第六章常用高性能過程控制系統(tǒng)課件

第六章 常用高性能過程控制系統(tǒng)1魏莉weili@機(jī)電工程學(xué)院測控系第一節(jié) 串級控制系統(tǒng)一.串級控制系統(tǒng)的基本概念化學(xué)反應(yīng)釜單回路控制進(jìn)料(F1)出水口出料冷卻水(F2)T1流量調(diào)節(jié)閥夾套TC給定Tr2TT

測溫調(diào)溫調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥夾套釜壁釜溫度測量變送器F2F1Tr-化學(xué)反應(yīng)釜單回路控制進(jìn)料(F1)出水口出料冷卻水(F2)T1流量調(diào)節(jié)閥夾套TC給定Tr3TT

測溫調(diào)溫被控過程有三個熱容:夾套冷卻水,釜壁,物料干擾F1

:進(jìn)料流量,進(jìn)料溫度,進(jìn)料化學(xué)成分干擾F2

:冷卻水溫度,閥前壓力化學(xué)反應(yīng)釜溫度與夾套溫度串級控制F2干擾由T2T測出并及時反饋T

C，T2

1的變化由T1T測出,并與設(shè)定值T1r比較,其結(jié)果作為T

C的給定2值。即兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)在一起工作,各自完成不同任務(wù)。1進(jìn)料(F)出水口出料冷卻水(F2)4T1流量調(diào)節(jié)閥夾套T1r給定T1T

T1CT2T

T2CT2反應(yīng)釜的溫度控制夾套溫度到被控變量的設(shè)備從冷水量到夾套溫度的設(shè)備出口溫度夾套溫度出口溫度冷卻水冷卻水被控對象1被控對象25串級控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上有兩個閉環(huán),其中副環(huán)的輸出直接送往調(diào)節(jié)閥直接控制生產(chǎn)過程,串級控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)多了一個測量變送器和一個調(diào)節(jié)器,增加的儀表不算多,但控制效果卻得到顯著改善串級控制系統(tǒng)是改善控制質(zhì)量的有效方法之一，在過程控制中得到了廣泛地應(yīng)用。串級控制系統(tǒng)框圖主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥副對象主對象副變送器主變送器設(shè)定值副參數(shù)二次擾動 一次擾動主參數(shù)--6二.串級控制系統(tǒng)的控制效果分析GC1(S)GC2(S)GV(S)GO2(S)GO1(S)Gm2(S)Gm1(S)F2(S)-

-X1(S)X2(S)1Y

(S)Y2(S)

F1(S)71.能迅速克服進(jìn)入副回路的干擾,抗干擾能力強(qiáng),控制質(zhì)量高GV(S)GC2(S)GO2(S)Gm2(S)F2(S)-Y2(S)=F2(S)作用下副回路的傳遞函數(shù):G*O2(S)=Y2(S)/F2(S)G

(S)

O2

1+GO2(S)GC2(S)GV(S)Gm2(S)GC1(S)GC2(S)GV(S)G*O2(S)GO1(S)Gm1(S)F1(S)8F2(S)-X1(S)Y1(S)Y2(S)前圖等效為X2(S)Y

(S)

1

=GC1(S)GC2(S)GV(S)G*02(S)G01(S)1+GC1(S)GC2(S)GV(S)G*02(S)G01(S)Gm1(S)號作用

X1(S)1式給定信F2(S)

1

=G*02(S)G01(S)1+GC1(S)GC2(S)GV(S)G*02(S)G01(S)Gm1(S)干擾F2

Y

(S)作用2式GC1(S)GC2(S)GV(S)G*O2(S)GO1(S)Gm1(S)F1(S)9F2(S)-X1(S)X2(S)Y1(S)Y2(S)1式越接近

“1”,系統(tǒng)控制性能越好2式越接近“0”,系統(tǒng)抗干擾能力越強(qiáng)Y1(S)/X1(S)Y1(S)/F2(S)C1=

G

(S)GC2V(S)G

(S)Y1(S)/X1(S)Y1(S)/F2(S)10=KC1KC2KV則(1)GC1(S)=KC1GC2(S)=KC2GV(S)=KV設(shè)GC(S)GV(S)GO2(S)GO1(S)Gm1(S)F1(S)F2(S)-X1(S)如用單回路控制:Y1(S)GC(S)=KCG

(S)=KV

V設(shè)Y1(S)/X1(S)Y1(S)/F2(S)=

K

KC

V(2)則Y1(S)X1(S)=GC(S)GV(S)G02(S)G01(S)1+GC(S)GV(S)G02(S)G01(S)Gm1(S)Y1(S)F2(S)=G02(S)G01(S)1+GC(S)GV(S)G02(S)G01(S)Gm1(S)1

1

Y

(S)/X

(S)Y1(S)/F2(S)=GC(S)GV(S)11Y1(S)/X1(S)Y1(S)/F2(S)=

K

KC

V(2)比較(1)(2)式,一般有KC1KC2＞KC，也就是說,串級控制系統(tǒng)能迅速克服進(jìn)入副回路的二次干擾,大大減小二次干擾對主參數(shù)的影響,副回路也使總放大系數(shù)提高了,提高了信噪比Y1(S)/X1(S)Y1(S)/F2(S)12=KC1KC2KV(1)串級控制單回路控制Y2(S)X2(S)=GC2(S)GV(S)GO2(S)1+GC2(S)GV(S)GO2(S)Gm2(S)02G

(S)

=副 路框圖其傳遞函數(shù)GC2(S)GV(S)GO2(S)Gm2(S)F2(S)13-X2(S)Y2(S)2.改善過程的動態(tài)特性,提高系統(tǒng)的工作頻率G02(S)=K02/(T02S+1),GC2(S)=KC2GV(S)=KV

,Gm2(S)=Km2設(shè)其中’＜＜TT02

02由于副路的存在，改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性，等效過程的時間常數(shù)縮小了1+KC2KVKm2K02倍，對于單容或雙容副被控過程，KC2可取較大數(shù)值，則可使T02

減小為一個很’小數(shù)值，加快副 路響應(yīng)速度,提高整個系統(tǒng)的工作頻率1402

01

m1串級控制系統(tǒng)特征方程

1+GC1(S)G'

(S)G

(S)G (S)=

0則

1+KC1K'

K

K

/(T'

S+1)(T

S+1)=002

01

m1

02

01GC1(S)=KC1Gm1(S)=Km1G01(S)=K01/(T01S+1)G'02(S)如前所得設(shè)S2

+T01+

T02'T02'S

+

1+KC1K'

K

K02

01

m1T01

T01T02'=

0S2+2ζω0S+ω0

=

0201

02T

T

'T01+

T02'

√1-ζ2工作頻率

ω串=ω0√1-ζ2

=2ξ151+GC(S)GV(S)G02(S)G01(S)Gm1(S)=0工作頻率ω單=ω'0√1-ζ'2

=2ξ'√1-ζ'2T01+

T02T

T01

02S2

+T01+

T02T01T02S

+

1+KCKVK02K01Km1T01T02=

0單 路控制系統(tǒng)特征方程代入各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)得如果衰減系數(shù)ζ和ζ'相同，可得：ω串ω單=（T01+

T02'）/

T01T02'（T01+

T02）/

T01T02=1+

T01/T02'1+

T

/T1601

02由于T01/T02'＞＞T01/T02所以ω串＞＞ω單由于生產(chǎn)過程的非線性，在一定的負(fù)荷下，也就是說在確定的工作點(diǎn)情況下，按一定控制質(zhì)量指標(biāo)整定的調(diào)節(jié)器參數(shù)只適應(yīng)于工作點(diǎn)附近的小范圍，若負(fù)荷變化過大超出此范圍，控制質(zhì)量就下降。3.對負(fù)荷和操作條件的變化適應(yīng)性強(qiáng)串級控制系統(tǒng)可以大大提高控制質(zhì)量！17對很多溫度或質(zhì)量指標(biāo)為被控參數(shù)的過程,其容量滯后往往比較大,對控制質(zhì)量要求又比較高,宜采用串級控制系統(tǒng)。三.串級控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍1

應(yīng)用于容量滯后較大的過程如加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)T1CT1T2T

C2T

T燃料T1主副給定18物料為保T1為一定值,選燃料流量為調(diào)節(jié)參數(shù),但爐子時常和容滯大干擾較多,又選時滯較小的爐膛溫度為副參數(shù),構(gòu)成出口溫度對爐膛溫度的的串級控制系統(tǒng),用副回路的快速反應(yīng),有效提高控制質(zhì)量,滿足工藝上的高要求。紡絲膠液壓力與壓力串級控制由于從壓力泵到過濾器前距離較長,膠液粘度又大,純時延較長。為保證P1為250Kpa,在靠近壓力泵出口選一測壓副參數(shù),構(gòu)成壓力與壓力的串級控制系統(tǒng),一般選的副參數(shù)時延要小。混合器壓力泵P1TP2C

P1CP2T膠液冷卻器

冷卻水過濾器給定噴頭主水副192

應(yīng)用于純時延較大的過程鍋爐三沖量液位串級控制LTFTFTLC

FC水蒸汽汽包給定液位∑副回路主回路203

應(yīng)用于干擾變化激烈且幅度大的過程工業(yè)生產(chǎn)過程中，用水和用汽場合很多，蒸汽流量和水壓變化既頻繁激烈又幅度大，汽包容量又小，故汽包液位很重要，常以蒸汽流量和水流量綜合作用作為副回路測量值，同液位一起成串級控制系統(tǒng)，即所謂的三沖量液位串級控制系統(tǒng)。它把多沖量與串級控制結(jié)合起來，比一般三沖量控制系統(tǒng)對液位有更強(qiáng)的控制調(diào)節(jié)能力。串級控制系統(tǒng)的副回路對于進(jìn)入其中的干擾有強(qiáng)的克服能力，所以設(shè)計(jì)時，要將幅度大變化劇烈的干擾包在副回路中，減少對主參數(shù)影響。一線溫度與塔頂溫度串級控制常壓塔T1T塔頂汽油回流給定T2C

T1CT2T副21一線煤油兩個互相關(guān)聯(lián)的參數(shù)需要用同一個介質(zhì)控制，如上常壓塔塔頂出口溫度和一線溫度都由回流量來控制4

應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過程T2TT1T

T1C

T2C混合氣換熱器合成反應(yīng)器溫度串級控制系統(tǒng)225

應(yīng)用于非線性過程換熱器有較大非線性,當(dāng)負(fù)荷或操作條件變化時,要想保持系統(tǒng)原有衰減率不變,必須不斷改變調(diào)節(jié)器的整定參數(shù),顯然不可能,現(xiàn)以反應(yīng)器中部溫度為主被控參數(shù),換熱器出口溫度為副被控參數(shù),在副回路中包括了非線性特性的主要部分,可根據(jù)負(fù)荷和操作條件的變化,自動調(diào)整副調(diào)節(jié)器的給定值,使系統(tǒng)運(yùn)行在新工作點(diǎn),使主被控參數(shù)保持平穩(wěn)。四.串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)231

副回路的設(shè)計(jì)與副參數(shù)的選擇副參數(shù)必須是物理上可測的，副回路的時間常數(shù)不能太大，

調(diào)節(jié)通道盡可能短，時間滯后小副回路應(yīng)包含變化劇烈頻繁幅度大主要干擾,但包含干擾不宜太多PT

TT原料油給定PC

TC燃料油T1T

T1CT2T

T2C原料油燃料油給定24原料油出口溫度與燃油閥后壓力串級控制適合于燃油壓力是主要干擾原料油出口溫度與爐膛溫度串級控制,適用燃料油壓力穩(wěn)定,但粘度成份熱值波動場合(3)副參數(shù)的選擇應(yīng)使主副被控過程的時間常數(shù)適當(dāng)匹配ω串ω單=1+

T01/T02'

1+(1+KC2KVKm2K02)T01/T021+

T01/T02

1+

T01/T02=當(dāng)主副被控過程都用一階慣性環(huán)節(jié)描述,且保證串級與單回路衰減系數(shù)相同時,前已得到:ω串/ω單108642T01/T022

4

6

8

10設(shè)(1+KC2KVKm2K02)=10 作出下圖:由圖可見:串級相對于單回路,其2501

02工作頻率的增長在T

/T較小時較為明顯;另外,若副過程的時間常數(shù)太小,則包含干擾少,要合適一般振蕩頻率ω主/ ω副＞3(4)副參數(shù)的選擇應(yīng)考慮工藝的合理性和經(jīng)濟(jì)性冷卻器

LT出料液態(tài)冷劑氣態(tài)冷劑進(jìn)料LC

TC

TT給定冷卻器

LTLC出料液態(tài)冷劑氣態(tài)冷劑進(jìn)料給定PT

PC

TC

TT26給定冷卻器溫度串級控制兩種方案冷卻液位為副參數(shù)該方案投資少，適用于溫度控制要求不太高的場合冷劑蒸發(fā)壓力為副參數(shù)，投資多,但副回路靈敏度高溫度控制質(zhì)量高2

主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇串級控制中,主副調(diào)節(jié)起作用不同,主調(diào)節(jié)器起定值控制作用,副調(diào)節(jié)器起隨動控制作用,這是選擇調(diào)節(jié)規(guī)律的基本出發(fā)點(diǎn)。主被控參數(shù)是控制的主要指標(biāo),要求無靜差,主調(diào)節(jié)器應(yīng)選PI或PID副被控參數(shù)的設(shè)置是為了保證主參數(shù)的控制質(zhì)量,允許在一定范圍內(nèi)變化,允許有靜差,只要選P控制規(guī)律就可以了,一般不引入I,因I會延長控制過程,減弱其快速作用但選流量為副參數(shù)時,為保持系統(tǒng)穩(wěn)定,比例控制要偏弱,在這種情況下,可以引入I.采用PI控制規(guī)律,增強(qiáng)控制作用副調(diào)節(jié)器不引入D控制,這樣會使調(diào)節(jié)閥動作過大,對控制不利27選

(1)由工藝要求決定調(diào)節(jié)閥的開或關(guān)形式28擇

(2)決定副調(diào)節(jié)器的正或反作用方法(3)由主副參數(shù)關(guān)系決定主調(diào)節(jié)器的正或反作用主副調(diào)節(jié)器正反作用方式的選擇是使整個系統(tǒng)為負(fù)反饋,主通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積的極性必須為正3

主副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定工藝安全:燃料油閥用氣開,KV為正閥開大，爐膛溫度升高,則K02為正為保證副回路為負(fù)反饋,KC2應(yīng)為正即為反作用調(diào)節(jié)器爐膛溫度升高,出口溫度也升高,則K01也為正為保證整個回路為負(fù)反饋

KC1應(yīng)為正,為反作用調(diào)節(jié)器T1CT1TT2CT2T燃料物料T1主副給定29調(diào)節(jié)器正反作用選擇的各種情況表:30序號主對象(K01)副對象(K02)調(diào)節(jié)閥(KV) 主調(diào)節(jié)器(KC1)副調(diào)節(jié)器(KC2)1正正正(氣開)正(反作用)正(反作用)2正正負(fù)(氣關(guān))正(反作用)負(fù)(正作用)3負(fù)負(fù)正(氣開)負(fù)(正作用)負(fù)(正作用)4負(fù)負(fù)負(fù)(氣關(guān))負(fù)(正作用)正(反作用)5負(fù)正正(氣開)負(fù)(正作用)正(反作用)6負(fù)正負(fù)(氣關(guān))負(fù)(正作用)負(fù)(正作用)7正負(fù)正(氣開)正(反作用)負(fù)(正作用)8正負(fù)負(fù)(氣關(guān))正(反作用)正(反作用)串級比單回路控制系統(tǒng)的參數(shù)整定要復(fù)雜,一般盡量加大副調(diào)節(jié)器的增益以提高副環(huán)的工作頻率,使主副工作頻率錯開,減少相互影響。31五.串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定1.

逐步逼近法先不考慮主回路,先整定副調(diào)節(jié)器參數(shù),用任一種單回路方法求得副調(diào)節(jié)器參數(shù)[GC2]1將副回路等效為一個環(huán)節(jié),用任一種單回路方法求得主調(diào)節(jié)器參數(shù)[GC1]1按上述結(jié)果,將主回路閉合,再求取副調(diào)節(jié)器參數(shù)[GC2]2,完成一次循環(huán)觀察系統(tǒng)在[GC1]1和[GC2]2作用下的控制曲線,如不滿足要求,繼續(xù)上述方法,直到獲得控制過程質(zhì)量指標(biāo)的調(diào)節(jié)參數(shù)為止322.兩步整定法工況穩(wěn)定,主副回路閉合情況下,主調(diào)為純比例運(yùn)行,δ1=100%用4:1衰減法整定副調(diào)節(jié)器參數(shù),求得比例度[δ2]和操作周期[T2]將副回路等效為一個環(huán)節(jié),用相同方法求得主調(diào)的[δ1]和操作周期[T1],根據(jù)[δ2],

[T2],

[δ1],[T1]按經(jīng)驗(yàn)公式求主副調(diào)節(jié)器的比例度,積分時間和微分時間,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,必要時調(diào)整參數(shù),此法適于T01/T02在3--10范圍內(nèi),這時主副工作頻率和操作周期相差較大動態(tài)聯(lián)系小，因此，副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定好以后，可把副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，按單回路控制系統(tǒng)的方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)，而不必考慮主調(diào)節(jié)器參數(shù)

變

化

對

副

回

路

的

影

響333

一步整定法根據(jù)副過程的特性或經(jīng)驗(yàn)先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù),然后再按單回路控制系統(tǒng)的方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)在過程特性不變的條件下,主副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)在一定范圍內(nèi)可以任意匹配,在0＜KC

1KC

2≤0.5的條件下,

KC1KC2=KS(為系統(tǒng)在純比例作用下產(chǎn)生4:1衰減過程的

總放大系數(shù),當(dāng)主、副過程的特性一定時,KS為一常數(shù)）(1)純比例作用,由KC1KC2≤0.5確定KC2

,設(shè)置在副調(diào)節(jié)器上

(2)按單回路控制系統(tǒng)的衰減曲線法,整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)

(3)觀察控制過程,根據(jù)KC1和KC2互相匹配的原理,調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù),使主被控參數(shù)滿足工藝要求344

應(yīng)用舉例硝酸生產(chǎn)過程中,有一個氧化爐溫度與氨氣流量的串級控制系統(tǒng),爐溫為主被控參數(shù),要求高;氨氣流量為副參數(shù),允許在一定范圍內(nèi)變化.主調(diào)節(jié)器采用

PI控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器采用P控制規(guī)律，用兩步整定法整定主副調(diào)節(jié)器的參數(shù)35解：（1）在工況穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，主副調(diào)節(jié)器均置于純比例作用主調(diào)節(jié)器的比例度δ1置于100%，用4:1衰減曲線法整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，得δ2S

=32%,T2S=15S將副調(diào)節(jié)器的比例度置于32%，用相同的方法，將主調(diào)節(jié)器的比例度由大到小逐漸調(diào)節(jié)，求得

δ1=50%，T1S=7min由上述求得的參數(shù)，運(yùn)用4：1衰減曲線法計(jì)算公式，計(jì)算出：主調(diào)節(jié)器（溫度調(diào)節(jié)器）：比例度：δ1=1.2δ1S=1.2×50%=60%積分時間：T1=0.5T1S=3.5min副調(diào)節(jié)器（流量調(diào)節(jié)器）：比例度：δ2=δ2S=32%361、主、副控制器手動位置，主控制器內(nèi)給定、副控制器外給定，正反作用正確，PID參數(shù)正確2、副控制器手動操作3、通過副參數(shù)的變化，使主參數(shù)接近給定值，而副參數(shù)變化也比較平穩(wěn)4、調(diào)節(jié)主控制器手操輸出，使副控制器的偏差為零5、分別將副、主控制器切入自動37投運(yùn)步驟第二節(jié) 前饋控制系統(tǒng)反饋控制的局限性理想的過程控制要求被控參數(shù)在過程特性呈現(xiàn)大的容量滯后和大的純滯后和多干擾的情況下，持續(xù)保持在工藝要求的數(shù)值上，但反饋控制永遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)這種理想控制，因?yàn)檎{(diào)節(jié)器只有在輸入被控參數(shù)與給定值之差后才發(fā)出控制指令，即系統(tǒng)在控制過程中必存在偏差，有缺點(diǎn)一.前饋控制的基本概念反饋亡羊補(bǔ)牢偏差38前饋控制又稱干擾補(bǔ)償,是按照引起被控參數(shù)變化的干擾大小進(jìn)行控制的,當(dāng)干擾剛出現(xiàn)又能測量出時,調(diào)節(jié)器就發(fā)出調(diào)節(jié)信號使調(diào)節(jié)參數(shù)作響應(yīng)變化,二者相互抵消于被控參數(shù)發(fā)生偏差之前,也就是說,前饋調(diào)節(jié)對干擾克服比反饋調(diào)節(jié)要快前饋防患于未然干擾39FTQ40蒸汽TC

反饋控制TT前饋控制FC熱物料冷凝水引起出口溫度變化的干擾有冷物料的流量與初溫,蒸汽壓力等,但最主要的是流量Q在Q發(fā)生變化時,反饋控制:待T變化后開始動作調(diào)節(jié)閥改變流量,經(jīng)換熱器的慣性使出口溫度變化,反映出調(diào)節(jié)效果使出口溫度產(chǎn)生較大的動態(tài)偏差前饋控制:直接根據(jù)冷物料流

量的變化由一個前饋調(diào)節(jié)器FC立即控制調(diào)節(jié)閥,在出口溫度未變化前,及時對Q的干擾進(jìn)行補(bǔ)償,構(gòu)成前饋控制前饋控制系統(tǒng)框圖干擾F(S)到被控量Y(S)有兩個通道:干擾通道GF(S)產(chǎn)生干擾作用,和經(jīng)測量儀表GH(S)及前饋控制器GB(S)產(chǎn)生控制作用,對輸出的作用相反GB(S)G0(S)GF(S)F(S)Y(S)GH(S)F(S)F

B

0Y(S)

=

G

(S)+G

(S)G

(S)若GB(S)選得合適,就可以做到F(S)對Y(S)不產(chǎn)生影響由上式得到完全不變性的條件為:GF(S)+GB(S)G0(S)=0B即

G

(S)=

-GF(S)G0(S)41特點(diǎn)42前饋控制是開環(huán)控制,因被控參數(shù)的數(shù)值沒有反饋,得不到檢驗(yàn)前饋控制是一種按干擾大小進(jìn)行補(bǔ)償?shù)目刂品椒?即將干擾的大小通過前饋控制器和控制通道的作用及時有效的抑制干擾對被控參數(shù)的影響,不同于反饋控制,要等被控參數(shù)產(chǎn)生偏差后才進(jìn)行控制前饋控制的調(diào)節(jié)規(guī)律與常規(guī)PID調(diào)節(jié)規(guī)律不同,是由過程特性決定的,所以,它是一個專用控制器,不同的過程特性,調(diào)節(jié)規(guī)律不同前饋控制只能抑制可測不可控的干擾對被控參數(shù)的影響,如干擾是不可測的,就不能進(jìn)行前饋控制;如干擾是可測且可控的,只要設(shè)計(jì)一個定值控制系統(tǒng)就可以了二.前饋控制的特點(diǎn)及局限性局限性43前饋控制是減少被控參數(shù)動態(tài)偏差的一種有效方法,但實(shí)際上做不到對干擾的完全補(bǔ)償,原因有下面幾條:在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中,引起被控參數(shù)變化的干擾很多,不可能對每一個干擾使用一套獨(dú)立的前饋控制器對不可測的干擾無法進(jìn)行前饋控制GF(S)和G0(S)決定前饋控制器的調(diào)節(jié)規(guī)律,但GF(S)和G0(S)的精確值很難得到且很難實(shí)現(xiàn)一般情況下,為了獲得滿意的控制效果,常把前饋控制和反饋控制結(jié)合起來,組成前饋--反饋復(fù)合控制系統(tǒng),一方面前饋控制有效減少干擾對被控參數(shù)的動態(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,保證系統(tǒng)有較高的控制精度1

靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)前饋控制器調(diào)節(jié)規(guī)律為比例特性,GB(0)=-GF(0)/G0(0)=-KB其大小由干擾通道和控制通道的靜態(tài)放大系數(shù)決定靜態(tài)前饋控制的控制目標(biāo)是使被控參數(shù)最終的靜態(tài)偏差接近或等于零,而不考慮由于兩個通道時間常數(shù)的不同而引起的動態(tài)偏差靜態(tài)前饋控制比較簡單,不需要專用控制器,用DDZ儀表的比例調(diào)節(jié)器或比值器就可,在實(shí)際的生產(chǎn)過程中,若兩個通道時間常數(shù)相差不大,就可用靜態(tài)前饋控制,可獲得較高的控制精度44三.前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式靜態(tài)前饋換熱器控制系統(tǒng)例子FTFC冷凝水熱物料蒸汽前饋控制Q冷物料穩(wěn)態(tài)能量平衡關(guān)系:0

0

f

P

2

1Q

H

= Q

C

(T

-T

)Q0:熱蒸汽流量H0:蒸汽汽化潛熱

Qf:冷物料流量

CP:冷物料比熱T1T2:冷熱物料溫度2

1Q0

H0T

=T

+Qf

CP設(shè)T1不變45則控制通道的靜態(tài)放大系數(shù)為:K

0=d

TH=

0

2d

Q0

Qf

CP干擾通道的靜態(tài)放大系數(shù)為:Kf

==

-Q

H

2d

Qf

0

0

Qf-2CP=d

T

T

-T

2

1QfKB

=

-

Kf/K0

=C

(T

-T

)

P

2

1H0比例即可2

動態(tài)前饋控制系統(tǒng)46靜態(tài)前饋控制只能保證被控參數(shù)的靜態(tài)偏差接近或等于零,不能保證動態(tài)偏差接近或等于零,如需嚴(yán)格控制動態(tài)偏差,要用動態(tài)前饋控制動態(tài)前饋控制要根據(jù)過程干擾通道和控制通道的動態(tài)特性,采用專用控制器,GB(S)=-Gf(S)/G0(S)但Gf(S)和G0(S)的精確模型較難得到或較難實(shí)現(xiàn),一般動態(tài)前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,要求控制質(zhì)量很高時才使用3

前饋--反饋復(fù)合控制.FTTCTTFC

∑蒸汽冷物料熱物料給定換熱器示意圖GB(S)GF(S)GC(S)G0(S)Gm(S)F(S)X(S)Y(S)-前饋--反饋控制框圖由熱物料的溫度T和冷物料的流量Q綜合決定閥的開度Y(S)

=GC(S)

G0(S)1+

GC(S)

G0(S)1+

GC(S)

G0(S)47X(S)+

GF(S)+

GB(S)G0(S)

F(S)設(shè)Gm(S)=1,在F(S)作用下的框圖如右Y(S)

=GC(S)

G0(S)1+

GC(S)

G0(S)1+

GC(S)

G0(S)X(S)+

GF(S)+

GB(S)G0(S)

F(S)若實(shí)現(xiàn)完全對干擾補(bǔ)償則上式第二項(xiàng)為零,即GF(S)+

GB(S)G0(S)=0 或GB(S)=

-

GF(S)/G0(S)由上式可見，前饋--反饋復(fù)合控制系統(tǒng)對干擾F（S）完全補(bǔ)償?shù)臈l件與開環(huán)前饋控制相同，但F（S）對輸出的影響小1+

GC(S)

G0(S)倍，體現(xiàn)了前饋--反饋控制的優(yōu)越性GB(S)GF(S)GC(S)G0(S)F(S)Y(S)-48復(fù)合控制系統(tǒng)的特征方程式：1+

GC(S)

G0(S)=049系統(tǒng)的特征方程只與GC(S)和 G0(S)有關(guān)，與GB（S）無關(guān)，也就是說與前饋控制器無關(guān)，說明加與不加前饋控制器

不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，可以先根據(jù)閉環(huán)

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行，而暫不考慮前饋控制器的作

用，使系統(tǒng)滿足穩(wěn)定性要求和一定的過渡過程品質(zhì)要求。當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)確定后，再根據(jù)不變性原理設(shè)計(jì)前饋控制器1

前饋控制系統(tǒng)的選用原則當(dāng)系統(tǒng)的干擾變化頻率高，幅度大，可測而不可控，可引入前饋控制在控制通道的滯后比較大，時間常數(shù)比干擾通道的時間常數(shù)大，反饋又不及時時，可引入前饋控制主要干擾無法用串級控制使其包含在副回路或副回路滯后較大時，可引入前饋控制經(jīng)濟(jì)性原則：一般地說，寧選靜態(tài)前饋，不選動態(tài)前饋50四.前饋控制系統(tǒng)選用原則及應(yīng)用實(shí)例2

前饋控制系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用實(shí)例（1）葡萄糖濃度前饋--反饋控制系統(tǒng)蒸發(fā)：借加熱作用使溶液濃縮或溶質(zhì)析出的物理操作過程，下面一例為葡萄糖生產(chǎn)過程中蒸發(fā)器濃度控制系統(tǒng)的例子由蒸發(fā)工藝知：在壓力一定下，溶液濃度同溶液沸點(diǎn)與水的沸點(diǎn)之差有單值對應(yīng)關(guān)系影響葡萄糖濃度主要因素：進(jìn)料濃度溫度流量，加熱蒸汽壓力流量。構(gòu)成以加熱蒸汽流量為前

饋信號，以溫差為被控參數(shù)，進(jìn)料溶液為控制

參數(shù)前饋--反饋控制系統(tǒng)51TT∑FTFCTT升降膜式蒸

發(fā)

器TC∑汽體50%液體5273%液體蒸汽濃縮液汽液分離

器冷凝水（2）鍋爐給水控制系統(tǒng)汽包水位是主要工藝指標(biāo)水位過高，汽中帶水，易損壞汽輪機(jī)葉片，降低蒸汽產(chǎn)量；水位過低，燒干鍋爐，要嚴(yán)格控制水位鍋爐的蒸汽流量和給水流量是主要干擾，蒸汽流量隨用戶而變不可控，給水流量可作為控制參數(shù)LT

LC

FTFTFC∑

KB給水Q蒸汽汽包給定53虛假水位：蒸汽用量突增時，汽包壓力突降，沸騰加劇，汽化加速，汽泡量突增，形成水位升高的假象蒸汽用量突降時，汽包壓力突升，沸騰暫停，汽化減緩，汽泡量突降，形成水位下降的假象54一般用蒸汽流量為前饋信號，汽包水位（主）和給水流量（副）串級，構(gòu)成前饋--反饋串級控制系統(tǒng)GC1(S)GC2(S)GV(S)55GO2(S)GO1(S)Gm2(S)Gm1(S)GB(S)GF(S)--X(S)F1(S)蒸汽流量變化給水流量測量水流量變化F2(S)Y(S)液位測量鍋爐控制系統(tǒng)框圖第三節(jié) 大時延過程的補(bǔ)償控制系統(tǒng)56一.概述一般情況下,一個過程的動態(tài)特性,既有純時延τ又有慣性時間常數(shù)T通常用τ/T的比值衡量純時延的大小若τ/T＜0.3若τ/T＞0.3為一般純時延過程為大純時延過程大純時延過程是公認(rèn)的較難控制的過程,主要原因:

1.控制作用的依據(jù)--測量信號提供不及時干擾作用不能及時發(fā)現(xiàn)純時延的增加引起開環(huán)相頻特性相角滯后的增大開環(huán)頻率特性包圍(-1,j0)點(diǎn)的可能性也增大,使閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度