熱工控制系統(tǒng)課堂ppt_第七章_前饋--反饋復合控制系統(tǒng).ppt

第七章 前饋反饋復合控制系統(tǒng),第六節(jié) 帶沖擊負荷鍋爐的給水控制系統(tǒng),第一節(jié) 前饋控制系統(tǒng)的組成,第二節(jié) 前饋控制系統(tǒng)的特點,第三節(jié) 復合控制系統(tǒng)特性分析,第四節(jié) 復合控制系統(tǒng)實例分析 三沖量給水控制系統(tǒng),第五節(jié) 串級三沖量給水控制系統(tǒng)實例分析,第一節(jié) 前饋控制系統(tǒng)的組成,如果干擾已經發(fā)生，而被調參數(shù)還未變化時，調節(jié)器是不會動作的。即反饋控制總是落后于干擾作用。因此稱之為“不及時控制”。,前兩章討論的串級、導前微分系統(tǒng)都是反饋控制，它是根據(jù)被調參數(shù)的偏差值來控制的。,反饋控制的特點:,必須在被調量與給定值的偏差出現(xiàn)后，調節(jié)器才能對其進行調節(jié)來補償干擾對被調量的影響。,在熱工控制系統(tǒng)中，由于被控對象通常存在一定的純滯后和容積滯后，因而從干擾產生到被調量發(fā)生變化需要一定的時間。,從偏差產生到調節(jié)器產生控制作用以及操縱量改變到被控量（被調量）發(fā)生變化又要經過一定的時間。,可見，這種反饋控制方案的本身決定了無法將干擾對被控量的影響克服在被控量偏離設定值之前，從而限制了這類控制系統(tǒng)控制質量的進一步提高。,考慮到偏差產生的直接原因是干擾作用的結果，如果直接按擾動而不是按偏差進行控制，也就是說，當干擾一出現(xiàn)調節(jié)器就直接根據(jù)檢測到的干擾大小和方向按一定規(guī)律去進行控制。,結論：若系統(tǒng)中的調節(jié)器能根據(jù)干擾作用的大小和方向就對被調介質進行控制來補償干擾對被調量的影響,則這種控制就叫做“前饋控制”或“擾動補償”。,由于干擾發(fā)生后被控量還未顯示出變化之前，調節(jié)器就產生了控制作用，這在理論上就可以把偏差徹底消除。,按照這種理論構成的控制系統(tǒng)稱為前饋控制系統(tǒng)，顯然，前饋控制對于干擾的克服要比反饋控制系統(tǒng)及時得多。,當被加熱水流量發(fā)生變化時，若蒸汽量不發(fā)生變化，而要使出口溫度保持不變，就必須在被加熱水量發(fā)生變化的同時改變蒸汽量。這就是一個前饋控制系統(tǒng)。,下面以換熱器為例說明：,前饋控制系統(tǒng)的原理框圖如圖71所示：,換熱器是用蒸汽的熱量加熱排管中的料液，工藝上要求料液出口溫度一定。,圖中， KB：測量變送器的變送系數(shù)；,WDZ(S)：干擾通道對象傳遞函數(shù)；,WD(S)： 控制通道對象傳遞函數(shù)；,WB(S)： 前饋控制裝置或前饋調節(jié)器的傳遞函數(shù)。,第二節(jié) 前饋控制系統(tǒng)的特點,實現(xiàn)對干擾完全補償?shù)年P鍵是確定前饋控制器（前饋調節(jié)器）的控制作用，顯然WB(S)取決于對象控制通道和干擾通道特性。,由圖7-1得:,理想的情況下，針對某種擾動的前饋控制系統(tǒng)能夠完全補償因擾動而引起的對被調量的影響。,式中Z(S)是干擾，Y(S)是干擾引起的輸出。在理想的情況下，經過前饋控制以后，被調量不變，即實現(xiàn)了所謂“完全補償”，此時：,令KB=1則有：,所以,前饋控制器控制規(guī)律為：,(7-1),式（71）說明前饋控制的控制規(guī)律完全是由對象特性決定的，它是干擾通道和控制通道傳遞函數(shù)之商，式中負號表示控制作用的方向與干擾作用相反。,如果WD(S)和WDZ(S)可以很準確測出，且WB(S)完全和式(7-1)確定的特性一致，則不論干擾信號是怎樣的形式，前饋控制都能起到完全補償?shù)淖饔茫瑥亩贡徽{量因干擾而引起的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)偏差均為零。,第三節(jié) 復合控制系統(tǒng)特性分析,正如前面所述，前饋控制能依據(jù)干擾值的大小在被調參數(shù)偏離給定值之前進行控制，使被調量始終保持給定值。,這樣一個看起來相當完美的控制方式也有其局限性。,首先，表現(xiàn)在前饋控制系統(tǒng)中不存在被調量反饋，即對于補償結果沒有檢驗的手段。因而，當前饋作用并沒有最后消除偏差時，系統(tǒng)無法得知這一信息而將作進一步的校正。,其次，由于實際工業(yè)對象存在著多個干擾，為了補償它們對被調量的影響，勢必設計多個前饋通道，增加了投資費用和維護工作量。,此外，當干擾通道的時間常數(shù)小于控制通道的時間常數(shù)時，不能實現(xiàn)完全補償。,再者，前饋控制模型的精度也受到多種因素的限制，對象特性受負荷和工況等因素的影響而產生偏移，必然導致WD(S)和WDZ(S)的變化,因此一個事先固定的前饋模型不可能獲得良好的控制質量。,工程實際中，為克服前饋控制的局限性從而提高控制質量，對一兩個主要擾動采取前饋補償，而對其它儀器被調參數(shù)變化的干擾采用反饋控制來克服。,以這種形式組成的系統(tǒng)稱為前饋反饋復合控制系統(tǒng)。,前饋反饋復合控制系統(tǒng)既能發(fā)揮前饋調節(jié)控制及時的優(yōu)點，又能保持反饋控制對各種擾動因素都有抑制作用的長處，因此得到廣泛應用。,復合控制系統(tǒng)具有以下幾個特點:,一、引入反饋控制后，前饋控制中的完全補償條件不變,圖72為前饋反饋復合控制系統(tǒng)的原理方框圖：,由圖可得,沒有加入反饋作用時完全補償條件為：,加上反饋后有：,上式中,X(S)=0,Z(S)0,應用不變性原理有：,即：,而如果不加前饋作用,即若WB(S)=0，顯然：,由于WDZ(S)0，因此擾動對系統(tǒng)輸出是有影響的 。,二、復合控制系統(tǒng)補償控制的控制規(guī)律不僅與對象控制通道和干擾通道有關，還與反饋調節(jié)器的位置有關,若復合控制系統(tǒng)的組成如圖73所示，反饋調節(jié)器與圖72相比，不是放在前饋信號前面，而是放在它的后面，則有：,可得完全補償?shù)臈l件：,由圖7-3得：,三、復合控制時，擾動對輸出的影響要比純前饋時小得多,為便于比較，設系統(tǒng)為定值控制，即X(S)=0，專門討論擾動Z(S)對系統(tǒng)的影響。因為前饋控制不可能完全補償，即Y(S)的第二項不可能完全為零，令其為(S)，那么，純前饋控制時：,加入反饋后則：,因為1+WT(S)WD(S)1，所以： Y1(S)Y1(S),對于其他未經過補償?shù)臄_動作用也有類似的結果。,四、前饋補償對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性沒有影響,這一點是顯而易見的，因為前饋無論加在什么位置，它都不構成回路，系統(tǒng)的輸入輸出傳遞函數(shù)的分母均保持不變，因而不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。,第四節(jié)復合控制系統(tǒng)實例分析 三沖量給水控制系統(tǒng),一、給水控制的任務,汽包鍋爐給水控制的任務是使給水量適應鍋爐蒸發(fā)量，并使汽包中的水位保持在一定范圍內。具體要求有以下兩個方面：,（1）維持汽包水位在一定范圍內。汽包水位是影響鍋爐安全運行重要因素。水位過高，會破壞汽水分離裝置的正常工作，嚴重時會導致蒸汽帶水增多，因而增加在過熱器管壁上和汽輪機葉片上的結垢，甚至使汽輪機發(fā)生水沖擊而損壞葉片；水位過低，則會破壞水循環(huán)，引起水冷壁破裂 。,（2）保持穩(wěn)定的給水量。給水量不應該時大時小地劇烈波動,否則，將對省煤器和給水管道的安全運行不利。,二、給水控制對象的動態(tài)特征,影響水位的因素主要有：鍋爐蒸發(fā)量（負荷D），給水量G，爐膛熱負荷（燃燒率M），汽包壓力。,控制系統(tǒng)的物質平衡方程為：,將上式進一步變換得：,令 ，則上式變?yōu)椋?容量系數(shù)是用來表征鍋爐的結構系數(shù)的，而它的動態(tài)特性則往往用飛升速度或飛升時間來表征。,對于汽包爐來說，由飛升速度的定義知：,把擾動量即水位變化量轉成用相對量表示的水位變化范圍，通常的水位允許變化范圍為200mm，這個范圍擾動量的相對極限制為100%。上式中:,右邊一項表示汽包內工質的變化量，當給水量0，而蒸發(fā)量為最大時，變化量最大，因此有：,可見這時的擾動量是下降的。故有：,式中:：,Dmax 鍋爐最大的蒸發(fā)量；,Hmax水位變化允許的范圍。,飛升時間Ta為：,對于蒸發(fā)量為100230t/h的單汽包爐，當水位變化100mm時Ta60-30s，對于蒸發(fā)量為更大的汽包爐Ta30s，它的意義在于當鍋爐在滿負荷運行時，如果突然停止供水，則由于蒸發(fā)量和給水量的不平衡造成水位迅速下降，在30s內將下降200mm或者換句話說，如果給水量減少10 %，經過30s的時間，水位將下降20mm。,下面分別討論各種擾動下水位變化的動態(tài)特性。,（一）給水量擾動下水位變化的動態(tài)特性,圖7-4中曲線1為沸騰式省煤器情形下水位動態(tài)特性。曲線2則是非沸騰式省煤器時的水位動態(tài)特性。,水位在給水擾動下的傳遞函數(shù)可表示為：,水位對象可近似認為是一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)的形式。用一階近似表示時：,（二）蒸汽流量擾動下水位的動態(tài)特性,如果只從物質平衡的角度來看，蒸發(fā)量突然增加時，蒸發(fā)量高于給水量，汽包水位是無自平衡能力的，所以水位應該直線下降，如圖7-5中所示那樣。,其原因負荷增加，在汽水循環(huán)回路中蒸發(fā)強度也將成比例增加，水面下汽包的容積增加得也很快，此時燃燒量M還來不及增加，汽包中汽壓下降，汽泡膨脹，使汽泡體積增大而水位上升。,但實際水位是先上升再下降，這種現(xiàn)象稱為“虛假水位”現(xiàn)象，如圖中H(t)所示。,如圖7-5中曲線H2(t)所示。在開始的一段時間H2(t)的作用大于H1(t)。當過了一定時間后，當汽泡容積和負荷相適應而達到穩(wěn)定后，水位就要反映出物質平衡關系而下降。,因此，水位的變化應是上述兩者之和,即：,傳遞函數(shù)也為兩者之代數(shù)和：,（三）爐膛負荷擾動下水位變化的動態(tài)特性,此處的爐膛負荷擾動即是指燃料量M的擾動。,燃料量增加時，鍋爐吸收更多的熱量，使蒸發(fā)強度增大，如果不調節(jié)蒸汽閥門，由于鍋爐出口汽壓提高，蒸汽流量也增大，這時蒸發(fā)量大于給水量，水位應下降。,當蒸發(fā)量與燃燒量相適應時，水位便會迅速下降，這種“虛假水位”現(xiàn)象比蒸汽量擾動時要小一些，但其持續(xù)時間卻更長。,為了保證汽壓的穩(wěn)定，燃料量和蒸發(fā)量必須保持平衡，所以這兩者往往是一起變化的，只是先后的差別。,但由于在熱負荷增加時蒸發(fā)強度的提高，使汽水混和物中的汽泡容積增加，而且這種現(xiàn)象必然先于蒸發(fā)量增加之前發(fā)生，從而使汽包水位先上升，引起虛假水位”現(xiàn)象。,影響水位的因素除此之外，還有給水壓力，汽包壓力，汽輪機調速汽門開度，二次風分配等。,不過這些因素幾乎都可以用D、M、G的變化體現(xiàn)出來。,給水擾動是內擾，其他是外擾 。,三、給水自動控制系統(tǒng)的基本要求,根據(jù)上述給水控制系統(tǒng)對象動態(tài)特性的分析，給水控制系統(tǒng)應符合以下基本要求：,其次，由于對象在蒸汽量D 擾動下，水位階躍反應曲線表現(xiàn)相互有“虛假水位“現(xiàn)象，這種現(xiàn)象反應速度比內擾快，為了克服”虛假水位“現(xiàn)象對控制的不利影響，應考慮引入蒸汽流量的補償信號。,首先，由于被控對象在給水量G 擾動下的水位階躍反應曲線表現(xiàn)為無自平衡能力，且有較大的遲延，因此必須采用帶比例作用調節(jié)器以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。,第三，給水壓力是有波動的，為了穩(wěn)定給水量，應考慮將給水量信號作為反饋信號，用于及時消除內擾。,四、前饋反饋三沖量給水控制系統(tǒng),但由于流量G對水位H的影響，其遲延要比蒸汽量D對H的影響要大，用H作為反饋信號去控制不夠及時，使得其動態(tài)偏差增大。,前饋反饋復合控制系統(tǒng)能補償由于外擾D引起的水位變化，克服虛假水位的影響，改善了控制品質，比單沖量反饋控制要優(yōu)越的多。,為了克服這一不足，引入另外一個反饋信號即給水流量信號，構成一個新型的復合控制系統(tǒng)，稱作前饋反饋三沖量給水控制系統(tǒng)。,（一）系統(tǒng)結構,前饋反饋三沖量給水控制系統(tǒng)的原理框圖如圖7-6所示，因為系統(tǒng)中只用了一個調節(jié)器，而調節(jié)器的輸入有三個，因此稱之為單級三沖量給水控制系統(tǒng)。,這種系統(tǒng)與雙沖量系統(tǒng)相比，多了一個流量反饋信號，給水量G發(fā)生變化時，流量信號自然要比水位信號快得多。,（二）調節(jié)器正反作用開關及入口信號接線極性,圖7-6中各信號接入調節(jié)器的極性：,水位H上升時（VH下降）調節(jié)器應關小閥門，是負反饋，所以信號VH 的極性為“正接”；,當蒸汽量D 增大時(VD 也增大)nDVD也增大，調節(jié)器應開大閥門，所以nDVD 的極性應是“正接”；,當給水流量增大時（VG也增大） nGVG 也增大，調節(jié)器應關小閥門，是負反饋，所以nGVG的極性應是“反接”。,內部給定信號Vg 與水位信號VH 相平衡，VH 極性為“正”，則Vg的 極性為“負”。,（三）控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性,參照圖7-6，設調節(jié)器采用PI 調節(jié)規(guī)律，靜態(tài)時,輸入增量為0,輸出為定值，即有如下關系：,上式可變?yōu)椋?Kg 為將給定值電壓Vg轉化成給定水位HG的轉換系數(shù)；,IH = -H H,H為水位測量變送器傳遞系數(shù)，負號表示與VH變化方向相反；,Ig = KgHg,IG =GG G 為給水流量測量變送器的傳遞系數(shù)；,所以上式可變?yōu)椋?HHKgHgnDDD nGGG,ID =DD D 為蒸汽流量測量變送器的傳遞系數(shù)；,若忽略排污則有GD，上式變?yōu)椋?當D=D0，H=Hg 時可得：,式7-1與式7-2相減得：,依據(jù)上式可有以下三個結論：,(1) 時,HHg，為無差調節(jié)。,(2) 時,越大,H與Hg負差值越大。這是一根向下特性曲線。,(3) 時,D越大,H與Hg正差值越大。這是一根向上的特性曲線。,（四）控制系統(tǒng)的參數(shù)整定：,以給定值Vg為基值，考慮增量情況，V=VH+VD ，這時可把它當作一單回路來分析。如果把調節(jié)器分壓系數(shù)以外的環(huán)節(jié)看作是調節(jié)對象,那么廣義調節(jié)對象：,內回路等效圖如下:,是一個近似的比例環(huán)節(jié)，因此調節(jié)器的比例帶和積分時間都可以取得很小，具體值可以通過試探法來決定，以保證內回路不振蕩為目的。,一般取積分時間Ti=10s,試探過程中可任意設定nG值,得到一滿意比例帶,再次改變nG值,改變時必須保持nG/保持不變,即保證內回路的開環(huán)放大系數(shù)不變。,在試探時可將外回路開路,切除水位信號,使VH=0,設置Ti和/nG值,手動操作給水閥門,使給水量產生一個階躍變化后立即投入自動,觀察給水量過渡過程曲線形狀,能快速穩(wěn)定即可。,主回路中 為快速副回路的等效環(huán)節(jié)，把WD1(S)和 H看作一個等效調節(jié)器所控制的對象，則：,主回路方框圖如下所示:,從內、外回路的比例帶來看，給水流量的分流系數(shù)nG對內外回路的影響正好是相反的，nG若增大，主回路穩(wěn)定性增強，副回路則減弱，反之則情況相反。,另外，WD1(S)的對象特性可用試驗方法測得，它實際上就是水位在G 擾動下，IH 的變化曲線，從曲線上可求出飛升速度，遲延 ，則：,而 則是一個常數(shù),這是一個等效比例調節(jié)器，比例帶：,前饋部分對系統(tǒng)穩(wěn)定性沒有影響，因此在整定前饋通路時可以獨立考慮：,把WB(S)和WT(S)的值代入得：,整定的實質就是確定分壓系數(shù)nD的值。,由上式可知：nD為一復雜的動態(tài)環(huán)節(jié)，一般按靜態(tài)特性整定，即要求在負荷不同的情況下，水位均無靜差，如前，其條件為：,通常有：,故：,（3）根據(jù)無靜差要求，整定nD 值，使 。,（2）根據(jù)水位在內擾時的動態(tài)特性，整定外回路等效調節(jié)器的比例帶，即確定nG值，在改變值nG時，要保證已整定好的比值/nG不變。,綜上所述，我們可以得出前饋反饋三沖量給水系統(tǒng)的整定步驟：,（1）按照迅速消除內擾、穩(wěn)定給水量的要求用試湊法整定內回路PI調節(jié)器的比例帶/nG值和積分時間Ti值。,第五節(jié) 串級三沖量給水控制系統(tǒng)實例分析,串級三沖量給水控制系統(tǒng)的原理圖如下圖7-7所示 ：,這個系統(tǒng)中使用了兩個調節(jié)器，構成串級控制系統(tǒng)。如圖示，這個系統(tǒng)也有三個回路：即I為副回路，II為主回路，III為前饋回路。,下面討論主、副調節(jié)器的參數(shù)整定問題：,為保證被調量無靜差，主調節(jié)器采用PI控制規(guī)律，副調節(jié)器采用PI 或P 控制規(guī)律，副調節(jié)器接受三個輸入信號，信號之間有靜態(tài)配合問題，但系統(tǒng)的靜態(tài)特性由主調節(jié)器決定，因此蒸汽流量信號并不要求與給水流量信號相等。,副回路的作用主要為快速消除內擾，主回路用于校正水位偏差，而前饋通路則用于補償外擾，主要用于克服虛假水位現(xiàn)象。,（1）副回路與單級情況一樣，可看作是一個隨動系統(tǒng)，把調節(jié)閥和管道系統(tǒng)作為被調對象，則作為Kf 以外的環(huán)節(jié)都作為等效調節(jié)器。,上式表明，副回路的等效調節(jié)器也可看作一個PI 規(guī)律的調節(jié)器。,若 的PI調節(jié)規(guī)律，則：,式中：2為副調節(jié)器的比例帶；Ti2為副調節(jié)器的積分時間。,（2）主回路整定是建立在副回路可以等效為一個快速比例環(huán)節(jié)基礎上。把WD1(S)看成是被控對象，其余的環(huán)節(jié)可看成是等效調節(jié)器，則：,若：,也是一個PI規(guī)律的調節(jié)器：,（3）前饋通路中nD的選擇是基于“虛假水位” 情況而定的。前饋通路中完全補償條件為：,若前饋通道的設計只考慮靜態(tài)補償，且WD1(S) 與WD2(S)的靜態(tài)比值為一常數(shù)K，則有：,其中K是虛假水位現(xiàn)象決定的常數(shù)，虛假水位現(xiàn)象嚴重時，K值大，反之K值小。負號表示前饋調節(jié)方向與虛假水位方向相反。,在負荷開始變化時,為使蒸汽流量信號更好地補償虛假水位現(xiàn)象,改善負荷擾動時調節(jié)過程質量,一般使蒸汽流量信號大大高于給水流量信號,即令K 1。則：,第六節(jié) 帶沖擊負荷鍋爐的給水控制系統(tǒng),承擔沖擊負荷鍋爐,其給水控制系統(tǒng)主要任務是在適應負荷要求的情況下,盡可能降低水位波動,同時使給水量的波動不過于劇烈。,在一個電網中,如存在帶沖擊負荷的設備（如大型軋鋼廠）,它們將給電網帶來沖擊負荷。,這就需要某些機組頻繁參與調峰,而這種連續(xù)的周期性的大幅度負荷升降會引起汽包壓力及過熱器壓力大幅度變化,造成水位劇烈波動,從而是虛假數(shù)位更為嚴重。,以下所介紹的系統(tǒng)能完成這一任務。,一、給水流量信號加慣性環(huán)節(jié)的三沖量給水控制系統(tǒng),這種系統(tǒng)與單級三沖量控制系統(tǒng)的區(qū)別在于它在給水流量反饋回路中加了一個一階慣性環(huán)節(jié)，所以在分析內回路時有些不同。其原理方框圖如圖7-8所示：,此時內回路不再是一個可以等效的比例環(huán)節(jié)，而是一個比例微分環(huán)節(jié)，形如：,主回路中WD1(S)對象傳遞函數(shù)通常由慣性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)構成，即 ：,等效對象成為一個無遲延無慣性的純積分環(huán)