华东理工大学成人高等教育 《测控技术》学习指导书
王华忠 叶西宁 编写
继续教育学院组编 二00九年十一月十日
0
第八章 复杂控制系统
8.1 学习要求
1、掌握串级控制系统的分析与设计、投运方法。 2、掌握均匀控制系统的分析与设计方法。
3、掌握比例（比值）控制系统的分析与设计方法。 4、掌握选择性控制系统的分析与设计方法。 5、掌握分程控制系统的分析与设计方法。 6、掌握前馈控制系统的分析与设计方法。
7、了解先进控制的概念及主要的先进控制方法。
8.2 内容简述
8.2.1 串级控制系统
8.2.1.1 组成原理 8.2.1.2 控制过程 8.2.1.3 系统特点 8.2.1.4 系统设计 8.2.2 均匀控制系统
8.2.2.1 均匀控制的原理 8.2.2.2 均匀控制方案 8.2.3 比值控制系统
8.2.3.1 比值控制基本概念 8.2.3.2 比值控制系统类型 8.2.3.3 比值系数的计算 8.2.4 分程控制系统
8.2.4.1 分程控制基本概念 8.2.4.2 分程控制的应用
8.2.4.3 分程控制对调节阀的要求 8.2.5 前馈控制系统
8.2.5.1 前馈控制的概念
8.2.5.2 前馈控制与反馈控制的比较 8.2.5.3 前馈控制系统类型
8.3 本章知识点
1、串级控制系统的组成原理、特点与设计，特别是主、副被控变量的选择。 2、均匀控制系统的工作原理，与简单控制系统的区别。 3、比值控制系统的原理及比值系数的计算。 4、分程控制的原理及其应用。
5、控制系统的安全保护措施及几种不同类型的选择性控制系统。 6、前馈控制的原理、特点与应用及前馈－反馈控制系统。
8.4思考题
一、选择题（一个或多个正确）
1、串级控制系统设计时，副参数的选择确定十分重要，应考虑如下一些原则（）
1
A、主副参数间应有一定内在联系 B、使副环包括主要干扰
C、使副环包括尽量多的干扰 D、主副对象时间常数匹配
E、尽量使副环少包括或不包括纯滞后 2、以下关于串级控制正确的说法有（）
A、是两个简单控制系统直接串接 B、有两个测量变送环节 C、有两个执行机构 D、有两个控制器 E、有两个被控对象
3、单闭环比值控制系统中，当主流量变化时，副流量比值控制系统相当于（）
A、随动控制 B、定值控制 C、程序控制 D、均匀控制 E、预测控制 4、分程控制中，阀A和阀B的信号分段由（）完成
A、控制器 B、阀门定位器 C、电－气转换器 D、变送器 E、比较器 5、控制参数（操纵变量变量）的选择应遵循一些原则（）
A、必须与被控参数是同一介质。 B、必须可控。
C、应比其他干扰对被控参数的影响更灵敏。 D、尽可能降低能量与物料消耗。 E、使控制通道滞后时间尽量小。 6、被控参数的选择应遵循的原则有（）
A、能代表工艺操作指标或反映工艺操作状态 B、可测并有足够大的灵敏度 C、独立可调
D、尽量采用直接指标 E、必须采用工程单位
7、关于前馈控制，下列说法正确的有（）
A、是开环控制 B、按照偏差大小调节 C、有动态和静态前馈 D、一种前馈只能克服一种干扰 E、无余差
8、以下几种控制方式中，属于智能控制的有（）
A、推断控制 B、神经网络控制 C、模糊控制 D、预测控制 E、自适应控制 选择题参考答案：1、ABDE 2、BDE 3、A 4、B 5、BCDE 6、ABCD 7、ACD 8、BCE 二、简答
1、 什么是串级控制系统？画出串级控制系统的方框图。
提示：串级控制系统主要由其结构上的特征而得名。它由主、副两个控制器串连工作，主控制器的输出作为副控制器的给定值，而副控制器的输出作为执行器的输入并操纵它，以实现对被控参数的控制。
2、 与简单控制系统相比，串级控制系统有些什么特点？ 提示：（1）分级控制
这里将一个控制通道较长的对象分为两级，把许多扰动在第一级副环就基本克服掉。剩余的影响及其他方面扰动的综合影响再由主环加以克服。 （2）与简单控制系统组成不同
串级控制系统有两个对象：主、副对象；两个控制器：主、副控制器；两个测量变送器：主、副测量变送器；一个执行器。而简单控制系统只有一个控制器、一个对象、一个测量变送环节和一个执行器。 （3）系统工作方式
副环工作既是随动又是定值，对于主控制器输出其设定值是不确定的，随时变化，是随动系统，而对于进入副环的干扰则是定值控制。主环工作于定值控制方式，如果把副环看作一个整体方框，主环就相当于一个简单控制系统。由于主环工作在定值控制方式，因此串级
2
控制系统也可认为是定值控制系统。 （4）控制性能
由于引入副环构成了串级控制，与简单控制系统相比，系统对于扰动反应更及时，克服扰动的速度更快，能有效地克服系统滞后，改善控制精度和提高控制质量。 3、 串级控制系统中副被控变量如何选择？ 提示：副被控变量的选择必须保证它是操纵变量到主被控变量这个控制通道中的一个适当的中间变量。这是串级控制系统的设计关键。此外，还需考虑如下几点：
（1） 使主要扰动作用在副环上，这样才能充分发挥副环响应快速的特性，更快更好地克服扰动。
（2）使副对象包含适当多的干扰
这实际上是副被控变量的选择问题。副被控变量越靠近主被控变量，它包含的扰动越多，但通道变长，滞后增加；副被控变量越靠近操纵变量，所包含干扰越少，通道越短。因此，要选择适当位置，使副对象在包含主要扰动的同时，能包含适当多的扰动，从而使副环的控制作用得以更好地发挥。
（3）主、副对象时间常数不能太接近
4、 如图8.1所示为反应器的温度控制系统，它通过调节进入反应器的冷却水的流量来保持
反应器温度的稳定。要求
图8.1 反应器温度控制系统
（1） 画出该控制系统的方框图，并说明它是什么类型的控制系统；
（2） 若反应器温度不能过高，否则会发生事故，试确定控制阀的气开、气关型式； （3） 确定主控制器和副控制器的正反作用；
（4） 若冷却水压力突然升高，试简述该控制系统的调节过程。 提示：（1）本系统是串级控制系统，其方框图如图8.2所示。
冷却水流量 反应器温度
TC－－FC控制阀副对象主对象副测量变送单元主测量变送单元
图8.2 反应器温度控制系统方框图
（2）因为反应器温度不能过高，控制阀在气源中断时应该是全开的，因此选用气关阀。
（3）先确定副控制器。因为副对象是正作用，控制阀是反作用，为了保证副环是负反馈，副控制器选用正作用。
最后确定主控制器，把整个副环看作是一个正作用环节，主对象为反作用，为了保证主环为负反馈，主控制器采用正作用。
（4）从副环来看，当冷却水压力升高时，冷却水的流量增加，由于副控制器是正作用，其输出增加；又由于控制阀是气关阀，故其开度减小，因此冷却水流量减小，从而及时克服由于压力升高引起的流量增加，使冷却水压力的波动几乎不影响到反应器温度。
从主环来看，若副环对冷却水压力的波动不能完全克服，而使反应器温度有微小降低。
3
这时，由于主控制器是正作用控制器，其输出减小，即副控制器的设定值减小，相当于副控制器的测量值增加，所以其输出增加，控制阀开度减小，冷却水流量减小，使反应器温度升高，这样，主环和副环同时作用，很及时地克服了压力波动的影响。
5、 工业控制系统中为什么不用单纯的前馈控制，而选用前馈－反馈控制？
提示：一般来讲，一个前馈调节的对象，只考虑主要的前馈变量。而在实际的工业对象中，干扰往往有很多个，而且有些变量用现有的检测技术尚不能直接测量。因此单纯的前馈控制有很大的局限性。采用前馈－反馈控制后，选择最主要的干扰或反馈环节不能克服的干扰作前馈变量，再用反馈调节补偿其他干扰带来的影响。这样的调节系统能确保被控变量的稳定和及时有效地克服主要干扰。
6、 画出单闭环比值控制系统的方框图，并说明其与串级控制系统的区别。
提示：单闭环比值控制系统方框图如图8.3所示，它无主对象、主控制器。并且从动量不会影响主动量。串级控制系统中，副变量是操纵变量到被控变量之间总对象的一个中间变量，该变量是主对象的输入，通过改变副被控变量来调节主被控变量。串级控制的副环与比值控制系统的从动量控制子系统都是随动控制系统。
图8.3 单闭环比值控制系统方框图
7、 分程控制适应于哪些场合？
提示：提高控制阀的可调比；交替使用不同的控制方式的场合；满足生产过程不同阶段的需要
8、 选择性控制系统有哪些类型？各有什么特点？ （1）开关型选择性控制系统
这类选择性控制系统的控制阀在从正常工况向非正常工况切换时不是全开就是全关。因此其应用受到限制
（2）连续型选择性控制系统
这类选择性控制系统的控制阀在从正常工况向非正常工况切换时开度是连续变化的。 （3）混合型选择性控制系统
这类选择性控制系统具有前两种选择性控制系统的优点，适用范围广。 9、软测量技术主要内容是什么？
提示：软测量的基本思想是把自动控制理论与过程知识有机结合起来，应用计算机技术，对于难于测量的重要变量（主导变量），选择另外一些容易测量的变量（辅助变量），通过构成某种数学关系来推断和估计，以代替硬件测量分析仪表的功能。这类方法具有响应迅速、连续给出主导变量、投资低等特点。软测量结构如图4所示。软测量技术包括辅助变量的选择、数据采集和处理、软测量建模和在线校正等。 10、为什么说从基本思想上说预测控制优于PID控制？
提示：通常的PID控制，是根据过程当前的和过去的输出测量值和设定值的偏差来确定当前的控制输入，而预测控制不但利用当前的和过去的偏差值，而且还利用预测模型来预估过程未来的偏差值，以滚动优化确定当前的最优输入策略，因此，从基本思想上说预测控制优于PID控制。
11、常用的智能控制有哪几种形式？可以应用在控制系统哪些领域？
提示：当前最主要的三种智能控制的形式是：专家系统；模糊控制和人工神经网络控制，它们可以单独应用，也可以与其它形式结合起来，用于基层控制，也也可用于过程建模、操作优化、故障诊断、计划调度和经营决策等不同层次。
4
华东理工大学成人高等教育
