第六章 提高控制品質(zhì)的控制系統(tǒng)

1、 影響爐出口溫度的因影響爐出口溫度的因 素很多，主要有：被素很多，主要有：被 加熱物料的流量和初加熱物料的流量和初 溫溫f f1 1(t)(t)；燃燒壓力的；燃燒壓力的 波動、流量的變化、波動、流量的變化、 燃料熱值的變化燃料熱值的變化f f2 2(t)(t)； 煙囪抽力變化煙囪抽力變化f f3 3(t)(t)等等 等等 TCTT TCTT 被加熱物料被加熱物料 被加熱物料被加熱物料 燃料燃料 燃料燃料 (a) (b) 1串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 為滿足生產(chǎn)工藝要求，可以為滿足生產(chǎn)工藝要求，可以爐出口溫度爐出口溫度為主為主 被控數(shù)，取被控數(shù)，取爐膛溫度為中間輔助變量爐膛溫度為中間輔助變

2、量(它能它能 較早地反映擾動的影響，使調(diào)節(jié)器及時動作，較早地反映擾動的影響，使調(diào)節(jié)器及時動作， 而不影響被控參數(shù)的穩(wěn)定值而不影響被控參數(shù)的穩(wěn)定值)。一種可能的。一種可能的 結(jié)構(gòu)就是所謂結(jié)構(gòu)就是所謂串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)，如圖，如圖62所示。所示。 T2CT2T T1CT1T 燃料燃料 被加熱物料被加熱物料 圖圖63中，兩只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作，中，兩只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作，爐出口溫度調(diào)節(jié)器爐出口溫度調(diào)節(jié)器T1的輸?shù)妮?出作為爐膛溫度調(diào)節(jié)器出作為爐膛溫度調(diào)節(jié)器T2的給定值的給定值，這樣的系統(tǒng)就稱為串級控制，這樣的系統(tǒng)就稱為串級控制 系統(tǒng)，其方框圖由圖系統(tǒng)，其方框圖由圖63所示。所示。 X1(s)

3、Z1(s) W1(s)W2(s)Wv(s) X2(s) W02(s)W01(s) Wm2(s) Wm1(s) Y1(s) F3(s)F2(s)F1(s) Y2(s) Z2(s) 2 2串級控制系統(tǒng)名詞術(shù)語串級控制系統(tǒng)名詞術(shù)語 主被控參數(shù)主被控參數(shù)y1：在串級控制系統(tǒng)中起主導作用的那個被控參數(shù)，在串級控制系統(tǒng)中起主導作用的那個被控參數(shù)， 如上例中的爐出口溫度。如上例中的爐出口溫度。 副被控參數(shù)副被控參數(shù)y2：在串級控制系統(tǒng)中為了穩(wěn)定主被控參數(shù)而引在串級控制系統(tǒng)中為了穩(wěn)定主被控參數(shù)而引 入的中間輔助變量，如上例中的爐膛溫度。入的中間輔助變量，如上例中的爐膛溫度。 主被控過程主被控過程：由主參數(shù)表征

4、其特性的生產(chǎn)過程，主回路所包含：由主參數(shù)表征其特性的生產(chǎn)過程，主回路所包含 的過程，是整個過程的一部分，圖的過程，是整個過程的一部分，圖63中用中用W01(s)表示，其輸入表示，其輸入 為副被控參數(shù)，輸出為主被控參數(shù)。圖中的管壁和被加熱物料為為副被控參數(shù)，輸出為主被控參數(shù)。圖中的管壁和被加熱物料為 主被控過程。主被控過程。 副被控過程：副被控過程：由副被控參數(shù)由副被控參數(shù)(爐膛溫度爐膛溫度)為輸出的生產(chǎn)過程，副為輸出的生產(chǎn)過程，副 回路所包含的過程是整個過程的另一部分，圖回路所包含的過程是整個過程的另一部分，圖63中用中用W02(s)表表 示，其輸入為控制參數(shù)。示，其輸入為控制參數(shù)。 主調(diào)節(jié)器

5、：主調(diào)節(jié)器：按主參數(shù)的測量值與給定值的偏差進行工作的調(diào)節(jié)按主參數(shù)的測量值與給定值的偏差進行工作的調(diào)節(jié) 器，其輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，圖器，其輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，圖63中用中用W (s)表示。 表示。 副調(diào)節(jié)器：副調(diào)節(jié)器：按副參數(shù)的測量值與主調(diào)節(jié)器輸出的偏差進行工作按副參數(shù)的測量值與主調(diào)節(jié)器輸出的偏差進行工作 的調(diào)節(jié)器，其輸出直接控制調(diào)節(jié)器動作。圖的調(diào)節(jié)器，其輸出直接控制調(diào)節(jié)器動作。圖64中用中用W2(s)表示。表示。 副回路：副回路：由副調(diào)節(jié)器、副被控過程、副測量變送器由副調(diào)節(jié)器、副被控過程、副測量變送器(圖圖63中用中用 Wm2(s)表示表示)等組成的閉合回路。等組成的閉合回路。 主

6、回路：主回路：由主調(diào)節(jié)器由主調(diào)節(jié)器W1(s)、副回路、主被控過程及主測量變送、副回路、主被控過程及主測量變送 器器(圖圖63中用中用Wm1(s)表示表示)等組成的閉合回路。等組成的閉合回路。 一次擾動：一次擾動：作用在主被控過程上的、而不包括在副回路范圍內(nèi)作用在主被控過程上的、而不包括在副回路范圍內(nèi) 的擾動。如圖的擾動。如圖62中的被加熱物料流量及初溫變化，圖中的被加熱物料流量及初溫變化，圖63中用中用 F1(s)表示。表示。 二次擾動：二次擾動：作用在副被控過程上，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾作用在副被控過程上，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾 動。如圖動。如圖62中燃料壓力、流量、熱值變化以及煙囪抽力

7、變化等，中燃料壓力、流量、熱值變化以及煙囪抽力變化等， 圖圖63中用中用F2(s)、F3(s)表示。表示。 3 3串級控制系統(tǒng)的工作過程串級控制系統(tǒng)的工作過程 當生產(chǎn)過程處在穩(wěn)定工況時，被加熱物料的流量和溫度不變，燃當生產(chǎn)過程處在穩(wěn)定工況時，被加熱物料的流量和溫度不變，燃 料的流量與熱值不變，煙囪抽力也不變，爐出口溫度和爐膛溫度料的流量與熱值不變，煙囪抽力也不變，爐出口溫度和爐膛溫度 均處于相對平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥保持一定的開度，此時爐出口溫度均處于相對平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥保持一定的開度，此時爐出口溫度 穩(wěn)定在給定值上。穩(wěn)定在給定值上。 當擾動破壞了平衡工況時，串級控制系統(tǒng)使開始了其控制過程。當擾動破

8、壞了平衡工況時，串級控制系統(tǒng)使開始了其控制過程。 須根據(jù)不同擾動，分情況討論。須根據(jù)不同擾動，分情況討論。 下面列舉了三種情況：下面列舉了三種情況： （1）二次擾動來自燃料壓力，熱值）二次擾動來自燃料壓力，熱值F2(s)和煙囪抽力和煙囪抽力 F3(s)。 （2）一次擾動來自被加熱物料的流量和初溫一次擾動來自被加熱物料的流量和初溫F1(s)。 （3 3）一次擾動和二次擾動同時存在：如果一、二次擾動）一次擾動和二次擾動同時存在：如果一、二次擾動 的作用使主、副被控參數(shù)同時增大或同時減小時，主、副的作用使主、副被控參數(shù)同時增大或同時減小時，主、副 調(diào)節(jié)器對調(diào)節(jié)閥的控制方向是一致的。調(diào)節(jié)器對調(diào)節(jié)閥的控

9、制方向是一致的。 w 結(jié)論：串級控制中副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)” 的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細調(diào)”的作用， 從而使控制品質(zhì)得到進一步提高。 與單回路控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)用一個閉合的副回路，與單回路控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)用一個閉合的副回路， 代替了原來的一部分過程代替了原來的一部分過程W02(s)，把副回路寫成，把副回路寫成W02(s)，則串級，則串級 控制系統(tǒng)可簡化為圖控制系統(tǒng)可簡化為圖64所示的等效單回路系統(tǒng)所示的等效單回路系統(tǒng)W02(s)W01(s)為為 等效過程，由圖等效過程，由圖6 3可寫出：可寫出： )()()()(1 )()()( )( )( )( 2022 022 2 2 02

10、sWsWsWsW sWsWsW sX sY sW mv v X1(s) W1(s)W02(s)W01(s) Wm1(s) Z1(s) X2(s)Y2(s) F1(s) 設(shè)設(shè) 22 22 02 02 02 )(,)( )(, 1 )( mmvv KsWKsW KsW sT K sW 則則 2 02 02 2 02 02 2 02 1 1 1 )( mv v K sT K KK sT K KK sW 經(jīng)整理后可得經(jīng)整理后可得 1 )( 02 02 02 sT K sW 式中：式中： 2022 02 02 2022 022 02 1 1 mv mv v KKKK T T KKKK KKK K 將將W

11、02(s)與與W02(s)比較，可見比較，可見 02 02 02 02 TT KK 串級控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)多一個副回路。對于進入副回串級控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)多一個副回路。對于進入副回 路的擾動，串級控制系統(tǒng)比在相同條件下的單回路控制系統(tǒng)具路的擾動，串級控制系統(tǒng)比在相同條件下的單回路控制系統(tǒng)具 有較強的抗擾動能力。有較強的抗擾動能力。 圖圖65中，擾動中，擾動F2(s)作用于副回路，在擾動作用于副回路，在擾動F2(s)作用下，副回作用下，副回 路的傳遞函數(shù)路的傳遞函數(shù) )()()()(1 )()( )( )( )( 2022 02 2 2 * 02 sWsWsWsW sWsW sF s

12、Y sW mv v X1(s) Z1(s) W1(s)W2(s)Wv(s)W02(s)W01(s) Wm1(s) Wm2(s) X2(s) F2(s) Y2(s)Y1(s) 為了便于分析問題，將圖為了便于分析問題，將圖65等效為圖等效為圖66的形式。的形式。 X1(s) Z1(s) W1(s)W2(s) F2(s) Wm1(s) W01(s) Y1(s) )( * 02 sW 在給定信號在給定信號X1(s)作用下的傳遞函數(shù)作用下的傳遞函數(shù) )()()()()(1 )()()()( )( )( 101 * 0221 01 * 0221 1 1 sWsWsWsWsW sWsWsWsW sX sY

13、m 在擾動作用下的傳遞函數(shù)在擾動作用下的傳遞函數(shù) )()()()()(1 )()( )( )( 101 * 0221 01 * 02 2 1 sWsWsWsWsW sWsW sF sY m 對于圖對于圖6-5所示的串級控制系統(tǒng)，其抗擾動的能力可用下式表示：所示的串級控制系統(tǒng)，其抗擾動的能力可用下式表示： )()( )( )( )( )( 21 2 1 1 1 sWsW sF sY sX sY 若串級控制系統(tǒng)中的主、副調(diào)節(jié)器均采用純比例作用，其比例放若串級控制系統(tǒng)中的主、副調(diào)節(jié)器均采用純比例作用，其比例放 大系數(shù)分別為大系數(shù)分別為K1、K2則式則式(68)可以寫成可以寫成 21 21 11 )(

14、)( )()( KK sFsY sXsY 串級控制系統(tǒng)中主、副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)的串級控制系統(tǒng)中主、副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)的乘積越大乘積越大，則串級控，則串級控 制系統(tǒng)制系統(tǒng)抗擾動的能力就越強抗擾動的能力就越強，因此主參數(shù)的控制質(zhì)量就越高。，因此主參數(shù)的控制質(zhì)量就越高。 下面用同樣方法來分折在相同條件下單回路控制系統(tǒng)約抗擾動能力。下面用同樣方法來分折在相同條件下單回路控制系統(tǒng)約抗擾動能力。 圖圖67所示為相同條件下的單回路控制系統(tǒng)方框。所示為相同條件下的單回路控制系統(tǒng)方框。 在給定信號在給定信號x(t)作用下的傳送函數(shù)為作用下的傳送函數(shù)為 )()()()()(1 )()()()( )( )( 010

15、2 0102 sWsWsWsWsW sWsWsWsW sX sY mv v X(s) Z(s) Wv(s)W02(s) W01(s) Wm(s) F2(s) Y(s) )( sW 在擾動在擾動f2(t)作用下的傳遞函數(shù)為作用下的傳遞函數(shù)為 )()()()()(1 )()()( )( )( 0102 0102 2 sWsWsWsWsW sWsWsW sF sY mv v 單回路控制系統(tǒng)的抗擾動能力為單回路控制系統(tǒng)的抗擾動能力為 )( )()( )()( 2 sW sFsY sXsY 設(shè)單回路控制系統(tǒng)采用比例調(diào)節(jié)器，其比例放大系數(shù)為設(shè)單回路控制系統(tǒng)采用比例調(diào)節(jié)器，其比例放大系數(shù)為K，則式，則式 （

16、6-12）可寫成為）可寫成為 2 )()( )()( K sFsY sXsY 同理，單回路控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)越大，則系統(tǒng)抗擾同理，單回路控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)越大，則系統(tǒng)抗擾 動能力越強，質(zhì)量控制質(zhì)量越高。動能力越強，質(zhì)量控制質(zhì)量越高。 比較式比較式(69)與式與式(613)，在一般情況下，有，在一般情況下，有 21 KKK 串級控制系統(tǒng)的特征方程為串級控制系統(tǒng)的特征方程為 0)()( )( )( )(1 101 2 2 1 sWsW sX sY sW m 假設(shè)假設(shè) 1111 01 01 01 )(;)(; 1)( )( mm KsWKsW sT K sW 副回路的傳遞函數(shù)同前

17、，將以上各傳遞函數(shù)代入式副回路的傳遞函數(shù)同前，將以上各傳遞函數(shù)代入式(6-15)可得可得 0 11 1 1 01 01 02 02 1 m K sT K sT K K 經(jīng)整理后為經(jīng)整理后為 0 1 0201 101 021 0201 02012 TT KKKK s TT TT s m 令令 0201 101 0212 0 0201 0201 0 1 2 TT KKKK TT TT m 則串級控制系統(tǒng)的特征方程式可寫成如下的標準形式則串級控制系統(tǒng)的特征方程式可寫成如下的標準形式 02 2 00 2 ss 式中：式中：串級控制系統(tǒng)的衰減系數(shù)；串級控制系統(tǒng)的衰減系數(shù)； 串級控制系統(tǒng)的自然頻率。串級控

18、制系統(tǒng)的自然頻率。 式式(618)的根為的根為 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 , 1 1 2 442 s 從反饋的控制理論可知，串級控制系統(tǒng)特征方程式從反饋的控制理論可知，串級控制系統(tǒng)特征方程式根的虛部根的虛部，即，即 為串級控制系統(tǒng)的工作頻率為串級控制系統(tǒng)的工作頻率 0201 0201 2 2 0 2 1 1 TT TT 串 單回路控制系統(tǒng)在相同條件下的工作頻率可用同樣的方法求得，單回路控制系統(tǒng)在相同條件下的工作頻率可用同樣的方法求得， 有式有式(6-10)可得單回路控制系統(tǒng)的特征方程式為可得單回路控制系統(tǒng)的特征方程式為 1 +W(s)WV(s)W02(s)W01(s)Wm(s)

19、= 0 將系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)代入上式，即得將系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)代入上式，即得 0 11 1 01 01 02 02 mv K sT K sT K KK 經(jīng)整理后，可得經(jīng)整理后，可得 0 1 0201 0102 0201 0201 2 TT KKKKK s TT TT s mv 令令 0201 0102 2 0 0201 0201 0 1 2 TT KKKKK TT TT mv 則單回路控制系統(tǒng)的特征方程式可寫成如下標準形式：則單回路控制系統(tǒng)的特征方程式可寫成如下標準形式： s2 + 20s +02 = 0 式中：式中：單回路控制系統(tǒng)的衰減系數(shù)；單回路控制系統(tǒng)的衰減系數(shù)； 0單回路控制系統(tǒng)的

20、工作頻率。單回路控制系統(tǒng)的工作頻率。 同理可得該系統(tǒng)的工作頻率為同理可得該系統(tǒng)的工作頻率為 0201 0201 2 2 0 2 1 1 TT TT 單 如果串級控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)衰減系數(shù)相同，如果串級控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)衰減系數(shù)相同，即即=，則，則 02 01 02 01 0201 0201 0201 0201 1 1 T T T T TT TT TT TT 單 串 單串 02 01 02 01 T T T T 若以若以串 串/單單為縱坐標， 為縱坐標，(1+K2KVK02Km)為橫坐標作圖，由為橫坐標作圖，由 圖圖68可知，當主、副過程的特性一定，即可知，當主、副過程的特性一定，即

21、T01/T02比值一定時，比值一定時， 副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)K2越大，串級控制系統(tǒng)的工作頻率就越大，串級控制系統(tǒng)的工作頻率就 越高；當副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)越高；當副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)K2一定時，隨著一定時，隨著T01/T02比值比值 的增大，串級控制系統(tǒng)的工作頻率也隨之增大。的增大，串級控制系統(tǒng)的工作頻率也隨之增大。串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng) 工作頻率的提高，可以使振蕩周期縮短，從而改善了系統(tǒng)的控工作頻率的提高，可以使振蕩周期縮短，從而改善了系統(tǒng)的控 制質(zhì)量。制質(zhì)量。 串級控制系統(tǒng)擾動作用于主回路時，系統(tǒng)的工作頻率仍然串級控制系統(tǒng)擾動作用于主回路時，系統(tǒng)的工作頻率仍然

22、 可以堤高可以堤高。 1 2345678910 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5 2 1.0 0.5 0.2 1+K2KvK02Km 串單 / T01/T02=10 4對負荷變化的適應性較強對負荷變化的適應性較強 串級控制系統(tǒng)，就其主回路來看是一個定值系統(tǒng)，副回路則為一串級控制系統(tǒng)，就其主回路來看是一個定值系統(tǒng)，副回路則為一 個隨動系統(tǒng)。個隨動系統(tǒng)。主調(diào)節(jié)器能按照負荷和操作條件的變化不斷改變副主調(diào)節(jié)器能按照負荷和操作條件的變化不斷改變副 調(diào)節(jié)器的給定值，使副調(diào)節(jié)器的給定值適應負荷和操作條件的變調(diào)節(jié)器的給定值，使副調(diào)節(jié)器的給定值適應負荷和操作條件的變 化，即具有一定的自適應能力?；?，即具

23、有一定的自適應能力。 串級控制系統(tǒng)的副回路可以看作一個等效過程的一部分，其等效串級控制系統(tǒng)的副回路可以看作一個等效過程的一部分，其等效 放大系數(shù)為放大系數(shù)為 2022 022 02 1 mv v KKKK KKK K 當負荷和操作條件變化時，將會引起過程特性當負荷和操作條件變化時，將會引起過程特性K02的變化。但是，的變化。但是， 在一般情況下，在一般情況下， K2KVK02Km21，因此從上式來看，因此從上式來看，K02的變化的變化 對于等效過程放大系數(shù)對于等效過程放大系數(shù)K02的影響是很小的。的影響是很小的。 與單回路控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)有許多特點，與單回路控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)

24、有許多特點， 但所用的儀表也多，整定參數(shù)也比較麻煩，因此系但所用的儀表也多，整定參數(shù)也比較麻煩，因此系 統(tǒng)設(shè)計時的統(tǒng)設(shè)計時的主導思想主導思想：如果用單回路控制系統(tǒng)能夠：如果用單回路控制系統(tǒng)能夠 滿足要求，就不要用串級控制等復雜控制系統(tǒng)。另滿足要求，就不要用串級控制等復雜控制系統(tǒng)。另 外，串級控制系統(tǒng)在有的場合應用效果顯著，而另外，串級控制系統(tǒng)在有的場合應用效果顯著，而另 外一些場合效果不一定理想。外一些場合效果不一定理想。 下面列舉應用串級控制系統(tǒng)的一些場合。下面列舉應用串級控制系統(tǒng)的一些場合。 1應用于應用于容量滯后較大容量滯后較大的過程的過程 當過程的容量滯后較大時，若采用單回路控制，則當

25、過程的容量滯后較大時，若采用單回路控制，則系統(tǒng)系統(tǒng) 的過渡過程時間長、超調(diào)量大的過渡過程時間長、超調(diào)量大，控制質(zhì)量往往不能滿足生產(chǎn)，控制質(zhì)量往往不能滿足生產(chǎn) 要求，若采用串級控制系統(tǒng)，則根據(jù)對其特點的分析表明，要求，若采用串級控制系統(tǒng)，則根據(jù)對其特點的分析表明， 可以選擇一個可以選擇一個時延較小的副參數(shù)時延較小的副參數(shù)，構(gòu)成一個副回路，使等效，構(gòu)成一個副回路，使等效 過程的時間常數(shù)減小，以提高系統(tǒng)的工作頻率，加快反應速過程的時間常數(shù)減小，以提高系統(tǒng)的工作頻率，加快反應速 度，得到較好的控制質(zhì)量。度，得到較好的控制質(zhì)量。 一個夾套式聚合釜，氯乙稀在釜中進行聚合反應，一個夾套式聚合釜，氯乙稀在釜中

26、進行聚合反應， 生產(chǎn)聚氯乙稀并放出熱量。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，要求反應生產(chǎn)聚氯乙稀并放出熱量。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，要求反應 溫度控制溫度控制510.3，為此采用調(diào)節(jié)夾套中流動的冷卻水量，為此采用調(diào)節(jié)夾套中流動的冷卻水量 來控制反應溫度。來控制反應溫度。 T2TT2C T1TT1C 氯乙烯氯乙烯 水水 冷卻水冷卻水 出料出料 為了改善過程特性，提高系統(tǒng)的工作頻率，選擇夾套溫度為為了改善過程特性，提高系統(tǒng)的工作頻率，選擇夾套溫度為 副參數(shù)，構(gòu)成以溫度為主參數(shù)，夾套水為副參數(shù)的串級控制副參數(shù)，構(gòu)成以溫度為主參數(shù)，夾套水為副參數(shù)的串級控制 系統(tǒng)。系統(tǒng)。 T2C T2T T1C T1T 紙漿紙漿 水水 蒸汽蒸

27、汽 混合器混合器 立篩立篩圓篩圓篩 銅網(wǎng)銅網(wǎng) 網(wǎng)前箱網(wǎng)前箱 紙漿用泵從貯槽送至混合器，在混合器內(nèi)用蒸汽加熱至紙漿用泵從貯槽送至混合器，在混合器內(nèi)用蒸汽加熱至72左左 右，經(jīng)過立篩、圓篩除去雜質(zhì)后到網(wǎng)前箱，再經(jīng)銅網(wǎng)脫水。工右，經(jīng)過立篩、圓篩除去雜質(zhì)后到網(wǎng)前箱，再經(jīng)銅網(wǎng)脫水。工 藝要求網(wǎng)前箱溫度保持在藝要求網(wǎng)前箱溫度保持在61左右，允許偏差不得超左右，允許偏差不得超1。 用單回路控制系統(tǒng)，由于從混合器到網(wǎng)前箱純時延達用單回路控制系統(tǒng)，由于從混合器到網(wǎng)前箱純時延達90s。為了克。為了克 服這個服這個90s的純時延，選擇的純時延，選擇混合器出口溫度為副參數(shù)混合器出口溫度為副參數(shù)，網(wǎng)前箱出口網(wǎng)前箱出口

28、溫度為主參數(shù)溫度為主參數(shù)，構(gòu)成串級控制系統(tǒng)，由副回路實現(xiàn)對主擾動的控，構(gòu)成串級控制系統(tǒng)，由副回路實現(xiàn)對主擾動的控 制。這時，當紙漿流量波動制。這時，當紙漿流量波動35kg/min時，最大偏差沒有超過時，最大偏差沒有超過1， 過渡過程時間為過渡過程時間為200s，完全滿足工藝要求。，完全滿足工藝要求。 化纖廠紡絲膠液壓力控制，它的工藝流程簡圖如圖化纖廠紡絲膠液壓力控制，它的工藝流程簡圖如圖611所示。所示。 由于膠液粘度較大，從計量泵至過濾器前的距離很長，純時延由于膠液粘度較大，從計量泵至過濾器前的距離很長，純時延 時間按長，單回路控制系統(tǒng)不能滿足工藝要求。為了提高控制時間按長，單回路控制系統(tǒng)不

29、能滿足工藝要求。為了提高控制 質(zhì)量，可以在計量泵與換熱器之間靠近計量泵出口的某個地方，質(zhì)量，可以在計量泵與換熱器之間靠近計量泵出口的某個地方， 選擇一個測壓點作為副參數(shù)，構(gòu)成一個壓力與壓力的串級控制選擇一個測壓點作為副參數(shù)，構(gòu)成一個壓力與壓力的串級控制 系統(tǒng)。如圖系統(tǒng)。如圖611所示。所示。從而穩(wěn)定了過濾前的膠液壓力，以滿足從而穩(wěn)定了過濾前的膠液壓力，以滿足 工業(yè)要求。工業(yè)要求。 P2C P2T P1C P1T 計量泵計量泵 膠液膠液 水水 冷卻器冷卻器 冷卻水冷卻水 過濾過濾 冶金生產(chǎn)過程中沸騰焙燒爐的爐溫控制也常用串級控制系統(tǒng)。冶金生產(chǎn)過程中沸騰焙燒爐的爐溫控制也常用串級控制系統(tǒng)。 圖圖6

30、12是現(xiàn)場使用的鋅精礦沸騰焙燒過程。要求排料口溫度保是現(xiàn)場使用的鋅精礦沸騰焙燒過程。要求排料口溫度保 持在一定范圍。持在一定范圍。 改變加料量來控制焙燒溫度。改變加料量來控制焙燒溫度。 GT TC TT GC 圓盤給料機圓盤給料機 電動執(zhí)行器電動執(zhí)行器 皮帶皮帶 電子秤電子秤 傳感器傳感器 沸騰爐沸騰爐 排料口排料口 串級控制系統(tǒng)的副回路對于進入其中的擾動具有較強的校正能力。串級控制系統(tǒng)的副回路對于進入其中的擾動具有較強的校正能力。 將變化激烈而且幅度大的擾動包括在副回路中。將變化激烈而且幅度大的擾動包括在副回路中。 某廠精餾塔塔釜溫度控制。當采用單回路控制系統(tǒng)時，調(diào)節(jié)某廠精餾塔塔釜溫度控制。

31、當采用單回路控制系統(tǒng)時，調(diào)節(jié) 器的比例放大系數(shù)為器的比例放大系數(shù)為1.31.3，最大偏差為，最大偏差為1010，不能滿足工藝要求。，不能滿足工藝要求。 當采用圖當采用圖6 61313所示的串級控制系統(tǒng)時，副調(diào)節(jié)器的比例放所示的串級控制系統(tǒng)時，副調(diào)節(jié)器的比例放 大系數(shù)為大系數(shù)為5 5。因為副回路的作用，對于。因為副回路的作用，對于40%40%的擾動具有較強的克服的擾動具有較強的克服 能力，最大偏差沒有超過能力，最大偏差沒有超過1.51.5，滿足了工藝要求。，滿足了工藝要求。 TTTC FC FT 精餾塔精餾塔 進料進料 塔釜產(chǎn)品塔釜產(chǎn)品 再沸器再沸器 給定給定 蒸汽蒸汽 在有些生產(chǎn)過程中，有時兩

32、個互相關(guān)聯(lián)的參數(shù)需要利用同一介在有些生產(chǎn)過程中，有時兩個互相關(guān)聯(lián)的參數(shù)需要利用同一介 質(zhì)進行控制。對于這樣的過程可以采用串級控制系統(tǒng)。分清互質(zhì)進行控制。對于這樣的過程可以采用串級控制系統(tǒng)。分清互 相關(guān)聯(lián)參數(shù)的主次，組成串級控制，以滿足工藝上的要求。相關(guān)聯(lián)參數(shù)的主次，組成串級控制，以滿足工藝上的要求。 煉油廠常壓塔塔頂出口溫度和一線溫度的控制煉油廠常壓塔塔頂出口溫度和一線溫度的控制 ，兩者均通過，兩者均通過 塔頂?shù)幕亓髁块_控制。塔頂?shù)幕亓髁块_控制。 若采用單回路控制系統(tǒng)，則不能滿足工藝要求。為此，可采用若采用單回路控制系統(tǒng)，則不能滿足工藝要求。為此，可采用 串級控制系統(tǒng)。如圖串級控制系統(tǒng)。如圖6

33、15所示。實踐證明，采用串級控制系統(tǒng)，所示。實踐證明，采用串級控制系統(tǒng)， 塔頂溫度最大偏差不超過塔頂溫度最大偏差不超過1，一線溫度最大偏差為，一線溫度最大偏差為1.3， 滿足了生產(chǎn)要求。滿足了生產(chǎn)要求。 T2T T2CT1C 常壓塔常壓塔 塔頂產(chǎn)品塔頂產(chǎn)品 “氣關(guān)氣關(guān)” 回流回流 抽提抽提 塔塔 T1T 在過程控制中，過程特性一般都是非線性的。在過程控制中，過程特性一般都是非線性的。如果采用串級如果采用串級 控制系統(tǒng)，它能適應負荷和操作條件的變化，自動調(diào)整副調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)，它能適應負荷和操作條件的變化，自動調(diào)整副調(diào)節(jié)器 的給定值，從而改變調(diào)節(jié)閥的位置，使系統(tǒng)運行在新的工作點。的給定值，從而改變

34、調(diào)節(jié)閥的位置，使系統(tǒng)運行在新的工作點。 當然，這樣會使副回路的衰減率有所變化，但是對整個系統(tǒng)的穩(wěn)當然，這樣會使副回路的衰減率有所變化，但是對整個系統(tǒng)的穩(wěn) 定性影響是很小的。定性影響是很小的。 醋酸裝置的乙炔合成反應器，其中部溫度是生產(chǎn)過程中的重醋酸裝置的乙炔合成反應器，其中部溫度是生產(chǎn)過程中的重 要參數(shù)，為了保證合成氣質(zhì)量，工藝要求對它進行嚴格控制。如要參數(shù)，為了保證合成氣質(zhì)量，工藝要求對它進行嚴格控制。如 圖圖6-16所示。所示。 實踐證明，系統(tǒng)的衰減率基本保持不變，主參數(shù)保持平穩(wěn)，達到實踐證明，系統(tǒng)的衰減率基本保持不變，主參數(shù)保持平穩(wěn)，達到 生產(chǎn)工藝要求。生產(chǎn)工藝要求。 副參數(shù)副參數(shù) 副調(diào)

35、節(jié)器輸出副調(diào)節(jié)器輸出 T1C T2T 反應氣體反應氣體 合成反應器合成反應器 T1TT2C 換熱器換熱器 醋酸和乙醋酸和乙 炔混合氣炔混合氣 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，基本上可以按照單回路統(tǒng)。對于主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計，基本上可以按照單回路 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)。切相關(guān)并可直接測量的工藝參數(shù)，均可選作主參數(shù)。 (1)副參數(shù)的選擇：副

36、參數(shù)的選擇應使副回路的時間常數(shù)小，時延副參數(shù)的選擇：副參數(shù)的選擇應使副回路的時間常數(shù)小，時延 小，控制通道短，這樣可使等效過程的時間常數(shù)大大減小，從而小，控制通道短，這樣可使等效過程的時間常數(shù)大大減小，從而 加快系統(tǒng)的工作頻率，提高響應速度，縮短過渡過程時間，改善加快系統(tǒng)的工作頻率，提高響應速度，縮短過渡過程時間，改善 系統(tǒng)的控制品質(zhì)。系統(tǒng)的控制品質(zhì)。 (2)副回路必須包括生產(chǎn)過程中變化劇烈、頻繁而且幅度大的主要副回路必須包括生產(chǎn)過程中變化劇烈、頻繁而且幅度大的主要 擾動，并盡可能多地包括一些擾動。副回路的范圍大小，取決于擾動，并盡可能多地包括一些擾動。副回路的范圍大小，取決于 整個過程的特性

37、及各種擾動影響的情況，一般應使回路的頻率比整個過程的特性及各種擾動影響的情況，一般應使回路的頻率比 主回路高得多。主回路高得多。 (3)應使主、副過程的時間常數(shù)適當匹配應使主、副過程的時間常數(shù)適當匹配 在前面分析串級控制系統(tǒng)的工作頻率，即：在前面分析串級控制系統(tǒng)的工作頻率，即： 0201 0201 2 2 1 TT TT 串 用同樣方法可得單回路控制系統(tǒng)的工作頻率為用同樣方法可得單回路控制系統(tǒng)的工作頻率為 0201 0201 2 2 1 TT TT 單 如通過調(diào)節(jié)器參數(shù)整定使串級控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)具有相如通過調(diào)節(jié)器參數(shù)整定使串級控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)具有相 同的衰減系數(shù)，即同的衰減系數(shù)

38、，即 ，則串級系統(tǒng)與單回路系統(tǒng)之間的工作頻，則串級系統(tǒng)與單回路系統(tǒng)之間的工作頻 率關(guān)系為率關(guān)系為 02 01 02 01 2022 0201 0120220201 1 )1 (1 T T T T KKKK TT TKKKKTT mv mv 單 串 根據(jù)上式，可作出根據(jù)上式，可作出串 串/單單與 與T01/T02的關(guān)系曲線如圖的關(guān)系曲線如圖6-17所示。所示。 0246810 2 4 6 8 10 單串 101 2022 0201 mv KKKK TT 副過程的時間常數(shù)比主過程小副過程的時間常數(shù)比主過程小 很多時，副回路反應靈敏，控很多時，副回路反應靈敏，控 制作用快，但此時副回路包含制作用快，

39、但此時副回路包含 的擾動少，對于過程特性的改的擾動少，對于過程特性的改 善也少；相反，副過程的時間善也少；相反，副過程的時間 常數(shù)大于或接近于主過程的時常數(shù)大于或接近于主過程的時 間常數(shù)時，副回路對于改善過間常數(shù)時，副回路對于改善過 程特性的效果顯著，但是，副程特性的效果顯著，但是，副 回路的反應遲鈍，不能及時有回路的反應遲鈍，不能及時有 效地克服擾動，并將影響主參效地克服擾動，并將影響主參 數(shù)。主副過程時間常數(shù)之比應數(shù)。主副過程時間常數(shù)之比應 在在3到到10范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。 (4)副回路設(shè)計應考慮生產(chǎn)工藝的合理性副回路設(shè)計應考慮生產(chǎn)工藝的合理性 設(shè)計串級控制系統(tǒng)應考慮和滿足生產(chǎn)工藝要求，所設(shè)

40、置的系統(tǒng)是設(shè)計串級控制系統(tǒng)應考慮和滿足生產(chǎn)工藝要求，所設(shè)置的系統(tǒng)是 否會影響到工藝系統(tǒng)的正常運行。否會影響到工藝系統(tǒng)的正常運行。 (5)副回路設(shè)計時應同時考慮經(jīng)濟性原則副回路設(shè)計時應同時考慮經(jīng)濟性原則 對控制參數(shù)的選擇，大致與單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計原則相同。一般對控制參數(shù)的選擇，大致與單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計原則相同。一般 可考慮：可考慮： (1)選擇可控性良好的參數(shù)作為控制參數(shù)。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)，并應保所選擇的控制參數(shù)必須使控制通道有足夠大的放大系數(shù)，并應保 證大于主要擾動通道的放大系數(shù)，以實現(xiàn)對主要擾功進行有效控制證大于主

41、要擾動通道的放大系數(shù)，以實現(xiàn)對主要擾功進行有效控制 并提高控制質(zhì)量。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。小一些。 (4)選擇控制參數(shù)應同時考慮經(jīng)濟性與工藝上的合理性。選擇控制參數(shù)應同時考慮經(jīng)濟性與工藝上的合理性。 主參數(shù)是工藝操作的主要指標，允許波動的范圍很小，一般主參數(shù)是工藝操作的主要指標，允許波動的范圍很小，一般 要求無余差，因此，主調(diào)節(jié)器應選要求無余差，因此，主調(diào)節(jié)器應選PI或或PID控制規(guī)律?？刂埔?guī)律。 副參數(shù)的設(shè)置是為了保證主參數(shù)的控制質(zhì)量，可以允許在一副參數(shù)的設(shè)置是為了保證

42、主參數(shù)的控制質(zhì)量，可以允許在一 定范圍內(nèi)變化，允許有余差，因此副調(diào)節(jié)器只要選定范圍內(nèi)變化，允許有余差，因此副調(diào)節(jié)器只要選P控制規(guī)律就控制規(guī)律就 所以了。所以了。 首先根據(jù)工藝生產(chǎn)安全等原則選擇調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形首先根據(jù)工藝生產(chǎn)安全等原則選擇調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形 式；然后根據(jù)生產(chǎn)工藝條件和調(diào)節(jié)閥形式確定副調(diào)節(jié)器的正、式；然后根據(jù)生產(chǎn)工藝條件和調(diào)節(jié)閥形式確定副調(diào)節(jié)器的正、 反作用方式；最后再根據(jù)主、副參數(shù)的關(guān)系，決定主調(diào)節(jié)器的反作用方式；最后再根據(jù)主、副參數(shù)的關(guān)系，決定主調(diào)節(jié)器的 正、反作用方式。正、反作用方式。 主通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必須為正值。例主通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必須為正值。

43、例P196圖圖62 在整定串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)時，首先必須明確主、副回路的在整定串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)時，首先必須明確主、副回路的 作用，以及主、副參數(shù)的控制要求，然后通過調(diào)節(jié)器參數(shù)整定，作用，以及主、副參數(shù)的控制要求，然后通過調(diào)節(jié)器參數(shù)整定， 才能使系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)。才能使系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)。 整定單回路系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)時，是根據(jù)系統(tǒng)特征方程中過程的動整定單回路系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)時，是根據(jù)系統(tǒng)特征方程中過程的動 態(tài)特性態(tài)特性W0(s)來確定調(diào)節(jié)器的比例度來確定調(diào)節(jié)器的比例度、積分時間、積分時間T1和微分時間和微分時間TD 數(shù)值的。數(shù)值的。 X1(s) Z1(s) W1(s) X2(s) W2(

44、s)W02(s)W01(s) Wm2(s) Wm1(s) Z2(s) Y1(s) Y2(s) 圖圖618所示，串級控制系統(tǒng)的特征方程式為所示，串級控制系統(tǒng)的特征方程式為 0)()( )()()(1 )()( )(1 101 2022 022 1 sWsW sWsWsW sWsW sW m m 整定時，可將串級系統(tǒng)化為等效的單回路系統(tǒng)，把式整定時，可將串級系統(tǒng)化為等效的單回路系統(tǒng)，把式(6-30)看作單看作單 回路系統(tǒng)的特征方程式。在整定主調(diào)節(jié)器回路系統(tǒng)的特征方程式。在整定主調(diào)節(jié)器W1(s)時，上式可表示為時，上式可表示為 0)()(1 011 sWsW 式中式中 )()()(1 )()()()

45、( )( 2022 101022 01 sWsWsW sWsWsWsW sW m m 式式(6-31)可看成是由主調(diào)節(jié)器可看成是由主調(diào)節(jié)器W1(s)與等效過程與等效過程W01(s)所組成的單回所組成的單回 路控制系統(tǒng)。所以，路控制系統(tǒng)。所以，W1(s)的比例度的比例度、積分時間、積分時間T1和微分時間和微分時間TD的的 數(shù)值，可以根據(jù)等效過程特性數(shù)值，可以根據(jù)等效過程特性W01(s)，按單回路控制系統(tǒng)的整定方，按單回路控制系統(tǒng)的整定方 法來確定。不過，在等效過程法來確定。不過，在等效過程W01(s)中，包括副調(diào)節(jié)器中，包括副調(diào)節(jié)器W2(s)。 同理，在整定副調(diào)節(jié)器同理，在整定副調(diào)節(jié)器W2(s)

46、時，圖時，圖6-18所示系統(tǒng)的特征方程式為所示系統(tǒng)的特征方程式為 0)()()()()()()(1 1020112022 sWsWsWsWsWsWsW mm 或或 0)()(1 022 sWsW 式中式中 )()()()()()()( 202011202 02 sWsWsWsWsWsWsW mm 在工程實踐中，串級控制系統(tǒng)常用的整定方法有：在工程實踐中，串級控制系統(tǒng)常用的整定方法有： 下面詳細介紹一步整定法下面詳細介紹一步整定法 所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然所謂一步整定法，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)。后按單回

47、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)。 一步整定法的理論根據(jù)是：串級控制系統(tǒng)可以等價為單回路一步整定法的理論根據(jù)是：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)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)器放大系為主調(diào)節(jié)器放大系 數(shù)數(shù)K1與副回路等效放大系數(shù)與副回路等效放大系數(shù)K02的乘積，即的乘積，即 021K KK C 對于主、副調(diào)節(jié)器均為純比例作用時的串級控制系統(tǒng)，只要滿足對于主、副調(diào)節(jié)器均為純比例作用時的串級控制系統(tǒng)，只要滿足 下式即可：下式即可： 021sC KKKK 式中：式中： Ks產(chǎn)生產(chǎn)生4：1衰減過程時的比例放大系數(shù)。衰減過程時的比例放大系

48、數(shù)。 這就是說，串級控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)，在一定范圍可這就是說，串級控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)，在一定范圍可 以任意匹配，只要主調(diào)節(jié)器放大系數(shù)以任意匹配，只要主調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K1與副回路的放大系數(shù)與副回路的放大系數(shù)K02的的 乘積滿足式乘積滿足式(6-35)，系統(tǒng)就能產(chǎn)生，系統(tǒng)就能產(chǎn)生4：1的衰減振蕩過程，即的衰減振蕩過程，即K1的減的減 小可以由增大小可以由增大K02來補償。來補償。 K02與與K2的關(guān)系可以由圖的關(guān)系可以由圖6-18串級控制系統(tǒng)框圖得出。出圖中可見串級控制系統(tǒng)框圖得出。出圖中可見 )()()(1 )()( )( )( 2022 022 2 2 sWsWsW s

49、WsW sX sY m 設(shè)設(shè) 22 02 02 0222 )(, 1 )(,)( mm KsW sT K sWKsW 則式則式(6-36)可寫成可寫成 22 02 02 02 02 2 2 2 1 1 1 )( )( m KK sT K sT K K sX sY sT K s KKK T KKK KK m m 02 02 2022 02 2202 202 1 1 1 1 1 若若 Km2=1，則，則 022 022 02 1KK KK K 這就是副回路等效放大系數(shù)這就是副回路等效放大系數(shù)K02與副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)與副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K2之間的關(guān)之間的關(guān) 系式。系式。 把把K02作為變參量，根據(jù)式作

50、為變參量，根據(jù)式(6-37)，可畫出如圖，可畫出如圖6-19所示曲線。所示曲線。 00.20.4 0.6 0.81.0 2 4 6 K02=0.1 0.20.5 1 5 K2 K02 在在0K2K020.5范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，K2與與K02成線性關(guān)系，即成線性關(guān)系，即 k值隨值隨K02值的大小而異。而值的大小而異。而K2由關(guān)系式由關(guān)系式0K2K02T2時，其傳遞函數(shù)表現(xiàn)為微分特性；時，其傳遞函數(shù)表現(xiàn)為微分特性； 當當T1T2時，其傳遞函數(shù)表現(xiàn)為的時延特性，也稱為反微分特性時，其傳遞函數(shù)表現(xiàn)為的時延特性，也稱為反微分特性(如如 圖圖6-28所示所示)。 有時間因子，可以實現(xiàn)動態(tài)補償有時間因子，可以實

51、現(xiàn)動態(tài)補償，裝置復雜。，裝置復雜。 x(t) 0 t X0(t) T1T2 T1T2 Kpx0 t y(t) (3) KF(T1s+1)/(T2s+1)e-rs型前饋調(diào)節(jié)器：型前饋調(diào)節(jié)器： 這也是一種動態(tài)前饋模型。這種前饋模型的特性，實際上是比例特這也是一種動態(tài)前饋模型。這種前饋模型的特性，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)，其響應曲線如圖性、動態(tài)微分特性與純時延特性的串聯(lián)，其響應曲線如圖6-30所示所示 x(t) 0 x0(t) t y(t) KRX0 t 0 T1T2 T1T2 下面來討論純時延項下面來討論純時延項e-rs的實施方案。的實施方案。e-rs可用下述近似公式來表

52、示：可用下述近似公式來表示： 2 2 122 1 122 1 ss ss e s 由于工業(yè)過程具有低通濾波性質(zhì)，可以略去高次項，取一階來近似，由于工業(yè)過程具有低通濾波性質(zhì)，可以略去高次項，取一階來近似， 所以取所以取 1 2 1 2 2 1 2 1 ss s e s 令令 T 2 ，則，則 1 1 2 Ts e s x(s) 1 1 2 1 sT sT KF 1 1 TS Y(s) 圖圖6-31為為“KF(T1s+1)/(T2s+1) e-rs”前饋模型實施方框圖。圖中虛線前饋模型實施方框圖。圖中虛線 框的部分即用來實現(xiàn)框的部分即用來實現(xiàn)“e-rs”型特性的。型特性的。 將式將式(649)進行

53、離散化即可得適用于計算機控制的離散控制算式。進行離散化即可得適用于計算機控制的離散控制算式。 這種前饋控制算式在有些生產(chǎn)過程這種前饋控制算式在有些生產(chǎn)過程(如化工如化工)自動化中應用較廣。自動化中應用較廣。 設(shè)設(shè)F(t)與與uf(t)分別為前饋調(diào)節(jié)器的輸入和輸出，則將式分別為前饋調(diào)節(jié)器的輸入和輸出，則將式(6-49)用微分用微分 方程表示為方程表示為 )( )( )( )( 12 tF dt tdF TKtu dt tdu T Ff f （6-52） 當采樣周期當采樣周期Ts足夠短時，對微分方程的導數(shù)項用如下近似差分來代足夠短時，對微分方程的導數(shù)項用如下近似差分來代 替，即替，即 s ff K

54、Tt f s ff KTt f T dkFdkF dt tdF T kuKu dt tdu s s )()1()( )() 1()( （6-53） （6-54） 將式將式(6-53)、(6-54)代入式代入式(6-52)，即得，即得 )( )()1( )( )() 1( 1 2 f s ff F f s ff dkF T dkFdkF TK ku T kuku T 經(jīng)整理可得前饋控制差分算式為經(jīng)整理可得前饋控制差分算式為 )()1()() 1( 12ffff dkFadkFHkuaku （6-55） 式中：式中： .1;1; 1 1 2 2 2 1 T T a T T a T T KH ss

55、F 建立離散前饋控制算式除上述方法外，還可根據(jù)被控參數(shù)的不變性建立離散前饋控制算式除上述方法外，還可根據(jù)被控參數(shù)的不變性 原則由過程擾動通道和控制通道的離散算式，綜合求得。原則由過程擾動通道和控制通道的離散算式，綜合求得。 (1)當系統(tǒng)中存在著頻率高、幅值大、可測而不可控的擾動時，當系統(tǒng)中存在著頻率高、幅值大、可測而不可控的擾動時， 反饋控制難以克服擾動對被控參數(shù)的顯著影響，而工藝生產(chǎn)對反饋控制難以克服擾動對被控參數(shù)的顯著影響，而工藝生產(chǎn)對 被控參數(shù)的要求又十分嚴格，為了改善和提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，被控參數(shù)的要求又十分嚴格，為了改善和提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量， 可以引入前饋控制。可以引入前饋控制。 (

56、2)當控制系統(tǒng)控制通道時延較大、反饋控制又不能得到良好的當控制系統(tǒng)控制通道時延較大、反饋控制又不能得到良好的 控制效果時，可以選用前潰控制。控制效果時，可以選用前潰控制。 3)經(jīng)濟性原則。通常動態(tài)前饋的投資高于靜態(tài)前饋，所以，若經(jīng)濟性原則。通常動態(tài)前饋的投資高于靜態(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。靜態(tài)前饋能達到工藝要求時，即選用靜態(tài)前饋。 前饋控制方案設(shè)計包括確定前饋控制規(guī)律，系統(tǒng)穩(wěn)定性及其他。前饋控制方案設(shè)計包括確定前饋控制規(guī)律，系統(tǒng)穩(wěn)定性及其他。 (1)確定前饋控制規(guī)律確定前饋控制規(guī)律 當求得過程的數(shù)學模型后，可通過分析過程擾動通道和控制通道當求得過程的數(shù)學模型后

57、，可通過分析過程擾動通道和控制通道 數(shù)學模型的特性參數(shù)，即數(shù)學模型的特性參數(shù)，即T0與與Tf的大小和純時延時間的大小和純時延時間0與與f來合來合 理選擇。理選擇。 當當T0Tf時，可采用動態(tài)前饋時，可采用動態(tài)前饋反饋控制來改善控制品質(zhì)。反饋控制來改善控制品質(zhì)。 當當f0時，則前饋調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律應修改為式時，則前饋調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律應修改為式 (6-56)。 但當?shù)?f時，則前饋調(diào)節(jié)器有純超前環(huán)節(jié)時，則前饋調(diào)節(jié)器有純超前環(huán)節(jié)eeffs，這是做不到的。因，這是做不到的。因 此，不能采用前饋補償。此，不能采用前饋補償。 (2)前饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性：對任一過程控制系統(tǒng)，能正常運行的必前饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)

58、定性：對任一過程控制系統(tǒng)，能正常運行的必 要條件是系統(tǒng)必須穩(wěn)定。要條件是系統(tǒng)必須穩(wěn)定。 (3)其他：在設(shè)計一個完整工藝設(shè)備的自動控制方案時，必須考慮物其他：在設(shè)計一個完整工藝設(shè)備的自動控制方案時，必須考慮物 料、能量平衡兩個重要關(guān)系。有的是直接根據(jù)物料平衡或能量平衡料、能量平衡兩個重要關(guān)系。有的是直接根據(jù)物料平衡或能量平衡 關(guān)系，來設(shè)計產(chǎn)品質(zhì)量的控制方案；有的是同時利用上述兩種關(guān)系關(guān)系，來設(shè)計產(chǎn)品質(zhì)量的控制方案；有的是同時利用上述兩種關(guān)系 來設(shè)計控制方案的。對此要視具體過程而定來設(shè)計控制方案的。對此要視具體過程而定 。 在控制方案設(shè)計中，控制方案設(shè)計的一般程序為：在控制方案設(shè)計中，控制方案設(shè)計

59、的一般程序為： 在設(shè)計控制方案時，必須先熟悉生產(chǎn)工藝過程，充分了解工藝對在設(shè)計控制方案時，必須先熟悉生產(chǎn)工藝過程，充分了解工藝對 自動化設(shè)計的要求；要熟悉現(xiàn)場工藝設(shè)備，以便能發(fā)現(xiàn)問題和提出自動化設(shè)計的要求；要熟悉現(xiàn)場工藝設(shè)備，以便能發(fā)現(xiàn)問題和提出 問題；必須深入了解生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的各種影響因素。問題；必須深入了解生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的各種影響因素。 要對已有的自動化方案認真地進行調(diào)查研究、分析比較，據(jù)此提要對已有的自動化方案認真地進行調(diào)查研究、分析比較，據(jù)此提 出新的設(shè)計方案。出新的設(shè)計方案。 求取過程的數(shù)學模型。求取過程的數(shù)學模型。 進行仿真與模似試驗。進行仿真與模似試驗。 提出改進后的正式設(shè)計方

60、案。提出改進后的正式設(shè)計方案。 現(xiàn)場安裝、試車?，F(xiàn)場安裝、試車。 在前饋在前饋反饋控制系統(tǒng)中，由于有反饋控制來保證被控量最終等于反饋控制系統(tǒng)中，由于有反饋控制來保證被控量最終等于 給定值，因此可以降低對前饋控制的要求，使前饋調(diào)節(jié)器可以選擇給定值，因此可以降低對前饋控制的要求，使前饋調(diào)節(jié)器可以選擇 比較簡單的結(jié)構(gòu)形式和動態(tài)特性；同時，由于采用前饋控制來抵銷比較簡單的結(jié)構(gòu)形式和動態(tài)特性；同時，由于采用前饋控制來抵銷 某些主要擾動，使被控參數(shù)不致出現(xiàn)過大的動態(tài)偏差，所以反饋控某些主要擾動，使被控參數(shù)不致出現(xiàn)過大的動態(tài)偏差，所以反饋控 制可以以較慢動作進行。制可以以較慢動作進行。 對于具體的整定方法，