精餾塔前饋-反饋控制

實用文案目錄1.前言..........................................................................................................12.總體方案設(shè)計............................................................................................22.1系統(tǒng)方案的論證.................................................................................................22.1.1單回路控制系統(tǒng)......................................................................................22.1.2方案二：精餾段前饋—反饋控制（以進料量為前饋信號）...........22.1.3方案三：精餾段前饋—反饋控制（以進料量為前饋信號）...........32.1.4方案四：提餾段前饋—反饋控制.........................................................32.2方案的比較........................................................................................................32.3方案的選擇........................................................................................................43.精餾塔前饋-反饋控制系統(tǒng).........................................................................53.1前饋—反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計............................................................................53.1.1被控參數(shù)的選擇.....................................................................................53.1.2控制變量的選擇.....................................................................................53.1.3調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)方式的選擇........................................................63.1.4調(diào)節(jié)器正反作用的選擇.........................................................................63.2精餾塔前饋—反饋控制系統(tǒng)的計算分析......................................................83.2.1前饋—反饋控制系統(tǒng)的分析................................................................83.2.2前饋—反饋器的模型分析....................................................................93.3前饋-反饋控制系統(tǒng)的工程整定...................................................................143.3.1Kb的整定...........................................................................................143.3.2T1，T2的整定..................................................................................17標(biāo)準(zhǔn)西華大學(xué)課程設(shè)計說明書3.3.3調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方法.......................................................................173.3.4本次設(shè)計中調(diào)節(jié)器參數(shù)整定及結(jié)果..............................................184.MATLAB系統(tǒng)仿真...............................................................................194.1MATLAB的簡介.............................................................................................194.2Simulink控制系統(tǒng)仿真.................................................................................205.設(shè)計總結(jié).................................................................................................236.致謝........................................................................................................247.參考資料.................................................................................................19前言精餾是化工、石油化工、煉油生產(chǎn)過程中應(yīng)用極為廣泛的傳質(zhì)傳熱過程。 精餾的目的是利用混合液中各組分具有不同揮發(fā)度， 將各組分分離并達到規(guī)定的純度要求。精餾過程的實質(zhì)是利用混合物中各組分具有不同的揮發(fā)度， 即同一溫度下各組分的蒸汽分壓不同，使液相中輕組分轉(zhuǎn)移到氣相，氣相中的重組分轉(zhuǎn)移到1西華大學(xué)課程設(shè)計說明書液相，實現(xiàn)組分的分離。精餾過程通過精餾塔、再沸器、冷凝器等設(shè)備完成，是實現(xiàn)混合物組分分離的主要設(shè)備。精餾過程是一個復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過程。表現(xiàn)為：過程變量多，被控變量多，可操縱的變量也多；過程動態(tài)和機理復(fù)雜，例如，非線性、時變、關(guān)聯(lián)；控制方案多樣，例如，同一被控變量可以采用不同的控制方案， 控制方案的適應(yīng)面廣等。因此，熟悉工藝過程和內(nèi)在特性，對控制系統(tǒng)的設(shè)計十分重要。前饋控制是一種預(yù)測控制，通過對系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)的了解，預(yù)測出下一階段系統(tǒng)的運行狀況。如果與參考值有偏差，那么就提前給出控制信號，使干擾獲得補償，穩(wěn)定輸出，消除誤差。前饋的缺點是在使用時需要對系統(tǒng)有精確的了解，只有了解了系統(tǒng)模型才能有針對性的給出預(yù)測補償。但在實際工程中，并不是所有的干擾都是可測的，并不是所有的對象都是可得到精確模型的，而且大多數(shù)控制對象在運行的同時自身的結(jié)構(gòu)也在發(fā)生變化。所以僅用前饋并不能達到良好的控制品質(zhì)。這時就需要加入反饋，反饋的特點是根據(jù)偏差來決定控制輸入，不管對象的模型如何，也不管外界的干擾如何，只要有偏差，就根據(jù)偏差進行糾正，可以有效的消除穩(wěn)態(tài)誤差。解決前饋不能控制的不可測干擾。前饋反饋綜合控制在結(jié)合二者的優(yōu)點后，可以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。精餾塔的控制目標(biāo)是：在保證產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，是回收率最高、能耗最低，或使總收益最大，或總成本最小。精餾過程是在一定約束條件下進行的。因此，精餾塔的控制要求可從質(zhì)量指標(biāo)、產(chǎn)品產(chǎn)量和能量消耗三方面考慮。2西華大學(xué)課程設(shè)計說明書本次設(shè)計打算采用前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)來進行，通過與單回路系統(tǒng)仿真運行結(jié)果的比較，突出復(fù)合系統(tǒng)的優(yōu)越性?？傮w方案設(shè)計2.1系統(tǒng)方案的論證單回路控制系統(tǒng)干擾信號Gf(s)G02(s)PID G01(s)G02(s)反饋通道圖2.1 單回路系統(tǒng)控制框圖方案一為單回路控制系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中只有一個測量元件、一個控制器、一個調(diào)節(jié)閥和一個被控過程，并只對一個被控參數(shù)進行單閉環(huán)反饋控制。方案二：精餾段前饋—反饋控制（以進料量為前饋信號）3西華大學(xué)課程設(shè)計說明書圖2.2精餾段前饋—反饋控制 I方案二是精餾塔精餾段溫度為被控變量、 進料量為前饋信號的相乘型前饋—反饋控制系統(tǒng)。方案三：精餾段前饋—反饋控制（以進料量為前饋信號）圖2.3精餾段前饋—反饋控制 II方案三與方案二類似，均為精餾塔精餾段溫度為被控變量，進料量為前饋信號的相乘型前饋—反饋控制系統(tǒng)。4西華大學(xué)課程設(shè)計說明書方案四：提餾段前饋—反饋控制圖2.4提餾段前饋—反饋控制方案四是精餾塔提餾段溫度為主被控變量、 再沸器蒸汽流量為副被控變量的串級控制系統(tǒng)和進料量為前饋信號組成的相乘型前饋—反饋控制系統(tǒng)。2.2方案的比較方案一：采用單回路控制系統(tǒng)，其實際生產(chǎn)中具有結(jié)構(gòu)簡單、投資少、易于調(diào)整等優(yōu)點；但對于動態(tài)特性復(fù)雜、存在多種擾動或擾動幅度較大、 控制要求較高的系統(tǒng)則難以滿足要求。方案二：采用間接物料平衡控制，該方案優(yōu)點是控制作用及時，動態(tài)響應(yīng)快，對克服擾動影響有利；該控制方案的缺點是內(nèi)回流受外界溫度影響大， 能量和物料平衡之間關(guān)聯(lián)大。方案三：采用直接物料平衡控制，優(yōu)點是物料和能量平衡之間關(guān)聯(lián)小，內(nèi)回流在環(huán)境溫度變化時基本不變，產(chǎn)品不合格時不出料；缺點是控制回路的滯后大，5西華大學(xué)課程設(shè)計說明書動態(tài)響應(yīng)差。方案四：從前饋原理角度看，反饋信號來自提餾段溫度，前饋信號來自進料流量，反饋信號和前饋信號進行相乘運算， 運算結(jié)果作為再沸器加熱蒸汽流量控制器的設(shè)定。從比值控制原理角度看，進料流量與加熱蒸汽量應(yīng)保持一定比值關(guān)系，當(dāng)提餾段溫度有偏差時應(yīng)調(diào)整該比值。2.3方案的選擇在精餾塔的控制過程中，所需考慮到的影響系統(tǒng)控制的參數(shù)比較多，且該生產(chǎn)過程所要求的控制質(zhì)量也比較高， 故不能選擇單回路系統(tǒng)進行實際設(shè)計。 再通過對三種前饋—反饋復(fù)合控制設(shè)計系統(tǒng)的比較， 從實際生產(chǎn)過程中的各種要求上考慮，決定在本次課程設(shè)計中，選擇方案四進行設(shè)計和仿真。6西華大學(xué)課程設(shè)計說明書精餾塔前饋-反饋控制系統(tǒng)3.1前饋—反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計 被控參數(shù)的選擇生產(chǎn)中希望借助控制系統(tǒng)保持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的參數(shù)稱為被控參數(shù)，也稱為被控變量。被控參數(shù)是控制方案設(shè)計中的重要一環(huán)， 對控制系統(tǒng)能否達到穩(wěn)定操作、增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、節(jié)能降耗、改善勞動條件、保證生產(chǎn)安全等具有決定性意義、關(guān)系到控制方案的成敗。如果被控參數(shù)選擇不當(dāng)，則不管組成什么形式的控制系統(tǒng)，也不管選用多么先進的檢測控制設(shè)備， 均難以達到預(yù)期的控制效果。精餾塔控制目標(biāo)是兩端的產(chǎn)品質(zhì)量， 直接檢測產(chǎn)品成分并進行控制的方法因成分分析儀表價格昂貴，維護保養(yǎng)復(fù)雜，采樣周期較長，反應(yīng)緩慢，滯后大，可靠性差等原因，而較少采用，絕大多數(shù)精餾塔的控制仍采用間接質(zhì)量指標(biāo)控制。此次設(shè)計中，從工藝合理性的角度考慮，選擇溫度作為被控參數(shù)；這是因為在精餾過程中，一般都要求塔內(nèi)壓力固定， 只有規(guī)定壓力下，才能保證精餾塔的分離純度和生產(chǎn)效率。塔壓固定，精餾塔各層塔板上壓力穩(wěn)定， 各層塔板上的溫度與組分之間可保持單值對應(yīng)關(guān)系。 可見，固定壓力，選擇溫度作為控制產(chǎn)品之類的間接被控參數(shù)在工藝上是合理的。 控制變量的選擇在控制系統(tǒng)中，把用來克服干擾對被控參數(shù)的影響，實現(xiàn)控制作用的變量稱7西華大學(xué)課程設(shè)計說明書為控制變量（也稱操縱變量 )。在有些生產(chǎn)過程中，影響被控參數(shù)的外部變量有幾個，這些輸入變量中，有些允許控制，有些不允許控制。原則上，在考慮生產(chǎn)過程特點和產(chǎn)品特點下，要從所允許控制變量中盡可能地選擇一個對被控參數(shù)影響顯著、控制性能好的輸入變量作為控制變量。 從控制原理來的觀點來看， 從所有允許控制的變量中選出一個作為控制變量， 需要分析、比較不同的控制通道（控制變量對被控參數(shù)作用的通道） 和不同的擾動通道（擾動量對被控參數(shù)的作用通道）對系統(tǒng)特性和控制品質(zhì)的影響，作出合理的選擇?；谝陨戏治?，可得出控制變量選取的一般原則：1）控制變量是可控的，2）控制變量一般比其它干擾對被控參數(shù)的影響靈敏。即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。為此，應(yīng)通過合理選擇控制變量，使控制通道的放大系數(shù)大、時間常數(shù)小、純滯后時間小。3）為使其他干擾對被控參數(shù)的影響減小、應(yīng)使干擾通道的放大系數(shù)小、時間常盡可能大。4）被控過程存在多個時間常數(shù)，在選擇設(shè)備時，應(yīng)盡量使時間常數(shù)錯開、使其中一個時間常數(shù)比其他常大很多，同時注意減小其他時間常數(shù)。5）在選擇變量時，除了從提高控制品質(zhì)的角度考慮外，還要考慮工藝的合理性與生產(chǎn)效率及生產(chǎn)過程的經(jīng)濟性。在此次精餾塔前饋—反饋復(fù)合系統(tǒng)的設(shè)計中，被控變量為被塔內(nèi)溫度，而蒸汽流量是干擾參數(shù)。通過以上分析，可選取物料流量來作為控制變量， 通過對物料流量的控制，來穩(wěn)定被控變量，從而使整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行。8Kv﹥0。精餾段出料口控制閥西華大學(xué)課程設(shè)計說明書 調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)方式的選擇調(diào)節(jié)閥開、關(guān)作用方式的選擇主要以不同生產(chǎn)條件下， 人員安全、生產(chǎn)安全、系統(tǒng)及設(shè)備安全的需要為首要依據(jù)。 當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障、信號中斷里，閥門處于打開位置危害性小，則應(yīng)選擇氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥；反之，若閥門處于關(guān)閉位置時危害性小，則應(yīng)選用氣開閥。本次設(shè)計中，從安全角度考慮，應(yīng)選氣開閥，選氣開可防止蒸汽帶液輸出， 當(dāng)閥體失去壓力作用是，閥應(yīng)處于全閉狀態(tài)。該系統(tǒng)以溫度作被控變量，選用的控制閥理想流量特性為等百分比流量特性。 調(diào)節(jié)器正反作用的選擇調(diào)節(jié)器的選型與調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇對過程控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)有至關(guān)重要的影響，也是過程控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容之一。 調(diào)節(jié)器的輸出決定于被控參數(shù)的測量值與設(shè)定值之差，被控參數(shù)的測量值與設(shè)定值變化， 對輸出的作用方向是相反的，調(diào)節(jié)器的正反作用的定義是：當(dāng)設(shè)定值不就時，隨著測量值的增加，調(diào)節(jié)器的輸出增加，則稱為“正作用”方式；同樣，當(dāng)測量值不變，設(shè)定值減小時，調(diào)節(jié)器的輸出增加，稱為“正作用”方式。反之，如果測量值增加或設(shè)定值減小時，調(diào)節(jié)器輸出減小，則稱為“反作用”方式。調(diào)節(jié)器正反作用方式的選擇是在調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)方式確定后進行的，其確定原則是使整個單回路構(gòu)成負反饋系統(tǒng)。 若對控制系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)按照其工作特性，定義一個表示其性質(zhì)的正（ +），負（-）符號，則可根據(jù)組成控制系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的正（+），負（-）符號及回路構(gòu)成負反饋的根本要求，得出調(diào)節(jié)器的“正”9西華大學(xué)課程設(shè)計說明書“反”作用的選擇工式?？刂葡到y(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的正、負符號做如下規(guī)定：調(diào)節(jié)閥：氣開式取“+”，氣關(guān)式取負；被控對像：若控制變量增加時，被控參數(shù)隨之增加取“ +”；反之取“-”；變送器：輸出信號隨被測變量增加而增大，取“ +”；反之取“-”；調(diào)節(jié)器：測量輸入增加，調(diào)節(jié)器輸出增大（正作用）時取“ +”；測量輸入增加，調(diào)節(jié)器輸出減?。ǚ醋饔茫r取“ -”；在傳感器、執(zhí)行器的符號確定的情況下，為了保證單回路控制系統(tǒng)構(gòu)成負反饋系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器的符號擇應(yīng)滿足單回路各個環(huán)節(jié)符號的乘積必須為“ -”，即：調(diào)節(jié)器符號（+或-）*執(zhí)行器符號（+或-）*變送器符號（+或-）*被控過程符號（+或-）=“-”若其它三項已知時，則可以求出調(diào)節(jié)器的符號了。根據(jù)所求和的符號則可確定其“正”“反”作用形式。在一般情況下，過程控制中變送器的符號都認(rèn)為是“+”，則可以簡化為：調(diào)節(jié)器符號（+或-）*執(zhí)行器符號（+或-）*被控過程符號（+或-）=“-”即：調(diào)節(jié)器符號為被控過程的符號與執(zhí)行器符號乘積的相反值。由此可知，當(dāng)控制閥與被控過程符號相同時，控制器應(yīng)選擇“反作用”方式，反之，則選擇“正作用”方式。在上面已經(jīng)分析了調(diào)節(jié)閥為氣開式，即為“正作用（ +）”方式，而變送器一般為“正作用（+）”方式，而被控過程的符號為“ +”——控制變量（物料流量）增大，被控參數(shù)增大，按照上面的公式可知調(diào)節(jié)器應(yīng)選“反作用” 。即當(dāng)被控參數(shù)增大時，系統(tǒng)通過控制的反作用調(diào)節(jié)方式，將控制信號送到蒸汽調(diào)節(jié)閥上，10西華大學(xué)課程設(shè)計說明書調(diào)節(jié)閥門，使得其關(guān)小，從而減小物料流量的送入， 使得塔內(nèi)溫度穩(wěn)定在某一定值，從而使整個系統(tǒng)穩(wěn)定。3.2精餾塔前饋—反饋控制系統(tǒng)的計算分析 前饋—反饋控制系統(tǒng)的分析在精餾塔前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)中，設(shè)定值 X(s)、干擾F(s)對輸出 Y(s)的共同影響為Y(S)Gc(s)Gv(s)G0(s)Gf(s)Go(s)Gv(s)Gb(s)Gm(s)X(s)F(s)1Gc(s)Gv(s)G0(s)1Gc(s)Gv(s)G0(s)3-1要前饋補償實現(xiàn)對干擾 Y(s)的完全補償，上式第二項應(yīng)當(dāng)為零，即Gf(s)Go(s)Gv(s)Gb(s)Gm(s)1F(s)0Gc(s)Gv(s)G0(s)3-2即Gf(s)Go(s)Gv(s)Gb(s)Gm(s)03-3從而可得Gf(s)Gb(s)(s)Gm(s)Go(s)Gv3-4從3-1中可知，由于反饋的存在，使干擾F(s)對輸出的影響要比開環(huán)前饋控制的情況下小[1+Gc(s)Gv(s)G0(s)]倍。在系統(tǒng)的通頻帶內(nèi)，控制通道往往有很大的放大倍數(shù)，即1GcsGvsG0s13-511西華大學(xué)課程設(shè)計說明書3-5式表明，本來經(jīng)過開環(huán)補償后，干擾 F(s)對被控參數(shù)的影響已經(jīng)很小，再經(jīng)過反饋控制進一步減小 1+Gc(s)Gv(s)G0(s)]倍，這充分體現(xiàn)了前饋-反饋控制的優(yōu)越性。下面分析復(fù)合系統(tǒng)反饋回路的穩(wěn)定性。復(fù)合系統(tǒng)的特征方程為1Gc(s)Gv(s)G0(s)03-63-6 式表明，復(fù)合控制系統(tǒng)與按偏差控制的單回路控系統(tǒng)的特征方程是一樣的，與前饋控制器Gb(s)和擾動環(huán)節(jié)Gm(s)無關(guān)，有沒有前饋補償并不影響閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在設(shè)計復(fù)合控制系統(tǒng)時，可以根據(jù)閉環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)計方法進行，可暫不考慮前饋控制器的作用，使系統(tǒng)滿足一定的穩(wěn)定性要求和一定的過渡過程品質(zhì)要求；然后，根據(jù)不變性原理設(shè)計前饋控制器， 進一步消除主要干擾對被參數(shù)的影響；最后，將設(shè)計的閉環(huán)系統(tǒng)和前饋系統(tǒng)組合起來， 就得到了需要的復(fù)合控制系統(tǒng)?？偟脕碚f，相當(dāng)于單純的前饋控制或反饋控制， 復(fù)合控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：1、前饋控制與反饋控制組合使用， 有利于對主要干擾進行前饋補償和對其它干擾進行反饋調(diào)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(shè)計的實現(xiàn)。3、在單純的反饋控制系統(tǒng)中，提高控制精度與系統(tǒng)穩(wěn)定性是一對矛盾， 往往為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，因而在一定程度上解決穩(wěn)定性與控制精度之間的矛盾。12西華大學(xué)課程設(shè)計說明書 前饋—反饋器的模型分析由于在前饋控制基礎(chǔ)上引入反饋回路構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)時， 已經(jīng)單獨設(shè)計好的前饋控制臺器可直接使用，并不需要再次設(shè)計。因此前饋 -反饋復(fù)合控制和前饋控制都可以用一個通用模型來表示。按照不變性的條件，求得前饋控制器的傳遞函數(shù)的表達式，即GbGf(s)(s)Go(s)Gv(s)Gm(s)3-7實際上，要得到干擾通道特性Gf(s)、控制通道Go(s)的精確數(shù)學(xué)模型非常困難，往往無法通過計算求得準(zhǔn)確的前饋控制模型。 實踐證明，相當(dāng)數(shù)量的工業(yè)過程都具有過阻尼特性，因此，常常將被控制過程的控制通道和擾動通道用一階和二階的容量滯后模型來近似，必要時再串聯(lián)一個純滯后環(huán)節(jié)， 這樣就為前饋控制器的模型具有了通用性創(chuàng)造了條件。假定控制通道的特性為：G0(s)K01e0sT0s3-8干擾通道的特性為：Gf(s)Kf1efsTfs3-9則前饋控制器的模型可歸結(jié)為如下形式：KfeGf(s)Tfs1Gb(s)KoGo(s)eTos1

sKfTos1eosKoTfs1e

fsT1s1esosKbT2s13-103-10式中：Kb靜態(tài)前饋系數(shù)，Kb=Kf/Ko；T1=To,T2=Tf,分別為控制通道與干擾通道的時間常數(shù)， 為干擾通道與控制通道純滯后時間之差， f 0。13西華大學(xué)課程設(shè)計說明書當(dāng) f 0時，上式可以寫成Gb(s)KbT1s1T2s13-11若T1=To=T2=Tf，則可寫成Gb(s)Kb3-12Kb”“KbT1s1KbT1s1es由上可見，常用的前饋控制有“T2s1”“T2s1”型三種。3.3前饋-反饋控制系統(tǒng)的工程整定前饋-反饋控制系統(tǒng)的投動方式有兩種方法。其一，前饋和反饋回路分別投運，整定后再組合起來；其二，將反控制部分先投運，待整定后，再逐漸加入前饋作用。在整定前饋--反饋控制系統(tǒng)時，反饋回路的前饋控制部分要分別整定。也就是說，當(dāng)整定反饋回路時，只考慮反饋閉合回路具有適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕量， 而不考慮前饋部分；當(dāng)整定前饋裝置時，不考慮反饋控制所引起的穩(wěn)定性問題。 對于具體Kb

T1s 1的整定方法，現(xiàn)以常用的前饋裝置“T2s1”為例，介紹如何確定靜態(tài)參數(shù)Kb，動態(tài)參數(shù)T1和T2。 Kb的整定靜態(tài)參數(shù)Kb是前饋模型中最基本的參數(shù)，它對前饋控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)影響很大，首先應(yīng)將它束定好。其整定方法主要有開環(huán)整定和閉環(huán)整定。）開環(huán)整定法14西華大學(xué)課程設(shè)計說明書所謂開環(huán)整定法，是在系統(tǒng)作單純的靜態(tài)前饋運行下施加干擾， Kb值由小逐步增大時，址到被子控量回到設(shè)定值，此時，所對應(yīng)的Kb值更視為最佳整定值。在進行整定時，應(yīng)力求工況穩(wěn)定，以減小其它擾動對被控量的影響，否則， Kb的整定值將有較大誤差。另外，由于系統(tǒng)是處于單純前饋運行狀態(tài)， 在整定過程中被控量推動反饋控制。為了避免由于 Kb過大而導(dǎo)致被控時產(chǎn)生太大的偏差、影響生產(chǎn)甚至發(fā)生事故，因此 Kb值應(yīng)由小逐步增大。由于這種方法容易影響生產(chǎn)的正常進行，因而在實際生產(chǎn)過程中應(yīng)用越來越少了。）閉環(huán)整定法設(shè)待定的系統(tǒng)原理框圖如圖所示?？梢宰屜到y(tǒng)處于前饋 --反饋動行狀態(tài)整定Kb，也可以讓系統(tǒng)處于反饋運行狀態(tài)對 Kb進行整定?！?前饋—反饋運行狀態(tài)整定 Kb閉合圖中開關(guān)K，使系統(tǒng)處于前饋—反饋運行狀態(tài)。在反饋控制已整定好的基礎(chǔ)上，施加相同的干擾作用，由小而大地逐步改變 Kb的值，直到獲得滿意的補償過程。Kb值對補償過程的影響如圖 3.2所示，圖中（b)曲線為Kb剛好適當(dāng)。如此時的Kb值較小，將造成欠補償所示，如圖（ a)所示，若Kb值過大則造成過補償，如圖（c)所示。15西華大學(xué)課程設(shè)計說明書F(s)Gf(s)G02(s)KKbX(s)+Y(s)++PIDG01(s)G02(s)-圖3.1 Kb閉環(huán)整定系統(tǒng)框圖y

yyot t ta b c圖3.2 Kb值對補償過程的影響○2反饋運行狀態(tài)整定 Kb打開圖中的開關(guān) K，使系統(tǒng)處于反饋運行狀態(tài)。待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，記下干擾變送器的輸出電流 Id0和反饋控制器的輸出穩(wěn)定值 Ic0。然后，對干擾d施加一增加量△d,待反饋控制系統(tǒng)在△d作用下，衩控量重新回到設(shè)定值時，重新記一干擾量變送器的輸出 Id及反饋控制器的輸出 Ic，則前饋控制器的靜態(tài)放大系數(shù)Kb為：IcIc0KbId0Id3-11式子3-11的物理含義是十分明顯的。當(dāng)干擾量為△d時，由反饋控制器產(chǎn)生的校正作用改變了（Ic-Ic0），才能使被控量回到設(shè)定值，如果用前饋控制器來校正，那么Kb的值也必須滿足這一關(guān)系式。16西華大學(xué)課程設(shè)計說明書需指出，使用這種方法整定 Kb時，反饋控制器應(yīng)具有積分作用。否則，在干擾作用下，無法消除被控時量的靜差。同時，要求工況穩(wěn)定，盡量地減少其他干擾的影響。 T1，T2的整定前饋控制器動態(tài)參數(shù)的整定要比靜態(tài)參數(shù)的整定要復(fù)雜的多。至今還沒有總結(jié)出完整的工程方法，仍停留在經(jīng)驗工定性分析階段。這里僅優(yōu)做原則性的介紹。動態(tài)參數(shù)決定了動態(tài)補償程度。當(dāng) T1>T2時，前饋控制在動態(tài)補償過程中起超前作用；當(dāng)T1<T2時，起滯后作用；當(dāng) T1=T2時只有靜態(tài)前饋作用。因此，常將T1稱為超前時間，T2稱為滯后時間。根據(jù)校正作用在時間上是超前或滯后，便可以決定T1、T2的數(shù)值。當(dāng)T1過大（T2過?。r，由于過補償而使過渡過程曲線反向超調(diào)過高，因此從生產(chǎn)安全角度出發(fā)，前饋控制器的動態(tài)參數(shù)束定應(yīng)從欠補償開始，按照過渡過程曲線變化的趨勢， 逐次試湊逼近。也可以在初次試驗時，取T1/T2=2（超前）或T1/T2=0.5（滯后）的數(shù)值進行，施加干擾觀察補償過程。首先調(diào)整 T1或T2，使補償過程曲線達到上、下偏差面積相等，然后再調(diào)整T1與T2的比值，直到獲得平坦的補償過程曲線為止。 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方法）穩(wěn)定邊界法其要點是將調(diào)節(jié)器設(shè)置成純比例作用， 將系統(tǒng)投入自動運行并將比例帶由大到小改變，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩為止。 這時控制系統(tǒng)處于邊界穩(wěn)定狀態(tài)， 記下此狀態(tài)下的比例帶值，即臨界比例帶 K以及振蕩周期TK，然后根據(jù)經(jīng)驗公式計17西華大學(xué)課程設(shè)計說明書算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)。）衰減曲線法衰減曲線法是利用比例作用下產(chǎn)生的 4:1衰減振蕩(ψ=0.75)過程時的調(diào)節(jié)器比例帶δs及過程衰減周期Ts，或10:1衰減振蕩(ψ=0.9)過程時調(diào)節(jié)器比例帶δs及過程上升時間 Tr，據(jù)經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)。）響應(yīng)曲線法相應(yīng)曲線法是在系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)下， 作對象的階躍擾動試驗，根據(jù)記錄下的階躍響應(yīng)曲線求取一組特征參數(shù) 、 (無自平衡能力對象)或 、 、 (有自平衡能力對象)，再據(jù)經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)。）經(jīng)驗法通過長期實踐，人們總結(jié)了一套參數(shù)整定的經(jīng)驗，稱之為經(jīng)驗法。經(jīng)驗法可以說是根據(jù)經(jīng)驗進行參數(shù)試湊的方法， 它首先根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置一組調(diào)節(jié)器參數(shù)， 然后將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后作階躍擾動試驗， 觀察調(diào)節(jié)過程；如果過渡過程不令人滿意，則修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，再作階躍擾動試驗，觀察調(diào)節(jié)過程；反復(fù)上述試驗，直到調(diào)節(jié)過程滿意為止。 本次設(shè)計中調(diào)節(jié)器參數(shù)整定及結(jié)果本次設(shè)計中，在進行調(diào)節(jié)器參數(shù)整定時，選用了經(jīng)驗法。首先取Kp=1、Ki=0.001、Kd=0.01，再通過matlab 運行仿真，觀察輸出結(jié)果，再通過結(jié)果進行不斷分析，調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù)，再進行新的仿真和觀察，用湊試法反復(fù)進行調(diào)整，最終得到較好效果的調(diào)節(jié)器參數(shù)如下：Kp=0.0418西華大學(xué)課程設(shè)計說明書Ki=0.001Kd=0.054.MATLAB 系統(tǒng)仿真4.1MATLAB 的簡介MATLAB是一種面向科學(xué)與工程的高級語言，它集科學(xué)計算、自動控制、信號處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和圖象處理等學(xué)科的處理功能與一體，具有極高的編程效率。MATLAB是一個高度集成的系統(tǒng)， MATLAB提供的Simulink 是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，能夠在連續(xù)時間域、離散時間域或都兩者的混合時間域里進行建模， 它同樣支持具有多種采樣速率的系統(tǒng)。在過去幾年里， Simulink 已經(jīng)成為教學(xué)和工業(yè)應(yīng)用中對動態(tài)系19西華大學(xué)課程設(shè)計說明書統(tǒng)進行建模時使用有最為廣泛的軟件包。4.2Simulink 控制系統(tǒng)仿真如前所述，前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)仿真主要包括：系統(tǒng)辨識、控制系統(tǒng)整定和系統(tǒng)仿真等內(nèi)容。其中控制系統(tǒng)整所整定包括前饋系統(tǒng)整定和反饋控制系統(tǒng)整兩部分。本設(shè)計采用前饋、反饋分別整定法。由題意知對象干擾通道傳函數(shù)為：4-1傳遞函數(shù)為：4-2所以，靜態(tài)前饋控制器系數(shù)為：程序框圖如下所示，15(8s 1)(10s 1)-2.56PID(5s 1)(10s 1)圖4.1前饋—反饋控制系統(tǒng)方框圖20西華大學(xué)課程設(shè)計說明書如圖4.1所示，精餾塔的前饋—反饋系統(tǒng)方框圖，包括了前饋和反饋兩個通道，在MATLAB中分別仿真單回路和前饋—反饋兩種情況，然后做比較，得出結(jié)論。單回路系統(tǒng)在MATLAB中的仿真框圖和仿真結(jié)果分別如圖 4.2和4.3所示：圖4.2單回路系統(tǒng)框圖圖