精餾塔前饋-反饋控制

實(shí)用文案目錄1.前言..........................................................................................................12.總體方案設(shè)計(jì)............................................................................................22.1系統(tǒng)方案的論證.................................................................................................22.1.1單回路控制系統(tǒng)......................................................................................22.1.2方案二：精餾段前饋—反饋控制（以進(jìn)料量為前饋信號(hào)）...........22.1.3方案三：精餾段前饋—反饋控制（以進(jìn)料量為前饋信號(hào)）...........32.1.4方案四：提餾段前饋—反饋控制.........................................................32.2方案的比較........................................................................................................32.3方案的選擇........................................................................................................43.精餾塔前饋-反饋控制系統(tǒng).........................................................................53.1前饋—反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)............................................................................53.1.1被控參數(shù)的選擇.....................................................................................53.1.2控制變量的選擇.....................................................................................53.1.3調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)方式的選擇........................................................63.1.4調(diào)節(jié)器正反作用的選擇.........................................................................63.2精餾塔前饋—反饋控制系統(tǒng)的計(jì)算分析......................................................83.2.1前饋—反饋控制系統(tǒng)的分析................................................................83.2.2前饋—反饋器的模型分析....................................................................93.3前饋-反饋控制系統(tǒng)的工程整定...................................................................143.3.1Kb的整定...........................................................................................143.3.2T1，T2的整定..................................................................................17標(biāo)準(zhǔn)西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書3.3.3調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方法.......................................................................173.3.4本次設(shè)計(jì)中調(diào)節(jié)器參數(shù)整定及結(jié)果..............................................184.MATLAB系統(tǒng)仿真...............................................................................194.1MATLAB的簡(jiǎn)介.............................................................................................194.2Simulink控制系統(tǒng)仿真.................................................................................205.設(shè)計(jì)總結(jié).................................................................................................236.致謝........................................................................................................247.參考資料.................................................................................................19前言精餾是化工、石油化工、煉油生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用極為廣泛的傳質(zhì)傳熱過(guò)程。 精餾的目的是利用混合液中各組分具有不同揮發(fā)度， 將各組分分離并達(dá)到規(guī)定的純度要求。精餾過(guò)程的實(shí)質(zhì)是利用混合物中各組分具有不同的揮發(fā)度， 即同一溫度下各組分的蒸汽分壓不同，使液相中輕組分轉(zhuǎn)移到氣相，氣相中的重組分轉(zhuǎn)移到1西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書液相，實(shí)現(xiàn)組分的分離。精餾過(guò)程通過(guò)精餾塔、再沸器、冷凝器等設(shè)備完成，是實(shí)現(xiàn)混合物組分分離的主要設(shè)備。精餾過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過(guò)程。表現(xiàn)為：過(guò)程變量多，被控變量多，可操縱的變量也多；過(guò)程動(dòng)態(tài)和機(jī)理復(fù)雜，例如，非線性、時(shí)變、關(guān)聯(lián)；控制方案多樣，例如，同一被控變量可以采用不同的控制方案， 控制方案的適應(yīng)面廣等。因此，熟悉工藝過(guò)程和內(nèi)在特性，對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)十分重要。前饋控制是一種預(yù)測(cè)控制，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)的了解，預(yù)測(cè)出下一階段系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。如果與參考值有偏差，那么就提前給出控制信號(hào)，使干擾獲得補(bǔ)償，穩(wěn)定輸出，消除誤差。前饋的缺點(diǎn)是在使用時(shí)需要對(duì)系統(tǒng)有精確的了解，只有了解了系統(tǒng)模型才能有針對(duì)性的給出預(yù)測(cè)補(bǔ)償。但在實(shí)際工程中，并不是所有的干擾都是可測(cè)的，并不是所有的對(duì)象都是可得到精確模型的，而且大多數(shù)控制對(duì)象在運(yùn)行的同時(shí)自身的結(jié)構(gòu)也在發(fā)生變化。所以僅用前饋并不能達(dá)到良好的控制品質(zhì)。這時(shí)就需要加入反饋，反饋的特點(diǎn)是根據(jù)偏差來(lái)決定控制輸入，不管對(duì)象的模型如何，也不管外界的干擾如何，只要有偏差，就根據(jù)偏差進(jìn)行糾正，可以有效的消除穩(wěn)態(tài)誤差。解決前饋不能控制的不可測(cè)干擾。前饋反饋綜合控制在結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)后，可以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。精餾塔的控制目標(biāo)是：在保證產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，是回收率最高、能耗最低，或使總收益最大，或總成本最小。精餾過(guò)程是在一定約束條件下進(jìn)行的。因此，精餾塔的控制要求可從質(zhì)量指標(biāo)、產(chǎn)品產(chǎn)量和能量消耗三方面考慮。2西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書本次設(shè)計(jì)打算采用前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行，通過(guò)與單回路系統(tǒng)仿真運(yùn)行結(jié)果的比較，突出復(fù)合系統(tǒng)的優(yōu)越性?？傮w方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)方案的論證單回路控制系統(tǒng)干擾信號(hào)Gf(s)G02(s)PID G01(s)G02(s)反饋通道圖2.1 單回路系統(tǒng)控制框圖方案一為單回路控制系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中只有一個(gè)測(cè)量元件、一個(gè)控制器、一個(gè)調(diào)節(jié)閥和一個(gè)被控過(guò)程，并只對(duì)一個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行單閉環(huán)反饋控制。方案二：精餾段前饋—反饋控制（以進(jìn)料量為前饋信號(hào)）3西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書圖2.2精餾段前饋—反饋控制 I方案二是精餾塔精餾段溫度為被控變量、 進(jìn)料量為前饋信號(hào)的相乘型前饋—反饋控制系統(tǒng)。方案三：精餾段前饋—反饋控制（以進(jìn)料量為前饋信號(hào)）圖2.3精餾段前饋—反饋控制 II方案三與方案二類似，均為精餾塔精餾段溫度為被控變量，進(jìn)料量為前饋信號(hào)的相乘型前饋—反饋控制系統(tǒng)。4西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書方案四：提餾段前饋—反饋控制圖2.4提餾段前饋—反饋控制方案四是精餾塔提餾段溫度為主被控變量、 再沸器蒸汽流量為副被控變量的串級(jí)控制系統(tǒng)和進(jìn)料量為前饋信號(hào)組成的相乘型前饋—反饋控制系統(tǒng)。2.2方案的比較方案一：采用單回路控制系統(tǒng)，其實(shí)際生產(chǎn)中具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、易于調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)；但對(duì)于動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜、存在多種擾動(dòng)或擾動(dòng)幅度較大、 控制要求較高的系統(tǒng)則難以滿足要求。方案二：采用間接物料平衡控制，該方案優(yōu)點(diǎn)是控制作用及時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，對(duì)克服擾動(dòng)影響有利；該控制方案的缺點(diǎn)是內(nèi)回流受外界溫度影響大， 能量和物料平衡之間關(guān)聯(lián)大。方案三：采用直接物料平衡控制，優(yōu)點(diǎn)是物料和能量平衡之間關(guān)聯(lián)小，內(nèi)回流在環(huán)境溫度變化時(shí)基本不變，產(chǎn)品不合格時(shí)不出料；缺點(diǎn)是控制回路的滯后大，5西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書動(dòng)態(tài)響應(yīng)差。方案四：從前饋原理角度看，反饋信號(hào)來(lái)自提餾段溫度，前饋信號(hào)來(lái)自進(jìn)料流量，反饋信號(hào)和前饋信號(hào)進(jìn)行相乘運(yùn)算， 運(yùn)算結(jié)果作為再沸器加熱蒸汽流量控制器的設(shè)定。從比值控制原理角度看，進(jìn)料流量與加熱蒸汽量應(yīng)保持一定比值關(guān)系，當(dāng)提餾段溫度有偏差時(shí)應(yīng)調(diào)整該比值。2.3方案的選擇在精餾塔的控制過(guò)程中，所需考慮到的影響系統(tǒng)控制的參數(shù)比較多，且該生產(chǎn)過(guò)程所要求的控制質(zhì)量也比較高， 故不能選擇單回路系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)。 再通過(guò)對(duì)三種前饋—反饋復(fù)合控制設(shè)計(jì)系統(tǒng)的比較， 從實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的各種要求上考慮，決定在本次課程設(shè)計(jì)中，選擇方案四進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。6西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書精餾塔前饋-反饋控制系統(tǒng)3.1前饋—反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 被控參數(shù)的選擇生產(chǎn)中希望借助控制系統(tǒng)保持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的參數(shù)稱為被控參數(shù)，也稱為被控變量。被控參數(shù)是控制方案設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)， 對(duì)控制系統(tǒng)能否達(dá)到穩(wěn)定操作、增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、節(jié)能降耗、改善勞動(dòng)條件、保證生產(chǎn)安全等具有決定性意義、關(guān)系到控制方案的成敗。如果被控參數(shù)選擇不當(dāng)，則不管組成什么形式的控制系統(tǒng)，也不管選用多么先進(jìn)的檢測(cè)控制設(shè)備， 均難以達(dá)到預(yù)期的控制效果。精餾塔控制目標(biāo)是兩端的產(chǎn)品質(zhì)量， 直接檢測(cè)產(chǎn)品成分并進(jìn)行控制的方法因成分分析儀表價(jià)格昂貴，維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜，采樣周期較長(zhǎng)，反應(yīng)緩慢，滯后大，可靠性差等原因，而較少采用，絕大多數(shù)精餾塔的控制仍采用間接質(zhì)量指標(biāo)控制。此次設(shè)計(jì)中，從工藝合理性的角度考慮，選擇溫度作為被控參數(shù)；這是因?yàn)樵诰s過(guò)程中，一般都要求塔內(nèi)壓力固定， 只有規(guī)定壓力下，才能保證精餾塔的分離純度和生產(chǎn)效率。塔壓固定，精餾塔各層塔板上壓力穩(wěn)定， 各層塔板上的溫度與組分之間可保持單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。 可見，固定壓力，選擇溫度作為控制產(chǎn)品之類的間接被控參數(shù)在工藝上是合理的。 控制變量的選擇在控制系統(tǒng)中，把用來(lái)克服干擾對(duì)被控參數(shù)的影響，實(shí)現(xiàn)控制作用的變量稱7西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書為控制變量（也稱操縱變量 )。在有些生產(chǎn)過(guò)程中，影響被控參數(shù)的外部變量有幾個(gè)，這些輸入變量中，有些允許控制，有些不允許控制。原則上，在考慮生產(chǎn)過(guò)程特點(diǎn)和產(chǎn)品特點(diǎn)下，要從所允許控制變量中盡可能地選擇一個(gè)對(duì)被控參數(shù)影響顯著、控制性能好的輸入變量作為控制變量。 從控制原理來(lái)的觀點(diǎn)來(lái)看， 從所有允許控制的變量中選出一個(gè)作為控制變量， 需要分析、比較不同的控制通道（控制變量對(duì)被控參數(shù)作用的通道） 和不同的擾動(dòng)通道（擾動(dòng)量對(duì)被控參數(shù)的作用通道）對(duì)系統(tǒng)特性和控制品質(zhì)的影響，作出合理的選擇?；谝陨戏治?，可得出控制變量選取的一般原則：1）控制變量是可控的，2）控制變量一般比其它干擾對(duì)被控參數(shù)的影響靈敏。即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。為此，應(yīng)通過(guò)合理選擇控制變量，使控制通道的放大系數(shù)大、時(shí)間常數(shù)小、純滯后時(shí)間小。3）為使其他干擾對(duì)被控參數(shù)的影響減小、應(yīng)使干擾通道的放大系數(shù)小、時(shí)間常盡可能大。4）被控過(guò)程存在多個(gè)時(shí)間常數(shù)，在選擇設(shè)備時(shí)，應(yīng)盡量使時(shí)間常數(shù)錯(cuò)開、使其中一個(gè)時(shí)間常數(shù)比其他常大很多，同時(shí)注意減小其他時(shí)間常數(shù)。5）在選擇變量時(shí)，除了從提高控制品質(zhì)的角度考慮外，還要考慮工藝的合理性與生產(chǎn)效率及生產(chǎn)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。在此次精餾塔前饋—反饋復(fù)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，被控變量為被塔內(nèi)溫度，而蒸汽流量是干擾參數(shù)。通過(guò)以上分析，可選取物料流量來(lái)作為控制變量， 通過(guò)對(duì)物料流量的控制，來(lái)穩(wěn)定被控變量，從而使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。8Kv﹥0。精餾段出料口控制閥西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)方式的選擇調(diào)節(jié)閥開、關(guān)作用方式的選擇主要以不同生產(chǎn)條件下， 人員安全、生產(chǎn)安全、系統(tǒng)及設(shè)備安全的需要為首要依據(jù)。 當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障、信號(hào)中斷里，閥門處于打開位置危害性小，則應(yīng)選擇氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥；反之，若閥門處于關(guān)閉位置時(shí)危害性小，則應(yīng)選用氣開閥。本次設(shè)計(jì)中，從安全角度考慮，應(yīng)選氣開閥，選氣開可防止蒸汽帶液輸出， 當(dāng)閥體失去壓力作用是，閥應(yīng)處于全閉狀態(tài)。該系統(tǒng)以溫度作被控變量，選用的控制閥理想流量特性為等百分比流量特性。 調(diào)節(jié)器正反作用的選擇調(diào)節(jié)器的選型與調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)有至關(guān)重要的影響，也是過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容之一。 調(diào)節(jié)器的輸出決定于被控參數(shù)的測(cè)量值與設(shè)定值之差，被控參數(shù)的測(cè)量值與設(shè)定值變化， 對(duì)輸出的作用方向是相反的，調(diào)節(jié)器的正反作用的定義是：當(dāng)設(shè)定值不就時(shí)，隨著測(cè)量值的增加，調(diào)節(jié)器的輸出增加，則稱為“正作用”方式；同樣，當(dāng)測(cè)量值不變，設(shè)定值減小時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出增加，稱為“正作用”方式。反之，如果測(cè)量值增加或設(shè)定值減小時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出減小，則稱為“反作用”方式。調(diào)節(jié)器正反作用方式的選擇是在調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)方式確定后進(jìn)行的，其確定原則是使整個(gè)單回路構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)。 若對(duì)控制系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)按照其工作特性，定義一個(gè)表示其性質(zhì)的正（ +），負(fù)（-）符號(hào)，則可根據(jù)組成控制系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的正（+），負(fù)（-）符號(hào)及回路構(gòu)成負(fù)反饋的根本要求，得出調(diào)節(jié)器的“正”9西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書“反”作用的選擇工式。控制系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的正、負(fù)符號(hào)做如下規(guī)定：調(diào)節(jié)閥：氣開式取“+”，氣關(guān)式取負(fù)；被控對(duì)像：若控制變量增加時(shí)，被控參數(shù)隨之增加取“ +”；反之取“-”；變送器：輸出信號(hào)隨被測(cè)變量增加而增大，取“ +”；反之取“-”；調(diào)節(jié)器：測(cè)量輸入增加，調(diào)節(jié)器輸出增大（正作用）時(shí)取“ +”；測(cè)量輸入增加，調(diào)節(jié)器輸出減?。ǚ醋饔茫r(shí)取“ -”；在傳感器、執(zhí)行器的符號(hào)確定的情況下，為了保證單回路控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器的符號(hào)擇應(yīng)滿足單回路各個(gè)環(huán)節(jié)符號(hào)的乘積必須為“ -”，即：調(diào)節(jié)器符號(hào)（+或-）*執(zhí)行器符號(hào)（+或-）*變送器符號(hào)（+或-）*被控過(guò)程符號(hào)（+或-）=“-”若其它三項(xiàng)已知時(shí)，則可以求出調(diào)節(jié)器的符號(hào)了。根據(jù)所求和的符號(hào)則可確定其“正”“反”作用形式。在一般情況下，過(guò)程控制中變送器的符號(hào)都認(rèn)為是“+”，則可以簡(jiǎn)化為：調(diào)節(jié)器符號(hào)（+或-）*執(zhí)行器符號(hào)（+或-）*被控過(guò)程符號(hào)（+或-）=“-”即：調(diào)節(jié)器符號(hào)為被控過(guò)程的符號(hào)與執(zhí)行器符號(hào)乘積的相反值。由此可知，當(dāng)控制閥與被控過(guò)程符號(hào)相同時(shí)，控制器應(yīng)選擇“反作用”方式，反之，則選擇“正作用”方式。在上面已經(jīng)分析了調(diào)節(jié)閥為氣開式，即為“正作用（ +）”方式，而變送器一般為“正作用（+）”方式，而被控過(guò)程的符號(hào)為“ +”——控制變量（物料流量）增大，被控參數(shù)增大，按照上面的公式可知調(diào)節(jié)器應(yīng)選“反作用” 。即當(dāng)被控參數(shù)增大時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)控制的反作用調(diào)節(jié)方式，將控制信號(hào)送到蒸汽調(diào)節(jié)閥上，10西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書調(diào)節(jié)閥門，使得其關(guān)小，從而減小物料流量的送入， 使得塔內(nèi)溫度穩(wěn)定在某一定值，從而使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定。3.2精餾塔前饋—反饋控制系統(tǒng)的計(jì)算分析 前饋—反饋控制系統(tǒng)的分析在精餾塔前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)中，設(shè)定值 X(s)、干擾F(s)對(duì)輸出 Y(s)的共同影響為Y(S)Gc(s)Gv(s)G0(s)Gf(s)Go(s)Gv(s)Gb(s)Gm(s)X(s)F(s)1Gc(s)Gv(s)G0(s)1Gc(s)Gv(s)G0(s)3-1要前饋補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾 Y(s)的完全補(bǔ)償，上式第二項(xiàng)應(yīng)當(dāng)為零，即Gf(s)Go(s)Gv(s)Gb(s)Gm(s)1F(s)0Gc(s)Gv(s)G0(s)3-2即Gf(s)Go(s)Gv(s)Gb(s)Gm(s)03-3從而可得Gf(s)Gb(s)(s)Gm(s)Go(s)Gv3-4從3-1中可知，由于反饋的存在，使干擾F(s)對(duì)輸出的影響要比開環(huán)前饋控制的情況下小[1+Gc(s)Gv(s)G0(s)]倍。在系統(tǒng)的通頻帶內(nèi)，控制通道往往有很大的放大倍數(shù)，即1GcsGvsG0s13-511西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書3-5式表明，本來(lái)經(jīng)過(guò)開環(huán)補(bǔ)償后，干擾 F(s)對(duì)被控參數(shù)的影響已經(jīng)很小，再經(jīng)過(guò)反饋控制進(jìn)一步減小 1+Gc(s)Gv(s)G0(s)]倍，這充分體現(xiàn)了前饋-反饋控制的優(yōu)越性。下面分析復(fù)合系統(tǒng)反饋回路的穩(wěn)定性。復(fù)合系統(tǒng)的特征方程為1Gc(s)Gv(s)G0(s)03-63-6 式表明，復(fù)合控制系統(tǒng)與按偏差控制的單回路控系統(tǒng)的特征方程是一樣的，與前饋控制器Gb(s)和擾動(dòng)環(huán)節(jié)Gm(s)無(wú)關(guān)，有沒(méi)有前饋補(bǔ)償并不影響閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)復(fù)合控制系統(tǒng)時(shí)，可以根據(jù)閉環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行，可暫不考慮前饋控制器的作用，使系統(tǒng)滿足一定的穩(wěn)定性要求和一定的過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)要求；然后，根據(jù)不變性原理設(shè)計(jì)前饋控制器， 進(jìn)一步消除主要干擾對(duì)被參數(shù)的影響；最后，將設(shè)計(jì)的閉環(huán)系統(tǒng)和前饋系統(tǒng)組合起來(lái)， 就得到了需要的復(fù)合控制系統(tǒng)。總得來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于單純的前饋控制或反饋控制， 復(fù)合控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、前饋控制與反饋控制組合使用， 有利于對(duì)主要干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)償和對(duì)其它干擾進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，保證控制精度。2、由于增加了反饋控制回路，降低了對(duì)前饋控制器的精度要求， 有利于簡(jiǎn)化前饋控制器的設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。3、在單純的反饋控制系統(tǒng)中，提高控制精度與系統(tǒng)穩(wěn)定性是一對(duì)矛盾， 往往為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因而在一定程度上解決穩(wěn)定性與控制精度之間的矛盾。12西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 前饋—反饋器的模型分析由于在前饋控制基礎(chǔ)上引入反饋回路構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)時(shí)， 已經(jīng)單獨(dú)設(shè)計(jì)好的前饋控制臺(tái)器可直接使用，并不需要再次設(shè)計(jì)。因此前饋 -反饋復(fù)合控制和前饋控制都可以用一個(gè)通用模型來(lái)表示。按照不變性的條件，求得前饋控制器的傳遞函數(shù)的表達(dá)式，即GbGf(s)(s)Go(s)Gv(s)Gm(s)3-7實(shí)際上，要得到干擾通道特性Gf(s)、控制通道Go(s)的精確數(shù)學(xué)模型非常困難，往往無(wú)法通過(guò)計(jì)算求得準(zhǔn)確的前饋控制模型。 實(shí)踐證明，相當(dāng)數(shù)量的工業(yè)過(guò)程都具有過(guò)阻尼特性，因此，常常將被控制過(guò)程的控制通道和擾動(dòng)通道用一階和二階的容量滯后模型來(lái)近似，必要時(shí)再串聯(lián)一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)， 這樣就為前饋控制器的模型具有了通用性創(chuàng)造了條件。假定控制通道的特性為：G0(s)K01e0sT0s3-8干擾通道的特性為：Gf(s)Kf1efsTfs3-9則前饋控制器的模型可歸結(jié)為如下形式：KfeGf(s)Tfs1Gb(s)KoGo(s)eTos1

sKfTos1eosKoTfs1e

fsT1s1esosKbT2s13-103-10式中：Kb靜態(tài)前饋系數(shù)，Kb=Kf/Ko；T1=To,T2=Tf,分別為控制通道與干擾通道的時(shí)間常數(shù)， 為干擾通道與控制通道純滯后時(shí)間之差， f 0。13西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書當(dāng) f 0時(shí)，上式可以寫成Gb(s)KbT1s1T2s13-11若T1=To=T2=Tf，則可寫成Gb(s)Kb3-12Kb”“KbT1s1KbT1s1es由上可見，常用的前饋控制有“T2s1”“T2s1”型三種。3.3前饋-反饋控制系統(tǒng)的工程整定前饋-反饋控制系統(tǒng)的投動(dòng)方式有兩種方法。其一，前饋和反饋回路分別投運(yùn)，整定后再組合起來(lái)；其二，將反控制部分先投運(yùn)，待整定后，再逐漸加入前饋?zhàn)饔?。在整定前?-反饋控制系統(tǒng)時(shí)，反饋回路的前饋控制部分要分別整定。也就是說(shuō)，當(dāng)整定反饋回路時(shí)，只考慮反饋閉合回路具有適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕量， 而不考慮前饋部分；當(dāng)整定前饋裝置時(shí)，不考慮反饋控制所引起的穩(wěn)定性問(wèn)題。 對(duì)于具體Kb

T1s 1的整定方法，現(xiàn)以常用的前饋裝置“T2s1”為例，介紹如何確定靜態(tài)參數(shù)Kb，動(dòng)態(tài)參數(shù)T1和T2。 Kb的整定靜態(tài)參數(shù)Kb是前饋模型中最基本的參數(shù)，它對(duì)前饋控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)影響很大，首先應(yīng)將它束定好。其整定方法主要有開環(huán)整定和閉環(huán)整定。）開環(huán)整定法14西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書所謂開環(huán)整定法，是在系統(tǒng)作單純的靜態(tài)前饋運(yùn)行下施加干擾， Kb值由小逐步增大時(shí)，址到被子控量回到設(shè)定值，此時(shí)，所對(duì)應(yīng)的Kb值更視為最佳整定值。在進(jìn)行整定時(shí)，應(yīng)力求工況穩(wěn)定，以減小其它擾動(dòng)對(duì)被控量的影響，否則， Kb的整定值將有較大誤差。另外，由于系統(tǒng)是處于單純前饋運(yùn)行狀態(tài)， 在整定過(guò)程中被控量推動(dòng)反饋控制。為了避免由于 Kb過(guò)大而導(dǎo)致被控時(shí)產(chǎn)生太大的偏差、影響生產(chǎn)甚至發(fā)生事故，因此 Kb值應(yīng)由小逐步增大。由于這種方法容易影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，因而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用越來(lái)越少了。）閉環(huán)整定法設(shè)待定的系統(tǒng)原理框圖如圖所示?？梢宰屜到y(tǒng)處于前饋 --反饋動(dòng)行狀態(tài)整定Kb，也可以讓系統(tǒng)處于反饋運(yùn)行狀態(tài)對(duì) Kb進(jìn)行整定?！?前饋—反饋運(yùn)行狀態(tài)整定 Kb閉合圖中開關(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，由小而大地逐步改變 Kb的值，直到獲得滿意的補(bǔ)償過(guò)程。Kb值對(duì)補(bǔ)償過(guò)程的影響如圖 3.2所示，圖中（b)曲線為Kb剛好適當(dāng)。如此時(shí)的Kb值較小，將造成欠補(bǔ)償所示，如圖（ a)所示，若Kb值過(guò)大則造成過(guò)補(bǔ)償，如圖（c)所示。15西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書F(s)Gf(s)G02(s)KKbX(s)+Y(s)++PIDG01(s)G02(s)-圖3.1 Kb閉環(huán)整定系統(tǒng)框圖y

yyot t ta b c圖3.2 Kb值對(duì)補(bǔ)償過(guò)程的影響○2反饋運(yùn)行狀態(tài)整定 Kb打開圖中的開關(guān) K，使系統(tǒng)處于反饋運(yùn)行狀態(tài)。待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，記下干擾變送器的輸出電流 Id0和反饋控制器的輸出穩(wěn)定值 Ic0。然后，對(duì)干擾d施加一增加量△d,待反饋控制系統(tǒng)在△d作用下，衩控量重新回到設(shè)定值時(shí)，重新記一干擾量變送器的輸出 Id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：IcIc0KbId0Id3-11式子3-11的物理含義是十分明顯的。當(dāng)干擾量為△d時(shí)，由反饋控制器產(chǎn)生的校正作用改變了（Ic-Ic0），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的值也必須滿足這一關(guān)系式。16西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書需指出，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，在干擾作用下，無(wú)法消除被控時(shí)量的靜差。同時(shí)，要求工況穩(wěn)定，盡量地減少其他干擾的影響。 T1，T2的整定前饋控制器動(dòng)態(tài)參數(shù)的整定要比靜態(tài)參數(shù)的整定要復(fù)雜的多。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)工定性分析階段。這里僅優(yōu)做原則性的介紹。動(dòng)態(tài)參數(shù)決定了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償程度。當(dāng) T1>T2時(shí)，前饋控制在動(dòng)態(tài)補(bǔ)償過(guò)程中起超前作用；當(dāng)T1<T2時(shí)，起滯后作用；當(dāng) T1=T2時(shí)只有靜態(tài)前饋?zhàn)饔?。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，便可以決定T1、T2的數(shù)值。當(dāng)T1過(guò)大（T2過(guò)?。r(shí)，由于過(guò)補(bǔ)償而使過(guò)渡過(guò)程曲線反向超調(diào)過(guò)高，因此從生產(chǎn)安全角度出發(fā)，前饋控制器的動(dòng)態(tài)參數(shù)束定應(yīng)從欠補(bǔ)償開始，按照過(guò)渡過(guò)程曲線變化的趨勢(shì)， 逐次試湊逼近。也可以在初次試驗(yàn)時(shí)，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，直到獲得平坦的補(bǔ)償過(guò)程曲線為止。 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方法）穩(wěn)定邊界法其要點(diǎn)是將調(diào)節(jié)器設(shè)置成純比例作用， 將系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行并將比例帶由大到小改變，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩為止。 這時(shí)控制系統(tǒng)處于邊界穩(wěn)定狀態(tài)， 記下此狀態(tài)下的比例帶值，即臨界比例帶 K以及振蕩周期TK，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)17西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。）衰減曲線法衰減曲線法是利用比例作用下產(chǎn)生的 4:1衰減振蕩(ψ=0.75)過(guò)程時(shí)的調(diào)節(jié)器比例帶δs及過(guò)程衰減周期Ts，或10:1衰減振蕩(ψ=0.9)過(guò)程時(shí)調(diào)節(jié)器比例帶δs及過(guò)程上升時(shí)間 Tr，據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。）響應(yīng)曲線法相應(yīng)曲線法是在系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)下， 作對(duì)象的階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，根據(jù)記錄下的階躍響應(yīng)曲線求取一組特征參數(shù) 、 (無(wú)自平衡能力對(duì)象)或 、 、 (有自平衡能力對(duì)象)，再據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。）經(jīng)驗(yàn)法通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐，人們總結(jié)了一套參數(shù)整定的經(jīng)驗(yàn)，稱之為經(jīng)驗(yàn)法。經(jīng)驗(yàn)法可以說(shuō)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)試湊的方法， 它首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置一組調(diào)節(jié)器參數(shù)， 然后將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)， 觀察調(diào)節(jié)過(guò)程；如果過(guò)渡過(guò)程不令人滿意，則修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，再作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過(guò)程；反復(fù)上述試驗(yàn)，直到調(diào)節(jié)過(guò)程滿意為止。 本次設(shè)計(jì)中調(diào)節(jié)器參數(shù)整定及結(jié)果本次設(shè)計(jì)中，在進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)整定時(shí)，選用了經(jīng)驗(yàn)法。首先取Kp=1、Ki=0.001、Kd=0.01，再通過(guò)matlab 運(yùn)行仿真，觀察輸出結(jié)果，再通過(guò)結(jié)果進(jìn)行不斷分析，調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù)，再進(jìn)行新的仿真和觀察，用湊試法反復(fù)進(jìn)行調(diào)整，最終得到較好效果的調(diào)節(jié)器參數(shù)如下：Kp=0.0418西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書Ki=0.001Kd=0.054.MATLAB 系統(tǒng)仿真4.1MATLAB 的簡(jiǎn)介MATLAB是一種面向科學(xué)與工程的高級(jí)語(yǔ)言，它集科學(xué)計(jì)算、自動(dòng)控制、信號(hào)處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和圖象處理等學(xué)科的處理功能與一體，具有極高的編程效率。MATLAB是一個(gè)高度集成的系統(tǒng)， MATLAB提供的Simulink 是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，能夠在連續(xù)時(shí)間域、離散時(shí)間域或都兩者的混合時(shí)間域里進(jìn)行建模， 它同樣支持具有多種采樣速率的系統(tǒng)。在過(guò)去幾年里， Simulink 已經(jīng)成為教學(xué)和工業(yè)應(yīng)用中對(duì)動(dòng)態(tài)系19西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書統(tǒng)進(jìn)行建模時(shí)使用有最為廣泛的軟件包。4.2Simulink 控制系統(tǒng)仿真如前所述，前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)仿真主要包括：系統(tǒng)辨識(shí)、控制系統(tǒng)整定和系統(tǒng)仿真等內(nèi)容。其中控制系統(tǒng)整所整定包括前饋系統(tǒng)整定和反饋控制系統(tǒng)整兩部分。本設(shè)計(jì)采用前饋、反饋分別整定法。由題意知對(duì)象干擾通道傳函數(shù)為：4-1傳遞函數(shù)為：4-2所以，靜態(tài)前饋控制器系數(shù)為：程序框圖如下所示，15(8s 1)(10s 1)-2.56PID(5s 1)(10s 1)圖4.1前饋—反饋控制系統(tǒng)方框圖20西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書如圖4.1所示，精餾塔的前饋—反饋系統(tǒng)方框圖，包括了前饋和反饋兩個(gè)通道，在MATLAB中分別仿真單回路和前饋—反饋兩種情況，然后做比較，得出結(jié)論。單回路系統(tǒng)在MATLAB中的仿真框圖和仿真結(jié)果分別如圖 4.2和4.3所示：圖4.2單回路系統(tǒng)框圖圖