基于PLC和OPC在氨合成塔温度控制系统设计-毕业论文

太原科技大学太原科技大学 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 设计设计( (论文论文) )题目题目：基于基于 PLCPLC 和和 OPCOPC 在氨合成塔温度控制系统在氨合成塔温度控制系统 设计设计 姓姓名：名： 张磊张磊 学院（系学院（系） ：机电工程系：机电工程系 专专业：业： 过程装备与控制工程过程装备与控制工程 年年级：级： 20082008 级级 指导教师：指导教师： 卫明社卫明社 副教授副教授 2012 年 6 月 1 日 太原科技大学毕业设计（论文） 1 太原科技大学毕业设计（论文）任务书 学院（直属系） ：化学与生物工程学院时间： 2012 年 3 月 1 日 学 生 姓 名张磊指 导 教 师卫明社 设计（论文）题目基于 PLC 和 OPC 在氨合成塔温度控制系统设计 主要研 究内容 1.合成氨合成工段的生产工艺及流程； 2.各种控制策略； 3.提出氨合成塔温度的控制方案； 4.应用 Step7 和 WinCC 仿真。 研究 方法 调查法、观察法、文献研究法、用 Step7 和 WinCC 软件等。 主要技 术指标 (或研究 目标) 通过这次毕业论文的设计，进一步加深对所学的基础理论、 基本技能和专业知识的掌握；培养设计计算、数据处理、文件编 辑、文字表达、文献查阅、计算机应用、外文应用等基本工作实 践能力。 主要参 考文献 1 合成氨工学. 2 孙洪程，李大字.过程控制工程设计（第二版）M.北京：化学工业出 版社. 3 李国勇，谢克明，杨丽娟.计算机仿真技术与CAD：基于MATLAB的控制 系统（第2版）M. 北京：电子工业出版社，2008. 4 孙洪程，李大字.过程控制工程设计（第二版）M.北京：化学工业出 版社. 太原科技大学毕业设计（论文） 2 目录 摘要.3 第 1 章引言.5 1.1 工业过程控制概述.5 1.2 氨合成塔温度控制概述.6 1.3 课题来源及主要任务.8 第 2 章各种控制策略的介绍.9 2.1 反馈控制.9 2.2 前馈控制.14 2.3 串级控制系统.18 第 3 章合成氨工艺的介绍.20 3.1 氨合成生产的流程.20 3.2 氨合成塔.22 3.3 氨合成工艺条件选择.26 3.4催化剂的还原、钝化和再升温. 30 3.5 催化剂的卸出.32 3.6 系统概述.33 第 4 章 控制策略的选择.35 4.1 氨合成塔控制系统分析. 35 4.1.1 控制方案的选取. 35 4.1.2 被控对象的数学模型. 36 第 5 章PLC 的设计和仿真.38 5.1 控制系统.38 5.2 设计 PLC 程序.38 5.2.1 简要介绍运行程序. 38 5.2.2 程序的编写.39 第 6 章WinCC 的仿真. 52 6.1 创建新项目.52 6.2 组态变量.53 6.3 创建过程画面.55 6.4 组态画面对象.56 6.5 运行组态项目.62 第 7 章结论与展望.63 7.1 全文总结.63 7.2 展望.63 参考文献.65 致谢.66 外文文献翻译.67 太原科技大学毕业设计（论文） 3 基于基于 PLCPLC 和和 OPCOPC 在氨合成塔温度控制系统设计在氨合成塔温度控制系统设计 摘要摘要 氨是最为重要的基础化工产品之一， 其产量居各种化工产品的首位; 同时也 是能源消耗的大户， 世界上大约有10 %的能源用于生产合成氨。 氨主要用于农业, 合成氨是氮肥工业的基础，氨本身是重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大多是先 合成氨、再加工成尿素或各种铵盐肥料，这部分约占70 %的比例，称之为“化肥 氨” ；同时氨也是重要的无机化学和有机化学工业基础原料，用于生产铵、胺、 染料、炸药、制药、合成纤维、合成树脂的原料，这部分约占30 %的比例,称之 为“工业氨” 。 我国合成氨装置以中小规模居多,年产 30 万吨以上的大型合成氨装置很 少；合成氨系统自动化程度低,尤其是关键的氨合成塔温度控制绝大多数是人工 操作,工人劳动强度大且温度控制效果不好.因此氨合成系统先进控制技术的研 究与应用已成为合成氨工业的迫切要求,对我国合成氨生产企业在现有条件下挖 潜增效,提高经济效益和竞争力具有重要意义。 本文分析了氨合成工艺和氨合成塔床层温度控制的特点, 通过对不同位置 的温度响应分析比较、对控制点位置的选择提供了基础。为了满足在线控制的需 要提出简化控制模型结构，本文采用一阶加纯滞后模型结构。该模型通过实验进 行验证，结果是令人满意的。 PLC 具有结构简单、编程方便、性能优越、灵活通用、使用方便、可靠性 高、 搞干扰能力强等到一系列优点，在工业生产过程自动控制领域得到了广泛应 用。本文就基于 PLC 完成对氨合成塔温度的控制。 关键词：氨，氨合成系统，氨合成塔， PLC 太原科技大学毕业设计（论文） 4 ABSTRACT Ammonia is the most important one of basic chemical products and the production of chemical products is in the first place; At the same time it is also a large family of energy consumption and the world about 10% of the energy used in the production of synthetic ammonia.Ammonia is mainly used for agriculture and ammonia nitrogen is the foundation of industrial.Other nitrogen fertilizer are is first synthetic ammonia, then processed into urea ammonium salt or kinds of fertilizer, this part of the proportion of about 70%, which is called chemical fertilizer ammonia.Ammonia is also important inorganic chemistry and organic chemical industrial base material,which used in the production of ammonium, amine, dye, explosives, pharmacy, synthetic fiber, synthetic resin of raw materials, which account for about 30% of the proportion, called industrial ammonia. Most of synthetic ammonia plants in China are small and medium -sized. Annual output of 30 tons or more of the large- scale ammonia plant is very few. Ammonia system is very low degree of automation. Especially critical vast majority of ammonia is a manual temperature control. Especially critical vast majority of ammonia is manual temperature control. Labor intensity is great and effect of temperature control is not good. Therefore, advanced control technology Ammonia Synthesis System Research and Application Has become an urgent requirement for ammonia industry. It has great significance to Ammonia production enterprises in China under the condition of tapping the potential synergies in the existing and Enhance economic efficiency and competitiveness. Ammonia synthesis and the three casing type ammonia synthesis tower of bed temperature control for quench ammonia synthetic tic tower are analyzed. Based on the different positions of temperature response analysis comparison, control provides the basis for the positions. In order to meet the needs of on-line control this simplified control model structure is adopted in this paper, variable parameter and first-order add pure time-delay model structure. The actual application result proves that this control system and good control quality. PLC has simple structure, convenient programming, superior performance and flexible gm, use convenient, the reliability high, make interference ability strong wait for a series of advantages, in the industrial production process to be automatic control areas to be used. This paper based on PLC of ammonia synthesis tower complete control of the temperature. Key word:Ammonia Ammonia synthetic system;ammonia; PLC 太原科技大学毕业设计（论文） 5 第第 1 1 章章引言引言 1.1 工业过程控制概述工业过程控制概述 过程控制通常是指石油、化工、冶金、轻工、建材等工业生产过程中的自动 控制， 在国民经济中占有极其重要的地位。常规的过程控制系统是在了解掌握生 产工艺流程及过程动态、静态特性的基础上，根据生产对控制提出的要求，应用 控制理论，针对不同的生产过程进行检测、变换、显示等，配合执行器与控制阀 构成的开环或闭环控制系统。由于工业对象本身所固有的惯性、时间滞后特性及 其动力学特性的内部不确定性和外部环境扰动的不确定性， 使很多过程控制问题 复杂化，且随着工业和现代科学技术的发展，生产工艺变得日益复杂，人们对工 业过程总体性能，如控制精度、响应速度、系统稳定性及适应能力的要求也不断 提高。这表明，人们从系统对象所能获得的知识信息量正相对减少，而对控制性 能的要求却日益高度化 1。 正如Zadeh教授指出的：“当一个系统复杂性增大时，人们能使它精确化的 能力将降低，当达到一定的阈值时，复杂性和精确性将互相排斥”即“不相容原 理”。 在这种情况下，要想精确地描述复杂对象与系统的物理现象和运动状态是 十分困难的， 因而传统的建立在对象精确模型上的控制方法往往难以满足闭环优 化控制的要求。如何以经济、有效的方式提高过程控制的质量，有着很重要的现 实意义。 通常来说，工业过程的复杂性及控制的困难性表现在以下几个方面： (1)过程的不确定性。在传统的控制理论中，过程控制系统的设计、调节器 参数的整定都是以被控过程的数学模型为依据的， 其建模的方法通常有机理建模 和实验建模两种。由于人类的认识能力有限，且工业现场普遍存在着各种各样的 干扰， 许多过程复杂的物理和化学变化使得人们难以完全从机理上揭示其内在规 律；另一方面，过程中还存在着不可预知输入，即对输出产生影响的，在重复试 验中无法重复的干扰。这两种不确定性普遍存在于工业过程中，使得很多对象难 以建模。 (2)过程的非线性。严格地说，所有的工业过程都存在非线性，只是非线性 太原科技大学毕业设计（论文） 6 的程度不同而己。当系统的非线性不是很严重时，可用线性系统来近似，这在工 程上是可以接受的。但是对于存在严重非线性环节的系统，采用线性化的处理方 法常会产生很大的偏差，甚至会得出完全相反的结论。线性系统的分析设计有着 比较完善和系统的理论方法，而非线性系统的研究虽然取得了一些新成果，但非 线性理论远非完善，有很多问题尚待研究 2 。 (3)过程的时滞特性。在大多数过程控制系统中，不同程度地存在着时间滞 后的工艺过程 3，包括纯滞后与容量滞后。时滞的存在给系统的稳定性带来了不 利的影响，调节作用的不及时会导致调节系统的动态品质变差，甚至出现发散振 荡。因而时滞对象被认为是最难控制的对象之一。从50年代末以来，在时滞控制 方面先后出现了基于模型的方法(如Smith预估控制、最优控制、滑模变结构控制 等)和无模型的方法两大类，然而对于时滞系统的模型不确定性和干扰的不可知 性， 非参数模型显得更为有效，开发与设计出各种智能控制方法或以不同的方式 结合在一起，将是解决工业大时滞过程的有效途径 4。 (4)过程的多变量及强耦合特性。几乎在所有的工业过程中，都包含了较多 的过程变量，而且这些变量之间又常以各种形式相互关联着，任何一个变量的变 化往往可能引起其他的变量发生变化， 使系统的控制难以达到满意的指标。 目前， 许多单变量控制系统所以能正常工作， 是因为在某些情况下变量之间的耦合程度 不高。 在变量间的关联比较紧密的情况下，不能简单地将系统分为若干个单变量 系统进行分析和设计，否则不但得不满意的控制效果，甚至得不到稳定的控制过 程。 大部分工业过程还具有一些其他的特性，如时变性、缓慢性、间歇性、过程 约束的多样性以及状态的不完全性等。所以，如何在工业过程具有复杂特性的情 况下，找到合理、有效的控制方式解决过程控制的难题，是非常重要的。 1.2 氨合成塔温度控制概述氨合成塔温度控制概述 随着工业的迅速发展，能量消耗量不断增加，能源紧张已成为一个世界性 的问题。近几年来，我国在节能方面虽然已取得很大的成绩，但能源的供应矛盾 依然十分尖锐。我国的能源利用率很低，只有28左右，还不到日本的一半(日 本达到57)比西欧的40也低的多。由此可见，我国在节能方面存在着很 太原科技大学毕业设计（论文） 7 大的潜力。 我国的氮肥工业自20世纪50年代以来，不断发展壮大，目前合成氨产量已跃 居世界第一位，现已掌握了以焦炭、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液 态烃多种生产合成氨、尿素的技术，形成了特有的煤、石油，天然气原料并存和 大、中、小生产规模并存的生产格局。目前合成氨总生产能力为4500万t/a左右， 氮肥工业已基本满足了国内需求，在与国际接轨后，具备与国际合成氨产品竞争 力，今后发展重点是调整原料和产品结构，进一步改善经济性。 我国目前有中型合成氨装置55套，生产能力约为500万t/a；其下游产品主要 是尿素和硝酸铵；其中以煤、焦油原料的装置有34套，以渣油为原料的装置有9 套，以气为原料的装置有12套。目前有小型合成氨装置700多套，生产能力约为 3000万t/a,其下游产品原来主要是硝酸氢铵，现有112套经过改造生产尿素。原 料以煤、焦为主，其中以煤、焦为原料的占96%，以气为原料的仅占4%，我国引 进大型合成氨装置的总生产能力为1000万t/a，只占我国合成氨总能力的1/4左 右，因此可以说我国氮肥工业主要是依靠自力更生建设起来的。在此过程中，研 究开发了许多工业技术，促进了氮肥生产的发展和技术水平的提高 5。我国合成 氨装置以中小规模居多,年产30万吨以上的大型合成氨装置很少；合成氨系统自 动化程度低,尤其是关键的氨合成塔温度控制绝大多数是人工操作,工人劳动强 度大且温度控制效果不好.因此氨合成系统先进控制技术的研究与应用已成为合 成氨工业的迫切要求,对我国合成氨生产企业在现有条件下挖潜增效,提高经济 效益和竞争力具有重要意义。 合成工段是合成氨生产中的重要环节,精制后的氮、氢混合气在高温、高压 并有催化剂的条件下在合成塔中进行氨合成反应。由于受反应平衡的影响,混合 气不可能全部转化为氨。采用冷冻的方法将已合成的氨分离,然后在未反应的混 合气中补充一定量的新鲜气进行循环,继续反应。控制合成塔触媒热点温度是确 保氨合成反应高产低耗、安全生产的关键。 合成工段是合成氨生产中的重要环节,精制后的氮、氢混合气在高温、高压 并有催化剂的条件下在合成塔中进行氨合成反应。由于受反应平衡的影响,混合 气不可能全部转化为氨。采用冷冻的方法将已合成的氨分离,然后在未反应的混 合气中补充一定量的新鲜气进行循环,继续反应。控制合成塔触媒热点温度是确 太原科技大学毕业设计（论文） 8 保氨合成反应高产低耗、安全生产的关键。 1.3 课题来源及主要任务课题来源及主要任务 1. 课题来源 在化工厂参观实习后，掌握了合成氨工艺流程和设备的相关知识。对我国合 成氨现有生产技术有了大概了解。通过阅读大量有关文献，结合自己在大学期间 所学的基本知识，基本掌握了氨合成塔温度控制系统。根据本人实际情况提出了 本课题。 2. 课题的主要任务 氨合成塔的温度自动控制系统的基本任务是在满足生产工艺的温度要求前 提下，实现原料气的最大利用、合成氨最理想产量的目的。生产过程要求合成效 率高，系统稳定，能源和原料利用率高，触媒寿命要长。由于目前我国中小型合 成氨厂的实际生产中还采用的是手动的人工操作， 劳动强度大且温度控制效果不 好，常常不可避免会引起一些事故，为解决诸如此类的问题，急需研究并应用一 种有效的温度控制策略。 太原科技大学毕业设计（论文） 9 第第 2 章章各种控制策略的介绍各种控制策略的介绍 2.1 反馈控制反馈控制 目前，最基本也是应用最广泛的控制系统是反馈控制系统，它由被控对象、 测量变送环节、反馈控制器以及末端执行机构组成（见图2-1），实现对被控变 量的定值或跟踪控制。 图 2-1 单回路控制系统原理图 反馈控制器的作用是将测量信号与设定值相比产生偏差信号， 并按照一定的 运算规律产生输出信号，用来操纵末端执行元件。下面介绍三种基本的反馈控制 模式：比例控制（P）、比例积分控制(PI) 、比例积分微分控制（PID）。 1. 比例控制作用 比例控制器的输出与偏差成比例，其关系如式（2-1）所示。 omspcoc utytyKuteKtu)()()()(（2-1） 式中，)(tu为控制器的输入信号；)(te为设定值)(tysp和测量值)(tym之差； c K为 控制器的增益，通常无量纲；偏置 o u是控制器的稳态输出，反应了比例控制的 工作点。 比例控制器的传递函数表达式为式（2-2）所示。 )()(sKsG cc （2-2） 理想比例控制器的输出特性对于控制器的输出没有物理限制， 而实际的控制 器是具有物理限制的，当输出达到上限或者下限，控制器就饱和了。 太原科技大学毕业设计（论文） 10 比例控制器增益调整的基本矛盾：稳定程度与控制精度的矛盾。 c K增加能 使控制精度提高，但稳定程度变差。 c K参数的整定，就是对这两项指标在作权 衡。 纯比例控制器有一个缺点就是当设定值改变后总是存在一定的余差。 因此在 实际使用中常采用带有积分作用的控制器。不过对于那些允许余差存在的应用， 纯比例控制器往往由于它的简单而得到青睐。例如，对于一些储罐的液位，只希 望保持储罐中的液位不会溢出且不会干涸， 因此只需要将液位控制在一定的上下 限之间即可，这时采用纯比例控制器将是一个不错的选择。 2. 比例积分控制作用 积分作用的输出是误差相当于时间的积分，如式（2-3）所示。 )()( 1 )()( 0 tde T tutu t i o （2-3） 式中，Ti为积分时间。积分作用的一个优点就是能消除余差。如果偏差为零， 则积分控制器的输出不变。偏差不为零时，偏差积分后使控制器的输出)(tu向上 或向下变化。 虽然积分作用能够有效消除系统余差，但积分控制器很少单独使用。因为积 分作用比较慢，需要误差的积累达到一定程度才能产生较为明显的控制作用。因 此通常是将积分作用和比例作用一起使用。增加了比例作用后，控制器对偏差变 化的响应迅速很多。比例积分控制的算式如式（2-4）所示。 o t i c uedt T eKu ) 1 ( 0 （2-4） 传递函数如（2-5）所示。 ) 1 1 ()( sT KsG i cc （2-5） 太原科技大学毕业设计（论文） 11 可见，比例积分作用可看成是一个积分环节和一个超前环节的组合，它的静 态增益是无穷大，因而能够消除余差。同时积分作用会引起的相角滞后，从而使 系统的动态性能恶化。因此为了维持原有的稳定性，控制器的增益应该降低。 由于积分作用而使信号超越“信号有效范围”的情况叫积分饱和，目前，常 用的一种防积分饱和的方法是当发现控制器输出饱和时， 就停止控制器的积分作 用；当控制器输出不再饱和时再恢复积分作用。 3. 比例积分微分（PID）控制作用 微分控制作用是通过误差的变化率来预报误差信号的未来变化趋势。 理想的 微分控制作用如式（2-6）所示。 0 )( )(u dt tde Ttu d （2-6） 式中， d T是微分时间。当误差是常数时，即0 )( dt tde ，微分控制器的输出就等 于初始值 0 u。因此微分作用不单独使用，总是与比例或比例积分作用同时使用。 一个理想的PID控制器可用式(2-7)所示。 ) 1 1 ()(sT sT KsU d i c （2-7） 由于理想的微分作用在物理上是不能实现的，所以一般用超前-滞后单元来产生 近似的微分作用。它的传递函数如式（2-8）所示。 1 1 )( saT sT sG d d （2-8） 式中，a通常取 6 1 20 1 。 微分作用通过提供超前作用使得被控过程趋于稳定， 因此它常用来抵消积分 作用带来的不稳定趋势，同时微分作用也能减小过渡过程时间，从而改善被控变 量的动态响应。 太原科技大学毕业设计（论文） 12 不过微分作用在高频下有较大的振幅比。如果测量值含有很大的噪声，即含 有高频或随机的变化，由于微分作用会对高频噪声起到了放大作用，小的噪声也 会使控制阀产生很大的动作。因此存在高频噪声的地方不宜用微分，除非先将信 号进行滤波。 另外对于纯滞后过程， 由于在纯滞后阶段0 )( dt tde ， 微分作用为零， 所以附加微分作用对纯滞后是不起作用的。 在自动控制的发展过程中，PID调节是历史最悠久的、控制性能最强的基本 调节方式。PID调节原理简单、易于整定、使用方便；PID调节可用于补偿系统使 之达到大多数品质指标的要求。直到目前为止，PID调节仍然是应用最广泛的基 本控制方式。 在PID调节作用下，对误差信号)(te分别进行了比例、积分、微分运算，三 个作用分量之和作为控制信号输出给被控对象。 PID调节器的微分方程数学模型如式（2-9）所示。 )( )( 1 )()( 0 I D I p dt tde Tte T teKtu（2-9） 其中：)(tuPID调节器的输出信号 p K放大倍数 I T积分时间常数 D T微分时间常数 )(te设定值与测量值的偏差信号 式中：)()()(tctrte,其中)(tr是系统的设定信号，)(tc是被控量的测量值。式 (2-9)也常写成(2-10)的形式。 太原科技大学毕业设计（论文） 13 )( )()()( 0 dt tde KteKteKtu D I Ip （2-10） 式中： p K为比例增益， I K为积分增益， D K为微分增益。 4. 数字PID控制 由于计算机技术的发展，数字PID控制器的应用也越来越广泛，将逐渐的取 代传统的模拟PID控制器。数字PID控制算法通常分为位置式PID控制算法和增量 式PID控制算法。 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制 量，因此式（2-9）中的积分和微分不能直接使用，需要进行离散化处理。设采 样周期为T，按模拟PID控制算法的算式，以一系列的采样时刻点kT代替连续时间 t，以和式代替积分，以增量代替微分，采样周期T必须足够短，上述离散过程才 能保证有足够的精度。离散后的数字PID算法可表示为式（2-11）。 )()()()()( 0 TkTekTe T Td iTe Ti T KTeKpKTu k i (2-11) 为了书写方便，将)(kTe简化表示为)(ke，即省去采样周期T，如式（2-12） 所示。 )1()()()()( 0 keke T T ie T T keKku d k i i p (2-12) 式中： p K、 i T、 d T分别为比例系数、积分时间常数和微分时间常数； T采样周期； k采样序号，k=0，1，2，； )(tu第k次采样时刻的计算机输出值； )(ke第k次采样时刻输入的偏差值； ) 1( ke第(k一1)次采样时刻输入的偏差值。 由于控制器的输出)(ku直接去控制执行机构(如阀门)，)(ku的值和执行机 构的位置(如阀门开度)是一一对应的，所以通常式(2-11)或(2-12)称为位置式 PID控制算法。这种算法的缺点是，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状 太原科技大学毕业设计（论文） 14 态有关，计算时要对)(ke进行累加，计算机运算的工作量大。而且，因为计算机 的输出对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，)(ku的大幅度变化， 会引起执行机构的位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在 某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生了增量式PID算法。由(2-12) 式根据递推得式（2-13）。 )2() 1()() 1() 1( 1 0 keke T T je T T keKku k j d i p (2-13) 用式(2-12)减去(2-13)得式（2-14）。 )2() 1(2)()() 1()()(kekeke T T ke T T kekeKku d i p (2-14) 上式称为增量式PID控制算法 6。可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定 的采样周期T，一旦确定了 p K， i T和 d T，只要使用前后三次测量值的偏差，即 可由上式求出控制增量。采用增量式算法时，计算机输出的控制增量)(tu对应 的是本次执行机构位置(如阀门开度)的增量。对应阀门实际位置的控制量，可通 过式（2-15）计算出来 7。 )() 1()(kukuku（2-15） 增量式控制虽然只是在算法上作了一点改进，但却带来了不少优点： (1)由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方 法去除。 (2)手动自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生 故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故依然能保持原值。 (3)算式中不需要累加，控制增量)(tu的确定仅与最近三次的采样值有关， 所以较容易通过加权处理而获得较好的控制效果 8。 2.2 前馈控制前馈控制 1. 前馈控制的基本原理 前馈控制的基本原理就是测量进入过程的干扰量 （包括外界干扰和设定值变 太原科技大学毕业设计（论文） 15 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，使被控变量维持 在设定值上。反馈控制的一个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。 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”是指控制 系统的被控变量不受扰动变量变化的影响。 进入控制系统中的扰动会通过被控对 象的内部联系，使被控变量发生偏离其设定值得变化。不变性原理是通过前馈控 制器的校正作用，消除扰动对被控变量的这种影响。 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。不变性的定 义如式 （2-16） 所示。 当0)(tf时，0)(ty（2-16） 即被控变量)(ty与扰动)(tf无关。 一般情况下存在着以下几种类型的不变性。 1绝对不变性 所谓绝对不变性是指在扰动)(tf的作用下被控变量)(ty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。 2误差不变性 误差不变性又称不变性，是指在扰动)(tf的作用下，被 控变量)(ty的波动小于一个很小的值，如式（2-17）所示。 0)(,)(tyty（2-17） 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-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，有时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，依次进行误差不变性系统的设计。这种误差不变性 系统由于满足工程领域的实际要求，获得了迅速的发展和广泛的应用。 3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)(tf的作用下，稳态时被控变量)(ty的偏差为零，静态前馈系统就是 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应用，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。 4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。 太原科技大学毕业设计（论文） 16 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。 2. 前馈控制系统的特点 1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，按一定控制规律 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 时的多，这也是前馈控制的一个主要优点。 2前馈控制属于开环控制系统 反馈控制系统是一个闭环控制系统，而前 馈控制属于开环控制系统。 前馈控制器根据干扰产生的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）。从一定 意义上来说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，因此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的多，才能得到比较合适 的前馈控制系统。 3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。 4一种前馈只能补偿一种干扰。 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。 1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前馈控制。这样设计的 前馈控制器对于其它干扰是丝毫没有校正作用的。 2受前馈控制模型精度的限制。 3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或纯微分环节时，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，如将纯超前环节处理为静态环节，将纯微分 环节处理为超前滞后环节。 太原科技大学毕业设计（论文） 17 3. 前馈控制应用的场合 实现前馈控制的前提是干扰可以测量的。下列几种情况采用前馈控制比较 有利。 (1)系统中存在幅度大，频率高且可测的干扰，该干扰对被控参数影响显著， 反馈控制难以克服，而工艺上对被控参数又要求十分严格，这时可引入前馈控制 来改善系统的质量。 (2)当主要干扰无法用串级控制系统使其包围在副回路时，采用前馈控制将 会比串级控制获得更好的效果。 (3)当对象干扰通道和控制通道的时间常数相差不大时，引入前馈控制可以 很好地改善控制质量。 当干扰通道的时间常数比控制通道的时间常数大的多时， 反馈控制可获得良 好的控制效果，无需再加前馈控制。这时只有当对控制质量要求较高时，才有必 要引入前馈控制。如果干扰通道比控制通道的时间常数小得多，由于干扰对被控 对象的影响十分迅速，以致即使前馈控制器的响应时间为零，也无法完全补偿干 扰的影响，这时使用前馈控制效果不佳。 4. 前馈反馈控制系统 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