1、1,第七章 前馈及比值控制,7.1 前馈控制系统的原理与特点7.2 前馈控制系统的几种结构形式 7.3 前馈控制规律的实施（系统设计） 7.4 比值控制系统,本章的主要内容:,2,7.1.1 前馈控制和不变性原理 P831）前馈控制的概念2）前馈控制的基本原理3）不变性原理（前馈控制的理论基础） 7.1.2 前馈控制系统的特点 P851）前馈控制的特点2） 前馈控制与反馈控制的比较,7.1 前馈控制系统的原理与特点,本节的主要内容:,3,前馈控制的概念 P83把影响过程控制的主要扰动预先测量出来，再根据对象的物质（或能量）平衡条件，计算出适应扰动的调节量进行调节，使被控变量维持在设定值上。这种
2、按扰动进行的开环控制方式称为前馈控制。,7.1.1 前馈控制和不变性原理,4,例：换热器出口温度控制 P83图7.1-1Gff：前馈控制器 TC：温度控制器 ：变送器工作过程：加热蒸气通过换热器中排管的外面，把热量传给排管内被加热的物料。,7.1.1 前馈控制和不变性原理,5,例：换热器出口温度控制 P83图7.1-1出口温度 T 的控制：由蒸汽管路上的控制阀来进行引起 T 变化的因素：因素很多，最主要的扰动是加热物料的流量Q当流量Q发生扰动时，出口温度 T 就会产生偏差,7.1.1 前馈控制和不变性原理,6,7.1.1 前馈控制和不变性原理,7,用一般的控制方案：控制器根据温度T 的偏差进行
3、控制，当Q发生扰动时，要等T变化后，控制器才开始动作，通过控制阀改变加热蒸气流量，又要经过热交换的惯性，才会使T变化。这样，可能使T产生较大的动态误差。,7.1.1 前馈控制和不变性原理,8,另外一种控制方案：根据被加热物料流量Q的变化信号，通过一个扰动补偿器来控制调节阀，就不必等到流量变化反映到出口温度T变化以后再去操作，而是根据流量的变化，立即对调节阀进行操作，甚至可以在T还没有变化前就及时对流量Q的扰动进行补偿.以上的控制称为前馈控制，这个扰动补偿器称为前馈控制器,7.1.1 前馈控制和不变性原理,9,前馈控制系统方块图：P84 图7.1-2（7.1-1）Gff（s）: 前馈控制器传函（
4、前馈补偿器）GPD（s）: 对象干扰通道传函GPC（s）: 对象控制通道传函,7.1.1 前馈控制和不变性原理,10,7.1.1 前馈控制和不变性原理,11,系统对扰动的全补偿条件： P84当（s） 0时，要求（s）= 0（7.1-3）满足上式的前馈补偿装置，能使y(t)不受f(t)变化影响,7.1.1 前馈控制和不变性原理,12,全补偿过程: P84 图7.1-3当F阶跃变化时，yc ( t)和yd(t)的变化曲线方向相反，幅值相同。合成结果：y ( t) = yc ( t) + yd(t) = ct 连续维持在恒定的设定值上,7.1.1 前馈控制和不变性原理,13,7.1.1 前馈控制和不
5、变性原理,14,不变性原理的理论基础 P84“不变性”的概念：控制系统的被控变量与扰动量完全无关。 然而，进入控制系统中的扰动必须通过被控对象的内部联系，使被控变量发生偏离给定值的变化。不变性原理是通过前馈控制器的校正作用，消除扰动对被控变量的这种影响。,7.1.1 前馈控制和不变性原理,15,不变性的类型 P84,7.1.1 前馈控制和不变性原理,16,前馈控制的特点： P85 前馈控制是按照扰动作用大小进行控制的，如果控制作用恰到好处，一般比反馈控制要及时； 前馈控制属于开环控制系统。反馈控制系统是一个闭环控制系统，而前馈控制是一个开环控制系统，前馈控制器按扰动量产生控制作用后，对被控变量
6、的影响并不返回来影响控制器的输入信号（扰动量）。,7.1.2 前馈控制系统的特点,17,前馈控制的特点：前馈控制系统是一个开环控制系统，这一点从某种意义上来讲是前馈控制的不足之处，反馈控制由于是闭环控制系统，控制结果能够通过反馈获得检验。而前馈控制的效果并不通过反馈加以检验。因此前馈控制对被控对象的特性了解必须比反馈控制清楚的多，才能得到一个比较合适的前馈控制作用。,7.1.2 前馈控制系统的特点,18,前馈控制的特点： 前馈控制使用的是视对象而定的专用控制器。一般的反馈控制系统均采用通用的PID控制器，而前馈控制器是专用控制器，对于不同的对象特性，前馈控制器的形式将是不同的； 前馈控制只能克
7、服可测的扰动量的影响，如果扰动量不可测，就不能进行前馈控制。,7.1.2 前馈控制系统的特点,19,前馈控制与反馈控制的比较：P85表7.1-1,7.1.2 前馈控制系统的特点,20,前馈控制与反馈控制的比较： 反馈控制是按被控参数与给定值的偏差进行控制的，如果干扰已经发生，而被控参数都还没有变化，则控制器不会产生校正作用。故反馈控制落后于干扰作用，对干扰的控制不及时。前馈控制是按照干扰作用进行控制的，对干扰的控制是及时的。理论上对干扰影响可以达到完全补偿，使被控参数不变。,7.1.2 前馈控制系统的特点,21,前馈控制与反馈控制的比较： 前馈控制对时间常数或滞后时间较大、干扰大而频繁的对象有
8、显著效果。而反馈控制对此类对象的控制难以满足要求。 前馈控制是开环控制，其控制效果不通过反馈来检验；反馈控制是闭环控制，其控制效果要通过反馈来检验。,7.1.2 前馈控制系统的特点,22,7.2.1 静态前馈 P85 7.2.2 动态前馈 P86 7.2.3 前馈反馈控制系统 P87 7.2.4 前馈串级控制系统 P88 7.2.5 多变量前馈 P89,7.2 前馈控制系统的几种结构形式,本节的主要内容:,23,概念：指前馈控制器的输出与输入为一个静态系统，与时间因子无关。 在生产过程中，有时只要求在稳定工况下实现对扰动的补偿，这时只要采用静态前馈控制即可。前馈静态控制系统实施起来很方便，用一
9、般的比值器或者比例控制器即可，在生产上获得了广泛应用。,7.2.1 静态前馈控制系统,24,静态前馈控制算式的获取：P86 图7.2-1（7.2-1）实例：换热器出口温度控制利用物料平衡算式求得较完善的静 态前馈算式。热平衡算式：f Cp（y - y0）= ys Hs （7.2-2）ys = f Cp （r - y0）/ Hs （7.2- 4）,7.2.1 静态前馈控制系统,25,静态前馈控制算式的获取：P86 图7.2-1上式即为静态前馈控制算式（非线性算式）在化工工艺参数中：液压和压力的前馈计算：线性的温度和成分的前馈计算：非线性的,7.2.1 静态前馈控制系统,26,7.2.1 静态前馈
10、控制系统,27,在生产过程中，当考虑系统的动态精度时，静态前馈控制往往不能满足工艺要求，此时需采用动态前馈控制。 P86图7.2-2比较: P84式7.1-3 和 P86式7.2-1，可见 静态前馈是动态前馈控制的一种特例。动态前馈可以看作静态前馈和动态前馈补偿两部分，它们结合在一起，可以进一步提高控制过程的动态品质。,7.2.2 动态前馈控制系统,28,1）讨论重点：针对非线性过程在静态非线性前馈基础上添加动态补偿的问题。 2）方法：工程设计方法对于非线性过程，要通过非线性状态方程来求取非线性动态前馈补偿器是比较困难的。 3）步骤：采用工程设计方法，设计非线性动态前馈控制器,7.2.2 动态
11、前馈控制系统,29,3）步骤： 按物料平衡和能量平衡关系求取对象静态模型（一般为非线性关系），进而求取静态前馈模型（一般为非线性模型）； 逐个测取对象各通道的动态特性，分成静态部分和动态部分。在设计中，需添加的动态补偿环节仅是传函的动态部分；,7.2.2 动态前馈控制系统,30,3）步骤： 将静态前馈模型中的非线性环节线性化： 将乘法器线性化后组成的静态前馈补偿器与线性化后的被控过程相结合，组成一个具有静态前馈补偿的线性系统； 在线性化后的静态前馈模型基础上，结合对象各通道的动态部分，按全补偿要求添加动态补偿环节； 将线性化处理后的环节恢复成原有的非线性环节。,7.2.2 动态前馈控制系统,3
12、1,4）注意的问题前馈控制器中有几个环节用了传递函数表达式，它们仅表示该环节的输入输出信号存在线性动态关系，并不意味着整个前馈方框可用传递函数来表示；前馈控制器是非线性的（因包括乘法环节）对非线性过程不能应用传递函数来描述。,7.2.2 动态前馈控制系统,32,前馈控制的局限性： P87 1）前馈控制系统存在偏差 实际的工业对象会有多个扰动，若都设置前馈通道，势必增加控制系统投资费用和维护工作量。因而一般仅选择几个主要扰动加前馈控制。这样的前馈控制器对其它扰动是没有校正作用的； 受前馈控制模型精度限制,7.2.3 前馈-反馈控制系统,33,前馈控制的局限性： P87 1）前馈控制系统存在偏差
13、用仪表来实现前馈控制算式时，往往做了近似处理。尤其当综合得到的前馈控制算式中包含有纯超前环节或纯微分环节时，它们在物理上是不能实现的，构筑的前馈控制器只能是近似的，如将纯超前环节处理为静态环节，将纯微分环节处理为超前滞后环节；,7.2.3 前馈-反馈控制系统,34,前馈控制的局限性： P87 2） 前馈控制不存在被控变量的反馈，无法检 验补偿效果。 解决方法：将前馈控制与反馈控制结合起来，构成前馈 - 反馈控制系统。综合两者的优点：前馈校正：对扰动的控制及时反馈控制：能够克服多种扰动的影响对被控变量最终检验,7.2.3 前馈-反馈控制系统,35,前馈-反馈算式的求取： 例：换热器的前馈-反馈控
14、制系统原理图： P87 图7.2-3方块图： P88 图7.2-4传递函数：（7.2-5）,7.2.3 前馈-反馈控制系统,36,7.2.3 前馈-反馈控制系统,37,7.2.3 前馈-反馈控制系统,38,前馈-反馈算式的求取 例：换热器的前馈-反馈控制系统 补偿原理：不变性原理F（s） 0时, Y（s）= 0（带入式7.2-5中）（7.2-6）与单纯前馈系统实现全补偿的算式相同,7.2.3 前馈-反馈控制系统,39,前馈-反馈系统的优点 P88从前馈角度：反馈控制对未选作前馈信号的干扰有校正作用；从反馈角度：前馈补偿减小了反馈控制的负担。,7.2.3 前馈-反馈控制系统,40,1）应用场合：
15、 P882）优点：,7.2.4 前馈-串级控制系统,41,3）应用实例：换热器温度控制原理框图：P88图7.2-5,7.2.4 前馈-串级控制系统,42,7.2.4 前馈-串级控制系统,43,4）前馈算式求取 P89（7.2-7）（7.2-8）式中，PC（s）是包括蒸汽流量回路和（s）在内的广义控制通道传递函数。,7.2.4 前馈-串级控制系统,44,4）前馈算式求取有时，适当的选择（s）使流量闭合回路的工作频率远大于主回路工作频率，副回路是个快速随动系统，其等效环节可近似看成“”，这时（7.2- 8） 可见，在前馈串级控制系统中前馈补偿器的数学模型由系统扰动通道与主回路特性之比决定。,7.2
16、.4 前馈-串级控制系统,45,单输入单输出的前馈控制系统的基本原理和分析方法基本可以应用到多输入多输出的前馈控制系统中来，本节主要讨论线性多输入多输出的前馈控制系统。一个具有多输入多输出的对象可应用传递矩阵来表示其动态特性，如一个线性定常的多变量控制对象的动态方程可表示为（7.2-9）,7.2.5 多变量前馈控制,46,7.2.5 多变量前馈控制,47,式中：C为对象的被控矢量（C维）；M为对象的控制矢量（M维）；D为对象的扰动矢量 （D维）；P、P分别为对象的扰动通道和控制通道的传递矩阵。,7.2.5 多变量前馈控制,48,假设多变量前馈控制模型的传递矩阵为F，则相应的输入输出关系为（7.
17、2-10）得（7.2-11） P89图7.2-6,7.2.5 多变量前馈控制,49,由上式可知，为了达到对扰动矢量的完全补偿，在CM（即被控变量数小于或等于控制变量数）的情况下，必须满足矩阵 中所有元素均等于0，即为0矩阵。由此来决定前馈模型的传递函数F。,7.2.5 多变量前馈控制,50,当 C = M 时，为了实现完全补偿，前馈模型传递矩阵为（7.2-12）,7.2.5 多变量前馈控制,51,多变量前馈控制系统方框图：P89 图7.2-6,7.2.5 多变量前馈控制,52,多变量前馈-反馈控制系统： P89 同单变量前馈系统一样，同样可将前馈与反馈结合起来，构成如图7.2-7所示的多变量前
18、馈-多变量反馈控制系统。 假设多变量反馈的控制矩阵为BMXC，在这个传递函数矩阵中的每一个元素都是一个反馈控制器的传递函数。控制方程为,7.2.5 多变量前馈控制,53,多变量前馈-反馈控制系统方框图： P89,7.2.5 多变量前馈控制,54,实例：三元精馏塔（分离苯、甲苯、二甲苯）P90 图7.2-8 控制指标：塔顶馏出物中苯的含量xD塔底馏出物中二甲苯的含量xB 主要扰动：进料量F、进料温度q进料中苯、甲苯、二甲苯的 含量z1 、z2 、z3,7.2.5 多变量前馈控制（实例）,55,实例： P90 图7.2-8 扰动前馈输入量：F、q 、z1 、z3 操纵变量：塔顶回流量R再沸器的蒸汽
19、流量VB 塔的动态特性： xD=p11R+p12 VB + p13 F + p14 q + p15 z1xB=p21R+p22 VB + p23 F + p24 q + p25 z3,7.2.5 多变量前馈控制（实例）,56,实例：三元精馏塔（分离苯、甲苯、二甲苯）P90 图7.2-8塔的前馈控制模型： P90 式7.2-19 精馏塔的控制方程式： P90 式7.2-20,7.2.5 多变量前馈控制（实例）,57,7.3.1 前馈控制规律的前提条件7.3.2 前馈补偿装置的控制算法,7.3 前馈控制规律的实施（系统设计）,本节的主要内容:,58,1）扰动必须可测 2）扰动必须是显著频繁的扰动可
20、测：主要指扰动可直接测量，也不排斥间接测量，若扰动不可测，则前馈无法实施；扰动显著：不在乎扰动本身的大小，而是指扰动对被控变量的数值有显著的影响；扰动频繁：指扰动出现的次数较多,7.3.1 前馈控制规律的前提条件,59,前馈补偿装置的特性：由对象的干扰通道和控 制通道的特性所决定。由于工业对象的特性极为复杂，导致了前馈补偿装置的形式颇多。大多数化工、热工对象，具有非周期与过阻尼的特性，可用一阶（或二阶）加纯滞后来近似。从工业应用的观点看，特别是应用常规仪表组成的控制系统，总是力求使控制仪表具有一定的通用性，以利于设计运行和维护。,7.3.2 前馈补偿装置的控制算法,60,设控制通道特性为：扰动
21、通道特性为：则前馈补偿装置的传函为：,7.3.2 前馈补偿装置的控制算法,61,式中：Kf = K2 / K1 ，当1= 2时，当T1=T2时，由此得出，目前常用的前馈控制算法有 三种类型:,7.3.2 前馈补偿装置的控制算法,Kf,62,其中，在物理上实现困难， 故动态前馈通常用以下类型：式中：Kf前馈增益 T1S+1超前项 T2S+1滞后项,7.3.2 前馈补偿装置的控制算法,63,7.4.1 比值控制概述 P92 7.4.2 定比值控制系统 P93 7.4.3 变比值控制系统 P95 7.4.4 比值控制系统的实施 P96 7.4.5 比值控制系统的设计、投运与整定P98 7.4.6 比
22、值控制系统中的若干问题 P99,7.4 比值控制系统,本节的主要内容:,64,1）比值控制的目的： P92为了实现几种物料混合成一定比例关系，使生产能安全正常进行。在工业生产过程中，往往需要几种物料按一定的比例混合或参加化学反应。如果比例失调，就可能影响产品品质，浪费原料，消耗动力，造成环境污染，严重甚至可能发生事故。,7.4.1 比值控制概述,65,比值控制实例： 锅炉、加热炉、冶金炉的燃烧过程：需要自动控制燃料量和空气量成一定的比例，以保证燃烧的经济性； 造纸生产过程中，为保证纸浆的浓度，必须自动控制纸浆量和水量按一定的比例混合；,7.4.1 比值控制概述,66,比值控制实例： 化肥变换生
23、产过程中，要求变换炉的水煤气和蒸汽量之比为1: 1.11.4 化工生产过程：聚乙烯醇生产树脂和氢氧化钠必须按一定比例混合，否则树脂将发生自聚而影响生产的正常进行。,7.4.1 比值控制概述,67,2）比值控制系统的概念 P92实现使两个或两个以上参数符合一定比列关系的控制系统称为比值控制系统。 通常以保持两种或两种以上物料流量为一定比例关系的系统，称为流量比值控制系统。,7.4.1 比值控制概述,68,2）比值控制系统的概念 P92 主动量：在需要保持比值关系的两种物料中，必有一种物料处于主导地位，这种物料称为主物料。表征这种物料的参数称为主动量，或称之为主流量，用Q1表示。,7.4.1 比值
24、控制概述,69,2）比值控制系统的概念 P92 从动量：另一种物料按主物料进行配比，也即在控制过程中随主物料而变化，因此称为从物料。表征这种物料的参数称为从动量，或称之为副流量，用Q2来表示。K= Q2/ Q1 K： 副流量与主流量的流量比,7.4.1 比值控制概述,70,3）比值控制系统的实质： 例1：NaOH溶液的配置 P93图7.3-1某厂生产中需连续使用6%-8%的NaOH溶液，工艺上采用30%NaOH溶液加水稀释配置。一般说，由电化厂提供的30%溶液NaOH浓度比较稳定，引起混合器出口溶液浓度变化的主要原因是入口处的碱和水流量变化。,7.4.1 比值控制概述,71,7.4.1 比值控
25、制概述,72,3）比值控制系统的实质： 例1：NaOH溶液的配置方案1：浓度单回路控制按反馈原理，为了保证出口浓度，可设计以出口处的浓度为被控变量，入口处的水（或碱）流量为操纵变量的单回路控制系统。 但是，由于浓度信号的获取较为困难，即使可以获得并组成控制系统，往往因测量和对象控制通道滞后较大，影响控制质量。,7.4.1 比值控制概述,73,3）比值控制系统的实质： 方案2：比值控制根据前馈控制的不变性原理，若某一输入物料流量变化时，另一物料也能于比例跟随变化，则可以达到对出口浓度的完全补偿。 对于上述混合问题，通过简单的化学计算可知，只要入口30%NaOH和HO的质量流量之比为1：41：2.
26、75，就可满足出口NaOH溶液浓度达到6%8%。对于这样一个浓度控制问题，也就成为流量比值问题。,7.4.1 比值控制概述,74,例2：废水处理：酸碱中和生产上这种类似的控制问题很多，都可以通过保持物料的流量比来保证最终品质。保持流量比只是一种手段，保持最终质量 才是控制目的。因此，比值控制实质上是前馈控制的一种 特例。,7.4.1 比值控制概述,75,4）分类开环比值控制定比值控制系统 单闭环比值控制双闭环比值控制变比值控制系统,7.4.1 比值控制概述,76,定比值控制系统的概念：比值参数计算设置后不再变动，即比值是固定不变的。 1）开环比值控制： 例： NaOH溶液配制的比值控制系统 示
27、意图：P93图7.3-1 原理（流程）图：P93图7.3-2（a） 方块图：P93图7.3-2（b） （注：改错）,7.4.2 定比值控制系统,77,7.4.2 定比值控制系统（开环比值）,78,7.4.2 定比值控制系统（开环比值）,1）开环比值控制（特点）：优点：结构简单缺点：对副流量Q2无反馈校正，对于副流量本身无抗扰动能力应用场合：副流量较平稳，而且流量比值要求不高的场合（很少采用）,79,2）单闭环比值控制：副流量对象引入一个闭合回路，主流量处于开环状态，副流量构成闭合回路，称为单闭环比值控制系统。原理图：P94图7.3-3（a） 方块图：P94图7.3-3（b）,7.4.2 定比值
28、控制系统（单闭环）,80,7.4.2 定比值控制系统（单闭环）,81,7.4.2 定比值控制系统（单闭环）,82,2）单闭环比值控制 P94 工作原理： 主流量Q1变化 Q2跟随 Q1而变化 比值K恒定（K= Q2/ Q1） 副流量Q2变化 自身闭合回路进行调整 维持 Q2恒定,7.4.2 定比值控制系统（单闭环）,83,2）单闭环比值控制 P94 优点：结构简单，调整方便，并能实现两个流量之间较精确的比值关系，得到了广泛应用；缺点：系统的总流量不固定，不能消除流量的自发扰动，对要求严格的工艺过程是不允许的。,7.4.2 定比值控制系统（单闭环）,84,3）双闭环比值控制 P94方案的目的：既
29、能实现两流量的比值恒定，又能使进入系统的总负荷平稳。实例：石脑油与水蒸气的比值控制系统（以石脑油生产为原料的合成氨生产过程）要求： 两者比值恒定各自流量平稳,7.4.2 定比值控制系统（双闭环）,85,3）双闭环比值控制 P94实例：石脑油与水蒸气的比值控制系统方 案：双闭环比值控制系统原理图： P94 图7.3- 4（a）方块图： P94 图7.3- 4（b）,7.4.2 定比值控制系统（双闭环）,86,7.4.2 定比值控制系统（双闭环）,87,7.4.2 定比值控制系统（双闭环）,88,3）双闭环比值控制 P94工作原理： 具有两个闭合回路，可以克服各自的外界扰动，使主、副流量度比较平稳
30、； 两流量之间的比值通过比值器实现,7.4.2 定比值控制系统（双闭环）,89,3）双闭环比值控制 P94优点：既能保持主、副流量在变动情况下的比值关系，又能消除两个流量的自发扰动；缺点：仪表多，投资高（一般情况下，采用两个单回路定值系统分别稳定主、副流量，也可达到目的）。,7.4.2 定比值控制系统（双闭环）,90,4）以上三种方案的共同点： P95都以保持两物料流量比值一定为目的，比值计算器的参数经计算设置好后不再变动，工艺要求的实际流量比值也固定不变。因此，统称为定比值控制系统。,7.4.2 定比值控制系统,91,1）定比值控制的缺点： P95流量之间实现一定比例仅仅是保证产品质量的一种
31、手段，而定比值控制的各种方案只考虑如何来实现这种比值关系，没有考虑成比例的两种物料混合或反应后最终质量是否符合工艺要求。因此，从最终质量看这种定比值方案，系统是开环的。,7.4.3 变比值控制系统,92,1）定比值控制的缺点： P95由于工业生产过程的扰动因素很多，当系统中存在着除流量扰动以外的其它扰动（如温度、压力、成分以及反应器中催化剂老化等的扰动）时，原来设定的比值器参数就不能保证产品的最终质量，需重新设置。,7.4.3 变比值控制系统,93,2）变比值控制的概念： P95扰动是随机的，且扰动幅度各不相同，无法用人工经常去修正比值系数，因此出现了按照某一工艺指标自动修正流量比值的变比值控
32、制系统，亦称为由第三参数给定的比值控制系统。结构及方块图：P95图7.3-5开方器的作用：流量检测中，使变送器的输入-输出信号呈线性关系,7.4.3 变比值控制系统,94,7.4.3 变比值控制系统,95,稳态时工作原理：主、副流量恒定，它们分别经测量变送器、 开方运算器后，送除法器相除，除法器的输出 表征了它们的比值，同时作为比值控制器RC 的测量信号。这时表征最终质量指标的主参数y也恒定， 所以主控制器YC输出信号稳定，且和比值测 量信号相等，比值控制器输出也稳定，控制阀 开度一定，产品质量合格。,7.4.3 变比值控制系统,96,扰动下的工作原理： 当系统中出现除流量扰动外的其它扰动，
33、引起主参数y变化时，通过主反馈回路使主控 制器输出变化，修改两流量的比值，以保持 主参数稳定。 对于进入系统的主流量Q1扰动，由于比 值控制回路的快速随动跟踪，使副流量按照 Q2 = K Q1关系变化，以保持主参数y稳定， 它起了静态前馈作用。,7.4.3 变比值控制系统,97,扰动下的工作原理： 对于副流量本身的扰动，同样可以 通过自身的控制回路克服，它相当于串 级控制系统的副回路。,7.4.3 变比值控制系统,98,变比值控制的实质：变比值控制系统实质上是一种静 态前馈-串级控制系统。由于两流量比值是由表征最终质量 的第三参数y给出的，也有人把这种变 比值控制系统称为第三参数给定的比值 控
34、制系统。,7.4.3 变比值控制系统,99,3）实例：氧化炉温度对氨气/空气串级控制系统P96图7.3-6原理：在生产硝酸时，氨氧化生成一氧化氮的 过程是放热过程，为了化学反应正常进行，应使反应温度T保持在一定范围内。4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O + Q要求：T 在一定范围保持恒定影响T的主要因素：氨和空气的比值。,7.4.3 变比值控制系统,100,7.4.3 变比值控制系统,101,3）实例：氧化炉温度对氨气/空气串级控制系统影响T的主要因素：是氨和空气的比值 据分析，氨在混合器中浓度下降1%，将引起炉温T下降64。保证了混合器中氨和空气的比值，基本上就控制了氧化炉的温度。措
35、施：设置氨气/空气比值控制系统,7.4.3 变比值控制系统,102,3）实例：氧化炉温度对氨气/空气串级控制系统克服其它扰动的措施：温度控制器TC当T受其它扰动（如催化剂老化等）而发生变化时，可以通过主控制器TC的调节作用，改变氨气流量（即改变氨气/空气比值）来补偿。,7.4.3 变比值控制系统,103,3）实例：氧化炉温度对氨气/空气串级控制系统 系统结构：以炉温T为主参数，氨气/空气的比值为副参数的串级比值控制系统副回路：变比值控制系统，空气与氨气流量通 过除法器运算后，作为两个流量的比值送入副调节器（比值控制器）。主回路：温度控制,7.4.3 变比值控制系统,104,工作原理：当炉温不变
36、时，NH3与空气的比值保持不变。当T受扰动变化时，主控制器TC的输出（即副回路的给定值，也就是NH3 /空气的比值）发生变化，于是副控制器RC发出控制信号去改变氨气调节阀的开度，改变氨气流量（即改变氨气/空气比值），使炉温恢复至设定值，以满足工艺要求。,7.4.3 变比值控制系统,105,1）比值系数的折算 P96 流量比值k与比值系数K的区别：流量比值k：两流体的重量或体积流量之比比值系数K：设置于仪表上的统一的标准信号（通常所用的单元组合仪表使用的是统一的标准信号）。必须把工艺上的比值k折算成仪表上的比值系数K，才能进行比值设定。,7.4.4 比值控制系统的实施,106,1）比值系数的折算
37、 P96 比值系数的折算方法：随流量与测量信号是否呈线性关系而不同。 流量与测量信号呈线性关系转子流量计、涡轮流量计、差压变送器经开方器运算后的流量信号，与测量信号成线性关系。例：DDZ-型仪表,7.4.4 比值控制系统的实施,107,1）比值系数的折算 P96 流量与测量信号呈线性关系例：DDZ-型仪表流量范围：0 Qmax变送器输出：4 - 20mA实际流量Q对应的输出电流 ：(7.3-1),7.4.4 比值控制系统的实施,108, 流量与测量信号呈线性关系 P96流量比值：,7.4.4 比值控制系统的实施,(7.3-1),(7.3-2),(7.3-3),109, 流量与测量信号呈线性关系
38、 K：比值系数（统一电信号） （7.3- 4）k：流量比值（重量或体积流量之比）,7.4.4 比值控制系统的实施,110, 流量与测量信号呈非线性关系 用差压法测量流量，但未经开方器运算处理时，流量与差压信号成非线性关系。例：DDZ-型仪表 差压范围： 0 pmax变送器输出：4 - 20mA,7.4.4 比值控制系统的实施,(7.3-5),111, 流量与测量信号呈非线性关系 例：DDZ-型仪表 实际流量Q对应的输出电流 ：,7.4.4 比值控制系统的实施,(7.3-6),(7.3-5),112, 流量与测量信号呈非线性关系 例：DDZ-型仪表 （未经开方） 实际流量Q对应的输出电流 ：则：
39、,7.4.4 比值控制系统的实施,(7.3-6),(7.3-7),113, 流量与测量信号呈非线性关系 流量比值k：仪表比值系数K：,7.4.4 比值控制系统的实施,(7.3-8),(7.3-9),114, 流量与测量信号呈线性关系 （7.3-4） 流量与测量信号呈非线性关系 （7.3-9）K：比值系数（统一电信号） k：流量比值（重量或体积流量之比）,7.4.4 比值控制系统的实施,115,2）比值控制的实施 P97在工程上具体实施比值控制系统，完成两个流量信号的配比任务，通常可采用如下常用仪表：即比值器、气动配比器、乘法器和除法器。本书介绍方案： 乘法器除法器,7.4.4 比值控制系统的实
40、施,116,2）比值控制的实施 乘法器方案 原理：Q2= KQ1 ，将Q1的测量值乘以比值 K，作为 Q2流量控制器的设定值。原理图： P97图7.3-7 （单闭环）图中 （乘号）表示乘法器。它是单元组合仪表中的一个计算单元，能实现对两个信号相乘或对一个信号乘以一个常系数的运算。,7.4.4 比值控制系统的实施,*,117,7.4.4 比值控制系统的实施,118,2）比值控制的实施 乘法器方案 原理图： P97图7.3-7 （单闭环）设计任务：按照工艺要求的流量比值k来正确设置图中仪表的比值系数K。比值系数K的计算： 差压变送器后经过开方器运算，按式（7.3-4）计算K,7.4.4 比值控制系
41、统的实施,*,119, 乘法器方案优点：性能稳定，精度高，比值系数调整方便缺点：可调范围不宽，K = 0 1即： 用乘法器构成的比值控制系统，乘法器的比值系数总是小于或等于1,7.4.4 比值控制系统的实施,120, 除法器方案 P97图7.3-8除法器也是单元组合仪表中的一个计算单元，由于它能实现两个信号相除的运算，所以可用它来构成比值控制系统 优点：直观（除法器的输出直接代表了两个流量信号的比值），使用方便，可调范围宽。,7.4.4 比值控制系统的实施,121,7.4.4 比值控制系统的实施,122, 除法器方案 缺点： P98a. 小负荷时系统不易稳定；b. 对象放大倍数随负荷而变化 原
42、因：比值计算包括在控制回路中，对象的放大倍数在不同负荷下变化较大，负荷小时，系统不易稳定。,7.4.4 比值控制系统的实施,123, 除法器方案 (缺点) P98分析： 对象：输入为Q2 放大倍数：输出为K,7.4.4 比值控制系统的实施,参:P94 图7.3-3,124,7.4.4 比值控制系统的实施, 除法器方案 (缺点) P98分析：当流量与测量信号呈线性关系 时，,125,7.4.4 比值控制系统的实施, 除法器方案 (缺点) P98由上式可知，负荷Q2越小，对象的放大 倍数越大。如果控制器的比例度不放宽，系 统的稳定性会变差。然而，如果用了很大的 比例度，则在大负荷时，控制系统的响应
43、又 会变慢。,126, 除法器方案 P98由于除法器是一个非线性环节，当主、副 流量有较大的变化时，整个系统的放大倍数 也将发生变化，造成控制质量恶化，从而必 须重新调整控制器参数，故在使用上受到一 定限制。在比值控制器中，应尽量少用除法器， 一般可用乘法器来替代。,7.4.4 比值控制系统的实施,127,1）设计内容 P98主、从动量的确定；控制方案的选择；控制器控制规律的确定；比值系数K的选取范围,7.4.5 比值控制系统的设计、投运与整定,128,1）设计 P98主、从动量的确定：原则是在生产过程中起主导作用、可测而不可控、且较昂贵的物料流量一般为主动量；其余为从动量。控制方案的选择：根
44、据不同的工艺情况、负荷变化、扰动性质、控制要求等选择。,7.4.5 比值控制系统的设计、投运与整定,129,1）设计 P98控制规律的确定：由不同控制方案和控制要求而确定的。比值系数K的选取范围：采用相乘形式：K 值既不能太小，也不能太大；采用相除形式：K值取0.50.8,7.4.5 比值控制系统的设计、投运与整定,130,2）投运前的准备工作与投运步骤：同单回路控制系统 3）系统的整定 P99 a. 变比值系统主控制器：按串级系统整定双闭环系统主流量回路：按单回路定值控制系统整定b .副流量回路：随动系统（要达到振荡与不振荡的临界过程）,7.4.5 比值控制系统的设计、投运与整定,131,3
45、）系统的整定c. 整定步骤 P99计算比值系数比例度的调整 控制器采用PI积分时间的调整,7.4.5 比值控制系统的设计、投运与整定,132,1. 开方器的选用 P99比值系数：与负荷大小无关 流量和测量信号之间存在线性或非线性关系时，负荷变化时，k不受影响流量测量变送环节的非线性与否：对系统的动态特性：有影响对比值系统：无影响,7.4.6 比值控制系统中的若干问题,133,1. 开方器的选用结论：精度要求一般，负荷变化不大时：可以不用开方器精度要求较高，负荷变化较大时：必须设置开方器,7.4.6 比值控制系统中的若干问题,134,2. 动态跟踪问题 P99动态跟踪：主副流量的动态特性的要求要
46、求：受外界干扰作用时，两者接近同步变化，做到尾随紧跟具有动态补偿的比值控制系统方块图和结构图：P100图7.3-9,7.4.6 比值控制系统中的若干问题,135,7.4.6 比值控制系统中的若干问题,136,7.4.6 比值控制系统中的若干问题,137,7.4.6 比值控制系统中的若干问题,2. 动态跟踪问题 P100（7.3-15）,动态补偿环节Gz（s）的推导：,138,3. 主副流量的逻辑提降问题 P100比值控制中，有时两个流量的提降顺序要满足某种逻辑关系。提负荷：增加负荷量 降负荷：减少负荷量例：锅炉燃烧系统中燃料量/空气量 串级比值控制系统,7.4.6 比值控制系统中的若干问题,139,3. 主副流量的逻辑提降问题 P100 例：锅炉燃烧系统 正常方案：串级比值控制系统P-F串级（炉出口蒸汽压力-燃料油流量）燃料量 / 空气量比值控制 为了保证经济燃烧：提负荷时：先提空气量，后提燃料量降负荷时：先降燃料量，后降空气量,7.4.6 比值控制系统中的若干问题,140,例：锅炉燃烧系统 原理图：P100图7.3-10主控制器：PC（压力控制器） 比值器：K主流量Q1：燃油量副流量Q2：空气 比值控制：燃油流量 / 空气流量比值,7.4.6 比值控制系统中的若干问题,141,7.4.6 比值控制系统中的若干问题,
