【文章內容簡介】 直接擾動進行控制，就有可能及時消除擾動的影響而使被調量基本不變化（或變化很?。?。這種直接根據擾動進行控制的系統(tǒng)，稱為前饋控制系統(tǒng)。前饋控制系統(tǒng)又稱“擾動補償”。 1. 前饋控制系統(tǒng)的分析 前饋控制系統(tǒng)的原理框圖如圖 ： 300MW 發(fā)電 機組再熱 汽 溫控制系統(tǒng)設計 7 圖 前饋控制系統(tǒng) 圖 ，擾動量λ是引起被調量 y變化的原因，而前饋調節(jié)器在擾動出現(xiàn)的同時就根據擾動信號λ進行調節(jié)，用此控制作用去抵消擾動λ對被調量的影響。如果完全抵消，被調量就可可以保持不變。在前饋控制系統(tǒng)中，沒有被調量（及其它）的反饋信號，所 以系統(tǒng)是不閉合的，因此也稱開環(huán)控制系統(tǒng)。 2. 前饋控制系統(tǒng)的特點 （ 1） 前饋控制系統(tǒng)是直接根據擾動進行控制的因此可以消除擾動對被調量的影響，減小被調量的動態(tài)偏差，而且不像反饋控制系統(tǒng)那樣根據被調量的偏差反復調節(jié)，因此前饋控制系統(tǒng)的調節(jié)時間 ts 也較小。 （ 2） 前饋控制系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng)，不存在系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。但是，由于系統(tǒng)中不存在被調量的反饋信號，因而控制過程結束后不易得到靜態(tài)偏差的具體數(shù)值。 （ 3） 前饋控制系統(tǒng)只能用來克服生產過程中主要的、可測的擾動。在實際工業(yè)生產中使被調量發(fā)生變化的原因（擾動）是很多的，對每一種擾動都 需要一個獨立的前饋控制，這就會使控制系統(tǒng)變得非常復雜；而且有的擾動往往是難于測量的，對于這些擾動就無法實現(xiàn)前饋控制。 （ 4） 前饋控制系統(tǒng)一般只能實現(xiàn)局部補償而不能保證被調量的完全不變。 反饋控制系統(tǒng) 這種控制系統(tǒng)的基本工作原理是根據被調量與其給定值之間的偏差進行調節(jié)，最后達到減小或消除偏差，簡單說就是“按偏差調節(jié)”。為了取得偏差信號，必須要有被調量測量值的反饋信號，因而將系統(tǒng)構成一個閉合回路，所以這種系統(tǒng)也稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。 反饋控制系統(tǒng)框圖如圖 所示： 沈陽工程學院畢業(yè)設計（論文） 8 圖 反饋控制系統(tǒng) 2. 反饋控制系統(tǒng)的特點 （ 1） 在反饋控制系統(tǒng)中，輸入量和輸出量存在一一對應的關系。 （ 2） 在反饋控制系統(tǒng)中，除輸入量對輸出量產生控制作用外，輸出量也參與系統(tǒng)的控制，因而閉環(huán)系統(tǒng)具有抗干擾能力。 （ 3） 為了檢測偏差，必須直接或間接地檢測出輸出量，并將其變換為與輸入量相同的物理量以便與給定量相比較，得出偏差信號。所以反饋控制系統(tǒng)必須有檢測環(huán)節(jié)、給定環(huán)節(jié)和比較環(huán)節(jié)。 （ 4） 閉環(huán)控制環(huán)節(jié)是利用偏差量作為控制信號來糾正偏差的，因此系統(tǒng)中必須具有執(zhí)行糾正偏差這一任務的執(zhí)行能夠機構。反饋系數(shù)正是靠放大的偏差信號來推動執(zhí)行 機構，進一步對控制對象進行控制。只要輸出量與給定值之間存在偏差，就有控制作用存在，力圖糾正這一偏差。由于反饋控制系統(tǒng)是利用偏差信號作為控制信號，自動糾正輸出量與其期望值之間的誤差，因此可以構成精確的控制系統(tǒng)。 復合控制系統(tǒng) 在反饋控制系統(tǒng)的基礎上加入前饋控制系統(tǒng)就稱為前饋－反饋復合控制系統(tǒng)。將經常發(fā)生的主要擾動（負荷）做為前饋信號，由于前饋信號快于被調量的偏差信號，故可以進行“立即”調節(jié)，及時克服主要擾動對被調量的影響。利用反饋來克服其它擾動，使系統(tǒng)的被調量在穩(wěn)態(tài)時能準確地控制在給定值。在 復合控制系統(tǒng)中把前饋控制稱為粗調，把反饋控制稱為細調。只要充分利用前饋與反饋的優(yōu)點，可以提高控制質量。 性能指標 一個控制系統(tǒng)控制品質的優(yōu)劣，常用一些性能指標來評價。性能指標可以用計算的方法得到，也可以從控制過程曲線（被調量的階躍響應曲線）上直觀地得出。最常用的設計是時域（以時間為自由變量的研究領域 )性能指標。時域性能指標有可以分為單項性能指300MW 發(fā)電 機組再熱 汽 溫控制系統(tǒng)設計 9 標和綜合性能指標。 在過程控制種對定值控制系統(tǒng)和隨動控制系統(tǒng)的要求不同，就產生了兩類不同要求的性能指標。對于定值控制系統(tǒng)，控制要求的是克服擾動的影響，市被 控量保持在給定的范圍。對于隨動控制系統(tǒng)，控制要求是使被控制量跟蹤新給定值。這兩類系統(tǒng)同樣要求被控制量接近給定值，但控制要求不完全相同。在定制控制系統(tǒng)中，突出的要求是克服擾動的性能。在擾動發(fā)生后，希望被控制量穩(wěn)定、準確、快速地達到給定值或新的平衡狀態(tài)。在隨動控制系統(tǒng)中突出的要求是跟蹤性能，希望被控制量穩(wěn)定、準確、快速地跟蹤新給定值。 從以上的論述可以看出衡量控制系統(tǒng)調節(jié)品質優(yōu)劣的性能指標可以歸納為三個，即系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、準確性?？刂七^程的穩(wěn)定性是對控制系統(tǒng)最基本的要求。不穩(wěn)定的系統(tǒng)在生產上是不能采用的。 邊界穩(wěn)定的系統(tǒng)一般也是不符合生產要求的，只有穩(wěn)定系統(tǒng)才能完成正常的調節(jié)任務。 準確性是指被調量的實際值與給定值之間的動態(tài)偏差和靜態(tài)偏差。動態(tài)偏差表示系統(tǒng)短期偏離給定值的程度。靜態(tài)偏差表示長期偏離給定值的程度。所偏離越大，則控制系統(tǒng)離開規(guī)定的工況就越遠，這是不希望的。最大靜態(tài)偏差往往出現(xiàn)在負荷發(fā)生最大幅度的變化時，即有滿負荷跌到零負荷時。 快速性是指控制過程持續(xù)時間，控制過程的時間越短，即控制過程進行得越迅速，說明控制系統(tǒng)克服干擾的能力越強。 上述性能指標在同一系統(tǒng)中是相互制約的，在不同的系統(tǒng)中，則各有其重要 性。因此，在設計自動控制系統(tǒng)時，應該根據具體情況分清主次、區(qū)別對待，對于那些主要的指標應優(yōu)先予以保證。 調節(jié)器的控制規(guī)律 自動調節(jié)器（簡稱調節(jié)器）和控制對象組成一個相互作用的閉合回路如圖 所示。 圖 調節(jié)系統(tǒng)示意圖 調節(jié)器根據被調量 y與規(guī)定值 r 的偏差信號 e 而使執(zhí)行機構按一定規(guī)律動作，從而引起調節(jié)機關位置μ的變化。調節(jié)器輸入量為偏差 e，輸出量為調節(jié)機關位置，動態(tài)特性是指調節(jié)器的輸出量與輸入量的動態(tài)關系，常稱作調節(jié)器的控制規(guī)律。常用的調節(jié)器按其規(guī)律可分為比例調節(jié)器、比例積分調節(jié)器 、比例微分調節(jié)器、比例積分微分調節(jié)器。這些調沈陽工程學院畢業(yè)設計（論文） 10 節(jié)器的控制規(guī)律都是由基本調節(jié)作用比例、積分、微分組合而成。 基本調節(jié)作用 1. 比例作用（簡稱 P 作用） 比例作用的動態(tài)方程式為 eKu P? (式 ） e＝ r－ y 式中 e—— 被調量偏差，調節(jié)器的輸入信號； μ —— 調節(jié)機關的位置，調節(jié)器的輸出信號； PK —— 比例作用的比例系數(shù)。 它的傳遞函數(shù)為 PP KsE susW ?? )( )()( （ 式 ） 從式中看出，輸出μ與輸入 e的大小成正比?；蛘哒f，調節(jié)機關移動速度 dtdu 與偏差信號的變化速度 dtde 成正比。這說明比例作用無慣性、無延遲、動作快，而且調節(jié)動作的方向正確。因此，比例作用在控制系統(tǒng)中是促使控制過程穩(wěn)定的因素。 從式（ ）還可以看出μ與輸入 e 之間有一一對應的關系 。調節(jié)機關位置μ隨對象負荷的改變而改變，這樣才能適應負荷變化的要求。因此，當對象變化時，調節(jié)機關位置必須改變，即被調量與給定值之間的偏差必然發(fā)生改變。所以調節(jié)結果被調量（靜態(tài)）偏差，有時稱比例作用為有差調節(jié)。 積分作用 (簡稱 I 作用 ) 積分作用的動態(tài)表達式為 dteKu tI?? 0 （ 式 ） 或表示為 eKdtduI? （ 式 ） 式中 KI—— 積分速度。 它的傳遞函數(shù)為 SKSE suW II ?? )( )( （ 式 ） 式（ ）說明，輸入 e隨時間的積累就是輸出μ。只要偏差存在，調節(jié)機關的位置就一直變化下去。只有當偏差為零時，調節(jié)機關的位置就保持不變了。也可以說控制過程結束時，被調量與其給定值之間沒有穩(wěn)態(tài)偏差。 式（ ）說明，調節(jié)機關移動速度 dtdu 只與偏差 e 的大小成正比，而不考慮偏差變化速度的大小和方向 ，這一特點使積分調節(jié)作用有時產生方向錯誤，容易引起調節(jié)過程振蕩，300MW 發(fā)電 機組再熱 汽 溫控制系統(tǒng)設計 11 所以積分作用在控制系統(tǒng)中是使過程振蕩的因素。這種控制作用很少單獨使用。 微分作用 (簡稱 D作用 ) 微分作用的動態(tài)方程式為 dtdeKu d? （ 式 ） 式中 Kd—— 表示微分作用的比例系數(shù)。 它的傳遞函數(shù)為 sKsE susW dd ?? )( )()( （ 式 ） 式（ ）說明調節(jié)機關的位置與被調量偏差的變化速度成 正比，在控制過程開始階段，被調量偏離給定值很小，但變化速度很大，即微分作用很強，他可以使調節(jié)機關的位置產生一個較大的變化，限制偏差的進一步增大，微分的作用可以有效的減少被調量的動態(tài)偏差。從以上分析可知微分動作快于比例動作，即微分作用具有超前調節(jié)的特點，因此微分作用在控制系統(tǒng)中能提高過程的穩(wěn)定性。 調節(jié)過程結束時， de/dt 等于零，由式（ ）可知， μ＝ 0，即調節(jié)機關的位置不變，這樣就不能適應負荷的變化。也可以說，微分作用對恒定不變的偏差是沒有克服能力的。因此，只有微分作用的調節(jié)器是不能執(zhí)行調節(jié)任務的，即這 種控制作用不能單獨使用。 綜上所述，比例作用能單獨地執(zhí)行調節(jié)任務，并能使控制過程趨于穩(wěn)定，但使被調量產生靜態(tài)偏差。積分作用只有極少的情況才能單獨使用，會使控制過程變成振蕩甚至不穩(wěn)定，但能使被調量無靜態(tài)偏差。微分作用不能單獨使用，但能提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有效地減少被調量的動態(tài)偏差。由于比例、積分、微分作用給有其特點，所以目前工業(yè)上常用 P、 PI、 PD、 PID 調節(jié)器。 調節(jié)器的控制作用 1. 比例調節(jié)器 比例調節(jié)器的動態(tài)方程式與比例作用的動態(tài)方程式相同，即 ???????eueKu Pδ1 （ 式 ） 傳遞函數(shù)為δ1)s( )()s(W ??? pKE su （ 式 ） 式中 KP—— 調節(jié)器的比例系數(shù)，即偏差改變一個單位時，調節(jié)機構的位移變化量，它是調節(jié)器的參數(shù)； δ —— 比例系數(shù) KP 的倒數(shù)，即當調節(jié)機關的位置改變 100％時，偏差應有的改變量，稱比例帶。 比例調節(jié)器的階躍響應如圖 所示。 δ是可調的表示比例作用強弱的參數(shù)，δ越大比例作用越弱；δ越小比例作用越強。沈陽工程學院畢業(yè)設計（論文） 12 可以看出 ，輸出 u△ 對輸入Δ e0的響應無遲延、無慣性、由于調節(jié)方向正確，比例調節(jié)器在控制系統(tǒng)作用中是使控制過程穩(wěn)定的因素。當控制對象的負荷發(fā)生變化之后，執(zhí)行機構必須移動到一個與負荷相適應的位置才能使控制對象再度平衡。因此調節(jié)的結果是有差的。因而比例調節(jié)器稱為有差調節(jié)器。 圖 比例調節(jié)器的階躍響應曲線 圖 PI調節(jié)器的階躍響應曲線 2. 比例積分（ PI）調節(jié)器 比例積分調節(jié)器是比例作用和積分作用的疊加，它的動態(tài)方程為 dte d t????t ｔＩP Ｉ Ｐ0 ０ＰＫμ = Ｋ Ｋ e Ｋ （ e+ ｅ ）Ｋ （ 式 ） 或寫成 011()tie edtT? ?μ =δ （ 式 ） IPi KKT? 調節(jié)器的傳遞函數(shù)為 i1() sPIWs ? 1（ 1＋ ）δ T （ 式 ） 式中 KI—— 調節(jié)器的積分速度，即當偏差改變 100％時，調節(jié)機構的移動速度。 Ti—— 積分時間。 這種調節(jié)器有兩個可供調整的參數(shù)，即 KI和 KP。當 iT?? 時比例積分作用調節(jié)器就成比例作用調節(jié)器。當 i 0T? 時即 0PK ? 就成為積分作用調節(jié)器。積分時間越小，表示300MW 發(fā)電 機組再熱 汽 溫控制系統(tǒng)設計 13 積分作用越強。反之，積分時間越大，表示積分作用越弱。比例帶不但影響比例作 用的強弱而且也影響積分作用的強弱。 PI 調節(jié)器的階躍響應曲線如圖 所示。階躍響應曲線的方程式為 eet00i11μ = Δ ＋ Δδ δ Ｔ (式 ) 當 t=0時被調量偏差有一階躍 Δe 0,調節(jié)器立即輸出一個階躍值 Δe 0/δ, 然后隨時間逐漸上升。從圖 ，比例作用是即時的、快速的。而積分作用是緩慢的、漸進的、這兩種作用綜合后，某部分的調節(jié)方向還是錯誤的，易造成控制系統(tǒng)振蕩。 由于比例積分調節(jié)器是在比例調節(jié)器的基礎上，有加上積分調節(jié)，相當于再 “ 粗調 ”的基礎上再加上 “ 細調 ” ，能使控制過程結束后沒有靜 態(tài)偏差。 單回路控制系統(tǒng) 控制器和控制對象是單回路控制系統(tǒng)的兩個主要組成部分。它們的特征將決定控制系統(tǒng)的控制質量，因此討論控制對象的特征參數(shù)和調節(jié)器的調節(jié)參數(shù)對控制質量的影響是非常必要的。 單回路控制系統(tǒng)原理分析 單回路控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖 。 圖 單回路控制系統(tǒng)的原理方框圖 它是