高速闭环自适应系统

[b][color=#990000][size=16px]摘要：为解决电主轴热误差影响大以及预热和冷却响应速度慢的问题，本文基于改变冷却介质热容可调节散热量的原理，提出了高速和高精度冷却液流量调节的闭环控制解决方案。解决方案中的反馈式闭环控制系统主要包括非接触式位移传感器、高速电控针阀和高精度[/size][size=16px]PID[/size][size=16px]控制器，通过高速和高精度电控针阀对冷却介质流量进行实施调节，可快速改变作用在主轴上的散热量，使主轴轴向热变形快速达到最小值并始终保持稳定状态。[/size][/color][/b][align=center][size=16px][img=高速电主轴冷却系统中的电控针阀流量闭环控制解决方案,600,392]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/07/202307060506528065_863_3221506_3.jpg!w690x451.jpg[/img][/size][/align][size=18px][color=#990000][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 对于高速数控机床而言，热误差是机床最主要误差，而电主轴则是热误差的主要误差源之一。为有效降低电主轴发热的影响，研究工作主要集中在电主轴冷却结构和冷却控制方面，但仍存在以下两方面的技术难点需要攻克：[/size][size=16px] （1）冷却效果差：还需根据电主轴内部温度场的分布进行冷却结构设计以及差异化冷却。[/size][size=16px] （2）响应速度慢：缺乏主动热误差控制技术手段，需实现电主轴温度的自动闭环控制。[/size][size=16px] 目前国际上电主轴热误差控制的最高水平是瑞士FISCHER公司的电主轴及其主动式冷却技术，其关键是将冷却回路集成在主轴中而大幅降低了热误差，使轴向膨胀减少了70%。特别是响应速度极快，预热和冷却时间大幅减少，等待时间缩短五倍。其热误差控制效果如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=01.瑞士FISCHER公司电主轴冷却效果示意图,650,288]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/07/202307060509497004_7930_3221506_3.jpg!w690x306.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 瑞士FISCHER公司电主轴冷却效果示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 为解决国内电主轴热误差影响大以及预热和冷却响应速度慢的问题，本文基于改变冷却介质热容以调节散热的原理，提出了高速和高精度冷却液流量调节的闭环控制解决方案。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 在电主轴冷却过程中，除了需要电主轴具有合理的冷却结构之外，还要求能将主轴所产生的热量及时带走，并使主轴受热引起的膨胀量快速达到最小值且保持恒定。[/size][size=16px] 针对国内电主轴冷却响应速度慢的问题，本文的解决方案是基于改变冷却介质热容的原理，即改变冷却介质流量来改变冷却介质热容，这意味着快速改变了作用在主轴上冷却量，由此来主动调节主轴温度并快速达到稳定。解决方案的实施采用闭环控制系统，闭环控制系统包括检测电主轴热膨胀位移量的非接触位移探测器、接收主轴热膨胀变形信号的高精度PID控制、受PID控制器驱动并对恒温冷却介质流量进行高速精密调节的电子针阀，此闭环控制系统结构如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=02.电主轴主动冷却闭环控制系统结构示意图,500,287]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/07/202307060510119009_2558_3221506_3.jpg!w690x397.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图2 电主轴主动冷却闭环控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在此解决方案中，闭环控制系统中每一个部件的精度和响应速度等技术指标都会影响到电主轴最终热误差的控制精度。[/size][size=16px] 对于非接触位移探测器而言，需要具有几个微米的测量精度和一秒量级的响应速度，对于高速高精度机场的电主轴则可能需要更高位移测量精度和响应速度。位移探测器一般选择激光式或电容式位移传感器。[/size][size=16px] 对于冷却介质流量的调节，需根据电主轴规格、发热量和冷却介质最大输出流量选择相应流量调节范围的电控针阀，但无论流量调节是什么范围，都要求电控针阀具有小于一秒的响应速度，并具有很好的线性度，为此在本解决方案中选择采用了NCNV系列电动针阀，可直接采用模拟信号0~10V进行控制，响应速度800ms，线性度0.1~11%，孔径范围为0.95~6.7mm，液体水的最大流量范围是0.94~62.4L/min，流量调节分辨率为0.1~2L/min，完全可以满足各种规格电主轴的快速冷却调节。[/size][size=16px] 对于PID控制器，解决方案选择了VPC2021系列超高精度PID控制器，此PID控制器具有24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比，可充分发挥位移探测器和电控针阀的高精度优势。同时此系列PID控制器还具有独立双通道控制、PID自整定、RS485通讯接口、串行控制和计算机软件等高级功能，可对两个冷却回路进行同时控制，便于进行调试以及后续的上位机通讯。[/size][size=18px][color=#990000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，通过此解决方案所使用的直接冷却流量调节的闭环控制系统，结合合理的冷却结构设计，可大幅度减少电主轴的轴向膨胀，使预热和冷却速度更快，可大幅缩短等待时间。更重要的是采用了闭环控制方式，使电主轴始终处于稳定的热条件下，保证了加工精度的重复性，使得废品率更低。另外这种主动式冷却方案可有效散发主轴中产生的热量，提高了电机过载能力。[/size][size=16px][/size][align=center][size=16px][b][color=#990000]~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/size][/align]

[font=arial, helvetica, sans-serif]在工业化初期，测量机械结构的试验力至关重要。大约在1940年，一种应变式称重传感器被发明出来。用于测量试验力并将该力值以电信号形式输出的力传感器，大部分使用应变片来将材料变形/力转换成电信号。[/font][size=14px][back=transparent][font=arial, helvetica, sans-serif]19世纪50年代，力传感器应用于拉伸和压缩试验机。力传感器理想[/font][/back]的安装位置，是在与工件的连接处的前端或尽量靠近的区域。电子系统利用反馈信号来调节加载装置，进而得到设定的试验力。[/size][font=arial, helvetica, sans-serif][size=14px][back=transparent]基于闭环系统的优越性能，如今，所有电子拉伸压缩试验机都只采用闭环控制。闭环系统可以连续测量加载试验力，且闭环系统中使用的组件比砝码式要简单得多。正如上文提到的砝码式系统，为确保运行正常，砝码式系统要求杠杆、轴点和零部件间的摩擦（相互配合）。[/back][/size][/font][size=14px][back=transparent][font=arial, helvetica, sans-serif]对于一台硬度计，压头是测试系统与样品接触的一[/font][/back]部分，它是获得正确硬度值最重要的一个因素。为了消除结构缺陷的影响，机械方面的移动或其他干扰都会影响试验力，因此力传感器需与压头尽可能靠近。[/size][back=transparent][font=arial, helvetica, sans-serif][back=transparent]只有这样，基于力传感器的优势，闭环系统才能获得[/back]较高的[/font][/back][font=arial, helvetica, sans-serif][back=transparent]试验力精度。如将力传感器安装在硬度计其他位置，它相对于传统砝码式系统的优势将不复存在。[/back][/font][img=闭环控制,544,622]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202280925498150_4925_3317_3.jpg!w544x622.jpg[/img][font=arial, helvetica, sans-serif][size=14px][back=transparent][b]闭环系统的优势：[/b][/back]高精度试验力力反馈系统确保加载试验力的准确性宽泛的试验力且不受限于机械结构简便的测试流程对比砝码系统，简化机械结构简单的校正程序[/size][/font][font=arial, helvetica, sans-serif][size=14px][back=transparent][b]闭环系统的缺点:[/b][/back]对比砝码系统，价格更贵需要供电系统[/size][/font]

[size=16px][color=#339999][b]摘要：在目前的流体比值混合控制系统中，普遍采用的是多通道闭环PID控制系统对各路流量进行准确控制后再进行混合，这种控制方式普遍存在的问题是对流量调节阀的响应速度、耐腐蚀性和线性度有很高要求。为此本文提出的第一个解决方案是采用NCNV系列强耐腐蚀的高速和高线性度电控针阀，第二个解决方案则是不再使用流量调节阀，改用压力控制器通过调节流体进口压力来实现流量的精密控制，而第二种方案更适用于微流量的精密控制。[/b][/color][/size][align=center][b][color=#339999]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/align][size=18px][color=#339999][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 在医药实验室、燃烧系统和化工领域的生产过程中，常需要将两种或两种以上的流体物料保持一定的比例进行混合，如比例一旦失调，将影响质量甚至造成事故，因此这种多种流体精密混合的控制需要采用精密的PID比值控制系统。一个比较典型的两种流体混合的双闭环PID比值控制系统如图1所示，但这种比值控制系统存在以下几方面的问题和注意事项：[/size][align=center][size=18px][color=#339999][b][img=常用双回路比值控制系统示意图,600,354]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308231002390515_7752_3221506_3.jpg!w690x408.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 常用化学药品注入双回路比值控制系统示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] （1）图1所示结构是一种典型的流量调节方式的控制系统，即通过两个控制阀同时调节两路流体流量，并使两路流量达到设定比值，以实现混合后的准确比率。但这种流量调节方式的前提是其中的两路液体必须有相应的压力进行驱动，且要求相应的驱动压力尽可能稳定。[/size][size=16px] （2）流量调节方式要求控制阀具有较快的调节速度，如果流量调节速度慢于驱动压力的波动速度，则很难实现准确控制。[/size][size=16px] （3）在很多流体比值混合中，流体介质往往都带有腐蚀性，这就要求液体流动管路中的所有装置都需要具有耐腐蚀性，特别是对内部带有运动机构的控制阀，其耐腐蚀性尤为关键。[/size][size=16px] （4）PID控制是一种典型的线性控制技术，为了保证比值控制的准确性，除了要求流量计和PID控制器具有相应的测量控制精度之外，更要求控制阀开度与控制信号之间具有很好的线性关系，否则很难实现较高精度的流量控制，从而也无法实现高精度的比值控制。[/size][size=16px] 上述的快速调节能力、耐腐性以及线性度往往是对流量控制阀的严峻挑战，很少有控制阀能同时满足这些要求，而且口径越大的控制阀越难实现。[/size][size=16px] 为了解决比值控制中控制阀中存在的响应速度、耐腐蚀性和线性度问题，本文提出了两种解决方案。第一种方案是在流量调节的基础上，采用耐腐蚀的线性度好的高速数控针阀；第二种方案是采用压力控制方式来实现流量调节，省略掉流量控制阀，同样可以实现高精度比值控制。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 本文在这里设计了两套解决方案，第一套方案还是采用流量调节技术，只是对控制阀和比值控制器进行了明确，关键是将流量控制阀采用了NCNV系列步进电机驱动的高速高线性度的数控针阀来代替，整个控制系统结构如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=采用高速数控针阀的比值控制系统,600,341]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308231003088266_938_3221506_3.jpg!w690x393.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 采用高速数控针阀的比值控制系统[/b][/color][/size][/align][size=16px] 所用的NCNV数控针阀的通经范围为0.9~4.1mm（甚至更大），全量程响应时间小于1秒，可实现高速流量调节。由于采用了步进电机驱动，从而具有很小的磁滞和优于±2%的线性度，全量程的重复精度可以达到±0.1%。另外此系列数控针阀还具有极低的漏率，可用于对真空密封要求苛刻的使用场合。数控针阀的控制除了可以直接采用0~10V模拟电压控制之外，也可采用RS485信号进行通讯控制。[/size][size=16px] 图2所示的流量调节比值控制系统中，比值控制器采用了VPC2021系列多功能PID控制器。此控制器具有两路独立通道进行比值控制。重要的是这两路PID控制通道都具有24位AD采集精度和16位DA控制精度，由此可进行高精度的比值控制，还可以满足微小流量变化的控制要求。[/size][size=16px] 在第二套解决方案中，采用了压力控制器、流量计和比值控制器构成的双闭环控制回路来进行每个独立管路中的流量控制，由此最终实现比值控制。由于每个管路中的管径保持不变，那么通过改变进液压力就可以调节流量。这种采用压力控制方式的比值控制系统如图3所示。进液压力控制可以采用对进液容器内部的气压控制方式将流体压出，这时的气压控制就相当于一个气压泵，此流量控制方式可以实现很高的控制精度。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=采用压力控制器的比值控制系统,600,338]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308231003293037_3318_3221506_3.jpg!w690x389.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图3 采用压力控制器的比值控制系统[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，通过上述的两套解决方案，可以很好的解决目前流体混合中比值控制在响应速度、耐腐蚀性和线性度等方面存在的问题，可以实现流体比值混合的高精度控制。特别在第二套解决方案中所采用的压力控制技术，去掉了流量控制阀，但增加了压力控制来调节流量，由此可以实现超高精度的流量控制，特别适用于微流量的快速控制，可推广应用于微流控领域。[/size][align=center][size=16px][/size][/align][align=center][b][color=#339999]~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/align][size=16px][/size]

振动台闭环数控程序（以下简称：VibControl控制系统）是基于系统非线性迭代补偿理论来对控制信号和响应信号进行修正的。1.1 单自由度系统构成[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/11/200911230112_185926_1634361_3.jpg[/img]1.2 六自由度系统构成[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/11/200911230113_185927_1634361_3.jpg[/img]液压振动台其实就是电液伺服技术的进一步扩展,不过在高性能和大吨位的技术上远远高于电磁台的水平,如大型地震模拟系统和整个装甲车的振动模拟系统都是液压振动台.

[size=16px][color=#339999][b]摘要：针对目前锁相红外热成像无损检测中存在被检物温度偏离标准正弦波形式的检测模型，以及被检物温度无法准确控制和快速达到稳定的问题，本文提出了改进解决方案。解决方案的核心是将现有的激励光源开环控制模式改进为闭环控制，具体采用了具有远程设定点功能的PID温度控制器，将现有光源的正弦波功率调制改进为直接的被检物表面温度正弦波调制，由此更符合理论模型，且可使被检物平均温度快速达到稳定而大幅缩短检测时间。[/b][/color][/size][align=center][size=18px][color=#339999][b]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#339999][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 如图1所示，锁相红外热成像无损检测技术使用周期性调制热源，对待测物体进行周期加热。若待测物体内部有缺陷，该缺陷对其上方表面温度分布会产生周期性的影响，因此有缺陷和无缺陷地方会产生幅值差和相位差的热特征，这些特征通过红外热像仪成像捕获。采集到的热图序列中存在着各种干扰信号，通过锁相技术可以将微弱的有用信号从众多干扰信号中分离出来，可大幅提高检测的灵敏度。但这种红外锁相或其他光激励热成像法存在以下严重问题：[/size] [align=center][size=18px][color=#339999][b] [img=红外锁相热成像检测原理及其系统,500,611]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/07/202307031442140543_4031_3221506_3.jpg!w622x761.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 红外锁相热成像检测原理及其系统[/b][/color][/size][/align][size=16px] （1）因为现有技术只能对激励热源的加载功率进行正弦波调制，但并不能真正保证被测物体内部的温度变化也是真正的正弦波形式，这使得热像仪获得的热波波形与检测理论模型存在较大偏差，这是目前造成此方法误差的最大原因。[/size][size=16px] （2）目前锁相法调制光源加热被测物体时的温度时间变化曲线如图2所示，要经过较长时间温度才能达到稳定状态，对于较大或较厚物体用时将会更长，其中最大的问题是温度升高多少无法准确控制，只能靠经验或多次试验来确定调制光源的加热功率以实现所希望的温度变化。[/size][align=center][size=18px][color=#339999][b][img=红外锁相法加热过程中的时间-温度变化曲线图,500,379]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/07/202307031442434774_7846_3221506_3.jpg!w472x358.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 红外锁相法加热过程中的时间-温度变化曲线图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 由此可见，目前的红外锁相法还较粗狂，整个控制还是一个开环控制过程，这使得在实际无损检测中边界条件无法准确匹配测试模型，温度变化波形和大小也无法做到准确控制。为了解决这些问题，本文提出了如下一种闭环控制解决方案。[/size][b][size=18px][color=#339999]2. 解决方案[/color][/size][/b][size=16px] 为使被检物体内部的温度变化符合测试模型中正弦波形式的要求，本文提出的解决方案是采用闭环控制加热模式，即在被检物体的表面或内部安装温度传感器，与PID控制器和激励光源组成闭环控制回路，通过正弦波形式的设定点输入，最终将被检物体表面或内部温度准确控制并与正弦波温度设定曲线吻合。整个闭环控制系统结构如图3所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=正弦波温度加热光源控制系统结构示意图,650,387]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/07/202307031443195882_6318_3221506_3.jpg!w690x411.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图3 正弦波温度加热光源控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 从图3可以看出，由增加的温度传感器、卤素灯加热光源和控制器组成的闭环控制回路，可以对被检物表面温度进行任意设定点下的精确控制。但为了使表面温度能够严格按照所希望幅值和周期的正弦波形式进行变化，解决方案中采用一种多功能的高级PID控制器VPC2021。此控制器具有外部设定点功能，即通过外接周期信号发生器，可以使VPC2021控制器的温控设定值严格按照信号发生器的输出进行改变，即温控设定值可以设计为一个随时间变化的周期性正弦波。由此可以实现以下两个功能：[/size][size=16px] （1）可任意设定加热正弦波的频率和幅值，以满足不同无损检测对象的需要。[/size][size=16px] （2）可任意设定加热正弦波的平均值大小，由此可实现任意温度下的正弦波热波控制，并能很快达到稳定状态而开始进行无损检测，有效缩短检测时间。[/size][size=16px] VPC2021系列超高精度PID调节器是具有远程设定点功能的控制器，具有两个输入通道，第一主输入通道作为过程传感器输入，第二辅助输入通道用来作为远程设定点输入。与主输入信号一样，辅助输入的远程设定点也能接受47种类型的输入信号，其中包括10种热电偶温度传感器、9种电阻型温度传感器、3种纯电阻、10种热敏电阻、3种模拟电流和12种模拟电压，即任何探测信号只要能转换为上述47种类型型号，都可以直接接入第二辅助输入通道作为远程设定点源。在红外锁相法无损检测中使用远程设定值功能时的具体接线如图4所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=远程设定点功能使用接线图,690,247]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/07/202307031443467549_5148_3221506_3.jpg!w690x247.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图4 远程设定点功能使用接线图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在使用远程设定值功能前，需要对控制器辅助输入通道参数进行设置，以满足以下要求：[/size][size=16px] （1）辅助通道上接入的远程设定点信号类型要与主输入通道完全一致。[/size][size=16px] （2）辅助通道的显示上下限也要与主输入通道完全一致。[/size][size=16px] （3）显示辅助通道接入的远程设定点信号大小的小数点位数要与主输入通道保持一致。[/size][size=16px] 完成辅助输入通道参数的设置后，开始使用远程设定点功能时，还需要激活远程设定值功能。远程设定值功能的激活有以下两种方式：[/size][size=16px] （1）仅使用远程设定点，不使用本地设定点：在PID控制器中，设置辅助输入通道2的功能为“远程SV”，相应数字为3。[/size][size=16px] （2）可进行远程和本地设定点之间切换：在PID控制器中，设置辅助输入通道2的功能为“禁止”，相应数字为0。然后设置外部开关量输入功能DI1为“遥控设定”，相应数字为2。通过这种外部开关量输入功能的设置，就可以采用图4中所示的纽子开关实现远程设定点和本地设定点之间的切换，开关闭合是为远程设定点功能，开关断开时为本地设定点功能。[/size][size=16px] 需要注意的是，无论采用哪种远程设定点激活和切换方式，在输入信号类型、显示上下限范围和小数点位数这三个参数选项上，辅助输入通道始终要与主输入通道保持一致。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，通过此解决方案所使用的具有远程设定点功能的PID控制器，结合外置周期信号发生器，可很好实现锁相红外热成像无损检测中的正弦波温度闭环控制，使得被检物体内部的稳态正弦温度波更符合无损检测模型，并使得被检物温度快速达到所希望的测试温度而缩小检测时间，最终可使得锁相红外成为更精密化的无损检测技术。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][b][color=#339999]~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/size][/align][size=16px][/size]

[size=14px][color=#990000]摘要：本文主要针对各种工业生产和仪器设备中的温度、流量、真空、压力和张力等参数的高精度自动控制，介绍了几种常用的复杂控制系统，如串级、分程、比值、前馈-反馈、选择性以及三冲量控制系统。本文主要目的是展示这些复杂控制技术基本概念和结构框图，为后续推出的各种复杂控制用PID调节器做基础技术讲解，以便在实际自动化控制中能充分发挥复杂控制用PID调节器的强大功能。[/color][/size][size=14px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#990000][b]一、概述[/b][/color][/size][size=14px]控制系统一般又可分为简单控制系统和复杂控制系统两大类，所谓复杂，是相对于简单而言的。凡是多参数，具有两个以上传感器、两个以上调节器或两个以上执行器组成多回路的自动控制系统，通称为复杂控制系统。[/size][size=14px]如图1所示，目前常用的复杂控制系统有串级、分程、比值、前馈-反馈、选择性以及三冲量等几种形式，并且随着生产发展的需要和科学技术进步，还会陆续出现了许多其他新型的复杂控制系统。[/size][align=center][size=14px][img=01.复杂控制器构成,690,187]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210141044037509_6178_3221506_3.png!w690x187.jpg[/img][/size][/align][size=14px][/size][align=center]图1 常用的几种复杂控制系统[/align][size=14px][/size][size=14px]本文将针对上述几种复杂控制系统，重点介绍这些复杂控制系统中使用的超高精度PID控制器和典型应用案例，以期提高工程应用的设计效率、提高控制效果和降低成本造价。[/size][size=14px][/size][b][size=18px][color=#990000]二、串级控制（Cascade Control）系统[/color][/size][/b][size=14px][/size][size=14px]串级控制系统是应用最早和最广泛的一种复杂控制系统，它是根据系统结构命名。串级控制系统由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，这类控制系统称为串级控制系统。[/size][size=14px][/size][size=14px]串级控制系统的特点是将两个PID调节器相串联，主调节器的输出作为副调节器的设定，当被控对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，可考虑采用串级控制系统。特别是需要进行超高精度控制，以及跨参数和跨量程控制时，串级控制系统则能重复发挥其优势。[/size][size=14px][/size][size=14px]串级控制系统广泛应用于温度、真空、流量、压力和张力控制等方面，典型的串级控制系统结构如图1所示。[/size][size=14px][/size][align=center][size=14px][img=02.串级控制系统结构示意图,550,220]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210141044355064_2880_3221506_3.png!w690x276.jpg[/img][/size][/align][size=14px][/size][align=center]图2 串级控制系统结构示意图[/align][size=14px][/size][size=14px]如图2所示，串级控制系统包括副控回路（由副调节器、执行器和传感器1组成）和主控回路（由主调节器、副控回路和传感器2组成），主控回路和副控回路以串联形式与被控对象连接，其中副控回路相当于主控回路中的执行器。以下是串级控制系统中各部分的主要功能：[/size][size=14px][/size][size=14px]（1）主调节器（主控制器）：根据主参数（传感器2测量值）与设定值的偏差而进行PID调节，其输出作为副调节器的设定值。[/size][size=14px][/size][size=14px]（2）副调节器（副控制器）：其设定值由主调节器的输出决定，并根据副参数（传感器1测量值）与给定值（即主调节器输出）的偏差进行PID调节。[/size][size=14px][/size][size=14px]（3）副回路（内回路）：由副参数（传感器1）、副调节器及所包括的一部分被控对象所组成的闭环回路（随动回路)[/size][size=14px][/size][size=14px]（4）主回路（外回路）：将副回路看做是一个执行器，则主参数（传感器2）、主调节器、副回路及被控对象组成的闭环回路（主动回路）。[/size][size=14px][/size][size=14px]（5）主对象（被控对象、惰性区）：主参数（一般为传感器2）所处的那一部分工艺设备，它的输入信号为副变量，输出信号为主参数（主变量）。[/size][size=14px][/size][size=14px]（6）副对象（导前区）：副参数所处的那一部分工艺设备，它的输入信号为主调节量，其输出信号为副参数（副变量）。[/size][size=14px][/size][size=14px]串级控制系统是在单回路控制结构上增加了一个随动的副回路，因此，与单回路控制相比有以下几个特点：[/size][size=14px][/size][size=14px]（1）对进入副回路的扰动具有较迅速和较强的克服能力。[/size][size=14px][/size][size=14px]（2）可以改善对象特性，特别是能提高控制精度和工作效率。[/size][size=14px][/size][size=14px]（3）可消除副回路的非线性特性的影响。[/size][size=14px][/size][size=14px]（4）可实现夸参数和夸量程的控制。[/size][size=14px][/size][size=14px]（5）串级控制系统具有一定的自适应能力。[/size][size=14px][/size][size=14px]二、分程控制（Split-Range Control）系统[/size][size=14px][/size][size=14px]简单控制系统就是一个调节器的输出驱动一个执行器动作，而分程控制系统的特点是一个调节器的输出同时驱动几个工作范围不同的执行器。[/size][size=14px][/size][size=14px]通常，在一个简单控制系统中，一个调节器的输出信号只控制一个执行器，其结构与特性如图3(a）所示。如果一个调节器的输出信号同时送给两个执行器，这就是一种分程控制系统。这里两个执行器并联使用，其工作特性如图3(b）所示。[/size][size=14px][/size][align=center][size=14px][img=03.分程控制系统结构和特性示意图,690,310]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210141045391335_1640_3221506_3.png!w690x310.jpg[/img][/size][/align][size=14px][/size][align=center]图3 简单（a）和分程（b）控制系统结构和特性示意图[/align][size=14px][/size][size=14px]分程控制已经广泛应用在温度、流量和压力控制等工业流程当中，也通常用来控制双模式的运行场合。例如，分程控制被用在保持一个既有加热控制又有冷却控制的容器内的温度。当其温度（单一测量值）低于目标温度设定值时，首先关闭冷却装置，然后开始打开加热装置。当温度上升到设定值以上时，首先关闭加热装置，然后开始打开冷却装置。另外一种分程控制方式是，采用分段量程控制来调整两个执行器从而实现更大范围内的操作。一个执行器控制低量程范围，另一个执行器控制高量程范围。以上两种应用场合都要求在每一个流程管线上配备一个执行器。[/size][size=14px][/size][size=14px]分程控制的典型应用是聚合反应工艺、冷热循环浴、TEC半导体温度控制、动态平衡法的真空和压力控制等。[/size][size=14px][/size][b][size=18px][color=#990000]三、比值控制（Ratio Control）系统[/color][/size][/b][size=14px][/size][size=14px]为保持两种或两种以上变量比值为恒定的控制叫比值控制。在炼油、化工、燃烧、制药、造纸和晶体生长等生产过程中，经常要求两种或两种以上的物料或工作气体按一定比例混合后进行工作。一旦比例失调，就会影响生产的正常运行，影响产品质量，甚至发生生产事故。[/size][size=14px][/size][size=14px]在比值控制系统中，一个变量需要跟随另一变量变化。前者称为从动量S，后者称为主动量M，比值K=M/S。通常选择的主动量应是系统中主要的物料或关键物料的相关变量，它们通常是可测不可控。常见的比值控制系统有单闭环比值、双闭环比值、串级比值（变比值）三种。[/size][size=14px][/size][size=14px][color=#990000][b]3.1 单闭环比值控制系统[/b][/color][/size][size=14px][/size][size=14px]单闭环比值控制系统结构如图4所示。[/size][size=14px][/size][align=center][size=14px][img=单闭环比值控制系统结构框图,600,236]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210141046030140_8657_3221506_3.png!w690x272.jpg[/img][/size][/align][size=14px][/size][align=center]图4 单闭环比值控制系统结构框图[/align][size=14px][/size][size=14px]单闭环比值控制系统的优点是不但能实现从动量跟踪主动量变化，而且能克服从动量干扰等。结构简单，能确保比值不变，是应用最多的方案。但缺点是主动量不受控。[/size][size=14px][/size][size=14px]如图2和图4所示，单闭环比值控制系统与串级控制非常相似，但它们的不同之处在于：[/size][size=14px][/size][size=14px]（1）单闭环比值控制系统无主对象，即主动量不受控，并且从动量不会影响主动量。[/size][size=14px][/size][size=14px]（2）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，该副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。[/size][size=14px][/size][size=14px]（3）串级控制的副控回路与比值控制系统的从动量控制子系统都是随动控制系统。[/size][size=14px][/size][size=14px]（4）比值控制系统中，从动量控制系统是随动控制系统，其设定值由系统外部的主调节器提供，其任务就是使从动量尽可能地保持与设定值相等，随着主动量的变化，始终保持主动量与从动量的比值关系。[/size][size=14px][/size][size=14px]（5）在系统稳定时，该比值是比较精确的，在动态过程中，比值关系相对不够精确。[/size][size=14px][/size][size=14px]（6）当主动量处于不变状态时，从动量控制系统又相当于一个定值控制系统。[/size][size=14px][/size][size=14px][b][color=#990000]3.2 双闭环比值控制系统[/color][/b][/size][size=14px][/size][size=14px]在主动量也需要控制时，增加一个主动量闭环控制系统，单闭环比值控制系统成为双闭环比值控制系统，双闭环比值控制系统结构如图5所示。[/size][size=14px][/size][align=center][size=14px][img=双闭环比值控制系统结构框图,600,313]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210141046526180_3146_3221506_3.png!w690x360.jpg[/img][/size][/align][size=14px][/size][align=center]图5 双闭环比值控制系统结构框图[/align][size=14px][/size][size=14px]双闭环比值控制系统的优点是：能克服主动量扰动，实现其定值控制。从动量控制回路能抑制作用于副回路中的扰动，使从动量与主动量成比值关系。当扰动消除后，主动量和从动量都恢复到原设定值上，其比值不变，并且主动量和从动量都变化平稳。当系统需要改变时，只要改变主动量的设定值，主动量和从动量就会按比例同时增加或减小，从而克服了上述单闭环比值控制系统的缺点。[/size][size=14px][/size][size=14px]双闭环比值控制系统常用于主动量和从动量扰动频繁，工艺参数经常需要改变，同时要求系统总参数恒定的工艺过程，如无此要求，可采用两个单独的闭环控制系统来保持比值关系。[/size][size=14px][/size][size=14px]在采用双闭环比值控制方案时，对主动量控制器的参数整定应尽量保证其输出为非周期变化，以防止共振的产生。[/size][size=14px][/size][size=14px][b][color=#990000]3.3 变比值控制系统[/color][/b][/size][size=14px][/size][size=14px]当系统中存在着除主动量和从动量干扰外的其他干扰，为了保证产品质量，必须适当修正两变量的比值。因此，出现了按照一定工艺指标自动修正比值系数的变比值控制系统。变比值控制系统要求两个变量的比值能灵活低地随第三变量的需要而进行调整，由此可见，变比值控制系统是一个以第三个变量为主变量、以其他两个变量比值为副变量的串级控制系统，有时变比值控制系统也成为串级比值控制系统。在变比值控制系统中，比值只是一种手段，不是最终目的，而第三变量往往是产品质量或工艺指标。[/size][size=14px][/size][size=14px]同样，变比值控制系统也可以有单闭环和双闭环形式，如图6所示。[/size][size=14px][/size][align=center][size=14px][img=变比值控制系统结构示意图,650,717]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210141048070661_493_3221506_3.png!w690x762.jpg[/img][/size][/align][size=14px][/size][align=center]图6 变比值控制系统结构框图：（a）单闭环结构；（b）双闭环结构[/align][align=center][size=14px][/size][/align][b][size=18px][color=#990000]四、前馈控制（Feedforward Control）系统[/color][/size][/b][size=14px][/size][size=14px]简单控制系统一般都属于反馈控制（feedback control），是按被控变量与设定值的偏差进行控制，因此只有在偏差产生后，调节器才对操纵变量进行控制，以补偿扰动变量对被控变量的影响。若扰动已经产生，而被控量尚未发生变化，反馈控制作用是不会产生的，所以，这种控制作用总是落后于扰动作用的，是不及时的控制。[/size][size=14px][/size][size=14px]由此，依据预防控制策略设计的控制系统称为前馈控制系统。前馈控制系统是根据扰动或给定值的变化按补偿原理来工作的控制系统，其特点是当扰动产生后，被控变量还未变化以前，根据扰动作用的大小进行控制，以补偿扰动作用对被控变量的影响。前馈控制系统运用得当，可以使被控变量的扰动消灭在萌芽之中，使被控变量不会因扰动作用或给定值变化而产生偏差，它较之反馈控制能更加及时地进行控制，并且不受系统滞后的影响。采用前馈控制系统的条件是：[/size][size=14px][/size][size=14px]（1）扰动可测但不可控。[/size][size=14px][/size][size=14px]（2）变化频繁且变化幅度大的扰动。[/size][size=14px][/size][size=14px]（3）扰动对被控变量的影响显著，反馈控制难以及时克服，且过程控制精度要求又十分严格的情况。[/size][size=14px][/size][size=14px]前馈控制的好处是直接控制无滞后，可以提高系统的响应速率，但是需要比较准确地知道被控对象模型和系统特性。而反馈控制的优点是不需要知道被控对象的模型即可实现比较准确的控制，但是需要偏差发生之后才能进行调节，具有滞后性。所以，理论上把前馈和反馈结合起来，既能实现较高的控制精度，也能提高系统响应速度。需要注意的是：前馈控制属于开环控制，反馈控制属于闭环控制。[/size][size=14px][/size][size=14px]前馈反馈控制系统有两种结构形式，一种是前馈控制作用与反馈控制作用相乘；另一种是前馈控制作用与反馈控制作用相加，这是前馈反馈控制系统中最典型的结构形式。典型的前馈-反馈控制系统结构如图7所示。[/size][size=14px][/size][align=center][size=14px][img=前馈-反馈控制系统结构框图,550,251]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210141048430650_3026_3221506_3.png!w690x315.jpg[/img][/size][/align][size=14px][/size][align=center]图7 前馈-反馈控制系统结构框图[/align][size=14px][/size][size=14px]在高精度控制中，前馈控制可用来提高系统的跟踪性能。经典控制理论中的前馈控制设计是基于复合控制思想，当闭环系统为连续系统时，使前馈环节与闭环系统的传递函数之积为1，从而实现输出完全复现输入。从图7中可以发现，前馈环节的传递函数是被控对象的倒数。那么就是在使用前馈控制前需要对被控对象的模型有了解，才能有针对性的设计出合适的前馈控制器。也就说，每个系统的前馈控制器都是不一样的，每个前馈控制器都是专用的。[/size][size=14px][/size][b][size=18px][color=#990000]五、选择性控制（Selective Control）系统[/color][/size][/b][size=14px][/size][size=14px] 选择性控制系统也叫超驰控制系统，也可称为自保护系统或软保护系统。选择性控制是把生产过程中对某些工业参数的限制条件所构成的逻辑关系迭加到正常的自动控制系统上去的组合控制方案。系统由正常控制部分和取代控制部分组成，正常情况下正常控制部分工作，取代控制部分不工作；当生产过程某个参数趋于危险极限时但还未进人危险区域时，取代控制部分工作，而正常控制部分不工作，直到生产重新恢复正常，然后正常控制部分又重新工作。这种能自动切换使控制系统在正常和异常情况下均能工作的控制系统叫选择性控制系统。[/size][size=14px][/size][size=14px]通常把控制回路中有选择器的控制系统称为选择性控制系统。选择器实现逻辑运算，分为高选器和低选器两类。高选器输出是其输入信号中的高信号，低选器输出是其输入信号中的低信号。根据选择器在系统结构中的位置不同，选择性控制系统可分为两种：[/size][size=14px][/size][size=14px]（1）选择器位于两个调节器和一个执行器之间，选择器对两个调节器输出信号进行选择，如图8(a)所示。这种选择性控制系统的主要特点是：两个调节器共用一个执行器。在生产正常情况下，两个调节器的输出信号同时送至选择器，选出正常调节器输出的控制信号送给执行器，实现对生产过程的自动控制，此时取代调节器处于开路状态，对系统不起控制作用。当生产不正常时，通过选择器选出取代调节器代替正常调节器对系统进行控制。此时，正常调节器处于开路状态，对系统不起控制作用。当系统的生产情况恢复正常，通过选择器的自动切换，仍由原正常调节器来控制生产的正常进行。[/size][size=14px][/size][align=center][size=14px][img=选择性控制系统结构框图,690,547]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210141049190661_493_3221506_3.png!w690x547.jpg[/img][/size][/align][size=14px][/size][align=center]图8 选择性控制系统结构框图[/align][size=14px][/size][size=14px]（2）选择器位于调节器之前，对传感器输出信号进行选择的系统，如图8(b)所示。该选择性系统的特点是几个传感器合用一个调节器。通常选择的目的有两个，其一是选出最高或最低测量值；其二是选出可靠测量值。[/size][size=14px][/size][size=14px]在图8(a)所示的选择性控制系统中，由于系统中总有一台控制器处于开环状态，因此易产生积分饱和。防积分饱和有限幅法、外反馈法、积分切除法三种。[/size][size=14px][/size][b][size=18px][color=#990000]六、三冲量控制（Three Impulse Control）系统[/color][/size][/b][size=14px][/size][size=14px]三冲量控制系统是来自电厂锅炉给水自动调节系统的一个名词，是根据汽包液位、给水流量和蒸汽流量三冲量经PID计算来调节给水阀门开度，从而达到自动控制汽包液位的目的。[/size][size=14px][/size][size=14px]所谓冲量，实际就是变量，多冲量控制中的冲量，是指控制系统的测量信号。三冲量控制意味着对三个变量进行测量和控制从而使得其中一个变量达到稳定。[/size][size=14px][/size][size=14px]一般而言，如图9所示，三冲量控制系统从结构上来说，是一个带有前馈控制的串级控制系统。以液位控制为例，主调节器（液位控制器）与副调节器（流量控制器）构成串级控制系统。汽包液位（传感器2）是主变量、给水流量（传感器1）是副变量。副变量的引入使系统对给水压力的波动有较强的克服能力。蒸汽流量（传感器3）的波动是引起汽包液位变化的因素，是干扰作用，蒸汽波动时，通过引入前馈调节器，使给水流量（传感器1）作相应的变化，所以这是按干扰进行控制的，是把蒸汽流量信号作为前馈信号引入控制的。[/size][size=14px][/size][align=center][size=14px][img=三冲量控制系统结构框图,690,371]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210141049398083_4900_3221506_3.png!w690x371.jpg[/img][/size][/align][size=14px][/size][align=center]图9 三冲量控制系统结构框图[/align][size=14px][/size][b][size=18px][color=#990000]七、总结[/color][/size][/b][size=14px][/size][size=14px]综上所述，在复杂控制系统中可能有几个过程测量值、几个PID控制器以及不止一个执行器；或者尽管主控制回路中被控量、PID控制器和执行器各有一个，但还有其他的过程测量值、运算器或补偿器构成辅助控制系统，这样主、辅控制回路协同完成复杂控制功能。复杂控制系统中有几个闭环回路，因而也是多回路控制系统。[/size][size=14px][/size][size=14px]另外，随着技术的进步，越来越多的生产、工艺和设备仪器对自动化控制要求越来越高，对于被控对象比较特殊，被控量不止一个，生产工艺对控制品质的要求比较高或者被控对象特性并不复杂，但控制要求却比较特殊，如超高精度，这些都需要复杂控制系统予以解决。[/size][size=14px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=14px][/size][size=14px][/size]