第6章復雜控制系統簡單控制系統是過程控制中最基本、應用最廣的控制形式，約占全部控制系統的80％。但是：隨著生產過程的大型化和復雜化，操作條件更加嚴格，變量之間的關系更加復雜。有些生產工藝和控制要求比較特殊。隨著技術發展，對工藝的控制目標多樣化，如產量、質量、節能、環保、效率等。為此，設計出各種復雜控制系統。第6章復雜控制系統簡單控制系統是過程控制中最基

6.1串級控制系統當對象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時，采用簡單控制系統往往控制質量較差，滿足不了工藝上的要求，這時，可考慮采用串級控制系統。

6.1.1串級控制系統基本結構及工作過程串級控制是在簡單控制系統基礎上的改進。例管式加熱爐是煉油、化工生產中的重要裝置之一，它的任務是把原油加熱到一定溫度，以保證下道工藝的順利進行。因此，需要控制原油加熱后的出口溫度。6.1串級控制系統問題：控制通道容量滯后很大，控制緩慢。燃料壓力或燃料的熱值變化影響爐膛溫度熱傳導給原料影響出口溫度15min3min原料出口溫度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加熱爐若用簡單溫控系統：問題：燃料壓力或燃料的熱值變化影響爐膛溫度熱傳導給原料爐膛溫度變化T2T、T2C回路先改變燃料量T1T、T1C回路再改變燃料量出料溫度變化解決措施：在影響出口溫度的通道中，加測爐膛溫度的變化，提前控制。燃料壓力變化3min原料出口溫度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加熱爐T2CT2T爐膛溫度T2T、T2C回路先改變燃料量T1T、T1C回路圖6.6管式加熱爐出口溫度串級控制系統框圖為：主控制器調節閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f2管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器＋x2(t)θ2(t)θ1(t)－－＋主控制器執行器副對象主對象主變送器副變送器副控制器＋－－＋主變量副變量給定干擾標準框圖為：圖6.6管式加熱爐出口溫度串級控制系統框圖為：主控制器調節閥結構特點：系統有兩個閉合回路，形成內外環。主變量是工藝要求控制的變量，副變量是為了更好地控制主變量而選用的輔助變量。主、副調節器是串聯工作的，主調節器的輸出作為副調節器的給定值。主控制器執行器副對象主對象主變送器副變送器副控制器＋－－＋主變量副變量給定干擾結構特點：主控制器執行器副對象主對象主變送器副變送器副控制器控制過程分析：1．燃料壓力f3(t)、燃料熱值f4(t)發生擾動——干擾進入副回路進入副回路的干擾首先影響爐膛溫度，副變送器提前測出，副控制器立即開始控制，控制過程大為縮短。主控制器調節閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f2管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器＋x2(t)θ2(t)θ1(t)－－＋控制過程分析：主控制器調節閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f主控制器調節閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f2管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器＋x2(t)θ2(t)θ1(t)－－＋2．原油流量f1(t)、原油入口溫度f2(t)發生擾動——干擾進入主回路對進入主回路的干擾，雖然副變送器不能提前測出，但副回路的閉環負反饋，使對象爐膛部分特性的時間常數大為縮短，則主控制器的控制通道被縮短，控制效果也得到改善。主控制器調節閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f2管壁溫度變送3．干擾同時作用于副回路和主回路主副回路干擾的綜合影響有兩種情況：（1）主副回路的干擾影響方向相同。如：燃料壓力f3(t)↑→爐膛溫度↑→出口溫度↑

→副控制器開始調節原油流量f1(t)↓→出口溫度↑→主副控制器共同調節主控制器調節閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f2管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器＋x2(t)θ2(t)θ1(t)－－＋3．干擾同時作用于副回路和主回路主控制器調節閥x1爐膛原料油（2）主副回路的干擾影響方向相反。如：燃料壓力f3(t)↑→爐膛溫度↑→出口溫度↑

→副控制器開始調節原油流量f1(t)↑→出口溫度↓→主控制器反向調節，使副控制器調節量減小。主控制器調節閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f2管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器＋x2(t)θ2(t)θ1(t)－－＋（2）主副回路的干擾影響方向相反。如：主控制器調節閥x1爐膛6.1.2串級控制系統特點及其分析將串級控制系統等效成單回路控制系統討論。Gc1(s)Gv(s)X1(s)Θ1(s)＋

Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Gc2(s)＋X2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm2(s)Gm1(s)－－F3(s)、F4(s)G*o2(s)G’o2(s)X2(s)Θ2(s)將副環等效為：6.1.2串級控制系統特點及其分析Gc1(s)Gv(s)X16.1.2.1改善被控過程的動態特性控制通道等效副對象的傳函：設：則：T02′<<

T02K02′≈1/Km26.1.2.1改善被控過程的動態特性設：則：T02′<<Gc1(s)X1(s)Θ1(s)＋

G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)G’o2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－G*c1(s)Gv(s)X1(s)Θ1(s)＋

Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－串級控制等效真正的單回路控制

T02′<<T02，說明主環控制通道時間常數縮短，改善了系統的動態性能。

Gc1(s)X1(s)Θ1(s)＋G*o2(s)F3(s)、Gc1(s)X1(s)Θ1(s)＋

G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)G’o2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－同理，通過對系統振蕩頻率的推導可知：副回路的引入，提高了系統的工作頻率，也改善了系統的動態性能。

從系統特征方程：1+Gc1(s)G’o2(s)Go1(s)Gm1(s)=0可求出系統的工作頻率ωcGc1(s)X1(s)Θ1(s)＋G*o2(s)F3(s)、6.1.2.2抗干擾能力增強對于進入副回路的干擾，串級控制和單回路控制前向通道的區別：G*c1(s)Gv(s)X1(s)Θ1(s)＋

Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－Gc1(s)X1(s)Θ1(s)＋

G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)G’o2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－串級控制等效真正的單回路控制6.1.2.2抗干擾能力增強G*c1(s)Gv(s)X11）能迅速克服進入副回路的干擾，提高控制質量。理論分析：控制性能與抗干擾能力的綜合指標為：1）能迅速克服進入副回路的干擾，提高控制質量。理論分析：控制對同樣過程的單回路控制，其綜合指標為：由此可見，串級控制由副回路的存在，控制作用的總放大系數提高了，因而抗干擾能力與控制能力均比單回路控制系統有了明顯提高。對同樣過程的單回路控制，其綜合指標為：由此可見，串級干擾通道的傳函：設：則：T02*<<

T02K02*<<K02干擾通道的傳函：設：則：T02*<<T02K02*<<

K02*<<K02說明干擾通道的影響力降低；T02*<<T02

說明干擾通道時間常數縮短，即副回路的控制速度快。

Gc1(s)X1(s)Θ1(s)＋

G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)G’o2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－串級控制等效G*c1(s)Gv(s)X1(s)Θ1(s)＋

Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－真正的單回路控制K02*<<K02說明干擾通道的影響力降低；Gc1Gc1(s)X1(s)Θ1(s)＋

G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)G’o2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－串級控制等效G*c1(s)Gv(s)X1(s)Θ1(s)＋

Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－真正的單回路控制對于進入主回路的干擾，串級控制和單回路控制閉環回路的區別：Gc1(s)X1(s)Θ1(s)＋G*o2(s)F3(s)、T02′<<

T02K02′

T02′<<T02

，說明主環通道時間常數被縮短，加快了系統的控制速度。

Gc1(s)X1(s)Θ1(s)＋

G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)G’o2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－串級控制等效T02′<<T02K02′T02′<<6.1.2.3對負荷和操作條件變化的適應能力增強有些生產過程的工藝條件經常變化。而在不同的工藝點，對象的放大倍數往往不同。如果是單回路控制，這會導致控制質量下降。G*c1(s)Gv(s)X1(s)Θ1(s)＋

Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－真正的單回路控制6.1.2.3對負荷和操作條件變化的適應能力增強G*c1(sK02′≈1/Km2對于串級控制，部分對象被包含在副回路中，其放大倍數被負反饋壓制。因而工藝負荷或操作條件變化時，調節系統仍然具有較好的控制質量。Gc1(s)Gv(s)X1(s)Θ1(s)＋

Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Gc2(s)＋X2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm2(s)Gm1(s)－－K02′≈1/Km2對于串級控制，部分對象被包含在副回路中串級系統特點總結：①對進入副回路的干擾有很強的克服能力；②改善了被控過程的動態特性，提高了系統的工作頻率；對進入主回路的干擾控制效果也有改善；③對負荷或操作條件的變化有一定自適應能力。調節效果比較串級控制單回路控制ty串級系統特點總結：調節效果比較串級控制單回路控制ty6.1.3串級控制系統的設計與參數整定6.1.3.1串級控制系統的方案設計1．主回路設計主回路設計與單回路控制系統一樣。Gc1(s)Gv(s)X1(s)Θ1(s)＋

Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Gc2(s)＋X2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm2(s)Gm1(s)－－6.1.3串級控制系統的設計與參數整定Gc1(s)Gv(2．副回路的選擇副回路設計中，最重要的是選擇副回路的被控參數（串級系統的副參數）。副參數的選擇一般應遵循下面幾個原則：

①主、副變量有對應關系②副參數的選擇必須使副回路包含變化劇烈的主要干擾，并盡可能多包含一些干擾③副參數的選擇應考慮主、副回路中控制過程的時間常數的匹配，以防“共振”的發生④應注意工藝上的合理性和經濟性2．副回路的選擇3．主、副調節器調節規律的選擇在串級系統中，主參數是系統控制任務，副參數輔助變量。這是選擇調節規律的基本出發點。主參數是生產工藝的主要控制指標，工藝上要求比較嚴格。所以，主調節器通常選用PI調節，或PID調節。控制副參數是為了提高主參數的控制質量，對副參數的要求一般不嚴格，允許有靜差。因此，副調節器一般選P調節就可以了。3．主、副調節器調節規律的選擇4．主、副調節器正、反作用方式的確定對串級控制系統來說，主、副調節器正、反作用方式的選擇原則依然是使系統構成負反饋。選擇時的順序是：1、根據工藝安全或節能要求確定調節閥的正、反作用；2、按照副回路構成負反饋的原則確定副調節器的正、反作用；3、依據主回路構成負反饋的原則，確定主調節器的正、反作用。4．主、副調節器正、反作用方式的確定以管式加熱爐為例，說明串級控制系統主、副調節器的正、反作用方式的確定方法。1、從生產工藝安全出發，燃料油調節閥選用氣開式（正作用）。一旦出現故障或氣源斷氣，調節閥應關閉，切斷燃料油進入加熱爐，確保設備安全。原料出口溫度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加熱爐T2CT2T＋以管式加熱爐為例，說明串級控制系統主、副調節器的正、反作用方2、副回路中，調節閥開大，爐膛溫度升高，測量信號增大，說明副對象和變送器都是正作用。為保證副回路為負反饋，副調節器應為反作用方式。原料出口溫度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加熱爐T2CT2T＋＋＋－2、副回路中，調節閥開大，爐膛溫度升高，測量信號增大，說明副3、對于主調節器，調節閥開大，爐膛溫度升高時，原料油出口溫度也升高，說明主對象和主變送器也都是正作用。為保證主回路為負反饋，主調節器也應為反作用方式。原料出口溫度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加熱爐T2CT2T＋＋＋－＋＋－3、對于主調節器，調節閥開大，爐膛溫度升高時，原料油出口溫度5．串級系統的工業應用當生產工藝要求高，采用簡單控制系統滿足不了工藝要求的情況下，可考慮采用串級控制系統。串級控制系統常用于下面一些生產過程。1）容量滯后較大的過程2）純滯后較大的過程3）干擾幅度大的過程4）非線性嚴重的過程5．串級系統的工業應用6.1.3.2串級控制系統的參數整定有逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法。1．逐步逼近法依次整定副回路、主回路。并循環進行，逐步接近主、副回路最佳控制狀態。

2．兩步整定法系統處于串級工作狀態，第一步按單回路方法整定副調節器參數；第二步把已經整定好的副回路視為一個環節，仍按單回路對主調節器進行參數整定。6.1.3.2串級控制系統的參數整定3．一步整定法所謂一步整定法，就是根據經驗，先將副調節器參數一次調好，不再變動，然后按一般單回路控制系統的整定方法直接整定主調節器參數。表6.1一步整定法副調節器參數選擇范圍副參數類型副調節器比例度δ2（%）副調節器比例增益Kc2 溫度 20～605.0～1.7 壓力 30～703.0～1.4 流量 40～802.5～1.25 液位 20～805.0～1.25 3．一步整定法表6.1一步整定法副調節器參數選擇范圍6.2前饋控制系統前饋控制的原理是：當系統出現擾動時，立即將其測量出來，通過前饋控制器，根據擾動量的大小改變控制變量，以抵消擾動對被控參數的影響。6.2.1前饋控制的工作原理及其特點1、反饋控制的特點：不論是什么干擾，只要引起被調參數的變化，調節器均可根據偏差進行調節。但必須被調參數變化后才進行調節，調節速度難以進一步提高。6.2前饋控制系統1、反饋控制的特點：例換熱器出口溫度反饋控制系統TTTC蒸汽換熱器冷物料入口熱物料出口冷凝水針對冷物料流量變化的最佳調節效果：ty例換熱器出口溫度反饋控制系統TTTC蒸汽換熱器冷物料入口為了改變事后調節的狀況，提出前饋控制的思路：根據冷物料流量Q的大小，調節閥門開度。

2、前饋控制的原理與特點蒸汽換熱器冷物料入口熱物料出口冷凝水FTFC例針對換熱器入口流量干擾的前饋控制系統為了改變事后調節的狀況，提出前饋控制的思路：根據冷物料流量QGb(s)Gfs)Go(s)Gm(s)Gv(s)蒸汽換熱器冷物料入口熱物料出口冷凝水FTFBF(s)Y(s)Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gfs)Go(s)＋＋Y(s)用方框圖表示：Gb(s)Gfs)Go(s)Gm(s)Gv(s)蒸汽換熱器冷完全補償原理如果補償量和干擾量以同樣的大小和速度作用于被控變量，且作用方向相反的話，被控變量不變。Y(S)=F(S)Gf(s)+F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s)=0Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gfs)Go(s)＋＋Y(s)完全補償原理Y(S)=F(S)Gf(s)+F(S)Gm得：完全前饋補償規律的推導：Y(S)=F(S)Gf(s)+F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s)=0Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gfs)Go(s)＋＋Y(s)廣義對象:控制對象測量變送執行環節Go(s)GB(s)＝-GF(s)/GO(s)得：完全前饋補償規律的推導：Y(S)=F(S)Gf(s)前饋控制的特點：①前饋控制器是按是按照干擾的大小進行控制的，稱為“擾動補償”。如果補償精確，被調變量不會變化，能實現“不變性”控制。②前饋控制是開環控制，控制作用幾乎與干擾同步產生，是事先調節，速度快。③前饋控制器的控制規律不是PID控制，是由對象特性決定的，是專用控制器。④前饋控制只對特定的干擾有控制作用（可測不可控干擾），對其它干擾無效。前饋控制的特點：3．前饋控制的局限性①實際工業過程中的干擾很多，不可能對每個干擾設計一套控制系統。②對不可測的干擾無法實現前饋控制；②前饋控制器的補償控制規律由動特性GF(s)和Go(s)決定，很難精確測量，即使前饋控制器設計的非常精確，實現時也會存在誤差，而開環系統對誤差無法自我糾正。因此，一般將前饋控制與反饋控制結合使用。前饋控制針對主要干擾，反饋控制針對所有干擾。3．前饋控制的局限性6.2.2前饋控制系統的結構前饋控制的結構有靜態補償和動態補償。

1．靜態前饋控制系統所謂靜態前饋控制，是前饋控制器的補償控制規律，只考慮靜態增益補償，不考慮速度補償。Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gf(s)Go(s)＋＋Y(s)（S=0時）6.2.2前饋控制系統的結構Gv(s)Gb(s)Gm(s)F靜態前饋控制的調節規律為比例特性，其大小是根據過程干擾通道的靜態放大系數和過程控制通道的靜態放大系數決定的。靜態前饋控制的控制目標是使被控參數最終的靜態偏差接近或等于零，而不考慮由于兩通道時間常數的不同引起的動態偏差。靜態前饋系統結構簡單、易于實現，前饋控制器就是一個比例放大器。只要用DDZ儀表中的比例調節器或比值器就能滿足要求。但控制過程中，動態偏差依然存在。靜態前饋控制的調節規律為比例特性，其大小是根據過程干擾通道的2．動態前饋控制系統當需要嚴格控制動態偏差時，則要采用動態前饋控制。完全按照補償控制規律制作控制器。理論上，動態前饋控制能在每個時刻都完全補償擾動對被控參數的影響。但補償控制規律比較復雜，常常無法獲得精確表達式，也難以精確實現。2．動態前饋控制系統理論上，動態前饋控制能在每個時刻都完全補3．前饋—反饋復合控制系統為了克服前饋控制的局限性，將前饋控制和反饋控制結合起來，組成前饋—反饋復合控制系統。如換熱器出口溫度前饋—反饋復合控制系統。∑TTTC蒸汽換熱器冷物料入口熱物料出口冷凝水FTFB3．前饋—反饋復合控制系統如換熱器出口溫度前饋—反饋復合控制在前饋——反饋復合控制系統中，設定值X(s)、干擾F(s)對輸出Y(s)的共同影響為：Gv(s)Gb(s)GmF(s)F(s)Gf(s)Go(s)＋＋Y(s)GmT(s)Gc(s)＋＋＋－X(s)在前饋——反饋復合控制系統中，設定值X(s)、干擾1、傳函分子即是前饋控制系統的補償條件。表明復合控制系統與開環前饋控制系統的補償條件完全相同，并不因為引進反饋控制而有所改變。2、傳函分母即是反饋控制系統的閉環傳遞函數。表明反饋控制系統的穩定性并不因為引進前饋控制而有所改變；且由于反饋控制回路的存在，使前饋控制的精度比開環前饋控制高。干擾通道的傳遞函數為：1、傳函分子即是前饋控制系統的補償條件。表明復合控制系統與開復合控制系統具有以下優點：①在反饋控制的基礎上，針對主要干擾進行前饋補償。既提高了控制速度，又保證了控制精度。②反饋控制回路的存在，降低了對前饋控制器的精度要求，有利于簡化前饋控制器的設計和實現。③在單純的反饋控制系統中，提高控制精度與系統穩定性是一對矛盾。往往為保證系統的穩定性而無法實現高精度的控制。而前饋——反饋控制系統既可實現高精度控制，又能保證系統穩定運行。復合控制系統具有以下優點：4．前饋——串級復合控制系統對于慢過程的控制，如果生產過程中的主要干擾頻繁而又劇烈，而工藝對被控參量的控制精度要求又很高，可以考慮采用前饋——串級復合控制方案。Gv(s)Gb(s)GmF(s)F(s)Gf(s)Go1(s)＋＋Y(s)Gm2(s)Gc1(s)＋＋＋－X(s)Gc2(s)Go2(s)－Gm1(s)4．前饋——串級復合控制系統Gv(s)Gb(s)GmF(s)從前饋—串級復合控制系統的傳遞函數（自己推導）可知：

1、串級控制回路的傳函和單純的串級控制系統一樣

2、前饋控制器的傳函主要由擾動通道和主對象特性決定Gv(s)Gb(s)GmF(s)F(s)Gf(s)Go1(s)＋＋Y(s)Gm2(s)Gc1(s)＋＋＋－X(s)Gc2(s)Go2(s)－Gm1(s)≈1/Gm2(S)從前饋—串級復合控制系統的傳遞函數（自己推導）可知：Gv(5．前饋控制器的通用模型前面按照不變性條件，求得前饋控制器的傳遞函數表達式實際上，要得到上式的精確數學模型比較困難，準確實現也比較困難，還不如用簡約化模型。將Go(S)、Gf(S)用帶滯后的一階模型近似，將Gv(S)、Gm(S)用比例模型近似，代入上式整理得：5．前饋控制器的通用模型實際上，要得到上式的精確數因此，可以事先做好各系數可調的通用前饋控制器。使用時根據補償要求，調整各個系數值，就可獲得不同特性的前饋控制功能。前饋控制器的通用模型：各系數物理意義：Km

—靜態放大系數；T1

—加速系數；T2

—

減速系數；τ—純滯后時間。因此，可以事先做好各系數可調的通用前饋控制器。使用時根據補償前饋控制的應用場合（1）某個干擾幅值大而頻繁，對被控變量影響劇烈，而對象的控制通道滯后大。（2）采用單純的反饋控制，控制速度慢、質量差。（3）用串級控制，效果改善不明顯。目前，比較高檔的控制儀表中都配備通用前饋控制模塊，供用戶選用。前饋控制的應用場合實驗實例:鍋爐汽包水位控制鍋爐給水控制系統—前饋-反饋串級控制系統。鍋爐正常運行中，汽包水位是其重要的工藝指標。必須嚴格控制水位在規定范圍之內。控制系統結構圖實驗實例:鍋爐汽包水位控制鍋爐給水控制系統—前饋-反饋串級控（2）原理分析：主要干擾：給水流量與蒸汽流量，而蒸汽流量是可測不可控的干擾；“虛假水位”：在燃料量不變時，當蒸汽流量突然增加時，鍋內壓力突然降低，加速汽化，汽泡量驟增，形成水位升高的假象，反之，壓力突然增加，水沸騰暫時停止，形成水位降低的假象。分級辦法：蒸汽流量為前饋信號，給水流量為副參數，鍋爐水位為主參數，構成前饋-反饋串級控制系統。控制目標：鍋爐水位；（2）原理分析：主要干擾：給水流量與蒸汽流量，而蒸汽流量是6.3大滯后過程控制系統在工業生產中，控制通道往往不同程度地存在著純滯后。一般將純滯后時間τ0與時間常數T之比大于0.3（τ0/T＞0.3）的過程稱之為大滯后過程。大滯后過程是公認較難控制的過程。其難于控制的主要原因是純滯后的增加導致開環相頻特性相角滯后增大，使閉環系統的穩定性下降。為了保證穩定裕度，不得不減小調節器的放大系數，造成控制質量的下降。最早的大滯后過程控制方案是采樣控制。6.3大滯后過程控制系統6.3.1大滯后過程的采樣控制

所謂采樣控制，是一種定周期的斷續PID控制方式，即控制器按周期T進行采樣控制。在兩次采樣之間，保持該控制信號不變，直到下一個采樣控制信號信號到來。保持的時間T與必須大于純滯后時間τ0。這樣重復動作，一步一步地校正被控參數的偏差值，直至系統達到穩定狀態。這種“調一調，等一等”的方案的核心思想就是放慢控制速度，減少控制器的過度調節。6.3.1大滯后過程的采樣控制典型的大滯后過程的采樣控制系統框圖如圖所示。圖中，采樣控制器每隔采樣周期T動作一次。S1、S2表示采樣器，它們同時接通或同時斷開。S1、S2，接通時，采樣控制器閉環工作；S1、S2斷開時，采樣控制器停止工作，輸出為零，但是上一時刻的控制值u*(t)通過保持器持續輸出。采樣控制器y(t)過程x(t)保持器執行器_e*(t)u*(t)u(t)S1S2+變送器典型的大滯后過程的采樣控制系統框圖如圖所示。圖中，采樣控制器采樣控制是以犧牲速度來獲取穩定的控制效果，如果在采樣間隔內出現干擾，必須要等到下一次采樣后才能作出反應。6.3.2大滯后過程的Simth預估補償控制Simth預估補償控制是按照對象特性，設計一個模型加入到反饋控制系統，提早估計出對象在擾動作用下的動態響應，提早進行補償，使控制器提前動作，從而降低超調量，并加速調節過程。為理解Smith預估控制的工作原理，先分析采用簡單控制方案時，大滯后過程的特性。采樣控制是以犧牲速度來獲取穩定的控制效果，如果在采樣間隔內出Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-τoS_U(s)+F(s)如圖是采用簡單控制方案的大滯后過程控制系統框圖。其中Go(s)e－τoS為控制通道的廣義傳遞函數，特意將純滯后環節e－τoS單獨寫出，并且變送器的傳遞函數簡化為1。該系統X(s)與Y(s)之間的閉環傳遞函數為：Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-τoS_U若能將G0(s)e–τoS中的e

–τoS補償掉，則實現無滯后控制。Smith提出了一種大滯后系統預估補償控制方法，圖6.17是Smith預估補償控制系統框圖，Gb(s)是Smith預估補償器的傳遞函數。Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-τoS_U(s)+F(s)Gb(s)++++Y’(s)若能將G0(s)e–τoS中的e–τoS補償掉，則實現無采用預估補償器后，控制量U(s)與反饋信號Y’(s)之間的傳遞函數是兩個并聯通道G0(s)e

–τoS與Gb(s)之和，并且應當等于G0(s)：Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-τoS_U(s)+F(s)Gb(s)++++Y’(s)得：采用預估補償器后，控制量U(s)與反饋信號Y’(s)之間的傳Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-τoS_U(s)+F(s)Go(s)++++Y’(s)e-τoS_根據Smith預估器的傳遞函數Gb(s)表達式，就可得到圖6.18的Smith預估補償控制系統實施框圖。Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-τoS_UY(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-τoS_U(s)+F(s)Go(s)++++Y’(s)e-τoS_可得到設定值X(s)與Y(s)之間的閉環傳遞函數為Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-τoS_U對比基本的單回路控制系統，Smith預估補償控制系統的特征方程中已不包含e–τoS項，即預估補償消除了控制通道純滯后對系統閉環穩定性的影響。單回路控制預估補償控制至于分子中的e–τoS

項只是將被控參數y(t)的響應在時間上推遲了τ0時段。說明預估補償后，設定值通道的控制品質和過程無滯后時完全相同。對比基本的單回路控制系統，Smith預估補償控制系統的特征干擾F(s)與Y(s)之間的閉環傳遞函數為Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-τoS_U(s)+F(s)Go(s)++++Y’(s)e-τoS_干擾F(s)與Y(s)之間的閉環傳遞函數為Y(s)Gf(s)式中，干擾F(s)與被控參數Y(s)之間的傳遞函數由兩部分組成：第一項是干擾對被控參數的擾動作用；第二項是控制系統抑制干擾影響的控制作用。和設定值通道一樣，干擾通道的傳遞函數特征方程中也不包含e–τoS項，即預估補償消除了純滯后對系統閉環穩定性的影響。但是，Smith預估補償器并沒有消除純滯后τ0對干擾F(s)抑制過程的影響。因為式中，干擾F(s)與被控參數Y(s)之間的傳遞函數由兩部分組由于上式第二項含有e

-τoS項，表明系統對干擾的控制作用比干擾作用純滯后τ0時段，這仍然影響控制效果。因此，Smith預估補償系統對設定值擾動的控制效果很好；對負荷擾動的控制效果有所改善。但是，Smith預估補償系統對補償模型的誤差十分敏感，補償效果取決于補償器模型的精度。

Gb(s)=G0(s)(1-e-τoS)由于上式第二項含有e-τoS項，表明系統對干擾的控制作用比第6章復雜控制系統簡單控制系統是過程控制中最基本、應用最廣的控制形式，約占全部控制系統的80％。但是：隨著生產過程的大型化和復雜化，操作條件更加嚴格，變量之間的關系更加復雜。有些生產工藝和控制要求比較特殊。隨著技術發展，對工藝的控制目標多樣化，如產量、質量、節能、環保、效率等。為此，設計出各種復雜控制系統。第6章復雜控制系統簡單控制系統是過程控制中最基

6.1串級控制系統當對象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時，采用簡單控制系統往往控制質量較差，滿足不了工藝上的要求，這時，可考慮采用串級控制系統。

6.1.1串級控制系統基本結構及工作過程串級控制是在簡單控制系統基礎上的改進。例管式加熱爐是煉油、化工生產中的重要裝置之一，它的任務是把原油加熱到一定溫度，以保證下道工藝的順利進行。因此，需要控制原油加熱后的出口溫度。6.1串級控制系統問題：控制通道容量滯后很大，控制緩慢。燃料壓力或燃料的熱值變化影響爐膛溫度熱傳導給原料影響出口溫度15min3min原料出口溫度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加熱爐若用簡單溫控系統：問題：燃料壓力或燃料的熱值變化影響爐膛溫度熱傳導給原料爐膛溫度變化T2T、T2C回路先改變燃料量T1T、T1C回路再改變燃料量出料溫度變化解決措施：在影響出口溫度的通道中，加測爐膛溫度的變化，提前控制。燃料壓力變化3min原料出口溫度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加熱爐T2CT2T爐膛溫度T2T、T2C回路先改變燃料量T1T、T1C回路圖6.6管式加熱爐出口溫度串級控制系統框圖為：主控制器調節閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f2管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器＋x2(t)θ2(t)θ1(t)－－＋主控制器執行器副對象主對象主變送器副變送器副控制器＋－－＋主變量副變量給定干擾標準框圖為：圖6.6管式加熱爐出口溫度串級控制系統框圖為：主控制器調節閥結構特點：系統有兩個閉合回路，形成內外環。主變量是工藝要求控制的變量，副變量是為了更好地控制主變量而選用的輔助變量。主、副調節器是串聯工作的，主調節器的輸出作為副調節器的給定值。主控制器執行器副對象主對象主變送器副變送器副控制器＋－－＋主變量副變量給定干擾結構特點：主控制器執行器副對象主對象主變送器副變送器副控制器控制過程分析：1．燃料壓力f3(t)、燃料熱值f4(t)發生擾動——干擾進入副回路進入副回路的干擾首先影響爐膛溫度，副變送器提前測出，副控制器立即開始控制，控制過程大為縮短。主控制器調節閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f2管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器＋x2(t)θ2(t)θ1(t)－－＋控制過程分析：主控制器調節閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f主控制器調節閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f2管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器＋x2(t)θ2(t)θ1(t)－－＋2．原油流量f1(t)、原油入口溫度f2(t)發生擾動——干擾進入主回路對進入主回路的干擾，雖然副變送器不能提前測出，但副回路的閉環負反饋，使對象爐膛部分特性的時間常數大為縮短，則主控制器的控制通道被縮短，控制效果也得到改善。主控制器調節閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f2管壁溫度變送3．干擾同時作用于副回路和主回路主副回路干擾的綜合影響有兩種情況：（1）主副回路的干擾影響方向相同。如：燃料壓力f3(t)↑→爐膛溫度↑→出口溫度↑

→副控制器開始調節原油流量f1(t)↓→出口溫度↑→主副控制器共同調節主控制器調節閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f2管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器＋x2(t)θ2(t)θ1(t)－－＋3．干擾同時作用于副回路和主回路主控制器調節閥x1爐膛原料油（2）主副回路的干擾影響方向相反。如：燃料壓力f3(t)↑→爐膛溫度↑→出口溫度↑

→副控制器開始調節原油流量f1(t)↑→出口溫度↓→主控制器反向調節，使副控制器調節量減小。主控制器調節閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f2管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器＋x2(t)θ2(t)θ1(t)－－＋（2）主副回路的干擾影響方向相反。如：主控制器調節閥x1爐膛6.1.2串級控制系統特點及其分析將串級控制系統等效成單回路控制系統討論。Gc1(s)Gv(s)X1(s)Θ1(s)＋

Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Gc2(s)＋X2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm2(s)Gm1(s)－－F3(s)、F4(s)G*o2(s)G’o2(s)X2(s)Θ2(s)將副環等效為：6.1.2串級控制系統特點及其分析Gc1(s)Gv(s)X16.1.2.1改善被控過程的動態特性控制通道等效副對象的傳函：設：則：T02′<<

T02K02′≈1/Km26.1.2.1改善被控過程的動態特性設：則：T02′<<Gc1(s)X1(s)Θ1(s)＋

G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)G’o2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－G*c1(s)Gv(s)X1(s)Θ1(s)＋

Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－串級控制等效真正的單回路控制

T02′<<T02，說明主環控制通道時間常數縮短，改善了系統的動態性能。

Gc1(s)X1(s)Θ1(s)＋G*o2(s)F3(s)、Gc1(s)X1(s)Θ1(s)＋

G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)G’o2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－同理，通過對系統振蕩頻率的推導可知：副回路的引入，提高了系統的工作頻率，也改善了系統的動態性能。

從系統特征方程：1+Gc1(s)G’o2(s)Go1(s)Gm1(s)=0可求出系統的工作頻率ωcGc1(s)X1(s)Θ1(s)＋G*o2(s)F3(s)、6.1.2.2抗干擾能力增強對于進入副回路的干擾，串級控制和單回路控制前向通道的區別：G*c1(s)Gv(s)X1(s)Θ1(s)＋

Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－Gc1(s)X1(s)Θ1(s)＋

G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)G’o2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－串級控制等效真正的單回路控制6.1.2.2抗干擾能力增強G*c1(s)Gv(s)X11）能迅速克服進入副回路的干擾，提高控制質量。理論分析：控制性能與抗干擾能力的綜合指標為：1）能迅速克服進入副回路的干擾，提高控制質量。理論分析：控制對同樣過程的單回路控制，其綜合指標為：由此可見，串級控制由副回路的存在，控制作用的總放大系數提高了，因而抗干擾能力與控制能力均比單回路控制系統有了明顯提高。對同樣過程的單回路控制，其綜合指標為：由此可見，串級干擾通道的傳函：設：則：T02*<<

T02K02*<<K02干擾通道的傳函：設：則：T02*<<T02K02*<<

K02*<<K02說明干擾通道的影響力降低；T02*<<T02

說明干擾通道時間常數縮短，即副回路的控制速度快。

Gc1(s)X1(s)Θ1(s)＋

G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)G’o2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－串級控制等效G*c1(s)Gv(s)X1(s)Θ1(s)＋

Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－真正的單回路控制K02*<<K02說明干擾通道的影響力降低；Gc1Gc1(s)X1(s)Θ1(s)＋

G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)G’o2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－串級控制等效G*c1(s)Gv(s)X1(s)Θ1(s)＋

Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－真正的單回路控制對于進入主回路的干擾，串級控制和單回路控制閉環回路的區別：Gc1(s)X1(s)Θ1(s)＋G*o2(s)F3(s)、T02′<<

T02K02′

T02′<<T02

，說明主環通道時間常數被縮短，加快了系統的控制速度。

Gc1(s)X1(s)Θ1(s)＋

G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)G’o2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－串級控制等效T02′<<T02K02′T02′<<6.1.2.3對負荷和操作條件變化的適應能力增強有些生產過程的工藝條件經常變化。而在不同的工藝點，對象的放大倍數往往不同。如果是單回路控制，這會導致控制質量下降。G*c1(s)Gv(s)X1(s)Θ1(s)＋

Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－真正的單回路控制6.1.2.3對負荷和操作條件變化的適應能力增強G*c1(sK02′≈1/Km2對于串級控制，部分對象被包含在副回路中，其放大倍數被負反饋壓制。因而工藝負荷或操作條件變化時，調節系統仍然具有較好的控制質量。Gc1(s)Gv(s)X1(s)Θ1(s)＋

Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Gc2(s)＋X2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm2(s)Gm1(s)－－K02′≈1/Km2對于串級控制，部分對象被包含在副回路中串級系統特點總結：①對進入副回路的干擾有很強的克服能力；②改善了被控過程的動態特性，提高了系統的工作頻率；對進入主回路的干擾控制效果也有改善；③對負荷或操作條件的變化有一定自適應能力。調節效果比較串級控制單回路控制ty串級系統特點總結：調節效果比較串級控制單回路控制ty6.1.3串級控制系統的設計與參數整定6.1.3.1串級控制系統的方案設計1．主回路設計主回路設計與單回路控制系統一樣。Gc1(s)Gv(s)X1(s)Θ1(s)＋

Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Gc2(s)＋X2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm2(s)Gm1(s)－－6.1.3串級控制系統的設計與參數整定Gc1(s)Gv(2．副回路的選擇副回路設計中，最重要的是選擇副回路的被控參數（串級系統的副參數）。副參數的選擇一般應遵循下面幾個原則：

①主、副變量有對應關系②副參數的選擇必須使副回路包含變化劇烈的主要干擾，并盡可能多包含一些干擾③副參數的選擇應考慮主、副回路中控制過程的時間常數的匹配，以防“共振”的發生④應注意工藝上的合理性和經濟性2．副回路的選擇3．主、副調節器調節規律的選擇在串級系統中，主參數是系統控制任務，副參數輔助變量。這是選擇調節規律的基本出發點。主參數是生產工藝的主要控制指標，工藝上要求比較嚴格。所以，主調節器通常選用PI調節，或PID調節。控制副參數是為了提高主參數的控制質量，對副參數的要求一般不嚴格，允許有靜差。因此，副調節器一般選P調節就可以了。3．主、副調節器調節規律的選擇4．主、副調節器正、反作用方式的確定對串級控制系統來說，主、副調節器正、反作用方式的選擇原則依然是使系統構成負反饋。選擇時的順序是：1、根據工藝安全或節能要求確定調節閥的正、反作用；2、按照副回路構成負反饋的原則確定副調節器的正、反作用；3、依據主回路構成負反饋的原則，確定主調節器的正、反作用。4．主、副調節器正、反作用方式的確定以管式加熱爐為例，說明串級控制系統主、副調節器的正、反作用方式的確定方法。1、從生產工藝安全出發，燃料油調節閥選用氣開式（正作用）。一旦出現故障或氣源斷氣，調節閥應關閉，切斷燃料油進入加熱爐，確保設備安全。原料出口溫度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加熱爐T2CT2T＋以管式加熱爐為例，說明串級控制系統主、副調節器的正、反作用方2、副回路中，調節閥開大，爐膛溫度升高，測量信號增大，說明副對象和變送器都是正作用。為保證副回路為負反饋，副調節器應為反作用方式。原料出口溫度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加熱爐T2CT2T＋＋＋－2、副回路中，調節閥開大，爐膛溫度升高，測量信號增大，說明副3、對于主調節器，調節閥開大，爐膛溫度升高時，原料油出口溫度也升高，說明主對象和主變送器也都是正作用。為保證主回路為負反饋，主調節器也應為反作用方式。原料出口溫度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加熱爐T2CT2T＋＋＋－＋＋－3、對于主調節器，調節閥開大，爐膛溫度升高時，原料油出口溫度5．串級系統的工業應用當生產工藝要求高，采用簡單控制系統滿足不了工藝要求的情況下，可考慮采用串級控制系統。串級控制系統常用于下面一些生產過程。1）容量滯后較大的過程2）純滯后較大的過程3）干擾幅度大的過程4）非線性嚴重的過程5．串級系統的工業應用6.1.3.2串級控制系統的參數整定有逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法。1．逐步逼近法依次整定副回路、主回路。并循環進行，逐步接近主、副回路最佳控制狀態。

2．兩步整定法系統處于串級工作狀態，第一步按單回路方法整定副調節器參數；第二步把已經整定好的副回路視為一個環節，仍按單回路對主調節器進行參數整定。6.1.3.2串級控制系統的參數整定3．一步整定法所謂一步整定法，就是根據經驗，先將副調節器參數一次調好，不再變動，然后按一般單回路控制系統的整定方法直接整定主調節器參數。表6.1一步整定法副調節器參數選擇范圍副參數類型副調節器比例度δ2（%）副調節器比例增益Kc2 溫度 20～605.0～1.7 壓力 30～703.0～1.4 流量 40～802.5～1.25 液位 20～805.0～1.25 3．一步整定法表6.1一步整定法副調節器參數選擇范圍6.2前饋控制系統前饋控制的原理是：當系統出現擾動時，立即將其測量出來，通過前饋控制器，根據擾動量的大小改變控制變量，以抵消擾動對被控參數的影響。6.2.1前饋控制的工作原理及其特點1、反饋控制的特點：不論是什么干擾，只要引起被調參數的變化，調節器均可根據偏差進行調節。但必須被調參數變化后才進行調節，調節速度難以進一步提高。6.2前饋控制系統1、反饋控制的特點：例換熱器出口溫度反饋控制系統TTTC蒸汽換熱器冷物料入口熱物料出口冷凝水針對冷物料流量變化的最佳調節效果：ty例換熱器出口溫度反饋控制系統TTTC蒸汽換熱器冷物料入口為了改變事后調節的狀況，提出前饋控制的思路：根據冷物料流量Q的大小，調節閥門開度。

2、前饋控制的原理與特點蒸汽換熱器冷物料入口熱物料出口冷凝水FTFC例針對換熱器入口流量干擾的前饋控制系統為了改變事后調節的狀況，提出前饋控制的思路：根據冷物料流量QGb(s)Gfs)Go(s)Gm(s)Gv(s)蒸汽換熱器冷物料入口熱物料出口冷凝水FTFBF(s)Y(s)Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gfs)Go(s)＋＋Y(s)用方框圖表示：Gb(s)Gfs)Go(s)Gm(s)Gv(s)蒸汽換熱器冷完全補償原理如果補償量和干擾量以同樣的大小和速度作用于被控變量，且作用方向相反的話，被控變量不變。Y(S)=F(S)Gf(s)+F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s)=0Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gfs)Go(s)＋＋Y(s)完全補償原理Y(S)=F(S)Gf(s)+F(S)Gm得：完全前饋補償規律的推導：Y(S)=F(S)Gf(s)+F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s)=0Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gfs)Go(s)＋＋Y(s)廣義對象:控制對象測量變送執行環節Go(s)GB(s)＝-GF(s)/GO(s)得：完全前饋補償規律的推導：Y(S)=F(S)Gf(s)前饋控制的特點：①前饋控制器是按是按照干擾的大小進行控制的，稱為“擾動補償”。如果補償精確，被調變量不會變化，能實現“不變性”控制。②前饋控制是開環控制，控制作用幾乎與干擾同步產生，是事先調節，速度快。③前饋控制器的控制規律不是PID控制，是由對象特性決定的，是專用控制器。④前饋控制只對特定的干擾有控制作用（可測不可控干擾），對其它干擾無效。前饋控制的特點：3．前饋控制的局限性①實際工業過程中的干擾很多，不可能對每個干擾設計一套控制系統。②對不可測的干擾無法實現前饋控制；②前饋控制器的補償控制規律由動特性GF(s)和Go(s)決定，很難精確測量，即使前饋控制器設計的非常精確，實現時也會存在誤差，而開環系統對誤差無法自我糾正。因此，一般將前饋控制與反饋控制結合使用。前饋控制針對主要干擾，反饋控制針對所有干擾。3．前饋控制的局限性6.2.2前饋控制系統的結構前饋控制的結構有靜態補償和動態補償。

1．靜態前饋控制系統所謂靜態前饋控制，是前饋控制器的補償控制規律，只考慮靜態增益補償，不考慮速度補償。Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gf(s)Go(s)＋＋Y(s)（S=0時）6.2.2前饋控制系統的結構Gv(s)Gb(s)Gm(s)F靜態前饋控制的調節規律為比例特性，其大小是根據過程干擾通道的靜態放大系數和過程控制通道的靜態放大系數決定的。靜態前饋控制的控制目標是使被控參數最終的靜態偏差接近或等于零，而不考慮由于兩通道時間常數的不同引起的動態偏差。靜態前饋系統結構簡單、易于實現，前饋控制器就是一個比例放大器。只要用DDZ儀表中的比例調節器或比值器就能滿足要求。但控制過程中，動態偏差依然存在。靜態前饋控制的調節規律為比例特性，其大小是根據過程干擾通道的2．動態前饋控制系統當需要嚴格控制動態偏差時，則要采用動態前饋控制。完全按照補償控制規律制作控制器。理論上，動態前饋控制能在每個時刻都完全補償擾動對被控參數的影響。但補償控制規律比較復雜，常常無法獲得精確表達式，也難以精確實現。2．動態前饋控制系統理論上，動態前饋控制能在每個時刻都完全補3．前饋—反饋復合控制系統為了克服前饋控制的局限性，將前饋控制和反饋控制結合起來，組成前饋—反饋復合控制系統。如換熱器出口溫度前饋—反饋復合控制系統。∑TTTC蒸汽換熱器冷物料入口熱物料出口冷凝水FTFB3．前饋—反饋復合控制系統如換熱器出口溫度前饋—反饋復合控制在前饋——反饋復合控制系統中，設定值X(s)、干擾F(s)對輸出Y(s)的共同影響為：Gv(s)Gb(s)GmF(s)F(s)Gf(s)Go(s)＋＋Y(s)GmT(s)Gc(s)＋＋＋－X(s)在前饋——反饋復合控制系統中，設定值X(s)、干擾1、傳函分子即是前饋控制系統的補償條件。表明復合控制系統與開環前饋控制系統的補償條件完全相同，并不因為引進反饋控制而有所改變。2、傳函分母即是反饋控制系統的閉環傳遞函數。表明反饋控制系統的穩定性并不因為引進前饋控制而有所改變；且由于反饋控制回路的存在，使前饋控制的精度比開環前饋控制高。干擾通道的傳遞函數為：1、傳函分子即是前饋控制系統的補償條件。表明復合控制系統與開復合控制系統具有以下優點：①在反饋控制的基礎上，針對主要干擾進行前饋補償。既提高了控制速度，又保證了控制精度。②反饋控制回路的存在，降低了對前饋控制器的精度要求，有利于簡化前饋控制器的設計和實現。③在單純的反饋控制系統中，提高控制精度與系統穩定性是一對矛盾。往往為保證系統的穩定性而無法實現高精度的控制。而前饋——反饋控制系統既可實現高精度控制，又能保證系統穩定運行。復合控制系統具有以下優點：4．前饋——串級復合控制系統對于慢過程的控制，如果生產過程中的主要干擾頻繁而又劇烈，而工藝對被控參量的控制精度要求又很高，可以考慮采用前饋——串級復合控制方案。Gv(s)Gb(s)GmF(s)F(s)Gf(s)Go1(s)＋＋Y(s)Gm2(s)Gc1(s)＋＋＋－X(s)Gc2(s)Go2(s)－Gm1(s)4．前饋——串級復合控制系統Gv(s)Gb(s)GmF(s)從前饋—串級復合控制系統的傳遞函數（自己推導）可知：

1、串級控制回路的傳函和單純的串級控制系統一樣

2、前饋控制器的傳函主要由擾動通道和主對象特性決定Gv(s)Gb(s)GmF(s)F(s)Gf(s)Go1(s)＋＋Y(s)Gm2(s)Gc1(s)＋＋＋－X(s)Gc2(s)Go2(s)－Gm1(s)≈1/Gm2(S)從前饋—串級復合控制系統的傳遞函數（自己推導）可知：Gv(5．前饋控制器的通用模型前面按照不變性條件，求得前饋控制器的傳遞函數表達式實際上，要得到上式的精確數學模型比較困難，準確實現也比較困難，還不如用簡約化模型。將Go(S)、Gf(S)用帶滯后的一階模型近似，將Gv(S)、Gm(S)用比例模型近似，代入上式整理得：5．前饋控制器的通用模型實際上，要得到上式的精確數因此，可以事先做好各系數可調的通用前饋控制器。使用時根據補償要求，調整各個系數值，就可獲得不同特性的前饋控制功能。前饋控制器的通用模型：各系數物理意義：Km

—靜態放大系數；T1

—加速系數；T2

—

減速系數；τ—純滯后時間。因此，可以事先做好各系數可調的通用前饋控制器。使用時根據補償前饋控制的應用場合（1）某個干擾幅值大而頻繁，對被控變量影響劇烈，而對象的控制通道滯后大。（2）采用單純的反饋控制，控制速度慢、質量差。（3）用串級控制，效果改善不明顯。目前，比較高檔的控制儀表中都配備通用前饋控制模塊，供用戶選用。前饋控制的應用場合實驗實例:鍋爐汽包水位控制鍋爐給水控制系統—前饋-反饋串級控制系統。鍋爐正常運行中，汽包水位是其重要的工藝指標。必須嚴格控制水位在規定范圍之內。控制系統結構圖實驗實例:鍋爐汽包水位控制鍋爐給水控制系統—前饋-反饋串級控（2）原理分析：主要干擾：給水流量與蒸汽流量，而蒸汽流量是可測不可控的干擾；“虛假水位”：在燃料量不變時，當蒸汽流量突然增加時，鍋內壓力突然降低，加速汽化，汽泡量驟增，形成水位升高的假象，反之，壓力突然增加，水沸騰暫時停止，形成水位降低的假象。分級辦法：蒸汽流量為前饋信號，給水流量為副參數，鍋爐水位為主參數，構成前饋-