江蘇大學(xué)過程控制第四章

1、第四章第四章 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)前言前言 單回路控制系統(tǒng)解決了工業(yè)生產(chǎn)過程自動化中大量的參數(shù)定單回路控制系統(tǒng)解決了工業(yè)生產(chǎn)過程自動化中大量的參數(shù)定值控制問題；值控制問題； 在大多數(shù)情況下，這種簡單系統(tǒng)能滿足生產(chǎn)工藝的要求。在大多數(shù)情況下，這種簡單系統(tǒng)能滿足生產(chǎn)工藝的要求。 單回路系統(tǒng)僅適用于比較簡單的單輸出生產(chǎn)過程的控制，不單回路系統(tǒng)僅適用于比較簡單的單輸出生產(chǎn)過程的控制，不能解決多輸出過程的控制問題。即使對于簡單的單輸出生產(chǎn)能解決多輸出過程的控制問題。即使對于簡單的單輸出生產(chǎn)過程，亦存在這樣的情況，譬如其調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性決定過程，亦存在這樣的情況，譬如其調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性決定了它很難

2、控制了它很難控制(如過程的滯后常數(shù)很大或擾動量很大如過程的滯后常數(shù)很大或擾動量很大)；或調(diào)；或調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性雖不復(fù)雜，但工藝對調(diào)節(jié)質(zhì)量的要求很高節(jié)對象的動態(tài)特性雖不復(fù)雜，但工藝對調(diào)節(jié)質(zhì)量的要求很高或很特殊；或很特殊；1第四章第四章 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程的發(fā)展，對產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量，隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程的發(fā)展，對產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量，對提高生產(chǎn)效率、降耗節(jié)能以及環(huán)境保護(hù)提出了更高對提高生產(chǎn)效率、降耗節(jié)能以及環(huán)境保護(hù)提出了更高的要求，這使工業(yè)生產(chǎn)過程對操作條件要求更加嚴(yán)格、的要求，這使工業(yè)生產(chǎn)過程對操作條件要求更加嚴(yán)格、對工藝參數(shù)要求更加苛刻，從而對控制系統(tǒng)的精度和對工藝參

3、數(shù)要求更加苛刻，從而對控制系統(tǒng)的精度和功能要求更高；功能要求更高； 需要在單回路的基礎(chǔ)上，采取其它措施，組成比單回需要在單回路的基礎(chǔ)上，采取其它措施，組成比單回路系統(tǒng)路系統(tǒng)“復(fù)雜復(fù)雜”一些的控制系統(tǒng)，在這些情況下，采一些的控制系統(tǒng)，在這些情況下，采用單回路控制系統(tǒng)就無法滿足生產(chǎn)的要求。用單回路控制系統(tǒng)就無法滿足生產(chǎn)的要求。 復(fù)雜控制系統(tǒng)：克服單回路系統(tǒng)的局限性復(fù)雜控制系統(tǒng)：克服單回路系統(tǒng)的局限性。2第四章第四章 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 復(fù)雜控制系統(tǒng)方案復(fù)雜控制系統(tǒng)方案 3串級控制串級控制前饋控制前饋控制大滯后補償大滯后補償比值控制比值控制分程與選擇控制分程與選擇控制多變量解耦控制多變量解耦控

4、制4.1 串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)4.1 串級控制系統(tǒng)（雙閉環(huán)）串級控制系統(tǒng)（雙閉環(huán)）重點：內(nèi)容、組成、特點、工作過程、工程設(shè)計原則(原理推導(dǎo)自動控制；變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器與單回路控制系統(tǒng)相近)4串級：按照結(jié)構(gòu)命名的，一個控制器的輸出作為串級：按照結(jié)構(gòu)命名的，一個控制器的輸出作為下下 一個控制器的輸入系統(tǒng)，兩個控制器相串一個控制器的輸入系統(tǒng)，兩個控制器相串聯(lián)，聯(lián)， 叫做串級。叫做串級。4.1 串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)4.1.1串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)以加熱爐為例：被控量：被控量：爐出口(爐膛)溫度控制量：控制量：燃料量影響爐出口溫度的因素(擾動)：1) 被加熱物料的流量和

5、初始溫度f12) 燃料熱值變化，壓力波動，流量變化f23) 煙囪擋板位置改變，抽力變化f354.1.1串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6控制爐出口溫度（單回路系統(tǒng)）優(yōu)點優(yōu)點：所有對被控參數(shù)的擾動都包含在這個回路中，理論上都可由溫度調(diào)節(jié)器予以克服。問題：問題：控制通道的時間常數(shù)和容量滯后較大，控制作用不及時，系統(tǒng)克服擾動的能力較差。結(jié)論：結(jié)論：不能滿足生產(chǎn)工藝要求。出口溫度控制方案出口溫度控制方案4.1.1串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7控制爐膛溫度（單回路系統(tǒng)）優(yōu)點：優(yōu)點：爐出口溫度為間接控制量。該系統(tǒng)的特點是能及時有效地克服擾動f2(t), f3( t)。問題：問題：擾動f1(t)未包括在

6、系統(tǒng)內(nèi)，系統(tǒng)不能克服擾動f1(t)對爐出口溫度的影響。結(jié)論：結(jié)論：不能達(dá)到生產(chǎn)工藝要求。爐膛溫度控制方案爐膛溫度控制方案4.1.1串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8串級控制系統(tǒng)串級控制方案串級控制方案1、選取爐出口溫度為主被控參數(shù)(簡稱主參數(shù))；2、選取爐膛溫度為副被控參數(shù)(簡稱副參數(shù))；3、把爐出口溫度調(diào)節(jié)器的輸出作為爐膛溫度調(diào)節(jié)器的給定值；4、爐出口溫度與爐膛溫度的串級控制系統(tǒng) 4.1.1串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)9擾動f2 (t) , f3 (t)對出口溫度的影響主要由爐膛溫度調(diào)節(jié)器(稱為副調(diào)節(jié)器)構(gòu)成的控制回路(稱為副回路)來克服；擾動f1(t)對爐出口溫度的影響由出口溫度調(diào)節(jié)器

7、(稱為主調(diào)節(jié)器)構(gòu)成的控制回路(稱為主回路)來消除。 1)被加熱物料的流量和初始溫度f12)燃料熱值變化，壓力波動，流量變化f23)煙囪擋板位置改變，抽力變化f3特點：特點：4.1.1串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)10串級控制系統(tǒng)框圖4.1.1串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.術(shù)語解釋術(shù)語解釋 主被控參數(shù)：主被控參數(shù)：在串級系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被控參數(shù) (爐出口溫度)； 副被控參數(shù)：副被控參數(shù)：串級系統(tǒng)中，為了穩(wěn)定主被控參數(shù)而引進(jìn) 的中間輔助參數(shù)(爐膛溫度)； 主被控過程：主被控過程：由主被控參數(shù)表征其特征的生產(chǎn)過程， 其輸入是副被控參數(shù)； 主調(diào)節(jié)器：主調(diào)節(jié)器：按主被控參數(shù)的測量值與給定值的

8、偏差進(jìn)行 工作的調(diào)節(jié)器。其輸出為副調(diào)節(jié)器的給定值；114.1.1串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 副調(diào)節(jié)器：副調(diào)節(jié)器：按副被控參數(shù)的測量值與給定值的偏差 進(jìn)行工作的調(diào)節(jié)器。其輸出直接控制調(diào) 節(jié)閥工作 主回路：主回路：由主副調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)閥，主副被控過程， 主測量變送器組成的閉合回路 副回路副回路：由副調(diào)節(jié)器，副被控過程和副測量變送器 組成的閉合回路 一次擾動：一次擾動：不包括在副回路內(nèi)的擾動f1(t) 二次擾動：二次擾動：副回路內(nèi)的擾動f2(t)和f3(t)124.1.1串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)13一次擾動二次擾動主被控參數(shù)副被控參數(shù)主被控過程副被控過程主回路副回路術(shù)語說明4.1.1串級

9、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.工作過程工作過程 穩(wěn)態(tài)時： f1(t) 、 f2(t) 、f3(t)均不變，調(diào)節(jié)閥開度不變，爐膛爐出口溫度處于相對平衡狀態(tài)，y1=給定有擾動時：（1）二次擾動（副回路）：）二次擾動（副回路）：來自燃料壓力，熱值變化f2(t)和抽力變化f3(t) 。 擾動f2(t)和f3(t)先影響爐膛溫度，于是副調(diào)節(jié)器立即發(fā)出校正信號，控制調(diào)節(jié)閥的開度，改變?nèi)剂狭?，克服上述擾動對爐膛溫度的影響。144.1.1串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 如果擾動量不大，經(jīng)過副回路的及時控制一般不影響爐出口溫度；如果擾動的幅值較大，雖然經(jīng)過副回路的及時校正，仍影響爐出口溫度，此時再由主回路進(jìn)

10、一步調(diào)節(jié)，從而完全克服上述擾動，使?fàn)t出口溫度調(diào)回到給定值上來。（2）一次擾動：）一次擾動：來自被加熱物料的流量和初溫f1(t) 擾動f1(t)使?fàn)t出口溫度變化時，主回路產(chǎn)生校正作用，克服f1(t)對爐出口溫度的影響。由于副回路的存在加快了校正作用，使擾動對爐出口溫度的影響比單回路系統(tǒng)時要小。154.1.1串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （3）一二次擾動同時存在）一二次擾動同時存在 假設(shè)調(diào)節(jié)閥為氣開式，主、副調(diào)節(jié)器均為反作用。如果一、二次擾動的作用使主、副被控參數(shù)同時增大或同時減少，主、副調(diào)節(jié)器對調(diào)節(jié)閥的控制方向是一致的，即大幅度關(guān)小或開大閥門，加強控制作用，使?fàn)t出口溫度很快調(diào)回到給定值上。

11、如果一、二次擾動的作用使主、副被控參數(shù)一個增大(爐出口溫度升高)，另一個減小(燃料量減少，即爐膛溫度降低)，此時主、副調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)閥的方向是相反的，調(diào)節(jié)閥的開度只作較小變動即滿足控制要求。164.1.2串級系統(tǒng)的特點與分析串級系統(tǒng)的特點與分析4.1.2 串級控制系統(tǒng)的特點與分析串級控制系統(tǒng)的特點與分析 串級控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)相比有一個顯著的區(qū)別，即其在結(jié)構(gòu)上多了一個副回路，形成了兩個閉環(huán)雙閉環(huán)或稱為雙環(huán)。在結(jié)構(gòu)上與電力傳動自動控制系統(tǒng)中的雙環(huán)系統(tǒng)相同，其系統(tǒng)特點與分析方法亦基本相同。 串級控制系統(tǒng)，就其主回路(外環(huán))來看是一個定值控制系統(tǒng)，而副回路(內(nèi)環(huán))則為一個隨動系統(tǒng)。以加熱爐串級

12、控制系統(tǒng)為例，在控制過程中，副回路起著對爐出口溫度的“粗調(diào)”作用，而主回路則完成對爐出口溫度的“細(xì)調(diào)”任務(wù)。174.1.2 串級系統(tǒng)的特點與分析串級系統(tǒng)的特點與分析 與單回路控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)多用了一個測量變送器與一個控制器(調(diào)節(jié)器)，增加的投資并不多(對計算機控制系統(tǒng)來說，僅增加了一個測量變送器)，但控制效果卻有顯著的提高。其原因是在串級控制系統(tǒng)中增加了一個包含二次擾動的副回路，使系統(tǒng)： 改善被控過程的動態(tài)特性，提高系統(tǒng)的工作頻率；對二次干擾有很強的克服能力； 提高了對一次擾動的克服能力和對回路參數(shù)變化的自適應(yīng)能力。 184.1.2 串級系統(tǒng)的特點與分析串級系統(tǒng)的特點與分析2022(

13、 )( )( )Y sWsXs19串級控制系統(tǒng)的框圖 4.1.2串級系統(tǒng)的特點與分析串級系統(tǒng)的特點與分析1.改善了被控過程的動態(tài)特性改善了被控過程的動態(tài)特性設(shè)副回路為：020202( )1KWsT sm2m2( )WsK20C2V022022C2V02m2( )( )( )( )( )( )1( )( )( )( )Ws Ws WsY sWsXsWs Ws Ws WsVV( )WsK一階慣性，比例控制假設(shè)：4.1.2串級系統(tǒng)的特點與分析串級系統(tǒng)的特點與分析020202( )1KWsT s21020202( )1KWsT s02K02Tc2V0202c2V02m21K K KKK K K K02

14、02c2V02m21TTK K K K：等效過程放大系數(shù)：等效過程時間常數(shù)則：其中：02020202KKTT 兩式相比較：容量滯后減小，改善容量滯后減小，改善了動態(tài)特性，響應(yīng)加了動態(tài)特性，響應(yīng)加快，適用于滯后較大快，適用于滯后較大的過程的過程原過程4.1.2串級系統(tǒng)的特點與分析串級系統(tǒng)的特點與分析表明： 由于副回路的存在，起到改善動態(tài)特性的作用，等效時間常數(shù)縮小了（1Kc2KvK02Km2）倍； 而且隨著副調(diào)節(jié)閥比例增益的增大而減?。?通常情況下，副對象是單容或雙容對象，因此，副調(diào)節(jié)器的Kc2可以取得很大，這樣等效T02就可以減到很小，從而加快了副回路的響應(yīng)速度，提高了系統(tǒng)的工作效率。0202

15、c2V02m21TTK K K K224.1.2串級系統(tǒng)的特點與分析串級系統(tǒng)的特點與分析2.提高了系統(tǒng)的工作頻率提高了系統(tǒng)的工作頻率特征方程(主回路)：010101( )1KWsT sc1c1( )WsK23c10201m11( )( )( )( )0Ws Ws Ws Ws設(shè)主被控過程：一階慣性，比例控制m1m1( )WsK0201c1m101021011KKKKT sT s則：020202( )1KWsT s4.1.2串級系統(tǒng)的特點與分析串級系統(tǒng)的特點與分析經(jīng)整理后得：2420102c10201m101 0201 0210TTK KK KssT TT T令：0102001 022c10201

16、m1001 0221TTT TK KK KT T則：220020ss衰減系數(shù)0 自然頻率4.1.2串級系統(tǒng)的特點與分析串級系統(tǒng)的特點與分析25220102c001 02112TTT T220102D001 02112TTT T特征根：22200021,20024412s 串級系統(tǒng)的工作頻率(振蕩頻率)：同理可得單回路控制系統(tǒng)的工作頻率：4.1.2串級系統(tǒng)的特點與分析串級系統(tǒng)的特點與分析通過調(diào)節(jié)器參數(shù)整定，使（相同衰減率），則：2601C0201D0211TTTT01010202TTTTCD由于串級系統(tǒng)工作頻率的提高，縮短了振蕩周期，提高了控制質(zhì)量。由于所以同樣適用與高階被控過程4.1.2串級系

17、統(tǒng)的特點與分析串級系統(tǒng)的特點與分析3.增強了克服二次擾動的能力增強了克服二次擾動的能力 (二次擾動作用于副回路，分析擾動F2(s)的作用) 12( )( )Y sF s2711( )( )Y sX s1系統(tǒng)的控制性能越好；當(dāng)它在給定信號作用下，其輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的變化系統(tǒng)的抗干擾能力越強；其控制作用能迅速克服擾動的影響1112( )/( )( )( )/( )Y sX sQ sY sF s抗干擾能力0越大越好4.1.2串級系統(tǒng)的特點與分析串級系統(tǒng)的特點與分析串級系統(tǒng)抗擾能力與單回路系統(tǒng)抗擾能力之比：28單回路系統(tǒng)抗干擾能力：D2cv2( )/( )( )( )( )( )/( )Y sX s

18、QsW s W sY sF sc2c1c2D2c)( )( )( )( )Q sWs WsQsW s設(shè)串級與單回路控制系統(tǒng)均采用比例調(diào)節(jié)器，則c2c1c2D2c( )( )QsK KQsKc1c2cK KK可以求出串級系統(tǒng)抗干擾能力：c2c1c2v( )( )( )( )QsWs Ws W s單回路4.1.2串級系統(tǒng)的特點與分析串級系統(tǒng)的特點與分析1)當(dāng)二次擾動進(jìn)入副環(huán)，首先影響副參數(shù)，如影響爐膛溫度變化，于是副調(diào)節(jié)器立即動作，力圖削弱干擾對y2的影響。2)干擾經(jīng)過副回路的抑制后再進(jìn)入主回路，對y1的影響將有較大的減弱。3)主副兩個調(diào)節(jié)器的比例增益大，抗干擾能力強。4)當(dāng)變化劇烈或幅值較大的擾

19、動作用于系統(tǒng)時，可以采用串級系統(tǒng)，不過要把這些擾動都納入副回路。294.1.2串級系統(tǒng)的特點與分析串級系統(tǒng)的特點與分析4.具有一定的自適應(yīng)能力具有一定的自適應(yīng)能力 在生產(chǎn)過程中，常含有非線性與未建模動態(tài)，工作點亦常隨負(fù)荷與操作條件發(fā)生變化，使過程特性發(fā)生變化。對于包含在副回路內(nèi)的非線性與參數(shù)、負(fù)荷變化，串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。單回路系統(tǒng)：參數(shù)整定工作點附近參數(shù)變化 重新整定。串級系統(tǒng)：副回路存在，自身對副回路的擾動有補償 作用。304.1.3串級控制系統(tǒng)設(shè)計串級控制系統(tǒng)設(shè)計4.1.3串級控制系統(tǒng)設(shè)計串級控制系統(tǒng)設(shè)計1.主變量的選擇：主變量的選擇：同單回路被控量的選擇相同 串級控制系統(tǒng)

20、的主回路是一個定值控制系統(tǒng)； 對于主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計，可以按照單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計原則進(jìn)行； 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計主要是副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計以及主、副回路關(guān)系的考慮。314.1.3串級控制系統(tǒng)設(shè)計串級控制系統(tǒng)設(shè)計2.副回路的設(shè)計：副回路的設(shè)計：(從整個對象中選取一部分作為副對象)（1）副變量的選擇應(yīng)是物理上可測的，并應(yīng)是副回路 的時間常數(shù)較小，調(diào)節(jié)通道短，反應(yīng)靈敏。 如選爐膛溫度對燃料干擾有較大的克服作用。（2）副回路應(yīng)包括盡可能多的擾動，包含對象所受的 主要干擾。324.1.3串級控制系統(tǒng)設(shè)計串級控制系統(tǒng)設(shè)計（3）應(yīng)使主、副過程的時間常數(shù)適當(dāng)匹配）應(yīng)使主、副過程的時間常數(shù)適當(dāng)匹配

21、 T01/T02310 若副回路用于克服強干擾， T01/T02應(yīng)大些； 若副回路用于減小容量滯后，或大時間常數(shù)的影響， T01/T02適當(dāng)大些； 若副回路用于克服對象的非線性， T01/T02選小一些；（4）副變量）副變量(回路回路)的選擇應(yīng)考慮經(jīng)濟性的選擇應(yīng)考慮經(jīng)濟性334.1.3串級控制系統(tǒng)設(shè)計串級控制系統(tǒng)設(shè)計3.主副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律的選擇主副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律的選擇 主調(diào)節(jié)器：定值控制作用； 副調(diào)節(jié)器：隨動控制作用； 主參數(shù)：允許范圍很小，無余差，PI、PID調(diào)節(jié)； 副參數(shù)：允許有余差，P調(diào)節(jié)、放大系數(shù)大； 不引入積分：否則控制時間長； 不引入微分：因本身起快速作用，否則調(diào)節(jié)器控制動作過

22、大，對控制不利。344.1.3串級控制系統(tǒng)設(shè)計串級控制系統(tǒng)設(shè)計例：35加熱爐控制系統(tǒng)爐膛溫度控制副回路出口溫度控制主回路4.主副調(diào)節(jié)器的正反作用確定主副調(diào)節(jié)器的正反作用確定(負(fù)反饋原則多K乘積=)燃料調(diào)節(jié)閥氣開式4.1.3串級控制系統(tǒng)設(shè)計串級控制系統(tǒng)設(shè)計36Kv-+；調(diào)節(jié)閥開度增大，燃料增加，爐膛溫度升高K02-+副回路為負(fù)反饋，則副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)Kc2應(yīng)取正，即為反作用調(diào)節(jié)器爐膛溫度升高，則爐出口溫度也升高K01-+主回路為負(fù)反饋，則主調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)Kc1應(yīng)取正，即為反作用調(diào)節(jié)器燃料調(diào)節(jié)閥氣開式Km2+Km1+4.1.3串級控制系統(tǒng)設(shè)計串級控制系統(tǒng)設(shè)計5.串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定串級

23、控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定 兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來控制一個調(diào)節(jié)閥，主副調(diào)節(jié)器有聯(lián)系，相互關(guān)聯(lián)。 串級控制系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器的Wc1與副調(diào)節(jié)器Wc2（s）的參數(shù)整定亦是相互關(guān)聯(lián)的，需要相互協(xié)調(diào)，反復(fù)整定才能取得最佳效果。 在整定主調(diào)節(jié)器的Wc1（s）時，必須知道副調(diào)節(jié)器的Wc2（s）的動態(tài)特性；而在整定副調(diào)節(jié)器的Wc2（s）時，又必須知道主調(diào)節(jié)器的Wc1（s）的動態(tài)特性。 串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定要比單回路控制系統(tǒng)整定復(fù)雜。374.1.3串級控制系統(tǒng)設(shè)計串級控制系統(tǒng)設(shè)計（1） 兩步整定法兩步整定法 根據(jù)串級控制系統(tǒng)的設(shè)計原則，主、副過程的時間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配，要求其時間常數(shù)之比T01/T02在3到10范圍

24、內(nèi)。這樣，主、副回路的工作頻率和操作周期相差很大，其動態(tài)聯(lián)系很小，可忽略不計； 副調(diào)節(jié)器參數(shù)按單回路系統(tǒng)方法整定后，可以將副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，按單回路控制系統(tǒng)的整定方法，整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)，而不再考慮主調(diào)節(jié)器參數(shù)變化對副回路的影響；384.1.3串級控制系統(tǒng)設(shè)計串級控制系統(tǒng)設(shè)計 對于主參數(shù)的質(zhì)量指標(biāo)要求很高，而對副參數(shù)的質(zhì)量指標(biāo)沒有嚴(yán)格要求。 通常設(shè)置副參數(shù)的目的是為了進(jìn)一步提高主參數(shù)的控制質(zhì)量。 在副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定好后，再整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。這樣，只要主參數(shù)的質(zhì)量通過主凋節(jié)器的參數(shù)整定得到保證，副參數(shù)的控制質(zhì)量可以允許犧牲一些。394.1.3串級控制系統(tǒng)設(shè)計串級控制系統(tǒng)設(shè)計兩步法：1)

25、調(diào)整副調(diào)節(jié)器參數(shù)；2)調(diào)整主調(diào)節(jié)器參數(shù)A.在工況穩(wěn)定、主回路閉合，主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用的條件下，主調(diào)節(jié)器的比例度置于100，用單回路控制系統(tǒng)的衰減(如4：1)曲線法整定，求取副調(diào)節(jié)器的比例度2s和操作周期T2s。 B.整定主調(diào)節(jié)器：將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的數(shù)值2s上，把副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主調(diào)節(jié)器的比例度1s和操作周期T2s。404.1.3串級控制系統(tǒng)設(shè)計串級控制系統(tǒng)設(shè)計C.根據(jù)1s, 2s, T1s, T2s,按照單回路系統(tǒng)衰減曲線法整定公式，計算主、副調(diào)節(jié)器的比例度、積分時間TI，和微分時間TD的數(shù)值。D.按先副后主、先比例后積分的整定程序，設(shè)

26、置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直到系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)到最佳為止。414.1.3串級控制系統(tǒng)設(shè)計串級控制系統(tǒng)設(shè)計（2）逐步逼近法）逐步逼近法 對主、副過程的時間常數(shù)相差不大的串級控制系統(tǒng)，由于主回路與副回路的動態(tài)聯(lián)系比較密切，則系統(tǒng)整定必須反復(fù)進(jìn)行、逐步逼近。1）首先整定副回路：主回路斷開，按單回路參數(shù)整定法(如衰減曲線法)求取副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，得到一次整定值Wc2(s)12）整定主回路：把整定好的副回路作為主回路中的一個環(huán)節(jié)，然后按照單回路整定方法，求取主調(diào)節(jié)器的參數(shù)Wc1(s)1424.1.3串級控制系統(tǒng)設(shè)計串級控制系統(tǒng)設(shè)計3）在主回路閉環(huán)的情況下，再次整定副回路：在主

27、調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)為Wc1(s)1 的條件下，按單回路參數(shù)整定法，重新求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，求取新的整定參數(shù)Wc2(s)24）重新整定主回路：在副回路整定參數(shù)為Wc2(s)2的情況下，重新整定主回路調(diào)節(jié)器，得到Wc1(s)25）若調(diào)解過程仍未滿足要求，按照上述步繼續(xù)進(jìn)行，直到調(diào)節(jié)效果滿意為止。434.1.4串級控制系統(tǒng)應(yīng)用串級控制系統(tǒng)應(yīng)用1.用于克服被控過程較大的容量滯后用于克服被控過程較大的容量滯后 被控參數(shù)的過程溫度：其容量滯后較大。 若采用單回路控制系統(tǒng)，其控制質(zhì)量不能滿足生產(chǎn)要求。 串級控制系統(tǒng)改善過程的動態(tài)特性、提高其工作頻率。 選擇一個滯后較小的副參數(shù)，組成一個快速動作的副回路減小

28、等效過程的時間常數(shù)，加快響應(yīng)速度，從而取得較好的控制質(zhì)量。 例如加熱爐：主過程時間常數(shù)為15min，擾動因素多。 爐膛溫度作為副參數(shù)，構(gòu)成爐出口溫度對爐膛溫度的串級控制系統(tǒng)，提高了控制質(zhì)量，滿足生產(chǎn)工藝要求。444.1.4串級控制系統(tǒng)應(yīng)用串級控制系統(tǒng)應(yīng)用2.用于克服被控過程的純滯后用于克服被控過程的純滯后 當(dāng)工業(yè)過程純滯后時間較長，有時可應(yīng)用串級控制系統(tǒng)來改善其控制質(zhì)量，即在離調(diào)節(jié)閥較近、純滯后較小的地方，選擇一個副參數(shù)，構(gòu)成一個純滯后較小的副回路，把主要擾動包括在副回路中。在其影響主參數(shù)前，由副回路實現(xiàn)對主要擾動的及時控制，從而提高控制質(zhì)量。例：網(wǎng)前箱溫度串級控制454.1.4串級控制系統(tǒng)應(yīng)

29、用串級控制系統(tǒng)應(yīng)用46網(wǎng)前箱溫度串級控制工藝過程：紙漿用泵從儲槽送至混合器，在混合器內(nèi)用蒸汽加熱至72左右，經(jīng)過立篩、圓篩除去雜質(zhì)后送到網(wǎng)前箱，再去銅網(wǎng)脫水。要求：網(wǎng)前箱溫度保持在61 左右，1 。單回路控制系統(tǒng)：由于從混合器到網(wǎng)前箱純滯后達(dá)90s，當(dāng)紙漿流量波動35kgmin時，溫度最大偏差達(dá)8.5 ，過渡過程時間達(dá)450s。控制質(zhì)量差，不能滿足工藝要求。4.1.4串級控制系統(tǒng)應(yīng)用串級控制系統(tǒng)應(yīng)用 串級系統(tǒng)：混合器溫度為副參數(shù)，網(wǎng)前箱出口溫度為主參數(shù)，主要擾動（紙漿流量波動）包括在副回路中。當(dāng)其波動時，網(wǎng)前箱溫度最大偏差未超過1 ，過渡過程時間為200s，滿足工藝要求。47網(wǎng)前箱溫度串級控制

30、4.1.4串級控制系統(tǒng)應(yīng)用串級控制系統(tǒng)應(yīng)用3.用于抑制變化劇烈而且幅度大的擾動用于抑制變化劇烈而且幅度大的擾動 串級控制系統(tǒng)的副回路對于進(jìn)入其中的擾動具有較強的抑制能力。例：精餾塔塔釜溫度的串級控制48溫度與流量串級控制工藝要求：塔釜溫度控制在士1.5范圍內(nèi) 單回路控制系統(tǒng)：蒸汽壓力變化（0.5MPa-0.3MPa），溫度偏差為10 串級系統(tǒng)：蒸汽流量為副參蒸汽流量為副參數(shù)數(shù)，塔釜溫度為主參數(shù)塔釜溫度為主參數(shù)。溫度偏差小于1.54.2 前饋控制前饋控制 前饋控制的概念早就為人們所熟知，由與人們對他的認(rèn)識不足和自動化工具的局限性，因此在應(yīng)用中出現(xiàn)了一些困難就被拋棄，近年來，前饋控制又被重視起來。

31、4.2.1前饋控制的基本概念前饋控制的基本概念反饋控制按被控量的偏差進(jìn)行控制，控制作用落后于 擾動，是不及時的控制前饋控制按照擾動量的大小進(jìn)行控制，控制及時，但它 是開環(huán)控制。這是與反饋控制的基本區(qū)別。當(dāng)擾 動一出現(xiàn)，就能根據(jù)信號去控制操縱量，及時 補償擾動對被控量的影響494.2.1前饋控制的基本概念前饋控制的基本概念 1反饋控制的特點反饋控制的特點 例：換熱器溫度控制系統(tǒng)50原理示意圖系統(tǒng)框圖1冷流體溫度； 2熱流體溫度；q流體流量；qD蒸汽流量；pD蒸汽壓力；TT溫度測量； 20 熱流體溫度給定值；TC溫度調(diào)節(jié)器；Kv溫度調(diào)節(jié)閥門。4.2.1前饋控制的基本概念前饋控制的基本概念 當(dāng)擾動發(fā)

32、生后將引起熱流體出口溫度發(fā)生變化使其偏離給定值隨之溫度調(diào)節(jié)器按照被控量偏差值的大小和方向產(chǎn)生控制作用通過調(diào)節(jié)閥的動作改變加熱用蒸汽的流量從而補償擾動對被控量的影響。51負(fù)反饋過程：4.2.1前饋控制的基本概念前饋控制的基本概念 1) 反饋控制的本質(zhì)是“基于偏差來消除偏差”。如果沒有偏差出現(xiàn)，也就沒有控制作用了。 2) 是一種“不及時”的控制。 3) 構(gòu)成閉環(huán)，存在一個穩(wěn)定性的問題。 4) 反饋控制可消除多種擾動對被控量的影響。 5) 調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律通常是P、PI、PD、PID等典型規(guī)律。 52負(fù)反饋特點：4.2.1前饋控制的基本概念前饋控制的基本概念2前饋控制原理與特點前饋控制原理與特點 5

33、3換熱器前饋控制系統(tǒng)框圖控制過程：控制過程：主要擾動物料流量q ；變化頻繁，變化幅值大，且對出口溫度1的影響最為顯著；通過測量物料流量q，并將流量信號送到前饋補償器；前饋補償器根據(jù)其輸入信號，按照一定的運算規(guī)律操作調(diào)節(jié)閥門；從而改變加熱用蒸汽流量qD ，以補償物料流量q對被控溫度的影響。4.2.1前饋控制的基本概念前饋控制的基本概念54前饋控制系統(tǒng)框圖Wm(s)：前饋控制器的傳函Wf(s)：擾動通道的傳函W0(s)：過程控制器的傳函F(s)： 擾動Y(s)： 被控參數(shù)4.2.1前饋控制的基本概念前饋控制的基本概念 說明：擾動作用和前饋控制補償裝置依據(jù)擾動作用而產(chǎn)生的校正作用相互補償，被控量在擾

34、動作用下可保持不變55fm0( )( ) ( )( )( ) ( )Y sW s F sWs W s F sfm0( )( )( )( )( )Y sW sWs W sF s( )0( )Y sF sfm0( )( )( )W sWsW s前饋控制補償?shù)臈l件：前饋控制器模型：4.2.1前饋控制的基本概念前饋控制的基本概念3.前饋控制器的局限性前饋控制器的局限性（1）擾動必須是可測量的，擾動模型需很準(zhǔn)確。（2）只能克服一個擾動的影響（開環(huán)的），實際擾動不止一種。（3）依據(jù)具體過程來確定。 過程控制通道特性的非線性及動態(tài)變化時，就不能完全補償擾動的影響。fm0( )( )( )W sWsW s56

35、結(jié)論：前饋控制做到全補償難以實現(xiàn)。因此，在很多場合下，都是將前饋控制與反饋控制結(jié)合在一起，組成復(fù)合系統(tǒng)，可取的較好效果。4.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型4.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型1.靜態(tài)動態(tài)前饋控制靜態(tài)動態(tài)前饋控制動態(tài)：如前所述即為動態(tài)前饋補償選用專用的前饋調(diào)節(jié)器，適用于較復(fù)雜的系統(tǒng)，對系統(tǒng)性能要求高的場合。靜態(tài)：Kf，K0干擾通道，控制通道的靜態(tài)放大倍數(shù)，用于靜態(tài)補償（P控制）fm0( )( )( )W sWsW s57fmm0( )KWsKK 4.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型2.前饋前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)反饋復(fù)合控制系統(tǒng)

36、58加熱爐出口溫度前饋反饋控制 克服局限性，將前饋、反饋兩者結(jié)合起來； 發(fā)揮了前饋作用可及時克服主要擾動對被控量影響的優(yōu)點，又保持了反饋控制能克服多個擾動影響的特點； 也降低系統(tǒng)對前饋補償器的要求，使其在工程上易于實現(xiàn)；被控量燃料油進(jìn)料擾動4.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型 當(dāng)進(jìn)料量發(fā)生變化時，不需要等到偏差出現(xiàn)，就可以及時改變?nèi)加土?，從而使溫度偏差大為降低，提高控制質(zhì)量。59一般前饋有兩種結(jié)構(gòu)方式：a)b)因此，前饋反饋控制，擾動對被控量的影響為單純前饋時的1/ 4.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型分析a)：c01( )( )W s W s60fm0c0

37、( )( ) ( )( )( ) ( )( )( ) ( )Y sW s F sW sW s F sW sW s Y sfm0c0( )( )( )( )( )1( )( )W sWs W sY sF sW s W sfm0( )( )( )( )( )Y sW sWs W sF sfm0( )( )( )W sWsW s 單純前饋控制完全補償條件4.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型( )0( )Y sF s61分析b)：fc0mc0( )( )( )( )( )( )1( )( )W sW s W s WsY sF sW s W s同樣，擾動對控制量的影響也大大降低了要實現(xiàn)

38、完全補償：則前饋控制器為：fm0c( )( )( )( )W sWsW s W s 前饋控制器不但取決于擾動的特性和過程的特性，還與反饋控制器的控制規(guī)律有關(guān)4.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型3.前饋前饋串級復(fù)合控制系統(tǒng)串級復(fù)合控制系統(tǒng)62 在過程控制中，有的生產(chǎn)過程常受到多個變化頻繁而又劇烈的擾動影響，而生產(chǎn)過程對被控參數(shù)的控制精度和穩(wěn)定性要求又很高，這時可考慮采用前饋串級控制系統(tǒng)。例：加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)4.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型63被控量燃料油進(jìn)料擾動副調(diào)節(jié)器（流量調(diào)節(jié)）前饋控制器主調(diào)節(jié)器(溫度調(diào)節(jié))加熱爐出口溫度前饋串級控制系統(tǒng)副參數(shù)(燃

39、料流量)被控量被控量(燃油流量燃油流量)不僅受到閥門開度的影響，而且還受壓力等因素不僅受到閥門開度的影響，而且還受壓力等因素4.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型 由串級系統(tǒng)分析可知，系統(tǒng)對進(jìn)入副回路的擾動影響有較強的抑制能力； 而前饋控制能克服進(jìn)入主回路的系統(tǒng)主要擾動； 由于前饋控制器的輸出不直接加在調(diào)節(jié)閥門上，而是作為副調(diào)節(jié)器的給定值，因而可降低對調(diào)節(jié)閥門特性的要求； 實踐證明，這種復(fù)合控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)品質(zhì)指標(biāo)均較高。644.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型前饋控制模型65前饋串級復(fù)合控制系統(tǒng)框圖c20222c202( )( )( )( )1( )( )

40、Ws WsY sXsWs Ws副回路傳函：4.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型前饋串級復(fù)合控制系統(tǒng)等效簡化框圖11( )0( )Y sF s66fm01 2211c10122( )( )( )/( )( )( )1( )( )( )/( )W sWs W Y sXsY sF sWs Ws Y sXsfm0122( )( )( )( )/( )W sWsWs Y sXs 全補償：4.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型 當(dāng)副回路的工作頻率遠(yuǎn)大于主回路工作頻率時，副回路是個快速隨動系統(tǒng)。其閉環(huán)傳遞函數(shù)：fm0122( )( )( )( )/( )W sWsWs Y

41、sXs 6722( )1( )Y sXsfm01( )( )( )W sWsWs 在前饋串級復(fù)合控制系統(tǒng)中，前饋補償器的數(shù)學(xué)模型主要由系統(tǒng)擾動通道及主過程特性之比決定。4.2.3 系統(tǒng)的選用與穩(wěn)定性系統(tǒng)的選用與穩(wěn)定性4.2.3 前饋控制系統(tǒng)的選用與穩(wěn)定性前饋控制系統(tǒng)的選用與穩(wěn)定性1.實現(xiàn)前饋控制的必要條件是擾動量的可測及不可控實現(xiàn)前饋控制的必要條件是擾動量的可測及不可控性性 “可測”是指擾動量可以通過測量變送器，在線地將其轉(zhuǎn)換為前饋補償器所能接受的信號； 有些參數(shù)，如某些物料的化學(xué)組成、物理性質(zhì)等至今尚無工業(yè)自動化儀表能對其進(jìn)行在線測量，對這類擾動無法實現(xiàn)前饋控制；684.2.3 系統(tǒng)的選用與

42、穩(wěn)定性系統(tǒng)的選用與穩(wěn)定性 擾動量“不可控”這個概念常被混淆，實際指的是擾動量與控制量之間的相互獨立性，即控制通道傳函W0(s)與擾動通道傳函Wf(s)之間無關(guān)聯(lián)，從而控制量無法改變擾動量的大小，即擾動量的不可控； 擾動量F1(s)(被加熱物料的流量和初溫)與擾動量F2(s)(燃料熱值的變化、壓力、流量的變化)符合不可控性，因而可以采用前饋控制； 但擾動量F3(s)(煙囪擋板位置的改變、抽力的變化)則不然，它的變化將影響爐膛傳遞函數(shù)，即影響控制通道W0(s) ，因而不能采用前饋控制。694.2.3 系統(tǒng)的選用與穩(wěn)定性系統(tǒng)的選用與穩(wěn)定性 2.前饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性前饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性 動態(tài)過程穩(wěn)定性

43、是控制系統(tǒng)能夠正常運行的必要條件。線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性理論已經(jīng)發(fā)展很成熟，它們同樣適用于線性前饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。眾所周知，前饋控制屬于開環(huán)控制方式，因此，在設(shè)計前饋控制系統(tǒng)時，對系統(tǒng)中每一個組成環(huán)節(jié)的穩(wěn)定程度都必須予以足夠的重視。704.2.3 系統(tǒng)的選用與穩(wěn)定性系統(tǒng)的選用與穩(wěn)定性 在實際的生產(chǎn)過程中往往存在著無自平衡特性。如汽鼓鍋爐水位控制系統(tǒng)中控制通道特性就具有無自平衡能力； 又如在大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)過程中常伴有放熱反應(yīng)，而放熱反應(yīng)的速度隨著溫度的升高而加劇，致使放熱量也隨之增加，其結(jié)果又使溫度升高，因此這類具有溫度正反饋性質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)器(聚合釜)自身無自平衡能力。714.2.3 系統(tǒng)的

44、選用與穩(wěn)定性系統(tǒng)的選用與穩(wěn)定性 對于無自平衡能力的生產(chǎn)過程，通常不能單獨使用前饋控制方案。但對于開環(huán)不穩(wěn)定的過程，可以通過調(diào)節(jié)器的合理整定，使其組成的閉環(huán)系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定； 事實上，對于前饋反饋或前饋串級控制系統(tǒng)，只要反饋系統(tǒng)或串級系統(tǒng)是穩(wěn)定的，則相應(yīng)的前饋反饋或前饋串級控制系統(tǒng)也一定是穩(wěn)定的； 這也是復(fù)合系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用中取代單純前饋控制的重要原因之一。724.2.4 系統(tǒng)的工程整定系統(tǒng)的工程整定4.2.4 前饋控制系統(tǒng)的工程整定前饋控制系統(tǒng)的工程整定 生產(chǎn)過程中的前饋控制一般均采用前饋反饋或前饋串級復(fù)合控制系統(tǒng)； 復(fù)合控制系統(tǒng)中的參數(shù)整定要分別進(jìn)行，可先按前述原則，整定好單回路反饋系統(tǒng)或

45、串級系統(tǒng)； 這兒主要討論前饋控制器參數(shù)的整定方法。前饋補償模型由過程擾動通道及控制通道特性的比值決定；734.2.4 系統(tǒng)的工程整定系統(tǒng)的工程整定 但因過程特性的測量精度不高，不能準(zhǔn)確地掌握擾動通道特性Wf(s)及控制通道模型W0(s) ，故前饋模型的理論整定難以進(jìn)行，目前廣泛采用的是工程整定法； 相當(dāng)數(shù)量的化工、熱工、冶金等工業(yè)過程的特性都是非周期、過阻尼的。因此，為了便于進(jìn)行前饋模型的工程整定，同時又能滿足工程上一定的精度要求，常將被控過程的控制通道及擾動通道處理成含有一階或二階容量時滯，必要時再加上一個純滯后的形式。744.2.4 系統(tǒng)的工程整定系統(tǒng)的工程整定fm0( )( )( )W

46、sWsW s 751101( )1sKW seTs22f2( )1sKW seT s1122m111M21( )111sssKeT sWsKeT sT sKeT s MKM21/KKK1T2T21式中： 靜態(tài)前饋系數(shù)，分別為控制通道及擾動通道時間常數(shù)； 擾動通道與控制通道純滯后時間之差，4.2.4 系統(tǒng)的工程整定系統(tǒng)的工程整定 工程整定法是在具體分析前饋模型參數(shù)對過渡過程影響的基礎(chǔ)上，通過閉環(huán)實驗來確定前饋控制器參數(shù)的。 76 1靜態(tài)參數(shù)靜態(tài)參數(shù)KM M的確定的確定KM閉環(huán)整定法框圖 KM是前饋控制器中的一個重要參數(shù)。靜態(tài)FFCFBC系統(tǒng)，在整定好閉環(huán)PID控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，閉合開關(guān)S，得到閉

47、環(huán)試驗過程曲線。4.2.4 系統(tǒng)的工程整定系統(tǒng)的工程整定77a)PID控制過程；b)KM過小的欠補償過程；c)KM較大的過補償過程 d)KM較大過大的嚴(yán)重過補償過程 e)KM合適的補償過程閉環(huán)整定法試驗曲線4.2.4 系統(tǒng)的工程整定系統(tǒng)的工程整定78使系統(tǒng)處于靜態(tài)FFCFBC方案下運行，分別整定好反饋控制下的PID參數(shù)及靜態(tài)前饋參數(shù)KM，然后閉合動態(tài)FFCFBC復(fù)合系統(tǒng)。 2動態(tài)參數(shù)動態(tài)參數(shù)T1、T2的確定的確定動態(tài)前饋參數(shù)整定框圖4.2.4 系統(tǒng)的工程整定系統(tǒng)的工程整定 先使前饋控制器中的動態(tài)參數(shù)T1=T2。，在f(t)的階躍擾動下，由被控量y(t)的變化形狀判斷T1=T2應(yīng)調(diào)整的方向。 實

48、驗時，先從過程欠補償情況開始，逐步強化前饋補償作用(增大T1或減小T2)，直到出現(xiàn)過補償?shù)内厔輹r，再稍微削弱一點前饋補償作用，即適當(dāng)?shù)販p小T1或增大T2 ，以得到補償效果滿意的過渡過程，此時的T1、T1值即為前饋控制器的動態(tài)整定參數(shù)。794.2.4 系統(tǒng)的工程整定系統(tǒng)的工程整定80選取了T1、T2的實驗過程為單回路反饋控制下被控參數(shù)的變化，表示采用動態(tài)FFCFBC時被控參數(shù)的超調(diào)與采用FBC時的方向相同，這說明此時為欠補償過程。的情況時，說明已達(dá)到了過補償?shù)目刂七^程，此時應(yīng)減小前饋控制器參數(shù)T1(或加大T2)，以免使過渡過程的反向超調(diào)進(jìn)一步擴大。4.2.4 系統(tǒng)的工程整定系統(tǒng)的工程整定3.過程

49、時滯過程時滯的影響的影響81 值是過程擾動通道及控制通道純時間滯后的差值。它反映著前饋補償作用提前于擾動對被控參數(shù)影響的程度。 當(dāng)擾動通道與控制通道純滯后時間相近時，相當(dāng)于提前了前饋作用，增強了前饋的補償效果。 而過于提前的前饋作用又易引起控制過程發(fā)生反向過調(diào)的現(xiàn)象，擾動對被控量的影響前饋補償作用 系統(tǒng)的控制過程4.2.5前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用 前饋控制系統(tǒng)可以用來補充單回路反饋控制及串級控制所不易解決的某些控制問題，因而在石油、化工、冶金、發(fā)電廠等過程控制中取得了廣泛的應(yīng)用。隨著目前微型計算機的發(fā)展，動態(tài)前饋控制已不難實現(xiàn)。目前，前饋反饋、前饋串級等復(fù)合控制已成為改善控制品質(zhì)的

50、重要方案。82例：1.冷凝器溫度前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng) 2.鍋爐給水前饋串級三沖量系統(tǒng)4.2.5前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用83 許多生產(chǎn)過程中都有冷凝設(shè)備，它的作用是把中間產(chǎn)品冷凝成液體，再送往下一個工段繼續(xù)加工。這種冷凝設(shè)備的主要被控量是冷凝液的溫度，控制量則為冷卻水的流量。 其工作原理是：從低壓汽輪機出來的乏蒸汽乏蒸汽經(jīng)冷凝器以后，變成溫水，再由循環(huán)泵送至除氧器，經(jīng)除氧處理后的溫水，可繼續(xù)作為發(fā)電鍋爐的給水。例例1冷凝器溫度前饋冷凝器溫度前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)反饋復(fù)合控制系統(tǒng)4.2.5前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用 本系統(tǒng)采用前饋反饋復(fù)合控制方式，利用乏蒸汽被冷凝后的溫水溫度信

51、號控制冷卻水的閥門開度，即由溫度變送器 (TT)、PI調(diào)節(jié)器(TC)、冷卻水閥門及過程控制通道構(gòu)成反饋控制系統(tǒng)。 乏蒸汽流量是個可測不可控且經(jīng)常變化的擾動因素，故對乏蒸汽流量進(jìn)行前饋控制，使冷卻水流量跟隨乏蒸汽流量的變化而提前變化，以維持溫水的水溫達(dá)到指定范圍。844.2.5前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用85水溫乏蒸汽流量給定冷凝器溫度的前饋反饋控制方案系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)框圖4.2.5前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用86例例2.鍋爐給水前饋鍋爐給水前饋串級三沖量系統(tǒng)串級三沖量系統(tǒng) 鍋爐水位控制主要是為了保證鍋爐的安全運行，為此必須維持鍋爐汽包水位基本恒定(穩(wěn)定在允許范圍內(nèi))。 顯然，在鍋

52、爐給水自動控制中，應(yīng)以汽包水位h作為被控參數(shù)。 而引起水位變化的擾動量很多，如鍋爐的蒸汽量qD、給水流量qW 、爐膛熱負(fù)荷(燃料量)及汽包壓力等。4.2.5前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用 蒸汽量qD是鍋爐的負(fù)荷，顯然這是一個可測而不可控的擾動，因此常常對蒸汽負(fù)荷考慮采用前饋補償，以改善在蒸汽負(fù)荷擾動下的控制品質(zhì)。 最后，從物質(zhì)平衡關(guān)系可知，為適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的變化，應(yīng)以給水流量qW為控制變量。874.2.5前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用88給水量蒸汽量水位主參數(shù)副參數(shù)前饋三沖量：水位、給水、 蒸汽4.2.5前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用89 汽包水位信號是主信號，也是反饋信號，在

53、任何擾動 引起汽包水位變化時，都會使調(diào)節(jié)器動作，以改變給水閥門開度，使汽包水位恢復(fù)到允許的波動范圍內(nèi)。因此，以水位為被控量形成的外回路能消除各種擾動對水位的影響，保證汽包水位維持在工藝所允許的變動范圍內(nèi)。 蒸汽流量是系統(tǒng)的主要干擾，而應(yīng)用了前饋補償后，就可以在蒸汽負(fù)荷變化的同時按準(zhǔn)確方向及時地改變給水流量，以保證汽包中物料平衡關(guān)系，從而保持水位的平穩(wěn)。另外，蒸汽流量與給水流量的恰當(dāng)配合，又可消除系統(tǒng)的靜態(tài)偏差。原理4.2.5前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用90 給水流量信號是內(nèi)回路反饋信號，它能及時地反映給水量的變化，當(dāng)給水調(diào)節(jié)閥門的開度沒有變化，而由于其它原因使給水管壓力發(fā)生波動引起給水

54、流量變化時，由于測量給水量的孔板前后差壓信號反應(yīng)很快，時滯很小(約為13s)，故可在被控量水位還未來得及變化的情況下，調(diào)節(jié)器即可消除給水側(cè)的擾動而使過程很快地穩(wěn)定下來，因此，由給水量信號局部反饋形成的內(nèi)回路能迅速消除系統(tǒng)的內(nèi)部擾動，穩(wěn)定給水量。4.2.5前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用91鍋爐水位前饋串級控制系統(tǒng)框圖給水量蒸汽量水位主參數(shù)副參數(shù)前饋4.3 大滯后補償系統(tǒng)大滯后補償系統(tǒng)4.3 大滯后補償系統(tǒng)大滯后補償系統(tǒng)4.3.1大滯后過程與常規(guī)控制方案大滯后過程與常規(guī)控制方案 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，有不少的過程特性具有較大的純滯后時間，其特點是當(dāng)控制作用產(chǎn)生后，在滯后時間范圍內(nèi)，被控參數(shù)完

55、全沒有響應(yīng)。滯后：純滯后與容量滯后總稱純滯后時間與其動態(tài)時間常數(shù)T的比值/T0.3時，具有較大純滯后924.3 大滯后補償系統(tǒng)大滯后補償系統(tǒng)93純滯后典型工藝過程： 帶傳輸過程：帶傳輸過程：在工業(yè)生產(chǎn)過程中，一些塊狀或粉狀的物料，例如硫酸生產(chǎn)中沸騰焙燒爐的鐵礦進(jìn)料、熱電廠燃煤鍋爐的煤粉進(jìn)料等。當(dāng)擋板的開度變動引起下料量改變時，需經(jīng)過傳輸機傳送時間（純滯后） 后，物料才到達(dá)工藝設(shè)備引起工藝參數(shù)發(fā)生變化。4.3 大滯后補償系統(tǒng)大滯后補償系統(tǒng) 在純滯后過程中，由于過程控制通道中存在的純滯后，使得被控量不能及時反映系統(tǒng)所承受的擾動； 因此這樣的過程必然會產(chǎn)生較明顯的超調(diào)量和需要較長的調(diào)節(jié)時間，被公認(rèn)為

56、是較難控制的過程； 其難控制程度將隨著純滯后占整個過程動態(tài)時間參數(shù)的比例增加而增加； 一般認(rèn)為純滯后與過程的時間常數(shù)T之比大于0.3，則稱該過程是大滯后過程。944.3 大滯后補償系統(tǒng)大滯后補償系統(tǒng) 當(dāng)/T增加時，過程中的相位滯后增加而使超調(diào)增大甚至?xí)驗閲?yán)重超調(diào)而出現(xiàn)聚爆、結(jié)焦等事故； 此外大滯后會降低整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此大滯后過程的控制一直備受關(guān)注，成為重要的研究問題之一； 對于大滯后過程的控制若采用前述的串級控制和前饋控制等方案是不合適的。必須采用特殊的控制(補償)方法。954.3 大滯后補償系統(tǒng)大滯后補償系統(tǒng) 微分作用的特點是能夠按被控參數(shù)變化速度的大小來校正被控參數(shù)的偏差，它對

57、克服超調(diào)現(xiàn)象能起很大作用。但是對于圖所示的PID控制方案，微分環(huán)節(jié)的輸入是對偏差作了比例積分運算后的值。因此，實際上微分環(huán)節(jié)不能真正起到對被控參數(shù)變化速度進(jìn)行校正的目的，克服動態(tài)超調(diào)的作用是有限的。961.微分先行控制方案微分先行控制方案PID控制系統(tǒng)框圖4.3 大滯后補償系統(tǒng)大滯后補償系統(tǒng) 如果將微分環(huán)節(jié)更換一個位置，則微分作用克服超調(diào)的能力就大不相同了。這種控制方案稱為微分先行控制方案。97微分先行控制方案 微分環(huán)節(jié)的輸出信號包括了被控參數(shù)及其變化速度值，將它作為測量值輸入到比例積分調(diào)節(jié)器中，這樣使系統(tǒng)克服超調(diào)的作用加強了。4.3 大滯后補償系統(tǒng)大滯后補償系統(tǒng)98cI1I0cID(1)(

58、)( )( )(1)(1)ssK T seY sX sT sWsK T sT seI1I0cID( )( )( )(1)(1)ssT seY sF sT sWsK T sT secID1I0cID(1)(1)( )( )( )(1)(1)ssK T sT seY sX sT sWsK T sT seI1I0cID( )( )( )(1)(1)ssT seY sF sT sWsK T sT se微分先行控制方案的閉環(huán)傳遞函數(shù)：在給定值作用下在擾動作用下PID控制方案的閉環(huán)傳遞函數(shù)：少一個零點z-1TD4.3 大滯后補償系統(tǒng)大滯后補償系統(tǒng)99根據(jù)自控理論：1.附加一個零點，系統(tǒng)階躍響應(yīng)超調(diào)量增加，

59、上升時間和峰值時間降低。2.零點從極點左側(cè)向極點越靠近，影響越明顯。3.零點離虛軸越遠(yuǎn)，影響越小。少一個零點z-1TD超調(diào)量要小一些，提高了控制質(zhì)量。4.3 大滯后補償系統(tǒng)大滯后補償系統(tǒng)2.中間微分反饋控制方案中間微分反饋控制方案100 系統(tǒng)中的微分作用是獨立的，能在被控參數(shù)變化時及時根據(jù)其變化的速度大小起附加校正作用，微分校正作用與PI調(diào)節(jié)器的輸出信號無關(guān)，只在動態(tài)時起作用，而在靜態(tài)時或在被控參數(shù)變化速度恒定時就失去作用。4.3 大滯后補償系統(tǒng)大滯后補償系統(tǒng)1013.常規(guī)控制方案比較常規(guī)控制方案比較PID、微分先行、中間微分反饋控制方案對定值擾動的響應(yīng)特性 中間微分反饋與微分先行控制方案雖比

60、PID方法的超調(diào)量要小，但仍存在較大的超調(diào)，響應(yīng)速度均很慢，不能滿足高控制精度的要求。4.3 大滯后補償系統(tǒng)大滯后補償系統(tǒng)4.3.2大滯后過程的預(yù)估補償控制大滯后過程的預(yù)估補償控制 不同于前饋補償，針對大滯后過程的預(yù)估補償是按照過程的特性預(yù)估出一種模型加入到反饋控制系統(tǒng)中，以補償過程的動態(tài)特性，這種預(yù)估補償控制也因其預(yù)估模型的不同而形成不同的方案。102Smith預(yù)估補償原理預(yù)估補償原理 預(yù)先設(shè)計出被控過程的動態(tài)模型，然后將預(yù)估器并聯(lián)在被控過程上，使其對過程中的純滯后特性進(jìn)行補償，力圖將被延遲了時間的被控量提前進(jìn)入調(diào)節(jié)器，因而調(diào)節(jié)器能提前動作，通過補償裝置，消除了純滯后特性在閉環(huán)中的影響，從而