【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 其中： 主對(duì)象 sp essG ?? ??)(1 （ 36） 廣義副對(duì)象 1)()( 2 22 ?? sT KKsGsG p pvpv （ 37） 負(fù)荷干擾通道 ssTKsD sHsG d ????? 221)( )()( （ 38） VK 2PG se?? s? sTK221? u q D H _ 圖 37汽包對(duì)象仿真模型 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 11 )(sGcl )(2sGc vK )(2sGp se?? s? )(2 sGm )(2 sGm sTK221? ffK 圖 38 前饋 — 串級(jí)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(shè) 計(jì) 12 4 控制系統(tǒng)的介紹與設(shè)計(jì) 串級(jí)控制系統(tǒng) 隨著工業(yè)的發(fā)展，新工藝不斷出現(xiàn)，生產(chǎn)過(guò)程日趨強(qiáng)化， 對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求越來(lái)越高，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)已不能滿足工藝要求，串級(jí)控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。 串級(jí)控制系統(tǒng)的組成 串級(jí)控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)框圖如圖 41所示 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 對(duì)二次干擾有很強(qiáng)的克服能力。 改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率。 對(duì)負(fù)荷或操作條件的變化有一定自適應(yīng)能力。 主控制器 副控制器 調(diào)節(jié)閥 副對(duì)象 主對(duì)象 副測(cè)量變送器 主測(cè)量變送器 設(shè)定值 二次干擾 一次干擾 圖 41 串級(jí)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(shè) 計(jì) 13 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 首先是主、副回路的選擇，串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，它的選擇與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)類似。 串級(jí)控制系統(tǒng)的種種特點(diǎn)都 是因?yàn)樵黾恿烁被芈返木壒?。可以說(shuō)，副回路的設(shè)計(jì)質(zhì)量是保證發(fā)揮串級(jí)控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的關(guān)鍵所在。從結(jié)構(gòu)上看，副回路也是一個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，問題的實(shí)質(zhì)在于如何從整個(gè)對(duì)象中選取一部分作為副對(duì)象，然后組成一個(gè)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(guān)于副回路設(shè)計(jì)的幾個(gè)原則。 副被控變量（副變量）的選擇應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，并且反應(yīng)靈敏。 副回路應(yīng)包含被控對(duì)象所受到的主要干擾。 應(yīng)考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟(jì)性。 然后是主、副控制器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇。從串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看，主回路是一個(gè)定 值控制系統(tǒng)，因此主控制器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)類似。但凡是需要采用串級(jí)控制的場(chǎng)合，工藝上對(duì)控制品質(zhì)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(shù)目較多，同時(shí)有主要擾動(dòng)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(wù)是準(zhǔn)確保持主被控變量（主變量）符合生產(chǎn)要求。 副回路既是隨動(dòng)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(wú)嚴(yán)格的指標(biāo)要求，即副變量并不要求無(wú)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(fù)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(wù)是要快動(dòng)作以迅速抵消落在副回路內(nèi)的二次擾動(dòng)。 最后是主、副控制器正、反作用的選擇。與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)一樣，一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行，其主、副回路都必須構(gòu)成負(fù)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(jù)工藝安全等要求，在選定調(diào)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(shè) 計(jì) 14 關(guān)形式后，按照使副回路構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)的原則來(lái)確定 的。因此，副控制器的作用方式與副對(duì)象特性及調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式有關(guān)，其選擇方法與簡(jiǎn)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(shí)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(shè)定值即可。 在假定副測(cè)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(diào)節(jié)閥 ? ） ? （副對(duì)象 ? ） =（ — ） 其中，調(diào)節(jié)閥的“ ? ”取決于它的“氣開”還是“氣關(guān)”作用方式，“氣開”為“ +”，“氣關(guān)”為“ — ”；而副對(duì)象的“ ? ”取決于控制變量和副被控變量的關(guān)系，控制變量增大，副被控變量也增大時(shí)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(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式及副控制器的作用方式完全無(wú)關(guān)，即只需根據(jù)主對(duì)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(shí)，首先把整個(gè)副回路簡(jiǎn)化為一個(gè)環(huán)節(jié)。由于副回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，其副回路的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間總是正作用，即輸入增加，輸出亦增加。因此，整個(gè)副回路可看成為一個(gè)增益為正的環(huán)節(jié)。這樣，在假定主測(cè)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(shí)際上只取決于主對(duì)象的增益符號(hào)。 主控制器正、反作 用方式選擇的判別式為 （主控制器 ? ） ? （主對(duì)象 ? ） =(— ) 由這個(gè)判別式也可看出，主控制器的作用方向與主對(duì)象的特性相反，即當(dāng)主對(duì)象的增益為正時(shí)，主控制器選反作用；而當(dāng)主對(duì)象的增益為負(fù)時(shí)，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(shè) 計(jì) 15 前饋控制系統(tǒng) 前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn) a．前饋控制是一種開環(huán)控 制。前饋控制有利于對(duì)系統(tǒng)中的主要干擾進(jìn)行及時(shí)控制。 b．前饋控制是一種按擾動(dòng)大小進(jìn)行補(bǔ)償?shù)目刂?。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(dòng)。由于前饋控制作用是按擾動(dòng)進(jìn)行工作的，而且整個(gè)系統(tǒng)也是開環(huán)的。因此根據(jù)一種擾動(dòng)設(shè)計(jì)的前饋控制器只能克服這一擾動(dòng)，而對(duì)于其他擾動(dòng)，前饋控制器無(wú)法檢測(cè)到。 d. 前饋控制只能抑制可測(cè)不可控?cái)_動(dòng)對(duì)被控變量的影響。如果擾動(dòng)不可測(cè)，就無(wú)法采用前饋控制；而如果擾動(dòng)可測(cè)又可控，則只要涉及一個(gè)簡(jiǎn)單的定值控制系統(tǒng)，而無(wú)需采用前饋控制。 e. 前饋控制使用的是 視對(duì)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(duì)象控制通道和干擾通道的特性有關(guān)。 前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 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(jí)控制系統(tǒng)三種結(jié)構(gòu)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(shí)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(dòng)量和被控變量的拉氏變換， )(sGD 為干擾通 道的傳遞函數(shù)， )(sGp 為控制通道的傳遞函數(shù)，)(sGff 為前饋控制器的傳遞函數(shù)。 確定前饋控制器的控制規(guī)律是實(shí)現(xiàn)對(duì)單純前饋控制系統(tǒng)干擾完全補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 16 由圖 42可知，在擾動(dòng)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(duì)于擾動(dòng)量 D（ s）實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)臈l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(shù)為 )( )(sG sGG pdff —? （ 41） 由式（ 41）可知，不論擾動(dòng)量 D（ s）為何值，總有被控變量 Y（ s） =0，即擾動(dòng)量 D（ s）對(duì)于被控變量 Y（ s）的影響將為零，從而實(shí)現(xiàn)了完全補(bǔ)償，這就是“不變性”原理?？梢钥闯?，要實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)量的完全補(bǔ)償，必須保證)(()( p sGs）GsG ffd 和、 等環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)是精確的；否則，就不能保證 Y（ s）等于零，于是，被控變量與設(shè)定值之間就會(huì)出現(xiàn)偏差。 前饋控制分為靜態(tài)前饋控制和動(dòng)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(shè) 計(jì) 17 式中， ffK 稱為靜態(tài)前饋系數(shù) 。 在實(shí)際的過(guò)程控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象的控制通道和干擾通道的傳遞函數(shù)往往都是時(shí)間的函數(shù)。所以采用靜態(tài)前饋控制方案，就不能很好補(bǔ)償動(dòng)態(tài)誤差，特別是在對(duì)動(dòng)態(tài)誤差控制精度要求很高的場(chǎng)合，必須考慮采用動(dòng)態(tài)前饋控制方式。 動(dòng)態(tài)前饋控制的設(shè)計(jì)思想是，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)那梆伩刂破鳎垢蓴_信號(hào)經(jīng)過(guò)前饋控制器至被控變量通道的動(dòng) 態(tài)特性完全復(fù)制對(duì)象干擾通道的動(dòng)態(tài)特性，并使它們的符號(hào)相反，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行完全補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)。其傳遞函數(shù)一般可表示為 )1( )1()( )()()(????????sTK esTKsG sGsG dpspdpdff pd ?? （ 43） 若實(shí)際系統(tǒng)的 dp ?? ? ，則動(dòng)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(guò)程中完全不測(cè)取被控變量的信息，因此，它只能對(duì)指定的擾動(dòng)量進(jìn)行補(bǔ)償控制，而對(duì)其他的擾動(dòng)量無(wú)任何補(bǔ)償作用。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用前饋控制與反饋控制相結(jié)合的復(fù)合控制方式。前饋控制器用來(lái)消除可測(cè)擾動(dòng)量對(duì)被控變量的影響，而反饋控制器則用來(lái)消除前饋控制器不精確和其他不可測(cè)干擾所產(chǎn)生的影響，典型的前饋 — 反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shè) 計(jì) 18 根據(jù)圖 43可得，擾動(dòng)量 D（ s） 對(duì)被控變量 Y（ s） 的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 )()()(1 )()()()( )( sGsGsH sGsGsGsD sY pc pffd? ?? 在擾動(dòng)量 D（ s） 作用下，對(duì)被控變量 Y（ s） 完全補(bǔ)償?shù)臈l件是 D（ s） ≠ 0， Y（ s）=0，因此有 )( )()( sG sGsG pdff ?? （ 45） 由式（ 4— 5）可知，從實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)主要擾動(dòng)量完全補(bǔ)償?shù)臈l件看，無(wú)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(huì)因?yàn)樵黾恿朔答伝芈范淖儭? 前饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) （ 1）擾動(dòng)量的選擇。前饋控制器的輸入變量 時(shí)擾動(dòng)，擾動(dòng)量選擇的依據(jù)如下。 a．?dāng)_動(dòng)量可測(cè)但不可控，例如換熱器進(jìn)料量和供汽鍋爐的負(fù)荷變化等。 b. 擾動(dòng)量應(yīng)是主要擾動(dòng)，變化頻繁且幅度較大。 c. 擾動(dòng)量對(duì)被控變量影響大，用反饋控制較難實(shí)現(xiàn)所需控制要求。 d. 擾動(dòng)量雖然可控，但工藝要經(jīng)常改變其數(shù)值，進(jìn)而影響被控變量。 （ 2）系統(tǒng)引入前饋控制的原則。 一般來(lái)說(shuō)，在系統(tǒng)中引入前饋必須遵循以下幾個(gè)原則。 。如果前饋控制所需的擾動(dòng)量不可測(cè)，前