工业生产过程控制 前馈及比值控制

1、工业生产过程控制 前馈及比值控制1第1页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三3.1.1 前馈控制原理及特点例：反馈控制与前馈控制反馈控制（闭环控制）前馈控制（开环控制）主要干扰2第2页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三1） 前馈控制基本思想反馈控制依据及不足 依据：偏差信号， 弱点：干扰影响到被控变量后才能实施控制，具 有一定的滞后性。前馈控制 是依据进入系统的干扰量产生合适的控制作用，使被控变量维持在设定值的一种控制方法。理论上讲，前馈控制具有被控变量不变性功能。3第3页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三反馈控制： 前馈控制：

2、控制及时性 依据干扰实施控制 2）前馈控制基本特性 开环控制 干扰干扰通道控制通道控制信号被控变量偏差被控变量测量变送控制器控制器被控变量控制通道干扰通道干扰控制信号4第4页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三 前馈控制传递函数 前馈控制理想控制曲线满足被控变量不变性原理控制作用曲线5第5页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三 前馈控制器注意：前馈控制器不同于反馈控制应用的一般控制器，而是一种针对具体对象的专用控制器 前馈控制传递函数 决定于干扰通道与控制通道特性函数之比控制规律：理想状态（不变性原理）6第6页，共76页，2022年，5月20日，19点3

3、4分，星期三a. 反馈控制基本特征闭环控制：对所有影响被控变量的干扰均具有一定的克服能力，具有检测控制效果的能力。控制依据：被控变量偏差检测信号：被控变量不及时行：存在控制的不及时性，不能完全消除偏差控制器：可以采用普通的、普遍应用的一般控制器b. 前馈控制基本特性开环控制：仅对选定干扰具有克服能力，不具有检测控制效果的能力。控制依据：干扰量大小检测信号：扰动量及时性：控制及时。理论上具有不变性控制器：由被控对象特性确定的专用控制器2）前馈控制系统特点 反馈控制与前馈控制特性比较7第7页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三静态前馈补偿控制a. 特征：稳态不变性原理，不保证控

4、制过程中动态偏差为0控制器输出仅是干扰量的函数，与时间无关b. 静态前馈补偿函数：静态前馈补偿控制动态前馈补偿控制3）前馈控制主要形式c. 静态前馈补偿函数获得： 利用衡算式（物料衡算、能量衡算、动量衡算）8第8页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三例：换热器温度前馈补偿控制热量衡算（忽略过程的热量损失）静态前馈补偿控制式：控制器特性9第9页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三静态前馈补偿控制式：静态前馈补偿控制方案10第10页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三3.1.2 前馈控制的组合应用前馈控制的应用限制不能检验控制效果，无对控

5、制偏差作进一步调整的能力系统存在多个干扰，无法对每个干扰配置一个前馈控制由于补偿模型的准确性问题，实际的前馈控制无法做到全补偿。结论： 实际工业控制中，前馈控制不能单独使用，需要与其他控制方案结合应用。其在组合方案中起到前馈补偿功能。11第11页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三1）前馈-反馈控制a.前馈、反馈控制特性比较结论：前馈与反馈控制特性能够在一定程度上互补12第12页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三b. 控制原理数学描述方框图控制方案图13第13页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三前馈补偿功能：全补偿条件(前馈控制器

6、控制规律）：与单纯前馈控制具有相同的补偿能力数学描述式：14第14页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三c. 前馈-反馈控制优点具有前馈控制与反馈控制的双重优点由于加入了反馈控制，降低了对前馈控制模型的要求，且具有克服其他扰动干扰的能力由于前馈控制对主要干扰作了及时控制，大大减轻了反馈控制的负担15第15页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三注意事项前馈反馈与串级控制的区别串级控制两个闭环控制前馈-反馈控制一个闭环，一个开环控制16第16页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三2）前馈-串级控制系统 前馈控制与串级控制结合构成的一种控制

7、方案。构成例：注意前馈量加入点： 前馈控制信号与主控制器信号叠加后作为串级副控制器的给定信号。17第17页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三前馈控制器控制规律其中GP2是等效副环传递函数 传递函数：18第18页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三由传递函数根据不变性原理得控制律19第19页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三3）前馈控制规律实现 由于工程对象的准确的传递函数不易获得，工程上一般用一阶或者二阶滞后环节来近似实际对象的传递函数。并由此获得前馈补偿器的数学模型。例如：设定干扰通道与控制通道特性：则有控制规律：20第20页，

8、共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三3.1.3 前馈控制系统应用1）应用场合 系统滞后或容量滞后较大，反馈控制系统难以满足工艺控制要求场合 系统中存在可测而不可控的强烈干扰影响的场合 干扰对被控变量存在显著影响，反馈控制难以克服的场合 工艺要求按照某一给定数学模型实施控制的场合2）注意： 前馈控制主要应用于对主要干扰的补偿控制21第21页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三应用例1：精馏塔塔釜温度控制（滞后较大）引入前馈控制理由： 精馏塔进料流量及温度对塔釜温度的影响具有较大的时间滞后，反馈控制难以满足工艺控制指标要求22第22页，共76页，2022年，5

9、月20日，19点34分，星期三应用例2：锅炉水位控制（可测不可控参数）应用前馈控制理由： 锅炉蒸汽流量由后续工段用量决定，不允许在锅炉出口处实施控制。干扰直接进入主环，易于引起虚假水位，且克服能力有限。因此，考虑增加前馈控制。注意： 此处蒸气流量是根据工艺过程而确定为前馈变量23第23页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三应用例3：加热炉出口温度控制（干扰影响大）应用前馈控制理由：进入加热炉的原油流量波动较大，且直接对出口原油温度产生较大影响。施加前馈控制之前，对原油流量干扰的控制相当于单回路反馈控制，控制的及时性和力度较弱。 24第24页，共76页，2022年，5月20日

10、，19点34分，星期三分析举例：图示加热炉的（a）、（b）两种控制方案。要求： 1）说明二控制方案属何种控制？分别画出二控 制方案的控制方框图。 2）分别指出二系统中可能的主要干扰 3）试比较两种控制方案的特点。25第25页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三1）控制方案：a)前馈-反馈控制， b)串级控制2）方框图（略）3）主要干扰：a）燃料流量波动， b）原料流量波动4）特点：串级控制方案，引入燃料流量作为副变量，能迅速克服燃料的流量波动对主变量的影响； 对于原料引入的干扰控制不及时。前馈控制方案，引入原料流量作为前馈量，对原料波动能及时通过调节燃料供给量给予补偿； 系

11、统综合了前馈控制及时克服主要干扰和反馈控制能克服多种干扰的优点。但是，对于原料流量波动以外的干扰，控制系统呈现单回路控制特性。26第26页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三作业： 如图反应器控制系统，通过实际测试，已知由于反应物料温度和冷却水温度波动较大，图示系统无法满足控制要求，请修改控制方案使之满足控制要求，画出控制系统流程图，说明控制系统名称；结合反应器的控制操作说明你设计系统的控制原理。27第27页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三某前馈串级系统如图所示，经实验测定各环节特性如下：计算前馈控制器的数学模型。 28第28页，共76页，2022年

12、，5月20日，19点34分，星期三3.2 比值控制系统3.2.1 概述1）比值控制：实现两个或两个以上的流量参数按一定的比例关系变化的控制。2）比值控制主要应用领域：物理过程物料流量控制化学过程物料流量控制29第29页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三比值控制原理图3）基本属性属于开环（前馈）控制存在一个主动物流（主物流，Q1），一般取生产中的主要物料、不可控物料、以及贵重物料作为主物流。 至少一个从动物流（副物流，Q2），副物流按规定的比例关系随主物流变动而变动属于随动控制k30第30页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三4）比值关系描述Q2从动（副

13、）物流Q1主动（主）物流 k：工艺要求的二物流比例（非仪表参数）k设计任务：选择控制方案、仪表类型及参数实现 比值控制。31第31页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三3.2.2 比值控制系统构成类型 开环比值控制 单闭环比值控制 双闭环比值控制 串级比值控制 定比值控制 变比值控制分类1：分类2：32第32页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三1）开环比值控制系统特点：结构简单，占用设备及耗资较少;对由副物流引入的干扰无克服能力,比值关系不能保证;主物流的干扰将引起总流量波动,不能保证总流量稳定;应用场合： 副流量工作平稳，控制质量要求不高的场合。开环

14、比值控制方框图原理图33第33页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三例：NaOH稀释工艺比值控制工艺要求： 30%NaOH加水稀释生产68%的NaOH主物流：30%NaOH副物流：H2O34第34页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三单闭环比值控制系统单闭环比值控制方框图构成： 副流量控制中引入反馈控制机制。原理图：35第35页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三单闭环比值控制特点：应用最广泛的比值控制系统对副物流干扰有控制能力，可以保证二物流的比值关系单闭环属于随动控制对来自主物流的干扰无克服能力，不能保证总流量稳定方案简单，易于实

15、施。要注意与串级控制的区别36第36页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三例：NaOH稀释工艺比值控制方框图37第37页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三3) 双闭环比值控制系统构成： 主物流流路增加一个闭环控制回路稳定主物流流量 双闭环比值控制方框图原理图38第38页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三双闭环比值控制系统构成特点：主、副物流各有一个闭环控制回路保证其流体稳定流动主物流测变信号经比值计算后作为副物流控制器的给定值比值部分属于开环39第39页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三双闭环比值控制系统操作

16、特点 克服了主物流干扰影响，保证了总流量稳定。 有利于对物流量实施平稳的提、降操作。 （缓慢调节主控制器给定值） 投资高，维护量大，动态比值要求不高时可考虑应用两个单闭环控制回路代替双闭环比值控制。 注意：此时总流量调整操作应同时对两个控制器进行操作 应注意防止双闭环产生共振40第40页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三双闭环比值控制例41第41页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三4）变比值控制系统 定比值控制方案只能克服流量干扰对比值的影响，当其他参数存在对比值系数的扰动时，必须时时修正比值参数，变比值控制。变比值控制系统方框图原理图42第42页，

17、共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三变比值控制特点是以某参数为主变量，以二流量比值为副参数的串级控制可随工艺条件修正比值系数，具有一定的自适应能力主参数稳定，比值部分特性同定比值控制。 主参数波动场合，比值部分特性同随动控制。43第43页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三变比值控制应用例主控制器： 温度控制器(TC)主控输出信号 二物流比值关系给定信号副控制器 流量控制器(FC)副控输入信号 二物流实际流量比值关系信号44第44页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三5）串级与比值组合控制系统特点：二流量的比值不随其他因素而变化，比值控

18、制部分属定比值控制主物流控制器的给定值依据第三个参数的变化而变化，比值控制部分属随动控制动态过程有控制滞后，能产生比例关系波动。原理图控制目的： 在保持二流量混合比的前提下改变总流量。45第45页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三方框图46第46页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三 修改方案特点： 第三方参数直接送给两个闭环调节器，可以减小原方案的动态滞后，但是不能保证Q2对Q1的静态比值。47第47页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三注意串级与比值控制结合的区别串级比值控制变比值控制48第48页，共76页，2022年，5月20

19、日，19点34分，星期三3.2.3 比值控制系统的实施主要内容： 1）比值系数计算 流量比值与设设置于仪表的比值是两个不同概念，他们都是无量纲系数，但两者的数值是不等的。 流量比值k是流量的比值,它们可同为质量流量，体积流量或折算为标准情况下的流量。 比值系数K是设置比值函数模块或比值控制器中的函数。 2）比值控制实现方法49第49页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三1）比值系数计算关键问题： 确定比值计算器的比值系数K定义： k：工艺要求二物流流量比 k=Q2 / Q1 K：仪表设定比值系数（k的标准信号值）设定： 流量由0上升到最大值Qmax，对应变送器输出信号由相应

20、的标准信号最小值变到最大值。50第50页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三信号关系式根据原理图：比值计算单元： IK=KI1 稳态时存在关系： IK=I2则有比值系数表达式：注意: 符号Ii代表信号变化值51第51页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三DDZ-型仪表比值系数计算 (标准信号：420mA)线性测量关系： IQ (转子流量计、涡轮流量计，应用开方器的差压流量计)则根据比值系数K表达式有：( 注意: 符号I代表信号变化值)流量与信号关系式：比值系数表达式：这里的4表示流量为0时，信号输出为4mA52第52页，共76页，2022年，5月20日，

21、19点34分，星期三DDZ-型仪表比值系数计算非线性测量关系: I p ( 差压流量计（无开方器）)53第53页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三其他标准仪表比值系数计算DDZ-型电动单元组合仪表标准信号：0 10mA线性测量：非线性测量54第54页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三QDZ型气动单元组合仪表标准信号：20100kPa线性测量非线性测量55第55页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三比值系数计算说明流量比k与比值系数K不是同一概念，应注意区分。比值系数K仅与工艺要求的流量比及选用仪表量程有关，与负荷及仪表种类无关。

22、检测方法的线性或非线性关系直接影响比值系数的计算56第56页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三2）比值控制实现方法比值系数：主要实现方法： 利用比值器方法 利用乘法器方法 利用除法器方法57第57页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三 利用比值器方案基本方案特点：简单、仪表少、成本低性能稳定，精度、灵敏度较高比值系数设定范围大 比值器种类 系数测定范围 气动 0.254 DDZ- 0.033 DDZ- 0.34不能远程调整比值系数，不能构成变比值控制系统关键问题 确定比值器设定数值58第58页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三例：

23、氨气与水的比值控制工艺条件主动物流：氨气，2000m3/h从动物流：水，4m3/h氨气流量表：3200m3/h水表：6.3m3/h请计算比值器比值设定系数Q1：氨气Q2：水59第59页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三乘法器方案关键问题：确定乘法器的乘法因子I0 I0就确定了比例系数，可以通过I0调整kDDZ-乘法器： 乘法表达式：根据比值系数概念有：乘法因子（I0）表达式：原理图：60第60页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三 乘法器实现比值控制方框图特点：a. 比值系数由外部信号设定b. 比值系数可以远距离操作，便于构成变比值控制c. 比值系数K

24、变化范围：0 1 之间 理由：标准信号。 K表达式： d. 结构复杂，保养工作量大。61第61页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三除法器方案a. 原理图b. 要点：是以二流量的比值为被控变量的单回路控制系统关键步骤：确定给定信号Isc. 除法器算式(DDZ-型仪表)控制器给定信号（稳态时控制器偏差（e）为零）：62第62页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三d. 除法器实现比值控制方框图注意：非线性元件（除法器）包含在闭环回路之内，其放大倍数随负荷变化较大，直接影响控制质量。63第63页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三e. 除法

25、器非线性影响及处理方法结论： 除法器构成比值控制系统，其放大倍数随负荷减小而增大，即，Q2较小时系统稳定性不好。处理方法：选用具有相反特性的对数调节阀门采用非线性补偿方法利用串级控制系统的克服非线性能力比值系数算式：对负荷Q2求导影响：64第64页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三除法器方案特点直观，可直接读出二物流的比值输出信号可直接被用于指示及报警可方便地构成变比值控制比值调节范围大，二物流之比k可以是除掉1之外的任意值除法器为非线性环节，且在闭环回路中，比值系数K将随负荷变化65第65页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三比值控制的若干问题1）非

26、线性测量的影响开方器使用稳态条件的比值系数动态条件的分析： 设非线性测变，信号与流量关系如下 结论：放大倍数正比于流量Q，负荷变化影响控制质量。解决办法：使用开方器，使测量信号与流量信号呈线性关系开方器使用原则：控制精度要求高，符合变化较大场合应用66第66页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三2)比值控制系统动态跟踪存在动态跟踪滞后。处理方法： 一般采用动态补偿方式保证动态时两物流满足比值关系对应方框图：67第67页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三动态补偿方程式68第68页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三气体方程式： PV

27、= nRT n：克分子数， R：气体常数 有下式成立：设定：下标“1”代表实际工况，下标“n”代表设定工况 有： k ：节流装置比例系数：气体密度3）气体流量测量中的温度压力校正气体流量与测量变送信号的关系：69第69页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三比值控制系统的设计、参数整定1）设计a. 主、从变量选择主变量：生产中起主导作用的流量参数可测而不可控的流量参数较昂贵的物料的流量参数安全角度b. 控制器控制规律 选用PI控制器， 保证各物料的稳定，无余差控制c.仪表量程选择 应该使比值系数K接近1。 由可知： K=1时有：即在保持工艺要求的物流之比k不变的情况下，主副物

28、流都可在全量程变化，此时系统的灵敏度和精度较高。70第70页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三2）参数整定比值控制特点： 主动流量控制属于定值控制，从动流量控制属于随动控制，一般工艺要求从动流量能迅速、正确地跟踪主流量的变化，并且不宜有超调。整定原则： 副物流控制器参数的整定应使副流量的控制达到振荡与不振荡的临界状态。 双闭环比值控制中的主动流量控制器的整定同常规单闭环反馈控制系统。71第71页，共76页，2022年，5月20日，19点34分，星期三3.2.4 比值控制系统计算举例例1：图示由DDZ-型乘法器构成的比值控制系统， 已知Q1max=3600kg/h，Q2max=2