第6章復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)i

1、第第6章章 復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng) 單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)解決了工程上大量的控制問題，它是一單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)解決了工程上大量的控制問題，它是一 種最簡單、使用最廣泛的控制系統(tǒng)，也是我們學(xué)習(xí)過程控制種最簡單、使用最廣泛的控制系統(tǒng)，也是我們學(xué)習(xí)過程控制 系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。但是，現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的要系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。但是，現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的要 求越來越高，操作調(diào)節(jié)越來與嚴(yán)格，任務(wù)越來越負(fù)責(zé)或特殊，求越來越高，操作調(diào)節(jié)越來與嚴(yán)格，任務(wù)越來越負(fù)責(zé)或特殊， 為此需要在簡單控制回路的基礎(chǔ)上再增加一些計(jì)算環(huán)節(jié)、反為此需要在簡單控制回路的基礎(chǔ)上再增加一些計(jì)算環(huán)節(jié)、反 饋環(huán)節(jié)或其它控制環(huán)節(jié)，構(gòu)成復(fù)雜調(diào)節(jié)系

2、統(tǒng)。饋環(huán)節(jié)或其它控制環(huán)節(jié)，構(gòu)成復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 復(fù)雜控制系統(tǒng)包括：復(fù)雜控制系統(tǒng)包括：串級(jí)、比值、前饋、選擇性控制系統(tǒng)串級(jí)、比值、前饋、選擇性控制系統(tǒng) 等等。這些系統(tǒng)有的以它們的結(jié)構(gòu)命名，有的以功能特征或原理。這些系統(tǒng)有的以它們的結(jié)構(gòu)命名，有的以功能特征或原理 命名，因此出現(xiàn)了交叉的復(fù)雜局面，而且它們還可以相互融合，命名，因此出現(xiàn)了交叉的復(fù)雜局面，而且它們還可以相互融合， 幾者結(jié)合在一起。幾者結(jié)合在一起。 6.1 串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng) 串級(jí)控制是提高響應(yīng)速度，改善系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的極為有串級(jí)控制是提高響應(yīng)速度，改善系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的極為有 效的方法，在工程上得到了廣泛的應(yīng)用。效的方法，在工程上得到了廣

3、泛的應(yīng)用。 1 1 、 6.1.1 過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟 2、對(duì)調(diào)節(jié)滯后的解決方法、對(duì)調(diào)節(jié)滯后的解決方法 對(duì)于冷卻水方面的擾動(dòng)，如對(duì)于冷卻水方面的擾動(dòng)，如冷卻水的入口溫度、閥前冷卻水的入口溫度、閥前 壓力壓力等擾動(dòng)，夾套冷卻水溫度等擾動(dòng)，夾套冷卻水溫度T T2 2比反應(yīng)槽溫度比反應(yīng)槽溫度T T1 1能更快能更快 地感受到。因而可設(shè)計(jì)夾套水溫單回路控制系統(tǒng)地感受到。因而可設(shè)計(jì)夾套水溫單回路控制系統(tǒng)TCTC2 2以盡以盡 快地克服冷卻水方面的擾動(dòng)。但快地克服冷卻水方面的擾動(dòng)。但TCTC2 2的設(shè)定值應(yīng)根據(jù)的設(shè)定值應(yīng)根據(jù)T T1 1的的 控 制 要 求 作 相 應(yīng) 的 變 化

4、 （ 這 一 要 求 可 用 反 應(yīng) 溫控 制 要 求 作 相 應(yīng) 的 變 化 （ 這 一 要 求 可 用 反 應(yīng) 溫 度調(diào)節(jié)器度調(diào)節(jié)器TCTC1 1來自動(dòng)實(shí)現(xiàn)）。來自動(dòng)實(shí)現(xiàn)）。 “串級(jí)控制串級(jí)控制” 3、 6.1.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)串級(jí)控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu) 過程響應(yīng)是緩慢的，或者某一特定擾動(dòng)變量過程響應(yīng)是緩慢的，或者某一特定擾動(dòng)變量d2持續(xù)存在，持續(xù)存在， 并且對(duì)系統(tǒng)影響較大，為了改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性，如果我們并且對(duì)系統(tǒng)影響較大，為了改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性，如果我們 能找到一個(gè)中間變量，滿足以下條件：能找到一個(gè)中間變量，滿足以下條件： 什么樣的過程適合于采用串級(jí)控制？什么樣的過程適合于采用串

5、級(jí)控制？ （1）該變量可以測(cè)量，并且對(duì)被控變量施加影響；）該變量可以測(cè)量，并且對(duì)被控變量施加影響； （2）該變量可清晰的反映出擾動(dòng)變量）該變量可清晰的反映出擾動(dòng)變量d2的影響；的影響； （3）該變量可控，即可以通過）該變量可控，即可以通過u對(duì)其施加影響；對(duì)其施加影響； （4）該變量對(duì)）該變量對(duì)u的響應(yīng)比輸出變量的響應(yīng)比輸出變量y要快。要快。 則我們可以引入如圖所示的一般串級(jí)控制。則我們可以引入如圖所示的一般串級(jí)控制。 副回路用來快速克服副回路用來快速克服 二次擾動(dòng)的影響二次擾動(dòng)的影響 而落在內(nèi)環(huán)外的所有主回路內(nèi)而落在內(nèi)環(huán)外的所有主回路內(nèi) 的擾動(dòng)都有主回路克服的擾動(dòng)都有主回路克服 對(duì)應(yīng)的串級(jí)控制

6、傳遞函數(shù)方框圖為：對(duì)應(yīng)的串級(jí)控制傳遞函數(shù)方框圖為： 從圖中可以看出，整個(gè)內(nèi)環(huán)可以看做是執(zhí)行器，可從圖中可以看出，整個(gè)內(nèi)環(huán)可以看做是執(zhí)行器，可 稱為是稱為是“偽執(zhí)行器偽執(zhí)行器”，而內(nèi)環(huán)的輸出變量，即中間過程，而內(nèi)環(huán)的輸出變量，即中間過程 變量針對(duì)主對(duì)象來說就相當(dāng)是操作變量，可稱為變量針對(duì)主對(duì)象來說就相當(dāng)是操作變量，可稱為“偽操偽操 作變量作變量”。 6.1.3 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和效串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和效 果分析果分析 我們已經(jīng)知道對(duì)象（包括干擾通道和調(diào)節(jié)通道）動(dòng)我們已經(jīng)知道對(duì)象（包括干擾通道和調(diào)節(jié)通道）動(dòng) 特性對(duì)系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)性能的影響，下面我們來具體分析特性對(duì)系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)性能的影響，下面我們來

7、具體分析 串級(jí)控制結(jié)構(gòu)是如何改善對(duì)象動(dòng)特性，從而提高閉環(huán)調(diào)串級(jí)控制結(jié)構(gòu)是如何改善對(duì)象動(dòng)特性，從而提高閉環(huán)調(diào) 節(jié)性能的。節(jié)性能的。 串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)與單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比，增加了一串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)與單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比，增加了一 個(gè)檢測(cè)元件，一個(gè)變送器和一個(gè)控制器，復(fù)雜程度有所個(gè)檢測(cè)元件，一個(gè)變送器和一個(gè)控制器，復(fù)雜程度有所 增加，我們主要從以下幾個(gè)方面改善系統(tǒng)的性能。增加，我們主要從以下幾個(gè)方面改善系統(tǒng)的性能。 1 1 、迅速克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng)、迅速克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng) 串級(jí)控制系統(tǒng)主要是用來迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾串級(jí)控制系統(tǒng)主要是用來迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾 動(dòng)的動(dòng)的 。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)設(shè)法讓主要

8、擾動(dòng)的進(jìn)入點(diǎn)位于副回路之。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)設(shè)法讓主要擾動(dòng)的進(jìn)入點(diǎn)位于副回路之 內(nèi)，使該擾動(dòng)在影響主被調(diào)量之前，副調(diào)節(jié)器就可對(duì)其進(jìn)行及內(nèi)，使該擾動(dòng)在影響主被調(diào)量之前，副調(diào)節(jié)器就可對(duì)其進(jìn)行及 時(shí)矯正。時(shí)矯正。 如圖所示，在引入副回路之前，二次擾動(dòng)如圖所示，在引入副回路之前，二次擾動(dòng)D2到輸出到輸出y2之之 間的傳遞函數(shù)為：間的傳遞函數(shù)為： 2 2 2 ( ) ( ) ( ) d Y s Gs D s 2 2 ( ) ( ) ( ) Y s R s D s 引入中間變量的內(nèi)部反饋之后，擾動(dòng)引入中間變量的內(nèi)部反饋之后，擾動(dòng)D2到輸出到輸出y2之間的之間的 傳遞函數(shù)為：傳遞函數(shù)為： 22 222 ( )

9、( )1 d cvp GY s D sG G G 對(duì)于動(dòng)態(tài)滯后較小對(duì)于動(dòng)態(tài)滯后較小 的副回路，在通頻帶的副回路，在通頻帶 內(nèi)一般有：內(nèi)一般有： 22 1 cvp G G G 2 2 、副回路的響應(yīng)相位滯后由于引入副回路而顯著減、副回路的響應(yīng)相位滯后由于引入副回路而顯著減 小，進(jìn)而改善主回路的調(diào)節(jié)性能。小，進(jìn)而改善主回路的調(diào)節(jié)性能。 串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)作為雙閉環(huán)系統(tǒng)，其中的副對(duì)象由開環(huán)轉(zhuǎn)串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)作為雙閉環(huán)系統(tǒng)，其中的副對(duì)象由開環(huán)轉(zhuǎn) 為了閉環(huán)結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致主回路的等效對(duì)象特性發(fā)生改變。為了閉環(huán)結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致主回路的等效對(duì)象特性發(fā)生改變。 以上圖為例，假設(shè)以上圖為例，假設(shè)Gc2=Kc2， Gv=Kv

10、，并且假設(shè)副對(duì)象為，并且假設(shè)副對(duì)象為 一階慣性環(huán)節(jié)，如下式所示：一階慣性環(huán)節(jié)，如下式所示： 2 2 2 ( ) 1 p p p K Gs T s 則等效廣義對(duì)象（整個(gè)內(nèi)環(huán)）的傳遞函數(shù)為：則等效廣義對(duì)象（整個(gè)內(nèi)環(huán)）的傳遞函數(shù)為： 22 222 1 pvv ppvv KK K T sKK K 2 2 1 p p K Ts 其中，其中， 3 3 、對(duì)副環(huán)內(nèi)各環(huán)節(jié)的特性變化具有一定的自適應(yīng)能、對(duì)副環(huán)內(nèi)各環(huán)節(jié)的特性變化具有一定的自適應(yīng)能 力，并能自動(dòng)的克服副對(duì)象增益或調(diào)節(jié)閥特性的非線力，并能自動(dòng)的克服副對(duì)象增益或調(diào)節(jié)閥特性的非線 性對(duì)控制性能的影響性對(duì)控制性能的影響 總體來說，副對(duì)象由于引入閉環(huán)結(jié)構(gòu)，使

11、得副回路的閉環(huán)總體來說，副對(duì)象由于引入閉環(huán)結(jié)構(gòu)，使得副回路的閉環(huán) 傳遞函數(shù)的穩(wěn)態(tài)增益趨近于傳遞函數(shù)的穩(wěn)態(tài)增益趨近于1，實(shí)現(xiàn)跟隨特性。，實(shí)現(xiàn)跟隨特性。 4 4 、副回路可按照主回路的需要對(duì)質(zhì)量流量或能量流、副回路可按照主回路的需要對(duì)質(zhì)量流量或能量流 量實(shí)施準(zhǔn)確的控制量實(shí)施準(zhǔn)確的控制 這一特點(diǎn)體現(xiàn)在副回路為流量控制回路的場(chǎng)合，在未引入這一特點(diǎn)體現(xiàn)在副回路為流量控制回路的場(chǎng)合，在未引入 流量副回路時(shí)，像閥門的回差和閥前壓力擾動(dòng)等因素，都會(huì)影流量副回路時(shí)，像閥門的回差和閥前壓力擾動(dòng)等因素，都會(huì)影 響操作變量的流量，使其不能與控制器輸出信號(hào)保持嚴(yán)格的對(duì)響操作變量的流量，使其不能與控制器輸出信號(hào)保持嚴(yán)格的

12、對(duì) 應(yīng)關(guān)系。采用串級(jí)控制系統(tǒng)后，引入流量副回路，會(huì)使得實(shí)際應(yīng)關(guān)系。采用串級(jí)控制系統(tǒng)后，引入流量副回路，會(huì)使得實(shí)際 流量與主控制器的輸出基本保持一致，從而可以更精確的控制流量與主控制器的輸出基本保持一致，從而可以更精確的控制 流量。流量。 5 5 、可以實(shí)現(xiàn)更為靈活的控制方式，主調(diào)節(jié)器或副調(diào)、可以實(shí)現(xiàn)更為靈活的控制方式，主調(diào)節(jié)器或副調(diào) 節(jié)器在必要時(shí)可以忽略節(jié)器在必要時(shí)可以忽略 串級(jí)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)串級(jí)控制、主控或者副控等多種控串級(jí)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)串級(jí)控制、主控或者副控等多種控 制方式，其中主控方式是切除副回路，由主控制器直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)制方式，其中主控方式是切除副回路，由主控制器直接驅(qū)動(dòng)執(zhí) 行器，以主

13、被控變量作為被控變量的單回路控制；副控方式是行器，以主被控變量作為被控變量的單回路控制；副控方式是 切除主回路，由副回路單獨(dú)工作的單回路控制方式。切除主回路，由副回路單獨(dú)工作的單回路控制方式。 6.1.4 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、投串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、投 運(yùn)和參數(shù)整定運(yùn)和參數(shù)整定 1 1 、主、副回路的設(shè)計(jì)原則、主、副回路的設(shè)計(jì)原則 1） 副回路應(yīng)包含被控對(duì)象中主要的、變化劇烈、頻繁副回路應(yīng)包含被控對(duì)象中主要的、變化劇烈、頻繁 和幅度大的擾動(dòng)和幅度大的擾動(dòng) ； 2）盡可能將帶有非線性或時(shí)變特性的環(huán)節(jié)包含于副回）盡可能將帶有非線性或時(shí)變特性的環(huán)節(jié)包含于副回 路中。路中。 3） 副參數(shù)的選擇應(yīng)使副對(duì)象

14、的時(shí)間常數(shù)比主對(duì)象的時(shí)間副參數(shù)的選擇應(yīng)使副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)比主對(duì)象的時(shí)間 常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反應(yīng)靈敏；也就是副回路具有常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反應(yīng)靈敏；也就是副回路具有 良好的隨動(dòng)性能，否則系統(tǒng)可能發(fā)生良好的隨動(dòng)性能，否則系統(tǒng)可能發(fā)生“共振共振”現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 當(dāng)可能發(fā)生共振的時(shí)候，從當(dāng)可能發(fā)生共振的時(shí)候，從 主控制器來看，內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞主控制器來看，內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞 函數(shù)的幅頻特性可用二階振蕩函數(shù)的幅頻特性可用二階振蕩 環(huán)節(jié)來近似描述，如圖所示：環(huán)節(jié)來近似描述，如圖所示： 當(dāng)阻尼系數(shù)滿足關(guān)系當(dāng)阻尼系數(shù)滿足關(guān)系00 0.7070.707時(shí)，時(shí)， 會(huì)在諧振頻率會(huì)在諧振頻率 r2 r2處出現(xiàn)諧振峰值，并 處出

15、現(xiàn)諧振峰值，并 且在滿足且在滿足: : 2 1 2 3 r 的頻率區(qū)間內(nèi)，內(nèi)環(huán)動(dòng)態(tài)增益會(huì)大于的頻率區(qū)間內(nèi)，內(nèi)環(huán)動(dòng)態(tài)增益會(huì)大于1 1，會(huì)對(duì)外環(huán)控制器輸出信號(hào)，會(huì)對(duì)外環(huán)控制器輸出信號(hào) 起到放大作用，有可能導(dǎo)致起到放大作用，有可能導(dǎo)致“共振共振”現(xiàn)象的發(fā)生，因此，通常將上述區(qū)現(xiàn)象的發(fā)生，因此，通常將上述區(qū) 域稱為域稱為“廣義共振區(qū)廣義共振區(qū)”。為了避免。為了避免“共振共振”現(xiàn)象的發(fā)生，就應(yīng)該使得外現(xiàn)象的發(fā)生，就應(yīng)該使得外 環(huán)的工作頻率盡量避開此區(qū)域，即滿足如下條件：環(huán)的工作頻率盡量避開此區(qū)域，即滿足如下條件： 1 2 1 3 d r 1 2 2 d r 或或 當(dāng)然，外環(huán)應(yīng)該比內(nèi)環(huán)的工作頻率低，一般要

16、求主副回路的工作頻當(dāng)然，外環(huán)應(yīng)該比內(nèi)環(huán)的工作頻率低，一般要求主副回路的工作頻 率應(yīng)該錯(cuò)開，相差三倍以上，或者副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)和時(shí)滯應(yīng)比主對(duì)象率應(yīng)該錯(cuò)開，相差三倍以上，或者副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)和時(shí)滯應(yīng)比主對(duì)象 小一些，一般選擇：小一些，一般選擇： 2 2 、主、副回路控制器的選擇、主、副回路控制器的選擇 1 1）副調(diào)節(jié)器常選擇）副調(diào)節(jié)器常選擇PIPI控制律控制律 原因：原因：副回路為隨動(dòng)系統(tǒng)，其設(shè)定值及擾動(dòng)變化 頻繁，一般不宜加微分作用；另外，副回路的主要目的 是快速克服內(nèi)環(huán)中的各種擾動(dòng)，為加大副回路的調(diào)節(jié)能 力，理想上不用加積分作用。但實(shí)際運(yùn)行中，串級(jí)系統(tǒng) 有時(shí)會(huì)斷開主回路，因而，通常需要加入積分

17、作用。但 積分作用要求弱些積分作用要求弱些以保證副回路較強(qiáng)的抗干擾能力。 2 2）主調(diào)節(jié)器常選擇）主調(diào)節(jié)器常選擇PIPI或或PIDPID控制律控制律 原因：原因：主回路的任務(wù)是滿足主參數(shù)的定值控制要 求。因而對(duì)于主參數(shù)為溫度的串級(jí)系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器必須 加入較強(qiáng)的積分作用。當(dāng)主對(duì)象的調(diào)節(jié)滯后較大，而主 參數(shù)變化較平緩時(shí)，可加入通常大小的微分作用。 3 3 、主、副回路正、反作用的選擇、主、副回路正、反作用的選擇 控制器正、反作用的選擇原則是：要使系統(tǒng)成為負(fù)反控制器正、反作用的選擇原則是：要使系統(tǒng)成為負(fù)反 饋系統(tǒng)，為保證所設(shè)計(jì)的串級(jí)控制系統(tǒng)的正、副回路成為負(fù)饋系統(tǒng)，為保證所設(shè)計(jì)的串級(jí)控制系統(tǒng)的正、副

18、回路成為負(fù) 反饋系統(tǒng)，必須正確選擇主副回路的正反作用。反饋系統(tǒng)，必須正確選擇主副回路的正反作用。 1） 先依據(jù)控制閥的氣開（先依據(jù)控制閥的氣開（Kv為正）、氣關(guān)（為正）、氣關(guān)（Kv為負(fù)）形式，為負(fù)）形式， 副對(duì)象的放大倍數(shù)副對(duì)象的放大倍數(shù)Kp2 ，決定副控制器的正反作用方式；，決定副控制器的正反作用方式； 2） 主控制器的正反作用主要取決于廣義對(duì)象的放大倍主控制器的正反作用主要取決于廣義對(duì)象的放大倍 數(shù)數(shù)Kp2 Kp1 Ks1 ，由于，由于Kp2 Ks1通?？倿檎担虼藢?shí)際通?？倿檎?，因此實(shí)際 取決于主對(duì)象的放大倍數(shù)取決于主對(duì)象的放大倍數(shù)Kp1 。 4 4 、串級(jí)系統(tǒng)的投運(yùn)與參數(shù)整定、串級(jí)

19、系統(tǒng)的投運(yùn)與參數(shù)整定 兩步整定法 l先斷開主回路，按單回路方式整定副調(diào)節(jié)器的PID參 數(shù)。 l在主調(diào)節(jié)器為“手動(dòng)”、副回路閉環(huán)的情況下，測(cè)試 得到主回路廣義對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性與相應(yīng)特征參數(shù)。 l采用單回路調(diào)節(jié)參數(shù)的工程整定法（如Z-N準(zhǔn)則）， 確定主回路的PID參數(shù)。 舉例：舉例： 石油工業(yè)中的管式加熱爐的主要任務(wù)是把原油或重油加石油工業(yè)中的管式加熱爐的主要任務(wù)是把原油或重油加 熱到一定溫度，以保證下道工序的順利進(jìn)行，其工藝流程如熱到一定溫度，以保證下道工序的順利進(jìn)行，其工藝流程如 圖所示。被加熱的原料油流過爐膛四周的排管后，被加熱到圖所示。被加熱的原料油流過爐膛四周的排管后，被加熱到 出口溫度出

20、口溫度T T，工藝上要求油料出口溫度穩(wěn)定，試分別制定單回，工藝上要求油料出口溫度穩(wěn)定，試分別制定單回 路和串級(jí)控制方案。（這里，燃料油的流入量為主要擾動(dòng)）路和串級(jí)控制方案。（這里，燃料油的流入量為主要擾動(dòng)） 燃料油流入量燃料油流入量 原油出口溫度原油出口溫度 燃料油流入量燃料油流入量 原油出口溫度原油出口溫度 副控：正作用，副控：正作用，P P或或PIPI 主控：反作用，主控：反作用，PIPI或或PIDPID 6.2 前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng) 串級(jí)控制的基本思想是：串級(jí)控制的基本思想是：如果擾動(dòng)發(fā)生后，其首先影響到如果擾動(dòng)發(fā)生后，其首先影響到 的是過程中間變量，如果可以通過檢測(cè)中間變量感知擾動(dòng)

21、的發(fā)的是過程中間變量，如果可以通過檢測(cè)中間變量感知擾動(dòng)的發(fā) 生，并及時(shí)做出補(bǔ)償，那么整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)就會(huì)更加及時(shí)。生，并及時(shí)做出補(bǔ)償，那么整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)就會(huì)更加及時(shí)。 如果負(fù)荷擾動(dòng)本身就可以直接測(cè)量如果負(fù)荷擾動(dòng)本身就可以直接測(cè)量 ，我，我 們是否有可能在負(fù)荷擾動(dòng)剛一出現(xiàn)就及時(shí)做出們是否有可能在負(fù)荷擾動(dòng)剛一出現(xiàn)就及時(shí)做出 補(bǔ)償？補(bǔ)償？ 答案是肯定的，這就是前饋控制。答案是肯定的，這就是前饋控制。 采用前饋控制方案，在很多情況下可以極大的減輕反饋控采用前饋控制方案，在很多情況下可以極大的減輕反饋控 制的負(fù)擔(dān)。制的負(fù)擔(dān)。 一些由于本性難控而不能控制得很好的過程，對(duì)各一些由于本性難控而不能控制得

22、很好的過程，對(duì)各 種負(fù)荷變化所引起的擾動(dòng)是很敏感的，種負(fù)荷變化所引起的擾動(dòng)是很敏感的， 反饋控制并不能取得很反饋控制并不能取得很 好得控制效果，因?yàn)閱渭兊姆答伩刂拼嬖谝韵戮窒扌裕汉玫每刂菩Ч?，因?yàn)閱渭兊姆答伩刂拼嬖谝韵戮窒扌裕?反饋控制的本質(zhì)是反饋控制的本質(zhì)是“基于偏差的控制基于偏差的控制”。著意味著必須首。著意味著必須首 先存在一個(gè)可以檢測(cè)出來的偏差，才有可能產(chǎn)生一個(gè)恢復(fù)先存在一個(gè)可以檢測(cè)出來的偏差，才有可能產(chǎn)生一個(gè)恢復(fù) 力，因此反饋控制是一種力，因此反饋控制是一種“不及時(shí)不及時(shí)”的控制，不可能獲得的控制，不可能獲得 “完美完美”的控制。的控制。 反饋控制是基于反饋控制是基于“試湊法試湊法”

23、來進(jìn)行控制的，即對(duì)于任意擾來進(jìn)行控制的，即對(duì)于任意擾 動(dòng)輸入，調(diào)節(jié)器并不知道其輸出值最終應(yīng)該取多大，而是動(dòng)輸入，調(diào)節(jié)器并不知道其輸出值最終應(yīng)該取多大，而是 不停的改變其輸出，直到測(cè)量值與給定值達(dá)到一致，自動(dòng)不停的改變其輸出，直到測(cè)量值與給定值達(dá)到一致，自動(dòng) “摸索摸索”出合適的數(shù)值為止，這正是反饋回路出現(xiàn)振蕩的出合適的數(shù)值為止，這正是反饋回路出現(xiàn)振蕩的 原因。原因。 任何反饋回路，都有一個(gè)自然頻率，假如加入擾動(dòng)頻繁， 并且其間隔小于三個(gè)自然振蕩周期，那么回路就很難達(dá)到 穩(wěn)定狀態(tài)，這就類似于串級(jí)控制的“共振”現(xiàn)象。 反饋控制系統(tǒng)，因構(gòu)成閉環(huán)構(gòu)成閉環(huán)，故而存在一個(gè)穩(wěn)定性問題存在一個(gè)穩(wěn)定性問題。 即

24、使組成閉環(huán)系統(tǒng)的每個(gè)環(huán)節(jié)都是穩(wěn)定的，閉環(huán)后是否穩(wěn)定， 仍然需要作進(jìn)一步的分析。 前饋控制則不然，它是前饋控制則不然，它是 “基于擾動(dòng)的控制基于擾動(dòng)的控制”，這種控制方法，這種控制方法 是要把影響過程的主要擾動(dòng)因素測(cè)量出來，連同設(shè)定值一起，是要把影響過程的主要擾動(dòng)因素測(cè)量出來，連同設(shè)定值一起， 用來計(jì)算正確的輸出，以適當(dāng)當(dāng)前的狀態(tài)。無論擾動(dòng)何時(shí)出現(xiàn)，用來計(jì)算正確的輸出，以適當(dāng)當(dāng)前的狀態(tài)。無論擾動(dòng)何時(shí)出現(xiàn)， 都立即開始校正，使擾動(dòng)在影響到被調(diào)量之前就被抵消掉。都立即開始校正，使擾動(dòng)在影響到被調(diào)量之前就被抵消掉。 6.2.1 前饋控制的基本結(jié)構(gòu)與工前饋控制的基本結(jié)構(gòu)與工 作原理作原理 前饋控制的基本

25、結(jié)構(gòu)如圖所示。前饋控制的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。 前饋控制的特點(diǎn)：前饋控制的特點(diǎn)： u 相對(duì)于串級(jí)控制，這里是在擾動(dòng)還未影響輸出以前，更更 及時(shí)及時(shí)地調(diào)整操作變量，以使輸出不受或少受外部擾動(dòng)的影響。 u前饋控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是信息的向前流動(dòng)信息的向前流動(dòng)，而且系統(tǒng)沒有 利用被調(diào)量，因?yàn)槿绻昧吮徽{(diào)量就相當(dāng)于構(gòu)成了閉環(huán)反饋。 u前饋控制器正是利用已知的給定值去改變調(diào)節(jié)量，同時(shí)測(cè) 量擾動(dòng)并對(duì)其做出補(bǔ)償，以使被調(diào)量達(dá)到設(shè)定值。 u單純從擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)慕嵌葋砜?，在上述前饋控制系統(tǒng)中，從擾 動(dòng)作用點(diǎn)（負(fù)荷分量的變化）到被調(diào)量之間實(shí)際上存在著兩條 平行的通道，即過程干擾通道過程干擾通道以及前饋補(bǔ)償通道前饋補(bǔ)償通道

26、；如果這兩個(gè) 通道對(duì)輸出影響的大小相同，而作用方向相反，則系統(tǒng)輸出量 完全不受擾動(dòng)的影響，即實(shí)現(xiàn)了不變性，這就是所謂實(shí)現(xiàn)不變實(shí)現(xiàn)不變 性的雙通道原理性的雙通道原理。 下面以換熱器溫度控制系統(tǒng)為例，說明前饋控制的基本原理。下面以換熱器溫度控制系統(tǒng)為例，說明前饋控制的基本原理。 圖中加熱蒸汽通過換熱器中的排管的外面，把熱量傳給圖中加熱蒸汽通過換熱器中的排管的外面，把熱量傳給 排管內(nèi)流過的被加熱介質(zhì)，介質(zhì)的出口溫度排管內(nèi)流過的被加熱介質(zhì)，介質(zhì)的出口溫度T用蒸汽管上的用蒸汽管上的 調(diào)節(jié)閥來進(jìn)行調(diào)節(jié)。引起溫度改變的擾動(dòng)量很多，主要擾動(dòng)調(diào)節(jié)閥來進(jìn)行調(diào)節(jié)。引起溫度改變的擾動(dòng)量很多，主要擾動(dòng) 是來自上一道工序

27、的被加熱介質(zhì)的流量是來自上一道工序的被加熱介質(zhì)的流量q。 如果采用單回路調(diào)節(jié)，如圖所示。如果采用單回路調(diào)節(jié)，如圖所示。 當(dāng)發(fā)生負(fù)荷擾動(dòng)的時(shí)候，出口溫度就會(huì)當(dāng)發(fā)生負(fù)荷擾動(dòng)的時(shí)候，出口溫度就會(huì) 有偏差，通過溫度控制器改變蒸汽的流量，有偏差，通過溫度控制器改變蒸汽的流量， 此后，又要經(jīng)過熱交換過程的慣性，才會(huì)此后，又要經(jīng)過熱交換過程的慣性，才會(huì) 使出口溫度變化而反映出調(diào)節(jié)效果，這就使出口溫度變化而反映出調(diào)節(jié)效果，這就 使得出口溫度產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)偏差。使得出口溫度產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)偏差。 如果根據(jù)負(fù)荷流量的測(cè)量信號(hào)來控如果根據(jù)負(fù)荷流量的測(cè)量信號(hào)來控 制調(diào)節(jié)閥，如右圖所示的前饋控制，當(dāng)制調(diào)節(jié)閥，如右圖所示的

28、前饋控制，當(dāng) 負(fù)荷擾動(dòng)產(chǎn)生后，就不必等到流量變化負(fù)荷擾動(dòng)產(chǎn)生后，就不必等到流量變化 引起出口溫度變化以后再去控制，而是引起出口溫度變化以后再去控制，而是 可以直接根據(jù)負(fù)荷流量的變化計(jì)算出需可以直接根據(jù)負(fù)荷流量的變化計(jì)算出需 要補(bǔ)償?shù)恼羝髁浚⒓磳?duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行要補(bǔ)償?shù)恼羝髁?，立即?duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行 控制?？刂?。 6.2.2 前饋控制器的設(shè)計(jì)及其性前饋控制器的設(shè)計(jì)及其性 能分析能分析 假設(shè)被控過程干擾通道與調(diào)節(jié)通道如圖所示，假設(shè)被控過程干擾通道與調(diào)節(jié)通道如圖所示， 某一特定擾動(dòng)變量某一特定擾動(dòng)變量 d2 持續(xù)存在，持續(xù)存在， 并且對(duì)系統(tǒng)影響較大，如果我們發(fā)現(xiàn)并且對(duì)系統(tǒng)影響較大，如果我們發(fā)現(xiàn) d2 滿足

29、如下條件：滿足如下條件： 該擾動(dòng)變量可以可靠地測(cè)量；該擾動(dòng)變量可以可靠地測(cè)量； 不受過程輸入變量的影響（即不構(gòu)成閉環(huán)不受過程輸入變量的影響（即不構(gòu)成閉環(huán) 反饋）；反饋）； 此干擾通道與調(diào)節(jié)通道的動(dòng)態(tài)特性相近此干擾通道與調(diào)節(jié)通道的動(dòng)態(tài)特性相近 則可以在控制方框圖中引入前饋控制，其中包括插入一 檢測(cè)擾動(dòng)變量的傳感器傳感器，改變操作變量通常采用的執(zhí)行器執(zhí)行器， 以及一個(gè)新的前饋控制器前饋控制器用來調(diào)節(jié)閥的開度，如圖所示。 上式中，增益Kff代表干擾通道與調(diào)節(jié)通道中過程穩(wěn)態(tài) 增益的比值，超前時(shí)間常數(shù)Tlead、滯后時(shí)間常數(shù)Tlag則分別 代表調(diào)節(jié)通道與干擾通道內(nèi)對(duì)象的等效時(shí)間常數(shù)，ff則為 干擾通道與

30、調(diào)節(jié)通道純滯后時(shí)間之差。這四個(gè)參數(shù)可以象 PID控制器參數(shù)那樣，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，使取得被控變量對(duì) 于擾動(dòng)的良好響應(yīng)特性。 四個(gè)參數(shù)當(dāng)中，增益的作用是放大補(bǔ)償器的響應(yīng)輸出， 純滯后時(shí)間常數(shù)則是延遲控制器的響應(yīng)，當(dāng)擾動(dòng)通道純滯 后比調(diào)節(jié)通道過程純滯后大時(shí)，使補(bǔ)償器不會(huì)過早地影響 受控變量。然而，如果情況相反，即擾動(dòng)通道純滯后小， 則理想的控制要求負(fù)的，這意味著前饋控制器要能夠預(yù)測(cè) 未來擾動(dòng)的發(fā)生，提前動(dòng)作。 超前、滯后參數(shù)可對(duì)控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行整形。例如， 如果TlagTlead，則控制器輸出隨時(shí)間單調(diào)增長，當(dāng)干擾通道 內(nèi)擾動(dòng)比調(diào)節(jié)通道內(nèi)調(diào)節(jié)變量行進(jìn)得慢的情況下有必要這樣 設(shè)置；如果情況相反，則需

31、要一開始就提供更加劇烈的調(diào)節(jié) 器動(dòng)作，以彌補(bǔ)響應(yīng)速率上的不足，此時(shí)需要設(shè)置Tlead Tlag。 實(shí)際上可以采用前饋控制的大部分過程，其擾動(dòng)通道和調(diào)節(jié)實(shí)際上可以采用前饋控制的大部分過程，其擾動(dòng)通道和調(diào)節(jié) 通道的傳遞函數(shù)在性質(zhì)上和數(shù)量上都是相近的。雖然在兩者中通道的傳遞函數(shù)在性質(zhì)上和數(shù)量上都是相近的。雖然在兩者中 還可能碰到純延遲，但是它們的數(shù)值一般也比較接近。所以在還可能碰到純延遲，但是它們的數(shù)值一般也比較接近。所以在 大多數(shù)情況下，只需要考慮主要的慣性環(huán)節(jié)，也就是實(shí)現(xiàn)部分大多數(shù)情況下，只需要考慮主要的慣性環(huán)節(jié)，也就是實(shí)現(xiàn)部分 補(bǔ)償，而上述簡單的超前補(bǔ)償，而上述簡單的超前-滯后裝置作為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

32、器也就能夠滿滯后裝置作為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器也就能夠滿 足要求了。足要求了。 單純的前饋控制在實(shí)際應(yīng)用過程中還是存單純的前饋控制在實(shí)際應(yīng)用過程中還是存 在著一定的局限性在著一定的局限性 ，包括：，包括： 前饋控制屬開環(huán)控制方式前饋控制屬開環(huán)控制方式 在開環(huán)控制下被控量的偏差沒有進(jìn)行檢驗(yàn)。在前面所討在開環(huán)控制下被控量的偏差沒有進(jìn)行檢驗(yàn)。在前面所討 論的換熱器溫度前饋控制的例子中，被控溫度是不存在反饋論的換熱器溫度前饋控制的例子中，被控溫度是不存在反饋 的，因此，如果前饋控制效果不佳，或其它擾動(dòng)出現(xiàn)，被控的，因此，如果前饋控制效果不佳，或其它擾動(dòng)出現(xiàn)，被控 溫度將偏離給定值溫度將偏離給定值，由于前饋系統(tǒng)無法

33、獲得這一偏差信息而由于前饋系統(tǒng)無法獲得這一偏差信息而 不能做進(jìn)一步的校正。故單純的前饋控制方案一般不宜采用。不能做進(jìn)一步的校正。故單純的前饋控制方案一般不宜采用。 完全補(bǔ)償難以滿足完全補(bǔ)償難以滿足 前饋控制只有在實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)那疤嵯拢拍苁沟孟到y(tǒng)前饋控制只有在實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)那疤嵯?，才能使得系統(tǒng) 得到良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。但完全補(bǔ)償幾乎是難以做到的，因得到良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。但完全補(bǔ)償幾乎是難以做到的，因 為：為： a) a) 要準(zhǔn)確地掌握過程擾動(dòng)通道特性及控制通道特性是不容要準(zhǔn)確地掌握過程擾動(dòng)通道特性及控制通道特性是不容 易的，故而前饋控制器模型難以準(zhǔn)確；且被控對(duì)象常含有易的，故而前饋控制器模型難以準(zhǔn)確

34、；且被控對(duì)象常含有 非線性特性，在不同的運(yùn)行工況下其動(dòng)態(tài)特性參數(shù)將產(chǎn)生非線性特性，在不同的運(yùn)行工況下其動(dòng)態(tài)特性參數(shù)將產(chǎn)生 明顯的變化，原有的前饋模型此時(shí)就不能適應(yīng)了，因此無明顯的變化，原有的前饋模型此時(shí)就不能適應(yīng)了，因此無 法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)上的完全補(bǔ)償。法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)上的完全補(bǔ)償。 b) b) 即使前饋模型能準(zhǔn)確求出有時(shí)工程上也難以實(shí)現(xiàn)。即使前饋模型能準(zhǔn)確求出有時(shí)工程上也難以實(shí)現(xiàn)。 c c) ) 實(shí)際的生產(chǎn)過程中，往往同時(shí)存在著若干個(gè)擾動(dòng)實(shí)際的生產(chǎn)過程中，往往同時(shí)存在著若干個(gè)擾動(dòng), ,如上述如上述 換熱器溫度系統(tǒng)中，物料流量、物料入口溫度、蒸汽壓換熱器溫度系統(tǒng)中，物料流量、物料入口溫度、蒸汽壓 力等的變

35、化均將引起出口溫度的變化。如果要對(duì)一種擾力等的變化均將引起出口溫度的變化。如果要對(duì)一種擾 動(dòng)都實(shí)行前饋控制，就是對(duì)每一個(gè)擾動(dòng)至少使用一套測(cè)動(dòng)都實(shí)行前饋控制，就是對(duì)每一個(gè)擾動(dòng)至少使用一套測(cè) 量變送儀表和一個(gè)前饋控制器，這將會(huì)使控制系統(tǒng)龐大量變送儀表和一個(gè)前饋控制器，這將會(huì)使控制系統(tǒng)龐大 且復(fù)雜，從而將增加大量自動(dòng)化設(shè)備的投資；且復(fù)雜，從而將增加大量自動(dòng)化設(shè)備的投資； d）另外，尚有一些擾動(dòng)量至今無法對(duì)其實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量）另外，尚有一些擾動(dòng)量至今無法對(duì)其實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，而而 若僅對(duì)某些可測(cè)擾動(dòng)進(jìn)行前饋控制，則無法消除其它擾若僅對(duì)某些可測(cè)擾動(dòng)進(jìn)行前饋控制，則無法消除其它擾 動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響。這些因素均限

36、制了前饋控制的應(yīng)動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響。這些因素均限制了前饋控制的應(yīng) 用范圍用范圍。 6.2.3 復(fù)合控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng) 自動(dòng)控制的核心是反饋控制，自動(dòng)控制的核心是反饋控制，反饋控制的最反饋控制的最 大優(yōu)點(diǎn)之一就是對(duì)引起被控變量偏差給定值的大優(yōu)點(diǎn)之一就是對(duì)引起被控變量偏差給定值的 所有擾動(dòng)均有校正作用所有擾動(dòng)均有校正作用；同時(shí)，反饋控制系統(tǒng)；同時(shí)，反饋控制系統(tǒng) 相對(duì)于前饋控制來說，調(diào)節(jié)規(guī)律通常比較簡單。相對(duì)于前饋控制來說，調(diào)節(jié)規(guī)律通常比較簡單。 在考慮到前饋控制所具有的局限性，促使我們?cè)诳紤]到前饋控制所具有的局限性，促使我們 考慮，在前饋控制的基礎(chǔ)上可針對(duì)最終被控變考慮，在前饋控制的基礎(chǔ)上可針對(duì)

37、最終被控變 量再引入反饋結(jié)構(gòu)，形成所謂量再引入反饋結(jié)構(gòu)，形成所謂“前饋前饋- -反饋反饋”復(fù)復(fù) 合調(diào)節(jié)系統(tǒng)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 前饋前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。 復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出為：復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出為： ( )( )( ) ( )( ) 1( )( )( )( ) pvc spvc Gs G s G s Y sR s G s Gs G s G s 1 1 ( ) ( ) 1( )( )( )( ) d spvc Gs D s G s Gs G s G s 2 2 ( )( )( )( )( ) ( ) 1( )( )( )( ) dvpffsf s

38、pvc GsG s Gs Gs Gs D s G s Gs G s G s 如果要實(shí)現(xiàn)針對(duì)擾動(dòng)如果要實(shí)現(xiàn)針對(duì)擾動(dòng)d2的完全補(bǔ)償或者稱完全不變的完全補(bǔ)償或者稱完全不變 性，則要求第二項(xiàng)為零，也就是：性，則要求第二項(xiàng)為零，也就是： 2 2 ( )( )( )( )( ) ( )0 1( )( )( )( ) dvpffsf spvc GsG s Gs Gs Gs D s G s Gs G s G s 即：即： 2( ) ( ) ( )( )( ) d ff vpsf Gs Gs G s Gs Gs 復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)的幾點(diǎn)結(jié)論：復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)的幾點(diǎn)結(jié)論： （1）反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件并不因?yàn)橐肭梆伃h(huán)節(jié)

39、而）反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件并不因?yàn)橐肭梆伃h(huán)節(jié)而 有所改變；有所改變； （2）復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)與開環(huán)的前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有同一前饋補(bǔ)）復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)與開環(huán)的前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有同一前饋補(bǔ) 償調(diào)節(jié)算法，并不因?yàn)橐牖谄畹姆答伩刂贫兴淖?；償調(diào)節(jié)算法，并不因?yàn)橐牖谄畹姆答伩刂贫兴淖儯?（3）前饋擾動(dòng)針對(duì)被控變量的影響由于反饋的引入而大大）前饋擾動(dòng)針對(duì)被控變量的影響由于反饋的引入而大大 減弱。減弱。 （4）針對(duì)其他擾動(dòng)，由于沒有引入前饋補(bǔ)償通道，因此不可）針對(duì)其他擾動(dòng)，由于沒有引入前饋補(bǔ)償通道，因此不可 能實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，但是由于引入了反饋控制，當(dāng)采用積分調(diào)能實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，但是由于引入了反饋控制，

40、當(dāng)采用積分調(diào) 節(jié)規(guī)律的時(shí)候，還是可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)不變性。節(jié)規(guī)律的時(shí)候，還是可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)不變性。 在實(shí)際應(yīng)用中，可以選擇對(duì)象中主要的一些可測(cè)擾動(dòng)作在實(shí)際應(yīng)用中，可以選擇對(duì)象中主要的一些可測(cè)擾動(dòng)作 為前饋信號(hào)引入前饋控制，對(duì)其他引起被調(diào)參數(shù)變化的各種干為前饋信號(hào)引入前饋控制，對(duì)其他引起被調(diào)參數(shù)變化的各種干 擾則采用反饋調(diào)節(jié)，充分利用前饋和反饋這兩種控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)擾則采用反饋調(diào)節(jié)，充分利用前饋和反饋這兩種控制結(jié)構(gòu)的優(yōu) 點(diǎn)，使調(diào)節(jié)質(zhì)量進(jìn)一步提高。點(diǎn)，使調(diào)節(jié)質(zhì)量進(jìn)一步提高。 關(guān)于復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定，顯然，反饋控制器關(guān)于復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定，顯然，反饋控制器Gc與與 前饋控制器前饋控制器Gff都要依據(jù)被控

41、過程的特性進(jìn)行參數(shù)整定，反饋控都要依據(jù)被控過程的特性進(jìn)行參數(shù)整定，反饋控 制器需要有關(guān)制器需要有關(guān)Gm的知識(shí)，而前饋控制器則需要同時(shí)了解的知識(shí)，而前饋控制器則需要同時(shí)了解Gm 和和 Gd2的屬性，在前饋控制器建立好了之后，則主要依據(jù)設(shè)定值的屬性，在前饋控制器建立好了之后，則主要依據(jù)設(shè)定值r 及擾動(dòng)量及擾動(dòng)量d2的響應(yīng)特性進(jìn)行控制器的響應(yīng)特性進(jìn)行控制器Gc的參數(shù)調(diào)整。的參數(shù)調(diào)整。 舉例：舉例： 石油工業(yè)中的管式加熱爐的主要任務(wù)是把原油或重油加石油工業(yè)中的管式加熱爐的主要任務(wù)是把原油或重油加 熱到一定溫度，以保證下道工序的順利進(jìn)行，其工藝流程如熱到一定溫度，以保證下道工序的順利進(jìn)行，其工藝流程如

42、圖所示。被加熱的原料油流過爐膛四周的排管后，被加熱到圖所示。被加熱的原料油流過爐膛四周的排管后，被加熱到 出口溫度出口溫度T T，工藝上要求油料出口溫度穩(wěn)定，試，工藝上要求油料出口溫度穩(wěn)定，試 制串級(jí)前饋制串級(jí)前饋 控制方案。（這里，源糧油和燃料油的流入量為主要擾動(dòng)）控制方案。（這里，源糧油和燃料油的流入量為主要擾動(dòng)） 擾動(dòng)量：擾動(dòng)量：燃料油波動(dòng)、原油波動(dòng)燃料油波動(dòng)、原油波動(dòng) TC(TC(主控主控) )：反作用，：反作用， PID PID FF( FF(前饋前饋) )： G Gff ff 控制器：控制器： FC(FC(副控副控) )：正作用，：正作用， P P 或或PIPI 燃燒爐的前饋串級(jí)復(fù)

43、合調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)燃燒爐的前饋串級(jí)復(fù)合調(diào)節(jié)控制系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示：的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示： 6.4 選擇控制系統(tǒng)選擇控制系統(tǒng) 通常的自動(dòng)控制系統(tǒng)是在正常情況下，為保證工藝過程通常的自動(dòng)控制系統(tǒng)是在正常情況下，為保證工藝過程 的物料平衡、能量平衡或保護(hù)產(chǎn)品質(zhì)量而設(shè)計(jì)的。但是，在故的物料平衡、能量平衡或保護(hù)產(chǎn)品質(zhì)量而設(shè)計(jì)的。但是，在故 障狀態(tài)下的安全生產(chǎn)問題，即當(dāng)操作條件到達(dá)安全極限時(shí)的安障狀態(tài)下的安全生產(chǎn)問題，即當(dāng)操作條件到達(dá)安全極限時(shí)的安 全保護(hù)措施也應(yīng)引起足夠的重視。全保護(hù)措施也應(yīng)引起足夠的重視。這其中，用于設(shè)備軟保護(hù)的這其中，用于設(shè)備軟保護(hù)的 一類選擇控制器，又稱為一類選擇控制器，又稱為“超

44、馳控制超馳控制”系統(tǒng)應(yīng)用較為普遍，并系統(tǒng)應(yīng)用較為普遍，并 且具有一定的共性且具有一定的共性。在本節(jié)中重點(diǎn)予以介紹。在本節(jié)中重點(diǎn)予以介紹。 6.4.1 選擇性控制系統(tǒng)的基本概念選擇性控制系統(tǒng)的基本概念 一般的說，凡是在控制回路中引入選擇器的系統(tǒng)都可稱為一般的說，凡是在控制回路中引入選擇器的系統(tǒng)都可稱為 選擇性控制系統(tǒng)。隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用計(jì)算機(jī)邏輯選擇性控制系統(tǒng)。隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用計(jì)算機(jī)邏輯 控制算法進(jìn)行選擇性控制十分方便。這其中，最為常見的是超控制算法進(jìn)行選擇性控制十分方便。這其中，最為常見的是超 馳控制，它也屬于極限控制一類，是從生產(chǎn)安全角度提出來的，馳控制，它也屬于極限控

45、制一類，是從生產(chǎn)安全角度提出來的， 廣泛應(yīng)用于包括大型透平壓縮機(jī)的防噴振，化學(xué)反應(yīng)器的安全廣泛應(yīng)用于包括大型透平壓縮機(jī)的防噴振，化學(xué)反應(yīng)器的安全 操作等工業(yè)生產(chǎn)過程中。操作等工業(yè)生產(chǎn)過程中。 極限控制的特點(diǎn)是：極限控制的特點(diǎn)是：在正常工況下，該參數(shù)不會(huì)超限，在正常工況下，該參數(shù)不會(huì)超限， 所以也不考慮對(duì)它進(jìn)行直接（極限）控制；而在非正常工況下，所以也不考慮對(duì)它進(jìn)行直接（極限）控制；而在非正常工況下， 該參數(shù)會(huì)達(dá)到極限值，這時(shí)就要求采取強(qiáng)有力的手段，避免超該參數(shù)會(huì)達(dá)到極限值，這時(shí)就要求采取強(qiáng)有力的手段，避免超 限。限。 具體采取的措施包括以下兩類：具體采取的措施包括以下兩類： （1）硬保護(hù)。）硬

46、保護(hù)。當(dāng)參數(shù)達(dá)到第一極限時(shí)報(bào)警，提示操作工當(dāng)參數(shù)達(dá)到第一極限時(shí)報(bào)警，提示操作工 設(shè)法排除故障；若沒有及時(shí)排除故障，參數(shù)值會(huì)達(dá)到更嚴(yán)重設(shè)法排除故障；若沒有及時(shí)排除故障，參數(shù)值會(huì)達(dá)到更嚴(yán)重 的第二極限，此時(shí)需要經(jīng)連鎖裝置動(dòng)作，自動(dòng)停車。的第二極限，此時(shí)需要經(jīng)連鎖裝置動(dòng)作，自動(dòng)停車。 （2）軟保護(hù)。）軟保護(hù)。當(dāng)參數(shù)達(dá)到極限時(shí)報(bào)警，并設(shè)法排除故障。當(dāng)參數(shù)達(dá)到極限時(shí)報(bào)警，并設(shè)法排除故障。 但同時(shí)，改變操作方式，按使該參數(shù)脫離極限值為主要控制但同時(shí)，改變操作方式，按使該參數(shù)脫離極限值為主要控制 目標(biāo)進(jìn)行控制，以防該參數(shù)進(jìn)一步超限。這種操作方式會(huì)使目標(biāo)進(jìn)行控制，以防該參數(shù)進(jìn)一步超限。這種操作方式會(huì)使 原有控

47、制質(zhì)量暫時(shí)降低，但能夠維持生產(chǎn)的繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，避免原有控制質(zhì)量暫時(shí)降低，但能夠維持生產(chǎn)的繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，避免 了停車。了停車。 由于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的復(fù)雜性與快速性，操作人員處理事由于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的復(fù)雜性與快速性，操作人員處理事 故的速度往往滿足不了需要，而且處理過程容易出錯(cuò)；而自動(dòng)故的速度往往滿足不了需要，而且處理過程容易出錯(cuò)；而自動(dòng) 連鎖停機(jī)的辦法又往往造成頻繁的設(shè)備停機(jī)，嚴(yán)重時(shí)甚至造成連鎖停機(jī)的辦法又往往造成頻繁的設(shè)備停機(jī)，嚴(yán)重時(shí)甚至造成 無法開車。所以，一些高度集中控制的大型工廠中，僅僅依靠無法開車。所以，一些高度集中控制的大型工廠中，僅僅依靠 硬保護(hù)措施滿足不了生產(chǎn)需要。硬保護(hù)措施滿足不了生產(chǎn)需要

48、。 而超馳控制屬于軟保護(hù)措施，而超馳控制屬于軟保護(hù)措施，它是把由工藝生產(chǎn)過程的它是把由工藝生產(chǎn)過程的 限制條件所構(gòu)成的邏輯關(guān)系疊加到正常自動(dòng)控制系統(tǒng)上去的一限制條件所構(gòu)成的邏輯關(guān)系疊加到正常自動(dòng)控制系統(tǒng)上去的一 種控制方法種控制方法。當(dāng)生產(chǎn)操作趨向于極限條件時(shí)，通過選擇器，一當(dāng)生產(chǎn)操作趨向于極限條件時(shí)，通過選擇器，一 個(gè)用于控制不安全情況的備用控制系統(tǒng)自動(dòng)取代正常工況下的個(gè)用于控制不安全情況的備用控制系統(tǒng)自動(dòng)取代正常工況下的 控制系統(tǒng)，待工況脫離極限條件回到正常工況后，備用的控制控制系統(tǒng)，待工況脫離極限條件回到正常工況后，備用的控制 系統(tǒng)又通過選擇器自動(dòng)脫離，正常工況下的控制系統(tǒng)又重新自系統(tǒng)又

49、通過選擇器自動(dòng)脫離，正常工況下的控制系統(tǒng)又重新自 動(dòng)投入運(yùn)行動(dòng)投入運(yùn)行。 6.4.2 選擇性控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇性控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 與工作原理與工作原理 下面以液氨蒸發(fā)器溫度控制系統(tǒng)為例，來說明選擇性控制下面以液氨蒸發(fā)器溫度控制系統(tǒng)為例，來說明選擇性控制 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理。 液氨蒸發(fā)器是一個(gè)換熱設(shè)備，液氨蒸發(fā)器是一個(gè)換熱設(shè)備， 在工業(yè)上應(yīng)用極為廣泛。它是利用液在工業(yè)上應(yīng)用極為廣泛。它是利用液 氨的汽化需要吸收大量熱量，以此來氨的汽化需要吸收大量熱量，以此來 冷卻流經(jīng)管內(nèi)的被冷物料。在生產(chǎn)上，冷卻流經(jīng)管內(nèi)的被冷物料。在生產(chǎn)上， 往往要求被冷物料的出口溫度恒定。往往要求被冷物

50、料的出口溫度恒定。 被控變量被控變量 調(diào)節(jié)量調(diào)節(jié)量 典型的單回路控制如右圖所示典型的單回路控制如右圖所示， 這一控制方案用的是改變傳熱面積來這一控制方案用的是改變傳熱面積來 調(diào)節(jié)傳熱量的方法。因液位高度會(huì)影調(diào)節(jié)傳熱量的方法。因液位高度會(huì)影 響熱交換器的浸潤傳熱面積，因此，響熱交換器的浸潤傳熱面積，因此， 液位高度間接反映了傳熱面積的變化液位高度間接反映了傳熱面積的變化 情況。情況。 由此可見，液氨蒸發(fā)器實(shí)質(zhì)上是一由此可見，液氨蒸發(fā)器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)單輸入（液氨流量）個(gè)單輸入（液氨流量） 兩輸出（溫度和液位）系統(tǒng)兩輸出（溫度和液位）系統(tǒng)。液氨流量即會(huì)影響溫度，又會(huì)影。液氨流量即會(huì)影響溫度，又會(huì)影 響

51、液位，溫度和液位有一個(gè)粗略的對(duì)應(yīng)性。通過工藝的合理性響液位，溫度和液位有一個(gè)粗略的對(duì)應(yīng)性。通過工藝的合理性 設(shè)計(jì)，在正常工況下當(dāng)溫度得到控制后，液位也應(yīng)該在一定允設(shè)計(jì)，在正常工況下當(dāng)溫度得到控制后，液位也應(yīng)該在一定允 許區(qū)間內(nèi)。許區(qū)間內(nèi)。LS 超限現(xiàn)象總是因?yàn)槌霈F(xiàn)了非正常工況的緣故超限現(xiàn)象總是因?yàn)槌霈F(xiàn)了非正常工況的緣故。在這里，。在這里，不不 妨假設(shè)有雜質(zhì)油漏入被冷物料管線，使傳熱系數(shù)猛降，為了取妨假設(shè)有雜質(zhì)油漏入被冷物料管線，使傳熱系數(shù)猛降，為了取 走同樣的熱量，就要大大增加傳熱面積，但當(dāng)液位浸沒了換熱走同樣的熱量，就要大大增加傳熱面積，但當(dāng)液位浸沒了換熱 器的所有列管時(shí)，傳熱面積的增加已達(dá)

52、極限，如果繼續(xù)增加氨器的所有列管時(shí)，傳熱面積的增加已達(dá)極限，如果繼續(xù)增加氨 蒸發(fā)器內(nèi)液氨量，并不會(huì)提高傳熱量蒸發(fā)器內(nèi)液氨量，并不會(huì)提高傳熱量。但是液位的繼續(xù)升高，。但是液位的繼續(xù)升高， 卻可能帶來生產(chǎn)事故，這是因?yàn)槠陌笔且厥罩貜?fù)使用的，卻可能帶來生產(chǎn)事故，這是因?yàn)槠陌笔且厥罩貜?fù)使用的， 氨氣將進(jìn)入壓縮機(jī)入口，若氨氣帶液，液滴會(huì)損壞壓縮機(jī)葉片，氨氣將進(jìn)入壓縮機(jī)入口，若氨氣帶液，液滴會(huì)損壞壓縮機(jī)葉片， 因而液氨蒸發(fā)器上部必須有足夠的汽化空間，以保證良好的汽因而液氨蒸發(fā)器上部必須有足夠的汽化空間，以保證良好的汽 化條件，為了保持足夠的汽化空間，就要限制液氨液位不得高化條件，為了保持足夠的

53、汽化空間，就要限制液氨液位不得高 于某一最高限值，為此，在原有溫度控制基礎(chǔ)上，增加一個(gè)防于某一最高限值，為此，在原有溫度控制基礎(chǔ)上，增加一個(gè)防 液位超限的控制系統(tǒng)。液位超限的控制系統(tǒng)。 實(shí)現(xiàn)上述功能的超限控制方案，實(shí)現(xiàn)上述功能的超限控制方案， 如右圖所示。它有兩臺(tái)控制器，通過如右圖所示。它有兩臺(tái)控制器，通過 選擇器對(duì)兩個(gè)輸出信號(hào)的選擇來實(shí)現(xiàn)選擇器對(duì)兩個(gè)輸出信號(hào)的選擇來實(shí)現(xiàn) 對(duì)控制閥的兩種控制方式。對(duì)控制閥的兩種控制方式。 （1 1）在正常工況下，應(yīng)選溫度控）在正常工況下，應(yīng)選溫度控 制器輸出信號(hào)；制器輸出信號(hào)； （2 2）當(dāng)液位達(dá)到極限時(shí)，應(yīng)選擇）當(dāng)液位達(dá)到極限時(shí)，應(yīng)選擇 液位控制器輸出信號(hào)；

54、液位控制器輸出信號(hào)； 這種控制方式，習(xí)慣上稱為這種控制方式，習(xí)慣上稱為“超馳控制超馳控制”，也有人稱為，也有人稱為 “取代控制取代控制”，由于系統(tǒng)中具有選擇器，所以又歸為，由于系統(tǒng)中具有選擇器，所以又歸為“選擇性選擇性 控制控制”。 6.4.3 選擇性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選擇性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 選擇性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括選擇器的類型，調(diào)節(jié)器控制選擇性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括選擇器的類型，調(diào)節(jié)器控制 規(guī)律以及正反作用方式，調(diào)節(jié)閥氣開氣閉形式，系統(tǒng)參數(shù)整定規(guī)律以及正反作用方式，調(diào)節(jié)閥氣開氣閉形式，系統(tǒng)參數(shù)整定 等內(nèi)容。等內(nèi)容。 超馳控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇器的類型，是指選用低值選擇器，超馳控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇器的類型，是指選

55、用低值選擇器， 還是高值選擇器還是高值選擇器。低值選擇器常用低值選擇器常用“LS”或者或者“”表示。確定選擇器類型的前提表示。確定選擇器類型的前提 是預(yù)先確定控制閥的氣開、氣關(guān)性質(zhì)以及控制器的正反作用方是預(yù)先確定控制閥的氣開、氣關(guān)性質(zhì)以及控制器的正反作用方 式，式， 以液氨蒸發(fā)器的控制以液氨蒸發(fā)器的控制 為例，當(dāng)起源中斷時(shí)，為使為例，當(dāng)起源中斷時(shí)，為使 氨蒸發(fā)器的液位不致因過高氨蒸發(fā)器的液位不致因過高 而滿溢，而滿溢， 則：則： 氣開閥氣開閥正作用正作用 反作用反作用 選擇器的性質(zhì)之取決于起超馳作用的這只控制器，選擇器的性質(zhì)之取決于起超馳作用的這只控制器， 即液位控制器，由于液位控制器為反作用

56、，當(dāng)液位測(cè)量即液位控制器，由于液位控制器為反作用，當(dāng)液位測(cè)量 值超過設(shè)定值時(shí)，控制器輸出信號(hào)會(huì)減少，該信號(hào)減小值超過設(shè)定值時(shí)，控制器輸出信號(hào)會(huì)減少，該信號(hào)減小 后，要求被選擇器選中，以便及時(shí)減小流量，因此，該后，要求被選擇器選中，以便及時(shí)減小流量，因此，該 選擇器為低值選擇器。選擇器為低值選擇器。 溫度溫度-液位選擇控制器系統(tǒng)框圖如圖所示：液位選擇控制器系統(tǒng)框圖如圖所示： 另外，需要指出，另外，需要指出，在超馳控制系統(tǒng)中，總有一臺(tái)控制器在超馳控制系統(tǒng)中，總有一臺(tái)控制器 處于開環(huán)狀態(tài)，而處于開環(huán)狀態(tài)的控制器只要具有積分作用，處于開環(huán)狀態(tài)，而處于開環(huán)狀態(tài)的控制器只要具有積分作用， 都會(huì)產(chǎn)生積分飽和

57、現(xiàn)象都會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象。這是由于長時(shí)間存在偏差，會(huì)使調(diào)節(jié)這是由于長時(shí)間存在偏差，會(huì)使調(diào)節(jié) 器的輸出達(dá)到最大或者最小極限值的緣故。積分飽和現(xiàn)象會(huì)使器的輸出達(dá)到最大或者最小極限值的緣故。積分飽和現(xiàn)象會(huì)使 調(diào)節(jié)器不能及時(shí)反向動(dòng)作而暫時(shí)喪失控制功能，必須經(jīng)過一段調(diào)節(jié)器不能及時(shí)反向動(dòng)作而暫時(shí)喪失控制功能，必須經(jīng)過一段 時(shí)間后才能恢復(fù)控制功能時(shí)間后才能恢復(fù)控制功能。這將給安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響。這將給安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響。 為此，我們可將選擇器的實(shí)際輸出信號(hào)反饋到控制器內(nèi)，為此，我們可將選擇器的實(shí)際輸出信號(hào)反饋到控制器內(nèi)， 圍繞其積分器進(jìn)行相應(yīng)的抗積分飽和處理，如圖所示：圍繞其積分器進(jìn)行相應(yīng)的抗積分飽和處理，如圖所示： 下面再以原料加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)為例，說明選擇控下面再以原料加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)為例，說明選擇控 制的應(yīng)用，同時(shí)介紹加熱爐安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，以此進(jìn)一步說制的應(yīng)用，同時(shí)介紹加熱爐安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，以此進(jìn)一步說 明軟硬保護(hù)措施在實(shí)際工業(yè)中的應(yīng)用。明軟硬保護(hù)措施在實(shí)際工業(yè)中的應(yīng)用。 在以燃料氣為燃料的加熱爐中，在以燃料氣為燃料的加熱爐中， 出口原料的溫度是被控量。系統(tǒng)