第五章復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)5.1串級(jí)控制一、串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程1、串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)串級(jí)控制系統(tǒng)(CascadeControlStstem)是一種常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)，它根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)命名。由兩個(gè)或兩個(gè)以上的控制器串聯(lián)連接組成，一個(gè)控制器的輸出作為另一個(gè)控制器的設(shè)定值，這類控制系統(tǒng)稱為串級(jí)控制系統(tǒng)。影響爐出口溫度的因素很多，主要有：f1(t)：被加熱物料的流量和初溫；f2(t)：燃料熱值的變化、壓力的波動(dòng)，流量的變化；f3(t)：煙囪擋板位置的改變、抽力的變化。熱物料冷物料燃料優(yōu)點(diǎn)：所有對(duì)溫度的干擾都包含在控制回路之中，理論上都可以由溫度調(diào)節(jié)器予以調(diào)節(jié)缺點(diǎn)：控制通道的時(shí)間常數(shù)和容量滯后較大，控制作用不及時(shí)，系統(tǒng)克服擾動(dòng)的能力較差。選取爐的出口溫度為被控對(duì)象，選取燃料量為控制參數(shù)，構(gòu)成如圖所示的單回路控制系統(tǒng)。方案2：T2CT2T熱物料冷物料燃料單回路系統(tǒng)(控制爐膛溫度)選取爐膛的出口溫度為被控對(duì)象，選取燃料量為控制參數(shù)，構(gòu)成如圖所示的單回路控制系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：能及時(shí)而有效地克服來(lái)自f2(t)、f3(t)的干擾。缺點(diǎn)：爐膛的出口溫度控制只起輔助作用；放棄爐出口溫度控制將無(wú)法克服來(lái)自f1(t)變化等方面的干擾。T2CT2T熱物料冷物料燃料串級(jí)控制系統(tǒng)T1CT1T主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥管壁Gm1(s)R1Y1Ym1+－Gm2(s)副調(diào)節(jié)器爐膛Y2－Ym2R2控制系統(tǒng)方框圖f1f3物料f2Gc1(s)Gv(s)Gp1(s)Gm1(s)R1Y1Ym1+－Gm2(s)Gc2(s)Gp2(s)Y2－Ym2R2控制系統(tǒng)方框圖F1F2反應(yīng)釜溫度的單回路控制反應(yīng)釜簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)框圖反應(yīng)釜溫度與夾套溫度的串級(jí)控制

燃料壓力、熱值變化f2(t)和煙囪抽力變化f3(t)（二次擾動(dòng)或副回路擾動(dòng)）f2(t)和f3(t)先影響爐膛溫度，于是副調(diào)節(jié)器立即發(fā)出校正信號(hào)，控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，改變?nèi)剂狭?，克服上述擾動(dòng)對(duì)爐膛溫度的影響。如果擾動(dòng)量不大，經(jīng)過(guò)副回路的及時(shí)控制，一般不影響爐出口溫度；如果擾動(dòng)的幅值較大，雖然經(jīng)過(guò)副回路的及時(shí)校正，仍影響爐出口溫度，使主控制器輸出，即副控制器的設(shè)定變化，副控制器的設(shè)定和測(cè)量的同時(shí)變化，進(jìn)一步加速了控制系統(tǒng)克服擾動(dòng)的調(diào)節(jié)過(guò)程，使?fàn)t出口溫度回復(fù)到給定值。

被加熱物料的流量和初溫變化f1(t)（一次擾動(dòng)或主回路擾動(dòng)）

擾動(dòng)f1(t)使?fàn)t出口溫度變化時(shí)，主回路產(chǎn)生校正作用，克服對(duì)爐出口溫度的影響。由于副回路的存在加快了校正作用，使擾動(dòng)對(duì)爐出口溫度的影響比單回路系統(tǒng)時(shí)小。

一次擾動(dòng)和二次擾動(dòng)同時(shí)存在如果一、二次擾動(dòng)的作用使主、副被控參數(shù)同時(shí)增大或同時(shí)減小，主、副調(diào)節(jié)器對(duì)調(diào)節(jié)閥的控制方向是一致的，即大幅度關(guān)小或開(kāi)度閥門，加強(qiáng)控制作用，使?fàn)t出口溫度很快調(diào)回到給定值上。如果一、二次擾動(dòng)的作用使主、副被控參數(shù)一個(gè)增大（爐出口溫度升高），另一個(gè)減小（即爐膛溫度降低），此時(shí)主、副調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)器的方向是相反的，調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度只要作較小的變化即滿足控制要求。串級(jí)控制系統(tǒng)，就其主回路來(lái)看是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，而副回路則為一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。1、改善了被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性二、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與分析以加熱爐串級(jí)控制系統(tǒng)為例，在控制過(guò)程中，副回路對(duì)爐出口溫度起著的“粗調(diào)”作用，而主回路則完成對(duì)爐出口溫度的“細(xì)調(diào)”任務(wù)。Gc1(s)Gp1(s)Gm1(s)R1Y1Ym1+－Gp2(s)Y2串級(jí)控制系統(tǒng)的等效方框圖等效被控過(guò)程的放大系數(shù)等效被控過(guò)程的時(shí)間常數(shù)在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于副回路的存在，改善了原有一部分對(duì)象的特性，使等效副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)減小了。時(shí)間常數(shù)的減小，意味著控制通道的縮短，從而使控制作用更加及時(shí)，響應(yīng)速度更快，控制質(zhì)量必然得到提高。等效副對(duì)象的放大系數(shù)減小了，這種減小不僅不會(huì)影響控制質(zhì)量，反而此時(shí)串級(jí)控制系統(tǒng)中主控制器放大系數(shù)Kc1可以整定得比單回路系統(tǒng)中更大一些，對(duì)提高系統(tǒng)抗干擾能力更加有利。如果匹配得當(dāng)，副回路可近似為1：1的環(huán)節(jié)2、提高了系統(tǒng)的工作頻率Gc1(s)Gp1(s)Gm1(s)R1Y1Ym1+－Gp2(s)Y2串級(jí)控制系統(tǒng)的等效方框圖Gc(s)Gp1(s)Gm1(s)R1Y1Ym+－Gp2(s)Y2單回路控制系統(tǒng)的方框圖同理，可求得單回路控制系統(tǒng)的工作頻率為：如果通過(guò)調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定，使串級(jí)控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)具有相同的衰減率，即=，則：以上結(jié)論雖然是依據(jù)簡(jiǎn)單的被控過(guò)程(一階慣性環(huán)節(jié))和簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)規(guī)律(比例控制)推導(dǎo)得出的，可以證明，這些結(jié)論對(duì)高階被控過(guò)程和其他調(diào)節(jié)規(guī)律也是正確的。3、能迅速克服進(jìn)入副回路擾動(dòng)的影響

定性分析：當(dāng)擾動(dòng)進(jìn)入副回路后，首先，副被控變量檢測(cè)到擾動(dòng)的影響，并通過(guò)副回路的定值控制作用，及時(shí)調(diào)節(jié)控制變量，使副被控變量回復(fù)到副設(shè)定值，從而使擾動(dòng)對(duì)主被控變量的影響減小。即副回路對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行粗調(diào)，主回路對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行細(xì)調(diào)。因此，串級(jí)控制系統(tǒng)能迅速克服進(jìn)入副回路擾動(dòng)的影響。

定量分析：

因此可以說(shuō)，串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)使二次擾動(dòng)對(duì)主參數(shù)這一通道的動(dòng)態(tài)增益明顯減小。當(dāng)二次擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，很快就被副調(diào)節(jié)器所克服。與單回路控制系統(tǒng)相比，被調(diào)量受二次干擾的影響往往可以減小10100倍。串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入主環(huán)的擾動(dòng)也有克服能力。擾動(dòng)從主環(huán)進(jìn)入時(shí)，因串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率提高，被調(diào)量受影響比單回路往往可以減小25倍。4、對(duì)負(fù)荷和操作條件的變化具有一定的自適應(yīng)能力

定性分析：由于副回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，它的設(shè)定值隨主控制器的輸出而變化。這樣主控制器就可以按照操作條件和負(fù)荷的變化情況，相應(yīng)地調(diào)整副控制器的設(shè)定值，從而保證在操作條件和負(fù)荷發(fā)生變化的情況下，控制系統(tǒng)仍然具有良好的控制質(zhì)量。

定量分析：例：設(shè)串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖如圖，其中主、副對(duì)象的傳遞函數(shù)分別為：主、副調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)分別為：5、舉例說(shuō)明Gc(s)Go1(s)R1Y1+－Go2(s)單回路控制系統(tǒng)方框圖F2F1Gc1(s)Go1(s)R1Y1+－Gc2(s)Go2(s)－R2串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖F2F1y1(t)串級(jí)控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)在二次單位階躍擾動(dòng)下的響應(yīng)曲線藍(lán)線：串級(jí) 綠線：?jiǎn)位芈穣1(t)串級(jí)控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)在一次單位階躍擾動(dòng)下的響應(yīng)曲線藍(lán)線：串級(jí) 綠線：?jiǎn)位芈房刂破焚|(zhì)指標(biāo)單回路控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)Kc=3.7，Ti=38sKc1=8.4，Kc2=10，Ti=12.8s衰減率0.750.75余差00系統(tǒng)工作頻率0.0870.23二次擾動(dòng)下的最大偏差0.270.013一次擾動(dòng)下的最大偏差0.340.13串級(jí)控制的效果1、主變量的選擇串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)。對(duì)于主變量的選擇和主回路的設(shè)計(jì)，可以按照單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。三、串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計(jì)及主、副回路關(guān)系的考慮。2、副變量的選擇副變量的選擇應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反映靈敏副回路應(yīng)包含被控對(duì)象所受到的主要擾動(dòng)并包含盡可能多的擾動(dòng)應(yīng)使主、副過(guò)程的時(shí)間常數(shù)適當(dāng)匹配(1)、當(dāng)To1/To2>10時(shí)，則To2很小，副回路包括的干擾很少，作用未發(fā)揮。(2)、當(dāng)To1/Tp2<3時(shí)，說(shuō)明To2過(guò)大，副回路的控制作用不及時(shí)。(3)、當(dāng)To1/To21時(shí)，主、副回路易出現(xiàn)“共振效應(yīng)”。這時(shí)主、副回路的動(dòng)態(tài)聯(lián)系十分緊密，當(dāng)一個(gè)參數(shù)發(fā)生振蕩時(shí)，會(huì)使另一個(gè)參數(shù)也發(fā)生振蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。應(yīng)考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟(jì)性(4)、通常取To1=(310)To2。究竟To2取多大為好，應(yīng)按具體情況確定。若欲快速克服主干擾，則小一點(diǎn)為好；若欲克服對(duì)象的大滯后，可取大點(diǎn)；若欲克服對(duì)象的非線性，則To1/To2宜取大一些。只有滿足工藝要求，才具有實(shí)用性。先考慮工藝要求，再考慮其他要求。3、主、副控制器的選擇

控制規(guī)律的選擇在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動(dòng)控制作用，這是選擇控制規(guī)律的出發(fā)點(diǎn)。主參數(shù)是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動(dòng)的范圍比較小，一般要求無(wú)余差。因此，主調(diào)節(jié)器應(yīng)選PI或PID控制規(guī)律。副參數(shù)的設(shè)置是為了保證主參數(shù)的控制質(zhì)量，可以在一定范圍內(nèi)變化，允許有余差，因此副調(diào)節(jié)器只要選P控制規(guī)律。引入積分控制規(guī)律，會(huì)延長(zhǎng)控制過(guò)程，減弱副回路的快速作用引入微分作用，因副回路本身起著快速作用，再引入微分作用會(huì)使調(diào)節(jié)閥動(dòng)作過(guò)大，對(duì)控制不利。例：分析串級(jí)控制系統(tǒng)的余差Gc1(s)Go1(s)R1Y1+－Gc2(s)Go2(s)－R2串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖F2F1設(shè)主、副廣義對(duì)象均為一階慣性環(huán)節(jié)：分析當(dāng)主、副控制器采用不同的控制規(guī)律時(shí)系統(tǒng)的余差。擾動(dòng)進(jìn)入副環(huán)：當(dāng)主、副控制器都為P控制規(guī)律時(shí)，系統(tǒng)余差為：當(dāng)主、副控制中有一個(gè)具有積分作用時(shí)，系統(tǒng)余差為0。擾動(dòng)進(jìn)入主環(huán)：只有當(dāng)主控制器為PI時(shí)，系統(tǒng)余差才為0。該例說(shuō)明，只有當(dāng)主控制器為PI時(shí)，才能保證系統(tǒng)在一、二次擾動(dòng)下均無(wú)余差。

調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定要使一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)能正常工作，系統(tǒng)必須為負(fù)反饋。對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主、副調(diào)節(jié)器中正、反作用方式的選擇原則是使整個(gè)控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)。具體步驟為：確定調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)氣關(guān)形式確定副對(duì)象的特性確定副控制器正反作用形式確定主對(duì)象特性確定主控制器正反作用形式例：爐出口溫度與爐膛溫度串級(jí)控制系統(tǒng)Gc1(s)Gv(s)Gp1(s)Gm1(s)+－Gm2(s)Gc2(s)Gp2(s)－爐出口溫度與爐膛穩(wěn)定串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖+++++++檢驗(yàn)1、串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定逐步逼近法：四、串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定和投運(yùn)先斷開(kāi)主回路，整定副控制器參數(shù)；然后閉合主回路，整定主控制器參數(shù)；最后，再整定副控制器參數(shù)、主控制器參數(shù)，直到控制品質(zhì)滿足要求。由于每次整定都向最佳參數(shù)逼近，因此稱為逐步逼近法。兩步法：主控制器手動(dòng)情況下，先整定副控制器參數(shù)；整定好后，主控制器切自動(dòng)，整定主控制參數(shù)。一步法：副被控對(duì)象流量壓力液位溫度增益Kc21.252.51.431.2551.75比例度%4080307020802060副控制器比例度的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)逐步逼近法用于對(duì)主、副被控變量都有較高控制指標(biāo)的場(chǎng)合，兩步法和一步法用于對(duì)副被控變量的控制要求不高的場(chǎng)合。根據(jù)副被控對(duì)象的特性，按下表設(shè)置副控制器參數(shù)；然后整定主控制器參數(shù)。參數(shù)整定時(shí)應(yīng)該防止共振現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)共振，應(yīng)加大主控制器和副控制器的比例度，使副回路的工作頻率與主回路工作頻率錯(cuò)開(kāi)，以消除共振。2、串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)與整定方法有關(guān)。兩步法參數(shù)整定的系統(tǒng)投運(yùn)步驟如下：設(shè)置主控制器為“內(nèi)給定”、“手動(dòng)”，設(shè)置副控制器為“外給定”、“手動(dòng)”主控制器手動(dòng)輸出，調(diào)整副控制器手動(dòng)輸出至偏差為零時(shí)，將副控制器切“自動(dòng)”整定副控制器參數(shù)，使副被控變量的響應(yīng)滿足所需性能指標(biāo)調(diào)整主控制器手動(dòng)輸出至偏差為零時(shí)，將主控制器切“自動(dòng)”整定主控制器參數(shù)，使主被控變量的響應(yīng)滿足所需性能指標(biāo)可選擇一個(gè)滯后較小的副參數(shù)，組成一個(gè)快速動(dòng)作的副回路，以減小等效過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，加快響應(yīng)速度，從而驅(qū)動(dòng)較好的控制質(zhì)量。1、用于克服被控過(guò)程較大的容量滯后五、串級(jí)控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用加熱爐的例子，由于主過(guò)程的時(shí)間常數(shù)為15min，擾動(dòng)因素多，因此為了提高控制質(zhì)量，選擇時(shí)間常數(shù)和滯后較小的爐膛溫度作為副參數(shù)，構(gòu)成爐出口溫度對(duì)爐膛溫度的串級(jí)控制系統(tǒng)，副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)只有3min，這樣可有效地提高控制質(zhì)量，滿足生產(chǎn)工藝要求。T1CT1T熱物料冷物料燃料串級(jí)控制系統(tǒng)T2CT2T在離調(diào)節(jié)閥較近、純滯后較小的地方，選擇一個(gè)副參數(shù)，構(gòu)成一個(gè)純滯后較小的副回路，把主要擾動(dòng)包括在副回路中。在其影響主參數(shù)前，有副回路實(shí)現(xiàn)對(duì)主要擾動(dòng)的及時(shí)控制，從而提高控制質(zhì)量。2、用于克服被控過(guò)程的純滯后從混合器到網(wǎng)前箱純滯后達(dá)90s?；旌舷鋱A篩立篩紙漿白水蒸汽去銅網(wǎng)T1TT1C混合箱圓篩立篩紙漿白水蒸汽去銅網(wǎng)T1TT1C網(wǎng)前箱溫度－溫度串級(jí)控制系統(tǒng)T2TT2C在工業(yè)應(yīng)用中，只要將變化劇烈、而且幅度大的擾動(dòng)包括在串級(jí)系統(tǒng)副回路中，就可以大大減小其對(duì)主參數(shù)的影響。3、用于抑止變化劇烈而且幅度大的擾動(dòng)精餾塔是石油、化工生產(chǎn)過(guò)程中的主要工藝設(shè)備。對(duì)于由多組分組成的混合物，利用其各組分不同的揮發(fā)度，通過(guò)精餾操作，可以將其分離成較純組分的產(chǎn)品。由于塔釜溫度是保證產(chǎn)品分類純度的重要工藝指標(biāo)，所以需對(duì)其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。精餾塔塔底產(chǎn)品進(jìn)料蒸汽再沸器精餾塔溫度單回路控制系統(tǒng)TCTT設(shè)定值在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，蒸汽壓力變化劇烈，而且幅度大。精餾塔塔底產(chǎn)品進(jìn)料蒸汽再沸器精餾塔溫度－流量串級(jí)控制系統(tǒng)TCTT設(shè)定值FTFC把隨負(fù)荷變化的那一部分非線性包含在副回路中，由于串級(jí)系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷變化具有一定的自適應(yīng)能力，從而提高控制質(zhì)量4、用于克服被控過(guò)程的非線性如圖所示為醋酸乙炔合成反應(yīng)器。換熱器是典型的非線性設(shè)備。換熱器合成反應(yīng)器換熱器蒸汽醋酸乙炔的混合氣反應(yīng)氣體T2CT1CT1T設(shè)定值T2T合成反應(yīng)器中部溫度與進(jìn)氣口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)1、不變性原理u(t)y(t)……f1(t)f2(t)fn(t)被控對(duì)象中的基本擾動(dòng)與外部擾動(dòng)被控量y(t)的不變性可表示為：5.2前饋控制一、基本概念當(dāng)fi(t)0時(shí)，y(t)=0，i=1,2,…n即被控量與干擾獨(dú)立無(wú)關(guān)絕對(duì)不變性調(diào)節(jié)過(guò)程的動(dòng)態(tài)偏差和穩(wěn)態(tài)偏差均為零是一種理想的控制標(biāo)準(zhǔn)。誤差不變性實(shí)際上是指準(zhǔn)確度有一定限制的不變性，或說(shuō)與絕對(duì)不變性存在一定誤差的不變性，又稱為不變性，可表示為：當(dāng)fi(t)0時(shí)，|y(t)|<，i=1,2,…n穩(wěn)態(tài)不變性被調(diào)量的動(dòng)態(tài)偏差不等于零，而其穩(wěn)態(tài)偏差為零選擇不變性不變性原理是前饋控制的理論基礎(chǔ)2、反饋控制的特點(diǎn)T2CT2T蒸汽冷物料熱物料冷凝水換熱器換熱器溫度的反饋控制T1，QD，pd反饋的本質(zhì)是“基于偏差來(lái)消除偏差”。如果沒(méi)有偏差出現(xiàn)，也就沒(méi)有控制作用了。無(wú)論擾動(dòng)發(fā)生在哪里，總有等到引起被控量發(fā)生偏差后，調(diào)節(jié)器才動(dòng)作，故調(diào)節(jié)器的動(dòng)作總是落后于擾動(dòng)作用的發(fā)生，是一種“不及時(shí)”的控制。反饋控制系統(tǒng)，因構(gòu)成閉環(huán)，故存在一個(gè)穩(wěn)定性的問(wèn)題。即使組成閉環(huán)系統(tǒng)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都是穩(wěn)定的，閉環(huán)系統(tǒng)是否穩(wěn)定，仍然需要作進(jìn)一步的分析。引起被控量發(fā)生偏差的一卻擾動(dòng)，均被包圍在閉環(huán)內(nèi)，故反饋控制可消除多種擾動(dòng)對(duì)被控量的影響。反饋控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律通常是P、PI、PD、PID等典型規(guī)律。3、前饋控制的特點(diǎn)冷物料流量增加熱物料溫度降低熱物料溫度升高擾動(dòng)通道控制通道熱物料溫度不變FffC換熱器流量的前饋控制FffT蒸汽冷物料熱物料冷凝水換熱器T1，QD，pd前饋控制是“基于擾動(dòng)來(lái)消除擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響”，故前饋控制又稱為“擾動(dòng)補(bǔ)償”。擾動(dòng)發(fā)生后，前饋控制器“及時(shí)”動(dòng)作，對(duì)抑制被控量由于擾動(dòng)引起的動(dòng)、靜態(tài)偏差比較有效。前饋控制屬于開(kāi)環(huán)控制，所以只要系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)是穩(wěn)定的，則控制系統(tǒng)必然穩(wěn)定。只適用于克服可測(cè)而不可控的擾動(dòng)，而對(duì)系統(tǒng)中的其他擾動(dòng)無(wú)抑制作用，因此，前饋控制具有指定性補(bǔ)償?shù)木窒扌?。前饋控制的控制?guī)律，取決于被控對(duì)象的特性。因此，往往控制規(guī)律比較復(fù)雜。4、前饋與反饋控制的比較反饋控制前饋控制設(shè)計(jì)原理反饋控制理論不變性原理被測(cè)變量被控變量擾動(dòng)量控制器輸入測(cè)量和設(shè)定之間的偏差被測(cè)擾動(dòng)量控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)可以和經(jīng)濟(jì)有時(shí)只能近似控制系統(tǒng)組態(tài)閉環(huán)開(kāi)環(huán)典型控制器P,PI,PD,PID及開(kāi)關(guān)超前－滯后環(huán)節(jié)控制作用在過(guò)程受擾動(dòng)的影響以前在過(guò)程受擾動(dòng)的影響以后5、前饋控制系統(tǒng)的方框圖Gp(s)Gv(s)Gffc(s)Gffm(s)Gf(s)F(s)Y(s)Go(s)Gffc(s)Gf(s)Y(s)F(s)廣義被控對(duì)象根據(jù)不變性原理，當(dāng)擾動(dòng)F(s)變化時(shí)，對(duì)被控量無(wú)影響，即與擾動(dòng)無(wú)關(guān)，因此，有：如果該算式可以精確實(shí)現(xiàn)，則擾動(dòng)變化時(shí)對(duì)被控變量就無(wú)影響。但前饋控制具有以下的不足之處：

Go(s)和Gf(s)不能精確獲得，或具有時(shí)變特性，使Gffc(s)不能精確實(shí)現(xiàn)，因此擾動(dòng)影響不能完全補(bǔ)償實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的擾動(dòng)不止一個(gè)有些擾動(dòng)不可測(cè)量或難以測(cè)量前饋控制對(duì)被控變量的控制效果沒(méi)有檢驗(yàn)依據(jù)即使Go(s)和Gf(s)可以精確獲得，但Gffc(s)不能物理實(shí)現(xiàn)，例如出現(xiàn)純超前環(huán)節(jié)。1、靜態(tài)前饋控制只能保持過(guò)程在穩(wěn)態(tài)下補(bǔ)償擾動(dòng)作用為了實(shí)現(xiàn)靜態(tài)前饋控制，可以根據(jù)換熱器的熱量平衡關(guān)系，求出靜態(tài)前饋放大系數(shù)。二、前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)換熱器熱平衡方程為：熱流量

加熱蒸汽的流量和汽化熱

被加熱蒸汽的流量和定壓比熱容

物料的出口溫度

、進(jìn)口溫度

例：換熱器的流量靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)KoKffcKfT2(s)Q(s)D(s)也可根據(jù)圖中前饋控制器環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系計(jì)算得：對(duì)于上述換熱器的例子，設(shè)f為流量Q的擾動(dòng)。若已知：當(dāng)流量Q單位階躍減小，即：擾動(dòng)引起的輸出量的響應(yīng)為：前饋控制引起輸出量的響應(yīng)為：靜態(tài)前饋控制中的動(dòng)態(tài)偏差紅色曲線代表流量Q減小所引起的出口溫度的響應(yīng)；藍(lán)色曲線表示減小蒸汽量D所引起的出口溫度的響應(yīng)；出口溫度最終穩(wěn)定在設(shè)定值上，卻出現(xiàn)了一段時(shí)間較小的偏差如綠色曲線所示。T22、動(dòng)態(tài)前饋控制Go(s)Gffc(s)Gf(s)Y(s)F(s)根據(jù)不變性原理，可得：設(shè)前饋廣義對(duì)象和擾動(dòng)通道傳遞函數(shù)分別為：由于用常規(guī)儀表實(shí)施時(shí)滯項(xiàng)困難，有時(shí)，該項(xiàng)也可能為負(fù)值而使采用計(jì)算機(jī)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此，動(dòng)態(tài)前饋算式通常采用近似式：根據(jù)To和Tf的大小關(guān)系，動(dòng)態(tài)前饋控制器的階躍響應(yīng)如圖。當(dāng)To>Tf時(shí)，前饋控制器呈現(xiàn)超前特性；當(dāng)To<Tf時(shí)，前饋控制器呈現(xiàn)滯后特性；當(dāng)To=Tf時(shí)，前饋控制器呈現(xiàn)比例特性，即為靜態(tài)前饋增益；前饋控制器的階躍響應(yīng)前饋控制實(shí)質(zhì)是用前饋控制器的零點(diǎn)對(duì)消前饋控制通道廣義對(duì)象的零點(diǎn)，并使前饋控制器的部分極點(diǎn)等于擾動(dòng)傳遞函數(shù)的零點(diǎn)。對(duì)于開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定的對(duì)象，應(yīng)將前饋和反饋相結(jié)合，組成前饋－反饋控制系統(tǒng)，否則會(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。3、前饋－反饋復(fù)合控制系統(tǒng)既發(fā)揮了前饋?zhàn)饔?，可及時(shí)克服主要擾動(dòng)對(duì)被控量影響的優(yōu)點(diǎn)，又保持了反饋控制能克服多個(gè)擾動(dòng)影響的特點(diǎn)，同時(shí)也降低了系統(tǒng)對(duì)前饋補(bǔ)償器的要求，使其在工程上易于實(shí)現(xiàn)。由一個(gè)反饋回路和一個(gè)開(kāi)環(huán)補(bǔ)償回路疊加而成的復(fù)合系統(tǒng)蒸汽冷物料熱物料冷凝水換熱器換熱器的前饋－反饋控制T1，QD，pd+T2TT2CFffCFffTGp(s)Gv(s)Gffc(s)Gffm(s)Gf(s)F(s)Y(s)Gc(s)Gm(s)－前饋－反饋控制系統(tǒng)方框圖1前饋信號(hào)接在反饋控制信號(hào)之后Gp(s)Gv(s)Gffc(s)Gffm(s)Gf(s)F(s)Y(s)Gc(s)Gm(s)－前饋－反饋控制系統(tǒng)方框圖2前饋信號(hào)接在反饋控制信號(hào)之前實(shí)現(xiàn)前饋?zhàn)饔玫耐耆a(bǔ)償?shù)臈l件不變，即另一種結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)臈l件為：4、前饋串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)有的生產(chǎn)過(guò)程常受到多個(gè)變化頻繁而又劇烈的擾動(dòng)影響，而生產(chǎn)過(guò)程對(duì)被控參數(shù)的控制精度和穩(wěn)定性要求又很高，這時(shí)可考慮采用前饋－串級(jí)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入副回路的擾動(dòng)影響有較強(qiáng)的抑制能力，而前饋控制能克服進(jìn)入主回路的擾動(dòng)。另外，前饋控制器的輸出不直接加在閥門上，而是作為副調(diào)節(jié)器的給定值，可降低對(duì)調(diào)節(jié)閥門特性的要求。換熱器的前饋－串級(jí)控制D，pdFffCFffTT2TT2C蒸汽冷物料熱物料冷凝水換熱器T1，QFTFCGp1(s)Gv(s)Gffc(s)Gffm(s)Gf(s)F1(s)Y1(s)Gc1(s)Gm1(s)－前饋－串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖Gc2(s)Gm2(s)Gp2(s)－在串級(jí)控制系統(tǒng)中，當(dāng)副回路的工作頻率遠(yuǎn)大于主回路的工作頻率時(shí)，副回路可近似為1:1環(huán)節(jié)，前饋控制器的補(bǔ)償條件為：1、靜態(tài)前饋增益的整定根據(jù)機(jī)理分析計(jì)算靜態(tài)前饋增益經(jīng)驗(yàn)法：根據(jù)輸出響應(yīng)曲線調(diào)試靜態(tài)前饋增益。三、前饋控制系統(tǒng)的參數(shù)整定實(shí)測(cè)方法1：在工況下實(shí)測(cè)擾動(dòng)通道的增益和控制通道的增益，然后相除得到靜態(tài)的前饋增益實(shí)測(cè)方法2：在擾動(dòng)變化量f下，通過(guò)反饋控制系統(tǒng)使被控變量回復(fù)到設(shè)定值，這時(shí)，控制器輸出變化量為u，則靜態(tài)前饋增益為：物料流量單位階躍減小時(shí)，不同Kffc值下?lián)Q熱器靜態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程

紅色曲線：前饋?zhàn)饔锰?，蒸汽流量減小不足以抵消物料流量的變化，這種情況稱為“欠補(bǔ)