自动控制理论_5.5 控制系统设计

5.5 控制系统设计

5.5.1概述
    连续生产过程是一个非常复杂的工业过程，离开自动控制系统，生产就无法进行。合理的设计每一个控制系统，对稳定生产、提高产品质量和产量，节能降耗，保护环境是十分重要的。

    一个较合理的控制系统，首先应该是稳定的，而且要有一定的稳定裕量。其次，控制系统要有较好的动态性能。一般情况下，都希望动态过程具有衰减振荡特性。因为这样的系统响应快，调节时间短。过程控制中绝大多数控制系统都是恒值调节系统。这样的系统给定值很少变动，系统的主要任务是快速消除各种干扰的影响，维持被控变量于给定值一致，所以描述动态过程的动态性能指标主要是强调衰减率

(或衰减比)和调节时间 。系统在达到稳态后则要求有较小的稳态误差，满足生产要求的控制精度。

设计一个控制系统大体上要经过以下几个步骤：

（1） 建立被控对象的数学模型。这可以通过理论法或实验法来完成。

（2） 选择正确的控制方案。要选择正确的控制方案，必须对被控对象的特性、生产工艺的技术要求，被控对象受到的主要扰动，被控对象在整个生产过程中的地位及与其他系统的关系等进行深入的了解，以确定合理的控制指标及实现这些指标的合适的控制方式。

（3） 按控制方案进行工程设计。根据已确定的控制方案，进行仪表选型、控制室设计等。

（4） 对已设计的系统进行分析。这是对所设计的控制系统进行的检验。分析可分为两个内容，首先对控制系统进行理论分析，确定系统的各项性能指标。最后，还应进行实验验证，检验设计的正确性。若不能满足要求，则必须进行再设计。

在控制系统的设计中，有两个最重要的环节，即控制方案的设计和控制器的整定。控制方案选择的不好，即使使用再先进的仪表，都不可能完成预定的控制任务。在控制系统确定之后，控制器参数的整定就成为决定控制质量的决定因素。求取能达到控制性能指标要求的控制器的参数的过程，称为控制器参数整定。在整个控制系统设计过程中，要注意把握好这两个重要环节。

5.5.2  简单控制系统的设计

简单控制系统就是图5.1 所示的控制系统，又称为单回路控制系统。它是最简单的反馈控制系统，也是过程控制中应用最广泛的控制系统。例如在某些石油化工生产过程控制中，单回路控制系统占所有控制系统的比例可达到 60%以上，有些甚至超过80%。

我们已经对控制系统的控制规律、执行器和调节阀的特点，被控对象的动态特性等进行了较详细的介绍。这些内容都是单回路控制系统是集中的重要问题。下面，我们着重研究控制系统升级的另外两个重要问题。

1.控制器参数的整定
控制器参数的整定，对PID控制规律来说，就是恰当选择比例度 （或比例放大系数 ）、积分时间常数    和微分时间常数 的值。控制器参数整定的方法有两类，一类是理论计算法，一类是工程整定法.

已知被控对象较准确的数学模型，可以应用理论计算法。用传统的时域法、频率法、根轨迹法都可以进行整定，利用计算机进行参数整定和优化的方法也很多。往往由于数学模型的原因，理论计算得到的数据精度不高，但它却可以为工程整定法提供指导。

工程整定法易于掌握，是比较实用的方法。常用的工程整定法有稳定边界法、衰减曲线法、响应曲线法等。

稳定边界法又称为临界比例度法。具体过程是，先将控制器变为比例控制器，逐渐减小比例带  ，直到出现等幅振荡。这是的比例度称为临界比例度，记为 。记下两个波峰相距的时间（临界振荡周期） ，根据和  ，按表5.2 进行计算。

表5.2 稳定边界法计算公式表（衰减率）
控制规律	比例度（%）	积分时间(min)	微分时间(min)

衰减曲线法。衰减曲线法是使系统产生衰减振荡，根据衰减振荡参数来确定控制器参数。工程上认为，衰减率 (衰减比为4：1）时，系统的动态过程较适宜。因此，一般都采用4：1衰减曲线来进行整定。具体过程是：先将控制器变成比例控制器，比例度取较大的值，给定值为阶跃函数，观察曲线的衰减情况。然后逐渐减小比例度，直到衰减比为 4：1，此时的比例度为  ，衰减周期为  ，如图5.34所示

图5.34 4:1衰减曲线

根据和 ，按表 5.3进行计算。

表5.3  衰减曲线法计算表
控制规律	比例度（%）	积分时间(min)	微分时间(min)

响应曲线法与以上两种方法不同。以上两种方法都是在闭环系统下进行的，而响应曲线法则要测出系统的开环阶跃响应。把控制系统从控制器输出点断开。在调节阀上加一个阶跃输入，测量变送器的输出作为响应曲线。响应曲线一般的形式如图 5.35所示。根据响应曲线可近似求出如下传递函数

根据求出的 K,T和值 ，按表5.4计算。

表5.4  响应曲线计算表（衰减率）
被控对象
控制规律

例 3  某过程控制系统，采用稳定边界法测得  ，若控制器为 PI控制器，试确定其参数。
解  按表 5.2的计算公式，PI控制器的参数为

 min

例4  测的某控制系统开环阶跃响应的参数后得到的近似传递函数为

求采用 PID控制时控制器的参数。
解 

根据 查表5.4   

 min

 min

工程整定法由于采用的是经验公式，所以对同一系统应用不同方法整定出的参数不可能一致。它们的实际控制性能指标将会有差别。

12.0pt;   在工业生产过程中，被控对象的特性并不是不变的。当被控对象特性发生变化后，原定整定的 PID控制参数就不是最合适的参数了，必须重新整定。这将给连续化的生产带来不利的影响。有一种控制系统，能根据被控对象特性的变化或其他条件的变化，自动调整控制系统的控制规律和控制器的控制参数，使控制系统始终处于最佳状态，我们称这种控制系统为自适应控制系统。能对控制器参数进行自动整定的自适应控制系统成为自校正系统或自整定系统。

图 5.36时自校整系统的工作原理图。自校正系统与一般控制系统相比，增加了两种功能：一是根据控制器输出和被控对象输出分析对象的特性，即对对象进行识别；二是根据识别结果计算并改变控制器参数，称为决策。例如假定被控对象的模型为 :

                      

对象识别环节就会根据测量的值对K,T和  进行估计。决策环节则根据求出的对象参数按规定的整定规则计算出控制器参数并对控制器参数进行修改。参数自整定的方法较多，各有一定的适应范围和优缺点。有关这方面的详细知识，请参考有关书籍和文献。

12.0pt;2. 控制器的正反作用
控制系统要能正常工作，必须有一个负反馈控制系统。为了保证这一点，必须正确选择各环节的正反作用。

12.0pt;   控制器的正反作用是根据被控变量的测量值和控制器输出之间的关系确定的。被控变量测量值增加时，控制器的输出也增加，则控制器为正作用控制器，并规定其稳态放大系数  为负。被控对象的测量值增加时，控制器的输出值减小，则控制器为反作用控制器，并规定器稳态放大系数  为正。

被控对象的输出与调节阀内的介质流量变化决定了被控对象的正反作用。介质流量增加，被控对象的输出也增加，则被控对象为正作用，规定其放大系数  为正。介质流量增加时，被控对象输出减小，则被控对象为反作用，规定其放大系数  为负。

执行器气开式为正作用，气关式为反作用，并规定正作用调节阀的放大系数  为正，反作用的  为负。

变送器的作用一般都是正作用，其放大系数    为正。

要保证系统是负反馈系统，组成系统的各环节的正反作用的乘积必须为正。这可用各环节的放大系数来表示。即  为正。这里相乘只取正符号计算，不必计算放大系数的具体数值。

选择控制器的正反作用的步骤是先根据工艺及安全要求确定调节阀正反作用，被控对象的正反作用是固有的特性，测量变送器一般是正作用，所以往往可以排除在外，最后再选择控制器的正反作用，使  的乘积为正。 

5.5.3  复杂控制系统的设计
当被控对象的惯性和时间延迟很大时，单回路控制系统无法满足控制质量的要求，这时必须采用复杂控制系统。复杂控制系统是指比单回路控制系统复杂的多回路系统，特殊作用的控制系统以及具有复合控制方式的控制系统。最常见的复杂控制系统有串级、前馈、比值等控制系统。

1.串级控制系统
串级控制系统是在单回路控制系统的基础上发展起来的，对改善控制系统的控制品质非常有效，在过程控制中应用相当广泛，是一种典型的复杂控制系统。

我们通过一个实例来说明串级控制原理。图5.37是夹套式反应釜温度控制的例子。反应釜中的放热化学反应所产生的热量必须被传输出去，以保证化学反应的温度条件。冷却水通过夹套把反映热带走。图5.37（a）是一个单回路控制系统。TT表示温度测量变送器，TC表示温度控制器。这个控制系统的结构图见图5.38。影响反应釜反应温度的因素来自反应物料和冷却水两个方面，用 表示物料方面的扰动，用 表示冷却水方面的扰动。因为这两个扰动的作用点不同，对反应釜温度 的影响也不一样。若冷却水发生扰动，如冷却水入口水温度突然升高或冷却水流量突然减小，这个扰动经过夹套、反应釜的槽壁、反应釜（反应槽）才能对 发生影响，由于被控对象热容量大，热传递过程的惯性很大。在 发生变化后，控制器才能开大冷却水进水调节阀，加大流量，但影响到 又要经过一个热传递过程。这将使反应釜的温度 发生较大的偏差。可见单回路系统不能满足控制的要求。

由于冷却水方面的扰动会很快影响到夹套温度，如果把单回路控制系统改变成图5.37（b）的形式，即增加一个夹套温度控制系统，当冷却水扰动发生时，这个控制回路会立即产生控制作用，稳定由于这个控制回路惯性小，反应快， 很快会被稳定下来， 基本上不受  扰动的影响，控制质量就大大得到改善。图5.39是这个系统的结构图。

图5.39所示的控制系统为串级控制系统。当被控对象具有较大的惯性和容量延迟时，

若被控对象可以分为两部分，称为过程Ⅰ，过程Ⅱ，如图5.40 所示。过程Ⅱ的输出是过程Ⅰ的输入,会对被控变量产生重大影响.一般情况下,过程Ⅱ 的惯性较小,过程Ⅰ的惯性较大.对于这种情况,采用单回路控制方案,对发生在过程Ⅱ 上的扰动,控制效果很差,采用串级控制方式,则能收到较为满意的控制效果。

    串级控制系统的结构图见图5.41。串级控制系统共有2个控制回路.内部的反馈回路称为副回路。副回路包括副控制器(副调节器),调节阀,副对象(即过程Ⅱ )和副变送器.发生在副回路内的扰动称为二次扰动。外部的控制回路称为主回路.主回路包括主控制器(主调节器),整个副回路,主对象(过程Ⅰ )和变送器。发生在主对象上的扰动称为一次扰动。如果把整个副回路当成一个等效环节,它串联在主回路的前向通道上。这就是串级控制名称的由来。串级控制在结构上有两个特点:一个特点是串级控制虽然有两个控制器,两个变送器和两个测量参数,但仍然是一个单输入单输出系统,系统只有一个需人为设定的给定值,只有一个控制变量(即副控制器输出),只有一个执行机构,因而也只能有一个被控变量,这一点和单回路控制系统极其相似;串级控制的另一个结构的特点是主控制器和副控制器串联在回路中.主控制器的输出是副控制器的给定值.主控制器接受设定的给定值,所以整个串级控制系统是一个定值调节系统.副控制器的给定值是主控制器的输出,因为这个输出要随着扰动而变化,所以副回路是一个随动系统.过程控制中还会经常遇到具有两个回路的控制系统,只要不符合以上两个特征,就不是串级控制系统.

  串级控制在控制品质上也有两个最显著的特点.图5.42是某个串级控制系统的结构图,图中标明了各环节的传递函数.为了比较控制效果,图5.43给出了同一被控对象的单回路控制结构图.

当二次扰动进入副回路后,二次扰动至控制系统输出(称为主参数)的传递函数为

而单回路系统, 至主参数 的传递函数为:

比较两式，串级系统的传递函数分母比单回路系统大的多。这说明，串级控制系统使二次扰动对主参数的增益明显减小，与单回路相比，二次扰动的影响可以减小10-100倍。从作用原理上看，二次扰动首先影响副对象的输出（称为副参数），副控制器立即产生控制作用，由于副对象（或副过程）惯性较小，所以扰动的影响很快得到克服，不会对被控变量产生大的影响。串级控制的副回路对进入副回路的干扰有很强的克服能力。这是串级控制的一个显著的特点。在设计串级控制系统时，一定要把被控对象的主要扰动包括在副回路内。这是设计串级控制系统的根本原则。

  对于一次扰动，是不经过副回路的。但副回路的存在却可以使副回路的等效传递函数的惯性大大减小，改善了系统的动态特性，加快了系统的响应速度。这是串级控制的另一个显著特点。

   在串级控制中，副回路主要是为了抑制二次扰动，并不要将二次扰动完全消除，所以精度要求并不高，副控制器选比例控制就可以了。主回路的任务是保证系统输出与给定值一致，控制精度要求高，所以主控制器应选择比例积分（PI）或(PID)控制器。副回路起“粗调”作用，要求响应快，主回路起“细调”作用，要求精度高。这是选用主副控制器的原则。

串级控制系统主副控制器参数定有多种方法。当主副对象惯性相差不大，主副回路相互影响时，可采用逐步逼近法。即先断开主回路整定副控制器参数，然后再整定主回路参数，接着再次在闭环下整定副回路参数。先副后主，逐步逼近，直到控制性能指标满意。二步整定法适用于主副对象时间常数相差较大的情况。在系统闭合时先整定副回路，然后把副回路当成一个环节，整定主回路。这种方法应用较广。

2.前馈控制及前馈-反馈控制系统

    图5.44 是一个换热器的反馈控制原理图。这是一个普通的单回路反馈控制系统。不论什么干扰，只要引起被控变量的变化，控制系统都能产生控制作用，对被控变量进行控制。但是，按照反馈控制原理，被控变量在偏离给定值以后控制系统才能产生控制作用。也就是说，当扰动已经产生影响后才能加以控制。这种控制方式是不及时，是以被控变量发生偏差为代价的。另外，像换热器这样的多容对象，由于热容量大，传热过程较慢，因而惯性大，响应速度慢，控制质量难以提高。如果换热器的扰动来自被加热物料的进料流量，我们可以测出物料流量，按图5.45那样的方法进行控制。这种控制方式就是前馈控制方式。

   前馈控制的原理如图5.46所示。图中，是被控对象扰动通道的传递函数，是被控对象控制通道的传递函数。当扰动 作用于系统时，将使系统的被控变量发生变化，如图5.47中的虚线所示。如果我们同时测量扰动，并让扰动通过一个传递函数为的前馈控制器，并通过被控对象的控制通道使被控变量也产生一个变化，如图5.47中实线所示。当两个输出大小相等，方向相反时，被控变量将不发生任何变化，好像与扰动无关。这就是前馈控制的不变性原理。

   前馈控制和反馈控制在原理上完全不同。反馈控制是按偏差进行控制的，而前馈控制则是按扰动进行控制的。在前馈控制系统中，前馈控制器只接受扰动信号，被控变量不参与控制，因此，前馈控制是开环控制。

   按照不变性原理，从图5.46可得到前馈控制器的传递函数

                (5.40)

式（5.40）说明，PID控制规律不适合前馈控制器。前馈控制器的控制规律完全取决于被控对象的特性。

   理想的前馈控制要求和有完全的了解，实际上这是不可能的。如果只要求系统在达到稳态是能对扰动进行完全补偿，不考虑动态过程，则式（5.40）就变为

                  (5.41)

式中为被控对象扰动通道放大系数，为被控对象通道放大系数。按这种方法设计的前馈控制器产生的控制作用，称为静态前馈。静态前馈控制器是个比例环节。按式（5.40）的前馈控制器产生的控制作用称为动态前馈。由于这种控制器难以实现，实际中使用的是一种简单的动态前馈控制器，它的传递函数为

                 (5.42)

这是一个超前-迟后环节。在单位阶跃输入下，该环节的输出为                     

              (5.43)

图5.48 是其阶跃响应。通过调整和的关系，可以得到不同的超前或迟后动态过程。因为过程控制被控对象具有惯性大，一般无振荡特性的特点,超前-迟后动态补偿比较符合这个特点，虽不能对扰动完全动态补偿，但可以取得相当满意的控制效果。

    前馈控制虽然有较明显的优点，但由于实际的工业对象往往存在不止一个扰动，为了对这些扰动进行补偿，必须设计多个前馈控制器。如果扰动无法测量，前馈控制就不能应用，所以，单独应用前馈控制系统并不能取得很好的控制效果。工程上常将前馈与反馈结合起来，构成前馈-反馈复合控制系统。图5.49是前馈-反馈控制系统的结构图。

    前馈-反馈控制系统是按扰动控制与偏差控制相结合，开环控制与闭环控制相结合的复合控制系统。它既发挥了前馈控制响应快的优点，又保持了反馈控制能克服各种扰动的特长。两种控制方式的结合，又互相抑制了对方的缺点，取长补短，是一种过程控制中经常用到的控制系统。对系统的主要扰动，采用前馈控制方法，对其他扰动，采用反馈控制方法，既能在主要扰动发生时使系统快速克服扰动的影响，又能在其他扰动发生时，使被控变量最终与给定值保持一致。

   前馈-反馈控制系统的参数整定，可以分开独立进行。前馈按前馈控制规律进行，反馈按反馈控制的PID参数进行整定。由于反馈控制有消除偏差的能力，前馈控制在复合控制系统中仅起“粗调”作用就可以了，不必要求一定要补偿主要扰动的影响。前馈控制把主要扰动的影响降低到一定程度后，余下的部分可以通过反馈的“细调”作用来补偿，这就减低了对前馈控制器的要求。

前馈控制还可以和串级控制组成复合控制系统，完成更复杂的控制任务。

3. 比值控制系统

    比值控制是一种特定形式的控制方式，主要用来控制两种物料之间的流量之比。例如使进入化学反应器的两种反应物之间保持比例关系，使燃烧种燃料和空气保持一定比值等。

常见的比值控制有单闭环比值控制、双闭环比值控制和变比值控制等。

    图5.50 是单闭环比值控制系统结构图。图中，是不加控制的流量。称为主动流或自由流。是要求与保持比例关系的流量，称为从动流，是被控制的流量。两个流量都被测量，的测量值通过比值计算器为流量控制系统提供给定值，流量控制系统则是一个普通单回路控制系统。这是一个随动系统。

    图5.51是双比值控制系统及结构图。有时，不仅需要两种物料保持一定的比例关系，还要求两种物料能克服干扰，保持流量稳定。这种控制方式适用于负荷变化而比值精度要求高的场合。

    在有些情况下，比值控制系统中两种物料的比值不是一个常数，而是随某种参数变化。按其变化规律设计的比值计算器（或称比值控制器），可以提供变化的比值。这种比值控制方式称为变比值控制。

4.其他控制系统

    在过程控制中，还会应用到另外一些控制系统，如分程控制，选择控制等。

    分程控制系统的原理结构图见图5.52。分程控制系统只有一个被控变量，一个测量参数。控制信号被划分成若干区段，每一区段有对应的执行机构，可以按不同的条件对被控对象的输出加以控制。在化工、能源工程中都可见到分程控制的例子。

图5.53是选择性控制的原理图。选择性控制系统的特点是系统中有一个选择器，可以对来自不同控制器或来自不同变送器的信号进行选择，以使系统在不同条件下按不同方式运行。

   在工业生产过程中，遇到生产异常情况，常采用紧急停车的手段，防止事故发生。这就是系统的硬限控制。这种方式有时是不必要的，会对生产和企业的经济效益产生较大的影响。选择性控制则可在一定条件下适应这种情况。当生产异常时，另一个控制系统取代正常系统，降低要求、维持生产，并保证有关参数不越限，待生产恢复正常后，再通过选择器使正常的控制器恢复工作。这种控制方式是对生产过程的一种软保护。称为软限控制。具有这种功能的选择性控制系统称为取代控制系统或超驰控制系统。超驰控制仅是选择性控制的一种应用。

    本节讨论了简单控制系统和几种过程控制中常用的复杂控制系统。这些控制系统基本上都是按PID控制规律工作的，称为常规控制方式。

    现在，生产过程的新技术、新工艺以及新型的生产设备都对自动控制提出了更高的要求。在新的控制理论指导下的许多高级、先进的控制方式正在逐步获得应用。例如最优控制系统，自适应控制系统，预测控制系统，智能控制系统等。但PID控制已被证明是一种简单，有效的控制方式，在过程控制中仍起主流作用。适应先进控制方式的PID控制企业在不断地涌现，有些已经有比较成熟的产品，如智能化自整定PID控制器等。先进的控制方式在过程控制中完全取代PID控制，在理论和技术上都需要继续探索。与此同时，实现过程控制各种控制方式的硬件设备--自动化仪表，早已进入计算机时代。新型的自动化仪表产品层出不穷。以计算机为核心的自动控制系统产品，从原理、功能、甚至外观形状，都突破了 统仪表的概念，以至于出现了以软件为基础的“虚拟”仪表。先进的硬件设备为先进的控制方式在过程控制中的应用提供了有力的支持。下面将介绍几种先进的计算机控制系统。