提高控制品質(zhì)的控制系統(tǒng)

單回路控制系統(tǒng)回顧圖單回路控制系統(tǒng)框圖調(diào)節(jié)器執(zhí)行器被控對(duì)象檢測(cè)變送器結(jié)構(gòu)和特性：?jiǎn)位芈?、?fù)反饋、應(yīng)用較廣泛。適用于時(shí)間常數(shù)較小，負(fù)荷變化小的對(duì)象。

但是，在某些被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性比較復(fù)雜

或者控制任務(wù)比較特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)就顯得力不從心。目前一頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)所謂復(fù)雜，乃是相對(duì)簡(jiǎn)單而言的。一般來(lái)說(shuō)，凡是結(jié)構(gòu)上比單回路控制系統(tǒng)更為復(fù)雜或控制目的上較為特殊的控制系統(tǒng)都可以稱(chēng)為復(fù)雜控制系統(tǒng)。由于在這些系統(tǒng)中，通常包含有兩個(gè)以上的變送器、控制器或者執(zhí)行器，構(gòu)成的回路數(shù)也多于一個(gè)，所以，復(fù)雜控制系統(tǒng)又稱(chēng)為多回路控制系統(tǒng)。顯然，這類(lèi)系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、參數(shù)整定與投運(yùn)比簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)要復(fù)雜一些。常見(jiàn)的復(fù)雜控制系統(tǒng)有串級(jí)、前饋、大時(shí)延、比值、均勻、分程、選擇等控制系統(tǒng)。復(fù)雜控制系統(tǒng)目前二頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)第8章

提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)8.1串級(jí)控制系統(tǒng)8.2前饋控制系統(tǒng)8.3大時(shí)延控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性比較復(fù)雜第9章

滿(mǎn)足特定要求的過(guò)程控制系統(tǒng)9.1比值控制系統(tǒng)9.2均勻控制系統(tǒng)9.3分程控制系統(tǒng)9.4選擇控制系統(tǒng)控制任務(wù)比較特殊目前三頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)8.1串級(jí)控制系統(tǒng)8.2前饋控制系統(tǒng)8.3大時(shí)延控制系統(tǒng)第8章提高控制品質(zhì)的控制系統(tǒng)目前四頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)第8章提高控制品質(zhì)的控制系統(tǒng)8.1串級(jí)控制系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中有很多容量滯后比較大（T0）的對(duì)象，由于控制變量的變化要經(jīng)過(guò)一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間才能對(duì)被控變量起作用，這樣明顯造成控制作用不及時(shí)，使系統(tǒng)控制變差。當(dāng)對(duì)象的容量滯后較大，負(fù)荷或干擾變化比較劇烈、比較頻繁，或是工藝對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量提出的要求很高，此時(shí)，采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足要求，可以采用串級(jí)控制系統(tǒng)。目前五頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)8.1.1基本概念1.串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)煉油廠常用的設(shè)備中有一種叫管式加熱爐,工藝要求被加熱原料在爐的出口溫度保持恒定。第8章提高控制品質(zhì)的控制系統(tǒng)8.1串級(jí)控制系統(tǒng)影響物料出口溫度的干擾：（1）原料油流量與初溫f1(t)（2）燃油壓力、流量、熱值f2(t)（3）煙囪抽力變化f3(t)（4）環(huán)境溫度等f(wàn)4(t)空氣目前六頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)單回路設(shè)計(jì)方案1：

出口溫度為被控參數(shù)，燃料量為控制參數(shù)。T1CT1T第8章提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)8.1串級(jí)控制系統(tǒng)8.1.1基本概念1.串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)9分鐘45分鐘結(jié)論：1.結(jié)構(gòu)上合理；2.實(shí)際控制質(zhì)量

很差。爐目前七頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)第8章提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)8.1串級(jí)控制系統(tǒng)8.1.1基本概念1.串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單回路設(shè)計(jì)方案2：

爐膛溫度為被控參數(shù)，燃料量為控制參數(shù)。T1CT1T結(jié)論：1.能及時(shí)克服

f2(t)、f3(t)

；2.不能克服f1(t)、

f4(t)

。爐目前八頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)第8章提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)8.1串級(jí)控制系統(tǒng)8.1.1基本概念1.串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜設(shè)計(jì)方案3：

出口溫度Y1(s)為主被控參數(shù)，爐膛溫度Y2(s)為副被控參數(shù)，燃料量為控制參數(shù)。串級(jí)控制系統(tǒng)目前九頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)第8章提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)8.1串級(jí)控制系統(tǒng)8.1.1基本概念1.串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主被控參數(shù)Y1(s)

：主要控制目標(biāo)，工藝要求副被控參數(shù)Y2(s)

：被控對(duì)象引出的中間變量副對(duì)象：副被控參數(shù)與控制參數(shù)之間的通道特性主對(duì)象：主被控參數(shù)與副被控參數(shù)之間的通道特性副控制器：接受副變量的偏差，其輸出控制閥門(mén)主控制器：接受主變量的偏差，其輸出是副控制器的給定值所以，主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，副回路則是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。目前十頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)第8章提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)8.1串級(jí)控制系統(tǒng)8.1.1基本概念1.串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)副回路（副環(huán)）：由副變量檢測(cè)變送器、副控制器、調(diào)節(jié)閥、副對(duì)象組成的回路。處在串級(jí)控制系統(tǒng)內(nèi)部的，在控制過(guò)程中起著“粗調(diào)”的作用。主回路（主環(huán)）：由副回路、主控制器、主對(duì)象、主變量檢測(cè)變送器組成的回路，在控制系統(tǒng)中起著“細(xì)調(diào)”的作用。一次干擾：進(jìn)入主回路的干擾二次干擾：進(jìn)入副回路的干擾目前十一頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)目前十二頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)控制閥出口溫度燃料油原料油溫度測(cè)量值溫度變送器溫度設(shè)定值流量測(cè)量值流量變送器控制量第8章提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)8.1串級(jí)控制系統(tǒng)8.1.1基本概念1.串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)另一種方案目前十三頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)第8章提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)8.1串級(jí)控制系統(tǒng)8.1.1基本概念2.串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程+-++++-1）只有二次擾動(dòng)2）只有一次擾動(dòng)3）一、二次擾動(dòng)均有①使主副參數(shù)同向變化②使主副參數(shù)異向變化目前十四頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)加熱爐串級(jí)控制系統(tǒng)工作過(guò)程目前十五頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)目前十六頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)

第8章提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)8.1串級(jí)控制系統(tǒng)8.1.2串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)1.改善過(guò)程動(dòng)態(tài)特性目前十七頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)

靜態(tài)放大系數(shù)時(shí)間常數(shù)改善過(guò)程動(dòng)態(tài)特性8.1串級(jí)控制系統(tǒng)8.1.2串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)式中：設(shè)上式中：代入，得：目前十八頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)

其等效系統(tǒng)與單回路系統(tǒng)相比：取代改善過(guò)程動(dòng)態(tài)特性8.1串級(jí)控制系統(tǒng)8.1.2串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)從理論上可以證明，由于副回路的存在，可以使等效對(duì)象的時(shí)間常數(shù)大大減?。ㄖ虚g大小的時(shí)間，相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)起超前作用的微分環(huán)節(jié)）因而使得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快，控制更加及時(shí)，最大動(dòng)態(tài)偏差得到減?。慌c此同時(shí)，等效對(duì)象時(shí)間常數(shù)的縮短，還使系統(tǒng)的工作頻率得到提高，這就縮短了振蕩周期，減少了過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間。即便是干擾作用于主對(duì)象，串級(jí)控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量也將比單回路控制系統(tǒng)有所改善。目前十九頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)副回路的引入，使整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率有提高代入（8.5）圖8.7可得串級(jí)系統(tǒng)的特征方程為：（8.5）（8.7）令：特征方程式（8.7）可寫(xiě)成標(biāo)準(zhǔn)形式：

（8.8）8.1串級(jí)控制系統(tǒng)8.1.2串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)2.系統(tǒng)工作頻率提高目前二十頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)

（8.9）特征根為：

系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，振蕩頻率為：（8.10）8.1串級(jí)控制系統(tǒng)8.1.2串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)2.系統(tǒng)工作頻率提高21目前二十一頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)單回路特征方程：（8.11）特征方程標(biāo)準(zhǔn)形式：同理可得單回路系統(tǒng)振蕩頻率為：（8.15）8.1串級(jí)控制系統(tǒng)8.1.2串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)2.系統(tǒng)工作頻率提高22目前二十二頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)若使串級(jí)控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)具有相同的衰減率，即：（8.16）工作頻率提高，控制品質(zhì)改善。串級(jí)系統(tǒng)：?jiǎn)位芈废到y(tǒng)：8.1串級(jí)控制系統(tǒng)8.1.2串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)2.系統(tǒng)工作頻率提高23目前二十三頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)（8.17）進(jìn)入副回路的干擾F3(s)與副回路輸出Θ2(s)之間的傳遞函數(shù)記為G*o2(s):系統(tǒng)輸入X1(s)與被控參數(shù)Θ1(s)之間的傳遞函數(shù)記為:干擾F3(s)與被控參數(shù)Θ1(s)之間的傳遞函數(shù)記為:（8.19）（8.18）8.1串級(jí)控制系統(tǒng)8.1.2串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)3.對(duì)二次擾動(dòng)有很強(qiáng)的克服能力24目前二十四頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)系統(tǒng)輸入X1(s)與被控參數(shù)Θ1(s)之間的傳遞函數(shù)記為:干擾F3(s)與被控參數(shù)Θ1(s)之間的傳遞函數(shù)記為:（8.19）（8.18）串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)F3(s)抗干擾能力Jc3表示為:（8.21）8.1串級(jí)控制系統(tǒng)8.1.2串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)3.對(duì)二次擾動(dòng)有很強(qiáng)的克服能力25目前二十五頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)系統(tǒng)輸入X1(s)與被控參數(shù)Θ1(s)之間的傳遞函數(shù)記為:干擾F3(s)與被控參數(shù)Θ1(s)之間的傳遞函數(shù)記為:（8.25）單回路控制系統(tǒng)對(duì)F3(s)抗干擾能力Jk3表示為:圖8.12中單回路系統(tǒng)：8.1串級(jí)控制系統(tǒng)8.1.2串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)3.對(duì)二次擾動(dòng)有很強(qiáng)的克服能力26目前二十六頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)（8.25）由式（8.21）、（8.25）可得串級(jí)系統(tǒng)與單回路系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入副回路干擾F3(s)的抗干擾能力之比:（8.21）一般情況下，總有：Kc1Kc2>>K*c18.1串級(jí)控制系統(tǒng)8.1.2串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)3.對(duì)二次擾動(dòng)有很強(qiáng)的克服能力27目前二十七頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)8.1串級(jí)控制系統(tǒng)8.1.2串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)4.對(duì)負(fù)荷變化有一定的自適應(yīng)能力（1）單回路控制系統(tǒng)中控制器參數(shù)是在一定的負(fù)荷和操作條件下，按某種質(zhì)量指標(biāo)整定得到的，固定不變。而過(guò)程控制中的對(duì)象特性會(huì)隨著生產(chǎn)負(fù)荷和操作條件的改變而發(fā)生變化。控制器參數(shù)只能在一個(gè)較小的工作范圍內(nèi)與對(duì)象特性相匹配，如果負(fù)荷和操作條件變化過(guò)大，超出了這個(gè)適應(yīng)范圍，控制質(zhì)量就很難保證。串級(jí)控制系統(tǒng)就不同。雖然主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，副回路卻是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的給定值是隨著主調(diào)節(jié)器的輸出而變化的。主調(diào)節(jié)器可以按照生產(chǎn)負(fù)荷和操作條件的變化情況相應(yīng)地調(diào)整副調(diào)節(jié)器的給定值，使系統(tǒng)運(yùn)行在新的工作點(diǎn)上，從而保證在新的負(fù)荷和操作條件下，控制系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量。（2）目前二十八頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)1、改善了控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，提高了工作頻率。由于副環(huán)起了改善過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性的作用，可以加大主調(diào)節(jié)器的增益，提高系統(tǒng)的工作頻率。串級(jí)控制系統(tǒng)中副回路的引入，相當(dāng)于將單回路控制系統(tǒng)中包括執(zhí)行器在內(nèi)的廣義象分為兩部分，一部分由副回路代替，另一部分就是主對(duì)象。所以可以把副回路看成是主回路中的一個(gè)環(huán)節(jié)，或者把副回路理解為一部分等效對(duì)象。此時(shí)，串級(jí)控制系統(tǒng)的方塊圖可簡(jiǎn)化成如圖所示。二、串級(jí)控制系統(tǒng)的效果分析

目前二十九頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)從理論上可以證明，由于副回路的存在，可以使等效對(duì)象的時(shí)間常數(shù)大大減?。ê透睂?duì)象相比），意味著對(duì)象總的時(shí)間滯后要有所縮短，（相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)起超前作用的微分環(huán)節(jié)）因而使得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快，控制更加及時(shí)，最大動(dòng)態(tài)偏差得到減小；與此同時(shí)，等效對(duì)象時(shí)間常數(shù)的縮短，還使系統(tǒng)的工作頻率得到提高，這就縮短了振蕩周期，減少了過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間。即便是干擾作用于主對(duì)象，串級(jí)控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量也將比單回路控制系統(tǒng)有所改善。一般來(lái)說(shuō)，副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)比主對(duì)象的時(shí)間常數(shù)要小，而比測(cè)量變送環(huán)節(jié)及控制閥的時(shí)間常數(shù)要大。也就是說(shuō)，副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)在系統(tǒng)中是屬于中間大小的時(shí)間常數(shù)。可以證明，在一個(gè)系統(tǒng)中，中間大小的時(shí)間常數(shù)的減小，有利于提高控制質(zhì)量，提高系統(tǒng)的可控性。目前三十頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2、串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)于進(jìn)入副回路的干擾具有極強(qiáng)的克服能力。副環(huán)具有快速作用，能有效的克服二次擾動(dòng)的影響。這是因?yàn)楫?dāng)干擾作用于副環(huán)時(shí)，在它還沒(méi)影響到主變量之前副調(diào)節(jié)器首先對(duì)干擾作用采取抑制措施，進(jìn)行“粗調(diào)”，合適與否最后視主變量是否受影響來(lái)判斷，如果主變量還會(huì)受影響(不過(guò)這種影響比沒(méi)有副調(diào)節(jié)器采取抑制措施要小得多)，那么將再由主控制器進(jìn)行“細(xì)調(diào)”。由于這里對(duì)副環(huán)干擾有兩級(jí)控制措施，顯然控制質(zhì)量要比單回路控制系統(tǒng)一個(gè)調(diào)節(jié)器的控制質(zhì)量要好得多。即使干擾作用于主環(huán)，副環(huán)的超前作用雖然得不到體現(xiàn)，但是由于副回路的存在，使等效副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)縮小了，因而系統(tǒng)的工作頻率得以提高，能比單回路系統(tǒng)較為及時(shí)地對(duì)干擾采取控制措施，因而控制質(zhì)量也會(huì)比單回路控制系統(tǒng)高。目前三十一頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)由上分析可以看出，串級(jí)控制系統(tǒng)由于有主、副兩個(gè)調(diào)節(jié)器合力對(duì)干擾采取控制措施，因而抗干擾能力大為增強(qiáng)。實(shí)踐證明，單回路控制系統(tǒng)控制質(zhì)量相比，當(dāng)干擾作用于副環(huán)時(shí)，串級(jí)系統(tǒng)的質(zhì)量要高10到100倍；當(dāng)干擾作用于主環(huán)時(shí)，串級(jí)系統(tǒng)的質(zhì)量也要高2到5倍。

目前三十二頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)過(guò)程控制中的對(duì)象經(jīng)常表現(xiàn)出非線性，隨著生產(chǎn)負(fù)荷和操作條件的改變，對(duì)象的特性就會(huì)發(fā)生變化。而控制系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)所設(shè)定的控制器參數(shù)卻是在一定的負(fù)荷和操作條件下，按某種質(zhì)量指標(biāo)整定得到的。因此，這些控制器參數(shù)只能在一個(gè)較小的工作范圍內(nèi)與對(duì)象特性相匹配，如果負(fù)荷和操作條件變化過(guò)大，超出了這個(gè)適應(yīng)范圍，控制質(zhì)量就很難保證。這個(gè)問(wèn)題是單回路控制系統(tǒng)中的一個(gè)難題。但是，串級(jí)控制系統(tǒng)就不同。雖然主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，副回路卻是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的給定值是隨著主調(diào)節(jié)器的輸出而變化的。主調(diào)節(jié)器可以按照生產(chǎn)負(fù)荷和操作條件的變化情況相應(yīng)地調(diào)整副調(diào)節(jié)器的給定值，使系統(tǒng)運(yùn)行在新的工作點(diǎn)上，從而保證在新的負(fù)荷和操作條件下，控制系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量。3、由于副環(huán)的存在，使系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷或操作的變化具有一定的適應(yīng)能力。目前三十三頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)在串級(jí)控制系統(tǒng)中，雖然主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，副回路卻是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的給定值是隨著主調(diào)節(jié)器的輸出而變化的。主調(diào)節(jié)器可以按照生產(chǎn)負(fù)荷和操作條件的變化情況相應(yīng)地調(diào)整副調(diào)節(jié)器的給定值，使系統(tǒng)運(yùn)行在新的工作點(diǎn)上，從而保證在新的負(fù)荷和操作條件下，控制系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量。如果對(duì)象有非線性特性存在，那么可以把它設(shè)計(jì)處于副回路之中，當(dāng)操作條件或負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，雖然副回路的衰減比會(huì)發(fā)生一些變化，穩(wěn)定裕度會(huì)降低一些，但是，它對(duì)主回路的穩(wěn)定性影響卻很小。目前三十四頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)串級(jí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍：根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)，它主要適合于被控對(duì)象的容量滯后或純滯后時(shí)間較大，干擾作用強(qiáng)而且頻繁，或者生產(chǎn)負(fù)荷經(jīng)常大范圍波動(dòng)，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求的場(chǎng)合。此外，當(dāng)一個(gè)生產(chǎn)變量需要跟隨另一個(gè)變量而變化或需要互相兼顧時(shí)，也可采用這種結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)。但串級(jí)控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)所需的儀表多，投運(yùn)和整定相應(yīng)也復(fù)雜一些。所以，如果單回路控制系統(tǒng)能夠解決問(wèn)題時(shí)，就不一定采用串級(jí)控制方案。綜上所述，串級(jí)控制系統(tǒng)良好的控制性能歸因于：（1）對(duì)二次干擾有很強(qiáng)的克服能力（2）改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率（3）對(duì)負(fù)荷或操作條件的變化有一定的適應(yīng)能力。目前三十五頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)

串級(jí)控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用應(yīng)用于容量滯后較大的過(guò)程應(yīng)用于純時(shí)延較大的過(guò)程

應(yīng)用于擾動(dòng)變化激烈的過(guò)程

應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過(guò)程

應(yīng)用于非線性的過(guò)程

4.有一定的自適應(yīng)能力目前三十六頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)增設(shè)一個(gè)流量控制系統(tǒng)兩個(gè)系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)，無(wú)法工作。進(jìn)料蒸汽采出F,zfB,xBLB再沸器精餾塔TCTTFCFTV1V2目前三十七頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)應(yīng)用舉例2：精餾塔提餾段溫度控制系統(tǒng)精餾過(guò)程：將混合物料中各組分分離，達(dá)到規(guī)定的純度。分離的機(jī)理：利用混合物中各組分的揮發(fā)度不同（沸點(diǎn)不同）使液相中的輕組分（低沸物）和液相中的重組分（高沸物）互相轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)分離。目前三十八頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)精餾塔示意圖進(jìn)料熱蒸汽采出冷凝冷卻器F,zfB,xBD,xDLBLDL回流罐回流泵再沸器精餾塔目前三十九頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)提餾段溫度控制系統(tǒng)進(jìn)料熱蒸汽采出F,zfB,xBLB再沸器精餾塔TCTT如果蒸汽壓力波動(dòng)比較大、比較頻繁，而塔釜容量比較大，控制將很不及時(shí)，控制效果會(huì)很差?？刂崎y的蒸汽流量不僅與閥的開(kāi)度有關(guān)，而且與閥前后的壓力有關(guān)。目前四十頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)增設(shè)一個(gè)流量控制系統(tǒng)兩個(gè)系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)，無(wú)法工作。進(jìn)料蒸汽采出F,zfB,xBLB再沸器精餾塔TCTTFCFTV1V2目前四十一頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)關(guān)聯(lián)情況分析當(dāng)進(jìn)料量增大，提餾段溫度下降，TC開(kāi)始調(diào)節(jié)，V1開(kāi)度增大，蒸汽流量增大。由于流量是個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)檢測(cè)到流量增加，F(xiàn)C開(kāi)始調(diào)節(jié)，使流量等于設(shè)定值，即將V2關(guān)小。上述兩種情況發(fā)生矛盾，無(wú)法實(shí)現(xiàn)控制。目前四十二頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)料蒸汽采出F,zfB,xBLB再沸器精餾塔TCTTFCFT目前四十三頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)8.1.4串級(jí)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)1．主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)由主回路和副回路組成。主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)。對(duì)于主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計(jì)，基本上按照單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。凡直接或間接與生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)行性能密切相關(guān)并可直接測(cè)量的工藝參數(shù)，均可選作主參數(shù)。若條件許可，可以選用質(zhì)量指標(biāo)作為主參數(shù)，因?yàn)樗钪苯右沧钣行?。否則，應(yīng)選一個(gè)與產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)有單值函數(shù)關(guān)系的參數(shù)作為主參數(shù)。另外，對(duì)于選用的主參數(shù)必須具有足夠的變化靈敏度，并須符合工藝過(guò)程的合理性。目前四十四頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2．副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計(jì)

（1）副參數(shù)的選擇原則

8.1.4串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1）副參數(shù)的變化應(yīng)反映主參數(shù)的變換趨勢(shì)、并在很大程度上影響主參數(shù)；2）選擇的副參數(shù)必須是物理上可測(cè)的；3）由副參數(shù)所構(gòu)成的副回路，調(diào)節(jié)通道盡可能短，調(diào)節(jié)過(guò)程時(shí)間常數(shù)不能太大，時(shí)間滯后小，以便使等效過(guò)程時(shí)間常數(shù)顯著減小，提高整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率，加快控制過(guò)程反映速度，改善系統(tǒng)控制品質(zhì)。

目前四十五頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)（2）副參數(shù)的選擇必須使副回路包含變化劇烈的主要干擾，并盡可能多包含一些干擾。盡可能將帶有非線性或時(shí)變特性的環(huán)節(jié)包含于副回路中。8.1.4串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2．副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計(jì)

常用的串級(jí)控制系統(tǒng)：溫度+流量、溫度+壓力、液位+流量、溫度+溫度等。目前四十六頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)（3）主、副回路時(shí)間常數(shù)的適當(dāng)匹配

在選擇副變量時(shí)，應(yīng)注意使主、副回路中控制過(guò)程的時(shí)間常數(shù)之比為3～10，以減少主、副回路的動(dòng)態(tài)聯(lián)系，避免“共振”。在副回路設(shè)計(jì)時(shí)，如果有幾種可供選擇的控制方案，則應(yīng)同時(shí)把經(jīng)濟(jì)性原則和控制品質(zhì)要求結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行分析比較，在滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的前提下，力求節(jié)約。（5）副回路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性原則（4）副回路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮生產(chǎn)工藝的合理性

應(yīng)考慮和滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求，所設(shè)置的系統(tǒng)是否會(huì)影響到工藝過(guò)程的正常運(yùn)行。（4）副回路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮生產(chǎn)工藝的合理性

應(yīng)考慮和滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求，所設(shè)置的系統(tǒng)是否會(huì)影響到工藝過(guò)程的正常運(yùn)行。在副回路設(shè)計(jì)時(shí)，如果有幾種可供選擇的控制方案，則應(yīng)同時(shí)把經(jīng)濟(jì)性原則和控制品質(zhì)要求結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行分析比較，在滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的前提下，力求節(jié)約。8.1.4串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2．副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計(jì)

目前四十七頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)3．串級(jí)控制系統(tǒng)控制參數(shù)選擇

（1）選擇可控性良好的參數(shù)作為控制參數(shù)。（2）所選擇的控制參數(shù)必須使控制通道有足夠大的放大系數(shù)，并應(yīng)保證大于主要擾動(dòng)通道的放大系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)主要擾動(dòng)進(jìn)行有效控制并提高控制質(zhì)量。（3）所選控制參數(shù)必須使控制通道有較高的靈敏度，即時(shí)間常數(shù)適當(dāng)小一些。（4）選擇控制參數(shù)應(yīng)同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性與工藝上的合理性。8.1.4串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目前四十八頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)4．主、副控制器控制規(guī)律的選擇

主控制器起定值控制作用、副控制器起隨動(dòng)控制作用。

8.1.4串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主調(diào)節(jié)器通常選用PI調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)主變量的無(wú)差控制。當(dāng)控制通道容量滯后比較大時(shí)，主調(diào)節(jié)器應(yīng)選用PID調(diào)節(jié)。副調(diào)節(jié)器一般選用P調(diào)節(jié)。為了能夠快速跟蹤，一般不引入積分調(diào)節(jié)。目前四十九頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)目前五十頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)目前五十一頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇原則：依然是使整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋。主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式選擇的順序是：首先根據(jù)工藝的要求確定調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式；然后按照副回路構(gòu)成負(fù)反饋的原則確定副調(diào)節(jié)器的正、反作用；最后再依據(jù)主、副參數(shù)的關(guān)系和主回路構(gòu)成負(fù)反饋的原則，確定主調(diào)節(jié)器的正、反作用。5．主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定8.1.4串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目前五十二頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)8.1.5串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定常用的整定方法有：逐步逼近法、兩步整定法、一步整定法1．逐步逼近法

整定步驟：（1）主回路斷開(kāi)，把副回路作為一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，并按單回路控制系統(tǒng)的參數(shù)整定法，求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值[W2(s)]1。（2）副調(diào)節(jié)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(gè)等效環(huán)節(jié)，這樣，主回路又成為一個(gè)單回路控制系統(tǒng)。再按單回路整定方法，求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值[W1(s)]1。（3）主調(diào)節(jié)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)節(jié)器的整定參數(shù)值[W2(s)]2。至此，完成了一次逼近循環(huán)。若控制質(zhì)量已達(dá)到工藝要求，整定即告結(jié)束。主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值分別為[W1(s)]1和[W2(s)]2。否則，將副調(diào)節(jié)器的參數(shù)置于[W2(s)]2上，再按上述方法求取主調(diào)節(jié)器整定參數(shù)值[W1(s)]2。如此循環(huán)下去，逐步逼近，直到滿(mǎn)足質(zhì)量指標(biāo)要求為止。目前五十三頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2．兩步整定法兩步整定法：第一步整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，第二步整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。整定步驟：（1）在工況穩(wěn)定、主回路閉合，主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用的條件下，主調(diào)節(jié)器的比例度置于100%，用單回路控制系統(tǒng)的衰減（如4：1）曲線法整定，求取副調(diào)節(jié)器的比例度δ2s和操作周期T2s。（2）將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的數(shù)值δ2s上，把副回路作為主回路中的一個(gè)環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主調(diào)節(jié)器的比例度δ1s和操作周期T1s。（3）根據(jù)求得的δ1s、T1s，δ2s、T2s數(shù)值，按單回路系統(tǒng)衰減曲線法整定公式計(jì)算主、副調(diào)節(jié)器的比例度δ、積分時(shí)間T1和微分時(shí)間TD的數(shù)值。（4）按先副后主、先比例后積分最后微分的整定程序，設(shè)置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過(guò)渡過(guò)程曲線，必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直到系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)到最佳為止。8.1.5串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定目前五十四頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)3．一步整定法一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。

理論根據(jù)：串級(jí)控制系統(tǒng)可以等價(jià)為單回路反饋控制系統(tǒng)，其等效調(diào)節(jié)器總的放大系數(shù)KC為主調(diào)節(jié)器放大系數(shù)與回路等效放大系數(shù)的乘積，即在確定副調(diào)節(jié)器的比例度時(shí)，根據(jù)式中，為純比例作用下，產(chǎn)生4：1衰減比過(guò)程的總放大系數(shù)。

這一關(guān)系式，通過(guò)副過(guò)程放大系數(shù)，求取副調(diào)節(jié)器比例放大系數(shù)，或按經(jīng)驗(yàn)選取。8.1.5串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定目前五十五頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)目前五十六頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)整定步驟：（1）在生產(chǎn)穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，由副過(guò)程K02確定副調(diào)節(jié)器的比例度，并將其設(shè)置在副調(diào)節(jié)器上。（2）按照單回路控制系統(tǒng)的整定方法，整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。（3）觀察控制過(guò)程，根據(jù)與互相匹配的原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù)，使主參數(shù)品質(zhì)指標(biāo)最佳。（4）在調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定過(guò)程中，若出現(xiàn)“共振”，只要加大主、副調(diào)節(jié)器中任何一個(gè)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，便可以消除“共振”。若“共振”劇烈，可以先切換至遙控，待生產(chǎn)穩(wěn)定后，將調(diào)節(jié)器參數(shù)置于比產(chǎn)生“共振”時(shí)略大的數(shù)值上，重新整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。

目前五十七頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)應(yīng)用舉例

例

某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，以保持裂解氣出口溫度的穩(wěn)定。組成以出口溫度為主參數(shù)、氣化壓力為副參數(shù)的溫度與壓力串級(jí)控制系統(tǒng)。采用一步整定法：（1）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，根據(jù)本例具體情況，選取副調(diào)節(jié)器比例度為40%。（2）將副調(diào)節(jié)器的比例度δ2置于40%的刻度上，按4：1衰減曲線法整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)，得到δ1s＝30%，TI1＝3min。（3）按4：1衰減曲線法的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算主調(diào)節(jié)器參數(shù)，即δ2＝0.8δ1s＝0.8×30%＝24%TI1＝0.3TI1s=0.3×3=0.9minTd1＝0.1TI1s=0.1×3=0.3min副調(diào)節(jié)器的比例度δ2＝40%。（4）按照“先比例后積分再微分”的程序，將主調(diào)節(jié)器的參數(shù)置于計(jì)算求得的數(shù)值上，使系統(tǒng)投入運(yùn)行，實(shí)踐證明，系統(tǒng)主參數(shù)穩(wěn)定，完全滿(mǎn)足工程要求。

目前五十八頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)例

在硝酸生產(chǎn)過(guò)程中，有一個(gè)氧化爐與氨氣流量的串級(jí)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過(guò)±50C，氨氣流量為副參數(shù)，允許在一定范圍內(nèi)變化，要求不高。采用兩步整定法：（1）在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主調(diào)節(jié)器選用PI控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器選用P控制規(guī)律，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件下，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δ置于100%上，用4：1衰減曲線法整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，得δ2s＝32%，T2s＝15s。（2）將副調(diào)節(jié)器的比例度置于32%上，用相同的整定方法，將主調(diào)節(jié)器的比例度由大到小逐漸調(diào)節(jié)，求得主調(diào)節(jié)器的δ1s＝50%，T1＝7min。（3）根據(jù)上述求得的各參數(shù)，運(yùn)用4：1衰減曲線法整定計(jì)算公式，計(jì)算主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)為：主調(diào)節(jié)器（溫度調(diào)節(jié)器）：比例度δ1＝1.2×δ1s＝60%積分時(shí)間T1＝0.5×T1s＝3.5min副調(diào)節(jié)器（流量調(diào)節(jié)器）：比例度δ2＝δ2s＝32%。（4）把上述計(jì)算的參數(shù)，按先比例后積分的次序，分別設(shè)置在主、副調(diào)節(jié)器上，并使串級(jí)控制系統(tǒng)在該參數(shù)下運(yùn)行。目前五十九頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)【例1】某聚合反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行放熱反應(yīng)，釜溫過(guò)高會(huì)發(fā)生事故，為此采用夾套水冷卻。由于釜溫控制要求較高，且冷卻水壓力、溫度波動(dòng)較大，故設(shè)置控制系統(tǒng)如圖所示。①這是什么類(lèi)型的控制系統(tǒng)？試畫(huà)出其框圖，說(shuō)明其主變量和副變量是什么；②選擇調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式；③選擇控制器的正、反作用；

④選擇主、副控制器的控制規(guī)律；⑤如主要干擾是冷卻水的溫度波動(dòng)，試簡(jiǎn)述其控制過(guò)程；⑥如主要干擾是冷卻水的壓力波動(dòng)，試簡(jiǎn)述其控制過(guò)程，并說(shuō)明這時(shí)可如何改進(jìn)控制方案，以提高控制質(zhì)量。8.1.6串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)例分析目前六十頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)【例2】某干燥器的流程如圖所示。干燥器采用夾套加熱和真空抽吸并行的方式來(lái)干燥物料。夾套內(nèi)通入的是經(jīng)列管式加熱器加熱后的熱水，而加熱器采用的是飽和蒸汽。為了提高干燥速度，應(yīng)有較高的干燥溫度θ,但θ過(guò)高會(huì)使物料的物性發(fā)生變化，這是不允許的，因此要求對(duì)干燥溫度θ進(jìn)行嚴(yán)格控制。①如果蒸汽壓力波動(dòng)是主要干擾，應(yīng)采用何種控制方案？為什么？試確定這時(shí)控制閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式與控制器的正、反作用。

②如果冷水流量波動(dòng)是主要干擾，應(yīng)采用何種控制方案？為什么？試確定這時(shí)控制器的正、反作用和控制閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式。③如果冷水流量與蒸汽壓力都經(jīng)常波動(dòng)，應(yīng)采用何種控制方案？為什么？試畫(huà)出這時(shí)的控制流程圖，確定控制器的正、反作用。8.1.6串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)例分析目前六十一頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)【例3】精餾塔溫度一流量串級(jí)控制系統(tǒng)。工藝要求塔內(nèi)溫度穩(wěn)定在T士1℃；一旦發(fā)生重大事故應(yīng)立即關(guān)閉蒸汽供應(yīng)。①畫(huà)出控制系統(tǒng)組成的框圖。②選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性及確定氣開(kāi)、氣關(guān)形式．③選擇主、副控制器的控制規(guī)律及確定其正、反作用方式。8.1.6串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)例分析目前六十二頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)【例4】對(duì)于圖所示的加熱器串級(jí)控制系統(tǒng)。①畫(huà)出該控制系統(tǒng)框圖，并說(shuō)明主變量、副變量分別是什么。主控制器、副控制器分別是什么。②若工藝要求加熱器溫度不能過(guò)高，否則易發(fā)生事故，試確定調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式。③確定主、副控制器的正、反作用。④當(dāng)蒸汽壓力突然增加時(shí)，簡(jiǎn)述該控制系統(tǒng)的控制過(guò)程。⑤當(dāng)冷物料流量突然加大時(shí)，簡(jiǎn)述該控制系統(tǒng)的控制過(guò)程。8.1.6串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)例分析目前六十三頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)【例5】造紙廠網(wǎng)前箱溫度串級(jí)控制混合器T1CT1TT2T立篩圓篩網(wǎng)前箱去銅網(wǎng)脫水蒸汽水紙漿蒸汽水紙漿純滯后72°C61°C90sT2C8.1.6串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)例分析目前六十四頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)紙漿用泵從儲(chǔ)槽送至混合器，在混合器內(nèi)用蒸汽加熱至72度，經(jīng)過(guò)立篩、圓篩除去雜質(zhì)后送至網(wǎng)前箱，再去銅網(wǎng)脫水。工藝要求網(wǎng)前箱溫度保持在61度左右，允許偏差不超過(guò)1度。若采用單回路，由于從混合器到網(wǎng)前箱純滯后達(dá)90秒，不能滿(mǎn)足工藝要求。目前六十五頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)為了克服純滯后，在調(diào)節(jié)閥較近處選擇混合器溫度為副參數(shù)，網(wǎng)前箱出口溫度為主參數(shù)，構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)，把紙漿流量波動(dòng)包括在副回路中。注意：副回路盡量少包括或不包括純滯后。目前六十六頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)第7章單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)8.1

串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)都是負(fù)反饋，當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，通過(guò)檢測(cè)擾動(dòng)引起的被控參數(shù)偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。所以負(fù)反饋進(jìn)行擾動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，輸出必然有波動(dòng)，即已經(jīng)被擾動(dòng)影響。有沒(méi)有這樣一種控制，當(dāng)干擾一出現(xiàn)，在其影響輸出量之前，就進(jìn)行抑制，從而對(duì)輸出沒(méi)有影響？8.2前饋控制系統(tǒng)目前六十七頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)此控制具有以下特征：在擾動(dòng)影響輸出之前進(jìn)行調(diào)節(jié)。直接測(cè)量擾動(dòng)大小，通過(guò)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的完全補(bǔ)償，從而消除擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響。前饋控制就是測(cè)量擾動(dòng)，補(bǔ)償擾動(dòng)的控制。8.2前饋控制系統(tǒng)目前六十八頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)1.反饋控制的本質(zhì)是“基于偏差來(lái)消除偏差”?；蛘哒f(shuō)以“偏差”為控制依據(jù)；2.反饋控制總是滯后于擾動(dòng)，是一種“不及時(shí)”的控制；3.反饋的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，存在穩(wěn)定性問(wèn)題；4.反饋控制可消除閉環(huán)內(nèi)的所有擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響；5.反饋控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律通常是P、PI、PD、PID等典型規(guī)律，通用性強(qiáng)，整定容易。反饋控制的特點(diǎn)：8.2前饋控制系統(tǒng)目前六十九頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)反饋的本質(zhì)是“基于偏差來(lái)消除偏差”。如果沒(méi)有偏差出現(xiàn)，也就沒(méi)有控制作用了。無(wú)論擾動(dòng)發(fā)生在哪里，總有等到引起被控量發(fā)生偏差后，調(diào)節(jié)器才動(dòng)作，故調(diào)節(jié)器的動(dòng)作總是落后于擾動(dòng)作用的發(fā)生，是一種“不及時(shí)”的控制。反饋控制系統(tǒng)，因構(gòu)成閉環(huán)，故存在一個(gè)穩(wěn)定性的問(wèn)題。即使組成閉環(huán)系統(tǒng)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都是穩(wěn)定的，閉環(huán)系統(tǒng)是否穩(wěn)定，仍然需要作進(jìn)一步的分析。引起被控量發(fā)生偏差的擾動(dòng)，均被包圍在閉環(huán)內(nèi)，故反饋控制可消除多種擾動(dòng)對(duì)被控量的影響。反饋控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律通常是P、PI、PD、PID等典型規(guī)律。目前七十頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)8.2.1前饋控制原理1.前饋與反饋8.2前饋控制系統(tǒng)目前七十一頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)Feedforwardcontrol控制原理：根據(jù)冷物料流量f(t)的變化，通過(guò)一個(gè)前饋控制器

FC

直接控制調(diào)節(jié)閥。（冷物料流量是最主要的干擾）從干擾到被控參數(shù)之間的兩個(gè)通道1）通過(guò)干擾通道去影響被控參數(shù)2）經(jīng)過(guò)測(cè)量環(huán)節(jié)、前饋控制器和調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生控制作用，再經(jīng)過(guò)控制通道去影響被控參數(shù)。8.2前饋控制系統(tǒng)目前七十二頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)前饋控制系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)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(guò)程擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)；

W0(s)為過(guò)程控制通道的傳遞函數(shù)；

WFF(s)為前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。

若適當(dāng)選擇前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)WFF(s)，可以使擾動(dòng)F(s)對(duì)被控參數(shù)Y(s)不產(chǎn)生影響，即實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償。當(dāng)F(s)≠0時(shí)，Y(s)=0即：Wf(s)+WFF(s)W0(s)=0可得到前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)：WFF(s)WFF(s)取決于過(guò)程擾動(dòng)通道的特性Wf(s)和過(guò)程控制通道的特性W0(s)，式中負(fù)號(hào)表示控制作用與擾動(dòng)作用方向相反。8.2前饋控制系統(tǒng)Wff(S)Wf(S)Wo(S)++Y1(s)Y2(s)F(s)Y(s)目前七十三頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)不變性原理是前饋控制的理論基礎(chǔ)。不變性原理指控制系統(tǒng)的被控量與擾動(dòng)量完全無(wú)關(guān)，或在一定準(zhǔn)確度下無(wú)關(guān)。

被控過(guò)程及儀表

Y(t)

N(t)8.2前饋控制系統(tǒng)目前七十四頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)

按照控制系統(tǒng)輸出參數(shù)與輸入?yún)?shù)的不變性程度，可分為以下幾種類(lèi)型：

1．絕對(duì)不變性

2．穩(wěn)態(tài)不變性

3．ε不變性8.2前饋控制系統(tǒng)目前七十五頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)1．絕對(duì)不變性被控量Y(t)在擾動(dòng)量N(t)作用下，過(guò)渡過(guò)程中始終不變。即靜態(tài)偏差和動(dòng)態(tài)偏差都為0。前饋控制Wff(S)Wf(S)Wo(S)++Y1(s)Y2(s)N(s)Y(s)前饋控制方框圖WffNFY(s)Y2(s)Y1(s)8.2前饋控制系統(tǒng)目前七十六頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)前饋控制Wff(S)Wf(S)Wo(S)++Y1(s)Y2(s)N(s)Y(s)前饋控制方框圖NΔN

yy2(t)y1(t)tt前饋控制系統(tǒng)補(bǔ)償過(guò)程WffNFY(s)Y2(s)Y1(s)y1(t)+y2(t)=01．絕對(duì)不變性目前七十七頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)被控量Y(t)在擾動(dòng)量N(t)作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差與擾動(dòng)無(wú)關(guān)。即靜態(tài)偏差為0，動(dòng)態(tài)偏差不為0。y1(t)y2(t)系統(tǒng)輸出y(t)穩(wěn)態(tài)偏差為0動(dòng)態(tài)偏差不為0WffNFY(s)Y2(s)Y1(s)2.穩(wěn)態(tài)不變性目前七十八頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)3．ε不變性被控量Y(t)在擾動(dòng)量N(t)作用下，系統(tǒng)偏差小于一個(gè)小量，用ε表示。y1(t)y2(t)系統(tǒng)輸出y(t)εWffNFY(s)Y2(s)Y1(s)目前七十九頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)前饋控制特點(diǎn)：1.前饋控制是一種按擾動(dòng)大小進(jìn)行的控制，即以“擾動(dòng)”為控制依據(jù)；2.前饋控制是一種及時(shí)的控制；3.前饋控制是一種開(kāi)環(huán)控制，所以只要系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)是穩(wěn)定的，則控制系統(tǒng)必然穩(wěn)定，但是它不能檢查控制效果；4.前饋控制只抑制“一個(gè)可測(cè)而不可控”的擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響——指定性補(bǔ)償；5.前饋調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律是由對(duì)象過(guò)程特性決定。前饋控制是減少被控參數(shù)動(dòng)態(tài)偏差的一種最有效的方法。合理的控制系統(tǒng)應(yīng)該是把前饋控制和反饋控制結(jié)合起來(lái)，組成前饋-反饋控制系統(tǒng)。8.2前饋控制系統(tǒng)目前八十頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)前饋控制是“基于擾動(dòng)來(lái)消除擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響”，故前饋控制又稱(chēng)為“擾動(dòng)補(bǔ)償”。擾動(dòng)發(fā)生后，前饋控制器“及時(shí)”動(dòng)作，對(duì)抑制被控量由于擾動(dòng)引起的動(dòng)、靜態(tài)偏差比較有效。前饋控制屬于開(kāi)環(huán)控制，所以只要系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)是穩(wěn)定的，則控制系統(tǒng)必然穩(wěn)定。只適用于克服可測(cè)而不可控的擾動(dòng)，而對(duì)系統(tǒng)中的其他擾動(dòng)無(wú)抑制作用，因此，前饋控制具有指定性補(bǔ)償?shù)木窒扌?。前饋控制的控制?guī)律，取決于被控對(duì)象的特性。因此，往往控制規(guī)律比較復(fù)雜。目前八十一頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)（1）可測(cè)：擾動(dòng)量可以通過(guò)測(cè)量變送器，在線地將其轉(zhuǎn)換為前饋補(bǔ)償器所能接受的信號(hào)。（2）不可控：擾動(dòng)量與控制量之間的相互獨(dú)立性，即控制通道的傳遞函數(shù)與擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)無(wú)關(guān)聯(lián)，從而控制量無(wú)法改變擾動(dòng)量的大小。目前八十二頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)前饋與反饋控制的比較及時(shí)不及時(shí)控制作用專(zhuān)用調(diào)節(jié)器P,PI,PD,PID及開(kāi)關(guān)典型控制器開(kāi)環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)組態(tài)有時(shí)只能近似較容易控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)被測(cè)擾動(dòng)量測(cè)量和設(shè)定之間的偏差控制器輸入擾動(dòng)量被控變量被測(cè)變量不變性原理反饋控制理論設(shè)計(jì)原理前饋控制反饋控制8.2前饋控制系統(tǒng)目前八十三頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)8.2.2前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

1.靜態(tài)前饋控制器滿(mǎn)足穩(wěn)態(tài)不變性，取t->∞(即s->0)的值。即只取其通道增益。有：靜態(tài)前饋控制器是一個(gè)比例環(huán)節(jié)。擾動(dòng)N

擾動(dòng)輸出調(diào)節(jié)輸出系統(tǒng)輸出t->∞P191例題??！目前八十四頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)8.2.2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)節(jié)器的輸出量?jī)H僅是其輸入量的函數(shù)，與時(shí)間因子無(wú)關(guān)?？刂埔?guī)律具有比例特性：WFF(s)＝－＝－KF

其大小可根據(jù)過(guò)程擾動(dòng)通道的靜態(tài)放大系數(shù)和過(guò)程控制通道的靜態(tài)放大系數(shù)來(lái)決定。

靜態(tài)前饋控制只考慮最終穩(wěn)態(tài)時(shí)的校正，所以只能使被控參數(shù)最終的靜態(tài)偏差接近或等于零。不考慮由于過(guò)程擾動(dòng)通道的時(shí)間常數(shù)和控制通道的時(shí)間常數(shù)不同，在過(guò)渡過(guò)程中所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)偏差。靜態(tài)前饋控制簡(jiǎn)單，一般不需專(zhuān)用前饋調(diào)節(jié)器，而用DDZ儀表中的比例調(diào)節(jié)器或比值器就能滿(mǎn)足使用要求。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，尤其當(dāng)過(guò)程擾動(dòng)通道與控制通道的時(shí)延相差不大時(shí)，設(shè)計(jì)和應(yīng)用靜態(tài)前饋控制，可獲得較高的控制精度。

目前八十五頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2．動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)

動(dòng)態(tài)前饋Wff(s)滿(mǎn)足絕對(duì)不變性：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，而不能保證被控參數(shù)的動(dòng)態(tài)偏差接近或等于零。當(dāng)需要嚴(yán)格控制動(dòng)態(tài)偏差時(shí)，就要采用動(dòng)態(tài)前饋控制。動(dòng)態(tài)前饋控制必須根據(jù)過(guò)程擾動(dòng)通道和控制通道的動(dòng)態(tài)特性，采用專(zhuān)用的前饋調(diào)節(jié)器。由于工業(yè)過(guò)程數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，實(shí)際上動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償是有限的，常規(guī)儀表難以實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償。當(dāng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)前饋控制時(shí)，可隨時(shí)辨識(shí)過(guò)程數(shù)學(xué)模型，及時(shí)修正動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償，理論上能實(shí)現(xiàn)完全不變性。通常動(dòng)態(tài)前饋控制與靜態(tài)前饋控制是結(jié)合在一道使用的，可更好提高其控制品質(zhì)。但是動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，系統(tǒng)的運(yùn)行和參數(shù)整定亦較復(fù)雜，而且需要一套專(zhuān)用的控制裝置，當(dāng)然系統(tǒng)的控制品質(zhì)較高。所以，當(dāng)工藝要求控制品質(zhì)很高時(shí)，才使用動(dòng)態(tài)前饋控制方案。8.2.2前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式目前八十六頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)3.前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)單純前饋控制的存在問(wèn)題：

(1)補(bǔ)償效果無(wú)法檢驗(yàn)：?jiǎn)渭兦梆伈淮嬖诒豢刈兞康姆答仯a(bǔ)償效果沒(méi)有檢驗(yàn)的手段，前饋?zhàn)饔貌](méi)有最后消除偏差時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法得知這一信息而作進(jìn)一步的校正。（2）多個(gè)干擾成本大：由于工業(yè)對(duì)象存在多個(gè)干擾，勢(shì)必要設(shè)置多個(gè)前饋控制通道，因而增加了投資費(fèi)用和維護(hù)工作量。（3）控制精度不高：前饋控制模型的精度也受到多種因素的限制，對(duì)象特性要受到負(fù)荷和工況等因素的影響而產(chǎn)生漂移，導(dǎo)致Wo(s)和Wf(s)的變化。8.2.2前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式目前八十七頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)以換熱器前饋－反饋控制系統(tǒng)為例，如圖8.28圖8.28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(duì)輸出Y(s)的影響為:Y(s)＝X(s)＋F(s)

要實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)F(s)的完全補(bǔ)償：

WFF(s)＝－

3.前饋-反饋控制系統(tǒng)8.2.2前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式目前八十八頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1）有利于對(duì)主要干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)償和對(duì)其他干擾進(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)與實(shí)現(xiàn)，具有一定自適應(yīng)能力。3）既可以實(shí)現(xiàn)高精度控制，又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，因而在一定程度上解決了穩(wěn)定性與控制精度之間的矛盾。3.前饋-反饋控制系統(tǒng)8.2.2前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式目前八十九頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)前饋—反饋控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：

（1）由于增加了反饋回路，只需對(duì)主要的干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)償，其它干擾可由反饋控制予以校正，大大簡(jiǎn)化了原有前饋控制系統(tǒng)；

（2）反饋回路的存在，降低了前饋控制模型的精度要求；（3）負(fù)荷變化時(shí)，模型特性也要變化，可由反饋控制加以補(bǔ)償，因此系統(tǒng)具有一定自適應(yīng)能力。

（4）當(dāng)前饋信號(hào)加在反饋信號(hào)之前時(shí)，前饋控制器特性不僅與擾動(dòng)通道特性和控制通道特性有關(guān)，而且與反饋控制器特性有關(guān)。（同學(xué)試自己推導(dǎo)）目前九十頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)共同點(diǎn)：測(cè)取對(duì)象的兩個(gè)參數(shù)，采用兩個(gè)調(diào)節(jié)器，在結(jié)構(gòu)形式上具有一定的共性——兩個(gè)回路。不同點(diǎn)：1.串級(jí)：由內(nèi)、外兩個(gè)反饋回路組成。前饋-反饋：一個(gè)反饋回路和一個(gè)開(kāi)環(huán)補(bǔ)償回路疊加而成。2.串級(jí)：副參數(shù)是反映主參數(shù)的中間變量，控制作用對(duì)它產(chǎn)生明顯的調(diào)節(jié)效果。前饋-反饋：前饋輸入量是對(duì)主參數(shù)有顯著影響的干擾量，是完全不受控制作用的獨(dú)立變量——不可控。3.前饋調(diào)節(jié)器與串級(jí)中的副調(diào)節(jié)器擔(dān)負(fù)著不同的功能。4．前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)8.2.2前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式目前九十一頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)c燃料出口原料油T1CT2C燃料出口原料油GFFTC+加熱爐的兩種控制系統(tǒng)（a）串級(jí)控制系統(tǒng)

主參數(shù)：出口溫度副參數(shù)：爐膛溫度調(diào)節(jié)量：燃料流量（b）前饋-反饋控制系統(tǒng)

被調(diào)參數(shù)：出口溫度前饋輸入：原料油量調(diào)節(jié)參數(shù)：燃料流量4．前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)8.2.2前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式目前九十二頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的串級(jí)控制系統(tǒng)TC燃料原油FC上圖所示的系統(tǒng)方框圖FTWf(S)Wo(S)+-FTC-FC加熱爐的兩種控制系統(tǒng)4．前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)8.2.2前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式目前九十三頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)4．前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)于圖8.28所示的前饋-反饋控制系統(tǒng)增加一個(gè)蒸汽流量回路。用前饋調(diào)節(jié)器的輸出去改變流量回路的給定值，從而構(gòu)成了前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)，其方框圖見(jiàn)圖8.29所示。圖8.29前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)框圖

8.2.2前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式目前九十四頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

WFF(s)＝－設(shè)副回路的工作頻率高于主回路的工作頻率，有：WFF(s)＝－

≈1

即：小結(jié)：無(wú)論采用哪種形式的前饋控制系統(tǒng)，其前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)均可表示為對(duì)象的干擾通道與控制通道的特性之比。4．前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)8.2.2前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式目前九十五頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)3.前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)目前九十六頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)8.2.3前饋控制規(guī)律及其實(shí)施

1．控制規(guī)律過(guò)程控制通道特性：

W0(s)＝

擾動(dòng)通道特性：

Wf(s)＝

則前饋調(diào)節(jié)器為：

WFF(s)＝－==－KF

式中 KF＝K2/K1 τ=τ2－τ1

目前九十七頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)當(dāng)τ1=τ2時(shí)有：

WFF(s)＝－KF

當(dāng)τ1=τ2，T1=T2時(shí)有：WFF(s)＝－KF

因此，前饋調(diào)節(jié)器的模型有三種形式：KF；

KFKF目前九十八頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2．模擬儀表實(shí)施(1)型前饋調(diào)節(jié)器：

WFF(s)＝－

這種前饋模型具有比例特性。KF的大小，根據(jù)過(guò)程控制通道和擾動(dòng)通道的靜態(tài)放大系數(shù)來(lái)決定。應(yīng)用這種模型的前饋控制系統(tǒng)稱(chēng)為靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)?？梢杂帽壤{(diào)節(jié)器等常規(guī)儀表來(lái)實(shí)現(xiàn)。(2)型前饋調(diào)節(jié)器：

WFF(s)＝－KF

這是一種動(dòng)態(tài)前饋模型，當(dāng)T1＞T2時(shí)，其傳遞函數(shù)表現(xiàn)為微分特性，當(dāng)T1＜T2時(shí)，其傳遞函數(shù)表現(xiàn)為時(shí)延特性，也稱(chēng)為反微分特性，見(jiàn)圖7-9。圖7-9微分時(shí)延特性曲線

目前九十九頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)圖7-10微分時(shí)延特性實(shí)施框圖該動(dòng)態(tài)前饋模型的實(shí)現(xiàn)裝置如圖7-10(3)型前饋調(diào)節(jié)器：

WFF(s)＝－KF

這是一種動(dòng)態(tài)前饋模型。其特性實(shí)際上是比例特性、動(dòng)態(tài)微分特性與純時(shí)延特性的串聯(lián)。

此模型的實(shí)現(xiàn)只要采用在前面介紹的實(shí)現(xiàn)KF型模型裝置的后面串聯(lián)一個(gè)能實(shí)現(xiàn)e-τs型模型的環(huán)節(jié)即可。

目前一百頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)3．?dāng)?shù)字儀表實(shí)施

F(t)與uf(t)分別為前饋調(diào)節(jié)器的輸入和輸出將式用微分方程表示為：－KF+uf(t)=－KF

在采樣周期Ts足夠短時(shí)，將上述方程離散并經(jīng)簡(jiǎn)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；a2＝1－；a1＝1－

目前一百零一頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)四、前饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．設(shè)計(jì)思路控制方案設(shè)計(jì)的一般程序?yàn)椋海?）調(diào)研工藝需求首先熟悉生產(chǎn)工藝過(guò)程，充分了解工藝對(duì)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的要求，了解現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)備，了解生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的各種影響因素，以便能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和提出問(wèn)題；（2）設(shè)計(jì)方案要對(duì)已有的自動(dòng)化方案認(rèn)真地進(jìn)行調(diào)查、分析比較，據(jù)此提出新的設(shè)計(jì)方案。（3）確定數(shù)學(xué)模型。（4）仿真與模擬試驗(yàn)。（5）修改完善方案。（6）現(xiàn)場(chǎng)安裝、試車(chē)。同時(shí)在總體方案設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)包括安全保護(hù)、自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)開(kāi)車(chē)、停車(chē)等內(nèi)容。目前一百零二頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2．注意因素

（1）前饋控制規(guī)律1）當(dāng)To》Tf時(shí)，由于控制通道很靈敏，克服擾動(dòng)的能力強(qiáng)，因此，一般只要采用反饋控制就可達(dá)到滿(mǎn)意的控制質(zhì)量要求，不必采用前饋控制。2）當(dāng)To＝Tf時(shí)，只要采用靜態(tài)前饋－反饋控制就可以較好地改善控制質(zhì)量。3）當(dāng)To＞Tf時(shí)，可采用動(dòng)態(tài)前饋－反饋控制來(lái)改善控制品質(zhì)。4）當(dāng)τf＞τ0時(shí)，則前饋調(diào)節(jié)器控制規(guī)律應(yīng)修改為:

－KF

5)當(dāng)τ0＞τf時(shí)，不能采用前饋補(bǔ)償。

（2）系統(tǒng)穩(wěn)定性：對(duì)任一過(guò)程控制系統(tǒng)，能正常運(yùn)行的必要條件是必須穩(wěn)定。由于前饋控制是開(kāi)環(huán)控制，所以確定控制方案時(shí)，必須重視穩(wěn)定性問(wèn)題。目前一百零三頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)五、前饋控制系統(tǒng)的工程整定整定前饋－反饋控制系統(tǒng)時(shí)，反饋回路和前饋控制要分別整定。分兩步：（2）整定前饋裝置

（1）整定反饋回路

WFF(s)=KF

對(duì)于前饋裝置的傳遞函數(shù)：

目標(biāo)：確定靜態(tài)參數(shù)KF和動(dòng)態(tài)參數(shù)T1、T2

1.靜態(tài)參數(shù)KF的整定

（1）開(kāi)環(huán)整定法

KF＝

（2）閉環(huán)整定法

圖7-11閉環(huán)整定法框圖

如圖7-11，可采用飛饋系統(tǒng)整定，也可結(jié)合前饋-反饋系統(tǒng)整定。目前一百零四頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2.、值整定

由前饋調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)模型可知，T1、T2是決定動(dòng)態(tài)補(bǔ)償程度的。當(dāng)T1＞T2時(shí)，前饋調(diào)節(jié)器在動(dòng)態(tài)過(guò)程中起超前作用；反之，當(dāng)T1＜T2時(shí)，則起時(shí)延作用。在工程整定時(shí)，首先應(yīng)估計(jì)擾動(dòng)通道和控制通道哪一個(gè)時(shí)間時(shí)延大（或超前大），來(lái)決定T1、T2值的大小，然后將T1、T2從零開(kāi)始湊試，直到系統(tǒng)響應(yīng)曲線滿(mǎn)意為止。

目前一百零五頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)8.2.5前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用選用原則：1.對(duì)象控制通道的容量滯后和純滯后較大，反饋控制難以滿(mǎn)足工藝要求時(shí)，可以采用前饋控制。2.系統(tǒng)中存在著可測(cè)、不可控、變化頻繁、幅值大且對(duì)被控參數(shù)影響顯著的干擾，采用前饋可大大提高控制品質(zhì)。4.經(jīng)濟(jì)性原則。由于動(dòng)態(tài)前饋的設(shè)備投資高于靜態(tài)前饋，所以，若靜態(tài)前饋能達(dá)到工藝要求時(shí)，即選用靜態(tài)前饋。當(dāng)對(duì)象的干擾通道與控制通道的時(shí)間常數(shù)相當(dāng)時(shí)，用靜態(tài)前饋即可獲得滿(mǎn)意的控制品質(zhì)。3.主要擾動(dòng)無(wú)法包含在副回路中時(shí)。目前一百零六頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)葡萄糖濃度控制系統(tǒng)初始濃度為50％的葡萄糖液，用泵送入升降膜式蒸發(fā)器，經(jīng)蒸汽加熱蒸發(fā)至73％的葡萄糖液，然后送至下一道工序。由工藝可知，在給定壓力下，溶液濃度與溶液沸點(diǎn)與水沸點(diǎn)之溫差有較好的單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，故以溫差為間接質(zhì)量指標(biāo)作為被控參數(shù)以反映濃度的高低?？刂品桨福赫羝髁繛榍梆佇盘?hào)、溫差為反饋信號(hào)、進(jìn)料溶液為控制參數(shù)的前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。干擾因素：進(jìn)料溶液濃度、溫度、流量，加熱蒸汽壓力、流量。進(jìn)料8.2.5前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用目前一百零七頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)連續(xù)消毒塔溫度控制制藥業(yè)中，抗菌素生產(chǎn)采用培養(yǎng)基發(fā)酵的方法進(jìn)行。培養(yǎng)基是用糧食、油料等粉劑和水制成，在它進(jìn)入發(fā)酵罐接種之前必須進(jìn)行滅菌消毒。過(guò)去的消毒方法是把培養(yǎng)基放到發(fā)酵罐中，用蒸汽加溫到128度左右，保持一段時(shí)間，殺滅其中的霉菌，并將培養(yǎng)基煮成熟料。消毒后的培養(yǎng)基還需要冷卻到適當(dāng)?shù)臏囟?，方能接種發(fā)酵。這種消毒方法的操作周期很長(zhǎng)。8.2.5前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用目前一百零八頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)為了改進(jìn)上述消毒時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的缺點(diǎn)，采用了連續(xù)消毒方法。培養(yǎng)基液料經(jīng)預(yù)熱后由離心泵送入連續(xù)消毒塔，與蒸汽直接混合使其溫度上升到128度然后進(jìn)入維持罐停留保溫15分鐘，以便充分滅菌，再經(jīng)排管冷卻后去發(fā)酵罐接種發(fā)酵。連續(xù)消毒塔的主要控制指標(biāo)是培養(yǎng)基連續(xù)消毒塔的溫度。必須對(duì)它進(jìn)行控制通常要求控制精度為128±2℃。8.2.5前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用連續(xù)消毒塔溫度控制目前一百零九頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)對(duì)于連續(xù)消毒塔的出口溫度，采用單回路控控制，選擇其出口溫度為被控參數(shù)，選用培養(yǎng)基的流量作為控制參數(shù)構(gòu)成單回路控制8.2.5前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用連續(xù)消毒塔溫度控制目前一百一十頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)單回路當(dāng)蒸汽壓力波動(dòng)較大時(shí)，溫度波動(dòng)幅度超過(guò)了工藝允許范圍。影響連續(xù)消毒塔出口溫度的主要擾動(dòng)是蒸汽壓力。經(jīng)分析認(rèn)為，蒸汽壓力是一個(gè)可測(cè)而不可控的擾動(dòng)，為了提高控制質(zhì)量，構(gòu)成了加圖所示的前饋-反饋控制系統(tǒng)。8.2.5前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用連續(xù)消毒塔溫度控制目前一百一十一頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)鍋爐汽包水位控制影響因素：蒸汽用量（不可控）；給水流量（選為控制參數(shù)）問(wèn)題：“虛假水位”……→影響控制效果解決方案：蒸汽流量為前饋信號(hào)，給水流量為副參數(shù)，水位為主參數(shù)前饋－串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)鍋爐是火力發(fā)電的重要設(shè)備，其控制任務(wù)：使給水量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，因此汽包水位是關(guān)鍵參數(shù)。8.2.5前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用目前一百一十二頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2、鍋爐給水控制系統(tǒng)控制目標(biāo)：汽包水位是其主要工藝指標(biāo)。當(dāng)水位過(guò)高時(shí)，會(huì)造成蒸汽帶液，這樣降低蒸汽的產(chǎn)量和質(zhì)量，而且會(huì)損壞汽輪機(jī)葉片；當(dāng)水位過(guò)低時(shí)，輕則影響汽、水平衡，重則燒干鍋爐，甚至?xí)疱仩t爆炸。鍋爐汽包水位控制任務(wù)：使給水量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量。

汽包水位是被控參數(shù)主要擾動(dòng)是鍋爐的蒸汽流量和給水流量。蒸汽量是負(fù)荷，它隨用戶(hù)需要而變化，給水流量作為調(diào)節(jié)參數(shù)。目前一百一十三頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)干擾-蒸汽負(fù)荷對(duì)汽包水位影響：當(dāng)蒸汽用量突然增加時(shí)，會(huì)使汽包內(nèi)壓力瞬時(shí)降低，水沸騰加劇，加速汽化，汽泡突然增加。汽泡體積比水的體積大很多倍，結(jié)果形成了汽包內(nèi)水位升高的所謂“假水位”。當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然減少時(shí)，汽包內(nèi)蒸汽壓力急劇上升，水的沸騰暫時(shí)停止，造成水位瞬時(shí)下降的假象采用以蒸汽流量為前饋信號(hào)，汽包水位(主參數(shù))和給水流量(副參數(shù))串級(jí)，構(gòu)成前饋—串級(jí)控制系統(tǒng)通常又稱(chēng)為三沖量給水控制系統(tǒng)(見(jiàn)圖)。目前一百一十四頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)本系統(tǒng)不但能通過(guò)副回路及時(shí)克服給水流量的擾動(dòng)；還能實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽負(fù)荷的前饋補(bǔ)償，給水量Q將等于蒸汽量的變化，從而維持水位不變。YＫPF

Wf汽包+-Sp蒸汽流量變化ＬC+進(jìn)水管路FC-進(jìn)水流量變化鍋爐汽包水位控制8.2.5前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用目前一百一十五頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)【例1】某聚合反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行放熱反應(yīng)，釜溫過(guò)高會(huì)發(fā)生事故，為此采用夾套水冷卻。由于釜溫控制要求較高，且冷卻水壓力、溫度波動(dòng)較大，故設(shè)置控制系統(tǒng)如圖所示。①這是什么類(lèi)型的控制系統(tǒng)？試畫(huà)出其框圖，說(shuō)明其主變量和副變量是什么；②選擇調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式；③選擇控制器的正、反作用；

④選擇主、副控制器的控制規(guī)律；⑤如主要干擾是冷卻水的溫度波動(dòng)，試簡(jiǎn)述其控制過(guò)程；⑥如主要干擾是冷卻水的壓力波動(dòng)，試簡(jiǎn)述其控制過(guò)程，并說(shuō)明這時(shí)可如何改進(jìn)控制方案，以提高控制質(zhì)量。8.1.6串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)例分析目前一百一十六頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)【例2】某干燥器的流程如圖所示。干燥器采用夾套加熱和真空抽吸并行的方式來(lái)干燥物料。夾套內(nèi)通入的是經(jīng)列管式加熱器加熱后的熱水，而加熱器采用的是飽和蒸汽。為了提高干燥速度，應(yīng)有較高的干燥溫度θ,但θ過(guò)高會(huì)使物料的物性發(fā)生變化，這是不允許的，因此要求對(duì)干燥溫度θ進(jìn)行嚴(yán)格控制。①如果蒸汽壓力波動(dòng)是主要干擾，應(yīng)采用何種控制方案？為什么？試確定這時(shí)控制閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式與控制器的正、反作用。

②如果冷水流量波動(dòng)是主要干擾，應(yīng)采用何種控制方案？為什么？試確定這時(shí)控制器的正、反作用和控制閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式。③如果冷水流量與蒸汽壓力都經(jīng)常波動(dòng)，應(yīng)采用何種控制方案？為什么？試畫(huà)出這時(shí)的控制流程圖，確定控制器的正、反作用。8.1.6串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)例分析目前一百一十七頁(yè)\總數(shù)一百三十八頁(yè)\編于二十一點(diǎn)【例3】精餾塔溫度一流量串級(jí)控制系統(tǒng)。工藝要求塔內(nèi)溫度穩(wěn)定在T士1℃；一旦發(fā)生重大事故應(yīng)立即關(guān)閉蒸汽供應(yīng)。①畫(huà)出控制系統(tǒng)組成的框圖。②選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性及確定氣開(kāi)、氣關(guān)形式．③選擇主、副控制器的控制規(guī)律及確定其正、反作用方式。8.1.6串級(jí)控制系統(tǒng)