第六章 常用高性能過(guò)程控制系統(tǒng)1魏莉weili@機(jī)電工程學(xué)院測(cè)控系第一節(jié) 串級(jí)控制系統(tǒng)一.串級(jí)控制系統(tǒng)的基本概念化學(xué)反應(yīng)釜單回路控制進(jìn)料(F1)出水口出料冷卻水(F2)T1流量調(diào)節(jié)閥夾套TC給定Tr2TT

測(cè)溫調(diào)溫調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥夾套釜壁釜溫度測(cè)量變送器F2F1Tr-化學(xué)反應(yīng)釜單回路控制進(jìn)料(F1)出水口出料冷卻水(F2)T1流量調(diào)節(jié)閥夾套TC給定Tr3TT

測(cè)溫調(diào)溫被控過(guò)程有三個(gè)熱容:夾套冷卻水,釜壁,物料干擾F1

:進(jìn)料流量,進(jìn)料溫度,進(jìn)料化學(xué)成分干擾F2

:冷卻水溫度,閥前壓力化學(xué)反應(yīng)釜溫度與夾套溫度串級(jí)控制F2干擾由T2T測(cè)出并及時(shí)反饋T

C，T2

1的變化由T1T測(cè)出,并與設(shè)定值T1r比較,其結(jié)果作為T

C的給定2值。即兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)在一起工作,各自完成不同任務(wù)。1進(jìn)料(F)出水口出料冷卻水(F2)4T1流量調(diào)節(jié)閥夾套T1r給定T1T

T1CT2T

T2CT2反應(yīng)釜的溫度控制夾套溫度到被控變量的設(shè)備從冷水量到夾套溫度的設(shè)備出口溫度夾套溫度出口溫度冷卻水冷卻水被控對(duì)象1被控對(duì)象25串級(jí)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上有兩個(gè)閉環(huán),其中副環(huán)的輸出直接送往調(diào)節(jié)閥直接控制生產(chǎn)過(guò)程,串級(jí)控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)多了一個(gè)測(cè)量變送器和一個(gè)調(diào)節(jié)器,增加的儀表不算多,但控制效果卻得到顯著改善串級(jí)控制系統(tǒng)是改善控制質(zhì)量的有效方法之一，在過(guò)程控制中得到了廣泛地應(yīng)用。串級(jí)控制系統(tǒng)框圖主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥副對(duì)象主對(duì)象副變送器主變送器設(shè)定值副參數(shù)二次擾動(dòng) 一次擾動(dòng)主參數(shù)--6二.串級(jí)控制系統(tǒng)的控制效果分析GC1(S)GC2(S)GV(S)GO2(S)GO1(S)Gm2(S)Gm1(S)F2(S)-

-X1(S)X2(S)1Y

(S)Y2(S)

F1(S)71.能迅速克服進(jìn)入副回路的干擾,抗干擾能力強(qiáng),控制質(zhì)量高GV(S)GC2(S)GO2(S)Gm2(S)F2(S)-Y2(S)=F2(S)作用下副回路的傳遞函數(shù):G*O2(S)=Y2(S)/F2(S)G

(S)

O2

1+GO2(S)GC2(S)GV(S)Gm2(S)GC1(S)GC2(S)GV(S)G*O2(S)GO1(S)Gm1(S)F1(S)8F2(S)-X1(S)Y1(S)Y2(S)前圖等效為X2(S)Y

(S)

1

=GC1(S)GC2(S)GV(S)G*02(S)G01(S)1+GC1(S)GC2(S)GV(S)G*02(S)G01(S)Gm1(S)號(hào)作用

X1(S)1式給定信F2(S)

1

=G*02(S)G01(S)1+GC1(S)GC2(S)GV(S)G*02(S)G01(S)Gm1(S)干擾F2

Y

(S)作用2式GC1(S)GC2(S)GV(S)G*O2(S)GO1(S)Gm1(S)F1(S)9F2(S)-X1(S)X2(S)Y1(S)Y2(S)1式越接近

“1”,系統(tǒng)控制性能越好2式越接近“0”,系統(tǒng)抗干擾能力越強(qiáng)Y1(S)/X1(S)Y1(S)/F2(S)C1=

G

(S)GC2V(S)G

(S)Y1(S)/X1(S)Y1(S)/F2(S)10=KC1KC2KV則(1)GC1(S)=KC1GC2(S)=KC2GV(S)=KV設(shè)GC(S)GV(S)GO2(S)GO1(S)Gm1(S)F1(S)F2(S)-X1(S)如用單回路控制:Y1(S)GC(S)=KCG

(S)=KV

V設(shè)Y1(S)/X1(S)Y1(S)/F2(S)=

K

KC

V(2)則Y1(S)X1(S)=GC(S)GV(S)G02(S)G01(S)1+GC(S)GV(S)G02(S)G01(S)Gm1(S)Y1(S)F2(S)=G02(S)G01(S)1+GC(S)GV(S)G02(S)G01(S)Gm1(S)1

1

Y

(S)/X

(S)Y1(S)/F2(S)=GC(S)GV(S)11Y1(S)/X1(S)Y1(S)/F2(S)=

K

KC

V(2)比較(1)(2)式,一般有KC1KC2＞KC，也就是說(shuō),串級(jí)控制系統(tǒng)能迅速克服進(jìn)入副回路的二次干擾,大大減小二次干擾對(duì)主參數(shù)的影響,副回路也使總放大系數(shù)提高了,提高了信噪比Y1(S)/X1(S)Y1(S)/F2(S)12=KC1KC2KV(1)串級(jí)控制單回路控制Y2(S)X2(S)=GC2(S)GV(S)GO2(S)1+GC2(S)GV(S)GO2(S)Gm2(S)02G

(S)

=副 路框圖其傳遞函數(shù)GC2(S)GV(S)GO2(S)Gm2(S)F2(S)13-X2(S)Y2(S)2.改善過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性,提高系統(tǒng)的工作頻率G02(S)=K02/(T02S+1),GC2(S)=KC2GV(S)=KV

,Gm2(S)=Km2設(shè)其中’＜＜TT02

02由于副路的存在，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，等效過(guò)程的時(shí)間常數(shù)縮小了1+KC2KVKm2K02倍，對(duì)于單容或雙容副被控過(guò)程，KC2可取較大數(shù)值，則可使T02

減小為一個(gè)很’小數(shù)值，加快副 路響應(yīng)速度,提高整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率1402

01

m1串級(jí)控制系統(tǒng)特征方程

1+GC1(S)G'

(S)G

(S)G (S)=

0則

1+KC1K'

K

K

/(T'

S+1)(T

S+1)=002

01

m1

02

01GC1(S)=KC1Gm1(S)=Km1G01(S)=K01/(T01S+1)G'02(S)如前所得設(shè)S2

+T01+

T02'T02'S

+

1+KC1K'

K

K02

01

m1T01

T01T02'=

0S2+2ζω0S+ω0

=

0201

02T

T

'T01+

T02'

√1-ζ2工作頻率

ω串=ω0√1-ζ2

=2ξ151+GC(S)GV(S)G02(S)G01(S)Gm1(S)=0工作頻率ω單=ω'0√1-ζ'2

=2ξ'√1-ζ'2T01+

T02T

T01

02S2

+T01+

T02T01T02S

+

1+KCKVK02K01Km1T01T02=

0單 路控制系統(tǒng)特征方程代入各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)得如果衰減系數(shù)ζ和ζ'相同，可得：ω串ω單=（T01+

T02'）/

T01T02'（T01+

T02）/

T01T02=1+

T01/T02'1+

T

/T1601

02由于T01/T02'＞＞T01/T02所以ω串＞＞ω單由于生產(chǎn)過(guò)程的非線性，在一定的負(fù)荷下，也就是說(shuō)在確定的工作點(diǎn)情況下，按一定控制質(zhì)量指標(biāo)整定的調(diào)節(jié)器參數(shù)只適應(yīng)于工作點(diǎn)附近的小范圍，若負(fù)荷變化過(guò)大超出此范圍，控制質(zhì)量就下降。3.對(duì)負(fù)荷和操作條件的變化適應(yīng)性強(qiáng)串級(jí)控制系統(tǒng)可以大大提高控制質(zhì)量！17對(duì)很多溫度或質(zhì)量指標(biāo)為被控參數(shù)的過(guò)程,其容量滯后往往比較大,對(duì)控制質(zhì)量要求又比較高,宜采用串級(jí)控制系統(tǒng)。三.串級(jí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍1

應(yīng)用于容量滯后較大的過(guò)程如加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)T1CT1T2T

C2T

T燃料T1主副給定18物料為保T1為一定值,選燃料流量為調(diào)節(jié)參數(shù),但爐子時(shí)常和容滯大干擾較多,又選時(shí)滯較小的爐膛溫度為副參數(shù),構(gòu)成出口溫度對(duì)爐膛溫度的的串級(jí)控制系統(tǒng),用副回路的快速反應(yīng),有效提高控制質(zhì)量,滿足工藝上的高要求。紡絲膠液壓力與壓力串級(jí)控制由于從壓力泵到過(guò)濾器前距離較長(zhǎng),膠液粘度又大,純時(shí)延較長(zhǎng)。為保證P1為250Kpa,在靠近壓力泵出口選一測(cè)壓副參數(shù),構(gòu)成壓力與壓力的串級(jí)控制系統(tǒng),一般選的副參數(shù)時(shí)延要小?；旌掀鲏毫Ρ肞1TP2C

P1CP2T膠液冷卻器

冷卻水過(guò)濾器給定噴頭主水副192

應(yīng)用于純時(shí)延較大的過(guò)程鍋爐三沖量液位串級(jí)控制LTFTFTLC

FC水蒸汽汽包給定液位∑副回路主回路203

應(yīng)用于干擾變化激烈且幅度大的過(guò)程工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，用水和用汽場(chǎng)合很多，蒸汽流量和水壓變化既頻繁激烈又幅度大，汽包容量又小，故汽包液位很重要，常以蒸汽流量和水流量綜合作用作為副回路測(cè)量值，同液位一起成串級(jí)控制系統(tǒng)，即所謂的三沖量液位串級(jí)控制系統(tǒng)。它把多沖量與串級(jí)控制結(jié)合起來(lái)，比一般三沖量控制系統(tǒng)對(duì)液位有更強(qiáng)的控制調(diào)節(jié)能力。串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路對(duì)于進(jìn)入其中的干擾有強(qiáng)的克服能力，所以設(shè)計(jì)時(shí)，要將幅度大變化劇烈的干擾包在副回路中，減少對(duì)主參數(shù)影響。一線溫度與塔頂溫度串級(jí)控制常壓塔T1T塔頂汽油回流給定T2C

T1CT2T副21一線煤油兩個(gè)互相關(guān)聯(lián)的參數(shù)需要用同一個(gè)介質(zhì)控制，如上常壓塔塔頂出口溫度和一線溫度都由回流量來(lái)控制4

應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過(guò)程T2TT1T

T1C

T2C混合氣換熱器合成反應(yīng)器溫度串級(jí)控制系統(tǒng)225

應(yīng)用于非線性過(guò)程換熱器有較大非線性,當(dāng)負(fù)荷或操作條件變化時(shí),要想保持系統(tǒng)原有衰減率不變,必須不斷改變調(diào)節(jié)器的整定參數(shù),顯然不可能,現(xiàn)以反應(yīng)器中部溫度為主被控參數(shù),換熱器出口溫度為副被控參數(shù),在副回路中包括了非線性特性的主要部分,可根據(jù)負(fù)荷和操作條件的變化,自動(dòng)調(diào)整副調(diào)節(jié)器的給定值,使系統(tǒng)運(yùn)行在新工作點(diǎn),使主被控參數(shù)保持平穩(wěn)。四.串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)231

副回路的設(shè)計(jì)與副參數(shù)的選擇副參數(shù)必須是物理上可測(cè)的，副回路的時(shí)間常數(shù)不能太大，

調(diào)節(jié)通道盡可能短，時(shí)間滯后小副回路應(yīng)包含變化劇烈頻繁幅度大主要干擾,但包含干擾不宜太多PT

TT原料油給定PC

TC燃料油T1T

T1CT2T

T2C原料油燃料油給定24原料油出口溫度與燃油閥后壓力串級(jí)控制適合于燃油壓力是主要干擾原料油出口溫度與爐膛溫度串級(jí)控制,適用燃料油壓力穩(wěn)定,但粘度成份熱值波動(dòng)場(chǎng)合(3)副參數(shù)的選擇應(yīng)使主副被控過(guò)程的時(shí)間常數(shù)適當(dāng)匹配ω串ω單=1+

T01/T02'

1+(1+KC2KVKm2K02)T01/T021+

T01/T02

1+

T01/T02=當(dāng)主副被控過(guò)程都用一階慣性環(huán)節(jié)描述,且保證串級(jí)與單回路衰減系數(shù)相同時(shí),前已得到:ω串/ω單108642T01/T022

4

6

8

10設(shè)(1+KC2KVKm2K02)=10 作出下圖:由圖可見(jiàn):串級(jí)相對(duì)于單回路,其2501

02工作頻率的增長(zhǎng)在T

/T較小時(shí)較為明顯;另外,若副過(guò)程的時(shí)間常數(shù)太小,則包含干擾少,要合適一般振蕩頻率ω主/ ω副＞3(4)副參數(shù)的選擇應(yīng)考慮工藝的合理性和經(jīng)濟(jì)性冷卻器

LT出料液態(tài)冷劑氣態(tài)冷劑進(jìn)料LC

TC

TT給定冷卻器

LTLC出料液態(tài)冷劑氣態(tài)冷劑進(jìn)料給定PT

PC

TC

TT26給定冷卻器溫度串級(jí)控制兩種方案冷卻液位為副參數(shù)該方案投資少，適用于溫度控制要求不太高的場(chǎng)合冷劑蒸發(fā)壓力為副參數(shù)，投資多,但副回路靈敏度高溫度控制質(zhì)量高2

主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇串級(jí)控制中,主副調(diào)節(jié)起作用不同,主調(diào)節(jié)器起定值控制作用,副調(diào)節(jié)器起隨動(dòng)控制作用,這是選擇調(diào)節(jié)規(guī)律的基本出發(fā)點(diǎn)。主被控參數(shù)是控制的主要指標(biāo),要求無(wú)靜差,主調(diào)節(jié)器應(yīng)選PI或PID副被控參數(shù)的設(shè)置是為了保證主參數(shù)的控制質(zhì)量,允許在一定范圍內(nèi)變化,允許有靜差,只要選P控制規(guī)律就可以了,一般不引入I,因I會(huì)延長(zhǎng)控制過(guò)程,減弱其快速作用但選流量為副參數(shù)時(shí),為保持系統(tǒng)穩(wěn)定,比例控制要偏弱,在這種情況下,可以引入I.采用PI控制規(guī)律,增強(qiáng)控制作用副調(diào)節(jié)器不引入D控制,這樣會(huì)使調(diào)節(jié)閥動(dòng)作過(guò)大,對(duì)控制不利27選

(1)由工藝要求決定調(diào)節(jié)閥的開(kāi)或關(guān)形式28擇

(2)決定副調(diào)節(jié)器的正或反作用方法(3)由主副參數(shù)關(guān)系決定主調(diào)節(jié)器的正或反作用主副調(diào)節(jié)器正反作用方式的選擇是使整個(gè)系統(tǒng)為負(fù)反饋,主通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積的極性必須為正3

主副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定工藝安全:燃料油閥用氣開(kāi),KV為正閥開(kāi)大，爐膛溫度升高,則K02為正為保證副回路為負(fù)反饋,KC2應(yīng)為正即為反作用調(diào)節(jié)器爐膛溫度升高,出口溫度也升高,則K01也為正為保證整個(gè)回路為負(fù)反饋

KC1應(yīng)為正,為反作用調(diào)節(jié)器T1CT1TT2CT2T燃料物料T1主副給定29調(diào)節(jié)器正反作用選擇的各種情況表:30序號(hào)主對(duì)象(K01)副對(duì)象(K02)調(diào)節(jié)閥(KV) 主調(diào)節(jié)器(KC1)副調(diào)節(jié)器(KC2)1正正正(氣開(kāi))正(反作用)正(反作用)2正正負(fù)(氣關(guān))正(反作用)負(fù)(正作用)3負(fù)負(fù)正(氣開(kāi))負(fù)(正作用)負(fù)(正作用)4負(fù)負(fù)負(fù)(氣關(guān))負(fù)(正作用)正(反作用)5負(fù)正正(氣開(kāi))負(fù)(正作用)正(反作用)6負(fù)正負(fù)(氣關(guān))負(fù)(正作用)負(fù)(正作用)7正負(fù)正(氣開(kāi))正(反作用)負(fù)(正作用)8正負(fù)負(fù)(氣關(guān))正(反作用)正(反作用)串級(jí)比單回路控制系統(tǒng)的參數(shù)整定要復(fù)雜,一般盡量加大副調(diào)節(jié)器的增益以提高副環(huán)的工作頻率,使主副工作頻率錯(cuò)開(kāi),減少相互影響。31五.串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定1.

逐步逼近法先不考慮主回路,先整定副調(diào)節(jié)器參數(shù),用任一種單回路方法求得副調(diào)節(jié)器參數(shù)[GC2]1將副回路等效為一個(gè)環(huán)節(jié),用任一種單回路方法求得主調(diào)節(jié)器參數(shù)[GC1]1按上述結(jié)果,將主回路閉合,再求取副調(diào)節(jié)器參數(shù)[GC2]2,完成一次循環(huán)觀察系統(tǒng)在[GC1]1和[GC2]2作用下的控制曲線,如不滿足要求,繼續(xù)上述方法,直到獲得控制過(guò)程質(zhì)量指標(biāo)的調(diào)節(jié)參數(shù)為止322.兩步整定法工況穩(wěn)定,主副回路閉合情況下,主調(diào)為純比例運(yùn)行,δ1=100%用4:1衰減法整定副調(diào)節(jié)器參數(shù),求得比例度[δ2]和操作周期[T2]將副回路等效為一個(gè)環(huán)節(jié),用相同方法求得主調(diào)的[δ1]和操作周期[T1],根據(jù)[δ2],

[T2],

[δ1],[T1]按經(jīng)驗(yàn)公式求主副調(diào)節(jié)器的比例度,積分時(shí)間和微分時(shí)間,再按先副后主先比例后積分再微分的次序投入運(yùn)行,觀察曲線,必要時(shí)調(diào)整參數(shù),此法適于T01/T02在3--10范圍內(nèi),這時(shí)主副工作頻率和操作周期相差較大動(dòng)態(tài)聯(lián)系小，因此，副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定好以后，可把副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路控制系統(tǒng)的方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)，而不必考慮主調(diào)節(jié)器參數(shù)

變

化

對(duì)

副

回

路

的

影

響333

一步整定法根據(jù)副過(guò)程的特性或經(jīng)驗(yàn)先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù),然后再按單回路控制系統(tǒng)的方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)在過(guò)程特性不變的條件下,主副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)在一定范圍內(nèi)可以任意匹配,在0＜KC

1KC

2≤0.5的條件下,

KC1KC2=KS(為系統(tǒng)在純比例作用下產(chǎn)生4:1衰減過(guò)程的

總放大系數(shù),當(dāng)主、副過(guò)程的特性一定時(shí),KS為一常數(shù)）(1)純比例作用,由KC1KC2≤0.5確定KC2

,設(shè)置在副調(diào)節(jié)器上

(2)按單回路控制系統(tǒng)的衰減曲線法,整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)

(3)觀察控制過(guò)程,根據(jù)KC1和KC2互相匹配的原理,調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù),使主被控參數(shù)滿足工藝要求344

應(yīng)用舉例硝酸生產(chǎn)過(guò)程中,有一個(gè)氧化爐溫度與氨氣流量的串級(jí)控制系統(tǒng),爐溫為主被控參數(shù),要求高;氨氣流量為副參數(shù),允許在一定范圍內(nèi)變化.主調(diào)節(jié)器采用

PI控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器采用P控制規(guī)律，用兩步整定法整定主副調(diào)節(jié)器的參數(shù)35解：（1）在工況穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，主副調(diào)節(jié)器均置于純比例作用主調(diào)節(jié)器的比例度δ1置于100%，用4:1衰減曲線法整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，得δ2S

=32%,T2S=15S將副調(diào)節(jié)器的比例度置于32%，用相同的方法，將主調(diào)節(jié)器的比例度由大到小逐漸調(diào)節(jié)，求得

δ1=50%，T1S=7min由上述求得的參數(shù)，運(yùn)用4：1衰減曲線法計(jì)算公式，計(jì)算出：主調(diào)節(jié)器（溫度調(diào)節(jié)器）：比例度：δ1=1.2δ1S=1.2×50%=60%積分時(shí)間：T1=0.5T1S=3.5min副調(diào)節(jié)器（流量調(diào)節(jié)器）：比例度：δ2=δ2S=32%361、主、副控制器手動(dòng)位置，主控制器內(nèi)給定、副控制器外給定，正反作用正確，PID參數(shù)正確2、副控制器手動(dòng)操作3、通過(guò)副參數(shù)的變化，使主參數(shù)接近給定值，而副參數(shù)變化也比較平穩(wěn)4、調(diào)節(jié)主控制器手操輸出，使副控制器的偏差為零5、分別將副、主控制器切入自動(dòng)37投運(yùn)步驟第二節(jié) 前饋控制系統(tǒng)反饋控制的局限性理想的過(guò)程控制要求被控參數(shù)在過(guò)程特性呈現(xiàn)大的容量滯后和大的純滯后和多干擾的情況下，持續(xù)保持在工藝要求的數(shù)值上，但反饋控制永遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)這種理想控制，因?yàn)檎{(diào)節(jié)器只有在輸入被控參數(shù)與給定值之差后才發(fā)出控制指令，即系統(tǒng)在控制過(guò)程中必存在偏差，有缺點(diǎn)一.前饋控制的基本概念反饋亡羊補(bǔ)牢偏差38前饋控制又稱干擾補(bǔ)償,是按照引起被控參數(shù)變化的干擾大小進(jìn)行控制的,當(dāng)干擾剛出現(xiàn)又能測(cè)量出時(shí),調(diào)節(jié)器就發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)使調(diào)節(jié)參數(shù)作響應(yīng)變化,二者相互抵消于被控參數(shù)發(fā)生偏差之前,也就是說(shuō),前饋調(diào)節(jié)對(duì)干擾克服比反饋調(diào)節(jié)要快前饋防患于未然干擾39FTQ40蒸汽TC

反饋控制TT前饋控制FC熱物料冷凝水引起出口溫度變化的干擾有冷物料的流量與初溫,蒸汽壓力等,但最主要的是流量Q在Q發(fā)生變化時(shí),反饋控制:待T變化后開(kāi)始動(dòng)作調(diào)節(jié)閥改變流量,經(jīng)換熱器的慣性使出口溫度變化,反映出調(diào)節(jié)效果使出口溫度產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)偏差前饋控制:直接根據(jù)冷物料流

量的變化由一個(gè)前饋調(diào)節(jié)器FC立即控制調(diào)節(jié)閥,在出口溫度未變化前,及時(shí)對(duì)Q的干擾進(jìn)行補(bǔ)償,構(gòu)成前饋控制前饋控制系統(tǒng)框圖干擾F(S)到被控量Y(S)有兩個(gè)通道:干擾通道GF(S)產(chǎn)生干擾作用,和經(jīng)測(cè)量?jī)x表GH(S)及前饋控制器GB(S)產(chǎn)生控制作用,對(duì)輸出的作用相反GB(S)G0(S)GF(S)F(S)Y(S)GH(S)F(S)F

B

0Y(S)

=

G

(S)+G

(S)G

(S)若GB(S)選得合適,就可以做到F(S)對(duì)Y(S)不產(chǎn)生影響由上式得到完全不變性的條件為:GF(S)+GB(S)G0(S)=0B即

G

(S)=

-GF(S)G0(S)41特點(diǎn)42前饋控制是開(kāi)環(huán)控制,因被控參數(shù)的數(shù)值沒(méi)有反饋,得不到檢驗(yàn)前饋控制是一種按干擾大小進(jìn)行補(bǔ)償?shù)目刂品椒?即將干擾的大小通過(guò)前饋控制器和控制通道的作用及時(shí)有效的抑制干擾對(duì)被控參數(shù)的影響,不同于反饋控制,要等被控參數(shù)產(chǎn)生偏差后才進(jìn)行控制前饋控制的調(diào)節(jié)規(guī)律與常規(guī)PID調(diào)節(jié)規(guī)律不同,是由過(guò)程特性決定的,所以,它是一個(gè)專用控制器,不同的過(guò)程特性,調(diào)節(jié)規(guī)律不同前饋控制只能抑制可測(cè)不可控的干擾對(duì)被控參數(shù)的影響,如干擾是不可測(cè)的,就不能進(jìn)行前饋控制;如干擾是可測(cè)且可控的,只要設(shè)計(jì)一個(gè)定值控制系統(tǒng)就可以了二.前饋控制的特點(diǎn)及局限性局限性43前饋控制是減少被控參數(shù)動(dòng)態(tài)偏差的一種有效方法,但實(shí)際上做不到對(duì)干擾的完全補(bǔ)償,原因有下面幾條:在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,引起被控參數(shù)變化的干擾很多,不可能對(duì)每一個(gè)干擾使用一套獨(dú)立的前饋控制器對(duì)不可測(cè)的干擾無(wú)法進(jìn)行前饋控制GF(S)和G0(S)決定前饋控制器的調(diào)節(jié)規(guī)律,但GF(S)和G0(S)的精確值很難得到且很難實(shí)現(xiàn)一般情況下,為了獲得滿意的控制效果,常把前饋控制和反饋控制結(jié)合起來(lái),組成前饋--反饋復(fù)合控制系統(tǒng),一方面前饋控制有效減少干擾對(duì)被控參數(shù)的動(dòng)態(tài)影響,另一方面則利用反饋控制使被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值上,保證系統(tǒng)有較高的控制精度1

靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)前饋控制器調(diào)節(jié)規(guī)律為比例特性,GB(0)=-GF(0)/G0(0)=-KB其大小由干擾通道和控制通道的靜態(tài)放大系數(shù)決定靜態(tài)前饋控制的控制目標(biāo)是使被控參數(shù)最終的靜態(tài)偏差接近或等于零,而不考慮由于兩個(gè)通道時(shí)間常數(shù)的不同而引起的動(dòng)態(tài)偏差靜態(tài)前饋控制比較簡(jiǎn)單,不需要專用控制器,用DDZ儀表的比例調(diào)節(jié)器或比值器就可,在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中,若兩個(gè)通道時(shí)間常數(shù)相差不大,就可用靜態(tài)前饋控制,可獲得較高的控制精度44三.前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式靜態(tài)前饋換熱器控制系統(tǒng)例子FTFC冷凝水熱物料蒸汽前饋控制Q冷物料穩(wěn)態(tài)能量平衡關(guān)系:0

0

f

P

2

1Q

H

= Q

C

(T

-T

)Q0:熱蒸汽流量H0:蒸汽汽化潛熱

Qf:冷物料流量

CP:冷物料比熱T1T2:冷熱物料溫度2

1Q0

H0T

=T

+Qf

CP設(shè)T1不變45則控制通道的靜態(tài)放大系數(shù)為:K

0=d

TH=

0

2d

Q0

Qf

CP干擾通道的靜態(tài)放大系數(shù)為:Kf

==

-Q

H

2d

Qf

0

0

Qf-2CP=d

T

T

-T

2

1QfKB

=

-

Kf/K0

=C

(T

-T

)

P

2

1H0比例即可2

動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)46靜態(tài)前饋控制只能保證被控參數(shù)的靜態(tài)偏差接近或等于零,不能保證動(dòng)態(tài)偏差接近或等于零,如需嚴(yán)格控制動(dòng)態(tài)偏差,要用動(dòng)態(tài)前饋控制動(dòng)態(tài)前饋控制要根據(jù)過(guò)程干擾通道和控制通道的動(dòng)態(tài)特性,采用專用控制器,GB(S)=-Gf(S)/G0(S)但Gf(S)和G0(S)的精確模型較難得到或較難實(shí)現(xiàn),一般動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,要求控制質(zhì)量很高時(shí)才使用3

前饋--反饋復(fù)合控制.FTTCTTFC

∑蒸汽冷物料熱物料給定換熱器示意圖GB(S)GF(S)GC(S)G0(S)Gm(S)F(S)X(S)Y(S)-前饋--反饋控制框圖由熱物料的溫度T和冷物料的流量Q綜合決定閥的開(kāi)度Y(S)

=GC(S)

G0(S)1+

GC(S)

G0(S)1+

GC(S)

G0(S)47X(S)+

GF(S)+

GB(S)G0(S)

F(S)設(shè)Gm(S)=1,在F(S)作用下的框圖如右Y(S)

=GC(S)

G0(S)1+

GC(S)

G0(S)1+

GC(S)

G0(S)X(S)+

GF(S)+

GB(S)G0(S)

F(S)若實(shí)現(xiàn)完全對(duì)干擾補(bǔ)償則上式第二項(xiàng)為零,即GF(S)+

GB(S)G0(S)=0 或GB(S)=

-

GF(S)/G0(S)由上式可見(jiàn)，前饋--反饋復(fù)合控制系統(tǒng)對(duì)干擾F（S）完全補(bǔ)償?shù)臈l件與開(kāi)環(huán)前饋控制相同，但F（S）對(duì)輸出的影響小1+

GC(S)

G0(S)倍，體現(xiàn)了前饋--反饋控制的優(yōu)越性GB(S)GF(S)GC(S)G0(S)F(S)Y(S)-48復(fù)合控制系統(tǒng)的特征方程式：1+

GC(S)

G0(S)=049系統(tǒng)的特征方程只與GC(S)和 G0(S)有關(guān)，與GB（S）無(wú)關(guān)，也就是說(shuō)與前饋控制器無(wú)關(guān)，說(shuō)明加與不加前饋控制器

不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以先根據(jù)閉環(huán)

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行，而暫不考慮前饋控制器的作

用，使系統(tǒng)滿足穩(wěn)定性要求和一定的過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)要求。當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)確定后，再根據(jù)不變性原理設(shè)計(jì)前饋控制器1

前饋控制系統(tǒng)的選用原則當(dāng)系統(tǒng)的干擾變化頻率高，幅度大，可測(cè)而不可控，可引入前饋控制在控制通道的滯后比較大，時(shí)間常數(shù)比干擾通道的時(shí)間常數(shù)大，反饋又不及時(shí)時(shí)，可引入前饋控制主要干擾無(wú)法用串級(jí)控制使其包含在副回路或副回路滯后較大時(shí)，可引入前饋控制經(jīng)濟(jì)性原則：一般地說(shuō)，寧選靜態(tài)前饋，不選動(dòng)態(tài)前饋50四.前饋控制系統(tǒng)選用原則及應(yīng)用實(shí)例2

前饋控制系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用實(shí)例（1）葡萄糖濃度前饋--反饋控制系統(tǒng)蒸發(fā)：借加熱作用使溶液濃縮或溶質(zhì)析出的物理操作過(guò)程，下面一例為葡萄糖生產(chǎn)過(guò)程中蒸發(fā)器濃度控制系統(tǒng)的例子由蒸發(fā)工藝知：在壓力一定下，溶液濃度同溶液沸點(diǎn)與水的沸點(diǎn)之差有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系影響葡萄糖濃度主要因素：進(jìn)料濃度溫度流量，加熱蒸汽壓力流量。構(gòu)成以加熱蒸汽流量為前

饋信號(hào)，以溫差為被控參數(shù)，進(jìn)料溶液為控制

參數(shù)前饋--反饋控制系統(tǒng)51TT∑FTFCTT升降膜式蒸

發(fā)

器TC∑汽體50%液體5273%液體蒸汽濃縮液汽液分離

器冷凝水（2）鍋爐給水控制系統(tǒng)汽包水位是主要工藝指標(biāo)水位過(guò)高，汽中帶水，易損壞汽輪機(jī)葉片，降低蒸汽產(chǎn)量；水位過(guò)低，燒干鍋爐，要嚴(yán)格控制水位鍋爐的蒸汽流量和給水流量是主要干擾，蒸汽流量隨用戶而變不可控，給水流量可作為控制參數(shù)LT

LC

FTFTFC∑

KB給水Q蒸汽汽包給定53虛假水位：蒸汽用量突增時(shí)，汽包壓力突降，沸騰加劇，汽化加速，汽泡量突增，形成水位升高的假象蒸汽用量突降時(shí)，汽包壓力突升，沸騰暫停，汽化減緩，汽泡量突降，形成水位下降的假象54一般用蒸汽流量為前饋信號(hào)，汽包水位（主）和給水流量（副）串級(jí)，構(gòu)成前饋--反饋串級(jí)控制系統(tǒng)GC1(S)GC2(S)GV(S)55GO2(S)GO1(S)Gm2(S)Gm1(S)GB(S)GF(S)--X(S)F1(S)蒸汽流量變化給水流量測(cè)量水流量變化F2(S)Y(S)液位測(cè)量鍋爐控制系統(tǒng)框圖第三節(jié) 大時(shí)延過(guò)程的補(bǔ)償控制系統(tǒng)56一.概述一般情況下,一個(gè)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性,既有純時(shí)延τ又有慣性時(shí)間常數(shù)T通常用τ/T的比值衡量純時(shí)延的大小若τ/T＜0.3若τ/T＞0.3為一般純時(shí)延過(guò)程為大純時(shí)延過(guò)程大純時(shí)延過(guò)程是公認(rèn)的較難控制的過(guò)程,主要原因:

1.控制作用的依據(jù)--測(cè)量信號(hào)提供不及時(shí)干擾作用不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)純時(shí)延的增加引起開(kāi)環(huán)相頻特性相角滯后的增大開(kāi)環(huán)頻率特性包圍(-1,j0)點(diǎn)的可能性也增大,使閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度