前饋控制器課件

1、 反饋控制廣泛應用于流程工業(yè)，它具有通用性強、魯棒性好、可克服所有干擾、無需建立對象模型等特點。但反饋控制也存在著一些不足之處。 1.反饋控制只有在被控變量產(chǎn)生偏差以后才能產(chǎn)生校正作用，因此它不能實現(xiàn)被控變量完全不受干擾影響的理想控制。 2.反饋控制不能提供預測的功能，無法補償已知的或可以測量的干擾的影響。 3.當被控變量不能在線測量時，反饋控制是無法采用的。 對于那些采用反饋控制無法獲得滿意效果且干擾可在線測量的過程，加入前饋控制往往能顯著改善控制品質。所謂“魯棒性”，是指控制系統(tǒng)在一定（結構，大?。┑膮?shù)攝動下，維持某些性能的特性。4.1.1 前饋控制系統(tǒng)的基本概念 到目前為止，所討論的控

2、制系統(tǒng)（單回路）是有反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。1）其特點是： 當被控過程受到擾動后，必須等到被控參數(shù)出現(xiàn)偏差時，控制器才動作，以補償擾動對被控參數(shù)的影響。2）被控參數(shù)產(chǎn)生偏差的原因由于擾動的存在。3）設想： 倘若能在擾動出現(xiàn)時就進行控制，而不是等到偏差發(fā)生后再進行控制，這樣的控制方案一定可以更有效地消除擾動對被控參數(shù)的影響。前饋控制正是基于這種思路提出來的。 在過程控制領域中，前饋和反饋是兩類并列的控制方式，為了分析前饋控制的基本原理，首先回顧一下反饋控制的特點。4.1 前饋控制系統(tǒng)采用單回路控制：被控參數(shù)：熱流體出口溫度2控制參數(shù)：蒸汽流量qD干擾因素：被加熱物料流量q， 入口溫度1 蒸汽壓力pD

3、系統(tǒng)分析： 當擾動（如被加熱的物料流量q，入口溫度1或蒸汽壓力pD等的變化）發(fā)生后，將引起熱流體出口溫度2發(fā)生變化，使其偏離給定值20，隨之溫度調(diào)節(jié)器按照被控量偏差值（e=20-2）的大小和方向產(chǎn)生控制作用，通過調(diào)節(jié)閥的動作改變加熱用蒸汽的流量qD，從而補償擾動對被控量2的影響。圖41 換熱器溫度反饋控制系統(tǒng)1 反饋控制的特點 圖41為換熱器溫度控制系統(tǒng)原理框圖。圖中:2為熱流體溫度； 1為冷流體溫度； q為流體流量； qD為蒸汽流量; pD為蒸汽壓力; TT為溫度測量變送器; 20為熱流體溫度給定值;TC為溫度調(diào)節(jié)器; Kv為溫度調(diào)節(jié)閥門。由此可歸納出反饋控制的特點如下： (1）反饋控制的本

4、質是“基于偏差來消除偏差”。 (2） 無論擾動發(fā)生在哪里，總要等到引起被控量發(fā)生偏差后，調(diào)節(jié)器才動作，故調(diào)節(jié)器的動作總是落后于擾動作用的發(fā)生，是一種“不及時”的控制。 (3）反饋控制系統(tǒng)，因構成閉環(huán)，故而存在一個穩(wěn)定性的問題。即使組成閉環(huán)系統(tǒng)的每一個環(huán)節(jié)都是穩(wěn)定的，閉環(huán)系統(tǒng)是否穩(wěn)定，仍然需要作進一步的分析。 (4）引起被控量發(fā)生偏差的一切擾動，均被包圍在閉環(huán)內(nèi)，故反饋控制可消除多種擾動對被控量的影響。 (5）反饋控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律通常是P、PI、PD、PID等典型規(guī)律。 前饋控制（簡稱FFC），又稱干擾補償，它與反饋控制完全不同，是按照引起被控參數(shù)變化的干擾大小進行控制的。 在這種控

5、制系統(tǒng)中，當干擾剛剛出現(xiàn)而又能測出時，調(diào)節(jié)器便發(fā)出調(diào)節(jié)信號使調(diào)節(jié)參數(shù)作相應的變化，使兩者相互抵消于被控參數(shù)發(fā)生偏差之前。 因此，前饋調(diào)節(jié)對干擾的克服比反饋調(diào)節(jié)快。2 前饋控制的原理與特點： 對圖41所示的換熱器，采用如圖42所示的前饋控制系統(tǒng)。假設換熱器的物料流量q是影響被控量Q2的主要擾動，此時q變化頻繁，變化幅值大，且對出口溫度Q2的影響最為顯著。為此，采用前饋控制方式： 即通過流量變送器測量物料流量q，并將流量變送器的輸出信號送到前饋補償器，前饋補償器根據(jù)其輸入信號，按照一定的運算規(guī)律操作調(diào)節(jié)閥門，從而改變加熱用蒸汽流量qD，以補償物料流量q對被控溫度的影響。？圖4-2 換熱器前饋控制示

6、意圖qD（1）前饋控制的理論基礎(不變性原理) 前饋控制的基本原理是：測量進入過程的干擾量(包括外界干擾和設定值變化)，并根據(jù)干擾的測量值產(chǎn)生合適的控制作用來改變控制量，使被控制變量維持在設定值上。 不變性原理或稱擾動補償原理是前饋控制的理論基礎。 “不變性”是指控制系統(tǒng)的被控變量不受擾動變量變化的影響。 對于任何一個系統(tǒng)，總是希望被控變量受擾動的影響越小越好。 然而進入控制系統(tǒng)中的擾動必然通過被控對象的內(nèi)部聯(lián)系，使被控量發(fā)生偏離其給定值的變化。而不變性原理是通過前饋控制器的校正作用，消除擾動對被控量的這種影響。 不變性定義為 當f(t)0時，y(t) 0 (41) 即被控變量y(t)與擾動f

7、(t)無關。 一般情況下存在著以下幾種類型的不變性。 絕對不變性 所謂絕對不變性是指在擾動f(t)的作用下，被控變量y(t)在整個過渡過程中始終保持不變，即控制過程的動態(tài)和靜態(tài)偏差均為零。 如圖4-3所示。所以,若適當選擇前饋控制器的傳遞函數(shù)GB(s)，可以做到F(s)對Y(s)不產(chǎn)生任何影響，即實現(xiàn)完全的不變性。y1y=y1+y2y2f(t)t圖4-3 擾動補償原理 誤差不變性 誤差不變性又稱為(epsilon)不變性，是指在擾動f(t)的作用下，被控變量y(t)的波動小于一個很小的值，即 |y(t)| (4一2) 誤差不變性在工程上具有現(xiàn)實意義。對于大量工程上應用的前饋或前饋一反饋控制系統(tǒng)

8、，由于實際補償?shù)哪Ｐ团c理想的補償模型之間存在誤差，以及測量變送裝置精度的限制，通常難以實現(xiàn)絕對不變性控制。 因此，總是按照工藝上的要求提出一個允許的偏差值，依此進行誤差不變性系統(tǒng)設計。這種誤差不變性系統(tǒng)由于滿足工程領域的實際要求，獲得了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。穩(wěn)態(tài)不變性 穩(wěn)態(tài)不變性是指系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工況下被控變量與擾動無關。即系統(tǒng)在擾動f(t)作用下，穩(wěn)態(tài)時被控變量y(t)的偏差為零，即 當f(t)0時， (43) 靜態(tài)前饋系統(tǒng)就屬于這種穩(wěn)態(tài)不變性系統(tǒng)，工程上常將不變性與穩(wěn)態(tài)不變性結合起來這樣構成的系統(tǒng)既能消除靜態(tài)偏差，又能滿足工藝上對動態(tài)偏差的要求。選擇不變性 被控變量往往受到若干個干擾的影響，

9、若系統(tǒng)對其中幾個主要的干擾實現(xiàn)不變性補償，就稱為選擇不變性。 基于不變性原理組成的自動控制系統(tǒng)稱為前饋控制系統(tǒng)，它實際上是根據(jù)不變性原理對干擾進行補償?shù)囊环N開環(huán)控制系統(tǒng)。1.反饋控制的特點： （1）反饋控制本質基于偏差來消除偏差 （2）不及時控制 （3）閉環(huán) （4）可消除多種擾動對被控量的影響 （5）控制器的控制規(guī)律是P、PI、PID等2.前饋控制的理論基礎不變性原理“不變性”是指控制系統(tǒng)的被控變量不受擾動變量變化的影響。 當f(t)0時，y(t) 0 即被控變量y(t)與擾動f(t)無關。（1）絕對不變性（2）誤差不變性（3）穩(wěn)態(tài)不變性（4）選擇不變性復習：(2)前饋控制器 前饋控制器的設計

10、依據(jù)不變性原理。 作為一個前饋控制系統(tǒng)，在擾動發(fā)生后，必將經(jīng)過過程的擾動通道引起被控量的變化，與此同時，前饋控制器根據(jù)擾動的性質及大小對過程的控制通道施加控制，使被控量發(fā)生與前者相反的變化，以抵消擾動對被控量的影響。圖4-4前饋控制系統(tǒng)的一般框圖 前饋控制系統(tǒng)框圖如圖44所示。圖中，GB(s)為前饋控制器，傳遞函數(shù)GF(s)為過程擾動通道傳遞函數(shù)；GO(s)為過程控制通道傳遞函數(shù)；F(s)為系統(tǒng)可測不可控擾動；Y(s)為被控參數(shù)。這里假設測量變送環(huán)節(jié)以及控制閥的傳遞函數(shù)都為1。 由圖可知 由上式可知，理想前饋控制器的控制作用是干擾通道的傳遞函數(shù)與控制通道傳遞函數(shù)之比，式中負號表示前饋控制作用的

11、方向與干擾作用的方向相反。顯然，要得到完全補償，不確切知道通道的特性是不行的。而且，對于不同的通道特性就有相應的前饋控制作用。 圖4-3表示了這種全補償過程。 在f(t)階躍變化下，y1(t)和y2(t)的響應曲線方向相反，幅值相同。所以它們的疊加結果使y(t)達到理想的控制連續(xù)地維持在恒定的設定值上。顯然，這種理想的控制性能是反饋控制做不到的，因為反饋控制系統(tǒng)是按被控變量與設定值之間的偏差動作的。在干擾作用下，被控變量總要經(jīng)歷一個偏離設定值的過渡過程。 前饋控制的另一突出優(yōu)點是本身不形成閉合回路，不存在閉環(huán)穩(wěn)定性問題，因而也就不存在控制精度與穩(wěn)定性的矛盾。 由此，可將前饋控制器的特點歸納如下

12、（重點）： (l)前饋控制器是“基于擾動來消除擾動對被控量的影響”， 故前饋控制又稱為“擾動補償”。 (2)前饋控制對于干擾的克服要比反饋控制及時 前饋控制是針對干擾作用進行控制的。當干擾一出現(xiàn)，前饋控制器就根據(jù)檢測到的干擾，按一定規(guī)律進行控制。從理論上說，當干擾發(fā)生后，被控變量還未發(fā)生變化，前饋控制器就產(chǎn)生了控制作用把偏差徹底消除。因此前饋控制對于干擾的克服要比反饋控制及時得多，這也是前饋控制的一個主要優(yōu)點。表41是前饋控制與反饋控制的比較。 (3)只適合用來克服可測而不可控的擾動，而對系統(tǒng)中的其它擾動無抑制作用。如果干擾是不可測的，那就不能進行前饋控制；如果干擾是可測且可控的，則只要設計一

13、個定值控制系統(tǒng)就行了，而無需采用前饋控制。 (4)前饋控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng) 反饋控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，而前饋控制是一個開環(huán)控制系統(tǒng)。前饋控制器根據(jù)干擾產(chǎn)生控制作用對被控變量進行影響，而被控變量并不會反過來影響前饋控制器的輸入信號(擾動量)。從某種意義上來講，前饋控制系統(tǒng)是開環(huán)控制系統(tǒng)這一點是前饋控制的不足之處。 由于前饋控制不存在閉環(huán)，因而前饋控制的效果無法通過反饋加以檢驗。因此采用前饋控制時，對被控對象的了解必須比采用反饋控制時清楚得多，才能得到比較合適的前饋控制作用。(5)前饋控制采用的是由對象特性確定的“專用”控制器 一般的反饋控制系統(tǒng)均采用通用的PID控制器，而前饋控制器是專用控

14、制器。對于不同的對象特性，前饋控制器的形式將是不同的。4.1.2前饋控制的局限性 由前饋控制的原理、特點可看出，前饋控制雖然對可測不可控的擾動有很好的抑制作用，但同時亦存在著很大的局限性，主要有： 1 完全補償難以實現(xiàn) 前饋控制只有在實現(xiàn)完全補償?shù)那疤嵯?，才能使系統(tǒng)得到良好的動態(tài)品質，但完全補償幾乎是難以作到的，因為： (1) 要準確地掌握過程擾動通道特性 GF(s)及控制通道特性 GO(s)是不容易的。故而前饋模型GB(s)難以準確獲得。 (2) 即使前饋模型GB(s)能準確求出，有時工程上也難以實現(xiàn)（必須采用計算機）。 2 只能克服可測不可控的擾動。 實際的生產(chǎn)過程中，往往同時存在著若干個

15、干擾。 如上述換熱器溫度系統(tǒng)中，物料流量q、物料入口溫度Q1、蒸汽壓力pD等的變化均將引起出口溫度Q2的變化。 如果要對每一種擾動都實行前饋控制，就是對每一個擾動至少使用一套測量變送儀表和一個前饋控制器，這將使系統(tǒng)龐大而復雜，從而將增加自動化設備的投資。 另外，尚有一些擾動量至今無法對其實現(xiàn)在線測量。而若僅對某些可測擾動進行前饋控制，則無法消除其它擾動對被控參數(shù)的影響，這些因素均限制了前饋控制的應用范圍。 鑒于以上原因，為了獲得滿意的控制效果，合理的控制方案是把前饋控制和反饋控制結合起來，組成前饋反饋復合控制系統(tǒng)（FFC-FBC ）。它的優(yōu)點： (1) 利用前饋控制有效地減少干擾對被控參數(shù)的動

16、態(tài)影響； (2) 利用反饋控制使被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值上，從而保證了系統(tǒng)較高的控制質量。4.1.3 前饋控制系統(tǒng)的幾種結構形式 1靜態(tài)前饋控制系統(tǒng) 式（4-6）求得的前饋控制器，考慮了兩個通道的動態(tài)特性，是一種動態(tài)前饋控制器。它追求的目標是被控變量的絕對不變性。而在實際生產(chǎn)過程中，通常并沒有如此高的要求，有時只需要在穩(wěn)態(tài)下實現(xiàn)對擾動的補償。令式(46)中的s為0，就可得到靜態(tài)前饋控制算式 GB(0)=-GF(0)/Go(0)=-KB （1)定義： 所謂靜態(tài)前饋控制，是指前饋控制器的調(diào)節(jié)規(guī)律為比例特性，即，GB(0)=-GF(0)/Go(0)=-KB，其大小是根據(jù)過程干擾通道的靜態(tài)放大系數(shù)和過程控

17、制通道的靜態(tài)放大系數(shù)決定的。（2）應用場合：在實際生產(chǎn)過程中，當過程干擾通道與控制通道的時間常數(shù)相差不大時，應用靜態(tài)前饋控制，可獲得較高的控制精度。（3)靜態(tài)前饋控制的控制目標: 使被控參數(shù)最終的靜態(tài)偏差接近或等于零，而不考慮由于兩通道時間常數(shù)的不同而引起的動態(tài)偏差。 （4)實現(xiàn)措施： 靜態(tài)前饋控制非常簡單，不需要專用控制器，只要用DDZ儀表中的比例調(diào)節(jié)器或比值器就能滿足使用要求。 在有條件列寫過程靜態(tài)方程時，也可按方程式來實現(xiàn)靜態(tài)前饋。 例如：在圖4-2所示的換熱器前饋控制中，若冷物料流量為主要干擾時，要實現(xiàn)靜態(tài)前饋控制，可按穩(wěn)態(tài)時能量平衡關系(忽略熱損失）寫出其平衡方程，即 Q0H0=Qf

18、Cp(T2-T1) （47） （加熱用蒸汽單位時間內(nèi)所放出的汽化潛熱等于被加熱物料在單位時間內(nèi)所帶走的熱量)式中 Q0為加熱蒸汽量；H0為蒸汽汽化潛熱；Qf為冷物料流量； Cp為冷物料的比熱；T1、T2分別為冷、熱物料溫度。由式(47)可得圖4-2 換熱器前饋控制示意圖QfQ0如果冷物料溫度T1不變，由式(4-8)可求得控制通道的靜態(tài)放大系數(shù)而干擾通道的靜態(tài)放大系數(shù) 所以有式（49）就是換熱器靜態(tài)前饋控制方案中前饋控制器的靜態(tài)特性。可見，用比例調(diào)節(jié)器即可實現(xiàn)。 2動態(tài)前饋控制系統(tǒng)(1)適用條件： 靜態(tài)前饋控制是為了保證被控參數(shù)的靜態(tài)偏差接近或等于零，而不能保證被控參數(shù)的動態(tài)偏差接近或等于零。當

19、需要嚴格控制動態(tài)偏差時，則要采用動態(tài)前饋控制。(2）實現(xiàn)： 動態(tài)前饋控制的實現(xiàn)基于絕對不變性原理，必須根據(jù)過程干擾通道和控制通道的動態(tài)特性，采用專用控制器，即 GB(s)=-GF(s)/Go(s) 而GF(s)和Go(s)的精確模型是很難得到的，即使能夠得到也是難以實現(xiàn)的。(3）應用場合： 動態(tài)前饋控制系統(tǒng)的結構比較復雜，只有當工藝要求控制質量很高、其它控制方案難以滿足、且存在一個可測不可控的主要擾動時，才考慮采用動態(tài)前饋控制方案。3前饋一反饋復合控制系統(tǒng) 在理論上，前饋控制可以實現(xiàn)被控變量的不變性，但在工程實踐中，由于下列原因前饋控制系統(tǒng)仍然會存在偏差。 實際的工業(yè)對象會存在多個擾動，若都設

20、置前饋通道，勢必增加控制系統(tǒng)投資費用和維護工作量。因而一般僅選擇幾個主要干擾加以前饋控制。這樣設計的前饋控制器對其他干擾是沒有絲毫校正作用的。 受前饋控制模型精度的限制。 用儀表來實現(xiàn)前饋控制算式時，往往作了近似處理。尤其當綜合得到的前饋控制算式中包含有純超前環(huán)節(jié)(es)或純微分環(huán)節(jié)(Tds+1)時，它們在物理上是不能實現(xiàn)的。 因此構建的前饋控制器只能是近似的。 前饋控制系統(tǒng)中，不存在被控變量的反饋，即對補償?shù)男Ч麤]有檢驗的手段。因此，如果控制的結果無法消除被控變量的偏差，系統(tǒng)將無法做進一步的校正。為了解決前饋控制的這一局限性，在工程上往往將前饋與反饋結合起來應用，構成前饋一反饋控制系統(tǒng)。這樣

21、既發(fā)揮了前饋作用及時的優(yōu)點，又保持了反饋控制能克服多種擾動以及對被控變量進行檢驗的長處，是一種適合過程控制的好方法。換熱器的前饋一反饋控制系統(tǒng)及其方框圖分別表示在圖4-5a和圖4-5b中。 這里假設兩個測量變送環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)都為1，控制閥的傳遞函數(shù)也為1，由圖可見，當冷物料(生產(chǎn)負荷)發(fā)生變化時，前饋控制器及時發(fā)出控制指令，補償冷物料流量變化對換熱器出口溫度的影響；同時，對于未引入前饋的冷物料的溫度、蒸汽壓力等擾動對出口溫度的影響，則由PID反饋控制器來克服。前饋作用加反饋作用，使得換熱器的出口溫度穩(wěn)定在給定值上，獲得了比較理想的控制效果。 圖4-5a換熱器前饋-反饋控制系統(tǒng)示意圖圖4-5b換

22、熱器前饋-反饋控制系統(tǒng)框圖在前饋一反饋復合控制系統(tǒng)中，輸入X(s)、F(s)對輸出的共同影響為如果要實現(xiàn)對干擾F(s)的完全補償，則上式的第二項應為零，即 (4-10)結論： ( 1）前饋反饋復合控制系統(tǒng)對干擾F(s)實現(xiàn)完全補償?shù)臈l件與開環(huán)前饋控制相同。 所不同的是：干擾F(s)對輸出的影響要比開環(huán)前饋控制的情況下小1+Gc(s)Go(s)倍。這是由于反饋控制起作用的結果。 這就表明，本來經(jīng)過開環(huán)補償以后輸出的變化已經(jīng)不太大了，再經(jīng)過反饋控制進一步減小了1+Gc(s)Go(s)倍，從而充分體現(xiàn)了前饋一反饋復合控制的優(yōu)越性。 (2) 前饋一反饋控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點： 從前饋控制角度，由于增加了

23、反饋控制，降低了對前饋控制模型精度的要求，并能對未選作前饋信號的干擾產(chǎn)生校正作用。 從反饋控制角度，由于前饋控制的存在，對干擾作了及時的粗調(diào)作用，大大減小了反饋控制的負擔。 (3）由式(410)可知，復合控制系統(tǒng)的待征方程式為 1+Gc(s)Go(s)=0 (4-11) 這一特征方程式只和Gc(s)、Go(s)有關，而與GB(s)無關，即與前饋控制器無關。 這就說明:加不加前饋控制器并不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性完全由閉環(huán)控制回路來確定。這就給設計工作帶來很大的方便。（4）在設計復合控制系統(tǒng)時，可以： 先根據(jù)閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計方法進行，可暫不考慮前饋控制器的作用，使系統(tǒng)滿足一定的穩(wěn)定儲備要求和一

24、定的過渡過程品質要求。 當閉環(huán)系統(tǒng)確定以后，再根據(jù)不變性原理設計前饋控制器，進一步消除干擾對輸出的影響。4.1.4 前饋控制系統(tǒng)的選用原則 (1) 當系統(tǒng)中存在變化頻率高、幅值大、可測而不可控的干擾時，反饋控制難以克服此類干擾對被控參數(shù)的顯著影響，而工藝生產(chǎn)對被控參數(shù)的要求又十分嚴格，為了改善和提高系統(tǒng)的控制品質，可以引入前饋控制。 干擾變化的幅值越大，對被控量的影響越大，偏差也越大，這時用按干擾的前饋控制顯然比反饋控制有利。 由于高頻干擾對被控量的影響十分顯著，尤其是對于滯后較小的流量對象，會使系統(tǒng)產(chǎn)生持續(xù)的振蕩現(xiàn)象。此時，若采用前饋控制，則該干擾可得到同步的前饋補償，因而可獲得較滿意的控制

25、品質。 例如，在鍋爐汽包水位控制中，蒸汽用量就是一個可測不可控的干擾，為了使汽包水位的變化控制在工藝規(guī)定的范圍內(nèi)，通常以蒸汽量為前饋信號，與水位和給水量構成前饋一反饋復合控制系統(tǒng)。前饋-反饋復合控制系統(tǒng)：被控參數(shù)：汽包水位控制參數(shù)：給水量前饋信號：蒸汽流量圖4-9 鍋爐汽包水位前饋-反饋復合控制系統(tǒng) (2) 當過程控制通道滯后大，其時間常數(shù)又比干擾通道的時間常數(shù)大，反饋控制又不及時，控制質量差，此時可以選用前饋控制，以提高控制質量。 (3) 經(jīng)濟性原則 通常動態(tài)前饋的投資高于靜態(tài)前饋。所以，若靜態(tài)前饋能夠達到工藝要求時，就選用靜態(tài)前饋而不選用動態(tài)前饋。（4）動態(tài)、靜態(tài)前饋的選用：當被控參數(shù)的控

26、制通道與被前饋的擾動通道的時間常數(shù)比較接近時，選用靜態(tài)前饋方案，可得到滿意的控制效果。在使用計算機控制時，動態(tài)前饋的實現(xiàn)會帶來更好的控制品質。4.1.5 前饋控制系統(tǒng)的設計 前饋控制系統(tǒng)的設計大都基于不變性原理，即Y(s)/F(s)=0；不變性是通過系統(tǒng)中的校正裝置對控制參數(shù)實行校正來實現(xiàn)的。在設計中，以控制系統(tǒng)的品質指標為依據(jù)，應包括系統(tǒng)控制方案設計及系統(tǒng)參數(shù)整定兩個部分。（1）方案設計：前饋控制規(guī)律設計系統(tǒng)穩(wěn)定性設計其他（a）當T0 Tf時，可采用動態(tài)前饋-反饋控制來改善控制品質。 在前饋控制系統(tǒng)設計中，前饋調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律完全取決于過程擾動通道與控制通道的數(shù)學模型。求取前饋調(diào)節(jié)器的控制規(guī)

27、律，實質上就是求取過程控制通道和擾動通道的數(shù)學模型。 確定了GF(s)和G0(s)后，通過合理分析T0、Tf及0、f的關系來合理選擇調(diào)節(jié)規(guī)律。1）前饋控制規(guī)律2）前饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性（a）在前饋控制系統(tǒng)中，當過程控制通道和擾動通道均具有自平衡特性時，則構成的前饋系統(tǒng)一定是一個穩(wěn)定的系統(tǒng)。（b）對于非自平衡過程，通常不能僅用前饋，而應設計前饋-反饋控制系統(tǒng)，若反饋系統(tǒng)是穩(wěn)定的，則相應的前饋-反饋控制系統(tǒng)也是穩(wěn)定的。（c）必須考慮物料平衡關系；參數(shù)匹配問題等。 （2）前饋控制系統(tǒng)的整定 整定原則： 反饋回路和前饋回路分別整定，整定反饋回路時應具有一定的穩(wěn)定裕量，而不考慮前饋部分，整定前饋裝置時，不

28、考慮反饋引起的穩(wěn)定性問題。（整定方法從略）4.1.6 前饋控制系統(tǒng)工業(yè)應用實例 根據(jù)不變性原理設計的前饋控制已廣泛應用于石油、化工、電力、原子能等各工業(yè)生產(chǎn)部門。但在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，大多數(shù)采用前饋一反饋復合控制系統(tǒng)，下面舉幾個工業(yè)應用實例。 (1)葡萄糖濃度前饋一反饋控制系統(tǒng) 蒸發(fā)是一個借加熱作用使溶液濃縮或使溶質析出的物理操作過程。 它在輕工、化工等生產(chǎn)過程中得到廣泛的應用。例如:造紙、制糖、海水淡化、燒堿等生產(chǎn)過程，都必須經(jīng)過蒸發(fā)操作過程。 下面以葡萄糖生產(chǎn)過程中蒸發(fā)器濃度控制為例，介紹前饋控制在蒸發(fā)過程中的運用。1)工藝簡介:圖4-10所示裝置是將初蒸濃度為50的葡萄糖液，用泵送入升

29、降膜式蒸發(fā)器，經(jīng)蒸汽加熱蒸發(fā)至73的葡萄糖液，然后送至后道工序結晶。 由蒸發(fā)工藝可知，在給定壓力下，溶液的濃度同溶液的沸點與水的沸點之差(即溫差)有較好的單值對應關系，故以溫差為被控參數(shù)。2)影響葡萄糖濃度的因素主要有: 進料溶液的濃度、溫度和流量， 加熱蒸汽的壓力和流量等，其中：對濃度影響最大的:進料溶液的流量和 加熱蒸汽的流量。3)系統(tǒng)構成:以加熱蒸汽流量為前饋信號、以溫差為被控參數(shù)、進料溶液為控制參數(shù)的前饋一反饋控制系統(tǒng)，如圖4-10所示。 運行情況表明，系統(tǒng)的質量指標比較令人滿意，達到了工藝要求。前饋反饋復合控制系統(tǒng)：被控參數(shù)：溫差控制參數(shù)：進料溶液流量前饋信號：加熱蒸汽流量圖4-10

30、 蒸發(fā)過程中濃度控制示意圖(2)鍋爐給水控制系統(tǒng) 鍋爐是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的重要動力設備。在鍋爐的正常運行中，汽包水位是其主要工藝指標。 當汽包水位過高時，會造成蒸汽帶液，其結果不僅降低了蒸汽的產(chǎn)量和質量，而且會損壞汽輪機葉片； 當水位過低時，輕則影響汽水平衡，重則會燒干鍋爐，甚至會引起鍋爐爆炸。所以必須嚴格控制水位在規(guī)定的工藝范圍內(nèi)。圖4-11 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng) 如圖4-11所示，鍋爐汽包水位控制的任務是使給水量適應鍋爐的蒸發(fā)量，并保持其在規(guī)定的工藝范圍內(nèi)。因此，汽包水位是被控參數(shù)，而引起汽包水位變化的主要干擾是鍋爐的蒸汽流量和給水流量。 蒸汽流量是負荷，隨發(fā)電需要而變化，為不可控因素， 給

31、水流量則可以作為控制參數(shù)，以此構成鍋爐給水控制系統(tǒng)。 但由于鍋爐汽包中存在“虛假水位“，故簡單控制系統(tǒng)不能滿足工藝要求。 所謂“虛假水位”，即在燃料量不變的情況下，當蒸汽用量(即負荷)突然增加時，會使汽包內(nèi)的壓力突然降低，水的沸騰加劇，加速汽化，汽泡量也突然增加，由于汽泡的體積比水的體積大很多倍，結果形成了汽包內(nèi)水位升高的假象。反之，當蒸汽用量突然減少時，汽包內(nèi)蒸汽壓力急劇上升，水的沸騰暫時停止，結果造成水位瞬時下降的假象。 圖4-11 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)前饋反饋復合控制系統(tǒng)：被控參數(shù)：鍋爐汽包水位前饋信號：蒸汽流量控制參數(shù)：給水流量 對于“虛假水位”，在系統(tǒng)設計時常作如下考慮，即采用蒸汽流

32、量為前饋信號，汽包水位為被控參數(shù)和給水流量為控制參數(shù)，構成前饋一反饋復合控制系統(tǒng)，如圖412所示。 本系統(tǒng)能實現(xiàn)對蒸汽負荷的前饋控制，在穩(wěn)定工況下，給水量Q將等于蒸汽量D的變化，從而維持了水位H的不變。D圖4-12 鍋爐汽包水位前饋-反饋復合控制系統(tǒng) （3）連續(xù)消毒塔溫度前饋一反饋控制系統(tǒng) 在制藥工業(yè)中，抗菌素的生產(chǎn)，目前仍然采用培養(yǎng)基發(fā)酵的方法進行。在培養(yǎng)基進入發(fā)酵罐接種之前，必須進行滅菌消毒。 目前，都是利用連續(xù)消毒塔進行消毒的，連續(xù)消毒塔的主要指標是培養(yǎng)基連續(xù)消毒塔的溫度。若溫度過低，會因培養(yǎng)基滅菌不徹底而增加染菌率，導致整批培養(yǎng)基全部報廢，帶來重大經(jīng)濟損失。反之，若溫度過高，則會破壞培

33、養(yǎng)基的成分，從而降低了產(chǎn)品的回收率。 所以，培養(yǎng)基在連續(xù)消毒塔的出口溫度是保證抗菌素質量的關鍵指標，為此必須對它進行控制，通常要求控制精度為(1282)。 可選擇連續(xù)消毒塔的出口溫度為被控參數(shù)，選用培養(yǎng)基的流量作為調(diào)節(jié)參數(shù)，構成單回路控制系統(tǒng)。但是，當蒸汽壓力波動較大時，溫度波動幅度超過了工藝允許范圍。 影響消毒塔出口溫度的主要擾動是蒸汽壓力，而蒸汽壓力是一個可測而不可控的擾動，為了提高控制質量，構成圖4-13所示的前饋一反饋控制系統(tǒng)。 圖4-13 連續(xù)消毒塔溫度前饋-反饋控制系統(tǒng)前饋-反饋控制系統(tǒng)被控參數(shù)：連續(xù)消毒塔的 出口溫度控制參數(shù)：培養(yǎng)基的流量前饋信號：蒸汽壓力 在連續(xù)消毒塔的前饋-反

34、饋控制系統(tǒng)試驗中，為了防止發(fā)生培養(yǎng)基染菌事故，用水代替料液對連續(xù)消毒塔進行了動態(tài)測試。連續(xù)消毒塔的控制通道和擾動通道的近似傳遞函數(shù)為： 應用了前饋-反饋控制方案后，溫度控制品質大有改進，當蒸汽壓力波動時，通過前饋校正作用及時校正培養(yǎng)基流量，以補償壓力對連續(xù)消毒塔出口溫度的影響。 系統(tǒng)運行情況表明，系統(tǒng)性能良好，提高了培養(yǎng)基的質量，縮短了消毒時間，滿足了生產(chǎn)工藝要求。1.前饋控制器的設計依據(jù)：基于不變性原理2.前饋控制的特點： （1）基于擾動來消除擾動對被控量的影響 （2）比反饋控制及時 （3）只適合用來克服可測而不可控的擾動 （4）前饋控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng) (5)前饋控制采用的是由對象特性確定

35、的“專用”控制器 3.前饋控制的結構形式 靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)、動態(tài)前饋控制系統(tǒng)、前饋-反饋復合控制系統(tǒng)4.前饋控制規(guī)律的選用：（1）當T0 Tf時，可采用動態(tài)前饋-反饋控制來改善控制品質。 5.前饋控制系統(tǒng)舉例 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要兩種或兩種以上的物料按一定比例混合或進行化學反應。一旦比例失調(diào)，輕則會造成產(chǎn)品質量不合格，重則會造成生產(chǎn)事故或發(fā)生危險。例如：1）在工業(yè)鍋爐燃燒過程中，需要自動保持燃料量與空氣量按一定比例混合后送入爐膛。 2）在制藥生產(chǎn)過程中，要求將藥物和注入劑按規(guī)定比例混合。3）聚乙烯醇生產(chǎn)中，樹脂和氫氧化鈉(Na0H)必須按一定比例進行混合，否則樹脂將發(fā)生自聚而影響生產(chǎn)

36、的正常進行。4.2 比值控制系統(tǒng) 4）在硝酸生產(chǎn)過程中，進入氧化爐的氨氣和空氣的流量要有合適的比例。但同時還應從安全角度考慮，因為當氨氣在空氣中的含量低溫時在（1528）之間，高溫時在（1430）之間都會有產(chǎn)生爆炸的危險。因此，保證氨氣和空氣進料量的比例，不讓它進入爆炸范圍，這對安全生產(chǎn)來說具有重要意義。 為了實現(xiàn)上述種種特殊的要求，必須設計一種特殊的過程控制系統(tǒng)，即比值控制系統(tǒng)。 比值控制的目的，就是為了使幾種物料混合后符合一定比例關系，使生產(chǎn)能安全正常進行。1 .定義： 所謂比值控制系統(tǒng)，簡單地說，就是使一種物料隨另一種物料按一定比例變化的控制系統(tǒng)。 實現(xiàn)使兩個或兩個以上參數(shù)符合一定比例關

37、系的控制系統(tǒng)稱為比值控制系統(tǒng)。通常以保持兩種或兩種以上物料的流量為一定比例關系的系統(tǒng)，稱為流量比值控制系統(tǒng)。2 主物料：在比值控制系統(tǒng)中，需要保持比值的兩種物料必有一種處于主導地位，這種物料稱為主物料，表征這種物料的參數(shù)稱為主動量，或主流量，用 Q1表示。 從物料：另一種物料按主物料進行配比，即在控制過程中隨主物料而變化，因此稱為從物料。表征這種物料的參數(shù)稱為從動量，或副流量，用Q2表示。 一般情況下，總是把生產(chǎn)中主要物料定為主物料。在有些場合，是將不可控物料作為主物料，用改變可控物料即從物料來實現(xiàn)它們之間的比值關系。3 . 比值控制系統(tǒng)就是要實現(xiàn)副流量和主流量成一定的比例關系，即滿足Q2Q1

38、k，k為副流量和主流量的比值。 如上所述，在比值控制系統(tǒng)中，從動量是隨主動量按一定比例變化的，因此，比值控制系統(tǒng)實際上是一種隨動控制系統(tǒng)?！纠?1】某廠生產(chǎn)中需連續(xù)使用68NaOH溶液，工藝上采用30NaOH溶液加水稀釋配置，如圖412所示。一般，由電化廠提供的30濃度的Na0H溶液比較穩(wěn)定，引起混合器出口溶液濃度變化的主要原因是入口處的堿和水的流量變化。按反饋控制原理，為了保證出口濃度，可設計以出口濃度為被控變量，入口處的水(或堿)流量為操縱變量的反饋控制系統(tǒng)。但是，濃度信號的獲取較為困難，即使可以獲得濃度信號并組成控制系統(tǒng)，往往也因測量環(huán)節(jié)和對象控制通道的滯后較大，影響 控制品質。根據(jù)前饋

39、控制的不變性原理，若某 一輸入物料流量變化時，另一物料也能按比例 跟隨變化，則可以達到對出口濃度的完全補償。 對于上述混合問題，通過簡單的化學計算可知，只要使入口的30%濃度的NaOH溶液和水的質量流量之比保持在1：41：2.75之間，就可滿足出口NaOH溶液濃度達到6%8%。對于這樣一個濃度控制問題，也就成為流量比值控制問題。 生產(chǎn)上這種類似的控制問題很多，都可以通過保持物料的流量比來保證最終質量。顯然，保持流量比只是一種控制手段，保證最終質量才是控制目的。因此比值控制實質上是前饋控制的一種特例。（1）開環(huán)比值控制 圖4-13所示為開環(huán)比值控制系統(tǒng)示意圖。FT為檢測變送器，F(xiàn)C為比值控制器。

40、在穩(wěn)定工況下，兩種物料的流量應滿足Q2=kQ1的要求。 1) 缺點：該系統(tǒng)對副流量無抗干擾能力，當副流量管線壓力改變時，就滿足不了所要求的比值。 2) 應用范圍：只適用于從動物料管線壓力比較穩(wěn)定，對比值精度要求不高的場合。 3) 優(yōu)點：結構簡單，投資省。Q2Q1k （4-12）4.2.1 定比值控制圖4-13 開環(huán)比值控制系統(tǒng)示意圖 對于例41中的生產(chǎn)過程，為保證混合后的濃度，可設計如圖413(a)所示的控制系統(tǒng)，其中FC21為純比例控制器。當流量Q1隨高位槽液面變化時，控制器FC的輸出按比例變化。若選線性控制閥，則Q2也隨著Q1按比例變化。在保持流量間比例關系的兩物料中，Q1處于主導地位，選

41、擇為主流量，Q2隨著Q1變化，選擇為副流量。該系統(tǒng)中的控制器只起比例作用，可用比值器代替，改變控制器的比例度或比值器的比值系數(shù)，就可以改變兩流量的比值k。系統(tǒng)的方框圖如圖413(b)所示，因為系統(tǒng)是開環(huán)的，故稱為開環(huán)比值控制系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)的副流量Q2無反饋校正，因此對于副流量本身無抗干擾能力。如本例中的水流量，若入口壓力變化，就無法保證兩流量的比值。因此對于開環(huán)比值方案，雖然結構簡單，但一般很少采用，只有當副流量較平穩(wěn)且流量比值要求不高的場合才可采用。(2)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 為了克服開環(huán)比值控制系統(tǒng)的弱點，可對副流量引入一個反饋回路，組成如圖414(a)所示的控制系統(tǒng)。當主流量Q1變化時，

42、其流量信號經(jīng)測量變送器送到比值器R中。比值器按預先設置好的比值系數(shù)使輸出成比例變化，并作為副流量控制器的設定值。此時，副流量控制是一個隨動系統(tǒng)，Q2經(jīng)反饋控制自動跟隨Q1變化，使其在新的工況下保持兩流量比值k不變。 當副流量由于自身的干擾而變化時，因為它是一個閉環(huán)系統(tǒng)，經(jīng)反饋控制后可以克服自身的干擾。一般流量控制器都采用PI作用，能消除余差，使工藝要求的流量比k保持不變。從方框圖可以看出，系統(tǒng)只包含一個閉合回路，故稱為單閉環(huán)比值控制。-分析：當主流量受擾動而變化時，其流量信號經(jīng)變送器送到比值運算器Gc1(s)，比值運算器則按預先設置的比值器參數(shù)使輸出成比例地變化，即成比例地改變副調(diào)節(jié)器Gc2(

43、s)的給定值，使副流量Q2跟隨主流量Q1而變化，從而保證原設定的比值不變。當主、副流量同時受到擾動時，調(diào)節(jié)器Gc2(s)在克服副流量擾動的同時，又根據(jù)新的給定值，改變調(diào)節(jié)閥的開度，使主、副流量在新的流量數(shù)值的基礎上，保持其原設定值的比值關系。 可見，該系統(tǒng)能確保主、副兩個流量的比值不變，而系統(tǒng)的結構又較簡單，所以在工業(yè)生產(chǎn)過程自動化中應用較廣。 穩(wěn)態(tài)下，從動量回路是定值控制。 當主動量受干擾變化，從動量回路是隨動控制。1) 應用場合：尤其適用于主物料在工藝上不允許進行控制的場合。2) 優(yōu)點： 不但實現(xiàn)副流量隨主流量的變化而變化，而且可以克服副流量本身干擾對比值的影響，因此，主、副流量的比值較為

44、精確。實施亦較方便，所以得到了廣泛的應用。2) 缺點： 主流量Q1是可變的，因而其總流量是不固定的，這對于直接去化學反應器的場合是不太合適的，因為負荷波動會對反應過程造成一定的影響，有可能使整個反應器的熱平衡遭到破壞，甚至造成嚴重事故。這是單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)無法克服的一個弱點。 因此，單閉環(huán)比值控制方案一般在負荷變化不太大時選用為宜。應用舉例 丁烯洗滌塔的任務是用水除去丁烯餾分中所夾帶的乙腈，為了保證洗滌質量，要求根據(jù)進料流量配以一定比例的洗滌水量。(3)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 為了既能實現(xiàn)兩個流量的比值恒定，又能使進入系統(tǒng)的總負荷平穩(wěn)，在單閉環(huán)比值控制的基礎上又出現(xiàn)了雙閉環(huán)比值控制。1) 組成：

45、由一個定值控制的主流量控制回路和一個跟隨主流量變化的副流量控制回路組成。主流量控制回路：克服主流量擾動， 實現(xiàn)其定值控制。副流量控制回路:抑制作用于副回路的干擾， 從而使主、副流量均比較穩(wěn)定， 使總物料量也比較平穩(wěn)。2) 應用場合：在工業(yè)生產(chǎn)過程中，當要求負荷變化比較平穩(wěn)時，可以采用這種控制方案。3)缺點：該方案所用儀表較多，投資較高。K總結： 單、雙閉環(huán)比值控制比值器參數(shù)不變。例如： 在以石腦油為原料的合成氨生產(chǎn)中，進入一段轉化爐的石腦油要求與水蒸氣成一定比例，同時還要求各自的流量比較穩(wěn)定，所以設計了如圖415所示的控制系統(tǒng)，圖中R1是流量Q1的設定值。它與單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的差別就在于主流

46、量也構成了閉合回路，故稱為雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。 由于有兩個流量閉合回路，可以克服各自的外界干擾，使主、副流量都比較平穩(wěn)，流量間的比值可通過比值器實現(xiàn)。這樣，系統(tǒng)的總負荷也將是平穩(wěn)的，克服了單閉環(huán)比值控制總流量不穩(wěn)定的缺點。但該方案所用儀表較多，投資高，一般情況下，采用兩個單回路定值控制系統(tǒng)分別穩(wěn)定主流量和副流量，也可達到目的。 上述三種比值控制方案的一個共同特點是： 它們都以保持兩物料流量比值一定為目的，比值器的參數(shù)經(jīng)計算設置好后不再變動，工藝要求的實際流量比值k也就固定不變，因此統(tǒng)稱為定比值控制系統(tǒng)。 流量之間實現(xiàn)一定比例的目的僅僅是保證產(chǎn)品質量的一種手段，而定比值控制的各種方案只考慮如何來

47、實現(xiàn)這種比值關系，而沒有考慮成比例的兩種物料混合或反應后最終質量是否符合工藝要求。因此，從最終質量來看這種定比值控制系統(tǒng)是開環(huán)的。由于工業(yè)生產(chǎn)過程的干擾因素很多，當系統(tǒng)中存在著除流量干擾以外的其他干擾(如溫度、壓力、成分以及反應器中催化劑老化等的干擾)時，原來設定的比值器參數(shù)就不能保證產(chǎn)品的最終質量，需進行重新設置。但是，這種干擾往往是隨機的，且干擾幅度各不相同，無法用人工經(jīng)常去修正比值系數(shù)，因此出現(xiàn)了按照某一工藝指標自動修正流量比值的變比值控制系統(tǒng)。它的一般結構形式如圖416所示。4.2.2 變比值控制 在有些生產(chǎn)過程中，要求兩種物料流量的比值隨第三個工藝參數(shù)的需要而變化，為滿足這種工藝的要

48、求，開發(fā)并設計了變比值控制系統(tǒng)。下圖為用除法器構成的變比值控制系統(tǒng)方塊圖。特點：以第三參數(shù)或稱以主參數(shù)和兩個流量比為副參數(shù)所組成的比值串級組合控制系統(tǒng)。分析： 當系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，主控制器輸出不變，主、副流量恒定，其比值也一定，主參數(shù)符合工藝要求，產(chǎn)品質量合格; 當系統(tǒng)(如氣體等)受到干擾時（當出現(xiàn)除流量擾動外如溫度、壓力、成分等變化時），雖然通過單閉環(huán)比值控制回路（相當于串級控制的副回路），保證了流量比值一定，卻不能保證總流量不變，一旦總流量發(fā)生變化，會導致主參數(shù)偏離了設定值，此時主控制器的輸出產(chǎn)生變化，從而修正了比值控制器的設定值，相當于修正了兩個變流量的比值(即變化值)，使系統(tǒng)在新的比值上

49、重新穩(wěn)定。注意： 在變比值控制系統(tǒng)中，流量比值只是一種控制手段，不是最終目的，而第三參數(shù)往往是產(chǎn)品質量指標。 流量的檢測是靠差壓變送器，而差壓變送器加上開方器后才能得到線性的流量信號。這里假設采用的流量測量變送器給出的信號都是線性流量信號。 在穩(wěn)定狀態(tài)下，主、副流量Q1和Q2恒定(即Q2Q1=k為一定值)。它們分別經(jīng)測量變送器送除法器相除，其輸出表征了它們的比值，同時作為比值控制器FC的測量信號。這時表征最終質量指標的主參數(shù)y也恒定，所以主控制器AC輸出信號穩(wěn)定，且和比值控制器的測量信號相等。比值控制器輸出穩(wěn)定，控制閥開度一定，產(chǎn)品質量合格。 當系統(tǒng)中出現(xiàn)除流量干擾外的其他干擾引起主參數(shù)y變化

50、時，通過主反饋回路使主控制器輸出變化，修改兩流量的比值設定值，以保持主參數(shù)穩(wěn)定。對于進入系統(tǒng)的主流量Q1干擾，由于比值控制回路的快速隨動跟蹤，使副流量Q2=kQ1相應變化，以保持主參數(shù)y穩(wěn)定，它起了靜態(tài)前饋的作用。 對于副流量本身的干擾，同樣可以通過自身的控制回路克服，它相當于串級控制系統(tǒng)的副回路。因此這種變比值控制系統(tǒng)實質上是一種靜態(tài)前饋一串級控制系統(tǒng)。由于兩流量比值是由表征最終質量的第三參數(shù)y給出的，因此也有人把這種變比值控制系統(tǒng)稱為由第三參數(shù)給定的比值控制系統(tǒng)。圖417所示的硝酸生產(chǎn)中氧化爐溫度對氨氣空氣串級控制系統(tǒng)就是這類變比值控制系統(tǒng)的一個實例。 在硝酸生產(chǎn)過程中，氨氣和空氣混合后進

51、入氧化爐，在鉑觸媒作用下進行氧化反應，該反應為放熱反應，反應溫度必須嚴格控制在(8405o)C。反應方程為： 4NH3+5O2 4NO+6H2O+Q （4-13) 反應放出的熱量可使爐內(nèi)溫度高達750820OC，反應后生成的一氧化氮氣體通過廢熱鍋爐進行熱量回收，并經(jīng)快速冷卻器降溫，再進入硝酸吸收塔，與空氣第二次氧化后再與水作用而生成稀硝酸。 而影響溫度的主要因素是氨氣和空氣的比值，保證了混合器的氨、空氣比值，基本上控制了氧化爐的溫度。 當溫度受其他干擾(如觸媒老化等)而發(fā)生變化時，則可通過主控制器(此處為溫度控制器)改變氨量即改變氨、空氣比來補償，以滿足工藝的要求。若把該系統(tǒng)畫成方框圖則與上述

52、一般結構形式完全一致，只要將主參數(shù)y用溫度T代替即可。 在整個生產(chǎn)過程中，穩(wěn)定氧化爐的操作是保證優(yōu)質高產(chǎn)、低耗、無事故的首要條件，而穩(wěn)定氧化爐操作的關鍵條件是反應溫度，影響溫度的主要因素是氨氣和空氣的比值。 根據(jù)生產(chǎn)實踐，當氨氣流量變化1%，氧化爐反應溫度就會改變64OC。另外，空氣量變化，觸媒的老化等影響著反應溫度。 因此，當溫度受到干擾而變化時，均以改變氨流量來補償，即改變氨氣與空氣的比值來補償。所以設計了以氧化爐反應溫度為主參數(shù)，氨氣與空氣之比為副參數(shù)的串級一比值控制系統(tǒng)，即變比值控制系統(tǒng)。1）流量與測量信號成非線性關系。 對于節(jié)流元件來說，壓差與流量的平方成正比，即 式中，C為差壓式流

53、量計的比例系數(shù)。4.2.3 比值控制的實施4.2.3.1 比值系數(shù)的折算 (難點) 在工業(yè)生產(chǎn)中，比值控制是解決物料流量之間的比例關系問題。工藝要求的流量比值k，指兩流量的體積流量或重量流量之比，而通常所用的單元組合式儀表使用的是統(tǒng)一的標準信號。比值器參數(shù)K則是儀表的讀數(shù)，它是流量比值k的函數(shù)，一般情況并不相等。 因此，在設計和運用比值控制系統(tǒng)時，必須把工藝上的比值k折算成儀表的讀數(shù)k。當使用單元組合儀表時，參數(shù)均以相應的統(tǒng)一標準信號互相聯(lián)系。所以，比值器參數(shù)的計算也就是將k折算成相應儀表的標準統(tǒng)一信號k。當流量從0Qmax變化時，壓差從0Pmax變化，變送器的輸出為420mA.DC(對DDZ

54、-III型儀表而言）則任一中間流量值Q1或Q2所對應的變送器的輸出信號為 式中，Q1主流量的體積流量或重量流量 Q2副流量的體積流量或重量流量 Q1max測量Q1所用變送器的最大量程 Q2max測量Q2所用變送器的最大量程I1、I2為測量Q1、Q2所用變送器的輸出電流信號。由于生產(chǎn)工藝要求Q2/Q1=k，則為儀表信號之比補充：DDZ-II：010mA.DC QDZ變送器：20100KPa其任一中間流量Q即相應壓力P所對應于變送器的輸出為：DDZ-III: DDZ-II: QDZ儀表: 比值系數(shù)均為： 推導：即為所要求的比值器參數(shù)上式說明： 雖然流量與其測量信號成非線性關系，但是比值器參數(shù)卻是一

55、個常數(shù)，它只與測量流量變送器的最大量程有關，而與負荷大小無關。(2)流量與測量信號成線性關系 在有些系統(tǒng)中，當在變送器后又加上了開方器，或直接用線性流量計，如轉子流量計、渦輪流量計、橢圓齒輪流量計等進行測量時，流量與測量信號之間呈線性關系。此時，比值器參數(shù)的計算需要稍加改變，此時有則：即：主流量變送器量程上限副流量變送器量程上限補充:(信號范圍為20100KPa的氣動儀表) 當流量由0變至Qmax時,變送器對應輸出信號為20100KPa,變送器的轉換關系為:結論：1）流量比值k與比值器參數(shù)k是兩個不同的概念，不能混淆。2）比值器參數(shù)k的大小與流量比值k有關，也與變送器的量程有關，但與負荷的大小

56、無關。3）流量與測量信號之間有無非線性關系對計算式有直接影響，但儀表的信號范圍不一及起始點是否為零，均對計算式無影響。4）線性測量與非線性測量（平方根關系）情況下k間的關系為k非（k線)2。比值器參數(shù)k為:式中P2副流量測量信號值 P1主流量測量信號值上式中k應為儀表輸出信號變化量之比，所以均需減去儀表信號的起始值。則：例 已知某比值控制系統(tǒng)，采用差壓式流量計（即由孔板和差壓變送器組成）測量主副流量，主流量變送器的最大量程為Q1max=12.5m3/h，副流量變送器的最大量程為Q2max=20m3/h ，生產(chǎn)工藝要求Q2/Q1=1.4。 試求：(1)不加開方器時儀表的比值器參數(shù)k; (2)加開

57、方器后儀表的比值器參數(shù)k。解: 根據(jù)題意，1)不加開方器時，實際流量與測量信號成非線性關系，故采用(415)式計算儀表的比值器參數(shù)k，即 2)當加開方器時，實際流量與測量信號成線性關系，故采用式(416)計算儀表的比值器參數(shù)k，即 比值控制系統(tǒng)有兩種實現(xiàn)方案，依據(jù)Q2=kQ1就可以對Q1的測量值乘以比值k，作為Q2流量控制器的設定值，稱為相乘的方案。 而依據(jù) 就可以將Q2與Q1的測量值相除，作為比值控制器的測量值，稱為相除的方案。 在工程上，具體實施比值控制時，通?？刹捎帽戎灯?、乘法器和除法器等儀表，來解決兩個流量的配比問題。在計算機控制系統(tǒng)中，則可以通過簡單的乘、除運算來實現(xiàn)。4.2.3.2

58、比值控制的實施方法（1）應用比值器方案 右圖為應用比值器實施的單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。圖中的虛線框表示對流量檢測信號是否進行線性化處理。以DDZ-III型電動比值器為例，比值器的輸入、輸出信號關系式為 I1=(I1-4).k+4 (mA) 在流量比值穩(wěn)定操作時，調(diào)節(jié)器的測量值應等于設定值，即 I2=I1=(I1-4).k+4 (mA)由上式可知，只要將比值器的比值器參數(shù)k按前面講的換算公式求得后設置，就可實現(xiàn)比值控制。（2）應用乘法器方案（仍以電動儀表DDZ-III為例）設計的主要任務： 按照工藝要求的流量比值k，正確設置乘法器的設定值I0。 乘法器的運算信號為式中 I1,I0乘法器的輸入信號；

59、I1輸出信號 因為系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時，控制器的設定值I1和測量值I2相等，所以將I1=I2代入上式可得如果采用開方器，流量為線性變送時，如果沒有使用開方器，流量為非線性變送時，則則 根據(jù)DDZ-III單元組合式儀表的輸入、輸出信號只能為420mA，由上式可知，要保證I0在標準信號范圍內(nèi)，則要求所以在選擇流量檢測儀表的量程時，應滿足其中: kmax為工藝要求的可能最大比值。（3）應用除法器方案（以DDZ-III單元組合式儀表為例）除法器的信號關系為由于穩(wěn)態(tài)時Is=I0，所以 因為除法器的輸出就是兩流量的比值，所以對比值可以直接顯示，非常直觀。 而且調(diào)節(jié)器的設定值就是比值，便于精確設定，操作方便。 若將

60、比值設定改作第三參數(shù)，就可實現(xiàn)變比值控制。4.2.4 比值控制系統(tǒng)的設計與投運（1 ）主、從動量的設計 設計比值控制系統(tǒng)時，需要先確定主、從動量。原則：在生產(chǎn)過程中起主導作用、可測而不可控，且較昂貴的物料流量一般為主動量，其余的物料流量以它為準進行配比，則為從動量。另外，當生產(chǎn)工藝有特殊要求時，主、從動量的確定應服從工藝需要。（2 ）控制方案的選擇 根據(jù)不同工藝情況、負荷變化、擾動性質、控制要求進行合理選擇。如:工藝上僅要求兩物料流量之比值一定，負荷變化不大，而對總流量變化無要求，則選用單閉環(huán)比值控制方案。又如：在生產(chǎn)過程中，主副流量的擾動頻繁，負荷變化較大，同時要保證主、副物料總量恒定，則可