宋彤《過程控制工程》4前饋及比值控制

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1、4. 前 饋 及 比 值 控 制 系 統(tǒng)4.1 前 饋 控 制 系 統(tǒng) 基 本 內(nèi) 容 ： 1） 前 饋 控 制 的 基 本 控 制 原 理 及 特 點 2） 前 饋 控 制 的 組 合 應 用 4.1.1 前 饋 控 制 原 理 及 特 點例 ： 反 饋 控 制 與 前 饋 控 制反 饋 控 制 （ 閉 環(huán) 控 制 ） 前 饋 控 制 （ 開 環(huán) 控 制 ）主 要 干 擾 反 饋 控 制 ： 前 饋 控 制 ： 控 制 及 時 性 依 據(jù) 干 擾 實 施 控 制 2） 前 饋 控 制 基 本 特 性 開 環(huán) 控 制 干 擾 干 擾 通 道 控 制 通 道控 制 信 號 被 控 變 量偏 差被

2、 控 變 量 測 量 變 送 控 制 器控 制 器 被 控 變 量控 制 通 道干 擾 通 道干 擾 控 制 信 號 前 饋 控 制 傳 遞 函 數(shù)PD ff PCY(s)G(s) G (s) G (s)G (s)F(s) 前 饋 控 制 理 想 控 制 曲 線 滿 足 被 控 變 量 不 變 性 原 理控 制 作 用 曲 線 前 饋 控 制 器注 意 ： 前 饋 控 制 器 不 同 于 反 饋 控 制 應 用 的 一 般 控 制 器 ，而 是 一 種 針 對 具 體 對 象 的 專 用 控 制 器 前 饋 控 制 傳 遞 函 數(shù) ( ) 0, ( ) 0F s Y s =( )( ) ( )

3、P Dff P CG sG s G s= - PD ff PCY(s)G(s) G (s) G (s)G (s)F(s) 決 定 于 干 擾 通 道 與控 制 通 道 特 性 函 數(shù)之 比控 制 規(guī) 律 ：理 想 狀 態(tài) （ 不 變 性 原 理 ） 2） 前 饋 控 制 系 統(tǒng) 特 點 對 比 反 饋 控 制 與 前 饋 控 制 特 性 比 較 靜 態(tài) 前 饋 補 償 控 制a. 特 征 ：l 穩(wěn) 態(tài) 不 變 性 原 理 ， 不 保 證 控 制 過 程 中 動 態(tài) 偏 差 為 0l 控 制 器 輸 出 僅 是 干 擾 量 的 函 數(shù) ， 與 時 間 無 關b. 靜 態(tài) 前 饋 補 償 函 數(shù)

4、： 靜 態(tài) 前 饋 補 償 控 制 動 態(tài) 前 饋 補 償 控 制3） 前 饋 控 制 主 要 形 式 ( )( ) ( )= - = - P D P Dff P C P CG s KG s G s Kc. 靜 態(tài) 前 饋 補 償 函 數(shù) 獲 得 ： 利 用 衡 算 式 （ 物 料 衡 算 、 能 量 衡 算 、 動 量 衡 算 ） 例 ： 換 熱 器 溫 度 前 饋 補 償 控 制1 2 1 2FCp T T Fs hsCp hsT T- =( ) g： 物 料 熱 容 ： 蒸 汽 汽 化 潛 熱： 物 料 出 口 溫 度 ： 物 料 入 口 溫 度1 2 1 2 1 ssCp CpFs F

5、 T T F T Ths hsT= - -( ) ( )g g： 換 熱 器 出 口 溫 度 設 定 值 熱 量 衡 算（ 忽 略 過 程 的 熱 量 損 失 ）靜 態(tài) 前 饋 補 償 控 制 式 ： 控 制 器 特 性 l 靜 態(tài) 前 饋 補 償 控 制 式 ：1 2 1 21 ssCp CpFs F T T F T Ths hsT= - -( ) ( )g g： 換 熱 器 出 口 溫 度 設 定 值 4.1.2 前 饋 控 制 的 組 合 應 用前 饋 控 制 的 應 用 限 制a. 不 能 檢 驗 控 制 效 果 ， 無 對 控 制 偏 差 作 進 一 步 調(diào)整 的 能 力b. 系 統(tǒng)

6、 存 在 多 個 干 擾 ， 無 法 對 每 個 干 擾 配 置 一 個前 饋 控 制c. 由 于 補 償 模 型 的 準 確 性 問 題 ， 實 際 的 前 饋 控 制無 法 做 到 全 補 償 。結(jié) 論 ： 實 際 工 業(yè) 控 制 中 ， 前 饋 控 制 不 能 單 獨 使 用 ， 需要 與 其 他 控 制 方 案 結(jié) 合 應 用 。 其 在 組 合 方 案 中起 到 前 饋 補 償 功 能 。 1） 前 饋 -反 饋 控 制 b. 控 制 原 理 ( ) ( )( ) ( )( ) 1 ( ) ( ) 1 ( ) ( )ff P CP DC P C C P CG sG sT s G sF

7、 s G sG s G sG s= + + 方 框 圖控 制 方 案 圖 前 饋 補 償 功 能 ： ( ) ( )( ) ( )( ) 1 ( ) ( ) 1 ( ) ( )ff P CP DC P C C P CG sG sT s G sF s G sG s G sG s= + +全 補 償 條 件 (前 饋 控 制 器 控 制 規(guī) 律 ） ：( ) 0 ( ) 0 ( ) ( ) ( ) 0( )( ) ( )FD ff P CP Dff P CF s T sG s G sG sG sG s G s罐 =+ = -有 ：與 單 純 前 饋 控 制 具 有 相 同 的 補 償 能 力數(shù) 學

8、 描 述 式 ： c. 前 饋 -反 饋 控 制 優(yōu) 點 注 意 事 項 前 饋 反 饋 與 串 級 控 制 的 區(qū) 別 注 意 前 饋 量 加 入 點 ： 前 饋 控 制 信 號 與 主 控 制 器 信 號 疊加 后 作 為 串 級 副 控 制 器 的 給 定 信 號 。 l 其 中 G P2是 等 效 副 環(huán) 傳 遞 函 數(shù) 2 11 2 1( ) ( ) ( ) ( )( )( ) 1 ( ) ( ) ( ) PD ff P PC P PG s G s G s G sT sF s G s G s G s2 22 2 2( ) ( )( ) 1 ( ) ( ) C PP C PG s G

9、sG s G s G s 210( ) 12 1 1( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )副 環(huán) 主 環(huán)認 為 PPD PDff G sP P PG s G sG s G s G s G s 2 11 2 1( ) ( ) ( ) ( )( )( ) 1 ( ) ( ) ( ) PD ff P PC P PG s G s G s G sT sF s G s G s G s 3） 前 饋 控 制 規(guī) 律 實 現(xiàn) 由 于 工 程 對 象 的 準 確 的 傳 遞 函 數(shù) 不 易 獲 得 ， 工 程上 一 般 用 一 階 或 者 二 階 滯 后 環(huán) 節(jié) 來 近 似 實 際 對 象的 傳 遞 函

10、數(shù) 。 并 由 此 獲 得 前 饋 補 償 器 的 數(shù) 學 模 型 。例 如 ：設 定 干 擾 通 道 與 控 制 通 道 特 性 ：則 有 控 制 規(guī) 律 ： 2 12 11 1( ) ( )PD PCK KG s G sT s Ts 12 11( )( ) ( )PDff fPCG s TsG s KG s T s 4.1.3 前 饋 控 制 系 統(tǒng) 應 用 應 用 例 1： 精 餾 塔 塔 釜 溫 度 控 制 （ 滯 后 較 大 ） 應 用 例 2： 鍋 爐 水 位 控 制 （ 可 測 不 可 控 參 數(shù) ） 應 用 例 3： 加 熱 爐 出 口 溫 度 控 制 （ 干 擾 影 響 大

11、） 作 業(yè) ： 如 圖 反 應 器 控 制 系 統(tǒng) ，通 過 實 際 測 試 ， 已 知 由 于 反應 物 料 溫 度 和 冷 卻 水 溫 度 波動 較 大 ， 圖 示 系 統(tǒng) 無 法 滿 足控 制 要 求 ， 請 修 改 控 制 方 案 使 之 滿 足控 制 要 求 ， 畫 出 控 制 系 統(tǒng) 流程 圖 ， 說 明 控 制 系 統(tǒng) 名 稱 ； 結(jié) 合 反 應 器 的 控 制 過 程 說明 你 所 設 計 控 制 系 統(tǒng) 的 操 作特 點 。 某 前 饋 串 級 系 統(tǒng) 如 圖 所 示 ， 經(jīng) 實 驗 測 定 各 環(huán) 節(jié) 特 性如 下 ：計 算 前 饋 控 制 器 的 數(shù) 學 模 型 。 V

12、0102( ) ( ) 9G ( ) 21 3( ) 6 12( ) 2 11( ) 2 1PDTC S FC S S G S SG S SG S S 調(diào) 節(jié) 閥 的 特 性 ：各 檢 測 變 送 環(huán) 節(jié) 可 視 為 “ ” 。串 級 系 統(tǒng) 的 主 對 象 特 性 ：串 級 系 統(tǒng) 的 副 對 象 特 性 ：干 擾 通 道 特 性 ： 6 1 2 37108 2 1 ff S SG S 4.2 比 值 控 制 系 統(tǒng) 比 值 控 制 原 理 圖 3） 基 本 屬 性 屬 于 開 環(huán) （ 前 饋 ） 控 制 存 在 一 個 主 動 物 流 （ 主 物流 ， Q1） ， 一 般 取 生 產(chǎn) 中的

13、 主 要 物 料 、 不 可 控 物 料 、以 及 貴 重 物 料 作 為 主 物 流 。 至 少 一 個 從 動 物 流 （ 副 物流 ， Q2） ， 副 物 流 按 規(guī) 定的 比 例 關 系 隨 主 物 流 變 動而 變 動 副 物 流 屬 于 隨 動 控 制k Q2 從 動 （ 副 ） 物 流Q1 主 動 （ 主 ） 物 流 k： 工 藝 要 求 的 二 物 流 比 例（ 非 儀 表 參 數(shù) ）k 21 Qk Q設 計 任 務 ： 選 擇 控 制 方 案 、 儀 表 類 型 及 參 數(shù) 實 現(xiàn) 比 值 控 制 。 4.2.2 比 值 控 制 系 統(tǒng) 構(gòu) 成 類 型 1） 開 環(huán) 比 值

14、控 制 系 統(tǒng) 原 理 圖 ： 單 閉 環(huán) 比 值 控 制 特 點 ： 3) 雙 閉 環(huán) 比 值 控 制 系 統(tǒng) 雙 閉 環(huán) 比 值 控 制 系 統(tǒng) 構(gòu) 成 特 點 ： 雙 閉 環(huán) 比 值 控 制 系 統(tǒng) 操 作 特 點 克 服 了 主 物 流 干 擾 影 響 ， 保證 了 總 流 量 穩(wěn) 定 。 有 利 于 對 物 流 量 實 施 平 穩(wěn) 的提 、 降 操 作 。 （ 緩 慢 調(diào) 節(jié) 主 控 制 器 給 定 值 ） 投 資 高 ， 維 護 量 大 ， 動 態(tài) 比值 要 求 不 高 時 可 考 慮 應 用 兩個 單 閉 環(huán) 控 制 回 路 代 替 雙 閉環(huán) 比 值 控 制 。 注 意 ： 此

15、時 總 流 量 調(diào) 整 操 作應 同 時 對 兩 個 控 制 器 進 行 操作 應 注 意 防 止 雙 閉 環(huán) 產(chǎn) 生 共 振 雙 閉 環(huán) 比 值 控 制 例 4） 變 比 值 控 制 系 統(tǒng) 變 比 值 控 制 特 點 變 比 值 控 制 應 用 例 5） 串 級 與 比 值 組 合 控 制 系 統(tǒng) 修 改 方 案 注 意 串 級 比 值 組 合 控 制 與 變 比 值 控 制 結(jié) 合 的 區(qū) 別 4.2.3 比 值 控 制 系 統(tǒng) 的 實 施 1） 比 值 系 數(shù) 計 算 信 號 關 系 式 21IK I= DDZ- 型 儀 表 比 值 系 數(shù) 計 算 (標 準 信 號 ： 420mA)

16、m ax 16 4QI Q= +2 2 2m ax 2 1m ax1 1 1m ax 1 2m ax 1m ax2m ax4 / 16 4 44 / 16 4 4I Q Q Q QK I Q Q Q QQk Q- + -= = =- + -= gg 21IK I= 21 44IK I -= - DDZ- 型 儀 表 比 值 系 數(shù) 計 算Q p= Ve 2 2m ax m ax16 4 16 4p QI p Q 12 1 22 2m ax2 21 1 1m ax 2 22 21m ax 1m ax21 2m ax 2m ax( 4) 4( 4) 4( / ) 1644 ( / ) 16穩(wěn) 態(tài)

17、時 有 ：則 ： K KI I KI I I KQ QIK I Q QQ QQ kQ Q Q 其 他 標 準 儀 表 比 值 系 數(shù) 計 算10 m ax10 /2 2m ax 1m ax 1m ax2 210 /1 2 1m ax 1 2m ax 2m axQI Q Q Q Q QI QK kI Q Q Q Q Q 22m ax m ax2 2 222 2m ax 1m ax2 2 2 21 1 1m ax 2m ax10 1010 /10 /p QI p QQ Q QIK kI Q Q Q m ax / m ax m ax m ax/ m ax m ax m axQp Qp Q Q Q Q

18、 QK kp Q Q Q Q Q= +-= = = =-80 2020 802 2 2 2 1 120 801 2 1 1 2 2g m ax m axm ax m axm ax m ax/p Qp p Qp Q Q QK kp Q Q Q= + = +-= = =- 222 2 222 2 2 12 2 21 1 1 280 20 80 2020 8020 80VV 比 值 系 數(shù) 計 算 說 明 1 121 2 2 2 22 21 121 2 2max maxmax maxmax maxmax maxQ QQK kQ Q QQ QQK kQ Q Q 線 性非 線 性 2） 比 值 控 制

19、實 現(xiàn) 方 法12 22 1 2maxmax maxmaxQK k Q QK k Q 線 性非 線 性 利 用 比 值 器 方 案 例 ： 氨 氣 與 水 的 比 值 控 制 3 31 1m ax3 32 2m ax1m ax2m ax 2 2 22 1m ax 2m ax2000 / 3200 /4 / 6.3 /4 3200 1.01592000 6.34 3200 1.03192000 6.3線 性非 線 性 Q m h Q m hQ m h Q m hQK k Q QK k Q 乘 法 器 方 案 1 01 ( 4)( 4) 416 I II 02 11 1 44 44 4 16 II

20、 IK I I0 16 4 I K 221m ax 1m ax0 0 2m ax 2m ax16 4; 16 4線 性 測 量 ： 非 線 性 測 量 ： Q QI k I kQ Q 乘 法 器 實 現(xiàn) 比 值 控 制 方 框 圖 0 416 IK0 16 4 I K 除 法 器 方 案 221m ax 1m ax0 2m ax 2m ax16 4 16 4 16 4線 性 非 線 性 S SQ QI I K k I kQ Q20 1 416 44II I 0 16 4I K 理 想 值 (比 值 系 數(shù) 定 義 ) e. 除 法 器 實 現(xiàn) 比 值 控 制 方 框 圖注 意 ：非 線 性 元

21、 件 （ 除 法 器 ） 包 含 在 閉 環(huán) 回 路 之 內(nèi) ，其 放 大 倍 數(shù) 隨 負 荷 變 化 較 大 ， 直 接 影 響 控 制 質(zhì) 量 。 f. 除 法 器 非 線 性 影 響 及 處 理 方 法121 2 maxmaxQQK Q Q1 1 12 2 1 2 1 2 2 2 2 21 1 1 max max maxmax max maxQ Q QQdK k KdQ Q Q QQ Q Q Q Q 除 法 器 方 案 特 點16 4 sI K 比 值 控 制 的 若 干 問 題 221m ax 1m ax2m ax 2m ax Q QK k or K kQ Q線 性 非 線 性 m a

22、x m ax4 02 0 02216 16Q Q QQ II K QQ Q Q ： 靜 態(tài) 工 作 點 2)比 值 控 制 系 統(tǒng) 動 態(tài) 跟 蹤 22 22 1 2 221 2 2 21max2max 2 2 2 2max 1 2 2 1max ( ) ( ) ( ) ( ) ( )1 ( ) ( ) ( ) ( )1 ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )m z c v pm c v pm c v p z m c v p G s G s KG s G s G sQ kQ G s G s G s G sQK k Q G s G s G s G s QG s G

23、s G s G s G s Q 3） 氣 體 流 量 測 量 中 的 溫 度 壓 力 校 正PV QPT T 恒 量 恒 量 11 1 nn nPTQ Q P T 比 值 控 制 系 統(tǒng) 的 設 計 、 參 數(shù) 整 定 12 2 2 12maxmax maxmaxQK k Q QK k Q 線 性非 線 性m ax m ax2 1Q kQ 4.2.4 比 值 控 制 系 統(tǒng) 計 算 舉 例解 ： K =k 2(Q1max / Q2max)2 =0.252 (3600/2000)2 =0.252 (1.8)2 = 0.0625 3.24=0.2025 Is= 16K +4 = 16 0.2025

24、+4=7.24 例 2解l 根 據(jù) 控 制 圖 知 道 二 物 流 中 主 動 物 流 是 Q 2， Q1為 從 動 物流 有 ： k =Q1 / Q2 = 1/3 K = 7/6 l 由 于 K 1， 不 符 合 利 用 乘 法 器 實 現(xiàn) 比 值 設 計 的 比 值 系數(shù) 設 定 范 圍 要 求 ， 給 出 的 比 值 控 制 方 案 不 可 行 。 例 3： 請 針 對 上 例 設 計 一 個 可 行 的 應 用 乘 法 器 比 值 控 制 方 案 。 畫 出 原 理 圖 。改 動 方 法 ： 乘 法 器 置 于 Q1測 變 與 控 制 器 之 間 圖 示 比 值 控 制 系 統(tǒng) 比 值 器 是 用 DDZ-乘 法 器 實 現(xiàn) 。 已 知 Q1max=5000kg/h，Q2max=4000kg/h， 且 乘 法 器 設 定 信 號 解 ： K = k （ Q1max / Q2max） 由 ： I0=16K +4 K =（ I0-4） / 16 = 5/8 則 ： k= K （ Q 2max / Q1max） = （ 5/8） （ 4000 / 5000） = 1/2 比 值 控 制 小 結(jié) 221 1 2 2max maxmax maxQ QK k or K kQ Q 線 性 非 線 性0 16 4 I K