1、工業生產過程控制 前饋及比值控制1第1頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三3.1.1 前饋控制原理及特點例：反饋控制與前饋控制反饋控制（閉環控制）前饋控制（開環控制）主要干擾2第2頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三1） 前饋控制基本思想反饋控制依據及不足 依據：偏差信號， 弱點：干擾影響到被控變量后才能實施控制，具 有一定的滯后性。前饋控制 是依據進入系統的干擾量產生合適的控制作用，使被控變量維持在設定值的一種控制方法。理論上講，前饋控制具有被控變量不變性功能。3第3頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三反饋控制： 前饋控制：

2、控制及時性 依據干擾實施控制 2）前饋控制基本特性 開環控制 干擾干擾通道控制通道控制信號被控變量偏差被控變量測量變送控制器控制器被控變量控制通道干擾通道干擾控制信號4第4頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三 前饋控制傳遞函數 前饋控制理想控制曲線滿足被控變量不變性原理控制作用曲線5第5頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三 前饋控制器注意：前饋控制器不同于反饋控制應用的一般控制器，而是一種針對具體對象的專用控制器 前饋控制傳遞函數 決定于干擾通道與控制通道特性函數之比控制規律：理想狀態（不變性原理）6第6頁，共76頁，2022年，5月20日，19點3

3、4分，星期三a. 反饋控制基本特征閉環控制：對所有影響被控變量的干擾均具有一定的克服能力，具有檢測控制效果的能力。控制依據：被控變量偏差檢測信號：被控變量不及時行：存在控制的不及時性，不能完全消除偏差控制器：可以采用普通的、普遍應用的一般控制器b. 前饋控制基本特性開環控制：僅對選定干擾具有克服能力，不具有檢測控制效果的能力。控制依據：干擾量大小檢測信號：擾動量及時性：控制及時。理論上具有不變性控制器：由被控對象特性確定的專用控制器2）前饋控制系統特點 反饋控制與前饋控制特性比較7第7頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三靜態前饋補償控制a. 特征：穩態不變性原理，不保證控

4、制過程中動態偏差為0控制器輸出僅是干擾量的函數，與時間無關b. 靜態前饋補償函數：靜態前饋補償控制動態前饋補償控制3）前饋控制主要形式c. 靜態前饋補償函數獲得： 利用衡算式（物料衡算、能量衡算、動量衡算）8第8頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三例：換熱器溫度前饋補償控制熱量衡算（忽略過程的熱量損失）靜態前饋補償控制式：控制器特性9第9頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三靜態前饋補償控制式：靜態前饋補償控制方案10第10頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三3.1.2 前饋控制的組合應用前饋控制的應用限制不能檢驗控制效果，無對控

5、制偏差作進一步調整的能力系統存在多個干擾，無法對每個干擾配置一個前饋控制由于補償模型的準確性問題，實際的前饋控制無法做到全補償。結論： 實際工業控制中，前饋控制不能單獨使用，需要與其他控制方案結合應用。其在組合方案中起到前饋補償功能。11第11頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三1）前饋-反饋控制a.前饋、反饋控制特性比較結論：前饋與反饋控制特性能夠在一定程度上互補12第12頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三b. 控制原理數學描述方框圖控制方案圖13第13頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三前饋補償功能：全補償條件(前饋控制器

6、控制規律）：與單純前饋控制具有相同的補償能力數學描述式：14第14頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三c. 前饋-反饋控制優點具有前饋控制與反饋控制的雙重優點由于加入了反饋控制，降低了對前饋控制模型的要求，且具有克服其他擾動干擾的能力由于前饋控制對主要干擾作了及時控制，大大減輕了反饋控制的負擔15第15頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三注意事項前饋反饋與串級控制的區別串級控制兩個閉環控制前饋-反饋控制一個閉環，一個開環控制16第16頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三2）前饋-串級控制系統 前饋控制與串級控制結合構成的一種控制

7、方案。構成例：注意前饋量加入點： 前饋控制信號與主控制器信號疊加后作為串級副控制器的給定信號。17第17頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三前饋控制器控制規律其中GP2是等效副環傳遞函數 傳遞函數：18第18頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三由傳遞函數根據不變性原理得控制律19第19頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三3）前饋控制規律實現 由于工程對象的準確的傳遞函數不易獲得，工程上一般用一階或者二階滯后環節來近似實際對象的傳遞函數。并由此獲得前饋補償器的數學模型。例如：設定干擾通道與控制通道特性：則有控制規律：20第20頁，

8、共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三3.1.3 前饋控制系統應用1）應用場合 系統滯后或容量滯后較大，反饋控制系統難以滿足工藝控制要求場合 系統中存在可測而不可控的強烈干擾影響的場合 干擾對被控變量存在顯著影響，反饋控制難以克服的場合 工藝要求按照某一給定數學模型實施控制的場合2）注意： 前饋控制主要應用于對主要干擾的補償控制21第21頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三應用例1：精餾塔塔釜溫度控制（滯后較大）引入前饋控制理由： 精餾塔進料流量及溫度對塔釜溫度的影響具有較大的時間滯后，反饋控制難以滿足工藝控制指標要求22第22頁，共76頁，2022年，5

9、月20日，19點34分，星期三應用例2：鍋爐水位控制（可測不可控參數）應用前饋控制理由： 鍋爐蒸汽流量由后續工段用量決定，不允許在鍋爐出口處實施控制。干擾直接進入主環，易于引起虛假水位，且克服能力有限。因此，考慮增加前饋控制。注意： 此處蒸氣流量是根據工藝過程而確定為前饋變量23第23頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三應用例3：加熱爐出口溫度控制（干擾影響大）應用前饋控制理由：進入加熱爐的原油流量波動較大，且直接對出口原油溫度產生較大影響。施加前饋控制之前，對原油流量干擾的控制相當于單回路反饋控制，控制的及時性和力度較弱。 24第24頁，共76頁，2022年，5月20日

10、，19點34分，星期三分析舉例：圖示加熱爐的（a）、（b）兩種控制方案。要求： 1）說明二控制方案屬何種控制？分別畫出二控 制方案的控制方框圖。 2）分別指出二系統中可能的主要干擾 3）試比較兩種控制方案的特點。25第25頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三1）控制方案：a)前饋-反饋控制， b)串級控制2）方框圖（略）3）主要干擾：a）燃料流量波動， b）原料流量波動4）特點：串級控制方案，引入燃料流量作為副變量，能迅速克服燃料的流量波動對主變量的影響； 對于原料引入的干擾控制不及時。前饋控制方案，引入原料流量作為前饋量，對原料波動能及時通過調節燃料供給量給予補償； 系

11、統綜合了前饋控制及時克服主要干擾和反饋控制能克服多種干擾的優點。但是，對于原料流量波動以外的干擾，控制系統呈現單回路控制特性。26第26頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三作業： 如圖反應器控制系統，通過實際測試，已知由于反應物料溫度和冷卻水溫度波動較大，圖示系統無法滿足控制要求，請修改控制方案使之滿足控制要求，畫出控制系統流程圖，說明控制系統名稱；結合反應器的控制操作說明你設計系統的控制原理。27第27頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三某前饋串級系統如圖所示，經實驗測定各環節特性如下：計算前饋控制器的數學模型。 28第28頁，共76頁，2022年

12、，5月20日，19點34分，星期三3.2 比值控制系統3.2.1 概述1）比值控制：實現兩個或兩個以上的流量參數按一定的比例關系變化的控制。2）比值控制主要應用領域：物理過程物料流量控制化學過程物料流量控制29第29頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三比值控制原理圖3）基本屬性屬于開環（前饋）控制存在一個主動物流（主物流，Q1），一般取生產中的主要物料、不可控物料、以及貴重物料作為主物流。 至少一個從動物流（副物流，Q2），副物流按規定的比例關系隨主物流變動而變動屬于隨動控制k30第30頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三4）比值關系描述Q2從動（副

13、）物流Q1主動（主）物流 k：工藝要求的二物流比例（非儀表參數）k設計任務：選擇控制方案、儀表類型及參數實現 比值控制。31第31頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三3.2.2 比值控制系統構成類型 開環比值控制 單閉環比值控制 雙閉環比值控制 串級比值控制 定比值控制 變比值控制分類1：分類2：32第32頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三1）開環比值控制系統特點：結構簡單，占用設備及耗資較少;對由副物流引入的干擾無克服能力,比值關系不能保證;主物流的干擾將引起總流量波動,不能保證總流量穩定;應用場合： 副流量工作平穩，控制質量要求不高的場合。開環

14、比值控制方框圖原理圖33第33頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三例：NaOH稀釋工藝比值控制工藝要求： 30%NaOH加水稀釋生產68%的NaOH主物流：30%NaOH副物流：H2O34第34頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三單閉環比值控制系統單閉環比值控制方框圖構成： 副流量控制中引入反饋控制機制。原理圖：35第35頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三單閉環比值控制特點：應用最廣泛的比值控制系統對副物流干擾有控制能力，可以保證二物流的比值關系單閉環屬于隨動控制對來自主物流的干擾無克服能力，不能保證總流量穩定方案簡單，易于實

15、施。要注意與串級控制的區別36第36頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三例：NaOH稀釋工藝比值控制方框圖37第37頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三3) 雙閉環比值控制系統構成： 主物流流路增加一個閉環控制回路穩定主物流流量 雙閉環比值控制方框圖原理圖38第38頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三雙閉環比值控制系統構成特點：主、副物流各有一個閉環控制回路保證其流體穩定流動主物流測變信號經比值計算后作為副物流控制器的給定值比值部分屬于開環39第39頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三雙閉環比值控制系統操作

16、特點 克服了主物流干擾影響，保證了總流量穩定。 有利于對物流量實施平穩的提、降操作。 （緩慢調節主控制器給定值） 投資高，維護量大，動態比值要求不高時可考慮應用兩個單閉環控制回路代替雙閉環比值控制。 注意：此時總流量調整操作應同時對兩個控制器進行操作 應注意防止雙閉環產生共振40第40頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三雙閉環比值控制例41第41頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三4）變比值控制系統 定比值控制方案只能克服流量干擾對比值的影響，當其他參數存在對比值系數的擾動時，必須時時修正比值參數，變比值控制。變比值控制系統方框圖原理圖42第42頁，

17、共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三變比值控制特點是以某參數為主變量，以二流量比值為副參數的串級控制可隨工藝條件修正比值系數，具有一定的自適應能力主參數穩定，比值部分特性同定比值控制。 主參數波動場合，比值部分特性同隨動控制。43第43頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三變比值控制應用例主控制器： 溫度控制器(TC)主控輸出信號 二物流比值關系給定信號副控制器 流量控制器(FC)副控輸入信號 二物流實際流量比值關系信號44第44頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三5）串級與比值組合控制系統特點：二流量的比值不隨其他因素而變化，比值控

18、制部分屬定比值控制主物流控制器的給定值依據第三個參數的變化而變化，比值控制部分屬隨動控制動態過程有控制滯后，能產生比例關系波動。原理圖控制目的： 在保持二流量混合比的前提下改變總流量。45第45頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三方框圖46第46頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三 修改方案特點： 第三方參數直接送給兩個閉環調節器，可以減小原方案的動態滯后，但是不能保證Q2對Q1的靜態比值。47第47頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三注意串級與比值控制結合的區別串級比值控制變比值控制48第48頁，共76頁，2022年，5月20

19、日，19點34分，星期三3.2.3 比值控制系統的實施主要內容： 1）比值系數計算 流量比值與設設置于儀表的比值是兩個不同概念，他們都是無量綱系數，但兩者的數值是不等的。 流量比值k是流量的比值,它們可同為質量流量，體積流量或折算為標準情況下的流量。 比值系數K是設置比值函數模塊或比值控制器中的函數。 2）比值控制實現方法49第49頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三1）比值系數計算關鍵問題： 確定比值計算器的比值系數K定義： k：工藝要求二物流流量比 k=Q2 / Q1 K：儀表設定比值系數（k的標準信號值）設定： 流量由0上升到最大值Qmax，對應變送器輸出信號由相應

20、的標準信號最小值變到最大值。50第50頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三信號關系式根據原理圖：比值計算單元： IK=KI1 穩態時存在關系： IK=I2則有比值系數表達式：注意: 符號Ii代表信號變化值51第51頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三DDZ-型儀表比值系數計算 (標準信號：420mA)線性測量關系： IQ (轉子流量計、渦輪流量計，應用開方器的差壓流量計)則根據比值系數K表達式有：( 注意: 符號I代表信號變化值)流量與信號關系式：比值系數表達式：這里的4表示流量為0時，信號輸出為4mA52第52頁，共76頁，2022年，5月20日，

21、19點34分，星期三DDZ-型儀表比值系數計算非線性測量關系: I p ( 差壓流量計（無開方器）)53第53頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三其他標準儀表比值系數計算DDZ-型電動單元組合儀表標準信號：0 10mA線性測量：非線性測量54第54頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三QDZ型氣動單元組合儀表標準信號：20100kPa線性測量非線性測量55第55頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三比值系數計算說明流量比k與比值系數K不是同一概念，應注意區分。比值系數K僅與工藝要求的流量比及選用儀表量程有關，與負荷及儀表種類無關。

22、檢測方法的線性或非線性關系直接影響比值系數的計算56第56頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三2）比值控制實現方法比值系數：主要實現方法： 利用比值器方法 利用乘法器方法 利用除法器方法57第57頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三 利用比值器方案基本方案特點：簡單、儀表少、成本低性能穩定，精度、靈敏度較高比值系數設定范圍大 比值器種類 系數測定范圍 氣動 0.254 DDZ- 0.033 DDZ- 0.34不能遠程調整比值系數，不能構成變比值控制系統關鍵問題 確定比值器設定數值58第58頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三例：

23、氨氣與水的比值控制工藝條件主動物流：氨氣，2000m3/h從動物流：水，4m3/h氨氣流量表：3200m3/h水表：6.3m3/h請計算比值器比值設定系數Q1：氨氣Q2：水59第59頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三乘法器方案關鍵問題：確定乘法器的乘法因子I0 I0就確定了比例系數，可以通過I0調整kDDZ-乘法器： 乘法表達式：根據比值系數概念有：乘法因子（I0）表達式：原理圖：60第60頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三 乘法器實現比值控制方框圖特點：a. 比值系數由外部信號設定b. 比值系數可以遠距離操作，便于構成變比值控制c. 比值系數K

24、變化范圍：0 1 之間 理由：標準信號。 K表達式： d. 結構復雜，保養工作量大。61第61頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三除法器方案a. 原理圖b. 要點：是以二流量的比值為被控變量的單回路控制系統關鍵步驟：確定給定信號Isc. 除法器算式(DDZ-型儀表)控制器給定信號（穩態時控制器偏差（e）為零）：62第62頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三d. 除法器實現比值控制方框圖注意：非線性元件（除法器）包含在閉環回路之內，其放大倍數隨負荷變化較大，直接影響控制質量。63第63頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三e. 除法

25、器非線性影響及處理方法結論： 除法器構成比值控制系統，其放大倍數隨負荷減小而增大，即，Q2較小時系統穩定性不好。處理方法：選用具有相反特性的對數調節閥門采用非線性補償方法利用串級控制系統的克服非線性能力比值系數算式：對負荷Q2求導影響：64第64頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三除法器方案特點直觀，可直接讀出二物流的比值輸出信號可直接被用于指示及報警可方便地構成變比值控制比值調節范圍大，二物流之比k可以是除掉1之外的任意值除法器為非線性環節，且在閉環回路中，比值系數K將隨負荷變化65第65頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三比值控制的若干問題1）非

26、線性測量的影響開方器使用穩態條件的比值系數動態條件的分析： 設非線性測變，信號與流量關系如下 結論：放大倍數正比于流量Q，負荷變化影響控制質量。解決辦法：使用開方器，使測量信號與流量信號呈線性關系開方器使用原則：控制精度要求高，符合變化較大場合應用66第66頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三2)比值控制系統動態跟蹤存在動態跟蹤滯后。處理方法： 一般采用動態補償方式保證動態時兩物流滿足比值關系對應方框圖：67第67頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三動態補償方程式68第68頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三氣體方程式： PV

27、= nRT n：克分子數， R：氣體常數 有下式成立：設定：下標“1”代表實際工況，下標“n”代表設定工況 有： k ：節流裝置比例系數：氣體密度3）氣體流量測量中的溫度壓力校正氣體流量與測量變送信號的關系：69第69頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三比值控制系統的設計、參數整定1）設計a. 主、從變量選擇主變量：生產中起主導作用的流量參數可測而不可控的流量參數較昂貴的物料的流量參數安全角度b. 控制器控制規律 選用PI控制器， 保證各物料的穩定，無余差控制c.儀表量程選擇 應該使比值系數K接近1。 由可知： K=1時有：即在保持工藝要求的物流之比k不變的情況下，主副物

28、流都可在全量程變化，此時系統的靈敏度和精度較高。70第70頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三2）參數整定比值控制特點： 主動流量控制屬于定值控制，從動流量控制屬于隨動控制，一般工藝要求從動流量能迅速、正確地跟蹤主流量的變化，并且不宜有超調。整定原則： 副物流控制器參數的整定應使副流量的控制達到振蕩與不振蕩的臨界狀態。 雙閉環比值控制中的主動流量控制器的整定同常規單閉環反饋控制系統。71第71頁，共76頁，2022年，5月20日，19點34分，星期三3.2.4 比值控制系統計算舉例例1：圖示由DDZ-型乘法器構成的比值控制系統， 已知Q1max=3600kg/h，Q2max=2