5.前馈控制系统-过程控制(自动化)

1、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？,?,课堂提问,2,T,sp,TC,P,T,m,sp,PC,P,m,进料,u,T,出料,P,v,P,燃料油,作用选择,控制器的正反,课堂提问,3,P,v,T,sp,+,-,D,1,P,+,+,TC,P,sp,+,-,P,m,PC,u,G,v,G,m,2,G,p,2,+,+,G,p,1,T,T,m,G,m,1,?,?,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。,课堂提问,4,

2、蒸汽,H,V,R,V,TC,工艺介质,c,p,R,F,T,1,T,2,凝液,1,、如果加热蒸汽,压力波动导致,单回路控制效,果不理想，怎,么办？,2,、如果工艺介质,流量波动导致,控制效果不理,想，怎么办？,前馈控制系统,Feedforward Control,本讲内容,前馈控制的原理,静态前馈控制,前馈控制系统的动态补偿,前馈反馈控制系统,?,?,?,?,换热器的反馈控制,蒸汽,H,V,R,V,TC,工艺介质,c,p,R,F,T,1,T,2,凝液,假设主要干扰为,R,F,，,T,1,单回路控制的仿真,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

3、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！,换热器的前馈控制方案,蒸汽,FF,H,V,R,V,R,F,工艺,介质,c,p,R,F,T,1,T,2,凝液,前馈控制的思想,D,1,前馈,控制器,对象,y,D,n,u,D,1,，,，,D,n,为,可测扰动；,u,，,y,分别为被控对象,的操作变量与受,控变量。,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。,前馈控制方块图,D,(,t,),干扰通道,G,YD,(,s,),D,m,(,t,),u,(,t,),开环,测量变

4、送,G,DM,(,s,),G,YD,(,s,),G,FF,(,s,),?,?,G,DM,(,s,),G,YC,(,s,),前馈控制器,G,FF,(,s,),控制通道,G,YC,(,s,),被控对象,y,m,(,t,),y(t),控制目标：,Y,(,s,),?,0,?,G,YD,(,s,),?,G,FF,(,s,),G,YC,(,s,),G,DM,(,s,),?,0,D,(,s,),前馈不变性原理,?,动态不变性,：在扰动,d,(,t,),的作用下，被控量,y,(,t,),在整个过渡过程中始,终保持不变，称系统对于扰动,d,(,t,),具有动态不变性，即,Y,(,s,)/,D,(,s,),=,0

5、,（调节过程的动态和稳态偏差均为零，“理想情况”,）。,稳态不变性,：在干扰,d,(,t,),作用下，被控量,y,(,t,),的动态偏差不等于零，而,其稳态偏差为零，即,Y,(0)/,D,(0),=,0,，或者说,y,(,t,),在稳态工况下与扰动,量,d,(,t,),无关。,?,前馈控制系统的几种结构形式,分为静态前馈、动态前馈、前馈反馈控制系统、多变量前馈控制、用计,算机实现前馈控制等。,?,静态前馈控制,?,控制目标,：保证过程输出在稳态下补偿外部扰,动的影响，即实现“稳态不变性”。,?,静态前馈控制方式,：,?,线性静态前馈：,G,(,s,),YD,G,FF,(,s,),?,?,G,Y

6、C,(,s,),s,?,0,?,非线性静态前馈：结合对象静态模型获得前馈控制器结构与参数。,非线性静态前馈控制举例,T,2,sp,前馈,控制器,T,1,R,V,sp,FC,稳态平衡关系：,R,V,蒸汽,c,p,R,F,(,T,2,?,T,1,),?,H,V,R,V,R,F,工艺,介质,T,2,凝液,R,?,1,sp,V,K,v,R,F,(,T,?,T,1,),sp,2,K,v,?,H,V,/,c,p,思考,:,前馈控制器的实现与相关测量仪表的影响,前馈控制算法,假设,T,1,、,T,2,的测量范围为,T,1min,T,1max,、,T,2min,T,2max,R,V,、,R,F,的测量范围为,

7、0,R,V,max,、,0,R,F,max,；而各测量信号,T,1,m,、,T,2,m,、,R,Vm,、,R,Fm,及设定值均为,0 100 %.,sp,R,V,?,1,R,F,(,T,2,sp,?,T,1,),K,v,?,H,V,/,c,p,K,v,R,R,V,max,?,1,sp,Vm,K,v,R,Fm,R,F,max,T,2,min,?,0,.,01,(,T,2,max,?,T,2,min,),T,?,T,1,min,?,0,.,01,(,T,1,max,?,T,1,min,),T,1,m,sp,2,R,sp,Vm,?,R,Fm,1,K,v,R,F,max,R,V,max,T,2,min

8、,?,0,.,01,(,T,2,max,?,T,2,min,),T,sp,2,?,T,1,min,?,0,.,01,(,T,1,max,?,T,1,min,),T,1,m,换热器动态仿真模型,(,参见模,型,/,FFCont,rol/ExHeater,.mdl),静态工作点,: T1=20, R,F,=10 T/hr, R,V,=2T/hr, Kv=800,T2=180,. T2,仪表量程为,100300, R,V,仪表量程为,05 T/hr.,干扰通道纯滞后可忽略,控制通道纯滞后为,2.5 min.,换热器的静态前馈控制器,假设静态工作点为,: T1=20, R,F,=10 T/hr, R,

9、V,=2T/hr, Kv=800,T2=180,. T2,的测量仪表量程为,100 300, R,V,仪表量程为,0, 5 T/hr,，,T1,量程为,0 50, R,F,仪表量程为,0 20 T/hr.,则其,静态前馈控制算法为,R,sp,Vm,?,R,Fm,1,K,v,R,F,max,R,V,max,sp,2,T,2,min,?,0,.,01,(,T,2,max,?,T,2,min,),T,sp,2,?,T,1,min,?,0,.,01,(,T,1,max,?,T,1,min,),T,1,m,?,4,R,Fm,K,v,100,?,2,T,?,0,.,5,T,1,m,换热器静态前馈控制仿真,

10、讨论：分析稳态不变性原理以及系数,Kvm,对前馈控制性能,的影响，,(,参见模型,/,FFControl/ExHeaterStaticFFC.mdl),前馈控制的动态补偿,d,(,t,),G,YD,(,s,),G,FF,(,s,),u,(,t,),G,YC,(,s,),y,(,t,),讨论,：当控制通道与扰动通道的动态特性差异较大时，,需要引入动态补偿。对于线性系统，动态补偿算法为,G,(,s,),YD,G,FF,(,s,),?,?,G,YC,(,s,),K,?,?,YD,K,YC,g,(,s,),YD,?,g,YC,(,s,),这里，,g,YD,(,s,),、,g,YC,(,s,),分别表示

11、通道特性的动态部分，其稳,态增益均为,1,。,非线性系统的动态前馈补偿,对于线性系统，动态前馈控制器可表示成静态与动,态两部分：,G,FF,(,s,),?,K,FF,g,FF,(,s,),K,YC,其中,K,FF,K,?,?,YD,g,(,s,),YD,g,FF,(,s,),?,?,g,YC,(,s,),对于非线性系统，上式中静态前馈部分可由对象的,非线性静态模型计算得到，而动态部分同样可按线性对,象处理。动态前馈补偿的一般形式为,T,1,s,?,1,g,FF,(,s,),?,ex,p(,?,?,s,),T,2,s,?,1,非线性动态前馈控制器,T,2,sp,k,v,R,V,sp,g,g,2,

12、(,s,),3,(,s,),g,1,(,s,),g,1,(,s,),T,1,R,F,动态前馈控制器,（,g,1,(,s,),、,g,2,(,s,),、,g,3,(,s,),分别表示,R,V,sp,、,T,1,、,R,F,对系统输出,T,2,的通道特性,的动态部分。）,T,2,sp,非线性,R,V,sp,R,Vm,蒸汽,FFC,FC,H,V,R,V,T,1,R,F,工艺介,质,c,p,R,F,T,1,T,2,凝液,R,sp,V,?,1,K,R,T,sp,v,F,(,2,?,T,1,),前馈控制与反馈控制的比较,前,馈,控,制,扰动可测，但不要求被控量可,测,超前调节，可实现系统输出的,不变性（但

13、存在可实现问题）,开环调节，无稳定性问题,系统仅能感受有限个可测扰动,对于干扰与控制通道的动态模,型，要求已知而且准确,对时变与非线性对象的适应性,弱,反,馈,控,制,被控量直接可测,按偏差控制，存在偏差才能调节，（滞,后调节）,闭环调节，存在稳定性问题,系统可感受所有影响输出的扰动,对通道模型要求弱，大多数情况无需对,象模型,对时变与非线性对象的适应性与鲁棒性,强,动态前馈控制的可实现性,Q,C,(,s,),?,?,C,s,K,DM,Q,D,(,s,),?,?,D,s,G,YD,(,s,),?,e,G,DM,(,s,),?,G,YC,(,s,),?,e,P,D,(,s,),T,DM,s,?,

14、1,P,C,(,s,),G,YD,(,s,),Q,FF,(,s,),?,(,?,D,?,?,C,),s,G,FF,(,s,),?,?,?,?,e,G,YC,(,s,),G,DM,(,s,),P,FF,(,s,),Q,FF,(,s,),?,?,T,DM,s,?,1,?,Q,D,(,s,),P,C,(,s,),P,FF,(,s,),?,K,DM,P,D,(,s,),Q,C,(,s,),可实现条件,：（,1,）,Q,FF,(,s,),阶次,P,FF,(,s,),阶次；,（,2,）,?,D,?,?,C,不满足条件时怎么办？,动态前馈控制的可实现性（续）,可实现条件,：（,1,）,Q,FF,(,s,),

15、阶次,P,FF,(,s,),阶次；,（,2,）,?,D,?,?,C,若条件（,2,）不满足，可人为令,?,D,?,?,C,若条件（,1,）不满足，可令,T,DM,= 0,，而,G,YD,(,s,),与,G,YC,(,s,),均用,一阶,+,纯滞后近似。因而，工业系统中常用的动态前馈控,制器为,G,FF,(,s,),?,K,FF,T,2,s,?,1,?,?,FF,s,e,T,1,s,?,1,举例：换热器的前馈控制,R,Vm,蒸汽,R,V,sp,FC,H,V,R,V,工艺介,质,c,p,R,F,T,1,T,2,冷凝液,稳态工作点,：,T1=20,，,R,F,=10 T/hr,，,R,，,T2=18

16、0,V,=2T/hr,，,Kv=800,。,假设,：,T2,温度测量变送的量,程为,100-300,，,R,V,和,R,和,0 ,F,的,量程分别为,0 5 T/hr,25 T/hr,。,换热器的线性前馈控制,线性前馈,控制器,R,V,sp,FC,R,V,蒸汽,T,2,m,(,s,),K,D,?,?,D,s,G,YD,(,s,),?,?,e,R,F,(,s,),T,D,s,?,1,%,T,/,hr,R,F,T,1,凝液,R,F,(,t,),工艺,介质,T,2,T,2,m,(,s,),K,M,?,?,M,s,G,YC,(,s,),?,?,e,R,Vsp,(,s,),T,M,s,?,1,%,%,G

17、,DM,(,s,),?,K,DT,%,T,/,hr,干扰通道,G,YD,(,s,),R,F,流量,测量变送,G,DM,(,s,),R,Fm,(,t,),R,V,SP,(,t,),前馈控制器,G,FF,(,s,),控制通道,G,YC,(,s,),被控对象,T,2m,(,t,),换热器的线性前馈控制（续）,G,s,),?,?,K,D,T,M,s,?,1,?,(,?,D,?,?,M,),K,e,s,FF,(,DT,K,M,T,D,s,?,1,采用阶跃响应方法测试各个环节的传递函数模型：,G,s,),?,K,D,T,exp,?,?,?,?,?,?,7.8,YD,(,D,s,exp,?,?,0.5,s,

18、?,D,s,?,1,3,s,?,1,G,?,K,M,T,?,1,exp,?,?,?,2.0,YC,(,s,),M,s,?,?,6.3,s,?,1,exp,?,?,0.2,s,?,M,s,G,DM,(,s,),?,K,?,4.0,%,DT,T,/,hr,G,6.3,s,?,1,%,FF,(,s,),?,0.975,3,s,?,1,exp,?,?,0.3,s,?,%,线性前馈控制的仿真,有余,差,原因,：实际的工业对象会存在多个扰动；受前馈控制模型精度,的限制；用仪表来实现前馈控制算式时，往往作了近似处理。,前馈加反馈控制,+,+,前馈控制器,sp,反馈控制器,y,u,(,t,),过程,y,(,t,),D,(,t,),前馈反馈控制方案,1,T,2,sp,TC,前馈控制器,R,F,k,1,R,V,sp,R,V,FC,蒸汽,T,1,T,2,工艺,介质,凝液,前馈反馈控制方案,2,T,2,sp,TC,c,p,R,F,(,T,2,?,T,1,),?,H,V,R,V,蒸汽,前馈控制器,R,F,k,1,R,V,sp,R,V,FC,T,1,T,2,凝液,工艺,介质,特点：可克服对象的非线性，或具有变增益控制器的功能。,换热器反馈控制系