过程控制第6-2章前馈系统

1、过程控制过程控制 6.2 前馈控制前馈控制 6.2前馈控制前馈控制 6.2.1 前馈控制的工作原理及其特点前馈控制的工作原理及其特点 6.2.2 前馈控制系统的结构前馈控制系统的结构 6.2.3 前馈控制系统的实施与整定前馈控制系统的实施与整定 6.2.4 前馈控制系统的工程应用前馈控制系统的工程应用 蒸汽 TC q，T2 T1 pD , qD - - 干扰 执行器 测量变送 偏差 e z 测量值 给定值 x 控制器 被控变量 对象 pDqT2 T1 qD q：冷物料流量 T2：冷物料温度 pD ：蒸汽压力 qD：蒸汽流量 T1：热物料温度 特点： 1、本质：基于偏 差来消除偏差。 （控制器的

2、动作总 是落后于干扰动作 的发生） 反馈控制特点（例：换热器温度控制系统） 5、控制规律：P、PI、PD、PID（对被控对象的建模可以不需要很精确） 4、引起被控变量发生偏差的一切扰动，均被包 围在闭环中，可消除多种扰动影响。 3、闭环系统存在 稳定性问题。 2、控制不及时。 即使组成闭环系统的 每一个环节都是稳定 的，闭环系统未必稳 定，要进一步分析。 6.2.1 前馈控制的工作原理及其特点 wff q qd Mff T1 T2 冷物料流量q：变化频繁，变化幅值大 主要扰动 测量冷物料流量，通过前馈装置， 控制阀门，即用蒸汽变化补偿由 于进料流量变化对出口温度的影 响。 特点：按扰动而不是按

3、偏差进行控制 1、干扰发生后，被控量还未显现出变化之前，控制器 就产生了控制作用。 2、前馈控制对干扰的克服比反馈控制系统及时及时得多。 前馈控制 前馈控制方案前馈控制方案按干扰量的 变化来提前补偿其对被控变量的 影响（超前控制）超前控制） 。 wff q qd Mff T1 T2 前馈控制 wff(S) wPD(S) wPC(S) + + Td Tc qT1 前馈控制方框图 前馈控制系统的补偿过程 q q T1 TD Tc t t 干扰作用 前馈补偿 补偿结果 如果蒸汽流量大小的改变，能 刚好补偿进料量的变化对被控 变量的影响，就实现了完全补 偿作用。 WPD(s)：干扰通道传递函数 WPC

4、(s)：控制通道传递函数 wff(S) wPD(S) wPC(S) + + Td Tc qT1 前馈控制方框图 WPD(s)、WPC(s)分别为对象干扰通道与控制通道的传递函数。 1( ) ( )( )( ) ( ) PDffPC T S WSWS WS q S q q T1 TD TC t t 对干扰q实现完全补偿的条件： ( ) ( ) ( ) PD ff PC WS WS WS 1( ) ? ( ) T S q S 为0 前馈控制器传递函数： 前馈控制器的控制规律控制规律为对象的干扰通道与控制通道的特对象的干扰通道与控制通道的特 性之比性之比，式中的“负”号表示控制作用与干扰作用的方向

5、相反。 前馈控制系统特点： 局限性： 1、只能实现局部补偿，完全补偿难以实现。 原因：准确地掌握过程干扰通道特性和控制通道特性不容易，因此控制 规律难以准确获得；即使控制规律准确求出，工程上也难以实现。 2、只能克服可测不可控扰动。 3、一种前馈控制只能控制一种干扰。 4.前馈控制器是视对象特性而定的对象特性而定的“专用专用”控制器；不象反馈控 制通用PID算法，前馈控制算法依对象不同而不同。 3. 只能用来克服生产过程中主要的、可测不可控主要的、可测不可控的扰动。 不可控不可控：扰动量和控制量之间相互独立，干扰通道与控制通道之间无 关联，从而控制量无法改变扰动量大小控制量无法改变扰动量大小，

6、即扰动量不可控扰动量不可控。 2. 属于开环控制，不存在稳定性问题（各环节稳定系统稳定）。 控制效果不能通过反馈验证，因此对控制器设计的要求比较严格 。 1. 基于干扰作用的大小进行控制，比反馈控制要及时及时。 前馈控制与反馈控制的比较 6-2-2 前馈控制系统的结构 1.1.静态前馈控制静态前馈控制 2.2.动态前馈控制动态前馈控制 3.3.前馈前馈- -反馈控制反馈控制 4.4.前馈前馈- -串级控制串级控制 ( ) 1 PDs PD PD PD K Wse Ts PDPC TT ( ) 1 PCs PC PC PC K Wse Ts PDPC 12 () piSS q c TTQh (

7、) PD ff PC K Ws K 定义：前馈控制器的输出Mff仅仅是输入量的函数，而与时间因子t无关。 特点：只能有效抑制静态偏差，而不保证其动态偏差 。 适用范围： 1、补偿要求不高或干扰通道与控制通道的动态响应相近。 1.1.静态前馈控制静态前馈控制 例如：换热器温度控制系统中，主物料流量q与进料量温度T2为主要干 扰，忽略热损失。则热量平衡式为： 例如： 若：则： 2、 对于一些较简单的对象，有条件列写有关参数的静态方程时，则 可按照方程求得静态前馈控制方案。 特点：静态前馈控制不用专用调节器，用比例调节器即可，实施十分方便。 Wff q QS Mff T1 T2 Cp物料的比热容 h

8、s蒸气的汽化潜热 12 () p Si S c QqTT h 1i T 出口温度设定值 12 () piSS q c TTQh 静态前馈控制方程式： 静态前馈控制器静态前馈控制器 q QS Mff T1 T2 Cp/hS T1i - FC 静态前馈控制流程原理图 wff(s) wpc(s) wpd(s) F ( ) 1 ( ) 1 PD PC S PD PD PD S PC PC PC K Wse Ts K Wse Ts 2.动态前馈控制 1( ) ( ) ( )1 S PCPD ffff PCPD PD ffPDPC PC TsWS WSKe WSTs K K K 1 1 S PCPD ff

9、 PCPD T sK Ke KT s 静态前馈：动态前馈： 适用场合：扰动变化频繁、动态精度要求高的生产过程。 缺点：控制器结构复杂 ，需要专门的控制装置，参数整定比较复杂。 3. 3. 前馈前馈- -反馈控制反馈控制 及时克服可测的主要扰动对被控变量影响及时克服可测的主要扰动对被控变量影响前馈控制的优点：前馈控制的优点： 反馈控制的优点反馈控制的优点 任何扰动对系统的影响均可消除；任何扰动对系统的影响均可消除； 系统准确性高。系统准确性高。 对不可测扰动或不明扰动无法消除影响对不可测扰动或不明扰动无法消除影响 控制器和对象参数变化影响系统的准确性控制器和对象参数变化影响系统的准确性 前馈控制

10、的缺点前馈控制的缺点 反馈控制的缺点反馈控制的缺点 有偏差才控制有偏差才控制 不能事先规定调节器的输出不能事先规定调节器的输出 将前馈、反馈控制结合可优势互补，扬长避短 前馈克服反馈控制不能及时调节的主要扰动主要扰动，反馈克服 其它扰动其它扰动。 换热器温度前馈-反馈控制系统 （FFC-FBC） Wff q Mff T1 T2 TC QS 前馈-反馈控制方框图 Wff(S)WPD(S) WPC(S) + - Td T1i q T1 WC(S) + 干扰q对被控变量T1的闭环传递函数： 1 ( )( )( ) ( ) ( )1( )( ) PDffPC CPC WSWS WS T S q SWS

11、 WS 1( ) 0 ( ) T S q S ( ) ( ) ( ) PD ff PC WS WS WS 前馈控制器的传递函数： 完全补偿： ( )( )( )0 PDffPC WSWS WS FFC-FBC系统实现完全补偿与开环FFC相同 1 ( )( )( ) ( ) ( )1( )( ) PDffPC CPC WSWS WS T S q SWS WS 前馈-反馈控制系统闭环传递函数： 前馈-反馈控制方框图 Wff(S)WPD(S) WPC(S) + - Td T1i q T1 WC(S) + 单纯前馈控制系统传递函数： 1( ) ( )( )( ) ( ) PDffPC T S WSWS

12、 WS q S 特点：采用了前馈反馈控制后，扰动对被控量的影响为单纯前馈控制的 1 1( )( ) CPC WS WS ，降低对前馈补偿器的精度要求。 前馈前馈- -反馈控制系统优点反馈控制系统优点： 3、负荷变化时，模型特性也要变化，可由 反馈控制加以补偿，因此具有一定自适应能 力。 2、反馈回路的存在，降低了前馈控制模型 的精度要求，为工程上实现比较简单的通用 模型创造了条件； 1、只需对主要的干扰进行前馈补偿，其它 干扰可由反馈控制予以校正； Sp. Wff q Mff T1 T2 TC FC QS WP2(S) WP2(S) Wff(S) WPD(S) WPC(S) + T1i F=q

13、 Y=T1 WC1(S) + WC2(S) 4.前馈-串级控制 蒸汽流量波动较大时， 采用前馈反馈不能 满足控制要求。 换热器温度前馈-串级控制系统 方框图： 2 12 ( )( )( )( ) ( ) ( )1( )( )( ) PDffPPC CPPC WSWS WS WS Y S F SWS WS WS 主变量？ 副变量？ 主要扰动？ 2 12 ( )( )( )( ) ( ) ( )1( )( )( ) PDffPPC CPPC WSWS WS WS Y S F SWS WS WS 式中，WP2为副回路等效对象的传递函数： )()(1 )()( )( 22 22 2 SWSW SWSW

14、 SW PC PC P 串级控制系统中副回路是一个很好的随动系统，可把副回 路近似处理为： 1)( 2 SWP )( )( )()( )( )( 2 SW SW SWSW SW SW PC PD PCP PD ff 前馈控制器的传递函数： 完全补偿： ( ) 0 ( ) Y S F S 可见，无论哪种形式的前馈控制系统，其前馈控制器 的传递函数均可表示为对象的干扰通道与控制通道的特性 之比，并前面加以“负”号。 1. 前馈控制选用原则： 1）若控制系统中控制通道的惯性和迟延较大，反馈控制达 不到良好的控制效果时，可引入前馈控制。 2）系统中存在着经常变动、可测而不可控的扰动。 3）当工艺上要求

15、实现变量间的某种特殊的关系，而需要通 过建立数学模型来实现控制时，可以引入前馈控制。 4）经济实用原则。在决定选用前馈控制方案后，当静态前 馈能满足工艺要求时，就不必选用动态前馈。 6.2.3 前馈控制系统的实施与整定前馈控制系统的实施与整定 1、锅炉单级三冲量给水控制系统 6.2.4 前馈控制系统的工程应用实例 被控变量：汽包液位L反馈控制? 前馈控制? 蒸汽 QD LC 给水 Q 液位 L 前馈反馈控制系统 2、给水流量Q1、蒸汽流量QD选项： 已知：汽包液位是锅炉运行的重要监控参数，维持汽包液位正常是系统运行的 必要条件。 蒸汽 QD FC 给水 Q 液位 L LC 主控制器？副控制器？

16、 2、锅炉串级三冲量给水控制系统图 原油 燃料 3、加热炉出口温度前馈串级控制系统 课程设计学时数：2周(1617周) 题目：1. 水箱液位控制系统； 2. 水箱液位与管道流量串级控制系统； 3. 下水箱液位前馈反馈控制系统； 4. 单闭环流量比值控制系统； 5. 换热器热水出口温度和冷水流量串级控制系统； 6、锅炉温度和换热器前馈反馈控制系统； 7、电加热炉温度控制系统。 过程控制工程过程控制工程课程设计课程设计 安排：各班的学号为1-5的同学完成第1题设计； 学号为6-10的同学完成第2题设计； 学号为11-15的同学完成第3题设计； 学号为16-20的同学完成第4题设计。 学号为21-2

17、5的同学完成第5题设计。 学号为26-30的同学完成第6题设计。 学号为31-以上的同学完成第7题设计。 任务：熟悉A3000过程控制系统，包括控制系统和对象系统两部 分。按照过程控制课程的教学内容，独立设计上述应用系统，实 现以下功能： 1. 输入工艺要求的参数； 2. 根据输入的工艺参数，观察系统的控制运算结果； 3. 修改工艺参数，再次观察系统的控制运算结果； 要求： 1、根据以上功能需求，采用三种控制方案(仪表、可编程、 计算机)中的一种作为控制器，设计过程控制系统； 2、画出系统的流程示意图和系统的结构框图； 3、提供友好的用户界面，方便用户操作。 参考资料： 过程控制工程教材 A3

18、000过程控制实验系统实验指导书。 指导书下载邮箱：dqgcxy_ 密码 1234567 指导老师：杨桦 徐操 范秀香 一、AS3010常规仪表控制系统 包括：一台内给定智能调节仪、一台外给定智能调节仪（百特） 上位机采用组态王与调节仪进行通讯和数据交换。 三种控制方式： 二、AS3020DDC控制系统 包括：研华的ADAM4017、ADAM4024、ADAM4050三个I/O模块。 该系统通过RS485转换网络的网关ADAM4571/4570到以太网， 再将数据传到上位机。 ADAM4017：16位，8通道模拟量输入模块， 上位机使用ADAM UTINITY程序。 ADAM4050有7通道数字量输入，8通道数字量输出。 ADAM4024：4通道模拟量输出混合模块。 输出范围：020 mA，420 mA，10V 三、AS3040PLC控制系统 硬件配置： CPU：S7200 CPU 222 （120240V电源供电，本机 824VDC 数字量输入/6继电器输出） 扩展模块：EM235（模拟量4模拟量输入/1模拟量输出） 上位机采用STEP7 Micro/WIN编程软件 例题：下图所示为用蒸汽加热的贮槽加热器。进料量为q1，其初温为T1； 出料量为q2，温度为T2。生产工艺要求贮