現(xiàn)代過程控制基礎(chǔ)東北大學(xué)

1、1 過程控制系統(tǒng)綜述信息學(xué)院楊為民二一一年九月現(xiàn)代過程控制基礎(chǔ)1.1 過程控制系統(tǒng)的基本概念(1)通過采用檢測(cè)、控制儀表、控制裝置等自動(dòng)化技術(shù)工具，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、監(jiān)督和控制，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)各種最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約能源、改善勞動(dòng)條件、保護(hù)環(huán)境等目的。 生產(chǎn)過程自動(dòng)化，一般是指石油，化工，冶金，煉焦、造紙、建材、陶瓷以及熱力發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定程序周期進(jìn)行的生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。電力拖動(dòng)及電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)等過程的自動(dòng)控制一般不包括在內(nèi)。凡是采用模擬或數(shù)字控制方式對(duì)生產(chǎn)過程的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動(dòng)控制通稱為過程控制。 過程控制系統(tǒng)可以分為常規(guī)儀表過程控制系統(tǒng)

2、與計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)兩大類。1.1 過程控制系統(tǒng)的基本概念(2)EK電源開關(guān)進(jìn)料出料液位控制閉環(huán)控制開環(huán)控制爐溫控制閥舉例1.1 過程控制系統(tǒng)的基本概念(3)開環(huán)控制與反饋控制的比較開環(huán)優(yōu)點(diǎn) :結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，工作穩(wěn)定，當(dāng)輸入信號(hào)和擾動(dòng)能預(yù)先知道時(shí)，控制效果較好。缺點(diǎn)：不能自動(dòng)修正被控制量的偏離，系統(tǒng)的元件參數(shù)變化以及外來的未知擾動(dòng)對(duì)控制精度影響較大。閉環(huán)優(yōu)點(diǎn)：具有自動(dòng)修正被控制量出現(xiàn)偏離的能力，可以修正元件參數(shù)變化以及外界擾動(dòng)引起的誤差，控制精度高。缺點(diǎn)：被控量可能出現(xiàn)振蕩，甚至發(fā)散。1.1 過程控制系統(tǒng)的基本概念(4)1.1.1 過程控制系統(tǒng)的組成一.組成與術(shù)語 組成: 1.測(cè)量元件

3、2.比較元件 3.控制元件 4.執(zhí)行元件 5.被控對(duì)象術(shù)語: 參考輸入 主反饋 偏差 控制量 擾動(dòng) 輸出控制器被控對(duì)象測(cè)量變送執(zhí)行器ryeuvz+d1.1.2 過程控制系統(tǒng)的類別 定值控制系統(tǒng) 參考輸入不變化，控制的目的是克服擾動(dòng)。 隨動(dòng)控制系統(tǒng) 參考輸入隨時(shí)間變化，控制的目的是使輸出跟隨參考輸入的變化。 程序控制系統(tǒng) 參考輸入按事先給定的規(guī)律變化。1.1.3 過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)(1)(一)被控對(duì)象的多樣性 ： 工業(yè)生產(chǎn)各不相同，生產(chǎn)過程本身大多比較復(fù)雜，生產(chǎn)規(guī)模也可能差異很大，這就使對(duì)被控對(duì)象的認(rèn)識(shí)帶來困難，不同生產(chǎn)過程要求控制的參數(shù)各異，且被控參數(shù)一般不止一個(gè)，這些參數(shù)的變化規(guī)律不同，引起

4、參數(shù)變化的因素也不止一個(gè)，并且往往互相影響，要正確描繪這樣復(fù)雜多樣的對(duì)象特性還不完全可能，至今也只能對(duì)簡(jiǎn)單的對(duì)象特性有明確的認(rèn)識(shí)，對(duì)那些復(fù)雜多樣的對(duì)象特性，還只能采用簡(jiǎn)化的方法來近似處理。雖然理論上有適應(yīng)不同情況的控制方法，由于對(duì)象特性辨識(shí)的困難，要設(shè)計(jì)出適應(yīng)不同對(duì)象的控制系統(tǒng)至今仍非易事。1.1.3 過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)(2)(二)對(duì)象存在滯后 由于熱工生產(chǎn)過程大多在比較龐大的設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，對(duì)象的儲(chǔ)存能力大，慣性也較大，內(nèi)部介質(zhì)的流動(dòng)與熱量轉(zhuǎn)移都存在一定的阻力，并且往往具有自動(dòng)轉(zhuǎn)向平衡的趨勢(shì)。因此當(dāng)流入或流出對(duì)象的物質(zhì)或能量發(fā)生變化時(shí)，由于存在容量一慣性和阻力，被控參數(shù)不可能立即反映出來，滯后的

5、大小決定于生產(chǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)與規(guī)模，并同研究它的流入量與流出量的特性有關(guān)。顯然，生產(chǎn)設(shè)備的規(guī)模愈大，物質(zhì)傳遞的距離愈長(zhǎng)，熱量傳遞的阻力愈大，造成的滯后就愈大。一般說來，熱工過程大都是具有較大滯后的對(duì)象，對(duì)自動(dòng)控制十分不利。1.1.3 過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)(3) (三)對(duì)象特性非線性 對(duì)象特性往往是隨負(fù)荷而變的，即當(dāng)負(fù)荷不伺時(shí)，其動(dòng)態(tài)特性有明顯的差別。如果只以較理想的線性對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性作為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)，難以達(dá)到控制目的。1.1.3 過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)(4)(四)控制系統(tǒng)比較復(fù)雜 由于生產(chǎn)安全上的考慮，生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造都力求使各種參數(shù)穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生振蕩，作為被控對(duì)象就具有非振蕩環(huán)節(jié)的特性。熱工對(duì)

6、象往往具有自動(dòng)趨向平衡的能力，即被控量發(fā)生變化后，對(duì)象本身能使被控量遂漸穩(wěn)定下來，這就具有慣性環(huán)節(jié)的特性。也有無自動(dòng)趨向平衡的能力的對(duì)象，被控量會(huì)一直變化而不能穩(wěn)定下來這種對(duì)象就具有積分特性。1.1.3 過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)(5) 由于對(duì)象的特性不同，其輸入與輸出量可能不止一個(gè)，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在于適應(yīng)這些不同的特點(diǎn)，以確定控制方案和控制器的設(shè)計(jì)或選型，以及控制器特性參數(shù)的計(jì)算與設(shè)定，這些都要以對(duì)象的特性為依據(jù)，而對(duì)象的特性正如上述那樣復(fù)雜且難于充分認(rèn)識(shí)，要完全通過理論計(jì)算進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與整定至今仍不可能目前已設(shè)計(jì)出各種各樣的控制系統(tǒng)如簡(jiǎn)單的位式控制系統(tǒng)、單回路及多回路控制系統(tǒng)。以及前饋控制；計(jì)算機(jī)

7、控制系統(tǒng)等，都是通過必要的理論計(jì)算，采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整的方法，才能達(dá)到過程控制的目的。1.1.4 過程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)(1)c-衰減震蕩過程 d-非周期過程a-發(fā)散震蕩過程 b-等幅震蕩過程 幾種不同的過渡過程幾種不同的過渡過程abc d遞減比：21BBn 動(dòng)態(tài)偏差：B1調(diào)整時(shí)間：TC 靜態(tài)偏差 C積分性能指標(biāo)：積分性能指標(biāo)：0020)( )( )(dttetITAEdtteISEdtteIAE1.1.4 過程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)(2)1.2 單回路控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器被控對(duì)象檢測(cè)元件、變送器reuqyzf調(diào)節(jié)閥r：給定值 e：偏差 u：控制量 q：操縱量 y ： 輸 出 f ： 擾 動(dòng) z ： 測(cè) 量

8、值1.2.1 單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.2.2 單回路控制系統(tǒng)特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、易于整定和投運(yùn)； 可滿足一般生產(chǎn)過程的工藝要求； 占控制回路的85%以上，應(yīng)用廣泛； 適用于被控過程的純滯后與慣性不大、負(fù)荷與干擾變化比較平穩(wěn)或者工藝要求不太高的場(chǎng)合。1.2.3 被控參數(shù)的選擇 選擇起決定性作用、并且可以測(cè)量的直接參數(shù)； 可以選用間接參數(shù)作為被控參數(shù)，但它必須與直接參數(shù)有單值一一對(duì)應(yīng)關(guān)系； 對(duì)控制作用的反應(yīng)具有足夠的靈敏度； 應(yīng)考慮到工藝生產(chǎn)的合理性； 儀表的供應(yīng)情況。 1.2.4 被控參數(shù)選擇的一般原則 代表一定的工藝操作指標(biāo)或是反映工藝操作狀態(tài)的重要變量； 應(yīng)是工藝生產(chǎn)過程中經(jīng)常變化，因而需

9、要頻繁加以控制的變量； 應(yīng)盡可能選擇工藝生產(chǎn)過程的直接控制指標(biāo) ； 應(yīng)是能測(cè)量的，并具有較大靈敏度的變量； 應(yīng)是獨(dú)立可控的； 應(yīng)考慮工藝的合理性與經(jīng)濟(jì)性。1.2.5 控制參數(shù)的選擇 應(yīng)是工藝上允許加以控制的可控變量； 應(yīng)是對(duì)被控參數(shù)影響的諸因素中比較靈敏的變量，即：控制通道的放大系數(shù)要大一些；時(shí)間常數(shù)要小一些；純滯后時(shí)間要盡量小等。 應(yīng)考慮工藝的合理性和生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。1.2.6 過程靜態(tài)特性對(duì)控制品質(zhì)的影響 指過程的靜態(tài)放大系數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響。 擾動(dòng)通道的靜態(tài)放大系統(tǒng)Kf大對(duì)控制不利 ；控制通道的放大系數(shù)K0愈大，表示控制作用愈靈敏； 但K0太大，會(huì)使控制作用對(duì)被控變量的影響過強(qiáng)，使系統(tǒng)的穩(wěn)

10、定性下降； 選擇控制通道的K0適當(dāng)大一些，可由Kc來補(bǔ)償。 1.2.7 擾動(dòng)通道對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響 擾動(dòng)通道的容積愈多、愈大，則擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響愈小，控制質(zhì)量愈好； 擾動(dòng)通道的純滯后不影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量 ； 應(yīng)使擾動(dòng)作用點(diǎn)位置遠(yuǎn)離被控參數(shù)。1.2.8 選擇控制參數(shù)的一般原則 選擇過程控制通道的放大系Ko要大一些；時(shí)間常數(shù)To要小一些；純滯后時(shí)間o愈小愈好； 過程擾動(dòng)通道的放大系數(shù)Kf應(yīng)盡可能?。粫r(shí)間常數(shù)Tf要大；引入系統(tǒng)的位置要遠(yuǎn)離被控參數(shù)； 應(yīng)盡量設(shè)法把廣義過程的幾個(gè)時(shí)間常數(shù)錯(cuò)開，使其中一個(gè)時(shí)間常數(shù)比其他時(shí)間常數(shù)大得多； 注意工藝操作的合理性、經(jīng)濟(jì)性。1.2.9 控制系統(tǒng)投運(yùn)(1) 投運(yùn)：

11、在控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、儀表安裝調(diào)校就緒后，或者經(jīng)過停車檢修之后，再將系統(tǒng)投入生產(chǎn)使用的過程。 操作人員在系統(tǒng)投運(yùn)之前，必須對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)的各種儀器儀表、聯(lián)接管線、供電、供氣情況等進(jìn)行全面檢查和準(zhǔn)備。1.2.9 控制系統(tǒng)投運(yùn)(2)控制系統(tǒng)投運(yùn)的步驟：控制系統(tǒng)投運(yùn)的步驟： 投運(yùn)步驟：檢測(cè)系統(tǒng)投入運(yùn)行；調(diào)節(jié)閥手動(dòng)遙控；調(diào)節(jié)器投運(yùn)。 待回路工況穩(wěn)定后，可投入自動(dòng)： 把調(diào)節(jié)器PID參數(shù)值設(shè)置合適位置，當(dāng)其偏差接近零時(shí)，即將調(diào)節(jié)器由手動(dòng)切換到自動(dòng)； 若還不夠理想，則繼續(xù)整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，直到滿意為止。 1.2.10 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案舉例(1) 磨礦工藝中，每個(gè)球磨系列由擺式給礦機(jī)下礦，經(jīng)集礦皮帶和給礦皮帶送

12、入球磨機(jī)； 以前由人工觀察給礦量，靠調(diào)整下礦口或起停給礦機(jī)來控制礦量，給礦量波動(dòng)往往較大，難以穩(wěn)定。為穩(wěn)定入磨礦量，需設(shè)計(jì)球磨給礦自動(dòng)控制系統(tǒng)。1.2.10 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案舉例(2) 單回路系統(tǒng)？或其它系統(tǒng)？ 干擾量？ 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求？ 儀表選型？控制器選型？ 控制規(guī)律（算法）確定？1.2.10 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案舉例(3) 被控參數(shù)：給礦量； 控制參數(shù)：(下礦口開度？給礦機(jī)頻率？) 測(cè)量?jī)x表：皮帶秤（電子式？放射源式？） 測(cè)量?jī)x表安裝位置：（給礦皮帶？） 執(zhí)行器：開度控制器（推桿？變頻器？)1.2.10 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案舉例(4) 采用單回路控制系統(tǒng)； 在給礦皮帶上安裝

13、電子皮帶秤，根據(jù)皮帶秤檢測(cè)的礦量對(duì)給礦機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)； 控制器選用西門子S7-300PLC； 控制算法采用PI控制。1.2.10 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案舉例(5)1.2.10 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案舉例(6) 投運(yùn)步驟： 電子皮帶秤標(biāo)定及投入使用； 手動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器頻率，觀察調(diào)節(jié)靈敏度； 在穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后打到自動(dòng)； 記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)，整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，直至滿意。1.2.11 控制規(guī)律tdicdttdeTdeTteKtu0)()(1)()()11 ()()()(sTsTKsEsUsWdiccKc：比例增益 Ti：積分時(shí)間 Td：微分時(shí)間1.2.12 基本調(diào)節(jié)回路的診斷(1) 將控制器置于“手動(dòng)”方式

14、，人為改變控制器的輸出信號(hào)（遙控），檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)閥閥桿是否上下移動(dòng)； 如果閥桿上下移動(dòng)自如，檢查相關(guān)流量/壓力等測(cè)量信號(hào)是否隨之變化。若變化很小，則檢查測(cè)量信號(hào)是否正常，或者調(diào)節(jié)閥上游閥和下游閥是否全開，或者旁路閥是否關(guān)閉； 如果調(diào)節(jié)閥靈活，而且相關(guān)被控信號(hào)可隨之變化。則可進(jìn)入單回路PID控制器的參數(shù)整定.1.2.12 基本調(diào)節(jié)回路的診斷(2)常見的現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)常見的現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥上游閥下游閥旁路閥1.2.13 PID參數(shù)的整定(1)控制器輸出響應(yīng)測(cè)試控制器輸出響應(yīng)測(cè)試tt0u(k)y(k)y0y1u0u1T0T1（1）手動(dòng)改變控制器的輸出信號(hào)u(k)，觀察被控變量y(k)的變化過程。（2

15、）由階躍響應(yīng)曲線得到對(duì)象基本特征參數(shù) 。1.2.13 PID參數(shù)的整定(2)對(duì)象特征參數(shù)的獲得對(duì)象特征參數(shù)的獲得 Kp(穩(wěn)態(tài)增益)：minmax01minmax01uuuuyyyyKp其中umax、umin與 ymax、ymin為輸入輸出的量程上下限；若巳歸一化，則 umax umin =1, ymax ymin =1。 Ts (開環(huán)過渡過程時(shí)間)：01TTTs1.2.13 PID參數(shù)的整定(3)PID參數(shù)的整定原則參數(shù)的整定原則 PID參數(shù)初始值的選擇：Kc = 1/Kp；Ti = Ts /2； Td = 0 將上述PID控制器投入“Auto” （自動(dòng)）方式，并適當(dāng)改變控制回路的設(shè)定值，觀察

16、控制系統(tǒng)跟蹤性能。若響應(yīng)過慢，而且無超調(diào)存在，則適當(dāng)加大KC值，例如增大到原來的兩倍；反之，則減小KC值。1.3 復(fù)雜控制系統(tǒng)具有兩個(gè)以上的檢測(cè)元件和變送器，或調(diào)節(jié)器，或執(zhí)行器的控制系統(tǒng)1.3.1 串級(jí)控制系統(tǒng)d1：一次擾動(dòng) d2：二次擾動(dòng)主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器副對(duì)象主對(duì)象ry副變送器主變送器d1d2副回路主回路閥1.3.1.1 串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)串級(jí)控制系統(tǒng)是改善控制質(zhì)量的有效方法之一，在過程控制中得到了廣泛地應(yīng)用。1.3.1.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的名詞術(shù)語(1) 主被控參數(shù)起主導(dǎo)作用的被控參數(shù)。 副被控參數(shù)為穩(wěn)定主參數(shù)而引入的中間輔助參數(shù)。 主被控過程由主被控參數(shù)表征其特性的生產(chǎn)過程。其輸入量為副被

17、控參數(shù)，輸出量為主被控參數(shù)。 副被控過程由副被控參數(shù)作為輸出的生產(chǎn)過程，其輸入量為控制參數(shù)。1.3.1.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的名詞術(shù)語(2) 主調(diào)節(jié)器按主被控參數(shù)的測(cè)量值與給定值的偏差進(jìn)行工作的調(diào)節(jié)器，其輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值。 副調(diào)節(jié)器按副被控參數(shù)的測(cè)量值與主調(diào)節(jié)器輸出的偏差進(jìn)行工作的調(diào)節(jié)器，其輸出控制調(diào)節(jié)閥動(dòng)作。 副 回 路由副調(diào)節(jié)器、副被控過程和副測(cè)量變送器組成的閉合回路。 一 次 擾動(dòng)不包括在副回路內(nèi)的擾動(dòng)。 二 次 擾動(dòng)包括在副回路內(nèi)的擾動(dòng)。 1.3.1.3 串級(jí)控制系統(tǒng)主要特點(diǎn) 1.改善了被控過程的動(dòng)態(tài)特性； 2.提高了系統(tǒng)的工作頻率； 3.具有較強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力； 4.具有一定的自適

18、應(yīng)能力。1.3.1.4 串級(jí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合 用于克服被控過程較大的容量滯后； 用于克服被控過程的純滯后； 用于抑制變化劇烈而且幅度大的擾動(dòng)； 用于克服被控過程的非線性。1.3.1.5 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則 副回路應(yīng)包括盡可能多的擾動(dòng)； 應(yīng)使主、副過程的時(shí)間常數(shù)適當(dāng)匹配。原則上，主副過程時(shí)間常數(shù)之比應(yīng)在3到10范圍內(nèi)； 副回路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮工藝上的合理性； 副回路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性原則。1.3.1.6 串級(jí)主和副調(diào)節(jié)器的選擇 主調(diào)節(jié)器一般選PI或PID控制規(guī)律； 副調(diào)節(jié)器一般只要選P控制規(guī)律即可： 若采用積分規(guī)律，會(huì)延長(zhǎng)控制過程，減弱副回路的快速作用。 若引入微分規(guī)律會(huì)使調(diào)節(jié)閥動(dòng)作過大，對(duì)控制不

19、利。1.3.1.7串級(jí)系統(tǒng)的PID參數(shù)整定 按照單回路控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定原則整定好PID2；為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，內(nèi)回路以無明顯超調(diào)為宜。 以內(nèi)回路的設(shè)定值ysp2作為操作變量u(k)，以外回路輸出y1(k)為被控變量，進(jìn)行響應(yīng)試驗(yàn)。由此獲得廣義對(duì)象的特征參數(shù)Kp與Ts。 再按單回路控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定原則確定PID1的參數(shù)。PID2對(duì)象2對(duì)象1u(k)ysp2PID1ysp1y2(k)y1(k)1.3.2 前饋控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥前饋調(diào)節(jié)器被控對(duì)象變送器dyr-1.3.2.1 前饋控制結(jié)構(gòu) Wm(s): 前饋控制器； Wo(s):過程控制通道傳遞函數(shù)； Wf(s):過程擾動(dòng)通道傳遞函數(shù)。1.3

20、.2.2 前饋與反饋控制特點(diǎn)比較 反饋控制的特點(diǎn) ：基于偏差來消除偏差； “不及時(shí)”的控制 ；存在穩(wěn)定性問題；對(duì)各種擾動(dòng)均有校正作用； 控制規(guī)律通常是P、PI、PD或PID等典型規(guī)律。1.3.2.3 前饋與反饋控制特點(diǎn)比較 前饋控制的特點(diǎn) ：基于擾動(dòng)來消除擾動(dòng)對(duì)被控量的影響； 動(dòng)作“及時(shí)” ；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；具有指定性補(bǔ)償?shù)木窒扌裕?控制規(guī)律取決于被控對(duì)象的特性。1.3.2.4 前饋控制器設(shè)計(jì)原理 不變性原理是實(shí)現(xiàn)前饋控制的理論基礎(chǔ)。 “不變性”是指控制系統(tǒng)的被控量與擾動(dòng)量完全無關(guān)，或在一定準(zhǔn)確度下無關(guān)。1.3.2.5 前饋模型 由不變性原理決定的動(dòng)態(tài)前饋控制器，

21、是由被過程擾動(dòng)通道與控制通道特性之比決定的，即： 因?qū)崿F(xiàn)了完全補(bǔ)償，達(dá)到了被控量不受擾動(dòng)影響的控制效果。 前饋模型的結(jié)構(gòu)有時(shí)比較復(fù)雜，甚至難以實(shí)現(xiàn)。)()()(sWsWsWofM1.3.2.6 前饋控制系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式 靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)： 控制器采用比例控制，是前饋模型中最簡(jiǎn)單的形式。 動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)： 動(dòng)態(tài)前饋的實(shí)現(xiàn)基于不變性原理；動(dòng)態(tài)前饋控制方案雖能顯著地提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)，但結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜；需要專門的控制裝置，系統(tǒng)運(yùn)行、整定也比較復(fù)雜；只有當(dāng)工藝上對(duì)控制精度要求很高，其它控制方案難以滿足、且存在一個(gè)“可測(cè)不可控”的主要擾動(dòng)時(shí)，才考慮使用動(dòng)態(tài)前饋方案。 1.3.2.7 前饋控制的局限

22、性 前饋控制屬于開環(huán)控制方式 ； 完全補(bǔ)償難以滿足，因?yàn)椋阂獪?zhǔn)確掌握過程擾動(dòng)通道特性Wf（s）及控制通道特性Wo（s）是不容易的； 即使前饋模型Wm（s）能準(zhǔn)確求出，有時(shí)工程上也難以實(shí)現(xiàn)；對(duì)每一個(gè)擾動(dòng)至少使用一套測(cè)量變送儀表和一個(gè)前饋控制器，這將會(huì)使控制系統(tǒng)龐大而復(fù)雜。1.3.2.8 前饋反饋控制系統(tǒng)（復(fù)合控制系統(tǒng)） (1)調(diào)節(jié)閥反饋調(diào)節(jié)器被控對(duì)象變送器dyr前饋調(diào)節(jié)器變送器前饋粗調(diào)，反饋細(xì)調(diào)1.3.2.8 前饋反饋控制系統(tǒng)（復(fù)合控制系統(tǒng)） (2) 將前饋和反饋結(jié)合起來，既發(fā)揮了前饋?zhàn)饔眉皶r(shí)克服主要擾動(dòng)對(duì)被控量影響的優(yōu)點(diǎn)，又保持了反饋控制能克服多個(gè)擾動(dòng)影響的長(zhǎng)處； 降低了系統(tǒng)對(duì)前饋補(bǔ)償器的要求

23、，使其在工程上更易于實(shí)現(xiàn)。1.3.2.9 前饋串級(jí)控制系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器副對(duì)象主對(duì)象ry副變送器主變送器d1d2主回路閥變送器前饋調(diào)節(jié)器1.3.2.10 前饋控制的設(shè)計(jì)原則 實(shí)現(xiàn)前饋控制的必要條件是擾動(dòng)量的“可測(cè)及不可控性”： “可測(cè)”：指擾動(dòng)量可以通過測(cè)量變送器，在線地將其轉(zhuǎn)換為前饋補(bǔ)償器所能接受的信號(hào)。 “不可控”：指這些擾動(dòng)量難以或不允許通過專門的控制回路予以控制，如生產(chǎn)中的負(fù)荷。 擾動(dòng)量變化頻繁且幅值較大； 通常選用靜態(tài)前饋-反饋控制方案即可得到滿意的控制效果。1.3.3 比值控制系統(tǒng) 定義：兩個(gè)或多個(gè)參數(shù)自動(dòng)維持一定比值關(guān)系的過程控制系統(tǒng)。 在控制兩種物料的比值系統(tǒng)中，起主導(dǎo)作用而

24、又不可控的物料流量稱為主動(dòng)量q1，跟隨主動(dòng)量而變化的物料流量稱為從動(dòng)量q2，q2與q1保持一定的比值 ，即：12qqk 1.3.3.1 單閉環(huán)比值控制 從動(dòng)量q2是一個(gè)閉環(huán)隨動(dòng)控制系統(tǒng)； 主動(dòng)量q1開環(huán)。1.3.3.2 雙閉環(huán)比值控制 由一個(gè)定值控制的主動(dòng)量回路和一個(gè)跟隨主動(dòng)量變化的從動(dòng)量控制回路組成。1.3.3.3 變比值控制 要求兩種物料流量的比值，隨第三個(gè)參數(shù)的需要而變化。變比值控制系統(tǒng)是一個(gè)以第三參數(shù)或稱主參數(shù)（質(zhì)量指標(biāo)）、以兩個(gè)流量比為副參數(shù)的串級(jí)控制系統(tǒng)。 在變比值控制系統(tǒng)中，流量比值只是一種控制手段，不是最終目的，而第三參數(shù)往往是產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)。1.3.3.4 變比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉

25、例(1)1.3.3.4 變比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例(2)1.3.3.4 變比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例(3) 系統(tǒng)工作時(shí)，按當(dāng)前給礦量比例控制給水。在給水管路上安裝電動(dòng)閥和流量計(jì)，構(gòu)成給水閉環(huán)控制。 當(dāng)濃度發(fā)生變化時(shí)，濃度控制器的輸出將修改比例系數(shù)K，從而修改了給水閉環(huán)的給定值，給水閉環(huán)及時(shí)調(diào)節(jié)給水量，保證濃度相對(duì)穩(wěn)定。1.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(1) 典型的連續(xù)控制系統(tǒng)：調(diào)節(jié)器執(zhí)行器被控對(duì)象ry檢測(cè)儀表euz1.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(2) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)字調(diào)節(jié)器D/A轉(zhuǎn)換器保持器執(zhí)行器被控對(duì)象檢測(cè)儀表采樣保持器A/D轉(zhuǎn)換器ry+1.4.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成(1)工 業(yè) 對(duì) 象檢測(cè)儀表模擬量輸入通道接 口

26、系 統(tǒng) 總 線主機(jī)接口接口人機(jī)聯(lián)系設(shè)備運(yùn)行操作臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬量輸出通道接 口接 口接 口開關(guān)量輸入通道開關(guān)量輸出通道1.4.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成(2)軟件部分軟件部分計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 硬件部分硬件部分控制計(jì)算機(jī)控制計(jì)算機(jī)主機(jī)、外設(shè)、系統(tǒng)總線主機(jī)、外設(shè)、系統(tǒng)總線生產(chǎn)過程輸入輸出通道生產(chǎn)過程輸入輸出通道人人機(jī)聯(lián)系設(shè)備、通信設(shè)備機(jī)聯(lián)系設(shè)備、通信設(shè)備 現(xiàn)場(chǎng)儀表（測(cè)量傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）現(xiàn)場(chǎng)儀表（測(cè)量傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等） 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 匯編或高級(jí)語言、過程控制語言匯編或高級(jí)語言、過程控制語言 通信網(wǎng)絡(luò)軟件、診斷程序等通信網(wǎng)絡(luò)軟件、診斷程序等 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件 應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件 過程輸

27、入過程輸入/輸出程序、過程控制程序輸出程序、過程控制程序 人機(jī)接口程序、打印顯示程序人機(jī)接口程序、打印顯示程序 各種公共子程序各種公共子程序 歷史數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫歷史數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫1.4.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(1) 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) 直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC） 計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC） 集散控制系統(tǒng)（DCS） 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS) 計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)（CIMS/CIPS）1.4.2.1 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)數(shù) 字字 計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī)CRT打印機(jī)打印機(jī)報(bào)報(bào) 警警過程輸入通道過程輸入通道 檢測(cè)儀表檢測(cè)儀表 檢測(cè)儀表檢測(cè)儀表被被 控控 生生 產(chǎn)產(chǎn) 過過 程程 1.4.2.

28、2 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) 數(shù)數(shù) 字字 計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī)CRT打印機(jī)打印機(jī)報(bào)報(bào) 警警過程輸入通道過程輸入通道檢測(cè)儀表檢測(cè)儀表檢測(cè)儀表檢測(cè)儀表被被 控控 生生 產(chǎn)產(chǎn) 過過 程程執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 人人 1.4.2.3 直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）直接數(shù)字控制直接數(shù)字控制(DDC)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)CRT打印機(jī)打印機(jī)報(bào)報(bào) 警警操作臺(tái)操作臺(tái)過程輸入通道過程輸入通道 測(cè)量變送測(cè)量變送 測(cè)量變送測(cè)量變送被被 控控 生生 產(chǎn)產(chǎn) 過過 程程過程輸出通道過程輸出通道 執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu) (Direct Digital Control)1.4.2.4 計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)(S

29、CC)CRT打印機(jī)打印機(jī)報(bào)警報(bào)警DDC計(jì)算機(jī)或調(diào)節(jié)器計(jì)算機(jī)或調(diào)節(jié)器輸入通道輸入通道 輸出通道輸出通道被被 控控 生生 產(chǎn)產(chǎn) 過過 程程操作臺(tái)操作臺(tái)輸入通道輸入通道(Supervisory Computer Control)1.4.2.5 集散控制系統(tǒng)(DCS) 監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)CRT操作站操作站基本調(diào)節(jié)器基本調(diào)節(jié)器基本調(diào)節(jié)器基本調(diào)節(jié)器 被控對(duì)象被控對(duì)象被控對(duì)象被控對(duì)象高高 速速 數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 通通 道道分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System)集中操作，分散控制1.4.2.6 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)工作站工作站 現(xiàn)場(chǎng)智能儀表現(xiàn)場(chǎng)智能儀表(Fieldbu

30、s Control System)1.4.2.7 計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)（CIMS/CIPS） 經(jīng)營(yíng)決策經(jīng)營(yíng)決策企業(yè)管理企業(yè)管理生產(chǎn)調(diào)度生產(chǎn)調(diào)度過程優(yōu)化過程優(yōu)化過程控制過程控制第五層：企業(yè)決策，生產(chǎn)規(guī)劃第五層：企業(yè)決策，生產(chǎn)規(guī)劃第四層：供銷第四層：供銷,財(cái)務(wù)財(cái)務(wù),計(jì)劃計(jì)劃,管理等管理等第三層：生產(chǎn)調(diào)度，系統(tǒng)優(yōu)化第三層：生產(chǎn)調(diào)度，系統(tǒng)優(yōu)化第二層：先進(jìn)控制，過程優(yōu)化第二層：先進(jìn)控制，過程優(yōu)化第一層：?jiǎn)卧詣?dòng)化第一層：?jiǎn)卧詣?dòng)化,簡(jiǎn)單控制簡(jiǎn)單控制生生 產(chǎn)產(chǎn) 過過 程程 流程流程CIMS的遞階控制示意圖的遞階控制示意圖1.4.2.8 根據(jù)計(jì)算機(jī)的硬件不同分類1.4.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)1.4.3.1 實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的靈魂是控制算法，它可方便地通過編制相應(yīng)的程序來實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)控制不僅能實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)中經(jīng)常采用的PID控制算法，而且還可方便地通過程序在線調(diào)整其中的系數(shù)。除此之外，在復(fù)雜的環(huán)境下，被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型不清或參數(shù)變化時(shí)，可在各種先進(jìn)的控制算法中選擇最合適的方案進(jìn)行控制；諸如自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制