【文章內容簡介】 其中： 主對象 sp essG ?? ??)(1 （ 36） 廣義副對象 1)()( 2 22 ?? sT KKsGsG p pvpv （ 37） 負荷干擾通道 ssTKsD sHsG d ????? 221)( )()( （ 38） VK 2PG se?? s? sTK221? u q D H _ 圖 37汽包對象仿真模型 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設 計 11 )(sGcl )(2sGc vK )(2sGp se?? s? )(2 sGm )(2 sGm sTK221? ffK 圖 38 前饋 — 串級給水控制系統(tǒng)框圖 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設 計 12 4 控制系統(tǒng)的介紹與設計 串級控制系統(tǒng) 隨著工業(yè)的發(fā)展，新工藝不斷出現，生產過程日趨強化， 對產品質量要求越來越高，簡單控制系統(tǒng)已不能滿足工藝要求，串級控制系統(tǒng)應運而生。 串級控制系統(tǒng)的組成 串級控制系統(tǒng)的標準框圖如圖 41所示 串級控制系統(tǒng)的特點 對二次干擾有很強的克服能力。 改善了對象的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率。 對負荷或操作條件的變化有一定自適應能力。 主控制器 副控制器 調節(jié)閥 副對象 主對象 副測量變送器 主測量變送器 設定值 二次干擾 一次干擾 圖 41 串級控制系統(tǒng)框圖 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設 計 13 串級控制系統(tǒng)的設計 首先是主、副回路的選擇，串級控制系統(tǒng)的主回路是一個定值控制系統(tǒng)，它的選擇與簡單控制系統(tǒng)類似。 串級控制系統(tǒng)的種種特點都 是因為增加了副回路的緣故?？梢哉f，副回路的設計質量是保證發(fā)揮串級控制系統(tǒng)優(yōu)點的關鍵所在。從結構上看，副回路也是一個簡單控制系統(tǒng)，問題的實質在于如何從整個對象中選取一部分作為副對象，然后組成一個副控制回路，這也可以歸納為如何選擇副控變量（副變量）。以下是關于副回路設計的幾個原則。 副被控變量（副變量）的選擇應使副回路的時間常數小，調節(jié)通道短，并且反應靈敏。 副回路應包含被控對象所受到的主要干擾。 應考慮工藝上的合理性、可能性和經濟性。 然后是主、副控制器調節(jié)規(guī)律的選擇。從串級控制系統(tǒng)的結構上看，主回路是一個定 值控制系統(tǒng)，因此主控制器調節(jié)規(guī)律的選擇與簡單控制系統(tǒng)類似。但凡是需要采用串級控制的場合，工藝上對控制品質的要求總是很高的，不允許主被控變量（主變量）存在偏差，因此，主控制器都必須具有積分作用，一般都采用 PI 控制器。如果副回路外面的容積數目較多，同時有主要擾動落在副回路外面，就可以考慮采用 PID 控制器。主控制器的任務是準確保持主被控變量（主變量）符合生產要求。 副回路既是隨動控制系統(tǒng)又是定值控制系統(tǒng)。而副變量則是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量，一般無嚴格的指標要求，即副變量并不要求無差，所以副控制器一般都選用 P 控制器，也可以采用 PD 控制器，但是這增加了系統(tǒng)的復雜性，并且沒有很大的效果。在一般情況下，采用 P控制器就足夠了。如果主、副回路的頻率相差很大，也可以考慮采用 PI 控制器。副控制器的任務是要快動作以迅速抵消落在副回路內的二次擾動。 最后是主、副控制器正、反作用的選擇。與簡單控制系統(tǒng)一樣，一個串級控制系統(tǒng)要實現正常運行，其主、副回路都必須構成負反饋，因而必須正確選擇主、副控制器的正、反作用方式。 副控制器作用方式的選擇，是根據工藝安全等要求，在選定調節(jié)閥的氣開、氣基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設 計 14 關形式后，按照使副回路構成負反饋系統(tǒng)的原則來確定 的。因此，副控制器的作用方式與副對象特性及調節(jié)閥的氣開、氣關形式有關，其選擇方法與簡單控制系統(tǒng)中控制器正、反作用方式的選擇方法相同。這時可不考慮主控制器的作用方式，只是將主控制器的輸出作為副控制器的設定值即可。 在假定副測量變送器的增益為正的情況下，副控制器正、反作用選擇的判別式為 （副控制器 ? ） ?（調節(jié)閥 ? ） ? （副對象 ? ） =（ — ） 其中，調節(jié)閥的“ ? ”取決于它的“氣開”還是“氣關”作用方式，“氣開”為“ +”，“氣關”為“ — ”；而副對象的“ ? ”取決于控制變量和副被控變量的關系，控制變量增大，副被控變量也增大時稱其為 “ +”，否則稱其為“ — ”。 主控制器的作用方式的選擇完全由工藝情況確定，而與調節(jié)閥的氣開、氣關形式及副控制器的作用方式完全無關，即只需根據主對象的特性，選擇與其作用方向相反的主控制器就行了。 在選擇主控制器的作用方式時，首先把整個副回路簡化為一個環(huán)節(jié)。由于副回路是一個隨動控制系統(tǒng)，其副回路的輸入信號與輸出信號之間總是正作用，即輸入增加，輸出亦增加。因此，整個副回路可看成為一個增益為正的環(huán)節(jié)。這樣，在假定主測量變送器的增益為正的情況下，主控制器正、反作用的選擇實際上只取決于主對象的增益符號。 主控制器正、反作 用方式選擇的判別式為 （主控制器 ? ） ? （主對象 ? ） =(— ) 由這個判別式也可看出，主控制器的作用方向與主對象的特性相反，即當主對象的增益為正時，主控制器選反作用；而當主對象的增益為負時，主控制器選正作用。 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設 計 15 前饋控制系統(tǒng) 前饋控制系統(tǒng)的特點 a．前饋控制是一種開環(huán)控 制。前饋控制有利于對系統(tǒng)中的主要干擾進行及時控制。 b．前饋控制是一種按擾動大小進行補償的控制。在理論上，前饋控制可以把偏差完全消除。 c．一種前饋控制器只能克服一種擾動。由于前饋控制作用是按擾動進行工作的，而且整個系統(tǒng)也是開環(huán)的。因此根據一種擾動設計的前饋控制器只能克服這一擾動，而對于其他擾動，前饋控制器無法檢測到。 d. 前饋控制只能抑制可測不可控擾動對被控變量的影響。如果擾動不可測，就無法采用前饋控制；而如果擾動可測又可控，則只要涉及一個簡單的定值控制系統(tǒng)，而無需采用前饋控制。 e. 前饋控制使用的是 視對象特性而定的專用控制器。一般的反饋控制系統(tǒng)中的控制器可采用通用類型的 PID控制器；而前饋控制器的控制規(guī)律與被控對象控制通道和干擾通道的特性有關。 前饋控制系統(tǒng)的結構 常用的前饋控制系統(tǒng)又單純前饋控制系統(tǒng)、前饋 反饋控制系統(tǒng)和前饋 串級控制系統(tǒng)三種結構形式。 （ 1） 首先是單純前饋控制系統(tǒng)，單純前饋控制系統(tǒng)時開環(huán)控制系統(tǒng)，一般單純前饋控制系統(tǒng)的框圖如圖 42所示。圖中， D（ s） 和 Y（ s） 分別為擾動量和被控變量的拉氏變換， )(sGD 為干擾通 道的傳遞函數， )(sGp 為控制通道的傳遞函數，)(sGff 為前饋控制器的傳遞函數。 確定前饋控制器的控制規(guī)律是實現對單純前饋控制系統(tǒng)干擾完全補償的關鍵。 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設 計 16 由圖 42可知，在擾動量 D（ s） 作用下，系統(tǒng)的輸出 Y（ s）為 )()()()()()( sDsGsGsDsGsY pffd ?? 或者寫為 )()( )( sGsD sY d? + )()( sGsG pff 系統(tǒng)對于擾動量 D（ s）實現完全補償的條件是 D（ s）≠ 0，而 Y（ s） =0，即 ?)(sGd )()( sGsG pff =0 于是，可得前饋控制器的傳遞函數為 )( )(sG sGG pdff —? （ 41） 由式（ 41）可知，不論擾動量 D（ s）為何值，總有被控變量 Y（ s） =0，即擾動量 D（ s）對于被控變量 Y（ s）的影響將為零，從而實現了完全補償，這就是“不變性”原理?？梢钥闯?，要實現對擾動量的完全補償，必須保證)(()( p sGs）GsG ffd 和、 等環(huán)節(jié)的傳遞函數是精確的；否則，就不能保證 Y（ s）等于零，于是，被控變量與設定值之間就會出現偏差。 前饋控制分為靜態(tài)前饋控制和動態(tài)前饋控制。 所謂靜態(tài)前饋控制，就是指前饋控制器的控制規(guī)律為比例特 性，即 ffpff KsG sGsG —)( )()( d ?? — （ 42） )(sGd )(sGp )(sGff Y(s) D（ s） 圖 42 單純前饋控制系統(tǒng)框圖 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設 計 17 式中， ffK 稱為靜態(tài)前饋系數 。 在實際的過程控制系統(tǒng)中，被控對象的控制通道和干擾通道的傳遞函數往往都是時間的函數。所以采用靜態(tài)前饋控制方案，就不能很好補償動態(tài)誤差，特別是在對動態(tài)誤差控制精度要求很高的場合，必須考慮采用動態(tài)前饋控制方式。 動態(tài)前饋控制的設計思想是，通過選擇適當的前饋控制器，使干擾信號經過前饋控制器至被控變量通道的動 態(tài)特性完全復制對象干擾通道的動態(tài)特性，并使它們的符號相反，從而實現對干擾信號進行完全補償的目標。其傳遞函數一般可表示為 )1( )1()( )()()(????????sTK esTKsG sGsG dpspdpdff pd ?? （ 43） 若實際系統(tǒng)的 dp ?? ? ，則動態(tài)前饋控制器為 1 )1()( ? ??? sT sTKsG d pffff （ 44） （ 2） 由于單純的前饋控制是一種開 環(huán)控制，它在控制過程中完全不測取被控變量的信息，因此，它只能對指定的擾動量進行補償控制，而對其他的擾動量無任何補償作用。因此，在實際應用中，通常采用前饋控制與反饋控制相結合的復合控制方式。前饋控制器用來消除可測擾動量對被控變量的影響，而反饋控制器則用來消除前饋控制器不精確和其他不可測干擾所產生的影響，典型的前饋 — 反饋控制系統(tǒng)結構如圖 43 所示。 )(sGd )(sGp )(sGff Y(s) D（ s） H（ s） )(sGc 圖 43 前饋 — 反饋控制系統(tǒng)框圖 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設 計 18 根據圖 43可得，擾動量 D（ s） 對被控變量 Y（ s） 的閉環(huán)傳遞函數為 )()()(1 )()()()( )( sGsGsH sGsGsGsD sY pc pffd? ?? 在擾動量 D（ s） 作用下，對被控變量 Y（ s） 完全補償的條件是 D（ s） ≠ 0， Y（ s）=0，因此有 )( )()( sG sGsG pdff ?? （ 45） 由式（ 4— 5）可知，從實現對系統(tǒng)主要擾動量完全補償的條件看，無論是采用單純的前饋控制或是采用前饋 — 反饋控制，其前饋控制器的特性不會因為增加了反饋回路而改變。 前饋控制系統(tǒng)的設計 （ 1）擾動量的選擇。前饋控制器的輸入變量 時擾動，擾動量選擇的依據如下。 a．擾動量可測但不可控，例如換熱器進料量和供汽鍋爐的負荷變化等。 b. 擾動量應是主要擾動，變化頻繁且幅度較大。 c. 擾動量對被控變量影響大，用反饋控制較難實現所需控制要求。 d. 擾動量雖然可控，但工藝要經常改變其數值，進而影響被控變量。 （ 2）系統(tǒng)引入前饋控制的原則。 一般來說，在系統(tǒng)中引入前饋必須遵循以下幾個原則。 。如果前饋控制所需的擾動量不可測，前