第四章過程控制

第四章過程控制第1頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三主要內(nèi)容一、前饋控制的基本原理二、前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)第2頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三反饋控制廣泛應(yīng)用于流程工業(yè)，具有通用性強(qiáng)、魯棒性好、可克服所有干擾、無需建立對(duì)象模型等特點(diǎn)。但是，反饋控制只有在被控變量產(chǎn)生偏差以后才能夠產(chǎn)生校正作用，因此不能實(shí)現(xiàn)被控變量完全不受干擾影響的理想控制。反饋控制不能提供預(yù)測的功能，無法補(bǔ)償已知的或可以測量的干擾的影響，而且當(dāng)被控變量不能在線測量時(shí)，反饋控制時(shí)無法補(bǔ)償。對(duì)于那些采用反饋控制無法獲得滿意效果且干擾可在線測量的過程，加入前饋控制能夠改善控制品質(zhì)。第3頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三D1(t),…,Dn(t)表示某些可測量、且對(duì)被控變量CV影響顯著的干擾。

前饋控制的基本原理：測量進(jìn)入過程的干擾量，并根據(jù)干擾的測量值產(chǎn)生合適的控制作用來改變控制量，使被控制變量維持在設(shè)定值上。在這些可測干擾影響CV以前，同時(shí)調(diào)節(jié)操作變量MV以抵消這些干擾的影響，最終使CV維持不變或基本不變。一、前饋控制的基本原理第4頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三設(shè)計(jì)目標(biāo)（系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)D(t)實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償?shù)臈l件）第5頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三前饋控制器設(shè)計(jì)公式：設(shè)計(jì)目標(biāo)：開環(huán)滿足該式的前饋補(bǔ)償裝置能使被控變量y(t)不受擾動(dòng)量D(t)變化的影響。第6頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三不變性原理是前饋控制的理論基礎(chǔ)?！安蛔冃浴笔侵缚刂葡到y(tǒng)的被控變量不受擾動(dòng)變量變化的影響。進(jìn)入控制系統(tǒng)中的擾動(dòng)會(huì)通過被控對(duì)象的內(nèi)部關(guān)聯(lián)，使被控變量發(fā)生偏離其設(shè)定值的變化。不變性原理是通過前饋控制器的校正作用，消除擾動(dòng)對(duì)被控變量的這種影響。第7頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三有以下幾種類型的不變性：（1）絕對(duì)不變性指在擾動(dòng)的作用下被控變量在整個(gè)過程中始終保持不變；（2）誤差不變性指在擾動(dòng)的作用下被控變量的波動(dòng)小于一個(gè)很小值；（3）穩(wěn)態(tài)不變性系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工況下被控變量與擾動(dòng)無關(guān)；（4）選擇不變性被控變量往往受到若干個(gè)干擾的影響，若系統(tǒng)對(duì)其中幾個(gè)主要的干擾實(shí)現(xiàn)不變性補(bǔ)償，就稱為選擇不變性。前饋控制系統(tǒng)實(shí)際上是根據(jù)不變性原理對(duì)干擾進(jìn)行補(bǔ)償?shù)囊环N開環(huán)控制系統(tǒng)。第8頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三二、前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）前饋控制對(duì)于干擾的克服要比反饋控制及時(shí)前饋控制是針對(duì)干擾作用進(jìn)行控制的。當(dāng)干擾一出現(xiàn)，前饋控制器就根據(jù)檢測到的干擾，按一定規(guī)律進(jìn)行控制。當(dāng)干擾發(fā)生后，被控變量還未發(fā)生變化，前饋控制器就產(chǎn)生了控制作用把偏差徹底消除。第9頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三前饋控制與反饋控制的比較前饋控制反饋控制相關(guān)干擾可測量被控變量可測量基于干擾操作

操作變量基于被控變量控制誤差操作操作變量開環(huán)，無穩(wěn)定性問題閉環(huán)，穩(wěn)定性至關(guān)重要只有部分干擾可檢測全部干擾均通過被控變量可感受控制通道與相關(guān)干擾通道的精確數(shù)學(xué)模型均需要獲得不需要對(duì)象的數(shù)學(xué)模型第10頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三（2）前饋控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng)

反饋控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，而前饋控制是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)。前饋控制器根據(jù)干擾產(chǎn)生控制作用對(duì)被控變量進(jìn)行影響，而被控變量并不會(huì)反過來影響前饋控制器的輸入信號(hào)（擾動(dòng)量）。因此，采用前饋控制時(shí)，對(duì)被控對(duì)象的了解必須比采用反饋控制時(shí)清楚得多。第11頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三（3）前饋控制采用的是由對(duì)象特性確定的“專用”控制器

一般的反饋控制系統(tǒng)均采用通用的PID控制器，而前饋控制器是專用控制器，對(duì)于不同的對(duì)象特性，前饋控制器的形式是不同的。第12頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三總結(jié)可能引入前饋控制的場合

(1)基本的被控變量不可測

(2)基本的被控變量可測，但某些干擾太強(qiáng)以至于反饋控制系統(tǒng)難以滿足工藝要求運(yùn)用前饋控制的條件

(1)主要干擾是可測的

(2)干擾通道的響應(yīng)速度低于控制通道的響應(yīng)速度

(3)干擾通道與控制通道的動(dòng)態(tài)特性幾乎是不變的，或者是可抵消的第13頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三小結(jié)一、前饋控制的基本原理二、前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)第14頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三謝謝！第15頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三第十五講

前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式第16頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三主要內(nèi)容一、靜態(tài)前饋二、動(dòng)態(tài)前饋三、前饋反饋控制四、前饋控制的實(shí)施第17頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三前饋控制器（假設(shè)測量變送環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為1）：這種控制器考慮了兩個(gè)通道的動(dòng)態(tài)特性，是一種動(dòng)態(tài)前饋控制器，追求的目標(biāo)是被控變量的絕對(duì)不變性。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，有時(shí)只需要在穩(wěn)態(tài)下實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償。一、靜態(tài)前饋第18頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三令式中的s為0，得到靜態(tài)前饋控制算式KYD、KYC分別為干擾通道和控制通道的靜態(tài)增益。第19頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三靜態(tài)前饋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，可以保證在穩(wěn)態(tài)時(shí)消除擾動(dòng)的影響，但在動(dòng)態(tài)過程中偏差依然存在。當(dāng)在控制通道和干擾通道的動(dòng)態(tài)特性差異很大時(shí)，必須考慮動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償。單個(gè)擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償原理如圖二、動(dòng)態(tài)前饋第20頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三動(dòng)態(tài)前饋的作用是力求在任何時(shí)刻均實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的補(bǔ)償，通過合適的前饋控制規(guī)律的選擇，使干擾經(jīng)過前饋控制器到達(dá)被控變量這一通道的動(dòng)態(tài)特性與對(duì)象干擾通道的動(dòng)態(tài)特性完全一致，并且它們的符號(hào)相反，從而達(dá)到控制作用完全補(bǔ)償干擾對(duì)被控變量的影響。第21頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三比較：靜態(tài)前饋是動(dòng)態(tài)前饋的一種特殊情況，動(dòng)態(tài)前饋可以看成靜態(tài)前饋和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償兩部分，它們結(jié)合在一起，可以提高控制過程的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。第22頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三三、前饋反饋控制由于下列原因前饋控制會(huì)存在偏差：（1）實(shí)際的工業(yè)過程中存在多個(gè)擾動(dòng)，若對(duì)每個(gè)擾動(dòng)都設(shè)置前饋通道，會(huì)增加控制系統(tǒng)投資費(fèi)用，一般只選擇幾個(gè)主要干擾加以前饋控制。（2）受前饋控制模型精度的限制。（3）構(gòu)建的前饋控制器是近似的，當(dāng)綜合得到的前饋控制算法中包含純超前環(huán)節(jié)或純微分環(huán)節(jié)時(shí)，它們?cè)谖锢砩鲜遣荒軐?shí)現(xiàn)的，一般將純超前環(huán)節(jié)處理為靜態(tài)環(huán)節(jié)，純微分環(huán)節(jié)處理為超前滯后環(huán)節(jié)。第23頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三但是，在前饋控制系統(tǒng)中，不存在被控變量的反饋，對(duì)補(bǔ)償?shù)男Ч麤]有檢驗(yàn)的手段。如果控制的結(jié)果無法消除被控變量的偏差，系統(tǒng)將無法做進(jìn)一步的校正。怎么辦？第24頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三將前饋與反饋結(jié)合起來，構(gòu)成前饋-反饋控制系統(tǒng)，其原理圖如圖所示：第25頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三前饋-反饋控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：（1）從前饋的控制角度，由于增加了反饋控制，降低了對(duì)前饋控制模型精度的要求，并且對(duì)未選作前饋信號(hào)的干擾產(chǎn)生校正作用。（2）從反饋控制角度，由于前饋控制的存在，對(duì)干擾作了及時(shí)的粗調(diào)作用，大大減小了反饋控制的負(fù)擔(dān)。第26頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三為了便于工業(yè)應(yīng)用，使控制器的模式具有一定的通用性，對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)都會(huì)帶來方便。四、前饋控制的實(shí)施第27頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三前饋控制器（假設(shè)測量變送環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為1）：第28頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三用一階加純滯后模型來近似：則第29頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三分析：多數(shù)的工業(yè)對(duì)象可用一個(gè)帶有純滯后的“超前滯后”環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。當(dāng)擾動(dòng)通道的時(shí)滯小于控制通道的時(shí)滯時(shí)，即小于0，超前環(huán)節(jié)，物理上無法實(shí)現(xiàn)。只能令其為1。第30頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三小結(jié)一、靜態(tài)前饋二、動(dòng)態(tài)前饋三、前饋反饋控制四、前饋控制的實(shí)施第31頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三謝謝！第32頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三第十六講

比值控制系統(tǒng)的概念第33頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三主要內(nèi)容一、比值控制系統(tǒng)的概念二、定比值控制第34頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三溶液配制問題問題：假設(shè)氫氧化鈉NaoH用量QB和稀釋水量QA可測并且QA可調(diào)。如果QB變化，如何調(diào)整以使稀釋液NaoH的濃度為6~8%左右？解決方案一：

通過測量混合液的濃度，并采用單回路反饋控制來滿足上述要求（設(shè)出口濃度為被控變量，入口處的稀釋水流量QA為操縱變量）。

但是，濃度信號(hào)的獲取較為困難，并且測量環(huán)節(jié)有滯后，會(huì)影響控制品質(zhì)。第35頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三溶液配制問題問題：假設(shè)氫氧化鈉NaoH用量QB和稀釋水量QA可測并且QA可調(diào)。如果QB變化，如何調(diào)整以使稀釋液NaoH的濃度為6~8%左右？解決方案二：不直接控制混合液濃度，而是采用輸入流量比值控制來間接達(dá)到上述要求（即前饋控制方案，根據(jù)前饋控制的不變性原理，若某一輸入物料流量變化時(shí)，另一物料也能按比例跟隨變化，則可以達(dá)到對(duì)出口濃度的完全補(bǔ)償。）第36頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三流量比值控制問題要求：QA

/QB

=KAB（比值系數(shù)）而QB為主動(dòng)流量，QA為可控量，要求設(shè)計(jì)一控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)QA以實(shí)現(xiàn)上述比值控制目標(biāo)。第37頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三在現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)過程中，需要將兩種或兩種以上的物料按一定比例混合或進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。一旦比例失調(diào)，會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格，甚至造成生產(chǎn)事故。比如稀硝酸生產(chǎn)中的氧化爐，氨和空氣應(yīng)保持一定的比例，否則將使反應(yīng)不能正常進(jìn)行，而比例超過一定極限將引起爆炸。比值控制的目的，就是為了使幾種物料混合后符合一定比例關(guān)系，使生產(chǎn)能安全正常進(jìn)行。一、比值控制系統(tǒng)的概念第38頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三比值控制系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)。流量比值控制系統(tǒng)：保持兩種或兩種以上物料的流量為一定比例關(guān)系的系統(tǒng)。主物料：在需要保持比值關(guān)系的兩種物料中，必有一種物料處于主導(dǎo)地位，稱為主物料，表征這種物料的參數(shù)稱為主動(dòng)量，用Q1表示。另一種物料按主物料進(jìn)行配比，稱為從物料，表征這種物料的參數(shù)稱為從動(dòng)量，用Q2表示。第39頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三在實(shí)際生產(chǎn)過程中，將生產(chǎn)中主要物料定義為主物料。有時(shí)，將不可控物料作為主物料，用改變可控物料即從物料來實(shí)現(xiàn)它們之間的比值關(guān)系。比值控制就是要實(shí)現(xiàn)副流量Q2與主流量Q1成一定的比值關(guān)系第40頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三一般的流量比值控制問題控制問題：通過操作流體A的流量QA以維持兩流量的比值不變，即QA

/QB

=KAB,即使流體B的流量QB變化。流體B可被稱為主動(dòng)流體，而流體A可稱為被動(dòng)流體。第41頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三二、定比值控制單閉環(huán)比值控制雙閉環(huán)比值控制單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)第42頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三單閉環(huán)比值控制

系統(tǒng)包含一個(gè)閉合回路。對(duì)副流量引入一個(gè)反饋回路，當(dāng)主流量Q1變化時(shí)，其流量信號(hào)經(jīng)測量變送器送到比值器中。比值器按預(yù)先設(shè)置好的比值系數(shù)使輸出成比例變化，并作為副流量控制器的設(shè)定值。實(shí)際上，副流量控制是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，Q2經(jīng)反饋控制自動(dòng)跟隨Q1變化，保持兩流量比值不變。第43頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三單閉環(huán)比值控制，兩物料放入流量比值可以保持一定，但是由于主流量Q1是可變的，所以進(jìn)入的總流量是不固定的。

如何克服？

第44頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三雙閉環(huán)比值控制既能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)流量的比值恒定，又能使進(jìn)入系統(tǒng)的總負(fù)荷平穩(wěn)。第45頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三

主流量也構(gòu)成了閉合回路，由于有兩個(gè)流量閉合回路，可以克服各自的外界干擾，使主、副流量都比較平穩(wěn)，系統(tǒng)的總負(fù)荷也將是平穩(wěn)的。第46頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三小結(jié)一、比值控制系統(tǒng)的概念二、定比值控制第47頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三謝謝！第48頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三第十七講

比值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第49頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三主要內(nèi)容一、變比值控制二、比值控制的實(shí)施三、比值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第50頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三采用比值控制是為了保證流量之間的一定比例，其目的是保證產(chǎn)品質(zhì)量。定比值控制的各種方案只考慮如何來實(shí)現(xiàn)比值關(guān)系，沒有考慮成比例的兩種物料混合或反應(yīng)后最終質(zhì)量是否符合工藝要求。因此，從最終質(zhì)量來看這種定比值控制系統(tǒng)是開環(huán)的。一、變比值控制第51頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三但系統(tǒng)中存在著除流量干擾外的其它干擾（如溫度、壓力等的干擾）時(shí)，原來設(shè)定的比值器就不能保證產(chǎn)品的最終質(zhì)量，需要重新設(shè)置。但是，干擾是隨機(jī)的，干擾的幅度是不相同的，無法用人工的方法修正比值系數(shù)。怎么辦？變比值控制系統(tǒng)：按照某一工藝指標(biāo)自動(dòng)修正流量比值的變化比。第52頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三在穩(wěn)定狀態(tài)下，主、副流量Q1和Q2恒定，它們分別經(jīng)測量變送器送除法器相除，即得到它們的比值，再送往比值控制器。如果表征最終質(zhì)量指標(biāo)的主參數(shù)y也恒定，主控制器輸出信號(hào)穩(wěn)定。比值控制器輸出穩(wěn)定，控制閥開度一定，產(chǎn)品質(zhì)量合格。第53頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)除流量干擾外的其它擾動(dòng)引起主參數(shù)y變化，通過主反饋回路使主控制器輸出變化，修改兩流量的比值設(shè)定值，以保持主參數(shù)穩(wěn)定。對(duì)于進(jìn)入系統(tǒng)的主流量Q1干擾，由于比值控制回路的快速隨動(dòng)跟蹤，使副流量Q2=kQ1相應(yīng)變化，以保持主參數(shù)y穩(wěn)定，它起了靜態(tài)前饋的作用。對(duì)于副流量本身的干擾，通過自身的控制回路克服。第54頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三相乘方案：依據(jù)Q2=kQ1可以對(duì)Q1的測量值乘以比值k，作為Q2流量控制器的設(shè)定值。相除方案：依據(jù)Q2/Q1=k可以將Q2與Q1的測量值相除，，作為比值控制器的測量值。二、比值控制的實(shí)施第55頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三第56頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三三、比值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）主、從動(dòng)量的確定設(shè)計(jì)比值控制系統(tǒng)時(shí)，首先要確定主、從動(dòng)量：在生產(chǎn)過程中起主導(dǎo)作用、可測而不可控、較昂貴的物料流量一般為主動(dòng)量。以主動(dòng)量為準(zhǔn)進(jìn)行配比的物料流量為從動(dòng)量。（2）控制方案的選擇根據(jù)不同的工藝情況、負(fù)荷變化、擾動(dòng)