提高控制品質的控制系統(tǒng)

單回路控制系統(tǒng)回顧圖單回路控制系統(tǒng)框圖調節(jié)器執(zhí)行器被控對象檢測變送器結構和特性：單回路、負反饋、應用較廣泛。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)特性比較復雜

或者控制任務比較特殊的應用場合，簡單控制系統(tǒng)就顯得力不從心。目前一頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點所謂復雜，乃是相對簡單而言的。一般來說，凡是結構上比單回路控制系統(tǒng)更為復雜或控制目的上較為特殊的控制系統(tǒng)都可以稱為復雜控制系統(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，構成的回路數(shù)也多于一個，所以，復雜控制系統(tǒng)又稱為多回路控制系統(tǒng)。顯然，這類系統(tǒng)的分析、設計、參數(shù)整定與投運比簡單控制系統(tǒng)要復雜一些。常見的復雜控制系統(tǒng)有串級、前饋、大時延、比值、均勻、分程、選擇等控制系統(tǒng)。復雜控制系統(tǒng)目前二頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點第8章

提高控制質量的控制系統(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)控制任務比較特殊目前三頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點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章提高控制品質的控制系統(tǒng)目前四頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點第8章提高控制品質的控制系統(tǒng)8.1串級控制系統(tǒng)生產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過一個較長的時間才能對被控變量起作用，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，或是工藝對產品質量提出的要求很高，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)。目前五頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點8.1.1基本概念1.串級控制系統(tǒng)結構煉油廠常用的設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)空氣目前六頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點單回路設計方案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)結構9分鐘45分鐘結論：1.結構上合理；2.實際控制質量

很差。爐目前七頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點第8章提高控制質量的控制系統(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)結構單回路設計方案2：

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

f2(t)、f3(t)

；2.不能克服f1(t)、

f4(t)

。爐目前八頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點第8章提高控制質量的控制系統(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)結構復雜設計方案3：

出口溫度Y1(s)為主被控參數(shù)，爐膛溫度Y2(s)為副被控參數(shù)，燃料量為控制參數(shù)。串級控制系統(tǒng)目前九頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點第8章提高控制質量的控制系統(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)結構主被控參數(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)。目前十頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點第8章提高控制質量的控制系統(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)結構副回路（副環(huán)）：由副變量檢測變送器、副控制器、調節(jié)閥、副對象組成的回路。處在串級控制系統(tǒng)內部的，在控制過程中起著“粗調”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”的作用。一次干擾：進入主回路的干擾二次干擾：進入副回路的干擾目前十一頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點目前十二頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點控制閥出口溫度燃料油原料油溫度測量值溫度變送器溫度設定值流量測量值流量變送器控制量第8章提高控制質量的控制系統(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)結構另一種方案目前十三頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點第8章提高控制質量的控制系統(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\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點加熱爐串級控制系統(tǒng)工作過程目前十五頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點目前十六頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點

第8章提高控制質量的控制系統(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)特性目前十七頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點

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：設上式中：代入，得：目前十八頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點

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)響應加快，控制更加及時，最大動態(tài)偏差得到減小；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)的控制質量也將比單回路控制系統(tǒng)有所改善。目前十九頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點副回路的引入，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)工作頻率提高目前二十頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點

（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21目前二十一頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點單回路特征方程：（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）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22目前二十二頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點若使串級控制系統(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，控制品質改善。串級系統(tǒng)：單回路系統(tǒng)：8.1串級控制系統(tǒng)8.1.2串級控制系統(tǒng)的特點2.系統(tǒng)工作頻率提高23目前二十三頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點（8.17）進入副回路的干擾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24目前二十四頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點系統(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）串級控制系統(tǒng)對F3(s)抗干擾能力Jc3表示為:（8.21）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25目前二十五頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點系統(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26目前二十六頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點（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：Kc1Kc2>>K*c18.1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27目前二十七頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點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負荷和操作條件的改變而發(fā)生變化。控制器參數(shù)只能在一個較小的工作范圍內與對象特性相匹配，如果負荷和操作條件變化過大，超出了這個適應范圍，控制質量就很難保證。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節(jié)器的輸出而變化的。主調節(jié)器可以按照生產負荷和操作條件的變化情況相應地調整副調節(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量。（2）目前二十八頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點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)行器在內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

目前二十九頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一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)大大減小（和副對象相比），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)響應加快，控制更加及時，最大動態(tài)偏差得到減??；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)的控制質量也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，有利于提高控制質量，提高系統(tǒng)的可控性。目前三十頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點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節(jié)器首先對干擾作用采取抑制措施，進行“粗調”，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節(jié)器采取抑制措施要小得多)，那么將再由主控制器進行“細調”。由于這里對副環(huán)干擾有兩級控制措施，顯然控制質量要比單回路控制系統(tǒng)一個調節(jié)器的控制質量要好得多。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，因而控制質量也會比單回路控制系統(tǒng)高。目前三十一頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點由上分析可以看出，串級控制系統(tǒng)由于有主、副兩個調節(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)控制質量相比，當干擾作用于副環(huán)時，串級系統(tǒng)的質量要高10到100倍；當干擾作用于主環(huán)時，串級系統(tǒng)的質量也要高2到5倍。

目前三十二頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點過程控制中的對象經常表現(xiàn)出非線性，隨著生產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，超出了這個適應范圍，控制質量就很難保證。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節(jié)器的輸出而變化的。主調節(jié)器可以按照生產負荷和操作條件的變化情況相應地調整副調節(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量。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能力。目前三十三頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點在串級控制系統(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節(jié)器的輸出而變化的。主調節(jié)器可以按照生產負荷和操作條件的變化情況相應地調整副調節(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量。如果對象有非線性特性存在，那么可以把它設計處于副回路之中，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。目前三十四頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點串級控制系統(tǒng)的應用范圍：根據(jù)串級控制系統(tǒng)的特點和結構，它主要適合于被控對象的容量滯后或純滯后時間較大，干擾作用強而且頻繁，或者生產負荷經常大范圍波動，簡單控制系統(tǒng)無法滿足生產工藝要求的場合。此外，當一個生產變量需要跟隨另一個變量而變化或需要互相兼顧時，也可采用這種結構的控制系統(tǒng)。但串級控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)所需的儀表多，投運和整定相應也復雜一些。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能力。目前三十五頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點

串級控制系統(tǒng)的工業(yè)應用應用于容量滯后較大的過程應用于純時延較大的過程

應用于擾動變化激烈的過程

應用于參數(shù)互相關聯(lián)的過程

應用于非線性的過程

4.有一定的自適應能力目前三十六頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點增設一個流量控制系統(tǒng)兩個系統(tǒng)相互關聯(lián)，無法工作。進料蒸汽采出F,zfB,xBLB再沸器精餾塔TCTTFCFTV1V2目前三十七頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點應用舉例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）互相轉移，從而實現(xiàn)分離。目前三十八頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點精餾塔示意圖進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\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點提餾段溫度控制系統(tǒng)進料熱蒸汽采出F,zfB,xBLB再沸器精餾塔TCTT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?？刂崎y的蒸汽流量不僅與閥的開度有關，而且與閥前后的壓力有關。目前四十頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點增設一個流量控制系統(tǒng)兩個系統(tǒng)相互關聯(lián)，無法工作。進料蒸汽采出F,zfB,xBLB再沸器精餾塔TCTTFCFTV1V2目前四十一頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點關聯(lián)情況分析當進料量增大，提餾段溫度下降，TC開始調節(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開始調節(jié)，使流量等于設定值，即將V2關小。上述兩種情況發(fā)生矛盾，無法實現(xiàn)控制。目前四十二頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點構成串級控制系統(tǒng)進料蒸汽采出F,zfB,xBLB再沸器精餾塔TCTTFCFT目前四十三頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點8.1.4串級控制系統(tǒng)方案設計1．主參數(shù)的選擇和主回路的設計串級控制系統(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計，基本上按照單回路控制系統(tǒng)的設計原則進行。凡直接或間接與生產過程運行性能密切相關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，可以選用質量指標作為主參數(shù)，因為它最直接也最有效。否則，應選一個與產品質量指標有單值函數(shù)關系的參數(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。目前四十四頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點2．副參數(shù)的選擇和副回路的設計

（1）副參數(shù)的選擇原則

8.1.4串級控制系統(tǒng)的設計1）副參數(shù)的變化應反映主參數(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)所構成的副回路，調節(jié)通道盡可能短，調節(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。

目前四十五頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點（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)的設計2．副參數(shù)的選擇和副回路的設計

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

在選擇副變量時，應注意使主、副回路中控制過程的時間常數(shù)之比為3～10，以減少主、副回路的動態(tài)聯(lián)系，避免“共振”。在副回路設計時，如果有幾種可供選擇的控制方案，則應同時把經濟性原則和控制品質要求結合起來，進行分析比較，在滿足系統(tǒng)設計要求的前提下，力求節(jié)約。（5）副回路設計時應同時考慮經濟性原則（4）副回路設計應考慮生產工藝的合理性

應考慮和滿足生產工藝要求，所設置的系統(tǒng)是否會影響到工藝過程的正常運行。（4）副回路設計應考慮生產工藝的合理性

應考慮和滿足生產工藝要求，所設置的系統(tǒng)是否會影響到工藝過程的正常運行。在副回路設計時，如果有幾種可供選擇的控制方案，則應同時把經濟性原則和控制品質要求結合起來，進行分析比較，在滿足系統(tǒng)設計要求的前提下，力求節(jié)約。8.1.4串級控制系統(tǒng)的設計2．副參數(shù)的選擇和副回路的設計

目前四十七頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點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)應同時考慮經濟性與工藝上的合理性。8.1.4串級控制系統(tǒng)的設計目前四十八頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點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、副控制器起隨動控制作用。

8.1.4串級控制系統(tǒng)的設計主調節(jié)器通常選用PI調節(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，主調節(jié)器應選用PID調節(jié)。副調節(jié)器一般選用P調節(jié)。為了能夠快速跟蹤，一般不引入積分調節(jié)。目前四十九頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點目前五十頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點目前五十一頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點主、副調節(jié)器正、反作用方式的選擇原則：依然是使整個系統(tǒng)構成負反饋。主、副調節(jié)器的正、反作用方式選擇的順序是：首先根據(jù)工藝的要求確定調節(jié)閥的氣開、氣關形式；然后按照副回路構成負反饋的原則確定副調節(jié)器的正、反作用；最后再依據(jù)主、副參數(shù)的關系和主回路構成負反饋的原則，確定主調節(jié)器的正、反作用。5．主、副調節(jié)器正、反作用方式的確定8.1.4串級控制系統(tǒng)的設計目前五十二頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點8.1.5串級控制系統(tǒng)調節(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，求取副調節(jié)器的整定參數(shù)值[W2(s)]1。（2）副調節(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，求取主調節(jié)器的整定參數(shù)值[W1(s)]1。（3）主調節(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)。若控制質量已達到工藝要求，整定即告結束。主、副調節(jié)器的整定參數(shù)值分別為[W1(s)]1和[W2(s)]2。否則，將副調節(jié)器的參數(shù)置于[W2(s)]2上，再按上述方法求取主調節(jié)器整定參數(shù)值[W1(s)]2。如此循環(huán)下去，逐步逼近，直到滿足質量指標要求為止。目前五十三頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點2．兩步整定法兩步整定法：第一步整定副調節(jié)器參數(shù)，第二步整定主調節(jié)器參數(shù)。整定步驟：（1）在工況穩(wěn)定、主回路閉合，主、副調節(jié)器都在純比例作用的條件下，主調節(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，求取副調節(jié)器的比例度δ2s和操作周期T2s。（2）將副調節(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環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主調節(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算主、副調節(jié)器的比例度δ、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，設置主、副調節(jié)器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時進行適當調整，直到系統(tǒng)質量達到最佳為止。8.1.5串級控制系統(tǒng)調節(jié)器參數(shù)的整定目前五十四頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點3．一步整定法一步整定法，就是根據(jù)經驗先確定副調節(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)，其等效調節(jié)器總的放大系數(shù)KC為主調節(jié)器放大系數(shù)與回路等效放大系數(shù)的乘積，即在確定副調節(jié)器的比例度時，根據(jù)式中，為純比例作用下，產生4：1衰減比過程的總放大系數(shù)。

這一關系式，通過副過程放大系數(shù)，求取副調節(jié)器比例放大系數(shù)，或按經驗選取。8.1.5串級控制系統(tǒng)調節(jié)器參數(shù)的整定目前五十五頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點目前五十六頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點整定步驟：（1）在生產穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，由副過程K02確定副調節(jié)器的比例度，并將其設置在副調節(jié)器上。（2）按照單回路控制系統(tǒng)的整定方法，整定主調節(jié)器參數(shù)。（3）觀察控制過程，根據(jù)與互相匹配的原理，適當調整調節(jié)器參數(shù)，使主參數(shù)品質指標最佳。（4）在調節(jié)器參數(shù)的整定過程中，若出現(xiàn)“共振”，只要加大主、副調節(jié)器中任何一個調節(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，待生產穩(wěn)定后，將調節(jié)器參數(shù)置于比產生“共振”時略大的數(shù)值上，重新整定調節(jié)器參數(shù)。

目前五十七頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點應用舉例

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，選取副調節(jié)器比例度為40%。（2）將副調節(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節(jié)器參數(shù)，得到δ1s＝30%，TI1＝3min。（3）按4：1衰減曲線法的經驗公式計算主調節(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。

目前五十八頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點例

在硝酸生產過程中，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)，允許在一定范圍內變化，要求不高。采用兩步整定法：（1）在系統(tǒng)設計時，主調節(jié)器選用PI控制規(guī)律，副調節(jié)器選用P控制規(guī)律，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件下，主、副調節(jié)器均置于純比例作用，主調節(jié)器的比例度δ置于100%上，用4：1衰減曲線法整定副調節(jié)器參數(shù)，得δ2s＝32%，T2s＝15s。（2）將副調節(jié)器的比例度置于32%上，用相同的整定方法，將主調節(jié)器的比例度由大到小逐漸調節(jié)，求得主調節(jié)器的δ1s＝50%，T1＝7min。（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、副調節(jié)器的整定參數(shù)為：主調節(jié)器（溫度調節(jié)器）：比例度δ1＝1.2×δ1s＝60%積分時間T1＝0.5×T1s＝3.5min副調節(jié)器（流量調節(jié)器）：比例度δ2＝δ2s＝32%。（4）把上述計算的參數(shù)，按先比例后積分的次序，分別設置在主、副調節(jié)器上，并使串級控制系統(tǒng)在該參數(shù)下運行。目前五十九頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點【例1】某聚合反應釜內進行放熱反應，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，故設置控制系統(tǒng)如圖所示。①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；②選擇調節(jié)閥的氣開、氣關形式；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，試簡述其控制過程；⑥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，以提高控制質量。8.1.6串級控制系統(tǒng)實例分析目前六十頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點【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。夾套內通入的是經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，應有較高的干燥溫度θ,但θ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θ進行嚴格控制。①如果蒸汽壓力波動是主要干擾，應采用何種控制方案？為什么？試確定這時控制閥的氣開、氣關形式與控制器的正、反作用。

②如果冷水流量波動是主要干擾，應采用何種控制方案？為什么？試確定這時控制器的正、反作用和控制閥的氣開、氣關形式。③如果冷水流量與蒸汽壓力都經常波動，應采用何種控制方案？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)實例分析目前六十一頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點【例3】精餾塔溫度一流量串級控制系統(tǒng)。工藝要求塔內溫度穩(wěn)定在T士1℃；一旦發(fā)生重大事故應立即關閉蒸汽供應。①畫出控制系統(tǒng)組成的框圖。②選擇調節(jié)閥的流量特性及確定氣開、氣關形式．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串級控制系統(tǒng)實例分析目前六十二頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點【例4】對于圖所示的加熱器串級控制系統(tǒng)。①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。②若工藝要求加熱器溫度不能過高，否則易發(fā)生事故，試確定調節(jié)閥的氣開、氣關形式。③確定主、副控制器的正、反作用。④當蒸汽壓力突然增加時，簡述該控制系統(tǒng)的控制過程。⑤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)實例分析目前六十三頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點【例5】造紙廠網前箱溫度串級控制混合器T1CT1TT2T立篩圓篩網前箱去銅網脫水蒸汽水紙漿蒸汽水紙漿純滯后72°C61°C90sT2C8.1.6串級控制系統(tǒng)實例分析目前六十四頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點紙漿用泵從儲槽送至混合器，在混合器內用蒸汽加熱至72度，經過立篩、圓篩除去雜質后送至網前箱，再去銅網脫水。工藝要求網前箱溫度保持在61度左右，允許偏差不超過1度。若采用單回路，由于從混合器到網前箱純滯后達90秒，不能滿足工藝要求。目前六十五頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點為了克服純滯后，在調節(jié)閥較近處選擇混合器溫度為副參數(shù)，網前箱出口溫度為主參數(shù)，構成串級控制系統(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。目前六十六頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點第7章單回路控制系統(tǒng)設計8.1

串級控制系統(tǒng)設計都是負反饋，當擾動發(fā)生時，通過檢測擾動引起的被控參數(shù)偏差進行調節(jié)。所以負反饋進行擾動調節(jié)時，輸出必然有波動，即已經被擾動影響。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)目前六十七頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點此控制具有以下特征：在擾動影響輸出之前進行調節(jié)。直接測量擾動大小，通過調節(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)目前六十八頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點1.反饋控制的本質是“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”的控制；3.反饋的閉環(huán)結構，存在穩(wěn)定性問題；4.反饋控制可消除閉環(huán)內的所有擾動對被控參數(shù)的影響；5.反饋控制系統(tǒng)中，調節(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)目前六十九頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點反饋的本質是“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，調節(jié)器才動作，故調節(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)生偏差的擾動，均被包圍在閉環(huán)內，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\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點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\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點Feedforwardcontrol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）經過測量環(huán)節(jié)、前饋控制器和調節(jié)閥產生控制作用，再經過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\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點前饋控制系統(tǒng)是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為：＝Wf(s)+WFF(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)為前饋調節(jié)器的傳遞函數(shù)。

若適當選擇前饋調節(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)Wff(S)Wf(S)Wo(S)++Y1(s)Y2(s)F(s)Y(s)目前七十三頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點不變性原理是前饋控制的理論基礎。不變性原理指控制系統(tǒng)的被控量與擾動量完全無關，或在一定準確度下無關。

被控過程及儀表

Y(t)

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

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．ε不變性8.2前饋控制系統(tǒng)目前七十五頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點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\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點前饋控制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)補償過程WffNFY(s)Y2(s)Y1(s)y1(t)+y2(t)=01．絕對不變性目前七十七頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點被控量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。即靜態(tài)偏差為0，動態(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\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點3．ε不變性被控量Y(t)在擾動量N(t)作用下，系統(tǒng)偏差小于一個小量，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\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點前饋控制特點：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)應該是把前饋控制和反饋控制結合起來，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\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點前饋控制是“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“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?。前饋控制的控制?guī)律，取決于被控對象的特性。因此，往往控制規(guī)律比較復雜。目前八十一頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點（1）可測：擾動量可以通過測量變送器，在線地將其轉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)無關聯(lián)，從而控制量無法改變擾動量的大小。目前八十二頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點前饋與反饋控制的比較及時不及時控制作用專用調節(jié)器P,PI,PD,PID及開關典型控制器開環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)組態(tài)有時只能近似較容易控制規(guī)律的實現(xiàn)被測擾動量測量和設定之間的偏差控制器輸入擾動量被控變量被測變量不變性原理反饋控制理論設計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\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點8.2.2前饋控制系統(tǒng)結構形式

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)。擾動N

擾動輸出調節(jié)輸出系統(tǒng)輸出t->∞P191例題?。∧壳鞍耸捻揬總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點8.2.2前饋控制系統(tǒng)結構形式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?？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，在過渡過程中所產生的動態(tài)偏差。靜態(tài)前饋控制簡單，一般不需專用前饋調節(jié)器，而用DDZ儀表中的比例調節(jié)器或比值器就能滿足使用要求。在實際工業(yè)生產過程中，尤其當過程擾動通道與控制通道的時延相差不大時，設計和應用靜態(tài)前饋控制，可獲得較高的控制精度。

目前八十五頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點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，采用專用的前饋調節(jié)器。由于工業(yè)過程數(shù)學模型復雜，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。當運用計算機實現(xiàn)前饋控制時，可隨時辨識過程數(shù)學模型，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)前饋控制是結合在一道使用的，可更好提高其控制品質。但是動態(tài)前饋控制系統(tǒng)的結構比較復雜，系統(tǒng)的運行和參數(shù)整定亦較復雜，而且需要一套專用的控制裝置，當然系統(tǒng)的控制品質較高。所以，當工藝要求控制品質很高時，才使用動態(tài)前饋控制方案。8.2.2前饋控制系統(tǒng)結構形式目前八十六頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點3.前饋-反饋復合控制系統(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）多個干擾成本大：由于工業(yè)對象存在多個干擾，勢必要設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生漂移，導致Wo(s)和Wf(s)的變化。8.2.2前饋控制系統(tǒng)結構形式目前八十七頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點以換熱器前饋－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:Y(s)＝X(s)＋F(s)

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)結構形式目前八十八頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點優(yōu)點：1）有利于對主要干擾進行前饋補償和對其他干擾進行反饋調節(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計與實現(xiàn)，具有一定自適應能力。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)結構形式目前八十九頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點前饋—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)具有一定自適應能力。

（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，而且與反饋控制器特性有關。（同學試自己推導）目前九十頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點共同點：測取對象的兩個參數(shù)，采用兩個調節(jié)器，在結構形式上具有一定的共性——兩個回路。不同點：1.串級：由內、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，控制作用對它產生明顯的調節(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.前饋調節(jié)器與串級中的副調節(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)結構形式目前九十一頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點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）串級控制系統(tǒng)

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

被調參數(shù)：出口溫度前饋輸入：原料油量調節(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)結構形式目前九十二頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點設計錯誤的串級控制系統(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-串級控制系統(tǒng)8.2.2前饋控制系統(tǒng)結構形式目前九十三頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點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。用前饋調節(jié)器的輸出去改變流量回路的給定值，從而構成了前饋-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前饋控制系統(tǒng)結構形式目前九十四頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點前饋調節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

WFF(s)＝－設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：無論采用哪種形式的前饋控制系統(tǒng)，其前饋調節(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)結構形式目前九十五頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點3.前饋-串級控制系統(tǒng)目前九十六頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點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)＝

則前饋調節(jié)器為：

WFF(s)＝－==－KF

式中 KF＝K2/K1 τ=τ2－τ1

目前九十七頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點當τ1=τ2時有：

WFF(s)＝－KF

當τ1=τ2，T1=T2時有：WFF(s)＝－KF

因此，前饋調節(jié)器的模型有三種形式：KF；

KFKF目前九十八頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點2．模擬儀表實施(1)型前饋調節(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)。可以用比例調節(jié)器等常規(guī)儀表來實現(xiàn)。(2)型前饋調節(jié)器：

WFF(s)＝－KF

這是一種動態(tài)前饋模型，當T1＞T2時，其傳遞函數(shù)表現(xiàn)為微分特性，當T1＜T2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

目前九十九頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點圖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)型前饋調節(jié)器：

WFF(s)＝－KF

這是一種動態(tài)前饋模型。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-τs型模型的環(huán)節(jié)即可。

目前一百頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點3．數(shù)字儀表實施

F(t)與uf(t)分別為前饋調節(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簡化、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\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點四、前饋控制系統(tǒng)設計

1．設計思路控制方案設計的一般程序為：（1）調研工藝需求首先熟悉生產工藝過程，充分了解工藝對自動化設計的要求，了解現(xiàn)場工藝設備，了解生產中可能出現(xiàn)的各種影響因素，以便能發(fā)現(xiàn)問題和提出問題；（2）設計方案要對已有的自動化方案認真地進行調查、分析比較，據(jù)此提出新的設計方案。（3）確定數(shù)學模型。（4）仿真與模擬試驗。（5）修改完善方案。（6）現(xiàn)場安裝、試車。同時在總體方案設計時還應包括安全保護、自動檢測、自動開車、停車等內容。目前一百零二頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點2．注意因素

（1）前饋控制規(guī)律1）當To》Tf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量要求，不必采用前饋控制。2）當To＝Tf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量。3）當To＞Tf時，可采用動態(tài)前饋－反饋控制來改善控制品質。4）當τf＞τ0時，則前饋調節(jié)器控制規(guī)律應修改為:

－KF

5)當τ0＞τf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。目前一百零三頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點五、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

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

由前饋調節(jié)器的動態(tài)模型可知，T1、T2是決定動態(tài)補償程度的。當T1＞T2時，前饋調節(jié)器在動態(tài)過程中起超前作用；反之，當T1＜T2時，則起時延作用。在工程整定時，首先應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)響應曲線滿意為止。

目前一百零五頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點8.2.5前饋控制系統(tǒng)的應用選用原則：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，采用前饋可大大提高控制品質。4.經濟性原則。由于動態(tài)前饋的設備投資高于靜態(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。3.主要擾動無法包含在副回路中時。目前一百零六頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點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關系，故以溫差為間接質量指標作為被控參數(shù)以反映濃度的高低?？刂品桨福赫羝髁繛榍梆佇盘?、溫差為反饋信號、進料溶液為控制參數(shù)的前饋-反饋復合控制系統(tǒng)。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)的應用目前一百零七頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點連續(xù)消毒塔溫度控制制藥業(yè)中，抗菌素生產采用培養(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)的應用目前一百零八頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點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)基液料經預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是培養(yǎng)基連續(xù)消毒塔的溫度。必須對它進行控制通常要求控制精度為128±2℃。8.2.5前饋控制系統(tǒng)的應用連續(xù)消毒塔溫度控制目前一百零九頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點對于連續(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)構成單回路控制8.2.5前饋控制系統(tǒng)的應用連續(xù)消毒塔溫度控制目前一百一十頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點單回路當蒸汽壓力波動較大時，溫度波動幅度超過了工藝允許范圍。影響連續(xù)消毒塔出口溫度的主要擾動是蒸汽壓力。經分析認為，蒸汽壓力是一個可測而不可控的擾動，為了提高控制質量，構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)的應用連續(xù)消毒塔溫度控制目前一百一十一頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點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)）問題：“虛假水位”……→影響控制效果解決方案：蒸汽流量為前饋信號，給水流量為副參數(shù)，水位為主參數(shù)前饋－串級三沖量給水控制系統(tǒng)鍋爐是火力發(fā)電的重要設備，其控制任務：使給水量適應鍋爐的蒸發(fā)量，因此汽包水位是關鍵參數(shù)。8.2.5前饋控制系統(tǒng)的應用目前一百一十二頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點2、鍋爐給水控制系統(tǒng)控制目標：汽包水位是其主要工藝指標。當水位過高時，會造成蒸汽帶液，這樣降低蒸汽的產量和質量，而且會損壞汽輪機葉片；當水位過低時，輕則影響汽、水平衡，重則燒干鍋爐，甚至會引起鍋爐爆炸。鍋爐汽包水位控制任務：使給水量適應鍋爐的蒸發(fā)量。

汽包水位是被控參數(shù)主要擾動是鍋爐的蒸汽流量和給水流量。蒸汽量是負荷，它隨用戶需要而變化，給水流量作為調節(jié)參數(shù)。目前一百一十三頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點干擾-蒸汽負荷對汽包水位影響：當蒸汽用量突然增加時，會使汽包內壓力瞬時降低，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，結果形成了汽包內水位升高的所謂“假水位”。當蒸汽負荷突然減少時，汽包內蒸汽壓力急劇上升，水的沸騰暫時停止，造成水位瞬時下降的假象采用以蒸汽流量為前饋信號，汽包水位(主參數(shù))和給水流量(副參數(shù))串級，構成前饋—串級控制系統(tǒng)通常又稱為三沖量給水控制系統(tǒng)(見圖)。目前一百一十四頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點本系統(tǒng)不但能通過副回路及時克服給水流量的擾動；還能實現(xiàn)對蒸汽負荷的前饋補償，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+進水管路FC-進水流量變化鍋爐汽包水位控制8.2.5前饋控制系統(tǒng)的應用目前一百一十五頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點【例1】某聚合反應釜內進行放熱反應，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，故設置控制系統(tǒng)如圖所示。①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；②選擇調節(jié)閥的氣開、氣關形式；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，試簡述其控制過程；⑥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，以提高控制質量。8.1.6串級控制系統(tǒng)實例分析目前一百一十六頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點【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。夾套內通入的是經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，應有較高的干燥溫度θ,但θ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θ進行嚴格控制。①如果蒸汽壓力波動是主要干擾，應采用何種控制方案？為什么？試確定這時控制閥的氣開、氣關形式與控制器的正、反作用。

②如果冷水流量波動是主要干擾，應采用何種控制方案？為什么？試確定這時控制器的正、反作用和控制閥的氣開、氣關形式。③如果冷水流量與蒸汽壓力都經常波動，應采用何種控制方案？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)實例分析目前一百一十七頁\總數(shù)一百三十八頁\編于二十一點【例3】精餾塔溫度一流量串級控制系統(tǒng)。工藝要求塔內溫度穩(wěn)定在T士1℃；一旦發(fā)生重大事故應立即關閉蒸汽供應。①畫出控制系統(tǒng)組成的框圖。②選擇調節(jié)閥的流量特性及確定氣開、氣關形式．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串級控制系統(tǒng)