前馈控制器课件

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1、 反馈控制广泛应用于流程工业，它具有通用性强、鲁棒性好、可克服所有干扰、无需建立对象模型等特点。但反馈控制也存在着一些不足之处。 1.反馈控制只有在被控变量产生偏差以后才能产生校正作用，因此它不能实现被控变量完全不受干扰影响的理想控制。 2.反馈控制不能提供预测的功能，无法补偿已知的或可以测量的干扰的影响。 3.当被控变量不能在线测量时，反馈控制是无法采用的。 对于那些采用反馈控制无法获得满意效果且干扰可在线测量的过程，加入前馈控制往往能显著改善控制品质。所所谓“鲁棒性棒性”，是指控制系，是指控制系统在一定（在一定（结构，大小）构，大小）的参数的参数摄动下，下，维持某些性能的特性。持某些性能的

2、特性。4.1.1 前馈控制系统的基本概念前馈控制系统的基本概念 到目前为止，所讨论的控制系统（单回路）是有到目前为止，所讨论的控制系统（单回路）是有反馈的闭环反馈的闭环控制控制系统。系统。1 1）其特点是）其特点是： 当被控过程受到扰动后，必须等到被控参数出现偏差时，控制器才当被控过程受到扰动后，必须等到被控参数出现偏差时，控制器才动作，以补偿扰动对被控参数的影响。动作，以补偿扰动对被控参数的影响。2 2）被控参数产生偏差的原因）被控参数产生偏差的原因由于扰动的存在。由于扰动的存在。3 3）设想：）设想： 倘若能在扰动出现时就进行控制，而不是等到偏差发生后再进行倘若能在扰动出现时就进行控制，而

3、不是等到偏差发生后再进行控制，这样的控制方案一定可以更有效地消除扰动对被控参数的影响。控制，这样的控制方案一定可以更有效地消除扰动对被控参数的影响。前馈控制正是基于这种思路提出来的。前馈控制正是基于这种思路提出来的。 在过程控制领域中，在过程控制领域中，前馈前馈和和反馈反馈是两类并列的控制方式，为了分是两类并列的控制方式，为了分析前馈控制的基本原理，首先回顾一下反馈控制的特点。析前馈控制的基本原理，首先回顾一下反馈控制的特点。4.1 前馈控制系统采用单回路控制：被控参数：热流体出口温度2控制参数：蒸汽流量qD干扰因素：被加热物料流量q， 入口温度1 蒸汽压力pD系统分析： 当扰动（如被加热的物

4、料流量q，入口温度1或蒸汽压力pD等的变化）发生后，将引起热流体出口温度2发生变化，使其偏离给定值20，随之温度调节器按照被控量偏差值（e=20-2）的大小和方向产生控制作用，通过调节阀的动作改变加热用蒸汽的流量qD，从而补偿扰动对被控量2的影响。图41 换热器温度反馈控制系统1 1 反馈控制的特点反馈控制的特点 图图4 41 1为换热器温度控制系统原理框图。图中为换热器温度控制系统原理框图。图中: : 2 2为热流体温度；为热流体温度； 1 1为冷流体温度；为冷流体温度； q q为流体流量；为流体流量； q qD D为蒸汽流量为蒸汽流量; ; p pD D为蒸汽压力为蒸汽压力; TT; TT

5、为温度测量变送器为温度测量变送器; ; 2020为热流体温度给定值为热流体温度给定值; ;TCTC为温度调节器为温度调节器; K; Kv v为温度调节阀门。为温度调节阀门。由此可归纳出反馈控制的特点如下：由此可归纳出反馈控制的特点如下： (1(1）反馈控制的本质是）反馈控制的本质是“基于偏差来消除偏差基于偏差来消除偏差”。 (2(2） 无论扰动发生在哪里，总要等到引起被控量发生偏差后，调节器无论扰动发生在哪里，总要等到引起被控量发生偏差后，调节器才动作，故调节器的动作总是落后于扰动作用的发生，是一种才动作，故调节器的动作总是落后于扰动作用的发生，是一种“不及时不及时”的控制。的控制。 (3(3

6、）反馈控制系统，因构成反馈控制系统，因构成闭环闭环，故而存在一个稳定性的问题。即使组，故而存在一个稳定性的问题。即使组成闭环系统的每一个环节都是稳定的，闭环系统是否稳定，仍然需要作成闭环系统的每一个环节都是稳定的，闭环系统是否稳定，仍然需要作进一步的分析。进一步的分析。 (4(4）引起被控量发生偏差的一切扰动，均被包围在闭环内，故反馈控制引起被控量发生偏差的一切扰动，均被包围在闭环内，故反馈控制可消除多种扰动可消除多种扰动对被控量的影响。对被控量的影响。 (5(5）反馈控制系统中，调节器的反馈控制系统中，调节器的控制规律控制规律通常是通常是P P、PIPI、PDPD、PIDPID等典型等典型规

7、律。规律。 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 2 前馈控制的原理与特点：前馈控制的原理与特点： 对图41所示的换热器，采用如图42所示的前馈控制系统。假设换热器的物料流量q是影响被控量Q2的主要扰动，此时q变化频繁，变化幅值大，且对出口温度Q2的影响最为显著。为此，采用前馈控制方式： 即通过流量变送器测量物料流量q，并将流量变送器的输出信号送到前馈补偿

8、器，前馈补偿器根据其输入信号，按照一定的运算规律操作调节阀门，从而改变加热用蒸汽流量qD，以补偿物料流量q对被控温度的影响。？图4-2 换热器前馈控制示意图qD（1 1）前馈控制的理论基础）前馈控制的理论基础( (不变性原理不变性原理) ) 前馈控制的基本原理是：测量进入过程的干扰量(包括外界干扰和设定值变化)，并根据干扰的测量值产生合适的控制作用来改变控制量，使被控制变量维持在设定值上。 不变性原理或称扰动补偿原理是前馈控制的理论基础。不变性原理或称扰动补偿原理是前馈控制的理论基础。 “不变性不变性”是指控制系统的被控变量不受扰动变量变化的影响。是指控制系统的被控变量不受扰动变量变化的影响。

9、 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，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。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 (41) 即被控变量y(t)与扰动f(t)无关。 一般情况下存在着以下几种类型的不变性。 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

10、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。y1y=y1+y2y2f(t)t图4-3 扰动补偿原理 误差不变性 误差不变性又称为(epsilon)不变性，是指在扰动f(t)的作用下，被控变量y(t)的波动小于一个很小的值，即 |y(t)| (4一2) 误差不变性在工程上具有现实意义。对于大量工程上应用的前馈或前馈一反馈控制系统，由于实际补偿的模型与理想的补偿模型之间存在误差，以及测量变送装置精度的限制，通常难以实现绝对不变性控制。 因此，总是按照工艺上的要求提出一个允许的偏差值，依此进行误差不变性系统设计。这种误差不变性系统由于满足工程领域的实际要求，获得了迅速

11、的发展和广泛的应用。稳态不变性 稳态不变性是指系统在稳态工况下被控变量与扰动无关。即系统在扰动f(t)作用下，稳态时被控变量y(t)的偏差为零，即 当f(t)0时， (43) 静态前馈系统就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。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。 基于不变性原理组成的自动控制系统称为前馈控制系统，它实基于不变性原理组成的自动控制系统称为前馈控制系统，它实际上是根据不变性原理对干扰进行补偿的一种开环控制系统。际上是根据不变性

12、原理对干扰进行补偿的一种开环控制系统。1.反馈控制的特点： （1）反馈控制本质基于偏差来消除偏差 （2）不及时控制 （3）闭环 （4）可消除多种扰动对被控量的影响 （5）控制器的控制规律是P、PI、PID等2.前馈控制的理论基础不变性原理“不变性”是指控制系统的被控变量不受扰动变量变化的影响。 当f(t)0时，y(t) 0 即被控变量y(t)与扰动f(t)无关。（1）绝对不变性（2）误差不变性（3）稳态不变性（4）选择不变性复习：复习：(2)前前馈控制器控制器 前馈控制器的设计依据不变性原理。 作为一个前馈控制系统，在扰动发生后，必将经过过程的扰动通道引起被控量的变化，与此同时，前馈控制器根据

13、扰动的性质及大小对过程的控制通道施加控制，使被控量发生与前者相反的变化，以抵消扰动对被控量的影响。图4-4前馈控制系统的一般框图 前馈控制系统框图如图44所示。图中，GB(s)为前馈控制器，传递函数GF(s)为过程扰动通道传递函数；GO(s)为过程控制通道传递函数；F(s)为系统可测不可控扰动；Y(s)为被控参数。这里假设测量变送环节以及控制阀的传递函数都为1。 由图可知 由上式可知，理想前馈控制器的控制作用是干扰通道的传递函数与控制通道传递函数之比，式中负号表示前馈控制作用的方向与干扰作用的方向相反。显然，要得到完全补偿，不确切知道通道的特性是不行的。而且，对于不同的通道特性就有相应的前馈控

14、制作用。 图4-3表示了这种全补偿过程。 在f(t)阶跃变化下，y1(t)和y2(t)的响应曲线方向相反，幅值相同。所以它们的叠加结果使y(t)达到理想的控制连续地维持在恒定的设定值上。显然，这种理想的控制性能是反馈控制做不到的，因为反馈控制系统是按被控变量与设定值之间的偏差动作的。在干扰作用下，被控变量总要经历一个偏离设定值的过渡过程。 前馈控制的另一突出优点是本身不形成闭合回路，不存在闭环稳定性问题，因而也就不存在控制精度与稳定性的矛盾。 由此，可将前馈控制器的特点归纳如下由此，可将前馈控制器的特点归纳如下（重点）（重点）： (l)前馈控制器是“基于扰动来消除扰动对被控量的影响”， 故前馈

15、控制又称为“扰动补偿”。 (2)前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制及时 前馈控制是针对干扰作用进行控制的。当干扰一出现，前馈控制器就根据检测到的干扰，按一定规律进行控制。从理论上说，当干扰发生后，被控变量还未发生变化，前馈控制器就产生了控制作用把偏差彻底消除。因此前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制及时得多，这也是前馈控制的一个主要优点。表41是前馈控制与反馈控制的比较。 (3)只适合用来克服可测而不可控的扰动，而对系统中的其它扰动无抑制作用。如果干扰是不可测的，那就不能进行前馈控制；如果干扰是可测且可控的，则只要设计一个定值控制系统就行了，而无需采用前馈控制。 (4)前馈控制属于开环控制系统

16、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。前馈控制器根据干扰产生控制作用对被控变量进行影响，而被控变量并不会反过来影响前馈控制器的输入信号(扰动量)。从某种意义上来讲，前馈控制系统是开环控制系统这一点是前馈控制的不足之处。 由于前馈控制不存在闭环，因而前馈控制的效果无法通过反馈加以检验。因此采用前馈控制时，对被控对象的了解必须比采用反馈控制时清楚得多，才能得到比较合适的前馈控制作用。(5)前馈控制采用的是由对象特性确定的“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。4.1.24.1.2前

17、馈控制的局限性前馈控制的局限性 由前馈控制的原理、特点可看出，前馈控制虽然对可测不可控的扰动有很好的抑制作用，但同时亦存在着很大的局限性，主要有： 1 完全补偿难以实现 前馈控制只有在实现完全补偿的前提下，才能使系统得到良好的动态品质，但完全补偿几乎是难以作到的，因为： (1) 要准确地掌握过程扰动通道特性 GF(s)及控制通道特性 GO(s)是不容易的。故而前馈模型GB(s)难以准确获得。 (2) 即使前馈模型GB(s)能准确求出，有时工程上也难以实现（必须采用计算机）。 2 只能克服可测不可控的扰动。 实际的生产过程中，往往同时存在着若干个干扰。 如上述换热器温度系统中，物料流量q、物料入

18、口温度Q1、蒸汽压力pD等的变化均将引起出口温度Q2的变化。 如果要对每一种扰动都实行前馈控制，就是对每一个扰动至少使用一套测量变送仪表和一个前馈控制器，这将使系统庞大而复杂，从而将增加自动化设备的投资。 另外，尚有一些扰动量至今无法对其实现在线测量。而若仅对某些可测扰动进行前馈控制，则无法消除其它扰动对被控参数的影响，这些因素均限制了前馈控制的应用范围。 鉴于以上原因，为了获得满意的控制效果，合理的控制方案是把前馈控制和反馈控制结合起来，组成前馈反馈复合控制系统（FFC-FBC ）。它的优点： (1) 利用前馈控制有效地减少干扰对被控参数的动态影响； (2) 利用反馈控制使被控参数稳定在给定

19、值上，从而保证了系统较高的控制质量。4.1.34.1.3 前馈控制系统的几种结构形式前馈控制系统的几种结构形式 1静态前馈控制系统 式（4-6）求得的前馈控制器，考虑了两个通道的动态特性，是一种动态前馈控制器。它追求的目标是被控变量的绝对不变性。而在实际生产过程中，通常并没有如此高的要求，有时只需要在稳态下实现对扰动的补偿。令式(46)中的s为0，就可得到静态前馈控制算式 GB(0)=-GF(0)/Go(0)=-KB （1)1)定义：定义： 所谓静态前馈控制，是指前馈控制器的调节规律为比例特性，即，GB(0)=-GF(0)/Go(0)=-KB，其大小是根据过程干扰通道的静态放大系数和过程控制通

20、道的静态放大系数决定的。（2 2）应用场合：）应用场合：在实际生产过程中，当过程干扰通道与控制通道的时间常数相差不大时，应用静态前馈控制，可获得较高的控制精度。（3)3)静态前馈控制的控制目标静态前馈控制的控制目标: : 使被控参数最终的静态偏差接近或等于零，而不考虑由于两通道时间常数的不同而引起的动态偏差。 （4)4)实现措施：实现措施： 静态前馈控制非常简单，不需要专用控制器，只要用DDZ仪表中的比例调节器或比值器就能满足使用要求。 在有条件列写过程静态方程时，也可按方程式来实现静态前馈。 例如：在图4-2所示的换热器前馈控制中，若冷物料流量为主要干扰时，要实现静态前馈控制，可按稳态时能量

21、平衡关系(忽略热损失）写出其平衡方程，即 Q0H0=QfCp(T2-T1) （47） （加热用蒸汽单位时间内所放出的汽化潜热等于被加热物料在单位时间内所带走的热量)式中 Q0为加热蒸汽量；H0为蒸汽汽化潜热；Qf为冷物料流量； Cp为冷物料的比热；T1、T2分别为冷、热物料温度。由式(47)可得图4-2 换热器前馈控制示意图QfQ0如果冷物料温度如果冷物料温度T T1 1不变，由式不变，由式(4-8)(4-8)可求得控制通道的静态放大系数可求得控制通道的静态放大系数而干扰通道的静态放大系数而干扰通道的静态放大系数 所以有所以有式（式（4 49 9）就是换热器静态前馈控制方案中前馈控制器的静态特

22、性。）就是换热器静态前馈控制方案中前馈控制器的静态特性。可见，用可见，用比例调节器比例调节器即可实现。即可实现。 2 2动态前馈控制系统动态前馈控制系统(1)适用条件： 静态前馈控制是为了保证被控参数的静态偏差接近或等于零，而不能保证被控参数的动态偏差接近或等于零。当需要严格控制动态偏差时，则要采用动态前馈控制。(2）实现： 动态前馈控制的实现基于绝对不变性原理，必须根据过程干扰通道和控制通道的动态特性，采用专用控制器，即 GB(s)=-GF(s)/Go(s) 而GF(s)和Go(s)的精确模型是很难得到的，即使能够得到也是难以实现的。(3）应用场合： 动态前馈控制系统的结构比较复杂，只有当工

23、艺要求控制质量很高、其它控制方案难以满足、且存在一个可测不可控的主要扰动时，才考虑采用动态前馈控制方案。3 3前馈一反馈复合控制系统前馈一反馈复合控制系统 在理论上，前馈控制可以实现被控变量的不变性，但在工程实践中，由于下列原因前馈控制系统仍然会存在偏差。 实际的工业对象会存在多个扰动，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干扰加以前馈控制。这样设计的前馈控制器对其他干扰是没有丝毫校正作用的。 受前馈控制模型精度的限制。 用仪表来实现前馈控制算式时，往往作了近似处理。尤其当综合得到的前馈控制算式中包含有纯超前环节(es)或纯微分环节(Tds+1)时，它们

24、在物理上是不能实现的。 因此构建的前馈控制器只能是近似的。 前馈控制系统中，不存在被控变量的反馈，即对补偿的效果没有检验的手段。因此，如果控制的结果无法消除被控变量的偏差，系统将无法做进一步的校正。为了解决前馈控制的这一局限性，在工程上往往将前馈与反馈结合起来应用，构成前馈一反馈控制系统。这样既发挥了前馈作用及时的优点，又保持了反馈控制能克服多种扰动以及对被控变量进行检验的长处，是一种适合过程控制的好方法。换热器的前馈一反馈控制系统及其方框图分别表示在图4-5a和图4-5b中。 这里假设两个测量变送环节的传递函数都为1，控制阀的传递函数也为1，由图可见，当冷物料(生产负荷)发生变化时，前馈控制

25、器及时发出控制指令，补偿冷物料流量变化对换热器出口温度的影响；同时，对于未引入前馈的冷物料的温度、蒸汽压力等扰动对出口温度的影响，则由PID反馈控制器来克服。前馈作用加反馈作用，使得换热器的出口温度稳定在给定值上，获得了比较理想的控制效果。 图4-5a换热器前馈-反馈控制系统示意图图4-5b换热器前馈-反馈控制系统框图在前馈一反馈复合控制系统中，输入在前馈一反馈复合控制系统中，输入X(s)X(s)、F(s)F(s)对输出的共同影响为对输出的共同影响为如果要实现对干扰如果要实现对干扰F(s)F(s)的完全补偿，则上式的第二项应为零，即的完全补偿，则上式的第二项应为零，即 (4-10)结论：结论：

26、 ( 1）前馈反馈复合控制系统对干扰F(s)实现完全补偿的条件与开环前馈控制相同。 所不同的是：干扰F(s)对输出的影响要比开环前馈控制的情况下小1+Gc(s)Go(s)倍。这是由于反馈控制起作用的结果。 这就表明，本来经过开环补偿以后输出的变化已经不太大了，再经过反馈控制进一步减小了1+Gc(s)Go(s)倍，从而充分体现了前馈一反馈复合控制的优越性。 (2) 前馈一反馈控制系统具有以下优点： 从前馈控制角度，由于增加了反馈控制，降低了对前馈控制模型精度的要求，并能对未选作前馈信号的干扰产生校正作用。 从反馈控制角度，由于前馈控制的存在，对干扰作了及时的粗调作用，大大减小了反馈控制的负担。

27、(3）由式(410)可知，复合控制系统的待征方程式为 1+Gc(s)Go(s)=0 (4-11) 这一特征方程式只和Gc(s)、Go(s)有关，而与GB(s)无关，即与前馈控制器无关。 这就说明:加不加前馈控制器并不影响系统的稳定性。稳定性完全由闭环控制回路来确定。这就给设计工作带来很大的方便。（4）在设计复合控制系统时，可以： 先根据闭环控制系统的设计方法进行，可暂不考虑前馈控制器的作用，使系统满足一定的稳定储备要求和一定的过渡过程品质要求。 当闭环系统确定以后，再根据不变性原理设计前馈控制器，进一步消除干扰对输出的影响。4.1.44.1.4 前馈控制系统的选用原则前馈控制系统的选用原则 (

28、1) (1) 当系统中存在变化频率高、幅值大、可测而不可控的干扰时，当系统中存在变化频率高、幅值大、可测而不可控的干扰时，反馈反馈控制难以克服此类干扰对被控参数的显著影响，而工艺生产对被控参控制难以克服此类干扰对被控参数的显著影响，而工艺生产对被控参数的要求又十分严格，为了改善和提高系统的控制品质，可以引入前数的要求又十分严格，为了改善和提高系统的控制品质，可以引入前馈控制。馈控制。 干扰变化的幅值越大，干扰变化的幅值越大，对被控量的影响越大，偏差也越大，对被控量的影响越大，偏差也越大，这时用按干扰的前馈控制显然比反馈控制有利。这时用按干扰的前馈控制显然比反馈控制有利。 由于高频干扰对被控量的

29、影响由于高频干扰对被控量的影响十分显著，尤其是对于滞后较十分显著，尤其是对于滞后较小的流量对象，会使系统产生持续的振荡现象。此时，若采用前馈控小的流量对象，会使系统产生持续的振荡现象。此时，若采用前馈控制，则该干扰可得到同步的前馈补偿，因而可获得较满意的控制品质。制，则该干扰可得到同步的前馈补偿，因而可获得较满意的控制品质。 例如，在锅炉汽包水位控制中，蒸汽用量就是一个可测不可控的干扰，为了使汽包水位的变化控制在工艺规定的范围内，通常以蒸汽量为前馈信号，与水位和给水量构成前馈一反馈复合控制系统。前馈-反馈复合控制系统：被控参数：汽包水位控制参数：给水量前馈信号：蒸汽流量图4-9 锅炉汽包水位前

30、馈-反馈复合控制系统 (2) (2) 当过程控制通道滞后大，其时间常数又比干扰通道的时间常数大，当过程控制通道滞后大，其时间常数又比干扰通道的时间常数大，反馈控制又不及时，控制质量差，此时可以选用前馈控制，以提高反馈控制又不及时，控制质量差，此时可以选用前馈控制，以提高控制质量。控制质量。 (3) (3) 经济性原则经济性原则 通常动态前馈的投资高于静态前馈。所以，通常动态前馈的投资高于静态前馈。所以，若静态前馈能够达到工艺要求时，就选用静态前馈而不选用动态前若静态前馈能够达到工艺要求时，就选用静态前馈而不选用动态前馈。馈。（4 4）动态、静态前馈的选用：）动态、静态前馈的选用：当被控参数的控

31、制通道与被前馈的扰动通道的时间常数比较接近时，当被控参数的控制通道与被前馈的扰动通道的时间常数比较接近时，选用静态前馈方案，可得到满意的控制效果。选用静态前馈方案，可得到满意的控制效果。在使用计算机控制时，动态前馈的实现会带来更好的控制品质。在使用计算机控制时，动态前馈的实现会带来更好的控制品质。4.1.5 4.1.5 前馈控制系统的设计前馈控制系统的设计 前馈控制系统的设计大都基于不变性原理，即Y(s)/F(s)=0；不变性是通过系统中的校正装置对控制参数实行校正来实现的。在设计中，以控制系统的品质指标为依据，应包括系统控制方案设计及系统参数整定两个部分。（1 1）方案设计：）方案设计：前馈

32、控制规律设计系统稳定性设计其他（a）当T0 Tf时，可采用动态前馈-反馈控制来改善控制品质。 在前馈控制系统设计中，前馈调节器的控制规律完全取决于过程扰动通道与控制通道的数学模型。求取前馈调节器的控制规律，实质上就是求取过程控制通道和扰动通道的数学模型。 确定了GF(s)和G0(s)后，通过合理分析T0、Tf及0、f的关系来合理选择调节规律。1）前馈控制规律2）前馈控制系统的稳定性（a）在前馈控制系统中，当过程控制通道和扰动通道均具有自平衡特性时，则构成的前馈系统一定是一个稳定的系统。（b）对于非自平衡过程，通常不能仅用前馈，而应设计前馈-反馈控制系统，若反馈系统是稳定的，则相应的前馈-反馈控

33、制系统也是稳定的。（c）必须考虑物料平衡关系；参数匹配问题等。 （2）前馈控制系统的整定 整定原则： 反馈回路和前馈回路分别整定，整定反馈回路时应具有一定的稳定裕量，而不考虑前馈部分，整定前馈装置时，不考虑反馈引起的稳定性问题。（整定方法从略）4.1.6 4.1.6 前馈控制系统工业应用实例前馈控制系统工业应用实例 根据不变性原理设计的前馈控制已广泛应用于石油、化工、电力、原子能等各工业生产部门。但在实际工业生产过程中，大多数采用前馈一反馈复合控制系统，下面举几个工业应用实例。 (1)(1)葡萄糖浓度前馈一反馈控制系统葡萄糖浓度前馈一反馈控制系统 蒸发是一个借加热作用使溶液浓缩或使溶质析出的物

34、理操作过程。 它在轻工、化工等生产过程中得到广泛的应用。例如:造纸、制糖、海水淡化、烧碱等生产过程，都必须经过蒸发操作过程。 下面以葡萄糖生产过程中蒸发器浓度控制为例，介绍前馈控制在蒸发过程中的运用。1)1)工艺工艺简介简介: :图图4-104-10所示装置是将初蒸浓度为所示装置是将初蒸浓度为5050的葡萄糖液，用泵送入升降膜式的葡萄糖液，用泵送入升降膜式蒸发器，经蒸汽加热蒸发至蒸发器，经蒸汽加热蒸发至7373的葡萄糖液，然后送至后道工序结晶。的葡萄糖液，然后送至后道工序结晶。 由蒸发工艺可知，在给定压力下，溶液的浓度同溶液的沸点与水的沸点之由蒸发工艺可知，在给定压力下，溶液的浓度同溶液的沸点

35、与水的沸点之差差( (即温差即温差) )有较好的单值对应关系，故以有较好的单值对应关系，故以温差为被控参数温差为被控参数。2)2)影响葡萄糖浓度的因素主要有影响葡萄糖浓度的因素主要有: : 进料溶液的浓度、温度和流量，进料溶液的浓度、温度和流量， 加热蒸汽的压力和流量等，其中：加热蒸汽的压力和流量等，其中：对浓度影响最大的对浓度影响最大的: :进料溶液的流量和进料溶液的流量和 加热蒸汽的流量。加热蒸汽的流量。3)3)系统构成系统构成: :以以加热蒸汽流量为前馈信号加热蒸汽流量为前馈信号、以以温差为被控参数温差为被控参数、进料溶液为控制参数进料溶液为控制参数的的前馈一反馈控制系统，如图前馈一反馈

36、控制系统，如图4-104-10所示。所示。 运行情况表明，系统的质量指标比较令运行情况表明，系统的质量指标比较令人满意，达到了工艺要求。人满意，达到了工艺要求。前馈反馈复合控制系统：被控参数：温差控制参数：进料溶液流量前馈信号：加热蒸汽流量图4-10 蒸发过程中浓度控制示意图(2)(2)锅炉给水控制系统锅炉给水控制系统 锅炉是现代工业生产中的重要动力设备。在锅炉的正常运行中，锅炉是现代工业生产中的重要动力设备。在锅炉的正常运行中，汽包水位汽包水位是其主要工艺指标。是其主要工艺指标。v 当当汽包水位过高汽包水位过高时，会造成蒸汽带液，其结果不仅降低了蒸汽时，会造成蒸汽带液，其结果不仅降低了蒸汽的

37、产量和质量，而且会损坏汽轮机叶片；的产量和质量，而且会损坏汽轮机叶片；v 当当水位过低水位过低时，轻则影响汽水平衡，时，轻则影响汽水平衡，重则会烧干锅炉，甚至会引起锅炉爆炸。重则会烧干锅炉，甚至会引起锅炉爆炸。所以必须严格控制水位在规定的工艺范围内。所以必须严格控制水位在规定的工艺范围内。图4-11 锅炉汽包水位控制系统 如图4-11所示，锅炉汽包水位控制的任务是使给水量适应锅炉的蒸发量，并保持其在规定的工艺范围内。因此，汽包水位是被控参数，而引起汽包水位变化的主要干扰是锅炉的蒸汽流量和给水流量。 蒸汽流量是负荷，随发电需要而变化，为不可控因素， 给水流量则可以作为控制参数，以此构成锅炉给水控

38、制系统。 但由于锅炉汽包中存在“虚假水位“，故简单控制系统不能满足工艺要求。 所谓“虚假水位”，即在燃料量不变的情况下，当蒸汽用量(即负荷)突然增加时，会使汽包内的压力突然降低，水的沸腾加剧，加速汽化，汽泡量也突然增加，由于汽泡的体积比水的体积大很多倍，结果形成了汽包内水位升高的假象。反之，当蒸汽用量突然减少时，汽包内蒸汽压力急剧上升，水的沸腾暂时停止，结果造成水位瞬时下降的假象。 图4-11 锅炉汽包水位控制系统前馈反馈复合控制系统：被控参数：锅炉汽包水位前馈信号：蒸汽流量控制参数：给水流量 对于对于“虚假水位虚假水位”，在系统设计时常作如下考虑，即采用蒸汽流，在系统设计时常作如下考虑，即采

39、用蒸汽流量为前馈信号，汽包水位为被控参数和给水流量为控制参数，构成前量为前馈信号，汽包水位为被控参数和给水流量为控制参数，构成前馈一反馈复合控制系统，如图馈一反馈复合控制系统，如图4 41212所示。所示。 本系统能实现对蒸汽负荷的前馈控制，在稳定工况下，给水量Q将等于蒸汽量D的变化，从而维持了水位H的不变。D图4-12 锅炉汽包水位前馈-反馈复合控制系统 （3 3）连续消毒塔温度前馈一反馈控制系统）连续消毒塔温度前馈一反馈控制系统 在制药工业中，抗菌素的生产，目前仍然采用培养基发酵的方法进行。在培养基进入发酵罐接种之前，必须进行灭菌消毒。 目前，都是利用连续消毒塔进行消毒的，连续消毒塔的主要

40、指标是培养基连续消毒塔的温度。若温度过低，会因培养基灭菌不彻底而增加染菌率，导致整批培养基全部报废，带来重大经济损失。反之，若温度过高，则会破坏培养基的成分，从而降低了产品的回收率。 所以，培养基在连续消毒塔的出口温度是保证抗菌素质量的关键指标，为此必须对它进行控制，通常要求控制精度为(1282)。 可选择连续消毒塔的出口温度为被控参数，选用培养基的流量作为调节参数，构成单回路控制系统。但是，当蒸汽压力波动较大时，温度波动幅度超过了工艺允许范围。 影响消毒塔出口温度的主要扰动是蒸汽压力，而蒸汽压力是一个可测而不可控的扰动，为了提高控制质量，构成图4-13所示的前馈一反馈控制系统。 图4-13

41、连续消毒塔温度前馈-反馈控制系统前馈前馈- -反馈控制系统反馈控制系统被控参数：连续消毒塔的 出口温度控制参数：培养基的流量前馈信号：蒸汽压力 在连续消毒塔的前馈-反馈控制系统试验中，为了防止发生培养基染菌事故，用水代替料液对连续消毒塔进行了动态测试。连续消毒塔的控制通道和扰动通道的近似传递函数为： 应用了前馈-反馈控制方案后，温度控制品质大有改进，当蒸汽压力波动时，通过前馈校正作用及时校正培养基流量，以补偿压力对连续消毒塔出口温度的影响。 系统运行情况表明，系统性能良好，提高了培养基的质量，缩短了消毒时间，满足了生产工艺要求。1.前馈控制器的设计依据：基于不变性原理2.前馈控制的特点： （1

42、）基于扰动来消除扰动对被控量的影响 （2）比反馈控制及时 （3）只适合用来克服可测而不可控的扰动 （4）前馈控制属于开环控制系统 (5)前馈控制采用的是由对象特性确定的“专用”控制器 3.前馈控制的结构形式 静态前馈控制系统、动态前馈控制系统、前馈-反馈复合控制系统4.前馈控制规律的选用：（1）当T0 Tf时，可采用动态前馈-反馈控制来改善控制品质。 5.前馈控制系统举例 在现代工业生产过程中，经常需要两种或两种以上的物料按一定比例混合或进行化学反应。一旦比例失调，轻则会造成产品质量不合格，重则会造成生产事故或发生危险。例如：1）在工业锅炉燃烧过程中，需要自动保持燃料量与空气量按一定比例混合后

43、送入炉膛。 2）在制药生产过程中，要求将药物和注入剂按规定比例混合。3）聚乙烯醇生产中，树脂和氢氧化钠(Na0H)必须按一定比例进行混合，否则树脂将发生自聚而影响生产的正常进行。4.2 4.2 比值控制系统比值控制系统 4）在硝酸生产过程中，进入氧化炉的氨气和空气的流量要有合适的比例。但同时还应从安全角度考虑，因为当氨气在空气中的含量低温时在（1528）之间，高温时在（1430）之间都会有产生爆炸的危险。因此，保证氨气和空气进料量的比例，不让它进入爆炸范围，这对安全生产来说具有重要意义。 为了实现上述种种特殊的要求，必须设计一种特殊的过程控制系统，即比值控制系统。 比值控制的目的，就是为了使几

44、种物料混合后符合一定比例关系，使生产能安全正常进行。1 .1 .定义：定义： 所谓比值控制系统，简单地说，就是使一种物料随另一种物料按一定比例变化的控制系统。 实现使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。通常以保持两种或两种以上物料的流量为一定比例关系的系统，称为流量比值控制系统。2 主物料：在比值控制系统中，需要保持比值的两种物料必有一种处于主导地位，这种物料称为主物料，表征这种物料的参数称为主动量，或主流量，用 Q1表示。 从物料：另一种物料按主物料进行配比，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，或副流量，用Q2表示。 一般情况

45、下，总是把生产中主要物料定为主物料。在有些场合，是将不可控物料作为主物料，用改变可控物料即从物料来实现它们之间的比值关系。3 . 比值控制系统就是要实现副流量和主流量成一定的比例关系，即满足Q2Q1k，k为副流量和主流量的比值。 如上所述，在比值控制系统中，从动量是随主动量按一定比例变化的，因此，比值控制系统实际上是一种随动控制系统。【例41】某厂生产中需连续使用68NaOH溶液，工艺上采用30NaOH溶液加水稀释配置，如图412所示。一般，由电化厂提供的30浓度的Na0H溶液比较稳定，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的流量变化。按反馈控制原理，为了保证出口浓度，可设计以出

46、口浓度为被控变量，入口处的水(或碱)流量为操纵变量的反馈控制系统。但是，浓度信号的获取较为困难，即使可以获得浓度信号并组成控制系统，往往也因测量环节和对象控制通道的滞后较大，影响 控制品质。根据前馈控制的不变性原理，若某 一输入物料流量变化时，另一物料也能按比例 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，只要使入口的30%浓度的NaOH溶液和水的质量流量之比保持在1：41：2.75之间，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，也就成为流量比值控制问题。 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质量

47、。显然，保持流量比只是一种控制手段，保证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。（1）开环比值控制 图4-13所示为开环比值控制系统示意图。FT为检测变送器，FC为比值控制器。在稳定工况下，两种物料的流量应满足Q2=kQ1的要求。 1) 缺点：该系统对副流量无抗干扰能力，当副流量管线压力改变时，就满足不了所要求的比值。 2) 应用范围：只适用于从动物料管线压力比较稳定，对比值精度要求不高的场合。 3) 优点：结构简单，投资省。Q Q2 2Q Q1 1k k （4-124-12）4.2.1 4.2.1 4.2.1 4.2.1 定比值控制定比值控制定比值控制定比值控制图4-1

48、3 开环比值控制系统示意图 对于例41中的生产过程，为保证混合后的浓度，可设计如图413(a)所示的控制系统，其中FC21为纯比例控制器。当流量Q1随高位槽液面变化时，控制器FC的输出按比例变化。若选线性控制阀，则Q2也随着Q1按比例变化。在保持流量间比例关系的两物料中，Q1处于主导地位，选择为主流量，Q2随着Q1变化，选择为副流量。该系统中的控制器只起比例作用，可用比值器代替，改变控制器的比例度或比值器的比值系数，就可以改变两流量的比值k。系统的方框图如图413(b)所示，因为系统是开环的，故称为开环比值控制系统。由于该系统的副流量Q2无反馈校正，因此对于副流量本身无抗干扰能力。如本例中的水

49、流量，若入口压力变化，就无法保证两流量的比值。因此对于开环比值方案，虽然结构简单，但一般很少采用，只有当副流量较平稳且流量比值要求不高的场合才可采用。(2)单闭环比值控制系统 为了克服开环比值控制系统的弱点，可对副流量引入一个反馈回路，组成如图414(a)所示的控制系统。当主流量Q1变化时，其流量信号经测量变送器送到比值器R中。比值器按预先设置好的比值系数使输出成比例变化，并作为副流量控制器的设定值。此时，副流量控制是一个随动系统，Q2经反馈控制自动跟随Q1变化，使其在新的工况下保持两流量比值k不变。 当副流量由于自身的干扰而变化时，因为它是一个闭环系统，经反馈控制后可以克服自身的干扰。一般流

50、量控制器都采用PI作用，能消除余差，使工艺要求的流量比k保持不变。从方框图可以看出，系统只包含一个闭合回路，故称为单闭环比值控制。-分析：当主流量受扰动而变化时，其流量信号经变送器送到比值运算器Gc1(s)，比值运算器则按预先设置的比值器参数使输出成比例地变化，即成比例地改变副调节器Gc2(s)的给定值，使副流量Q2跟随主流量Q1而变化，从而保证原设定的比值不变。当主、副流量同时受到扰动时，调节器Gc2(s)在克服副流量扰动的同时，又根据新的给定值，改变调节阀的开度，使主、副流量在新的流量数值的基础上，保持其原设定值的比值关系。 可见，该系统能确保主、副两个流量的比值不变，而系统的结构又较简单

51、，所以在工业生产过程自动化中应用较广。 稳态下，从动量回路是定值控制。 当主动量受干扰变化，从动量回路是随动控制。1) 应用场合：尤其适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合。2) 优点： 不但实现副流量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，因此，主、副流量的比值较为精确。实施亦较方便，所以得到了广泛的应用。2) 缺点： 主流量Q1是可变的，因而其总流量是不固定的，这对于直接去化学反应器的场合是不太合适的，因为负荷波动会对反应过程造成一定的影响，有可能使整个反应器的热平衡遭到破坏，甚至造成严重事故。这是单闭环比值控制系统无法克服的一个弱点。 因此，单闭环比值控制方案一般

52、在负荷变化不太大时选用为宜。应用举例应用举例 丁烯洗涤塔的任务是用水除去丁烯馏分中所夹带的丁烯洗涤塔的任务是用水除去丁烯馏分中所夹带的乙腈，为了保证洗涤质量，要求根据进料流量配以一定比例的洗乙腈，为了保证洗涤质量，要求根据进料流量配以一定比例的洗涤水量涤水量。(3)双闭环比值控制系统 为了既能实现两个流量的比值恒定，又能使进入系统的总负荷平稳，在单闭环比值控制的基础上又出现了双闭环比值控制。1) 组成：由一个定值控制的主流量控制回路和一个跟随主流量变化的副流量控制回路组成。主流量控制回路：克服主流量扰动， 实现其定值控制。副流量控制回路:抑制作用于副回路的干扰， 从而使主、副流量均比较稳定，

53、使总物料量也比较平稳。2) 应用场合：在工业生产过程中，当要求负荷变化比较平稳时，可以采用这种控制方案。3)缺点：该方案所用仪表较多，投资较高。KK总结： 单、双闭环比值控制比值器参数不变。例如： 在以石脑油为原料的合成氨生产中，进入一段转化炉的石脑油要求与水蒸气成一定比例，同时还要求各自的流量比较稳定，所以设计了如图415所示的控制系统，图中R1是流量Q1的设定值。它与单闭环比值控制系统的差别就在于主流量也构成了闭合回路，故称为双闭环比值控制系统。 由于有两个流量闭合回路，可以克服各自的外界干扰，使主、副流量都比较平稳，流量间的比值可通过比值器实现。这样，系统的总负荷也将是平稳的，克服了单闭

54、环比值控制总流量不稳定的缺点。但该方案所用仪表较多，投资高，一般情况下，采用两个单回路定值控制系统分别稳定主流量和副流量，也可达到目的。 上述三种比值控制方案的一个共同特点是： 它们都以保持两物料流量比值一定为目的，比值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k也就固定不变，因此统称为定比值控制系统。 流量之间实现一定比例的目的仅仅是保证产品质量的一种手段，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，而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，从最终质量来看这种定比值控制系统是开环的。由于工业生产过程的干扰因素很多，当系统中存在着除流量干扰以外的

55、其他干扰(如温度、压力、成分以及反应器中催化剂老化等的干扰)时，原来设定的比值器参数就不能保证产品的最终质量，需进行重新设置。但是，这种干扰往往是随机的，且干扰幅度各不相同，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制系统。它的一般结构形式如图416所示。4.2.2 4.2.2 4.2.2 4.2.2 变比值控制变比值控制变比值控制变比值控制 在有些生产过程中，要求在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第三个工艺参数两种物料流量的比值随第三个工艺参数的需要而变化的需要而变化，为满足这种工艺的要求，开发并设计了变比值控制系，为满足这种工艺的要求，开发并

56、设计了变比值控制系统。下图为用除法器构成的变比值控制系统方块图。统。下图为用除法器构成的变比值控制系统方块图。特点：特点：以第三参数或称以主参数和两个流量比为副参数所组成的比值以第三参数或称以主参数和两个流量比为副参数所组成的比值串级组合控制系统。串级组合控制系统。分析：分析： 当系统处于稳态时，主控制器输出不变，主、副流量当系统处于稳态时，主控制器输出不变，主、副流量恒定，其比值也一定，主参数符合工艺要求，产品质量合格恒定，其比值也一定，主参数符合工艺要求，产品质量合格; ; 当系统当系统( (如气体等如气体等) )受到干扰时（当出现除流量扰动外如温度、受到干扰时（当出现除流量扰动外如温度、

57、压力、成分等变化时），虽然通过单闭环比值控制回路（相当于串压力、成分等变化时），虽然通过单闭环比值控制回路（相当于串级控制的副回路），保证了流量比值一定，却不能保证总流量不变，级控制的副回路），保证了流量比值一定，却不能保证总流量不变，一旦总流量发生变化，会导致主参数偏离了设定值，此时主控制器一旦总流量发生变化，会导致主参数偏离了设定值，此时主控制器的输出产生变化，从而修正了比值控制器的设定值，相当于修正了的输出产生变化，从而修正了比值控制器的设定值，相当于修正了两个变流量的比值两个变流量的比值( (即变化值即变化值) )，使系统在新的比值上重新稳定。，使系统在新的比值上重新稳定。注意： 在变

58、比值控制系统中，流量比值只是一种控制手段，不是最终目的，而第三参数往往是产品质量指标。 流量的检测是靠差压变送器，而差压变送器加上开方器后才能得到线性的流量信号。这里假设采用的流量测量变送器给出的信号都是线性流量信号。 在稳定状态下，主、副流量Q1和Q2恒定(即Q2Q1=k为一定值)。它们分别经测量变送器送除法器相除，其输出表征了它们的比值，同时作为比值控制器FC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AC输出信号稳定，且和比值控制器的测量信号相等。比值控制器输出稳定，控制阀开度一定，产品质量合格。 当系统中出现除流量干扰外的其他干扰引起主参数y变化时，通过主反馈回路使主

59、控制器输出变化，修改两流量的比值设定值，以保持主参数稳定。对于进入系统的主流量Q1干扰，由于比值控制回路的快速随动跟踪，使副流量Q2=kQ1相应变化，以保持主参数y稳定，它起了静态前馈的作用。 对于副流量本身的干扰，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。因此这种变比值控制系统实质上是一种静态前馈一串级控制系统。由于两流量比值是由表征最终质量的第三参数y给出的，因此也有人把这种变比值控制系统称为由第三参数给定的比值控制系统。图417所示的硝酸生产中氧化炉温度对氨气空气串级控制系统就是这类变比值控制系统的一个实例。 在硝酸生产过程中，氨气和空气混合后进入氧化炉，在铂触媒作用

60、下进行氧化反应，该反应为放热反应，反应温度必须严格控制在(8405o)C。反应方程为： 4NH3+5O2 4NO+6H2O+Q （4-13) 反应放出的热量可使炉内温度高达750820OC，反应后生成的一氧化氮气体通过废热锅炉进行热量回收，并经快速冷却器降温，再进入硝酸吸收塔，与空气第二次氧化后再与水作用而生成稀硝酸。 而影响温度的主要因素是氨气和空气的比值，保证了混合器的氨、空气比值，基本上控制了氧化炉的温度。 当温度受其他干扰(如触媒老化等)而发生变化时，则可通过主控制器(此处为温度控制器)改变氨量即改变氨、空气比来补偿，以满足工艺的要求。若把该系统画成方框图则与上述一般结构形式完全一致，

61、只要将主参数y用温度T代替即可。 在整个生产过程中，稳定氧化炉的操作是保证优质高产、低耗、无事故的首要条件，而稳定氧化炉操作的关键条件是反应温度，影响温度的主要因素是氨气和空气的比值。 根据生产实践，当氨气流量变化1%，氧化炉反应温度就会改变64OC。另外，空气量变化，触媒的老化等影响着反应温度。 因此，当温度受到干扰而变化时，均以改变氨流量来补偿，即改变氨气与空气的比值来补偿。所以设计了以氧化炉反应温度为主参数，氨气与空气之比为副参数的串级一比值控制系统，即变比值控制系统。 1 1）流量与测量信号成非线性关系。）流量与测量信号成非线性关系。 对于节流元件来说，压差与流量的平方成正比，即对于节

62、流元件来说，压差与流量的平方成正比，即 式中，式中，C C为差压式流量计的比例系数。为差压式流量计的比例系数。4.2.3 4.2.3 比值控制的实施比值控制的实施4.2.3.1 4.2.3.1 比值系数的折算比值系数的折算 ( (难点难点) ) 在工业生产中，比值控制是解决物料流量之间的比例关系问题。在工业生产中，比值控制是解决物料流量之间的比例关系问题。工艺要求的流量比值工艺要求的流量比值k k，指两流量的体积流量或重量流量之比，而通常，指两流量的体积流量或重量流量之比，而通常所用的单元组合式仪表使用的是统一的标准信号。比值器参数所用的单元组合式仪表使用的是统一的标准信号。比值器参数KK则是

63、则是仪表的读数，它是流量比值仪表的读数，它是流量比值k k的函数，一般情况并不相等。的函数，一般情况并不相等。 因此，在设计和运用比值控制系统时，必须把工艺上的比值因此，在设计和运用比值控制系统时，必须把工艺上的比值k k折算成仪表的读数折算成仪表的读数kk。当使用单元组合仪表时，参数均以相应的统一。当使用单元组合仪表时，参数均以相应的统一标准信号互相联系。标准信号互相联系。所以，所以，比值器参数的计算也就是将比值器参数的计算也就是将k k折算成相应仪表的标准统一信号折算成相应仪表的标准统一信号kk。当流量从当流量从0 0Q Qmaxmax变化时，压差从变化时，压差从00 P Pmaxmax变

64、化，变送器的输出为变化，变送器的输出为420mA.DC(420mA.DC(对对DDZ-IIIDDZ-III型仪表而言）则任一中间流量值型仪表而言）则任一中间流量值Q Q1 1或或Q Q2 2所对应的所对应的变送器的输出信号为变送器的输出信号为 式中，式中，Q Q1 1主流量的体积流量或重量流量主流量的体积流量或重量流量 Q Q2 2副流量的体积流量或重量流量副流量的体积流量或重量流量 Q Q1max1max测量测量Q Q1 1所用变送器的最大量程所用变送器的最大量程 Q Q2max2max测量测量Q Q2 2所用变送器的最大量程所用变送器的最大量程I I1 1、I I2 2为测量为测量Q Q1

65、 1、Q Q2 2所用变送器的输出电流信号。所用变送器的输出电流信号。由于生产工艺要求由于生产工艺要求Q Q2 2/Q/Q1 1=k=k，则，则为仪表为仪表信号之信号之比比补充：补充：DDZ-IIDDZ-II：0 010mA.DC QDZ10mA.DC QDZ变送器：变送器：20100KPa20100KPa其任一中间流量其任一中间流量Q Q即相应压力即相应压力P P所对应于变送器的输出为：所对应于变送器的输出为：DDZ-III:DDZ-III: DDZ-II:DDZ-II: QDZQDZ仪表仪表: : 比值系数均为：比值系数均为： 推导：推导：即为即为所要所要求的求的比值比值器参器参数数上式说

66、明：上式说明： 虽然流量与其测量虽然流量与其测量信号成非线性关系，但是信号成非线性关系，但是比值器参数却是一个常数，比值器参数却是一个常数，它只与测量流量变送器的它只与测量流量变送器的最大量程有关，而与负荷最大量程有关，而与负荷大小无关。大小无关。(2)(2)流量与测量信号成线性关系流量与测量信号成线性关系 在有些系统中，当在变送器后又加上了开方器，或直接用在有些系统中，当在变送器后又加上了开方器，或直接用线性流量计，如转子流量计、涡轮流量计、椭圆齿轮流量计等进行测量线性流量计，如转子流量计、涡轮流量计、椭圆齿轮流量计等进行测量时，流量与测量信号之间呈线性关系。此时，比值器参数的计算需要稍时，

67、流量与测量信号之间呈线性关系。此时，比值器参数的计算需要稍加改变，此时有加改变，此时有则：则：即：即：主流量变送器量程上限副流量变送器量程上限补充补充:( :(信号范围为信号范围为20100KPa20100KPa的气动仪表的气动仪表) ) 当流量由当流量由0 0变至变至Q Qmaxmax时时, ,变送器对应输出信号为变送器对应输出信号为20100KPa,20100KPa,变送器的转变送器的转换关系为换关系为: :结论：结论：1 1）流量比值流量比值k k与比值器参数与比值器参数kk是两个不同的概念，不能混淆。是两个不同的概念，不能混淆。2 2）比值器参数比值器参数kk的大小与流量比值的大小与流

68、量比值k k有关，也与变送器的量程有关，但与负荷的有关，也与变送器的量程有关，但与负荷的大小无关。大小无关。3 3）流量与测量信号之间有无非线性关系对计算式有直接影响，但仪表的信号范流量与测量信号之间有无非线性关系对计算式有直接影响，但仪表的信号范围不一及起始点是否为零，均对计算式无影响。围不一及起始点是否为零，均对计算式无影响。4 4）线性测量与非线性测量（平方根关系）情况下线性测量与非线性测量（平方根关系）情况下kk间的关系为间的关系为kk非非（kk线线) )2 2。比值器参数比值器参数kk为为: :式中式中P P2 2副流量测量信号值副流量测量信号值 P P1 1主流量测量信号值主流量测

69、量信号值上式中上式中kk应为仪表输出信号变化量之比，所以均需减去仪表信号的起始值。应为仪表输出信号变化量之比，所以均需减去仪表信号的起始值。则：则：例例 已知某比值控制系统，采用差压式流量计（即由孔板和差压变送已知某比值控制系统，采用差压式流量计（即由孔板和差压变送器组成）测量主副流量，主流量变送器的最大量程为器组成）测量主副流量，主流量变送器的最大量程为Q Q1max1max=12.5m=12.5m3 3/h/h，副流量变送器的最大量程为，副流量变送器的最大量程为Q Q2max2max=20m=20m3 3/h /h ，生产工艺要求生产工艺要求Q Q2 2/Q/Q1 1=1.4=1.4。 试

70、求：试求：(1)(1)不加开方器时仪表的比值器参数不加开方器时仪表的比值器参数k;k; (2) (2)加开方器后仪表的比值器参数加开方器后仪表的比值器参数kk。解解: : 根据题意，根据题意，1)1)不加开方器时，不加开方器时，实际流量与测量信号成非线性关系，故采用实际流量与测量信号成非线性关系，故采用(415)(415)式式计算仪表计算仪表的比值器参数的比值器参数kk，即，即 2)2)当加开方器时，当加开方器时，实际流量与测量信号成线性关系，故采用实际流量与测量信号成线性关系，故采用式式(416)(416)计算仪表计算仪表的比值器参数的比值器参数kk，即，即 比值控制系统有两种实现方案，依据

71、Q2=kQ1就可以对Q1的测量值乘以比值k，作为Q2流量控制器的设定值，称为相乘的方案。 而依据 就可以将Q2与Q1的测量值相除，作为比值控制器的测量值，称为相除的方案。 在工程上，具体实施比值控制时，通常可采用比值器、乘法器和除法器等仪表，来解决两个流量的配比问题。在计算机控制系统中，则可以通过简单的乘、除运算来实现。4.2.3.2比值控制的实施方法比值控制的实施方法（1 1）应用比值器方案）应用比值器方案 右图为应用比值器实施的单右图为应用比值器实施的单闭环比值控制系统。图中的虚线框闭环比值控制系统。图中的虚线框表示对流量检测信号是否进行线性表示对流量检测信号是否进行线性化处理。以化处理。

72、以DDZ-IIIDDZ-III型电动比值器型电动比值器为例，比值器的输入、输出信号关为例，比值器的输入、输出信号关系式为系式为 I I1 1=(I=(I1 1-4).k+4 (mA)-4).k+4 (mA) 在流量比值稳定操作时，调在流量比值稳定操作时，调节器的测量值应等于设定值，即节器的测量值应等于设定值，即 I I2 2=I=I1 1=(I=(I1 1-4).k+4 -4).k+4 (mA)(mA)由上式可知，只要将比值器的比值由上式可知，只要将比值器的比值器参数器参数kk按前面讲的换算公式求得按前面讲的换算公式求得后设置，就可实现比值控制。后设置，就可实现比值控制。 （2 2）应用乘法器

73、方案）应用乘法器方案（仍以电动仪表（仍以电动仪表DDZ-IIIDDZ-III为例）为例）设计的主要任务：设计的主要任务： 按照工艺要求的流量比值按照工艺要求的流量比值k k，正确设置乘法器的设定值，正确设置乘法器的设定值I I0 0。 乘法器的运算信号为乘法器的运算信号为式中式中 I I1 1,I ,I0 0乘法器的输入信号；乘法器的输入信号； I I1 1输出信号输出信号 因为系统在稳态时，控制器的设定值因为系统在稳态时，控制器的设定值因为系统在稳态时，控制器的设定值因为系统在稳态时，控制器的设定值I I I I1 1 1 1 和测量值和测量值和测量值和测量值I I I I2 2 2 2相等

74、，所以相等，所以相等，所以相等，所以将将将将I I I I1 1 1 1=I=I=I=I2 2 2 2代入上式可得代入上式可得代入上式可得代入上式可得如果采用开方器，流量为线性变送时，如果采用开方器，流量为线性变送时，如果没有使用开方器，流量为非线性变送时，如果没有使用开方器，流量为非线性变送时，则则则则 根据根据DDZ-IIIDDZ-III单元组合式仪表的输入、输出信号只能为单元组合式仪表的输入、输出信号只能为4 420mA20mA，由上式可知，要保证，由上式可知，要保证I I0 0在标准信号范围内，则要求在标准信号范围内，则要求所以在选择流量检测仪表的所以在选择流量检测仪表的量程时，应满足

75、量程时，应满足其中其中: : k kmaxmax为工艺要求的可能为工艺要求的可能最大比值。最大比值。（3 3）应用除法器方案）应用除法器方案（以（以DDZ-IIIDDZ-III单元组合式仪表为例）单元组合式仪表为例）除法器的信号关系为除法器的信号关系为由于稳态时由于稳态时I Is s=I=I0 0，所以，所以 因为除法器的输出就是两流量的因为除法器的输出就是两流量的比值，所以比值，所以对比值可以直接显示对比值可以直接显示，非非常直观常直观。 而且调节器的设定值就是比值，而且调节器的设定值就是比值，便于精确设定，操作方便便于精确设定，操作方便。 若将比值设定改作第三参数，就若将比值设定改作第三参

76、数，就可实现变比值控制。可实现变比值控制。 4.2.4 4.2.4 比值控制系统的设计与投运比值控制系统的设计与投运（1 ）主、从动量的设计 设计比值控制系统时，需要先确定主、从动量。原则：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，其余的物料流量以它为准进行配比，则为从动量。另外，当生产工艺有特殊要求时，主、从动量的确定应服从工艺需要。（2 ）控制方案的选择 根据不同工艺情况、负荷变化、扰动性质、控制要求进行合理选择。如:工艺上仅要求两物料流量之比值一定，负荷变化不大，而对总流量变化无要求，则选用单闭环比值控制方案。又如：在生产过程中，主副流量的扰动频繁，负荷变化较

77、大，同时要保证主、副物料总量恒定，则可选用双闭环比值控制方案。再如：当生产要求两种物料流量的比值能灵活地随第三参数的需要进行调节时，则可选用变比值控制方案。总之，控制方案选择应根据不同的生产要求进行具体分析而定，同时还需考虑经济性原则。（3）控制器控制规律的确定： 由不同控制方案和控制要求确定。 单闭环比值控制系统： 比值器：仅接受主流量的测量信号，仅起比值计算作用，故选P控制规律； 单闭环从动回路调节器：PI（起比值控制和稳定从动量的作用） 双闭环比值控制系统： 双闭环主、从动回路调节器均选用PI控制规律，因为它不仅起比值控制作用，而且起稳定各自的物料流量的作用。 变比值控制系统： 可仿效串

78、级系统调节器控制规律的选用原则，主调节器选PI或PID控制规律，比值调节器选用P控制规律。（4） 正确选用流量计与变送器 流量测量与变送是实现比值控制的基础，必须正确选用。 用差压流量计测量气体流量时，若环境温度和压力发生变化，其流量测量值将发生变化。所以对于温度、压力变化较大，控制质量要求较高的场合，必须引入温度、压力补偿装置，对其进行补偿，以获得精确的流量测量信号。（5）比值系数K的选取范围 在采用相乘形式时，K值既不能太小也不能太大。如果K值太小，则从动量Q2的流量设定值KQ1也必然很小，仪表的量程不能充分利用，会影响控制精确度；如果K值过大，则设定值可能接近控制器的量程上限，遇到主动量

79、流量Q1值进一步上升时，将无法完成比值控制的功能，仪表超限是设计时必须检查与防止的问题。 在采用相除形式的方案时，K值应取为0.50.8左右。这样，控制器的测量值处在整个仪表量程的中间偏上，既能保证精确度，又有一定的调整余地。 （6）比值控制系统的投运 比值控制系统投运前的准备工作及投运步骤与单回路控制系统相同。（7）比值控制系统的整定 在比值控制系统中，变比值控制系统因结构上是串级控制系统，因此主控制器按串级控制系统整定。 双闭环比值控制系统的主流量回路可按单回路定值控制系统整定。 下面对单闭环比值控制系统、双闭环以及变比值回路的副流量回路的参数整定作简单介绍。 比值控制系统中副流量回路是一

80、个随动系统，工艺上希望副流量能迅速正确地跟随主流量变化，并且不宜有超调。由此可知，比值控制系统实际上是要达到振荡与不振荡的临界过程。一般整定步骤如下： 根据工艺要求的两流量比值，进行比值系数计算。若采用相乘形式，则需计算仪表的比值系数K值；若采用相除形式，则需计算比值控制器的设定值。在现场整定时，可根据计算的比值系数投运。在投运后，一般还需按实际情况进行适当调整，以满足工艺要求。 控制器需采用PI控制。整定时可先将积分时间置于最大，由大到小的调整比例度，直至系统达到振荡与不振荡的临界过程为止。 在适当放宽比例度的情况下，一般放大20，然后慢慢把积分时间减少，直到出现振荡与不振荡的临界过程或微振

81、荡的过程。 (1)关于开方器的选用 由比值系数的计算可知，比值系数与流量大小无关。也就是说，不管流量变送器是否为线性，当负荷变化时，上面介绍的比值控制系统均能保持静态比值恒定。然而，流量测量变送环节的非线性对系统的动态特性是会有影响的。由前述可知，用差压法测流量时，测量信号与流量之间的关系是4.2.5比值控制系统中的若干问题它的静态增益是式中，Q0是Q的静态工作点。 由上式可知，采用差压法测量流量时，静态增益Km正比于流量，即随负荷的增加而增大。这样一个环节，将影响系统的动态品质，即小负荷时系统稳定，大负荷时稳定性下降，甚至会不稳定。若将差压法测得的流量信号经过开方运算，使流量测量变送器环节(

82、含开方器)成为线性环节，它的静态增益与负荷大小无关，从而使系统动态性能不再受负荷变化影响。因此在采用差压法测量流量的比值控制系统中，是否选用开方器，要根据对被控变量控制精度及负荷变化情况而定。当被控变量控制精度要求一般且负荷变化不大时，可以不采用开方器。反之，当被控变量控制精度要求较高，且负荷变化较大时，就必须设置开方器，以保证系统有较好的控制品质。(2)比值控制中的动态跟踪问题 随着生产的发展，对自动化的要求越来越高，对比值控制提出了更高的要求。在有些场合，不仅稳态时要求物料问保持一定比值，还要求动态比值一定。动态跟踪就是研究两流量的动态特性，使它们在受到外界干扰时，能够接近同步变化。图4-

83、20所示是一个具有动态补偿环节Gz(s)的比值控制系统及其方框图。主流量对副流量的传递函数为要求副流量跟踪主流量的变化，在同步情况下无相位差，即 Q2(s)=kQ1(s)将式代入式，得因为 (假设流量与测量信号为线性关系)，所以可得严格的补偿式为 在已知式(456)等号右边各环节的传递函数后，经换算可求得补偿环节的传递函数。在生产上应用时，可以用近似关系去逼近。由于副流量滞后于主流量，所以这类动态补偿环节应具有超前特性。 (3)主、副流量的逻辑提降关系 在比值控制系统中，有时两个流量提降的先后顺序需要满足某种逻辑关系。例如，在锅炉燃烧过程中，燃料量和空气量采用比值控制系统。为了使燃料完全燃烧，

84、在提负荷时要求先提空气量，后提燃料量；在降负荷时要求先降燃料量，后降空气量。图421就是能满足这种逻辑提降要求的比值控制系统，其中K为比值器。 正常工况下，这是出口蒸汽压力对燃油流量的串级控制系统和燃油流量与空气流量的比值控制系统。蒸汽压力控制器是反作用的，当蒸汽压力下降时(如因蒸汽耗量增加)，压力控制器输出增加，而提高了燃油流量控制器的设定值。但是，如果空气量不足，将使燃烧不完全。为此设有低值选择器Ls，它只让两个信号中较小的一个通过，这样保证燃料量只在空气量足够的情况下才能加大。压力控制器的输出信号将先通过高值选择器HS来加大空气量，保证在增加燃料流量之前先把空气量加大，使燃烧完全。当蒸汽

85、压力上升时，压力控制器输出减小，降低了燃料量控制器的设定值，在减燃料量的同时，通过比值控制系统，逐步减少空气流量。上述控制系统满足了提量时先提空气量后提燃料量，减量时先减燃料量后减空气量的逻辑关系，保证了充分燃烧。4.2.64.2.6工业应用举例工业应用举例 1 . 1 . 自来水消毒的比值控制自来水消毒的比值控制 （1 1）工艺简介：）工艺简介：来自江河湖泊的水，虽然经过净化，但往往还有大量的微生物来自江河湖泊的水，虽然经过净化，但往往还有大量的微生物，这些微生物对人体健康是有害的。因此，自来水厂将自来水供给用户之前，这些微生物对人体健康是有害的。因此，自来水厂将自来水供给用户之前，还必须进

86、行消毒处理。还必须进行消毒处理。 氯气是常用的消毒剂，氯气具有氯气是常用的消毒剂，氯气具有很强的杀菌能力，但如果用量太少，很强的杀菌能力，但如果用量太少，则达不到灭菌的作用，而用量太多，则达不到灭菌的作用，而用量太多，则会对人们饮用带来副作用，同时则会对人们饮用带来副作用，同时过多的氯气注入水中，不但造成浪费，过多的氯气注入水中，不但造成浪费，而且使水的气味难闻，另外对餐具会而且使水的气味难闻，另外对餐具会产生强烈的腐蚀作用。产生强烈的腐蚀作用。（2 2）为了使氯气注入自来水中的量合适，必须使氯气注）为了使氯气注入自来水中的量合适，必须使氯气注入量与自来水量成一定的比值关系，入量与自来水量成一

87、定的比值关系，故设计如图所示的故设计如图所示的比值控制系统。比值控制系统。2 . 2 . 药剂配制过程的比值控制系统药剂配制过程的比值控制系统 （1 1）工艺简介：）工艺简介： 在制药工业中，为了增强药效，需要对某种成份的药物注入一在制药工业中，为了增强药效，需要对某种成份的药物注入一定量的镇定剂、缓冲剂，或加一定量的酸、碱，使药物呈现酸性或碱性。这种定量的镇定剂、缓冲剂，或加一定量的酸、碱，使药物呈现酸性或碱性。这种注入过程一般都在一个混合槽中进行。注入过程一般都在一个混合槽中进行。（2 2）工艺要求：）工艺要求： a.a.生产药物与注入剂混合后的含量必须符合规定的比例生产药物与注入剂混合后的含量必须符合规定的比例; ; b. b.同时在混合过程中，不允许药物流量突然发生变化，以免引起混合过程产生同时在混合过程中，不允许药物流量突然发生变化，以免引起混合过程产生局部的化学副反应。局部的化学副反应。 为了防止药物流量为了防止药物流量G G1 1产生急剧变化，通常在混合槽产生急剧变化，通常在混合槽前面增加一个停留槽，如图所示，使药物流量先进入停留槽，前面增加一个停留槽，如图所示，使药物流量先进入停留槽，然后再进入混合槽，同时停留槽设有液位控制，从而使然后再进入混合槽，同时停留槽设有液位控制，从而使G Gi i经经停留槽后的流量停留槽后的流量G G1 1平稳地变化。平稳地变化。