第六章---提高控制品質(zhì)的控制系統(tǒng)

1、第六章 提高控制品質(zhì)的控制系統(tǒng),第一節(jié) 串級(jí)控制系統(tǒng),第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng),一、基本概念,影響爐出口溫度的因素很多，主要有：被加熱物料的流量和初溫f1(t)；燃燒壓力的波動(dòng)、流量的變化、燃料熱值的變化f2(t)；煙囪抽力變化f3(t)等等,TC,TT,TC,TT,被加熱物料,被加熱物料,燃料,燃料,(a),(b),圖6-1 加熱爐溫度控制系統(tǒng),1串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),為滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求，可以爐出口溫度為主被控?cái)?shù)，取爐膛溫度為中間輔助變量(它能較早地反映擾動(dòng)的影響，使調(diào)節(jié)器及時(shí)動(dòng)作，而不影響被控參數(shù)的穩(wěn)定值)。一種可能的結(jié)構(gòu)就是所謂串級(jí)控制系統(tǒng)，如圖62所示。,T2C,T2T,T1C,T1T,燃料,被

2、加熱物料,圖6-2 串級(jí)控制系統(tǒng),圖63中，兩只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來(lái)工作，爐出口溫度調(diào)節(jié)器T1的輸出作為爐膛溫度調(diào)節(jié)器T2的給定值，這樣的系統(tǒng)就稱(chēng)為串級(jí)控制系統(tǒng)，其方框圖由圖63所示。,X1(s),Z1(s),W1(s),W2(s),Wv(s),X2(s),W02(s),W01(s),Wm2(s),Wm1(s),Y1(s),F3(s),F2(s),F1(s),Y2(s),Z2(s),圖6-3 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖,W1(s)主調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)；W2(s)副調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) ； Wv(s)調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)；W01(s)主過(guò)程的傳遞函數(shù)； W02(s)副過(guò)程的傳遞函數(shù)；Wm2(s)副測(cè)量變送器的傳遞函數(shù)；

3、Wm1(s)主測(cè)量變送器的傳遞函數(shù),2串級(jí)控制系統(tǒng)名詞術(shù)語(yǔ),主被控參數(shù)y1：在串級(jí)控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的那個(gè)被控參數(shù)，如上例中的爐出口溫度。 副被控參數(shù)y2：在串級(jí)控制系統(tǒng)中為了穩(wěn)定主被控參數(shù)而引入的中間輔助變量，如上例中的爐膛溫度。 主被控過(guò)程：由主參數(shù)表征其特性的生產(chǎn)過(guò)程，主回路所包含的過(guò)程，是整個(gè)過(guò)程的一部分，圖63中用W01(s)表示，其輸入為副被控參數(shù)，輸出為主被控參數(shù)。圖中的管壁和被加熱物料為主被控過(guò)程。 副被控過(guò)程：由副被控參數(shù)(爐膛溫度)為輸出的生產(chǎn)過(guò)程，副回路所包含的過(guò)程是整個(gè)過(guò)程的另一部分，圖63中用W02(s)表示，其輸入為控制參數(shù)。,主調(diào)節(jié)器：按主參數(shù)的測(cè)量值與給定值的

4、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，圖63中用W(s)表示。 副調(diào)節(jié)器：按副參數(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，其輸出直接控制調(diào)節(jié)器動(dòng)作。圖64中用W2(s)表示。 副回路：由副調(diào)節(jié)器、副被控過(guò)程、副測(cè)量變送器(圖63中用Wm2(s)表示)等組成的閉合回路。 主回路：由主調(diào)節(jié)器W1(s)、副回路、主被控過(guò)程及主測(cè)量變送器(圖63中用Wm1(s)表示)等組成的閉合回路。 一次擾動(dòng)：作用在主被控過(guò)程上的、而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。如圖62中的被加熱物料流量及初溫變化，圖63中用F1(s)表示。 二次擾動(dòng)：作用在副被控過(guò)程上，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。如圖62中燃料

5、壓力、流量、熱值變化以及煙囪抽力變化等，圖63中用F2(s)、F3(s)表示。,3串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程,當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程處在穩(wěn)定工況時(shí)，被加熱物料的流量和溫度不變，燃料的流量與熱值不變，煙囪抽力也不變，爐出口溫度和爐膛溫度均處于相對(duì)平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥保持一定的開(kāi)度，此時(shí)爐出口溫度穩(wěn)定在給定值上。,當(dāng)擾動(dòng)破壞了平衡工況時(shí)，串級(jí)控制系統(tǒng)使開(kāi)始了其控制過(guò)程。須根據(jù)不同擾動(dòng)，分情況討論。 下面列舉了三種情況：,（1）二次擾動(dòng)來(lái)自燃料壓力，熱值F2(s)和煙囪抽力 F3(s)。 （2）一次擾動(dòng)來(lái)自被加熱物料的流量和初溫F1(s)。 （3）一次擾動(dòng)和二次擾動(dòng)同時(shí)存在：如果一、二次擾動(dòng) 的作用使主、副被控參數(shù)同時(shí)

6、增大或同時(shí)減小時(shí)，主、副 調(diào)節(jié)器對(duì)調(diào)節(jié)閥的控制方向是一致的。,結(jié)論：串級(jí)控制中副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)”的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細(xì)調(diào)”的作用，從而使控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。,二、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及其分析,1改善了過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量 與單回路控制系統(tǒng)相比，串級(jí)控制系統(tǒng)用一個(gè)閉合的副回路，代替了原來(lái)的一部分過(guò)程W02(s)，把副回路寫(xiě)成W02(s)，則串級(jí)控制系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為圖64所示的等效單回路系統(tǒng)W02(s)W01(s)為等效過(guò)程，由圖6 3可寫(xiě)出：,（6-1）,X1(s),W1(s),W02(s),W01(s),Wm1(s),Z1(s),X2(s),Y2(s),F1(s),圖6-4 串

7、級(jí)系統(tǒng)簡(jiǎn)化方框圖,設(shè),則,經(jīng)整理后可得,（6-2）,式中：,（6-3）,將W02(s)與W02(s)比較，可見(jiàn),（6-4）,2能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng),串級(jí)控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)多一個(gè)副回路。對(duì)于進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，串級(jí)控制系統(tǒng)比在相同條件下的單回路控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力。,圖65中，擾動(dòng)F2(s)作用于副回路，在擾動(dòng)F2(s)作用下，副回路的傳遞函數(shù),（6-5）,X1(s),Z1(s),W1(s),W2(s),Wv(s),W02(s),W01(s),Wm1(s),Wm2(s),X2(s),F2(s),Y2(s),Y1(s),圖6-5 串級(jí)控制系統(tǒng)方案,為了便于分析問(wèn)題，將圖65等

8、效為圖66的形式。,X1(s),Z1(s),W1(s),W2(s),F2(s),Wm1(s),W01(s),Y1(s),圖6-6 串級(jí)控制系統(tǒng)等效方框圖,在給定信號(hào)X1(s)作用下的傳遞函數(shù),（6-6）,在擾動(dòng)作用下的傳遞函數(shù),（6-7）,對(duì)于圖6-5所示的串級(jí)控制系統(tǒng)，其抗擾動(dòng)的能力可用下式表示：,（6-8）,若串級(jí)控制系統(tǒng)中的主、副調(diào)節(jié)器均采用純比例作用，其比例放大系數(shù)分別為K1、K2則式(68)可以寫(xiě)成,（6-9）,串級(jí)控制系統(tǒng)中主、副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)的乘積越大，則串級(jí)控制系統(tǒng)抗擾動(dòng)的能力就越強(qiáng)，因此主參數(shù)的控制質(zhì)量就越高。,下面用同樣方法來(lái)分折在相同條件下單回路控制系統(tǒng)約抗擾動(dòng)能力。

9、圖67所示為相同條件下的單回路控制系統(tǒng)方框。 在給定信號(hào)x(t)作用下的傳送函數(shù)為,（6-10）,X(s),Z(s),Wv(s),W02(s),W01(s),Wm(s),F2(s),Y(s),圖6-7 單回路控制系統(tǒng)方框圖,在擾動(dòng)f2(t)作用下的傳遞函數(shù)為,（6-11）,單回路控制系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力為,（6-12）,設(shè)單回路控制系統(tǒng)采用比例調(diào)節(jié)器，其比例放大系數(shù)為K，則式（6-12）可寫(xiě)成為,（6-13）,同理，單回路控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)越大，則系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力越強(qiáng)，質(zhì)量控制質(zhì)量越高。 比較式(69)與式(613)，在一般情況下，有,（6-14）,3提高了系統(tǒng)的工作頻率,串級(jí)控制系統(tǒng)的特

10、征方程為,（6-15）,假設(shè),副回路的傳遞函數(shù)同前，將以上各傳遞函數(shù)代入式(6-15)可得,經(jīng)整理后為,（6-16）,令,（6-17）,則串級(jí)控制系統(tǒng)的特征方程式可寫(xiě)成如下的標(biāo)準(zhǔn)形式,（6-18）,式中：串級(jí)控制系統(tǒng)的衰減系數(shù)； 串級(jí)控制系統(tǒng)的自然頻率。,式(618)的根為,（6-19）,從反饋的控制理論可知，串級(jí)控制系統(tǒng)特征方程式根的虛部，即為串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率,（6-20）,單回路控制系統(tǒng)在相同條件下的工作頻率可用同樣的方法求得，有式(6-10)可得單回路控制系統(tǒng)的特征方程式為 1 +W(s)WV(s)W02(s)W01(s)Wm(s) = 0,（6-21）,將系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)代入

11、上式，即得,經(jīng)整理后，可得,（6-22）,令,（6-23）,則單回路控制系統(tǒng)的特征方程式可寫(xiě)成如下標(biāo)準(zhǔn)形式： s2 + 20s +02 = 0,（6-24）,式中：?jiǎn)位芈房刂葡到y(tǒng)的衰減系數(shù)； 0單回路控制系統(tǒng)的工作頻率。,同理可得該系統(tǒng)的工作頻率為,（6-25）,如果串級(jí)控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)衰減系數(shù)相同，即=，則,（6-26）,若以串/單為縱坐標(biāo)，(1+K2KVK02Km)為橫坐標(biāo)作圖，由圖68可知，當(dāng)主、副過(guò)程的特性一定，即T01/T02比值一定時(shí)，副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)K2越大，串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率就越高；當(dāng)副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)K2一定時(shí)，隨著T01/T02比值的增大，串級(jí)控制系統(tǒng)

12、的工作頻率也隨之增大。串級(jí)控制系統(tǒng)工作頻率的提高，可以使振蕩周期縮短，從而改善了系統(tǒng)的控制質(zhì)量。 串級(jí)控制系統(tǒng)擾動(dòng)作用于主回路時(shí)，系統(tǒng)的工作頻率仍然可以堤高。,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,2,3,4,5,6,7,8,9,10,5,2,1.0,0.5,0.2,圖6-8 工作頻率比較圖,1+K2KvK02Km,T01/T02=10,4對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng),串級(jí)控制系統(tǒng)，就其主回路來(lái)看是一個(gè)定值系統(tǒng)，副回路則為一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。主調(diào)節(jié)器能按照負(fù)荷和操作條件的變化不斷改變副調(diào)節(jié)器的給定值，使副調(diào)節(jié)器的給定值適應(yīng)負(fù)荷和操作條件的變化，即具有一定的自適應(yīng)能力。,串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路可以看作一個(gè)

13、等效過(guò)程的一部分，其等效放大系數(shù)為,(6-28),當(dāng)負(fù)荷和操作條件變化時(shí)，將會(huì)引起過(guò)程特性K02的變化。但是，在一般情況下， K2KVK02Km21，因此從上式來(lái)看，K02的變化對(duì)于等效過(guò)程放大系數(shù)K02的影響是很小的。,第一節(jié) 串級(jí)控制系統(tǒng),三、串級(jí)控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用及示例,與單回路控制系統(tǒng)相比，串級(jí)控制系統(tǒng)有許多特點(diǎn)，但所用的儀表也多，整定參數(shù)也比較麻煩，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的主導(dǎo)思想：如果用單回路控制系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足要求，就不要用串級(jí)控制等復(fù)雜控制系統(tǒng)。另外，串級(jí)控制系統(tǒng)在有的場(chǎng)合應(yīng)用效果顯著，而另外一些場(chǎng)合效果不一定理想。,下面列舉應(yīng)用串級(jí)控制系統(tǒng)的一些場(chǎng)合。,1應(yīng)用于容量滯后較大的過(guò)程,當(dāng)過(guò)程

14、的容量滯后較大時(shí)，若采用單回路控制，則系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)、超調(diào)量大，控制質(zhì)量往往不能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，若采用串級(jí)控制系統(tǒng)，則根據(jù)對(duì)其特點(diǎn)的分析表明，可以選擇一個(gè)時(shí)延較小的副參數(shù)，構(gòu)成一個(gè)副回路，使等效過(guò)程的時(shí)間常數(shù)減小，以提高系統(tǒng)的工作頻率，加快反應(yīng)速度，得到較好的控制質(zhì)量。,一個(gè)夾套式聚合釜，氯乙稀在釜中進(jìn)行聚合反應(yīng)，生產(chǎn)聚氯乙稀并放出熱量。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，要求反應(yīng)溫度控制510.3，為此采用調(diào)節(jié)夾套中流動(dòng)的冷卻水量來(lái)控制反應(yīng)溫度。,例,T2T,T2C,T1T,T1C,氯乙烯,水,冷卻水,出料,圖6-9 聚合釜溫度與 夾套溫度串級(jí)控制,為了改善過(guò)程特性，提高系統(tǒng)的工作頻率，選擇夾套溫度為副參

15、數(shù)，構(gòu)成以溫度為主參數(shù)，夾套水為副參數(shù)的串級(jí)控制系統(tǒng)。,T2C,T2T,T1C,T1T,紙漿,水,蒸汽,混合器,立篩,圓篩,銅網(wǎng),網(wǎng)前箱,圖6-10 網(wǎng)前箱溫度串級(jí)控制,紙漿用泵從貯槽送至混合器，在混合器內(nèi)用蒸汽加熱至72左右，經(jīng)過(guò)立篩、圓篩除去雜質(zhì)后到網(wǎng)前箱，再經(jīng)銅網(wǎng)脫水。工藝要求網(wǎng)前箱溫度保持在61左右，允許偏差不得超1。,2應(yīng)用于純時(shí)延較大的過(guò)程,例,用單回路控制系統(tǒng)，由于從混合器到網(wǎng)前箱純時(shí)延達(dá)90s。為了克服這個(gè)90s的純時(shí)延，選擇混合器出口溫度為副參數(shù)，網(wǎng)前箱出口溫度為主參數(shù)，構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)，由副回路實(shí)現(xiàn)對(duì)主擾動(dòng)的控制。這時(shí)，當(dāng)紙漿流量波動(dòng)35kg/min時(shí)，最大偏差沒(méi)有超過(guò)1，

16、過(guò)渡過(guò)程時(shí)間為200s，完全滿(mǎn)足工藝要求。,例,化纖廠(chǎng)紡絲膠液壓力控制，它的工藝流程簡(jiǎn)圖如圖611所示。,由于膠液粘度較大，從計(jì)量泵至過(guò)濾器前的距離很長(zhǎng)，純時(shí)延時(shí)間按長(zhǎng)，單回路控制系統(tǒng)不能滿(mǎn)足工藝要求。為了提高控制質(zhì)量，可以在計(jì)量泵與換熱器之間靠近計(jì)量泵出口的某個(gè)地方，選擇一個(gè)測(cè)壓點(diǎn)作為副參數(shù)，構(gòu)成一個(gè)壓力與壓力的串級(jí)控制系統(tǒng)。如圖611所示。從而穩(wěn)定了過(guò)濾前的膠液壓力，以滿(mǎn)足工業(yè)要求。,P2C,P2T,P1C,P1T,計(jì)量泵,膠液,水,冷卻器,冷卻水,過(guò)濾,圖6-11 紡絲膠液壓力與壓力串級(jí)控制,例,冶金生產(chǎn)過(guò)程中沸騰焙燒爐的爐溫控制也常用串級(jí)控制系統(tǒng)。圖612是現(xiàn)場(chǎng)使用的鋅精礦沸騰焙燒過(guò)程

17、。要求排料口溫度保持在一定范圍。 改變加料量來(lái)控制焙燒溫度。,GT,TC,TT,GC,圓盤(pán)給料機(jī),電動(dòng)執(zhí)行器,皮帶,電子秤 傳感器,沸騰爐,排料口,圖6-12 沸騰爐溫度串級(jí)控制,3應(yīng)用于擾動(dòng)變化激烈而且幅度大的過(guò)程,串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路對(duì)于進(jìn)入其中的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的校正能力。 將變化激烈而且幅度大的擾動(dòng)包括在副回路中。,例,某廠(chǎng)精餾塔塔釜溫度控制。當(dāng)采用單回路控制系統(tǒng)時(shí)，調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)為1.3，最大偏差為10，不能滿(mǎn)足工藝要求。 當(dāng)采用圖613所示的串級(jí)控制系統(tǒng)時(shí)，副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)為5。因?yàn)楦被芈返淖饔?，?duì)于40%的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的克服能力，最大偏差沒(méi)有超過(guò)1.5，滿(mǎn)足了工藝要求。,

18、TT,TC,FC,FT,精餾塔,進(jìn)料,塔釜產(chǎn)品,再沸器,給定,蒸汽,圖6-13 溫度與流量串級(jí)控制,4應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過(guò)程,在有些生產(chǎn)過(guò)程中，有時(shí)兩個(gè)互相關(guān)聯(lián)的參數(shù)需要利用同一介質(zhì)進(jìn)行控制。對(duì)于這樣的過(guò)程可以采用串級(jí)控制系統(tǒng)。分清互相關(guān)聯(lián)參數(shù)的主次，組成串級(jí)控制，以滿(mǎn)足工藝上的要求。,例,煉油廠(chǎng)常壓塔塔頂出口溫度和一線(xiàn)溫度的控制 ，兩者均通過(guò) 塔頂?shù)幕亓髁块_(kāi)控制。,若采用單回路控制系統(tǒng)，則不能滿(mǎn)足工藝要求。為此，可采用串級(jí)控制系統(tǒng)。如圖615所示。實(shí)踐證明，采用串級(jí)控制系統(tǒng)，塔頂溫度最大偏差不超過(guò)1，一線(xiàn)溫度最大偏差為1.3，滿(mǎn)足了生產(chǎn)要求。,T2T,T2C,T1C,常壓塔,塔頂產(chǎn)品,“氣

19、關(guān)”,回流,抽提塔,T1T,圖6-15 一線(xiàn)溫度與塔頂溫度串級(jí)控制,5應(yīng)用于非線(xiàn)性過(guò)程,在過(guò)程控制中，過(guò)程特性一般都是非線(xiàn)性的。如果采用串級(jí)控制系統(tǒng)，它能適應(yīng)負(fù)荷和操作條件的變化，自動(dòng)調(diào)整副調(diào)節(jié)器的給定值，從而改變調(diào)節(jié)閥的位置，使系統(tǒng)運(yùn)行在新的工作點(diǎn)。當(dāng)然，這樣會(huì)使副回路的衰減率有所變化，但是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響是很小的。,例,醋酸裝置的乙炔合成反應(yīng)器，其中部溫度是生產(chǎn)過(guò)程中的重要參數(shù)，為了保證合成氣質(zhì)量，工藝要求對(duì)它進(jìn)行嚴(yán)格控制。如圖6-16所示。 實(shí)踐證明，系統(tǒng)的衰減率基本保持不變，主參數(shù)保持平穩(wěn)，達(dá)到生產(chǎn)工藝要求。,副參數(shù),副調(diào)節(jié)器輸出,T1C,T2T,反應(yīng)氣體,合成反應(yīng)器,T1T,T

20、2C,換熱器,醋酸和乙 炔混合氣,圖6-16 合成反應(yīng)器溫度串級(jí)分程控制系統(tǒng),四、串級(jí)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì),1主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計(jì),串級(jí)控制系統(tǒng)由主回路和副回路組成。主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)。對(duì)于主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計(jì)，基本上可以按照單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。凡直接或間接與生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)行性能密切相關(guān)并可直接測(cè)量的工藝參數(shù)，均可選作主參數(shù)。,2副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計(jì),(1)副參數(shù)的選擇：副參數(shù)的選擇應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)小，時(shí)延小，控制通道短，這樣可使等效過(guò)程的時(shí)間常數(shù)大大減小，從而加快系統(tǒng)的工作頻率，提高響應(yīng)速度，縮短過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，改善系統(tǒng)的控制品質(zhì)。 (2)副回路必須包括生產(chǎn)過(guò)程中

21、變化劇烈、頻繁而且幅度大的主要擾動(dòng)，并盡可能多地包括一些擾動(dòng)。副回路的范圍大小，取決于整個(gè)過(guò)程的特性及各種擾動(dòng)影響的情況，一般應(yīng)使回路的頻率比主回路高得多。,(3)應(yīng)使主、副過(guò)程的時(shí)間常數(shù)適當(dāng)匹配,在前面分析串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率，即：,用同樣方法可得單回路控制系統(tǒng)的工作頻率為,如通過(guò)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定使串級(jí)控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)具有相同的衰減系數(shù)，即 ，則串級(jí)系統(tǒng)與單回路系統(tǒng)之間的工作頻率關(guān)系為,(6-29),根據(jù)上式，可作出串/單與T01/T02的關(guān)系曲線(xiàn)如圖6-17所示。,0,2,4,6,8,10,2,4,6,8,10,圖6-17 關(guān)系曲線(xiàn),副過(guò)程的時(shí)間常數(shù)比主過(guò)程小很多時(shí)，副回路反應(yīng)靈敏

22、，控制作用快，但此時(shí)副回路包含的擾動(dòng)少，對(duì)于過(guò)程特性的改善也少；相反，副過(guò)程的時(shí)間常數(shù)大于或接近于主過(guò)程的時(shí)間常數(shù)時(shí)，副回路對(duì)于改善過(guò)程特性的效果顯著，但是，副回路的反應(yīng)遲鈍，不能及時(shí)有效地克服擾動(dòng)，并將影響主參數(shù)。主副過(guò)程時(shí)間常數(shù)之比應(yīng)在3到10范圍內(nèi)。,(4)副回路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮生產(chǎn)工藝的合理性,設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)應(yīng)考慮和滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求，所設(shè)置的系統(tǒng)是否會(huì)影響到工藝系統(tǒng)的正常運(yùn)行。,(5)副回路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性原則,3串級(jí)控制系統(tǒng)控制參數(shù)的選擇,對(duì)控制參數(shù)的選擇，大致與單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則相同。一般可考慮： (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

23、道有足夠大的放大系數(shù)，并應(yīng)保證大于主要擾動(dòng)通道的放大系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)主要擾功進(jìn)行有效控制并提高控制質(zhì)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(shí)間常數(shù)適當(dāng)小一些。 (4)選擇控制參數(shù)應(yīng)同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性與工藝上的合理性。,4串級(jí)控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇,主參數(shù)是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動(dòng)的范圍很小，一般要求無(wú)余差，因此，主調(diào)節(jié)器應(yīng)選PI或PID控制規(guī)律。 副參數(shù)的設(shè)置是為了保證主參數(shù)的控制質(zhì)量，可以允許在一定范圍內(nèi)變化，允許有余差，因此副調(diào)節(jié)器只要選P控制規(guī)律就所以了。,首先根據(jù)工藝生產(chǎn)安全等原則選擇調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式；然后根據(jù)生產(chǎn)工藝條件和調(diào)節(jié)閥形式確定副調(diào)節(jié)器的正、

24、反作用方式；最后再根據(jù)主、副參數(shù)的關(guān)系，決定主調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。 主通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必須為正值。例P196圖62,5、串級(jí)控制系統(tǒng)主，副調(diào)節(jié)器正，反作用方式的確定,五、串級(jí)控制系統(tǒng)的整定,在整定串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)時(shí)，首先必須明確主、副回路的作用，以及主、副參數(shù)的控制要求，然后通過(guò)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定，才能使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。 整定單回路系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)時(shí)，是根據(jù)系統(tǒng)特征方程中過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性W0(s)來(lái)確定調(diào)節(jié)器的比例度、積分時(shí)間T1和微分時(shí)間TD數(shù)值的。,X1(s),Z1(s),W1(s),X2(s),W2(s),W02(s),W01(s),Wm2(s),Wm1(s),Z2(s)

25、,Y1(s),Y2(s),圖6-18 串級(jí)控制系統(tǒng),圖618所示，串級(jí)控制系統(tǒng)的特征方程式為,（6-30）,整定時(shí)，可將串級(jí)系統(tǒng)化為等效的單回路系統(tǒng)，把式(6-30)看作單回路系統(tǒng)的特征方程式。在整定主調(diào)節(jié)器W1(s)時(shí)，上式可表示為,（6-31）,式中,式(6-31)可看成是由主調(diào)節(jié)器W1(s)與等效過(guò)程W01(s)所組成的單回路控制系統(tǒng)。所以，W1(s)的比例度、積分時(shí)間T1和微分時(shí)間TD的數(shù)值，可以根據(jù)等效過(guò)程特性W01(s)，按單回路控制系統(tǒng)的整定方法來(lái)確定。不過(guò)，在等效過(guò)程W01(s)中，包括副調(diào)節(jié)器W2(s)。 同理，在整定副調(diào)節(jié)器W2(s)時(shí)，圖6-18所示系統(tǒng)的特征方程式為,（

26、6-32）,或,（6-33）,式中,在工程實(shí)踐中，串級(jí)控制系統(tǒng)常用的整定方法有： （1） 逐步逼近法 （2） 兩步整定法 （3） 一步整定法,下面詳細(xì)介紹一步整定法,一步整定法,所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定副調(diào)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(diào)節(jié)器的參數(shù)。 一步整定法的理論根據(jù)是：串級(jí)控制系統(tǒng)可以等價(jià)為單回路反饋控制系統(tǒng)，其等效調(diào)節(jié)器總的放大系數(shù)KC為主調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K1與副回路等效放大系數(shù)K02的乘積，即,（6-34）,對(duì)于主、副調(diào)節(jié)器均為純比例作用時(shí)的串級(jí)控制系統(tǒng)，只要滿(mǎn)足下式即可：,（6-35）,式中： Ks產(chǎn)生4：1衰減過(guò)程時(shí)的比例放大系數(shù)。,這就是說(shuō)，串級(jí)控

27、制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)，在一定范圍可以任意匹配，只要主調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K1與副回路的放大系數(shù)K02的乘積滿(mǎn)足式(6-35)，系統(tǒng)就能產(chǎn)生4：1的衰減振蕩過(guò)程，即K1的減小可以由增大K02來(lái)補(bǔ)償。,K02與K2的關(guān)系可以由圖6-18串級(jí)控制系統(tǒng)框圖得出。出圖中可見(jiàn),（6-36）,設(shè),則式(6-36)可寫(xiě)成,若 Km2=1，則,（6-37）,這就是副回路等效放大系數(shù)K02與副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K2之間的關(guān)系式。,把K02作為變參量，根據(jù)式(6-37)，可畫(huà)出如圖6-19所示曲線(xiàn)。,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,2,4,6,K02=0.1,0.2,0.5,1,5,K2,K02,圖6-1

28、9 K2與K02之關(guān)系圖,在0K2K020.5范圍內(nèi)，K2與K02成線(xiàn)性關(guān)系，即,K02 = kK2,（6-39）,k值隨K02值的大小而異。而K2由關(guān)系式0K2K020.5決定，K02愈小，則K2愈大，反之亦然。所以，K02確定后，k值也就決定了，K2的范圍也就定了。將式(6-38)代入式(6-35)，可得 Ks =K1kK2 (6-39) 或 Ks = K1K2 =Ks/k (6-40),式中：Ks產(chǎn)生4：1衰減振蕩時(shí)K1與K2的乘積。,整定步驟：,(1)在生產(chǎn)穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，由副過(guò)程K02確定副調(diào)節(jié)器的比例度，并將其設(shè)置在副調(diào)節(jié)器上。 (2)按照單回路控制系統(tǒng)的整定方法，

29、整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。 (3)觀察控制過(guò)程，根據(jù)K1與K2互相匹配的原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù)，使主參數(shù)品質(zhì)指標(biāo)最佳。 (4)在調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定過(guò)程中，若出現(xiàn)“共振”，只要加大主、副調(diào)節(jié)器中任何一個(gè)調(diào)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(chǎn)穩(wěn)定后，將調(diào)節(jié)器參數(shù)置于比產(chǎn)生“共振”時(shí)略大的數(shù)值上，重新整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。,例,某工廠(chǎng)在石油裂解氣冷卻系統(tǒng)中，通過(guò)液態(tài)丙烯的氣化來(lái)吸收熱量，以保持裂解氣出口溫度的穩(wěn)定。為此，設(shè)計(jì)了如圖6-20所示的一套裂解出口溫度與丙烯的氣化壓力串級(jí)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在采用一步整定法，其整定步驟如下：,PC,PT,TC,TT,液丙稀,裂解氣,圖6-20 溫

30、度與壓力串級(jí)系統(tǒng),在本系統(tǒng)中，副參數(shù)為壓力，該參數(shù)反應(yīng)快，滯后小，比例度可以選得小一些。根據(jù)本例的具體情況，選取副調(diào)節(jié)器的比例度為40%。 將副調(diào)節(jié)器的比例度2置于40%的刻度上，按4：1衰減曲線(xiàn)法整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)，得到1s=30%，TI1s3min。 按4：1衰減曲線(xiàn)法的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算主調(diào)節(jié)器參數(shù)，即：,副調(diào)節(jié)器的比例度2=40%。 按照“先比例后積分再微分”的程序，將主調(diào)節(jié)器的參數(shù)置于計(jì)算求得的數(shù)值上，使系統(tǒng)投入運(yùn)行。實(shí)踐證明，系統(tǒng)主參數(shù)穩(wěn)定，完全滿(mǎn)足工程要求。,第六章 提高控制品質(zhì)的控制系統(tǒng),第二節(jié) 前饋控制系統(tǒng),第二節(jié) 前饋控制系統(tǒng),一、基本概念,特點(diǎn)是在被控參數(shù)出現(xiàn)偏差后，調(diào)節(jié)器發(fā)出控

31、制命令，以補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響，最后消除(或基本消除)偏差。所以，反饋控制總是滯后于擾動(dòng)，是一種不及時(shí)的控制，會(huì)造成調(diào)節(jié)過(guò)程的動(dòng)態(tài)偏差，有時(shí)，其控制質(zhì)量較差。,1、反饋控制系統(tǒng),2、前饋控制系統(tǒng),直接根據(jù)造成被控參數(shù)偏差的原因進(jìn)行的控制，稱(chēng)為前饋控制或擾動(dòng)補(bǔ)償。,現(xiàn)以圖6-21所示換熱器出口溫度控制為例，進(jìn)一步說(shuō)明反饋控制和前饋控制。,TC,TT,蒸汽,冷物料,冷凝水,熱物料,換熱器,W(s),X(s),WV(s),W0(s),Wm(s),F(s),Y(s),(a),(b),圖6-21 換熱器溫度反饋控制及其方框圖,采用反饋控制的方式，會(huì)使溫度t產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)誤差。,采用前饋控制,FT,F

32、C,Wf(s),WFF(s),W0(s),冷物料,換熱器,蒸汽,F(s),Y(s),(a),(b),圖6-22 換熱器前饋控制及其方框圖,這是一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為,（6-41）,式中：Wf(s)過(guò)程擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)； W0(s)過(guò)程控制通道的傳遞函數(shù)； WFF(s)前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。,若適當(dāng)選擇前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)WFF(s)，可以做到擾動(dòng)F(s)對(duì)被控參數(shù)Y(s)不產(chǎn)生影響，即實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償。由式(6-41)可寫(xiě)出實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)臈l件為,當(dāng)Q(s)0時(shí)，T(s) =0，即,或,（6-42）,這就是前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。由上式可知，WFF(s)決定于過(guò)程擾動(dòng)通道的特性W1(s)和過(guò)

33、程控制通道的特性W0(s)，式中負(fù)號(hào)表示控制作用與擾動(dòng)作用方向相反。,f(t),0,t,y(t),0,t,擾動(dòng)作用,控制作用,圖6-23 前饋補(bǔ)償作用原理,當(dāng)前饋調(diào)節(jié)器滿(mǎn)足上式關(guān)系時(shí)，則在圖6-22所示系統(tǒng)中，對(duì)于擾動(dòng)f(t)的任何變化，被控參數(shù)y(t)都不會(huì)改變。圖6-23為完全補(bǔ)償過(guò)程示意圖,3前饋控制的特點(diǎn),特點(diǎn),(1)前饋控制是一種開(kāi)環(huán)控制。,(2)前饋控制是一種按擾動(dòng)大小進(jìn)行的控制。,(3)前饋調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律是由過(guò)程特性決定的 。,(4)前饋控制只能抑制可測(cè)而不可控的擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響。,二、前饋控制系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式,指前饋調(diào)節(jié)器的輸出量?jī)H僅是其輸入量的函數(shù)，與時(shí)間因子無(wú)關(guān)。

34、靜態(tài)前饋控制簡(jiǎn)單，一般不需專(zhuān)用前饋調(diào)節(jié)器，而用DDZ儀表(如比例調(diào)節(jié)器或比值器)就能滿(mǎn)足使用要求。,例,圖6-22所示的換熱器前饋控制，若冷物料流量為主要擾動(dòng)時(shí)，要實(shí)現(xiàn)靜態(tài)前饋控制，可按穩(wěn)態(tài)時(shí)能量(熱量)平衡關(guān)系寫(xiě)出其平衡方程，即,（6-43）,式中： Q0加熱蒸汽量； H0蒸汽汽化潛熱； Qf冷物料流量； Cp冷物料的比熱； T1、T2分別為冷物料溫度、熱物料溫度。,1靜態(tài)前饋控制系統(tǒng),由式(6-43)可得靜態(tài)前饋控制算式,或,（6-44）,如果冷物料溫度T1不變，由式(6-44)可求得控制通道的靜態(tài)放大系數(shù),擾動(dòng)通道的靜態(tài)放大系數(shù),所以,（6-45）,根據(jù)式(6-45)可畫(huà)出圖6-24所示

35、的換熱器靜態(tài)前饋控制流程圖。,FT,T1T,T2T,FC,FT,冷物料,熱物料,冷凝水,換熱器,蒸汽,圖6-24 換熱器靜態(tài)前饋控制系統(tǒng),2動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng),動(dòng)態(tài)前饋控制必須根據(jù)過(guò)程擾動(dòng)通道和控制通道的動(dòng)態(tài)特性，采用專(zhuān)用前饋調(diào)節(jié)器。 通常動(dòng)態(tài)前饋控制與靜態(tài)前饋控制是結(jié)合在一道使用的，可更好提高其控制品質(zhì)。例如在圖624所示的靜態(tài)前饋控制的基礎(chǔ)上，對(duì)冷物料流量進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。圖6-25所示為其動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)。,WFF(s),T,Qf,T,T2,T1,Qf,DF,SF,K,蒸汽流量 給定值,圖6-25 換熱器動(dòng)態(tài)前饋控制方案,圖中K為靜態(tài)前饋SF和動(dòng)態(tài)前饋DF的切換開(kāi)關(guān)。WFF(s)為動(dòng)態(tài)前饋調(diào)節(jié)

36、器的傳遞函數(shù)。,3前饋反饋控制系統(tǒng),在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中采用前饋反饋控制系統(tǒng)。這樣，利用反饋控制使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)能準(zhǔn)確地使被控量等于給定值；而在動(dòng)態(tài)時(shí)，則依靠前饋控制能有效地減少被控量的動(dòng)態(tài)偏差，從而提高控制質(zhì)量。在過(guò)程控制個(gè)這是一種較理想的控制方案。,圖6-26所示為換熱器前饋反饋控制系統(tǒng)，由圖可見(jiàn)，當(dāng)冷物料(生產(chǎn)負(fù)荷)發(fā)生變化，前饋調(diào)節(jié)器及時(shí)發(fā)出控制命令，補(bǔ)償冷物料量變化對(duì)換熱器出口溫度的影響。同時(shí)對(duì)于未引入前饋的冷物料的溫度、蒸汽壓力等擾動(dòng)對(duì)出口溫度的影響，則由PID反饋調(diào)節(jié)器來(lái)克服。前饋?zhàn)饔眉臃答佔(zhàn)饔茫沟脫Q熱器的出口溫度較快地穩(wěn)定在給定值上，獲得較理想的控制效果。,FT,FC,TC,TT,

37、冷凝水,蒸汽,被加熱物料,W(s),W0(s),Wf(s),WFF(s),X(s),Y(s),F(s),(a),(b),圖6-26 換熱器前饋反饋控制系統(tǒng),輸入X(s)、F(s)對(duì)輸出Y(s)的影響為,（6-46）,如果要實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)F(s)的完全補(bǔ)償，則上式的第二項(xiàng)應(yīng)等于零，即,或,可見(jiàn)，前饋反饋控制系統(tǒng)對(duì)于擾動(dòng)F(s)實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)臈l件與開(kāi)環(huán)前饋控制相同。這樣，對(duì)被控參數(shù)影響最顯著的主要擾動(dòng)由前饋進(jìn)行補(bǔ)償，而其余次要的擾動(dòng)可依靠反饋來(lái)克服，從而保證了被控參數(shù)最終等于給定值的要求。,前饋串級(jí)控制系統(tǒng),為了進(jìn)一步提高前饋控制的精度，對(duì)于圖6-26所示的前饋反饋控制系統(tǒng)需增加一個(gè)蒸汽流量回路。這樣

38、，用前饋調(diào)節(jié)器的輸出去改變流量回路的給定值，從而構(gòu)成了的饋串級(jí)控制系統(tǒng)，其方框圖見(jiàn)圖6-27所示。,W1(s),W2(s),W02(s),W01(s),WFF(s),Wf(s),X(s),Y(s),圖6-27 前饋串級(jí)控制系統(tǒng),由圖6-27可以導(dǎo)出前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù),（6-47）,在串級(jí)控制系統(tǒng)中，如果副回路的工作頻率高于主回路的工作頻率，則可以認(rèn)為副回路的傳遞函數(shù),所以式(6-47)可寫(xiě)成,（6-48）,三、前饋控制規(guī)律及其實(shí)施方案,根據(jù)不變性原理求得了式(6-42)所示的前饋調(diào)節(jié)器，由該式可見(jiàn)，它由過(guò)程的擾動(dòng)通道和控制通道特性確定。實(shí)踐證明，對(duì)于大多數(shù)化工過(guò)程和熱工過(guò)程，共特性可用一階或

39、二階加純時(shí)延來(lái)近似描述。若過(guò)程控制通道的特性為,過(guò)程擾動(dòng)通道的特性為,則前饋調(diào)節(jié)器為,(6-49),式中,當(dāng),時(shí)，上式可寫(xiě)成,（6-50）,當(dāng),T1 = T2時(shí)，則又可有,WFF(s) = -KF,（6-51）,由此可見(jiàn)，常用前饋調(diào)節(jié)器的模型有：,1利用常規(guī)儀表實(shí)施,(1)KF型前饋調(diào)節(jié)器：WFF(s)-KF,這種前饋模型具有比例特性。KF的大小，根據(jù)過(guò)程控制通道和擾動(dòng)通道的靜態(tài)放大系數(shù)來(lái)決定。,(2)KF(T1s+1)/(T2s+1)型前饋調(diào)節(jié)器：,這是一種動(dòng)態(tài)前饋模型。當(dāng)T1T2時(shí)，其傳遞函數(shù)表現(xiàn)為微分特性；當(dāng)T1T2時(shí)，其傳遞函數(shù)表現(xiàn)為的時(shí)延特性，也稱(chēng)為反微分特性(如圖6-28所示)。

40、有時(shí)間因子，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，裝置復(fù)雜。,x(t),0,t,X0(t),T1T2,T1T2,Kpx0,t,y(t),圖6-28 微分時(shí)延特性曲線(xiàn),(3) KF(T1s+1)/(T2s+1)e-rs型前饋調(diào)節(jié)器：,這也是一種動(dòng)態(tài)前饋模型。這種前饋模型的特性，實(shí)際上是比例特性、動(dòng)態(tài)微分特性與純時(shí)延特性的串聯(lián)，其響應(yīng)曲線(xiàn)如圖6-30所示,x(t),0,x0(t),t,y(t),KRX0,t,0,T1T2,T1T2,圖6-30 比例微分時(shí)延特性曲線(xiàn),下面來(lái)討論純時(shí)延項(xiàng)e-rs的實(shí)施方案。e-rs可用下述近似公式來(lái)表示：,由于工業(yè)過(guò)程具有低通濾波性質(zhì)，可以略去高次項(xiàng)，取一階來(lái)近似，所以取,令,，則,x(

41、s),Y(s),圖6-31 比例微分時(shí)延特性實(shí)施框圖,圖6-31為“KF(T1s+1)/(T2s+1) e-rs”前饋模型實(shí)施方框圖。圖中虛線(xiàn)框的部分即用來(lái)實(shí)現(xiàn)“e-rs”型特性的。,2利用數(shù)學(xué)儀表或計(jì)算機(jī)實(shí)施 了解,將式(649)進(jìn)行離散化即可得適用于計(jì)算機(jī)控制的離散控制算式。這種前饋控制算式在有些生產(chǎn)過(guò)程(如化工)自動(dòng)化中應(yīng)用較廣。 設(shè)F(t)與uf(t)分別為前饋調(diào)節(jié)器的輸入和輸出，則將式(6-49)用微分方程表示為,（6-52）,當(dāng)采樣周期Ts足夠短時(shí)，對(duì)微分方程的導(dǎo)數(shù)項(xiàng)用如下近似差分來(lái)代替，即,（6-53）,（6-54）,將式(6-53)、(6-54)代入式(6-52)，即得,經(jīng)整理

42、可得前饋控制差分算式為,（6-55）,式中：,建立離散前饋控制算式除上述方法外，還可根據(jù)被控參數(shù)的不變性原則由過(guò)程擾動(dòng)通道和控制通道的離散算式，綜合求得。,四、前饋控制系統(tǒng)的選用原則及系統(tǒng)設(shè)計(jì),1選用原則,(1)當(dāng)系統(tǒng)中存在著頻率高、幅值大、可測(cè)而不可控的擾動(dòng)時(shí)，反饋控制難以克服擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的顯著影響，而工藝生產(chǎn)對(duì)被控參數(shù)的要求又十分嚴(yán)格，為了改善和提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，可以引入前饋控制。 (2)當(dāng)控制系統(tǒng)控制通道時(shí)延較大、反饋控制又不能得到良好的控制效果時(shí)，可以選用前潰控制。 3)經(jīng)濟(jì)性原則。通常動(dòng)態(tài)前饋的投資高于靜態(tài)前饋，所以，若靜態(tài)前饋能達(dá)到工藝要求時(shí)，即選用靜態(tài)前饋。,2系統(tǒng)設(shè)計(jì),前饋

43、控制方案設(shè)計(jì)包括確定前饋控制規(guī)律，系統(tǒng)穩(wěn)定性及其他。,(1)確定前饋控制規(guī)律,當(dāng)求得過(guò)程的數(shù)學(xué)模型后，可通過(guò)分析過(guò)程擾動(dòng)通道和控制通道數(shù)學(xué)模型的特性參數(shù)，即T0與Tf的大小和純時(shí)延時(shí)間0與f來(lái)合理選擇。,當(dāng)T0Tf時(shí)，可采用動(dòng)態(tài)前饋反饋控制來(lái)改善控制品質(zhì)。 當(dāng)f0時(shí)，則前饋調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律應(yīng)修改為式 (6-56)。 但當(dāng)0f時(shí)，則前饋調(diào)節(jié)器有純超前環(huán)節(jié)eeffs，這是做不到的。因此，不能采用前饋補(bǔ)償。,(2)前饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性：對(duì)任一過(guò)程控制系統(tǒng)，能正常運(yùn)行的必要條件是系統(tǒng)必須穩(wěn)定。,(3)其他：在設(shè)計(jì)一個(gè)完整工藝設(shè)備的自動(dòng)控制方案時(shí)，必須考慮物料、能量平衡兩個(gè)重要關(guān)系。有的是直接根據(jù)物料平

44、衡或能量平衡關(guān)系，來(lái)設(shè)計(jì)產(chǎn)品質(zhì)量的控制方案；有的是同時(shí)利用上述兩種關(guān)系來(lái)設(shè)計(jì)控制方案的。對(duì)此要視具體過(guò)程而定 。,在控制方案設(shè)計(jì)中，控制方案設(shè)計(jì)的一般程序?yàn)椋?在設(shè)計(jì)控制方案時(shí)，必須先熟悉生產(chǎn)工藝過(guò)程，充分了解工藝對(duì)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的要求；要熟悉現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)備，以便能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和提出問(wèn)題；必須深入了解生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的各種影響因素。 要對(duì)已有的自動(dòng)化方案認(rèn)真地進(jìn)行調(diào)查研究、分析比較，據(jù)此提出新的設(shè)計(jì)方案。 求取過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。 進(jìn)行仿真與模似試驗(yàn)。 提出改進(jìn)后的正式設(shè)計(jì)方案。 現(xiàn)場(chǎng)安裝、試車(chē)。,五、前饋控制系統(tǒng)的工程整定,在前饋反饋控制系統(tǒng)中，由于有反饋控制來(lái)保證被控量最終等于給定值，因此可以降低對(duì)前饋控

45、制的要求，使前饋調(diào)節(jié)器可以選擇比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式和動(dòng)態(tài)特性；同時(shí)，由于采用前饋控制來(lái)抵銷(xiāo)某些主要擾動(dòng)，使被控參數(shù)不致出現(xiàn)過(guò)大的動(dòng)態(tài)偏差，所以反饋控制可以以較慢動(dòng)作進(jìn)行。,對(duì)于具體的整定方法，現(xiàn)以常用前饋裝置的傳遞函數(shù)“KF(T1s+1)/(T2s+1)”為例，來(lái)介紹如何確定靜態(tài)參數(shù)KF和動(dòng)態(tài)參數(shù)T1、T2。,1靜態(tài)參數(shù)及KF的整定,(1)KF開(kāi)環(huán)整定法P196,KF值符合下式關(guān)系，即,（6-58）,式中：Kf擾動(dòng)通道的靜態(tài)放大系數(shù)； K0控制通道的靜態(tài)放大系數(shù)。,(2)KF閉環(huán)整定法P228 閉環(huán)整定法可以使系統(tǒng)在前饋反饋或反饋運(yùn)行的情況下整定KF值。系統(tǒng)方框圖如圖6-32所示。,W(s),K

46、FF,Wf(s),W0(s),s,F(s),圖6-32 KF閉環(huán)整定法系統(tǒng)方框圖,前饋反饋系統(tǒng)整定法：在反饋回路整定好的基礎(chǔ)上，先合上開(kāi)關(guān)S，使系統(tǒng)為前饋反饋控制系統(tǒng)，然后改變(由小到大)靜態(tài)系數(shù)值KF，可得到在擾動(dòng)f(t)作用下如圖6-33所示的一系列響應(yīng)曲線(xiàn)，圖6-33(b)所示曲線(xiàn)其補(bǔ)償效果最好。曲線(xiàn)圖6-33(a)所示由于KF值小，產(chǎn)生欠補(bǔ)償。KF值過(guò)大，造成過(guò)補(bǔ)償如圖6-33(c)所示。,y(t),t,0,y(t),y(t),y(t),0,0,0,t,t,t,(a)欠補(bǔ)償,(b)補(bǔ)償合適,（c）過(guò)補(bǔ)償,（d）嚴(yán)重過(guò)補(bǔ)償,利用反饋系統(tǒng)整定KF值：待圖6-32所示系統(tǒng)正常運(yùn)行后，打開(kāi)開(kāi)關(guān)

47、S，則系統(tǒng)成為反饋控制。使其繼續(xù)運(yùn)行。 具體整定見(jiàn)P228。,2T1、T2值的整定 前饋調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)參數(shù)T1、T2值的整定比靜態(tài)參數(shù)KF值的整定困難。由前饋調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)模型可知，T1、T2是決定動(dòng)態(tài)補(bǔ)償程度的。當(dāng)T1T2時(shí)，前饋調(diào)節(jié)器在動(dòng)態(tài)過(guò)程中起超前作用；反之，當(dāng)T1T2時(shí)，則起時(shí)延作用。因此，在工程整定時(shí)，首先應(yīng)估計(jì)擾動(dòng)通道和控制通道哪一個(gè)時(shí)間時(shí)延大(或超前大)，來(lái)決定T1、T2值的大小，然后將T1、T2從零開(kāi)始湊試，直至系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)滿(mǎn)意為止。,六、前饋控制系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用舉例自學(xué),1葡萄糖濃度前饋反饋控制系統(tǒng),FT,EC,TC,TT,蒸汽,升降膜式蒸發(fā)器,汽液分離器,濃縮液出口,汽凝水,進(jìn)料

48、,冷卻水,不凝性液體,高位冷凝器,圖6-34 葡萄糖生產(chǎn)過(guò)程中濃度控制流程,圖634所示裝置是將初蒸濃度為50%的葡萄糖液，用泵送入升降膜式蒸發(fā)器，經(jīng)0.40.8MPa蒸汽加熱蒸發(fā)至73%的葡萄糖液，然后送至后道工序結(jié)晶。蒸發(fā)器采用真空蒸發(fā)，由真空泵抽送，真空度為68MPa。工藝上有三種產(chǎn)品規(guī)格，對(duì)應(yīng)于三種濃度：即針用葡萄糖，其濃度為72.15%；口服葡萄糖，其濃度為71.65%，工業(yè)葡萄糖，其濃度為 73.95%。在給定壓力作用下，溶液的濃度同溶液沸點(diǎn)與水的沸點(diǎn)之差即溫差有較好的單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，故以溫差來(lái)反映葡萄糖溶液的濃度，選擇溫差為被控參數(shù)。,鍋爐給水控制系統(tǒng),在燃料量不變的情況下，當(dāng)蒸汽

49、用量(負(fù)荷)突然增加時(shí)，會(huì)使汽包內(nèi)的壓力瞬時(shí)降低，水的沸騰加劇，加速汽化，汽泡量也突然增加。由于汽泡體積比水的體積大很多倍，結(jié)果形成了汽包內(nèi)水位升高的假象，即所謂“假水位”。 反之，當(dāng)蒸汽用量(負(fù)荷)突然減少時(shí)，汽包內(nèi)蒸汽壓力急劇上升，水的沸騰暫時(shí)停止，造成水位瞬時(shí)下降的假象。 圖635所示為蒸汽負(fù)荷階躍變化時(shí)水位的響應(yīng)曲線(xiàn)。,Q,0,t,Q,0,t,p,0,t,p,0,t,H,H2,H,H1,0,H,H1,H,H2,0,t,t,(a),(b),圖6-35 蒸汽負(fù)荷階躍變化水位響應(yīng)曲線(xiàn),由圖可知，當(dāng)負(fù)荷突然增加時(shí)，汽包水位不僅不會(huì)下降，反而由于假水位而迅速升高，然后再下降；當(dāng)負(fù)荷突然減少時(shí)，汽

50、包水位先下降，而后再上升。圖635(a)中，H2為氣泡容積變化引起的水位變化；H1為蒸汽流量和給水流量不相等而造成的水位下降。實(shí)際水位的變化H為上述兩種水位變化的疊加，即HH1+ H2。若用傳遞函數(shù)來(lái)描達(dá),即可表示為,式中 ：負(fù)荷階躍擾動(dòng)時(shí)，水位響應(yīng)曲線(xiàn)的飛升速度； T2水位變化的放大系數(shù)。,（6-59）,對(duì)于假水位，在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)必須加以注意。,圖636所示為給水流量Q(s)階躍變化時(shí)，汽包水位的響應(yīng)曲線(xiàn)。由圖可知，當(dāng)給水量突然增加時(shí)，汽包水位將在有一定慣性時(shí)延后上升。,Q,1,0,t,H,0,T,t,圖6-36 流量階躍變化水位響應(yīng)曲線(xiàn),若用傳遞函數(shù)來(lái)描述，則可表示為,（6-60）,式中

51、：結(jié)水流量階躍變化時(shí)，汽包水位響應(yīng)曲線(xiàn)的響應(yīng)速度； 慣性時(shí)延時(shí)間。,根據(jù)上述分析，為了使鍋爐運(yùn)行時(shí)將汽包水位控制在較小的變化范圍內(nèi)，生產(chǎn)上常采用以蒸汽流量為前饋信號(hào)，汽包水位(主參數(shù))和給水流量(副參數(shù))串級(jí)，構(gòu)成前饋反饋控制系統(tǒng)，通常又稱(chēng)為三沖量給水控制系統(tǒng)(見(jiàn)圖6-37)。本系統(tǒng)不但能通過(guò)串級(jí)副回路及時(shí)克服給水流量的擾動(dòng)，而且還能實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽負(fù)荷的前饋補(bǔ)償，在穩(wěn)定工況下，給水量Q將等于蒸汽量D的變化，從而維持水位H不變。,FT,FC,LT,FT,KFF,LC,水Q,汽包,D,圖6-37 鍋爐三沖量前饋串級(jí)控制系統(tǒng),連續(xù)消毒塔溫度的前饋反饋控制,能大大提高培養(yǎng)基消毒的功效的工藝流程。如圖6-3

52、8所示：,TT,TC,連消塔,蒸汽,維持罐,發(fā)酵罐,液料,圖6-38 連續(xù)消毒塔的工藝流程,上圖中，培養(yǎng)基液料經(jīng)預(yù)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，然后進(jìn)入維持罐停留保溫15min，以便充分滅菌，再經(jīng)排管冷卻后去發(fā)酵罐接種發(fā)酵。,根據(jù)這一控制方案運(yùn)行的結(jié)果表明，連續(xù)消毒塔的出口溫度較人工操作時(shí)有明顯改善。但是，當(dāng)蒸汽壓力波動(dòng)較大時(shí)，溫度波動(dòng)幅度超過(guò)了工藝允許范圍。,影響連續(xù)消毒塔出口溫度的主要擾動(dòng)是蒸汽壓力。經(jīng)分析認(rèn)為，蒸汽壓力是一個(gè)可測(cè)而不可控的擾動(dòng)，為了提高控制質(zhì)量，構(gòu)成了如圖639所示的前饋反饋控制系統(tǒng)。,PT,TC,TT,PC,連消塔,蒸汽,維持罐,發(fā)酵

53、罐,料液,圖6-39 連消塔溫度的前饋反饋系統(tǒng)及框圖,第六章 提高控制品質(zhì)的控制系統(tǒng),第三節(jié) 大時(shí)延控制系統(tǒng),第三節(jié) 大時(shí)延控制系統(tǒng),一、概述,1典型的工藝過(guò)程,（1）皮帶傳輸過(guò)程：如圖6-40所示的皮帶運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行輸送。若擋板的開(kāi)度變動(dòng)引起下料量改變時(shí)，需經(jīng)過(guò)皮帶傳輸機(jī)傳送時(shí)間(純時(shí)延)后，物料才到達(dá)工藝設(shè)備引起其工藝參數(shù)發(fā)生變化。,(2)連續(xù)軋鋼過(guò)程：圖6-41所示，鋼坯通過(guò)行星軋機(jī)初軋，再經(jīng)平整機(jī)精軋平整后，得到所需要的鋼板厚度。測(cè)厚儀通常安裝在平整機(jī)出口一定距離的位置上。執(zhí)行器安裝在軋機(jī)上，用以調(diào)整壓下量。這是一個(gè)純時(shí)延起主要作用的過(guò)程。,貯料斗,v,l,去設(shè)備,圖6-40 皮帶運(yùn)輸機(jī),執(zhí)行器,行星軋機(jī),平 整機(jī),測(cè)厚儀,圖6-41 連續(xù)軋鋼過(guò)程,2純時(shí)延對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響,過(guò)程擾動(dòng)通道純時(shí)延對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量無(wú)影響，僅使系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)推遲了一個(gè)時(shí)延。當(dāng)過(guò)程控制通道或測(cè)量變送環(huán)節(jié)存在純時(shí)延時(shí)，會(huì)降系統(tǒng)的穩(wěn)定性；另外，由控制原理可知，純時(shí)延會(huì)導(dǎo)致增大被控參數(shù)的最大偏差值，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)質(zhì)量下降。,二、補(bǔ)償純時(shí)延過(guò)程的常規(guī)控制方案,l微分先行控制方案P233,在圖6-43所示的微分先行控制方案中，微分環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)包括了被控參數(shù)及其變化速度值，將它作為測(cè)量值輸入比例積分調(diào)節(jié)器中，這樣使系統(tǒng)克服超調(diào)的作用加強(qiáng)了。,X(s),Z(s),F(s),Y(