過(guò)程控制及自動(dòng)化儀表課件第六章高性能過(guò)程控制

1、 第第6 6章章 常用高性能過(guò)程控制系統(tǒng)常用高性能過(guò)程控制系統(tǒng)1）了解串級(jí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用背景，熟悉串級(jí)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)；2）掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，熟悉串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法；3）了解前饋控制的原理及使用場(chǎng)合；4）掌握前饋補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)方法，熟悉前饋反饋復(fù)合控制的特點(diǎn)及工業(yè)應(yīng)用；5）了解大滯后被控過(guò)程的解決方案，掌握大滯后過(guò)程控制的設(shè)計(jì)方案。6.1.2 6.1.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的控制效果串級(jí)控制系統(tǒng)的控制效果1 1、能迅速克服二次干擾、能迅速克服二次干擾 202*02220221cvmYsGsGsFsGs Gs Gs Gs111212ccvYsXsKKKYsFs 控制能力和抗干擾

2、能力綜合定義為：控制能力和抗干擾能力綜合定義為： 1120201112020111ccvccvmY sGs Gs G s Gs GsX sGs Gs G s Gs Gs Gs *10201*212020111ccvmY sGs G sF sG s Gs G s Gs G s Gs sGsGsGsFsYsXsYvcc21211111( )cG sK22( )CCGsK( )VVGsK 1112cvYsXsK KYsFs sGsGsGsGsGsGsGsGsGsXsYmvcvc101020102111 sGsGsGsGsGsGsFsYmvc1020102211 控制能力和抗干擾能力綜合為：控制能力和

3、抗干擾能力綜合為： sGsGsFsYsXsYvc2111( )CCG sK( )VVG sK12CCCK KK2 2、能改善控制通道的動(dòng)態(tài)特性，提高工作頻率、能改善控制通道的動(dòng)態(tài)特性，提高工作頻率（1 1）等效時(shí)間常數(shù)減小，響應(yīng)速度加快）等效時(shí)間常數(shù)減小，響應(yīng)速度加快 22020220222022( )( )( )1cvcvcvmYsGs Gs GsGsGs G s GsXsGs Gs Gs Gs0202022222( )1 ,( ),( ),( )ccvvmmGsKTsGsKGsKGsK2020202220202202220202020222021( )111111cvcvmcvcvmcvm

4、KK KTsGsKK KKTsKK KKK KKKTTssKK KK0202TT 10201110cmGs Gs Gs Gs 0101011111/1 ,ccmmGsKT sGsKGsK10201102011/110cmK K K KT sT s20102120110102010210ccmTTK KK KssT TT T01020010221020110010221cmTTTTKKKKTT220020ss單串02010201TTTT02010201020102010201020111TTTTTTTTTTTT單串若兩種方案的阻尼系數(shù)相同，則有：020102012 2 0211TTTT 單對(duì)同一

5、過(guò)程，采用單回路控制方案，用同樣的分析方法，可得：對(duì)同一過(guò)程，采用單回路控制方案，用同樣的分析方法，可得：02100201220211TTTT 串3 3、能適應(yīng)負(fù)荷和操作條件的劇烈變化、能適應(yīng)負(fù)荷和操作條件的劇烈變化副回路的等效放大系數(shù)為：副回路的等效放大系數(shù)為：2020220221cvcvmKK KKKK K K2022021cvmK k K KK幾乎不變2 2）能改善控制通道的動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力；）能改善控制通道的動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力； 3 3）對(duì)非線性情況下的負(fù)荷或操作條件的變化有一定的適應(yīng)能力。）對(duì)非線性情況下的負(fù)荷或操作條件的變化有一定的適應(yīng)能力。串級(jí)控制系

6、統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：串級(jí)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：1 1）對(duì)進(jìn)入副回路的干擾有很強(qiáng)的抑制能力；）對(duì)進(jìn)入副回路的干擾有很強(qiáng)的抑制能力；6.1.3 6.1.3 串級(jí)控制系統(tǒng)的適用范圍串級(jí)控制系統(tǒng)的適用范圍 1 1、適用于容量滯后較大的過(guò)程：、適用于容量滯后較大的過(guò)程：2 2、適用于純滯后較大的過(guò)程、適用于純滯后較大的過(guò)程3 3、適用于干擾變化劇烈、幅度大的過(guò)程：、適用于干擾變化劇烈、幅度大的過(guò)程：工藝要求：汽包液位控制，工藝要求：汽包液位控制，特點(diǎn)：快裝鍋爐容量小，蒸汽流量與水壓變化頻繁、激烈特點(diǎn)：快裝鍋爐容量小，蒸汽流量與水壓變化頻繁、激烈三沖量液三沖量液位串級(jí)控制。位串級(jí)控制。4 4、適用于參數(shù)互相關(guān)

7、聯(lián)的過(guò)程、適用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過(guò)程5 5、適用于非線性過(guò)程、適用于非線性過(guò)程特點(diǎn)：特點(diǎn)：負(fù)荷或操作條件改變導(dǎo)致過(guò)程特性改變。若：?jiǎn)位芈房刎?fù)荷或操作條件改變導(dǎo)致過(guò)程特性改變。若：?jiǎn)位芈房刂?，需隨時(shí)改變調(diào)節(jié)器整定參數(shù)以保證系統(tǒng)的衰減率不變；串制，需隨時(shí)改變調(diào)節(jié)器整定參數(shù)以保證系統(tǒng)的衰減率不變；串級(jí)控制，則可自動(dòng)調(diào)整調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。級(jí)控制，則可自動(dòng)調(diào)整調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。a a）：燃料油壓力為主要干擾；）：燃料油壓力為主要干擾；b b）：燃料油粘度、成分、熱值、處理量為主要干擾）：燃料油粘度、成分、熱值、處理量為主要干擾1. 1. 副回路的設(shè)計(jì)與副參數(shù)的選擇副回路的設(shè)計(jì)與副參數(shù)的選擇（1 1）副參數(shù)

8、要物理可測(cè)、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)要小、純滯后時(shí)間要副參數(shù)要物理可測(cè)、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)要小、純滯后時(shí)間要盡可能短。盡可能短。（2 2） 副回路要盡可能多地包含變化頻繁、幅度大的干擾，但也副回路要盡可能多地包含變化頻繁、幅度大的干擾，但也 不能越多越好。不能越多越好。2022010201020102010211/1/1/1/cvmK K K KTTTTTTTT串單（3 3）主、副過(guò)程的時(shí)間常數(shù)要適當(dāng)匹配主、副過(guò)程的時(shí)間常數(shù)要適當(dāng)匹配. .當(dāng)串級(jí)控制與單回路控制的阻尼系數(shù)相等時(shí)，有當(dāng)串級(jí)控制與單回路控制的阻尼系數(shù)相等時(shí)，有假設(shè)假設(shè) 20221cvmK K K K為常量為常量頻率的比值大于頻率的比值大于3

9、 3，時(shí)間常數(shù)的比值在，時(shí)間常數(shù)的比值在3 31010范圍內(nèi)選擇范圍內(nèi)選擇（4 4）應(yīng)綜合考慮控制質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性要求應(yīng)綜合考慮控制質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性要求a)a) 冷劑液位為副參數(shù)，投資少，控制質(zhì)量不高；冷劑液位為副參數(shù)，投資少，控制質(zhì)量不高；b)b) 冷劑蒸冷劑蒸發(fā)壓力為副參數(shù)，投資多，控制質(zhì)量較高。選擇應(yīng)視具體情況發(fā)壓力為副參數(shù)，投資多，控制質(zhì)量較高。選擇應(yīng)視具體情況而定。而定。 2 2、主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇、主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇主調(diào)主調(diào)：定值控制；：定值控制；副調(diào)副調(diào)：隨動(dòng)控制。：隨動(dòng)控制。 主被控參數(shù)要主被控參數(shù)要無(wú)靜差無(wú)靜差PI,PIDPI,PID調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)；副被控參數(shù)允許副被控參

10、數(shù)允許有靜差有靜差P P, ,不引入不引入PIPI；為保穩(wěn)定，；為保穩(wěn)定，P P選大時(shí)，選大時(shí)，可引入積分；可引入積分；不引入微分不引入微分。3 3、主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇、主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇副調(diào)節(jié)器：副調(diào)節(jié)器：（調(diào)節(jié)器（調(diào)節(jié)器“”）（執(zhí)行器）（執(zhí)行器“”）（過(guò)程）（過(guò)程“”）=“ - ”=“ - ”主調(diào)節(jié)器：主調(diào)節(jié)器：（調(diào)節(jié)器（調(diào)節(jié)器“”）（主過(guò)程）（主過(guò)程“”）（副過(guò)程）（副過(guò)程“”）=“ - ”=“ - ”6.1.5 6.1.5 串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定 盡量加大副調(diào)節(jié)器的增益，提高副回路的頻率，使主、副回路盡量加大副調(diào)節(jié)器的增益，提高副回路的

11、頻率，使主、副回路的頻率錯(cuò)開(kāi)，以減少相互影響的頻率錯(cuò)開(kāi)，以減少相互影響1. 1. 逐步逼近整定法逐步逼近整定法1 1） 主開(kāi)環(huán)、副閉環(huán)，整定副調(diào)的參數(shù)；記為主開(kāi)環(huán)、副閉環(huán)，整定副調(diào)的參數(shù)；記為12( )CGs2) 2) 副回路等效成一個(gè)環(huán)節(jié)，閉合主回路，整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)，記為副回路等效成一個(gè)環(huán)節(jié)，閉合主回路，整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)，記為11( )CGs3 3）觀察過(guò)渡過(guò)程曲線，滿足要求，所求調(diào)節(jié)器參數(shù)即為）觀察過(guò)渡過(guò)程曲線，滿足要求，所求調(diào)節(jié)器參數(shù)即為11( )CGs12( )CGs否則，再整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，記為否則，再整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，記為22()CGs反復(fù)進(jìn)行，滿意為止反復(fù)進(jìn)行，滿意為止 該方法

12、適用于主、副過(guò)程時(shí)常相差不大、主、副回路動(dòng)態(tài)聯(lián)系密切，該方法適用于主、副過(guò)程時(shí)常相差不大、主、副回路動(dòng)態(tài)聯(lián)系密切，需反復(fù)進(jìn)行，費(fèi)時(shí)較多需反復(fù)進(jìn)行，費(fèi)時(shí)較多2. 2. 兩步整定法兩步整定法1 1）主、副閉合，主調(diào)為比例）主、副閉合，主調(diào)為比例, ,比例度為百分之一百，先用比例度為百分之一百，先用4 41 1衰減曲線衰減曲線法整定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，求得比例度和操作周期；法整定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，求得比例度和操作周期；2) 2) 等效副回路，整定主調(diào)參數(shù)，求得主回路在等效副回路，整定主調(diào)參數(shù)，求得主回路在4 41 1衰減比下的比例衰減比下的比例度和操作周期；根據(jù)兩種情況下的比例度和操作周期，按經(jīng)驗(yàn)公式求度

13、和操作周期；根據(jù)兩種情況下的比例度和操作周期，按經(jīng)驗(yàn)公式求出主、副調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間和微分時(shí)間，然后再按先副后主、先比例出主、副調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間和微分時(shí)間，然后再按先副后主、先比例后積分再微分的次序投入運(yùn)行，觀察曲線，適當(dāng)調(diào)整，滿意為止。后積分再微分的次序投入運(yùn)行，觀察曲線，適當(dāng)調(diào)整，滿意為止。3. 3. 一步整定法一步整定法思路：思路：先根據(jù)副過(guò)程特性或經(jīng)驗(yàn)確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后一步完成主調(diào)先根據(jù)副過(guò)程特性或經(jīng)驗(yàn)確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后一步完成主調(diào)節(jié)器的參數(shù)的整定。節(jié)器的參數(shù)的整定。理論依據(jù)：理論依據(jù)：主、副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)在主、副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)在條件下，主、副過(guò)程特性一定時(shí)，條件下，主、

14、副過(guò)程特性一定時(shí)，KC1KC2為一常數(shù)。為一常數(shù)。5 . 0021ccKK 參數(shù)序號(hào)副調(diào)節(jié)器 主調(diào)節(jié)器過(guò)渡過(guò)程時(shí)間 min ks=Kc1kc2= 常數(shù)副比例度 Kc2 Kc1主比例度 1 40% 2.5 75% 1.33 9 3.32 2 30% 3.33 100% 1 10 3.33 3 25% 4 125% 0.8 8 3.2主副調(diào)節(jié)器參數(shù)匹配關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 副參數(shù)放大系數(shù) 比例度 副參數(shù)放大系數(shù) 比例度 溫度 5-1.72060% 流量2.5-1.254080% 壓力 3-1.43070% 液位 5-1.2520-80%副調(diào)節(jié)器參數(shù)匹配數(shù)據(jù)13.5 m inT1 1）主、副調(diào)節(jié)器均置比例控

15、制，根據(jù)約束條件或經(jīng)驗(yàn)確定）主、副調(diào)節(jié)器均置比例控制，根據(jù)約束條件或經(jīng)驗(yàn)確定2cK 2) 2) 等效副回路，按衰減曲線法整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)；等效副回路，按衰減曲線法整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)；3 3）觀察曲線，在約束條件下，適當(dāng)調(diào)整主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，滿意為止。）觀察曲線，在約束條件下，適當(dāng)調(diào)整主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，滿意為止。；4. 4. 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例: : 硝酸生產(chǎn)用氧化爐，主參數(shù)：爐溫，硝酸生產(chǎn)用氧化爐，主參數(shù)：爐溫，PIPI調(diào)節(jié)；副參數(shù)：氨氣流量，調(diào)節(jié)；副參數(shù)：氨氣流量，P P調(diào)節(jié)；主、副動(dòng)態(tài)聯(lián)系小，兩步整定法。調(diào)節(jié)；主、副動(dòng)態(tài)聯(lián)系小，兩步整定法。121 0 0 %3 2 %s23 2 %s17

16、m insT150%s16 0 %1）2 2）副調(diào)置于）副調(diào)置于3232，得主調(diào)的，得主調(diào)的3 3）運(yùn)用計(jì)算公式得：）運(yùn)用計(jì)算公式得：21 5sTs某化工廠在石油裂解氣冷卻系統(tǒng)中，通過(guò)液態(tài)丙烯的氣化來(lái)吸收熱量，以保持裂解氣出口穩(wěn)定的穩(wěn)定。為此，設(shè)置了一套裂解氣出口溫度與丙烯蒸發(fā)壓力串級(jí)控制系統(tǒng)。對(duì)此系統(tǒng)采用一步整定法，具體步驟為： （1）副參數(shù)是壓力，反應(yīng)快，滯后小，取副比例度為40% （2）將副調(diào)節(jié)器的比例度放在40%的刻度上，TI=，TD=0。在串級(jí)運(yùn)行狀態(tài)下，按4:1衰減過(guò)程整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)得到 （3）按4:1衰減過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)130%s13minsT 110.

17、824%s110.10.3minDsTT110.30.9minISTT (4) 按照先P次I后D的順序，設(shè)置主調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使系統(tǒng)串級(jí)運(yùn)行。6.2 6.2 前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)6.2.1 前饋控制的基本概念又稱干擾補(bǔ)償控制：按干擾大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，克服干擾比反饋快；理論上，可實(shí)現(xiàn)理想控制。 0FBY sGsGs GsF s sGsGsGFB0 前饋控制的特點(diǎn) （1）前饋控制是一種開(kāi)環(huán)控制。 （2）前饋控制是一種按干擾大小進(jìn)行補(bǔ)償?shù)目刂啤Ｋ菍⒏蓴_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，而不是像反饋控制那樣，要待被控參數(shù)產(chǎn)生偏差后再進(jìn)行控制。 （3）前饋控制器的

18、調(diào)節(jié)規(guī)律與常規(guī)PID調(diào)節(jié)規(guī)律不同，即由過(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，其調(diào)節(jié)規(guī)律是不同的。 （4）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。如果干擾是不可測(cè)的，那就不能進(jìn)行前饋控制；如果干擾是可測(cè)且可控的，則只要設(shè)計(jì)一個(gè)定值控制系統(tǒng)就行了，而無(wú)需采用前饋控制。6.2.2 前饋控制的特點(diǎn)及局限性 2、前饋控制的局限性 （1）在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，使被控參數(shù)變化的干擾是很多的，不可能根據(jù)每一個(gè)干擾設(shè)計(jì)和應(yīng)用一套獨(dú)立的前饋控制器。 （2）對(duì)不可測(cè)的干擾無(wú)法實(shí)現(xiàn)前饋控制。 （3）決定前饋控制器的調(diào)節(jié)規(guī)律的是過(guò)程的動(dòng)態(tài)性GF(s)和G0(s)，而GF(s)和G0(s)的

19、精確值是很難得到的，即使能夠得到，有時(shí)也很難實(shí)現(xiàn)。 為了獲得滿意的控制效果，合理的控制方案是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)。這樣，一方面利用前饋控制有效的減少干擾對(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，從而保證了系統(tǒng)較高的控制質(zhì)量。 項(xiàng)目 反饋控制 前饋控制控制的依據(jù)被控參數(shù)的偏差干擾量的大小檢測(cè)的信號(hào)被控參數(shù)干擾量控制作用發(fā)生的時(shí)間偏差出現(xiàn)后偏差出現(xiàn)前系統(tǒng)結(jié)構(gòu)閉環(huán)控制開(kāi)環(huán)控制控制質(zhì)量有差控制無(wú)差控制控制器通用PID專用控制器經(jīng)濟(jì)性和可靠性一種系統(tǒng)可克服多種干擾每一種干擾都要有一個(gè)控制系統(tǒng)前饋與反饋的比較6.2.3 6.2.3 前饋控制

20、的形式前饋控制的形式1.1.靜態(tài)補(bǔ)償：靜態(tài)補(bǔ)償： 00(0)/(0)BFBGGGK0021()fpq Hq C TT0021fpq HTTq C2000fpdTHKdqq C220021fffpfdTq HTTKqdqCq2100()fpBKCTTKKH 該補(bǔ)償器用比例調(diào)節(jié)器即可實(shí)現(xiàn)該補(bǔ)償器用比例調(diào)節(jié)器即可實(shí)現(xiàn)其中：q0為加熱蒸汽流量，H0為蒸汽汽化潛能，qf為冷物料的流量， cp為冷物料的比熱，T1、T2分別為冷、熱物料的溫度。 由于精確模型難以得到或難以實(shí)現(xiàn)，只有要求嚴(yán)格控制動(dòng)態(tài)偏差由于精確模型難以得到或難以實(shí)現(xiàn)，只有要求嚴(yán)格控制動(dòng)態(tài)偏差時(shí)才采用。時(shí)才采用。 sGsGsGFB0/2. 2.

21、 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償：動(dòng)態(tài)補(bǔ)償： 3. 3. 前饋反饋復(fù)合控制前饋反饋復(fù)合控制 sFsGsGsGsGsGsXsGsGsGsGsYcBFcc000011 00sGsGsGBF )(/0sGsGsGFB 前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的特征方程為前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的特征方程為系統(tǒng)的穩(wěn)定性與前饋控制器無(wú)關(guān)。干擾對(duì)輸出的影響卻只有開(kāi)環(huán)前系統(tǒng)的穩(wěn)定性與前饋控制器無(wú)關(guān)。干擾對(duì)輸出的影響卻只有開(kāi)環(huán)前饋控制的饋控制的 010cGs Gs 01/1cGs Gs 設(shè)計(jì)步驟：設(shè)計(jì)步驟：1 1）獨(dú)立設(shè)計(jì)反饋控制系統(tǒng)；獨(dú)立設(shè)計(jì)反饋控制系統(tǒng)；2 2）再設(shè)計(jì)前饋補(bǔ)償器再設(shè)計(jì)前饋補(bǔ)償器 4. 4. 前饋串級(jí)控制系統(tǒng)前饋串級(jí)控制系統(tǒng) 1CGsT

22、CFCFC冷物料冷物料熱物料熱物料蒸汽蒸汽TGc1(s)G01(s)G02(s)Gc2(s)GB(s)Gf(s)+_冷物料冷物料qTq02201022022022011011022022( )( )( )( )( )1( )( )( )( )( )( )( )( )1( )( )1( )( )1( )( )( )( )cBfcCcccCcGs GsGsGsGsGs GsT sGs GsGs GsQ sGs GsGs GsGs GsGs Gs022022( )( )11( )( )ccGs GsGs Gs01011011( )( )( )( )0( )1( )( )1( )( )fBccGsGs

23、 GsT sQ sGs GsGs Gs01( )( )( )fBGsGsGs 主調(diào)節(jié)器干擾通道前饋控制器副過(guò)程副調(diào)節(jié)器主變送器副變送器主過(guò)程給定值 +-+-主參數(shù)副參數(shù)干擾222( )1sfKGseT s 22112()22111011221( )111( )( )111sfssBBsKeGsT sKT sT sGseKeKGsK T sT seT s 干擾通道的特性：干擾通道的特性：常用的前饋控制器模型有：常用的前饋控制器模型有：1211sBT sKeT s1211BT sKT sBK1 1、 型前饋控制器型前饋控制器BK用比值器或比例控制器等常規(guī)儀表就可實(shí)現(xiàn)用比值器或比例控制器等常規(guī)儀表就

24、可實(shí)現(xiàn)控制通道的特性：控制通道的特性：1101( )1sKG seTs 6.2.4 6.2.4 前饋控制作用的實(shí)施前饋控制作用的實(shí)施1211BTsKT s211T s 12112222(/) 11( )111111BBBBT TTTsKGsKKKKT sT sTT s 型前饋控制器型前饋控制器KBKK輸入輸出2、121TKT3 3、型前饋控制器型前饋控制器1211sBT sKeT s-+1211BTsKT s1 ( /2)1 ( /2)211 ( /2)1 ( /2)( /2)1sssesss112s+-輸入輸出1211sBTsKeT s型前饋控制器實(shí)施框圖6.2.5 6.2.5 引入前饋的原

25、則及應(yīng)用實(shí)例引入前饋的原則及應(yīng)用實(shí)例 1 1、引入前饋的原則、引入前饋的原則 1 1）系統(tǒng)存在頻率高、幅值大、可測(cè)不可控的干擾，反饋控制系統(tǒng)存在頻率高、幅值大、可測(cè)不可控的干擾，反饋控制難以克服、控制要求高時(shí)；難以克服、控制要求高時(shí)； 2 2）控制通道時(shí)間常數(shù)大于干擾通道時(shí)間常數(shù)，反饋控制不及時(shí)，控制通道時(shí)間常數(shù)大于干擾通道時(shí)間常數(shù)，反饋控制不及時(shí)，控制質(zhì)量差；控制質(zhì)量差； 3 3）主要干擾無(wú)法用串級(jí)控制使其包含于副回路或副回路滯后過(guò)主要干擾無(wú)法用串級(jí)控制使其包含于副回路或副回路滯后過(guò)大時(shí)；大時(shí)； 4 4）盡可能采用靜態(tài)補(bǔ)償而不采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。盡可能采用靜態(tài)補(bǔ)償而不采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。2 2、復(fù)合控制

26、系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例、復(fù)合控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例（1 1）蒸發(fā)過(guò)程的濃度控制）蒸發(fā)過(guò)程的濃度控制5073溶液沸點(diǎn)與水沸點(diǎn)之溫差（被控量）溶液沸點(diǎn)與水沸點(diǎn)之溫差（被控量）進(jìn)料溶液進(jìn)料溶液濃度、溫度、濃度、溫度、流量流量，加熱蒸汽壓力、，加熱蒸汽壓力、流量流量 方案方案：蒸汽流量為前饋信號(hào)、溫差為反饋信號(hào)、進(jìn)料溶液：蒸汽流量為前饋信號(hào)、溫差為反饋信號(hào)、進(jìn)料溶液為控制參數(shù)的復(fù)合控制為控制參數(shù)的復(fù)合控制方案方案：蒸汽流量為前饋信號(hào)、溫差為反饋信號(hào)、進(jìn)料溶液：蒸汽流量為前饋信號(hào)、溫差為反饋信號(hào)、進(jìn)料溶液為控制參數(shù)的復(fù)合控制為控制參數(shù)的復(fù)合控制（2 2）鍋爐汽包水位控制）鍋爐汽包水位控制 水位過(guò)高，易使蒸汽帶液，不僅會(huì)

27、影響蒸汽的質(zhì)量和水量，而水位過(guò)高，易使蒸汽帶液，不僅會(huì)影響蒸汽的質(zhì)量和水量，而且還會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)葉片的損壞；水位過(guò)低，輕則影響汽、水平衡，且還會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)葉片的損壞；水位過(guò)低，輕則影響汽、水平衡，重則鍋爐燒干爆炸。重則鍋爐燒干爆炸。影響因素：影響因素：蒸汽用量（不可控）、給水流量（選為控制參數(shù)）蒸汽用量（不可控）、給水流量（選為控制參數(shù)）問(wèn)題：?jiǎn)栴}：“虛假水位虛假水位”影響控制效果。影響控制效果。解決方案：解決方案：蒸汽流量為前饋信號(hào)，給水流量為副參數(shù)，水位為主參蒸汽流量為前饋信號(hào)，給水流量為副參數(shù)，水位為主參數(shù)數(shù)前饋反饋串級(jí)控制前饋反饋串級(jí)控制1211BT sKT s6.2.6 前饋控制系統(tǒng)的

28、參數(shù)整定前饋控制系統(tǒng)的參數(shù)整定 前饋控制器的參數(shù)取決于對(duì)象的特性，并在建模時(shí)已經(jīng)確定了，似乎可直接投入運(yùn)行而無(wú)需再整定。但是，由于特性的測(cè)試精度、測(cè)試工況與在線運(yùn)行工況的差異，以及前饋裝置的制作精度等因素的影響，使得控制效果不會(huì)那么理想。因此，必須對(duì)前饋模型進(jìn)行在線整定。這里以最常用的前饋模型為例，討論靜態(tài)參數(shù)kB和動(dòng)態(tài)參數(shù)T1、T2的整定方法。一、 kB的整定 1、開(kāi)環(huán)整定法 開(kāi)環(huán)整定是在系統(tǒng)作單純的靜態(tài)前饋運(yùn)行下施加干擾，kB值由小逐步增大，直到被控量回到設(shè)定值，此時(shí)對(duì)應(yīng)的kB值便視為最佳整定值。在進(jìn)行整定時(shí)應(yīng)力求工況穩(wěn)定，以減小其它干擾量對(duì)被控量的影響。否則，kB的整定值有較大的誤差。

29、2、閉環(huán)整定法 由于開(kāi)環(huán)整定過(guò)程中，被控量失去控制，容易影響生產(chǎn)甚至發(fā)生事故，因此在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用較少，而采用閉環(huán)整定。設(shè)待整定的系統(tǒng)方框圖如圖所示，可以讓系統(tǒng)處于前饋反饋運(yùn)行狀態(tài)整定kB值，也可讓系統(tǒng)處于反饋運(yùn)行狀態(tài)整定kB值。PIDKBGf(s)Go(s)F(s)R(s)Y(s)KB閉環(huán)整定法系統(tǒng)方框圖 第一種：前饋反饋運(yùn)行狀態(tài)整定kB 閉合開(kāi)關(guān)K使系統(tǒng)處于前饋反饋運(yùn)行狀態(tài)。在反饋控制已整定好的基礎(chǔ)上，施加相同的干擾作用，由小到大逐步改變kf值，直到獲得滿意的補(bǔ)償過(guò)程。如果kB值小，將造成欠補(bǔ)償；如果kB值大，將造成過(guò)補(bǔ)償。K+-+第二種：反饋運(yùn)行狀態(tài)整定kB 打開(kāi)圖中開(kāi)關(guān)K使系統(tǒng)處于

30、反饋運(yùn)行狀態(tài)。待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，記下干擾量變送器的輸出電流Ifo和反饋控制器的輸出穩(wěn)定值Ico 。然后對(duì)干擾施加一增量f，待反饋控制系統(tǒng)在f作用下直到被控量回到設(shè)定值時(shí)，重新記下干擾量變送器的輸出電流If及反饋控制器的輸出Ic，則前饋控制器的靜態(tài)放大系數(shù)kB為ccoBffoIIKII 上式的物理意義是：當(dāng)干擾量為f時(shí)，由反饋控制器產(chǎn)生的校正作用改變了（Ic-Ico),才能使被控量回到設(shè)定值。如果用前饋控制器來(lái)校正，那么kB也必須滿足這一關(guān)系式。需要指出：使用這種方法整定kB時(shí)，反饋控制器應(yīng)具有積分作用。否則，在干擾作用無(wú)法消除被控量的靜差。同時(shí)，要求工況盡可能穩(wěn)定，以消除其它干擾的影響。二、T

31、1、T2的整定 前饋控制器動(dòng)態(tài)參數(shù)的整定較靜態(tài)參數(shù)的整定要復(fù)雜得多，至今還沒(méi)有總結(jié)出完整的工程方法，仍停留在經(jīng)驗(yàn)或定性分析階段。這里僅作原則性的介紹。 動(dòng)態(tài)參數(shù)決定了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)某潭?，?dāng)T1T2時(shí)，前饋控制器在動(dòng)態(tài)補(bǔ)償過(guò)程中起超前作用；當(dāng)T1T2時(shí)，起滯后作用；當(dāng)T1=T2時(shí)不起作用。因此，常將T1稱為超前時(shí)間， T2稱為滯后時(shí)間，根據(jù)校正作用在時(shí)間上是超前或滯后，可以決定 T1、T2的數(shù)值。初次試驗(yàn)時(shí)，可取T1/T2=2(超前）或T1/T2=0.5（滯后）的數(shù)值進(jìn)行，施加干擾，觀察補(bǔ)償過(guò)程。首先調(diào)整T1或T2使補(bǔ)償過(guò)程曲線達(dá)到上、下偏差面積相等。然后再調(diào)整T1與T2的比值，直到獲得比較平坦的補(bǔ)

32、償曲線為止。 6.3 6.3 大滯后過(guò)程控制系統(tǒng)大滯后過(guò)程控制系統(tǒng)6.3.1 6.3.1 大滯后過(guò)程概述大滯后過(guò)程概述 純滯后：純滯后：介質(zhì)傳輸、化學(xué)反應(yīng)、管道混合、皮帶傳送、多容器串聯(lián)介質(zhì)傳輸、化學(xué)反應(yīng)、管道混合、皮帶傳送、多容器串聯(lián) 成分測(cè)量等。成分測(cè)量等。純滯后的程度：純滯后的程度：3 . 0/ T3 . 0/ T稱為一般純滯后；稱為一般純滯后；稱為大純滯后。稱為大純滯后。大純滯后難于控制大純滯后難于控制：物理意義：物理意義：1 1）測(cè)量純滯后使調(diào)節(jié)作用不及時(shí)；測(cè)量純滯后使調(diào)節(jié)作用不及時(shí)； 2 2）控制介質(zhì)傳輸滯后使調(diào)節(jié)動(dòng)作不及時(shí)；控制介質(zhì)傳輸滯后使調(diào)節(jié)動(dòng)作不及時(shí)；理論分析：開(kāi)環(huán)頻率特性

33、相角滯后理論分析：開(kāi)環(huán)頻率特性相角滯后穩(wěn)定裕度穩(wěn)定裕度 解決方案：微分先行、中間反饋、解決方案：微分先行、中間反饋、斯密斯預(yù)估、內(nèi)?？刂扑姑芩诡A(yù)估、內(nèi)?？刂频鹊?.3.2 6.3.2 史密斯預(yù)估控制史密斯預(yù)估控制1.1.史密斯預(yù)估控制：史密斯預(yù)估控制：預(yù)先估計(jì)動(dòng)態(tài)模型預(yù)先估計(jì)動(dòng)態(tài)模型預(yù)估器使滯后了的被控量提預(yù)估器使滯后了的被控量提 前反饋前反饋調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作減少超調(diào)、加速調(diào)節(jié)過(guò)程。減少超調(diào)、加速調(diào)節(jié)過(guò)程。 001scscY sGs Gs eX sGs Gs e 00ssYsGs eGsGsUs 01ssGsGse單回路控制單回路控制 0sY sGs eU s史密斯預(yù)估控制史密斯預(yù)

34、估控制 scScscScscScscesGsGsGsGesGsGsGsGesGsGsGsGesGsGsXsY00001111 sGsGesGsGcsc001 01ssGsGse 001scscY sGs Gs eX sGs Gs e實(shí)線為史密斯預(yù)估控制結(jié)果，虛線為單回路控制結(jié)果實(shí)線為史密斯預(yù)估控制結(jié)果，虛線為單回路控制結(jié)果2.2.仿真實(shí)例仿真實(shí)例史密斯預(yù)估控制史密斯預(yù)估控制 00( )( )1sccGs Gs eY sX sGs Gs單回路控制單回路控制 史密斯預(yù)估控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)相比已消除了純滯史密斯預(yù)估控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)相比已消除了純滯后對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。后對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影

35、響。6.3.3 6.3.3 改進(jìn)型史密斯預(yù)估控制改進(jìn)型史密斯預(yù)估控制1.1.增益自適應(yīng)預(yù)估控制增益自適應(yīng)預(yù)估控制131032201csUsGsXsYsYsDsDsDsGsUsDssDsDsABAYsUsGse1s產(chǎn)生超前作用，使調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作，以減小超調(diào)和加快產(chǎn)生超前作用，使調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作，以減小超調(diào)和加快調(diào)節(jié)過(guò)程。調(diào)節(jié)過(guò)程。 當(dāng)預(yù)估器模型與過(guò)程特性存在差異時(shí)，通過(guò)當(dāng)預(yù)估器模型與過(guò)程特性存在差異時(shí)，通過(guò)( )( )ss00GG2( )1D s 00( )( )1sccGs Gs eY sX sGs Gs 由圖得出：當(dāng)預(yù)估器模型準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)過(guò)程特性時(shí)，過(guò)由圖得出：當(dāng)預(yù)估器模型準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)過(guò)程特性時(shí)，

36、過(guò)程的純時(shí)延已經(jīng)有效地排除在控制回路之外，只要模型準(zhǔn)程的純時(shí)延已經(jīng)有效地排除在控制回路之外，只要模型準(zhǔn)確的復(fù)現(xiàn)過(guò)程特性，便可獲得比較理想的控制效果。確的復(fù)現(xiàn)過(guò)程特性，便可獲得比較理想的控制效果。2.2.動(dòng)態(tài)參數(shù)自適應(yīng)預(yù)估控制動(dòng)態(tài)參數(shù)自適應(yīng)預(yù)估控制 當(dāng)模型準(zhǔn)確時(shí)，主反饋信號(hào)為零，其效果同史密斯預(yù)估當(dāng)模型準(zhǔn)確時(shí)，主反饋信號(hào)為零，其效果同史密斯預(yù)估控制；當(dāng)有差異時(shí)，主反饋的動(dòng)態(tài)變化經(jīng)慣性濾波后反饋，控制；當(dāng)有差異時(shí)，主反饋的動(dòng)態(tài)變化經(jīng)慣性濾波后反饋，以增強(qiáng)適應(yīng)性。以增強(qiáng)適應(yīng)性。2020( )( )( )1( )( )CFCGs G sGsGs G s)1)(11 (1)1)(11 ()()(1)()

37、()(002200220202sTKsTKsTKsTKsGsGsGsGsGcCcCCCF111102002002sTsKKTKKsTKKFCCC 設(shè)計(jì)思路：設(shè)兩個(gè)調(diào)節(jié)器均為設(shè)計(jì)思路：設(shè)兩個(gè)調(diào)節(jié)器均為PIPI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器1 1按模型完全準(zhǔn)確按模型完全準(zhǔn)確時(shí)設(shè)計(jì)；調(diào)節(jié)器時(shí)設(shè)計(jì)；調(diào)節(jié)器2 2按具體情況設(shè)計(jì)，設(shè)對(duì)象的非滯后部分為一階慣性按具體情況設(shè)計(jì)，設(shè)對(duì)象的非滯后部分為一階慣性環(huán)節(jié)，且調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)，且調(diào)節(jié)器2 2的積分時(shí)間常數(shù)與慣性時(shí)間常數(shù)相等，則有的積分時(shí)間常數(shù)與慣性時(shí)間常數(shù)相等，則有慣性濾波器的設(shè)計(jì)慣性濾波器的設(shè)計(jì) GF(s)為一階慣性濾波器，對(duì)其只需在線調(diào)整參數(shù)為一階慣性濾波器，

38、對(duì)其只需在線調(diào)整參數(shù)KC2即即可根據(jù)需要可得到可根據(jù)需要可得到TF，以此來(lái)適應(yīng)動(dòng)態(tài)參數(shù)變化所造成的不，以此來(lái)適應(yīng)動(dòng)態(tài)參數(shù)變化所造成的不利影響。利影響。6.3.4 6.3.4 內(nèi)?？刂苾?nèi)?？刂?內(nèi)?？刂苾?nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)與史密斯相似，它不僅能明顯改善大滯后結(jié)構(gòu)與史密斯相似，它不僅能明顯改善大滯后過(guò)程的控制品質(zhì)，且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)性能好、魯棒性強(qiáng)。過(guò)程的控制品質(zhì)，且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)性能好、魯棒性強(qiáng)。1.1.內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)模控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 000000( )( )( )1( )1( )( )1( )( )ccccY sX sF sGs G sGs G sGs G sG sGs G sG s2.2.理想內(nèi)

39、模控制器理想內(nèi)?？刂破骷僭O(shè)模型沒(méi)有誤差，則有假設(shè)模型沒(méi)有誤差，則有 00( )( )1( )( )ccY sGs G s X sGs G sF s當(dāng)當(dāng)X(s)=0, F(s)0時(shí)：時(shí)： 01( )( )cY sGs G sF s假設(shè)模型假設(shè)模型“可倒可倒”且物理可實(shí)現(xiàn)且物理可實(shí)現(xiàn)令令 01/( )cGsG s則有則有 Y(s)=0;同樣，當(dāng)同樣，當(dāng)X(s)0，F(xiàn)(s)=0時(shí)：時(shí)： 0001( )( )( )( )( )( )cGsYsGs Gs X sGs X sX s 0( )cGsG s11( )pTsD s 注意注意：該控制器是基于零、極點(diǎn)相消的原理設(shè)計(jì)的，當(dāng)模型為不：該控制器是基于零、

40、極點(diǎn)相消的原理設(shè)計(jì)的，當(dāng)模型為不穩(wěn)定（在穩(wěn)定（在S S右半平面存在極點(diǎn)）時(shí)，該設(shè)計(jì)方法不能采用。右半平面存在極點(diǎn)）時(shí)，該設(shè)計(jì)方法不能采用。 T T為希望的閉環(huán)時(shí)間常數(shù)，為希望的閉環(huán)時(shí)間常數(shù)，p p為正整數(shù)；選擇為正整數(shù)；選擇p,p,可使控制器既穩(wěn)定可使控制器既穩(wěn)定又可物理實(shí)現(xiàn)。又可物理實(shí)現(xiàn)。D(s)是靜態(tài)增益為是靜態(tài)增益為1的低通濾波器，其典型結(jié)構(gòu)為的低通濾波器，其典型結(jié)構(gòu)為 0( )cD sGGs令令包含所有純滯后和在包含所有純滯后和在S S右半平面存在零點(diǎn)的環(huán)節(jié)，且靜態(tài)增益為右半平面存在零點(diǎn)的環(huán)節(jié)，且靜態(tài)增益為1 1。0G000()GsGG 問(wèn)題：模型存在誤差且不問(wèn)題：模型存在誤差且不“可

41、倒可倒”（如純滯后或非最小相位環(huán)節(jié)）（如純滯后或非最小相位環(huán)節(jié)） 分解內(nèi)部模型分解內(nèi)部模型: : 3. 3.實(shí)際內(nèi)模控制器實(shí)際內(nèi)?？刂破?設(shè)模型不存在誤差，則有：設(shè)模型不存在誤差，則有： 00( ) ( ) ( )1( )( )( )Y sGs D s X sD s GsF s設(shè)定值變化時(shí)的閉環(huán)傳函為設(shè)定值變化時(shí)的閉環(huán)傳函為00( )( )( )( )( )1(1)PY sXsGs D sGsTs 該式表明：該式表明：濾波器與閉環(huán)性能關(guān)系密切，其中時(shí)間常數(shù)的選擇濾波器與閉環(huán)性能關(guān)系密切，其中時(shí)間常數(shù)的選擇是關(guān)鍵；時(shí)常越小，滯后越小，但對(duì)模型誤差越敏感；需要在動(dòng)態(tài)是關(guān)鍵；時(shí)常越小，滯后越小，但對(duì)模型誤差越敏感；需要在動(dòng)態(tài)性能和魯棒性之間折中選擇。性能和魯棒性之間折中選擇。 小結(jié)：小結(jié)：內(nèi)?？刂票仁访芩诡A(yù)估控制更具一般性，它不僅可以解內(nèi)?？刂票仁访芩诡A(yù)估控制更具一般性，它不僅可以解決大滯后過(guò)程的控制，而且還可通過(guò)調(diào)整濾波器的參數(shù)以增強(qiáng)系統(tǒng)決大滯后過(guò)程的控制，而且還可通過(guò)調(diào)整濾波器的參數(shù)以增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性；由于它同樣依賴于模型，應(yīng)用同樣受限。的魯棒性；由于它同樣依賴于模型，應(yīng)用同樣受限。 00( )( )1( )( )ccY sGs G s X sGs G sF s000( )G sG G 0( )cD sGGs