过程控制工程课件_05_前馈比值控制系统

1、前馈控制系统 Feedforward Control 于玲 浙江大学控制系 2011/04/03 上一讲内容回顾 n介绍了串级控制系统的概念与特点； n结合控制原理，具体分析了串级系统的抗干扰 性能； n讨论了串级控制系统的设计原则； n介绍了串级控制系统的防积分饱和； n介绍了串级控制系统的投运； n介绍了均匀控制的理念。 课堂提问课堂提问1 n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？ n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？ 控制器的正反作用 选择 课堂提问课堂提问2 燃料油调节阀为气开阀 PC控制器为反作用

2、 TC控制器为反作用 n试分析串级控制为何能有效抑止二次扰动； n试分析串级系统为何能克服副对象和调节阀的 非线性。 课堂提问课堂提问3 问题问题 如果加热蒸汽压 力波动导致控 制效果不理想 可否用串级？ 如果工艺介质流 量波动导致控 制效果不理想 可否用串级？ 采用串级控制？采用串级控制？ n串级控制需要： n单回路控制不能满足要求； n可测量的副变量 n副变量需要满足： n快速反应主要干扰的影响 n干扰对副、主变量的影响具有因果关系 n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！无法采用串级控制！ 内 容 n前馈控制的原理 n线性前馈控制的设计 n非线性前馈控制 n前馈

3、反馈控制系统 换热器的前馈控制方案换热器的前馈控制方案 蒸汽 凝液 工艺 介质 cp, RF , T1T2 HV, RVFF RF 假设主要干扰 为RF 前馈控制的思想前馈控制的思想 D1，Dn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。 线性前馈控制方块图线性前馈控制方块图 控制目标： ( ) 0( )( )( )( )0 ( ) YDFFYCDM Y s GsGs Gs Gs D s ( ) ( ) ( )( ) YD FF DMYC Gs Gs Gs Gs 开环 动态前馈控

4、制的可实现性动态前馈控制的可实现性 , )( )( )( s D D YD D e sP sQ sG s C C YC C e sP sQ sG )( )( )(, 1 )( sT K sG DM DM DM s FF FF DMYC YD FF CD e sP sQ sGsG sG sG )( )( )( )()( )( )( 可实现条件可实现条件：（1）QFF(s)阶次 PFF(s)阶次； （2） CD )()()(),()(1)(sQsPKsPsPsQsTsQ CDDMFFCDDMFF 不满足条件时怎么办？ 可实现条件可实现条件：（1）QFF(s)阶次 PFF(s)阶次； （2） 动态前

5、馈控制的可实现性动态前馈控制的可实现性 CD 若条件（2）不满足，可人为令 CD 若条件（1）不满足，可令TDM = 0，而GYD (s)与GYC (s)均用 一阶+纯滞后近似。 工业系统中常用的动态前馈控制器为 s FFFF FF e sT sT KsG 1 1 )( 1 2 举例：换热器的前馈控制举例：换热器的前馈控制 稳态工作点稳态工作点：T1=20， RF=10 T/hr，RV=2T/hr， Kv=800，T2=180。 假设假设：T2温度测量变送的量 程为100-300，RV和RF的 量程分别为0 5 T/hr和0 25 T/hr。 换热器的线性前馈控制换热器的线性前馈控制 2 (

6、)% ( ) ( )1/ Ds mD YD FD TsK Gse RsT sT hr 2 ( )% ( ) ( )1% Ms mM YC VspM TsK Gse RsT s % ( ) / DMDT GsK T hr 7.8 ( )expexp0.5 131 D YDD D K Gsss T ss 2.0 ( )expexp0.2 16.31 M YCM M K Gsss T ss 换热器的线性前馈控制（续）换热器的线性前馈控制（续） () 1 ( ) 1 DM s DM FF DTMD KT s Gse KKT s % ( )4.0 / DMDT GsK T hr 采用阶跃响应方法测试各个

7、环节的传递函数模型： 6.31% ( )0.975exp0.3 31% FF s Gss s 线性前馈控制的仿真线性前馈控制的仿真 有余差 前馈加反馈控制前馈加反馈控制 前馈反馈控制的仿真前馈反馈控制的仿真 非线性稳态前馈控制非线性稳态前馈控制 稳态平衡关系： VVFp RHTTRc)( 12 pVv sp F v sp V cHK TTR K R / , )( 1 12 非线性系统的动态前馈补偿非线性系统的动态前馈补偿 )()(sgKsG FFFFFF 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： 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

8、样可按线性对象处 理。 非线性动态前馈控制器非线性动态前馈控制器 21 1 () spsp VF v RRTT K T1RF T2spRVsp kv )( )( 1 2 sg sg )( )( 1 3 sg sg 动态前馈控制器 （g1(s)、g2(s)、g3(s)分别表示RVsp、 T1、RF对系统输出T2的通道特性 的动态部分。） 前馈控制与反馈控制的比较前馈控制与反馈控制的比较 前前 馈馈 控控 制制 反反 馈馈 控控 制制 扰动可测，但不要求被控量可测被控量直接可测 超前调节，可实现系统输出的不 变性（但存在可实现问题） 按偏差控制，存在偏差才能调节 （滞后调节） 开环调节，无稳定性问

9、题闭环调节，存在稳定性问题 系统仅能感受有限个可测扰动系统可感受所有影响输出的扰动 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弱 对时变与非线性对象的适应性与 鲁棒性强 前馈反馈控制方案前馈反馈控制方案1 蒸汽 凝液 工艺 介质 T2 RV RF FC T2sp RVsp TC T1 k1 前馈控制器 前馈反馈控制方案前馈反馈控制方案2 蒸汽 凝液 工艺 介质 T2 RV RF FC T2sp RVsp TC T1 k1 前馈控制器 特点：可克服对象的非线性，或具有变增益控制器的功能。 21 2 () 1 pFVV

10、VF c RTTH R T RR 讨讨 论论 n引入前馈控制的可能应用场合： n常规反馈控制系统难以满足要求； n干扰可测。 n应用前馈控制的前提条件： n主要干扰可测； n调节阀与被测干扰之间没有因果关系； n干扰通道的响应速度比控制通道慢，至少应接近； n干扰通道与控制通道的动态特性变化不大。 数字数字PID的实现的实现 比值控制比值控制 Ratio Control 于玲 浙江大学控制系 2011/04/03 比值控制内容比值控制内容 n比值控制问题的由来； n常用的比值控制方案与系统结构； n流量比值与比值器参数的关系； n变比值控制。 溶液配制问题溶液配制问题 问题：问题：假设NaoH

11、用量QB和稀释 水量QA可测并且QA可调。如果 QB变化，如何调整以使稀释液 NaoH的浓度为68%左右？ 解决方案解决方案： （1）出口浓度控制； （2）入口流量的比值控制（流 量比值 ？）。 混 合 器 68% NaoH 30% NaoHH2O QAQB 流量比值控制问题流量比值控制问题 要求要求：QA / QB = KAB（比值系数）而QB 为主动流量， QA 为可控量，要求设计一控制系统通过调节QA 以 实现上述比值控制目标。 后 续 装 置 物料 B 物料 A QB QA 定比值控制方案定比值控制方案 IA IB K F2C F1C QB QA 单闭环比值控制系统 双闭环比值控制系统

12、 max max B AB A Q KK Q 比值器的设定比值器的设定1 稳态条件稳态条件: IA = I0 maxmax AB AB QQ K QQ B A AB Q Q K 假设流量测量变送环节为线性对象。 对DDZ III型仪表, 比值器的输入输出关系为 0 (4)4 B IK ImA maxmax (204)4mA,(204)4mA AB AB AB QQ II QQ 令： max 2 max 11 A ABB Q K KQK K2FC QA QB IB IA 稳态条件稳态条件: , maxmax 2 B B A A Q Q Q Q K B A AB Q Q K 比值器的设定比值器的设

13、定1（续）（续） 2( 4)4 BA IKImA 2 2 max max AB B A Q KK Q 比值器的设定比值器的设定2 22 maxmax AB AB QQ K QQ 假设流量测量变送环节为非线性对象。 对DDZ III型仪表, 比值器的输入输出关系为 0 (4)4 B IK ImA 22 maxmax (204)4mA,(204)4mA AB AB AB QQ II QQ 乘法器的设定乘法器的设定 稳态条件稳态条件: IA = I0 max max max max 164 164 BA s BA B AB A QQ I QQ Q KmA Q 对DDZ III型仪表, 乘法器的输 入

14、输出关系为 0 4 (4) 4 16 sB II ImA 变比值控制系统变比值控制系统 maxmax maxmax BBA AB BAA QQQ KK QQQ 存在问题存在问题：物料A的流量回路存在非线性，当物料B的流 量减少时，回路增益增大，有可能使系统不稳定，并可 能出现“除零”运算。 对DDZ III型仪表, 除法器的输 入输出关系为 4 4 4 A B I KmA I 系统功能系统功能变增益串级变增益串级 蒸汽 凝液 工艺 介质 T2 RV RF FC T2sp RVsp TC F KR 1 P F K R 系统功能系统功能前馈串级控制前馈串级控制 蒸汽 凝液 工艺 介质 T2 RV RF F