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中国石油大学过程控制课件05-复杂控制-前馈-比值-分程-选择控制系统

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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

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

第五章2 前馈-反馈控制系统PPT课件

第五章2 前馈-反馈控制系统PPT课件
静态前馈控制；动态前馈控制；前馈-反馈控制；前馈-串级控制
1.静态前馈控制
所谓静态前馈控制，是指前馈调节器的输出量仅仅是其输入量的函数．与时间因 子无关。前馈调节器的控制规律具有比例特性，
其大小可根据过程扰动通道的静态放大系数和过程控制通道的静态放大系数来决定。 静态前馈控制只考虑最终稳态时的校正，所以只能使被控参数最终的静态偏差接
Kf
T1s 1 es 的微分表示形式为：
T2s 1
T2
du f (t) dt
uf
(t)
K
f
[T1
dF (t dt
)
F (t
)]
用差分方程来代替微分方程时：
Ts：采用周期。
du f (t) dt
|t kTs
u
f
(k)
dF (t dt
f
)
|t kTs
F (k
1
df ) Ts
F (k
则有：
Wf (s) K f
KdT1s T1s 1
1
T2s 1 KdT2s
1
K
f
T1s 1 T2s 1
在DDZ-Ⅲ型仪表和组装仪表中，上述前馈模型都有相应的硬件模块。为前馈-反 馈控制的广泛应用提供了方便。
Kf
T1s 1 e s 型前馈控制器 T2s 1
采用该种前馈模型的较少。
东北大学
3.数字仪表实施
/ T2 )
1
(
1 a
1)et
aT1
，这里
a
T1
T2
东北大学
当a>1，T1>T2, 前馈补偿器具有滞后性，适用于控制通道滞后小于干扰通道的场合； 当a<1，T1<T2, 前馈补偿器具有超前性，适用于控制通道滞后大于干扰通道的场合。

第五章前馈控制系统ppt课件

第五章前馈控制系统ppt课件

第5章
前馈控制系统
5.1 前馈控制系统的特点 5.2 前馈控制系统的几种主要结构形式 5.3 前馈控制规律的实施 5.4 前馈控制系统的应用 5.5 前馈控制系统的参数整定 5.6 多变量前馈控制
实验：前馈控制系统实验
5.4 前馈控制系统的应用
什么情况下采用前馈控制：
（1）对象滞后较大，反馈难以满足要求，可把主要干 扰进行前馈控制
G(s) K es Ts 1
T1s 1 T2s 1
1 T2s 1
e f s
1
1 2
f
s
1
1 2
f
s
-K
输入
+Σ
+K
1
+
1 2
f
s
1
+Σ
-
输出
5.3 前馈控制系统的实施
输入
K=T1/T2-1
Kf
K
1/(T2s+1)
+
输出 －Σ
+
图5-12 （T1s+1）/（T2s+1）实施框图
t
mf
mf (t) K f [1 ( 1)e ]T1 （输出）
实验：前馈控制系统实验
5.3 前馈控制系统的实施
前馈控制规律取决于对象干扰通道和控制通道的 传递函数
工业对象特性复杂，导致前馈控制规律种类繁多， 不利于实施
工业应用希望控制规律能具有一定的通用性， 便于控制实施（特别是仪表）
5.3 前馈控制系统的实施
一般的工业对象可以用一阶容量滞后加纯滞后环节近似,如：
同样对于上述换热器FFC-FBC系统，如果蒸汽流量不稳定， 无论FFC或FBC的效果都不能正常发挥

石油大学化工仪表 第十五章 复杂调节系统

石油大学化工仪表 第十五章 复杂调节系统

先选副调节器正反作用，然后按照：主、副变量同时增加 （或减小）时，由工艺分析阀的动作方向是一致时，主调节器 选反作用，反之亦反。
测量仪表与自动化
五、系统的投运及参数整定 1、系统投运：先副后主 (1)、主、副控制器均置于手动，主调节器置于内给定，副 调节器置于外给定，选择正确的正反作用，预置控制器的PID参 数 (2)、副控制器手动控制，使主副变量接近工艺给定值。 (3)、副控制器投入自动，待主变量接近给定值，副变量比 较平稳时，调节主控制器手动输出，使副控制器偏差为零，将 副控制器切向自动。 (4)、主控制器投自动。 2、系统的参数整定 (1)、两步整定法：先副后主 (2)、一步整定法：根据经验设置参数值，然后作微调。
测量仪表与自动化
2、单闭环比值控制系统
Q1
F1T F2T FY
1:K
比值器
控制器
调节阀 测量变送器2
对象2
Q2
F2C
Q2
测量变送器1
Q1 （b）方框图
（a）控制流程图
图15-19 单闭环比值控制系统
3、双闭环比值控制系统 4、变比值控制系统
测量仪表与自动化
第四节 前馈控制系统
前馈控制是改善反馈控制不及时的一种方法，它是按引起 被控变量变化的干扰大小进行调节的，当干扰刚刚出现且能被 测出时，控制器就能发出控制信号进而克服这种干扰，无需等 被控变量的变化。 例：管式加热炉 F
副流量与主流量的比值系统的类型1开环比值控制系统这种控制方案结构简单但测量仪表与自动化2单闭环比值控制系统3双闭环比值控制系统4变比值控制系统测量仪表与自动化第四节第四节前馈控制系统前馈控制系统前馈控制是改善反馈控制不及时的一种方法它是按引起被控变量变化的干扰大小进行调节的当干扰刚刚出现且能被测出时控制器就能发出控制信号进而克服这种干扰无需等被控变量的变化

复杂控制系统解析PPT学习教案

复杂控制系统解析PPT学习教案
第10页/共19页
11
第二节 均匀控制系统
当系统中具有两个相互关联的参数，其中 任意一个参数的稳定必然导致另一个参数 的大幅度变化，而工艺上需要两者兼顾时， 可采用均匀控制。
均匀控制的目标：
两个参数都是变化的，且变化缓慢；
两个参数的变化范围都要尽可能小。
第11页/共19页
2021/5/13
3. 注意主、副回路的时间匹配，防止“共振” 4. 尽量使副回路包含较少的滞后时间。
第9页/共19页
2021/5/13
10
控制规律与正反作用
2021/5/13
控制规律 主回路：无余差——PI、PID控制 副回路：快速反应——纯P控制。
正反作用 主回路：根据主、副变量的关系确定正反作 用； 副回路：根据系统安全性确定正反作用。 如考虑运行中切除副回路，则副控制器应选 用反作用。 设定值加大相当于输入信号减小。
具有一定的自适应能力。可应用于负荷和 操作条件变化较大的场合。
❖ 自适应：自动调整设定值，以保证系统整 体具有较好的控制质量。第8页/共19页202 Nhomakorabea/5/13
9
串级控制系统中副回路的确定
1. 主、副回路应有一定的内在联系 2. 副回路应尽可能多地包含干扰因素
主要干扰应包含在副回路中；
在可能条件下，使副回路包含较多的次要干 扰。
12
均匀控制方案
简单均匀控制
采用简单控制系统，选择适宜的控制参数，降 低单个参数的控制精度。
减小放大倍数，延长积分时间，不用微分控制。
串级均匀控制
通过两个参数的控制制约调和两个参数的矛盾。 串级均匀控制的主、副回路一般都采用低精度
快反应的纯比例控制。要求高精度时可适当加入积分作用。

中国石油大学过程控制精馏塔控制 ppt课件

中国石油大学过程控制精馏塔控制 ppt课件
➢ 进料量、进料浓度、进料温度和状态 ➢ 再沸器加热量 ➢ 冷凝器冷却量 ➢ 回流量 ➢ 塔顶采出量 ➢ 塔底采出量 ➢ 塔压
ppt课件
12
动态影响分析
▪上升蒸汽和回流的影响
——除了顶部塔板外，再沸器加热量对汽液比的影响比回流 量快
▪组分滞后的影响
——组分滞后随着塔板上液相蓄存量和塔板数的增加而增加
ppt课件
10
塔内部平衡关系
——精馏段和提馏段的物料平衡
VR LR=L i
yi+1 xi
D, xD
V =Vs
yj xj-1 j
Ls
VRyi1LRxi D xD
B, xB
VSyj LSxj1BxB
改变精馏塔的回流和上升气体流量会改变每块塔板上的
浓度，最终导致产品浓度的改变
ppt课件
11
影响精馏过程的主要因素为：
（3）双温差信息，可用于精馏塔的适宜分离度控 制，即使塔顶/塔底产品纯度均适中。(参照板、灵 敏板，可以减弱操作点变化对温度的影响
ppt课件
17
精馏塔物料平衡控制问题
F
W
特点：仅保证塔的物料平 衡要求，而不对塔顶、塔
底产品质量作严格控制。
D L
精 馏 塔
LD
适应场合： （1）对产品质量要求不高；
（2）处理量与进料性质变
L
D
定，使相关回路的工作频
率拉开以减少关联；
（2）若耦合严重，则要
考虑采用解耦控制。
LC
B
ppt课件
32
两端质量指标控制之方案十四
TR
F
TC
TS
V
QH
根据精馏塔静态特性有：
TC

中国石油大学现代控制理论全部学习课件


火星旅行者
自动控制的两个主题
• 反馈
• 闭环回路 • 输入 动态系统 输出 测量 误差 输入
• 不确定条件下达到性能指标
• 最优控制
• 一段时间上的性能指标最小 • 预先规划、开环控制 • 轨迹最优化
• 二者联系
• 某些条件下，最优控制构成反馈
比较
提出的方法－经典控制理论(1935-
1
•
9传递5函0数)模
状态空间定义为状态向量的一个集合，状态空间的维数等同于状态的维数
• 状态轨线：
系统在某个时刻的状态，在状态空间可以看作是一个点。随着时间的推移，系 统状态不断变化，并在状态空间中描述出一条轨迹，这种轨迹称为状态轨线 或状态轨迹。
1.1 状态空间及状态空间表达式
几点解释
(1).状态变量组对系统行为的完全表征性 只要给定初始时刻 t0 的任意初始状态变量组 x1(t0 ), x2 (t0 ), , xn (t0 ) 和t ≥ t0 各时刻的任意输入变量组
例如，对SISO线性定常系统
时间域的外部描述：
u
y
y(n) an1 y(n1) a1 y(1) a0 y bn1u(n1) b1u (1) b0u
复频率域描述即传递函数描述：
W (s)
Y (s) U (s)
sn
bn
sn1
1
b1s
b0
an1sn1 a1s
a0
系统动态过程的两类数学描述
• 达到的性能要求较低，不能处理多目标 性能
• 面临的挑战
• 对象日益复杂化、控制性能要求不断提
现代控制理论
• 新知识、新技术
现代控制理论
• 1956年，前苏联的庞德里亚金发表 了《最优过程的数学理论》，提出 了极大值原理(Maximum Principle)；

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。

石油石化自动化控制课件


1.定值控制系统（Fixed Set-Point Control System）
控制系统的输入量是恒量，并且要求系统的输出量相 应 地保持恒定。定值控制系统是最常见
2.随动系统（Follow-Up Control System）
输入量是变化着的(有时是随机的)，并且要求系统 的输出量能跟随输入量的变化而作出相应的变化。
个人简介
• 具体介绍
自动控制系统
肆
目
叁
录
贰
自
壹
自动
自 动控
课动 控制
题控 制系
背制 系统
景系 统的
统 组分
成类
现在由于科学技术的发展和 对工作人员安全的角度考虑， 石油天然气领域越来越多的 引入了自动化设备。
实现工作人员的远程操控和 设备的自动控制。
自动控制：
在没有人直接操作的情况下，利用控制装置，对生产过程、 工艺参数、目标要求等进行自动的调节与控制,，使之按照预定的 方案达到要求.
自动控制系统：
自动控制系统是为实现某一控制目标所需要的所有物 理部件的有机组合工控制
控制对象：水箱系统 被控量： 水箱水位 希望状态：实际水位=设定值
用眼睛观察玻璃管液位计液位的高 操作人员所进低行,并的通工过作神有经三系方统面告: 诉大脑.
3．程序控制系统（Process Control System） 给定值是预定的时间函数。
自控系统的品质指标
对控制系统的要求:
1).稳定性：是保证控制系统正常工作的先决条件。 2).快速性：用最短时间达到要求。 3).准确性：值应尽量与期望值一致。
例题分析
1.图1所示为一水箱的液位控制 系统。指出系统中被控对象、 被控变量、操纵变量各是什么? 简要叙述其工作过程,说明带有 浮球及塞子的杠杆装置在系统 中的功能。

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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h
9
采用串级控制？
串级控制需要：
单回路控制不能满足要求； 可测量的副变量
副变量需要满足：
快速反应主要干扰的影响 干扰对副、主变量的影响具有因果关系 调节阀对副、主变量的影响具有因果关系
NO!
无法采用串级控制！
h
10
换热器的前馈控制方案
FF
RF
cp, RF , T1
凝液
蒸汽
HV, RV
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。
h
13
线性前馈控制方块图
T 0 ( s ) G f( s ) F ( s ) G d ( s ) G 0 ( s ) F ( s )
开环
TF0((ss))Gf (s)Gd(s)G0(s)
• 不变性：输出值在扰动F(s)作用下不产生任何变化。
h
15
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）
开环调节，无稳定性问题
闭环调节，存在稳定性问题
系统仅能感受有限个可测扰动 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
• 不变性原理： Q (S)0;T(S)0
Gd Gf Gv G0 Hmd
h
25
前馈＋反馈控制的仿真
h
26
前馈加串级控制
h
27
讨论
引入前馈控制的可能应用场合：
常规反馈控制系统难以满足要求； 干扰可测。
应用前馈控制的前提条件：
u
PC
Gv
-
-
Pm
Gm2
Pv
D1
+ +
Gp2
+
P Gp1 +
T
Tm
Gm1
试分析串级控制为何能有效抑止二次扰动；
试分析串级系统为何能克服副对象和调节阀的 非线性。
h
4
课堂提问4
蒸汽
HV, RV
工艺介质
cp, RF , T1
凝液
1、如果加热蒸汽
压力波动导致
TC
单回路控制效
果不理想，怎
么办？
2、如果工艺介质
21
2、动态前馈控制
h
22
前馈加反馈控制
前馈控制器
+
+
∑
u(t)
反馈控制器
ysp
过程 y(t)
D(t)
h
23
前馈加反馈控制
将前馈与反馈结合起来， 构成前馈-反馈控制系统。
① 对于可测不可控的干扰， 用前馈控制超前补偿；
② 其余干扰，由反馈控制克 服。
h
24
前馈加反馈控制
T(S)GfHmdGdGvG0 Q(S) 1GcGvG0Hm
• 分析：无论是料液流量或是设定值Tor的增 大，蒸汽流量都会自动增大，因为它与两者 的乘积成正比。
①代表流量F增大所引起的温度T0的响应。 ②代表增大蒸汽量ω所引温度T0的响应。 ③出现了一段时间较小的偏差。这是由于 扰动通道与调节通道之间对象动态特性不同 所引起的动态偏差，这种偏差是静态前馈补 偿所不能解决的，但最终仍然稳定在设定值 上。
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
h
16
1、静态前馈控制
例：换热器的静态方程：
FC p(TorTi)H
F (T oH r T i)C pC H pF (T or T i)
•特点：只能保证稳定后，完全补偿， 但存在动态误差
h
17
1、静态前馈控制
T2
流量波动导致
控制效果不理
想，怎么办？
h
5
前馈控制系统
Feedforward Control
h
6
内容
前馈控制的原理 线性前馈控制的设计 非线性前馈控制 前馈反馈控制系统
h
7
换热器的反馈控制
蒸汽
HV, RV
TC
工艺介质
cp, RF , T1
T2
凝液
假设主要干扰为RF，T1
h
8
单回路控制的仿真
h
18
1、静态前馈控制
（2）、若出口温度达不到设定值，只需调整K
就以校正，直到残差被消除。
ห้องสมุดไป่ตู้
k Cp H
①前馈作用太弱，蒸汽流量减少量不足以 抵消料流量的变化。“欠补偿”。
②前馈作用过强，蒸汽流量变化超过料液 流量变化所需要的蒸汽量。
③在Δω作用下，T0最终回到设定值，说明 前馈补偿合适。
h
19
2、动态前馈控制
Y F((S s))Gf(S)Gd(S)G0(S)
由不变性原理： Gd(S) Gf (S)
G0(S)
设控制通道的特性为： 干扰通道的特性：
GG0(f S(S))TT0KSfKS0f11ee0Sf S
∴前馈补偿装置的传递函数为：
KdKf, K0
f 0
G d (S ) G G 0 f( ( S S ) ) K K 0 fT T 0 fS S 1 1 e ( fh 0 )S K dT T 0 fS S 1 1 e S
F (s)0 T 0(s)0 G f(s)G d(s)G 0(s)0
Gd
(s)
Gf G0
(s) (s)
h
14
前馈控制的特点
1. 开环控制，独立的前馈难以使用。 2. 根据干扰的大小控制，干扰必须可测。 3. 只对设计补偿的干扰起作用。 4. 调节规律由对象、干扰特性决定。
前馈的应用场合：
• 系统中存在可测、不可控、变化频繁、幅值大的干扰。
课堂提问1
相比反馈控制，串级控制更有效抑制干 扰，因此在控制方案选择时应首选串级 控制？
串级能够有效抑制副回路中的干扰，因 此应选择能包含最多干扰的那个变量作 为副变量？
h
2
课堂提问2
Tsp
TC
Psp
PC Pm u
进料
Pv
P
燃料油
控制器的正反作用 选择
Tm
T
出料
h
3
课堂提问3
Tsp
+
TC
Psp +
工艺 介质
T2
h
11
换热器的前馈控制方案
• 干扰：进料温度，流量 进料温度Ti↑（进流流量F↓）→出口温度T0↑ ΔT0f 设想：进料温度上升的同时，关小蒸汽量→T0↓→ΔT0c 若ΔT0f=ΔT0c，则T0不变
h
12
前馈控制的思想
D1
Dn
前馈控制器
u
y 对象
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。
20
2、动态前馈控制
Y F((S s))Gf(S)Gd(S)G0(S)
由不变性原理： Gd(S) Gf (S)
G0(S)
设控制通道的特性为： 干扰通道的特性：
GG0(f S(S))TT0KSfKS0f11ee0Sf S
∴前馈补偿装置的传递函数为：
KdKf, K0
f 0
G d (S ) G G 0 f( ( S S ) ) K K 0 fT T 0 fS S 1 1 e ( fh 0 )S K dT T 0 fS S 1 1 e S