《過程控制工程》邵裕森主編（第2版）PPT課件

《過程控制工程》邵裕森主編（第2版）PPT課件,過程控制工程,過程,控制工程,邵裕森,主編,PPT,課件 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章第第 7 7 章章 復雜控制系統(tǒng)復雜控制系統(tǒng)簡簡單單控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)是是過過程程控控制制中中最最基基本本、應應用用最最廣廣的控制形式，約占全部控制系統(tǒng)的的控制形式，約占全部控制系統(tǒng)的80。但是：但是：q隨隨著著生生產(chǎn)產(chǎn)過過程程的的大大型型化化和和復復雜雜化化，操操作作條條件件更更加嚴格，變量之間的關(guān)系更加復雜。加嚴格，變量之間的關(guān)系更加復雜。q有些生產(chǎn)工藝和控制要求比較特殊。有些生產(chǎn)工藝和控制要求比較特殊。q隨隨著著技技術(shù)術(shù)發(fā)發(fā)展展，對對工工藝藝的的控控制制目目標標多多樣樣化化，如如產(chǎn)量、質(zhì)量、節(jié)能、環(huán)保、效率等。產(chǎn)量、質(zhì)量、節(jié)能、環(huán)保、效率等。為此，設計出各種復雜控制系統(tǒng)。為此，設計出各種復雜控制系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章 7.1 串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)當當對對象象的的滯滯后后較較大大，干干擾擾比比較較劇劇烈烈、頻頻繁繁時時，采采用用簡簡單單控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)往往往往控控制制質(zhì)質(zhì)量量較較差差，滿滿足足不不了了工工藝上的要求，這時可考慮采用串級控制系統(tǒng)。藝上的要求，這時可考慮采用串級控制系統(tǒng)。7.1.1串級控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作過程串級控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作過程串級控制是在簡單控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上的改進。串級控制是在簡單控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上的改進。例例 管管式式加加熱熱爐爐是是煉煉油油、化化工工生生產(chǎn)產(chǎn)中中的的重重要要裝裝置置之之一一，它它的的任任務務是是把把原原油油加加熱熱到到一一定定溫溫度度，以以保保證證下下道道工工藝藝的的順順利利進進行行。因因此此，需需要要控控制制原原油油加加熱熱后后的出口溫度。的出口溫度。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章問題：問題：控制通道容量滯后控制通道容量滯后很大，控制緩慢。很大，控制緩慢。燃料壓力或燃料燃料壓力或燃料的熱值變化的熱值變化 影響爐膛溫度影響爐膛溫度 熱傳導給原料熱傳導給原料 影響出口溫度影響出口溫度15min3min原料出口溫度原料出口溫度1(t)原料原料T1CT1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐若用簡單溫控系統(tǒng)：若用簡單溫控系統(tǒng)：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章爐膛溫度爐膛溫度變化變化T2T、T2C回路先改變?nèi)剂狭炕芈废雀淖內(nèi)剂狭縏1T、T1C回路再改回路再改變?nèi)剂狭孔內(nèi)剂狭砍隽蠝囟瘸隽蠝囟茸兓兓鉀Q措施解決措施：在影響出口溫度的通道：在影響出口溫度的通道中，加測爐膛溫度的變化，提前控制。中，加測爐膛溫度的變化，提前控制。燃料壓力燃料壓力變化變化3min原料出口溫度原料出口溫度1(t)原料原料T1CT1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐T2CT2T過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章圖圖7.6管式加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)框圖為：管式加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)框圖為：主控制器調(diào)節(jié)閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f2管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器x2(t)2(t)1(t)主控制器執(zhí)行器副對象主對象主變送器副變送器副控制器 主變量副變量給定干擾標準框圖為：標準框圖為：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章結(jié)構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)特點：q系系統(tǒng)統(tǒng)有有兩兩個個閉閉合合回回路路，形形成成內(nèi)內(nèi)外外環(huán)環(huán)。主主變變量量是是工工藝藝要要求求控控制制的的變變量量，副副變變量量是是為為了了更更好好地地控控制制主主變量而選用的輔助變量。變量而選用的輔助變量。q主主、副副調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)器器是是串串聯(lián)聯(lián)工工作作的的，主主調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)器器的的輸輸出出作為副調(diào)節(jié)器的給定值。作為副調(diào)節(jié)器的給定值。主控制器執(zhí)行器副對象主對象主變送器副變送器副控制器 主變量副變量給定干擾過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章控制過程分析：控制過程分析：1燃料壓力燃料壓力f3(t)、燃料熱值、燃料熱值f4(t)發(fā)生擾動發(fā)生擾動干擾進入副回路干擾進入副回路進入副回路的干擾首先影響爐膛溫度，副變送進入副回路的干擾首先影響爐膛溫度，副變送器提前測出，副控制器立即開始控制，控制過程大器提前測出，副控制器立即開始控制，控制過程大為縮短。為縮短。主控制器調(diào)節(jié)閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f2管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器x2(t)2(t)1(t)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章主控制器調(diào)節(jié)閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f2管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器x2(t)2(t)1(t)2原油流量原油流量 f1(t)、原油入口溫度、原油入口溫度 f2(t)發(fā)生擾動發(fā)生擾動干擾進入主回路干擾進入主回路 對進入主回路的干擾，雖然副變送器不能提前測對進入主回路的干擾，雖然副變送器不能提前測出，但副回路的閉環(huán)負反饋，使對象爐膛部分特性的出，但副回路的閉環(huán)負反饋，使對象爐膛部分特性的時間常數(shù)大為縮短，則主控制器的控制通道被縮短，時間常數(shù)大為縮短，則主控制器的控制通道被縮短，控制效果也得到改善?？刂菩Ч驳玫礁纳?。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章3干擾同時作用于副回路和主回路干擾同時作用于副回路和主回路主副回路干擾的綜合影響有兩種情況：主副回路干擾的綜合影響有兩種情況：（1）主副回路的干擾影響方向相同。如：）主副回路的干擾影響方向相同。如：燃料壓力燃料壓力f3(t)爐膛溫度爐膛溫度 出口溫度出口溫度 副控制器開始調(diào)節(jié)副控制器開始調(diào)節(jié)原油流量原油流量f1(t)出口溫度出口溫度主副控制器共同調(diào)節(jié)主副控制器共同調(diào)節(jié)主控制器調(diào)節(jié)閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f2管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器x2(t)2(t)1(t)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章（2）主副回路的干擾影響方向相反。如：）主副回路的干擾影響方向相反。如：燃料壓力燃料壓力f3(t)爐膛溫度爐膛溫度 出口溫度出口溫度 副控制器開始調(diào)節(jié)副控制器開始調(diào)節(jié)原油流量原油流量f1(t)出口溫度出口溫度主控制器反向調(diào)節(jié)，主控制器反向調(diào)節(jié)，使副控制器調(diào)節(jié)量減小。使副控制器調(diào)節(jié)量減小。主控制器調(diào)節(jié)閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f2管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器x2(t)2(t)1(t)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章7.1.2串級控制系統(tǒng)特點及其分析串級控制系統(tǒng)特點及其分析將串級控制系統(tǒng)等效成單回路控制系統(tǒng)討論。將串級控制系統(tǒng)等效成單回路控制系統(tǒng)討論。Gc1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Gc2(s)X2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm2(s)Gm1(s)F3(s)、F4(s)G*o2(s)Go2(s)X2(s)2(s)將副環(huán)等效為：將副環(huán)等效為：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章7.1.2.1改善被控過程的動態(tài)特性改善被控過程的動態(tài)特性 控制通道等效副對象的傳函：控制通道等效副對象的傳函：設：設：則：則：T02 T02K02 1/Km2過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章Gc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)G*c1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)串級控制等效串級控制等效真正的單回路控制真正的單回路控制 T02 T02，說明主環(huán)控制通道時間常數(shù)縮短，說明主環(huán)控制通道時間常數(shù)縮短，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章Gc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)同理，通過對系統(tǒng)振蕩頻率的推導可知：同理，通過對系統(tǒng)振蕩頻率的推導可知：副回路的引入，提高了系統(tǒng)的工作頻率，也改善副回路的引入，提高了系統(tǒng)的工作頻率，也改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。了系統(tǒng)的動態(tài)性能。從系統(tǒng)特征方程：從系統(tǒng)特征方程：1+Gc1(s)Go2(s)Go1(s)Gm1(s)=0可求出可求出系統(tǒng)的工作頻率系統(tǒng)的工作頻率c過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章7.1.2.2 抗干擾能力增強抗干擾能力增強對于進入副回路的干擾，串級控制和單回路控對于進入副回路的干擾，串級控制和單回路控制前向通道的區(qū)別：制前向通道的區(qū)別：G*c1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)Gc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)串級控制等效串級控制等效真正的單回路控制真正的單回路控制過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章干擾通道的傳函：干擾通道的傳函：設：設：則：則：T02*T02K02*K02過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章 K02*K02 說明干擾通道的影響力降低；說明干擾通道的影響力降低；T02*T02 說明干擾通道時間常數(shù)縮短，即副說明干擾通道時間常數(shù)縮短，即副回路的控制速度快?；芈返目刂扑俣瓤?。Gc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)串級控制等效串級控制等效G*c1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)真正的單回路控制真正的單回路控制過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章Gc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)串級控制等效串級控制等效G*c1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)真正的單回路控制真正的單回路控制對于進入主回路的干擾，串級控制和單回路控制對于進入主回路的干擾，串級控制和單回路控制閉環(huán)回路的區(qū)別：閉環(huán)回路的區(qū)別：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章T02 T02K02 T02 T02，說明主環(huán)通道時間常數(shù)被縮短，加，說明主環(huán)通道時間常數(shù)被縮短，加快了系統(tǒng)的控制速度?？炝讼到y(tǒng)的控制速度。Gc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)串級控制等效串級控制等效過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章7.1.2.3對負荷和操作條件變化的適應能力增強對負荷和操作條件變化的適應能力增強有些生產(chǎn)過程的工藝條件經(jīng)常變化。而在不同的有些生產(chǎn)過程的工藝條件經(jīng)常變化。而在不同的工藝點，對象的放大倍數(shù)往往不同。如果是單回路控工藝點，對象的放大倍數(shù)往往不同。如果是單回路控制，這會導致控制質(zhì)量下降。制，這會導致控制質(zhì)量下降。G*c1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)真正的單回路控制真正的單回路控制過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章K02 1/Km2對于串級控制，部分對象被包含在副回路中，其對于串級控制，部分對象被包含在副回路中，其放大倍數(shù)被負反饋壓制。因而工藝負荷或操作條件變放大倍數(shù)被負反饋壓制。因而工藝負荷或操作條件變化時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量?；瘯r，調(diào)節(jié)系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量。Gc1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Gc2(s)X2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm2(s)Gm1(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章串級系統(tǒng)特點總結(jié)：串級系統(tǒng)特點總結(jié)：對進入副回路的干擾有很強的克服能力；對進入副回路的干擾有很強的克服能力；改善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工改善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；對進入主回路的干擾控制效果也有改善；作頻率；對進入主回路的干擾控制效果也有改善；對負荷或操作條件的變化有一定自適應能力。對負荷或操作條件的變化有一定自適應能力。調(diào)節(jié)效果比較調(diào)節(jié)效果比較串級控制串級控制單回路控制單回路控制ty過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章7.1.3 串級控制系統(tǒng)的設計與參數(shù)整定串級控制系統(tǒng)的設計與參數(shù)整定7.1.3.1串級控制系統(tǒng)的方案設計串級控制系統(tǒng)的方案設計1主回路設計主回路設計 主回路設計與單回路控制系統(tǒng)一樣。主回路設計與單回路控制系統(tǒng)一樣。Gc1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Gc2(s)X2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm2(s)Gm1(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章2副回路的選擇副回路的選擇副回路設計中，最重要的是選擇副回路的被控副回路設計中，最重要的是選擇副回路的被控參數(shù)（串級系統(tǒng)的副參數(shù)）。副參數(shù)的選擇一般應參數(shù)（串級系統(tǒng)的副參數(shù)）。副參數(shù)的選擇一般應遵循下面幾個原則：遵循下面幾個原則：主、副變量有對應關(guān)系主、副變量有對應關(guān)系副參數(shù)的選擇必須使副回路包含變化劇烈的副參數(shù)的選擇必須使副回路包含變化劇烈的主要干擾，并盡可能多包含一些干擾主要干擾，并盡可能多包含一些干擾副參數(shù)的選擇應考慮主、副回路中控制過程副參數(shù)的選擇應考慮主、副回路中控制過程的時間常數(shù)的匹配，以防的時間常數(shù)的匹配，以防“共振共振”的發(fā)生的發(fā)生應注意工藝上的合理性和經(jīng)濟性應注意工藝上的合理性和經(jīng)濟性過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章3主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇在串級系統(tǒng)中，主參數(shù)是系統(tǒng)控制任務，副參數(shù)輔助在串級系統(tǒng)中，主參數(shù)是系統(tǒng)控制任務，副參數(shù)輔助變量。這是選擇調(diào)節(jié)規(guī)律的基本出發(fā)點。變量。這是選擇調(diào)節(jié)規(guī)律的基本出發(fā)點。主參數(shù)是生產(chǎn)工藝的主要控制指標，工藝上要求比較主參數(shù)是生產(chǎn)工藝的主要控制指標，工藝上要求比較嚴格。所以，主調(diào)節(jié)器通常選用嚴格。所以，主調(diào)節(jié)器通常選用PI調(diào)節(jié)，或調(diào)節(jié)，或PID調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)?？刂聘眳?shù)是為了提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對副參數(shù)控制副參數(shù)是為了提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對副參數(shù)的要求一般不嚴格，允許有靜差。因此，副調(diào)節(jié)器一的要求一般不嚴格，允許有靜差。因此，副調(diào)節(jié)器一般選般選P調(diào)節(jié)就可以了。調(diào)節(jié)就可以了。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章4主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定對串級控制系統(tǒng)來說，主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方對串級控制系統(tǒng)來說，主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇原則依然是使系統(tǒng)構(gòu)成負反饋。式的選擇原則依然是使系統(tǒng)構(gòu)成負反饋。選擇時的順序是：選擇時的順序是：1、根據(jù)工藝安全或節(jié)能要求確定調(diào)節(jié)閥的正、反、根據(jù)工藝安全或節(jié)能要求確定調(diào)節(jié)閥的正、反作用；作用；2、按照副回路構(gòu)成負反饋的原則確定副調(diào)節(jié)器的、按照副回路構(gòu)成負反饋的原則確定副調(diào)節(jié)器的正、反作用；正、反作用；3、依據(jù)主回路構(gòu)成負反饋的原則，確定主調(diào)節(jié)器、依據(jù)主回路構(gòu)成負反饋的原則，確定主調(diào)節(jié)器的正、反作用。的正、反作用。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章以管式加熱爐為例，說明串級控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)以管式加熱爐為例，說明串級控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式的確定方法。器的正、反作用方式的確定方法。1、從生產(chǎn)工藝安全出發(fā)，燃料油調(diào)節(jié)閥選用氣開式、從生產(chǎn)工藝安全出發(fā)，燃料油調(diào)節(jié)閥選用氣開式（正作用）。一旦出現(xiàn)故障或氣源斷氣，調(diào)節(jié)閥應關(guān)（正作用）。一旦出現(xiàn)故障或氣源斷氣，調(diào)節(jié)閥應關(guān)閉，切斷燃料油進入加熱爐，確保設備安全。閉，切斷燃料油進入加熱爐，確保設備安全。原料出口溫度原料出口溫度1(t)原料原料T1CT1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐T2CT2T過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章2、副回路中，調(diào)節(jié)閥開大，爐膛溫度升高，測量、副回路中，調(diào)節(jié)閥開大，爐膛溫度升高，測量信號增大，說明副對象和變送器都是正作用。為保證信號增大，說明副對象和變送器都是正作用。為保證副回路為負反饋，副調(diào)節(jié)器應為反作用方式。副回路為負反饋，副調(diào)節(jié)器應為反作用方式。原料出口溫度原料出口溫度1(t)原料原料 T1C T1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐 T2C T2T過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章3、對于主調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)閥開大，爐膛溫度升高時，、對于主調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)閥開大，爐膛溫度升高時，原料油出口溫度也升高，說明主對象和主變送器也原料油出口溫度也升高，說明主對象和主變送器也都是正作用。為保證主回路為負反饋，主調(diào)節(jié)器也都是正作用。為保證主回路為負反饋，主調(diào)節(jié)器也應為反作用方式。應為反作用方式。原料出口溫度原料出口溫度1(t)原料原料 T1C T1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐 T2C T2T過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章5串級系統(tǒng)的工業(yè)應用串級系統(tǒng)的工業(yè)應用當生產(chǎn)工藝要求高，采用簡單控制系統(tǒng)滿足不當生產(chǎn)工藝要求高，采用簡單控制系統(tǒng)滿足不了工藝要求的情況下，可考慮采用串級控制系統(tǒng)。了工藝要求的情況下，可考慮采用串級控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)常用于下面一些生產(chǎn)過程。串級控制系統(tǒng)常用于下面一些生產(chǎn)過程。1）容量滯后較大的過程）容量滯后較大的過程原料出口溫度原料出口溫度1(t)原料原料T1CT1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐T2CT2T過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章2）純滯后較大的過程）純滯后較大的過程網(wǎng)網(wǎng)前箱溫度控制：工藝要求網(wǎng)前箱溫度恒定在前箱溫度控制：工藝要求網(wǎng)前箱溫度恒定在61，最，最大波動范圍為大波動范圍為1。經(jīng)測試，從混合器到網(wǎng)前箱這一通道的。經(jīng)測試，從混合器到網(wǎng)前箱這一通道的純滯后時間達純滯后時間達90s，紙漿流量波動為，紙漿流量波動為35kg/min。單回路控制：最大偏差高達單回路控制：最大偏差高達8.5,過渡時間長達過渡時間長達450s過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章串級控制：串級控制：選擇混合器出口溫度為副變量選擇混合器出口溫度為副變量最大偏差小于最大偏差小于1,過渡時間降為過渡時間降為200s過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章3）干擾幅度大的過程）干擾幅度大的過程精餾塔塔底溫度與蒸汽流量串級控制系統(tǒng)。工藝特點：蒸精餾塔塔底溫度與蒸汽流量串級控制系統(tǒng)。工藝特點：蒸汽壓力波動劇烈且幅值大，有時從汽壓力波動劇烈且幅值大，有時從0.5Mpa突然降到突然降到0.3Mpa,變變化了化了40%.過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章4）應用于非線性過程）應用于非線性過程醋酸乙烯合成反應器溫度串級控制：合成反應爐中部溫度醋酸乙烯合成反應器溫度串級控制：合成反應爐中部溫度要求嚴格?；旌蜌饬髁堪l(fā)生改變時，換熱器的出口溫度隨著負荷要求嚴格?；旌蜌饬髁堪l(fā)生改變時，換熱器的出口溫度隨著負荷的減小而顯著增高，并呈明顯的非線性變化。的減小而顯著增高，并呈明顯的非線性變化。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章7.1.3.2串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定有逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法。有逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法。1逐步逼近法逐步逼近法依次整定副回路、主回路。并循環(huán)進行，逐步接依次整定副回路、主回路。并循環(huán)進行，逐步接近主、副回路最佳控制狀態(tài)。近主、副回路最佳控制狀態(tài)。2兩步整定法兩步整定法系統(tǒng)處于串級工作狀態(tài)，第一步按單回路方法整系統(tǒng)處于串級工作狀態(tài)，第一步按單回路方法整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)；第二步把已經(jīng)整定好的副回路視為定副調(diào)節(jié)器參數(shù)；第二步把已經(jīng)整定好的副回路視為一個環(huán)節(jié)，仍按單回路對主調(diào)節(jié)器進行參數(shù)整定。一個環(huán)節(jié)，仍按單回路對主調(diào)節(jié)器進行參數(shù)整定。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章3一步整定法一步整定法所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗，先將副調(diào)節(jié)器所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗，先將副調(diào)節(jié)器參數(shù)一次調(diào)好，不再變動，然后按一般單回路控制系參數(shù)一次調(diào)好，不再變動，然后按一般單回路控制系統(tǒng)的整定方法直接整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。統(tǒng)的整定方法直接整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。表表7.17.1一步整定法副調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇范圍一步整定法副調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇范圍副參數(shù)類型副參數(shù)類型 副調(diào)節(jié)器比例度副調(diào)節(jié)器比例度2（%）副調(diào)節(jié)器比例增益副調(diào)節(jié)器比例增益Kc2 溫度溫度 2060 5.01.7 壓力壓力 3070 3.01.4 流量流量 4080 2.51.25 液位液位 2080 5.01.25過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章7.2前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)前饋控制的原理是：當系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，立即將前饋控制的原理是：當系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，立即將其測量出來，通過前饋控制器，根據(jù)擾動量的大小改其測量出來，通過前饋控制器，根據(jù)擾動量的大小改變控制變量，以抵消擾動對被控參數(shù)的影響。變控制變量，以抵消擾動對被控參數(shù)的影響。7.2.1前饋控制的工作原理及其特點前饋控制的工作原理及其特點1 1、反饋控制的特點、反饋控制的特點：不不論論是是什什么么干干擾擾，只只要要引引起起被被調(diào)調(diào)參參數(shù)數(shù)的的變變化化，調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)器器均均可可根根據(jù)據(jù)偏偏差差進進行行調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)。但但必必須須被被調(diào)調(diào)參參數(shù)數(shù)變變化化后才進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)速度難以進一步提高。后才進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)速度難以進一步提高。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章例例例例 換熱器出口溫換熱器出口溫換熱器出口溫換熱器出口溫度反饋控制系統(tǒng)度反饋控制系統(tǒng)度反饋控制系統(tǒng)度反饋控制系統(tǒng)MTTTC蒸汽蒸汽換熱器換熱器冷物料冷物料入口入口熱物料熱物料出口出口冷凝水冷凝水 針對冷物料針對冷物料流量變化的最佳流量變化的最佳調(diào)節(jié)效果：調(diào)節(jié)效果：ty過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章為為了了改改變變事事后后調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)的的狀狀況況，提提出出前前饋饋控控制制的的思思路：根據(jù)冷物料流量路：根據(jù)冷物料流量Q的大小，調(diào)節(jié)閥門開度。的大小，調(diào)節(jié)閥門開度。2 2、前饋控制的原理與特點、前饋控制的原理與特點M蒸汽蒸汽換熱器換熱器冷物料冷物料入口入口熱物料熱物料出口出口冷凝水冷凝水FTFC例例例例 針對換熱器入口流量干擾的前饋控制系統(tǒng)針對換熱器入口流量干擾的前饋控制系統(tǒng)針對換熱器入口流量干擾的前饋控制系統(tǒng)針對換熱器入口流量干擾的前饋控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章Gb(s)Gfs)Go(s)Gm(s)Gv(s)M蒸汽蒸汽換熱器換熱器冷物料冷物料入口入口熱物料熱物料出口出口冷凝水冷凝水FTFBF(s)Y(s)Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gfs)Go(s)Y(s)用方框圖表示：用方框圖表示：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章補償原理補償原理如如果果補補償償量量和和干干擾擾量量以以同同樣樣的的大大小小和和速速度度作作用用于被控變量，且作用方向相反的話，被控變量不變。于被控變量，且作用方向相反的話，被控變量不變。Y(S)=F(S)Gf(s)+F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s)=0Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gfs)Go(s)Y(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章得：得：前饋補償規(guī)律的推導：前饋補償規(guī)律的推導：Y(S)=F(S)Gf(s)+F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s)=0Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gfs)Go(s)Y(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章q前饋控制的特點：前饋控制的特點：前饋控制器是按是按照干擾的大小進行控制前饋控制器是按是按照干擾的大小進行控制的，的，稱為稱為“擾動補償擾動補償”。如果補償精確，被調(diào)變量。如果補償精確，被調(diào)變量不會變化，能實現(xiàn)不會變化，能實現(xiàn)“不變性不變性”控制?？刂啤Ｇ梆伩刂剖情_環(huán)控制，控制作用幾乎與干擾前饋控制是開環(huán)控制，控制作用幾乎與干擾同步產(chǎn)生，是事先調(diào)節(jié)，速度快。同步產(chǎn)生，是事先調(diào)節(jié)，速度快。前饋控制器的控制規(guī)律不是前饋控制器的控制規(guī)律不是PID控制，是由對控制，是由對象特性決定的。象特性決定的。前饋控制只對特定的干擾有控制作用，對其前饋控制只對特定的干擾有控制作用，對其它干擾無效。它干擾無效。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章3前饋控制的局限性前饋控制的局限性實際工業(yè)過程中的干擾很多，不可能對每個實際工業(yè)過程中的干擾很多，不可能對每個干擾設計一套控制系統(tǒng)，況且有的干擾的在線檢測干擾設計一套控制系統(tǒng)，況且有的干擾的在線檢測非常困難。非常困難。前饋控制器的補償控制規(guī)律很難精確計算，前饋控制器的補償控制規(guī)律很難精確計算，即使前饋控制器設計的非常精確，即使前饋控制器設計的非常精確，實現(xiàn)時也會存在實現(xiàn)時也會存在誤差，而誤差，而開環(huán)系統(tǒng)對誤差無法自我糾正開環(huán)系統(tǒng)對誤差無法自我糾正。因因此此，一一般般將將前前饋饋控控制制與與反反饋饋控控制制結(jié)結(jié)合合使使用用。前饋控制針對主要干擾，反饋控制針對所有干擾。前饋控制針對主要干擾，反饋控制針對所有干擾。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章7.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)前饋控制的結(jié)構(gòu)有靜態(tài)補償和動態(tài)補償。前饋控制的結(jié)構(gòu)有靜態(tài)補償和動態(tài)補償。1靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)所謂靜態(tài)前饋控制，是前饋控制器的補償控制所謂靜態(tài)前饋控制，是前饋控制器的補償控制規(guī)律，只考慮靜態(tài)增益補償，不考慮速度補償。規(guī)律，只考慮靜態(tài)增益補償，不考慮速度補償。Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gf(s)Go(s)Y(s)（S=0時）時）過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章靜態(tài)前饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，前饋控制靜態(tài)前饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，前饋控制器就是一個比例放大器。但控制過程中，動態(tài)偏差器就是一個比例放大器。但控制過程中，動態(tài)偏差依然存在。依然存在。2動態(tài)前饋控制系統(tǒng)動態(tài)前饋控制系統(tǒng)完全按照補償控制規(guī)律制作控制器。完全按照補償控制規(guī)律制作控制器。理論上，動態(tài)前饋控制能在每個時刻都完全補償理論上，動態(tài)前饋控制能在每個時刻都完全補償擾動對被控參數(shù)的影響。但補償控制規(guī)律比較復雜，擾動對被控參數(shù)的影響。但補償控制規(guī)律比較復雜，常常無法獲得精確表達式，也難以精確實現(xiàn)。常常無法獲得精確表達式，也難以精確實現(xiàn)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章3前饋前饋反饋復合控制系統(tǒng)反饋復合控制系統(tǒng)為了克服前饋控制的局限性，將前饋控制和反饋為了克服前饋控制的局限性，將前饋控制和反饋控制結(jié)合起來，組成前饋控制結(jié)合起來，組成前饋反饋復合控制系統(tǒng)。反饋復合控制系統(tǒng)。v如換熱器出口溫度前饋如換熱器出口溫度前饋反饋復合控制系統(tǒng)。反饋復合控制系統(tǒng)。TTTCM蒸汽蒸汽換熱器換熱器冷物料冷物料入口入口熱物料熱物料出口出口冷凝水冷凝水FTFB過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章 在前饋在前饋反饋復合控制系統(tǒng)中，設定值反饋復合控制系統(tǒng)中，設定值X(s)、干擾干擾F(s)對輸出對輸出Y(s)的共同影響為：的共同影響為：Gv(s)Gb(s)GmF(s)F(s)Gf(s)Go(s)Y(s)GmT(s)Gc(s)X(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章1、傳函分子即是前饋控制系統(tǒng)的補償條件。表、傳函分子即是前饋控制系統(tǒng)的補償條件。表明復合控制系統(tǒng)與開環(huán)前饋控制系統(tǒng)的補償條件完全明復合控制系統(tǒng)與開環(huán)前饋控制系統(tǒng)的補償條件完全相同，并不因為引進反饋控制而有所改變。相同，并不因為引進反饋控制而有所改變。2、傳函分母即是反饋控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。、傳函分母即是反饋控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。表明反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性并不因為引進前饋控制而表明反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性并不因為引進前饋控制而有所改變；且由于反饋控制回路的存在，使前饋控制有所改變；且由于反饋控制回路的存在，使前饋控制的精度比開環(huán)前饋控制高。的精度比開環(huán)前饋控制高。干擾通道的傳遞函數(shù)為：干擾通道的傳遞函數(shù)為：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章復合控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：復合控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：在反饋控制的基礎(chǔ)上，針對主要干擾進行前饋補在反饋控制的基礎(chǔ)上，針對主要干擾進行前饋補償。既提高了控制速度，又保證了控制精度。償。既提高了控制速度，又保證了控制精度。反饋控制回路的存在，降低了對前饋控制器的精反饋控制回路的存在，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計和實現(xiàn)。度要求，有利于簡化前饋控制器的設計和實現(xiàn)。在單純的反饋控制系統(tǒng)中，提高控制精度與系統(tǒng)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)定性而無法穩(wěn)定性是一對矛盾。往往為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性而無法實現(xiàn)高精度的控制。而前饋實現(xiàn)高精度的控制。而前饋反饋控制系統(tǒng)既可實反饋控制系統(tǒng)既可實現(xiàn)高精度控制，又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行?，F(xiàn)高精度控制，又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章4前饋前饋串級復合控制系統(tǒng)串級復合控制系統(tǒng)對于慢過程的控制，如果生產(chǎn)過程中的主要干擾對于慢過程的控制，如果生產(chǎn)過程中的主要干擾頻繁而又劇烈，而工藝對被控參量的控制精度要求又頻繁而又劇烈，而工藝對被控參量的控制精度要求又很高，可以考慮采用前饋很高，可以考慮采用前饋串級復合控制方案。串級復合控制方案。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)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章從前饋從前饋串級復合控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（串級復合控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（P226式式7-25作了簡化）可知：作了簡化）可知：1、前饋、前饋-串級控制系統(tǒng)的特征方程的和單純的串級控制串級控制系統(tǒng)的特征方程的和單純的串級控制系統(tǒng)一樣系統(tǒng)一樣 2、前饋控制器的傳函主要由擾動通道和主對象特性決、前饋控制器的傳函主要由擾動通道和主對象特性決定定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)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章 5前饋控制器的通用模型前饋控制器的通用模型 前面按照不變性條件，求得前饋控制器的傳前面按照不變性條件，求得前饋控制器的傳遞函數(shù)表達式遞函數(shù)表達式 實際上，要得到上式的精確數(shù)學模型比較困難，實際上，要得到上式的精確數(shù)學模型比較困難，準確實現(xiàn)也比較困難，還不如用簡約化模型。準確實現(xiàn)也比較困難，還不如用簡約化模型。將將Go(S)、Gf(S)用帶滯后的一階模型近似，將用帶滯后的一階模型近似，將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：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章因因此此，可可以以事事先先做做好好各各系系數(shù)數(shù)可可調(diào)調(diào)的的通通用用前前饋饋控控制制器器。使使用用時時根根據(jù)據(jù)補補償償要要求求，調(diào)調(diào)整整各各個個系系數(shù)數(shù)值值，就就可可獲得不同特性的前饋控制功能。獲得不同特性的前饋控制功能。前饋控制器的通用模型：前饋控制器的通用模型：各系數(shù)物理意義：各系數(shù)物理意義：Km 靜態(tài)放大系數(shù)；靜態(tài)放大系數(shù)；T1 加速系數(shù)；加速系數(shù)；T2 減速系數(shù)；減速系數(shù)；純滯后時間。純滯后時間。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章前饋控制的應用場合前饋控制的應用場合（1 1）某某個個干干擾擾幅幅值值大大而而頻頻繁繁，對對被被控控變變量量影影響劇烈，而對象的控制通道滯后大。響劇烈，而對象的控制通道滯后大。（2 2）采采用用單單純純的的反反饋饋控控制制，控控制制速速度度慢慢、質(zhì)質(zhì)量差。量差。（3 3）用串級控制，效果改善不明顯。）用串級控制，效果改善不明顯。目目前前，比比較較高高檔檔的的控控制制儀儀表表中中都都配配備備通通用用前前饋控制模塊，供用戶選用。饋控制模塊，供用戶選用。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章7.3大滯后過程控制系統(tǒng)大滯后過程控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中，控制通道往往不同程度地存在著在工業(yè)生產(chǎn)中，控制通道往往不同程度地存在著純滯后。一般將純滯后時間純滯后。一般將純滯后時間0與時間常數(shù)與時間常數(shù)T之比大于之比大于0.3（0/T0.3）的過程稱之為大滯后過程。）的過程稱之為大滯后過程。大滯后過程是公認較難控制的過程。其難于控制大滯后過程是公認較難控制的過程。其難于控制的主要原因是純滯后的增加導致開環(huán)相頻特性相角滯的主要原因是純滯后的增加導致開環(huán)相頻特性相角滯后增大，使閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。為了保證穩(wěn)定裕后增大，使閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。為了保證穩(wěn)定裕度，不得不減小調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)，造成控制質(zhì)量的度，不得不減小調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)，造成控制質(zhì)量的下降。下降。最早的大滯后過程控制方案是采樣控制。最早的大滯后過程控制方案是采樣控制。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章7.3.1大滯后過程的采樣控制大滯后過程的采樣控制 所謂采樣控制，是一種定周期的斷續(xù)所謂采樣控制，是一種定周期的斷續(xù)PID控制方式，控制方式，即控制器按周期即控制器按周期T進行采樣控制。在兩次采樣之間，進行采樣控制。在兩次采樣之間，保持該控制信號不變，直到下一個采樣控制信號信號保持該控制信號不變，直到下一個采樣控制信號信號到來。保持的時間到來。保持的時間T與必須大于純滯后時間與必須大于純滯后時間0。這樣。這樣重復動作，一步一步地校正被控參數(shù)的偏差值，直至重復動作，一步一步地校正被控參數(shù)的偏差值，直至系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。這種這種“調(diào)一調(diào)，等一等調(diào)一調(diào)，等一等”的方案的核心思想就是放慢的方案的核心思想就是放慢控制速度，減少控制器的過度調(diào)節(jié)?？刂扑俣?，減少控制器的過度調(diào)節(jié)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章典型的大滯后過程的采樣控制系統(tǒng)框圖如圖所典型的大滯后過程的采樣控制系統(tǒng)框圖如圖所示。圖中，采樣控制器每隔采樣周期示。圖中，采樣控制器每隔采樣周期T動作一次。動作一次。S1、S2表示采樣器，它們同時接通或同時斷開。表示采樣器，它們同時接通或同時斷開。S1、S2，接通時，采樣控制器閉環(huán)工作；，接通時，采樣控制器閉環(huán)工作；S1、S2斷開時，采樣控制器停止工作，輸出為零，但是斷開時，采樣控制器停止工作，輸出為零，但是上一時刻的控制值上一時刻的控制值u*(t)通過保持器持續(xù)輸出。通過保持器持續(xù)輸出。采樣控制器采樣控制器y(t)過程過程x(t)保持器保持器執(zhí)行器執(zhí)行器_ _e*(t)u*(t)u(t)S1S2+變送器變送器過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章采樣控制是以犧牲速度來獲取穩(wěn)定的控制效果，采樣控制是以犧牲速度來獲取穩(wěn)定的控制效果，如果在采樣間隔內(nèi)出現(xiàn)干擾，必須要等到下一次采樣如果在采樣間隔內(nèi)出現(xiàn)干擾，必須要等到下一次采樣后才能作出反應。后才能作出反應。7.3.2大滯后過程的大滯后過程的Simth預估補償控制預估補償控制Simth預估補償控制是按照對象特性，設計一個預估補償控制是按照對象特性，設計一個模型加入到反饋控制系統(tǒng)，提早估計出對象在擾動作模型加入到反饋控制系統(tǒng)，提早估計出對象在擾動作用下的動態(tài)響應，提早進行補償，使控制器提前動作，用下的動態(tài)響應，提早進行補償，使控制器提前動作，從而降低超調(diào)量，并加速調(diào)節(jié)過程。從而降低超調(diào)量，并加速調(diào)節(jié)過程。為理解為理解Smith預估控制的工作原理，先分析采用預估控制的工作原理，先分析采用簡單控制方案時，大滯后過程的特性。簡單控制方案時，大滯后過程的特性。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-oSoS_ _U(s)+F(s)如圖是采用簡單控制方案的大滯后過程控制系統(tǒng)如圖是采用簡單控制方案的大滯后過程控制系統(tǒng)框圖。其中框圖。其中Go(s)e oS為控制通道的廣義傳遞函數(shù)，特為控制通道的廣義傳遞函數(shù)，特意將純滯后環(huán)節(jié)意將純滯后環(huán)節(jié)e oS單獨寫出，并且變送器的傳遞函單獨寫出，并且變送器的傳遞函數(shù)簡化為數(shù)簡化為1。該系統(tǒng)。該系統(tǒng)X(s)與與Y(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章若能將若能將G0(s)e oS中的中的e oS補償?shù)?，則實現(xiàn)無滯后補償?shù)簦瑒t實現(xiàn)無滯后控制。控制。Smith提出了一種大滯后系統(tǒng)預估補償控制方提出了一種大滯后系統(tǒng)預估補償控制方法，圖法，圖7.17是是Smith預估補償控制系統(tǒng)框圖，預估補償控制系統(tǒng)框圖，Gb(s)是是Smith預估補償器的傳遞函數(shù)。預估補償器的傳遞函數(shù)。Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-oSoS_ _U(s)+F(s)Gb(s)+Y(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章采用預估補償器后，控制量采用預估補償器后，控制量U(s)與反饋信號與反饋信號Y(s)之間的傳遞函數(shù)是兩個并聯(lián)通道之間的傳遞函數(shù)是兩個并聯(lián)通道G0(s)e oS與與Gb(s)之之和，并且應當?shù)扔诤?，并且應當?shù)扔贕0(s)：Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-oSoS_ _U(s)+F(s)Gb(s)+Y(s)得：得：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-oSoS_ _U(s)+F(s)Go(s)+Y(s)e-oSoS_ _ 根據(jù)根據(jù)Smith預估器的傳遞函數(shù)預估器的傳遞函數(shù)Gb(s)表達式，就可表達式，就可得到圖得到圖7.18的的Smith預估補償控制系統(tǒng)實施框圖。預估補償控制系統(tǒng)實施框圖。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-oSoS_ _U(s)+F(s)Go(s)+Y(s)e-oSoS_ _可得到設定值可得到設定值X(s)與與Y(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章對比基本的單回路控制系統(tǒng)，對比基本的單回路控制系統(tǒng)，Smith預估補償控預估補償控制系統(tǒng)的特征方程中已不包含制系統(tǒng)的特征方程中已不包含e oS項，即預估補償消項，即預估補償消除了控制通道純滯后對系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性的影響。除了控制通道純滯后對系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性的影響。單回路控制單回路控制預估補償控制預估補償控制至于分子中的至于分子中的e oS 項只是將被控參數(shù)項只是將被控參數(shù)y(t)的響應的響應在時間上推遲了在時間上推遲了0時段。說明預估補償后，設定值通時段。說明預估補償后，設定值通道的控制品質(zhì)和過程無滯后時完全相同。道的控制品質(zhì)和過程無滯后時完全相同。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章干擾干擾F(s)與與Y(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-oSoS_ _U(s)+F(s)Go(s)+Y(s)e-oSoS_ _過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章式中，干擾式中，干擾F(s)與被控參數(shù)與被控參數(shù)Y(s)之間的傳遞函數(shù)之間的傳遞函數(shù)由兩部分組成：第一項是干擾對被控參數(shù)的擾動作用；由兩部分組成：第一項是干擾對被控參數(shù)的擾動作用；第二項是控制系統(tǒng)抑制干擾影響的控制作用。第二項是控制系統(tǒng)抑制干擾影響的控制作用。和設定值通道一樣，干擾通道的傳遞函數(shù)特征方和設定值通道一樣，干擾通道的傳遞函數(shù)特征方程中也不包含程中也不包含e oS項，即預估補償消除了純滯后對系項，即預估補償消除了純滯后對系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性的影響。統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性的影響。但是，但是，Smith預估補償器并沒有消除純滯后預估補償器并沒有消除純滯后0對干對干擾擾F(s)抑制過程的影響。因為抑制過程的影響。因為過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章由于上式第二項含有由于上式第二項含有e-oS項，表明系統(tǒng)對干擾項，表明系統(tǒng)對干擾的控制作用比干擾作用純滯后的控制作用比干擾作用純滯后0時段，這仍然影響控時段，這仍然影響控制效果。制效果。因此，因此，Smith預估補償系統(tǒng)對設定值擾動的控制預估補償系統(tǒng)對設定值擾動的控制效果很好；對負荷擾動的控制效果有所改善。效果很好；對負荷擾動的控制效果有所改善。但是，但是，Smith預估補償系統(tǒng)對補償模型的誤差十預估補償系統(tǒng)對補償模型的誤差十分敏感，補償效果取決于補償器模型的精度。分敏感，補償效果取決于補償器模型的精度。Gb(s)=G0(s)(1-e-oS)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章改進方法：增益自適應預估補償控制改進方法：增益自適應預估補償控制改進方法：增益自適應預估補償控制改進方法：增益自適應預估補償控制 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章大滯后控制系統(tǒng)工業(yè)應用舉例大滯后控制系統(tǒng)工業(yè)應用舉例大滯后控制系統(tǒng)工業(yè)應用舉例大滯后控制系統(tǒng)工業(yè)應用舉例軋鋼車間加熱爐多點平均溫度反饋控制系統(tǒng)軋鋼車間加熱爐多點平均溫度反饋控制系統(tǒng)