【文章內(nèi)容簡介】 整個系統(tǒng)包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。 一次擾動：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動。二次擾動： 作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動。 前饋控制系統(tǒng) 下圖 為前饋控制系統(tǒng)方塊圖。 G f f ( s )G P D ( s )G P C ( s )F ( s )Y ( s ) 圖 前饋控制系統(tǒng)方塊圖 前饋控制系統(tǒng)特點： (1)前饋控制是按照干擾作用的大小進行控制的，如控制作用恰到好處，一般比反饋控制要及時。 (2)前饋控制是一種開環(huán)控制，控制效果得不到檢驗。 (3)前饋控制使用的是視過程特性而定的 “ 專用 ” 控制器 。 (4)前饋控制只能抑制可測而不可控的擾動對被調(diào)參數(shù)的影響。 在設(shè)計和應(yīng)用前饋控制時，首先要了解擾動的性質(zhì)。 如果擾動是可測可控的，則只要設(shè)計一個定值控制系統(tǒng)就行了，如果擾動是不可測的，那就不能進行前饋控制；如果擾動是可測而不可控的，則可設(shè)計和應(yīng)用前饋控制。 (5)一種前饋控制作用只能克服一種干擾。 由于前饋控制作用是按干擾進行工作的，而且整個系統(tǒng)是開環(huán)的，因此根據(jù)一種干擾設(shè)置的前饋控制只能克服這一干擾，而對于其他干擾，由于這個前饋控制器無法感受到也就無能為力了。 前饋 — 反饋控制系統(tǒng) 單純的前饋往往不能很好的補償干擾，存在著不少局限性，這主要表現(xiàn)在單純的前饋控制不存在被控變量的反饋，既對于補償?shù)男Ч麤]有檢驗 的手段，這樣，在前饋作用的控制結(jié)果并沒有最后消除被控變量偏差時， 系統(tǒng)無法得到這一信息而做進一步的校正。其次，由于實際工業(yè)對象存在著多個干擾 ，為補償它們對被控變量的影響，勢必要設(shè)計多個前饋通道，這就增加了投資費用和維護工作量。此外，前饋控制模型的精度也受多種因素的限制，對象特性要受負(fù)荷和工況等因素的影響而產(chǎn)生飄逸，必導(dǎo)致)(SGPD 和 )(SGPC 的變化，因此，一個固定的前饋模型難以獲得良好的控制品質(zhì)。為了解決這一局限性，可以將前饋與反饋結(jié)合起 來使用，構(gòu)成所謂前饋 — 反饋控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中可綜合兩者的優(yōu)點，將反饋控制不易克服的主要干擾進行前饋控制，而對其他干擾進行反饋控制，這樣，既發(fā)揮可前饋校正及時的優(yōu)點，又保持了反饋控制能克服多種干擾，并對被控變量始終給予校驗的優(yōu)點，因而是過程控制中較有發(fā)展前途的控制方式。 利用輸入或擾動信號的直接控制作用構(gòu)成的開環(huán)控制系統(tǒng)。這類按輸入或擾動的開環(huán)控制通常與包含按偏差的閉環(huán)控制共同組成反饋 前饋控制系統(tǒng)，稱為復(fù)合控制系統(tǒng)。由于按偏差確定控制作用以使輸出量保持其在期望值的反饋控制系統(tǒng)，對于滯后較大的控制對象，其反 饋控制作用不能及時影響系統(tǒng)的輸出，以致引起輸出量的過大波動，直接影響控制品質(zhì)。如果引起輸出量較大波動的主要外擾動參量是可量測和可控制的，則可在反饋控制的同時，利用外擾信號直接控制輸出（實施前 饋控制），構(gòu)成復(fù)合控制能迅速有效地補償外擾對整個系統(tǒng)的影響，并利于提高控制精度。這種按外擾信號實施前饋控制的方式稱為擾動控制，按不變性原理，理論上可做到完全消除主擾動對系統(tǒng)輸出的影響 [2]。 通道特性對控制質(zhì)量的影響 干擾通道特性對控制質(zhì)量的影響 干擾通道放大倍數(shù) fK 越大 ，系統(tǒng)余差也越大，既控制質(zhì)量越差。 干擾通道時間常數(shù) fT 越大，個數(shù)越多，或者說干擾進入系統(tǒng)的位置越遠離被控參數(shù)而靠近調(diào)節(jié)閥，干擾對被控參數(shù)的影響就越小，系統(tǒng)的控制質(zhì)量就越高。 干擾通道有、無純滯后對控制質(zhì)量沒有影響，所不同的只是兩者在影響時間上相差一個純滯后時間 f? 。即當(dāng)有純滯后時，干擾對被控參數(shù)的影響要向后推遲一個純滯后時間 f? 。 控制通道特性對控制質(zhì)量的 影響 (1)放大倍數(shù) 0K 的影響 放大倍數(shù) 0K 對控制質(zhì)量的影響要從靜態(tài)和動態(tài)兩個方面進行分析。從靜態(tài)方面分析，由式 )1()( 0KKKy Cf ??? ，似乎可以得出當(dāng) fK 、 CK 不變時，控制通道放大倍數(shù) 0K愈大，系統(tǒng)的余差愈小的結(jié)論。然而這是不對的。因為，對一個控制系統(tǒng)來 說，在一定的穩(wěn)定程度（即一定的衰減比）情況下，系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)是一個常數(shù)，即constKKC ?? 0 ，這樣才能維持系統(tǒng)具有相同的穩(wěn)定程度。 系統(tǒng)的余差與控制通道放大倍數(shù)無關(guān)。即在一定穩(wěn)定性前提下，系統(tǒng)的控制質(zhì)量與控制通道放大倍數(shù)無關(guān)。 上述結(jié)論只是對線性系統(tǒng)而言，而對于非線性系統(tǒng)，由于 0K 隨著負(fù)荷的變化而變化，這時如欲由 CK 來補償則有困難，因此，此時 0K 的變化將會影響系統(tǒng)的質(zhì)量。 然而，從控制角度看， 0K 愈大，則表示控制參數(shù)對被控參數(shù)的影響愈大，這表示通 過對它的調(diào)節(jié)來克服干擾影響更為有效。此外，在相同衰減比情況下， 0K 與 CK 的乘積為一常數(shù)，當(dāng) 0K 愈大時 CK 則愈小，而 CK 小則 ? 大。 ? 大比較容易調(diào)整。如果反過來，? 小則不易調(diào)整。因為當(dāng) ? 小于 3％時，調(diào)節(jié)器則相當(dāng)于一位式調(diào)節(jié)器，已失去作為連續(xù)調(diào)節(jié)器的作用。因此，從控制的有效性及調(diào)節(jié)器參數(shù)易調(diào)整性來考慮，則希望控制通道放大倍數(shù) 0K 愈大愈好。 (2)時間常數(shù) T0的影響 控制 通道時間常數(shù)愈大，經(jīng)過的容量數(shù)愈多，系統(tǒng)的工作頻率將愈低，控制愈不及時，過渡過程時間也愈長，系統(tǒng)的質(zhì)量愈低。隨著控制通道時間常數(shù)的減小，系統(tǒng)工作頻率會提高，控制就較為及時，過渡過程也會縮短，控制質(zhì)量將獲得提高。然而也不是控制通道時間常數(shù)愈小愈好。因為時間常數(shù)太小，系統(tǒng)工作過于頻繁，系統(tǒng)將變得過于靈敏，反而會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，系統(tǒng)質(zhì)量會變差。大多數(shù)流量控制系統(tǒng)的流量記錄曲線波動得都比較厲害，就是由于流量對象時間常數(shù)比較小的緣故。 (3)純滯后τ 0和容量滯后τ c 的影響 控制通道的滯后包括純滯后τ 0 和容量滯后τ c 兩種。它們對控制質(zhì)量的影響不利，尤其是τ 0的影響最壞。 控制通道純滯后的存在不僅會使系統(tǒng)控制不及時，使動態(tài)偏差增大，而且還會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。這是因為純滯后的存在，使得調(diào)節(jié)器不能及時獲得控制作用效果的反饋信息，會使調(diào)節(jié)器出現(xiàn)失控。當(dāng)需要增加控制作用時會使控制作用增加得太多，而一但需要減少控制作用時則又會使控制作用減少得太過分，因此導(dǎo)致系統(tǒng)的振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。因此，控制通道純滯后的存在，對控制質(zhì)量起著很壞的影響，會嚴(yán)重地降低控制質(zhì)量。 控制通道的容量滯后 τ c 同樣會造成控制作用不及時，使控制質(zhì)量下降 。但是 τ c 的影響比純滯后 τ c 對系統(tǒng)的影響緩和。另外，若引入微分作用，對于克服 τ c 對控制質(zhì)量 的影響有顯著的效果。 控制器參數(shù)對系統(tǒng)的影響 比例系數(shù) Kp ， 作用在于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度。 越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，也就是對偏差的分辨率越高，但 Kp過大，將產(chǎn)生超調(diào)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定， 取值過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，尤其是使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。 積分系數(shù) Ki, 作用在于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。 Ki越大，系統(tǒng)靜態(tài)誤差消除越快，但Ki過大，在響應(yīng)過 程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象、從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)；若 Ki過小，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 微分系數(shù) Kd, 作用在于改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。 PID控制器的微分作用環(huán)節(jié)是響應(yīng)系統(tǒng)偏差的變化率，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預(yù)報。但 Kd過大，則會使響應(yīng)過程過分提前制動，從而延長調(diào)節(jié)時間，而且統(tǒng)的抗干擾性能較差。 控制器控制規(guī)律的選擇 通常，選擇調(diào)節(jié)器動作規(guī)律時應(yīng)根據(jù)對象特性、負(fù)荷變化、主要擾動和系統(tǒng)控制要求等具體情況，同時還應(yīng)考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟性以及系統(tǒng)投入 方便等。 基本原則： (1) 廣義對象控制通道時間常數(shù)較大或容積延遲較大時，應(yīng)引入微分動作。如工容許有殘差，可選用比例微分動作；如工藝要求無殘差時，則選用比例積分微分動作。如溫度、成分、 pH 值控制等。 (2) 當(dāng)廣義對象控制通道時間常數(shù)較小，負(fù)荷變化也不大，而工藝要求無殘差時，可選擇比例積分動作。如管道壓力和流量的控制。 (3) 廣義對象控制通道時間常數(shù)較小，負(fù)荷變化較小，工藝要求不高時，可選擇比 例動作，如貯罐壓力、液位的控制。 4) 當(dāng)廣義對象控制通道時間常數(shù)或容積延遲很大，負(fù)荷變化亦很大時，簡單 控制系統(tǒng)已不能滿足要求，應(yīng)設(shè)計復(fù)雜控制系統(tǒng)。 如果被控對象傳遞函數(shù)可用1)( ?? ?TsKesG sp ?近似，則可根據(jù)對象的可控比τ /T 選擇調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律。當(dāng)τ /T 時，選擇比例或比例積分動作；當(dāng) τ /T≤ 時，選擇比例微分或比例積分微分動作；當(dāng)τ /T 時，采用簡單控制系統(tǒng)往往不能滿足控制要求，應(yīng)選用如串級、前饋等復(fù)雜控制系統(tǒng)。 控制器參數(shù) 整定 一個控制系統(tǒng)的質(zhì)量取決于對象特性、控制方案、干擾的形式和大小，以及控制器參數(shù)等各種因素。一旦系統(tǒng)按所設(shè)計的方案安裝就緒，對 象特性與干擾位置等基本上都已固定下來，這時候系統(tǒng)的質(zhì)量主要取決于控制器參數(shù)整定了。合適的控制器參數(shù)會帶來滿意的控制效果，不合適的控制器參數(shù)會使系統(tǒng)質(zhì)量變壞。但是，決不能因此而認(rèn)為控制器參數(shù)整定是萬能的。對于一個控制系統(tǒng)來說，如果對象特性不好，控制方案選的不合理，或是儀表選擇和安裝不當(dāng)，那么無論怎樣整定控制器參數(shù)，也是達不到質(zhì)量指標(biāo)要求的。因此，只能說在一定范圍內(nèi)， 控制 器參數(shù)整定合適與否，對控制質(zhì)量具有重要的影響。 系統(tǒng)整定，一般是指選擇調(diào)節(jié)器的比例度δ、積分時間 TI和微分時間 TD的具體數(shù)值。系統(tǒng)整定的實質(zhì)， 就是通過調(diào)整調(diào)節(jié)器的這些參數(shù)，使其特性與被控對象特性相匹配，來改善系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)特性，以達到最佳的控制效果。人們常把這種整定稱作“最佳整定”，這時的調(diào)節(jié)器參數(shù)叫做“最佳整定參數(shù)”。 對于一個已經(jīng)設(shè)計并安裝就緒的控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)器參數(shù)（δ、 Ti、 Td）的調(diào)整，使得系統(tǒng)的過渡過程達到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求 [6]。 第三章 液位控制系統(tǒng)的仿真研究 液位控制問題是工業(yè)生產(chǎn)過程中的一類常見問題 ,例如飲料、食品加工、溶液過濾、化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程都需要對液位進行適當(dāng)?shù)目刂啤Ｋ湟何坏目刂谱鳛檫^程控制的一種 ,由 于其自身存在滯后 ,對象隨負(fù)荷變化而表現(xiàn)非線性特性及控制系統(tǒng)比較復(fù)雜的特點 ,傳統(tǒng)的控制不能達到滿意的控制效果。 本 設(shè)計建立一個簡化的數(shù)學(xué)模型 。 來實現(xiàn)水箱液位 控制系統(tǒng)仿真 研究 [7]。 單容水箱液位控制系統(tǒng) 單容水箱數(shù)學(xué)模型 假如某單容液 位 過程如上圖 所示。該過程中，儲蓄中液位高度 h 為被控參數(shù)（即過程的輸出），流入儲蓄罐的體積流量 q1為過程的輸入量， q1 的大小可通過閥門 1 的開度來改變；流出儲蓄的體積量 q2 為中間變量（即為過程的干擾），它取決于用戶需要，其大小可以通過閥門 2 的開度來改變。 圖 單容液 位過程 根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系有： dthdCqq ?????21 式 () C 為儲罐的截面積（容量系數(shù)） 靜態(tài)時有： 2021 qq ? , 0?dtdh 假設(shè) 22 Rhq ??? 為閥 2 的液阻 ，微分方程為： 122 qRhdt hdCR ?????? 式 () 傳遞函數(shù)為 11)()( 2 2)(1 ????? Ts KCsR RQ sHsG s 式 () T 為被控過程的時間常數(shù)， CRT 2? ， K 為被控過程的放大系數(shù)， 2RK? [2]。 假設(shè) 0q 流經(jīng) l 長管道所需時間為 0? ，則具有純滯后的單容過程的微分方程和傳遞函數(shù)為 )(00 ???????? tqKhdt hdT 式 () seTs KsQ sHsG 01)( )()( 0 ????? 式 () 根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)可以近似得到如圖 3,2 的反應(yīng)曲線 圖 單容水箱液位對象反應(yīng)曲線 根據(jù)反應(yīng)曲線及實驗數(shù)據(jù)可得參數(shù) K、 T 分別為 、 70。 所以單容水箱的傳遞函數(shù)為 ： 170 )( ???? sTsKsG 式 () 控制方案 設(shè)計采用簡單的單回路控制系統(tǒng)，控制 方 案如圖 所示。 HL C入 水L T 圖 單容水箱控制結(jié)構(gòu)圖 如圖 所示，其被控制量為水箱液位 H，控制量是入水量。如果水箱液位比期望的液位值低，就要加大入水量；如果水箱液位比期望的液位值要高，就要減少入水量。如果水箱液位正好等于期望的液位值，入水量就可以保持不變。 單回路控制方框圖如下圖 所示： 控 制 器 控 制 閥 水 箱變 送 器給 定偏 差 測 量液 位+ 圖 單容水箱控制方框圖 若水箱只是為了起緩沖作用而需要控制液位時，則控制精度要求不高，控制器選用