前馈控制和比值控制

1、5 前馈控制和比值控制Feedforward Control Ratio Control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前馈反馈控制系统换热器的反馈控制换热器的反馈控制TC蒸汽凝液工艺介质cp, RF , T1T2HV, RV假设主要干扰为RF，T1单回路控制的仿真单回路控制的仿真采用串级控制？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！换热器的前馈控制方案换热器的前馈控制方案蒸汽凝

2、液工艺介质cp, RF , T1T2HV, RVFFRF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( )YDFFYCDMY sGsGs Gs GsD s( )( )( )( )YDFFDMYCGsGsGs Gs 开环动态前馈控制的可实现性动态前馈控制的可实现性,)()()(sDDYDDesPsQsGsCCYCCesPsQsG)()()(,1)(sTKsGDMDMDMsFFF

3、FDMYCYDFFCDesPsQsGsGsGsG)()()()()()()(可实现条件可实现条件：（1）QFF(s)阶次 PFF(s)阶次；（2） CD)()()(),()(1)(sQsPKsPsPsQsTsQCDDMFFCDDMFF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。因而，工业系统中常用的动态前馈控制器为sFFFFFFesTsTKsG11)(12举例：换热器的前馈控

4、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( )%( )( )1/DsmDYDFDTsKGseRsT sT hr2( )%( )( )1%MsmMYCVspMTsKGseRsT s%( )/DMDTGsKT hr7.8( )expexp0.5131DYDDDKGsssT ss 2.0( )expexp0.216.31MYCMMKGsssT ss换热器的线性前馈控

5、制（续）换热器的线性前馈控制（续）()1( )1DMsDMFFDTMDKT sGseKKT s %( )4.0/DMDTGsKT hr采用阶跃响应方法测试各个环节的传递函数模型：6.31%( )0.975exp0.331%FFsGsss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：VVFpRHTTRc)(12pVvspFvspVcHKTTRKR/, )(112非线性系统的动态前馈补偿非线性系统的动态前馈补偿)()(sgKsGFFFFFF 对于线性系统，动态前馈控制器可表示成静态与动态两

6、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211()spspVFvRRTTKT1RFT2spRVspkv)()(12sgsg)()(13sgsg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

7、节，无稳定性问题闭环调节，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T2RVRFFCT2spRVspTCT1k1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T2RVRFFCT2spRVspTCT1k1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。VVFpRHTTRc)(12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

8、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。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。溶液配制问题问题：问题：假设NaoH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% NaoH30% NaoHH2OQAQB流量比值控制问题要求要求：QA / QB

9、= 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 AQBQA定比值控制方案IAIBKF2CF1CQBQA单闭环比值控制系统双闭环比值控制系统maxmaxBABAQKKQ比值器的设定1稳态条件稳态条件: IA = I0maxmaxABABQQKQQBAABQQK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)4BIK ImAmaxmax(204)4mA,(204)4mAABABABQQIIQQ令：max2max11AABBQKKQKK2FCQAQBIBIA稳态条件稳

10、态条件:,maxmax2BBAAQQQQKBAABQQK比值器的设定比值器的设定1（续）（续）2(4)4BAIKImA22maxmaxABBAQKKQ比值器的设定222maxmaxABABQQKQQ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)4BIK ImA22maxmax(204)4mA,(204)4mAABABABQQIIQQ乘法器的设定稳态条件稳态条件: IA = I0maxmaxmaxmax164164BAsBABABAQQIQQQKmAQ对DDZ III型仪表, 乘法器的输入输出关系为04 (4)416sBIIImA变比值控制系统maxm

11、axmaxmaxBBAABBAAQQQKKQQQ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444ABIKmAI变比值串级控制蒸汽凝液工艺介质T2RVRFFCT2spRVspTC系统功能系统功能：（3）前馈反馈串级 控制 ？211()spspVFvRRTTK上一节中所采用的前馈控制器：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T2RVRFFCT2spRVspTC1FKR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T2RVRFFCT2spRVsp

12、TCT1k1前馈控制器 南南 阳阳 理理 工工 学学 院院 本科生毕业设计本科生毕业设计 S7-300 PLC中锅炉流量-温度前馈反馈控制设计 姓 名： 王洋洋 指导老师 ： 殷华文 本次设计的中心思想本次设计的中心思想 在夹套锅炉内胆水温度控制中，内胆水温为主控制对象，其本身具有较大的滞后，夹套冷却水是系统的主扰动量。因此一点少量的流量扰动即会对内胆温度产生影响。由于流量为小惯性对象，流量扰动容易测量而不易控制。正因为流量扰动的这个特性我们可以用前馈补偿来消除它对主控变量的影响。温度控制我们用S7-300 PLC中的FB41 PID模块来控制，而前馈补偿叠加在PID运算中。再通过FB43将F

13、B41的输出转换成时间比例脉冲从而控制加热丝，实现温度前馈反馈控制。一、本次设计相关基础知识 （1 1）反馈控制系统：）反馈控制系统：是根据被控量与给定值的偏差工作的,最后达到消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据.又称闭环控制系统。是过控系统中最基本的一种。简称FBC（Feed Back Control） 特点特点 ：对各种扰动均有校正作用。但存在时滞问题，即从发现偏差到采取更正措施之间有时间延迟现象，在进行更正的时候，实际情况可能已经有了很大的变化，而且往往是损失已经造成了。（2 2） 前馈控制系统：前馈控制系统：是按照干扰量的变化来补偿其对被控变量的影响，从而达到被控量完全不受干扰影响

14、的控制方式称为前馈控制，简称FFC（Feed Forward Control），这种控制是一种开环控制。 特点特点 ：基于扰动来消除扰动对被控量的影响；动作“及时” ；但由于前馈控制是一种开环控制,对于补偿的效果没有检验的手段。这样在前馈作用的控制结果并没有最后消除被控变量偏差时，系统无法得到这一信息而做进一步的校正，所以在实际生产过程中是不能单独应用的。二、系统设计（1）设计思想：）设计思想： 为了使控制系统能达到控制要求，在该为了使控制系统能达到控制要求，在该系统中可综合反馈控制和前馈控制两者的优系统中可综合反馈控制和前馈控制两者的优点。将两者结合起来使用，构成前馈反馈控点。将两者结合起来

15、使用，构成前馈反馈控制系统。制系统。 将反馈控制不易克服的主要干扰进行前将反馈控制不易克服的主要干扰进行前馈控制，这样，既发挥了前馈校正及时的特馈控制，这样，既发挥了前馈校正及时的特点，又保持了反馈控制能克服多种干扰并对点，又保持了反馈控制能克服多种干扰并对被控变量始终给与检验的优点。被控变量始终给与检验的优点。（2）设计原理： 前馈反馈控制原理图R(s)N(s)C(s)Gff(s)Gc(s)Gp(s)E(s)三 系统组成部分：（1 1）恒压供水系统）恒压供水系统（由仪表、变频器、磁力泵、压力传感器组成）。（2 2）单闭环恒温部分）单闭环恒温部分（由锅炉、电热丝、控制器，温度传感器组成）。（3

16、 3）前馈补偿部分）前馈补偿部分（由流量传感器、前馈补偿器组成）。软件：SIEMENS S7-300PLC编程软件力控，wincc组态软件硬件：四 S7-300 PLC 程序设计 转化1.模拟信号的采集： 在设计中我们需要采集的模拟量信号有内胆水温度和夹套冷却水的流量信号。温度传感采集的温度模拟信号经过变送器变送成420mA的电流信号送入S7-300PLC的SM331模块。同样流量信号也转换成420mA的电流信号送入S7-300PLC的SM331模块。 2.2.模拟信号的转换：模拟信号的转换：在模拟信号进入SM331后，经过其转换将420mA的模拟信号转换为027648的整数。需要注意的是02

17、7648是整数不是浮点数，在系统存储器中是用一个字来存储。因此经过SM331转换后是存储在PIW里。 程序如下图所示：我们将温度信号从SM331的第3个点引入，流量信号从第4个点引入。两个信号的地址分别为PIW292和PIW294。而经过FC105转换后的数值为浮点数，需要用一个双字来存放。因此转换后的值分别存放在DB41.DBD10和MD20中3.对流量信号的前馈补偿：在加热过程中手动打开电磁阀进行流量干扰。采集的流量信号经过FC106的转换后乘上已确定好的补偿系数Kf，再送到PID的扰动输入“DISV”端。4 4. .信号输出处理：信号输出处理： 在FB41中采用数据块寻址的方式，具体参数

18、地址见DB41数据块，MD12为前馈补偿的引入，LMN端为PID运算的输出这个输出为0100的浮点数。 接下来要将FB41的输出接入脉冲发生器FB43转换成脉冲序列控制继电器的通断。继电器通断控制接触器，从而通过接触器控制加热丝的通断。DB41.DBD72DB41.DBD72为为FB43FB43的输入，的输入，Q0.0Q0.0为为FB43FB43的输出。在程序中的输出。在程序中FB41FB41和和FB43FB43的各个参数在的各个参数在DB41DB41和和DB43DB43中中设置。设置。DB41DB41和和DB43DB43作为两个数据作为两个数据块伴随着块伴随着FB41FB41和和FB43FB

19、43生成。在生成。在DB41DB41和和DB43DB43中每个变量都有各自中每个变量都有各自在数据块存储区的地址，在组态在数据块存储区的地址，在组态软件中也可以通过这些地址检测软件中也可以通过这些地址检测到控制过程中各个值的变化情况到控制过程中各个值的变化情况四、程序调试以及参数整定程序调试以及参数整定 本次设计主要采用力控和wincc组态软件进行上位机监控，在线进行数据的读写和系统的调试。（1）PID参数的整定： PID参数整定的方法很多，概括起来有两大类： 一是理论计算整定法 二是工程整定方法 在实际调试中，只能先大致设定一个经验 值，然后根据调节效果修改 首先关闭微分作用，监控曲线如下图

20、所示： 通过观察稳定时间较长（大约30分钟），温度控制达不到预想的效果。 加入微分作用，监控曲线如下图所示：在各参数不变的条件下加入微分作用，主要起到起到一个提前调节作用，这样能减小热惯性对温度值的影响。通过观察稳定时间明显缩短，大约10分钟。通过多组数据的实验比较，我们得出了一组比较理想的参数 GAIN=18 TI=2min TD=10S 下图是整定后的温度曲线图。（2）进行有无前馈作用的比较）进行有无前馈作用的比较下两图为在施加同一扰动时，有无前馈作用的比较： 无前馈作用 有前馈作用从上面两图可以看出：当加上前馈作用时上升的温度曲线波纹较小，上升比较平稳。说明前馈补偿对外界的流量扰动起到了一定的作用。最后加大外界的流量扰动，实验结果如图