過程控制中的前饋控制系統

前饋控制系統

FeedforwardControl1a上一講內容回顧介紹了串級控制系統的概念與特點；結合控制原理，具體分析了串級系統的抗干擾性能；討論了串級控制系統的設計原則；介紹了串級控制系統的防積分飽和；介紹了串級控制系統的投運。2a課堂提問1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首選串級控制？串級能夠有效抑制副回路中的干擾，因此應選擇能包含最多干擾的那個變量作為副變量？3a控制器的正反作用選擇課堂提問24a試分析串級控制為何能有效抑止二次擾動；試分析串級系統為何能克服副對象和調節(jié)閥的非線性。課堂提問35a課堂提問41、如果加熱蒸汽壓力波動導致單回路控制效果不理想，怎么辦？2、如果工藝介質流量波動導致控制效果不理想，怎么辦？6a內容前饋控制的原理線性前饋控制的設計非線性前饋控制前饋反饋控制系統7a換熱器的反饋控制假設主要干擾為RF，T18a單回路控制的仿真9a采用串級控制？串級控制需要：單回路控制不能滿足要求；可測量的副變量副變量需要滿足：快速反應主要干擾的影響干擾對副、主變量的影響具有因果關系調節(jié)閥對副、主變量的影響具有因果關系NO!無法采用串級控制！10a換熱器的前饋控制方案11a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：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。12a原理分析根據不變性原理，當擾動F(s)變化時，對被控變量無影響，即與擾動變化無關13a靜態(tài)前饋和動態(tài)前饋前饋控制分為靜態(tài)前饋和動態(tài)前饋兩類假設前饋控制器傳遞函數14a舉例：換熱器的前饋控制穩(wěn)態(tài)工作點：T1=20℃，RF=10T/hr，RV=2T/hr，Kv=800，T2=180℃。假設：T2溫度測量變送的量程為100-300℃，RV和RF的量程分別為0~5T/hr和0~25T/hr。15a換熱器的線性前饋控制16a換熱器的線性前饋控制（續(xù)）采用階躍響應方法測試各個環(huán)節(jié)的傳遞函數模型：17a線性前饋控制的仿真有余差18a前饋加反饋控制19a前饋＋反饋控制的仿真20a非線性穩(wěn)態(tài)前饋控制穩(wěn)態(tài)平衡關系：21a非線性系統的動態(tài)前饋補償對于線性系統，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，上式中靜態(tài)前饋部分可由對象的非線性靜態(tài)模型計算得到，而動態(tài)部分同樣可按線性對象處理。22a非線性動態(tài)前饋控制器動態(tài)前饋控制器（g1(s)、g2(s)、g3(s)分別表示RVsp、T1、RF對系統輸出T2的通道特性的動態(tài)部分。）23a①在反饋控制的基礎上，針對主要干擾進行前饋補償。既提高了控制速度，又保證了控制精度。②反饋控制回路的存在，降低了對前饋控制器的精度要求，有利于簡化前饋控制器的設計和實現。③在單純的反饋控制系統中，提高控制精度與系統穩(wěn)定性是一對矛盾。往往為保證系統的穩(wěn)定性而無法實現高精度的控制。而前饋——反饋控制系統既可實現高精度控制，又能保證系統穩(wěn)定運行。復合控制系統具有以下優(yōu)點：24a系統引進前饋控制必須遵循的原則：

1）系統存在頻率高、幅值大、可測不可控的干擾，反饋控制難以克服、控制要求高時；2）控制通道時常大于干擾通道時常，反饋控制不及時，控制質量差；3）主要干擾無法用串級控制使其包含于副回路或副回路滯后過大時；4）盡可能采用靜態(tài)補償而不采用動態(tài)補償。25a前饋控制與反饋控制的比較

前饋控制

反饋控制擾動可測，但不要求被控量可測被控量直接可測超前調節(jié)，可實現系統輸出的不變性（但存在可實現問題）按偏差控制，存在偏差才能調節(jié)（滯后調節(jié)）開環(huán)調節(jié)，無穩(wěn)定性問題閉環(huán)調節(jié)，存在穩(wěn)定性問題系統僅能感受有限個可測擾動系統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，要求已知而且準確對通道模型要求弱，大多數情況無需對象模型對時變與非線性對象的適應性弱對時變與非線性對象的適應性與魯棒性強26a前饋反饋控制方案127a前饋反饋控制方案2特點：可克服對象的非線性，或具有變增益控制器的功能。28a討論引入前饋控制的可能應用場合：常規(guī)反饋控制系統難以滿足要求；干擾可測。應用前饋控制的前提條件：主要干擾可測；調節(jié)閥與被測干擾之間沒有因果關系；干擾通道的響應速度比控制通道慢，至少應接近；干擾通道與控制通道的動態(tài)特性變化不大。29a本章作業(yè)：1.如圖示加熱爐，采用控制燃料氣流量來保證加熱爐出口溫度恒定。1)若進料量是主要擾動且不可控制時，設計合理的控制方案，并作簡要說明。2)當燃料氣閥前壓力是是主要擾動且不可控時，設計合理的控制方案，并作簡要說明。30a31a2.某前饋-串級控制系統如圖所示。已知：求：（1）繪出該系統方框圖。（2）計算前饋控制器的數學模型。3）假定控制閥為氣開式，試確定各控制器的正/反作用。32a3.判斷系統類型33a4.在如圖所示的鍋爐三沖量液位控制系統中，1）三沖量是指哪三個沖量？在圖中畫出控制系統流程圖2）畫出其控制系統方框圖；3）從保護鍋爐的角度，選擇閥門開關型式；4）在圖中標明各環(huán)節(jié)傳函的正負符號；5）確定調節(jié)器的正反作用；6）簡述蒸汽負荷增大時和供水壓力增加時系統分別如何進行調節(jié)。

34a5.分析系統35a課前題目：(15分)如左下圖所示為聚合釜溫度控制系統。試問：（1）這是一個什么類型的控制系統？試畫出它的方框圖；（2）如果聚合釜的溫度不允許過高，否則易發(fā)生事故，試確定控制閥的氣開、氣關型式；（3）確定主、副控制器的正、反作用；（4）簡述當冷卻水壓力變化時的控制過程；（5）如果選擇夾套內的水溫作為副變量構成串級控制系統，請在右下圖畫出它的原理圖，并確定主、副控制器的正、反作用。36a練習題下圖所示的換熱器采用蒸汽加熱工藝介質，要求介質出口溫度達到規(guī)定的控制指