管式热裂解反应器出口温度前馈 - 反馈控制系统设计

中北大学课程设计说明书

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课 程 设 计 说 明 书

学生姓名： 陈朋印 学 号： 1002034111 学 院： 机械与动力工程学院 专 业： 过程装备与控制工程 题 目： 管式热裂解反应器出口温度前馈 ——反馈控制系统设计

指导教师： 姚竹亭 职称: 教授

许 昕 职称: 讲师

2014年1月10日

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课程设计任务书

2013/2014 学年第 1 学期

学 院： 机械与动力工程学院 专 业： 过程装备与控制工程 学 生 姓 名： 陈朋印 学 号： 1002034111

课程设计题目： 管式热裂解反应器出口温度前馈

——反馈控制系统设计

起 迄 日 期：2013年12月30日～2014年1月10日

课程设计地点： 中北大学 指 导 教 师： 姚竹亭 许 昕

学科部副主任：

下达任务书日期: 2013年12月30日

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课 程 设 计 任 务 书

1．设计目的： （1）培养学生运用过程检测仪表与控制技术及其他相关课程的知识，结合毕业实习中学到的实践知识，独立地分析和解决实际过程控制的问题，初步具备设计分析一个过程控制系统的能力。 （2）运用工程的方法，通过一个简单课题的设计练习，可使学生初步体验过程控制系统的设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法。 （3）培养学生独立工作能力和创造力；综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力； （4）培养查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力； （5）培养编写技术报告和编制技术资料的能力。 2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）： 经过过程检测、过程控制工程、工程测试技术、过程装备原理、过程流体机械、过程装备监测与诊断等课程的学习和生产实习后，对现场的实际过程控制策略、实际环节的控制系统有了一定的认识和了解。在此基础上，针对实践环节中的被控对象（控制装置），独立完成控制系统的设计，并通过调节系统控制参数，达到较好的控制效果。 1. 确定系统整体控制方案以及系统的构成方式，给出控制流程图； 2. 3. 4. 5. 6. 现场仪表选型，编制有关仪表信息的设计文件； 给出控制系统方框图； 分析被控对象特性，选择控制算法； 进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能； 写出设计工作小结。对在完成以上设计过程所进行的有关步骤：如设计思想、指标论证、方案确定、参数计算、元器件选择、原理分析等作出说明，并对所完成的设计作出评价，对自己整个设计工作中经验教训，总结收获。 中北大学课程设计说明书

3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕： 1．确定系统整体控制方案、仪表选型、系统控制流程图、选择控制算法。 2．撰写课程设计说明书一份（A4纸）。

4．主要参考文献： [1]《过程控制工程》 戴连奎 主编 化学工业出版社 [2]《过程装备控制技术及其应用》 王毅 主编 化学工业出版社 [3]《工业过程控制工程》 王树青 主编 化学工业出版社 [4]《化工仪表及自动化》 厉玉鸣 主编 化学工业出版社 [5]《过程控制仪表》 徐春山 主编 冶金工业出版社 [6]《控制仪表及装置》 吴勤勤 主编 化学工业出版社 [7]《过程控制装置》 张永德 主编 化学工业出版社 [8]《过程自动化及仪表》 俞金寿 主编 化学工业出版社 [9]《过程流体机械》 姜培正 主编 化学工业出版社 [10]《工业过程检测与控制》 孟华 主编 化学工业出版社 [11]《过程检测技术及仪表》 杜维 主编 化学工业出版社 中北大学课程设计说明书

5．设计成果形式及要求： 提供课程设计说明书一份，要求内容与设计过程相符，且格式要符合规定要求； 系统控制流程图一份； 6．工作计划及进度： 2013年12月30日 -12月31日 确定系统整体控制方案以及系统的构成方式，画出控制流程图，完成仪表选型，接线图； 2014年1月1日 - 1月4日 控制系统方框图，分析被控对象特性，选择控制算法； 1月5日- 1月7日 进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能； 1月8日 - 1月9日 编写课程设计说明书 1月10日 答辩 学科部副主任审查意见： 签字： 年 月 日

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目录

1管式热裂解反应器前馈-反馈控制系统概述 ................................................................................. 7

1.1概述 ........................................................................................................................................ 7 1.2 管式热裂解反应器的扰动分析 ........................................................................................... 7 1.3 前馈-反馈控制系统 ............................................................................................................. 8 2 课程设计方案论证 .......................................................................................................................... 8

2.1 控制方案1设计 ................................................................................................................... 8 2.2 控制方案2设计 ................................................................................................................... 8 2.3 控制方案3设计 ................................................................................................................... 9 3 前馈-反馈控制系统设计及器件选择 .......................................................................................... 10

3.1 前馈—反馈控制系统设计 ................................................................................................. 10 3.2 参数的工程整定 ................................................................................................................. 14 3.3 前馈—反馈控制系统整定 ................................................................................................. 17 4.MATLAB系统仿真 ........................................................................................................................... 21

4.1 matlab的简介 .................................................................................................................. 21 4.2simulink控制系统仿真 ...................................................................................................... 21 5 课程设计总结 ................................................................................................................................ 23 6 参考文献 ........................................................................................................................................ 23

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1 管式热裂解反应器前馈-反馈控制系统概述

1.1概述

管式热裂解反应器是主要用于烃类热裂解的反应装置。烃类热裂解过程是指石油烃类原 料(天然气、炼厂气、油田气、汽油和重油）在高温（700-1000℃） 、隔绝空气的条件下发生 分解反应而生成碳原子数较少、相对分子质量较低的三烯（乙烯、丙烯和丁二烯） 、三苯（苯、 甲苯和二甲苯）等短裢烃的化学过程。管式反应器从结构上可以分为单管反应器和多管反应 器，多管反应器是将多个管式电反应单元并联组装成电反应器；可以是空管，如管式裂解炉， 也可以是在管内填充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床反应器。 管式反应器结构简单、加工方便，耐高压、传热面积大，特别适用于强烈放热和加压下的反 应。管式应器还具有容易实现自动控制、节省动力、生产能力高等特点，因此广泛用于气相、 均液相、非均液相、气液相、气固相、固相等反应过程。为保证管式反应器内具有良好的传 热与传质条件, 使之接近于理想反应器，一般要求流体在管内作高速湍流运动。 热裂解的原理：烃类热裂解的过程十分复杂，不仅裂解原料发生反应，而且生成物还会 继续反应，同一种烃也会发生不同的反应。按反应进行的先后顺序，可以反应划分为一次反 应和二次反应。本次课程设计是要完成管式热裂解反应器出口温度控制系统的设计， 采用的 是前馈 ——反馈控制。 1.2 管式热裂解器的扰动分析

管式热裂解反应器温度控系统工艺流程及控制要求管式热裂解反应器的主要任务是把原油或重油加热到一定温度， 以保证下一道工序 （分馏或裂解） 的顺利进行。 反应器的工艺流程为燃料油经过蒸汽雾化后在炉膛中燃烧， 被加热油料流过炉膛四周的排管中，就被加热到出口温度。在燃料油管道上装设一个调 节阀，用它来控制燃油量以达到调节温度的目的。其中燃料油压力和过热蒸汽压力都可 以用专门的调节器保持其稳定，所以管式热裂解器的扰动来源于燃油压力与过热蒸汽压力，而过热蒸汽压力是主要扰动。从调节阀动作到温度 改变， 这中间需要相继通过炉膛、 管壁和被加热油料所代表的热容积， 因而反应很缓慢。 工艺上对出口温度要求不高，一般希望波动范围不超过±1～2%。

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1.3 前馈-反馈控制系统

反馈控制系统的输出是偏差的函数，只有出现偏差才进行调节，因此，调节不及时。如果采用某种控制策略，使该控制运算的输出是扰动的函数，则一旦出现扰动，控制系统就有输出，就能在偏差还未出现以前把扰动的影响消除，因此，调节及时。依据预防的控制策略设计的控制系统称为前馈控制系统。

前馈控制系统根据扰动进行调节；采用开环控制方式；控制器的输入信号只有一个变量，即扰动量；只能克服某个特定扰动的影响；控制器的控制规律是前馈控制规律，它与前馈广义对象特性和扰动通道特性有关，因此，只能近似实现所需控制规律，要实现绝对不变性较困难。前馈控制能及时克服特定扰动的影响，如果合适设计控制规律，可大大消弱扰动对被控变量的影响。

因此，前馈控制往往需要与反馈控制结合起来，构成前馈-控制系统。这样既发挥了前馈控制作用及时的优点，又保持了反馈控制能克服多个扰动和具有对被调节量实行反馈检验的长处。所以前馈-反馈控制是适合于过程控制的较好的方式。

2 课程设计方案论证

2.1 控制方案1设计

所谓静态前馈控制，是指前馈控制器的控制算法为比例控制，即 错误！未找到引用源。

式中，Ko、Kv、Km与Kf分别是过程控制通道、调节阀、温度变送器静态放大系数以及过程干扰通道的静态放大系数；错误！未找到引用源。,其大小由Ko、Kv、Km、Kf确定。静态前馈控制的控制目标是使被控参数最终的静态偏差接近于零，而不考虑由于两通道时间常数的不同而引起的动态偏差。由于静态前馈控制非常简单，实施方便。在实际生产中，当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。 2.2 控制方案2设计

静态前馈控制系统结构简单、易于实现，但在扰动影响下动态偏差依然存在。对于扰动频繁且要严格控制动态偏差的生产过程，静态前馈不能满足生产工艺的精度要求，这种情况下宜采用动态前馈控制。

动态前馈控制必须根据过程干扰通道和控制通道的动态特性，其传递函数由式错误！未找到引用源。Gb?GfGoGvGM决定。采用动态前馈控制使扰动对被控

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参数的影响在每个时刻都得到补偿，能够极大地提高控制过程的动态品质，是提高控制质量的有效手段。但动态前馈要采用专用控制器，控制规律由上式决定，结构一般比较复杂，往往无法获得精确表达式，也难以精确实现，往往只能近似处理。因此，只有在工艺对控制精度要求较高、其他控制方案又难以满足的情况下，才考虑采用动态前馈控制方案。 2.3 控制方案3设计

为了克服前馈控制的局限性，常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。这样既发挥了前馈控制及时克服主要扰动对被控参数影响的优点，又保持了反馈控制能抑制各种干扰的优势，同时也降低了对前馈控制器的要求，便于工程上的实现。

当燃油流量F（s）发生变化时，前馈控制器Gb(s)及时发出控制指令，补偿燃油流量F（s）变化对管式热裂解反应器出口温度Y（s）的影响；而燃油压力、过热蒸汽压力等扰动对物料出口温度的影响，则由反馈控制器Gc(s)来克服。前馈控制作用加反馈控制作用，能够很好地克服扰动对出口温度的影响，获得比较理想的控制效果。相对于单纯的前馈控制或反馈控制，复合控制系统具有以下优点：

1.前馈控制与反馈控制组合使用，有利于对主要干扰进行前馈补偿和加其他干扰进行反馈调节，保证控制精度。

2.由于增加了反馈控制回路，降低了对前馈控制器的精度要求，有利于简化前馈控制器的设计和实现。

3.在单纯的反馈控制系统中，提高控制精度与系统稳定性是一对矛盾，往往为保证系统的稳定性而无法实现高精度的控制。而前馈-反馈控制系统既可实现高精度控制，又能保证系统稳定运行，因而在一定程度上解决了稳定性与控制精度之间的矛盾。

由于前馈控制不含时间因子，比较简单，在一般情况下，不需要专用的补偿器，单元组合仪表便可以满足使用要求。而且事实证明，滞后相位差不大的时候，应用静态前馈控制方法可以获得较高的控制精度，相比之下，由于动态前馈控制系统的结构复杂，系统的运行和参数整定过程也比较复杂，需要一套专门的补偿装置。

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综上所述，由于本设计主要考虑燃油压力和燃油流量对管式热裂解反应器出口温度的影响，所以采用静态前馈-反馈控制方案。

3 前馈-反馈控制系统设计及器件选择

3.1 前馈—反馈控制系统设计

一、控制器的选择

以单片机89C51为控制器，将温度传感器得到的微弱电信号，经仪表放大器放大后，送入转换器，转化结束后，89C51读取转换结果，当管式热裂解反应器出口温度低于设定温度时，启动加热控制部件，使管式热裂解反应器出口温度升高，以满足现场要求．当管式热裂解反应器出口温度高于设定温度时，实时地切断加热源．采用单片机来对炉温实时控制不仅具有控制方便简单和灵活性大的特点，而且提高了炉温控制精度的技术要求，从而大大提高了产品的质量．

1.A/D转换器的选择

ADS774是BRR-BROWN(BB)公司设计生产的主次逼近式模数转换器，4种可选电压范围输入：0～+10V，0～+20V，-5～+5V和-10～+10V,12位或8位可选输出，单一+5V供电。

它采用低功耗COMS工艺和新的电容阵列技术，包含有内部时钟、微处理器接口、三态输出缓冲器以及若干组内部可调阻抗，功率最大为120mv，转换时间为t≤8.5?S。

ADS774可以在2种模式下工作：一种是工作过程由微处理器控制，即所谓非独立方式；一种是独立运行工作模式。

二、执行器的选择

1.调节阀工作区间的选择：正常工况下要求调节阀的开度在15﹪-85﹪之间。 2.调节阀的流量特性选择：

根据生产过程的工艺参数和对控制系统的工艺要求，应选用等百分比流量特性或抛物线流量特性。

3.调节阀的气开、气关作用方式选择：

气开阀即随着控制信号的增加而开度增大，当无压力控制信号时，阀门处于全关闭状态。

由于设计要求当物料进入管式热裂解反应器的时候，有一定的温度，当燃油

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流量加大时，温度势必增加，所以阀门控制选择气开式。而当燃油流量增加时，出口温度会增加，所以控制器选择反作用，调节器应选择正作用。

控制阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动三类。气动控制阀用压缩空气作为工作能源，主要特点是能在易燃易爆环境中工作，广泛地应用于化工、炼油等生产过程中；电动控制阀用电源工作，其特点是能源取用方便，信号传递迅速，但难以在易燃易爆环境中工作；液动控制阀用液压推动，推力很大，一般生产过程中很少使用。

三、检测变送器的选择 1.温度检测器

热电偶作为温度传感元件，能将温度信号转换成电动势（mV）信号，配以测量毫伏的指示仪表或变送器可以实现温度的测量指示或温度信号的转换。具有稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点、热电偶一般用于500°C以上的高温，可以在1600°C高温下长期使用。

热电阻也可以作为温度传感元件。大多数电阻的阻值随温度变化而变化，如果某材料具备电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻与温度的关系接近线性等条件，就可以作为温度传感元件用来测温，称为热电阻。热电阻分为金属热电阻和半导体热敏电阻两类。大多数金属热电阻的阻值随其温度升高而增加，而大多数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而减少。

采用热电阻法测量温度时，一般将电阻测温信号通过电桥转换成电压，当热电阻的连接导线很长时，导线电阻对电桥的影响不容忽视。为了消除导线电阻带来的测量误差，不管热电阻和测量一边之间的距离远近，必须使导线电阻的阻值符合规定的数值，如果不足，用锰铜电阻丝凑足。同时，热电阻必须用三线接法，热电阻用三根导线引出，一根连接电源，不影响桥路的平衡，另外两根被分别置于电桥的两臂内，使引线电阻值随温度变化对电桥的影响大致抵消。 2.温度变送器

检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。变送器的任务就是将检测信号转换成标准信号输出。因此，热电偶和热电阻的输出信号必须经温度变送器转换成标准信号后，才能进入控制系统，与控制器等其他仪表配合工作。

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图1给出了温度变送器的原理框图，虽然温度变送器有多个品种、规格，以配合不同的传感元件和不同的量程需要，但他们的结构基本相同。

电量 输出电流 + 传感元件 输入电路 放大电路 反馈电路 图1 温度变送器原理框图

MAT-TT系列一体化温度变送器是热电阻、热电偶与变送器的完美结合，以十分简捷的方式把-200～1300℃的温度信号转换为标准4～20mA电流信号实现对温度精确测量与控制。

MAT-TT系列温度变送器可与显示仪、控制系统、记录仪等调节器配套使用，并被广泛应用于石油、化工、发电医药、纺织、锅炉等工业领域。

仪表主要特点：

温度模块内部采用环氧树脂浇注工艺，适应于各种恶劣和危险场所使用。冷端、温漂、非线形自动补偿。液晶、数码管、指针等多种指示功能方便现场适时监控。

技术指标：

(1)基本误差：±1.0%、±0.5%、±0.25% 二线制输出、无需补偿导线。 (2)输出信号：4～20mA 抗干扰能力强、远传性能好。

(3)负载电阻：250Ω允许范围为0～500Ω 结构简单、合理安装方便。 (4)供电电源：24V DC 允许范围为18～30VDC 小型化、安全可靠、使用寿命长。

(5)温度漂移：≤0.015%/℃ 三线制、二线制输入方法通用。

(6)环境温度：-25～60℃、相对湿度：≤95% 液晶显示现场温度，清晰度高，无视觉误差。 3.流量变送器

流量变送器采用LWQ型气体涡轮流量变送器。它吸取了国内外流量仪表先进技术经过优化设计，综合了气体力学、流体力学、电磁学等理论而自行研制开发

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的新一代高精度、高可靠性的气体精密计量仪表，具有出色的低压和高压计量性能，多种信号输出方式以及对流体扰动的低敏感性，广泛适用于天然气、煤制气、液化气、轻烃气等气体的计量。该类涡轮流量产品本身不具备现场显示功能，仅将流量信号以电流信号（4-20mA）的方式远传输出。仪表价格低廉，集成度高，体积小巧，特别适用于与二次显示仪、PLC、DCS等计算机控制系统配合使用。且该类涡轮流量计具有防爆功能。 四、控制规律的选择

在控制系统中，主，副控制器起的作用不同。主控制器起定值控制作用，副控制器起随动控制作用，这是选择控制器规律的基本出发点。

主被控参数是工艺操作的主要指标，允许波动范围很小，一般要求无静差，因此，主控制器应选PID控制规律。

副被控参数的设置是为了克服主要干扰对主参数的影响，因而可以允许在一定范围的变化，并允许有静差。为此，副控制器选择P控制规律。 五、前馈—反馈控制系统的控制过程分析

图2所示为精馏塔提馏段温度为主控变量、再沸器蒸汽流量为副被控变量的串级控制系统和进料流量为前馈信号组成的相乘型前馈-反馈控制系统。图中，FC是加热蒸汽流量控制器；TY是乘法器；TC是提馏段温度控制器；FY是前馈控制器。从前馈原理角度看，进料量是扰动变量，反馈信号来自提馏段温度，前馈信号来自进料流量，反馈信号和前馈信号进行相乘运算，运算结果作为再沸器加热蒸汽流量控制器的设定。

其控制器的正、反作用选择如下：

1、 主被控变量 燃油流量 2、 副被控变量 过热水蒸气流量

3、 控制阀 从安全角度考虑，选择气开型控制阀，Kv>0。

4、 副被控对象 控制阀打开，过热水蒸气流量增加，出口温度也增加，因此，Kp2>。

5、 副控制器 为保证负反馈，应满足Kc2KvKp2Km2>0，因Km2>0，应选Kc2>0， 即选用反作用控制器。

6、 主被控对象 当燃油流量增加时，管式热裂解反应器出口温度升高，

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因此，Kp1>0。

7、 主控制器 为保证负反馈，应满足Kp1Kc1Km1>0，因Km1>0，应选Kc1>0， 即选用反作用控制器。

图3是该控制系统框图。图中，Gy是乘法器，即壁纸控制系统中的比值函数环节；Gff是前馈控制器，即是管式热裂解反应器出口温度控制器；Gc2是副控制器。

F Gff Gm Gf r T Gc1 Gy Gc2 Gv Gp2 Gp1 Gm2 Gm1 图 3 前馈-反馈控制系统框图

3.2 参数的工程整定 一、Kf型前馈控制器

这种模型具有比例特性，实施起来比较容易，用比例控制或比值器等常规仪表就可以实现。Kf可通过现场进行整定。当控制管道的时间常数与干扰通道的时间常数近似相等时，采用这种静态前馈控制，其控制质量将有很大的改善。 二、工程整定

静态参数Kf是前馈控制模型中最基本的参数，它对前馈控制系统中的运行状态影响很大，首先应将整定好。整定方法主要有开环整定和闭环整定。 1.开环整定

就是在系统中做单纯的静态前馈运行下加干扰，Kf值由小到大，直到被控

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量回到设定值。此时，所对应的Kf更视为最佳整定值。在进行整定会有较大的误差。另外，由于系统中是处于单纯的前馈运行状态，在整定过程中，被控量失去反馈控制。为了避免Kf过大而导致被控量产生太大的影响甚至发生生产事故，所以Kf由小逐步增大。由于这种方法容易影响生产的正常进行，所以实际中应用越来越少。 2.闭环整定

可以让系统处于前馈反馈运行状态整定Kf，也可以让系统处于反馈运行的状态对Kf进行整定。需要指出的是，使用这种方法整定时，反馈控制器应有积分作用。否则，在干扰作用下，无法消除被控量的静态误差。同时也要求工况稳定，尽量减少其他干扰的影响。 3、PID参数整定

1）PID参数的选取

如果PID参数不合适，PID的调节结果可能比二位式调节的结果还差，例如产生幅度很大的连续振荡，产生长时期不能消除的静差，或者是在系统受扰动后不能尽快复原等，因此，根据被控对象的工况选取合适的PID参数，是用好PID调节仪表的关键。在大多数场合，选择P=5%，I=210秒，D=30秒，就能达到较理想的调节效果。

根据比例带XP1和振荡周期T，查上表后计算出合适的比例带、积分时间、微分时间三个参数的具体数值，再安仪表的设置步骤键入PID参数并稍作微调即可。

概括的说，比例带P设置的数值越大，系统越不会发生振荡，静差也越大；积分时间I设置的数值越大，积分的作用越不明显，消除静差所需的时间也越长，系统越不会发生振荡；微分时间D设置的数值越小，对比例带和积分的作用力越小，系统不会发生振荡，但系统的响应速度也变得迟钝。积分的作用是使系统趋向稳定，而微分的作用是抑制超调，但会使系统趋向不稳定，微分与积分配合的当，就可获得尽快而稳定的调节过程。

在管式热裂解反应器出口温度前馈-反馈控制系统中，设定值为X(s)、干扰F(s)对输出Y(s)的共同影响为

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G(S)?Go(s)Gv(s)G(s)Gm(S)Gc(s)Gv(s)Go(S)fbY(s)?X(s)?F(s)1?Go(s)Gv(s)Go(s01?Gc(s)Gv(s)Go(s)

3-1

要前馈补偿实现对Y(s)的完全补偿，上式的第二项应当为零，即

G(s)?Go(s)Gv(s)G(s)Gm(s)fb?01?Gc(s)Gv(s)Go(s)

3-2

即

G(s)?Go(s)Gv(s)G(s)Gm(s)?0fb

3-3

从而可得

G(s)fG(s)?bGo(s)Gv(s)Gm(s)

3-4

由3-1可知，由于反馈的存在，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)Gv(s)Go(s)]倍。在系统的通频带内，控制通道往往有很大的放大倍数，即

1?Gc(s)Gv(s)Go(s)3-5

》1

3-5表明，本来经过开环补偿后，干扰F(s)对被控参数的影响很小，在经过反馈控制进一步减小1?Gc(s)Gv(s)Gm(s)倍，这充分体现了前馈反馈的优越性。

3.2.1 前馈—反馈的模型分析

按照不变性的条件，球的前馈反馈的传递函数的表达式，即

Gb(s)??Gf(s)Gb(s)Gv(s)Gm(s)

实际上，要得到干扰通道特性Gf(s)、控制通道Go(s)的精确数学模型非常困难，往往无法通过计算球的准确的请按亏反馈模型。实践证明，相当数量的工业工程都具有阻尼特性，因此，常常将被控过程的控制通道和抗扰动通道用一介和

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二阶的容量滞后模型来近似，必要的时候串联一个纯滞后环节，这样就为前馈控制器的模型具有了通用性创造了条件。假定控制通道特性为

Go(s)?Ko??ose Tos?1干扰通道特性为

Gf?KfTfs?1e??fs

则前馈控制器的模型可归结为如下形式

KfGf(s)Tfs?1KfTos?1e??fsT1s?1??sGb(s)???????Kbe ?tosKoGo(s)KoTf?1eT2s?1e??osTos?1式中Kb静态前馈系数。Kb?KfKoe??ss；T1?To，T2?Tf，分别为控制通道与

干扰通道的时间常数， ?为干扰通道与控制通道纯滞后的时间差，???f??o。

当?f??o时，上式写为

Gb(s)??KbT1?1 T2?1若T1?T2?To?Tf则可改写为

Gb(s)??Kb

由此可见，常用前馈控制有Kb，Kb3.3 前馈—反馈控制系统整定

前馈反馈控制系统的头动方式有两种。其一，前馈和反馈分别投运，整定后在组合起来；其二，将反馈部分先投运，待整定后，再逐渐加入前馈作用。

在整定前馈反馈控制系统时，反馈回路的前馈控制部分要分别整定。也就是说，当整定反馈回路时，只考虑闭合回路具有适当的稳定余量，而不考虑前馈部分：当整定前馈装置时，不考虑反馈控制引起的稳定性问题。对于具体的整定方法，现已常用的前馈装置KbT1s?1T?1??se ，Kb1T2?2T2?2T1s?1为例，介绍如何确定静态参数Kb，动态参数T2?2中北大学课程设计说明书

T1和T2。 3.3.1 Kb的整定

静态参数Kb是前馈模型中最基本的参数，它对前馈控制系统的运行状态影响很大，首先应该将它定好。主要方法有开环和闭环整定。

1）开环整定

所谓开环整定作单纯的静态前馈运行下施加干扰，Kb值由小逐渐增大时，直到被控量回到设定值，此时，所对应的Kb更视为最佳整定值。在进行整定时，应力求工矿稳定，以减小其他扰动对被控量的影响，否则，Kb值有较大误差。另外，由于系统处于单纯前馈控制状态，在整定过程中被控量推动反馈控制。为了避免由于Kb过大而导致被控时产生太大偏差、影响产生甚至发生事故，因此

Kb值应由小逐步增大。由于这种方法容易影响生产的正常进行，因而在实际生产过程中应用月俩越少。

2）闭环整定

设待定的系统原理框图如图。可以让系统处于前馈—反馈运行状态整定Kb，也可以让系统处于反馈运行状态对Kb值整定。

①前馈—反馈运行状态整定Kb

闭合图中开关K，使系统处于前馈—反馈运行状态。在反馈控制已整定好的基础上，施加相同的干扰作用，由小到大的逐步改变Kb值，知道获得满意的补偿过程。Kb值对补偿的影响如图4所示，图中（b）曲线为Kb值刚好适当。如此时的Kb值较小，将照成欠补偿所示，如图（a）,所示，若Kb值过大则造成过补偿，如图c

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图 4 Kb闭环整定系统框图

a b c ②反馈运行状态整定Kb

打开图中的开关K，使系统处于反馈运行状态。待系统稳定后，记下干扰变送器的输出电流Id0和反馈控制器的输出稳定值Ic0。然后，对干扰 d施加加一增量△d，待反馈终止系统在△d的作用下，被控变量重新回到设定值时，重新记下干扰变送器的输出Id及反馈控制器的输出Ic，则前馈控制器的静态放大系数Kb为：

Kb?Ic?Ic0

Id?Id0式中的物理含义十分的明显。当干扰量为△d时，由反馈控制器产生的矫校正作用改变了（Ic-Ic0），才能使被控量回到设定值，如果前馈控制器来校正，那么Kb值也必须满足这一关系式。

需指出的是，在使用这种方法整定Kb时，反馈控制器应具有积分作用。否则，在干扰作用下，无法消除被控时量的静差。同时，要求工况稳定，尽量减

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少其他干扰的影响。 3.3.2 T1，T2的整定

动态参数决定了动态补偿程度，当T1﹥T2时，前馈控制在动态补偿过程中起超前作用，当T1﹤T2时，起之后作用；当T1=T2的时候只有静态前馈作用。因此，常将T1为超前时间，T2称为滞后时间。根据校正作用在世超前或滞后，便可以决定T1、T2的数值。当T1过大时，由于过补偿而使过渡过程曲线反向超调过高，因此从生产安全的角度出发，前馈控制器的动态参数应从欠补偿开始，按照过渡过程曲线变化的趋势，逐渐试凑逼近。也可以在初次实验时，去T1/T2=2或T1/T2=0.5的数值进行，施加干扰观察补偿过程，首先调整T1或T2，使过补偿曲线达到上、下偏差面积相等，然后再调整T1与T2的比值，直到获得平坦的补偿过度曲线。

3.3.3调节器参数整定方法

1） 稳定边界法

其要点是将调节器设置成纯比例作用，将系统投入自动与运行并将比例带由大到小的改变，直到系统产生等振幅震荡为止。这时控制系统处于边界稳定状态，记下此状态下的比例带值，即临界比例带?K以及振荡周期TK，然后根据经验公式算出比例调节的各个参数。

2） 衰减曲线法

衰减曲线法是利用比例作用下产生的4：1衰减振荡（??0.75）过程时的调节器比例带?s及过程衰减周期Ts，或（10：1）衰减振荡过程时调节器比例带?s及过程上升时间Ts，根据经验公式计算出调节器的各个参数。

3） 响应曲线法

响应曲线法是在系统处于开环状态下，作对象的阶跃扰动实验，根据记录下的节约响应曲线求取一组特征参数?、?、?（有自平衡能力的对象），再根据经验公式计算调节器的各个参数。

4）经验法

通过长期实践，人们总结了一套参数整定经验，称之为经验法。经验法可以说是根据经验进行参数试凑得方法，它首先根据经验设置一组调节

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器参数，然后将系统投入闭环运行，待系统稳定后阶跃扰动试验，观察调节过程；如果过程过度过程不令人满意，则修改调节器参数，再做阶跃扰动实验，观察调节过程；反复上述试验，直到调节过程满意为止。 3.3.4本次设计中调节器参数整定及结果

本次设计中，在进行参数调节整定时，选用了经验法。

首先取Kp?1、Ki?0.001、Kd?0.01，再经过matlab运行仿真，观察输出结果，再通过结果进行不段分析，调整调节器参数，再进行新的仿真和观察，用试凑发反复进行调节，最终得到较好的调节器参数如下：

Kp?0.04 Ki?0.001 Kd?0.05

4.MATLAB系统仿真

4.1 matlab的简介

Matlab是一种面向科学与工程的高级语言，它集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络和图像处理于一体，具有极高的编程效率。Matlab是一个高度集成的系统，matlab提供的simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，能够在连续时间域、离散时间域或两者的混合时间域进行建模，它同样支持具有多种采样速率的系统。在过去几年里，simulink已成为教学和工业应用中对动态系统进行建模最广泛的实用工具。 4.2simulink控制系统仿真

如前所述，前馈—反馈系统仿真主要包括：系统辨识、控制系统整定和系统仿真等内容。其中控制系统所整定包括前馈系统整定和反馈控制系统整定两部分。本设计采用前馈、反馈分别整定法。

由题意知对象干扰通道传递函数为：

Gf(s)Go(s)?15e?8s

(8s?1)(10s?1)传递函数为：

G01(s)G02(s)?6e?10s

(5s?1)(10s?1)所以静态前馈控制器系数为：

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Kd?Gf(s)G02(s)G01(s)G02(s)??lims?015e?8s(8s?1)(10s?1)??2.5

6e?10s(5s?1)(10s?1)程序框图如下，

图 5 前馈—反馈控制系统方框图

如图所示，管式热裂解反应器出口温度的前馈—反馈系统框图，包括前馈和反馈两个通道，在matlab中分别仿真单回路和前馈—反馈两种情况，然后做比较得出结论。

系统在matlab中的仿真框图和仿真结果。

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5 课程设计总结

在设计过程中，从拿到题目，方案的设计到方案的确定，都经过了严谨的思考，回路的设计，调节器的正反作用的确定，被控参数的选择，使系统能够达到设计目的。在设计中，遇到了许多困难，老师对该论文从开始的题目介绍，构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导, 同时，其他的同学，在设计的过程中曾耐心给与帮助，使我得以最终完成这次设计。我们以前学习的知识都渐渐离我们远去，甚至不知道、不清楚哪些知识该用到哪些地方，什么时候用。通过自己查找资料，了解情况，让我们清楚我们学的知识与现实工业生产之间的联系，使得我们对知识更加了解和巩固。

通过这次设计，我对过程控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对过程控制系统设计步骤、思路有一定的了解与认识。我学到了控制系统的设计方法和步骤，拓展了知识面，了解了工业中控制系统起到的重要作用。

6 参考文献

[1]《过程装备控制技术及其应用》 王毅 主编 化学工业出版社 [2]《过程自动化及仪表》 俞金寿 主编 化学工业出版社 [3]《工业过程控制工程》 王树青 主编 化学工业出版社

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[4]《控制仪表及装置》 吴勤勤 主编 化学工业出版社 [5]《过程控制仪表》 徐春山 主编 冶金工业出版社 [6]《过程装备成套技术设计指南工程》 黄振仁 主编 化学工业出版社 [7]《过程控制装置》 张永德 主编 化学工业出版社 [8]《化工单元过程及设备课程设计》 匡国柱 主编 化学工业出版社 [9]《化工设备设计设计手册》（上、下） 朱有庭 主编 化学工业出版社 《工业过程检测与控制》 孟华 主编化学工业出版社

[10]

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/mua3.html