前馈控制与锅炉汽包水位控制课件

前馈控制

与锅炉汽包水位控制戴连奎浙江大学控制学院

2016/05/12前馈控制

与锅炉汽包水位控制戴连奎1前馈控制内容前馈控制的概念线性前馈控制器的设计非线性前馈控制器的设计前馈反馈控制策略小结前馈控制内容前馈控制的概念2问题讨论某一换热器如右图所示，要求采用蒸汽流量RV控制工艺介质的出口温度T2。试依据下列情况设计相应的控制方案：情况#1：工艺介质流量RF

与蒸汽入口压力PV

均比较稳定；情况#2：RF

稳定，而PV

变化频繁；情况#3：RF

变化频繁，而PV

比较稳定；情况#4：RF

与PV

均变化频繁。问题讨论某一换热器如右图所示，要求采用蒸汽流量RV控制工艺3反馈控制与前馈控制方案举例反馈控制方案前馈控制方案反馈控制与前馈控制方案举例反馈控制方案前馈控制方案4前馈控制的一般概念D1(t),…,Dn(t)表示某些可测量、且对被控变量CV影响显著的干扰

前馈控制的基本原理：在这些可测干扰影响CV以前，同时调节操作变量MV以抵消这些干扰的影响，最终使CV维持不变或基本不变。前馈控制的一般概念D1(t),…,Dn(t)表示某些可5线性前馈控制器的设计设计目标：线性前馈控制器的设计设计目标：6线性前馈控制器设计（续）前馈控制器设计公式：设计目标：线性前馈控制器设计（续）前馈控制器设计公式：设计目标：7线性前馈控制器设计（续）(为什么?)前馈控制器设计公式：物理意义分析线性前馈控制器设计（续）(为什么?)前馈控制器设计公式8前馈控制器的类型静态前馈控制与动态前馈控制常见的线性前馈控制器：线性前馈控制与非线性前馈控制前馈控制器的类型静态前馈控制与动态前馈控制常见的线性前馈控制9换热器出口温度

线性前馈控制的仿真结果详见仿真模型…/FFControl/ExHeaterLinearFFC.mdl换热器出口温度

线性前馈控制的仿真结果详见仿真模型…/FFC10非线性静态前馈控制方案静态数学模型非线性静态前馈控制方案静态数学模型11非线性静态前馈控制仿真详见换热器出口温度的前馈仿真模型…/FFControl/ExHeaterStaticFFC.mdl非线性静态前馈控制仿真详见换热器出口温度的前馈仿真模型12前馈控制与反馈控制的比较前馈控制反馈控制相关干扰可测量CV可测量基于干扰操作MV基于CV控制误差操作MV开环，无稳定性问题闭环，稳定性至关重要只有部分干扰可检测全部干扰均通过CV可感受控制通道与相关干扰通道的精确数学模型均需要获得不需要对象的数学模型不适合于非线性、时变系统可适合于非线性、时变系统前馈控制与反馈控制的比较前馈控制反馈控制相关干扰可测量CV13换热器前馈反馈控制方案#1FFC输出初值如何设置？换热器前馈反馈控制方案#1FFC输出初值如何设置？14换热器前馈反馈控制方案#2控制器参数如何整定？换热器前馈反馈控制方案#2控制器参数如何整定？15换热器前馈反馈控制方案#3由于换热器的稳态方程为假设主要干扰来自于PV,RF；如何改善换热器出口温度的控制性能?换热器前馈反馈控制方案#3由于换热器的稳态方程为假设主要干扰16小结可能引入前馈控制的场合

(1)基本的被控变量不可测

(2)基本的被控变量可测，但某些干扰太强以至于反馈控制系统难以满足工艺要求运用前馈控制的条件

(1)主要干扰是可测的

(2)干扰通道的响应速度低于控制通道的响应速度

(3)干扰通道与控制通道的动态特性几乎是不变的，或者是可抵消的小结可能引入前馈控制的场合17前馈控制应用举例

——锅炉汽包液位控制戴连奎浙江大学控制学院

2016/05/12前馈控制应用举例

——锅炉汽包液位控制戴连奎18基本锅炉控制问题设计控制系统以满足（1）安全性： 液位控制、空气/燃料流量比值控制（2）满足用户需求： 蒸汽压力控制（3）有效且经济燃烧

空气/燃料比值稳态时基本不变，动态时空气富裕基本锅炉控制问题设计控制系统以满足19锅炉空燃比控制方案带有O2调节的双交叉控制锅炉空燃比控制方案带有O2调节的双交叉控制20汽包水位控制问题被控变量：汽包水位H(s)操作变量：给水流量F(s)主要干扰：燃烧发汽量与用汽量（基本平衡）D(s)为什么说它是一个困难的控制问题？虚假水位现象汽包水位控制问题被控变量：汽包水位H(s)为什么说它是一21汽包水位对象特性分析干扰通道特性—物理意义分析—控制通道特性近似模型?汽包水位对象特性分析干扰通道特性—物理意义分析—控制通道特性22非最小相位系统及其特性在复平面的右半平面将存在零点，如果具有上述特点的过程称为“非最小相位系统”非最小相位系统及其特性在复平面的右半平面将存在零点，如果具23单冲量控制方案单回路PID控制单冲量控制方案单回路PID控制24双冲量控制方案

问题讨论（1）指出其控制策略?（2）画出其控制方块图（3）选择控制器LC11的正反作用，C2的符号与大小，假设给水阀为气关阀，且C1=1。双冲量控制方案问题讨论25三冲量控制方案问题讨论（1）指出其控制策略?（2）画出其控制方块图（3）选择控制器LC11的正反作用，C2的符号与大小，假设给水阀为气关阀，且C1=1。三冲量控制方案问题讨论26三冲量控制仿真示例三冲量控制仿真示例27三冲量控制的两种简化连接法分析两种连接法对应的控制策略，它们存在什么区别?三冲量控制的两种简化连接法分析两种连接法对应的控制策略，它们28小结锅炉汽包液位控制的难点：控制通道存在非最小相位特性无论是双冲量控制，还是三冲量控制，均引入发汽量（即蒸汽流量）作为前馈信号该前馈反馈控制系统应用成功的关键在于：其前馈模型（进水量=发汽量）简单明确当前馈模型难以建立，或对应的实际过程特性可能变化较大时，前馈控制就难以应用。小结锅炉汽包液位控制的难点：控制通道存在非最小相位特性29下一讲：

多变量系统的耦合与解耦相对增益的概念相对增益矩阵的计算多变量系统CVs与MVs的配对原则基于文块图的线性解耦器设计基于过程机理的非线性解耦器设计应用举例下一讲：

多变量系统的耦合与解耦相对增益的概念30问题讨论对于右图所示的两输入两输出被控系统，被控变量为C、F，操作变量为F1、F2，试设计控制方案。这里假设初态：问题讨论对于右图所示的两输入两输出被控系统，被控变量为C、F31前馈控制

与锅炉汽包水位控制戴连奎浙江大学控制学院

2016/05/12前馈控制

与锅炉汽包水位控制戴连奎32前馈控制内容前馈控制的概念线性前馈控制器的设计非线性前馈控制器的设计前馈反馈控制策略小结前馈控制内容前馈控制的概念33问题讨论某一换热器如右图所示，要求采用蒸汽流量RV控制工艺介质的出口温度T2。试依据下列情况设计相应的控制方案：情况#1：工艺介质流量RF

与蒸汽入口压力PV

均比较稳定；情况#2：RF

稳定，而PV

变化频繁；情况#3：RF

变化频繁，而PV

比较稳定；情况#4：RF

与PV

均变化频繁。问题讨论某一换热器如右图所示，要求采用蒸汽流量RV控制工艺34反馈控制与前馈控制方案举例反馈控制方案前馈控制方案反馈控制与前馈控制方案举例反馈控制方案前馈控制方案35前馈控制的一般概念D1(t),…,Dn(t)表示某些可测量、且对被控变量CV影响显著的干扰

前馈控制的基本原理：在这些可测干扰影响CV以前，同时调节操作变量MV以抵消这些干扰的影响，最终使CV维持不变或基本不变。前馈控制的一般概念D1(t),…,Dn(t)表示某些可36线性前馈控制器的设计设计目标：线性前馈控制器的设计设计目标：37线性前馈控制器设计（续）前馈控制器设计公式：设计目标：线性前馈控制器设计（续）前馈控制器设计公式：设计目标：38线性前馈控制器设计（续）(为什么?)前馈控制器设计公式：物理意义分析线性前馈控制器设计（续）(为什么?)前馈控制器设计公式39前馈控制器的类型静态前馈控制与动态前馈控制常见的线性前馈控制器：线性前馈控制与非线性前馈控制前馈控制器的类型静态前馈控制与动态前馈控制常见的线性前馈控制40换热器出口温度

线性前馈控制的仿真结果详见仿真模型…/FFControl/ExHeaterLinearFFC.mdl换热器出口温度

线性前馈控制的仿真结果详见仿真模型…/FFC41非线性静态前馈控制方案静态数学模型非线性静态前馈控制方案静态数学模型42非线性静态前馈控制仿真详见换热器出口温度的前馈仿真模型…/FFControl/ExHeaterStaticFFC.mdl非线性静态前馈控制仿真详见换热器出口温度的前馈仿真模型43前馈控制与反馈控制的比较前馈控制反馈控制相关干扰可测量CV可测量基于干扰操作MV基于CV控制误差操作MV开环，无稳定性问题闭环，稳定性至关重要只有部分干扰可检测全部干扰均通过CV可感受控制通道与相关干扰通道的精确数学模型均需要获得不需要对象的数学模型不适合于非线性、时变系统可适合于非线性、时变系统前馈控制与反馈控制的比较前馈控制反馈控制相关干扰可测量CV44换热器前馈反馈控制方案#1FFC输出初值如何设置？换热器前馈反馈控制方案#1FFC输出初值如何设置？45换热器前馈反馈控制方案#2控制器参数如何整定？换热器前馈反馈控制方案#2控制器参数如何整定？46换热器前馈反馈控制方案#3由于换热器的稳态方程为假设主要干扰来自于PV,RF；如何改善换热器出口温度的控制性能?换热器前馈反馈控制方案#3由于换热器的稳态方程为假设主要干扰47小结可能引入前馈控制的场合

(1)基本的被控变量不可测

(2)基本的被控变量可测，但某些干扰太强以至于反馈控制系统难以满足工艺要求运用前馈控制的条件

(1)主要干扰是可测的

(2)干扰通道的响应速度低于控制通道的响应速度

(3)干扰通道与控制通道的动态特性几乎是不变的，或者是可抵消的小结可能引入前馈控制的场合48前馈控制应用举例

——锅炉汽包液位控制戴连奎浙江大学控制学院

2016/05/12前馈控制应用举例

——锅炉汽包液位控制戴连奎49基本锅炉控制问题设计控制系统以满足（1）安全性： 液位控制、空气/燃料流量比值控制（2）满足用户需求： 蒸汽压力控制（3）有效且经济燃烧

空气/燃料比值稳态时基本不变，动态时空气富裕基本锅炉控制问题设计控制系统以满足50锅炉空燃比控制方案带有O2调节的双交叉控制锅炉空燃比控制方案带有O2调节的双交叉控制51汽包水位控制问题被控变量：汽包水位H(s)操作变量：给水流量F(s)主要干扰：燃烧发汽量与用汽量（基本平衡）D(s)为什么说它是一个困难的控制问题？虚假水位现象汽包水位控制问题被控变量：汽包水位H(s)为什么说它是一52汽包水位对象特性分析干扰通道特性—物理意义分析—控制通道特性近似模型?汽包水位对象特性分析干扰通道特性—物理意义分析—控制通道特性53非最小相位系统及其特性在复平面的右半平面将存在零点，如果具有上述特点的过程称为“非最小相位系统”非最小相位系统及其特性在复平面的右半平面将存在零点，如果具54单冲量控制方案单回路PID控制单冲量控制方案单回路PID控制55双冲量控制方案

问题讨论（1）指出其控制策略?（2）画出其控制方块图（3）选择控制器LC11的正反作用，C2的符号与大小，假设给水阀为气关阀，且C1=1。双冲量控制方案问题讨论56三冲量控制方案问题讨论（