培训课件过程控制 第四章 复杂过程控制系统-比值控制4.ppt
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复杂过程控制系统--串级控制
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对于一个控制系统来说，当它在给定信号作用 下，其输出量能复现输入量的变化，即Y1(s)/X1(s) 越接近于1时，则系统的控制性能越好；当它在扰 动作用下，其控制作用能迅速克服扰动的影响，即 Y1(s)/F2(s)越接近于0时，则系统的控制性能越 好，系统的抗干扰能力就越强。 ❖ 图4-5串级控制系统抗干扰能力可用下式表示： Q C 2 ( s )= Y Y 1 1 ( ( s s ) ) / /X F 2 1 ( ( s s ) )= W C W 1 ( s * ) 0 W 2 ( 's 0 2 ) ( s )= W C 1 ( s ) W C 2 ( s ) W V ( s )
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二、串级控制系统的特点与分析
在结构上与电力传动自动控制系统中的双闭 环系统相同(比单回路系统多了一个副回路)，其 系统特点与分析方法亦基本相同。
主回路(外环)：定值控制系统 副回路(内环)：随动控制系统 与单回路系统相比，串级控制系统多用了一 个测量变送器与一个控制器(调节器)，增加的投 资并不多(对计算机控制系统来说，仅增加了一个 测量变送器)，但控制效果却有显著的提高，其原 因在于串级控制系统中增加了一个包含二次扰动 的副回路。
16
单回路控制系统的抗干扰能力为
Y(s)/X(s) QD2(s)=Y(s)/F2(s)=W C(s)W V(s)
串级控制系统与单回路控制系统的抗扰动能力
之比:
QC2(s) =WC1(s)WC2(s)
QD2(s)
WC(s)
设串级与单回路系统均采用比例调节器，其比
例放大系数分别为KC1、KC2、KC，则上式变为
第四章 复杂过程控制系统
❖串级控制 ❖前馈控制 ❖大滞后补偿控制 ❖比值控制 ❖分程与选择性控制 ❖多变量解耦控制 ❖模糊控制 ❖预测控制
过程控制--复杂控制串级控制系统与均匀控制系统 ppt课件
出料 水温度变化 →釜壁温度变 化 → 反应釜温度变化
控制变量的影响：冷却剂调 节阀开度变化 → 冷却剂流 量变化 → 夹套内冷却剂温 度变化 → 釜壁温度变化 → 反应釜温度变化
ppt课件
17
解决方法
夹套冷却剂温度T2比反应釜温度T1能更快地感受 到来自干扰（冷却剂入口温度）以及来自控制的 影响。因而可设计夹套水温单回路控制系统TC2 以尽快地克服冷却剂方面的扰动。但TC2的设定 值应根据T1的控制要求作相应的变化（这一要求 可用反应温度调节器TC1来自动实现）。
Qi(t) 精 馏
H(t) 塔
A
假设液位测量范围为Hmax， 进出流量的测量范围均为
Qmax，则广义对象特性可
LC
表示成
副回路（有时称内环）具有快速调节作用， 它能有效地克服二次扰动的影响；
由于
D2' (s)
1
D2 (s) 1+ Gc2GvGp2Gm2
假设副回路的动态滞后较小，对于低频干扰，有
Gc2GvGp2Gm2 1
D2' D2
ppt课件
25
反应器温度的串级控制响应
ppt课件
26
串级控制系统的特点（2）
振”（系统稳定性
进料 越差）。
ppt课件
38
串级系统副调节器选型
副调节器常选择PI控制律
原因：副回路为随动系统，其设定值变化频繁，一 般不宜加微分作用；另外，副回路的主要目的是快 速克服内环中的各种扰动，为加大副回路的调节能 力，理想上不用加积分作用。但实际运行中，串级 系统有时会断开主回路，因而，通常需要加入积分 作用。但积分作用要求较弱以保证副回路较强的抗 干扰能力。
修改主手操器使副偏差为0，将副控制器切换到自动； 修改主控制器的设定值使主控制器的偏差为0，然后将
控制变量的影响：冷却剂调 节阀开度变化 → 冷却剂流 量变化 → 夹套内冷却剂温 度变化 → 釜壁温度变化 → 反应釜温度变化
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解决方法
夹套冷却剂温度T2比反应釜温度T1能更快地感受 到来自干扰（冷却剂入口温度）以及来自控制的 影响。因而可设计夹套水温单回路控制系统TC2 以尽快地克服冷却剂方面的扰动。但TC2的设定 值应根据T1的控制要求作相应的变化（这一要求 可用反应温度调节器TC1来自动实现）。
Qi(t) 精 馏
H(t) 塔
A
假设液位测量范围为Hmax， 进出流量的测量范围均为
Qmax，则广义对象特性可
LC
表示成
副回路（有时称内环）具有快速调节作用， 它能有效地克服二次扰动的影响；
由于
D2' (s)
1
D2 (s) 1+ Gc2GvGp2Gm2
假设副回路的动态滞后较小，对于低频干扰，有
Gc2GvGp2Gm2 1
D2' D2
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反应器温度的串级控制响应
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串级控制系统的特点（2）
振”（系统稳定性
进料 越差）。
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串级系统副调节器选型
副调节器常选择PI控制律
原因：副回路为随动系统，其设定值变化频繁，一 般不宜加微分作用；另外，副回路的主要目的是快 速克服内环中的各种扰动，为加大副回路的调节能 力，理想上不用加积分作用。但实际运行中，串级 系统有时会断开主回路，因而，通常需要加入积分 作用。但积分作用要求较弱以保证副回路较强的抗 干扰能力。
修改主手操器使副偏差为0，将副控制器切换到自动； 修改主控制器的设定值使主控制器的偏差为0，然后将
比值控制系统
一、基本概念：
比值控制系统（流量比值控制系统）：实现两个或两个以
上参数符合一定比例关系的控制系统。
主物料或主动量：在保持比例关系的两种物料中处于主导 地位的物料，称为主物料；表征主物料的参数，称为主动 量（主流量），用F1表示。 从物料或从动量：按照主物料进行配比，在控制过程中跟 随主物料变化而变化的物料，称为从物料；表征从物料特 性的参数，称为从动量（副流量），用F2表示。 有些场合，用不可控物料为主物料，用改变可控物料即从 物料来实现比值关系。 K= F2/ F1
2、单闭环比值控制
增加一个副流量闭环控制系统
2、单闭环比值控制
单闭环比值控制特点
不但能实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且可以 克服副流量本身干扰对比值的影响，主副流量的比值较
为精确。
总物料量不固定，对于负荷变化幅度大，物料又直接去 化学反应器的场合是不适合的。 当主流量出现大幅度波动时，副流量给定值大幅度波动， 在调节的一段时间里，比值会偏离工艺要求的流量比， 不适用于要求严格动态比的场合。 适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合
原理：F1的测量值乘以某一系 数K’作为控制器FC的设定值， 可以用比值器，乘法器实现。
原理：两种流量的比值作为副流 量控制器的测量值，可以用除法 器实现。
用比值器组成的方案
比值器的作用是实现一 个输入信号乘上一个常 数的运算
K
比值器 I入
I出 控制器 控制阀 测量变送器2 测量变送器1 F1 流量对象
F I (20 4) 4 Fmax
I 2 I 20 从动流量的测量信号 I 2max I 20 K I1 I10 主动流量的测量信号 I1max I10
F2 F2 (20 4) 4 4 (20 4) Fmax I 2 4 F2max K F1 F1 I1 4 (20 4) 4 4 (20 4) F1max Fmax F1max F2 F1max K F1 F2max F2max
第4讲(过程质量控制培训)
★外部信息来源于顾客抱怨，并将层层分解到各个 内部质量指标控制，同时在公司内部采取快速围 堵措施。
过程质量信息流程图
进货检验
工序
过程 控制
缺陷
• PPM •控制计划 •检查规程
• 工位过 程控制
• 停线
•OIS / WES
•Blue Q
• 工位过程 控制 •工艺验证
•CPK/SPC
过程交 付检查 (Buyoff)
★常波动：是由特殊(异常)原因造成的 。如原材料不合格，设备出现故障， 工夹具不良，操作者不熟练等。异常 波动造成的波动较大，容易发现，应 该由操作人员发现并纠正。
控制图、 CP/CPK
自检、抽 检、巡检
3 普通原因、特殊原因
★通原因：指的是造成随着时间推移具有稳定的且可重复 的分布过程中的许多变差的原因，我们称之为：“处于 统计控制状态”、“受统计控制”，或有时间称“受控 ”，普通原因表现为一个稳定系統的偶然原因。只有变 差的普通原因存在且不改变时，过程的输出才可以预测 。
★特殊原因：指的是造成不是始终作用于过程的变差的原 因，即当它们出现时将造成(整个)过程的分布改变。除 非所有的特殊原因都被查找出来并且采取了措施，否則 它们将继续用不可预测的方式来影响过程的输出。如果 系统內存在变差的特殊原因，随时间的推移，过程的输
出将不稳定。
首检
定义：按照设计图样等技术文件的要求，对 试制和批量生产的第一件半成品和成品进行 全面的检查、考核，以确定生产过程是佛生 产出符合设计要求的产品。
特殊工序质量控制
输入：控制计划
资源：各工位配置通用、专用量检具
输出：首检、抽检、巡检记录、控制图、cp/cpk
工序持续改进
输入：控制图
过程质量信息流程图
进货检验
工序
过程 控制
缺陷
• PPM •控制计划 •检查规程
• 工位过 程控制
• 停线
•OIS / WES
•Blue Q
• 工位过程 控制 •工艺验证
•CPK/SPC
过程交 付检查 (Buyoff)
★常波动：是由特殊(异常)原因造成的 。如原材料不合格，设备出现故障， 工夹具不良，操作者不熟练等。异常 波动造成的波动较大，容易发现，应 该由操作人员发现并纠正。
控制图、 CP/CPK
自检、抽 检、巡检
3 普通原因、特殊原因
★通原因：指的是造成随着时间推移具有稳定的且可重复 的分布过程中的许多变差的原因，我们称之为：“处于 统计控制状态”、“受统计控制”，或有时间称“受控 ”，普通原因表现为一个稳定系統的偶然原因。只有变 差的普通原因存在且不改变时，过程的输出才可以预测 。
★特殊原因：指的是造成不是始终作用于过程的变差的原 因，即当它们出现时将造成(整个)过程的分布改变。除 非所有的特殊原因都被查找出来并且采取了措施，否則 它们将继续用不可预测的方式来影响过程的输出。如果 系统內存在变差的特殊原因，随时间的推移，过程的输
出将不稳定。
首检
定义：按照设计图样等技术文件的要求，对 试制和批量生产的第一件半成品和成品进行 全面的检查、考核，以确定生产过程是佛生 产出符合设计要求的产品。
特殊工序质量控制
输入：控制计划
资源：各工位配置通用、专用量检具
输出：首检、抽检、巡检记录、控制图、cp/cpk
工序持续改进
输入：控制图
复杂过程控制系统--串级控制
W *02 (s)W01 (s) Y1 (s) = F2 (s) 1+WC1 (s)W'02 (s)W01 (s)Wm1 (s)
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对于一个控制系统来说，当它在给定信号作用 下，其输出量能复现输入量的变化，即Y1(s)/X1(s) 越接近于1时，则系统的控制性能越好；当它在扰 动作用下，其控制作用能迅速克服扰动的影响，即 Y1(s)/F2(s)越接近于0时，则系统的控制性能越 好，系统的抗干扰能力就越强。 图4-5串级控制系统抗干扰能力可用下式表示： Y1 (s)/X 1 (s) WC1 (s)W'02 (s) QC2 (s) = = = WC1 (s)WC2 (s)WV (s) Y1 (s)/F2 (s) W *02 (s)
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(三)对一次扰动有较好的克服能力
对串级控制系统： Y1 (s)
W01 (s) = F1 (s) 1+WC1 (s)W'02 (s)W01 (s)Wm1 (s)
Байду номын сангаас
抗扰动能力：
Y1 (s)/X 1 (s) QC1 (s) = = WC1 (s)W'02 (s) Y1 (s)/F1 (s)
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(一)改善了被控过程的动态特性
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副回路闭环传递函数
WC2 (s)WV (s)W02 (s) Y2 (s) W02 (s) = = X 2 (s) 1+ WC2 (s)WV (s)W02 (s)Wm2 (s)
'
设W02(s)=K02/(T02s+1)，Wc2(s)=Kc2， ' Wv(s)=Kv，Wm2(s)=Km2，可得 ' K02 W02 (s) = ' T02 s + 1 ' 式中 K 02 ----等效被控过程的放大系数 ' T02 ----等效被控过程的时间常数
常见的复杂控制系统有串级均匀比值精选全文
(1)两个变量在控制过程中都 应该是变化的,且变化缓慢。
(2)前后互相联系又互相矛盾 的两个变量应保持在所允许的 范围内波动。
过程控制系统
二.均匀控制系统的方案 1 .简单均匀控制
过程控制系统
如何能够满足均 匀控制的要求呢?是 通过控制器的参数 整定来实现的。
有时为了克服连续发生的同一方向干扰所造成的 过大偏差，防止液位超出规定范围，则引人积分作 用，这时比例度一般大于100％，积分时间也要放 得大一些。
主变送器：测量并转换主被控变量的变送器。 副变送器：测量并转换副被控变量的变送器。 主对象：大多为工业过程中所要控制的、由主被控 变量表 征其主要特性的生产设备或过程。 副对象：大多为工业过程中影响主被控变量的、由副被控变 量表征其特性的辅助生产设备或辅助过程。 副回路:由副变送器、副控制器、控制阀和副对象所构成的 闭环回路 , 又称为“ 副环” 或“内环”。 主回路：由主变送器、主控制器、副回路等效环节、主对象 所构成的闭环回路，又称为“主环”或“外环”。
副被控变量（Y2）：大多为影响主被控变量的重要参数。 主控制器：在系统中起主导作用，按主被控变量和其设定值之差 进行控制运算，并将其输出作为副控制器给定值。 副控制器：在系统中起辅助作用，按所测得的副被控变量和主控 输出之差来进行控制运算，其输出直接作用于控制阀的控制器， 简称为“副控”。
过程控制系统
K= F2/F1 式中K为从动流量与主动流量的工艺流量比值。 F1---主动流量(其物料处于主导地位既主物料 ) F2---从动流量(其物料在控制过程中随主物料而变化 )
燃料与空气成比例,什么是主动物料?什么是从动物料?
氢氧化钠浓溶液与水成比例,什么是主动物料?什么是从动物 料?
一.比值控制系统的类型
第四章 计算机控制系统常用的控制规律
所以， Ti也要根据对象选择。 注意：加入积分控制时，比例控制量要适当降低，为
积分控制量腾出作用空间 。
PI控制器可清除系统静差
3、比例、积分、微分（PID）控制器
➢ PI控制器虽然可以消除静差，但它是以降低响应速度为代 价的，而且Ti越大，代价越高。
➢ 在实际控制系统中，人们不但要求静差可以为0，而且还要 求有尽可能快地实现抑制静差出现的能力，或者说希望超前消 除静差。即在静差刚出现还没有发生作用，就立即消除。
当主要干扰无法用串级控制使其包围在副回路内时，采用前 馈控制将会比串级控制获得更好的效果。
➢微分先行PID控制算法 结构框图为：
控制算式为：
U(s)Kp1T1isE(s)
u(k） Kp（ e k） e(k1)KpTTis（ e k）-KTpTd c(k)2c(k1)c(k2) -KpTd c(k)c(k1)
Ti
四、数字PID控制器参数的整定 ● 采样周期的选择
► 对于响应快、波动大、容易受干扰影响的过程，应该选取 较短的采样周期；反之，则长一些。
➢前馈控制算法
实现完全补偿的前馈控制为：GM
(s)
GD (s) G(s)
若: 前馈控制器为:
G D (s)1 K T 11se 1s
, G (s)K 2 e 2s 1T 2s
G M ( s ) M V ( ( s s ) ) G G D ( ( s s ) ) K K 1 2 ( ( 1 1 T T 2 1 s s ) ) e ( 1 2 ) s K m 1 1 T T 1 2 s s e fs
位置式PID的输出不仅与本次偏 差有关，而且与历次测量偏差有 关，计算时要对误差累加，计算 机运算工作量大。
● 增量式PID控制算式
积分控制量腾出作用空间 。
PI控制器可清除系统静差
3、比例、积分、微分（PID）控制器
➢ PI控制器虽然可以消除静差，但它是以降低响应速度为代 价的，而且Ti越大，代价越高。
➢ 在实际控制系统中，人们不但要求静差可以为0，而且还要 求有尽可能快地实现抑制静差出现的能力，或者说希望超前消 除静差。即在静差刚出现还没有发生作用，就立即消除。
当主要干扰无法用串级控制使其包围在副回路内时，采用前 馈控制将会比串级控制获得更好的效果。
➢微分先行PID控制算法 结构框图为：
控制算式为：
U(s)Kp1T1isE(s)
u(k） Kp（ e k） e(k1)KpTTis（ e k）-KTpTd c(k)2c(k1)c(k2) -KpTd c(k)c(k1)
Ti
四、数字PID控制器参数的整定 ● 采样周期的选择
► 对于响应快、波动大、容易受干扰影响的过程，应该选取 较短的采样周期；反之，则长一些。
➢前馈控制算法
实现完全补偿的前馈控制为：GM
(s)
GD (s) G(s)
若: 前馈控制器为:
G D (s)1 K T 11se 1s
, G (s)K 2 e 2s 1T 2s
G M ( s ) M V ( ( s s ) ) G G D ( ( s s ) ) K K 1 2 ( ( 1 1 T T 2 1 s s ) ) e ( 1 2 ) s K m 1 1 T T 1 2 s s e fs
位置式PID的输出不仅与本次偏 差有关，而且与历次测量偏差有 关，计算时要对误差累加，计算 机运算工作量大。
● 增量式PID控制算式
PID控制经典PPT课件
调节阀的开度(变化)才与偏差成比例。
超出这个“比例带”以外
调节阀已处于全关或全开的状态，调节器的输入与输出已不再保 持比例关系。
.
17
4.2 比例调节(P调节)
4.2.1 比例控制的调节规律和比例带 4.2.2 比例控制的特点 4.2.3 比例带对控制过程的影响
.
18
4.2.2 比例调节的特点
•如果Kc=1，则控制器输出u(t)变化在0～100%范围（对应阀 门的全关到全开），并与输入e(t)之间保持线性关系。 •Kc>1时，制器输出u(t)与输入e(t)之间的线性关系只在 -50%/Kc～50%/Kc满足。
.
11
4.2.1 比例控制的调节规律和比例带
• 当|e(t)|超出该范围时，控制器输出具有饱和特性
.
16
4.2.1 比例控制的调节规律和比例带
②δ具有重要的物理意义
u代表调节阀开度的变化量，δ就代表使调节阀开度改变
100% 即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。
例如，若测量仪表的量程为100℃，则δ＝50% 就表示
被调量需要改变50℃才能使调节阀从全关到全开。
当被调量处在“比例带”以内
du Se
dt 0
图4-5 自力式气压控制阀结构原理图
.
33
4.3.1 积分控制的调节规律
2 积分调节的特点，无差调节
积分调节的特点是无差调节
t
u S edt 00
e
u
t
t
只要偏差不为零，控制输出就不为零，它就 要动作到把被调量的静差完全消除为止
而一旦被调量偏差e为零，积分调节器的输
出就会保持不变。
信号的积分成正比，即：
超出这个“比例带”以外
调节阀已处于全关或全开的状态，调节器的输入与输出已不再保 持比例关系。
.
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4.2 比例调节(P调节)
4.2.1 比例控制的调节规律和比例带 4.2.2 比例控制的特点 4.2.3 比例带对控制过程的影响
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4.2.2 比例调节的特点
•如果Kc=1，则控制器输出u(t)变化在0～100%范围（对应阀 门的全关到全开），并与输入e(t)之间保持线性关系。 •Kc>1时，制器输出u(t)与输入e(t)之间的线性关系只在 -50%/Kc～50%/Kc满足。
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4.2.1 比例控制的调节规律和比例带
• 当|e(t)|超出该范围时，控制器输出具有饱和特性
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4.2.1 比例控制的调节规律和比例带
②δ具有重要的物理意义
u代表调节阀开度的变化量，δ就代表使调节阀开度改变
100% 即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。
例如，若测量仪表的量程为100℃，则δ＝50% 就表示
被调量需要改变50℃才能使调节阀从全关到全开。
当被调量处在“比例带”以内
du Se
dt 0
图4-5 自力式气压控制阀结构原理图
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4.3.1 积分控制的调节规律
2 积分调节的特点，无差调节
积分调节的特点是无差调节
t
u S edt 00
e
u
t
t
只要偏差不为零，控制输出就不为零，它就 要动作到把被调量的静差完全消除为止
而一旦被调量偏差e为零，积分调节器的输
出就会保持不变。
信号的积分成正比，即：
过程控制技术PPT课件
1.1 过程控制发展简介
过程控制经历了基地式仪表、单元组合仪表、计算机直接数字控制、集散控制、现场总 线和网络控制等几个时期，可将它们大致划分为三个阶段。 1.1.1仪表控制阶段
这个阶段分为基地式仪表和单元组合仪表两个时间段。
1
20 世纪 40 年代前，过程工业生产处在初级阶段，许多作业流程靠手工、凭经验进行。 50年代前后，生产控制开始采用笨重的基地式仪表（Instruments on Base）随设备就地分散 安装，一套生产设备，一套体积不小的检测与控制仪表伴随，不同系统之间没有什么联系，测 量与控制内容大多是一些热工参量的定值控制，其目的是要保证产品质量和数量的稳定。
最大动态偏差maximumdynamicdeviation与超调在阶跃响应中响应曲线被控量随时间的变化规律偏离最终稳态值的最大幅度数值就是最大动态偏差通常是响应的第一个波峰与稳态值的距离如图12中最大偏差占响应曲线稳态值的百分比称为超调量overshoot显然最大动态偏差与超调量之间具有相同的物理含义区别是
Control）等。这对于提高产品质量和生产能力起到了积极的促进作用。
3
1.1.3 网络过程自动化阶段
进入 20 世纪 80 年代以后，集散控制系统进一步发展，同时出现了具有一定智能的仪表 和执行机构。到 80 年代末、90 年代初期，现场总线控制系统（Field-bus Control Systems, FCS）问世，它突破了集散控制系统采用通信专用网络的局限，采用公开化、标准化的网络协 议，实现不同网络的互联互通；它保留集散控制系统的分散布置特点，将集中控制功能彻底下 放到现场，同时加强现场信息采集、数据计算和故障诊断等自治能力。它的基层网络不仅联接 现场检测与控制设备，而且沟通与上层网络的联系，进一步增强了生产现场的控制能力，提高 了系统的灵活性和可靠性。它主要由三部分组成：现场智能仪表、控制器和总线监督与组态计 算机组成。典型的现场总线产品有：Profibus 、基金会现场总线（Foundation Fieldbus, FF）、LonWorks 总线、CAN 总线（Control Area Network）和 HART总线（Highway Addressable Remote Transducer）。
过程控制经历了基地式仪表、单元组合仪表、计算机直接数字控制、集散控制、现场总 线和网络控制等几个时期，可将它们大致划分为三个阶段。 1.1.1仪表控制阶段
这个阶段分为基地式仪表和单元组合仪表两个时间段。
1
20 世纪 40 年代前，过程工业生产处在初级阶段，许多作业流程靠手工、凭经验进行。 50年代前后，生产控制开始采用笨重的基地式仪表（Instruments on Base）随设备就地分散 安装，一套生产设备，一套体积不小的检测与控制仪表伴随，不同系统之间没有什么联系，测 量与控制内容大多是一些热工参量的定值控制，其目的是要保证产品质量和数量的稳定。
最大动态偏差maximumdynamicdeviation与超调在阶跃响应中响应曲线被控量随时间的变化规律偏离最终稳态值的最大幅度数值就是最大动态偏差通常是响应的第一个波峰与稳态值的距离如图12中最大偏差占响应曲线稳态值的百分比称为超调量overshoot显然最大动态偏差与超调量之间具有相同的物理含义区别是
Control）等。这对于提高产品质量和生产能力起到了积极的促进作用。
3
1.1.3 网络过程自动化阶段
进入 20 世纪 80 年代以后，集散控制系统进一步发展，同时出现了具有一定智能的仪表 和执行机构。到 80 年代末、90 年代初期，现场总线控制系统（Field-bus Control Systems, FCS）问世，它突破了集散控制系统采用通信专用网络的局限，采用公开化、标准化的网络协 议，实现不同网络的互联互通；它保留集散控制系统的分散布置特点，将集中控制功能彻底下 放到现场，同时加强现场信息采集、数据计算和故障诊断等自治能力。它的基层网络不仅联接 现场检测与控制设备，而且沟通与上层网络的联系，进一步增强了生产现场的控制能力，提高 了系统的灵活性和可靠性。它主要由三部分组成：现场智能仪表、控制器和总线监督与组态计 算机组成。典型的现场总线产品有：Profibus 、基金会现场总线（Foundation Fieldbus, FF）、LonWorks 总线、CAN 总线（Control Area Network）和 HART总线（Highway Addressable Remote Transducer）。
过程控制_第4章_前馈控制系统
4.2 前馈控制系统设计
第三章 单回路控制系统设计
4.1 串级控制系统设计
都是负反馈，当扰动发生,通过检测扰动引起的 输出偏差进行调节。所以负反馈进行扰动调节时， 输出必然有波动。
有没有这样一种控制，当干扰一出现，在其影响 输出之前，就进行抑制，从而对输出没有影响？
精选2021版课件
1
此控制具有以下特征：
干扰
干扰通道
前馈调节器 执行器
Y1 -Y1 被控变量
对象
通过设计前馈调节器，使得调节器改变的量刚好 补偿干扰对对象的影响。
精选2021版课件
7
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。
另外，当有多个主要干扰时，用前馈-反馈不能得到 要求的控制质量。
利用串级控制副回路的特性，降低对执行器要求：
Wff Mff Σ FC
Sp
TC FS
N Y2
Y1
N
Wff(S)
Wf(S)
Sp
TC(S) -
+
- FC(S)
Wo2(S) Wo1(S) + Y
前馈-串级控制方框图
N
Wff(S)
Wf(S)
Sp
在扰动影响输出前进行调节。
直接测量扰动大小，通过调节，实现对扰动的完 全补偿，从而实现消除扰动对输出的影响。
前馈控制就是测量扰动，补偿扰动的控制
精选2021版课件
2
1 前馈控制的基本概念
前馈控制是相对于反馈控制而言的。
1、反馈控制： Feedback control 简称FBC
第三章 单回路控制系统设计
4.1 串级控制系统设计
都是负反馈，当扰动发生,通过检测扰动引起的 输出偏差进行调节。所以负反馈进行扰动调节时， 输出必然有波动。
有没有这样一种控制，当干扰一出现，在其影响 输出之前，就进行抑制，从而对输出没有影响？
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1
此控制具有以下特征：
干扰
干扰通道
前馈调节器 执行器
Y1 -Y1 被控变量
对象
通过设计前馈调节器，使得调节器改变的量刚好 补偿干扰对对象的影响。
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7
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。
另外，当有多个主要干扰时，用前馈-反馈不能得到 要求的控制质量。
利用串级控制副回路的特性，降低对执行器要求：
Wff Mff Σ FC
Sp
TC FS
N Y2
Y1
N
Wff(S)
Wf(S)
Sp
TC(S) -
+
- FC(S)
Wo2(S) Wo1(S) + Y
前馈-串级控制方框图
N
Wff(S)
Wf(S)
Sp
在扰动影响输出前进行调节。
直接测量扰动大小，通过调节，实现对扰动的完 全补偿，从而实现消除扰动对输出的影响。
前馈控制就是测量扰动，补偿扰动的控制
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2
1 前馈控制的基本概念
前馈控制是相对于反馈控制而言的。
1、反馈控制： Feedback control 简称FBC
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。
第4-1章 复杂过程控制系统-串级控制系统
先副回路， 后主回路
情况二：干扰来自原料油方面，使炉出口温度升高
出口温度 温度控制器输出 流量控制器设定值 。 燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化。
-过程控制
第四章 复杂过程控制系统
情况三：一次干扰和二次干扰同时存在
主、副变量同向变化
主、副调节器共同作用，执行阀的开度大幅度变化， 使得炉出口温度很快恢复到设定值。
-过程控制 过程控制
第四章 复杂过程控制系统
-过程控制
第四章 复杂过程控制系统
回顾
单回路系统： 一个被控过程，采用一个测量变送器检测被控
过程，采用一个控制器保持一个被控参数恒定， 或在小范围内变化，其输出也只控制一个执行 机构的系统。
着眼点：
运用PID控制，着眼于一个物理量的稳定工作， 控制方块图也是由一个闭环完成的。
控参数，输出量为主被控参数。
t 副被控过程—由副被控参数作为输出的生产过程，其输入量为控制参 数。 t 主调节器 —按主被控参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器 ，其输出作为副调节器的给定值。 t 副调节器 —按副被控参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的 调节器，其输出控制调节阀动作。
t副回路—由副调节器、副被控过程和副测量变送器组成的闭合回路。
t一次扰动—不包括在副回路内的扰动。 t二次扰动—包括在副回路内的扰动。
-过程控制
第四章 复杂过程控制系统
串级控制原理
一、串级控制系统的组成
例 ：管式加热炉是炼油厂经常采用的设备之一（如下所示），
其工艺要求是：炉出口温度保持恒定。
干扰：
原料的流量、初始温度； 燃料的流量、燃料热值。
-过程控制
第四章 复杂过程控制系统
过程控制系统
分析可知，以风量作控制参数为最佳选择。
§2-3 执 行 器 选 择
0、概述
1. 作用
•在自动控制系统中，接受调节器的指令；
•经执行机构将其转换为相应的角位移或直线位移；
•去操纵调节机构，改变被控对象进、出的能量或
物料。
2.
组成
执 行 机 构 调 节 机 构
3. 类型
薄 膜 机 构 － － 应 用 最 广
快开特性：适于要求快速开、闭的控制系统。
抛物线特性：介于直线特性与对数特性之间，弥补了直线特 性小开度时控制性能差的缺点。
三、控制阀作用方式的选择
(一)、气开气关方式的选择
• 选气开还是气关式，由生产工艺的要求决定。 1、从生产的安全出发 2、从保证产品质量考虑 3、从降低原料和动力的损耗考虑 4、从介质特点考
过程控制系统
第一章 绪论 第二章 单回路控制系统 第三章 串级控制系统
第一章 绪论
1、过程控制的概念
凡是采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或某些 物理参数进行的自动控制通称为过程控制。
2、过程控制的特点
过程控制的目的：保持过程中的有关参数为一定值或按 一定规律变化。
过程控制的特点：
1、被空对象的多样性 2、普遍存在滞后 3、特性往往具有非线性
一般希望控制通道克服扰动的应使扰动作用点位置远离被控 量能力要强，动态响应应比扰动通道快,要突出干扰作用,应使扰 动作用点位置远离被控量。
(三).实例讨论
例1：喷雾式乳粉干 燥设备的控制 。
1.控制要求：干燥后的 产品含水量波动要小。
2.被控参数选择：干 燥器里的温度
3.控制参数的选择 (三种方案如图所示)
8、调节器输出：根据偏差值、经一定算法得到的输出值。
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自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
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自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
3、工作过程 • 稳定状态下…… • 主动量变化时…… • 从动量由于干扰而变化时……
4、优缺点 优点：不但能实现从动量跟随主动量变化，而且能
克服从动量本身干扰对比值的影响等。 缺点：主动量不受控。
• 在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第 三个变量的变化而变化。
•为了满足上述生产工艺要求，开发并应用变比值控制。 2、系统结构：如下图所示 3、变比值控制的含义
变比值控制系统是一个以第三个变量为主变量(质量 指标)、以两个流量比为副变量的串级控制系统。
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自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
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§4-4-3 比值控制系统设计
自动化仪表与过程控制
② 将对生产负荷起关键作用的物料流量作为主动量。 ③ 从安全角度出发，分析两种物料流量分别在失控情况 下，看哪一种情况必须保持比值一定，就将这种情况下的 那种物料流量作为主动量较为合适。
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§4-4-3 比值控制系统设计
自动化仪表与过程控制
自动化仪表与过程控制
第四章 复杂过程控制系统
§4-4 比值控制 §4-4-1 比值控制原理 §4-4-2 比值控制系统的结构类型 §4-4-3 比值控制系统设计 §4-4-4 比值控制系统整定 §4-4-5 应用举例
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§4-4-1 比值控制原理
自动化仪表与过程控制
一、方法的产生
在现代工业生产过程中，要求两种或多种物料流量成
二、比值系数的换算 要实现流量比值控制，首先就必须将工艺上的流量比
值K换算成仪表上的信号比值K’。换算方法随流量与测量 信号间是否成线性关系而不同。 1、流量与测量信号成线性关系
流量检测信号经过开方器后与流量信号成线性关系。 对DDZ－Ⅲ型仪表，当流量由零变至最大值Qmax时，仪 表对应的输出信号为4～20mA（DC），则流量的任一中间 值Q所对应的输出电流为：
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自动化仪表与过程控制
§4-4-3 比值控制系统设计
则： 根据式（2）
I Q 16 4 (mA) Qm a x
Q (I 4) Qmax 16
K Q2 (I2 4) Q2 max 16 I2 4 Q2max Q1 (I1 4) Q1max 16 I1 4 Q1max
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
一、开环比值控制 1、系统组成：如下图所示
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自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
2、特点 • 简单、成本低； • 只有当Q1变化时才起控制作用； • Q2变化时，Q1不会响应，比例关系被破坏。
3、适用场合 从动量没有干扰的情况。
二、单闭环比值控制 1、特点: 能克服开环比值方案的不足。 2、系统组成：如下图所示
2
§4-4-1 比值控制原理
自动化仪表与过程控制
二、比值控制的含义 凡是两个或多个变量自动维持一定比值关系的过程控
制系统，统称为比值控制系统。 三、变量及关系
• 主动量---起主导作用而又不可控的物料流量； • 从动量---跟随主动量而变化的物料流量； • 比例系数: K=Q2/ Q1
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自动化仪表与过程控制
6、应用实例
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§4-4-3 比值控制系统设计
自动化仪表与过程控制
一、主、从动量的选择 1、单闭环比值控制系统主、从动量的选择
（一个流量可控，另一个流量不可控） 不可控的流量作为主动量，可控的流量作为从动量。 2、双闭环比值控制系统主、从动量的选择（两个流量都 可控） 可以掌握以下原则： ① 分析两种物料的供应情况，将有可能供应不足的物料 流量作为主动量，供应充足的物料流量作为从动量。
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自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
4、工作过程 •系统稳定时…… •当Q1、Q2出现扰动时…… •当出现其他扰动(如温度、压力、成分等变化)时……
5、特点 比值只是一种手段，不是最终目的，而第三变量y(t)
往往是产品质量指标。
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自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
量的影响。 ※ 升降负荷比较方便。
4、适用场合 常用在主动量干扰频繁或工艺上不允许负荷有较大
的波动，或工艺上经常需要升降负荷的场合。 5、使用中的注意事项
† 防止从动量回路产生“共振”。 † 主、从控制器都不宜采用微分作用。
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自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
四、变比值控制系统 1、方法的产生
一定比例关系；一旦比例失调，会影响生产的正常进行，
影响产品质量，浪费动力，造成环境污染，甚至产生生产
事故。如：
• 燃烧过程中，往往要求燃料量与空气量需按一和注入剂按比例混合。
• 造纸过程中为保证纸浆浓度，要求自动控制纸浆量
和水量比例。
• 水泥配料系统……
0.0
所以仪表比值K’为：
K I2 4 K Q1max
I1 4
Q2 max
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（1） （2） （3）
（4）
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§4-4-3 比值控制系统设计
自动化仪表与过程控制
对于气动单元组合仪表，当流量由零变至最大值Qmax 时，仪表对应的输出信号为0.02～0.1Mpa，则流量的任 一中间值Q所对应的输出信号为：
p Q 0.08 0.02 (Mpa) Qm a x
（5）
所以仪表比值K’为： K K Q1max Q2 max
（6）
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§4-4-3 比值控制系统设计
自动化仪表与过程控制
2、流量与测量信号成非线性关系
流量与压差的关系为： Q C p
（7）
当压差信号是由零变到最大值△pmax时，DDZ－Ⅲ型 仪表对应的输出信号为4～20mA（DC），气动仪表对应的 输出信号为0.02～0.1Mpa。
5、适用场合 在负荷变化不太大的场合得到广泛应用。
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自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
三、双闭环比值控制 1、特点：能克服单闭环主动量不受控的不足。 2、系统组成：如下图所示
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自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
3、优点 ※ 对主动量实行定值控制，克服了干扰对主、从动