过程控制与自动化仪表第6章-常用高性能过控系统课件.ppt

1、过程控制与自动化仪表过程控制与自动化仪表 主讲教师：杨延西西安理工大学自动化与信息工程学院西安理工大学自动化与信息工程学院信息与控制工程系信息与控制工程系 第第6 6章章 常用高性能过程控制系统常用高性能过程控制系统主要问题主要问题问题：问题：0.1/0T；几个惯性环节串联导致控制通道过长；干扰；几个惯性环节串联导致控制通道过长；干扰过于频繁或过于剧烈过于频繁或过于剧烈单回路控制难以获得好的控制效果。单回路控制难以获得好的控制效果。解决办法：解决办法：（二）（二）前馈前馈-反馈复合控制反馈复合控制（三）（三）Smith预估控制预估控制（一）（一）串级控制串级控制1 1）了解）了解串级控制串级控

2、制系统的应用背景，熟悉串级控制系统系统的应用背景，熟悉串级控制系统的典型结构与特点；的典型结构与特点；2 2）掌握串级控制系统的设计方法，熟悉串级控制系统）掌握串级控制系统的设计方法，熟悉串级控制系统的参数整定方法；的参数整定方法；3 3）了解）了解前馈控制前馈控制的原理及使用场合；的原理及使用场合；4 4）掌握前馈补偿器的设计方法，熟悉）掌握前馈补偿器的设计方法，熟悉前馈反馈复合前馈反馈复合控制控制的特点及工业应用；的特点及工业应用；5 5）了解）了解大滞后大滞后被控过程的解决方案，掌握大滞后过程被控过程的解决方案，掌握大滞后过程控制的设计方案。控制的设计方案。第六章第六章 常用高性能过控系

3、统常用高性能过控系统一一 串级控制系统串级控制系统例：化学反应釜温度控制系统例：化学反应釜温度控制系统 系统干扰系统干扰 进料方面：进料方面：进料量，进料温度，进料量，进料温度，进料化学成分等。以上干扰统称为进料化学成分等。以上干扰统称为F1 冷却水方面：冷却水方面：冷却水温度，冷却冷却水温度，冷却水流量、压力。以上干扰称为水流量、压力。以上干扰称为F2反应釜温度控制系统框图反应釜温度控制系统框图动画控制系统实例控制系统实例假设冷却水的压力升高！假设冷却水的压力升高！调节滞后很大，效果不好！调节滞后很大，效果不好！冷却水流量冷却水流量 夹套温度夹套温度夹套温度夹套温度（传热）（传热）釜壁温度釜

4、壁温度釜壁温度釜壁温度（传热）（传热）介质温度介质温度介质温度介质温度（调节）（调节）阀门开度阀门开度阀门开度阀门开度（节流）（节流）冷水流量冷水流量问题：问题：反应釜温度控制系统框图反应釜温度控制系统框图改进后控制系统结构 为了及时发现来自冷却水为了及时发现来自冷却水方面的干扰，可以用一个温方面的干扰，可以用一个温度传感器测量对冷却水参数度传感器测量对冷却水参数变化比较敏感的夹套温度。变化比较敏感的夹套温度。如果如图所示用如果如图所示用T2T和和T2C构成夹套温度控制自系构成夹套温度控制自系统就可以有效抑制来自冷却统就可以有效抑制来自冷却水方面的干扰。水方面的干扰。能否在反应釜温度降低前提前

5、关小阀门能否在反应釜温度降低前提前关小阀门？串级控制系统串级控制系统串级控制系统的结构 TC1 称为称为“主调节器主调节器”；TC2称为称为”副调节器副调节器”。F1称为称为“一次扰动一次扰动”；F2称为称为 “二次扰动二次扰动”。F1F2串级控制系统的标准结构 对外环来讲，操作量对外环来讲，操作量 （控制量）为（控制量）为夹套温度夹套温度！对内环来讲，被控量为对内环来讲，被控量为夹套温度夹套温度，操作量为阀门，操作量为阀门开度！开度！副回路相当于一个副回路相当于一个 “伪执行器伪执行器”F1F2控制效果分析 sGsGsGsGsGsFsYsGmvc20220222021 sGsGsGsGsGs

6、GsGsGsGsGsGsXsYmvccvcc1010221010221111 sGsGsGsGsGsGsGsGsFsYmvcc10102210102211 sG0201理想效果理想效果 sGsGsGsGsGsGsGsXsYsGmvcvc202202222021控制效果分析 sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsXsYmvccvcc1010221010221111 sGsGsGsGsGsGsGsGsFsYmvcc1010221010221101 sGsGsGsFsYsXsYvcc212111/sFsYsXsY2111/我们把作为衡量系统性能的标准，其值越大系统性能越好作为衡量系统性能的标

7、准，其值越大系统性能越好考虑都采用纯比例则考虑都采用纯比例则 111212/ccvY sY sK K KXsFs控制效果对比 sGsGsGsGsGsGsGsGsGsXsYmvcvc101020102111 sGsGsGsGsGsGsGsFsYmvc101020102211 1112/cvcvY sY sGs GsK KXsFs如不采用串级控制如不采用串级控制由于cccKKK21所以串级控制系统性能更好所以串级控制系统性能更好实验一（单回路系统性能）sessG121701700T121KZiegler-Nichols反应曲反应曲线法整定线法整定PIDPID参数参数实验一（单回路系统性能）系统给定

8、值扰动曲线（系统给定值扰动曲线（S1）实验一（单回路系统性能）系统系统F1干扰扰动曲线（干扰扰动曲线（S2）实验二（串级系统性能）400T51K实验二（串级系统性能）系统给定值扰动曲线（S5）与单回路相比系统过渡过程加快实验二（串级系统性能）系统系统F1干扰扰动曲线（干扰扰动曲线（S3）与单回路相比系统最大偏差明显减小实验结果分析为何系统给定值扰动的过渡过程加快？为何系统给定值扰动的过渡过程加快？把副回路看作把副回路看作一个等效过程一个等效过程 sGsGsGsGsGsGsGsXsYsGmvcvc202202222021)1/()(:020202sTKsG设22)(ccKsGvvKsG)(22)

9、(mmKsG为简化分析取为简化分析取 02Gs实验结果分析 sGsGsGsGsGsGsGsXsYsGmvcvc202202222021 1020202TKsG0202022211TTKKKKmvc)1(1/11/0222020220202220202202KKKKsTKKKsTKKKKsTKKKsGmvcvcmvcvc 202220202022202/(1)11cvcvmcvmK K KK K KKGsTsK K KK实验三（分析实验）对比实验（对比实验（S6）副对象的惯副对象的惯性明显减小性明显减小串级控制系统的优点(1)对进入副回路的干扰有很强的抑制能力对进入副回路的干扰有很强的抑制能力系

10、统时间常数的减小导致工作频率提高，同时由于时间系统时间常数的减小导致工作频率提高，同时由于时间常数的减小，可提高控制器增益常数的减小，可提高控制器增益,进一步提高工作频率。进一步提高工作频率。0202022211TTKKKKmvc(2)改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率。改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率。串级控制系统的优点(3)对负荷或操作条件的变化有较强的适应能力。对负荷或操作条件的变化有较强的适应能力。202022022202211cvcvmcvmK K KKK K K KK K K K副回路等效放大倍数：220220220211mmvcvcKKKKKKKKK因此

11、：副被控过程或调节阀的放大系数因此：副被控过程或调节阀的放大系数随负荷变化时对副过程放大系数的影响随负荷变化时对副过程放大系数的影响不大。因此副回路对非线性随负荷变化不大。因此副回路对非线性随负荷变化具有自适应能力的特点，可以克服非线具有自适应能力的特点，可以克服非线性环节对系统的影响。性环节对系统的影响。串级控制系统的适用范围串级控制系统的适用范围1.1.适用于容量滞后较大的过程：适用于容量滞后较大的过程：选容量滞后较小的辅助变量，减选容量滞后较小的辅助变量，减小时常，提高频率。如图工业加小时常，提高频率。如图工业加热热炉温度串级控制炉温度串级控制系统。加热炉系统。加热炉的容量滞后较大，干扰

12、因素也较的容量滞后较大，干扰因素也较多，为此，选择滞后较小的炉膛多，为此，选择滞后较小的炉膛温度作为副参数，构成加热炉出温度作为副参数，构成加热炉出口温度和炉膛温度的串级控制系口温度和炉膛温度的串级控制系统，利用副回路的快速作用，有统，利用副回路的快速作用，有效地提高控制质量。效地提高控制质量。2.2.适用于纯滞后较大的过程：适用于纯滞后较大的过程：纺丝纺丝胶液胶液压力与压力压力与压力串级控制工艺要串级控制工艺要求：过滤前的压力稳定在求：过滤前的压力稳定在250Pa;250Pa;特点：特点：胶液粘度大、传输胶液粘度大、传输距离长，距离长，纯滞后时间长。纯滞后时间长。纺丝胶液压力与压力串级控制。

13、纺丝胶液压力与压力串级控制。3.3.适用于干扰变化剧烈、幅度适用于干扰变化剧烈、幅度大的过程：大的过程：如图快装锅炉的汽包如图快装锅炉的汽包液位控制系统工艺要求：汽包液液位控制系统工艺要求：汽包液位稳定，特点：快装锅炉容量小，位稳定，特点：快装锅炉容量小，蒸汽流量与水压变化频繁、激烈，蒸汽流量与水压变化频繁、激烈，为确保控制质量，常以蒸汽流量为确保控制质量，常以蒸汽流量和水流量的综合作用作为副回路和水流量的综合作用作为副回路的输出反馈值，并同液位一起构的输出反馈值，并同液位一起构成所谓成所谓三冲量三冲量液位串级控制系统液位串级控制系统。4.4.适用于参数互相关联的过程：适用于参数互相关联的过程

14、：同一种介质控制两种参数，如图炼同一种介质控制两种参数，如图炼油厂常压塔控制系统。油厂常压塔控制系统。单回路控制：两套装置，不经济又单回路控制：两套装置，不经济又无法工作；无法工作；常压塔塔顶常压塔塔顶出口温度和一线温度出口温度和一线温度串串级控制。级控制。5.5.适用于非线性过程适用于非线性过程特点：特点：负荷或操作条件改变导致过程特负荷或操作条件改变导致过程特性改变。若：单回路控制，需随时改变性改变。若：单回路控制，需随时改变调节器整定参数以保证系统的衰减率不调节器整定参数以保证系统的衰减率不变；串级控制，则可自动调整副调节器变；串级控制，则可自动调整副调节器的给定，使系统工作在新的工作点

15、。的给定，使系统工作在新的工作点。（图（图6-12）醋酸生产装置中的乙炔合成反应器）醋酸生产装置中的乙炔合成反应器温度串级控制温度串级控制系统：换热器系统：换热器呈非线性特性；呈非线性特性；以反应器中部温度为主被控参数，以换热器出口温度为副被控参数构以反应器中部温度为主被控参数，以换热器出口温度为副被控参数构成串级控制成串级控制 注意：注意：串级控制虽然应用范围广，但必须根据具体情况，充分利用优点，串级控制虽然应用范围广，但必须根据具体情况，充分利用优点，才能收到预期的效果。才能收到预期的效果。串级控制系统的设计1)副回路的设计与副参数的选择副回路的设计与副参数的选择a)副参数必须是物理可测。

16、副参数必须是物理可测。b)必须使副回路包含被控过程中变化剧烈、频繁且幅必须使副回路包含被控过程中变化剧烈、频繁且幅度大的主要干扰，并力求包含更多的干扰。度大的主要干扰，并力求包含更多的干扰。控制系统抑止控制系统抑止F2干扰比抑止干扰比抑止F1干扰的能力强！干扰的能力强！F2F1串级控制系统的设计 a)是针对燃料油压力为主要干扰而设计的原料油出口温度与燃料油的阀是针对燃料油压力为主要干扰而设计的原料油出口温度与燃料油的阀后压力串级控制流程图；后压力串级控制流程图；b)是针对燃料油的粘度、成份、处理量和燃料油热值为主要干扰而设计是针对燃料油的粘度、成份、处理量和燃料油热值为主要干扰而设计的原料油出

17、口温度与炉膛温度串级控制流程图。的原料油出口温度与炉膛温度串级控制流程图。由此可见，由此可见，既便是同一被控过程，由于主要干扰不同，采用的串级控既便是同一被控过程，由于主要干扰不同，采用的串级控制方案也会有所不同制方案也会有所不同。串级控制系统的设计c)副参数的选择应使副参数的选择应使主、副被控过程的时间常数适当错开主、副被控过程的时间常数适当错开。通常选通常选择择T主主/T副副在在310的范围内为宜。的范围内为宜。副回路的时间常数不能太大，调副回路的时间常数不能太大，调节通道尽可能短。节通道尽可能短。哪个控制系哪个控制系统采用串级控制统采用串级控制方法后性能改善方法后性能改善比较明显比较明显

18、？221150351Gsss1201)(1ssG串级控制系统的设计2)主副调节器调节规律的选择主副调节器调节规律的选择a)主调节器定值控制，所以一般选主调节器定值控制，所以一般选PI或或PID。主被控参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要求主被控参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要求无静差，因此，主调节器应选无静差，因此，主调节器应选PI或或PID调节规律。调节规律。b)副调节器起随动控制，一般选副调节器起随动控制，一般选P或或PI。副被控参数可以允许在一定范围内变化，并允许有静差。为此，副副被控参数可以允许在一定范围内变化，并允许有静差。为此，副调节器只需选择调

19、节器只需选择P调节规律，一般不引入积分调节规律，这是因为积分调节规律，一般不引入积分调节规律，这是因为积分调节规律会延长调节过程，削弱副回路的快速作用。调节规律会延长调节过程，削弱副回路的快速作用。但当但当选择流量为副参数选择流量为副参数时，为了保持系统稳定，比例度必须选得较时，为了保持系统稳定，比例度必须选得较大，即比例调节作用较弱，在这种情况下，可以引入积分调节，即采用大，即比例调节作用较弱，在这种情况下，可以引入积分调节，即采用PI调节规律，以增强控制作用。调节规律，以增强控制作用。串级控制系统的设计3)主副调节器正反作用的选择主副调节器正反作用的选择 按先内环后外环的原则，在确定外环时

20、将内环看按先内环后外环的原则，在确定外环时将内环看作一个作一个”伪执行器伪执行器“一般看作正作用过程一般看作正作用过程 F1F2 技巧：技巧：主调节器的正反作用和主对象正反过程密切相关：主调节器的正反作用和主对象正反过程密切相关：正过程正过程反作用调节器，反过程反作用调节器，反过程正作用调节器正作用调节器3 3 主、副调节器正、反作用方式的选择主、副调节器正、反作用方式的选择选择步骤选择步骤：工艺要求：工艺要求调节阀的气开、气关调节阀的气开、气关副调节器的正、反作用副调节器的正、反作用主主过程的正、反作用过程的正、反作用主调节器的正、反作用。主调节器的正、反作用。示例示例(图图68）燃油阀气开

21、，副对象为燃油阀气开，副对象为正过程，副调为反作用正过程，副调为反作用调节器；主对象也为正调节器；主对象也为正过程，主调为反作用调过程，主调为反作用调节器节器 4)4)串级控制系统的参数整定串级控制系统的参数整定 整定原则：整定原则：尽量加大副调节器的增益，提高副回路的频率，使主、副回路的频尽量加大副调节器的增益，提高副回路的频率，使主、副回路的频率错开，以减少相互影响率错开，以减少相互影响1.1.逐步逼近整定法逐步逼近整定法1 1）主开环主开环、副闭环，整定副调的参数；记为、副闭环，整定副调的参数；记为12()CGs2)2)副回路等效成一个环节，闭合主回路，整定主调节器参数，记为副回路等效成

22、一个环节，闭合主回路，整定主调节器参数，记为11()CGs3 3）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即为为11()CGs12()CGs否则，否则，在在主回路闭合主回路闭合的情况下，的情况下，再整再整定副调节器参数，记为定副调节器参数，记为22()CGs。反复进行，满意为止。反复进行，满意为止。该方法适用于主、副过程时常相差不大，主、副回路动态联系密切，需反该方法适用于主、副过程时常相差不大，主、副回路动态联系密切，需反复进行，费时较多复进行，费时较多2.2.两步整定法两步整定法1 1）主、副过程时常相差较大时，主、副过程时常相差较大时，主、

23、副闭合，主调为比例主、副闭合，主调为比例,比例度为比例度为100100，先用先用4 4比比1 1衰减曲线法整定副调节器的参数，求得比例度和操作周期；衰减曲线法整定副调节器的参数，求得比例度和操作周期；2)2)等效副回路，整定主调参数等效副回路，整定主调参数:求得主回路在求得主回路在4 4比比1 1衰减比下的比例度和操衰减比下的比例度和操作周期；根据两种情况下的比例度和操作周期，按经验公式求出主、副调作周期；根据两种情况下的比例度和操作周期，按经验公式求出主、副调节器的积分时间和微分时间，然后再按先副后主、先比例后积分再微分的节器的积分时间和微分时间，然后再按先副后主、先比例后积分再微分的次序投

24、入运行，观察曲线，适当调整，满意为止。次序投入运行，观察曲线，适当调整，满意为止。3.3.一步整定法一步整定法理论依据：理论依据：理论研究表明，在过程特性不变的条件下，主、副调节器的放大系数理论研究表明，在过程特性不变的条件下，主、副调节器的放大系数在一定范围内可以任意匹配，即：在一定范围内可以任意匹配，即：主、副调节器的放大系数在主、副调节器的放大系数在1 1）主、副调节器均置比例控制，根据约束条件或经验确定）主、副调节器均置比例控制，根据约束条件或经验确定5.0021ccKK条件下，主、副过程特性一定时，条件下，主、副过程特性一定时，21ccKK为一常数。为一常数。2cK 2 2）等效副回

25、路，按衰减曲线法一步整定出主调节器参数；）等效副回路，按衰减曲线法一步整定出主调节器参数；3 3）观察曲线，在约束条件下，适当调整主、副调节器的参数，满意为止。）观察曲线，在约束条件下，适当调整主、副调节器的参数，满意为止。；前馈控制的原理前馈控制的原理：当系统出现扰动时，立即将其：当系统出现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小改变测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小改变控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响。控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响。1、前馈控制的工作原理及其特点、前馈控制的工作原理及其特点1)1)反馈控制的特点反馈控制的特点：不论是什么干扰，只要引起被

26、调参数的变化，不论是什么干扰，只要引起被调参数的变化，调节器均可根据偏差进行调节。但必须被调调节器均可根据偏差进行调节。但必须被调参数变参数变化后才进行调节化后才进行调节，调节滞后。，调节滞后。二、前馈控制系统二、前馈控制系统亡羊补牢！亡羊补牢！由于反馈控制过程中需要出由于反馈控制过程中需要出现偏差才进行调整，所以反馈控现偏差才进行调整，所以反馈控制无法实现完美的控制。制无法实现完美的控制。MTTTC蒸汽蒸汽换热器换热器冷物料冷物料入口入口热物料热物料出口出口冷凝水冷凝水针对冷物料流量变化的最佳调节效果针对冷物料流量变化的最佳调节效果为了改变事后调节的状况，提出前馈控制的思路：根为了改变事后调

27、节的状况，提出前馈控制的思路：根据冷物料流量据冷物料流量Q的大小，调节阀门开度。的大小，调节阀门开度。2 2）前馈控制的原理与特点）前馈控制的原理与特点M蒸汽蒸汽换热器换热器冷物料冷物料入口入口热物料热物料出口出口冷凝水冷凝水FTFBGb(s)Gf(s)Go(s)Gm(s)Gv(s)M蒸汽蒸汽换热器换热器冷物料冷物料入口入口热物料热物料出口出口冷凝水冷凝水FTFBF(s)Y(s)Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gf(s)Go(s)Y(s)用方框图表示：用方框图表示：补偿原理补偿原理如果补偿量和干扰量以同样的大小和速度作用如果补偿量和干扰量以同样的大小和速度作用于被控变量，且作用方向相反于

28、被控变量，且作用方向相反的话，被控变量不变。的话，被控变量不变。Y(S)=F(S)Gf(s)+F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s)=0Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gf(s)Go(s)Y(s)得：得：前馈补偿规律的推导：前馈补偿规律的推导：Y(S)=F(S)Gf(s)+F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s)=0fbomvG(s)G()G()G(s)G(s)ss Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gf(s)Go(s)Y(s)q前馈控制的特点：前馈控制的特点：前馈控制器是按照干扰的大小进行控制的，前馈控制器是按照干扰的大小进行控制的，称为称为“扰动补偿扰动补偿”。

29、如果补偿精确，被调变量不会。如果补偿精确，被调变量不会变化，能实现变化，能实现“不变性不变性”控制。控制。前馈控制是开环控制，控制作用几乎与干扰前馈控制是开环控制，控制作用几乎与干扰同步产生，是事先调节，速度快。同步产生，是事先调节，速度快。前馈控制器的控制规律不是前馈控制器的控制规律不是PID控制，是由控制，是由对象特性决定的。对象特性决定的。前馈控制只对特定的干扰有控制作用，尤其前馈控制只对特定的干扰有控制作用，尤其可测不可控的干扰可测不可控的干扰，对其它干扰无效。，对其它干扰无效。3)前馈控制的局限性前馈控制的局限性实际工业过程中的干扰很多，不可能对每个实际工业过程中的干扰很多，不可能对

30、每个干扰设计一套控制系统，况且有的干扰在线检测非干扰设计一套控制系统，况且有的干扰在线检测非常困难。常困难。前馈控制器的补偿控制规律很难精确计算，前馈控制器的补偿控制规律很难精确计算，即使前馈控制器设计的非常精确，即使前馈控制器设计的非常精确，实现时也会存在实现时也会存在误差，而误差，而开环系统对误差无法自我纠正开环系统对误差无法自我纠正。因此，一般将前馈控制与反馈控制结合使用。因此，一般将前馈控制与反馈控制结合使用。前馈控制针对主要干扰，反馈控制针对所有干扰。前馈控制针对主要干扰，反馈控制针对所有干扰。2、前馈控制系统的结构、前馈控制系统的结构前馈控制的结构有静态补偿和动态补偿。前馈控制的结

31、构有静态补偿和动态补偿。1）静态前馈控制系统）静态前馈控制系统所谓静态前馈控制，是前馈控制器的补偿控制所谓静态前馈控制，是前馈控制器的补偿控制规律，只考虑规律，只考虑静态静态增益补偿，不考虑速度补偿。增益补偿，不考虑速度补偿。fbomvG(s)G()G()G(s)G(s)ss Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gf(s)Go(s)Y(s)fbbomvKG(0)KKKK （S=0时）时）0.0130.5161sfGes0.010271svG Ges00()lim0.25()()fbsvGsKG s G s 无无前前馈馈补补偿偿结结果果干扰干扰干扰对输出的影响干扰对输出的影响系统输出系统输出干

32、扰源与静态前馈系数乘积干扰源与静态前馈系数乘积给定信号给定信号有有前前馈馈补补偿偿结结果果设定值得到设定值得到有效控制有效控制干扰干扰干扰对输出的影响干扰对输出的影响系统输出系统输出干扰源与静态前馈系数乘积干扰源与静态前馈系数乘积给定信号给定信号静态前馈系统结构简单、易于实现，前馈控制静态前馈系统结构简单、易于实现，前馈控制器就是一个比例放大器。但控制过程中，动态偏差器就是一个比例放大器。但控制过程中，动态偏差依然存在。依然存在。2）动态前馈控制系统）动态前馈控制系统完全按照补偿控制规律制作控制器。完全按照补偿控制规律制作控制器。理论上，动态前馈控制能在每个时刻都完全补偿理论上，动态前馈控制能

33、在每个时刻都完全补偿扰动对被控参数的影响。但补偿控制规律比较复杂，扰动对被控参数的影响。但补偿控制规律比较复杂，常常无法获得精确表达式，也难以精确实现。常常无法获得精确表达式，也难以精确实现。fbomvG(s)G()G()G(s)G(s)ss 无无前前馈馈补补偿偿结结果果干扰干扰1系统输出系统输出 干扰干扰2有有前前馈馈补补偿偿结结果果设定值得到设定值得到有效控制而有效控制而且有效克服且有效克服了复杂干扰了复杂干扰的影响。的影响。干扰干扰1系统输出系统输出 干扰干扰23）前馈）前馈反馈复合控制系统反馈复合控制系统为了克服前馈控制的局限性，将前馈控制和反馈为了克服前馈控制的局限性，将前馈控制和反

34、馈控制结合起来，组成前馈控制结合起来，组成前馈反馈复合控制系统。反馈复合控制系统。v如换热器出口温度前馈如换热器出口温度前馈反馈复合控制系统。反馈复合控制系统。TTTCM蒸汽蒸汽换热器换热器冷物料冷物料入口入口热物料热物料出口出口冷凝水冷凝水FTFB 在前馈在前馈反馈复合控制系统中，设定值反馈复合控制系统中，设定值X(s)、干扰、干扰F(s)对输出对输出Y(s)的共同影响为：的共同影响为：0vc0vcmT()()()Y()()1()()()G(S)G s G s GssX sG s G s G sfovbmFovcmT()G(S)G(S)G(S)G(S)()1()()()G(S)G sF sG

35、 s G s G sGv(s)Gb(s)GmF(s)F(s)Gf(s)Go(s)Y(s)GmT(s)Gc(s)X(s)fovbmFfovcmT()G(S)G(S)G(S)G(S)Y(S)()1()()()G(S)G sF sG s G s G sa)传函分子即是前馈控制系统的补偿条件。表明传函分子即是前馈控制系统的补偿条件。表明复合控制系统与开环前馈控制系统的补偿条件完全相复合控制系统与开环前馈控制系统的补偿条件完全相同，并不因为引进反馈控制而有所改变。同，并不因为引进反馈控制而有所改变。b)传函分母即是反馈控制系统的闭环传递函数。传函分母即是反馈控制系统的闭环传递函数。表明表明反馈控制系统的

36、稳定性并不因为引进前馈控制而反馈控制系统的稳定性并不因为引进前馈控制而有所改变；有所改变；且由于反馈控制回路的存在，使前馈控制且由于反馈控制回路的存在，使前馈控制的精度比开环前馈控制高。的精度比开环前馈控制高。干扰通道的传递函数为：干扰通道的传递函数为：复合控制系统具有以下优点：复合控制系统具有以下优点：在反馈控制的基础上，针对主要干扰进行前馈在反馈控制的基础上，针对主要干扰进行前馈补偿。既提高了控制速度，又保证了控制精度。补偿。既提高了控制速度，又保证了控制精度。反馈控制回路的存在，降低了对前馈控制器的反馈控制回路的存在，降低了对前馈控制器的精度要求，有利于简化前馈控制器的设计和实现。精度要

37、求，有利于简化前馈控制器的设计和实现。在单纯的反馈控制系统中，提高控制精度与系在单纯的反馈控制系统中，提高控制精度与系统稳定性是一对矛盾。往往为保证系统的稳定性而统稳定性是一对矛盾。往往为保证系统的稳定性而无法实现高精度的控制。而前馈无法实现高精度的控制。而前馈反馈控制系统反馈控制系统既可实现高精度控制，又能保证系统稳定运行既可实现高精度控制，又能保证系统稳定运行。4)前馈前馈串级复合控制系统串级复合控制系统对于慢过程的控制，如果生产过程中的主要干扰对于慢过程的控制，如果生产过程中的主要干扰频繁而又剧烈，而工艺对被控参量的控制精度要求又频繁而又剧烈，而工艺对被控参量的控制精度要求又很高，可以考

38、虑采用前馈很高，可以考虑采用前馈串级复合控制方案。串级复合控制方案。Gv(s)Gb(s)GmF(s)F(s)Gf(s)Go1(s)Y(s)Gm2(s)Gc1(s)X(s)Gc2(s)Go2(s)Gm1(s)前馈控制器的传函主要由扰动通道和主对象特性决定前馈控制器的传函主要由扰动通道和主对象特性决定Gv(s)Gb(s)GmF(s)F(s)Gf(s)Go1(s)Y(s)Gm2(s)Gc1(s)X(s)Gc2(s)Go2(s)Gm1(s)1/Gm2(S)主要任务：主要任务：使给水量能适应蒸汽量的需要，使给水量能适应蒸汽量的需要，并保持并保持 汽包水位在规定的工艺范围之内。汽包水位在规定的工艺范围之内

39、。汽包水位是被控参数汽包水位是被控参数主要扰动：主要扰动：蒸汽用量和给水流量。蒸汽用量和给水流量。蒸汽用量是负荷，随发电需要而变化，一般为不可控因素。给水流量蒸汽用量是负荷，随发电需要而变化，一般为不可控因素。给水流量则可以作为控制参数，以此构成锅炉汽包水位控制系统。则可以作为控制参数，以此构成锅炉汽包水位控制系统。“虚假水位虚假水位”：即在燃料量不变的情况下，当蒸汽用量（既负荷）突：即在燃料量不变的情况下，当蒸汽用量（既负荷）突然增加时，会使汽包内的压力突然降低，导致水的沸腾加剧，汽泡大量增然增加时，会使汽包内的压力突然降低，导致水的沸腾加剧，汽泡大量增加。由于汽泡的体积比同重量水的体积大得

40、多，结果形成了汽包内水位加。由于汽泡的体积比同重量水的体积大得多，结果形成了汽包内水位“升高升高”的假象。反之，当蒸汽用量突然减少时，由于汽包内蒸汽压力上的假象。反之，当蒸汽用量突然减少时，由于汽包内蒸汽压力上升，水的沸腾程度降低，又导致汽包内水位升，水的沸腾程度降低，又导致汽包内水位“下降下降”的假象。均会引起汽的假象。均会引起汽包水位控制的误动作而影响控制效果。包水位控制的误动作而影响控制效果。锅炉汽包水位控制锅炉汽包水位控制1、双冲量控制、双冲量控制 在单冲量的基础上在单冲量的基础上,再加一再加一个蒸汽冲量个蒸汽冲量,以克服以克服“虚假液虚假液位位”。其中调节阀为气关阀。其中调节阀为气关

41、阀,液液位调节器采用正作用位调节器采用正作用,调节器输调节器输出信号在加法器内与蒸汽流量出信号在加法器内与蒸汽流量信号相减。信号相减。双冲量实际上是前馈与反馈双冲量实际上是前馈与反馈调节相结合的调节系统。当负调节相结合的调节系统。当负荷突然变化时荷突然变化时,蒸汽的流量信号蒸汽的流量信号通过加法器通过加法器,使它的作用与水位使它的作用与水位信号的作用相反信号的作用相反;假液位出现时假液位出现时,液位信号液位信号a 要关小给水阀要关小给水阀,而蒸而蒸汽信号汽信号b 是开大给水阀是开大给水阀,这就能这就能克服克服“虚假液位虚假液位”的影响。的影响。但是如果给水压力本身有但是如果给水压力本身有波动时

42、波动时,双冲量控制也不能克服双冲量控制也不能克服给水量波动的影响。给水量波动的影响。锅炉汽包水位控制锅炉汽包水位控制 加法器加法器蒸汽蒸汽 a -bLC给水给水2、三冲量控制、三冲量控制 为克服给水干扰，再加一个给水流为克服给水干扰，再加一个给水流量的冲量量的冲量c,使它与液位信号的作用方使它与液位信号的作用方向一致向一致,这种调节系统由于引进了液位、这种调节系统由于引进了液位、给水流量及蒸汽流量三个参数给水流量及蒸汽流量三个参数,叫做叫做三三冲量冲量调节系统。调节系统。汽包液位是被控变量汽包液位是被控变量,是主冲量信号是主冲量信号,蒸汽流量和给水流量是辅助冲量信号。蒸汽流量和给水流量是辅助冲

43、量信号。系统将蒸汽流量和给水流量系统将蒸汽流量和给水流量前馈前馈到到汽包液位调节系统中去汽包液位调节系统中去,一旦蒸汽流量一旦蒸汽流量或给水流量发生波动或给水流量发生波动,不是等到影响到不是等到影响到液位才进行调节液位才进行调节,而是在这两个流量改而是在这两个流量改变之时就能通过加法器立即去改变调节变之时就能通过加法器立即去改变调节阀开度进行校正阀开度进行校正,故大大提高了液位这故大大提高了液位这个被调参数的调节精度。个被调参数的调节精度。锅炉汽包水位控制锅炉汽包水位控制 5)前馈控制器的通用模型前馈控制器的通用模型 前面按照不变性条件，求得前馈控制器的传前面按照不变性条件，求得前馈控制器的传

44、递函数表达式递函数表达式 fbomvG(s)G()G()G(s)G(s)ss 实际上，要得到上式的精确数学模型比较困难，实际上，要得到上式的精确数学模型比较困难，准确实现也比较困难，还不如用简约化模型。准确实现也比较困难，还不如用简约化模型。将将Go(S)、Gf(S)用带滞后的一阶模型近似，将用带滞后的一阶模型近似，将Gv(S)、Gm(S)用比例模型近似，代入上式整理得：用比例模型近似，代入上式整理得：因此，可以事先做好各系数可调的通用前馈控因此，可以事先做好各系数可调的通用前馈控制器。使用时根据补偿要求，调整各个系数值，就制器。使用时根据补偿要求，调整各个系数值，就可获得不同特性的前馈控制功

45、能。可获得不同特性的前馈控制功能。s1bb2Ts+1G()KeT s+1s前馈控制器的通用模型：前馈控制器的通用模型：各系数物理意义：各系数物理意义：Km 静态放大系数；静态放大系数；T1 加速系数；加速系数；T2 减速系数；减速系数；纯滞后时间。纯滞后时间。2s21-s+s1-s22122e11+s+s1+s1+s21222T1 T2 超前校正，超前校正，T1 T2 滞后校正，滞后校正，T1=T2 比例特性比例特性前馈控制的应用场合前馈控制的应用场合（1 1）某个干扰幅值大而频繁，对被控变量影）某个干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，而对象的控制通道滞后大。响剧烈，而对象的控制通道滞后大。

46、（2 2）采用单纯的反馈控制，控制速度慢、质）采用单纯的反馈控制，控制速度慢、质量差。量差。（3 3）用串级控制，效果改善不明显。）用串级控制，效果改善不明显。目前，比较高档的控制仪表中都配备通用前目前，比较高档的控制仪表中都配备通用前馈控制模块，供用户选用。馈控制模块，供用户选用。三、三、Smith预估控制预估控制1 建立被控对象的数学模型建立被控对象的数学模型 高阶惯性系统可近似为高阶惯性系统可近似为一阶惯性加纯滞后系统一阶惯性加纯滞后系统 seTsKsG1o)(tyKTt2 纯之后严重程度纯之后严重程度01.0T当当 时系统不易采用常规的时系统不易采用常规的PIDPID控制控制00.3T

47、当当 时系统称为大纯时延过程时系统称为大纯时延过程纯滞后与纯滞后与Smith预估控制预估控制例例1：燃煤锅炉中的纯滞后：燃煤锅炉中的纯滞后给煤机皮带输煤系统lv大时延过程的补偿控制大时延过程的补偿控制 设传输距离为设传输距离为L，皮带速皮带速度为度为V，则纯滞后时间为：则纯滞后时间为：vl sesGsG0例例2：轧机控制中的纯滞后：轧机控制中的纯滞后传感器轧制辊卷取机平整辊控制器执行器vl 传感器的滞后导致板厚测量值被延迟了 sesGsG0lv例例3：反应釜控制中的纯滞后：反应釜控制中的纯滞后1l流量流量检测检测容量滞后与纯滞后容量滞后与纯滞后1)容量滞后容量滞后 容量滞后由动态系统的储能环节

48、引起，在扰动发生的初期容量滞后由动态系统的储能环节引起，在扰动发生的初期系统输出就有反应系统输出就有反应。阀门开度阀门开度（节流）（节流）冷水流量冷水流量釜壁温度釜壁温度（传热）（传热）介质温度介质温度介质温度介质温度（调节）（调节）阀门开度阀门开度切线在时间轴上截出的时间段切线在时间轴上截出的时间段c为容量滞后为容量滞后。被控过程的被控过程的容量系数容量系数C越大，越大，c越大；容量个数越多（阶数越大；容量个数越多（阶数n越多），阶跃响越多），阶跃响应曲线上升越慢。应曲线上升越慢。T()OtTn=1 n=2 n=3 n=4 n=5 0tc cT0T1（）2)纯滞后纯滞后由信号或能量的传输时间

49、造成的滞后现象，是纯粹的由信号或能量的传输时间造成的滞后现象，是纯粹的滞后。滞后。在扰动发生后的一段时间内系统输出完全没有反应。在扰动发生后的一段时间内系统输出完全没有反应。0t0vl 0 0v有些对象容量滞后有些对象容量滞后与纯滞后同时存在，很与纯滞后同时存在，很难严格区分。常把两者难严格区分。常把两者合起来，统称为滞后时合起来，统称为滞后时间间 =o+c0tc cT0h2（）0 0容量滞后与纯滞后的对比容量滞后与纯滞后的对比 原因原因输出信号输出信号 滞后相角滞后相角容量滞后容量滞后储能环节储能环节有趋势信息有趋势信息 最大最大90 纯滞后纯滞后传输延迟传输延迟无任何信息无任何信息趋于无穷

50、大趋于无穷大试验1（无滞后）系统传递函数为：系统传递函数为：1511101sssG PID控制控制纯滞后对控制系统性能的影响PID调节的效果控制系统的性能满足要求控制系统的性能满足要求纯滞后对控制系统性能的影响纯滞后对控制系统性能的影响 可见纯滞后环节的存在严重影响了系统的性能。可见纯滞后环节的存在严重影响了系统的性能。大滞后过程难于控制的主要原因大滞后过程难于控制的主要原因1）测量信号不及时，导致被控量在发生变化后一段时间控制）测量信号不及时，导致被控量在发生变化后一段时间控制器才发出校正作用。器才发出校正作用。校正不及时校正不及时2）干扰作用不能及时发现）干扰作用不能及时发现抗扰检测不及时