第六章常用高性能过程控制系统课件

第六章常用高性能过程控制系统魏莉weili@机电工程学院测控系1第六章常用高性能过程控制系统魏莉1第一节串级控制系统一.串级控制系统的基本概念化学反应釜单回路控制进料(F1)出水口出料冷却水(F2)T1流量调节阀夹套TTTCTr给定测温调温2第一节串级控制系统一.串级控制系统的基本概念化学反应釜单调节器调节阀夹套釜壁釜温度测量变送器F2F1Tr-化学反应釜单回路控制进料(F1)出水口出料冷却水(F2)T1流量调节阀夹套TTTCTr给定测温调温被控过程有三个热容:夹套冷却水,釜壁,物料干扰F1:进料流量,进料温度,进料化学成分干扰F2

:冷却水温度,阀前压力3调节器调节阀夹套釜壁釜温度测量变送器F2F1Tr-化学反应釜化学反应釜温度与夹套温度串级控制F2干扰由T2T测出并及时反馈T2C，T1的变化由T1T测出,并与设定值T1r比较,其结果作为T2C的给定值。即两个调节器串联在一起工作,各自完成不同任务。进料(F1)出水口出料冷却水(F2)T1流量调节阀夹套T1TT2TT1r给定T1CT2CT24化学反应釜温度与夹套温度串级控制F2干扰由T2T测出

反应釜的温度控制

夹套温度到被控变量的设备

从冷水量到夹套温度的设备

出口温度

夹套温度

出口温度

冷却水

冷却水

被控对象1

被控对象2

5反应釜的温度控制夹套温度到被控变量的设备从冷水量到夹套串级控制系统在结构上有两个闭环,其中副环的输出直接送往调节阀直接控制生产过程,串级控制系统比单回路控制系统多了一个测量变送器和一个调节器,增加的仪表不算多,但控制效果却得到显著改善串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，在过程控制中得到了广泛地应用。串级控制系统框图主调节器副调节器调节阀副对象主对象副变送器主变送器设定值副参数一次扰动二次扰动主参数--6串级控制系统在结构上有两个闭环,其中副环的输出直接送二.串级控制系统的控制效果分析GC1(S)GC2(S)GV(S)GO2(S)GO1(S)Gm2(S)Gm1(S)F1(S)F2(S)--X1(S)X2(S)Y1(S)Y2(S)7二.串级控制系统的控制效果分析GC1(S)GC2(S)GV(1.能迅速克服进入副回路的干扰,

抗干扰能力强,控制质量高GC2(S)GV(S)GO2(S)Gm2(S)F2(S)-Y2(S)F2(S)作用下副回路的传递函数:G*O2(S)=Y2(S)/F2(S)=GO2(S)1+GO2(S)GC2(S)GV(S)Gm2(S)GC1(S)GC2(S)GV(S)G*O2(S)GO1(S)Gm1(S)F1(S)F2(S)-X1(S)X2(S)Y1(S)Y2(S)前图等效为81.能迅速克服进入副回路的干扰,

抗干扰能力强,控制质量高GY1(S)X1(S)=GC1(S)GC2(S)GV(S)G*02(S)G01(S)1+GC1(S)GC2(S)GV(S)G*02(S)G01(S)Gm1(S)给定信号作用1式Y1(S)F2(S)=G*02(S)G01(S)1+GC1(S)GC2(S)GV(S)G*02(S)G01(S)Gm1(S)干扰F2作用2式GC1(S)GC2(S)GV(S)G*O2(S)GO1(S)Gm1(S)F1(S)F2(S)-X1(S)X2(S)Y1(S)Y2(S)9Y1(S)X1(S)=GC1(S)GC2(S)GV(S)G*1式越接近“1”,系统控制性能越好2式越接近“0”,系统抗干扰能力越强Y1(S)/X1(S)Y1(S)/F2(S)=GC1(S)GC2(S)GV(S)Y1(S)/X1(S)Y1(S)/F2(S)=KC1KC2KV则(1)GC1(S)=KC1

GC2(S)=KC2

GV(S)=KV设101式越接近“1”,系统控制性能越好2式越接近“0”,系统抗GC(S)GV(S)GO2(S)GO1(S)Gm1(S)F1(S)F2(S)-X1(S)如用单回路控制:Y1(S)GC(S)=KC

GV(S)=KV设Y1(S)/X1(S)Y1(S)/F2(S)=KCKV(2)则Y1(S)X1(S)=GC(S)GV(S)G02(S)G01(S)1+GC(S)GV(S)G02(S)G01(S)Gm1(S)Y1(S)F2(S)=G02(S)G01(S)1+GC(S)GV(S)G02(S)G01(S)Gm1(S)Y1(S)/X1(S)Y1(S)/F2(S)=GC(S)GV(S)11GC(S)GV(S)GO2(S)GO1(S)Gm1(S)F1Y1(S)/X1(S)Y1(S)/F2(S)=KCKV(2)

比较(1)(2)式,一般有KC1KC2＞

KC，也就是说,串级控制系统能迅速克服进入副回路的二次干扰,大大减小二次干扰对主参数的影响,副回路也使总放大系数提高了,提高了信噪比Y1(S)/X1(S)Y1(S)/F2(S)=KC1KC2KV(1)串级控制单回路控制12Y1(S)/X1(S)Y1(S)/F2(S)=KCKV(其传递函数Y2(S)X2(S)=GC2(S)GV(S)GO2(S)1+GC2(S)GV(S)GO2(S)Gm2(S)G02(S)

=副回路框图GC2(S)GV(S)GO2(S)Gm2(S)F2(S)-X2(S)Y2(S)2.改善过程的动态特性,提高系统的工作频率G02(S)=K02/(T02S+1),GC2(S)=KC2

GV(S)=KV,Gm2(S)=Km2设13其传递函数Y2(S)X2(S)=GC2(S)GV(S)GO2其中T02’＜＜T02由于副回路的存在，改善了系统的动态特性，等效过程的时间常数缩小了1+KC2KVKm2K02倍，对于单容或双容副被控过程，KC2可取较大数值，则可使T02’减小为一个很小数值，加快副回路响应速度,提高整个系统的工作频率14其中T02’＜＜T02由于副回路的存在，改善串级控制系统特征方程1+GC1(S)G'02(S)G01(S)Gm1(S)=0则1+KC1K'02K01Km1/(T'02S+1)(T01S+1)=0GC1(S)=KC1G01(S)=K01/(T01S+1)Gm1(S)=Km1G'02(S)如前所得设S2+T01+T02'T01T02'S+1+KC1K'02K01Km1T01T02'=0S2+2ζω0S+ω02=0T01T02'T01+T02'√1-ζ2工作频率ω串=ω0√1-ζ2=2ξ15串级控制系统特征方程1+GC1(S)G'02(S)G单回路控制系统特征方程1+GC(S)GV(S)G02(S)G01(S)Gm1(S)=0工作频率ω单=ω'0√1-ζ'2=2ξ'√1-ζ'2T01+T02T01T02S2+T01+T02T01T02S+1+KCKVK02K01Km1T01T02=0代入各环节传递函数得如果衰减系数ζ和ζ'相同，可得：ω串ω单=（T01+T02'）/T01T02'（T01+T02）/T01T02=1+T01/T02'1+T01/T02由于T01/T02'＞＞T01/T02所以ω串＞＞ω单16单回路控制系统特征方程1+GC(S)GV(S)G02(S)G由于生产过程的非线性，在一定的负荷下，也就是说在确定的工作点情况下，按一定控制质量指标整定的调节器参数只适应于工作点附近的小范围，若负荷变化过大超出此范围，控制质量就下降。3.对负荷和操作条件的变化适应性强串级控制系统可以大大提高控制质量！17由于生产过程的非线性，在一定的负荷下，也就是说在确定对很多温度或质量指标为被控参数的过程,其容量滞后往往比较大,对控制质量要求又比较高,宜采用串级控制系统。三.串级控制系统的应用范围1应用于容量滞后较大的过程如加热炉温度串级控制系统T1CT1TT2CT2T燃料物料T1主副给定为保T1为一定值,选燃料流量为调节参数,但炉子时常和容滞大干扰较多,又选时滞较小的炉膛温度为副参数,构成出口温度对炉膛温度的的串级控制系统,用副回路的快速反应,有效提高控制质量,满足工艺上的高要求。18对很多温度或质量指标为被控参数的过程,其容量滞后往往纺丝胶液压力与压力串级控制由于从压力泵到过滤器前距离较长,胶液粘度又大,纯时延较长。为保证P1为250Kpa,在靠近压力泵出口选一测压副参数,构成压力与压力的串级控制系统,一般选的副参数时延要小。混合器压力泵P2CP1TP1CP2T胶液冷却水冷却器水过滤器给定喷头主副2应用于纯时延较大的过程19纺丝胶液压力与压力串级控制由于从压力泵到过滤器前距离锅炉三冲量液位串级控制LTFTFT∑LCFC水蒸汽汽包给定液位副回路主回路3应用于干扰变化激烈且幅度大的过程工业生产过程中，用水和用汽场合很多，蒸汽流量和水压变化既频繁激烈又幅度大，汽包容量又小，故汽包液位很重要，常以蒸汽流量和水流量综合作用作为副回路测量值，同液位一起成串级控制系统，即所谓的三冲量液位串级控制系统。它把多冲量与串级控制结合起来，比一般三冲量控制系统对液位有更强的控制调节能力。串级控制系统的副回路对于进入其中的干扰有强的克服能力，所以设计时，要将幅度大变化剧烈的干扰包在副回路中，减少对主参数影响。20锅炉三冲量液位串级控制LTFTFT∑LCFC水蒸汽汽包给定副一线温度与塔顶温度串级控制常压塔T2TT1TT2CT1C塔顶汽油一线煤油回流给定副两个互相关联的参数需要用同一个介质控制，如上常压塔塔顶出口温度和一线温度都由回流量来控制4应用于参数互相关联的过程21一线温度与塔顶温度串级控制常压塔T2TT1TT2CT1C塔顶T2TT1TT2CT1C混合气换热器合成反应器温度串级控制系统5应用于非线性过程换热器有较大非线性,当负荷或操作条件变化时,要想保持系统原有衰减率不变,必须不断改变调节器的整定参数,显然不可能,现以反应器中部温度为主被控参数,换热器出口温度为副被控参数,在副回路中包括了非线性特性的主要部分,可根据负荷和操作条件的变化,自动调整副调节器的给定值,使系统运行在新工作点,使主被控参数保持平稳。22T2TT1TT2CT1C混合气换热器合成反应器温度串级控制系（1）副参数必须是物理上可测的，副回路的时间常数不能太大，调节通道尽可能短，时间滞后小（2）副回路应包含变化剧烈频繁幅度大主要干扰,但包含干扰不宜太多四.串级控制系统的设计1副回路的设计与副参数的选择23（1）副参数必须是物理上可测的，（2）副回路应包含变化剧烈频TCPCTTPT原料油给定燃料油T1CT1TT2CT2T原料油燃料油给定原料油出口温度与燃油阀后压力串级控制适合于燃油压力是主要干扰原料油出口温度与炉膛温度串级控制,适用燃料油压力稳定,但粘度成份热值波动场合24TCPCTTPT原料油给定燃料油T1CT1TT2CT2T原料(3)副参数的选择应使主副被控过程的时间常数适当匹配ω串ω单=1+T01/T02'1+T01/T021+(1+KC2KVKm2K02)T01/T021+T01/T02=当主副被控过程都用一阶惯性环节描述,且保证串级与单回路衰减系数相同时,前已得到:设(1+KC2KVKm2K02)=10作出下图:ω串/ω单246810246810T01/T02由图可见:串级相对于单回路,其工作频率的增长在T01/T02较小时较为明显;另外,若副过程的时间常数太小,则包含干扰少,要合适一般振荡频率ω主/ω副＞325(3)副参数的选择应使主副被ω串ω单=1+T01/T02'(4)副参数的选择应考虑工艺的合理性和经济性冷却器LTLCTCTT出料液态冷剂气态冷剂进料给定冷却器LTLCPTTC出料液态冷剂气态冷剂进料PCTT给定给定冷却器温度串级控制两种方案冷却液位为副参数该方案投资少，适用于温度控制要求不太高的场合冷剂蒸发压力为副参数，投资多,但副回路灵敏度高温度控制质量高26(4)副参数的选择应考虑冷却器LTLCTCTT出料液态冷剂气串级控制中,主副调节起作用不同,主调节器起定值控制作用,副调节器起随动控制作用,这是选择调节规律的基本出发点。主被控参数是控制的主要指标,要求无静差,主调节器应选PI或PID副被控参数的设置是为了保证主参数的控制质量,允许在一定范围内变化,允许有静差,只要选P控制规律就可以了,一般不引入I,因I会延长控制过程,减弱其快速作用但选流量为副参数时,为保持系统稳定,比例控制要偏弱,在这种情况下,可以引入I.采用PI控制规律,增强控制作用副调节器不引入D控制,这样会使调节阀动作过大,对控制不利2主、副调节器调节规律的选择27串级控制中,主副调节起作用不同,主调节器起定值控制作选择方法(1)由工艺要求决定调节阀的开或关形式(2)决定副调节器的正或反作用(3)由主副参数关系决定主调节器的正或反作用主副调节器正反作用方式的选择是使整个系统为负反馈,主通道各环节放大系数乘积的极性必须为正3主副调节器正反作用方式的确定28选(1)由工艺要求决定调节阀的开或关形式(2)决定副调节器的工艺安全:燃料油阀用气开,KV为正阀开大，炉膛温度升高,则K02为正为保证副回路为负反馈,KC2应为正即为反作用调节器炉膛温度升高,出口温度也升高,则K01也为正为保证整个回路为负反馈KC1应为正,为反作用调节器T1CT1TT2CT2T燃料物料T1主副给定29工艺安全:燃料油阀用气开,KV为正阀开大，炉膛温度升高,则K调节器正反作用选择的各种情况表:序号12345678主对象(K01)正正正正负负负负副对象(K02)正正正正负负负负正(气开)正(气开)正(气开)正(气开)负(气关)负(气关)负(气关)负(气关)调节阀(KV)主调节器(KC1)正(反作用)正(反作用)正(反作用)正(反作用)负(正作用)负(正作用)负(正作用)负(正作用)副调节器(KC2)正(反作用)正(反作用)正(反作用)正(反作用)负(正作用)负(正作用)负(正作用)负(正作用)30调节器正反作用选择的各种情况表:序号12345678主对象(串级比单回路控制系统的参数整定要复杂,一般尽量加大副调节器的增益以提高副环的工作频率,使主副工作频率错开,减少相互影响。五.串级控制系统的参数整定31串级比单回路控制系统的参数整定要复杂,一般尽量加大副调节器的1.逐步逼近法(1)先不考虑主回路,先整定副调节器参数,用任一种单回路方法求得副调节器参数[GC2]1(2)将副回路等效为一个环节,用任一种单回路方法求得主调节器参数[GC1]1(3)按上述结果,将主回路闭合,再求取副调节器参数[GC2]2,完成一次循环观察系统在[GC1]1和[GC2]2作用下的控制曲线,如不满足要求,继续上述方法,直到获得控制过程质量指标的调节参数为止321.逐步逼近法(2)将副回路等效为一个环节,用任一种单回路2.两步整定法(1)工况稳定,主副回路闭合情况下,主调为纯比例运行,δ1=100%用4:1衰减法整定副调节器参数,求得比例度[δ2]和操作周期[T2](2)将副回路等效为一个环节,用相同方法求得主调的[δ1]和操作周期[T1],根据[δ2],[T2],[δ1],[T1]按经验公式求主副调节器的比例度,积分时间和微分时间,再按先副后主先比例后积分再微分的次序投入运行,观察曲线,必要时调整参数,此法适于T01/T02在3--10范围内,这时主副工作频率和操作周期相差较大动态联系小，因此，副调节器参数整定好以后，可把副回路作为主回路的一个环节，按单回路控制系统的方法整定主调节器的参数，而不必考虑主调节器参数变化对副回路的影响332.两步整定法(2)将副回路等效为一个环节,用相同方法求得3一步整定法根据副过程的特性或经验先确定副调节器的参数,然后再按单回路控制系统的方法整定主调节器的参数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,在0＜KC1KC2≤0.5的条件下,KC1KC2=KS(为系统在纯比例作用下产生4:1衰减过程的总放大系数,当主、副过程的特性一定时,KS为一常数）(1)纯比例作用,由KC1KC2≤0.5确定KC2,设置在副调节器上(2)按单回路控制系统的衰减曲线法,整定主调节器的参数(3)观察控制过程,根据KC1和KC2互相匹配的原理,调整调节器的参数,使主被控参数满足工艺要求343一步整定法根据副过程的特性或经验先确定副调节器的参数,4应用举例硝酸生产过程中,有一个氧化炉温度与氨气流量的串级控制系统,炉温为主被控参数,要求高;氨气流量为副参数,允许在一定范围内变化.主调节器采用PI控制规律，副调节器采用P控制规律，用两步整定法整定主副调节器的参数354应用举例硝酸生产过程中,有一个氧化炉温度与氨气流量的3解：（1）在工况稳定运行的情况下，主副调节器均置于纯比例作用主调节器的比例度δ1置于100%，用4:1衰减曲线法整定副调节器参数，得δ2S=32%,T2S=15S（2）将副调节器的比例度置于32%，用相同的方法，将主调节器的比例度由大到小逐渐调节，求得δ1=50%，T1S=7min（3）由上述求得的参数，运用4：1衰减曲线法计算公式，计算出：

主调节器（温度调节器）：比例度：δ1=1.2δ1S=1.2×50%=60%积分时间：T1=0.5T1S=3.5min

副调节器（流量调节器）：比例度：δ2=δ2S=32%36解：（1）在工况稳定运行的情况下，主副调节器均置于纯比4、调节主控制器手操输出，使副控制器的偏差为零5、分别将副、主控制器切入自动

1、主、副控制器手动位置，主控制器内给定、副控制器外给定，正反作用正确，PID参数正确2、副控制器手动操作3、通过副参数的变化，使主参数接近给定值，而副参数变化也比较平稳投运步骤374、调节主控制器手操输出，使副控制器的偏差为零1、主、副控制第二节前馈控制系统反馈控制的局限性理想的过程控制要求被控参数在过程特性呈现大的容量滞后和大的纯滞后和多干扰的情况下，持续保持在工艺要求的数值上，但反馈控制永远不能实现这种理想控制，因为调节器只有在输入被控参数与给定值之差后才发出控制指令，即系统在控制过程中必存在偏差，有缺点一.前馈控制的基本概念反馈亡羊补牢偏差38第二节前馈控制系统反馈控制的局限性理想的过程控制要求被控前馈控制又称干扰补偿,是按照引起被控参数变化的干扰大小进行控制的,当干扰刚出现又能测量出时,调节器就发出调节信号使调节参数作响应变化,二者相互抵消于被控参数发生偏差之前,也就是说,前馈调节对干扰克服比反馈调节要快前馈防患于未然干扰39前馈控制又称干扰补偿,是按照引起被控参数变化的干扰大小进行控FTTCFCTT冷凝水Q热物料蒸汽反馈控制前馈控制引起出口温度变化的干扰有冷物料的流量与初温,蒸汽压力等,但最主要的是流量Q在Q发生变化时,反馈控制:待T变化后开始动作调节阀改变流量,经换热器的惯性使出口温度变化,反映出调节效果使出口温度产生较大的动态偏差前馈控制:直接根据冷物料流量的变化由一个前馈调节器FC立即控制调节阀,在出口温度未变化前,及时对Q的干扰进行补偿,构成前馈控制40FTTCFCTT冷凝水Q热物料蒸汽反馈前馈控制引起出口温度变前馈控制系统框图干扰F(S)到被控量Y(S)有两个通道:干扰通道GF(S)产生干扰作用,和经测量仪表GH(S)及前馈控制器GB(S)产生控制作用,对输出的作用相反GB(S)G0(S)GF(S)F(S)Y(S)GH(S)Y(S)F(S)=GF(S)+GB(S)G0(S)若GB(S)选得合适,就可以做到F(S)对Y(S)不产生影响由上式得到完全不变性的条件为:GF(S)+GB(S)G0(S)=0即GB(S)=-GF(S)G0(S)41前馈控制系统框图干扰F(S)到被控量Y(S)有两个GB(S)特点(1)前馈控制是开环控制,因被控参数的数值没有反馈,得不到检验(2)前馈控制是一种按干扰大小进行补偿的控制方法,即将干扰的大小通过前馈控制器和控制通道的作用及时有效的抑制干扰对被控参数的影响,不同于反馈控制,要等被控参数产生偏差后才进行控制(3)前馈控制的调节规律与常规PID调节规律不同,是由过程特性决定的,所以,它是一个专用控制器,不同的过程特性,调节规律不同(4)前馈控制只能抑制可测不可控的干扰对被控参数的影响,如干扰是不可测的,就不能进行前馈控制;如干扰是可测且可控的,只要设计一个定值控制系统就可以了二.前馈控制的特点及局限性42特(1)前馈控制是开环控制,因被控参数的数值没有反馈,得不到局限性前馈控制是减少被控参数动态偏差的一种有效方法,但实际上做不到对干扰的完全补偿,原因有下面几条:(1)在实际工业生产过程中,引起被控参数变化的干扰很多,不可能对每一个干扰使用一套独立的前馈控制器(2)对不可测的干扰无法进行前馈控制(3)GF(S)和G0(S)决定前馈控制器的调节规律,但GF(S)和G0(S)的精确值很难得到且很难实现一般情况下,为了获得满意的控制效果,常把前馈控制和反馈控制结合起来,组成前馈--反馈复合控制系统,一方面前馈控制有效减少干扰对被控参数的动态影响,另一方面则利用反馈控制使被控参数稳定在给定值上,保证系统有较高的控制精度43局前馈控制是减少被控参数动态偏差的一种有效方法,但实际上做不1静态前馈控制系统前馈控制器调节规律为比例特性,GB(0)=-GF(0)/G0(0)=-KB其大小由干扰通道和控制通道的静态放大系数决定静态前馈控制的控制目标是使被控参数最终的静态偏差接近或等于零,而不考虑由于两个通道时间常数的不同而引起的动态偏差静态前馈控制比较简单,不需要专用控制器,用DDZ仪表的比例调节器或比值器就可,在实际的生产过程中,若两个通道时间常数相差不大,就可用静态前馈控制,可获得较高的控制精度三.前馈控制的几种结构形式441静态前馈控制系统前馈控制器调节规律为比例特性,GB(0静态前馈换热器控制系统例子FTFC冷凝水Q热物料蒸汽前馈控制冷物料稳态能量平衡关系:Q0H0=QfCP(T2-T1)Q0:热蒸汽流量H0:蒸汽汽化潜热Qf:冷物料流量CP:冷物料比热T1T2:冷热物料温度T2=T1+Q0H0QfCP设T1不变则控制通道的静态放大系数为:K0=dT2dQ0=H0QfCP干扰通道的静态放大系数为:Kf=dQf=-Q0H0Qf-2

dT2CP=T2-T1QfKB=-Kf/K0=CP(T2-T1)H0比例即可45静态前馈换热器控制系统例子FTFC冷凝水Q热物料蒸汽前馈控制2动态前馈控制系统静态前馈控制只能保证被控参数的静态偏差接近或等于零,不能保证动态偏差接近或等于零,如需严格控制动态偏差,要用动态前馈控制动态前馈控制要根据过程干扰通道和控制通道的动态特性,采用专用控制器,GB(S)=-Gf(S)/G0(S)但Gf(S)和G0(S)的精确模型较难得到或较难实现,一般动态前馈控制系统结构复杂,要求控制质量很高时才使用462动态前馈控制系统静态前馈控制只能保证被控参数的静态偏差3前馈--反馈复合控制.FTTCFCTT∑蒸汽冷物料热物料给定换热器示意图GB(S)GF(S)GC(S)G0(S)Gm(S)F(S)X(S)Y(S)-前馈--反馈控制框图由热物料的温度T和冷物料的流量Q综合决定阀的开度Y(S)=GC(S)G0(S)1+GC(S)G0(S)X(S)+GF(S)+GB(S)G0(S)1+GC(S)G0(S)F(S)473前馈--反馈复合控制.FTTCFCTT∑蒸冷物料热物料设Gm(S)=1,在F(S)作用下的框图如右Y(S)=GC(S)G0(S)1+GC(S)G0(S)X(S)+GF(S)+GB(S)G0(S)1+GC(S)G0(S)F(S)若实现完全对干扰补偿则上式第二项为零,即GF(S)+GB(S)G0(S)=0或GB(S)=-GF(S)/G0(S)由上式可见，前馈--反馈复合控制系统对干扰F（S）完全补偿的条件与开环前馈控制相同，但F（S）对输出的影响小1+GC(S)G0(S)倍，体现了前馈--反馈控制的优越性GB(S)GF(S)GC(S)G0(S)F(S)Y(S)-48设Gm(S)=1,在F(S)Y(S)=GC(S)G0(复合控制系统的特征方程式：1+GC(S)G0(S)=0系统的特征方程只与GC(S)和G0(S)有关，与GB（S）无关，也就是说与前馈控制器无关，说明加与不加前馈控制器不影响系统的稳定性，在系统设计时，可以先根据闭环控制系统的设计方法进行，而暂不考虑前馈控制器的作用，使系统满足稳定性要求和一定的过渡过程品质要求。当闭环系统确定后，再根据不变性原理设计前馈控制器49复合控制系统的特征方程式：1+GC(S)G0(S)=0系1前馈控制系统的选用原则（1）当系统的干扰变化频率高，幅度大，可测而不可控，可引入前馈控制（2）在控制通道的滞后比较大，时间常数比干扰通道的时间常数大，反馈又不及时时，可引入前馈控制（3）主要干扰无法用串级控制使其包含在副回路或副回路滞后较大时，可引入前馈控制（4）经济性原则：一般地说，宁选静态前馈，不选动态前馈四.前馈控制系统选用原则及应用实例501前馈控制系统的选用原则（1）当系统的干扰变化频率高，幅2前馈控制系统工业应用实例（1）葡萄糖浓度前馈--反馈控制系统蒸发：借加热作用使溶液浓缩或溶质析出的物理操作过程，下面一例为葡萄糖生产过程中蒸发器浓度控制系统的例子影响葡萄糖浓度主要因素：进料浓度温度流量，加热蒸汽压力流量。构成以加热蒸汽流量为前馈信号，以温差为被控参数，进料溶液为控制参数前馈--反馈控制系统由蒸发工艺知：在压力一定下，溶液浓度同溶液沸点与水的沸点之差有单值对应关系512前馈控制系统工业应用实例（1）葡萄糖浓度前馈--反馈控TT∑FTFCTT升降膜式蒸发器TC∑汽体50%液体73%液体蒸汽浓缩液汽液分离器冷凝水52TT∑FTFCTT升降膜式TC∑汽体50%73%液体蒸浓汽液（2）锅炉给水控制系统汽包水位是主要工艺指标水位过高，汽中带水，易损坏汽轮机叶片，降低蒸汽产量；水位过低，烧干锅炉，要严格控制水位锅炉的蒸汽流量和给水流量是主要干扰，蒸汽流量随用户而变不可控，给水流量可作为控制参数FTLTLCFTFCKB∑给水Q蒸汽汽包给定53（2）锅炉给水控制系统汽包水位是主要工艺指标锅炉的蒸汽流量和虚假水位：蒸汽用量突增时，汽包压力突降，沸腾加剧，汽化加速，汽泡量突增，形成水位升高的假象

蒸汽用量突降时，汽包压力突升，沸腾暂停，汽化减缓，汽泡量突降，形成水位下降的假象一般用蒸汽流量为前馈信号，汽包水位（主）和给水流量（副）串级，构成前馈--反馈串级控制系统54虚假水位：蒸汽用量突增时，汽包压力突降，沸腾加剧，一般用蒸汽GC1(S)GC2(S)GV(S)GO2(S)GO1(S)Gm2(S)Gm1(S)GB(S)GF(S)--X(S)F1(S)蒸汽流量变化给水流量测量F2(S)水流量变化Y(S)液位测量锅炉控制系统框图55GC1(S)GC2(S)GV(S)GO2(S)GO1(S)G第三节大时延过程的补偿控制系统一.概述一般情况下,一个过程的动态特性,既有纯时延τ又有惯性时间常数T通常用τ/T的比值衡量纯时延的大小若τ/T＜0.3为一般纯时延过程若τ/T＞0.3为大纯时延过程56第三节大时延过程的补偿控制系统一.概述一般情况下,一个过程大纯时延过程是公认的较难控制的过程,主要原因:1.控制作用的依据--测量信号提供不及时2.干扰作用不能及时发现3.纯时延的增加引起开环相频特性相角滞后的增大开环频率特性包围(-1,j0)点的可能性也增大,使闭环系统的稳定裕度下降,必须减小调节器的放大系数,造成调节质量的下降一般在过控中,采用史密斯预估控制或改进型史密斯预估控制来对大时延过程进行控制57大纯时延过程是公认的较难控制的过程,主要原因:一般在过控中,预先估计出过程在干扰作用下的动态特性,然后由预估器进行补偿使被时延了τ时间的被控量超前反映到调节器的输入端,使调节器提前动作,明显减小超调量和加速调节过程二.史密斯预估控制系统系统方框图：GC(S)GB(S)G0e-τSX(S)U(S)Y(S)Y'(S)58预先估计出过程在干扰作用下的动态特性,然后由预估器进行补偿使GC(S)GB(S)G0e-τSX(S)U(S)Y(S)Y'(S)无GB(S)则Y(S)/u(S)=G0e-τS

调节器信号作用后被控量延时τ之后才返回到调节器采用预估补偿器之后,Y'(S)/u(S)=G0e-τS+GB(S)为使Y'(S)不致延时τ,则Y'(S)/u(S)=G0(S)=G0e-τS+GB(S)则GB(S)=G0(S)(1-e-τS)称为史密斯预估器59GC(S)GB(S)G0e-τSX(S)U(S)Y(S)Y'史密斯预估控制系统的实施GC(S)G0(S)e-τSG0(S)e-τSX(S)Y(S)F(S)--GB(S)闭环传递函数:Y(S)X(S)=GC(S)G0(S)e-τs/[1+GC(S)G0(S)(1-e-τs)]1+GC(S)G0(S)e-Τs/[1+GC(S)G0(S)(1-e-Τs)]=GC(S)G0(S)e-τs1+GC(S)G0(S)在特征方程中不包含e-τs说明系统已消除纯时延对系统控制品质的影响,只是被控量y(t)的响应比预定值时延了τ的时间60史密斯预估控制系统的实施GC(S)G0(S)e-τSG0(S预估器模型与掌握过程特性的精度有关，无论模型的精度或运行条件的变化都将影响控制效果，后来人们又提出了增益自适应补偿控制方案，称之为改进型史密斯预估控制系统U(S)=GC(S)[X(S)-Y'(S)]Y'(S)=D1(S)D3(S)D1(S)=G'0(S)U(S)D3(S)=(1+τS)D2(S)D2(S)=A/BA=Y(S)=U(S)G0(S)e-τSGC(S)G0(S)e-τSG'0(S)e-τSF(S)A/B1+τS×ABY(S)X(S)--D1(S)Y'(S)D2(S)D3(S)U(S)系统结构图:三.改进型史密斯预估控制系统61预估器模型与掌握过程特性的精度有关，无论模型的精度或U(S)若G'0(S)=G0(S)则D2(S)=A/B≡1D3(S)≡1前图等效为:GC(S)G0(S)e-τSG0(S)F(S)-Y(S)-X(S)过程的纯时延已经有效排除在控制回路之外,只要G0(S)较为准确复现过程特性,就可获得比较理想的控制效果;当G'0(S)≠G0(S)时,D2(S)随时间变化,由(1+τS)超前环节校正,达到增益自适应预估补偿的目的62若G'0(S)=G0(S)则D2(S)=A/B≡1第六章常用高性能过程控制系统魏莉weili@机电工程学院测控系63第六章常用高性能过程控制系统魏莉1第一节串级控制系统一.串级控制系统的基本概念化学反应釜单回路控制进料(F1)出水口出料冷却水(F2)T1流量调节阀夹套TTTCTr给定测温调温64第一节串级控制系统一.串级控制系统的基本概念化学反应釜单调节器调节阀夹套釜壁釜温度测量变送器F2F1Tr-化学反应釜单回路控制进料(F1)出水口出料冷却水(F2)T1流量调节阀夹套TTTCTr给定测温调温被控过程有三个热容:夹套冷却水,釜壁,物料干扰F1:进料流量,进料温度,进料化学成分干扰F2

:冷却水温度,阀前压力65调节器调节阀夹套釜壁釜温度测量变送器F2F1Tr-化学反应釜化学反应釜温度与夹套温度串级控制F2干扰由T2T测出并及时反馈T2C，T1的变化由T1T测出,并与设定值T1r比较,其结果作为T2C的给定值。即两个调节器串联在一起工作,各自完成不同任务。进料(F1)出水口出料冷却水(F2)T1流量调节阀夹套T1TT2TT1r给定T1CT2CT266化学反应釜温度与夹套温度串级控制F2干扰由T2T测出

反应釜的温度控制

夹套温度到被控变量的设备

从冷水量到夹套温度的设备

出口温度

夹套温度

出口温度

冷却水

冷却水

被控对象1

被控对象2

67反应釜的温度控制夹套温度到被控变量的设备从冷水量到夹套串级控制系统在结构上有两个闭环,其中副环的输出直接送往调节阀直接控制生产过程,串级控制系统比单回路控制系统多了一个测量变送器和一个调节器,增加的仪表不算多,但控制效果却得到显著改善串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，在过程控制中得到了广泛地应用。串级控制系统框图主调节器副调节器调节阀副对象主对象副变送器主变送器设定值副参数一次扰动二次扰动主参数--68串级控制系统在结构上有两个闭环,其中副环的输出直接送二.串级控制系统的控制效果分析GC1(S)GC2(S)GV(S)GO2(S)GO1(S)Gm2(S)Gm1(S)F1(S)F2(S)--X1(S)X2(S)Y1(S)Y2(S)69二.串级控制系统的控制效果分析GC1(S)GC2(S)GV(1.能迅速克服进入副回路的干扰,

抗干扰能力强,控制质量高GC2(S)GV(S)GO2(S)Gm2(S)F2(S)-Y2(S)F2(S)作用下副回路的传递函数:G*O2(S)=Y2(S)/F2(S)=GO2(S)1+GO2(S)GC2(S)GV(S)Gm2(S)GC1(S)GC2(S)GV(S)G*O2(S)GO1(S)Gm1(S)F1(S)F2(S)-X1(S)X2(S)Y1(S)Y2(S)前图等效为701.能迅速克服进入副回路的干扰,

抗干扰能力强,控制质量高GY1(S)X1(S)=GC1(S)GC2(S)GV(S)G*02(S)G01(S)1+GC1(S)GC2(S)GV(S)G*02(S)G01(S)Gm1(S)给定信号作用1式Y1(S)F2(S)=G*02(S)G01(S)1+GC1(S)GC2(S)GV(S)G*02(S)G01(S)Gm1(S)干扰F2作用2式GC1(S)GC2(S)GV(S)G*O2(S)GO1(S)Gm1(S)F1(S)F2(S)-X1(S)X2(S)Y1(S)Y2(S)71Y1(S)X1(S)=GC1(S)GC2(S)GV(S)G*1式越接近“1”,系统控制性能越好2式越接近“0”,系统抗干扰能力越强Y1(S)/X1(S)Y1(S)/F2(S)=GC1(S)GC2(S)GV(S)Y1(S)/X1(S)Y1(S)/F2(S)=KC1KC2KV则(1)GC1(S)=KC1

GC2(S)=KC2

GV(S)=KV设721式越接近“1”,系统控制性能越好2式越接近“0”,系统抗GC(S)GV(S)GO2(S)GO1(S)Gm1(S)F1(S)F2(S)-X1(S)如用单回路控制:Y1(S)GC(S)=KC

GV(S)=KV设Y1(S)/X1(S)Y1(S)/F2(S)=KCKV(2)则Y1(S)X1(S)=GC(S)GV(S)G02(S)G01(S)1+GC(S)GV(S)G02(S)G01(S)Gm1(S)Y1(S)F2(S)=G02(S)G01(S)1+GC(S)GV(S)G02(S)G01(S)Gm1(S)Y1(S)/X1(S)Y1(S)/F2(S)=GC(S)GV(S)73GC(S)GV(S)GO2(S)GO1(S)Gm1(S)F1Y1(S)/X1(S)Y1(S)/F2(S)=KCKV(2)

比较(1)(2)式,一般有KC1KC2＞

KC，也就是说,串级控制系统能迅速克服进入副回路的二次干扰,大大减小二次干扰对主参数的影响,副回路也使总放大系数提高了,提高了信噪比Y1(S)/X1(S)Y1(S)/F2(S)=KC1KC2KV(1)串级控制单回路控制74Y1(S)/X1(S)Y1(S)/F2(S)=KCKV(其传递函数Y2(S)X2(S)=GC2(S)GV(S)GO2(S)1+GC2(S)GV(S)GO2(S)Gm2(S)G02(S)

=副回路框图GC2(S)GV(S)GO2(S)Gm2(S)F2(S)-X2(S)Y2(S)2.改善过程的动态特性,提高系统的工作频率G02(S)=K02/(T02S+1),GC2(S)=KC2

GV(S)=KV,Gm2(S)=Km2设75其传递函数Y2(S)X2(S)=GC2(S)GV(S)GO2其中T02’＜＜T02由于副回路的存在，改善了系统的动态特性，等效过程的时间常数缩小了1+KC2KVKm2K02倍，对于单容或双容副被控过程，KC2可取较大数值，则可使T02’减小为一个很小数值，加快副回路响应速度,提高整个系统的工作频率76其中T02’＜＜T02由于副回路的存在，改善串级控制系统特征方程1+GC1(S)G'02(S)G01(S)Gm1(S)=0则1+KC1K'02K01Km1/(T'02S+1)(T01S+1)=0GC1(S)=KC1G01(S)=K01/(T01S+1)Gm1(S)=Km1G'02(S)如前所得设S2+T01+T02'T01T02'S+1+KC1K'02K01Km1T01T02'=0S2+2ζω0S+ω02=0T01T02'T01+T02'√1-ζ2工作频率ω串=ω0√1-ζ2=2ξ77串级控制系统特征方程1+GC1(S)G'02(S)G单回路控制系统特征方程1+GC(S)GV(S)G02(S)G01(S)Gm1(S)=0工作频率ω单=ω'0√1-ζ'2=2ξ'√1-ζ'2T01+T02T01T02S2+T01+T02T01T02S+1+KCKVK02K01Km1T01T02=0代入各环节传递函数得如果衰减系数ζ和ζ'相同，可得：ω串ω单=（T01+T02'）/T01T02'（T01+T02）/T01T02=1+T01/T02'1+T01/T02由于T01/T02'＞＞T01/T02所以ω串＞＞ω单78单回路控制系统特征方程1+GC(S)GV(S)G02(S)G由于生产过程的非线性，在一定的负荷下，也就是说在确定的工作点情况下，按一定控制质量指标整定的调节器参数只适应于工作点附近的小范围，若负荷变化过大超出此范围，控制质量就下降。3.对负荷和操作条件的变化适应性强串级控制系统可以大大提高控制质量！79由于生产过程的非线性，在一定的负荷下，也就是说在确定对很多温度或质量指标为被控参数的过程,其容量滞后往往比较大,对控制质量要求又比较高,宜采用串级控制系统。三.串级控制系统的应用范围1应用于容量滞后较大的过程如加热炉温度串级控制系统T1CT1TT2CT2T燃料物料T1主副给定为保T1为一定值,选燃料流量为调节参数,但炉子时常和容滞大干扰较多,又选时滞较小的炉膛温度为副参数,构成出口温度对炉膛温度的的串级控制系统,用副回路的快速反应,有效提高控制质量,满足工艺上的高要求。80对很多温度或质量指标为被控参数的过程,其容量滞后往往纺丝胶液压力与压力串级控制由于从压力泵到过滤器前距离较长,胶液粘度又大,纯时延较长。为保证P1为250Kpa,在靠近压力泵出口选一测压副参数,构成压力与压力的串级控制系统,一般选的副参数时延要小。混合器压力泵P2CP1TP1CP2T胶液冷却水冷却器水过滤器给定喷头主副2应用于纯时延较大的过程81纺丝胶液压力与压力串级控制由于从压力泵到过滤器前距离锅炉三冲量液位串级控制LTFTFT∑LCFC水蒸汽汽包给定液位副回路主回路3应用于干扰变化激烈且幅度大的过程工业生产过程中，用水和用汽场合很多，蒸汽流量和水压变化既频繁激烈又幅度大，汽包容量又小，故汽包液位很重要，常以蒸汽流量和水流量综合作用作为副回路测量值，同液位一起成串级控制系统，即所谓的三冲量液位串级控制系统。它把多冲量与串级控制结合起来，比一般三冲量控制系统对液位有更强的控制调节能力。串级控制系统的副回路对于进入其中的干扰有强的克服能力，所以设计时，要将幅度大变化剧烈的干扰包在副回路中，减少对主参数影响。82锅炉三冲量液位串级控制LTFTFT∑LCFC水蒸汽汽包给定副一线温度与塔顶温度串级控制常压塔T2TT1TT2CT1C塔顶汽油一线煤油回流给定副两个互相关联的参数需要用同一个介质控制，如上常压塔塔顶出口温度和一线温度都由回流量来控制4应用于参数互相关联的过程83一线温度与塔顶温度串级控制常压塔T2TT1TT2CT1C塔顶T2TT1TT2CT1C混合气换热器合成反应器温度串级控制系统5应用于非线性过程换热器有较大非线性,当负荷或操作条件变化时,要想保持系统原有衰减率不变,必须不断改变调节器的整定参数,显然不可能,现以反应器中部温度为主被控参数,换热器出口温度为副被控参数,在副回路中包括了非线性特性的主要部分,可根据负荷和操作条件的变化,自动调整副调节器的给定值,使系统运行在新工作点,使主被控参数保持平稳。84T2TT1TT2CT1C混合气换热器合成反应器温度串级控制系（1）副参数必须是物理上可测的，副回路的时间常数不能太大，调节通道尽可能短，时间滞后小（2）副回路应包含变化剧烈频繁幅度大主要干扰,但包含干扰不宜太多四.串级控制系统的设计1副回路的设计与副参数的选择85（1）副参数必须是物理上可测的，（2）副回路应包含变化剧烈频TCPCTTPT原料油给定燃料油T1CT1TT2CT2T原料油燃料油给定原料油出口温度与燃油阀后压力串级控制适合于燃油压力是主要干扰原料油出口温度与炉膛温度串级控制,适用燃料油压力稳定,但粘度成份热值波动场合86TCPCTTPT原料油给定燃料油T1CT1TT2CT2T原料(3)副参数的选择应使主副被控过程的时间常数适当匹配ω串ω单=1+T01/T02'1+T01/T021+(1+KC2KVKm2K02)T01/T021+T01/T02=当主副被控过程都用一阶惯性环节描述,且保证串级与单回路衰减系数相同时,前已得到:设(1+KC2KVKm2K02)=10作出下图:ω串/ω单246810246810T01/T02由图可见:串级相对于单回路,其工作频率的增长在T01/T02较小时较为明显;另外,若副过程的时间常数太小,则包含干扰少,要合适一般振荡频率ω主/ω副＞387(3)副参数的选择应使主副被ω串ω单=1+T01/T02'(4)副参数的选择应考虑工艺的合理性和经济性冷却器LTLCTCTT出料液态冷剂气态冷剂进料给定冷却器LTLCPTTC出料液态冷剂气态冷剂进料PCTT给定给定冷却器温度串级控制两种方案冷却液位为副参数该方案投资少，适用于温度控制要求不太高的场合冷剂蒸发压力为副参数，投资多,但副回路灵敏度高温度控制质量高88(4)副参数的选择应考虑冷却器LTLCTCTT出料液态冷剂气串级控制中,主副调节起作用不同,主调节器起定值控制作用,副调节器起随动控制作用,这是选择调节规律的基本出发点。主被控参数是控制的主要指标,要求无静差,主调节器应选PI或PID副被控参数的设置是为了保证主参数的控制质量,允许在一定范围内变化,允许有静差,只要选P控制规律就可以了,一般不引入I,因I会延长控制过程,减弱其快速作用但选流量为副参数时,为保持系统稳定,比例控制要偏弱,在这种情况下,可以引入I.采用PI控制规律,增强控制作用副调节器不引入D控制,这样会使调节阀动作过大,对控制不利2主、副调节器调节规律的选择89串级控制中,主副调节起作用不同,主调节器起定值控制作选择方法(1)由工艺要求决定调节阀的开或关形式(2)决定副调节器的正或反作用(3)由主副参数关系决定主调节器的正或反作用主副调节器正反作用方式的选择是使整个系统为负反馈,主通道各环节放大系数乘积的极性必须为正3主副调节器正反作用方式的确定90选(1)由工艺要求决定调节阀的开或关形式(2)决定副调节器的工艺安全:燃料油阀用气开,KV为正阀开大，炉膛温度升高,则K02为正为保证副回路为负反馈,KC2应为正即为反作用调节器炉膛温度升高,出口温度也升高,则K01也为正为保证整个回路为负反馈KC1应为正,为反作用调节器T1CT1TT2CT2T燃料物料T1主副给定91工艺安全:燃料油阀用气开,KV为正阀开大，炉膛温度升高,则K调节器正反作用选择的各种情况表:序号12345678主对象(K01)正正正正负负负负副对象(K02)正正正正负负负负正(气开)正(气开)正(气开)正(气开)负(气关)负(气关)负(气关)负(气关)调节阀(KV)主调节器(KC1)正(反作用)正(反作用)正(反作用)正(反作用)负(正作用)负(正作用)负(正作用)负(正作用)副调节器(KC2)正(反作用)正(反作用)正(反作用)正(反作用)负(正作用)负(正作用)负(正作用)负(正作用)92调节器正反作用选择的各种情况表:序号12345678主对象(串级比单回路控制系统的参数整定要复杂,一般尽量加大副调节器的增益以提高副环的工作频率,使主副工作频率错开,减少相互影响。五.串级控制系统的参数整定93串级比单回路控制系统的参数整定要复杂,一般尽量加大副调节器的1.逐步逼近法(1)先不考虑主回路,先整定副调节器参数,用任一种单回路方法求得副调节器参数[GC2]1(2)将副回路等效为一个环节,用任一种单回路方法求得主调节器参数[GC1]1(3)按上述结果,将主回路闭合,再求取副调节器参数[GC2]2,完成一次循环观察系统在[GC1]1和[GC2]2作用下的控制曲线,如不满足要求,继续上述方法,直到获得控制过程质量指标的调节参数为止941.逐步逼近法(2)将副回路等效为一个环节,用任一种单回路2.两步整定法(1)工况稳定,主副回路闭合情况下,主调为纯比例运行,δ1=100%用4:1衰减法整定副调节器参数,求得比例度[δ2]和操作周期[T2](2)将副回路等效为一个环节,用相同方法求得主调的[δ1]和操作周期[T1],根据[δ2],[T2],[δ1],[T1]按经验公式求主副调节器的比例度,积分时间和微分时间,再按先副后主先比例后积分再微分的次序投入运行,观察曲线,必要时调整参数,此法适于T01/T02在3--10范围内,这时主副工作频率和操作周期相差较大动态联系小，因此，副调节器参数整定好以后，可把副回路作为主回路的一个环节，按单回路控制系统的方法整定主调节器的参数，而不必考虑主调节器参数变化对副回路的影响952.两步整定法(2)将副回路等效为一个环节,用相同方法求得3一步整定法根据副过程的特性或经验先确定副调节器的参数,然后再按单回路控制系统的方法整定主调节器的参数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,在0＜KC1KC2≤0.5的条件下,KC1KC2=KS(为系统在纯比例作用下产生4:1衰减过程的总放大系数,当主、副过程的特性一定时,KS为一常数）(1)纯比例作用,由KC1KC2≤0.5确定KC2,设置在副调节器上(2)按单回路控制系统的衰减曲线法,整定主调节器的参数(3)观察控制过程,根据KC1和KC2互相匹配的原理,调整调节器的参数,使主被控参数满足工艺要求963一步整定法根据副过程的特性或经验先确定副调节器的参数,4应用举例硝酸生产过程中,有一个氧化炉温度与氨气流量的串级控制系统,炉温为主被控参数,要求高;氨气流量为副参数,允许在一定范围内变化.主调节器采用PI控制规律，副调节器采用P控制规律，用两步整定法整定主副调节器的参数974应用举例硝酸生产过程中,有一个氧化炉温度与氨气流量的3解：（1）在工况稳定运行的情况下，主副调节器均置于纯比例作用主调节器的比例度δ1置于100%，用4:1衰减曲线法整定副调节器参数，得δ2S=32%,T2S=15S（2）将副调节器的比例度置于32%，用相同的方法，将主调节器的比例度由大到小逐渐调节，求得δ1=50%，T1S=7min（3）由上述求得的参数，运用4：1衰减曲线法计算公式，计算出：

主调节器（温度调节器）：比例度：δ1=1.2δ1S=1.2×50%=60%积分时间：T1=0.5T1S=3.5min

副调节器（流量调节器）：比例度：δ2=δ2S=32%98解：（1）在工况稳定运行的情况下，主副调节器均置于纯比4、调节主控制器手操输出，使副控制器的偏差为零5、分别将副、主控制器切入自动

1、主、副控制器手动位置，主控制器内给定、副控制器外给定，正反作用正确，PID参数正确2、副控制器手动操作3、通过副参数的变化，使主参数接近给定值，而副参数变化也比较平稳投运步骤994、调节主控制器手操输出，使副控制器的偏差为零1、主、副控制第二节前馈控制系统反馈控制的局限性理想的过程控制要求被控参数在过程特性呈现大的容量滞后和大的纯滞后和多干扰的情况下，持续保持在工艺要求的数值上，但反馈控制永远不能实现这种理想控制，因为调节器只有在输入被控参数与给定值之差后才发出控制指令，即系统在控制过程中必存在偏差，有缺点一.前馈控制的基本概念反馈亡羊补牢偏差100第二节前馈控制系统反馈控制的局限性理想的过程控制要求被控前馈控制又称干扰补偿,是按照引起被控参数变化的干扰大小进行控制的,当干扰刚出现又能测量出时,调节器就发出调节信号使调节参数作响应变化,二者相互抵消于被控参数发生偏差之前,也就是说,前馈调节对干扰克服比反馈调节要快前馈防患于未然干扰101前馈控制又称干扰补偿,是按照引起被控参数变化的干扰大小进行控FTTCFCTT冷凝水Q热物料蒸汽反馈控制前馈控制引起出口温度变化的干扰有冷物料的流量与初温,蒸汽压力等,但最主要的是流量Q在Q发生变化时,反馈控制:待T变化后开始动作调节阀改变流量,经换热器的惯性使出口温度变化,反映出调节效果使出口温度产生较大的动态偏差前馈控制:直接根据冷物料流量的变化由一个前馈调节器FC立即控制调节阀,在出口温度未变化前,及时对Q的干扰进行补偿,构成前馈控制102FTTCFCTT冷凝水Q热物料蒸汽反馈前馈控制引起出口温度变前馈控制系统框图干扰F(S)到被控量Y(S)有两个通道:干扰通道GF(S)产生干扰作用,和经测量仪表GH(S)及前馈控制器GB(S)产生控制作用,对输出的作用相反GB(S)G0(S)GF(S)F(S)Y(S)GH(S)Y(S)F(S)=GF(S)+GB(S)G0(S)若GB(S)选得合适,就可以做到F(S)对Y(S)不产生影响由上式得到完全不变性的条件为:GF(S)+GB(S)G0(S)=0即GB(S)=-GF(S)G0(S)103前馈控制系统框图干扰F(S)到被控量Y(S)有两个GB(S)特点(1)前馈控制是开环控制,因被控参数的数值没有反馈,得不到检验(2)前馈控制是一种按干扰大小进行补偿的控制方法,即将干扰的大小通过前馈控制器和控制通道的作用及时有效的抑制干扰对被控参数的影响,不同于反馈控制,要等被控参数产生偏差后才进行控制(3)前馈控制的调节规律与常规PID调节规律不同,是由过程特性决定的,所以,它是一个专用控制器,不同的过程特性,调节规律不同(4)前馈控制只能抑制可测不可控的干扰对被控参数的影响,如干扰是不可测的,就不能进行前馈控制;如干扰是可测且可控的,只要设计一个定值控制系统就可以了二.前馈控制的特点及局限性104特(1)前馈控制是开环控制,因被控参数的数值没有反馈,得不到局限性前馈控制是减少被控参数动态偏差的一种有效方法,但实际上做不到对干扰的完全补偿,原因有下面几条:(1)在实际工业生产过程中,引起被控参数变化的干扰很多,不可能对每一个干扰使用一套独立的前馈控制器(2)对不可测的干扰无法进行前馈控制(3)GF(S)和G0(S)决定前馈控制器的调节规律,但GF(S)和G0(S)的精确值很难得到且很难实现一般情况下,为了获得满意的控制效果,常把前馈控制和反馈控制结合起来,组成前馈--反馈复合控制系统,一方面前馈控制有效减少干扰对被控参数的动态影响,另一方面则利用反馈控制使被控参数稳定在给定值上,保证系统有较高的控制精度105局前馈控制是减少被控参数动态偏差的一种有效方法,但实际上做不1静态前馈控制系统前馈控制器调节规律为比例特性,GB(0)=-GF(0)/G0(0)=-KB其大小由干扰通道和控制通道的静态放大系数决定静态前馈控制的控制目标是使被控参数最终的静态偏差接近或等于零,而不考虑由于两个通道时间常数的不同而引起的动态偏差静态前馈控制比较简单,不需要专用控制器,用DDZ仪表的比例调节器或比值器就可,在实际的生产过程中,若两个通道时间常数相差不大,就可用静态前馈控制,可获得较高的控制精度三.前馈控制的几种结构形式1061静态前馈控制系统前馈控制器调节规律为比例特性,GB(0静态前馈换热器控制系统例子FTFC冷凝水Q热物料蒸汽前馈控制冷物料稳态能量平衡关系:Q0H0=QfCP(T2-T1)Q0:热蒸汽流量H0:蒸汽汽化潜热Qf:冷物料流量CP:冷物料比热T1T2:冷热物料温度T2=T1+Q0H0QfCP设T1不变则控制通道的静态放大系数为:K0=dT2dQ0=H0QfCP干扰通道的静态放大系数为:Kf=dQf=-Q0H0Qf-2

dT2CP=T2-T1QfKB=-Kf/K0=CP(T2-T1)H0比例即可107静态前馈换热器控制系统例子FTFC冷凝水Q热物料蒸汽前馈控制2动态前馈控制系统静态前馈控制只能保证被控参数的静态偏差接近或等于零,不能保证动态偏差接近或等于零,如需严格控制动态偏差,要用动态前馈控制动态前馈控制要根据过程干扰通道和控制通道的动态特性,采用专用控制器,GB(S)=-Gf(S)/G0(S)但Gf(S)和G0(S)的精确模型较难得到或较难实现,一般动态前馈控制系统