北华大学毕业设计（论文）
? Q 干扰通道?d △Q 前馈补偿?c
图3.3 完全补偿条件示意图
前馈反馈控制的原理：前馈控制又称扰动补偿，它与反馈调节原理完全不同，是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节的。在这种调节系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现并能被测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，使两者在被调量发生偏差之前抵消。因此，前馈调节对干扰的客服比反馈调节及时。但是前馈控制是开环控制，其控制效果需要通过反馈加以检验。前馈控制器在测出扰动之后，按过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值。如果前馈支路出现扰动，经过流量计测量之后，测量得到干扰的大小，然后在反馈支路通过调整调节阀开度，直接进行补偿。而不需要经过调节器。前馈控制方案如图3-4。前馈控制的方块图如图3.5。
GsGffQθ
图3.4 前馈控制
- 17 -
北华大学毕业设计（论文）
GPD(s)QGs?cθ?dGPC(s)
Gff(s)图3.5 前馈控制方块图
系统的传递函数可表示为：
Q1(S)?GPD(S)?Gff(S)GPC(S) （3-1） Q(S)式中GPD(s)、GPC(s)分别表示对象干扰道和控制通道的传递函数；Gff(s)为前馈控制器的传递函数。
系统对扰动Q实现全补偿的条件是：
Q(s)?0时，要求?(s)?0 （3-2）
将（1-2）式代入（1-1）式，可得
Gff(s) =?GPD(S) （3-3）
GPC(S)满足前馈补偿装置使受控变量?不受扰动量Q变化的影响。图3-3表示了这种全补偿过程。
在Q阶跃干扰下，调节作用?c和干扰作用?d的响应曲线方向相反，幅值相同。所以它们的合成结果，可使?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，反馈控制系统是做不到的。这是因为反馈控制是按被控变量的偏差动作的。在干扰作用下，受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，本身不形成闭合反馈回路，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矛盾。
前馈控制系统的主要特点有：
（1）前馈控制是基于不变性原理工作的，比反馈控制及时、有效； （2）前馈控制是属于“开环”控制系统；
（3）前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用”控制器，又称前馈补偿装置；
- 18 -
北华大学毕业设计（论文）
（4）一种前馈作用只能克服一种干扰。
3.3 工艺描述
影响精馏塔精馏段过程的因素是多方面的，而精镏段是在一定物料平衡和能量平衡的基础上进行操作的，分析精馏塔的物料和能量平衡对制定精馏塔精馏段的控制至关重要。
精馏塔的基本关系：
以二元简单精馏为例，介绍物料平衡和能量平衡的基本关系。 物料平衡：
Dzf?xB (3-4) ?FxD?xBD 增大，xD，xB减小。 F式中 F ，D，B——进料、顶馏出液和底馏出液量；
zf, xB, xD——进料、顶馏出液和底馏出液中轻组分含量。
能量平衡： 式中分离度s?V??lns (3-5) Fx（D1?xB),s增大，xD增大，xB减小，说明塔系统分离效果增大。xB(1?xD)V?为塔特性因子，V为上升蒸汽量，是由再沸器施加热量来提高的。增大，分离效果
F增大，能耗增大。对于一个既定的塔，进料组分一定，
DV和一定，xD xB完全确FF定。分析精馏塔精馏段过程，本文对主回路采用串级控制系统，其主、副调节器所起作用各有侧重。由于回流量的变化能够较快地反映在精馏段温度变化上，且能够通过阀门进行控制，因此选择回流罐的液位量控制作为串级控制的副控参数。在串级控制中，副调节器起随动控制作用，且副控参数的调节也是为了保证主控参数的控制质量，可以有一定的余差，因此副调节器采用P调节器。由于进料量和进料温度对进料馏段温度影响较大。
- 19 -
北华大学毕业设计（论文）
4 控制系统的建模
工业过程的数学模型可分为动态数学模型和静态（稳态）数学模型，动态数学模型是表示输出变量与输入变量之间随时间而变化的动态关系的数学描述。从控制角度来看，输入变量就是操纵变量和扰动变量，输出变量是被控变量。
4.1 建模方法简述
系统建立数学模型的方法有机理建模和经验建模，机理建模包括机理法建模，测试法建模和半测试法建模；检验建模包括阶跃响应建模，线性回归建模和神经网络建模。
系统建模实际上是一个反复推演和验证的过程，这一过程通常必须和实验相结合，脱离实验的纯理论建模所获得的数学模型往往与实际相差较大。系统中的一些特性和参数需用实验的方法获得，以弥补理论建模的不足。用上面方法所获得的模型也需要在不同工况条件下用实验修正和验证，最后才能得到较准确的反映实际系统动态特性的模型。
4.2 过程建模的目的
建立被控对象的数学模型的目的主要有以下几种： （1）进行工业过程优化操作。 （2）控制系统方案的设计和仿真研究。 （3）控制系统的调试和控制器参数的整定。 （4）作为模型预测控制等先进控制方法的数学模型。 （5）工业过程的故障检测与诊断。 （6）设备启动与停车的操作方案。
4.3 建模的方法
系统建立数学模型的基本方法主要是基于过程动力学的机理建模和基于实验数据的经验建模。机理法建模就是根据对象的机理，写出各种有关的平衡方程，并从中获得所需的数学模型这种方法获得的模型物理概念清晰、准确、不但给出了系统输入输出变量之间的关系，也给出了系统状态和输入输出之间的关系，使人们对系统有一个比较清楚的了解。经验建模通常包括三个基本要素：输入输出数据；一组候选的模型集。 4.3.1 机理建模
机理法建模就是根据对象的机理，写出各种有关的平衡方程，并从中获得所需的数学模型这种方法获得的模型物理概念清晰、准确、不但给出了系统输入输出变量之间的
- 20 -
北华大学毕业设计（论文）
关系，也给出了系统状态和输入输出之间的关系，使人们对系统有一个比较清楚的了解，因此也被称为“白箱模型”。它包含一系列的建模步骤：
(1)根据建模的对象和模型使用目的进行合理的假设
由于实际的生产过程往往非常复杂，不可能完全精确地用数学公式把客观实际描述出来。因此在建立数学模型时需要进行一定的假设。在满足模型应用要求的前提下，根据对建模对象的了解以及模型使用的目的，进行一些近似处理，把次要因素忽略掉。 (2)根据过程内在机理建立数学方程
对于过程控制问题，主要依据是质量、能量、动量以及各种物理化学平衡关系，采用数学方程来建立对象的数学模型。这些数学模型通常由微分方程、偏微分方程、以及相关的代数方程共同构成，并采用自由度分析方法来保证获得的数学模型有解。 (3)简化模型
从应用的角度上讲，动态模型应在能够达到建模的目的，充分反映过程动态特性的情况下尽可能的简单。因此，根据过程内在机理得到的数学模型常常需要进行进一步的整理和简化。
4.3.2 物料和能量守恒关系
过程控制问题的机理建模建立在物料和能量守恒关系上。对参量S的守恒关系为 ：
系统内S的积累量流入系统S的量流出系统的S的量系统内产生的S的量系统内消耗的S的量=-+-时间间隔时间间隔时间间隔时间间隔时间间隔式中，S可以是总质量、各组分质量、总能量、动量。 无化学反应的物料流量关系
d(?V)NMd??i?1?iFi??j?1?Fjjt （4-1）
式中，?为密度kg/m3；V为体积m3；Fi为流入各物料的体积流量m3/s；?i为流入各物料的密度kg/m3；Fj为流出各物料的体积流量m3/s；?i为流出各物料的密度
kg/m3。 4.3.3 经验建模
实验测试法通常只用于建立对象的输入输出模型，它根据工业过程输入和输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。特点是把被研究过程看作一个黑匣子，完全从外部特性上进行测试并描述对象的动态特性。
- 21 -