第8章 提高控制品質(zhì)的控制系統(tǒng).ppt

1、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,被控對象,檢測變送器,結(jié)構(gòu)和特性：單回路、負反饋、應(yīng)用較廣泛。適用 于時間常數(shù)較小，負荷變化小的對象。 但是，在某些被控對象的動態(tài)特性比較復(fù)雜 或者控制任務(wù)比較特殊的應(yīng)用場合， 簡單控制系統(tǒng)就顯得力不從心。,所謂復(fù)雜，乃是相對簡單而言的。一般來說，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，所以，復(fù)雜控制系統(tǒng)又稱為多回路控制系統(tǒng)。顯然，這類系統(tǒng)的分析、設(shè)計、參數(shù)整定與投運比簡單控制系統(tǒng)要復(fù)雜一些。 常見的

2、復(fù)雜控制系統(tǒng)有串級、前饋、大時延、比值、均勻、分程、選擇等控制系統(tǒng)。,復(fù)雜控制系統(tǒng),第8章 提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng),8.1 串級控制系統(tǒng) 8.2 前饋控制系統(tǒng) 8.3 大時延控制系統(tǒng),動態(tài)特性比較復(fù)雜,第9章 滿足特定要求的過程控制系統(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,8.1 串級控制系統(tǒng) 8.2 前饋控制系統(tǒng) 8.3 大時延控制系統(tǒng),第8章 提高控制品質(zhì)的控制系統(tǒng),第8章 提高控制品質(zhì)的控制系統(tǒng),8.1 串級控制系統(tǒng),生產(chǎn)過程中有很多容量滯后比較大（T0）的對象，由于控制變量的變化要經(jīng)過一個較長的時間才能對被控變量起作

3、用，這樣明顯造成控制作用不及時，使系統(tǒng)控制變差。當對象的容量滯后較大，負荷或干擾變化比較劇烈、比較頻繁，或是工藝對產(chǎn)品質(zhì)量提出的要求很高，此時，采用簡單控制系統(tǒng)無法滿足要求，可以采用串級控制系統(tǒng)。,8.1.1 基本概念 1. 串級控制系統(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f4(t),空氣,單回路設(shè)計方案1：出口溫度為被控參數(shù)，燃料量為控制參數(shù)。

4、,第8章 提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng),8.1 串級控制系統(tǒng),8.1.1 基本概念 1. 串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),9分鐘,45分鐘,結(jié)論：1.結(jié)構(gòu)上合理； 2.實際控制質(zhì)量 很差。,爐,第8章 提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng),8.1 串級控制系統(tǒng),8.1.1 基本概念 1. 串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),單回路設(shè)計方案2：爐膛溫度為被控參數(shù)，燃料量為控制參數(shù)。,結(jié)論：1.能及時克服 f2(t)、f3(t) ； 2.不能克服f1(t) 、 f4(t) 。,爐,第8章 提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng),8.1 串級控制系統(tǒng),8.1.1 基本概念 1. 串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),復(fù)雜設(shè)計方案3：出口溫度Y1(s)為主被控參數(shù)，爐膛溫度Y2(s)為副

5、被控參數(shù)，燃料量為控制參數(shù)。,串級控制系統(tǒng),第8章 提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng),8.1 串級控制系統(tǒng),8.1.1 基本概念 1. 串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),主被控參數(shù)Y1(s) ：主要控制目標，工藝要求 副被控參數(shù)Y2(s) ：被控對象引出的中間變量 副對象：副被控參數(shù)與控制參數(shù)之間的通道特性 主對象：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 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，主回路是一個定值控制系統(tǒng)，副回路則是一個隨動控制系統(tǒng)。,第8章 提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng),8.1 串級控制系統(tǒng),8.1.1 基本概念 1. 串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),副回路（副

6、環(huán)）：由副變量檢測變送器、副控制器、調(diào)節(jié)閥、副對象組成 的回路。處在串級控制系統(tǒng)內(nèi)部的，在控制過程中起著 “粗調(diào)”的作用。 主回路（主環(huán)）：由副回路、主控制器、主對象、主變量檢測變送器組成 的回路，在控制系統(tǒng)中起著“細調(diào)”的作用。 一次干擾：進入主回路的干擾 二次干擾：進入副回路的干擾,第8章 提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng),8.1 串級控制系統(tǒng),8.1.1 基本概念 1. 串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),另一種方案,第8章 提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng),8.1 串級控制系統(tǒng),8.1.1 基本概念 2.串級控制系統(tǒng)的工作過程,+,-,+,+,+,+,-,1）只有二次擾動 2）只有一次擾動 3）一、二次擾動均有,使主副參數(shù)

7、同向變化 使主副參數(shù)異向變化,加熱爐串級控制系統(tǒng)工作過程,第8章 提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng),8.1 串級控制系統(tǒng),8.1.2 串級控制系統(tǒng)的特點 1. 改善過程動態(tài)特性,靜態(tài)放大系數(shù),時間常數(shù),改善過程動態(tài)特性,8.1 串級控制系統(tǒng),8.1.2 串級控制系統(tǒng)的特點,式中：,設(shè)上式中：,代入，得：,其等效系統(tǒng)與單回路系統(tǒng)相比：,取代,改善過程動態(tài)特性,8.1 串級控制系統(tǒng),8.1.2 串級控制系統(tǒng)的特點,從理論上可以證明，由于副回路的存在，可以使等效對象的時間常數(shù)大大減?。ㄖ虚g大小的時間，相當于在系統(tǒng)中增加了一個起超前作用的微分環(huán)節(jié)）因而使得系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)加快，控制更加及時，最大動態(tài)偏差得到減?。?/p>

8、與此同時，等效對象時間常數(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，減少了過渡過程的時間。即便是干擾作用于主對象，串級控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量也將比單回路控制系統(tǒng)有所改善。,副回路的引入，使整個系統(tǒng)的工作頻率有提高,代入（8.5）,圖8.7可得串級系統(tǒng)的特征方程為：,（8.5）,（8.7）,令：,特征方程式（8.7）可寫成標準形式：,（8.8）,8.1 串級控制系統(tǒng),8.1.2 串級控制系統(tǒng)的特點,2.系統(tǒng)工作頻率提高,（8.9）,特征根為：,系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，振蕩頻率為：,（8.10）,21,8.1 串級控制系統(tǒng),8.1.2 串級控制系統(tǒng)的特點,2.系統(tǒng)工作頻率提高,單回路特征方程：,（

9、8.11）,特征方程標準形式：,同理可得單回路系統(tǒng)振蕩頻率為：,（8.15）,22,8.1 串級控制系統(tǒng),8.1.2 串級控制系統(tǒng)的特點,2.系統(tǒng)工作頻率提高,若使串級控制系統(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。,串級系統(tǒng)：,單回路系統(tǒng)：,23,8.1 串級控制系統(tǒng),8.1.2 串級控制系統(tǒng)的特點,2.系統(tǒng)工作頻率提高,（8.17）,進入副回路的干擾F3(s)與副回路輸出2(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)1(s)之間的傳遞函數(shù)記為:,干擾F3(s)與被控參數(shù)1(s)之間的傳遞函數(shù)記為:,（8.19）,（8.1

10、8）,24,8.1 串級控制系統(tǒng),8.1.2 串級控制系統(tǒng)的特點,3.對二次擾動有很強的克服能力,系統(tǒng)輸入X1(s)與被控參數(shù)1(s)之間的傳遞函數(shù)記為:,干擾F3(s)與被控參數(shù)1(s)之間的傳遞函數(shù)記為:,（8.19）,（8.18）,串級控制系統(tǒng)對F3(s)抗干擾能力Jc3表示為:,（8.21）,25,8.1 串級控制系統(tǒng),8.1.2 串級控制系統(tǒng)的特點,3.對二次擾動有很強的克服能力,系統(tǒng)輸入X1(s)與被控參數(shù)1(s)之間的傳遞函數(shù)記為:,干擾F3(s)與被控參數(shù)1(s)之間的傳遞函數(shù)記為:,（8.25）,單回路控制系統(tǒng)對F3(s)抗干擾能力Jk3表示為:,圖8.12中單回路系統(tǒng)：,2

11、6,8.1 串級控制系統(tǒng),8.1.2 串級控制系統(tǒng)的特點,3.對二次擾動有很強的克服能力,（8.25）,由式（8.21）、（8.25）可得串級系統(tǒng)與單回路系統(tǒng)對進入副回路干擾F3(s)的抗干擾能力之比:,（8.21）,一般情況下，總有： Kc1Kc2K*c1,27,8.1 串級控制系統(tǒng),8.1.2 串級控制系統(tǒng)的特點,3.對二次擾動有很強的克服能力,8.1 串級控制系統(tǒng),8.1.2 串級控制系統(tǒng)的特點,4.對負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)是在一定的負荷和操作條件下，按某種質(zhì)量指標整定得到的，固定不變。而過程控制中的對象特性會隨著生產(chǎn)負荷和操作條件的改變而發(fā)生變化。

12、控制器參數(shù)只能在一個較小的工作范圍內(nèi)與對象特性相匹配，如果負荷和操作條件變化過大，超出了這個適應(yīng)范圍，控制質(zhì)量就很難保證。串級控制系統(tǒng)就不同。雖然主回路是一個定值控制系統(tǒng)，副回路卻是一個隨動系統(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)運行在新的工作點上，從而保證在新的負荷和操作條件下，控制系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量。 （2）,1、改善了控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，提高了工作頻率。,由于副環(huán)起了改善過程的動態(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。 串級控制系統(tǒng)中副回路的引入，相當于將單回路控制系統(tǒng)中包括執(zhí)行

13、器在內(nèi)的廣義象分為兩部分，一部分由副回路代替，另一部分就是主對象。所以可以把副回路看成是主回路中的一個環(huán)節(jié)，或者把副回路理解為一部分等效對象。此時，串級控制系統(tǒng)的方塊圖可簡化成如圖所示。,二、串級控制系統(tǒng)的效果分析,從理論上可以證明，由于副回路的存在，可以使等效對象的時間常數(shù)大大減?。ê透睂ο笙啾龋?，意味著對象總的時間滯后要有所縮短，（相當于在系統(tǒng)中增加了一個起超前作用的微分環(huán)節(jié)）因而使得系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)加快，控制更加及時，最大動態(tài)偏差得到減?。慌c此同時，等效對象時間常數(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，減少了過渡過程的時間。即便是干擾作用于主對象，串級控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量也

14、將比單回路控制系統(tǒng)有所改善。,一般來說，副對象的時間常數(shù)比主對象的時間常數(shù)要小，而比測量變送環(huán)節(jié)及控制閥的時間常數(shù)要大。也就是說，副對象的時間常數(shù)在系統(tǒng)中是屬于中間大小的時間常數(shù)?？梢宰C明，在一個系統(tǒng)中，中間大小的時間常數(shù)的減小，有利于提高控制質(zhì)量，提高系統(tǒng)的可控性。,2、串級控制系統(tǒng)對于進入副回路的干擾具有極強的克服能力。,副環(huán)具有快速作用，能有效的克服二次擾動的影響。 這是因為當干擾作用于副環(huán)時，在它還沒影響到主變量之前副調(diào)節(jié)器首先對干擾作用采取抑制措施，進行“粗調(diào)”，合適與否最后視主變量是否受影響來判斷，如果主變量還會受影響(不過這種影響比沒有副調(diào)節(jié)器采取抑制措施要小得多)，那么將再由主

15、控制器進行“細調(diào)”。由于這里對副環(huán)干擾有兩級控制措施，顯然控制質(zhì)量要比單回路控制系統(tǒng)一個調(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，使等效副對象的時間常數(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)較為及時地對干擾采取控制措施，因而控制質(zhì)量也會比單回路控制系統(tǒng)高。,由上分析可以看出，串級控制系統(tǒng)由于有主、副兩個調(diào)節(jié)器合力對干擾采取控制措施，因而抗干擾能力大為增強。 實踐證明，單回路控制系統(tǒng)控制質(zhì)量相比，當干擾作用于副環(huán)時，串級系統(tǒng)的質(zhì)量要高10到100倍；當干擾作用于主環(huán)時，串級系統(tǒng)的質(zhì)量也要高2到5倍。,過程控制中的對象經(jīng)常表現(xiàn)出非

16、線性，隨著生產(chǎn)負荷和操作條件的改變，對象的特性就會發(fā)生變化。而控制系統(tǒng)投運時所設(shè)定的控制器參數(shù)卻是在一定的負荷和操作條件下，按某種質(zhì)量指標整定得到的。因此，這些控制器參數(shù)只能在一個較小的工作范圍內(nèi)與對象特性相匹配，如果負荷和操作條件變化過大，超出了這個適應(yīng)范圍，控制質(zhì)量就很難保證。這個問題是單回路控制系統(tǒng)中的一個難題。但是，串級控制系統(tǒng)就不同。雖然主回路是一個定值控制系統(tǒng)，副回路卻是一個隨動系統(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)運行在新的工作點上，從而保證在新的負荷和操作條件下，控制系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量

17、。,3、由于副環(huán)的存在，使系統(tǒng)對負荷或操作的變化具有一定的適應(yīng)能力。,在串級控制系統(tǒng)中，雖然主回路是一個定值控制系統(tǒng)，副回路卻是一個隨動系統(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)運行在新的工作點上，從而保證在新的負荷和操作條件下，控制系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量。,如果對象有非線性特性存在，那么可以把它設(shè)計處于副回路之中，當操作條件或負荷發(fā)生變化時，雖然副回路的衰減比會發(fā)生一些變化，穩(wěn)定裕度會降低一些，但是，它對主回路的穩(wěn)定性影響卻很小。,串級控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍： 根據(jù)串級控制系統(tǒng)的特點和結(jié)構(gòu)，它主要適合于被控對象

18、的容量滯后或純滯后時間較大，干擾作用強而且頻繁，或者生產(chǎn)負荷經(jīng)常大范圍波動，簡單控制系統(tǒng)無法滿足生產(chǎn)工藝要求的場合。此外，當一個生產(chǎn)變量需要跟隨另一個變量而變化或需要互相兼顧時，也可采用這種結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)。 但串級控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)所需的儀表多，投運和整定相應(yīng)也復(fù)雜一些。所以，如果單回路控制系統(tǒng)能夠解決問題時，就不一定采用串級控制方案。,綜上所述，串級控制系統(tǒng)良好的控制性能歸因于： （1）對二次干擾有很強的克服能力 （2）改善了對象的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率 （3）對負荷或操作條件的變化有一定的適應(yīng)能力。,8.1.3 串級控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用,應(yīng)用于容量滯后較大的過程 應(yīng)用于純時延較

19、大的過程 應(yīng)用于擾動變化激烈的過程 應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過程 應(yīng)用于非線性的過程,4.有一定的自適應(yīng)能力,增設(shè)一個流量控制系統(tǒng),兩個系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)，無法工作。,進料,蒸汽,采出,F,zf,B,xB,LB,再沸器,精餾塔,TC,TT,FC,FT,V1,V2,應(yīng)用舉例2：精餾塔提餾段溫度控制系統(tǒng),精餾過程：將混合物料中各組分分離，達到規(guī)定的純度。 分離的機理：利用混合物中各組分的揮發(fā)度不同（沸點不同）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，從而實現(xiàn)分離。,精餾塔示意圖,進料,熱蒸汽,采出,冷凝冷卻器,F,zf,B,xB,D,xD,LB,LD,L,回流罐,回流泵,再沸器,精餾塔,

20、提餾段溫度控制系統(tǒng),進料,熱蒸汽,采出,F,zf,B,xB,LB,再沸器,精餾塔,TC,TT,如果蒸汽壓力波動比較大、比較頻繁，而塔釜容量比較大，控制將很不及時，控制效果會很差。,控制閥的蒸汽流量不僅與閥的開度有關(guān)，而且與閥前后的壓力有關(guān)。,增設(shè)一個流量控制系統(tǒng),兩個系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)，無法工作。,進料,蒸汽,采出,F,zf,B,xB,LB,再沸器,精餾塔,TC,TT,FC,FT,V1,V2,關(guān)聯(lián)情況分析,當進料量增大，提餾段溫度下降，TC開始調(diào)節(jié)，V1開度增大，蒸汽流量增大。 由于流量是個閉環(huán)系統(tǒng)，當檢測到流量增加，F(xiàn)C開始調(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，無法實現(xiàn)控制

21、。,構(gòu)成串級控制系統(tǒng),進料,蒸汽,采出,F,zf,B,xB,LB,再沸器,精餾塔,TC,TT,FC,FT,8.1.4 串級控制系統(tǒng)方案設(shè)計,1主參數(shù)的選擇和主回路的設(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)的選擇和主回路的設(shè)計，基本上按照單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計原則進行。凡直接或間接與生產(chǎn)過程運行性能密切相關(guān)并可直接測量的工藝參數(shù)，均可選作主參數(shù)。若條件許可，可以選用質(zhì)量指標作為主參數(shù)，因為它最直接也最有效。否則，應(yīng)選一個與產(chǎn)品質(zhì)量指標有單值函數(shù)關(guān)系的參數(shù)作為主參數(shù)。另外，對于選用的主參數(shù)必須具有足夠的變化靈敏度，并須符合工藝過程的合理性。,2副參數(shù)的選擇和副回路

22、的設(shè)計,（1）副參數(shù)的選擇原則,8.1.4 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計,1）副參數(shù)的變化應(yīng)反映主參數(shù)的變換趨勢、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)過程時間常數(shù)不能太大，時間滯后小，以便使等效過程時間常數(shù)顯著減小，提高整個系統(tǒng)的工作頻率，加快控制過程反映速度，改善系統(tǒng)控制品質(zhì)。,（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變特性的環(huán)節(jié)包含于副回路中。,8.1.4 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計,2副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計,常用的串級控制系統(tǒng)：溫度+流量、溫度+壓力、液位+流量、

23、溫度+溫度等。,（3）主、副回路時間常數(shù)的適當匹配,在選擇副變量時，應(yīng)注意使主、副回路中控制過程的時間常數(shù)之比為310，以減少主、副回路的動態(tài)聯(lián)系，避免“共振”。,在副回路設(shè)計時，如果有幾種可供選擇的控制方案，則應(yīng)同時把經(jīng)濟性原則和控制品質(zhì)要求結(jié)合起來，進行分析比較，在滿足系統(tǒng)設(shè)計要求的前提下，力求節(jié)約。,（5）副回路設(shè)計時應(yīng)同時考慮經(jīng)濟性原則,（4）副回路設(shè)計應(yīng)考慮生產(chǎn)工藝的合理性,應(yīng)考慮和滿足生產(chǎn)工藝要求，所設(shè)置的系統(tǒng)是否會影響到工藝過程的正常運行。,（4）副回路設(shè)計應(yīng)考慮生產(chǎn)工藝的合理性,應(yīng)考慮和滿足生產(chǎn)工藝要求，所設(shè)置的系統(tǒng)是否會影響到工藝過程的正常運行。,在副回路設(shè)計時，如果有幾種可

24、供選擇的控制方案，則應(yīng)同時把經(jīng)濟性原則和控制品質(zhì)要求結(jié)合起來，進行分析比較，在滿足系統(tǒng)設(shè)計要求的前提下，力求節(jié)約。,8.1.4 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計,2副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計,3串級控制系統(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)保證大于主要擾動通道的放大系數(shù)，以實現(xiàn)對主要 擾動進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，即時間 常數(shù)適當小一些。 （4）選擇控制參數(shù)應(yīng)同時考慮經(jīng)濟性與工藝上的合理性 。,8.1.4 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計,4主、副控制器控制規(guī)律的選擇,主控制器起定值控制

25、作用、副控制器起隨動控制作用。,8.1.4 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計,主調(diào)節(jié)器通常選用PI調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)主變量的無差控制。 當控制通道容量滯后比較大時，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)。,主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇原則： 依然是使整個系統(tǒng)構(gòu)成負反饋。,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、氣關(guān)形式； 然后按照副回路構(gòu)成負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 串級控制系

26、統(tǒng)的設(shè)計,8.1.5 串級控制系統(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，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)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 路作為一個等效環(huán)節(jié)，這樣，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)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)量已達到工藝要求，整

27、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，直到滿足質(zhì)量指標要求為止。,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2s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2s上，把副回路作 為主回路中的一個環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，

28、求取主調(diào)節(jié)器的比 例度1s和操作周期T1s。 （3）根據(jù)求得的1s、T1s，2s、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)節(jié)器的比例度、積分時間T1和微分時 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)，再觀察過渡過程曲線，必要時進行適當調(diào)整，直到 系統(tǒng)質(zhì)量達到最佳為止。,8.1.5 串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定,3一步整定法,一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗先確定副調(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)：串級控制系統(tǒng)可以等價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

29、 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，根據(jù),式中， 為純比例作用下，產(chǎn)生4：1衰減比過程的總放大系數(shù)。,這一關(guān)系式，,通過副過程放大系數(shù) ，求取副調(diào)節(jié)器比例放大系數(shù) ，或按經(jīng) 驗選取。,8.1.5 串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定,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）觀察控制過程，根據(jù) 與 互相匹配的原理，適當調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù)，使主參數(shù)品質(zhì)指標最佳。 （4）在調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定過程中，若出現(xiàn)“共振”，只要加大主、副調(diào)節(jié)器中任何一個調(diào)節(jié)器的參

30、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”時略大的數(shù)值上，重新整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。,應(yīng)用舉例,例 某工廠在石油裂解氣冷卻系統(tǒng)中，通過液態(tài)丙烯的氣化來 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2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1s30%，TI13min。 （3）按4：1衰減曲線法的經(jīng)

31、驗公式計算主調(diào)節(jié)器參數(shù)，即 20.81s0.830%24% TI10.3 TI1s=0.33=0.9min Td10.1 TI1s=0.13=0.3min 副調(diào)節(jié)器的比例度240%。 （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 計算求得的數(shù)值上，使系統(tǒng)投入運行，實踐證明，系統(tǒng)主參數(shù)穩(wěn)定， 完全滿足工程要求。,例 在硝酸生產(chǎn)過程中，有一個氧化爐與氨氣流量的串級控制 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過 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)計時，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

32、運行條件下，主、副調(diào)節(jié)器均置于純比例作用， 主調(diào)節(jié)器的比例度置于100%上，用4：1衰減曲線法整定副調(diào)節(jié)器參 數(shù)，得2s32%，T2s15s。 （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1s50%，T17min。 （3）根據(jù)上述求得的各參數(shù)，運用4：1衰減曲線法整定計算公式， 計算主、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11.21s60% 積分時間T10.5T1s3.5min 副調(diào)節(jié)器（流量調(diào)節(jié)器）： 比例度22s32%。 （4）把上述計算的參數(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，并使串級控制系

33、統(tǒng)在該參數(shù)下運行。,【例1】某聚合反應(yīng)釜內(nèi)進行放熱反應(yīng)，釜溫過高會發(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、溫度波動較大，故設(shè)置控制系統(tǒng)如圖所示。 這是什么類型的控制系統(tǒng)？試畫出其框圖，說明其主變量和副變量是什么； 選擇調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式； 選擇控制器的正、反作用；,選擇主、副控制器的控制規(guī)律； 如主要干擾是冷卻水的溫度波動，試簡述其控制過程； 如主要干擾是冷卻水的壓力波動，試簡述其控制過程，并說明這時可如何改進控制方案，以提高控制質(zhì)量。,8.1.6 串級控制系統(tǒng)實例分析,【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干燥物料。夾套內(nèi)通入的

34、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,但過高會使物料的物性發(fā)生變化，這是不允許的，因此要求對干燥溫度進行嚴格控制。 如果蒸汽壓力波動是主要干擾，應(yīng)采用何種控制方案？為什么？試確定這時控制閥的氣開、氣關(guān)形式與控制器的正、反作用。,如果冷水流量波動是主要干擾，應(yīng)采用何種控制方案？為什么？試確定這時控制器的正、反作用和控制閥的氣開、氣關(guān)形式。 如果冷水流量與蒸汽壓力都經(jīng)常波動，應(yīng)采用何種控制方案？為什么？試畫出這時的控制流程圖，確定控制器的正、反作用。,8.1.6 串級控制系統(tǒng)實例分析,【例3】精餾塔溫度一流量串級控制系統(tǒng)。工藝要求塔內(nèi)溫度穩(wěn)定

35、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)。 畫出控制系統(tǒng)組成的框圖。 選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性及確定氣開、氣關(guān)形式 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 串級控制系統(tǒng)實例分析,【例4】對于圖所示的加熱器串級控制系統(tǒng)。 畫出該控制系統(tǒng)框圖，并說明主變量、副變量分別是什么。主控制器、副控制器分別是什么。 若工藝要求加熱器溫度不能過高，否則易發(fā)生事故，試確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式。 確定主、副控制器的正、反作用。 當蒸汽壓力突然增加時，簡述該控制系統(tǒng)的控制過程。 當冷物料流量突然加大時，簡述該控制系統(tǒng)的控制過程。,8.1.6 串級控制系統(tǒng)實例分析,【例5】造紙廠網(wǎng)前箱溫度串

36、級控制,混合器,T1C,T1T,T2T,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,72C,61C,90s,T2C,8.1.6 串級控制系統(tǒng)實例分析,紙漿用泵從儲槽送至混合器，在混合器內(nèi)用蒸汽加熱至72度，經(jīng)過立篩、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1度。 若采用單回路，由于從混合器到網(wǎng)前箱純滯后達90秒，不能滿足工藝要求。,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)成串級控制系統(tǒng)，把紙漿流量波動包括在副回路中。 注意：副回路盡量少包括或不包括純滯后。,第7章 單回路

37、控制系統(tǒng)設(shè)計 8.1 串級控制系統(tǒng)設(shè)計 都是負反饋，當擾動發(fā)生時，通過檢測擾動引起的被控參數(shù)偏差進行調(diào)節(jié)。所以負反饋進行擾動調(diào)節(jié)時，輸出必然有波動，即已經(jīng)被擾動影響。 有沒有這樣一種控制，當干擾一出現(xiàn)，在其影響輸出量之前，就進行抑制，從而對輸出沒有影響？,8.2 前饋控制系統(tǒng),此控制具有以下特征： 在擾動影響輸出之前進行調(diào)節(jié)。 直接測量擾動大小，通過調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對擾動的完全補償，從而消除擾動對被控參數(shù)的影響。 前饋控制就是測量擾動，補償擾動的控制。,8.2 前饋控制系統(tǒng),1. 反饋控制的本質(zhì)是“基于偏差來消除偏差”?；蛘哒f以“偏差”為控制依據(jù)； 2. 反饋控制總是滯后于擾動，是一種“不及時”的控

38、制； 3. 反饋的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，存在穩(wěn)定性問題； 4. 反饋控制可消除閉環(huán)內(nèi)的所有擾動對被控參數(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，整定容易。,反饋控制的特點：,8.2 前饋控制系統(tǒng),反饋的本質(zhì)是“基于偏差來消除偏差”。如果沒有偏差出現(xiàn)，也就沒有控制作用了。,無論擾動發(fā)生在哪里，總有等到引起被控量發(fā)生偏差后，調(diào)節(jié)器才動作，故調(diào)節(jié)器的動作總是落后于擾動作用的發(fā)生，是一種“不及時”的控制。,反饋控制系統(tǒng)，因構(gòu)成閉環(huán)，故存在一個穩(wěn)定性的問題。即使組成閉環(huán)系統(tǒng)的每一個環(huán)節(jié)都是穩(wěn)定的，閉環(huán)系統(tǒng)是否穩(wěn)定，仍然需要作進一步的分析。,引起被控量發(fā)生偏差

39、的擾動，均被包圍在閉環(huán)內(nèi)，故反饋控制可消除多種擾動對被控量的影響。,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。,8.2.1 前饋控制原理 1.前饋與反饋,8.2 前饋控制系統(tǒng),Feedforward control,控制原理： 根據(jù)冷物料流量 f (t) 的變化，通過一個前饋控制器 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)之間的兩個通道 1）通過干擾通道去影響被控參數(shù) 2）經(jīng)過測量環(huán)節(jié)、前饋控制器和調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生控制作用，再經(jīng)過控制通道去影響被控參數(shù)。,8.2 前饋控制系統(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) + W

40、FF(s)W0(s),式中，Wf (s) 為過程擾動通道的傳遞函數(shù)； W0 (s)為過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)。,若適當選擇前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)WFF (s)，可以使擾動F(s)對被控參數(shù)Y(s)不產(chǎn)生影響，即實現(xiàn)完全補償。,當F(s) 0時，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) 取決于過程擾動通道的特性Wf(s)和過程控制通道的特性W0(s)，式中負號表示控制作用與擾動作用方向相反。,8.2 前饋控制系統(tǒng),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

41、擾動量完全無關(guān)， 或在一定準確度下無關(guān)。,8.2 前饋控制系統(tǒng),按照控制系統(tǒng)輸出參數(shù)與輸入?yún)?shù)的不變性程度，可分為以下幾種類型： 1絕對不變性 2穩(wěn)態(tài)不變性 3不變性,8.2 前饋控制系統(tǒng),1絕對不變性,被控量Y(t)在擾動量N(t)作用下，過渡過程中始終不變。即靜態(tài)偏差和動態(tài)偏差都為0。,前饋控制,前饋控制方框圖,Y1(s),8.2 前饋控制系統(tǒng),前饋控制,前饋控制方框圖,前饋控制系統(tǒng)補償過程,y1(t)+ y2(t)=0,1絕對不變性,被控量Y(t)在擾動量N(t)作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差與擾動無關(guān)。即靜態(tài)偏差為0，動態(tài)偏差不為0。,2.穩(wěn)態(tài)不變性,3不變性,被控量Y(t)在擾動量N(t)作

42、用下，系統(tǒng)偏差小于一個小量，用表示。,前饋控制特點：,1.前饋控制是一種按擾動大小進行的控制，即以“擾動”為控制依據(jù)； 2.前饋控制是一種及時的控制； 3.前饋控制是一種開環(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“一個可測而不可控”的擾動對被控參數(shù)的影響指定性補償； 5.前饋調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律是由對象過程特性決定。,前饋控制是減少被控參數(shù)動態(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 ， 組成前饋-反饋控制系統(tǒng)。,8.2 前饋控制系統(tǒng),前饋控制是“基于擾動來消除擾動對被控變量的影響”，故前饋控制又稱為“

43、擾動補償”。,擾動發(fā)生后， 前饋控制器“及時”動作，對抑制被控量由于擾動引起的動、靜態(tài)偏差比較有效。,前饋控制屬于開環(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。,只適用于克服可測而不可控的擾動，而對系統(tǒng)中的其他擾動無抑制作用，因此，前饋控制具有指定性補償?shù)木窒扌浴?前饋控制的控制規(guī)律，取決于被控對象的特性。因此，往往控制規(guī)律比較復(fù)雜。,（1）可測：擾動量可以通過測量變送器，在線地將其轉(zhuǎn)換為前饋補償器所能接受的信號。 （2）不可控：擾動量與控制量之間的相互獨立性，即控制通道的傳遞函數(shù)與擾動通道的傳遞函數(shù)無關(guān)聯(lián)，從而控制量無法改變擾動量的大小。,前饋與反饋控制的比較,8.2 前饋控制

44、系統(tǒng),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)前饋控制器是一個比例環(huán)節(jié)。,P191 例題！,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)器的輸出量僅僅是其輸入量的 函數(shù)，與時間因子無關(guān)?？刂埔?guī)律具有比例特性：,WFF(s),KF,其大小可根據(jù)過程擾動通道的靜態(tài)放大系數(shù)和過程控制通道的靜態(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。不考慮由于過程擾動通道的時間常數(shù)和控制 通道的時間常數(shù)不同，在過渡過程中所產(chǎn)生的動態(tài)偏

45、差。 靜態(tài)前饋控制簡單，一般不需專用前饋調(diào)節(jié)器，而用DDZ儀表中的 比例調(diào)節(jié)器或比值器就能滿足使用要求。在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，尤其 當過程擾動通道與控制通道的時延相差不大時，設(shè)計和應(yīng)用靜態(tài)前饋控 制，可獲得較高的控制精度。,2動態(tài)前饋控制系統(tǒng),動態(tài)前饋 Wff(s)滿足絕對不變性： 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)的動態(tài)偏差接近或等于零。當需要嚴格控 制動態(tài)偏差時，就要采用動態(tài)前饋控制。 動態(tài)前饋控制必須根據(jù)過程擾動通道和控制通道的動態(tài)特性， 采用專用的前饋調(diào)節(jié)器。由于工業(yè)過程數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，實際上動 態(tài)前饋補償是有限的，常規(guī)儀表難以實現(xiàn)完全補償。當運用計

46、算 機實現(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 饋補償，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)合在一道使用的，可 更好提高其控制品質(zhì)。但是動態(tài)前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜， 系統(tǒng)的運行和參數(shù)整定亦較復(fù)雜，而且需要一套專用的控制裝置， 當然系統(tǒng)的控制品質(zhì)較高。所以，當工藝要求控制品質(zhì)很高時， 才使用動態(tài)前饋控制方案。,8.2.2 前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式,3. 前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng),單純前饋控制的存在問題： (1) 補償效果無法檢驗：單純前饋不存在被控變量的反饋，補償效果沒有檢驗的手段，前饋作用并沒有最后消除偏差時，系統(tǒng)無法得知這一信息而作進一步的校正。 （2）多

47、個干擾成本大：由于工業(yè)對象存在多個干擾，勢必要設(shè)置多個前饋控制通道，因而增加了投資費用和維護工作量。 （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，對象特性要受到負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,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)對輸出Y(s)的影響為 :,要實現(xiàn)對擾動F(s)的完全補償：,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,優(yōu)點： 1）有利于對主要干擾進行前饋補

48、償和對其他干擾進行反饋調(diào)節(jié)，保證控制精度。 2）由于增加了反饋控制回路，降低了對前饋控制器的精度要求，有利于簡化前饋控制器的設(shè)計與實現(xiàn)，具有一定自適應(yīng)能力。 3）既可以實現(xiàn)高精度控制，又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，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,前饋反饋控制系統(tǒng)優(yōu)點：,（1）由于增加了反饋回路，只需對主要的干擾進行前饋補償，其它干擾可由反饋控制予以校正，大大簡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）負荷變化時，模型特性也要變化，可由反饋控制加以補償，因此系統(tǒng)具有一定自適應(yīng)能力。

49、（4）當前饋信號加在反饋信號之前時，前饋控制器特性不僅與擾動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)）,共同點：測取對象的兩個參數(shù)，采用兩個調(diào)節(jié)器， 在結(jié)構(gòu)形式上具有一定的共性兩個回路。,不同點： 1.串級：由內(nèi)、外兩個反饋回路組成。 前饋-反饋：一個反饋回路和一個開環(huán)補償回路疊加而成。,2.串級：副參數(shù)是反映主參數(shù)的中間變量，控制作用對它 產(chǎn)生明顯的調(diào)節(jié)效果。 前饋-反饋：前饋輸入量是對主參數(shù)有顯著影響的干擾量， 是完全不受控制作用的獨立變量不可控。,3.前饋調(diào)節(jié)器與串級中的副調(diào)節(jié)器擔負著不同的功能。,4前饋-串級控制系統(tǒng),8.2.2 前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式,c,

50、加熱爐的兩種控制系統(tǒng),（a）串級控制系統(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-串級控制系統(tǒng),8.2.2 前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式,設(shè)計錯誤的串級控制系統(tǒng),上圖所示的系統(tǒng)方框圖,加熱爐的兩種控制系統(tǒng),4前饋-串級控制系統(tǒng),8.2.2 前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式,4前饋-串級控制系統(tǒng),對于圖8.28所示的前饋-反饋控制系統(tǒng)增加一個蒸汽流量回路。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-串級控制系統(tǒng)，其方框圖見圖8.29所示。,圖8.29 前饋-串級控制系統(tǒng)框圖,8.2.2 前饋控制

51、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式,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),即：,小結(jié)：無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)均可表示為對象的干擾通道與控制通道的特性之比。,4前饋-串級控制系統(tǒng),8.2.2 前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式,3. 前饋-串級控制系統(tǒng),8.2.3 前饋控制規(guī)律及其實施,1控制規(guī)律,過程控制通道特性：,W0(s),擾動通道特性：,Wf(s),則前饋調(diào)節(jié)器為：,WFF(s),=,=KF,式中KFK2/ K1 = 21,當1=2時有：,WFF(s)KF,當1=2，T1=T2時有：,WFF(s)KF,因此，前饋調(diào)節(jié)器的模型有三種

52、形式：,KF；,KF,KF,2模擬儀表實施,(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)過程控制通 道和擾動通道的靜態(tài)放大系數(shù)來決定。應(yīng)用這種模型的前饋控 制系統(tǒng)稱為靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)。可以用比例調(diào)節(jié)器等常規(guī)儀表 來實現(xiàn)。,(2) 型前饋調(diào)節(jié)器：,WFF(s)KF,這是一種動態(tài)前饋模型， 當T1T2時，其傳遞函數(shù)表現(xiàn) 為微分特性，當T1T2時，其 傳遞函數(shù)表現(xiàn)為時延特性，也 稱為反微分特性，見圖7-9。,圖7-9 微分時延特性曲線,圖7-10 微分時延特性實施框圖,該動態(tài)前饋模型的實現(xiàn)裝置如圖7-10,(3) 型前饋調(diào)節(jié)器：,WFF(s)KF,這是一種動態(tài)前饋

53、模型。其特性實際上是比例特性、動態(tài)微分特 性與純時延特性的串聯(lián)。,此模型的實現(xiàn)只要采用在前面介紹的實現(xiàn)KF 型模型裝置 的后面串聯(lián)一個能實現(xiàn)e-s型模型的環(huán)節(jié)即可。,3數(shù)字儀表實施,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，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)=HF(k+1df)a1F(kdf),式中：H= KF,；a21,；a11,四、前饋控制系統(tǒng)設(shè)計,1設(shè)計思路 控制方案設(shè)計的一般程序為： （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

54、化設(shè)計的要求， 了解現(xiàn)場工藝設(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)問題和提出問題； （2）設(shè)計方案 要對已有的自動化方案認真地進行調(diào)查、分析比較，據(jù)此提出 新的設(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)包括安全保護、自動檢測、自動開 車、停車等內(nèi)容。,2注意因素,（1）前饋控制規(guī)律,1）當ToTf時，由于控制通道很靈敏，克服擾動的能力強，因此， 一般只要采用反饋控制就可達到滿意的控制質(zhì)量要求，不必采 用前饋控制。 2）當ToTf時，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To

55、Tf時，可采用動態(tài)前饋反饋控制來改善控制品質(zhì)。 4）當f0時，則前饋調(diào)節(jié)器控制規(guī)律應(yīng)修改為:,KF,5) 當0f時，不能采用前饋補償。,（2）系統(tǒng)穩(wěn)定性： 對任一過程控制系統(tǒng)，能正常運行的必要條件是必須穩(wěn)定。 由于前饋控制是開環(huán)控制，所以確定控制方案時，必須重視穩(wěn) 定性問題。,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，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,對于前饋裝置的傳遞函數(shù)：,目標：確定靜態(tài)參數(shù)KF和動態(tài)參數(shù)T1、T2,1. 靜態(tài)參數(shù)KF的整定,（1）開環(huán)整定法,KF,（2）閉環(huán)整定法,圖7-11 閉環(huán)整定法框圖,如

56、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。,2. 、 值整定,由前饋調(diào)節(jié)器的動態(tài)模型可知，T1、T2是決定動態(tài)補償程度的。 當T1T2時，前饋調(diào)節(jié)器在動態(tài)過程中起超前作用；反之，當T1T2 時，則起時延作用。 在工程整定時，首先應(yīng)估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值的大小，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。,8.2.5 前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用,選用原則：,1.對象控制通道的容量滯后和純滯后較大，反饋控制難以滿足 工藝要求時，可以采用前饋控制。,2.系統(tǒng)中存在著可測、不可控、變化頻繁、幅值大且對被控參數(shù)影響顯著的干擾，

57、采用前饋可大大提高控制品質(zhì)。,4.經(jīng)濟性原則。由于動態(tài)前饋的設(shè)備投資高于靜態(tài)前饋， 所以，若靜態(tài)前饋能達到工藝要求時，即選用靜態(tài)前饋。 當對象的干擾通道與控制通道的時間常數(shù)相當時，用靜態(tài) 前饋即可獲得滿意的控制品質(zhì)。,3.主要擾動無法包含在副回路中時。,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與水沸點之溫差有較好的單值對應(yīng)關(guān)系，故以溫差為間接質(zhì)量指標作為被控參數(shù)以反映濃度的高低。,控制方案：蒸汽流量為前饋信號、溫差為反饋信號、進料溶液為控制參數(shù)的前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。

58、,干擾因素：進料溶液濃度、溫度、流量，加熱蒸汽壓力、流量。,進料,8.2.5 前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用,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)酵的方法進行。培養(yǎng)基是用糧食、油料等粉劑和水制成，在它進入發(fā)酵罐接種之前必須進行滅菌消毒。 過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?shù)臏囟?，方能接種發(fā)酵。這種消毒方法的操作周期很長。,8.2.5 前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用,為了改進上述消毒時間過長的缺點，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度然后進入維持罐停留保溫15分鐘，以便充分滅菌，再經(jīng)排管冷