控制器输出增量， 对于普通PID控制器， 有 r2(k)=Kp1e1(k)e1(k1)+Ki1e1
19、(k) +Kd1e1(k)2e1(k1)+e1(k2) （7.17） 式中, Kp1、 Ki1和Kd1分别为主控制器的比例系数、 积分系数和微分系数。,(3) 计算主控制器位置输出： r2(k)=r2(k1)+r2(k) （7.18） (4) 计算副回路偏差： e2(k)=r2(k)y2(k) （7.19） (5) 计算副控制器输出增量： u2(k)=Kp2e2(k)e2(k1)+Ki2e2(k) +Kd2e2(k)2e2(k1)+e2(k2)（7.20）式中, Kp2、 Ki2和Kd2分别为副控制器的比例系数、 积分系数和微分系数。 (6) 计算副控制器位置输出： u2(k)=u2(k1)+
20、u2(k) （7.21）,对于主副对象时间常数相差比较悬殊的场合， 例如流量和温度、 流量和成分等串级系统， 如果采用同步采样方式工作， 若按时间常数较小的对象选取采样周期， 计算机采样频繁， 计算工作量大， 因而也降低了计算机的使用效率。 若按时间常数较大的对象选取采样周期， 则可能降低副回路控制性能， 削弱副回路抑制扰动的能力。 因此， 对于这种情况应按照主副对象特性分别选取相应的采样周期（即进行异步采样调节）。 为了方便运算， 在异步调节算法中一般取T1=LT2或T1=T2/L， 其中L为大于3的正整数。 主副回路采样周期相差3倍以上， 可避免两回路之间产生共振及相对干扰。,7.3.4
21、串级控制系统的设计 串级控制系统设计时应根据其特点， 充分发挥串级控制的作用， 使系统性能达到最佳效果。 为此， 设计时应注意以下基本原则： （1） 应该尽可能多地将系统的主要干扰包含在副回路以内， 充分发挥串级系统副回路对干扰的抑制能力， 提高系统的控制性能。 （2） 应尽量使副回路具有较小的时间常数， 加快系统的反应速度， 减少控制过渡过程的调整时间。 （3） 副参数的选择要考虑到工艺的合理性和经济性。,7.3.5 串级控制系统控制规律的选择 对于串级控制系统的主控制器， 为了保证稳态误差指标， 就需要增加积分控制。 有时为了系统反应灵敏、 动作迅速， 也可以考虑加入微分控制。 所以主控制
22、器应该有PI或PID控制规律。 因为副参数一般都是为了保证主参数的控制指标而选取的一个中间变量， 对其的控制要求不会太高， 一般也不会要求无误差， 所以对于副控制器， 通常选用纯比例控制规律。 当遇到流量、 压力等参数控制的副控制器比例系数不能调得太大时， 则也需要采用PI控制算法。 副控制器一般不用PID算法。,7.3.6 串级控制系统的整定 因为是两个控制器串联在一个系统中工作， 二者之间又相互影响， 所以串级控制系统的整定要比单回路系统的整定困难些。 工程中串级控制器整定的方法都是按先副回路、 后主回路的整定顺序由内而外逐步完成的， 常用的整定方法有以下几种： （1） 一步法： 定副调主
23、， 即根据经验确定一个固定的纯比例副控制器的比例系数，再按一般方法整定主控制器。,（2） 两步法： 先副后主， 即先将主控制器调节成比例系数为1的纯比例控制器， 再按常规方法整定副控制器。 固定副控制器控制参数不变， 再按常规方法整定主控制器。 （3） 逐步逼近法： 先副后主， 即先将主控制回路断开， 整定副控制器参数， 闭合主回路， 整定主回路参数， 最后再整定主、 副控制器参数， 直到控制品质满足要求。,例7.5 某工业过程串级控制系统， 设有系统主对象 和主对象 已知控制要求调整时间小于8 s， 超调不超过12%， 稳态误 差不超过0.2%。 设主控制器选择PI控制， 副控制器选择P控制
24、。 按两步法整定系统参数。,解 在工况稳定情况下， 主副控制器均置纯比例控制作用。 将主控制器比例控制系数置1， 按常规方法整定副控制器， 得副控制器控制系数在16左右。 将副控制器比例固定， 按常规方法整定副控制器， 在比例系数为4.5、 积分时间为3.75 s时得到较满意的效果， 如图7.10所示。 整定结果得调整时间为0.75 s， 超调为10.9%， 稳态误差为0.1%。,图7.10 例7.5系统整定结果,7.4 前 馈 控 制 反馈控制产生控制作用的前提是偏差的产生， 即干扰引起输出被控参数偏离给定值， 系统控制器通过反馈回路得到偏差值并由此产生相应的控制作用。 由于系统中对象的滞后
25、、 检测和控制回路的时间过程， 所以反馈控制的控制作用无法在干扰引起偏差之前起作用， 总是处于不及时的被动情况下。 这是反馈控制的固有缺陷， 限制了控制质量的进一步提高。 前馈控制系统， 又称扰动补偿控制， 是以干扰量的变化直接产生控制作用，所以理论上能更好地克服该干扰的影响， 可以实现精度很高的控制效果。,7.4.1 前馈控制系统的概念 换热器是一种常用的传热设备， 图7.11所示是一种换热器反馈温度控制系统示意图。 图中系统控制参数为被加热物料的出口温度。 反馈控制系统需检测反馈被控参数， 反馈控制器TC根据偏差控制热蒸气调节阀开度使出口温度保持在工 艺给定值。,图7.11 换热器反馈温度
26、控制系统,在上述系统中引起出口温度变化的干扰量可能会有许多， 例如被加热物料的流量和初始温度、 热蒸气的温度和压力， 甚至环境温度等。 如果系统最主要的干扰是物料流量Q的变化， 反馈系统一定需要等到Q变化影响实际出口温度T后， 即偏差产生以后才能产生相应的控制作用。 而这个控制作用又需要经过流体流动和热交换过程才能改变T， 反映出系统的控制效果。 这就会导致T的调节过程具有较大的动态偏差， 特别是在Q变化比较频繁， 换热器对象的滞后又较大时。,图7.12所示是一种换热器前馈温度控制系统示意图。 图 中的FC被称为前馈控制器或扰动补偿器， 它直接根据Q的变化即被加热物料进料的流量控制热蒸气调节阀
27、的开度。 FC可以在干扰发生的同时发出控制命令， 控制作用的大小则取决于其算法中的参数。 这种前馈控制方案直接对Q的变化进行补偿， 不必等到T偏离给定值后再改变控制输出， 所以对Q变化的干扰能够非常及时地克服， 比反馈控制更及时、 有效。,图7.12 换热器前馈温度控制系统,7.4.2 前馈控制系统的完全补偿算法 图7.13所示是典型的前馈控制系统框图。 图中干扰作用F(s)到输出被控参数Y(s)之间存在两个通道： 一个是干扰影响输出的过程干扰通道， 其传递函数为GF(s)； 另一个是F(s)经检测装置， 并由前馈控制器GB(s)产生控制作用， 再经过程 控制通道G0(s)影响Y(s)的通道。
28、 设置GB(s)形成上述第二通道的目的是为了使该通道产生的控制作用与干扰作用相反， 且能够完全抵消或补偿干扰对输出的影响。,图7.13 前馈控制系统框图,由图7.13可得：,(7.22),为满足完全补偿条件， 需,(7.23),即前馈控制器算法：,(7.24),7.4.3 前馈控制系统的特点 (1) 前馈控制是一种开环控制， 前馈控制器根据干扰的变化产生相应的控制作用， 系统没有对被控制的参数进行检测反馈。 (2) 前馈控制不需要等到系统产生偏差， 而是在干扰变化的同时就会产生相应的控制， 所以控制比较及时， 使控制质量得到改善。 (3) 前馈控制器运用的是干扰的补偿运算， 针对不同过程对象，
29、 前馈控制器的具体调节规律也是不同的。 (4) 每个前馈控制器只能针对一个干扰量完成补偿， 且需要过程通道的准确动态特性。 (5) 前馈控制适用于系统主要干扰较大、 较频繁， 对象控制通道滞后较大的场合。,7.4.4 前馈反馈控制系统 理论上前馈控制可以实现对被控参数的完全补偿， 但是在实际工程应用中，由于数学模型的简化， 实际工况的变化， 对象特性的漂移等原因， 使其未必能够得到完全理想的效果。 而且这种控制方法还有一个缺陷是对于不是主要干扰的其他扰动的变化不产生任何控制作用。 为了利用各自的优势， 在工程上常使用将前馈控制和反馈控制相结合的前馈反馈控制系统来获取更好的控制结果。,图7.14
30、 换热器前馈反馈温度控制系统,换热器前馈反馈温度控制系统示意图如图7.14所示。 前馈反馈控制系统框图如图7.15所示。,图7.15 前馈反馈控制系统框图,图7.15所示前馈反馈控制系统的干扰通道传递函数为,(7.25),式中： GF(s)和G0(s)分别为系统对象干扰通道和控制通道的传递函数； GC(s)和GB(s)分别为系统反馈控制器和前馈控制器。,由式7.25可以看出， 为了满足不变性补偿条件， 使F(s)0时Y(s)0； 前馈控制器GB(s)仍需使用式(7.24)所描述的算法。 而且即使由于数学模型精确程度等各种原因使GB(s)G0(s)+GF(s)0， 在前馈反馈系统中F(s)对Y(
31、s)的影响也会比开环补偿的情况小1+GC(s)G0(s)倍。 系统中的其它干扰影响以及其它情况引起的误差由反馈控制器GC(s)来克服。 由式(7.25)还可以看出， 系统闭环传递函数的特征方程与GB(s)无关， 即前馈控制器的引入不会影响系统的稳定性。,在实际中还经常应用图7.16所示的前馈串级控制系统， 这种系统的特点是能够同时克服进入前馈和串级副回路中的干扰， 获得更高的控制质量。此时有：,(7.26),图7.16 前馈串级控制系统框图,当副回路工作频率远大于主回路工作频率， 且GC2(s)中含有积分作用时， 则,故,(7.27),7.5 应 用 实 例 7.5.1 合成氨温度控制系统 氨
32、生产中的合成温度是一个大惯性且带滞后的对象， 采用模拟仪表控制不能得到满意的控制效果， 需要使用以数字计算机为核心的控制系统来满足复杂的控制要求。 1工艺流程 H2和N2按一定比例混合后， 在高温高压下可以化合生成氨。 实用中有几种控制方案。 在生产中保持合成塔内的压力和温度恒定是保证反应稳定进行， 提高合成转化率的重要条件。 由于塔内的热点温度能反映化学反应的情况， 受外界干 扰下变化最灵敏， 所以常被选择为系统被控参数。,2 控制方案 根据工艺流程， 进入塔内的冷气流量可直接影响触媒层的温度， 且相对滞后比较小， 故可被选为控制量。 对塔内热点温度的主要干扰量有： 负荷流量的影响、 进气浓
33、度的影响等。 另外，合成塔的大惯性和纯滞后也将严重影响控制质量。 综上分析可知， 可以用系统积分分离PID控制维持温度值， 并且取混合气体的进气流量作为前馈量， 再加上Smith预估器克服大滞后的控制方案。 构成前馈反馈为主的带Smith补偿的控制方案如图7.17所示， 控制框图如图7.18所示。 其中D(s)为PID控制器； Ds(s)为Smith预估器； DB(s)为前馈控制器。,图7.17 合成氨温度控制流程,图7.18 合成氨前馈反馈温度控制流程图,为此， 控制计算机在该温度系统中需要两路模拟输入量和一路模拟输出量， 纯滞后补偿运算完全由软件来完成。 一次采样控制运算的软件流程图如图7
34、.19所示， 图中的输入数据处理包括开方、 限幅、 报警等； 控制运算宜采用积分分离PID以克服积分饱和， 减少动态误差； 控制输出处理可以包括A/M切换处理、 自动平衡处理、 输出限幅和报警等。 这种控制方案综合运用不同控制方法， 可以使温度波动的平稳性得到很大的改善， 达到控制在5范围的要求。 根据不同情况合成氨温度控制还可以使用串级控制或分程控制等方案实现。,图7.19 合成氨温度控制系统控制软件流程图,7.5.2 锅炉汽包水位控制系统 锅炉水位是确保工业锅炉生产安全和正常运行的重要指标。 水位过高会使饱和蒸汽带液， 汽水分离差， 对后续工序的设备造成损坏。 水位过低会减少汽包水量，影响
35、汽水循环， 甚至发生爆管等重大事故。,1. 锅炉汽包水位的特性 工业锅炉汽包水位与下列因素有关： 蒸汽负荷、 给水流量、 燃烧热量和蒸汽压力等。 其中蒸汽负荷即输出蒸汽流量对水位的影响就是干扰通道的动态特性。 在燃烧量不变的情况下， 当蒸汽流量突然增加， 瞬间必然导致汽包压力下降， 汽包中的水沸腾突然加剧， 气泡迅速增加并将水位提高， 形成被称为假水位的虚假水位上升现象， 给水位控制带来困难。 给水流量对水位影响的特点是： 由于给水温度一般低于汽包内的饱和水温度， 所以当给水量增加时， 会使气泡减少而不立即增加水位。 这种水位增加被推迟的现象可以用纯滞后特性来近似描述。,2 锅炉汽包水位控制方
36、案 单冲量控制方案如图7.20（a）所示。 系统以汽包水位为被控变量， 以给水流量作为控制量， 构成单闭环系统完成控制任务。 为了安全运行， 可考虑配合水位报警和安全连锁控制。 这种单冲量系统结构简单， 适合于汽包容量大， 虚假水位不严重， 负荷又比较平稳的场合。,双冲量控制方案如图7.20（b）所示。 为了克服由于蒸汽流量变化引起的假水位影响， 引入蒸汽流量信号作为前馈， 通过前馈控制器FY和反馈控制器的共同作用减少水位波动， 改善控制质量。 双冲量系统充分考虑了蒸汽负荷变化对水位 的影响， 但对响应进水流量的扰动因素却没有考虑， 因此适用于给水流量波动较小的应用场合。,图7.20 锅炉水位
37、控制系统,三冲量控制方案如图7.20（c）所示。 在双冲量的基础上， 增加进水流量控制回路， 构成一个前馈加串级的复杂控制系统。 由于副环的增加， 这种控制系统能够得到更快的响应。 为了克服水位的余差现象， 在控制回路中还可以将水位控制器LC移到加法器之前， 利于LC的积分作用保证水位控制的稳态误差指标。,本 章 小 结 复杂控制规律是基于单回路控制的多变量多回路的控制方法， 适应于控制对象或控制要求特殊的场合。 计算机控制系统给各种复杂控制的应用提供了有力的手段。 本章介绍了几种典型的复杂控制系统。 其中， Dahlin算法和Smith预估器用 于大纯滞后对象， 串级控制通过增加副参数的控制
38、方法提高控制质量， 前馈控制则是取干扰量直接计算控制命令的开环控制方法。 复杂控制的方法还有很多， 各种方法还可以结合使用构成复合系统。,习 题 7.1 Dahlin算法针对什么对象？设计目标是什么？ 7.2 举例说明在Dahlin算法中产生振铃现象的原因是什么， 应如何消除这一振铃现象？ 7.3 Smith补偿的物理意义是什么？ 7.4 什么叫做串级控制？串级控制适应于什么场合？ 7.5 为什么串级控制的副调节器多用P和PI调节规律？ 7.6 试说明前馈控制器的参数整定方法。,7.7 设有二阶控制对象 ， 可以取 为副对象构成串级控制系统， 用计算机仿真的手段研究比较串级控制和单回路控制的效果。 7.8 已知控制对象传递函数 ， 试按采样周期T1 s设计Dahlin控制器D(z)。 7.9 7.8题系统是否有振铃现象？若有， 则将其消除。 7.10 已知数字调节器 ， 试研究其振铃现象。 7.11 设 ， 按采样周期T1 s求Smith补偿器的D(s)和D(z)。,
