工業(yè)生產(chǎn)過程控制 前饋及比值控制

工業(yè)生產(chǎn)過程控制前饋及比值控制1第一頁，共七十六頁，2022年，8月28日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(huán)控制）前饋控制（開環(huán)控制）主要干擾2第二頁，共七十六頁，2022年，8月28日1）前饋控制基本思想反饋控制依據(jù)及不足依據(jù)：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(jù)進入系統(tǒng)的干擾量產(chǎn)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第三頁，共七十六頁，2022年，8月28日反饋控制：

前饋控制：②控制及時性——依據(jù)干擾實施控制

2）前饋控制基本特性①開環(huán)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第四頁，共七十六頁，2022年，8月28日③前饋控制傳遞函數(shù)④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第五頁，共七十六頁，2022年，8月28日⑤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(shù)決定于干擾通道與控制通道特性函數(shù)之比控制規(guī)律：理想狀態(tài)（不變性原理）6第六頁，共七十六頁，2022年，8月28日a.反饋控制基本特征閉環(huán)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?？刂埔罁?jù)：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(huán)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?？刂埔罁?jù)：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(tǒng)特點反饋控制與前饋控制特性比較7第七頁，共七十六頁，2022年，8月28日靜態(tài)前饋補償控制a.特征：穩(wěn)態(tài)不變性原理，不保證控制過程中動態(tài)偏差為0控制器輸出僅是干擾量的函數(shù)，與時間無關b.靜態(tài)前饋補償函數(shù)：靜態(tài)前饋補償控制動態(tài)前饋補償控制3）前饋控制主要形式c.靜態(tài)前饋補償函數(shù)獲得：利用衡算式（物料衡算、能量衡算、動量衡算）8第八頁，共七十六頁，2022年，8月28日例：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(tài)前饋補償控制式：控制器特性9第九頁，共七十六頁，2022年，8月28日靜態(tài)前饋補償控制式：靜態(tài)前饋補償控制方案10第十頁，共七十六頁，2022年，8月28日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，無對控制偏差作進一步調(diào)整的能力系統(tǒng)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(yè)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第十一頁，共七十六頁，2022年，8月28日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第十二頁，共七十六頁，2022年，8月28日b.控制原理數(shù)學描述方框圖控制方案圖13第十三頁，共七十六頁，2022年，8月28日前饋補償功能：全補償條件(前饋控制器控制規(guī)律）：與單純前饋控制具有相同的補償能力數(shù)學描述式：14第十四頁，共七十六頁，2022年，8月28日c.前饋-反饋控制優(yōu)點具有前饋控制與反饋控制的雙重優(yōu)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第十五頁，共七十六頁，2022年，8月28日注意事項——前饋反饋與串級控制的區(qū)別串級控制兩個閉環(huán)控制前饋-反饋控制一個閉環(huán)，一個開環(huán)控制16第十六頁，共七十六頁，2022年，8月28日2）前饋-串級控制系統(tǒng)前饋控制與串級控制結合構成的一種控制方案。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第十七頁，共七十六頁，2022年，8月28日前饋控制器控制規(guī)律其中G`P2是等效副環(huán)傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)：18第十八頁，共七十六頁，2022年，8月28日由傳遞函數(shù)根據(jù)不變性原理得控制律19第十九頁，共七十六頁，2022年，8月28日3）前饋控制規(guī)律實現(xiàn)由于工程對象的準確的傳遞函數(shù)不易獲得，工程上一般用一階或者二階滯后環(huán)節(jié)來近似實際對象的傳遞函數(shù)。并由此獲得前饋補償器的數(shù)學模型。例如：設定干擾通道與控制通道特性：則有控制規(guī)律：20第二十頁，共七十六頁，2022年，8月28日3.1.3前饋控制系統(tǒng)應用1）應用場合①系統(tǒng)滯后或容量滯后較大，反饋控制系統(tǒng)難以滿足工藝控制要求場合②系統(tǒng)中存在可測而不可控的強烈干擾影響的場合③干擾對被控變量存在顯著影響，反饋控制難以克服的場合④工藝要求按照某一給定數(shù)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第二十一頁，共七十六頁，2022年，8月28日應用例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第二十二頁，共七十六頁，2022年，8月28日應用例2：鍋爐水位控制（可測不可控參數(shù)）應用前饋控制理由：鍋爐蒸汽流量由后續(xù)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(huán)，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(jù)工藝過程而確定為前饋變量23第二十三頁，共七十六頁，2022年，8月28日應用例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(chǎn)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第二十四頁，共七十六頁，2022年，8月28日分析舉例：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(tǒng)中可能的主要干擾3）試比較兩種控制方案的特點。25第二十五頁，共七十六頁，2022年，8月28日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(diào)節(jié)燃料供給量給予補償；系統(tǒng)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(yōu)點。但是，對于原料流量波動以外的干擾，控制系統(tǒng)呈現(xiàn)單回路控制特性。26第二十六頁，共七十六頁，2022年，8月28日作業(yè)：如圖反應器控制系統(tǒng)，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(tǒng)無法滿足控制要求，①請修改控制方案使之滿足控制要求，畫出控制系統(tǒng)流程圖，說明控制系統(tǒng)名稱；②結合反應器的控制操作說明你設計系統(tǒng)的控制原理。27第二十七頁，共七十六頁，2022年，8月28日某前饋—串級系統(tǒng)如圖所示，經(jīng)實驗測定各環(huán)節(jié)特性如下：計算前饋控制器的數(shù)學模型。28第二十八頁，共七十六頁，2022年，8月28日3.2比值控制系統(tǒng)3.2.1概述1）比值控制：實現(xiàn)兩個或兩個以上的流量參數(shù)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第二十九頁，共七十六頁，2022年，8月28日比值控制原理圖3）基本屬性屬于開環(huán)（前饋）控制存在一個主動物流（主物流，Q1），一般取生產(chǎn)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(guī)定的比例關系隨主物流變動而變動屬于隨動控制k30第三十頁，共七十六頁，2022年，8月28日4）比值關系描述Q2∶從動（副）物流Q1∶主動（主）物流k：工藝要求的二物流比例（非儀表參數(shù)）k設計任務：選擇控制方案、儀表類型及參數(shù)實現(xiàn)比值控制。31第三十一頁，共七十六頁，2022年，8月28日3.2.2比值控制系統(tǒng)構成類型開環(huán)比值控制單閉環(huán)比值控制雙閉環(huán)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第三十二頁，共七十六頁，2022年，8月28日1）開環(huán)比值控制系統(tǒng)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(wěn)定;應用場合：副流量工作平穩(wěn)，控制質(zhì)量要求不高的場合。開環(huán)比值控制方框圖原理圖33第三十三頁，共七十六頁，2022年，8月28日例：NaOH稀釋工藝比值控制工藝要求：

30%NaOH加水稀釋生產(chǎn)6~8%的NaOH主物流：30%NaOH副物流：H2O34第三十四頁，共七十六頁，2022年，8月28日單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)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第三十五頁，共七十六頁，2022年，8月28日單閉環(huán)比值控制特點：應用最廣泛的比值控制系統(tǒng)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(huán)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(wěn)定方案簡單，易于實施。要注意與串級控制的區(qū)別36第三十六頁，共七十六頁，2022年，8月28日例：NaOH稀釋工藝比值控制方框圖37第三十七頁，共七十六頁，2022年，8月28日3)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)構成：主物流流路增加一個閉環(huán)控制回路穩(wěn)定主物流流量雙閉環(huán)比值控制方框圖原理圖38第三十八頁，共七十六頁，2022年，8月28日雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)構成特點：主、副物流各有一個閉環(huán)控制回路保證其流體穩(wěn)定流動主物流測變信號經(jīng)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(huán)39第三十九頁，共七十六頁，2022年，8月28日雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)操作特點①克服了主物流干擾影響，保證了總流量穩(wěn)定。②有利于對物流量實施平穩(wěn)的提、降操作。（緩慢調(diào)節(jié)主控制器給定值）③投資高，維護量大，動態(tài)比值要求不高時可考慮應用兩個單閉環(huán)控制回路代替雙閉環(huán)比值控制。

注意：此時總流量調(diào)整操作應同時對兩個控制器進行操作④應注意防止雙閉環(huán)產(chǎn)生共振40第四十頁，共七十六頁，2022年，8月28日雙閉環(huán)比值控制例41第四十一頁，共七十六頁，2022年，8月28日4）變比值控制系統(tǒng)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(shù)存在對比值系數(shù)的擾動時，必須時時修正比值參數(shù)，變比值控制。變比值控制系統(tǒng)方框圖原理圖42第四十二頁，共七十六頁，2022年，8月28日變比值控制特點是以某參數(shù)為主變量，以二流量比值為副參數(shù)的串級控制可隨工藝條件修正比值系數(shù)，具有一定的自適應能力主參數(shù)穩(wěn)定，比值部分特性同定比值控制。主參數(shù)波動場合，比值部分特性同隨動控制。43第四十三頁，共七十六頁，2022年，8月28日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第四十四頁，共七十六頁，2022年，8月28日5）串級與比值組合控制系統(tǒng)特點：二流量的比值不隨其他因素而變化，比值控制部分屬定比值控制主物流控制器的給定值依據(jù)第三個參數(shù)的變化而變化，比值控制部分屬隨動控制動態(tài)過程有控制滯后，能產(chǎn)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第四十五頁，共七十六頁，2022年，8月28日方框圖46第四十六頁，共七十六頁，2022年，8月28日修改方案特點：第三方參數(shù)直接送給兩個閉環(huán)調(diào)節(jié)器，可以減小原方案的動態(tài)滯后，但是不能保證Q2對Q1的靜態(tài)比值。47第四十七頁，共七十六頁，2022年，8月28日注意串級與比值控制結合的區(qū)別串級比值控制變比值控制48第四十八頁，共七十六頁，2022年，8月28日3.2.3比值控制系統(tǒng)的實施主要內(nèi)容：1）比值系數(shù)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(shù)，但兩者的數(shù)值是不等的。

流量比值k是流量的比值,它們可同為質(zhì)量流量，體積流量或折算為標準情況下的流量。比值系數(shù)K是設置比值函數(shù)模塊或比值控制器中的函數(shù)。2）比值控制實現(xiàn)方法49第四十九頁，共七十六頁，2022年，8月28日1）比值系數(shù)計算關鍵問題：確定比值計算器的比值系數(shù)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(shù)（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的標準信號最小值變到最大值。50第五十頁，共七十六頁，2022年，8月28日信號關系式根據(jù)原理圖：比值計算單元：

IK=KI1穩(wěn)態(tài)時存在關系：

IK=I2則有比值系數(shù)表達式：注意:符號Ii代表信號變化值51第五十一頁，共七十六頁，2022年，8月28日DDZ-Ⅲ型儀表比值系數(shù)計算(標準信號：4~20mA)線性測量關系：I∽Q(轉子流量計、渦輪流量計，應用開方器的差壓流量計)則根據(jù)比值系數(shù)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(shù)表達式：這里的4表示流量為0時，信號輸出為4mA52第五十二頁，共七十六頁，2022年，8月28日DDZ-Ⅲ型儀表比值系數(shù)計算非線性測量關系:I∽△p(差壓流量計（無開方器）)53第五十三頁，共七十六頁，2022年，8月28日其他標準儀表比值系數(shù)計算DDZ-Ⅱ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第五十四頁，共七十六頁，2022年，8月28日QDZ型氣動單元組合儀表標準信號：20~100kPa線性測量非線性測量55第五十五頁，共七十六頁，2022年，8月28日比值系數(shù)計算說明流量比k與比值系數(shù)K不是同一概念，應注意區(qū)分。比值系數(shù)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。

檢測方法的線性或非線性關系直接影響比值系數(shù)的計算56第五十六頁，共七十六頁，2022年，8月28日2）比值控制實現(xiàn)方法比值系數(shù)：主要實現(xiàn)方法：利用比值器方法利用乘法器方法利用除法器方法57第五十七頁，共七十六頁，2022年，8月28日①利用比值器方案基本方案特點：簡單、儀表少、成本低性能穩(wěn)定，精度、靈敏度較高比值系數(shù)設定范圍大比值器種類系數(shù)測定范圍?氣動0.25~4?DDZ-Ⅱ0.03~3?DDZ-Ⅲ0.3~4不能遠程調(diào)整比值系數(shù)，不能構成變比值控制系統(tǒng)關鍵問題確定比值器設定數(shù)值58第五十八頁，共七十六頁，2022年，8月28日例：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(shù)Q1：氨氣Q2：水59第五十九頁，共七十六頁，2022年，8月28日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(shù)，可以通過I0調(diào)整kDDZ-Ⅲ乘法器：乘法表達式：根據(jù)比值系數(shù)概念有：乘法因子（I0）表達式：原理圖：60第六十頁，共七十六頁，2022年，8月28日乘法器實現(xiàn)比值控制方框圖特點：a.比值系數(shù)由外部信號設定b.比值系數(shù)可以遠距離操作，便于構成變比值控制c.比值系數(shù)K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(yǎng)工作量大。61第六十一頁，共七十六頁，2022年，8月28日除法器方案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(tǒng)關鍵步驟：確定給定信號Isc.除法器算式(DDZ-Ⅲ型儀表)控制器給定信號（穩(wěn)態(tài)時控制器偏差（e）為零）：62第六十二頁，共七十六頁，2022年，8月28日d.除法器實現(xiàn)比值控制方框圖注意：非線性元件（除法器）包含在閉環(huán)回路之內(nèi)，其放大倍數(shù)隨負荷變化較大，直接影響控制質(zhì)量。63第六十三頁，共七十六頁，2022年，8月28日e.除法器非線性影響及處理方法結論：除法器構成比值控制系統(tǒng)，其放大倍數(shù)隨負荷減小而增大，即，Q2較小時系統(tǒng)穩(wěn)定性不好。處理方法：選用具有相反特性的對數(shù)調(diào)節(jié)閥門采用非線性補償方法利用串級控制系統(tǒng)的克服非線性能力比值系數(shù)算式：對負荷Q2求導影響：64第六十四頁，共七十六頁，2022年，8月28日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(diào)節(jié)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(huán)節(jié)，且在閉環(huán)回路中，比值系數(shù)K將隨負荷變化65第六十五頁，共七十六頁，2022年，8月28日比值控制的若干問題1）非線性測量的影響——開方器使用穩(wěn)態(tài)條件的比值系數(shù)動態(tài)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(shù)正比于流量Q，負荷變化影響控制質(zhì)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第六十六頁，共七十六頁，2022年，8月28日2)比值控制系統(tǒng)動態(tài)跟蹤存在動態(tài)跟蹤滯后。處理方法：一般采用動態(tài)補償方式保證動態(tài)時兩物流滿足比值關系對應方框圖：67第六十七頁，共七十六頁，2022年，8月28日動態(tài)補償方程式68第六十八頁，共七十六頁，2022年，8月28日氣體方程式：

PV=nRT

n：克分子數(shù)，R：氣體常數(shù)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(jié)流裝置比例系數(shù)ρ：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第六十九頁，共七十六頁，2022年，8月28日比值控制系統(tǒng)的設計、參數(shù)整定1）設計a.主、從變量選擇主變量：生產(chǎn)中起主導作用的流量參數(shù)可測而不可控的流量參數(shù)較昂貴的物料的流量參數(shù)安全角度b.控制器控制規(guī)律選用PI控制器，保證各物料的穩(wěn)定，無余差控制c.儀表量程選擇應該使比值系數(shù)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，主副物流都可在全量程變化，此時系統(tǒng)的靈敏度和精度較高。70第七十頁，共七十六頁，2022年，8月28日2）參數(shù)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(diào)。整定原則：副物流控制器參數(shù)的整定應使副流量的控制達到振蕩與不振蕩的臨界狀態(tài)。雙閉環(huán)比值控制中的主動流量控制器的整定同常規(guī)單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。71第七十一頁，共七十六頁，2022年，8月28日3.2.4比值控制系統(tǒng)計算舉例例1：圖示由DDZ-Ⅲ型乘法器構成的比值控制系統(tǒng)，已知Q1max=3600kg/h，Q2max=2000kg/h。工藝要求Q1∶Q2=4∶1，求：計算此比值系統(tǒng)的比值系數(shù)K。計算乘法器的設定值Is。解：K=k2(Q1max/Q2m