6-6復雜控制系統(tǒng)分析

1、1復雜控制系統(tǒng)設計2復雜控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)是過程工業(yè)中最常用的控制系統(tǒng)。但由于被控對象的復雜性，有時單回路控制系統(tǒng)無法達到要求的控制質量。單回路控制系統(tǒng)是對一個過程參量進行檢測，用一個控制量進行閉環(huán)控制的系統(tǒng)。在經(jīng)典控制系統(tǒng)中，凡是根據(jù)一個以上的控制量進行控制的系統(tǒng)均稱為復雜控制系統(tǒng)。因此復雜控制系統(tǒng)的類型較多。典型的有串級控制系統(tǒng)、前饋-反饋控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)等。其中，串級控制系統(tǒng)是工程上除了單回路控制系統(tǒng)外使用最多的控制方案。3串級控制系統(tǒng) 具有如圖結構的復雜控制系統(tǒng)稱為串級控制系統(tǒng)。它在結構上形成了兩個閉環(huán)，外面的環(huán)，稱為主環(huán)或主回路；里面的環(huán)，稱為副環(huán)或者副回路。

2、串級控制系統(tǒng)的主環(huán)和副環(huán)都有各自的控制對象、測量變送元件和調節(jié)器。主環(huán)的控制對象稱為主被控參數(shù)。副環(huán)的控制對象稱為副被控參數(shù)。 4串級控制系統(tǒng)的組成 串級控制系統(tǒng)只有一個執(zhí)行器 兩個調節(jié)器的作用不相同，主調節(jié)器具有獨立的設定值，副調節(jié)器沒有獨立的設定值，主調節(jié)器的輸出為副調節(jié)器的設定值。 副調節(jié)器的輸出信號，改變調節(jié)閥的開度，控制副被控參數(shù)，通過副參數(shù)調節(jié)主參數(shù)。 主回路是定值控制系統(tǒng)，副回路為隨動控制系統(tǒng)。 串級控制系統(tǒng)中盡管有兩個被控參數(shù)，但只保證主被控參數(shù)滿足工藝要求。 5管式加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)設計管式加熱爐是石油工業(yè)生產(chǎn)中常用的設備之一，工藝要求被加熱物料離開加熱爐時(即管式爐出口

3、)，溫度保持為某一設定值。影響加熱爐出口溫度的因素主要有被加熱物料的流量和入爐時的溫度；燃料的流量和燃料的熱值；煙囪抽力；配風、爐膛漏風和環(huán)境溫度等等。 6管式加熱爐單回路控制方案一為保持加熱爐出口溫度，最直接的方法是將出口溫度作為被控參數(shù)，燃料量作為控制參數(shù)，構成單回路控制系統(tǒng)，如上圖。此時被加熱物料的流量和入爐時溫度、煙囪抽力、配風、爐膛漏風和環(huán)境溫度等等都成為擾動因素。從原理上講，這些擾動因素的影響，都能反映在爐出口溫度上，而且都可通過出口溫度調節(jié)消除它們的影響。但這樣組成控制系統(tǒng)時，直到物料到達爐出口時才能反映，滯后時間大。調節(jié)不及時，出口溫度波動大，達不到工藝要求。7管式加熱爐單回路

4、控制方案二被加入物料從進入加熱爐到離開的時間是由生產(chǎn)工藝確定的，滯后無法減小。為減小系統(tǒng)滯后，將被控參數(shù)改為爐膛內溫度，圖(b)，這樣減小了系統(tǒng)的滯后時間。控制變量仍為燃料流量 本控制系統(tǒng)保證的是爐膛內溫度穩(wěn)定。但是，由于不以加熱爐出口處物料溫度為被控參數(shù)，因此，不能保證出口物料溫度穩(wěn)定，仍然不能滿足生產(chǎn)要求。8管式加熱爐串級控制方案為滿足生產(chǎn)工藝要求，采用串級控制方案圖，出口物料溫度為主被控參數(shù)，爐膛溫度為副被控參數(shù)?？刂谱兞咳詾槿剂狭髁?。系統(tǒng)的目標仍是保證出口物料溫度穩(wěn)定9管式加熱爐串級控制方案爐膛溫度檢測T2T和調節(jié)器T2C構成副控制回路；管式爐出口溫度檢測T1T和調節(jié)器TlC構成主控制

5、回路。從圖(c)可見，出口溫度調節(jié)器TlC的輸出，連到爐膛溫度調節(jié)器T2C，為它的設定值?？刂葡到y(tǒng)結構如下圖。 10串級控制系統(tǒng)的調節(jié)過程 當生產(chǎn)過程處于穩(wěn)定工況時，爐出口物料溫度和爐膛溫度均處于相對平衡狀態(tài)，調節(jié)閥保持一定的開度。當爐膛溫度變化，爐膛溫度調節(jié)器控制調節(jié)閥的開度，改變燃料量，克服擾動對爐膛溫度的影響。具有超前調節(jié)特點。當出口溫度發(fā)生變化時，主回路調節(jié)器開始調節(jié)，改變入爐燃料量設定值，通過副調節(jié)器改變燃料量，保持出口物料溫度不變。副調節(jié)器的設定值不是固定的，而是由主調節(jié)器根據(jù)主回路的控制要求修改。同樣副參數(shù)是不穩(wěn)定的。正是副參數(shù)的不穩(wěn)定保證了主參數(shù)的穩(wěn)定。11串級控制系統(tǒng)的特點

6、改變過程動態(tài)特性 串級控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)多了一個副回路。當副回路中的擾動還沒有影響到主參數(shù)時，副調節(jié)器已開始動作，改善了被控過程的動態(tài)特性。若將副回路等效為一個環(huán)節(jié)時，串級控制系統(tǒng)可以被看成是一個改變了過程特性的單回路系統(tǒng)。 因此，串級控制系統(tǒng)具有超前調節(jié)作用，減小了過程時間常數(shù)，提高了主參數(shù)的控制質量。12串級控制系統(tǒng)的特點2）增強抗擾動能力 串級控制系統(tǒng)比在相同條件下的單回路控制系統(tǒng)具有更強的抗擾動能力。串級控制系統(tǒng)副回路克服了進入副回路的擾動，使得系統(tǒng)克服擾動更為迅速有效，增強了系統(tǒng)總的抗擾動能力。上例中，不管什么原因引起爐膛溫度變化時，副調節(jié)器立即開始調整，保持爐膛溫度穩(wěn)定，進而

7、保證爐出口物料溫度穩(wěn)定。13串級控制系統(tǒng)的特點3）系統(tǒng)工作頻率提高副回路減小了系統(tǒng)的時間常數(shù)，提高了系統(tǒng)的工作頻率，使振蕩周期縮短，改善了過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的控制質量。4）有一定的自適應能力串級控制系統(tǒng)的主回路是定值控制系統(tǒng)，副回路則為隨動控制系統(tǒng)。主調節(jié)器按照負荷和操作條件的變化，不斷修改副調節(jié)器的設定值，以適應負荷和操作條件的變化，因此，串級控制系統(tǒng)具有較強的適應性。14串級控制系統(tǒng)的適應對象 容量滯后較大的過程 比如溫度或質量為被控參數(shù)的過程，其容量時延往往比較大。 純時延較大的過程 選擇一個與主被控變量相關的、純時延較小的過程參量，構成副回路。 擾動變化激烈的過程 將變化激烈而

8、且幅度大的擾動作為串級控制系統(tǒng)的副被控參數(shù)，減小這個擾動對主參數(shù)的影響 非線性過程 當負荷或操作條件變化時，過程特性也會發(fā)生變化 。通過調整副調節(jié)器的給定值，來適應負荷和操作條件的變化，保持整個系統(tǒng)控制質量。 15串級控制系統(tǒng)副回路設計 串級控制系統(tǒng)的主回路是定值控制系統(tǒng)。主參數(shù)的選擇和主回路的設計，按照單回路控制系統(tǒng)的設計原則進行。 副回路是保證串級控制系統(tǒng)性能的關鍵，副回路的設計原則是： 以主被控對象的主要擾動作為副被控對象。1.如上例中，冷物料的流量和初溫、燃料的流量和熱值、爐膛抽力、環(huán)境溫度、爐膛溫度等都影響出口爐溫的擾動。而爐膛溫度綜合反映了其它擾動的影響。16串級控制系統(tǒng)副回路設計

9、2.副參數(shù)應具有時間常數(shù)小，時延小，控制通道短等特點，要能提高系統(tǒng)響應速度，縮短系統(tǒng)過渡過程時間和改善系統(tǒng)的控制品質。3.主、副回路的時間常數(shù)應當匹配。串級控制系統(tǒng)的主、副回路是密切相關的兩個控制回路。主參數(shù)變化，會引起副參數(shù)的變化；而副參數(shù)的變化又迫使主參數(shù)變化。時間常數(shù)匹配不當，可能引起主、副參數(shù)長時間大幅度地波動，即“串級系統(tǒng)共振”。為了保證串級控制系統(tǒng)的控制性能,主、副回路的時間常數(shù)之比應滿足： 10321TT主、副回路的時間常數(shù)還與主、副調節(jié)器的參數(shù)整定有關 。17串級控制系統(tǒng)副回路設計4）生產(chǎn)工藝的合理性。串級控制系統(tǒng)的調節(jié)過程，必須是先影響副被控變量，再影響主被控變量這種串聯(lián)對應

10、關系。5）經(jīng)濟性原則。設計副回路時，若有幾種可供選擇的控制方案，應將控制品質要求和實現(xiàn)的經(jīng)濟性綜合考慮，在滿足系統(tǒng)指標的前提下力求節(jié)約。18主、副調節(jié)器控制規(guī)律的選擇 串級控制系統(tǒng)中，主、副調節(jié)器所起的作用不同，主參數(shù)是生產(chǎn)工藝的主要指標，波動范圍要小，一般要求無余差。因此，主調節(jié)器應選PI或PID控制規(guī)律。副參數(shù)是為了保證主參數(shù)的控制質量，本身的控制質量并不重要。因此，副調節(jié)器可以選P控制規(guī)律，采用較大的放大系數(shù)，增強控制作用，減小余差。若流量為副參數(shù)時，為了保持系統(tǒng)穩(wěn)定，比例度應設計得較大，此時，應采用PI控制規(guī)律，增強控制作用。副調節(jié)器一般不引入微分控制規(guī)律。19串級控制系統(tǒng)的整定逐次逼

11、近法 串級控制系統(tǒng)參數(shù)整定與單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定類似。 先進行副控制器的參數(shù)整定，再在副回路閉合時，進行主控制器參數(shù)整定。 由于串級控制系統(tǒng)主、副回路關系密切，當主、副回路時間常數(shù)相差不大，兩個回路會相互影響。因此有時系統(tǒng)參數(shù)整定要反復進行，逐步逼近。具體整定步驟如下 ：20串級控制系統(tǒng)的整定逐次逼近法1) 斷開主回路，按單回路控制系統(tǒng)的參數(shù)整定法(如衰減曲線法)，求取副調節(jié)器的整定參數(shù)值GC2(s)1。2) 副調節(jié)器參數(shù)值置于GC2(s)1數(shù)值上，主回路閉合，副回路成為系統(tǒng)的一個等效環(huán)節(jié)。主回路按單回路整定方法，求取主調節(jié)器的整定參數(shù)值GC1(s)1 。3) 在主回路閉合情況下，再按上述方

12、法求取副調節(jié)器的整定參數(shù)值GC2(s)2 。至此，完成一次逼近循環(huán)。若控制質量已達到工藝要求，整定過程即告結束。4）否則，將副調節(jié)器的參數(shù)置于GC2(s)2上，再按上述方法求取主調節(jié)器整定參數(shù)值GC1(s)2 。21串級控制系統(tǒng)的整定二步整定法所謂兩步整定法，就是在主回路閉合的情況下，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)。1) 主、副調節(jié)器都置為純比例作用，主調節(jié)器的比例度置于100，在工況穩(wěn)定時，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2s和周期T2s。2) 將副調節(jié)器的比例度置于所求得的數(shù)值2s上，副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主

13、調節(jié)器的比例度1s和操作周期T1s。22串級控制系統(tǒng)的整定二步整定法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、副調節(jié)器的比例度、積分時間TI和微分時間Td的數(shù)值。4) 按先副后主，先比例后積分，最后微分的順序，設置主、副調節(jié)器的參數(shù)，同時觀察過渡過程曲線，必要時進行適當調整，直到系統(tǒng)質量達到最佳為止。 兩步整定法在工程上應用較多，但是，當采用兩步整定法尋求兩個4：1的衰減過程時，需要較長時間。 23串級控制系統(tǒng)的整定一步整定法 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)，其等效調節(jié)器總的放大系數(shù)KC為主調節(jié)器放大系數(shù)KC1與副回

14、路等效放大系數(shù)KC2的乘積，即 KCKC1KC2KS 式中，KS為純比例作用下，產(chǎn)生4：1衰減比過程的總放大系數(shù)。 1) 在系統(tǒng)穩(wěn)定，調節(jié)器為純比例作用的情況下，由副過程KC2等效放大系數(shù)確定副調節(jié)器的比例度2。24串級控制系統(tǒng)的整定一步整定法2) 按照單回路系統(tǒng)，整定主調節(jié)器參數(shù)。3) 觀察系統(tǒng)運行，根據(jù)KC1與KC2互相匹配的原理，調整調節(jié)器參數(shù)，使主參數(shù)品質指標最佳。4) 在參數(shù)整定過程中，若出現(xiàn)“共振”，只需要加大主、副調節(jié)器中任何一個調節(jié)器的比例度，便可以消除“共振” 。若“共振”劇烈，可以先切換至手動遙控，待穩(wěn)定后，將調節(jié)器比例度置于比“共振”時略大的數(shù)值上，重新整定調節(jié)器參數(shù)。一

15、步整定法，如同單回路控制系統(tǒng)整定一樣簡便，實際工程中也應用廣泛。 25習題1什么是串級控制系統(tǒng)？它有哪些基本特點？什么情況下應采用是串級控制？2如何選擇串級控制系統(tǒng)中的副參數(shù)？3一個串級控制系統(tǒng)，原來采用20mm的氣開閥，若改用32mm的氣關閥，問： 1）主、副控制器的正反作用是否要改變，為什么？ 2）副控制器的比例度（和積分時間）是否要重新整定，如何變化？ 3）主控制器的比例度（和積分時間）是否要重新整定，如何變化？26習題4. 如下圖，隔焰式隧道窯溫度溫度串級控制系統(tǒng)中，工藝安全要求一旦停電或斷氣，控制閥應立即切斷燃料氣源。 1）畫出控制系統(tǒng)方框圖， 2）確定控制閥的作用方式。 3）確定主

16、、副控制器的正、反作用方式。27前饋控制系統(tǒng) 直到目前，過程控制系統(tǒng)都是按被控參數(shù)與給定值的偏差進行控制，稱為反饋控制系統(tǒng)。當擾動已經(jīng)發(fā)生，但被控參數(shù)尚未反映時，調節(jié)器不會產(chǎn)生校正作用。所以，反饋控制總是滯后于擾動作用，是一種“不及時”控制。當被控過程時延較大時，無論單回路控制系統(tǒng)或串級控制系統(tǒng)均難以滿足實際工藝要求。若能直接根據(jù)擾動的性質和大小，預先發(fā)出校正命令，進行控制，使被控參數(shù)不變或基本保持不變，這種控制方案稱為前饋控制前饋控制。相對于反饋控制根據(jù)結果控制來說，前饋控制是根據(jù)原因控制，因此是超前控制。前饋控制對于時間常數(shù)大、時延大、擾動大而頻繁的過程有顯著效果。 28 換熱器溫度控制系

17、統(tǒng) 圖為用蒸汽對物料進行加熱的換熱器，要求保持換熱器出口物料溫度穩(wěn)定。影響物料出口溫度的因素有物料流量與入口物料溫度，蒸汽壓力、蒸汽熱焓等。29換熱器溫度反饋控制假定系統(tǒng)中入口物料溫度，蒸汽壓力、蒸汽熱焓等均不變，只有物料流量Q會發(fā)生變化。物料流Q從進入換熱器到離開，要有一段時間。當流量Q發(fā)生變化，在這段時間內，換熱器出口物料的溫度仍保持不變，若采用反饋控制，圖（a），調節(jié)器根據(jù)換熱器出口物料溫度t的偏差進行控制。這段時間調節(jié)器沒有控制作用。當出口物料溫度改變后，這部分物料溫度當不合格。因此，反饋控制作用滯后于擾動，反饋控制是滯后控制系統(tǒng)。30換熱器溫度前饋控制 若采用如圖（b）所示控制方案，

18、根據(jù)冷物料流量控制蒸汽流量，一旦冷物料流量Q發(fā)生改變，不等換熱器溫度發(fā)生變化，立即改變蒸汽量，這就是前饋控制系統(tǒng)。 前饋控制可以在擾動還未影響到系統(tǒng)輸出前就產(chǎn)生控制，具有“超前”調節(jié)作用。31前饋控制傳遞函數(shù) 下圖為前饋控制框圖 ，圖中G(s)為被控對象，GQ(s)為干擾通道傳遞函數(shù)（這里為出口溫度與物料流量）； Q(s)為擾動（這里為物料流量）， GF(s)為前饋調節(jié)器，X(s)為加熱蒸汽設定值，Y(s)為系統(tǒng)輸出。 32前饋調節(jié)器傳遞函數(shù)前饋控制傳遞函數(shù) 前饋控制是開環(huán)控制系統(tǒng)前饋控制是開環(huán)控制系統(tǒng)。理論上，適當?shù)那梆佌{節(jié)器的傳遞函數(shù)GF(s)，可以使擾動Q(s)對被控參數(shù)Y(s)不產(chǎn)生影

19、響。其條件是：Q(s) 0時，Y(s) =0，即 )()()()()(sGsGsGsQsYFQ0)()()()()(sGsGsGsQsYFQ)()()(sGsGsGQF這就是前饋調節(jié)器的傳遞函數(shù) 33前饋控制的特點 1）前饋調節(jié)器的控制規(guī)律由過程通道特性和擾動通道特性決定。不同的G(s)和GQ(s)，控制規(guī)律也不同，前饋調節(jié)器是專用調節(jié)器前饋調節(jié)器是專用調節(jié)器。2）前饋控制是超前控制系統(tǒng)，其作用超前于反饋控制，能及時有效地抑制該擾動的影響。3）前饋控制對被控參數(shù)Y(s)來講是一開環(huán)控制系統(tǒng)，它并不能保證被控參數(shù)穩(wěn)定。4）前饋控制用于抑制可測而不可控的擾動抑制可測而不可控的擾動的影響。34前饋控

20、制應用前饋調節(jié)是開環(huán)和專用控制系統(tǒng)，不能保證被控參數(shù)的穩(wěn)定，它的應用受到限制， 若擾動是既可測又可控的，則應采用反饋控制系統(tǒng)； 若擾動是不可測，無法采用前饋控制。 只有擾動是可測而不可控的，才適合用前饋控制。如上例，換熱器的作用是保證出口物料達到要求的溫度，而物料流量受生產(chǎn)需要控制。因此，流量對換熱器而言是不可控參數(shù)，但是是可測量的，因此適合采用前饋控制。35前饋-反饋控制系統(tǒng) 前饋控制是針對特定擾動的，理論上只要對擾動的特性完全了解，前饋控制也可以得到完善的控制效果 。 生產(chǎn)過程中擾動因素多，擾動特性不可能完全了解，因此前饋控制的完全補償在實際上是不可能達到的。 前饋控制不能保證被控參數(shù)的穩(wěn)

21、定。工程上不單獨采用前饋控制。而是結合前饋的超前和反饋控制的穩(wěn)定性，組成前饋-反饋控制系統(tǒng)。 36前饋-反饋控制系統(tǒng)下圖(a)為采用前饋-反饋控制系統(tǒng)的方案。當被加熱物料流量變化時，前饋調節(jié)器及時發(fā)出控制命令，補償由流量變化對換熱器出口溫度的影響。而其它擾動由反饋調節(jié)器來調節(jié)，圖(b)為前饋-反饋控制系統(tǒng)框圖。 37前饋-反饋控制系統(tǒng)由圖(b)可得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 )()()(1)()()()()()(1)()()(sQsGsGsGsGsGsXsGsGsGsGsYCQFCC如果要實現(xiàn)對擾動Q(s)的完全補償，上式第二項的分子應等于零 ，因此，前饋-反饋控制系統(tǒng)對于擾動Q(s) 完全補償?shù)臈l件與

22、前饋控制相同。當采用前饋-反饋控制時，前饋控制只要對擾動能有所抑制。提高反饋控制系統(tǒng)質量。38前饋-串級控制系統(tǒng) 加熱蒸汽也是一主要擾動源，并且是既可控，又可測的擾動。因此，增加一個蒸汽流量控制回路。前饋-串級控制系統(tǒng)。39前饋-串級控制系統(tǒng)圖中，內環(huán)可簡化為： 如果要實現(xiàn)對擾動Q(s)的完全補償， 前饋調節(jié)器的傳遞函數(shù)為 前饋調節(jié)器的特性由過程的擾動通道和控制通道二者的特性確定 。)()(1)()(2222sGsGsGsGCC)()()(1)()()()(12222sGsGsGsGsGsGsGCCQF40前饋-反饋控制應用工程中都采用前饋-反饋和前饋-串級控制。前饋控制的目的不再是實現(xiàn)對擾動

23、Q(s)的完全補償；而是控制作用提前、以改善控制質量。這樣就可能設計具有一定通用性的前饋調節(jié)器。從工程控制角度出發(fā)，大多數(shù)化工對象和熱工對象的特性可用一階或二階環(huán)節(jié)，加上純時延來近似。41前饋-反饋控制應用假定過程控制通道和擾動通道的特性分別為則前饋調節(jié)器的特性為 式中： KF = K2 / K1 = 2 -1sesTKsG1111)(sQesTKsG2221)(sFssQFesTsTKesTKesTKsGsGsG1111)()()(2111122242前饋-反饋控制應用前饋控制系統(tǒng)適用于控制精度要求較高，而反饋控制又不能滿足工藝要求的情況： 1）系統(tǒng)存在著頻率高、幅值大、可測而不可控的擾動，

24、并且僅采用反饋控制又難以克服該擾動的影響時。如前面的物料流量。2）當系統(tǒng)控制通道時延較大、僅采用反饋控制不能取得良好的控制效果時。43前饋-反饋控制系統(tǒng)的整定 反饋控制回路的整定如前面所述。在前饋-反饋控制系統(tǒng)中，控制精度由反饋回路保證。引入前饋控制的目的是為了減少主要擾動對被控參數(shù)的動態(tài)影響，并不嚴格要求通過前饋控制完全抵消擾動的影響，只要求減小擾動對被控參數(shù)的影響。所以，前饋調節(jié)器只需求出粗略參數(shù)，一般前饋調節(jié)器只用比例環(huán)節(jié)、一階微分環(huán)節(jié)/慣性環(huán)節(jié)等較簡單的形式。 11)(21sTsTKsGFF三個參數(shù)KF、T1、T244前饋控制器靜態(tài)參數(shù)KF的開環(huán)整定法 斷開反饋回路，僅考慮靜態(tài)前饋作用

25、克服擾動對被控參數(shù)影響的一種整定法。整定時，施加一穩(wěn)定的擾動量，由小到大調節(jié)KF，直至被控參數(shù)回到設定值上，此時的KF值即為最佳的整定參數(shù)值。實際上KF值符合下式關系 開環(huán)整定法適用于系統(tǒng)中其它擾動對系統(tǒng)的影響較小的情況。由于整定時沒有反饋，容易影響生產(chǎn)，所以不常采用。12KKKF45前饋控制器靜態(tài)參數(shù)KF的閉環(huán)整定法 閉環(huán)整定法是在前饋-反饋控制系統(tǒng)正常工作情況下整定KF值 。 46閉環(huán)整定法確定KF值的步驟 1）在反饋控制回路正常運行，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，被控參數(shù)等于給定值時，記錄當時的擾動量q0和反饋調節(jié)器GC(s)輸出u0。2）改變擾動量至q1，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，被控參數(shù)等于給定值時，記錄反

26、饋調節(jié)器的輸出量u1。 3）計算KF值 0101qquuKF47不同KF值下前饋調節(jié)器的補償效果 48前饋調節(jié)器動態(tài)參數(shù)T1、T2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T1T2時，前饋調節(jié)器為超前作用；反之，當T1T2時，為滯后作用。在工程整定時，首先應估計擾動通道和控制通道的時間常數(shù)和它們相互的大小，確定前饋調節(jié)器的基本形式（超前作用還是滯后作用）。然后T1、T2從零開始湊試，直到得到滿意的系統(tǒng)響應曲線為止。 49大時延系統(tǒng)控制 若過程控制通道存在延時，由于不能及時反映控制效果，導致控制作用不能及時修正，被控參數(shù)的偏差增大，系統(tǒng)動態(tài)控制精度和靜態(tài)控制質量下降。嚴

27、重時系統(tǒng)無法穩(wěn)定。純時延0與過程時間常數(shù)T0之比越大，時延現(xiàn)象越突出，系統(tǒng)越不易穩(wěn)定。一般，當純時延時間0與過程的時間常數(shù)T0之比大于0.3時，稱該系統(tǒng)為大時延系統(tǒng)。大時延過程控制非常困難。若可能，應從系統(tǒng)控制方案設計時，減小系統(tǒng)的時延。 50控制通道時延的影響 根據(jù)奈氏判據(jù)，無論系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)KCKO為多大，閉環(huán)系統(tǒng)總是穩(wěn)定的，其頻率特性如圖實線所示 。51 大時延系統(tǒng)控制微分先行控制方案 在PID控制規(guī)律中，微分作用具有超前調節(jié)特點 ，能提高控制速度，減小超調量。對大時延過程，能有效提高控制品質。 所以PID控制器中采用微分先行控制是一種簡單易行的方案。 圖（a）所示為通常的PID控制方

28、案，其微分環(huán)節(jié)在前向通道中，微分作用與偏差的變化成比例。若將微分環(huán)節(jié)移到反饋回路中，如圖(b)，稱為微分先行PID控制。此時微分與被控對象的變化成比例。 52大時延系統(tǒng)控制微分先行控制方案53常規(guī)PID控制輸出信號Y（s）與輸入信號X（s）之間的傳遞函數(shù)為：微分先行PID控制輸出信號Y（s）與輸入信號X（s）之間的傳遞函數(shù)為：兩種控制輸出信號Y(s)與擾動信號D(s)之間的傳遞函數(shù)均為 sDICsDICesGsTsTKesGsTsTKsXsY)() 1)(11 (1)() 1)(11 ()()(sDICsesGsTsTKesGsDsY)() 1)(11 (1)()()(sDICsICesGsT

29、sTKesGsTKsXsY)() 1)(11 (1)()11 ()()(54大時延系統(tǒng)控制微分先行控制方案從以上三個公式可見，微分先行PID控制和常規(guī)PID控制的特征方程完全相同。系統(tǒng)擾動通道未變，因此對擾動的抑制作用不變。但是在控制通道中，微分先行PID控制方案比常規(guī)PID控制多了一個零點Z-l/TD，所以微分先行PID控制方案比普通PID控制方案的超調量要小，提高了控制質量。55大時延系統(tǒng)控制Smith預估控制方案 假定有下圖的大時延系統(tǒng)，被控對象的特性為G(s)和純時延環(huán)節(jié)組成；擾動通道的特性為Gd(s)；控制器的特性為Gc(s)。56大時延系統(tǒng)控制Smith預估控制方案系統(tǒng)輸出與輸入傳

30、遞函數(shù)和輸出與擾動傳遞函數(shù)分別為：由于特征方程中存在 項，使閉環(huán)系統(tǒng)的品質大大惡化。 sCsCesGsGesGsGsXsY)()(1)()()()(sCdesGsGsGsDsY)()(1)()()(se57大時延系統(tǒng)控制Smith預估控制方案對具有時延的對象，引入純滯后補償器（Smith補償器）。如下圖所示圖中 稱為Smith補償器 )()1(sGes58大時延系統(tǒng)控制Smith預估控制方案加了Smith補償器后，系統(tǒng)出現(xiàn)兩個閉環(huán)，它們的傳遞函數(shù)分別為 內環(huán)：外環(huán)： )()1)(1)()()( sGesGsGsXsYsCCssCCssCCesGsGesGsGesGsGesGsGsXsY)()(

31、)1)(1)(1)()()1)(1)()()()()(1)()(sGsGesGsGCsC59大時延系統(tǒng)控制Smith預估控制方案同樣可求得系統(tǒng)輸出與擾動的傳遞函數(shù)為： ssCCdesGsGesGsGsGsDsY)()()1)(1)(1)()()()()(1)(sGsGsGCd有了Smith補償器后，特征方程中消去了 項，即消除了時延對系統(tǒng)控制品質的影響 。補償器完全補償了時延對系統(tǒng)的不利影響 。se60大時延系統(tǒng)控制Smith預估控制方案 分子中的 僅僅將系統(tǒng)輸出推遲了一個時延時間 。 Smith補償器與過程特性有關，只有在被控對象的模型完全清楚的情況下，Smith補償器才能完全補償。 實際上

32、，許多被控對象的數(shù)學模型與實際過程特性之間有誤差。假設G(s)和為被控對象的真實特性（不可知）。G(s) 和 為它的近似特性 ，用這樣的特性建立Smith補償器 的框圖如下圖。 此時，系統(tǒng)的反饋與系統(tǒng)真實輸出之間傳遞函數(shù)Y*(S)/Y(S)為se61大時延系統(tǒng)控制Smith預估控制方案ssesGsGesYsY)()()1 ()()(*62大時延系統(tǒng)控制Smith預估控制方案上式表明，Smith補償器對過程特性變化的靈敏度很高，尤其是純時延為指數(shù)項，影響更嚴重。當兩者誤差越大，Smith補償器效果越差。由于 Smith補償器這個特性，在實際應用中，受到限制。在許多情況下，還不如PID調節(jié)器。63

33、比值控制系統(tǒng) 需要自動保持兩個或多個物理量之間的比例關系的控制系統(tǒng)稱為比值控制系統(tǒng)。如下圖所示鍋爐燃燒系統(tǒng)，為了保證燃料充分燃燒，就應該提供充分的空氣（氧氣）。但若提供的空氣太多，將從煙道帶走大量熱量，降低鍋爐效率；若提供的空氣太少，燃料不能充分燃燒，又會產(chǎn)生大量黑煙。為了保證燃料充分燃燒和鍋爐的效率，必須使空氣與燃料之間保持一定的比例關系。比值控制系統(tǒng)。64單回路比值控制系統(tǒng)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中，燃料流量Q1為主參數(shù)，空氣流量Q2為副參數(shù)的單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) ?？刂颇康氖潜３种鳌⒏绷髁块g的比值不變。65比值控制系統(tǒng) 上圖為空氣流量跟蹤燃料流量的單回路比值控制系統(tǒng)。比值控制器F1C為簡單的比例控

34、制器，K=Q2/Q1；F1T為燃料流量計，F(xiàn)1C的輸出作為空氣流量Q2控制器F2C的設定值。控制系統(tǒng)框圖如圖(b)。圖中，GQ1(s)、GQ2(s)分別為燃料和空氣流量變換器環(huán)節(jié)； G(s)為被控對象；GC1(s)為比值控制器，GC2(s) 為空氣流量調節(jié)器。 系統(tǒng)對燃料流量未進行控制，因此對鍋爐燃燒過程控制精度低。 該系統(tǒng)的結構簡單，在生產(chǎn)過程應用較多。66雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 若主參數(shù)存在不可忽略的擾動時，系統(tǒng)很難穩(wěn)定。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)增加一個對主參數(shù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，同時控制主、副參數(shù)（下圖）。與串級控制系統(tǒng)不同，這里的主、副參數(shù)回路都是單回路控制系統(tǒng)，因此兩個輸出量Q1和Q2都穩(wěn)定在設定

35、值，并且保持比例關系。在實際生產(chǎn)過程中，當對主參數(shù)穩(wěn)定性要求較高時，常采用這種控制方案。 67雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)68選擇比值控制系統(tǒng) 假定上面的燃燒控制系統(tǒng)，為鍋爐控制系統(tǒng)，用來生產(chǎn)蒸汽。當負荷穩(wěn)定時，空氣流量與燃料流量比例不變。若蒸汽需求量增加時，在增加燃料流量的同時，要加大空氣流量；而當蒸汽需求量減小時，在減少燃料流量的同時，要減小空氣流量。我們已知，反饋控制系統(tǒng)的基本原理是按偏差調節(jié)，是一種“滯后”調節(jié)。采用上面的比值控制系統(tǒng)的調節(jié)過程是：1）修改燃料流量設定值； 2）根據(jù)新設定值逐步調整燃料流量；3）根據(jù)燃料流量變化，調整空氣流量。69選擇比值控制系統(tǒng)在這個過程中間，空氣流量的變化始終

36、滯后于燃料流量的變化。因此，在燃料流量增加時，空氣比例變小，燃燒不充分（產(chǎn)生黑煙）。反之，在減少燃料流量過程中，空氣比例變大，降低鍋爐效率。為進一步提高控制質量，采用選擇比值控制系統(tǒng)。70選擇比值控制系統(tǒng) 圖中，方框 和 選擇外部設定值X(s)和流量Q2的大者作為設定值； 選擇外部設定值X(s) 和流量Q1的小者作為設定值。 當外設定值X(s)增加時，上面的選擇器將X(s)經(jīng)變換為新設定值，流量Q1增加。下面的選擇器選擇Q1反饋量經(jīng)變換為設定值，此時Q2跟蹤Q1 。達到新的平衡點。當外設定值X(s)減小時，下面的選擇器將X(s)經(jīng)變換為新設定值，流量Q2先減小。上面的選擇器選擇Q2反饋量經(jīng)變換

37、為設定值，此時Q1跟蹤Q2 。 因此，選擇比值控制系統(tǒng)中，主參數(shù)和副參數(shù)根據(jù)外部設定值的變化會自動切換。71變比值控制系統(tǒng) 比值控制系統(tǒng) 一般都是流量控制系統(tǒng)，流量之間實現(xiàn)一定比例的目的只是保證產(chǎn)品質量的一種手段。上面所說的各種比值控制方案只考慮如何實現(xiàn)這種比值關系，而沒有考慮兩種物料混合后或反應后最終質量是否符合工藝要求，稱為定比值控制。從質量角度來看定比值控制系統(tǒng)是開環(huán)控制系統(tǒng)。 為了保證最終產(chǎn)品質量，必須不斷修改比值。 變比值控制系統(tǒng)的結構和方框圖如下 72變比值控制系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下，主、副流量Q1、 Q2恒定（即Q1/Q2=k為某一定值），它們分別經(jīng)測量變送器，開方器后，送除法器相除，

38、除法器的輸出表征了它們的比值，作為比值控制器的測量信號。若這時表征最終質量指標的主參數(shù)QC也恒定，主控制器YC輸出信號不變，且和比值測量信號相等，比值控制器輸出穩(wěn)定，產(chǎn)品質量合格。73變比值控制系統(tǒng) 流量的檢測采用差壓變送器，因此必須加上開方器才能得到線性的流量信號。 圖中比值控制系統(tǒng)部分為單閉環(huán)，比值控制系統(tǒng)。 對主流量Q1的擾動，由于比值控制器的快速跟隨，使副流量Q2=kQ1關系變化，保持主參數(shù)QC穩(wěn)定。它起了靜態(tài)前饋作用。對于副流量本身的擾動，同樣可以通過自身的控制回路克服，它相當串級控制系統(tǒng)中的副回路。因此這種變比值控制系統(tǒng)實質上是一種靜態(tài)前饋-串級控制系統(tǒng)。 74比值控制系統(tǒng)的方案

39、比值控制系統(tǒng)有兩種實現(xiàn)的方案 75比值控制系統(tǒng)的方案 相乘方案實現(xiàn)單閉環(huán)比值控制時，比值系統(tǒng)的設計任務是按工藝要求比值K，計算出流量比值k。 相除方案，同樣也是單回路控制系統(tǒng)?？刂破鞯臏y量值和設定值都是流量信號的比值K，而不是流量本身。 相除方案的優(yōu)點是直觀。并可直接讀出比值，使用方便。缺點是對象的放大倍數(shù)在不同負荷下變化較大，在負荷小時系統(tǒng)不易穩(wěn)定。 比值控制系一般大多采用相乘形式。76比值控制系統(tǒng)設計 在設計比值控制系統(tǒng)時，首先要確定主、副流量。它與串級控制系統(tǒng)的主、副參數(shù)選擇不同，這里主、副參數(shù)選擇有一定的隨意性，當選定了其中一個為主參數(shù)時，另一個就成為副參數(shù)。 1. 在生產(chǎn)中起主導作用

40、的流量選為主參數(shù)，其余的為副參數(shù)。2. 相對昂貴的物料流量選為主參數(shù)，其余的為副參數(shù)。3.工藝上不允許控制的物料流量選為主參數(shù)。 4 4.流量較小的物料作為副參數(shù)。 77比值控制系統(tǒng)控制規(guī)律確定 若主參數(shù)受擾動較小，可選擇單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 。GC1(s)可選簡單的比例（P）調節(jié)器 ，GC2(s)應選比例（PI）調節(jié)器 。主參數(shù)擾動頻繁且幅值較大 ，應采用雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，兩個調節(jié)器均應選PI控制規(guī)律 。主參數(shù)為定值控制系統(tǒng)，副參數(shù)為隨動控制系統(tǒng)。 兩個控制回路根據(jù)控制要求，角色會互換的情況采用選擇比值控制。兩個調節(jié)器均應選PI控制規(guī)律。這里要注意，應避免系統(tǒng)處于平衡位置時發(fā)生振蕩現(xiàn)象。 7

41、8比值系數(shù)K的計算比值控制是保證兩種物料成分之間的比例關系，稱為工藝比值。而在生產(chǎn)過程中檢測的物料流量一般是體積流量或質量。為了提高檢測和控制精度，檢測儀表和執(zhí)行機構根據(jù)控制對象的動態(tài)范圍選擇。一般情況它們是不相等的。因此，當控制方案確定后，必須把工藝上的比值折算成儀表上的比值系數(shù)K，這是保證系統(tǒng)正常運行的前提。79分程控制系統(tǒng) 在前述過程控制系統(tǒng)中，調節(jié)器的輸出都僅控制一個調節(jié)閥。在某些工業(yè)生產(chǎn)中，根據(jù)工藝要求，一個調節(jié)器的輸出信號要分別控制兩個或兩個以上調節(jié)閥，即將調節(jié)器輸出信號進行分段，每一段對應一個調節(jié)閥，這種過程控制系統(tǒng)就叫分程控制系統(tǒng)。 80分程控制系統(tǒng)應用 許多化學反應過程要求有

42、一定的初始反應溫度條件。而在化學反應過程中，又會釋放出大量的熱量，導致反應釜內溫度和壓力上升。 當反應釜內溫度低于反應溫度時，調節(jié)器輸出信號對應的區(qū)段為控制蒸汽閥門A工作，(冷水閥B關閉），加入蒸汽，使反應釜的溫度升高；反之，當反應釜溫度高于給定值時，調節(jié)器輸出信號對應的區(qū)段使冷水閥投入工作，(蒸汽閥A關閉)，通入冷卻水，以降低反應釜的溫度，達到控制釜溫的目的 。圖 (b)所示為控制系統(tǒng)框圖。81分程控制系統(tǒng)設計分程控制系統(tǒng)中，調節(jié)器的輸出，分為幾個區(qū)段，分別控制多個調節(jié)閥的動作。分程控制系統(tǒng)可分為以下兩種基本類型： 調節(jié)閥同向動作分程控制系統(tǒng)； 調節(jié)閥異向動作分程控制系統(tǒng) 。根據(jù)調節(jié)閥的動作

43、特性（氣關、氣開）、工藝要求，又分兩種形式。82選用何種組合及選用正作用或反作用的原則是根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，及安全性。比如上面的反應釜溫度控制，蒸汽閥采用氣開型，冷卻水閥采用氣關型。當無氣時，蒸汽閥關閉，冷卻水閥打開，使反應停止，保證生產(chǎn)安全，并節(jié)約能源。83分程控制系統(tǒng)設計分程控制系統(tǒng)本質上是單回路控制系統(tǒng)。因此，單回路控制系統(tǒng)的設計原則全適用于分程控制系統(tǒng)設計。但是，分程控制系統(tǒng)要分范圍控制多個調節(jié)閥，調節(jié)器輸出信號需要分成幾個區(qū)段。哪一區(qū)段信號控制哪一個調節(jié)閥的工作等，則取決于工藝要求。調節(jié)閥的選擇 ：分程控制系統(tǒng)將兩個調節(jié)閥作為一個調節(jié)閥使用時，要求從一個調節(jié)閥向另一個調節(jié)閥過渡時，其流

44、量變化要平滑；84分程控制系統(tǒng)設計 調節(jié)器控制規(guī)律的選擇與參數(shù)整定：分程控制中的兩個控制通道特性不會完全相同，（如前面的例子，采用蒸汽加熱與水冷卻），只能互相兼顧，對調節(jié)器選取一組較為合適的整定參數(shù)值。分程控制也可通過調節(jié)閥的附件，即閥門定位器(氣動閥門定位器或電-氣閥門定位器)來實現(xiàn)的。通過改變閥門定位器的彈簧或零點），改變調節(jié)閥作全行程動作對應的范圍。例如通過改變調節(jié)彈簧或零點，使一個閥門定位器的輸入信號從0.02到0.06MPa時，調節(jié)閥實現(xiàn)從全開到全關（或從全關到全開），另一個閥門定位器的輸入信號為0060.1MPa信號時，調節(jié)閥作全行程動作。85均勻控制系統(tǒng) 前面各種控制系統(tǒng)都是希望

45、被控參數(shù)保持穩(wěn)定，并且盡快到達穩(wěn)定狀態(tài)。在實際生產(chǎn)過程中，有時候控制系統(tǒng)之間會發(fā)生矛盾。 如精餾過程，往往有幾個精餾塔串聯(lián)組成，如圖所示。前塔輸出的物料是后塔的原料。86串聯(lián)精餾塔物料供求矛盾關系 生產(chǎn)工藝要求各精餾塔底要保持一定的物料。同樣為了生產(chǎn)過程的平穩(wěn)，各塔的進料不能波動太大。 上圖中，為了保持精餾塔底物料，采用單回路液位控制系統(tǒng)；為了穩(wěn)定進料穩(wěn)定，采用單回路流量控制系統(tǒng)。 這兩個控制系統(tǒng)，在單個塔情況下，都正確，但在兩塔串聯(lián)時將發(fā)生矛盾。 解決矛盾的一種方法是在兩個塔中間增加一儲罐。 另一種方法就是采用是均勻控制系統(tǒng)。87簡單均勻控制系統(tǒng) 保留甲塔液位控制系統(tǒng)，乙塔進料流量未控制。

46、從形式上看與單回路控制系統(tǒng)無差別。 控制策略不同。88均勻控制系統(tǒng) 采用均勻控制系統(tǒng)的條件是工藝上被控變量可以在一定的范圍內波動。如甲塔的液位有一定的允許范圍和乙塔的進料量也可以在一定范圍內緩慢變化。 控制系統(tǒng)從物料平衡關系出發(fā)，使甲、乙兩塔物料供求矛盾限制在一定條件下的緩慢變化過程，從而同時滿足甲、乙兩塔的控制要求。 均勻控制系統(tǒng)可定義為：使兩個有關聯(lián)的被控變量在規(guī)定范圍內緩慢地、均勻地變化。前后設備在物料的供求上相互兼顧、均勻協(xié)調，因此稱之為均勻控制系統(tǒng)。 89串聯(lián)控制系統(tǒng)變化曲線 圖(a)非均勻控制系統(tǒng)液位與流量曲線。保證一個變量穩(wěn)定，必然引起另一變量波動。 圖(b)均勻控制系統(tǒng)，兩被控

47、變量都緩慢變化。90均勻控制系統(tǒng)的特點 兩被控變量都存在波動，都不會穩(wěn)定在某一固定值上。 兩個被控變量的調節(jié)過程都應該是緩慢的，這與定值控制希望控制過程要短的要求不同。 兩個被控變量在工藝上都應存在一定的允許操作范圍，控制時也應保證被控變量在工藝允許的范圍內變化。 91簡單均勻控制系統(tǒng) 單回路液位控制系統(tǒng)，要求保持液位H穩(wěn)定，因此流量Q波動劇烈。而均勻控制的要求卻是Q平穩(wěn)，而H倒可以在允許范圍里波動。 當被控變量有較大偏離時，才要求操縱變量作一定的調整。所以均勻控制要求控制作用“弱”，反映在控制器參數(shù)整定上，就要求比例度大和積分時間長。使得調節(jié)過程中，兩個變量都緩慢變化。不應該有微分作用。 92簡單均勻控制系統(tǒng) 用純比例實現(xiàn)的均勻控制 均勻控制中的單回路液位控制系統(tǒng)，由于采用了很大的比例度，所以整個系統(tǒng)運行緩慢，工作周期長，控制閥、測量變送器都簡化為比例環(huán)節(jié)，而液位對象可用積分環(huán)節(jié)表示。這時系統(tǒng)的方塊圖可簡化為下圖。圖中Qi為擾動變量。93系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù) 1111)()(sTATsKKKHQAKKKHQsQsHHHVmCOVmCOi1111)()(sT