了得網工業技術_輸出側控制的原理與應用

內容簡介

本書針對前饋控制和反饋控制兩種輸入側控制方式存在的不足，提出“後饋控制”和“順饋控制”兩種新型的輸出側控制方式和“輸出加減器”的概念。分析了黑色被控對像應用輸出側順饋控制實現“*不變性” 所采用的雙通道完全補償原理，並給出了實現過程控制、電力拖動控制、電變量控制三大領域之中的各種物理量控制的輸出加減器實例。書中的論述和實例都證明了所提出輸出加減器和輸出側順饋控制的理論和方法的正確性和通用性及其在技術上的可行性、有效性和應用前景。輸出側順饋控制為不同於反饋控制而又優於反饋控制的全新型自動控制繫統，它不但避免了反饋控制的一繫列不可克服的缺陷，而且還可以突破性地對 “黑色對像” 進行 “雙通道完全補償” 控制，即實現了“*不變性” 的“理想控制”，可以使控制繫統的輸出誤差e(t) 恆等於零，而這對反饋控制繫統來說，是完全不可能的。它不但可以對工業生產中的過程變量，如流量、液位、壓強、溫度、濃度、水分、成分、pH值等，而且也可以對電氣傳動變量，如轉速、轉矩、功率等，甚至還可以對電變量，如電流、電壓、電功率等進行超高精度順饋補償控制。因此，該發明不但改變了“不變性理論” 中的 “*不變性” 不能付諸工程實現和實際應用等難題，從而改變了“不變性理論” 以往被冷落的現狀，具有理論上或學術上的意義，而且在工程和工業生產控制中具有廣闊地應用前景。這是一個具突破性的原始創新項目，完全具有自主知識產權，也是具有發展前途的自動控制高新技術。前言章輸入側控制及其優缺點 1-1 前饋控制1-2 反饋控制及反饋控制繫統1-3 機電結合控制以及反饋控制的新方法第二章輸出側控制的原理和優越性 2-1 後饋控制2-2 順饋控制和輸出側順饋控制繫統 2-3 輸出側順饋控制與輸入側反饋控制的比較 2-4 順饋-反饋復合控制繫統 2-5 輸出側順饋控制與輸入側反饋控制的結構比較第三章輸出側控制在過程控制中的應用 3-1 輸出側控制在流量控制中的應用3-2 輸出側控制在溫度控制中的應用 3-3 輸出側控制在濃度控制中的應用 3-4 輸出側控制在濕度(水分)控制中的應用 3-5 輸出側控制在液位控制中的應用 3-6 輸出側順饋控制在壓差或壓強的控制中的應用第四章輸出側控制在紙頁定量-水分控制中的應用 4-1 絕干紙頁流量控制裝置4-2 成品紙重量流量控制裝置(噴霧增濕法) 4-3 成品紙定量與水份的計算與控制 4-4 此順饋控制繫統的優越性 4-5 全控制繫統的調試和說明第五章輸出側控制在電力拖動控制中的應用 5-1輸出側控制在轉速控制中的應用5-2 輸出側控制在轉矩控制中的應用 5-3 輸出側控制在功率控制中的應用第六章輸出側控制在電變量控制中的應用 6-1輸出側控制在電流控制中的應用6-2 輸出側控制在電壓控制中的應用 6-3 輸出側控制在電功率控制中的應用第七章輸出側控制的應用前景和展望 7-1 輸出側控制理論的完善和存在問題7-2 輸出側控制的應用前景和展望參考文獻

作者簡介

孫懷祿，又名孫懷錄男１９３３年生，河南省平輿縣人。１９５９年畢業於廣州華南工學院（即華南理工大學），畢業後分配到北京輕工業部造紙研究所工作，1961年調到北京輕工業學院任教，1970年內遷到陝西省咸陽市西北輕工業學院任教,後改為陝西科技大學。原為西北輕工業學院自動控制工程繫碩士生導師，從事於《過程控制》、《電氣傳動控制》和《*控制》等課程的教學與研究，尤其是在造紙機傳動及其自動化、造紙機定量水分自動控制、紙漿蒸煮過程自動化、機電聯合自動控制、不變性理論與“*不變性”【1】、“輸出側順饋控制”【2】等方面的研究四十餘年，曾有多項科研成果獲省部級二三等獎和全國首屆輕工業博覽會銀獎，申請國家專利十多項，多項專利獲多項金獎。此外，還有專著：《造紙機可控硅雙閉環自動穩速繫統》（輕工業出版社）；教材：《輕工生產過程控制工程》（輕工業出版社）；譯著：《控制用微型計算機程序設計》（水利電力出版社）等，尚有未出版的專著：《輸出側控制的原理與應用》等。發表科研學術論文２０餘篇，尚有未發表的學術論文多篇，如 “兩種新的控制形式與*不變性”、“機械功率放大器及其應用“、“電變量的輸出側順饋控制繫統” 、“機械式*不變性轉角隨動繫統”、“轉速控制與自動控制的機械方法”、“機械式轉速反饋自動控制繫統”、“造紙機定量水份高精度即時控制新技術”等。

前言
章  輸入側控制及其優缺點
  節  前饋控制
  第二節  反饋控制及反饋控制繫統
  第三節  機電結合開環或反饋控制的新方法
第二章  輸出側控制的原理和優越性
  節  後饋控制
  第二節  順饋控制和輸出側順饋控制繫統
  第三節  輸出側順饋控制與輸入側反饋控制的比較
  第四節  順饋—反饋復合控制繫統
  第五節  輸出側順饋控制與輸入側反饋控制的對比
  第六節  輸入側、輸出側、對像取代三種前饋控制的對比
第三章  過程控制中的輸出側控制
  節  輸出側控制在流量控制中的應用
  第二節  輸出側控制在溫度控制中的應用
  第三節  輸出側控制在濃度控制中的應用
  第四節  輸出側控制在濕度（水分）控制中的應用
  第五節  輸出側控制在液位控制中的應用
  第六節  輸出側控制在壓差或壓強的控制中的應用
第四章  紙頁定量—水分控制中的輸出側控制
  節  絕干紙頁流量控制裝置
  第二節  成品紙質量流量控制裝置（噴霧增濕法）
  第三節  成品紙定量與水份的計算與控制
  第四節  此順饋控制繫統的優越性
  第五節  全控制繫統的調試和說明
第五章  電力拖動控制中的輸出側控制
  節  輸出側控制在轉速控制中的應用
  第二節  輸出側控制在轉矩控制中的應用
  第三節  輸出側控制在功率控制中的應用
第六章  電變量控制中的輸出側控制
  節  輸出側控制在電流控制中的應用
  第二節  輸出側控制在電壓控制中的應用
  第三節  輸出側控制在電功率控制中的應用
第七章  輸出側控制的前景和展望
  節  輸出側控制理論的完善和存在問題
  第二節  輸出側控制的應用前景和展望
附加說明  關於“不變性”等的說明
參者文獻

前言

直到目前為止，在自動控制領域內一直被反饋控制或者被輸入側控制理論主導著，幾乎沒有其他的自動控制方式或者自動控制繫統。現在對反饋控制和反饋控制繫統的深入研究和普遍應用已經達到很高的水平。在自動控制理論方面，不管是經典控制理論還是現代控制理論，尤其是近代控制理論方面已經達到了非常高的理論高度,甚至要把自動控制理論變成為近代高等數學理論應用的一個分支。即便如此，無論在自動控制理論上還是在其工程實際應用上都還存在著大量尚未解決的問題。即使解決了的自動控制問題，但其自動控制的質量或自動控制的效果也並不是很理想，而且解決問題的難度也愈來愈大，讓人們無所適從。既然如此，何不尋求另一途徑，促使自動控制難題的得以更加容易地解決呢？
筆者認為，在自動控制領域內本應該包括兩種並不相同的“自動控制方式”：輸入側控制方式和輸出側控制方式。
（1）輸入側控制(input side control) 方式，包括（輸入側）“前饋控制(feed-forward control)”、“反饋控制(feedback control)”及其繫統。以往傳統的自動控制方法和自動控制繫統皆屬於此類，特別是負反饋型的閉環自動控制繫統。實際上普遍應用的是反饋控制，而普通的(輸入側)前饋控制僅起輔助控制作用，故較少應用。直到目前為止，在自動控制領域內一直被反饋控制或者被輸入側控制理論主導著，幾乎沒有其他的自動控制方式或者自動控制繫統。現在對反饋控制和反饋控制繫統的深入研究和普遍應用已經達到很高的水平。在自動控制理論方面，不管是經典控制理論還是現代控制理論，尤其是近代控制理論方面已經達到了非常高的理論高度,甚至要把自動控制理論變成為近代高等數學理論應用的一個分支。即便如此，無論在自動控制理論上還是在其工程實際應用上都還存在著大量尚未解決的問題。即使解決了的自動控制問題，但其自動控制的質量或自動控制的效果也並不是很理想，而且解決問題的難度也愈來愈大，讓人們無所適從。既然如此，何不尋求另一途徑，促使自動控制難題的得以更加容易地解決呢？

筆者認為，在自動控制領域內本應該包括兩種並不相同的“自動控制方式”：輸入側控制方式和輸出側控制方式。

（1）輸入側控制(input side control) 方式，包括（輸入側）“前饋控制(feed-forward control)”、“反饋控制(feedback control)”及其繫統。以往傳統的自動控制方法和自動控制繫統皆屬於此類，特別是負反饋型的閉環自動控制繫統。實際上普遍應用的是反饋控制，而普通的(輸入側)前饋控制僅起輔助控制作用，故較少應用。

（2）輸出側控制(output side control) 方式，包括(輸出側)“後饋控制(after-fed control)”、“順饋控制(shun-fed control)”及其繫統，這是作者首先提出的可以說是新的自動控制方式和自動控制繫統[3]，也是一種補償型的自動控制方法（參見第二章的第六節的說明）。特別是輸出側順饋控制和輸入側反饋控制一樣，它不但能夠獨立地構成自動控制繫統，而且也可以廣泛地應用於過程控制、電氣傳動控制和電變量控制的廣闊領域，是在許多方面優於反饋控制的一種新型的自動控制形式，而後饋控制和(輸入側)前饋控制一樣，僅起輔助控制作用。還需要說明，上述一些新名稱或簡稱過去從未有過，而其中文、英文命名有待進一步的研究之後認定。

對自動控制或自動控制繫統的控制質量和控制效果的評價必須有一些指標作為依據，而其重要的指標就是自動控制繫統輸出誤差e(t) 的大小，所謂輸出誤差e(t) 就是繫統的輸出變量y(t) 與其參考輸入變量r(t) 之間的誤差，而參考輸入變量r(t)相當於目標函數或期望值。當然希望e(t) 愈小愈好，如果能夠達到e(t)≡0為好，這就是實現了“不變性理論(invariance theory)[7,13]”中的“不變性(absolute invariance)[14,15]”。也就是實現了“理想控制(ideal control)”，或者稱之為 “絕優控制”，即“控制(absolute?optimal control)”的簡稱。

但是，對自動控制理論和自動控制繫統的研究應該有以下四個目的：

（1）怎樣使自動控制繫統的輸出誤差e(t)盡可能地減小；

（2）怎樣使繫統輸出y(t)盡可能地不受繫統內部和外部擾動f(t)的影響；

（3）怎樣盡可能地減小被控對像的數學模型和其復雜特性對控制繫統的不良影響；

（4）怎樣盡可能地使自動控制繫統實現起來更加簡單容易，成本更低，效率更高。

前三點也可以作為評判自動控制繫統控制質量的指標和依據，而對現代控制理論或是近代控制理論的研究基本上也都是和盡可能地改善和提高這三個指標和目的有關繫。

就反饋控制或者輸入側反饋控制繫統而言，前三個目的都並不理想，但對輸出側順饋控制繫統而言，上述的前三個目的卻都十分理想。輸出側順饋控制繫統能夠使黑色對像實現理想控制而使繫統輸出誤差e(t)恆等於零，即無需知道對像模型的任何信息[包括其中的內外擾動(internal and external disturbance)]，就可以實現“絕優控制”而使e(t)≡0。這對反饋控制繫統來說完全是不可想像的，也是不可能的。第四個目的是對自動控制繫統的實施在經濟成本上的考慮，當然也很重要。

以往對自動控制理論的研究都是對反饋控制繫統理論的研究，今後應該加上對輸出側順饋控制繫統理論的研究，說不定會得出一些有意義或者意外的結果。筆者認為，以往對自動控制理論的研究雖然極其深入但並不完全。

本書對輸出側順饋控制和順饋補償控制繫統以及對順饋-反饋復合控制繫統的研究，大多是在復頻域內以傳遞函數為基礎進行的，即經典控制理論的方法，而在時域內的討論則多是其特殊情況。必需強調指出，雖然所用的是十分簡便的經典控制理論方法，但卻解決了應用現代控制理論無法解決的、能使控制繫統輸出誤差e(t)≡0的“絕優控制”問題和使自動控制繫統實現“不變性”以及輸出側前饋控制(即後饋控制)實現“完全補償(complete compensation)”等問題。

現代控制理論中的所謂“控制（optimal control)”問題，實際上就是怎樣使自動控制繫統的輸出誤差[即e(t)>0]，在某些（如目標函數等）約定條件下達到極小值或極大值，而不是達到e(t)≡0的“絕優控制”。因此可以說，現代控制理論中用狀態反饋等方法實現的的所謂“控制”，僅是局部的或相對的“控制”,並不是真正的控制。控制繫統輸出誤差e(t)≡0的“理想控制(ideal control)”纔是真正的“”控制，即“絕優控制”，也是全局的“控制”, 而這是無論用什麼樣的反饋控制都無法實現的。

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