过程控制系统前馈及比值控制
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过程控制工程课件 05_前馈比值控制系统共42页文档
40、人类法律，事物有规律，这是不 容忽视 的。— —爱献 生
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
过程控制工程课件 05_前馈比值控制 系统
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
42
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
过程控制工程课件 05_前馈比值控制 系统
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
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第4章(比值、均匀、前馈)过程控制课件
Q0
Q
0
t
第二种情况, 第二种情况 控制器的K c 很小 即控制作用很弱 当干 很小, 即控制作用很弱, 扰使液位大幅波动时, 阀门开度基本不变, 则流量的波 扰使液位大幅波动时 阀门开度基本不变 动就很小. 如下左图所示. 第三种情况, 动就很小 如下左图所示 第三种情况 控制器的 K c H Q H Q H 取值适当, 使 取值适当 H H0 H0 控制作用较为 Q0 Q0 Q Q 温和, 温和 在干扰
(三)双冲量均匀方案 三 双冲量均匀方案 “冲量”的原义是短暂作用的信号或参数 在此引 冲量” 冲量 的原义是短暂作用的信号或参数, 申 为连续的信号或参数. 为连续的信号或参数 双冲量均匀控制系统的结构见下 图. 与串级均匀控制相比 前者用一个加法器取代主控 与串级均匀控制相比, 制器, 制器 是以液位和流量的测量信号经加法器后 甲塔 作为系统的被控变量. IO QS 作为系统的被控变量 现假定采 IH ∑ QC 用电动仪表构成系统 阀门为气 用电动仪表构成系统, I S IQ 开式, 流量控制器选正作用. 开式 流量控制器选正作用 加 h 法器在稳定状态下的输出为: 法器在稳定状态下的输出为
下图表示两个串联的精馏塔独立设置控制系统. 两个独立 下图表示两个串联的精馏塔独立设置控制系统. 两个独立 运行的单回路液位控制系统 乙塔 甲塔 和流量控制系统工作时是相 QC LC 互矛盾的. 为解决矛盾, 可 互矛盾的 为解决矛盾 在两塔之间增设中间缓冲容 器来克服, 器来克服 但这增加了投资 且对于某些生产连续性很强 的过程又不允许中间储存的时间过长, 的过程又不允许中间储存的时间过长 因 此还需从自动化方案的设计上寻求解决的 甲塔 方法. 均匀控制就是一种解决方案. 方法 均匀控制就是一种解决方案 均匀 LC 控制系统把液位﹑ H 控制系统把液位﹑流量统一在一个控制系 统中, 如左图所示. 所谓均匀控制系统是 统中 如左图所示 所谓均匀控制系统是 指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地﹑ 指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地﹑ 均匀地变化 Q 均匀地变化, 使前后设备在物料供求 上相互兼顾﹑均匀协调的系统. 上相互兼顾﹑均匀协调的系统
Q
0
t
第二种情况, 第二种情况 控制器的K c 很小 即控制作用很弱 当干 很小, 即控制作用很弱, 扰使液位大幅波动时, 阀门开度基本不变, 则流量的波 扰使液位大幅波动时 阀门开度基本不变 动就很小. 如下左图所示. 第三种情况, 动就很小 如下左图所示 第三种情况 控制器的 K c H Q H Q H 取值适当, 使 取值适当 H H0 H0 控制作用较为 Q0 Q0 Q Q 温和, 温和 在干扰
(三)双冲量均匀方案 三 双冲量均匀方案 “冲量”的原义是短暂作用的信号或参数 在此引 冲量” 冲量 的原义是短暂作用的信号或参数, 申 为连续的信号或参数. 为连续的信号或参数 双冲量均匀控制系统的结构见下 图. 与串级均匀控制相比 前者用一个加法器取代主控 与串级均匀控制相比, 制器, 制器 是以液位和流量的测量信号经加法器后 甲塔 作为系统的被控变量. IO QS 作为系统的被控变量 现假定采 IH ∑ QC 用电动仪表构成系统 阀门为气 用电动仪表构成系统, I S IQ 开式, 流量控制器选正作用. 开式 流量控制器选正作用 加 h 法器在稳定状态下的输出为: 法器在稳定状态下的输出为
下图表示两个串联的精馏塔独立设置控制系统. 两个独立 下图表示两个串联的精馏塔独立设置控制系统. 两个独立 运行的单回路液位控制系统 乙塔 甲塔 和流量控制系统工作时是相 QC LC 互矛盾的. 为解决矛盾, 可 互矛盾的 为解决矛盾 在两塔之间增设中间缓冲容 器来克服, 器来克服 但这增加了投资 且对于某些生产连续性很强 的过程又不允许中间储存的时间过长, 的过程又不允许中间储存的时间过长 因 此还需从自动化方案的设计上寻求解决的 甲塔 方法. 均匀控制就是一种解决方案. 方法 均匀控制就是一种解决方案 均匀 LC 控制系统把液位﹑ H 控制系统把液位﹑流量统一在一个控制系 统中, 如左图所示. 所谓均匀控制系统是 统中 如左图所示 所谓均匀控制系统是 指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地﹑ 指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地﹑ 均匀地变化 Q 均匀地变化, 使前后设备在物料供求 上相互兼顾﹑均匀协调的系统. 上相互兼顾﹑均匀协调的系统
过程控制系统及仪表17其他控制系统比值
意变化，出现大幅度波动，致使副变量在生产过程中对设定
值出现较大偏差，动态时主、副流量比值会较大的偏离工艺要
求值。
动态比值精度差
因 此 ， 不 适 应 动 态 比 值要 求 严 格 ， 负 荷 化 较 大的 场 合 。 例 ： 图2 - 5 - 3， 丁 烯 洗 涤 塔 进 料 量 与洗 涤 水 量 的 比 值 控 制 系统 。 （ 三 ） 、 双 闭 环 比 值 控制 系 统
性 等 变 化 时 ， 以 上 系 统就 无 法 克 服 （ 只 能 克 服流 量 干 扰 ） 。 这 时 为 了 保 证 质 量 ， 必须 对 比 值 系 数K重 新 设 定 ， 而 这 些 干 扰 是 随 机 的 、 幅 度 不同 的 ， 人 工 修 正 比 值 系数 是 不 可 能 的 。 因 此 提 出 了 变 比 值控 制 系 统 。 见 图2 5 6。
二、比值控制系统的类型
（一）、开环比值控制系统
见图2 - 5 -1。最简单的比值控制方案。Q2 KQ1。
开环
系统：
没有反馈
信号
，如果Q
变化，系统
2
无能
为力。因此很少使用。
（二）、单闭环比值系统
见图2 5 2。副流量是一个闭环回路。
稳定状态时：Q2 / Q1 K 主流量变化时：副流量按K成比例变化，即副控制器
本章重点： 比值控制系统的基本概念和结构； 前馈控制系统的基本概念和结构：
前馈特点、前馈反馈、前馈串级控制系统。
第五章 其他控制系统
第一节 比值控制系统
一、基本概念 水泥生产：熟料、石膏、矿渣按一定比例配比研磨； 硝酸生产：氧化炉进料氨气和空气按一定比例配合，
以使氧化反应顺利进行，保证安全； 锅炉燃烧：燃料和空气按一定比例进入炉膛，保证完
《过程控制工程》4 前馈及比值控制
比值控制原理图
Q1
FT
FC
Q2
Q1
FS k FC
Q2
3）基本属性
① 属于开环（前馈）控制
② 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
③. 副物流属于随动控制 32
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。
27
TC
FC
＋
FC
原油出口
燃料
原油
前馈-串级控制方案
Gff 1082S. 1
30
4.2 比值控制系统
4.2.1 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：
➢化学过程物料流量控制 ➢物理过程物料流量控制
Q1
FT
FC
Q2
Hale Waihona Puke 反应器.H20 (Q2)
FC
气体
FT
硫化物 (Q1)
吸 收 塔 液体
31
4. 前馈及比值控制系统
4.1 前馈控制系统 基本内容： 1）前馈控制的基本控制原理及特点 2）前馈控制的组合应用
.
1
4.1.1 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）
蒸汽
前馈控制比值
前馈控制
3.前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用”控制器 一般的反馈控制系统均采用通用类型的PID控制 器，而前馈控制要采用专用前馈控制器。前馈控制器 的控制规律取决于干扰通道的特性与控制通道的特性。 对于不同的对象特性，就应该设计具有不同控制规律 的控制器。 GYD ( s)
GFF ( s)
y1(t)
ε
系统输出y(t) y2(t)
不变性
稳态不变性：在扰动作用下，稳态时被控变 量的偏差为0。如静态前馈。与误差不变性相 结合，既能消除静态偏差，又能满足工艺上 对动态偏差的要求。
y1(t)
系统输出y(t) y2(t)
线性前馈控制方块图
D (t) 干扰通道 GYD (s)
＋
开环
＋
测量变送 GDM (s)
D C
不满足条件时怎么办？
动态前馈控制的可实现性
若条件（2）不满足， D
可人为令 可实现条件：（1）QFF(s)阶次≤ PFF(s)阶次； （2） D C
D C
C 动态前馈为纯提前（Q、P抵消时）,不可实现。
由此可得：在选择控制通
道。 道时应选择纯迟延短的通
若条件（1）不满足，可令TDM = 0。 而一般GYD (s)与GYC (s)均用一阶+纯滞后近似。因而，工业系统 中常用的动态前馈控制器为
GDM ( s ) K DT % T / hr
% %
干扰通道 GYD (s) RF流量 测量变送 GDM (s) RVSP(t) 前馈控制器 GFF (s)
＋
RFm (t)
控制通道 GYC (s) 被控对象
＋
T2m (t)
换热器的线性前馈控制（续）
工业过程控制工程课件第七章 前馈及比值控制
27
第七章
前馈及比值控制
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
第七章
前馈及比值控制
第七章
前馈及比值控制
7.2.1
静态前馈控制系统
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
25
第七章
前馈及比值控制
7.2.1
静态前馈控制系统
26
第七章
前馈及比值控制
7.2.2
17
第七章
前馈及比值控制
7.1.2
前馈控制系统的特点
前馈控制的特点：
③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； ④前馈控制只能克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。
动态前馈控制系统
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。
第七章
前馈及比值控制
7.1.1
第七章
前馈及比值控制
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
第七章
前馈及比值控制
第七章
前馈及比值控制
7.2.1
静态前馈控制系统
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
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第七章
前馈及比值控制
7.2.1
静态前馈控制系统
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第七章
前馈及比值控制
7.2.2
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第七章
前馈及比值控制
7.1.2
前馈控制系统的特点
前馈控制的特点：
③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； ④前馈控制只能克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。
动态前馈控制系统
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。
第七章
前馈及比值控制
7.1.1
过程控制_第4章_前馈控制系统讲解
前馈—反馈控制系统优点：
（1）由于增加了反馈回路，只需对主要的干扰进行 前馈补偿，其它干扰可由反馈控制予以校正，大大简 化了原有前馈控制系统； （2）反馈回路的存在，降低了前馈控制模型的精度 要求； （3）负荷变化时，模型特性也要变化，可由反馈控 制加以补偿，因此系统具有一定自适应能力。 （4）当前馈信号加在反馈信号之前时，前馈控制器 特性不仅与扰动通道特性和控制通道特性有关，而且 与反馈控制器特性有关。（同学试自己推导）
Y2
前馈-反馈控制方框图
干扰N对被控变量Y的闭环传递函数为：
Y(S)
Wf (S)
Wff (S )Wo (S )
N (S ) 1 TC(S )Wo (S ) 1 TC(S )Wo (S )
Sp - TC(S)
Wff(S)
+
N
Y1
Wf(S)
Wo(S) + Y
Y2
Y(S)
Wf (S)
Wff (S)Wo (S)
单纯前馈控制的存在问题： (1) 补偿效果无法检验：单纯前馈不存在被控变量的 反馈，补偿效果没有检验的手段，前馈作用并没有最 后消除偏差时，系统无法得知这一信息而作进一步的 校正。 （2）多个干扰成本大：由于工业对象存在多个干扰， 势必要设置多个前馈控制通道，因而增加了投资费用 和维护工作量。 （3）控制精度不高：前馈控制模型的精度也受到多种 因素的限制，对象特性要受到负荷和工况等因素的影 响而产生漂移，导致Gff(s)和Gpc(s)的变化。
前馈控制 特点：
①前馈控制器是“测量扰动，消除扰动对被控量的影响”。前 馈调节器又称为“扰动补偿器”。
②扰动发生，前馈控制器动作及时，对抑制由于扰动引起的动、 静态偏差比较快速有效。
前馈-比值控制系统
Gm(s)
F(s)
Gf(s) Gv(s) Go(s)
＋ ＋
（S=0时）
Y(s)
静态前馈系统结构简单、易于实现，前馈控制 器就是一个比例放大器。但控制过程中，动态偏差 依然存在。 2．动态前馈控制系统 完全按照补偿控制规律制作控制器。
G f (s) G b ( s) G o ( s) G m (s) G v (s)
＋
＋
Y(s)
Gm1(s)
从前馈—串级复合控制系统的传递函数可知：
1、串级控制回路的传函和单纯的串级控制系统一样
2、前馈控制器的传函主要由扰动通道和主对象特性决定
F(s) Gf(s) Gc2(s) Gv(s) Go2(s)
GmF(s)
Gb(s) X(s)
＋
Gc1(s)
－
＋
＋
－
Go1(s)
＋
＋
Y(s)
1#塔要 求液位稳定，设 液位控制系统。 2#塔要 求进料量稳定， 设流量控制系统。
LT
1# LC
FC FT 2#
显然，这两套控制系统的控制目标存在矛盾： 1#塔液位调节 2#塔流量调节
阀 1 开度变化 2#塔流量变化 阀 2 开度变化 1#塔液位变化
解决办法：、 1、设中间贮 槽，使前后影响减 小，但成本高。 2、用均匀调 节方案。
2#
由于控制目的不同，均匀控制要求兼顾两个变 量，是通过调节器的参数整定来实现的。 简单均匀控制系统中的控制器一般都是纯比例 作用，而且将比例度整定得很大。
当液位变化时， 控制器的输出变化很 小，排出流量只作微 小缓慢的变化，以较 弱的控制作用达到均 匀控制的目的。
LT 1# 2#
LC
工业过程控制工程__前馈及比值控制146页PPT
工业过程控制工程__前馈及比 值控制
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
前馈控制和比值控制
属于这种稳态不变性系统，工程上常将不变性与 稳态不变性结合起来这样构成的系统既能消除静态偏差，又能满足工艺 上对动态偏差的要求。 ④选择不变性
被控变量往往受到若干个干扰的影响，若系统对其中几个主要的干 扰实现不变性补偿，就称为选择不变性。
前馈控制（简称FFC），又称干扰补偿，它与反馈 控制完全不同，是按照引起被控参数变化的干扰大小 进行控制的。
在这种控制系统中，当干扰刚刚出现而又能测出 时，调节器便发出调节信号使调节参数作相应的变化， 使两者相互抵消于被控参数发生偏差之前。
因此，前馈调节对干扰的克服比反馈调节快。
2 前馈控制的原理与特点：
一般情况下存在着以下几种类型的不变性。
①绝对不变性
所谓绝对不变性是指在扰动f(t)的作用下，被控变量y(t)在整个过 渡过程中始终保持不变，即控制过程的动态和静态偏差均为零。 如图4-3所示。所以,若适当选择前馈控制器的传递函数GB(s)，可以 做到F(s)对Y(s)不产生任何影响，即实现完全的不变性。
对于任何一个系统，总是希望被控变量受扰动的影响越小越好。 然而进入控制系统中的扰动必然通过被控对象的内部联系，使被控量发 生偏离其给定值的变化。而不变性原理是通过前馈控制器的校正作用， 消除扰动对被控量的这种影响。
不变性定义为 当f(t)≠0时，△y(t) ≡ 0 (4—1)
即被控变量y(t)与扰动f(t)无关。
TC为温度调节器; Kv为温度调节阀门。
系统采分用析单：回路控制：
被当控扰参动数（：如热被流加体热出的口物温料度流2量q，
入口控温制度参数1或：蒸蒸汽汽压流力量pqD等D 的变化）发 生后干，扰将因引素起：热被流加体热出物口料温流度量q2，发生变 化器，按使照其被偏控离量给偏入定差口值值温（度20e，=1随20之-温2）度的调大节 小和方向产生控蒸制汽作压用力，p通D 过调节阀的
被控变量往往受到若干个干扰的影响，若系统对其中几个主要的干 扰实现不变性补偿，就称为选择不变性。
前馈控制（简称FFC），又称干扰补偿，它与反馈 控制完全不同，是按照引起被控参数变化的干扰大小 进行控制的。
在这种控制系统中，当干扰刚刚出现而又能测出 时，调节器便发出调节信号使调节参数作相应的变化， 使两者相互抵消于被控参数发生偏差之前。
因此，前馈调节对干扰的克服比反馈调节快。
2 前馈控制的原理与特点：
一般情况下存在着以下几种类型的不变性。
①绝对不变性
所谓绝对不变性是指在扰动f(t)的作用下，被控变量y(t)在整个过 渡过程中始终保持不变，即控制过程的动态和静态偏差均为零。 如图4-3所示。所以,若适当选择前馈控制器的传递函数GB(s)，可以 做到F(s)对Y(s)不产生任何影响，即实现完全的不变性。
对于任何一个系统，总是希望被控变量受扰动的影响越小越好。 然而进入控制系统中的扰动必然通过被控对象的内部联系，使被控量发 生偏离其给定值的变化。而不变性原理是通过前馈控制器的校正作用， 消除扰动对被控量的这种影响。
不变性定义为 当f(t)≠0时，△y(t) ≡ 0 (4—1)
即被控变量y(t)与扰动f(t)无关。
TC为温度调节器; Kv为温度调节阀门。
系统采分用析单：回路控制：
被当控扰参动数（：如热被流加体热出的口物温料度流2量q，
入口控温制度参数1或：蒸蒸汽汽压流力量pqD等D 的变化）发 生后干，扰将因引素起：热被流加体热出物口料温流度量q2，发生变 化器，按使照其被偏控离量给偏入定差口值值温（度20e，=1随20之-温2）度的调大节 小和方向产生控蒸制汽作压用力，p通D 过调节阀的
均匀前馈及比值控制
控制器 RC：比例作用；一般采用比值器。
测量信号取自主物料 Q1, 控制器的输出从物料的流量Q2, 开环比值控制。
开环比值控制系统优、缺点
优点：结构简单。 开环比值系统实质：保证执行器的阀门开度与 Q1 之间成一定比例关系。 当阀门两侧压力差发生变化Q2会波动时，保证 不了 Q2与Q1的比值关系了。 原因：该系统的副流量Q2无反馈校正，副流量 本身没有抗干扰能力。 适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。
单回路系统：出口浓度为被控变量，入口水(或碱)流 量为操纵变量。
缺点：浓度信号的获取较困难；即使可以获得并组成 控制系统，测量变送和对象控制通道滞后较大。 解决方法：若某一输入物料流量变化时，另一物料也 能按比例跟随变化，则可以达到对出口浓度的完全补 偿。 计算可知：入口 30%NaOH和H2O的质量流量之比 为1:4～1:2.75, 就可以满足出口 NaOH 溶液浓度达到 6%～8%，成为流量比值控制问题。
前馈控制系统的弱点 1）一种前馈作用只能克服一种干扰 2）反馈控制只用一个控制回路就可克服多个干扰
前馈控制的主要形式
1.静态前馈控制系统： 静态前馈：其输出信号按干扰大小变化的，不 考虑时间。
要求： 干扰通道和控制通道动态特性相同
实施方便
静态前馈算式：利用物料(或能量)平衡算式 换热器热交换过程，假若忽略热损失，其热平衡过程可 表述为
前馈 -反馈控制系统优点
前馈控制： 由于增添了反馈控制，降低了对前馈控制模型的精 度要求，并能对未选作前馈信号的干扰产生校正作 用。
反馈控制： 由于前馈控制的存在，对干扰作了及时的粗调作用， 大大减轻了反馈控制的负担。
水温控制系统
谷物湿度控制系统
前馈-串级控制系统
前馈及比值控制
7 前馈及比值控制 7.1 前馈控制系统的原理和特点 (1) 前馈控制 前馈控制的基本原理就是测取进入过程的扰动 量(包括外界扰动和设定值变化)，并按照其信 号产生合适的控制作用去改变控制量，使被控 制变量维持在设定值上。
ys r（t） TC f（t） y（t） f（t） Gff（s） y（t） r（t） ys
∆P1 max G1 max G 2 2 y2 = ×10 G 2 max 2 y2 2 • G1 max ∴K′ = =K y1 G 2 max
可知，非线性流量测量下，
G1 max K′ = K 2 G 2 max 2
∴K’与仪表结构无关，只与测量方法有关
7.2.4 前馈-串级控制系统
F
Gff（s）
R Gc1（s）
GPD（s）
F1
+
Gc2（s）
+
Gp1（s） Gp2（s）
Y
+ -
+ Gh1（s）
+
Gh2（s）
具有蒸汽流量内回路的前馈-串级控制系统
作用在内回路上的扰动Ff由副回路的反馈作 用来消除。仅考虑进入主回路的主要扰动的情况 下可将图中的虚线方框看成等效环节G’PC（s），
用物料出口温度的设定值r（t）代替式中的物料 出口温度y（t），可得
Gp ys = f ( r − y 0) Hs
上式为静态前馈控制算式。
7.2.2 动态前馈 当控制通道和扰动通道的动态特性差异很大 时，必须考虑前馈补偿。动态前馈的实现是基于绝 对不变性原理。 y
s
r
∑
×
Cp/Hs FC
y0
f
y
换热器的前馈-反馈控制系统
ys r（t） TC f（t） y（t） f（t） Gff（s） y（t） r（t） ys
∆P1 max G1 max G 2 2 y2 = ×10 G 2 max 2 y2 2 • G1 max ∴K′ = =K y1 G 2 max
可知，非线性流量测量下，
G1 max K′ = K 2 G 2 max 2
∴K’与仪表结构无关，只与测量方法有关
7.2.4 前馈-串级控制系统
F
Gff（s）
R Gc1（s）
GPD（s）
F1
+
Gc2（s）
+
Gp1（s） Gp2（s）
Y
+ -
+ Gh1（s）
+
Gh2（s）
具有蒸汽流量内回路的前馈-串级控制系统
作用在内回路上的扰动Ff由副回路的反馈作 用来消除。仅考虑进入主回路的主要扰动的情况 下可将图中的虚线方框看成等效环节G’PC（s），
用物料出口温度的设定值r（t）代替式中的物料 出口温度y（t），可得
Gp ys = f ( r − y 0) Hs
上式为静态前馈控制算式。
7.2.2 动态前馈 当控制通道和扰动通道的动态特性差异很大 时，必须考虑前馈补偿。动态前馈的实现是基于绝 对不变性原理。 y
s
r
∑
×
Cp/Hs FC
y0
f
y
换热器的前馈-反馈控制系统
过程控制系统典型类型分析
过程控制系统典型类型分析摘要：本文主要介绍过程控制系统的典型控制类型，主要有单闭环控制系统、串级控制系统、前馈控制系统、开环比值控制系统、单闭环比值控制系双闭环比值控制系统。
并对这些控制系统进行分析，说明适用环境与控制类型。
关键词：控制系统自动化过程控制1.单闭环控制系统单闭环控制系统就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较输出与期望值之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。
在单闭环控制系统中既存在由输入到输出的信号前向通道，又存在从输出到输入的反馈通路，两者组成一个闭合的回路。
因此，单闭环控制系统是自动控制系统的主要形式。
单闭环控制系统适合控制变量单一的工艺过程，如室内温度的控制，被控对象为加热器及房间，被控量是室内的温度。
图1 单闭环控制系统方框图如室内温度的控制，被控对象为加热器及房间，被控量是室内的温度2.串级控制系统串级控制系统是由其结构上的特征而得名，它是由主、副两个控制器串接工作的，主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。
串级控制系统用于克服被控过程较大的容量滞后、较大的纯滞后，还能抑制变化剧烈且幅度大的扰动与克服被控过程的非线性。
如加热炉出口温度与炉膛温度的控制，被控对象为出口温度对象，被控量是出口温度。
图2 串级控制系统方框图3.前馈控制系统前馈控制的基本概念是测取进入过程的干扰，并对其信号产生适合的控制作用去改变操纵量，使受控变量维持在设定值上。
前馈控制系统只能克服可测不可控的扰动。
如换热器的静态前馈控制，被控对象为换热器，被控量为换热器出口温度。
图3 前馈控制系统及其方框图4.比值控制系统4.1开环比值控制系统当系统处于稳定工作状态时，两物料的流量满足比值关系；当主动量受到干扰而发生变化时，系统通过比值器及设定值按比例去改变控制阀的开度，调节从动量使之与主动量仍保持原有的比例关系；当从动量受到外界干扰波动时，由于是开环控制，没有调节从动量自身波动的环节，也没有调整主动量的环节，故两种物料的比值关系很难保持不变，系统对此无能为力。
过程控制工程考点解析
过程控制工程考点解析第一章1.什么是过程控制系统？其基本分类方法有哪些？过程控制系统通常是指工业生产过程中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度、和PH等这样的一些过程变量的系统。
基本分类方法（1）按过程控制系统的结构特点分为反馈控制系统、前馈控制系统、前馈-反馈控制系统（2）按给定值信号的特点分为定值控制系统、程序控制系统、随动控制系统。
2.试说明书中图1-2b供氧量控制系统框图中被控“过程”包含哪些管道设备以及图中各符号的含义。
过程：节流装置到氧气流量调节阀之间的管道设备。
x(t)代表设定值；e(t)表示偏差信号；u(t)表示控制器控制作用信号；q(t)表示调节阀的流量信号；f(t)过程受到的干扰信号；y(t)过程的输出信号；z(t)测量信号3. 在过程控制中，为什么要由系统控制流程图画出其框图。
为了更清楚地表示控制系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系,这样也便宜其他人员的理解第二章2-2.什么是过程通道？什么是过程的控制通道和扰动通道？它的数学模型是否相同？问题一：被控过程输入量与输出量之间的信号联系称为过程通道。
问题二：过程的控制通道：控制作用与被控量之间的信号联系。
过程的扰动通道：扰动作用与被控量之间的信号联系。
问题三：他们的数学模型不一样，因为过程通道、控制通道和扰动通道所表示的环节不是同一个。
2-6. 如图所示液位过程的输入量为Q1，流出量为Q2，Q3，液位h为被控参数，C为容量系数，并设R1、R2、R3均为线性液阻，要求：（1）列出过程的微分方程组；（2）画出过程的方框图。
（3）求过程的传递函数W0（S）＝H（S）/Q1（S）；答：（1）（2）（3）2-8.略。
2-11.为什么大多数过程控制的数学模型可用一阶、二阶、一阶加滞后和二阶加滞后环节之一来近似描述？有何理论依据？2-24.采用分度号K的热电偶测量炉温为800℃，其冷端温度为0℃求其热电势E( t,t0) ？2-43.数据采集系统的基本组成部分有哪些？它们分别实现哪些功能？数据采集系统由传感器、信号调理电路、数据采集电路三部分组成。
过程控制系统 第5章
采用线性流量检测单元情况
采用线性流量检测单元情况时，只有在F1max=F2max的场 合，k=K。在同样的比值k下，通过调整F1max,F2max亦可 以改变比值。 采用电动和气动仪表时，乘法器输入的比值电流或气压和相 除方案中比值控制器设定电流或气压可按下列公式计算： 一般标准公式：输入信号=仪表量程范围×K + 零点 在采用相乘的方案中，采用分流器、加法器等仪表可直接设 置仪表比值系数K。 在采用相除的方案中，如果计算所得的仪表比值系数K大于1， 则除法器的输入信号更换，即主动量信号作为被除数信号， 从动量信号作为除数信号。
(a)
(b)
图 5-1 加热炉出口温度控制系
(c)
该系统的被控变量是出口温度，用燃料气作为操纵变量。 可以组成图5-1（a）所示的简单控制系统。因为加热炉炉管等热 容较大，控制不够及时。 如果改用图5-1（b）所示的流量控制系统，则对温度来说是开环 的，此时对于阀前压力等扰动，可以迅速克服，但对进料负荷， 燃料气热值变化等扰动，却完全无能为力。 人们日常操作经验是：当温度偏高时，把燃料气流量控制器的设 定值减少一些；当温度偏低的时候，燃料气流量控制器的设定值 应该增加一些。按照上述操作经验，把两个控制器串接起来，流 量控制器的设定值由温度控制器输出决定，即流量控制器的设定 值不是固定的,系统结构如图5-1（c）所示。这样能迅速克服影响 流量的扰动作用，又能使温度在其它扰动作用下也保持在设定值， 这就是串级控制系统。
5.1.4 串级控制系统控制器参数的 整定
串级控制系统常用的控制器参数整定方法有三 种：
逐步逼近法 两步法 一步法
对新型智能控制仪表和DCS控制装置构成的串 级控制系统，可以将主控制器选为具备自整定 功能。
过程控制系统—比值控制系统(工业仪表自动化)
经常需要提降负荷的场合。
小结
比值控 制系统
比值控制系统的定义。 开环比值控制系统。 单闭环比值控制系统。 双闭环比值控制系统。
ห้องสมุดไป่ตู้
思考
什么是比值控制系统？
比值控制系统
比值控制系统
实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统， 称为比值控制系统。通常为流量比值控制系统。
几个概念
主物料、主动量（Q1 、主流量） 从物料、从动量（Q2 、副流量）
副流量Q2与主流量Q1的比值关系为 K Q2 Q1
比值控制系统
开环比值控制系统
图1 开环比值控制
图2 开环比值控制方块图
比值控制系统
图3 单闭环比值控制
图4 单闭环比值控制系统方块图
比值控制系统
它能实现副流量随主流量的变化而变化，还可以克服副流量本 身干扰对比值的影响。
结构简单，实施方便，尤其适用于主物料在工艺上不允许进 行控制的场合。
虽然能保持两物料量比值一定，但由于主流量是不受控制的， 当主流量变化时，总的物料量就会跟着变化。
比值控制系统
双闭环比值控制系统 它是在单闭环比值控制的基础上，增加了主流量控制回路而构成的。
图5 双闭环比值控制
图6 双闭环比值控制系统方块图
比值控制系统
实现了比较精确的流量比值，也确保了两物料总量基本不变。 提降负荷比较方便，只要缓慢地改变主流量控制器的给定值，就可以
提降主流量，同时副流量也就自动跟踪提降，并保持两者比值不变。 结构较复杂，使用的仪表较多，投资较大，系统调整较麻烦。 主要适用于主流量干扰频繁、工艺上不允许负荷有较大波动或工艺上
比值控制系统
结构简单，只需一台纯比例控制器，其比例度可以根据比值 要求来设定。
小结
比值控 制系统
比值控制系统的定义。 开环比值控制系统。 单闭环比值控制系统。 双闭环比值控制系统。
ห้องสมุดไป่ตู้
思考
什么是比值控制系统？
比值控制系统
比值控制系统
实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统， 称为比值控制系统。通常为流量比值控制系统。
几个概念
主物料、主动量（Q1 、主流量） 从物料、从动量（Q2 、副流量）
副流量Q2与主流量Q1的比值关系为 K Q2 Q1
比值控制系统
开环比值控制系统
图1 开环比值控制
图2 开环比值控制方块图
比值控制系统
图3 单闭环比值控制
图4 单闭环比值控制系统方块图
比值控制系统
它能实现副流量随主流量的变化而变化，还可以克服副流量本 身干扰对比值的影响。
结构简单，实施方便，尤其适用于主物料在工艺上不允许进 行控制的场合。
虽然能保持两物料量比值一定，但由于主流量是不受控制的， 当主流量变化时，总的物料量就会跟着变化。
比值控制系统
双闭环比值控制系统 它是在单闭环比值控制的基础上，增加了主流量控制回路而构成的。
图5 双闭环比值控制
图6 双闭环比值控制系统方块图
比值控制系统
实现了比较精确的流量比值，也确保了两物料总量基本不变。 提降负荷比较方便，只要缓慢地改变主流量控制器的给定值，就可以
提降主流量，同时副流量也就自动跟踪提降，并保持两者比值不变。 结构较复杂，使用的仪表较多，投资较大，系统调整较麻烦。 主要适用于主流量干扰频繁、工艺上不允许负荷有较大波动或工艺上
比值控制系统
结构简单，只需一台纯比例控制器，其比例度可以根据比值 要求来设定。
一文说清串级、比值、前馈-反馈、选择性、分程以及三冲量六种复杂控制系统
一文说清串级、比值、前馈-反馈、选择性、分程以及三冲量六种复杂控制系统导读控制系统一般又可分为简单控制系统和复杂控制系统两大类，所谓复杂，是相对于简单而言的。
凡是多参数，具有两个以上变送器、两个以上调节器或两个以上调节阀组成多回路的自动控制系统，称之为复杂控制系统。
目前常用的复杂控制系统有串级、比值、前馈-反馈、选择性、分程以及三冲量等，并且随着生产发展的需要和科学技术进步，又陆续出现了许多其他新型的复杂控制系统。
1、串级控制系统串级控制系统是应用最早，效果最好，使用最广泛的一种复杂控制系统，它的特点是两个调节器相串联，主调节器的输出作为副调节器的设定，当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，可考虑采用串级控制系统。
1、基本概念串级控制系统(Cascade Cont ro1System)是一种常用的复杂控制系统，它根据系统结构命名。
它由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，这类控制系统称为串级控制系统。
•主调节器(主控制器)：根据主参数与给定值的偏差而动作，其输出作为副调节器的给定值的调节器。
•副调节器(副控制器)：其给定值由主调节器的输出决定，并根据副参数与给定值(即主调节器输出)的偏差动作。
•主回路(外回路)：断开副调节器的反馈回路后的整个外回路。
•副回路(内回路)：由副参数、副调节器及所包括的一部分对象所组成的闭合回路（随动回路)•主对象(惰性区)：主参数所处的那一部分工艺设备，它的输入信号为副变量，输出信号为主参数(主变量)。
•副对象(导前区)：副参数所处的那一部分工艺设备，它的输入信号为调节量，其输出信号为副参数(副变量)。
2、串级控制系统的特点串级控制系统在结构上增加了一个随动的副回路，因此，与单回路相比有以下几个特点：1.对进入副回路的扰动具有较迅速、较强的克服能力；2.可以改善对象特性，提高工作效率；3.可消除调节阀等非线性特性的影响；4.串级控制系统具有一定的自适应能力3、串级控制系统参数整定和系统投运串级控制系统的投运和简单控制系统一样，要求投运过程保证做到无扰动切换。
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扰动的影响，即实现“稳态不变性”。
静态前馈控制方式：
线性静态前馈：
GFF ( s) GYD ( s)
GYC ( s) s 0
非线性静态前馈：结合对象静态模型获
得前馈控制器结构与参数。
非线性静态前馈控制
稳态平衡关系：
T2sp 前馈 控制器 T1 RVsp
FC
HV
RV
蒸汽
c p RF (T2 T1 ) HV RV
物料 B QB 后 续 QA 装 置
物料 A
要求：QA / QB = KAB（比值系数）而QB 为主动流量， QA 为可控量，要求设计一控制系统通过调节QA 以 实现上述比值控制目标。
溶液配制问题
30% NaoH QB H2O QA
混 合 器
问题：当NaoH用量QB 变化时，调整稀释水量 QA 以使稀释液NaoH的 浓度为6~8%左右。 解决方案： （1）出口浓度控制；
（2）入环比值控制方案
单闭环比值控制方案
双闭环比值控制方案
比值控制的实施方法1
QB IB K1 IA
FC
假设流量测量变送环节为线性对象 （对于用孔板测量的信号须经开方 运算）。 稳态条件: IA = K1 IB
QA QB QA K1 , K AB QA max QB max QB
过程控制系统 前馈及比值控制
本章基本要求
掌握前馈控制的原理； 掌握前馈控制的几种结构； 了解前馈控制与反馈控制的区别； 了解比值控制问题的由来； 掌握常用的比值控制方案。
前馈控制 (Feedforward Control)
前馈思想：在扰动还未影响输出以前， 直接改变操作变量，以使输出不受或少 受外部扰动的影响。
开环调节，无稳定性问题 系统仅能感受有限个可测扰动 闭环调节，存在稳定性问题 系统可感受所有影响输出的扰动
对于干扰与控制通道的动态模型，对通道模型要求弱，大多数情况 要求已知而且准确 无需对象模型 对时变与非线性对象的适应性弱 对时变与非线性对象的适应性与 鲁棒性强
前馈--反馈控制系统
扰动
前馈控制器 给定 控制器 过程通道 前馈通道 输出
换热器的前馈-反馈控制方案1
T2sp
TC
＋
∑
前馈控制器 × RF k1
∑
RVsp
RV
FC
蒸汽
－ T1
T2
工艺 介质 凝液
换热器的前馈-反馈控制方案2
T2sp
TC
＋
∑
前馈控制器 × RF k1 RVsp
FC
RV
蒸汽
－ T1
T2
凝液
工艺 介质
特点：可克服对象的非线性，或具有变增益控制器的功能。
结 论
前馈控制的概念
D1 前馈 控制器 对象 y Dn
D1，…，Dn为可 测扰动； u，y分别为被控 对象的操作变量 与受控变量。
u
前馈控制方块图
d(t) GYD (s) u(t) GFF (s) GYC (s)
＋ ＋
d (t) 表示某一外部 干扰;
y(t)
GYD(s)、GYC(s)分别 为干扰通道与控制 通道的动态特性； GFF(s)为前馈控制 器的动态特性。
sp RV 1
RF
工艺 介质 T2 凝液
Kv
RF (T2sp T1 ) ,
K v HV / c p
讨论: 前馈控制器的实现与相关测量仪表的影响 HV 为蒸汽汽化潜热。
前馈控制与反馈控制的比较
前 馈 控 制 反 馈 控 制
扰动可测，但不要求被控量可测 被控量直接可测
超前调节，可实现系统输出的不 按偏差控制，存在偏差才能调节， 变性（但存在可实现问题） （滞后调节）
TC
× RF
RV
sp
RV
FC
蒸汽
T2sp
系统功能：
（1）变比值串级？
T2
（2）变增益串级？ （3）前馈反馈串级
凝液
工艺 介质
控制 ？
结 论
讨论了流量比值控制问题； 介绍了常用的比值控制方案；
分析了流量比值与比值器参数的关系；
详细列举了燃烧控制中常用的逻辑提降量 问题与解决方案；
简单介绍了变比值控制系统的特点与应用 场合。
稳态条件: K3 = IA / IB
IB
÷
IA
IA / I B
RC
K3
QA QB max K3 QB QA max QB max K AB QA max
QA
存在问题：物料A的流量回路存在非线性，当物料B的流量 减少时，回路增益增大，有可能使系统不稳定，并可能出
现“除零”运算。
换热器出口温度 变比值串级控制系统
引入前馈控制的可能应用场合：
（1）主要被控量不可测； （2）尽管被控量可测，但控制系统所受的干扰严重，常 规反馈控制系统难以满足要求。
应用前馈控制的前提条件：
（1）主要干扰可测； （2）干扰通道的响应速度比控制通道慢，至少应接近； （3）干扰通道与控制通道的动态特性变化不大。
比值控制 （Ratio Control）
稳态不变性：在干扰d(t)作用下，被控量y(t)的 动态偏差不等于零，而其稳态偏差为零，即 Y(0)/D(0) = 0，或者说y(t) 在稳态工况下与扰动 量d(t)无关。
前馈控制系统的特点
1、按照扰动大小进行控制，一般比反馈控制及时。 前馈控制与反馈控制的粗略比较
控制依据 检测信号 反馈控制 前馈控制 偏差 扰动 被控变量 扰动量 作用时间 偏差出现后 偏差出现前
控制目标：
Y ( s) GYD ( s) GFF (s)GYC ( s) 0 D( s )
GYD ( S ) GFF ( S ) GYC ( S )
前馈控制的全补偿过程
前馈不变性原理
动态不变性：在扰动d(t)的作用下，被控量y(t) 在整个过渡过程中始终保持不变，称系统对于 扰动d(t)具有动态不变性，即Y(s)/D(s) = 0。
前馈控制系统的特点（续）
2、前馈属于开环控制
D1 前馈 控制器 对象 y Dn
3、前馈控制器为专用 控制器。
u
GYD ( S ) GFF ( S ) GYC ( S )
前馈控制系统的结构形式
1、静态前馈 2、动态前馈 3、前馈—反馈控制 4、前馈—串级控制
静态前馈控制
控制目标：保证过程输出在稳态下补偿外部
QA
QB max K1 K AB QA max
比值控制的实施方法2
QB IB
稳态条件: K2 IA = IB
QA QB QA K2 , K AB QAmax QB max QB
IA
K2
FC
QA
1 QA max 1 K2 K AB QB max K1
比值控制的实施方法3
QB