2#自蒸发器压力控制系统设计

课程设计任务书

—第一学期

专业：*********x****学号：姓名：

课程设计名称：_______________******课程设计_______________________________

设计题目.**************

完毕期限：自20**年**月**曰至20**年**月**曰共*周

一、设计根据

高性能铝合金是制造飞机、潜艇、火箭、导弹、鱼雷、坦克日勺重要部件日勺原

材料，被称为国民H勺战略物资。其中氧化铝的生产是铝加工过程中一种非常重要

日勺环节。生产氧化铝措施中都要用到的一种重要环节是高压溶出，这一环节日勺控

制与否最佳直接影响到整个铝工业的生产过程。本次课程设计是一种综合实在环

节，是对《现代检测技术》、《自动控制原理》、《过程控制》等前期学习内容的综

合应用。本课程设计通过对典型工业生产过程中常见日勺典型工艺参数日勺测量措

施、信号解决技术和控制系统日勺设计，掌握测控对象参数检测措施、变送器H勺功

能、测控通道技术、执行器和调节阀日勺功能、过程控制仪表的PID控制参数整

定措施，将理论与实践有机地结合起来，进一步加强对课堂理论知识的理解与综

合应用能力，其目日勺在于培养学生综合应用理论知识来分析和解决实际问题日勺能

力，使学生可以通过自己动手对一种工业过程控制对象进行仪表设计与选型，从

而从今学生对仪表及其理论与设计的进•步结识。

二、规定及重要内容

通过理解氧化铝高压溶出I：艺生产过程，理解过程控制的实践应用中日勺电位,

进一步理解过程控制系统在自动化生产中的应用，通过杳找课题有关资料，理解

现今氧化铝生产过程以及高压溶出生产工序和有关设备规定，并针对氧化铝高压

溶出工序中日勺2#自蒸发器设计有关的压力控制系统，使其压力控制在工艺规定

的出口压力1.6〜1.8Mpa,精度控制在±0.1Mpa。具体任务涉及总体方案设计，

硬件设计，控制算法和有关软件设计，可以进一万进行系统仿真实验，模拟实验

控制系统。

三、途径和措施______________________________________________________________

1、理解氧化铝高压溶出工艺生产过程

2、理解高压溶出走右关设备口勺规定

3、对2#自蒸发器压力控制系统的设计方案进行论证。

4、根据设计方案给出硬件设计电路图__________________________________

5、根据设计日勺软件流程图进行编程____________________________________

6、给出课程设计阐明书

四、时间安排____________________________________________________________

1.课题解说：2G时。_______________________________________________

2.阅读资料：10小时。

3.撰写设计阐明书：12小时。

4.修订设计阐明书：6小时。

五、重要参照资料

rii《联合法生产氧化铝》编写组，联合法生产氧化铝.北京：冶金「业出

版社。1975

⑵黄正慧。过程控制系统工程设计。北京：科学出版社。1995

［3］向婉成。控制仪表与装置。北京：机械工业出版社。.

14］王再英。过程控制系统与仪表。北京：机械工业出版社。.

［5］杨为民。过程控制系统及工程。西安：西安电子科技大学出版社。

「61俞金寿.过程控制系统。北京：机械工业出版社。

F71胡寿松。自动控制原理。北京：科学出版社。_________________________

F8］于海生。微型计算机控制技术。北京：清华大学出版社。1999

指引教师（签字）：教研室主任（签字）：

批准日期：年月日

2#自蒸发器压力控制系统设计

摘要

对典型工业生产过程中常见H勺典型工艺参数H勺测量措施、信号解决技术和控

制系统H勺设计，掌握测控对象参数检测措施、变送器的功能、测控通道技术、执

行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID控制参数整定措施。对典型工业生

产过程中常见的典型工艺参数的测量措施、信号解决技术和控制系统的设计，掌

握测控对象参数检测措施、变送器日勺功能、测控通道技术、执行器和调节阀日勺功

能、过程控制仪表的IPID控制参数整定措施。

核心字:2#自蒸发器，高压溶出器，蒸发缓冲器

目录

1绪论................................................................1

1.1课题意义.......................................................1

1.2设计目的.......................................................1

1.3具体任务.......................................................1

2氧化铝高压溶出工序简介.............................................2

2.1本章概述.......................................................2

2.2氧化铝高压溶巴工序简介........................................2

2.3氧化铝高压溶已化学反映简介....................................3

3高压溶出工序的生产设备及仪器选型....................................5

3.1本章概述.......................................................5

3.2设备及仪器的选型..............................................5

3.2.1双程预热器................................................5

3.2.2高压溶出器...............................................5

3.2.3自蒸发器..................................................6

3.2.4蒸发缓冲器...............................................7

42#自蒸发器压力控制系统设计..........................................8

4.1方案论证.......................................................8

4.1.1总体设计方案.............................................9

4.1.2原理方框图...............................................10

4.2硬件设计......................................................11

4.2.1变送器...................................................11

4.2.2控制器...................................................12

4.2.3控制阀....................................................12

4.3控制算法......................................................12

4.3.1前馈控制器控制算法......................................12

4.3.2反馈控制器PC控制算法...................................15

总结...............................................................19

致谢...............................................................20

参照文献.............................................................21

1绪论

1.1课题意义

氧化铝重要用于电解生产铝，它占氧化铝总产量的90%以上。此外还供硅酸

盐、耐火材料、机械、无线电、冶金、化工、制药等工业部门使用。铝和铝合金

是国民经济、国防军工和民用制品的基础原材料。铝工'也是国家的基础工业之一。

高性能铝合金是制造飞机、潜艇、火箭、导弹、鱼雷、坦克的重要部件日勺原材料,

被称为国家日勺战略物资。铝工业从上游到下游可提成三段：氧化铝是电解铝公司

的原料，电解铝（铝锭）是铝加工公司H勺原料。目前每生产1吨铝需要2吨氧化铝。

综合控制理论，过程控制，微机控制，可编程控制器，软件程序设计等课程日勺有

关理论知识，设计一种完整的2#自蒸发器压力控制系统，全面学习和掌握典型控

制系统［1勺设计措施，控制措施和调试技巧。

1.2设计目的

通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数H勺测量措施、信号解决技术

和控制系统口勺设计，掌握测控对象参数检测措施、变送器的功能、测控通道技术、

执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID控制参数整定措施，亲身设计，

体验整个设计过程，将理论与实践有机地结合起火，进•步加强对课堂理论知识

的理解与综合应用能力，其目日勺在于培养我们综合运用理论知识来分析和解决实

际问题日勺能力，使我们可以通过自己动手对一种工业过程控制对象进行仪表设计

与选型，从而增进对仪表及其理论与设计的进一步结识。

1.3具体任务

通过理解氧化铝高压溶出工艺生产过程，理解过程控制日勺实践应用中日勺地

位，进一步理解过程控制系统在自动化生产中的应用，通过查找课题有关资料，

理解现今氧化铝生产过程以及高压溶出生产工序和有关设备规定，并针对氧化铝

高压溶出工序中的2#刍蒸发器设计有关的压力控制系统，使其压力控制在工艺

规定的出口压力1.6~1.8Mpa,精度控制在±0.1Mpa。具体任务涉及总体方案设计,

硬件设计，控制算法和有关软件设计，可以进一步进行系统仿真实验，模拟实验

控制系统。

2氧化铝高压溶出工序简介

2.1本章概述

高压溶出工序是高压溶出车间生产流程中的一道工序。高压溶出车间的I生产

流程如图2-1所示：从铝土矿中溶出氧化铝制成精液送去分解，同步将洗涤后时

赤泥过滤，得出含水率合格日勺赤泥浆送烧结法配料。

图2-1高压溶出车间生产流程

2.2氧化铝高压溶出工序简介

高压溶出工序属于拜耳法中的一种环节，其目的就是用苛性钠溶液把铝土矿

中欧I氧化钠溶出来。混联法高压溶出设备流程如下：磨制好H勺原矿浆在原矿浆槽

（B）中贮存4个小时进行预脱硅后来用油压泥浆泵（E）打入三个串联的双程

预热器（F）进行预热（140~150℃）,再进入加热溶出器（1和2）,其中通以高

压新蒸汽（33公斤/平方厘米）直接加热泥浆至溶出温度（241℃）O加热后的泥

浆逐个流过8个反映溶出器（3〜10）,在其中完毕溶出反映。溶出后的泥浆从10#

溶出器顺序进入5个自蒸发器（印〜凡）进行冷去1,前四个自蒸发器排出的乏汽

进入双程预热器预热原矿浆。第五自蒸发器排出的乏汽则送去加热赤泥洗水。从

第五个自蒸发器卸出的溶出矿浆温度为128~132。5为了回收矿浆在温度降至沸

点时所放出日勺热量，使之在缓冲器（I）内与稀释的赤泥洗液（J）混合，将洗液

从95。（3加热到稀释矿浆的温度（100-105℃）,稀释后的矿浆自流入稀释槽⑴。

高压溶出生产流程如图2-2所示。

京H2

C—

图2-2高压溶出生产流程

2.3氧化铝高压溶出化学反映简介

高压溶出的生产条件为：2.()~2.2Mpa日勺高压：245。(2时高温。高压溶出日勺化

学反映可以分为两大类：

I、氧化铝水合物H勺溶出反映，这是主反映；

II、多种杂质在溶出过程中的化学反映，这是副反映。

为了使高压溶出生产过程得到良好口勺效果，必须掌握主副反映的规律。

(1)溶出化学反映

在常压下低碱浓度溶液中溶出三水铝石型铝土矿时，其中A1(OH)3与NaOH

发生反映为：AbCh-3H2O+2NaOH=2NaAl(OH)4+水。

用高碱浓度或用稀碱溶液在较高温度下溶出一水铝石型铝土矿时，反映为:

AbO3H2O+2NaOH=2NaAl(OH)2+水。

不管按上式哪个反映式溶出，反映产物NaAl(OH)4和NaAl(OH)2都叫铝酸

钠，在一定条件(一定口勺苛性钠浓度和温度)下都溶于水溶液中，形成铝酸钠溶

液。

(2)溶出速度

铝土矿溶出属于多相反映，即液体和固体之间日勺反映，其特性是反映过程发

生于两相(矿粒与碱液)的界面上。两相接触界面的0H-，由于不断反映而逐渐消

耗，在接近矿粒表面层的溶液中的0H-浓度明显减少。同步，在这一层中的反映

产物A1(OHK或A1(OH)2-%、J浓度则接近饱和，于是形成扩散层。0H-通过扩散层不

断地向固相(矿粒)表面移动与氧化铝水合物反映，而反映产物A1(OH)4-或

A1(OH)2-则不断地通过扩散层向外移动(离开矿粒)，使反映能继续进行。因此,

铝土矿日勺溶出过程可分下列几步：

(1)循环母液湿涧矿粒表面；

(2)0H-与氧化铝水合物反映；

(3)形成NaAl(0H)4或NaAl(OH)2扩散层；

(4)A1(OH)4-或A10(0H)2从扩散层扩散出来,0H-则从溶液中扩散到固液接

触面上。铝土矿的溶出过程，在低温低碱浓度下日勺溶出速度随温度变化不久，因

而在这种状况下的溶出速度是决定于化学反映.在高温高碱浓度下，化学反映速

度极快，此时溶出速度随温度变化而变化欧J幅度较小，因而这时溶出速度决定于

扩散。溶出速度可以用下式表达：

Vt=嗑S(C饱-C溶)

式中，Vt——某一瞬间日勺溶出速度；

P—常数；

T——绝对温度；

F1—粘度；

8——扩散层厚度；

S---两相接触表面『、J大小；

c饱——氧化铝在碱溶液中的饱和浓度；

C溶——此瞬间溶液日勺氧化氯浓度。

T

由溶出速度的体现式可得下式：Ct(l)+KCt(t)=P-7SC饱

当矿石一定期，其粘度一定，且P、S均为常数，则从上式中可以看出通过

控制温度T,可以控制反映速度。并且，通过提高温度来提高溶出反映H勺速度也

是可行日勺⑵。

3高压溶出工序日勺生产设备及仪器选型

3.1本章概述

高压溶出工序的生产设备重要涉及四个部分：双程预热器、高压溶出器、自

蒸发器和蒸汽缓冲器，它们所有是不同构造日勺高压罐。

3.2设备及仪器的选型

3.2.1双程预热器

双程预热器有四组双程预热罐，如图3-1所示。

图3-1双程预热罐

采用高压蒸汽间接加热。其内部是蒸汽管。矿浆在蒸汽管外，包围着蒸汽管,

由6(TC被加热到195(左右，称为预热。这时，由于矿浆温度低(反映温度为

245℃),因此还不能用于生产。

双程预热器需要监测的量有如下某些：

(1)矿浆入口温度TU；

(2)矿浆出口温度T12；

(3)各级之间入口温度和各级之间出口温度T101-T106。

之因此要分上层预热器和下层预热器是由于氧化铝生产为流程工业，反映过

程不能间断，需要一套备用。

322高压溶出器

图3・2是高压溶出器示意图。高压溶出器由九个高压罐串联构成，1#罐和2#

猫用同压蒸汽直接加热使矿浆达到溶出温度（245℃左右）。溶出器内加热为直

接加热，其效率较高，但是加热过程中由蒸汽带来的水分，使得矿浆溶液的浓度

减少。溶出器的温度是溶出温度，对氧化铝的溶出率影响很大，保持溶出温度稳

定，是提高溶出率日勺核心之一。

岛薇汽.....-......---二

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厂

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一

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HX-

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A

压

浴

出

器

图3-2高压溶出器

在溶出稳度低到一定值（24（）oC）,则控制变频调速装置，减少电机转速，

减少进入高压溶出器日勺矿浆流量（每减少loC,则减少矿浆流量0.5%）；若溶出

温度高到一定值（250oC）,则控制变频调速装置，提高电机速度，增长进入高

压溶出器的矿浆流量（每提高loC,则增长矿浆流量0.5%）,以保证溶出温度的

稳定。矿浆经1〜9溶出器后，形成一定的压差，为了保证正常生产，压差应尽量

稳定在0.2MPa左右。溶出器需要监测的量有:1#~9#溶出器的压力PT401-PT409

以及就地仪表显示欧I量PI401~P14（）9⑶。

3.2.3自蒸发器

自蒸发器的作用重要是回收热量。它由五个高压罐构成，各级压力逐渐减少,

由2.0~2.2Mpa下降到。.2Mpa。在压力下降的过程中，蒸汽会从矿浆中逸出。其

产生的蒸汽称为乏汽。图3-3是自蒸发器日勺示意图。

不同压力的乏气被送至双程预热器用作加热矿浆，如下所示：

1#自蒸发器一4#双程预热器

2#自蒸发器——3#双程预热器

3#自蒸发器——2#双程预热器

4#自蒸发器一1#双程预热器

图3-3自蒸发器

为了既允足运用乏汽又保证自蒸发器正常，况，选择自蒸发器压力作为监测

量。自蒸发器需要监测的量有：自蒸发器各级日勺压力PT501-PT505；同步尚有

就地显示仪表PI501〜PI505,需要控制的压力PC,不能过高亦不能过低。

氧化铝高压溶出二序蒸发器压力控制系统分为I#~V#自蒸发器的分步控

制，通过这五步H勺控制使压力由2.0~2.2Mpa降到0.2Mpa。矿浆由I#自蒸发器

进入，通过调节蒸汽流量来控制自蒸发器的压力。给定日勺矿浆流量值通过调节蒸

汽来达到所规定的I#自蒸发器的出口压力值。之后矿浆进入到H#自蒸发器，经

调节最后由V#自蒸发器流出，此时压力为所需要日勺值。压力H勺控制精度应为：

+0.1Mpa。自蒸发器日勺压力控制可以通过控制蒸汽日勺流量来调节压力的变化，用

压力变送器来检测压力并返回控制。

3.2.4蒸发缓冲器

蒸汽缓冲器用丁存储高压蒸汽，给1#溶出器和2#溶出器提供加热蒸汽。其高

压蒸汽一般为2.4Mpao它有稳定加热蒸汽压力日勺作用。

为了避免蒸汽缓冲器的矿浆倒流，其进口压力必须为3.3MPa,出口压力为

3.15MPa,若蒸汽缓冲器的进出口压力减少了0.05MPa,则给出报警信号。

蒸汽缓冲器需要监视的量有：TT301和PT301；就地显示的量有：TI301和

PI301o

蒸汽缓冲器中的蒸汽来自锅炉房（热电厂）。有新蒸汽Z2、Z3加入。此处

需要监测蒸汽的流量FT101和FT102（此处监测蒸汽流量重要是为了与锅炉房输

出日勺流量作比较，用作蒸汽费用凭证）。新蒸汽的压力是由电动阀门的开度来调

节网。

图3-4蒸汽缓冲器

42#自蒸发器压力控制系统设计

4.1方案论证

对于2#自蒸发器，其进料为1#自蒸发器卸出的高温泥浆，泥浆中H勺水在2#

自蒸发器内蒸发产生大量的蒸汽，使得2#自蒸发器内形成高压。通过控制蒸汽排

出阀门口勺开度，从而控制蒸汽排出口勺流量，达到控制自蒸发器内压力口勺目口勺。为

了维持罐内恒定的压力（1.7Mpa+0.1Mpa）,就得根据罐内实时的压力来不断调

节阀门开度，由此构成--种简朴的I单回路负反馈控制系统。然而，进料泥浆日勺流

量是随机变化的，罐内压力日勺变化会随着进料流量的变化而变化日勺，这样就使得

进料流量成为一种较大的扰动，且该扰动可测不可控。为了克服这一干扰对系统

H勺影响，我们引进前馈控制。

图4-1前馈控制系统方原理框图

前馈控制系统的基本原理是测取进入过程的干扰(涉及外界干扰和设定值的

变化)，并按信号产生合适的控制作用去变化操纵量，使受控变量维持在设定值

±o前馈控制系统的原理方框图如图4-1所示。

系统的传递函数正表达为兴2=Gs(s)4-Gff(s)Go(s)

QIA

式中：Gd(s)、Go[s)分别表达对象干扰通道却控制通道的传递函数，Gff(s)

为前馈控制器的I传递函数。系统对干扰Q实现所有偿日勺条件是：当Q(s)#)时，

0(s)=Oo于是有Gff(s)二埒需o

满足上式的前馈补偿装置使受控变量不受Q变化的影响。图4-2表达了这种

全补偿过程。

(a)前馈阶跃干扰示意图(b)调节与扰动示意图

图4-2前馈控制系统仝补偿过程示意图(a)和(b)

在Q阶跃干扰下，调节作用00和干扰作用0d的响应曲线方向相反，幅值

相似，因此它们日勺合成成果可使e达到抱负的控制，且维持在恒定H勺设定值上。

前馈控制是开环控制，测量的是干扰量，只能克服所测量的干扰量，因此单

纯口勺前馈控制是不可行口勺。反馈控制测量的是被控变量，是闭环控制，能克服所

有干扰。

因此可以将前馈控制和反馈控制结合起来，构成前馈-反馈控制系统，这样

既发挥了前馈校正作用日勺及时性，又保持了反馈控制能克服多种扰动及对受控变

量最后校验日勺长处，是一种可行日勺控制方案。

4.1.1总体设计方案

根据前馈-反馈控制系统的设计原则，再结合控制目日勺(2#自蒸发器罐内日勺

压力)的特点，选择进料湿浆的流量为前馈控制日勺测量对象，自蒸发器内的压力

为受控变量，排出乏汽的流量(阀门开度)为操纵量。2#自蒸发器口勺压力前馈-

反馈控制系统总体设计方案如图4-3所示。

乏汽

►出料泥浆

图4-32#自蒸发器的压力前馈-反馈控制系统设计方案

4.1.2原理方框图

根据图4-3所示的总体设计方案，得到2#自蒸发器日勺压力前馈-反馈控制系

统日勺原理方框图如图4-4所示:

图4-42#自蒸发器的压力前馈-反馈控制系统原理方框图

在图4-4中，Gd(s)>Gc(s)、Gff(s)、Go(s)分别为干扰通道、反馈控制器、

前馈控制器和控制通道H勺传递函数。F为扰动，即进料流量扰动，Y为被控变量,

即2#自蒸发器罐内压刀，R为设定值。

4.2硬件设计

在2#自蒸发器日勺压力前馈.反馈控制系统中，用到日勺硬件有变送器（压力测

量变送器PT、流量测量变送器FT）、控制器（反馈控制器PC、前馈控制器FFFC）

和控制阀（蒸汽阀门）。

4.2.1变送器

1.压力测量变送器PT

高温泥浆经由1#自蒸发器进入2#自蒸发器，泥浆中的水蒸发产生日勺水蒸汽

使得2#自蒸发器罐内产生压力。1#自蒸发器已经将压力控制到2.0〜2.2Mpa,因

此2#自蒸发器罐内的最大压力不会超过此值。再根据控制目的（2#自蒸发器

罐内压力维持在1.7Mpa±0.1Mpa）,可以得出选择压力变送器PTM、J原则：

（1）测量介质为水蒸气，使用的环境为高温且有较强日勺腐蚀性；

（2）测量精度规定一般；

（3）测量范畴为低压力（小于4Mpa）,即l.OMpa〜2.5Mpa。

据此，选择电容式差压变送器。电容式差压变送器是先将差压（压力）转换

为电容量的变化，再将电容量口勺变化转换为原则电流输出。其构造紧凑、电路独

特，在工业中得到了广泛的应用。差动电容与被测差压之间的关系为：

设测量膜片在差压AP日勺作用下变形，其衷心移动距离为AP,由于位移很

小，可近似觉得两者呈线性比例关系，即Ad=KiAp=Ki（pLp2）

K,VO

两个电容C1和C2可分别写成。翔演

式中，K2是由电容器极板面积和介质电系数决定时。

p日后C2-C1AdKlAp吐

于正有=而二d（）二七Ap

式中，K3=Ki/do为综合常数。由上式可知，测量电路将电容变化妆换位电压

或电流。压力测量变送器PT选型见表4-1所示。

表4-1压力测量变送器PT选型

序号名称型号及规格生产厂家数量

1智能电磁流量计MK-LED-D400T2K2江苏金湖万科公司1

2差压变送器WK-EI1OA江苏金湖万科公司1

3电动单座调节阀ZCA-2上海巨良电磁阀公司1

2.流量测量变送器FT

流量测量变送器FT测量的介质是高温矿浆，矿奘的电导率大于lOO^C/cm且具

有较强日勺腐蚀性，应选用电磁流量计。

申.磁流量计运用导电液体通过磁场时在两个固定电极上感应出电动势测量

流速。其测量流量的J公式为Qv=^E=kE其中E=BDv。式中，B为管道内磁

感应强度；D为管道内径；E为与液体接触的两电极间产生的感应电动势；v为

管内流体的平均流速；K称为仪表系数。可见流量与感应电动势的大小成正比。

电磁流量计时长处是在管道内不设任何节流元件，因此，可以测量多种高粘

度日勺导电液体，特别适合测量尚有纤维和固体颗粒的J流体。精度可达（）.5级⑸。

4.2.2控制器

由于控制方案是前馈-反馈控制，因此反馈控制器PC和前馈控制器应选择

FFFC选择计算机控制，这样更容易实现前馈控制器H勺控制规律。

4.2.3控制阀

控制对象为高温（250。0高压（2.0-2.2Mpa）水蒸气，控制阀选择体积小,

流通能力大，技术先逆的直通单座阀，且上阀盖选择散热型。。对于执行机构，

由于电动执行器合用于没有气源或气源比较困难日勺场合及需要大推力、动作敏

捷、信号传播迅速和远距离传送的场合，因此应选择电动执行器。从保证生产质

量H勺角度出发，开关选择电开式。工艺工程重要变化量H勺变化小，S>0.75,流量

特性选择直线特性。控制阀的附件较多，常用的是阀门定位器和继动器，继动器

用于迅速过程需要提高阀门响应速度的场合，因此附件应选择继动器⑹。

4.3控制算法

4.3.1前馈控制器控制算法

（1）前馈控制算法

前馈控制算法对大多数实际工业过程可用时滞加一阶滞后的构造形式，前馈

控制器H勺传递函数为

Gd(s)__KdTos+1-(td-ta)s_,s

Gff(S)=-Go(s)=~KoTds+1eKt,T2s+le

式中，Kff=-嫖是增益项，为一比例环节，T1>T2时具有超前特性，T1=T2

1x0

时正好是比例环节，TKT2时具有滞后特性。

在有些过程控制中，不需要输出信号中的直流分量（即稳态分量），此时可

采用传递函数为前馈控制器。

（2）前馈补偿装置的控制算法

实践证明，相称数量的工业对象具有非周期性和过阻尼日勺特性，因此常常可

用一种一阶或二阶容量滞后，必要时再串联一种纯滞后环节来近似它。

设

1

Go(s)=Gd(s)=-------------e'ls

1十次G）1十ZTG)

则

“7p(5)+1,

L,1++L127

Gff(s)=—kd—e-

1+VG)

①超前滞后环节(如图4-5所示):

图4-5超前滞后环节时等效图

②纯滞后补偿：

TfTi

F而。当a<l时，Tf<TP,为超前补偿；当0>1时，Tf>TP,为滞后补偿。

相应于a<l和a>l的时间特性曲线分别如图4-6和4-7所示。

图4-6超前不长曲线a<l图4-7滞后补偿曲线a>l

由图4-6及图4-7可见，当a<l时，即TfvTP时，前馈补偿带有滞后特性,

合用于对象控制通道滞后（这里的滞后是指容量滞后，即时间常数小于干扰通道

滞后的状况）；而当当a>l时，即Tf>TP时，前馈补偿带有超前特性，合用于

控制通道滞后大于干扰通道滞后日勺状况。

（3）前馈控制器偏置的选择

图4-8前馈反馈控制中偏置值H勺设V.

在正常工况下，扰动变量有输出，因此，前馈控制器也有输出。当构成前馈

反馈控制系统时，反馈信号与正常工况下前馈信号相结合，其数据也许超过仪表

量程范畴，因此采用常规仪表时，应在前馈控制器输出添加偏置信号B,其数据

应等于正常工况下扰动变量经前馈控制器后日勺输出，其符号应抵消正常工况H勺输

出。前馈反馈控制中偏置值日勺设立（偏置信号加入点）如图4-8所示。

偏置信号为B=-KmKdF,式中，Km是前馈信号检测变送环节的增益，Kd

是稳态前馈增益，F是正常工况下扰动变量日勺数值。添加偏置后，正常工况下，

扰动引入的前馈信号与偏置信号抵消，因此，送到执行器日勺信号是反馈控制信号。

当扰动变量变化时，扰动变量引入口勺前馈信号减去偏置值后作为实际的扰动前馈

信号，与反馈信号相加，实现了前馈-反馈控制功能⑺。

（4）前馈控制器的投运和参数整定

①偏置值的I整定

在正常工况下，扰动变量经检测变送和前馈控制器后输出信号的负值作为偏

置值。

②前馈控制系统的投运

前馈控制系统日勺投运一般与反馈控制系统欧I发运相结合。措施一是先投运反

馈控制系统，然后投运前馈控制系统。措施二是反馈控制系统和前馈控制系统各

自投运，整定好参数后再把两者结合。

4.3.2反馈控制器PC控制算法

反馈控制器要实现迅速、无差、稳定的调节应选择PID控制规律。比例控

制(P)是基本的控制方式，自始至终起着与偏差相相应日勺控制作用；添入积分

控制后，可以消除纯比例控制无法消除日勺余差；而添入微分控制，则可以在系统

受到迅速变化干扰的瞬间，及时加以克制，增长系统的稳定限度。在2#自蒸发器

控制系统中，控制介质为气体，时间常数中档，用PI就足够了。

(I)比例积分(PD控制算法

PI调节规律为：

u=Kpc+So［edt；(e+煮［edt)

式中J比例带；TI—积分时间。6和T1是P［调节器的两个重要参数。

①比例积分调节器日勺阶跃响应如图49所示：

在施加阶跃输入的瞬间，调节器立即输出一种幅值为Ae/3的阶跃，然后以

固定速度Ae/3T1变化。当(二11时，调节器的总瑜出为2Ae/b。输出的积分部分

正好等于比例部分。TI可以衡量积分部分在总输出中所占的比重：T1愈小，积

分部分所占日勺比重愈大。

②比例积分调节过程如下图4-1()：

a)负荷变化前(t<t())被控系统稳定，控制偏差为零，调节器输出保持某恒

定值；

b)t=tO时刻，系统负荷发生阶跃变化，P调节立即响应偏差变化，产生正

的跃21变，I调节则从零开始合计偏差。此后，此时在PIH勺共同作用下，调节

的总输出持续增长；

c)在t=tl时刻，系统开始响应，控制偏差开始减小，P调节紧跟着减小，I

调节因偏差仍存在且方向不变，因此继续增长。PI调节H勺综合成果Au也仍持续

增大使控制偏差进一步减小；

d)t=t2时刻，偏差减小至零，P调节作用彻底消失，I调节也停止增长。如

果积分时间足够小，调节器H勺输出将大于所规定H勺值，致使系统产生反向偏差，

也即超调；

e)12〜13阶段，偏差反向，P调节作用反向，I调节作用也由增长变为减小,

PI调节的整体作用体现为减小，直至从超调位置下降到系统规定的作用点，即

图中的t=t3点处，此时偏差从超调处回落到零，系统达到新的平衡⑻。

由上分析，PI调节引入积分动作消除了系统余差，却减少了原有系统的稳

定性。调节过程中日勺超调趋势随比例增益的增大和积分时间日勺减小而增大，因此

PT调节的比例增益要设立得比纯P调节小，对积分时间的设立也应有一定H勺限

制。PI调节在比例带不变口勺状况下，减小积分时间TL将使控制系统稳定性减

少、振荡加剧、调节过程加快、振荡频率升高。

（2）PID控制器参数的整定

①稳定边界法（临界比例度法）

选择纯比例控制，给定值R做阶跃扰动，从较大日勺比例带开始，逐渐减小,

直到被控变量浮现临界振荡为止，记下临界周期Tu和临界比例带Bu,然后按表

4-3-7所示的经验公式计算3、Ti及Td。

表4-2稳定边界法PID参数整定

控制规律8TiTd

P26u————

PI2.26uO.85Tu——

PID1.668u1.50Tu0.13Tu

②动态特性法（响应曲线法）

在系统处在开环的状况下，一方面做被控对象的阶跃曲线，如图4-11所示,

从该曲线上求得对象的纯滞后时间t、时间常数Tu和放大系数K,然后再按表

4-3中欧I经验公式计算3、Ti及Tdo

图4-11响应曲线法参数整定示意图

表4-3响应曲线法参数整定表

TC0.20.2WTW1.5

控制规律

5TiTd8TiTd

Pk/T————26k————

PIl.Ik/T3.3T—2.6k0.8T—

PID0.85k/T2T0.5T26k0.81T+0.9T0.25T

③经验法

若将控制系统按液位、流量、温度、压力等参数来分类，则属于同一类别的

系统，其对象特性往往比