復(fù)雜控制系統(tǒng)

1、第第4章章 復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)主講：李曉媛主講：李曉媛E-mail:Contents4-5 分程與選擇性控制分程與選擇性控制4-4 比值控制比值控制4-3 大滯后補(bǔ)償控制大滯后補(bǔ)償控制4-1 串級(jí)控制串級(jí)控制4-6 多變量解耦控制多變量解耦控制4-2 前饋控制前饋控制4 4 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是過(guò)程控制中最基本、應(yīng)用最廣簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是過(guò)程控制中最基本、應(yīng)用最廣的控制形式，約占全部控制系統(tǒng)的的控制形式，約占全部控制系統(tǒng)的80。但是：。但是：q隨著生產(chǎn)過(guò)程的大型化和復(fù)雜化，操作條件更隨著生產(chǎn)過(guò)程的大型化和復(fù)雜化，操作條件更加嚴(yán)格，變量之間的關(guān)系更加復(fù)雜。加嚴(yán)格，變量

2、之間的關(guān)系更加復(fù)雜。q有些生產(chǎn)工藝和控制要求比較特殊。有些生產(chǎn)工藝和控制要求比較特殊。q隨著技術(shù)發(fā)展，對(duì)工藝的控制目標(biāo)多樣化，如隨著技術(shù)發(fā)展，對(duì)工藝的控制目標(biāo)多樣化，如產(chǎn)量、質(zhì)量、節(jié)能、環(huán)保、效率等。產(chǎn)量、質(zhì)量、節(jié)能、環(huán)保、效率等。為此，設(shè)計(jì)出各種復(fù)雜控制系統(tǒng)。為此，設(shè)計(jì)出各種復(fù)雜控制系統(tǒng)。例：反應(yīng)釜溫度單回路控制系統(tǒng)例：反應(yīng)釜溫度單回路控制系統(tǒng)出料進(jìn)料冷卻劑TC控制變量：冷卻劑量被控變量：反應(yīng)溫度控 制 閥：氣關(guān)閥控制規(guī)律：PID 正作用調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥夾套槽壁反應(yīng)槽溫度測(cè)量變送D2D1T1spT2T1單回路控制系統(tǒng)擾動(dòng)分析單回路控制系統(tǒng)擾動(dòng)分析問(wèn)題：?jiǎn)栴}：從擾動(dòng)開(kāi)始至調(diào)節(jié)器動(dòng)作，調(diào)節(jié)滯后較大，

3、特別對(duì)于大容量的反應(yīng)槽，調(diào)節(jié)滯后更大。冷卻水入口溫度 夾套內(nèi)冷卻水溫度 T2 （經(jīng)對(duì)流傳熱）槽壁溫度 反應(yīng)槽溫度T1 （經(jīng)反饋回路）冷卻水量出料進(jìn)料冷卻劑TC對(duì)調(diào)節(jié)滯后的解決方法之一對(duì)調(diào)節(jié)滯后的解決方法之一對(duì)于冷卻水方面的擾動(dòng)，如冷卻水的入口溫度、閥前壓力等擾動(dòng)，夾套冷卻水溫度T2比反應(yīng)槽溫度T1能更快地感受到。因而可設(shè)計(jì)夾套水溫單回路控制系統(tǒng)TC2以盡快地克服冷卻水方面的擾動(dòng)。但TC2的設(shè)定值應(yīng)根據(jù)T1的控制要求作相應(yīng)的變化（這一要求可用反應(yīng)溫度調(diào)節(jié)器TC1來(lái)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)）。“串級(jí)控制串級(jí)控制” 反應(yīng)器溫度的串級(jí)控制方案反應(yīng)器溫度的串級(jí)控制方案特點(diǎn)：特點(diǎn)：兩個(gè)調(diào)節(jié)器串在一起工作，調(diào)節(jié)器TC2通過(guò)

4、調(diào)節(jié)冷卻劑量以克服冷卻水方面的擾動(dòng)；調(diào)節(jié)器TC1通過(guò)調(diào)節(jié)夾套內(nèi)水溫的設(shè)定值以保證反應(yīng)溫度維持在工藝所希望的某一給定值。 出料進(jìn)料冷卻劑TC2TC1T2T1反應(yīng)器溫度串級(jí)控制框圖反應(yīng)器溫度串級(jí)控制框圖TC1稱(chēng)為“主調(diào)節(jié)器”，TC2稱(chēng)為“副調(diào)節(jié)器”。TC2閥夾套槽壁反應(yīng)槽反應(yīng)器溫度測(cè)量D2D1T2spT2T1T1sp夾套水溫測(cè)量TC1 4.1 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)當(dāng)對(duì)象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時(shí)，當(dāng)對(duì)象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時(shí)，采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)往往控制質(zhì)量較差，滿(mǎn)足不了工采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)往往控制質(zhì)量較差，滿(mǎn)足不了工藝上的要求，這時(shí)，可考慮采用串級(jí)控制系統(tǒng)。藝上的要求，這時(shí)，可考慮

5、采用串級(jí)控制系統(tǒng)。 4.1.1串級(jí)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程串級(jí)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程串級(jí)控制是在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上的改進(jìn)。串級(jí)控制是在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上的改進(jìn)。例例 管式加熱爐是煉油、化工生產(chǎn)中的重要裝置管式加熱爐是煉油、化工生產(chǎn)中的重要裝置之一，它的任務(wù)是把原油加熱到一定溫度，以保證之一，它的任務(wù)是把原油加熱到一定溫度，以保證下道工藝的順利進(jìn)行。因此，需要控制原油加熱后下道工藝的順利進(jìn)行。因此，需要控制原油加熱后的出口溫度。的出口溫度。問(wèn)題：?jiǎn)栴}：控制通道容量滯后控制通道容量滯后很大，控制緩慢。很大，控制緩慢。燃料壓力或燃燃料壓力或燃料的熱值變化料的熱值變化 影響爐膛溫度影響爐膛溫度

6、熱傳導(dǎo)給原料熱傳導(dǎo)給原料 影響出口溫度影響出口溫度15min3min原料出口溫度原料出口溫度1(t)原料原料T1CT1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐若用簡(jiǎn)單溫控系統(tǒng)：若用簡(jiǎn)單溫控系統(tǒng)：爐膛溫度爐膛溫度變化變化T2T、T2C回路先改變?nèi)剂狭炕芈废雀淖內(nèi)剂狭縏1T、 T1C回路再改回路再改變?nèi)剂狭孔內(nèi)剂狭砍隽蠝囟瘸隽蠝囟茸兓兓鉀Q措施：解決措施：在影響出口溫度的通道中，加測(cè)在影響出口溫度的通道中，加測(cè)爐膛溫度的變化，提前控制。爐膛溫度的變化，提前控制。燃料壓力燃料壓力變化變化3min原料出口溫度原料出口溫度1(t)原料原料T1CT1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐T2CT2T管式加熱爐出口溫度串級(jí)

7、控制系統(tǒng)框圖為：管式加熱爐出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)框圖為：主控制器調(diào)節(jié)閥x1爐膛原料油f2、f3 f1管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器x2(t)2(t)1(t) 標(biāo)準(zhǔn)框圖為：標(biāo)準(zhǔn)框圖為：主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥副參數(shù)測(cè)量變送副對(duì)象主對(duì)象一次擾動(dòng)二次擾動(dòng)主參數(shù)副參數(shù)主參數(shù)測(cè)量變送y1,spy2,spy2ym2y1ym1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：q系統(tǒng)系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路，形成內(nèi)外環(huán)。有兩個(gè)閉合回路，形成內(nèi)外環(huán)。主變量是工藝要主變量是工藝要求控制的變量，副變量是為了更好地控制主變量而選用的輔求控制的變量，副變量是為了更好地控制主變量而選用的輔助變量。助變量。q主、副調(diào)節(jié)器是串聯(lián)工作的，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副主

8、、副調(diào)節(jié)器是串聯(lián)工作的，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值。調(diào)節(jié)器的給定值。q副控制器的確定：副控制器的確定：符合單回路控制系統(tǒng)符合單回路控制系統(tǒng)q主控制器的確定：主控制器的確定： (主主對(duì)象對(duì)象)(副對(duì)象副對(duì)象)(主控制器主控制器)=“”主控制器控制閥副對(duì)象主對(duì)象主變送器副變送器副控制器 主變量副變量給定干擾控制過(guò)程分析：控制過(guò)程分析：1燃料壓力、燃料熱值燃料壓力、燃料熱值f2(t)和煙筒抽力變化和煙筒抽力變化 f3(t)發(fā)生擾動(dòng)發(fā)生擾動(dòng)干擾進(jìn)入副回路（干擾進(jìn)入副回路（二次干擾二次干擾）進(jìn)入副回路的干擾首先影響爐膛溫度，副變送進(jìn)入副回路的干擾首先影響爐膛溫度，副變送器提前測(cè)出，副控制器立即開(kāi)

9、始控制，控制過(guò)程大器提前測(cè)出，副控制器立即開(kāi)始控制，控制過(guò)程大為縮短。為縮短。主控制器調(diào)節(jié)閥x1爐膛原料油f3、f2f1管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器x2(t)Y2(t)Y1(t) 主控制器調(diào)節(jié)閥x1爐膛原料油f3、f2f1管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器x2(t)Y2(t)Y1(t) 2原油流量和原油流量和 原油入口溫度原油入口溫度 f1(t)發(fā)生擾動(dòng)發(fā)生擾動(dòng)干擾進(jìn)入主回路（干擾進(jìn)入主回路（一次干擾一次干擾） 對(duì)進(jìn)入主回路的干擾，雖然副變送器不能提前測(cè)對(duì)進(jìn)入主回路的干擾，雖然副變送器不能提前測(cè)出，但副回路的閉環(huán)負(fù)反饋，使對(duì)象爐膛部分特性的出，但副回路的閉環(huán)負(fù)反饋，使對(duì)象爐膛部分特性

10、的時(shí)間常數(shù)大為縮短，則主控制器的控制通道被縮短，時(shí)間常數(shù)大為縮短，則主控制器的控制通道被縮短，控制效果也得到改善?？刂菩Ч驳玫礁纳?。3干擾同時(shí)作用于副回路和主回路干擾同時(shí)作用于副回路和主回路主副回路干擾的綜合影響有兩種情況：主副回路干擾的綜合影響有兩種情況：（1）主副回路的干擾影響方向相同。）主副回路的干擾影響方向相同。如：如：燃料壓力燃料壓力f3(t)爐膛溫度爐膛溫度 出口溫度出口溫度 副控制器開(kāi)始調(diào)節(jié)副控制器開(kāi)始調(diào)節(jié)原油流量原油流量f1(t)出口溫度出口溫度主副控制器共同調(diào)節(jié)主副控制器共同調(diào)節(jié)主控制器調(diào)節(jié)閥x1爐膛原料油f3、f2f1管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器x2(t)Y2(t

11、)Y1(t) （2）主副回路的干擾影響方向相反。）主副回路的干擾影響方向相反。如：如：燃料壓力燃料壓力f3(t)爐膛溫度爐膛溫度 出口溫度出口溫度 副控制器開(kāi)始調(diào)節(jié)副控制器開(kāi)始調(diào)節(jié)原油流量原油流量f1(t)出口溫度出口溫度主控制器反向調(diào)節(jié)，主控制器反向調(diào)節(jié)，使副控制器調(diào)節(jié)量減小。使副控制器調(diào)節(jié)量減小。主控制器調(diào)節(jié)閥x1爐膛原料油f3、f2f1管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器x2(t)Y2(t)Y1(t) 4.1.2串級(jí)控制系統(tǒng)特點(diǎn)及其分析串級(jí)控制系統(tǒng)特點(diǎn)及其分析副回路：副回路： 隨動(dòng)系統(tǒng)，完成系統(tǒng)的隨動(dòng)系統(tǒng)，完成系統(tǒng)的“粗調(diào)粗調(diào)”任務(wù)。任務(wù)。主回路：主回路： 恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，完成系統(tǒng)的恒值調(diào)

12、節(jié)系統(tǒng)，完成系統(tǒng)的“細(xì)調(diào)細(xì)調(diào)”任務(wù)。任務(wù)。將串級(jí)控制系統(tǒng)等效成單回路控制系統(tǒng)討論。將串級(jí)控制系統(tǒng)等效成單回路控制系統(tǒng)討論。Wc1(s)Wv(s)X1(s)Y1(s)Wo2(s) F2(s)Wo1(s)Wc2(s)X2(s)Y2(s)F1(s)Wm2(s)Wm1(s) F2(s)G*o2(s)Go2(s)X2(s)Y2(s)將副環(huán)等效為：將副環(huán)等效為：)()()()(1)()()()(222222sWsWsWsWsWsWsWsWmovcovco)()()()(1)()(2222*2sWsWsWsWsWsWmovcoo（1）改善被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性）改善被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性 控制通道等效副對(duì)象的傳函：

13、控制通道等效副對(duì)象的傳函：1)(20202sTKsW22)(ccKsW設(shè)：設(shè)：則：則：C2V02C2V02m20202C2V02m2KK K1KK K KG( )T1S1KK K KsT02 T02K02 1/Km2)()()()(1)()()()(222222sWsWsWsWsWsWsWsWmovcovcovvKsW)(22)(mmKsW)(2sWoWc1(s)X1(s)Y1(s)W*o2(s) F2(s)Wo1(s)Wo2(s)Y2(s)F1(s)Wm1(s)w*c1(s)Wv(s)X1(s)Y1(s)Wo2(s) F2(s)Wo1(s) F1(s)Wm1(s)串級(jí)控制等效串級(jí)控制等效真正

14、的單回路控制真正的單回路控制 T02 T02 ，說(shuō)明主環(huán)控制通道時(shí)間常數(shù)縮短，說(shuō)明主環(huán)控制通道時(shí)間常數(shù)縮短，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 同理，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)振蕩頻率的推導(dǎo)可知：同理，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)振蕩頻率的推導(dǎo)可知：副回路的引入，提高了系統(tǒng)的工作頻率，也改副回路的引入，提高了系統(tǒng)的工作頻率，也改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 從系統(tǒng)特征方程：從系統(tǒng)特征方程：1+Wc1(s)Wo2(s)Wo1(s)Wm1(s)=0可求出系統(tǒng)的工作頻率可求出系統(tǒng)的工作頻率cWc1(s)X1(s)Y1(s)W*o2(s) F2(s)Wo1(s)Wo2(s)Y2(s)F1(s)Wm1(s)(2)

15、大大增強(qiáng)抗二次干擾能力大大增強(qiáng)抗二次干擾能力對(duì)于進(jìn)入副回路的干擾，串級(jí)控制和單回路控對(duì)于進(jìn)入副回路的干擾，串級(jí)控制和單回路控制前向通道的區(qū)別：制前向通道的區(qū)別：真正的單回路控制真正的單回路控制Wc1(s)X1(s)Y1(s)W*o2(s) F2(s)Wo1(s)Wo2(s)Y2(s)F1(s)Wm1(s)w*c1(s)Wv(s)X1(s)Y1(s)Wo2(s) F2(s)Wo1(s) F1(s)Wm1(s)真正的單回路控制真正的單回路控制（3）對(duì)一次干擾有較好的克服能力）對(duì)一次干擾有較好的克服能力對(duì)于進(jìn)入主回路的干擾，串級(jí)控制和單回路控制對(duì)于進(jìn)入主回路的干擾，串級(jí)控制和單回路控制閉環(huán)回路的區(qū)別

16、：閉環(huán)回路的區(qū)別：Wc1(s)X1(s)Y1(s)W*o2(s) F2(s)Wo1(s)Wo2(s)Y2(s)F1(s)Wm1(s)w*c1(s)Wv(s)X1(s)Y1(s)Wo2(s) F2(s)Wo1(s) F1(s)Wm1(s)（4）對(duì)負(fù)荷和操作條件變化的適應(yīng)能力增強(qiáng)）對(duì)負(fù)荷和操作條件變化的適應(yīng)能力增強(qiáng)有些生產(chǎn)過(guò)程的工藝條件經(jīng)常變化。而在不同的有些生產(chǎn)過(guò)程的工藝條件經(jīng)常變化。而在不同的工藝點(diǎn)，對(duì)象的放大倍數(shù)往往不同。如果是單回路控工藝點(diǎn)，對(duì)象的放大倍數(shù)往往不同。如果是單回路控制，這會(huì)導(dǎo)致控制質(zhì)量下降。制，這會(huì)導(dǎo)致控制質(zhì)量下降。真正的單回路控制真正的單回路控制w*c1(s)Wv(s)X1

17、(s)Y1(s)Wo2(s) F2(s)Wo1(s) F1(s)Wm1(s)Wc1(s)X1(s)Y1(s)W*o2(s) F2(s)Wo1(s)Wo2(s)Y2(s)F1(s)Wm1(s)C2V02C2V02m20202C2V02m2KK K1KK KKG( )T1S1KK KKsK02 1/Km2對(duì)于串級(jí)控制，部分對(duì)象被包含在副回路中，其對(duì)于串級(jí)控制，部分對(duì)象被包含在副回路中，其放大倍數(shù)被負(fù)反饋壓制。因而工藝負(fù)荷或操作條件變放大倍數(shù)被負(fù)反饋壓制。因而工藝負(fù)荷或操作條件變化時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量。化時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量。串級(jí)系統(tǒng)特點(diǎn)總結(jié)：串級(jí)系統(tǒng)特點(diǎn)總結(jié)：改善了被控

18、過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工改善了被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；作頻率； 對(duì)進(jìn)入副回路的干擾有很強(qiáng)的克服能力；對(duì)進(jìn)入副回路的干擾有很強(qiáng)的克服能力；對(duì)進(jìn)入主回路的干擾控制效果也有改善；對(duì)進(jìn)入主回路的干擾控制效果也有改善；對(duì)負(fù)荷或操作條件的變化有一定自適應(yīng)能力。對(duì)負(fù)荷或操作條件的變化有一定自適應(yīng)能力。 調(diào)節(jié)效果比較調(diào)節(jié)效果比較串級(jí)控制串級(jí)控制單回路控制單回路控制ty4.1.3 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1主回路設(shè)計(jì)主回路設(shè)計(jì) 主回路設(shè)計(jì)與單回路控制系統(tǒng)一樣。主回路設(shè)計(jì)與單回路控制系統(tǒng)一樣。Wc1(s)Wv(s)X1(s)Y1(s)Wo2(s) F2(s)Wo1(s)Wc2(

19、s)X2(s)Y2(s)F1(s)Wm2(s)Wm1(s)2副回路的選擇副回路的選擇副回路設(shè)計(jì)中，最重要的是選擇副回路的被控副回路設(shè)計(jì)中，最重要的是選擇副回路的被控參數(shù)（串級(jí)系統(tǒng)的副參數(shù)）。副參數(shù)的選擇一般應(yīng)參數(shù)（串級(jí)系統(tǒng)的副參數(shù)）。副參數(shù)的選擇一般應(yīng)遵循下面幾個(gè)原則：遵循下面幾個(gè)原則： 主、副變量有對(duì)應(yīng)關(guān)系主、副變量有對(duì)應(yīng)關(guān)系副參數(shù)的選擇必須使副回路包含變化劇烈的副參數(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主要干擾，并盡可能多包含一些干擾副參數(shù)的選擇應(yīng)考慮主、副回路中控制過(guò)程副參數(shù)的選擇應(yīng)考慮主、副回路中控制過(guò)程的時(shí)間常數(shù)的匹配，以防的時(shí)間常數(shù)的匹配，以防“共振共振

20、” 的發(fā)生的發(fā)生應(yīng)注意工藝上的合理性和經(jīng)濟(jì)性應(yīng)注意工藝上的合理性和經(jīng)濟(jì)性3主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇 在串級(jí)系統(tǒng)中，主參數(shù)是系統(tǒng)控制任務(wù)，副參在串級(jí)系統(tǒng)中，主參數(shù)是系統(tǒng)控制任務(wù)，副參數(shù)輔助變量。這是選擇調(diào)節(jié)規(guī)律的基本出發(fā)點(diǎn)。數(shù)輔助變量。這是選擇調(diào)節(jié)規(guī)律的基本出發(fā)點(diǎn)。主參數(shù)是生產(chǎn)工藝的主要控制指標(biāo)，工藝上要求比主參數(shù)是生產(chǎn)工藝的主要控制指標(biāo)，工藝上要求比較嚴(yán)格。所以，主調(diào)節(jié)器通常選用較嚴(yán)格。所以，主調(diào)節(jié)器通常選用PI調(diào)節(jié)，或調(diào)節(jié)，或PID調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)。 控制副參數(shù)是為了提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對(duì)控制副參數(shù)是為了提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對(duì)副參數(shù)的要求一般不嚴(yán)格，允許有靜差。因此

21、，副副參數(shù)的要求一般不嚴(yán)格，允許有靜差。因此，副調(diào)節(jié)器一般選調(diào)節(jié)器一般選P調(diào)節(jié)就可以了。調(diào)節(jié)就可以了。 4主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主、副調(diào)節(jié)器正、反作用對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇原則依然是使系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋。方式的選擇原則依然是使系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋。選擇時(shí)的順序是：選擇時(shí)的順序是：1、根據(jù)工藝安全或節(jié)能要求確定調(diào)節(jié)閥的正、反、根據(jù)工藝安全或節(jié)能要求確定調(diào)節(jié)閥的正、反作用；作用；2、按照副回路構(gòu)成負(fù)反饋的原則確定副調(diào)節(jié)器的、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；正、反作用；3、依據(jù)主回路構(gòu)成負(fù)反饋的原則

22、，確定主調(diào)節(jié)器、依據(jù)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。的正、反作用。以管式加熱爐為例，說(shuō)明串級(jí)控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)以管式加熱爐為例，說(shuō)明串級(jí)控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式的確定方法。器的正、反作用方式的確定方法。1、從生產(chǎn)工藝安全出發(fā)，燃料油調(diào)節(jié)閥選用氣開(kāi)式、從生產(chǎn)工藝安全出發(fā)，燃料油調(diào)節(jié)閥選用氣開(kāi)式（正作用）。一旦出現(xiàn)故障或氣源斷氣，調(diào)節(jié)閥應(yīng)關(guān)（正作用）。一旦出現(xiàn)故障或氣源斷氣，調(diào)節(jié)閥應(yīng)關(guān)閉，切斷燃料油進(jìn)入加熱爐，確保設(shè)備安全。閉，切斷燃料油進(jìn)入加熱爐，確保設(shè)備安全。原料出口溫度原料出口溫度1(t)原料原料T1CT1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐T2CT2T2、副回路中，

23、調(diào)節(jié)閥開(kāi)大，爐膛溫度升高，測(cè)量、副回路中，調(diào)節(jié)閥開(kāi)大，爐膛溫度升高，測(cè)量信號(hào)增大，說(shuō)明副對(duì)象和變送器都是正作用。為保證信號(hào)增大，說(shuō)明副對(duì)象和變送器都是正作用。為保證副回路為負(fù)反饋，副調(diào)節(jié)器應(yīng)為反作用方式。副回路為負(fù)反饋，副調(diào)節(jié)器應(yīng)為反作用方式。原料出口溫度原料出口溫度1(t)原料原料T1CT1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐T2CT2T3、對(duì)于主調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)閥開(kāi)大，爐膛溫度升高時(shí)，、對(duì)于主調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)閥開(kāi)大，爐膛溫度升高時(shí)，原料油出口溫度也升高，說(shuō)明主對(duì)象和主變送器也原料油出口溫度也升高，說(shuō)明主對(duì)象和主變送器也都是正作用。為保證主回路為負(fù)反饋，主調(diào)節(jié)器也都是正作用。為保證主回路為負(fù)反饋，主調(diào)節(jié)器

24、也應(yīng)為反作用方式。應(yīng)為反作用方式。原料出口溫度原料出口溫度1(t)原料原料T1CT1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐T2CT2T5串級(jí)系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用串級(jí)系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用當(dāng)生產(chǎn)工藝要求高，采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)滿(mǎn)足不當(dāng)生產(chǎn)工藝要求高，采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)滿(mǎn)足不了工藝要求的情況下，可考慮采用串級(jí)控制系統(tǒng)。了工藝要求的情況下，可考慮采用串級(jí)控制系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)常用于下面一些生產(chǎn)過(guò)程。串級(jí)控制系統(tǒng)常用于下面一些生產(chǎn)過(guò)程。1）容量滯后較大的過(guò)程）容量滯后較大的過(guò)程2）純滯后較大的過(guò)程）純滯后較大的過(guò)程3）干擾幅度大的過(guò)程）干擾幅度大的過(guò)程4）非線性嚴(yán)重的過(guò)程）非線性嚴(yán)重的過(guò)程4.1.4串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定串級(jí)控制

25、系統(tǒng)的參數(shù)整定有逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法。有逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法。1逐步逼近法逐步逼近法依次整定副回路、主回路。并循環(huán)進(jìn)行，逐步接依次整定副回路、主回路。并循環(huán)進(jìn)行，逐步接近主、副回路最佳控制狀態(tài)。近主、副回路最佳控制狀態(tài)。 2兩步整定法兩步整定法系統(tǒng)處于串級(jí)工作狀態(tài)，第一步按單回路方法整系統(tǒng)處于串級(jí)工作狀態(tài)，第一步按單回路方法整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)；第二步把已經(jīng)整定好的副回路視為定副調(diào)節(jié)器參數(shù)；第二步把已經(jīng)整定好的副回路視為一個(gè)環(huán)節(jié)，仍按單回路對(duì)主調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)整定。一個(gè)環(huán)節(jié)，仍按單回路對(duì)主調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)整定。3一步整定法一步整定法所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，先將副調(diào)節(jié)器

26、所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，先將副調(diào)節(jié)器參數(shù)一次調(diào)好，不再變動(dòng)，然后按一般單回路控制系參數(shù)一次調(diào)好，不再變動(dòng)，然后按一般單回路控制系統(tǒng)的整定方法直接整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。統(tǒng)的整定方法直接整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。表表1 1 一步整定法副調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇范圍一步整定法副調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇范圍副參數(shù)類(lèi)型副參數(shù)類(lèi)型 副調(diào)節(jié)器比例度副調(diào)節(jié)器比例度2（%） 副調(diào)節(jié)器比例增益副調(diào)節(jié)器比例增益Kc2 溫度溫度 2060 5.01.7 壓力壓力 3070 3.01.4 流量流量 4080 2.51.25 液位液位 2080 5.01.254.2前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)前饋控制的原理是：當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，立即將前饋控制的原理是

27、：當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，立即將其測(cè)量出來(lái)，通過(guò)前饋控制器，根據(jù)擾動(dòng)量的大小改其測(cè)量出來(lái)，通過(guò)前饋控制器，根據(jù)擾動(dòng)量的大小改變控制變量，以抵消擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響。變控制變量，以抵消擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響。4.2.1前饋控制的工作原理及其特點(diǎn)前饋控制的工作原理及其特點(diǎn)1 1、反饋控制的特點(diǎn)、反饋控制的特點(diǎn)：不論是什么干擾，只要引起被調(diào)參數(shù)的變化，不論是什么干擾，只要引起被調(diào)參數(shù)的變化，調(diào)節(jié)器均可根據(jù)偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。但必須被調(diào)參數(shù)變調(diào)節(jié)器均可根據(jù)偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。但必須被調(diào)參數(shù)變化后才進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)速度難以進(jìn)一步提高。化后才進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)速度難以進(jìn)一步提高。MTTTC蒸汽蒸汽換熱器換熱器冷物料冷物料入口入口熱

28、物料熱物料出口出口冷凝水冷凝水 針對(duì)冷物料針對(duì)冷物料流量變化的最佳流量變化的最佳調(diào)節(jié)效果：調(diào)節(jié)效果：ty為了改變事后調(diào)節(jié)的狀況，提出前饋控制的思為了改變事后調(diào)節(jié)的狀況，提出前饋控制的思路：根據(jù)冷物料流量路：根據(jù)冷物料流量Q的大小，調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度。的大小，調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度。 2 2、前饋控制的原理與特點(diǎn)、前饋控制的原理與特點(diǎn)M蒸汽蒸汽換熱器換熱器冷物料冷物料入口入口熱物料熱物料出口出口冷凝水冷凝水FTFCGb(s)Gfs)Go(s)Gm(s)Gv(s)M蒸汽蒸汽換熱器換熱器冷物料冷物料入口入口熱物料熱物料出口出口冷凝水冷凝水FTFCF(s)Y(s)Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gfs)Go(s

29、)Y(s)用方框圖表示：用方框圖表示：補(bǔ)償原理補(bǔ)償原理如果補(bǔ)償量和干擾量以同樣的大小和速度作用如果補(bǔ)償量和干擾量以同樣的大小和速度作用于被控變量，且作用方向相反的話(huà)，被控變量不變。于被控變量，且作用方向相反的話(huà)，被控變量不變。 Y(S) = F(S)Gf(s)+ F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s) = 0Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gfs)Go(s)Y(s)得：得：前饋補(bǔ)償規(guī)律的推導(dǎo)：前饋補(bǔ)償規(guī)律的推導(dǎo)：Y(S) = F(S)Gf(s)+ F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s) = 0fbomvG (s)G ( )G ( ) G (s) G (s)ss Gv(

30、s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gfs)Go(s)Y(s)q前饋控制的特點(diǎn)：前饋控制的特點(diǎn)：前饋控制器是按是按照干擾的大小進(jìn)行控制前饋控制器是按是按照干擾的大小進(jìn)行控制的，的， 稱(chēng)為稱(chēng)為“擾動(dòng)補(bǔ)償擾動(dòng)補(bǔ)償”。如果補(bǔ)償精確，被調(diào)變量。如果補(bǔ)償精確，被調(diào)變量不會(huì)變化，能實(shí)現(xiàn)不會(huì)變化，能實(shí)現(xiàn)“不變性不變性”控制?？刂?。前饋控制是開(kāi)環(huán)控制，控制作用幾乎與干擾前饋控制是開(kāi)環(huán)控制，控制作用幾乎與干擾同步產(chǎn)生，是事先調(diào)節(jié)，速度快。同步產(chǎn)生，是事先調(diào)節(jié)，速度快。前饋控制器的控制規(guī)律不是前饋控制器的控制規(guī)律不是PID控制，是由控制，是由對(duì)象特性決定的。對(duì)象特性決定的。前饋控制只對(duì)特定的干擾有控制作用，對(duì)其前饋控

31、制只對(duì)特定的干擾有控制作用，對(duì)其它干擾無(wú)效。它干擾無(wú)效。3前饋控制的局限性前饋控制的局限性實(shí)際工業(yè)過(guò)程中的干擾很多，不可能對(duì)每個(gè)實(shí)際工業(yè)過(guò)程中的干擾很多，不可能對(duì)每個(gè)干擾設(shè)計(jì)一套控制系統(tǒng)，況且有的干擾的在線檢測(cè)干擾設(shè)計(jì)一套控制系統(tǒng)，況且有的干擾的在線檢測(cè)非常困難。非常困難。前饋控制器的補(bǔ)償控制規(guī)律很難精確計(jì)算，前饋控制器的補(bǔ)償控制規(guī)律很難精確計(jì)算，即使前饋控制器設(shè)計(jì)的非常精確，即使前饋控制器設(shè)計(jì)的非常精確， 實(shí)現(xiàn)時(shí)也會(huì)存在實(shí)現(xiàn)時(shí)也會(huì)存在誤差，而誤差，而開(kāi)環(huán)系統(tǒng)對(duì)誤差無(wú)法自我糾正開(kāi)環(huán)系統(tǒng)對(duì)誤差無(wú)法自我糾正。因此，一般將前饋控制與反饋控制結(jié)合使用。因此，一般將前饋控制與反饋控制結(jié)合使用。前饋控制針

32、對(duì)主要干擾，反饋控制針對(duì)所有干擾。前饋控制針對(duì)主要干擾，反饋控制針對(duì)所有干擾。4.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)前饋控制的結(jié)構(gòu)有靜態(tài)補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。前饋控制的結(jié)構(gòu)有靜態(tài)補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。 1靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)所謂靜態(tài)前饋控制，是前饋控制器的補(bǔ)償控制所謂靜態(tài)前饋控制，是前饋控制器的補(bǔ)償控制規(guī)律，只考慮靜態(tài)增益補(bǔ)償，不考慮速度補(bǔ)償。規(guī)律，只考慮靜態(tài)增益補(bǔ)償，不考慮速度補(bǔ)償。fbomvG (s)G ( )G ( ) G (s) G (s)ss fbbomvKG (0)KKKK Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gf(s)Go(s)Y(s)（S=0時(shí)）時(shí)）靜態(tài)前饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

33、單、易于實(shí)現(xiàn)，前饋控制靜態(tài)前饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，前饋控制器就是一個(gè)比例放大器。但控制過(guò)程中，動(dòng)態(tài)偏差器就是一個(gè)比例放大器。但控制過(guò)程中，動(dòng)態(tài)偏差依然存在。依然存在。2動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)完全按照補(bǔ)償控制規(guī)律制作控制器。完全按照補(bǔ)償控制規(guī)律制作控制器。理論上，動(dòng)態(tài)前饋控制能在每個(gè)時(shí)刻都完全補(bǔ)償理論上，動(dòng)態(tài)前饋控制能在每個(gè)時(shí)刻都完全補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響。但補(bǔ)償控制規(guī)律比較復(fù)雜，擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響。但補(bǔ)償控制規(guī)律比較復(fù)雜，常常無(wú)法獲得精確表達(dá)式，也難以精確實(shí)現(xiàn)。常常無(wú)法獲得精確表達(dá)式，也難以精確實(shí)現(xiàn)。fbomvG (s)G ( )G ( ) G (s) G (s)ss 3前饋

34、前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)反饋復(fù)合控制系統(tǒng)為了克服前饋控制的局限性，將前饋控制和反饋為了克服前饋控制的局限性，將前饋控制和反饋控制結(jié)合起來(lái)，組成前饋控制結(jié)合起來(lái)，組成前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。 v如換熱器出口溫度前饋如換熱器出口溫度前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。TTTCM蒸汽蒸汽換熱器換熱器冷物料冷物料入口入口熱物料熱物料出口出口冷凝水冷凝水FTFB 在前饋在前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)中，設(shè)定值反饋復(fù)合控制系統(tǒng)中，設(shè)定值X(s)、干擾干擾F(s)對(duì)輸出對(duì)輸出Y(s)的共同影響為：的共同影響為：0vc0vcmT( )( )( )Y( )( )1( )( )( )G(S)G s G s

35、 GssX sG s G s G sfovbmFovcmT( )G (S)G (S)G (S)G(S)( )1( )( )( )G(S)G sF sG s G s G sGv(s)Gb(s)GmF(s)F(s)Gf(s)Go(s)Y(s)GmT(s)Gc(s)X(s)fovbmFfovcmT( )G (S)G (S)G (S)G(S)Y (S)( )1( )( )( )G(S)G sF sG s G s G s1、傳函分子即是前饋控制系統(tǒng)的補(bǔ)償條件。表、傳函分子即是前饋控制系統(tǒng)的補(bǔ)償條件。表明復(fù)合控制系統(tǒng)與開(kāi)環(huán)前饋控制系統(tǒng)的補(bǔ)償條件完全明復(fù)合控制系統(tǒng)與開(kāi)環(huán)前饋控制系統(tǒng)的補(bǔ)償條件完全相同，并不因

36、為引進(jìn)反饋控制而有所改變。相同，并不因?yàn)橐M(jìn)反饋控制而有所改變。2、傳函分母即是反饋控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)、傳函分母即是反饋控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。表明反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性并不因?yàn)橐M(jìn)前饋控制。表明反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性并不因?yàn)橐M(jìn)前饋控制而有所改變；且由于反饋控制回路的存在，使前饋控而有所改變；且由于反饋控制回路的存在，使前饋控制的精度比開(kāi)環(huán)前饋控制高。制的精度比開(kāi)環(huán)前饋控制高。干擾通道的傳遞函數(shù)為：干擾通道的傳遞函數(shù)為：復(fù)合控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：復(fù)合控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：在反饋控制的基礎(chǔ)上，針對(duì)主要干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)在反饋控制的基礎(chǔ)上，針對(duì)主要干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)償。既提高了控制速度，又保證了控制精度

37、。償。既提高了控制速度，又保證了控制精度。反饋控制回路的存在，降低了對(duì)前饋控制器的精反饋控制回路的存在，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)和實(shí)現(xiàn)。度要求，有利于簡(jiǎn)化前饋控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。在單純的反饋控制系統(tǒng)中，提高控制精度與系統(tǒng)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)定性而無(wú)法穩(wěn)定性是一對(duì)矛盾。往往為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性而無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度的控制。而前饋實(shí)現(xiàn)高精度的控制。而前饋反饋控制系統(tǒng)既可實(shí)反饋控制系統(tǒng)既可實(shí)現(xiàn)高精度控制，又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行?，F(xiàn)高精度控制，又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。 4前饋前饋串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)對(duì)于慢過(guò)程的控

38、制，如果生產(chǎn)過(guò)程中的主要干擾對(duì)于慢過(guò)程的控制，如果生產(chǎn)過(guò)程中的主要干擾頻繁而又劇烈，而工藝對(duì)被控參量的控制精度要求又頻繁而又劇烈，而工藝對(duì)被控參量的控制精度要求又很高，可以考慮采用前饋很高，可以考慮采用前饋串級(jí)復(fù)合控制方案。串級(jí)復(fù)合控制方案。Gv(s)Gb(s)GmF(s)F(s)Gf(s)Go1(s)Y(s)Gm2(s)Gc1(s)X(s)Gc2(s)Go2(s)Gm1(s)從前饋從前饋串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（ P226式式7-25作了簡(jiǎn)化）可知：作了簡(jiǎn)化）可知： 1、串級(jí)控制回路的傳函和單純的串級(jí)控制系統(tǒng)一樣、串級(jí)控制回路的傳函和單純的串級(jí)控制系統(tǒng)一樣 2、

39、前饋控制器的傳函主要由擾動(dòng)通道和主對(duì)象特性決、前饋控制器的傳函主要由擾動(dòng)通道和主對(duì)象特性決定定Gv(s)Gb(s)GmF(s)F(s)Gf(s)Go1(s)Y(s)Gm2(s)Gc1(s)X(s)Gc2(s)Go2(s)Gm1(s)1/Gm2(S) 5前饋控制器的通用模型前饋控制器的通用模型 前面按照不變性條件，求得前饋控制器的傳前面按照不變性條件，求得前饋控制器的傳遞函數(shù)表達(dá)式遞函數(shù)表達(dá)式 fbomvG (s)G ( )G ( ) G (s) G (s)ss 實(shí)際上，要得到上式的精確數(shù)學(xué)模型比較困難，實(shí)際上，要得到上式的精確數(shù)學(xué)模型比較困難，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)也比較困難，還不如用簡(jiǎn)約化模型。準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)也

40、比較困難，還不如用簡(jiǎn)約化模型。將將Go(S)、 Gf(S)用帶滯后的一階模型近似，將用帶滯后的一階模型近似，將Gv(S)、 Gm(S)用比例模型近似，代入上式整理得：用比例模型近似，代入上式整理得： 因此，可以事先做好各系數(shù)可調(diào)的通用前饋控因此，可以事先做好各系數(shù)可調(diào)的通用前饋控制器。使用時(shí)根據(jù)補(bǔ)償要求，調(diào)整各個(gè)系數(shù)值，就制器。使用時(shí)根據(jù)補(bǔ)償要求，調(diào)整各個(gè)系數(shù)值，就可獲得不同特性的前饋控制功能?？色@得不同特性的前饋控制功能。s1bb2Ts+1G ( )KeT s+1s前饋控制器的通用模型：前饋控制器的通用模型：各系數(shù)物理意義：各系數(shù)物理意義：Km 靜態(tài)放大系數(shù)；靜態(tài)放大系數(shù)； T1 加速系數(shù)；

41、加速系數(shù)；T2 減速系數(shù)；減速系數(shù)； 純滯后時(shí)間。純滯后時(shí)間。前饋控制的應(yīng)用場(chǎng)合前饋控制的應(yīng)用場(chǎng)合（1 1）某個(gè)干擾幅值大而頻繁，對(duì)被控變量影）某個(gè)干擾幅值大而頻繁，對(duì)被控變量影響劇烈，而對(duì)象的控制通道滯后大。響劇烈，而對(duì)象的控制通道滯后大。（2 2）采用單純的反饋控制，控制速度慢、質(zhì)）采用單純的反饋控制，控制速度慢、質(zhì)量差。量差。（3 3）用串級(jí)控制，效果改善不明顯。）用串級(jí)控制，效果改善不明顯。目前，比較高檔的控制儀表中都配備通用前目前，比較高檔的控制儀表中都配備通用前饋控制模塊，供用戶(hù)選用。饋控制模塊，供用戶(hù)選用。4.3大滯后過(guò)程控制系統(tǒng)大滯后過(guò)程控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中，控制通道往往不同程

42、度地存在著在工業(yè)生產(chǎn)中，控制通道往往不同程度地存在著純滯后。一般將純滯后時(shí)間純滯后。一般將純滯后時(shí)間與時(shí)間常數(shù)與時(shí)間常數(shù)T之比大于之比大于0.3（ / T0.3）的過(guò)程稱(chēng)之為大滯后過(guò)程。）的過(guò)程稱(chēng)之為大滯后過(guò)程。大滯后過(guò)程包含大滯后過(guò)程包含容量滯后容量滯后和和純滯后純滯后。容量滯后：容量滯后：采用微分控制（采用微分控制（D）；）；純滯后：純滯后：由于物理傳輸作用，檢測(cè)點(diǎn)和控制點(diǎn)存由于物理傳輸作用，檢測(cè)點(diǎn)和控制點(diǎn)存在時(shí)間上的延遲。在時(shí)間上的延遲。（1）帶傳輸過(guò)程；）帶傳輸過(guò)程；（2）連續(xù)軋鋼過(guò)程。）連續(xù)軋鋼過(guò)程。純滯后過(guò)程控制的難點(diǎn)：純滯后過(guò)程控制的難點(diǎn)：純滯后過(guò)程是公認(rèn)較難控制的過(guò)程。其難于控

43、制純滯后過(guò)程是公認(rèn)較難控制的過(guò)程。其難于控制的的主要原因主要原因是純滯后的增加導(dǎo)致開(kāi)環(huán)相頻特性相角滯是純滯后的增加導(dǎo)致開(kāi)環(huán)相頻特性相角滯后增大，使閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。為了保證穩(wěn)定裕后增大，使閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。為了保證穩(wěn)定裕度，不得不減小調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)，造成控制質(zhì)量的度，不得不減小調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)，造成控制質(zhì)量的下降。下降。最早的大滯后過(guò)程控制方案是最早的大滯后過(guò)程控制方案是采樣控制采樣控制。4.3.1純滯后過(guò)程的采樣控制純滯后過(guò)程的采樣控制 所謂采樣控制，是一種定周期的斷續(xù)所謂采樣控制，是一種定周期的斷續(xù)PID控制方控制方式，即控制器按周期式，即控制器按周期T進(jìn)行采樣控制。在兩次采樣之

44、進(jìn)行采樣控制。在兩次采樣之間，保持該控制信號(hào)不變，直到下一個(gè)采樣控制信間，保持該控制信號(hào)不變，直到下一個(gè)采樣控制信號(hào)信號(hào)到來(lái)。保持的時(shí)間號(hào)信號(hào)到來(lái)。保持的時(shí)間T與必須大于純滯后時(shí)間與必須大于純滯后時(shí)間。這樣重復(fù)動(dòng)作，一步一步地校正被控參數(shù)的偏差值，這樣重復(fù)動(dòng)作，一步一步地校正被控參數(shù)的偏差值，直至系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。直至系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。 這種這種“調(diào)一調(diào)，等一等調(diào)一調(diào)，等一等”的方案的的方案的核心思想核心思想就就是放慢控制速度，減少控制器的過(guò)度調(diào)節(jié)。是放慢控制速度，減少控制器的過(guò)度調(diào)節(jié)。 典型的大滯后過(guò)程的采樣控制系統(tǒng)框圖如圖所典型的大滯后過(guò)程的采樣控制系統(tǒng)框圖如圖所示。圖中，采樣控制器每隔采

45、樣周期示。圖中，采樣控制器每隔采樣周期T動(dòng)作一次。動(dòng)作一次。S1、S2表示采樣器，它們同時(shí)接通或同時(shí)斷開(kāi)。表示采樣器，它們同時(shí)接通或同時(shí)斷開(kāi)。S1、S2，接通時(shí)，采樣控制器閉環(huán)工作；，接通時(shí)，采樣控制器閉環(huán)工作；S1、S2斷開(kāi)時(shí)，采樣控制器停止工作，輸出為零，但是斷開(kāi)時(shí)，采樣控制器停止工作，輸出為零，但是上一時(shí)刻的控制值上一時(shí)刻的控制值u*(t)通過(guò)保持器持續(xù)輸出。通過(guò)保持器持續(xù)輸出。采樣控制器采樣控制器y(t)過(guò)程過(guò)程x(t)保持器保持器執(zhí)行器執(zhí)行器_ _e*(t)u*(t)u(t)S1S2+變送器變送器采樣控制是以犧牲速度來(lái)獲取穩(wěn)定的控制效果，采樣控制是以犧牲速度來(lái)獲取穩(wěn)定的控制效果，如果

46、在采樣間隔內(nèi)出現(xiàn)干擾，必須要等到下一次采樣如果在采樣間隔內(nèi)出現(xiàn)干擾，必須要等到下一次采樣后才能作出反應(yīng)。后才能作出反應(yīng)。 4.3.2純滯后過(guò)程的微分先行控制純滯后過(guò)程的微分先行控制PID控制方案控制方案圖4-29 PID控制系統(tǒng)Y(s)X(s)PIDWo(s)e-SS_ _U(s)+Wf(s)F(s)Wf(s)F(s)Y(s)X(s)Wo(s)e-SS_ _U(s)+)11 (sTKIc) 1(sTD圖4-30 微分先行控制方案sDIcoIsDIcesTsTKssWTesTsTKsXsY) 1)(1()() 1)(1()()(1sDIcoIsIcesTsTKssWTesTKsXsY) 1)(1

47、()() 1()()(1PID控制：控制：微分先行控制：微分先行控制：4.3.3純滯后過(guò)程的中間微分控制純滯后過(guò)程的中間微分控制圖4-31 中間微分反饋控制方案Wf(s)F(s)Y(s)X(s)Wo(s)e-SS_ _U(s)+)11 (sTKIcsTD4.3. 4大滯后過(guò)程的大滯后過(guò)程的Simth預(yù)估補(bǔ)償控制預(yù)估補(bǔ)償控制Simth預(yù)估補(bǔ)償控制是按照對(duì)象特性，設(shè)計(jì)一個(gè)預(yù)估補(bǔ)償控制是按照對(duì)象特性，設(shè)計(jì)一個(gè)模型加入到反饋控制系統(tǒng)，提早估計(jì)出對(duì)象在擾動(dòng)作模型加入到反饋控制系統(tǒng)，提早估計(jì)出對(duì)象在擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，提早進(jìn)行補(bǔ)償，使控制器提前動(dòng)作，用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，提早進(jìn)行補(bǔ)償，使控制器提前動(dòng)作，從而降

48、低超調(diào)量，并加速調(diào)節(jié)過(guò)程。從而降低超調(diào)量，并加速調(diào)節(jié)過(guò)程。為理解為理解Smith預(yù)估控制的工作原理，先分析采用預(yù)估控制的工作原理，先分析采用簡(jiǎn)單控制方案時(shí)，大滯后過(guò)程的特性。簡(jiǎn)單控制方案時(shí)，大滯后過(guò)程的特性。Y(s)Wf(s)X(s)Wc(s)Wo(s)e-SS_ _U(s)+F(s)如圖是采用簡(jiǎn)單控制方案的大滯后過(guò)程控制系統(tǒng)如圖是采用簡(jiǎn)單控制方案的大滯后過(guò)程控制系統(tǒng)框圖。其中框圖。其中Wo(s)e S為控制通道的廣義傳遞函數(shù)，特為控制通道的廣義傳遞函數(shù)，特意將純滯后環(huán)節(jié)意將純滯后環(huán)節(jié)e S單獨(dú)寫(xiě)出，并且變送器的傳遞函單獨(dú)寫(xiě)出，并且變送器的傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化為數(shù)簡(jiǎn)化為1。該系統(tǒng)。該系統(tǒng)X(s)與與Y

49、(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：socsocesWsWesWsWsXsY)()(1)()()()(PID控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)若能將若能將W0(s)e S中的中的e S補(bǔ)償?shù)?，則實(shí)現(xiàn)無(wú)滯后補(bǔ)償?shù)?，則實(shí)現(xiàn)無(wú)滯后控制?？刂啤mith提出了一種大滯后系統(tǒng)預(yù)估補(bǔ)償控制方提出了一種大滯后系統(tǒng)預(yù)估補(bǔ)償控制方法，圖法，圖4-34(a)是是Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)框圖，預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)框圖，Wb(s) 是是Smith預(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)。預(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)。Y(s)Wf(s)X(s)Wc(s)Wo(s)e-SS_ _U(s)+F(s)Wb(s)+Y(s)采用預(yù)估補(bǔ)償器后，控制量采用預(yù)估補(bǔ)償器

50、后，控制量U(s)與反饋信號(hào)與反饋信號(hào)Y(s)之間的傳遞函數(shù)是兩個(gè)并聯(lián)通道之間的傳遞函數(shù)是兩個(gè)并聯(lián)通道W0(s) e oS與與Wb(s)之之和，并且應(yīng)當(dāng)?shù)扔诤停⑶覒?yīng)當(dāng)?shù)扔赪0(s)：得：得：Y(s)Wf(s)X(s)Wc(s)Wo(s)e-SS_ _U(s)+F(s)Wb(s)+Y(s)()()()()(sUsWsUesWsYbso沒(méi)有滯后時(shí)的輸出沒(méi)有滯后時(shí)的輸出：)()()(sUsWsYo)1)()(sobesWsW（Y(s)Wf(s)X(s)Wc(s)Wo(s)e-SS_ _U(s)+F(s)Wo(s)+Y(s)e-SS_ _ 根據(jù)根據(jù)Smith預(yù)估器的傳遞函數(shù)預(yù)估器的傳遞函數(shù)Wb(s)

51、表達(dá)式，就可表達(dá)式，就可得到圖得到圖4-34(a)的的Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)實(shí)施框圖。預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)實(shí)施框圖。 )1)()(sobesWsW（sococesWsWsWsWsXsY)()(1)()()()(X(s)Y(s)Wc(s)Wo(s) _ _U(s)+e-SSsococesWsWsWsWsXsY)()(1)()()()(等效圖等效圖對(duì)比基本的單回路控制系統(tǒng)，對(duì)比基本的單回路控制系統(tǒng)， Smith預(yù)估補(bǔ)償控預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)的特征方程中已不包含制系統(tǒng)的特征方程中已不包含e S項(xiàng)，即預(yù)估補(bǔ)償消項(xiàng)，即預(yù)估補(bǔ)償消除了控制通道純滯后對(duì)系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性的影響。除了控制通道純滯后對(duì)系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性的影

52、響。單回路控制單回路控制預(yù)估補(bǔ)償控制預(yù)估補(bǔ)償控制至于分子中的至于分子中的e S 項(xiàng)只是將被控參數(shù)項(xiàng)只是將被控參數(shù)y(t)的響應(yīng)的響應(yīng)在時(shí)間上推遲了在時(shí)間上推遲了時(shí)段。說(shuō)明預(yù)估補(bǔ)償后，設(shè)定值通時(shí)段。說(shuō)明預(yù)估補(bǔ)償后，設(shè)定值通道的控制品質(zhì)和過(guò)程無(wú)滯后時(shí)完全相同。道的控制品質(zhì)和過(guò)程無(wú)滯后時(shí)完全相同。sococesWsWsWsWsXsY)()(1)()()()(socsocesWsWesWsWsXsY)()(1)()()()(干擾干擾F(s)與與Y(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為Y(s)Wf(s)X(s)Wc(s)Wo(s)e-SS_ _U(s)+F(s)Wo(s)+Y(s)e-SS_ _

53、)()()(1)()(1)()(sWesWsWsWsWsFsYfsococ式中，干擾式中，干擾F(s)與被控參數(shù)與被控參數(shù)Y(s)之間的傳遞函數(shù)之間的傳遞函數(shù)由兩部分組成：第一項(xiàng)是干擾對(duì)被控參數(shù)的擾動(dòng)作用；由兩部分組成：第一項(xiàng)是干擾對(duì)被控參數(shù)的擾動(dòng)作用；第二項(xiàng)是控制系統(tǒng)抑制干擾影響的控制作用。第二項(xiàng)是控制系統(tǒng)抑制干擾影響的控制作用。和設(shè)定值通道一樣，干擾通道的傳遞函數(shù)特征方和設(shè)定值通道一樣，干擾通道的傳遞函數(shù)特征方程中也不包含程中也不包含e oS項(xiàng)，即預(yù)估補(bǔ)償消除了純滯后對(duì)系項(xiàng)，即預(yù)估補(bǔ)償消除了純滯后對(duì)系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性的影響。統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性的影響。但是，但是，Smith預(yù)估補(bǔ)償器并沒(méi)有消除純滯后預(yù)

54、估補(bǔ)償器并沒(méi)有消除純滯后對(duì)干對(duì)干擾擾F(s)抑制過(guò)程的影響。因?yàn)橐种七^(guò)程的影響。因?yàn)?()()(1)()(1)()(sWesWsWsWsWsFsYfsococ由于上式第二項(xiàng)含有由于上式第二項(xiàng)含有e -S項(xiàng)，表明系統(tǒng)對(duì)干擾的項(xiàng)，表明系統(tǒng)對(duì)干擾的控制作用比干擾作用純滯后控制作用比干擾作用純滯后時(shí)段，這仍然影響控制時(shí)段，這仍然影響控制效果。效果。因此，因此，Smith預(yù)估補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值擾動(dòng)的控制預(yù)估補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值擾動(dòng)的控制效果很好；對(duì)負(fù)荷擾動(dòng)的控制效果有所改善。效果很好；對(duì)負(fù)荷擾動(dòng)的控制效果有所改善。但是，但是，Smith預(yù)估補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)補(bǔ)償模型的誤差十預(yù)估補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)補(bǔ)償模型的誤差十分敏感，補(bǔ)償效

55、果取決于補(bǔ)償器模型的精度。分敏感，補(bǔ)償效果取決于補(bǔ)償器模型的精度。 Wb(s)= W0(s)(1 - e -S)4.4比值控制比值控制 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，要求兩種或多種物料流在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，要求兩種或多種物料流量成一定比例關(guān)系；一旦比例失調(diào)，會(huì)影響生產(chǎn)量成一定比例關(guān)系；一旦比例失調(diào)，會(huì)影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，影響產(chǎn)品質(zhì)量，浪費(fèi)動(dòng)力，造成環(huán)的正常進(jìn)行，影響產(chǎn)品質(zhì)量，浪費(fèi)動(dòng)力，造成環(huán)境污染，甚至產(chǎn)生生產(chǎn)事故。境污染，甚至產(chǎn)生生產(chǎn)事故。比值控制系統(tǒng)舉例比值控制系統(tǒng)舉例 （1）鍋爐燃燒系統(tǒng)的空燃比；）鍋爐燃燒系統(tǒng)的空燃比； （2）化肥廠合成氨）化肥廠合成氨H2和和N2比例控制；比例控制； （3）

56、制藥生產(chǎn)中要求藥物和注入劑按比例混合；）制藥生產(chǎn)中要求藥物和注入劑按比例混合； （4）啤酒生產(chǎn)中原料和母料（原液）的配比。）啤酒生產(chǎn)中原料和母料（原液）的配比。 比值控制系統(tǒng)的含義比值控制系統(tǒng)的含義凡是凡是兩個(gè)或多個(gè)參數(shù)兩個(gè)或多個(gè)參數(shù)自動(dòng)維持一定的自動(dòng)維持一定的比例關(guān)系比例關(guān)系的過(guò)的過(guò)程控制系統(tǒng)，稱(chēng)為程控制系統(tǒng)，稱(chēng)為比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)。 變量及關(guān)系變量及關(guān)系主動(dòng)量主動(dòng)量(主物料主物料q1) -起主導(dǎo)作用而又不可控的物起主導(dǎo)作用而又不可控的物料流量；料流量；從動(dòng)量從動(dòng)量(從物料從物料q2)-跟隨主動(dòng)量而變化的物料流跟隨主動(dòng)量而變化的物料流量；量；12qqK 4.4.1比值控制系統(tǒng)的類(lèi)型比值

57、控制系統(tǒng)的類(lèi)型 1.開(kāi)環(huán)比值控制開(kāi)環(huán)比值控制 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成特點(diǎn)特點(diǎn)簡(jiǎn)單、成本低；簡(jiǎn)單、成本低； 只有當(dāng)只有當(dāng) Q1變化時(shí)才起控制作用；變化時(shí)才起控制作用； Q2變化時(shí)變化時(shí) Q1不會(huì)響應(yīng)，比例關(guān)系被破壞。不會(huì)響應(yīng)，比例關(guān)系被破壞。適用場(chǎng)合適用場(chǎng)合副流量沒(méi)有干擾的情況。副流量沒(méi)有干擾的情況。 2.單閉環(huán)比值控制單閉環(huán)比值控制 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成特點(diǎn)特點(diǎn) 能克服開(kāi)環(huán)比值方案的不足。能克服開(kāi)環(huán)比值方案的不足。 穩(wěn)定狀態(tài)下，穩(wěn)定狀態(tài)下，Q Q2 2= =K QK Q1 1主流量變化時(shí)主流量變化時(shí)副變量由于干擾而變化時(shí)副變量由于干擾而變化時(shí)應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例 工程應(yīng)用方框圖工程應(yīng)用方框圖 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：不

58、但能實(shí)現(xiàn)流量的副量跟隨主量變化，而且能克不但能實(shí)現(xiàn)流量的副量跟隨主量變化，而且能克服流量干擾等。服流量干擾等。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：主流量不受控。主流量不受控。 應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)用場(chǎng)合 在負(fù)荷變化不太大的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。在負(fù)荷變化不太大的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。Y(s)Wc(s)Wo(s) _ _Q1+X(s)單閉環(huán)單閉環(huán)比值控制比值控制Q2 3.雙閉環(huán)比值控制雙閉環(huán)比值控制 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 能克服單閉環(huán)主流量不受控的不足，升降負(fù)荷比能克服單閉環(huán)主流量不受控的不足，升降負(fù)荷比較方便。較方便。 適用場(chǎng)合適用場(chǎng)合 常用在主流量干擾頻繁或工藝上不允許負(fù)荷有較常用在主流量干擾頻繁或工藝上不允許負(fù)荷有較大

59、的波動(dòng)，或工藝上經(jīng)常需要升降負(fù)荷的場(chǎng)合。大的波動(dòng)，或工藝上經(jīng)常需要升降負(fù)荷的場(chǎng)合。 需要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)比值關(guān)系時(shí)，應(yīng)用雙閉環(huán)比值控制。需要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)比值關(guān)系時(shí)，應(yīng)用雙閉環(huán)比值控制。應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例異丁烷丁烯餾分與硫酸的雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 工程應(yīng)用方框圖工程應(yīng)用方框圖 注意避免產(chǎn)生注意避免產(chǎn)生“共振共振”現(xiàn)象?，F(xiàn)象。Y(s)Wc(s)Wo(s) _ _Q1+X(s)雙閉環(huán)雙閉環(huán)比值控制比值控制Q2 4.變比值控制變比值控制 方法產(chǎn)生方法產(chǎn)生 在有些生產(chǎn)過(guò)程中，要求兩種物料流量的比值隨第三個(gè)變量的在有些生產(chǎn)過(guò)程中，要求兩種物料流量的比值隨第三個(gè)變量的變化而變化時(shí)，開(kāi)發(fā)并應(yīng)用變比值控制。變化而變化時(shí)，開(kāi)發(fā)并

60、應(yīng)用變比值控制。 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 變比值控制的含義變比值控制的含義 變比值控制系統(tǒng)是一個(gè)以第三個(gè)變量為主變量變比值控制系統(tǒng)是一個(gè)以第三個(gè)變量為主變量(質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)量指標(biāo))、以?xún)蓚€(gè)流量比為副變量的串級(jí)控制系統(tǒng)。、以?xún)蓚€(gè)流量比為副變量的串級(jí)控制系統(tǒng)。工作過(guò)程工作過(guò)程系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)當(dāng)當(dāng)Q1、Q2出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)當(dāng)出現(xiàn)其他擾動(dòng)當(dāng)出現(xiàn)其他擾動(dòng)(如溫度、壓力、成分等變化如溫度、壓力、成分等變化)4.5分程與選擇性控制分程與選擇性控制4.5.1分程控制原理分程控制原理 通常，在一個(gè)控制系統(tǒng)中，一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出信通常，在一個(gè)控制系統(tǒng)中，一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)只控制一個(gè)執(zhí)行器或調(diào)節(jié)閥，其結(jié)構(gòu)與特性見(jiàn)號(hào)只