過程控制工程課件_05_前饋比值控制系統(tǒng)

1、前饋控制系統(tǒng) Feedforward Control 于玲 浙江大學(xué)控制系 2011/04/03 上一講內(nèi)容回顧 n介紹了串級控制系統(tǒng)的概念與特點(diǎn)； n結(jié)合控制原理，具體分析了串級系統(tǒng)的抗干擾 性能； n討論了串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則； n介紹了串級控制系統(tǒng)的防積分飽和； n介紹了串級控制系統(tǒng)的投運(yùn)； n介紹了均勻控制的理念。 課堂提問課堂提問1 n相比反饋控制，串級控制更有效抑制干 擾，因此在控制方案選擇時應(yīng)首選串級 控制？ n串級能夠有效抑制副回路中的干擾，因 此應(yīng)選擇能包含最多干擾的那個變量作 為副變量？ 控制器的正反作用 選擇 課堂提問課堂提問2 燃料油調(diào)節(jié)閥為氣開閥 PC控制器為反作用

2、 TC控制器為反作用 n試分析串級控制為何能有效抑止二次擾動； n試分析串級系統(tǒng)為何能克服副對象和調(diào)節(jié)閥的 非線性。 課堂提問課堂提問3 問題問題 如果加熱蒸汽壓 力波動導(dǎo)致控 制效果不理想 可否用串級？ 如果工藝介質(zhì)流 量波動導(dǎo)致控 制效果不理想 可否用串級？ 采用串級控制？采用串級控制？ n串級控制需要： n單回路控制不能滿足要求； n可測量的副變量 n副變量需要滿足： n快速反應(yīng)主要干擾的影響 n干擾對副、主變量的影響具有因果關(guān)系 n調(diào)節(jié)閥對副、主變量的影響具有因果關(guān)系 NO! 無法采用串級控制！無法采用串級控制！ 內(nèi) 容 n前饋控制的原理 n線性前饋控制的設(shè)計(jì) n非線性前饋控制 n前饋

3、反饋控制系統(tǒng) 換熱器的前饋控制方案換熱器的前饋控制方案 蒸汽 凝液 工藝 介質(zhì) cp, RF , T1T2 HV, RVFF RF 假設(shè)主要干擾 為RF 前饋控制的思想前饋控制的思想 D1，Dn為 可測擾動；u，y 分別為被控對象 的操作變量與受 控變量。 前饋思想前饋思想：在擾動還未影響輸出以前，直接改變操作 變量，以使輸出不受或少受外部擾動的影響。 線性前饋控制方塊圖線性前饋控制方塊圖 控制目標(biāo)： ( ) 0( )( )( )( )0 ( ) YDFFYCDM Y s GsGs Gs Gs D s ( ) ( ) ( )( ) YD FF DMYC Gs Gs Gs Gs 開環(huán) 動態(tài)前饋控

4、制的可實(shí)現(xiàn)性動態(tài)前饋控制的可實(shí)現(xiàn)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 )( )( )( )()( )( )( 可實(shí)現(xiàn)條件可實(shí)現(xiàn)條件：（1）QFF(s)階次 PFF(s)階次； （2） CD )()()(),()(1)(sQsPKsPsPsQsTsQ CDDMFFCDDMFF 不滿足條件時怎么辦？ 可實(shí)現(xiàn)條件可實(shí)現(xiàn)條件：（1）QFF(s)階次 PFF(s)階次； （2） 動態(tài)前

5、饋控制的可實(shí)現(xiàn)性動態(tài)前饋控制的可實(shí)現(xiàn)性 CD 若條件（2）不滿足，可人為令 CD 若條件（1）不滿足，可令TDM = 0，而GYD (s)與GYC (s)均用 一階+純滯后近似。 工業(yè)系統(tǒng)中常用的動態(tài)前饋控制器為 s FFFF FF e sT sT KsG 1 1 )( 1 2 舉例：換熱器的前饋控制舉例：換熱器的前饋控制 穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)：T1=20， RF=10 T/hr，RV=2T/hr， Kv=800，T2=180。 假設(shè)假設(shè)：T2溫度測量變送的量 程為100-300，RV和RF的 量程分別為0 5 T/hr和0 25 T/hr。 換熱器的線性前饋控制換熱器的線性前饋控制 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 換熱器的線性前饋控制（續(xù)）換熱器的線性前饋控制（續(xù)） () 1 ( ) 1 DM s DM FF DTMD KT s Gse KKT s % ( )4.0 / DMDT GsK T hr 采用階躍響應(yīng)方法測試各個

7、環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模型： 6.31% ( )0.975exp0.3 31% FF s Gss s 線性前饋控制的仿真線性前饋控制的仿真 有余差 前饋加反饋控制前饋加反饋控制 前饋反饋控制的仿真前饋反饋控制的仿真 非線性穩(wěn)態(tài)前饋控制非線性穩(wěn)態(tài)前饋控制 穩(wěn)態(tài)平衡關(guān)系： VVFp RHTTRc)( 12 pVv sp F v sp V cHK TTR K R / , )( 1 12 非線性系統(tǒng)的動態(tài)前饋補(bǔ)償非線性系統(tǒng)的動態(tài)前饋補(bǔ)償 )()(sgKsG FFFFFF 對于線性系統(tǒng)，動態(tài)前饋控制器可表示成靜態(tài)與動態(tài)兩 部分： 對于非線性系統(tǒng)，上式中靜態(tài)前饋部分可由對象的非線 性靜態(tài)模型計(jì)算得到，而動態(tài)部分同

8、樣可按線性對象處 理。 非線性動態(tài)前饋控制器非線性動態(tài)前饋控制器 21 1 () spsp VF v RRTT K T1RF T2spRVsp kv )( )( 1 2 sg sg )( )( 1 3 sg sg 動態(tài)前饋控制器 （g1(s)、g2(s)、g3(s)分別表示RVsp、 T1、RF對系統(tǒng)輸出T2的通道特性 的動態(tài)部分。） 前饋控制與反饋控制的比較前饋控制與反饋控制的比較 前前 饋饋 控控 制制 反反 饋饋 控控 制制 擾動可測，但不要求被控量可測被控量直接可測 超前調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出的不 變性（但存在可實(shí)現(xiàn)問題） 按偏差控制，存在偏差才能調(diào)節(jié) （滯后調(diào)節(jié)） 開環(huán)調(diào)節(jié)，無穩(wěn)定性問

9、題閉環(huán)調(diào)節(jié)，存在穩(wěn)定性問題 系統(tǒng)僅能感受有限個可測擾動系統(tǒng)可感受所有影響輸出的擾動 對于干擾與控制通道的動態(tài)模型， 要求已知而且準(zhǔn)確 對通道模型要求弱，大多數(shù)情況 無需對象模型 對時變與非線性對象的適應(yīng)性弱 對時變與非線性對象的適應(yīng)性與 魯棒性強(qiáng) 前饋反饋控制方案前饋反饋控制方案1 蒸汽 凝液 工藝 介質(zhì) T2 RV RF FC T2sp RVsp TC T1 k1 前饋控制器 前饋反饋控制方案前饋反饋控制方案2 蒸汽 凝液 工藝 介質(zhì) T2 RV RF FC T2sp RVsp TC T1 k1 前饋控制器 特點(diǎn)：可克服對象的非線性，或具有變增益控制器的功能。 21 2 () 1 pFVV

10、VF c RTTH R T RR 討討 論論 n引入前饋控制的可能應(yīng)用場合： n常規(guī)反饋控制系統(tǒng)難以滿足要求； n干擾可測。 n應(yīng)用前饋控制的前提條件： n主要干擾可測； n調(diào)節(jié)閥與被測干擾之間沒有因果關(guān)系； n干擾通道的響應(yīng)速度比控制通道慢，至少應(yīng)接近； n干擾通道與控制通道的動態(tài)特性變化不大。 數(shù)字?jǐn)?shù)字PID的實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn) 比值控制比值控制 Ratio Control 于玲 浙江大學(xué)控制系 2011/04/03 比值控制內(nèi)容比值控制內(nèi)容 n比值控制問題的由來； n常用的比值控制方案與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； n流量比值與比值器參數(shù)的關(guān)系； n變比值控制。 溶液配制問題溶液配制問題 問題：問題：假設(shè)NaoH

11、用量QB和稀釋 水量QA可測并且QA可調(diào)。如果 QB變化，如何調(diào)整以使稀釋液 NaoH的濃度為68%左右？ 解決方案解決方案： （1）出口濃度控制； （2）入口流量的比值控制（流 量比值 ？）。 混 合 器 68% NaoH 30% NaoHH2O QAQB 流量比值控制問題流量比值控制問題 要求要求：QA / QB = KAB（比值系數(shù)）而QB 為主動流量， QA 為可控量，要求設(shè)計(jì)一控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)QA 以 實(shí)現(xiàn)上述比值控制目標(biāo)。 后 續(xù) 裝 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 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)

12、 max max B AB A Q KK Q 比值器的設(shè)定比值器的設(shè)定1 穩(wěn)態(tài)條件穩(wěn)態(tài)條件: IA = I0 maxmax AB AB QQ K QQ B A AB Q Q K 假設(shè)流量測量變送環(huán)節(jié)為線性對象。 對DDZ III型儀表, 比值器的輸入輸出關(guān)系為 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 穩(wěn)態(tài)條件穩(wěn)態(tài)條件: , maxmax 2 B B A A Q Q Q Q K B A AB Q Q K 比值器的設(shè)定比值器的設(shè)

13、定1（續(xù)）（續(xù)） 2( 4)4 BA IKImA 2 2 max max AB B A Q KK Q 比值器的設(shè)定比值器的設(shè)定2 22 maxmax AB AB QQ K QQ 假設(shè)流量測量變送環(huán)節(jié)為非線性對象。 對DDZ III型儀表, 比值器的輸入輸出關(guān)系為 0 (4)4 B IK ImA 22 maxmax (204)4mA,(204)4mA AB AB AB QQ II QQ 乘法器的設(shè)定乘法器的設(shè)定 穩(wěn)態(tài)條件穩(wěn)態(tài)條件: IA = I0 max max max max 164 164 BA s BA B AB A QQ I QQ Q KmA Q 對DDZ III型儀表, 乘法器的輸 入

14、輸出關(guān)系為 0 4 (4) 4 16 sB II ImA 變比值控制系統(tǒng)變比值控制系統(tǒng) maxmax maxmax BBA AB BAA QQQ KK QQQ 存在問題存在問題：物料A的流量回路存在非線性，當(dāng)物料B的流 量減少時，回路增益增大，有可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定，并可 能出現(xiàn)“除零”運(yùn)算。 對DDZ III型儀表, 除法器的輸 入輸出關(guān)系為 4 4 4 A B I KmA I 系統(tǒng)功能系統(tǒng)功能變增益串級變增益串級 蒸汽 凝液 工藝 介質(zhì) T2 RV RF FC T2sp RVsp TC F KR 1 P F K R 系統(tǒng)功能系統(tǒng)功能前饋串級控制前饋串級控制 蒸汽 凝液 工藝 介質(zhì) T2 RV RF F