提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件

—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系?

7.1串級控制系統(tǒng)?

7.2前饋控制系統(tǒng)?

7.3大時延控制系統(tǒng)上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第1頁目錄第7章提升控制質(zhì)量控制系統(tǒng)7.1

串級控制系統(tǒng)圖7-1所表示為煉油廠管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)。工藝要求被加熱物料出口溫度（即爐出口溫度）保持為某一定值，所以選定爐出口溫度為被控制參數(shù)。a

圖以出口溫度為被控參數(shù)、燃料量為控制參數(shù)組成單回路反饋控制系統(tǒng)b圖以爐膛溫度為被控參數(shù)、燃料量為控制參數(shù)組成單回路反饋控制系統(tǒng)圖7-1

加熱爐溫度控制系統(tǒng)流程圖—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系7.1串級控制系統(tǒng)實例：圖7-1所表示為煉油廠管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)。工藝要求被加熱物料出口溫度（即爐出口溫度）保持為某一定值，所以選定爐出口溫度為被控制參數(shù)。圖7-1加熱爐溫度控制系統(tǒng)流程圖其中，a圖以出口溫度為被控參數(shù)、燃料量為控制參數(shù)組成單回路反饋控制系統(tǒng)b圖以爐膛溫度為被控參數(shù)、燃料量為控制參數(shù)組成單回路反饋控制系統(tǒng)上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第2頁目錄—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系選擇爐出口溫度為主被控參數(shù)，爐膛溫度為中間輔助被控制參數(shù)。采取串級結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，見圖7-2。上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第3頁目錄圖7-2串級溫度控制系統(tǒng)流程圖擾動f2(t)，f3(t)對爐出口溫度影響，主要由爐膛溫度控制器T2C組成控制回路來克服，擾動f1(t)、f(t)對爐出口溫度影響由爐出口溫度控制器T1C組成控制回路來消除。一、串級控制系統(tǒng)組成框圖：圖7-3

串級溫度控制系統(tǒng)框圖結(jié)構(gòu)上形成了兩個閉環(huán)，一個閉環(huán)在里面，稱為副環(huán)或者副回路，在控制過程中起著“粗調(diào)”作用；一個環(huán)在外面，稱為主環(huán)或主回路，用來完成“細(xì)調(diào)”任務(wù)，以最終確保被調(diào)量滿足工藝要求?！^程控制儀表及控制系統(tǒng)—廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系—、串級控制系統(tǒng)組成框圖：圖7-3串級溫度控制系統(tǒng)框圖特點：結(jié)構(gòu)上形成了兩個閉環(huán)，一個閉環(huán)在里面，稱為副環(huán)或者副回路，在控制過程中起著“粗調(diào)”作用；一個環(huán)在外面，稱為主環(huán)或主回路，用來完成“細(xì)調(diào)”任務(wù)，以最終確保被調(diào)量滿足工藝要求。上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第4頁目錄二、串級控制系統(tǒng)特點改進(jìn)過程動態(tài)特征克服二次擾動

系統(tǒng)工作頻率高4.有一定自適應(yīng)能力—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系二、串級控制系統(tǒng)特點上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第5頁目錄改進(jìn)過程動態(tài)特征克服二次擾動系統(tǒng)工作頻率高有一定自適應(yīng)能力三、串級控制系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用應(yīng)用于容量滯后較大過程應(yīng)用于純時延較大過程

應(yīng)用于擾動改變激烈過程應(yīng)用于參數(shù)相互關(guān)聯(lián)過程應(yīng)用于非線性過程—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系三、串級控制系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第6頁目錄應(yīng)用于容量滯后較大過程應(yīng)用于純時延較大過程應(yīng)用于擾動改變激烈過程應(yīng)用于參數(shù)相互關(guān)聯(lián)過程應(yīng)用于非線性過程四、串級控制系統(tǒng)設(shè)計1．主參數(shù)選擇和主回路設(shè)計串級控制系統(tǒng)由主回路和副回路組成。主回路是一個定值控制系統(tǒng)。對于主參數(shù)選擇和主回路

設(shè)計，基本上按照單回路控制系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。凡直接或間接與生產(chǎn)過程運行性能親密相關(guān)并可直接測量工藝參數(shù)，均可選作主參數(shù)。若條件

許可，能夠選取質(zhì)量指標(biāo)作為主參數(shù)，因為它最直接也最有效。不然，應(yīng)選一個與產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)有單值函數(shù)關(guān)系參數(shù)作為主參數(shù)。另外，對于選取主參數(shù)必須含有足夠改變靈敏度，并須符合工藝過程合理性?！^程控制儀表及控制系統(tǒng)—廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系四、串級控制系統(tǒng)設(shè)計上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第7頁目錄1．主參數(shù)選擇和主回路設(shè)計串級控制系統(tǒng)由主回路和副回路組成。主回路是一個定值控制系統(tǒng)。對于主參數(shù)選擇和主回路設(shè)計，基本上按照單回路控制系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。凡直接或間接與生產(chǎn)過程運行性能親密相關(guān)并可直接測量工藝參數(shù)，均可選作主參數(shù)。若條件許可，能夠選取質(zhì)量指標(biāo)作為主參數(shù)，因為它最直接也最有效。不然，應(yīng)選一個與產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)有單值函數(shù)關(guān)系參數(shù)作為主參數(shù)。另外，對于選取主參數(shù)必須含有足夠改變靈敏度，并須符合工藝過程合理性。2．副參數(shù)選擇和副回路設(shè)計（1）副參數(shù)選擇：副參數(shù)選擇應(yīng)使副回路時間常數(shù)小，時延小，控制通道短，這么可使等效過程時間常數(shù)大大減小，從而加緊系統(tǒng)工作頻率，提升響應(yīng)速度，縮短過渡過程時間，改進(jìn)系統(tǒng)控制品質(zhì)。（2）副回路必須包含被控對象主要擾動串級控制系統(tǒng)副回路含有調(diào)整快，抗擾動能力強(qiáng)特點。在設(shè)計串級控制系統(tǒng)時，要充分發(fā)揮這一特點。應(yīng)把主要擾動、并盡可能把其它一些擾動包含在副回路中，以提升主參數(shù)控制精度。

在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，副回路范圍大小，取決于整個過程特征及各種擾動影響。普通應(yīng)使副回路頻率比主回路高得多。廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系

—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—副參數(shù)選擇和副回路設(shè)計副參數(shù)選擇：副參數(shù)選擇應(yīng)使副回路時間常數(shù)小，時延小，控制通道短，這么可使等效過程時間常數(shù)大大減小，從而加緊系統(tǒng)工作頻率，提升響應(yīng)速度，縮短過渡過程時間，改進(jìn)系統(tǒng)控制品質(zhì)。副回路必須包含被控對象主要擾動串級控制系統(tǒng)副回路含有調(diào)整快，抗擾動能力強(qiáng)特點。在設(shè)計串級控制系統(tǒng)時，要充分發(fā)揮這一特點。應(yīng)把主要擾動、并盡可能把其它一些擾動包含在副回路中，以提升主參數(shù)控制精度。在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，副回路范圍大小，取決于整個過程特征及各種擾動影響。普通應(yīng)使副回路頻率比主回路高得多。上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第8頁目錄（3）主、副回路時間常數(shù)適當(dāng)匹配為了保持串級控制系統(tǒng)控制性能，應(yīng)防止副回路進(jìn)入高增益、幅度改變快區(qū)域，即主回路振蕩周期 為（1～3）副振蕩周期即：（4）副回路設(shè)計應(yīng)考慮生產(chǎn)工藝合理性應(yīng)考慮和滿足生產(chǎn)工藝要求，所設(shè)置系統(tǒng)是否會影響到工藝過程正常運行。（5）副回路設(shè)計時應(yīng)同時考慮經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)在副回路設(shè)計時，假如有幾個可供選擇控制方案，則應(yīng)同時

把經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)和控制品質(zhì)要求結(jié)合起來，進(jìn)行分析比較，在滿足系統(tǒng)設(shè)計要求前提下，力爭節(jié)約。—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系主、副回路時間常數(shù)適當(dāng)匹配 串級系統(tǒng)共振現(xiàn)象為了保持串級控制系統(tǒng)控制性能，應(yīng)防止副回路進(jìn)入高增益、幅度改變快區(qū)域，即主回路振蕩周期 為（1～3）副振蕩周期

即：副回路設(shè)計應(yīng)考慮生產(chǎn)工藝合理性應(yīng)考慮和滿足生產(chǎn)工藝要求，所設(shè)置系統(tǒng)是否會影響到工藝過程正常運行。副回路設(shè)計時應(yīng)同時考慮經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)在副回路設(shè)計時，假如有幾個可供選擇控制方案，則應(yīng)同時

把經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)和控制品質(zhì)要求結(jié)合起來，進(jìn)行分析比較，在滿足系統(tǒng)設(shè)計要求前提下，力爭節(jié)約。上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第9頁目錄3．被控制參數(shù)和控制參數(shù)選擇（1）選擇可控性良好參數(shù)作為控制參數(shù)。（2）所選擇控制參數(shù)必須使控制通道有足夠大放大系數(shù)，并應(yīng)確保大于主要擾動通道放大系數(shù)，以實現(xiàn)對主要擾動進(jìn)行有效控制并提升控制質(zhì)量。（3）所選控制參數(shù)必須使控制通道有較高靈敏度，即時間常數(shù)適當(dāng)小一些。（4）選擇控制參數(shù)應(yīng)同時考慮經(jīng)濟(jì)性與工藝上合理性。—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系被控制參數(shù)和控制參數(shù)選擇選擇可控性良好參數(shù)作為控制參數(shù)。所選擇控制參數(shù)必須使控制通道有足夠大放大系數(shù)，并應(yīng)確保大于主要擾動通道放大系數(shù)，以實現(xiàn)對主要擾動進(jìn)行有效控制并提升控制質(zhì)量。所選控制參數(shù)必須使控制通道有較高靈敏度，即時間 常數(shù)適當(dāng)小一些。選擇控制參數(shù)應(yīng)同時考慮經(jīng)濟(jì)性與工藝上合理性。上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第10頁目錄4．主、副控制器控制規(guī)律選擇主控制器起定值控制作用、副控制器起隨動控制作用。主參數(shù)是工藝操作主要指標(biāo)，允許波動范圍很小，普通要求無余差，所以，主調(diào)整器應(yīng)選PI或PID控制規(guī)律。副參數(shù)設(shè)置是為了確保主參數(shù)控制質(zhì)量，能夠允許在一定范圍內(nèi)改變，允許有余差，所以副調(diào)整器只要選P控制規(guī)律就能夠了。普通不引入積分控制規(guī)律或微分控制規(guī)律。—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系4．主、副控制器控制規(guī)律選擇主控制器起定值控制作用、副控制器起隨動控制作用。主參數(shù)是工藝操作主要指標(biāo)，允許波動范圍很小，普通要求無余差，所以，主調(diào)整器應(yīng)選PI或PID控制規(guī)律。副參數(shù)設(shè)置是為了確保主參數(shù)控制質(zhì)量，能夠允許在一定范圍內(nèi)改變，允許有余差，所以副調(diào)整器只要選P控制規(guī)律就能夠了。普通不引入積分控制規(guī)律或微分控制規(guī)律。上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第11頁目錄5．主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式確定表7-1

主副調(diào)整器作用方向—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系5．主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式確定表7-1

主副調(diào)整器作用方向序號主過程K01副過程K02

調(diào)整閥Kv串級控制主控

副調(diào)整器K2

主調(diào)整器K1

主調(diào)整器K11正正氣開（正）正正正2正正氣關(guān)（負(fù)）負(fù)正負(fù)3負(fù)負(fù)氣開（正）負(fù)負(fù)正4負(fù)負(fù)氣關(guān)（負(fù)）正負(fù)負(fù)系統(tǒng)5培訓(xùn)課件

負(fù)上正頁氣開（正）目錄下正頁負(fù)負(fù)提高控制質(zhì)量的控制第12頁五、串級控制系統(tǒng)調(diào)整器參數(shù)整定慣用整定方法有：逐步迫近法、一步整定法、兩步整定法（1）主回路斷開，把副回路作為一個單回路控制系統(tǒng)，并按單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定法，求取副調(diào)整器整定參數(shù)值[W2(s)]1。（2）副調(diào)整器參數(shù)值置于[W2(s)]1數(shù)值上，把主回路閉合，把副回路作為一個等效步驟，這么，主回路又成為一個單回路控制系統(tǒng)。再按單回路整定方法，求取主調(diào)整器整定參數(shù)值[W1(s)]1。（3）主調(diào)整器參數(shù)置于[W1(s)]1上，主回路閉合，再按上述方法求取副調(diào)整器整定參數(shù)值[W2(s)]2。至此，完成了一次迫近循環(huán)。若控制質(zhì)量已到達(dá)工藝要求，整定即告結(jié)束。主、副調(diào)整器整定參數(shù)值分別為[W1(s)]1和[W2(s)]2。不然，將副調(diào)整器參數(shù)置于[W2(s)]2上，再按上述方法求取主調(diào)整器整定參數(shù)值[W1(s)]2。如此循環(huán)下去，逐步迫近，直到滿足質(zhì)量指標(biāo)要求為止?！^程控制儀表及控制系統(tǒng)—廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系五、串級控制系統(tǒng)調(diào)整器參數(shù)整定上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第13頁目錄慣用整定方法有：逐步迫近法、一步整定法、兩步整定法1．逐步迫近法整定步驟：主回路斷開，把副回路作為一個單回路控制系統(tǒng)，并按單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定法，求取副調(diào)整器整定參數(shù)值[W2(s)]1。副調(diào)整器參數(shù)值置于[W2(s)]1數(shù)值上，把主回路閉合，把副回路作為一個等效步驟，這么，主回路又成為一個單回路控制系統(tǒng)。再按單回路整定方法，求取主調(diào)整器整定參數(shù)值[W1(s)]1。主調(diào)整器參數(shù)置于[W1(s)]1上，主回路閉合，再按上述方法求取副調(diào)整器整定參數(shù)值[W2(s)]2。至此，完成了一次迫近循環(huán)。若控制質(zhì)量已到達(dá)工藝要求，整定即告結(jié)束。主、副調(diào)整器整定參數(shù)值分別為[W1(s)]1和[W2(s)]2。不然，將副調(diào)整器參數(shù)置于[W2(s)]2上，再按上述方法求取主調(diào)整器整定參數(shù)值[W1(s)]2。如此循環(huán)下去，逐步迫近，直到滿足質(zhì)量指標(biāo)要求為止。兩步整定法：第一步整定副調(diào)整器參數(shù)，第二步整定主調(diào)整器參數(shù)。（1）在工況穩(wěn)定、主回路閉合，主、副調(diào)整器都在純百分比作用條件下，主調(diào)整器百分比度置于100%，用單回路控制系統(tǒng)衰減（如4：1）曲線法整定，求取副調(diào)整器百分比度δ2s和操作周期T2s。（2）將副調(diào)整器百分比度置于所求得數(shù)值δ2s上，把副回路作為主回路中一個步驟，用一樣方法整定主回路，求取主調(diào)整器比例度δ1s和操作周期T1s。（3）依據(jù)求得δ1s、T1s，δ2s、T2s數(shù)值，按單回路系統(tǒng)衰減曲線法整定公式計算主、副調(diào)整器百分比度δ、積分時間T1和微分時間TD數(shù)值。（4）按先副后主、先百分比后積分最終微分整定程序，設(shè)置主、副調(diào)整器參數(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)量到達(dá)最正確為止。廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系

—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—2．兩步整定法上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第14頁目錄兩步整定法：第一步整定副調(diào)整器參數(shù)，第二步整定主調(diào)整器參數(shù)。整定步驟：在工況穩(wěn)定、主回路閉合，主、副調(diào)整器都在純百分比作用條件下，主調(diào)整器百分比度置于100%，用單回路控制系統(tǒng)衰減（如4：1）曲線法整定，求取副調(diào)整器百分比度δ2s和操作周期T2s。將副調(diào)整器百分比度置于所求得數(shù)值δ2s上，把副回路作為主回路中一個步驟，用一樣方法整定主回路，求取主調(diào)整器比例度δ1s和操作周期T1s。依據(jù)求得δ1s、T1s，δ2s、T2s數(shù)值，按單回路系統(tǒng)衰減曲線法整定公式計算主、副調(diào)整器百分比度δ、積分時間T1和微分時間TD數(shù)值。按先副后主、先百分比后積分最終微分整定程序，設(shè)置主、副調(diào)整器參數(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)量到達(dá)最正確為止。廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系

—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—3．一步整定法一步整定法，就是依據(jù)經(jīng)驗先確定副調(diào)整器參數(shù)，然后按單回路反饋控制系統(tǒng)整定方法整定主調(diào)整器參數(shù)。理論依據(jù)：串級控制系統(tǒng)能夠等價為單回路反饋控制系統(tǒng)，其等效調(diào)整器總放大系數(shù)KC為主調(diào)整器放大系數(shù)

與回路等效放大系數(shù)乘積，即式中，為純百分比作用下，產(chǎn)生4：1衰減比過程總放大系數(shù)。上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第15頁目錄這一關(guān)系式，，或按經(jīng)在確定副調(diào)整器百分比度 時，依據(jù)經(jīng)過副過程放大系數(shù) ，求取副調(diào)整器百分比放大系數(shù)驗選取?！^程控制儀表及控制系統(tǒng)—廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系整定步驟：在生產(chǎn)穩(wěn)定，系統(tǒng)為純百分比作用情況下，由副過程K02確定副調(diào)整器百分比度，并將其設(shè)置在副調(diào)整器上。按照單回路控制系統(tǒng)整定方法，整定主調(diào)整器參數(shù)。觀察控制過程，依據(jù)

與 相互匹配原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)整器參數(shù)，使主參數(shù)品質(zhì)指標(biāo)最正確。在調(diào)整器參數(shù)整定過程中，若出現(xiàn)“共振”，只要加大主、副調(diào)整器中任何一個調(diào)整器參數(shù)，便能夠消除“共振”。若“共振”猛烈，能夠先切換至遙控，待生產(chǎn)穩(wěn)定后，將調(diào)整器參數(shù)置于比產(chǎn)生“共振”時略大數(shù)值上，重新整定調(diào)整器參數(shù)。上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第16頁目錄—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系應(yīng)用舉例上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第17頁目錄例7-1

某工廠在石油裂解氣冷卻系統(tǒng)中，經(jīng)過液態(tài)丙烯氣化來吸收熱量，以保持裂解氣出口溫度穩(wěn)定。組成以出口溫度為主參數(shù)、氣化壓力為副參數(shù)溫度與壓力串級控制系統(tǒng)。采取一步整定法：在本系統(tǒng)中，副參數(shù)為壓力，該參數(shù)反應(yīng)快，滯后小，比例度可選小一些，依據(jù)本例詳細(xì)情況，選取副調(diào)整器百分比度為40%。將副調(diào)整器百分比度δ2置于40%刻度上，按4：1衰減曲線法整定主調(diào)整器參數(shù)，得到δ1s＝30%，TI1＝3min。按4：1衰減曲線法經(jīng)驗公式計算主調(diào)整器參數(shù)，即δ2＝0.8δ1s＝0.8×30%＝24%TI1＝0.3

TI1s=0.3×3=0.9minTd1＝0.1

TI1s=0.1×3=0.3min副調(diào)整器百分比度δ2＝40%。按照“先百分比后積分再微分”程序，將主調(diào)整器參數(shù)置于計算求得數(shù)值上，使系統(tǒng)投入運行，實踐證實，系統(tǒng)主參數(shù)穩(wěn)定，完全滿足工程要求。例7-2

在硝酸生產(chǎn)過程中，有一個氧化爐與氨氣流量串級控制系統(tǒng)，爐溫為主參數(shù)，工藝要求較高，溫度最大偏差不能超出±50C，氨氣流量為副參數(shù)，允許在一定范圍內(nèi)改變，要求不高。采取兩步整定法：（1）在系統(tǒng)設(shè)計時，主調(diào)整器選取PI控制規(guī)律，副調(diào)整器選取P控制規(guī)律，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件下，主、副調(diào)整器均置于純百分比作用，主調(diào)整器百分比度δ置于100%上，用4：1衰減曲線法整定副調(diào)整器參數(shù)，得δ2s＝32%，T2s＝15s。（2）將副調(diào)整器百分比度置于32%上，用相同整定方法，將主調(diào)節(jié)器百分比度由大到小逐步調(diào)整，求得主調(diào)整器δ1s＝50%，T1＝7min。（3）依據(jù)上述求得各參數(shù)，利用4：1衰減曲線法整定計算公式，計算主、副調(diào)整器整定參數(shù)為：主調(diào)整器（溫度調(diào)整器）：百分比度δ1＝1.2×δ1s＝60%積分時間T1＝0.5×T1s＝3.5min副調(diào)整器（流量調(diào)整器）：百分比度δ2＝δ2s＝32%。（4）把上述計算參數(shù)，按先百分比后積分次序，分別設(shè)置在主、副調(diào)整器上，并使串級控制系統(tǒng)在該參數(shù)下運行。廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系

—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—例7-2

在硝酸生產(chǎn)過程中，有一個氧化爐與氨氣流量串級控制系統(tǒng)，爐溫為主參數(shù)，工藝要求較高，溫度最大偏差不能超出±50C，氨氣流量為副參數(shù)，允許在一定范圍內(nèi)改變，要求不高。采取兩步整定法：在系統(tǒng)設(shè)計時，主調(diào)整器選取PI控制規(guī)律，副調(diào)整器選取P控制規(guī)律，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件下，主、副調(diào)整器均置于純百分比作用，主調(diào)整器百分比度δ置于100%上，用4：1衰減曲線法整定副調(diào)整器參數(shù)，得δ2s＝32%，T2s＝15s。將副調(diào)整器百分比度置于32%上，用相同整定方法，將主調(diào)

節(jié)器百分比度由大到小逐步調(diào)整，求得主調(diào)整器δ1s＝50%，T1＝7min。依據(jù)上述求得各參數(shù)，利用4：1衰減曲線法整定計算公式，計算主、副調(diào)整器整定參數(shù)為：主調(diào)整器（溫度調(diào)整器）：百分比度δ1＝1.2×δ1s＝60%積分時間T1＝0.5×T1s＝3.5min副調(diào)整器（流量調(diào)整器）：百分比度δ2＝δ2s＝32%。把上述計算參數(shù)，按先百分比后積分次序，分別設(shè)置在主、副調(diào)整器上，并使串級控制系統(tǒng)在該參數(shù)下運行。上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第18頁目錄7.2

前饋控制系統(tǒng)發(fā)電廠換熱器出口溫度控制反饋控制和前饋控制，如圖7-6所表示。圖7-6

前饋控制與反饋控制a）反饋控制系統(tǒng)

b）前饋控制系統(tǒng)廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系

—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—7.2前饋控制系統(tǒng)一、概述發(fā)電廠換熱器出口溫度控制反饋控制和前饋控制，如圖7-6所表示。圖7-6前饋控制與反饋控制a）反饋控制系統(tǒng) b）前饋控制系統(tǒng)上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第19頁目錄前饋控制系統(tǒng)是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為：＝Wf(s)+

WFF(s)

W0(s)式中，Wf(s)為過程擾動通道傳遞函數(shù)；W0(s)為過程控制通道傳遞函數(shù)；WFF(s)為前饋調(diào)整器傳遞函數(shù)。若適當(dāng)選擇前饋調(diào)整器傳遞函數(shù)WFF(s)，能夠使擾動F(s)對被控參數(shù)Y(s)不產(chǎn)生影響，即實現(xiàn)完全賠償。當(dāng)Q(s)

≠0時，T(s)

=0

即：

Wf(s)+

WFF(s)W0(s)=0可得到前饋調(diào)整器傳遞函數(shù)：WFF(s)決定于過程擾動通道特征Wf(s)和過程控制通道特征W0(s)，式中負(fù)號表示控制作用與擾動作用方向相反。廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系

—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—前饋控制系統(tǒng)是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為：＝Wf(s)+

WFF(s)

W0(s)式中，Wf(s)為過程擾動通道傳遞函數(shù)；W0(s)為過程控制通道傳遞函數(shù)；WFF(s)為前饋調(diào)整器傳遞函數(shù)。若適當(dāng)選擇前饋調(diào)整器傳遞函數(shù)WFF(s)，能夠使擾動F(s)對被控參數(shù)Y(s)不產(chǎn)生影響，即實現(xiàn)完全賠償。當(dāng)Q(s)

≠0時，T(s)

=0 即：

Wf(s)+

WFF(s)

W0(s)=0可得到前饋調(diào)整器傳遞函數(shù)：WFF(s)WFF(s)決定于過程擾動通道特征Wf(s)和過程控制通道特征W0(s)，式中負(fù)號表示控制作用與擾動作用方向相反。上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第20頁目錄（1）前饋控制是一個開環(huán)控制（2）前饋控制是一個按擾動大小進(jìn)行控制（3）前饋調(diào)整器控制規(guī)律是由對象過程特征決定（4）前饋控制只抑制可測而不可控擾動對被控參數(shù)影響前饋控制是降低被控參數(shù)動態(tài)偏差一個最有效方法。

合理控制系統(tǒng)應(yīng)該是把前饋控制和反饋控制結(jié)合起來，組成前饋-反饋控制系統(tǒng)?！^程控制儀表及控制系統(tǒng)—廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系前饋控制特點：前饋控制是一個開環(huán)控制前饋控制是一個按擾動大小進(jìn)行控制前饋調(diào)整器控制規(guī)律是由對象過程特征決定前饋控制只抑制可測而不可控擾動對被控參數(shù)影響前饋控制是降低被控參數(shù)動態(tài)偏差一個最有效方法。合理控制系統(tǒng)應(yīng)該是把前饋控制和反饋控制結(jié)合起來，組成前饋-反饋控制系統(tǒng)。上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第21頁目錄二、前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式1．靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)所謂靜態(tài)前饋控制，是指前饋調(diào)整器輸出量僅僅是其輸入量函數(shù)，與時間因子無關(guān)?？刂埔?guī)律含有百分比特征：其大小可依據(jù)過程擾動通道靜態(tài)放大系數(shù)和過程控制通道靜態(tài)放大系數(shù)來決定。靜態(tài)前饋控制只考慮最終穩(wěn)態(tài)時校正，所以只能使被控參數(shù)最終靜態(tài)偏差靠近或等于零。不考慮因為過程擾動通道時間常數(shù)和控制

通道時間常數(shù)不一樣，在過渡過程中所產(chǎn)生動態(tài)偏差。靜態(tài)前饋控制簡單，普通不需專用前饋調(diào)整器，而用DDZ儀表中百分比調(diào)整器或比值器就能滿足使用要求。在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，尤其當(dāng)過程擾動通道與控制通道時延相差不大時，設(shè)計和應(yīng)用靜態(tài)前饋控制，可取得較高控制精度。—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系二、前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第22頁目錄1．靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)所謂靜態(tài)前饋控制，是指前饋調(diào)整器輸出量僅僅是其輸入量函數(shù)，與時間因子無關(guān)?？刂埔?guī)律含有百分比特征：WFF(s)＝－

＝－KF其大小可依據(jù)過程擾動通道靜態(tài)放大系數(shù)和過程控制通道靜態(tài)放大系數(shù)來決定。靜態(tài)前饋控制只考慮最終穩(wěn)態(tài)時校正，所以只能使被控參數(shù)最終靜態(tài)偏差靠近或等于零。不考慮因為過程擾動通道時間常數(shù)和控制通道時間常數(shù)不一樣，在過渡過程中所產(chǎn)生動態(tài)偏差。靜態(tài)前饋控制簡單，普通不需專用前饋調(diào)整器，而用DDZ儀表中百分比調(diào)整器或比值器就能滿足使用要求。在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，尤其當(dāng)過程擾動通道與控制通道時延相差不大時，設(shè)計和應(yīng)用靜態(tài)前饋控制，可取得較高控制精度。2．動態(tài)前饋控制系統(tǒng)靜態(tài)前饋控制只能確保被控參數(shù)靜態(tài)偏差靠近或等于零，而不能確保被控參數(shù)動態(tài)偏差靠近或等于零。當(dāng)需要嚴(yán)格控

制動態(tài)偏差時，就要采取動態(tài)前饋控制。動態(tài)前饋控制必須依據(jù)過程擾動通道和控制通道動態(tài)特征，采取專用前饋調(diào)整器。因為工業(yè)過程數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，實際上動

態(tài)前饋賠償是有限，常規(guī)儀表難以實現(xiàn)完全賠償。當(dāng)利用計算

機(jī)實現(xiàn)前饋控制時，可隨時辨識過程數(shù)學(xué)模型，及時修正動態(tài)前饋賠償，理論上能實現(xiàn)完全不變性。通常動態(tài)前饋控制與靜態(tài)前饋控制是結(jié)合在一道使用，可

更加好提升其控制品質(zhì)。不過動態(tài)前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，系統(tǒng)運行和參數(shù)整定亦較復(fù)雜，而且需要一套專用控制裝置，

當(dāng)然系統(tǒng)控制品質(zhì)較高。所以，當(dāng)工藝要求控制品質(zhì)很高時，

才使用動態(tài)前饋控制方案。—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系2．動態(tài)前饋控制系統(tǒng)靜態(tài)前饋控制只能確保被控參數(shù)靜態(tài)偏差靠近或等于零，而不能確保被控參數(shù)動態(tài)偏差靠近或等于零。當(dāng)需要嚴(yán)格控制動態(tài)偏差時，就要采取動態(tài)前饋控制。動態(tài)前饋控制必須依據(jù)過程擾動通道和控制通道動態(tài)特征，采取專用前饋調(diào)整器。因為工業(yè)過程數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，實際上動態(tài)前饋賠償是有限，常規(guī)儀表難以實現(xiàn)完全賠償。當(dāng)利用計算機(jī)實現(xiàn)前饋控制時，可隨時辨識過程數(shù)學(xué)模型，及時修正動態(tài)前饋賠償，理論上能實現(xiàn)完全不變性。通常動態(tài)前饋控制與靜態(tài)前饋控制是結(jié)合在一道使用，可更加好提升其控制品質(zhì)。不過動態(tài)前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，系統(tǒng)運行和參數(shù)整定亦較復(fù)雜，而且需要一套專用控制裝置，當(dāng)然系統(tǒng)控制品質(zhì)較高。所以，當(dāng)工藝要求控制品質(zhì)很高時，才使用動態(tài)前饋控制方案。上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第23頁目錄3．前饋－反饋控制系統(tǒng)以換熱器前饋－反饋控制系統(tǒng)為例，如圖7-7圖7-7

換熱器前饋-反饋控制系統(tǒng)a）控制系統(tǒng)流程圖

b）控制系統(tǒng)組成框圖輸入X(s)、F(s)對輸出Y(s)影響為要實現(xiàn)對擾動F(s)完全賠償—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系3．前饋－反饋控制系統(tǒng)以換熱器前饋－反饋控制系統(tǒng)為例，如圖7-7圖7-7換熱器前饋-反饋控制系統(tǒng)a）控制系統(tǒng)流程圖 b）控制系統(tǒng)組成框圖輸入X(s)、F(s)對輸出Y(s)影響為Y(s)＝

X(s)＋

F(s)要實現(xiàn)對擾動F(s)完全賠償WFF(s)＝－上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第24頁目錄4．前饋-串級控制系統(tǒng)對于圖7-7所表示前饋-反饋控制系統(tǒng)增加一個蒸汽流量回路。用前饋調(diào)整器輸出去改變流量回路給定值，從而組成了前饋-串級控制系統(tǒng)，其方框圖見圖7-8所表示。圖7-8

前饋-串級控制系統(tǒng)框圖廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系

—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—4．前饋-串級控制系統(tǒng)對于圖7-7所表示前饋-反饋控制系統(tǒng)增加一個蒸汽流量回路。用前饋調(diào)整器輸出去改變流量回路給定值，從而組成了前饋-串級控制系統(tǒng)，其方框圖見圖7-8所表示。圖7-8前饋-串級控制系統(tǒng)框圖上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第25頁目錄前饋調(diào)整器傳遞函數(shù)為：設(shè)副回路工作頻率高于主回路工作頻率，有：—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系前饋調(diào)整器傳遞函數(shù)為：WFF(s)＝－設(shè)副回路工作頻率高于主回路工作頻率，有：≈1WFF(s)＝－即：上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第26頁目錄三、前饋控制規(guī)律及其實施過程控制通道特征：式中KF＝K2/K1

τ=τ2－τ1—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系三、前饋控制規(guī)律及其實施1．控制規(guī)律過程控制通道特征：W0(s)＝擾動通道特征：Wf(s)＝則前饋調(diào)整器為：上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第27頁目錄WFF(s)＝－==－KF式中

KF＝K2/

K1τ

=

τ2－τ1—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系當(dāng)τ1=τ2時有：WFF(s)＝－KF當(dāng)τ1=τ2，T1=T2時有：WFF(s)＝－KF所以，前饋調(diào)整器模型有三種形式：KF；上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第28頁目錄KF

KF—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系模擬儀表實施型前饋調(diào)整器：WFF(s)＝－這種前饋模型含有百分比特征。KF大小，依據(jù)過程控制通道和擾動通道靜態(tài)放大系數(shù)來決定。應(yīng)用這種模型前饋控制系統(tǒng)稱為靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)。能夠用百分比調(diào)整器等常規(guī)儀表來實現(xiàn)。(2)型前饋調(diào)整器：WFF(s)＝－KF這是一個動態(tài)前饋模型，當(dāng)T1＞T2時，其傳遞函數(shù)表現(xiàn)為微分特征，當(dāng)T1＜T2時，其傳遞函數(shù)表現(xiàn)為時延特征，也稱為反微分特征，見圖7-9。上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第29頁目錄圖7-9微分時延特征曲線圖7-10

微分時延特征實施框圖該動態(tài)前饋模型實現(xiàn)裝置如圖7-10(3)

型前饋調(diào)整器：WFF(s)＝－KF這是一個動態(tài)前饋模型。其特征實際上是百分比特征、動態(tài)微分特性與純時延特征串聯(lián)。此模型實現(xiàn)只要采取在前面介紹實現(xiàn)KF

型模型裝置后面串聯(lián)一個能實現(xiàn)e-τs型模型步驟即可?！^程控制儀表及控制系統(tǒng)—廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系圖7-10微分時延特征實施框圖該動態(tài)前饋模型實現(xiàn)裝置如圖7-10(3) 型前饋調(diào)整器：WFF(s)＝－KF這是一個動態(tài)前饋模型。其特征實際上是百分比特征、動態(tài)微分特性與純時延特征串聯(lián)。此模型實現(xiàn)只要采取在前面介紹實現(xiàn)KF

型模型裝置后面串聯(lián)一個能實現(xiàn)e-τs型模型步驟即可。上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第30頁目錄F(t)與uf(t)分別為前饋調(diào)整器輸入和輸出將式 用微分方程表示為：+

uf(t)

=

－KF在采樣周期Ts足夠短時，將上述方程離散并經(jīng)簡化、整理后可得前饋控制差分算式為：uf(k+1)－a2uf(k)=H[F(k+1－df)－a1F(k－df)]—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系3．?dāng)?shù)字儀表實施F(t)與uf(t)分別為前饋調(diào)整器輸入和輸出將式

－KF

用微分方程表示為：+

uf(t)

=

－KF在采樣周期Ts足夠短時，將上述方程離散并經(jīng)簡化、整理后可得前饋控制差分算式為

：uf(k+1)－a2uf(k)=H[F(k+1－df)－a1F(k－df)]式中：H=－KF上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第31頁目錄；a2＝1－；a1＝1－四、前饋控制系統(tǒng)設(shè)計1．設(shè)計思緒控制方案設(shè)計普通程序為：（1）調(diào)研工藝需求首先熟悉生產(chǎn)工藝過程，充分了解工藝對自動化設(shè)計要求，了解現(xiàn)場工藝設(shè)備，了解生產(chǎn)中可能出現(xiàn)各種影響原因，方便

能發(fā)覺問題和提出問題；（2）設(shè)計方案要對已經(jīng)有自動化方案認(rèn)真地進(jìn)行調(diào)查、分析比較，據(jù)此提出新設(shè)計方案。（3）確定數(shù)學(xué)模型。（4）仿真與模擬試驗。（5）修改完善方案。（6）現(xiàn)場安裝、試車。同時在總體方案設(shè)計時還應(yīng)包含安全保護(hù)、自動檢測、自動開車、停車等內(nèi)容?！^程控制儀表及控制系統(tǒng)—廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系四、前饋控制系統(tǒng)設(shè)計1．設(shè)計思緒控制方案設(shè)計普通程序為：調(diào)研工藝需求首先熟悉生產(chǎn)工藝過程，充分了解工藝對自動化設(shè)計要求，了解現(xiàn)場工藝設(shè)備，了解生產(chǎn)中可能出現(xiàn)各種影響原因，方便能發(fā)覺問題和提出問題；設(shè)計方案要對已經(jīng)有自動化方案認(rèn)真地進(jìn)行調(diào)查、分析比較，據(jù)此提出新設(shè)計方案。確定數(shù)學(xué)模型。仿真與模擬試驗。修改完善方案?，F(xiàn)場安裝、試車。同時在總體方案設(shè)計時還應(yīng)包含安全保護(hù)、自動檢測、自動開車、停車等內(nèi)容。上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第32頁目錄廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系

—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—2．注意原因前饋控制規(guī)律當(dāng)To》Tf時，因為控制通道很靈敏，克服擾動能力強(qiáng)，所以， 普通只要采取反饋控制就可到達(dá)滿意控制質(zhì)量要求，無須采 用前饋控制。當(dāng)To＝Tf時，只要采取靜態(tài)前饋－反饋控制就能夠很好地改進(jìn)控制質(zhì)量。當(dāng)To＞Tf時，可采取動態(tài)前饋－反饋控制來改進(jìn)控制品質(zhì)。－KF4）當(dāng)τf＞τ0時，則前饋調(diào)整器控制規(guī)律應(yīng)修改為:5)當(dāng)τ0＞τf時，不能采取前饋賠償。上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第33頁目錄（2）系統(tǒng)穩(wěn)定性：對任一過程控制系統(tǒng)，能正常運行必要條件是必須穩(wěn)定。因為前饋控制是開環(huán)控制，所以確定控制方案時，必須重視穩(wěn)定性問題。廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系

—過程控制儀表及控制系統(tǒng)—五、前饋控制系統(tǒng)工程整定整定前饋－反饋控制系統(tǒng)時，反饋回路和前饋控制要分別整定。分兩步：（1）整定反饋回路 （2）整定前饋裝置WFF(s)=KF對于前饋裝置傳遞函數(shù)：目標(biāo)：確定靜態(tài)參數(shù)KF和動態(tài)參數(shù)T1、T21.靜態(tài)參數(shù)KF整定KF＝開環(huán)整定法閉環(huán)整定法上頁下頁提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)培訓(xùn)課件第34頁目錄圖7-11閉環(huán)整定法框圖如圖7-11，可采取飛饋系統(tǒng)整定，也可結(jié)合前饋-反饋系統(tǒng)整定。2.

、 值整定由前饋調(diào)整器動態(tài)模型可知，T1、T2是決定動態(tài)賠償程度。當(dāng)T1＞T2時，前饋調(diào)整器在動態(tài)過程中起超前作用；反之，當(dāng)T1＜T2時，則起時延作用。在工程整定時，首先應(yīng)預(yù)計擾動通道和控制通道哪一個時間時延大（或超前大），來決定T1、T2值大小，然后將T1、T2從零開始湊試，直到系統(tǒng)響應(yīng)曲線滿意為止?！^程控制儀表及控制系統(tǒng)—廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣測控系2.

、

值整定由前饋調(diào)整器動態(tài)模型可知，T1、T2是決定動態(tài)賠償程度。當(dāng)T1＞T2時，前饋調(diào)整器在動態(tài)過程中起超前作用；反之，當(dāng)T1＜T2時，則起時延作用。在工程整定時，首先應(yīng)預(yù)計擾動通道和控制通道哪一個時間時延大（或